(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元座標系におけるＹ軸まわりのモーメントＭｙおよびＺ軸方向の力Ｆｚを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸上に配置された中心部材と、
Ｚ軸を中心軸として配置された筒状部材と、
第１の座標値Ｚ１を用いたＺ＝Ｚ１なる式で表される第１の接続平面に沿って、前記中心部材と前記筒状部材とを接続する第１の可撓性接続部材と、
第２の座標値Ｚ２を用いたＺ＝Ｚ２なる式で表される第２の接続平面に沿って、前記中心部材と前記筒状部材とを接続する第２の可撓性接続部材と、
を有する基本構造体と、
前記第１の可撓性接続部材および前記第２の可撓性接続部材の少なくとも一方の撓みを検出する検出素子と、
前記中心部材および前記筒状部材の一方を固定した状態において他方に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙおよびＺ軸方向の力Ｆｚを示す電気信号を、前記検出素子の検出結果に基づいて出力する検出回路と、
を備え、
前記基本構造体は、
第１の中心部と、第１の筒状部と、前記第１の中心部の下部外周面と前記第１の筒状部の上部内周面とを接続する第１の接続部と、を有する第１の基本部と、
第２の中心部と、第２の筒状部と、前記第２の中心部の下部外周面と前記第２の筒状部の上部内周面とを接続する第２の接続部と、を有する第２の基本部と、
によって構成され、
前記第１の中心部の下端に前記第２の中心部の上端が接続されており、前記第１の筒状部の下端に前記第２の筒状部の上端が接続されており、
前記第１の中心部および前記第２の中心部の接合体によって前記中心部材が構成され、前記第１の筒状部および前記第２の筒状部の接合体によって前記筒状部材が構成され、前記第１の接続部が前記第１の可撓性接続部材をなし、前記第２の接続部が前記第２の可撓性接続部材をなすことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の力覚センサにおいて、
第１の可撓性接続部材が、中心部材の外周面と筒状部材の内周面との間に形成されたワッシャ状の第１のダイアフラムによって構成され、
第２の可撓性接続部材が、中心部材の外周面と筒状部材の内周面との間に形成されたワッシャ状の第２のダイアフラムによって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の力覚センサにおいて、
第１のダイアフラムおよび第２のダイアフラムの少なくとも一方に、空気抜き孔を設けたことを特徴とする力覚センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の力覚センサにおいて、
第１の可撓性接続部材が、中心部材の外周面の所定箇所と筒状部材の内周面の所定箇所とを接続する複数本の架橋構造体によって構成され、
第２の可撓性接続部材が、中心部材の外周面の所定箇所と筒状部材の内周面の所定箇所とを接続する複数本の架橋構造体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の力覚センサにおいて、
第１の可撓性接続部材が、第１の接続平面上で直交する２軸に沿って配置された４本の架橋構造体によって構成され、
第２の可撓性接続部材が、第２の接続平面上で直交する２軸に沿って配置された４本の架橋構造体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
中心部材がＺ軸を中心軸として配置された円柱状の構造体によって構成され、筒状部材がＺ軸を中心軸として配置された円筒状の構造体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
上面に、第２の筒状部の下端が固着された支持基板を更に備え、
検出回路が、前記支持基板を固定した状態において、第１の中心部に作用した力および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力覚センサ。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
上面に、天地を逆にした基本構造体が載置された支持基板を更に備え、
前記支持基板の上面には、前記基本構造体の第１の中心部の端面が固着されており、
検出回路が、前記支持基板を固定した状態において、前記基本構造体の第２の筒状部に作用した力および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力覚センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の力覚センサにおいて、
支持基板の上面外周部に筒状制御部材が接合されており、
基本構造体の第２の筒状部の外周面には、外方に突き出したフランジ部が設けられており、
前記筒状制御部材の上端面と前記フランジ部の下面との間に第１の空隙部が設けられており、
前記筒状制御部材の内周面と前記第２の筒状部の外周面との間に第２の空隙部が設けられており、
前記第２の筒状部の前記支持基板に対する変位が、前記第１の空隙部および前記第２の空隙部の寸法に応じた範囲内に制御されることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出回路が、中心部材および筒状部材の一方を固定した状態において他方に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘを示す電気信号を、前記検出素子の検出結果に基づいて出力する機能を更に有することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、可撓性接続部材の撓みに応じて応力が加わる所定位置に配置された複数のピエゾ抵抗素子によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、可撓性接続部材の撓みに応じて変位する所定位置に配置された変位電極と、可撓性接続部材の撓みにかかわらず変位が生じない所定位置に配置された固定電極と、を対向電極とする複数の容量素子によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１３】
ＸＹＺ三次元座標系におけるＹ軸まわりのモーメントＭｙおよびＺ軸方向の力Ｆｚを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸上に配置された中心部材と、
Ｚ軸を中心軸として配置された筒状部材と、
第１の座標値Ｚ１を用いたＺ＝Ｚ１なる式で表される第１の接続平面に沿って、前記中心部材と前記筒状部材とを接続する第１の可撓性接続部材と、
第２の座標値Ｚ２を用いたＺ＝Ｚ２なる式で表される第２の接続平面に沿って、前記中心部材と前記筒状部材とを接続する第２の可撓性接続部材と、
を有する基本構造体と、
前記第１の可撓性接続部材および前記第２の可撓性接続部材の少なくとも一方の撓みを検出する検出素子と、
前記中心部材および前記筒状部材の一方を固定した状態において他方に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙおよびＺ軸方向の力Ｆｚを示す電気信号を、前記検出素子の検出結果に基づいて出力する検出回路と、
を備え、
前記基本構造体は、
第１の中心部と、第１の筒状部と、前記第１の中心部の上部外周面と前記第１の筒状部の上部内周面とを接続する第１の接続部と、を有する第１の基本部と、
第２の中心部と、第２の筒状部と、前記第２の中心部の上部外周面と前記第２の筒状部の上部内周面とを接続する第２の接続部と、を有する第２の基本部と、
によって構成され、
前記第１の中心部の下端に前記第２の中心部の上端が接続されており、前記第１の筒状部の下端に前記第２の筒状部の上端が接続されており、
前記第１の中心部および前記第２の中心部の接合体によって前記中心部材が構成され、前記第１の筒状部および前記第２の筒状部の接合体によって前記筒状部材が構成され、前記第１の接続部が前記第１の可撓性接続部材をなし、前記第２の接続部が前記第２の可撓性接続部材をなすことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の力覚センサにおいて、
第１の可撓性接続部材が、中心部材の外周面と筒状部材の内周面との間に形成されたワッシャ状の第１のダイアフラムによって構成され、
第２の可撓性接続部材が、中心部材の外周面と筒状部材の内周面との間に形成されたワッシャ状の第２のダイアフラムによって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の力覚センサにおいて、
第１のダイアフラムおよび第２のダイアフラムの少なくとも一方に、空気抜き孔を設けたことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１６】
請求項１３に記載の力覚センサにおいて、
第１の可撓性接続部材が、中心部材の外周面の所定箇所と筒状部材の内周面の所定箇所とを接続する複数本の架橋構造体によって構成され、
第２の可撓性接続部材が、中心部材の外周面の所定箇所と筒状部材の内周面の所定箇所とを接続する複数本の架橋構造体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の力覚センサにおいて、
第１の可撓性接続部材が、第１の接続平面上で直交する２軸に沿って配置された４本の架橋構造体によって構成され、
第２の可撓性接続部材が、第２の接続平面上で直交する２軸に沿って配置された４本の架橋構造体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１８】
請求項１３〜１７のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
中心部材がＺ軸を中心軸として配置された円柱状の構造体によって構成され、筒状部材がＺ軸を中心軸として配置された円筒状の構造体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１９】
請求項１３〜１８のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
第２の中心部の下端が第２の筒状部の下端よりも下方へ突出する構造をなし、
上面に、前記第２の中心部の下端が固着された支持基板を更に備え、
検出回路が、前記支持基板を固定した状態において、第１の筒状部に作用した力および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力覚センサ。
【請求項２０】
請求項１３〜１９のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出回路が、中心部材および筒状部材の一方を固定した状態において他方に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘを示す電気信号を、前記検出素子の検出結果に基づいて出力する機能を更に有することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２１】
請求項１３〜２０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、可撓性接続部材の撓みに応じて応力が加わる所定位置に配置された複数のピエゾ抵抗素子によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２２】
請求項１３〜２０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、可撓性接続部材の撓みに応じて変位する所定位置に配置された変位電極と、可撓性接続部材の撓みにかかわらず変位が生じない所定位置に配置された固定電極と、を対向電極とする複数の容量素子によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【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、ＸＹＺ三次元座標系における所定座標軸方向の力および所定座標軸まわりのモーメントを検出するセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットをはじめとする産業機器では、ＸＹＺ三次元座標系における所定座標軸方向の力もしくは所定座標軸まわりのモーメントを検出する力覚センサが、広く利用されている。また、このような力覚センサは、人間の指による操作入力を検知する用途にも利用できるため、様々な電子機器用の入力装置としても組み込まれている。
【０００３】
多軸検出が可能な力覚センサは、古くから様々なタイプのものが提案され、実用化されている。たとえば、下記の特許文献１，２には、ダイアフラムの各部の変位を静電容量素子を利用して検出することにより、各座標軸方向に作用した力をそれぞれ独立して検出することが可能な多次元力覚センサが開示されている。また、特許文献３，４には、ダイアフラムの個々の位置に設けられたピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、各座標軸方向の力を検出する多次元力覚センサが開示されており、特許文献５，６には、圧電素子に生じる電荷に基づいて、ダイアフラムの各部の変位を検出し、外力として作用した加速度に基づく力やコリオリ力を検出することにより、各座標軸方向の加速度や各座標軸まわりの角速度の検出を行う多軸センサが開示されている。
【０００４】
更に、下記の特許文献７，８には、複数のダイアフラムに生じる撓みをそれぞれ別個独立して検出することにより、ＸＹＺ軸方向に作用した力とともに、ＸＹＺ軸まわりに作用したモーメントを検出することが可能な６軸の力覚センサが開示されている。また、特許文献９には、過度の外力が作用した場合にも、ダイアフラムを破損から保護することができるストッパ構造が開示されており、特許文献１０には、ダイアフラムの撓みを効率的に検出可能なピエゾ抵抗素子の特有な配置態様が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−１４８８３３号公報
【特許文献２】特開２００１−１６５７９０号公報
【特許文献３】特開平６−１７４５７１号公報
【特許文献４】特開２００４−６９４０５号公報
【特許文献５】特開平８−２２６９３１号公報
【特許文献６】特開２００２−７１７０５号公報
【特許文献７】特開２００４−３２５３６７号公報
【特許文献８】特開２００４−３５４０４９号公報
【特許文献９】特開２０１０−００８３４３号公報
【特許文献１０】特許第４９８７１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前掲の各特許文献に開示されている力覚センサは、作用した外力によりダイアフラムを撓ませ、この撓みの状態を検出素子によって検出することにより、作用した外力の特定の座標軸方向成分を検出する原理を採用している。このような検出原理を採用するセンサでは、個々の座標軸ごとに検出感度が異なり、その結果、外力の定格荷重も座標軸ごとに異なることになり、使用時の利便性が損なわれるという問題が生じる。
【０００７】
特に、ダイアフラムの形成面に対して平行な方向に作用する外力（モーメント）と、垂直な方向に作用する外力とについては、検出感度に大きな差が生じ、両者の定格荷重に１０倍もの差が生じてしまうことも少なくない。一般的な用途では、各座標軸方向に関する感度や定格荷重は、ほぼ等しくなることが理想であり、座標軸ごとに差が生じるのは好ましくない。
【０００８】
そこで本発明は、個々の軸方向感度ができるだけ等しくなる力覚センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
(1)   本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＹ軸まわりのモーメントＭｙおよびＺ軸方向の力Ｆｚを検出する力覚センサにおいて、
Ｚ軸上に配置された中心部材と、
Ｚ軸を中心軸として配置された筒状部材と、
第１の座標値Ｚ１を用いたＺ＝Ｚ１なる式で表される第１の接続平面に沿って、中心部材と筒状部材とを接続する第１の可撓性接続部材と、
第２の座標値Ｚ２を用いたＺ＝Ｚ２なる式で表される第２の接続平面に沿って、中心部材と筒状部材とを接続する第２の可撓性接続部材と、
を有する基本構造体と、
第１の可撓性接続部材および第２の可撓性接続部材の少なくとも一方の撓みを検出する検出素子と、
中心部材および筒状部材の一方を固定した状態において他方に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙおよびＺ軸方向の力Ｆｚを示す電気信号を、検出素子の検出結果に基づいて出力する検出回路と、
を設けるようにしたものである。
【００１０】
(2)   本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の可撓性接続部材が、中心部材の外周面と筒状部材の内周面との間に形成されたワッシャ状の第１のダイアフラムによって構成され、
第２の可撓性接続部材が、中心部材の外周面と筒状部材の内周面との間に形成されたワッシャ状の第２のダイアフラムによって構成されているようにしたものである。
【００１１】
(3)   本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係る力覚センサにおいて、
第１のダイアフラムおよび第２のダイアフラムの少なくとも一方に、空気抜き孔を設けるようにしたものである。
【００１２】
(4)   本発明の第４の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の可撓性接続部材が、中心部材の外周面の所定箇所と筒状部材の内周面の所定箇所とを接続する複数本の架橋構造体によって構成され、
第２の可撓性接続部材が、中心部材の外周面の所定箇所と筒状部材の内周面の所定箇所とを接続する複数本の架橋構造体によって構成されているようにしたものである。
【００１３】
(5)   本発明の第５の態様は、上述した第４の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の可撓性接続部材が、第１の接続平面上で直交する２軸に沿って配置された４本の架橋構造体によって構成され、
第２の可撓性接続部材が、第２の接続平面上で直交する２軸に沿って配置された４本の架橋構造体によって構成されているようにしたものである。
【００１４】
(6)   本発明の第６の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る力覚センサにおいて、
中心部材がＺ軸を中心軸として配置された円柱状の構造体によって構成され、筒状部材がＺ軸を中心軸として配置された円筒状の構造体によって構成されているようにしたものである。
【００１５】
(7)   本発明の第７の態様は、上述した第１〜第６の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の中心部と、第１の筒状部と、第１の中心部の下部外周面と第１の筒状部の上部内周面とを接続する第１の接続部と、を有する第１の基本部と、
第２の中心部と、第２の筒状部と、第２の中心部の下部外周面と第２の筒状部の上部内周面とを接続する第２の接続部と、を有する第２の基本部と、
によって基本構造体を構成し、
第１の中心部の下端に第２の中心部の上端が接続されており、第１の筒状部の下端に第２の筒状部の上端が接続されており、
第１の中心部および第２の中心部の接合体によって中心部材が構成され、第１の筒状部および第２の筒状部の接合体によって筒状部材が構成され、第１の接続部が第１の可撓性接続部材をなし、第２の接続部が第２の可撓性接続部材をなすようにしたものである。
【００１６】
(8)   本発明の第８の態様は、上述した第７の態様に係る力覚センサにおいて、
上面に、第２の筒状部の下端が固着された支持基板を更に設け、
検出回路が、支持基板を固定した状態において、第１の中心部に作用した力およびモーメントを示す電気信号を出力するようにしたものである。
【００１７】
(9)   本発明の第９の態様は、上述した第７の態様に係る力覚センサにおいて、
上面に、天地を逆にした基本構造体が載置された支持基板を更に設け、
支持基板の上面には、基本構造体の第１の中心部の端面が固着されており、
検出回路が、支持基板を固定した状態において、基本構造体の第２の筒状部に作用した力およびモーメントを示す電気信号を出力するようにしたものである。
【００１８】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述した第９の態様に係る力覚センサにおいて、
支持基板の上面外周部に筒状制御部材が接合されており、
基本構造体の第２の筒状部の外周面には、外方に突き出したフランジ部が設けられており、
筒状制御部材の上端面とフランジ部の下面との間に第１の空隙部が設けられており、
筒状制御部材の内周面と第２の筒状部の外周面との間に第２の空隙部が設けられており、
第２の筒状部の支持基板に対する変位が、第１の空隙部および第２の空隙部の寸法に応じた範囲内に制御されるようにしたものである。
【００１９】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述した第１〜第６の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の中心部と、第１の筒状部と、第１の中心部の上部外周面と第１の筒状部の上部内周面とを接続する第１の接続部と、を有する第１の基本部と、
第２の中心部と、第２の筒状部と、第２の中心部の上部外周面と第２の筒状部の上部内周面とを接続する第２の接続部と、を有する第２の基本部と、
によって基本構造体を構成し、
第１の中心部の下端に第２の中心部の上端が接続されており、第１の筒状部の下端に第２の筒状部の上端が接続されており、
第１の中心部および第２の中心部の接合体によって中心部材が構成され、第１の筒状部および第２の筒状部の接合体によって筒状部材が構成され、第１の接続部が第１の可撓性接続部材をなし、第２の接続部が第２の可撓性接続部材をなすようにしたものである。
【００２０】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述した第１１の態様に係る力覚センサにおいて、
第２の中心部の下端が第２の筒状部の下端よりも下方へ突出する構造をなし、
上面に、第２の中心部の下端が固着された支持基板を更に設け、
検出回路が、支持基板を固定した状態において、第１の筒状部に作用した力およびモーメントを示す電気信号を出力するようにしたものである。
【００２１】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述した第１〜第１２の態様に係る力覚センサにおいて、
検出回路が、中心部材および筒状部材の一方を固定した状態において他方に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘを示す電気信号を、検出素子の検出結果に基づいて出力する機能を更に有するようにしたものである。
【００２２】
(14)  本発明の第１４の態様は、上述した第１〜第１３の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、可撓性接続部材の撓みに応じて応力が加わる所定位置に配置された複数のピエゾ抵抗素子によって構成されているようにしたものである。
【００２３】
(15)  本発明の第１５の態様は、上述した第１〜第１３の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、可撓性接続部材の撓みに応じて変位する所定位置に配置された変位電極と、可撓性接続部材の撓みにかかわらず変位が生じない所定位置に配置された固定電極と、を対向電極とする複数の容量素子によって構成されているようにしたものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る力覚センサによれば、中心部材と筒状部材との間を、互いに平行な異なる接続平面に沿った２組の可撓性接続部材によって接続する構造を採用したため、接続平面に対して平行な方向に作用する外力（モーメント）と垂直な方向に作用する外力との検出感度の差が小さくなり、個々の軸方向感度ができるだけ等しい力覚センサを提供することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の力覚センサに用いられる基本構造体の側断面図（図(a) ）および上面図（図(b) ）である。
【図２】図１に示す基本構造体にＺ軸方向の力−Ｆｚが作用したときの変形態様を示す側断面図である。
【図３】図１に示す基本構造体にＹ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形態様を示す側断面図である。
【図４】本発明の力覚センサに用いられる基本構造体の側断面図（図(a) ）および上面図（図(b) ）である（一部はブロック図）。
【図５】図４に示す基本構造体にＺ軸方向の力−Ｆｚが作用したときの変形態様を示す側断面図である。
【図６】図４に示す基本構造体にＹ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形態様を示す側断面図である。
【図７】図５に示す変形態様において各部に発生する応力を示す側断面図である（断面を示すハッチングは省略）。
【図８】図６に示す変形態様において各部に発生する応力を示す側断面図である（断面を示すハッチングは省略）。
【図９】本発明の力覚センサに用いられる基本構造体の第１の具体的構成例を示す側断面図である。
【図１０】図９に示す基本構造体に検出素子としてピエゾ抵抗素子を付加した実施例を示す側断面図である。
【図１１】図１０に示すシリコン基板２５０の下面図である。
【図１２】図９に示す基本構造体に検出素子として容量素子を付加した実施例を示す側断面図である。
【図１３】図１２に示す第２の基本部２０（電極形成用絶縁板２６３を含む）の上面図である（ハッチングは各電極の形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図１４】図１２に示す支持基板（電極形成用絶縁板２６５を含む）の上面図である（ハッチングは各電極の形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図１５】本発明の力覚センサに用いられる基本構造体の第２の具体的構成例を示す側断面図（図(a) ）および上面図（図(b) ）である。
【図１６】図１５に示す基本構造体に検出素子として容量素子を付加した実施例を示す側断面図（図(a) ）および電極形成用絶縁板２８０の上面図（図(b) ）である（図(b) におけるハッチングは各電極の形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図１７】図１５に示す基本構造体に検出素子としてピエゾ抵抗素子を付加した実施例を示す側断面図である。
【図１８】本発明の力覚センサに用いられる基本構造体の第３の具体的構成例を示す側断面図である。
【図１９】本発明の力覚センサに用いられる基本構造体の第４の具体的構成例を示す上面図である。
【図２０】図１８に示す基本構造体と対比するための従来構造をもった基本構造体の側断面図である。
【図２１】図２０に示す従来の基本構造体および図１８に示す本発明の基本構造体における変位特性を対比するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２７】
＜＜＜  §１．  従来の力覚センサの基本構造  ＞＞＞
はじめに、本発明に係る力覚センサと対比するため、従来の一般的なダイアフラム式の力覚センサの基本構造を簡単に説明する。図１(a) は、従来の力覚センサに用いられる基本構造体１００の側断面図、図１(b) は、その上面図である。ここでは、説明の便宜上、図示のようなＸＹＺ三次元座標系を定義して、以下の説明を行うことにする。
【００２８】
図１(a) は、この基本構造体１００をＸＺ平面で切断した側断面図であり、その中心部に原点Ｏを定義し、図の右方向にＸ軸、上方向にＺ軸、紙面垂直奥方向にＹ軸が定義されている。これに対して、図１(b) は、この基本構造体１００を上方から見た状態を示す上面図であり、図の右方向にＸ軸、上方向にＹ軸、紙面垂直手前方向にＺ軸が定義されている。
【００２９】
図１(b) の上面図に示されているとおり、基本構造体１００は、全体的にＺ軸を中心軸とした円柱形の外形をなし、円筒形状をした筒状部材１１０、ワッシャ形状をした可撓性接続部材１２０、円柱形状をした中心部材１３０を組み合わせた一体構造体（通常、金属によって構成される）である。筒状部材１１０、可撓性接続部材１２０、中心部材１３０は、いずれもＺ軸が中心軸となるように配置されており、基本構造体１００自身がＺ軸についての回転対称体になる。図１(a) の側断面図には、この基本構造体１００の下面を、円板状の支持基板１４０の上面に接続した状態が示されている。
【００３０】
可撓性接続部材１２０は、筒状部材１１０の上端内周面と中心部材１３０の下端外周面との間を接続するワッシャ状の構造体であり、通常、その厚みは１ｍｍに満たない程度に設計される。このため、この可撓性接続部材１２０はダイアフラムとして機能し、支持基板１４０を固定した状態において、中心部材１３０に外力が作用すると、可撓性接続部材１２０は弾性変形による撓みを生じる。この撓みの態様は、作用した外力の向きおよび大きさによって異なる。
【００３１】
図２は、図１に示す基本構造体１００において、支持基板１４０を固定した状態にして、中心部材１３０にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの変形態様を示す側断面図である。このような力−Ｆｚは、たとえば、中心部材１３０の上面を下方に押し込む操作（図示の作用点Ｑを下方へ押し下げる操作）によって加えることができる。この力−Ｆｚの作用により、ワッシャ状の可撓性接続部材１２０は下方に窪むように撓みを生じる。なお、図には示されていないが、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚ（中心部材１３０を図の上方に引き上げる力）が加わった場合は、ワッシャ状の可撓性接続部材１２０は上方に隆起するような撓みを生じる。
【００３２】
一方、図３は、図１に示す基本構造体１００において、支持基板１４０を固定した状態にして、中心部材１３０にＹ軸正まわり（Ｙ軸正方向に右ネジを進める回転方向：図示の場合は時計まわり）のモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形態様を示す側断面図である。このようなモーメント＋Ｍｙは、たとえば、中心部材１３０の作用点Ｑを図の右方向（Ｘ軸正方向）へ移動させる力＋Ｆｘが加わったときに生じることになる。このようなモーメント＋Ｍｙの作用により、ワッシャ状の可撓性接続部材１２０は、図示のような捻りを加えるような撓みを生じる。
【００３３】
逆回りのモーメント−Ｍｙが加わった場合の変形態様は、図３とは左右が逆転した状態になる。また、基本構造体１００はＺ軸についての回転対称体であるので、Ｘ軸まわりのモーメント＋Ｍｘ，−Ｍｘが作用した場合の変形態様は、Ｙ軸まわりのモーメント＋Ｍｙ，−Ｍｙが作用した場合の変形態様と同様になる。もちろん、作用した外力の大きさが大きいほど、変形の程度も大きくなる。
【００３４】
このように、作用した外力の方向および大きさによって、可撓性接続部材１２０の変形態様が異なるので、当該変形態様を検出素子によって検出すれば、作用した外力の方向および大きさを検出することができる。前掲の各特許文献に開示されている力覚センサは、いずれもこのような原理に基づいて、各座標軸方向に作用した力やモーメントを検出し、電気信号として出力する機能を有している。可撓性接続部材１２０の変形態様を検出する検出素子としては、ピエゾ抵抗素子、圧電素子、容量素子などが利用されている。
【００３５】
このような検出原理を採用するセンサでは、個々の座標軸ごとに検出感度が異なり、その結果、外力の定格荷重も座標軸ごとに異なってしまうという問題があることは、既に述べたとおりである。特に、図２に示すように、可撓性接続部材１２０の形成面（ＸＹ平面に平行な面）に対して垂直な方向に作用する力Ｆｚと、図３に示すように、可撓性接続部材１２０の形成面に対して平行な方向に作用するモーメントＭｘ，Ｍｙについては、検出感度に大きな差が生じることになる。その結果、各座標軸方向に作用する外力についての定格荷重も大きく異なってくる。
【００３６】
たとえば、前掲の特許文献９に実施例として開示されている力覚センサの場合、Ｚ軸方向の力Ｆｚについては、定格荷重値が１００Ｎ程度であるのに対して、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘおよびＹ軸まわりのモーメントＭｙについては、定格荷重値が１Ｎ・ｍ程度になる。もちろん、力（単位Ｎ）とモーメント（単位Ｎ・ｍ）とは、異なる物理量であるため、直接的な比較対象として両者を比べることはできないが、たとえば、図３に示す実施例の力覚センサにおいて、原点Ｏと作用点Ｑとの実寸を０．１ｍとすれば、作用点Ｑに加わるＸ軸正方向の力＋Ｆｘが１０Ｎの場合に、モーメント＋Ｍｙ＝１０Ｎ・０．１ｍ＝１Ｎ・ｍとなり、上述した定格荷重値になる。
【００３７】
これは、同一の作用点Ｑについて、下方へ押し下げる力−Ｆｚについての定格荷重値が１００Ｎ程度であるのに対して、右方へ動かす力＋Ｆｘについての定格荷重値が１０Ｎ程度であることを示す。力Ｆｙ（モーメントＭｘ）についての定格荷重値も同様に１０Ｎ程度になる。
【００３８】
したがって、当該力覚センサを、たとえば、ロボットアームの関節部分に取り付けて、アームに加わる力の各座標軸成分を測定する用途に利用した場合、Ｚ軸方向に関する定格荷重値が１００Ｎであるのに対して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に関する定格荷重値は１０Ｎとなり、両者間に１０倍もの差が生じてしまうことになる。一般的な用途では、各座標軸方向に関する感度や定格荷重は、いずれも等しく設定される方が好ましい。したがって、上例の装置のように、座標軸方向によって１０倍もの差が生じてしまうことは問題である。なお、ここでは、１０倍の差が生じた例を述べたが、もちろん、両者の差は、センサの構造（特にダイアフラムの径）や、原点Ｏと作用点Ｑとの距離に左右されることになる。
【００３９】
本発明は、従来の力覚センサにおける上述の問題を解決するためになされたものであり、個々の軸方向感度ができるだけ等しくなる力覚センサを実現することを目的とするものである。その詳細については、§２以降に述べる。
【００４０】
＜＜＜  §２．  本発明に係る力覚センサの基本構造  ＞＞＞
ここでは、本発明に係る力覚センサの基本構造について説明する。図１に示す従来の力覚センサにおいて、Ｚ軸方向に関する定格荷重値が１００Ｎであるのに対して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に関する定格荷重値が１０Ｎとなり、両者間に１０倍もの差が生じてしまう原因は、図２および図３に示す作用点Ｑに同じ大きさの力を加えたとしても、Ｚ軸方向の力Ｆｚを加えた場合には、可撓性接続部材１２０の撓み量は比較的小さいのに対して、Ｘ軸方向の力Ｆｘ（モーメントＭｙ）やＹ軸方向の力Ｆｙ（モーメントＭｘ）を加えた場合には、可撓性接続部材１２０の撓み量が比較的大きくなるためである。
【００４１】
別言すれば、この基本構造体１００におけるダイアフラム（可撓性接続部材１２０）は、力Ｆｚ（ダイアフラム形成面に対して直交する方向に作用する力）に対する撓み具合は小さいが、モーメントＭｙ，Ｍｘ（ダイアフラム形成面に対して平行な方向に作用する力）に対する撓み具合は大きいことになる。図２および図３には、説明の便宜上、可撓性接続部材１２０がかなり大きな撓みを生じた状態が示されているが、もし、これらの状態が定格荷重状態（これ以上大きな力が加わると、可撓性接続部材１２０が破損するおそれがある状態）であるとすると、図２の場合、作用点Ｑには−Ｆｚ＝１００Ｎの力が加わっているのに対して、図３の場合、作用点Ｑには＋Ｆｘ＝１０Ｎの力しか加わっていないことになる。
【００４２】
このような力の方向に起因した撓み具合の差を解消させるには、図３に示すような力Ｆｘ（モーメントＭｙ）が加わった場合に、可撓性接続部材１２０の撓みを抑制させるような構造を採り入れればよい。もっとも、可撓性接続部材１２０の厚みを増やして撓みにくくする、といった手法では、図２に示すような力Ｆｚが加わった場合にも撓みが抑制されてしまうことになるので、感度差の是正を行うことはできない。
【００４３】
本願発明者は、これらの事項を念頭において、基本構造体１００の構造に対して様々な変形を施す実験を行った結果、最終的に、図４に示すような基本構造体２００の構造を採用すれば、上記感度差を大幅に是正することが可能になることを見出した。以下、この点について詳述する。
【００４４】
図４(a) は、本発明に係る力覚センサに用いられる基本構造体２００の側断面図、図４(b) は、その上面図である。ここでも、説明の便宜上、図示のようなＸＹＺ三次元座標系を定義して、以下の説明を行うことにする。なお、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏの位置は、この基本構造体２００に外力として加えられるモーメントＭｙの中心軸となるＹ軸およびモーメントＭｘの中心軸となるＸ軸の交点として定義されるべきものである。図では、便宜上、基本構造体２００のほぼ中心位置に原点Ｏをプロットしているが、必ずしも正確な位置を示すものではない。
【００４５】
図４(a) は、この基本構造体２００をＸＺ平面で切断した側断面図であり、その中心部に原点Ｏを定義し、図の右方向にＸ軸、上方向にＺ軸、紙面垂直奥方向にＹ軸が定義されている。一方、図４(b) は、この基本構造体２００を上方から見た状態を示す上面図であり、図の右方向にＸ軸、上方向にＹ軸、紙面垂直手前方向にＺ軸が定義されている。
【００４６】
図４(b) の上面図に示されているとおり、基本構造体２００の構造は、図１に示した従来の基本構造体１００の構造に類似している。すなわち、基本構造体２００は、全体的にＺ軸を中心軸とした円柱形の外形をなし、円筒形状をした筒状部材２１０と、円柱形状をした中心部材２３０と、ワッシャ形状をした可撓性接続部材２２１，２２２と、を有している。基本構造体１００との大きな違いは、中心部材２３０の少なくとも一部分（図示の例の場合は、下半分の部分）が円筒部材２１０内に収容されており、円筒部材２１０と中心部材２３０との間が、２枚の可撓性接続部材２２１，２２２によって接続されている点である。
【００４７】
この基本構造体２００の構造を、ＸＹＺ三次元座標系の座標軸を参照して説明すると次のようになる。まず、円柱形状をした中心部材２３０は、その中心軸がＺ軸に重なるように、Ｚ軸上に配置されている。そして、円筒形状をした筒状部材２１０は、やはりその中心軸がＺ軸に重なるように、Ｚ軸を取り囲む位置に配置されている。ここに示す実施例の場合、筒状部材２１０は、中心部材２３０の下半分のみを収容した形態となっているため、中心部材２３０の上半分は上方に突き出した状態になっている。
【００４８】
筒状部材２１０と中心部材２３０とは、第１の可撓性接続部材２２１および第２の可撓性接続部材２２２によって接続されている。これら２枚の可撓性接続部材２２１，２２２は、検出対象となる力の作用によって撓みを生じる可撓性を有しており、ダイアフラムとして機能する。ここに示す実施例の場合、基本構造体２００はステンレス鋼などの金属によって構成されており、可撓性接続部材２２１，２２２の厚みは、検出に適切な可撓性が得られる程度の厚み（この例では、０.２５ｍｍ）に設定されている。
【００４９】
ここでは、説明の便宜上、Ｚ軸上に２つの座標値Ｚ１，Ｚ２を定義し（この例の場合、Ｚ１＞０，Ｚ２＜０）、図に一点鎖線で示すように、第１の座標値Ｚ１を用いたＺ＝Ｚ１なる式で表される第１の接続平面Ｓ１と、第２の座標値Ｚ２を用いたＺ＝Ｚ２なる式で表される第２の接続平面Ｓ２を定義する。すると、第１の可撓性接続部材２２１は、第１の接続平面Ｓ１に沿って中心部材２３０と筒状部材２１０とを接続する位置に配置されており、第２の可撓性接続部材２２２は、第２の接続平面Ｓ２に沿って中心部材２３０と筒状部材２１０とを接続する位置に配置されていることになる。
【００５０】
より具体的には、第１の可撓性接続部材２２１は、中心部材２３０の外周面と筒状部材２１０の内周面との間に形成されたワッシャ状の第１のダイアフラムによって構成され、第２の可撓性接続部材２２２も、中心部材２３０の外周面と筒状部材２１０の内周面との間に形成されたワッシャ状の第２のダイアフラムによって構成されている。第１のダイアフラム２２１は第１の接続平面Ｓ１に沿って配置され、第２のダイアフラム２２２は第２の接続平面Ｓ２に沿って配置されており、両接続平面Ｓ１，Ｓ２は、いずれもＺ軸に直交する平行平面であるので、結局、この基本構造体２００は、平行な二重ダイアフラム構造を有していることになる。図４(b) の上面図は、図１(b) の上面図と同じに見えるが、実際には、第１の可撓性接続部材２２１の奥に第２の可撓性接続部材２２２が配置されている。
【００５１】
図４に示す実施例の場合、基本構造体２００は、円板状の支持基板３００の上面に接続されている。すなわち、筒状部材２１０の底面が支持基板３００の上面に固着されている。支持基板３００および筒状部材２１０は、ダイアフラムとして機能する可撓性接続部材２２１，２２２に比べて、十分な剛性を有している。同様に、中心部材２３０も十分な剛性を有している。したがって、支持基板３００（筒状部材２１０）を固定した状態において、中心部材２３０に外力が作用すると、可撓性接続部材２２１，２２２が弾性変形による撓みを生じ、中心部材２３０は筒状部材２１０に対して変位を生じることになる。
【００５２】
なお、支持基板３００は本発明に係る力覚センサに必須の構成要素ではないが、実用上は、図示の実施例のように設けておけば、この力覚センサを何らかの対象物に取り付けるのに便利である。たとえば、この力覚センサをロボットアームの関節（２本のアームの接続部分）に取り付けて利用する場合、一方のアームの端部に支持基板３００を取り付け、中心部材２３０の上端部に他方のアームの端部を取り付けるようにすればよい。もちろん、筒状部材２１０を直接アームの端部に取り付ける構成を採用する場合は、支持基板３００は不要である。
【００５３】
本発明に係る力覚センサは、図４に示す基本構造体２００に、更に、ブロックとして示されている検出素子４００および検出回路５００を付加することにより構成される。検出素子４００は、第１の可撓性接続部材２２１および第２の可撓性接続部材２２２の少なくとも一方の撓みを検出する素子であり、後述するように、ピエゾ抵抗素子、圧電素子、容量素子などによって構成することができる。ピエゾ抵抗素子や圧電素子は、各部の撓みを作用した応力として検出することになり、容量素子は、各部の撓みを生じた変位として検出することになる。図において、第２の可撓性接続部材２２２から検出素子４００へ伸びる破線の矢印は、検出素子４００によって第２の可撓性接続部材２２２の撓みが検出されることを示している。もちろん、第１の可撓性接続部材２２１の撓みを検出するようにしてもよいし、両方の撓みを検出するようにしてもよい。
【００５４】
検出回路５００は、支持基板３００（筒状部材２１０）を固定した状態において、中心部材２３０に作用した外力を、検出素子４００の検出結果に基づいて電気信号として出力する機能を有する。ここに示す実施例の場合、検出回路５００は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の力Ｆｚ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ（Ｘ軸方向の力Ｆｘに相当）、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ（Ｙ軸方向の力Ｆｙに相当）、という３軸成分を検出する機能を有しており、それぞれ電気信号Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｘとして出力する。
【００５５】
中心部材２３０に作用した外力の方向および大きさによって、可撓性接続部材２２１，２２２の弾性変形の態様は異なるので、検出素子４００を可撓性接続部材２２１または２２２もしくはその双方の適切な位置に配置しておき、当該変形態様を検出すれば、作用した外力の方向および大きさを認識することができる。検出素子としては、従来の力覚センサと同様に、ピエゾ抵抗素子、圧電素子、容量素子などを利用することができる。
【００５６】
なお、ここでは、説明の便宜上、支持基板３００（筒状部材２１０）を固定した状態において、中心部材２３０に作用した外力を検出する事例を述べたが、力の作用・反作用の法則により、上記事例は、中心部材２３０を固定した状態において、支持基板３００（筒状部材２１０）に作用した外力を検出する事例と等価である（作用する力の方向が逆向きになるだけである）。したがって、本発明に係る力覚センサは、中心部材２３０および筒状部材２１０のうちのいずれか一方を固定した状態において他方に作用した外力を検出する機能を有していることになる。
【００５７】
ここに示す実施例は、上述したとおり、Ｆｚ，Ｍｙ，Ｍｘという外力の３軸成分を検出する機能を有しているが、ＭｙとＭｘは必ずしも双方を検出する必要はない。要するに、本発明に係る力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系において、少なくともＹ軸まわりのモーメントＭｙ（座標軸の定義の仕方によっては、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘということになる）およびＺ軸方向の力Ｆｚを検出する機能を有していればよい。
【００５８】
また、図示の実施例は、中心部材２３０がＺ軸を中心軸として配置された円柱状の構造体によって構成され、筒状部材２１０がＺ軸を中心軸として配置された円筒状の構造体によって構成され、支持基板３００は円板状の構造体によって構成されている。そして、各可撓性接続部材２２１，２２２は、円形のワッシャ形状をした構造体によって構成されている。このように、図４に示す基本構造体２００の個々の構成要素は、いずれもＺ軸に関して回転対称形をしているため、支持基板３００と基本構造体２００とを含めた全体構造も回転対称体になる。
【００５９】
本発明に係る力覚センサに用いる基本構造体は、必ずしも回転対称体である必要はないが、実用上は、図示の例のようにＺ軸に関して回転対称体にするのが好ましい。これは、中心軸について回転対称性をもたせることにより、円形のワッシャ形状をしたダイアフラムに対して対称性をもった撓みを生じさせることができ、検出回路により力の各軸方向成分を抽出する処理が容易になるためである。
【００６０】
図５は、図４に示す基本構造体２００において、支持基板３００を固定した状態にして、中心部材２３０にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの変形態様を示す側断面図である。このような力−Ｆｚは、たとえば、中心部材２３０の上面を下方に押し込む操作（図示の作用点Ｑを下方へ押し下げる操作）によって加えることができる。この力−Ｆｚの作用により、ワッシャ状の各可撓性接続部材２２１，２２２は、いずれも下方に窪むように撓みを生じる。図には示されていないが、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚ（中心部材２３０を図の上方に引き上げる力）が加わった場合は、各可撓性接続部材２２１，２２２はいずれも上方に隆起するような撓みを生じる。
【００６１】
一方、図６は、図４に示す基本構造体２００において、支持基板３００を固定した状態にして、中心部材２３０にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形態様を示す側断面図である。このようなモーメント＋Ｍｙは、たとえば、中心部材２３０の作用点Ｑを図の右方向（Ｘ軸正方向）へ移動させる力＋Ｆｘが加わったときに生じることになる。このようなモーメント＋Ｍｙの作用により、各可撓性接続部材２２１，２２２は、図示のような捻りを加えるような撓みを生じる。
【００６２】
逆回りのモーメント−Ｍｙが加わった場合の変形態様は、図６とは左右が逆転した状態になる。また、基本構造体２００はＺ軸についての回転対称体であるので、Ｘ軸まわりのモーメント＋Ｍｘ，−Ｍｘが作用した場合の変形態様は、Ｙ軸まわりのモーメント＋Ｍｙ，−Ｍｙが作用した場合の変形態様と同様になる。もちろん、作用した外力の大きさが大きいほど、変形の程度も大きくなる。
【００６３】
このように、作用した外力の方向および大きさによって、各可撓性接続部材２２１，２２２の変形態様が異なるので、いずれか一方もしくは双方の変形態様を検出素子４００によって検出すれば、検出回路５００によって、作用した外力の各座標軸方向成分を示す検出値を電気信号として出力することができる。
【００６４】
このような検出の基本原理については、図１に示す基本構造体１００を用いた従来の力覚センサも、図４に示す基本構造体２００を用いた本発明に係る力覚センサも、本質的には同じである。両者の相違は、図１に示す力覚センサ用の基本構造体１００では、筒状部材１１０と中心部材１３０との間が単一の可撓性接続部材１２０（ダイアフラム）で接続されているのに対して、図４に示す力覚センサ用の基本構造体２００では、筒状部材２１０と中心部材２３０との間が２枚の平行な可撓性接続部材２２１，２２２（ダイアフラム）で接続されている点である。
【００６５】
図４に示す基本構造体２００の場合、第１の可撓性接続部材２２１は、第１の座標値Ｚ１を用いたＺ＝Ｚ１なる式で表される第１の接続平面Ｓ１に沿って配置されており、中心部材２３０の上下方向に関するほぼ中央部分（座標値Ｚ１の位置）の外周面を筒状部材２１０の上端部内周面に接続する機能を有している。一方、第２の可撓性接続部材２２２は、第２の座標値Ｚ２を用いたＺ＝Ｚ２なる式で表される第２の接続平面Ｓ２に沿って配置されており、中心部材２３０の下端部外周面を筒状部材２１０の上下方向に関するほぼ中央部分（座標値Ｚ２の位置）の内周面に接続する機能を有している。
【００６６】
本願発明者は、力覚センサにおける各座標軸方向の感度差を是正するために、様々な基本構造体についての解析を行った。その結果、図４に例示するように、筒状部材２１０と、その内側に配置された中心部材２３０とを、互いに平行な一対のダイアフラムによって接続する二重構造を採用した基本構造体２００であれば、Ｚ軸方向の力ＦｚとＹ軸まわりのモーメントＭｙ（Ｘ軸方向の力Ｆｘ）、あるいは、Ｚ軸方向の力ＦｚとＸ軸まわりのモーメントＭｘ（Ｙ軸方向の力Ｆｙ）についての感度差が大幅に是正されることが確認できた。
【００６７】
前述したとおり、図１に示す従来の基本構造体１００を利用している前掲の特許文献９に記載された実施例では、Ｚ軸方向に関する定格荷重値と、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に関する定格荷重値との間に１０倍もの差が生じていた。これに対して、図４に示す本発明に係る基本構造体２００を利用した場合、このような座標軸間の感度差が大幅に是正されることが確認できた（具体的な是正効果を示す対比実験の結果については、§４で詳述する）。
【００６８】
要するに、図１に示す基本構造体１００のダイアフラム（可撓性接続部材１２０）では、力Ｆｚに対する撓み具合は小さいが、モーメントＭｙ，Ｍｘに対する撓み具合は大きく、前者に比べて後者に対する感度が高くなっていた。これに対して、図４に示す基本構造体２００の並行二重ダイアフラム（可撓性接続部材２２１，２２２）では、力Ｆｚに対する撓み具合と、モーメントＭｙ，Ｍｘに対する撓み具合とが拮抗するようになり、両者の感度がほぼ等しくなるように是正されることになる。
【００６９】
もちろん、ダイアフラムを用いた力覚センサの感度を調整するには、ダイアフラムの厚みを増減させたり、ダイアフラムの材質を変更したりする方法を採ることができるので、検出対象となる力の大きさに応じて、任意の感度をもった力覚センサを設計することは可能である。しかしながら、そのような方法で感度を調整しても、すべての座標軸方向に関する感度が同じように増減することになるので、各座標軸方向の感度差を是正する効果は得られない。
【００７０】
本発明の特徴は、並行二重ダイアフラム構造を採用することにより、各座標軸方向の感度差、より具体的には、ダイアフラムに直交するＺ軸方向の感度と、ダイアフラムに平行なＸ軸もしくはＹ軸方向の感度との差を是正することができるようになる点である。この並行二重ダイアフラム構造により、各座標軸方向の感度差が是正される効果が得られる仕組について、本願発明者は、次のような理由に起因するものと考えている。
【００７１】
図７は、図５に示すように、作用点Ｑに力−Ｆｚが作用したときの変形態様において、ダイアフラムの各部に発生する応力を示す側断面図である（断面を示すハッチングは省略）。中心部材２３０は、全体的に図の下方へ移動するため、ワッシャ状のダイアフラム２２１，２２２の内側部分は下方へ引っ張られることになり、図における左側部分２２１Ｌ，２２２Ｌに対しても、右側部分２２１Ｒ，２２２Ｒに対しても、矢印で示すような伸張応力ｆ０が作用することになる。
【００７２】
このような応力分布は、図２に示す従来の基本構造部１００の場合も同様である。もちろん、図７に示す基本構造部２００の場合、ダイアフラムが２枚に増えているため、作用した外力−Ｆｚに対してダイアフラムから加えられる力学的抵抗も増えることになる。したがって、ダイアフラムの材質および寸法が同じ場合、図２に示す従来の基本構造部１００に対して、図７に示す本発明の基本構造部２００のＺ軸方向の撓みに関する感度はほぼ１／２程度になると考えられる。
【００７３】
一方、図８は、図６に示すように、作用点Ｑに力＋Ｆｘが作用したとき（すなわち、センサにモーメントＭｙが作用したとき）の変形態様において、ダイアフラムの各部に発生する応力を示す側断面図である（断面を示すハッチングは省略）。中心部材２３０は、原点Ｏを中心として時計まわりに回転を生じるため、ワッシャ状のダイアフラム２２１，２２２には、各部にそれぞれ異なる方向の応力が発生する。
【００７４】
すなわち、第１のダイアフラム２２１については、図における左側部分２２１Ｌには矢印で示すようなＸ軸方向に関する伸張応力ｆｘ１が作用するが、右側部分２２１Ｒには矢印で示すようなＸ軸方向に関する圧縮応力ｆｘ２が作用することになる。一方、第２のダイアフラム２２２については、図における左側部分２２２Ｌには矢印で示すようなＸ軸方向に関する圧縮応力ｆｘ３が作用するが、右側部分２２２Ｒには矢印で示すようなＸ軸方向に関する伸張応力ｆｘ４が作用することになる。
【００７５】
別言すれば、図の左半分に関しては、上方のダイアフラム２２１Ｌには伸張応力ｆｘ１、下方のダイアフラム２２２Ｌには圧縮応力ｆｘ３という逆の応力が作用することになり、図の右半分に関しては、上方のダイアフラム２２１Ｒには圧縮応力ｆｘ２、下方のダイアフラム２２２Ｒには伸張応力ｆｘ４という逆の応力が作用することになる。このように、並行二重ダイアフラム構造を採用した基本構造体２００の場合、モーメントＭｙ（Ｍｘも同様）が加えられたときに、上下のダイアフラムで逆の応力が作用することになる。これは、図３に示す従来の基本構造部１００では見られなかった現象である。
【００７６】
本願発明者は、並行二重ダイアフラム構造を採用することにより、各座標軸方向の感度差が是正される効果が得られるのは、モーメントＭｙ（Ｍｘも同様）が加えられたときに、上下のダイアフラムで逆の応力が作用することが要因になっているのではないかと考えている。ダイアフラムを２枚に増やすと、作用した外力−Ｆｚに対してダイアフラムから加えられる力学的抵抗が２倍になり、Ｚ軸方向の感度が１／２程度に減少することは容易に推察できる。これに対して、作用した外力＋Ｍｙ（＋Ｆｘ）に対してダイアフラムから加えられる力学的抵抗は、上述したように、上下のダイアフラムで逆の応力が作用することに起因して、２倍よりも更に増加することになり、Ｘ軸方向の感度は１／２よりも更に減少することになるのではないかと推察できる。
【００７７】
前述したとおり、この基本構造体２００は、Ｚ軸に関して回転対称体となっているため、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ（Ｘ軸方向の力Ｆｘ）に対する感度およびＸ軸まわりのモーメントＭｘ（Ｙ軸方向の力Ｆｙ）に対する感度は同じになる。そこで、これらの感度とＺ軸方向の力Ｆｚに対する感度との差が是正されれば、Ｘ軸方向の力Ｆｘ，Ｙ軸方向の力Ｆｙ，Ｚ軸方向の力Ｆｚという外力の３座標軸方向成分に対する感度をほぼ等しく設定することが可能になる（後述、§４参照）。
【００７８】
この並行二重ダイアフラム構造の採用目的は、力Ｆｚに対する感度と力ＦｘもしくはＦｙに対する感度との差を是正し、両者間の定格荷重値の差を是正することにある。したがって、力覚センサ全体としての感度調整は、ダイアフラムの厚みを増減したり、ダイアフラムの材質を変更したりすることにより対応すればよい（§３−４で述べる実施形態の場合は、架橋構造体の厚み、幅、材質を変更することにより対応できる）。
【００７９】
かくして、本発明によれば、個々の座標軸方向についての検出感度をできるだけ等しくし、個々の座標軸方向についての定格荷重値ができるだけ等しい力覚センサを提供することが可能になる。
【００８０】
＜＜＜  §３．  具体的構成例  ＞＞＞
続いて、本発明に係る力覚センサのより具体的な構成例をいくつか述べておく。
【００８１】
＜  ３−１  第１の具体的構成例  ＞
図９は、本発明に係る力覚センサに用いられる基本構造体の第１の具体的構成例を示す側断面図である。ここに示す基本構造体２００Ａの全体構造は、実質的に、図４に示す基本構造体２００の全体構造と同じであるが、工業製品としてより量産化に適した構造になっている。
【００８２】
すなわち、図４に示す基本構造体２００は、筒状部材２１０、中心部材２３０、第１の可撓性接続部材２２１、第２の可撓性接続部材２２２が相互に連結した一体構造体として構成されているが、このような基本構造体２００を、たとえば金属などの材料で一体成形品として量産するのは困難である。そこで、図９に示す基本構造体２００Ａでは、第１の基本部１０と第２の基本部２０という２つの部品を組み合わせる構成を採用している。
【００８３】
図示のとおり、上段に配置された第１の基本部１０は、Ｚ軸を中心軸として配置された円柱状の第１の中心部２３１と、同じくＺ軸を中心軸として配置された円筒状の第１の筒状部２１１と、第１の中心部２３１の下部外周面と第１の筒状部２１１の上部内周面とを接続するワッシャ状の第１の接続部２２１（第１のダイアフラム）と、を有する構造体になっている。一方、下段に配置された第２の基本部２０は、Ｚ軸を中心軸として配置された円柱状の第２の中心部２３２と、同じくＺ軸を中心軸として配置された円筒状の第２の筒状部２１２と、第２の中心部２３２の下部外周面と第２の筒状部２１２の上部内周面とを接続するワッシャ状の第２の接続部２２２（第２のダイアフラム）と、を有する構造体になっている。
【００８４】
基本構造体２００Ａは、第１の基本部１０の下方に第２の基本部２０を接続することによって構成される。具体的には、第１の中心部２３１の下端に第２の中心部２３２の上端が接続されており、第１の筒状部２１１の下端に第２の筒状部２１２の上端が接続されている。結局、第１の中心部２３１および第２の中心部２３２の接合体が、図４に示す基本構造体２００の中心部材２３０に対応し、第１の筒状部２１１および第２の筒状部２１２の接合体が、図４に示す基本構造体２００の筒状部材２１０に対応し、第１の接続部２２１が、図４に示す基本構造体２００の第１の可撓性接続部材２２１に対応し、第２の接続部２２２が、図４に示す基本構造体２００の第２の可撓性接続部材２２２に対応することになる。
【００８５】
図９には、支持基板３００の上面に、この基本構造体２００Ａを載置固定した状態が示されている。すなわち、第２の筒状部２１２の下端が支持基板３００の上面に固着されることになり、検出回路４００は、支持基板３００を固定した状態において、第１の中心部２３１に作用した力およびモーメントを示す電気信号を出力することになる。
【００８６】
このような構成を採用すれば、第１の基本部１０、第２の基本部２０、支持基板３００という３つの部品を別個に製造し、最後にこれらを組み合わせ、必要箇所を接合することにより、図９に示す構造体を用意することが可能になる。第１の基本部１０および第２の基本部２０は、一般的な切削加工やエッチング加工によって用意することができるので、量産に適した力覚センサを実現することができる。
【００８７】
各部品の相互接続には、接着剤を用いた接合、溶接、ネジ止めなど、任意の方法を採ることができる。なお、各部品の接合面の密着度が高い場合、図示の空洞部Ｖ１，Ｖ２の密閉度が高くなり、外部に対する空気の出入りが滞ることになる。空洞部Ｖ１，Ｖ２が密室状態になると、温度環境の変化により内部の空気が膨張したり収縮したりし、ダイアフラムとして機能する可撓性接続部材２２１，２２２の撓み具合に影響を与え、検出結果に外乱が生じることになる。
【００８８】
したがって、各部品間の密着度が高く、空洞部Ｖ１，Ｖ２の密閉度が高くなるような場合には、ダイアフラムとして機能する可撓性接続部材２２１，２２２に、空気抜き孔Ｈを設けるようにするのが好ましい。図９には、第１のダイアフラム２２１に空気抜き孔Ｈを設けた例が示されている。この例の場合、第１の筒状部２１１の下端面と第２の筒状部２１２の上端面との間を接着剤などで密閉接続したような場合でも、空気抜き孔Ｈにより、空洞部Ｖ１が密閉空間となることを防止することができる。
【００８９】
第２の筒状部２１２の下端面と支持基板３００の上面との間が密閉接続されている場合は、第２のダイアフラム２２２にも空気抜き孔Ｈを設けるようにすればよい。もちろん、その他の箇所に空気抜き孔を設けるようにしてもかまわない。
【００９０】
続いて、この図９に示す基本構造体２００Ａに、支持基板３００および検出素子４００を付加することによりセンサ用構造体を構成した実施例を２通り開示しておく。第１の実施例は、検出素子４００として、可撓性接続部材２２１，２２２の撓みに応じて応力が加わる所定位置に配置された複数のピエゾ抵抗素子を用いた例であり、図１０にその側断面図を示す。
【００９１】
図１０に示されている基本構造体２００Ａ−１は、図９に示す基本構造体２００Ａおよび支持基板３００に、更に、シリコン基板２５０を付加したものである。図示のとおり、シリコン基板２５０は、第２の中心部２３２および第２の可撓性接続部材２２２の下面に接合された円板状の基板であり、その下面図を図１１に示す。図１１に示すとおり、シリコン基板２５０は、Ｚ軸（図では、原点Ｏの位置として示されている）を中心軸とする円板であり、その下面には、Ｘ軸に沿う方向に伸びる一対のピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ２と、Ｙ軸に沿う方向に伸びる一対のピエゾ抵抗素子Ｐｙ１，Ｐｙ２が形成されている。図には、第２の中心部２３２の輪郭線の位置が破線で示されている。各ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ２，Ｐｙ１，Ｐｙ２は、この第２の中心部２３２の輪郭線の外側直近に配置されている。これは、この部分に生じる応力が最も大きくなるためである。
【００９２】
このような力覚センサにおいて、図７に示すような力−Ｆｚが作用すると、第２の可撓性接続部材２２２の各部には、伸張応力ｆ０が作用することになるので、図１１に示されている各ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ２，Ｐｙ１，Ｐｙ２は、いずれも長手方向に引き伸ばされて抵抗値が増加する。そこで、このような抵抗値変化パターンをブリッジ回路などで検出することにより、力−Ｆｚを検出することが可能になる。
【００９３】
一方、図８に示すようなモーメント＋Ｍｙが作用すると、第２の可撓性接続部材２２２の右側部分２２２Ｒには伸張応力が加わり、左側部分には圧縮応力が加わる。そのため、ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１の抵抗値は増加し、Ｐｘ２の抵抗値は減少する。ピエゾ抵抗素子Ｐｙ１，Ｐｙ２の抵抗値には有意な変化は生じない。そこで、このような抵抗値変化パターンをブリッジ回路などで検出することにより、モーメント＋Ｍｙを検出することが可能になる。同様に、モーメント＋Ｍｘが加わった場合は、ピエゾ抵抗素子Ｐｙ１，Ｐｙ２の抵抗値に増減変化が生じることになる。
【００９４】
このように、検出素子４００として複数のピエゾ抵抗素子を用い、各座標軸方向の外力成分を検出するための方法は、たとえば、前掲の特許文献１０等に開示されている公知事項であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００９５】
図９に示す基本構造体２００Ａおよび支持基板３００に検出素子４００を付加することにより構成されたセンサ用構造体の第２の実施例は、検出素子４００として、容量素子を付加した例である。この第２の実施例では、可撓性接続部材２２１，２２２の撓みに応じて変位する所定位置に配置された変位電極と、可撓性接続部材２２１，２２２の撓みにかかわらず変位が生じない所定位置に配置された固定電極と、を対向電極とする複数の容量素子が検出素子４００として用いられる。図１２は、この第２の実施例に係るセンサ用構造体２００Ａ−２の側断面図である。このセンサ用構造体２００Ａ−２は、図９に示す基本構造体２００Ａに、５枚の電極形成用絶縁板２６１，２６２，２６３，２６４，２６５を付加したものである。個々の電極形成用絶縁板には、それぞれ所定位置に電極が形成されている。
【００９６】
第１の電極形成用絶縁板２６１は、第１の可撓性接続部材２２１の下面に固着されたワッシャ状の絶縁板であり、中心の円形開口部には第２の中心部２３２が挿通し、下面には４枚の電極が形成されている。図１２に示されている電極Ｅｘ１１，Ｅｘ１２は、この４枚の電極のうち、Ｘ軸に沿って配置された２枚である。残りの２枚の電極Ｅｙ１１，Ｅｙ１２は、Ｙ軸に沿って配置されている（図１２には、現れていない）。第１の電極形成用絶縁板２６１は、第１の可撓性接続部材（ダイアフラム）２２１の撓みに応じて撓みを生じるため、その下面に形成された４枚の電極Ｅｘ１１，Ｅｘ１２，Ｅｙ１１，Ｅｙ１２は、外力の作用に応じて変位を生じる変位電極ということになる。
【００９７】
第２の電極形成用絶縁板２６２も、ワッシャ状の絶縁板であり、中心の円形開口部には第２の中心部２３２が挿通している。ただ、その外周面は第１の筒状部２１１の内周面に接合されており、第１の筒状部２１１によってのみ支持されている。したがって、２枚のダイアフラム２２１，２２２に撓みが生じても、常に定位置に固定された状態になる。
【００９８】
第２の電極形成用絶縁板２６２の上面には４枚の電極が形成され、下面にも４枚の電極が形成されている。図１２に示されている電極Ｅｘ２１，Ｅｘ２２は、上面に形成された４枚の電極のうち、Ｘ軸に沿って配置された２枚である。残りの２枚の電極Ｅｙ２１，Ｅｙ２２は、Ｙ軸に沿って配置されている（図１２には、現れていない）。同様に、図１２に示されている電極Ｅｘ３１，Ｅｘ３２は、下面に形成された４枚の電極のうち、Ｘ軸に沿って配置された２枚である。残りの２枚の電極Ｅｙ３１，Ｅｙ３２は、Ｙ軸に沿って配置されている（図１２には、現れていない）。上述したとおり、第２の電極形成用絶縁板２６２は、常に定位置に固定された状態になるため、その上面に形成された４枚の電極Ｅｘ２１，Ｅｘ２２，Ｅｙ２１，Ｅｙ２２および下面に形成された４枚の電極Ｅｘ３１，Ｅｘ３２，Ｅｙ３１，Ｅｙ３２は、外力が作用しても変位を生じない固定電極ということになる。
【００９９】
第３の電極形成用絶縁板２６３は、第２の可撓性接続部材２２２の上面に固着されたワッシャ状の絶縁板であり、中心の円形開口部には第２の中心部２３２が挿通し、上面には４枚の電極が形成されている。図１２に示されている電極Ｅｘ４１，Ｅｘ４２は、この４枚の電極のうち、Ｘ軸に沿って配置された２枚である。残りの２枚の電極Ｅｙ４１，Ｅｙ４２は、Ｙ軸に沿って配置されている（図１２には、現れていない）。第３の電極形成用絶縁板２６３は、第２の可撓性接続部材（ダイアフラム）２２２の撓みに応じて撓みを生じるため、その上面に形成された４枚の電極Ｅｘ４１，Ｅｘ４２，Ｅｙ４１，Ｅｙ４２は、外力の作用に応じて変位を生じる変位電極ということになる。
【０１００】
第４の電極形成用絶縁板２６４は、第２の可撓性接続部材２２２の下面に固着された円板状の絶縁板であり、下面には５枚の電極が形成されている。図１２に示されている電極Ｅ５０は、この５枚の電極のうち、中央部に配置された電極であり、Ｅｘ５１，Ｅｘ５２は、Ｘ軸に沿って配置された２枚である。残りの２枚の電極Ｅｙ５１，Ｅｙ５２は、Ｙ軸に沿って配置されている（図１２には、現れていない）。第４の電極形成用絶縁板２６４は、第２の可撓性接続部材（ダイアフラム）２２２の撓みに応じて撓みを生じるため、その下面に形成された５枚の電極Ｅ５０，Ｅｘ５１，Ｅｘ５２，Ｅｙ５１，Ｅｙ５２は、外力の作用に応じて変位を生じる変位電極ということになる。
【０１０１】
第５の電極形成用絶縁板２６５は、支持基板３００の上面に固着された肉厚円板状の絶縁板であり、上面には５枚の電極が形成されている。図１２に示されている電極Ｅ６０は、この５枚の電極のうち、中央部に配置された電極であり、Ｅｘ６１，Ｅｘ６２は、Ｘ軸に沿って配置された２枚である。残りの２枚の電極Ｅｙ６１，Ｅｙ６２は、Ｙ軸に沿って配置されている（図１２には、現れていない）。第５の電極形成用絶縁板２６５は、２枚のダイアフラム２２１，２２２に撓みが生じても、常に定位置に固定された状態になるので、その上面に形成された５枚の電極Ｅ６０，Ｅｘ６１，Ｅｘ６２，Ｅｙ６１，Ｅｙ６２は、外力が作用しても変位を生じない固定電極ということになる。
【０１０２】
なお、ダイアフラム２２１，２２２に固着して用いられる電極形成用絶縁板２６１，２６３，２６４（変位電極を支持する絶縁板）は、ダイアフラム２２１，２２２の撓みとともに撓む必要があるため、ＦＰＣ基板のような柔軟な基板を用いて構成するのが好ましい。これに対して、固定電極を支持するための電極形成用絶縁板２６２，２６５については、ガラスエポキシ基板などの固い基板を用いて構成すればよい。
【０１０３】
図１３は、図１２に示すセンサ用構造体２００Ａ−２から、第１の基本部１０およびこれに固着されている電極形成用絶縁板２６１，２６２を取り外した状態を示す上面図である（ハッチングは各電極の形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。図に破線で示す円は、第１の筒状部２１１が配置される位置を示している。上述したとおり、ワッシャ状の電極形成用絶縁板２６３は、第２の可撓性接続部材２２２の上面に固着されており、中心の円形開口部には第２の中心部２３２が挿通している。そして、その上面には、４枚の扇形電極Ｅｘ４１，Ｅｘ４２，Ｅｙ４１，Ｅｙ４２が形成されている。
【０１０４】
ワッシャ状の電極形成用絶縁板２６１の下面に形成されている４枚の電極Ｅｘ１１，Ｅｘ１２，Ｅｙ１１，Ｅｙ１２の形状および配置、ワッシャ状の電極形成用絶縁板２６２の上面に形成されている４枚の電極Ｅｘ２１，Ｅｘ２２，Ｅｙ２１，Ｅｙ２２の形状および配置、ワッシャ状の電極形成用絶縁板２６２の下面に形成されている４枚の電極Ｅｘ３１，Ｅｘ３２，Ｅｙ３１，Ｅｙ３２の形状および配置は、いずれも図１３に示す４枚の扇形電極Ｅｘ４１，Ｅｘ４２，Ｅｙ４１，Ｅｙ４２の形状および配置と同様である。
【０１０５】
図１４は、図１２に示すセンサ用構造体２００Ａ−２から、第１の基本部１０および第２の基本部２０を取り外した状態を示す上面図である（ハッチングは各電極の形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。図に破線で示す円は、第２の筒状部２１２が配置される位置を示している。図示のとおり、支持基板３００の上面には、肉厚円板状の電極形成用絶縁板２６５が固定されており、その上面には、中心部に円形電極Ｅ６０が形成されており、その周囲に４枚の扇形電極Ｅｘ６１，Ｅｘ６２，Ｅｙ６１，Ｅｙ６２が形成されている。
【０１０６】
第２の可撓性接続部材２２２の下面に固着された円板状の電極形成用絶縁板２６４の下面に形成されている５枚の電極Ｅ５０，Ｅｘ５１，Ｅｘ５２，Ｅｙ５１，Ｅｙ５２の形状および配置は、図１４に示す５枚の電極Ｅ６０，Ｅｘ６１，Ｅｘ６２，Ｅｙ６１，Ｅｙ６２の形状および配置と同様である。
【０１０７】
結局、図１２に示すセンサ用構造体２００Ａ−２の場合、第１の電極形成用絶縁板２６１の下面に形成された４枚の変位電極と第２の電極形成用絶縁板２６２の上面に形成された４枚の固定電極とがそれぞれ対向して、合計４組の容量素子が形成されている。また、第２の電極形成用絶縁板２６２の下面に形成された４枚の固定電極と第３の電極形成用絶縁板２６３の上面に形成された４枚の変位電極とがそれぞれ対向して、合計４組の容量素子が形成されている。更に、第４の電極形成用絶縁板２６４の下面に形成された５枚の変位電極と第５の電極形成用絶縁板２６５の上面に形成された５枚の固定電極とがそれぞれ対向して、合計５組の容量素子が形成されている。
【０１０８】
こうして形成された容量素子は、いずれも一方が固定電極、他方が変位電極によって構成されているため、ダイアフラム２２１，２２２に撓みが生じて、変位電極の位置が変わると、電極間距離が増減することになり、静電容量値が増減することになる。したがって、個々の容量素子の静電容量値の増減を検出回路５００によって検出することにより、各座標軸方向に作用した外力を電気信号として出力することができる。
【０１０９】
たとえば、図１２に示すセンサ用構造体２００Ａ−２において、図７に示すような力−Ｆｚが作用すると、電極Ｅｘ１１・Ｅｘ２１間の距離、電極Ｅｘ１２・Ｅｘ２２間の距離、電極Ｅ５０・Ｅ６０間の距離等は減少し、これらから構成される容量素子の静電容量値は増加するが、電極Ｅｘ３１・Ｅｘ４１間の距離、電極Ｅｘ３２・Ｅｘ４２間の距離等は増加し、これらから構成される容量素子の静電容量値は減少する。そこで、このような容量値変化パターンを電子回路で検出することにより、力−Ｆｚを検出することが可能になる。
【０１１０】
一方、図８に示すようなモーメント＋Ｍｙが作用すると、電極Ｅｘ１１・Ｅｘ２１間の距離、電極Ｅｘ５１・Ｅｘ６１間の距離、電極Ｅｘ３２・Ｅｘ４２間の距離等は減少し、これらから構成される容量素子の静電容量値は増加するが、電極Ｅｘ１２・Ｅｘ２２間の距離、電極Ｅｘ５２・Ｅｘ６２間の距離、電極Ｅｘ３１・Ｅｘ４１間の距離等は増加し、これらから構成される容量素子の静電容量値は減少する。そこで、このような容量値変化パターンを電子回路で検出することにより、モーメント＋Ｍｙを検出することが可能になる。同様に、Ｙ軸に沿って配置された電極から構成される各容量素子の容量値変化パターンを電子回路で検出することにより、モーメント＋Ｍｘを検出することが可能になる。
【０１１１】
なお、複数の容量素子の一方の電極を１枚の共通電極とすることも可能である。この場合、ダイアフラム２２１，２２２が金属により構成されているため、電極形成用絶縁板やその表面に形成される個別の電極を設けずに、ダイアフラム２２１，２２２自身を共通電極として利用することもできる。
【０１１２】
このように、検出素子４００として複数の容量素子を用い、各座標軸方向の外力成分を検出するための方法は、たとえば、前掲の特許文献１，２等に開示されている公知事項であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【０１１３】
＜  ３−２  第２の具体的構成例  ＞
図１５(a) は、本発明に係る力覚センサに用いられる基本構造体の第２の具体的構成例を示す側断面図、図１５(b) は、その上面図である。ここに示す基本構造体２００Ｂは、実は、図９に示す基本構造体２００Ａと全く同じものである（但し、空気抜き孔Ｈは省略されている）。したがって、この基本構造体２００Ｂも、第１の基本部１０と第２の基本部２０という２つの部品を組み合わせることにより構成されている。ただ、図示のとおり、基本構造体２００Ａを天地逆の向きにして配置したものであるため、ここでは、便宜上、別な符号を用いた基本構造体２００Ｂとして示してある。
【０１１４】
この図１５に示す実施例の場合、支持基板３５０の上面に、基本構造体２００Ｂ（図９に示す基本構造体２００Ａを天地逆にしたもの）を接続して用いることになる。具体的には、支持基板３５０の上面中央部に、基本構造体２００Ｂの第１の中心部２３１の端面が固着される。もちろん、力覚センサは、この基本構造体２００Ｂおよび支持基板３５０に、更に、検出装置４００および検出回路５００を付加することにより構成される。この場合、検出回路５００は、支持基板３５０を固定した状態において、基本構造体２００Ｂの第２の筒状部２１２に作用した力およびモーメントを示す電気信号を出力することになる。
【０１１５】
図１６(a) は、図１５に示す基本構造体２００Ｂおよび支持基板３５０に、検出素子４００として容量素子を付加することにより構成されたセンサ用構造体２００Ｂ−１を示す側断面図である。具体的には、図示のとおり、容量素子を形成するために電極形成用絶縁板２７０，２８０が付加されている。電極形成用絶縁板２７０は、第１の可撓性接続部材２２１の下面に固着されたワッシャ状の絶縁板であり、中心の円形開口部には第１の中心部２３１が挿通し、下面には５枚の電極が形成されている。
【０１１６】
図１６に示されている電極Ｅ７０は、この５枚の電極のうち、周囲部に配置された円環状の電極であり、Ｅｘ７１，Ｅｘ７２は、Ｘ軸に沿って配置された２枚である。残りの２枚の電極Ｅｙ７１，Ｅｙ７２は、Ｙ軸に沿って配置されている（図１６には、現れていない）。電極形成用絶縁板２７０は、第１の可撓性接続部材（ダイアフラム）２２１の撓みに応じて撓みを生じるため、その下面に形成された５枚の電極Ｅ７０，Ｅｘ７１，Ｅｘ７２，Ｅｙ７１，Ｅｙ７２は、外力の作用に応じて変位を生じる変位電極ということになる。
【０１１７】
一方、電極形成用絶縁板２８０は、支持基板３５０の上面に固着された肉厚ワッシャ状の絶縁板であり、中心の円形開口部には第１の中心部２３１が挿通し、上面には５枚の電極が形成されている。図１６に示されている電極Ｅ８０は、この５枚の電極のうち、周囲部に配置された円環状の電極であり、Ｅｘ８１，Ｅｘ８２は、Ｘ軸に沿って配置された２枚である。残りの２枚の電極Ｅｙ８１，Ｅｙ８２は、Ｙ軸に沿って配置されている（図１６には、現れていない）。電極形成用絶縁板２８０は、２枚のダイアフラム２２１，２２２に撓みが生じても、常に定位置に固定された状態になるので、その上面に形成された５枚の電極Ｅ８０，Ｅｘ８１，Ｅｘ８２，Ｅｙ８１，Ｅｙ８２は、外力が作用しても変位を生じない固定電極ということになる。
【０１１８】
図１６(b) は、電極形成用絶縁板２８０の上面図である（図１６(b) におけるハッチングは各電極の形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。上述したとおり、電極形成用絶縁板２８０は、肉厚ワッシャ状の絶縁板であり、中心の円形開口部には第１の中心部２３１が挿通する。そして、上面の周囲部には、円環状の電極Ｅ８０が形成され、その内側には、４枚の扇形電極Ｅｘ８１，Ｅｘ８２，Ｅｙ８１，Ｅｙ８２が形成されている。
【０１１９】
一方、ワッシャ状の電極形成用絶縁板２７０の下面に形成されている５枚の電極Ｅ７０，Ｅｘ７１，Ｅｘ７２，Ｅｙ７１，Ｅｙ７２の形状および配置は、図１６(b) に示す５枚の電極Ｅ８０，Ｅｘ８１，Ｅｘ８２，Ｅｙ８１，Ｅｙ８２の形状および配置と同様である。
【０１２０】
結局、図１６に示すセンサ用構造体２００Ｂ−１の場合、電極形成用絶縁板２７０の下面に形成された５枚の変位電極と電極形成用絶縁板２８０の上面に形成された５枚の固定電極とがそれぞれ対向して、合計５組の容量素子が形成されている。これらの容量素子は、いずれも一方が固定電極、他方が変位電極によって構成されているため、ダイアフラム２２１，２２２に撓みが生じて、変位電極の位置が変わると、電極間距離が増減することになり、静電容量値が増減することになる。したがって、個々の容量素子の静電容量値の増減を検出回路５００によって検出することにより、各座標軸方向に作用した外力を電気信号として出力することができる。
【０１２１】
たとえば、図１６に示すセンサ用構造体２００Ｂ−１において、図７に示すような力−Ｆｚが作用すると、円環状の電極Ｅ７０・Ｅ８０間の距離は減少し、これらから構成される容量素子の静電容量値は増加する。逆に、上方向の力＋Ｆｚが作用すると、円環状の電極Ｅ７０・Ｅ８０間の距離は増加し、これらから構成される容量素子の静電容量値は減少する。したがって、対向する電極Ｅ７０・Ｅ８０によって構成される容量素子の静電容量値の変化により、Ｚ軸方向の力の向きおよび大きさを検出することができる。
【０１２２】
一方、図８に示すようなモーメント＋Ｍｙが作用すると、電極Ｅｘ７１・Ｅｘ８１間の距離は減少し、これらから構成される容量素子の静電容量値は増加するが、電極Ｅｘ７２・Ｅｘ８２間の距離は増加し、これらから構成される容量素子の静電容量値は減少する。また、逆まわりのモーメント−Ｍｙが作用すると、電極Ｅｘ７１・Ｅｘ８１間の距離は増加し、これらから構成される容量素子の静電容量値は減少するが、電極Ｅｘ７２・Ｅｘ８２間の距離は減少し、これらから構成される容量素子の静電容量値は増加する。
【０１２３】
したがって、検出回路５００によって、対向する電極Ｅｘ７１・Ｅｘ８１から構成される容量素子の静電容量値と、対向する電極Ｅｘ７２・Ｅｘ８２から構成される容量素子の静電容量値との差を求めれば、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの向きおよび大きさを検出することができる。同様に、対向する電極Ｅｙ７１・Ｅｙ８１から構成される容量素子の静電容量値と、対向する電極Ｅｙ７２・Ｅｙ８２から構成される容量素子の静電容量値との差を求めれば、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの向きおよび大きさを検出することができる。
【０１２４】
一方、図１７は、図１５に示す基本構造体２００Ｂに、検出素子４００としてピエゾ抵抗素子を付加することにより構成されたセンサ用構造体２００Ｂ−２を示す側断面図である。図１６に示すセンサ用構造体２００Ｂ−１と図１７に示すセンサ用構造体２００Ｂ−２との第１の相違点は、前者における電極形成用絶縁板２７０，２８０および各電極の代わりに、後者ではシリコン基板２５０および４組のピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ２，Ｐｙ１，Ｐｙ２が用いられている点である。シリコン基板２５０は、図１０に示したセンサ用構造体２００Ａ−１に利用されていたものと全く同じであり、４組のピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ２，Ｐｙ１，Ｐｙ２の配置は、図１１に示すとおりである。また、外力の検出原理も、図１０に示したセンサ用構造体２００Ａ−１を利用した力覚センサと全く同様である。
【０１２５】
図１６に示すセンサ用構造体２００Ｂ−１と図１７に示すセンサ用構造体２００Ｂ−２との第２の相違点は、後者には、外力に基づいて生じる変位を所定範囲内に制限するための制御構造が設けられている点である。すなわち、図１７に示すセンサ用構造体２００Ｂ−２では、支持基板３６１の上面外周部に筒状制御部材３６２が接合されており、支持基板３６１と筒状制御部材３６２とによって支持筐体３６０が構成されている。この支持筐体３６０は、基本構造体２００Ｂの下方部分を収容する容器を構成しており、筒状制御部材３６２は、基本構造体２００Ｂの上方部分の変位を制御する機能を果たす。
【０１２６】
そのため、基本構造体２００Ｂの第２の筒状部２１２の外周面には、外方に突き出したフランジ部２１２Ｆが設けられており、筒状制御部材３６２の上端面とフランジ部２１２Ｆの下面との間に第１の空隙部ε１が設けられており、筒状制御部材３６２の内周面と第２の筒状部２１２の外周面との間に第２の空隙部ε２が設けられている。これら空隙部ε１，ε２の寸法を適切な値に設定すれば、第２の筒状部２１２の支持筐体３６０に対する変位を、空隙部ε１，ε２の寸法に応じた範囲内に制御することができる。
【０１２７】
ダイアフラムとして機能する第１の可撓性接続部材２２１および第２の可撓性接続部材２２２は、その弾性変形領域で撓みを生じていれば問題ないが、過度の外力が作用して、弾性変形領域を越える変形が生じてしまうと、それ以後、正確な外力検出を行うことはできなくなり、場合によっては、亀裂が生じて破損する可能性もある。図１７に示すセンサ用構造体２００Ｂ−２の場合、過度の外力が作用しても、第２の筒状部２１２の外周面やフランジ部２１２Ｆの下面が、筒状制御部材３６２に接触した時点で、それ以上の変位が制限されるため、空隙部ε１，ε２の寸法を適切な値に設定しておけば、可撓性接続部材２２１，２２２の変形をその弾性変形領域内に抑えることができる。
【０１２８】
具体的には、図の下方へ過度の外力−Ｆｚが加わった場合、フランジ部２１２Ｆの下面が、筒状制御部材３６２の上面に接触することにより（空隙部ε１の寸法が０になる）過度の変位は制御される。同様に、過度のモーメント＋Ｍｙ，−Ｍｙ，＋Ｍｘ，−Ｍｘが加わった場合、第２の筒状部２１２の外周面が筒状制御部材３６２の内周面に接触することにより（空隙部ε２の寸法が０になる）過度の変位は制御される。
【０１２９】
なお、この図１７に示す実施例の場合、図の上方への過度の外力＋Ｆｚや、Ｚ軸まわりの過度のモーメントＭｚに対しては、制御を行うことはできないが、必要なら、これらの力に対しても変位を制御するための制御構造を設けるようにすればよい。
【０１３０】
＜  ３−３  第３の具体的構成例  ＞
図１８は、本発明に係る力覚センサに用いられる基本構造体の第３の具体的構成例を示す側断面図である。ここに示されている基本構造体２００Ｃも、第１の基本部１０Ｃと第２の基本部２０Ｃという２つの部品を組み合わせる構成を採用しており、量産化に適した構造を有している。
【０１３１】
図示のとおり、上段に配置された第１の基本部１０Ｃは、Ｚ軸を中心軸として配置された円柱状の第１の中心部２３１Ｃと、同じくＺ軸を中心軸として配置された円筒状の第１の筒状部２１１Ｃと、第１の中心部２３１Ｃの上部外周面と第１の筒状部２１１Ｃの上部内周面とを接続するワッシャ状の第１の接続部２２１Ｃ（第１のダイアフラム）と、を有する構造体になっている。一方、下段に配置された第２の基本部２０Ｃは、Ｚ軸を中心軸として配置された円柱状の第２の中心部２３２Ｃと、同じくＺ軸を中心軸として配置された円筒状の第２の筒状部２１２Ｃと、第２の中心部２３２Ｃの上部外周面と第２の筒状部２１２Ｃの上部内周面とを接続するワッシャ状の第２の接続部２２２Ｃ（第２のダイアフラム）と、を有する構造体になっている。
【０１３２】
基本構造体２００Ｃは、第１の基本部１０Ｃの下方に第２の基本部２０Ｃを接続することによって構成される。具体的には、第１の中心部２３１Ｃの下端に第２の中心部２３２Ｃの上端が接続されており、第１の筒状部２１１Ｃの下端に第２の筒状部２１２Ｃの上端が接続されている。結局、第１の中心部２３１Ｃおよび第２の中心部２３２Ｃの接合体が、図４に示す基本構造体２００の中心部材２３０に対応し、第１の筒状部２１１Ｃおよび第２の筒状部２１２Ｃの接合体が、図４に示す基本構造体２００の筒状部材２１０に対応し、第１の接続部２２１Ｃが、図４に示す基本構造体２００の第１の可撓性接続部材２２１に対応し、第２の接続部２２２Ｃが、図４に示す基本構造体２００の第２の可撓性接続部材２２２に対応することになる。
【０１３３】
図１８には、この基本構造体２００Ｃを支持基板３７０の上面に固着して利用する状態が示されている。そのため、第２の中心部２３２Ｃの下端が第２の筒状部２１２Ｃの下端よりも下方へ突出する構造になっており、支持基板３７０の上面中央部に、第２の中心部２３２Ｃの下端が固着され、第２の筒状部２１２Ｃの下端は、支持基板３７０の上面から若干浮いた状態になる。
【０１３４】
第２の筒状部２１２Ｃの下端と支持基板３７０の上面との距離を図のように空隙寸法ｄと定義すれば、第２の筒状部２１２Ｃ（および第１の筒状部２１１Ｃ）は、図の下方に空隙寸法ｄの範囲内で変位することができる。したがって、この基本構造体２００Ｃを利用した力覚センサでは、検出回路５００が、支持基板３７０を固定した状態において、第１の筒状部２１１Ｃに作用した力およびモーメントを示す電気信号を出力することができる。具体的には、図に示されている作用点Ｑ１，Ｑ２に加えられた外力の各座標軸成分を検出することができる。
【０１３５】
この基本構造体２００Ｃを利用して力覚センサを構成する場合も、検出素子４００としては、これまで述べてきたピエゾ抵抗素子や容量素子を用いることができる。したがって、検出素子４００の具体的な構成例や検出回路５００による具体的な検出方法についての説明は省略する。
【０１３６】
＜  ３−４  第４の具体的構成例  ＞
これまで述べてきた実施例は、いずれも膜状のダイアフラムを可撓性接続部材として用いているが、本発明に係る力覚センサに用いる基本構造体の可撓性接続部材は、必ずしもダイアフラム構造を有している必要はない。すなわち、第１の可撓性接続部材は、第１の座標値Ｚ１を用いたＺ＝Ｚ１なる式で表される第１の接続平面Ｓ１に沿って中心部材と筒状部材とを接続する可撓性をもった部材であれば、必ずしもダイアフラムによって構成する必要はない。同様に、第２の可撓性接続部材は、第２の座標値Ｚ２を用いたＺ＝Ｚ２なる式で表される第２の接続平面Ｓ２に沿って中心部材と筒状部材とを接続する可撓性をもった部材であれば、必ずしもダイアフラムによって構成する必要はない。
【０１３７】
たとえば、第１の可撓性接続部材および第２の可撓性接続部材を、それぞれ中心部材の外周面の所定箇所と筒状部材の内周面の所定箇所とを接続する複数本の架橋構造体（ビーム構造体）によって構成することも可能である。ここでは、第１の可撓性接続部材を、第１の接続平面Ｓ１上で直交する２軸に沿って配置された４本の架橋構造体によって構成し、第２の可撓性接続部材を、第２の接続平面上で直交する２軸に沿って配置された４本の架橋構造体によって構成した実施例を、図１９を参照しながら説明する。
【０１３８】
図１９は、この第４の具体的構成例に係る基本構造体２００Ｄの上面図である。Ｚ軸（原点Ｏにおいて紙面に直交する軸）を中心軸として配置された円筒状の筒状部材２１０と、同じくＺ軸を中心軸として配置された円柱状の中心部材２３０を有している点は、図４に示す基本構造体２００と同じであるが、筒状部材２１０と中心部材２３０とを接続する第１の可撓性接続部材として、図示のとおり、４本の可撓性を有する架橋構造体２９１〜２９４が用いられている。
【０１３９】
図示のとおり、架橋構造体２９１はＸ軸正領域に沿って配置され、架橋構造体２９２はＸ軸負領域に沿って配置され、架橋構造体２９３はＹ軸正領域に沿って配置され、架橋構造体２９４はＹ軸負領域に沿って配置されており、平面的には十文字を構成している。図１９は上面図であるため、第１の可撓性接続部材（第１の接続平面Ｓ１に沿って配置される部材）を構成する４本の架橋構造体２９１〜２９４のみが示されているが、それぞれの奥には、第２の可撓性接続部材（第２の接続平面Ｓ２に沿って配置される部材）を構成する４本の架橋構造体が配置されている。
【０１４０】
この図１９に示す基本構造体２００Ｄの側断面図は、図４(a) に示す側断面図と全く同じになる。ただ、第１の可撓性接続部材２２１が、図４に示す基本構造体２００では１枚のワッシャ状ダイアフラムによって構成されていたのに対して、図１９に示す基本構造体２００Ｄでは４本の架橋構造体２９１〜２９４によって構成されることになる（図４の可撓性接続部材２２１の断面が、Ｘ軸に沿って配置された架橋構造体２９１，２９２の断面になる）。同様に、第２の可撓性接続部材２２２も、図４に示す基本構造体２００では１枚のワッシャ状ダイアフラムによって構成されていたのに対して、図１９に示す基本構造体２００Ｄでは４本の架橋構造体によって構成されることになる（図４の可撓性接続部材２２２の断面が、Ｘ軸に沿って配置された架橋構造体の断面になる）。
【０１４１】
基本構造体２００Ｄに用いられている８本の架橋構造体は、いずれも厚み（Ｚ軸方向の寸法）が１ｍｍに満たない金属製のビームによって構成され、ダイアフラムと同様に可撓性を有している。したがって、基本構造体２００Ｄの構造的な特性は、図４に示す基本構造体２００の構造的な特性と同様であり、中心部材２３０および筒状部材２１０の一方を固定した状態において他方に外力が作用すると、８本の架橋構造体が撓みを生じる。
【０１４２】
この基本構造体２００Ｄを用いて力覚センサを構成する場合も、８本の架橋構造体の一部もしくは全部についての撓みを検出する検出素子と、その検出結果に基づいて外力の各座標軸方向成分を電気信号として出力する検出回路とを設ける点は、これまで述べてきた実施例と全く同様である。したがって、検出素子の具体的な構成例や検出回路による具体的な検出方法についての説明は省略する。
【０１４３】
＜  ３−５  その他の構成例  ＞
以上、本発明に係る力覚センサおよび当該力覚センサに用いる基本構造体をいくつかの実施例について述べたが、もちろん、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。本発明の基本概念は、§２で述べたとおりであり、中心部材と筒状部材との間を、それぞれ異なる位置で接続する２組の可撓性接続部材を設ける構造をもった基本構造体であれば、この他にも様々な態様のものを利用可能である。
【０１４４】
たとえば、§３では、基本構造体２００を、第１の基本部１０，１０Ｃと、第２の基本部２０，２０Ｃとを組み合わせることにより構成しているが、第１の基本部や第２の基本部の形状や構造は、図示した実施例に限定されるものではない。もちろん、３組以上の部品によって基本構造体２００を構成することも可能である。
【０１４５】
また、図１０に示すセンサ用構造体２００Ａ−１では、検出素子によって第２の可撓性接続部材（ダイアフラム）２２２の撓みを検出する構成を採用し、図１６に示すセンサ用構造体２００Ｂ−１では、検出素子によって第１の可撓性接続部材（ダイアフラム）２２１の撓みを検出する構成を採用し、図１７に示すセンサ用構造体２００Ｂ−２では、検出素子によって第２の可撓性接続部材（ダイアフラム）２２２の撓みを検出する構成を採用している。その一方で、図１２に示すセンサ用構造体２００Ａ−２では、検出素子によって、第１の可撓性接続部材（ダイアフラム）２２１の撓みと第２の可撓性接続部材（ダイアフラム）２２２の撓みの双方を検出する構成を採用している。
【０１４６】
このように、本発明に係る力覚センサでは、検出素子によって、第１の可撓性接続部材および第２の可撓性接続部材の少なくとも一方の撓みを検出するようにすればよい。図１２に示すセンサ用構造体２００Ａ−２の場合、合計１８組もの容量素子を用いて、１８カ所の変位の検出情報が得られる。そのため、検出回路は、この１８組の検出情報に基づく演算処理を行って、作用した外力の各座標軸方向成分をより正確に検出することが可能になるが、それほど高精度の検出結果が必要ない場合には、１８組もの容量素子を設ける必要はない。すなわち、電極形成用絶縁板２６１の下面と２６２の上面に形成された電極からなる容量素子群、電極形成用絶縁板２６２の下面と２６３の上面に形成された電極からなる容量素子群、電極形成用絶縁板２６４の下面と２６５の上面に形成された電極からなる容量素子群、のうち、必要に応じて、いずれか１群、または、いずれか２群、または全３群を用いて力覚センサを構成することができる。
【０１４７】
可撓性接続部材の撓み（各部の変位）を検出する検出素子として、これまで、可撓性接続部材の撓みに応じて応力が加わる所定位置に配置された複数のピエゾ抵抗素子を用いる例や、可撓性接続部材の撓みに応じて変位する所定位置に配置された変位電極と、可撓性接続部材の撓みにかかわらず変位が生じない所定位置に配置された固定電極と、を対向電極とする複数の容量素子を用いる例を述べてきたが、もちろん、これ以外の検出素子を用いてもかまわない。たとえば、前掲の特許文献１には、圧電素子を検出素子として利用した例が示されている。あるいは、可撓性接続部材の表面に貼り付けたストレーンゲージを検出素子として利用することも可能である。
【０１４８】
＜＜＜  §４．  従来装置との対比実験  ＞＞＞
本発明の重要な効果は、各座標軸方向の感度差を是正し、各座標軸方向の定格荷重値をできるだけ等しくする点にある。特に、これまで述べてきた実施例の場合、Ｚ軸方向の力Ｆｚに対する感度と、Ｘ軸方向の力Ｆｘ（実際には、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙとして作用する）もしくはＹ軸方向の力Ｆｙ（実際には、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘとして作用する）に対する感度との差を大幅に削減することが可能である。そこで、ここでは、本発明に係る力覚センサの変位特性を従来の力覚センサの変位特性と対比し、感度差の効果的な是正が行われる事実を実験データとして示しておく。
【０１４９】
ここで示す対比実験は、図１８に示すように、支持基板３７０上に取り付けられた基本構造体２００Ｃ（本発明に係る力覚センサに利用される構造体）と、図２０に示すように、支持基板１４８上に取り付けられた基本構造体１００Ｃ（従来の力覚センサに利用される構造体）と、について実施したものである。
【０１５０】
図２０に示す基本構造体１００Ｃは、円筒状の筒状部材１１８と円柱状の中心部材１３８とをワッシャ状の可撓性接続部材（ダイアフラム）１２８によって接続した構造体であり、中心部材１３８の下端が支持基板１４８の上面中央部に固着されている。これに対して、図１８に示す基本構造体２００Ｃは、§３−４で述べたとおりの構造を有し、第２の中心部２３２Ｃの下端は支持基板３７０の上面中央部に固着されている。
【０１５１】
図１８に示す基本構造体２００Ｃにおける第１の筒状部２１１Ｃと第２の筒状部２１２Ｃの接合体、および第１の中心部２３１Ｃと第２の中心部２３２Ｃの接合体を、それぞれ図２０に示す基本構造体１００Ｃにおける筒状部材１１８および中心部材１３８と考えれば、両者の実質的な相違は、後者では、１枚のダイアフラム１２８しか用いられていないのに対して、前者では、互いに平行な２枚のダイアフラム２２１Ｃ，２２２Ｃが用いられている点のみである。したがって、両者の変位特性を比較すれば、１枚のダイアフラムの代わりに平行な２枚のダイアフラムを用いることにより得られる効果が確認できる。
【０１５２】
なお、参考までに、実験に用いた２つの基本構造体の各主要部の寸法を示すと、図２０に示す基本構造体１００Ｃについては、ダイアフラム１２８の厚みが０．７ｍｍ、円柱部材１３８の直径が５ｍｍ、筒状部材１１８の直径が２０ｍｍ、筒状部材１１８の高さが１０ｍｍであり、図１８に示す基本構造体２００Ｃについては、ダイアフラム２２１Ｃ，２２２Ｃの厚みがいずれも０．２５ｍｍ、第１の中心部２３１Ｃおよび第２の中心部２３２Ｃの直径がいずれも５ｍｍ、第１の筒状部２１１Ｃおよび第２の筒状部２１２Ｃの直径が２０ｍｍ、これら両筒状部の２１１Ｃ，２１２Ｃの合計高さが１０ｍｍである。いずれも構成材料としては、アルミニウムを使用した。
【０１５３】
図２１(a) は、図２０に示す従来の基本構造体１００Ｃについての実験により得られた変位特性を示すグラフであり、図２１(b) は、図１８に示す本発明の基本構造体２００Ｃについての実験により得られた変位特性を示すグラフである。いずれの場合も、グラフＦｚは、図１８，図２０に示されている作用点Ｑ１，Ｑ２に図の下方向への力−Ｆｚを加えたときの平均変位量Δｄを示している。一方、グラフＭｙは、図１８，図２０に示されている作用点Ｑ１には上方へ引っ張る力、作用点Ｑ２には下方へ押圧する力を加えたとき（すなわち、モーメントＭｙを作用させたとき）の平均変位量Δｄを示している。またグラフＭｘは、同様の方法により（作用点の位置は異なる）、モーメントＭｘを作用させたときの平均変位量Δｄを示している。
【０１５４】
ここで、平均変位量Δｄ（単位μｍ）とは、図１８に示す基本構造体２００Ｃの場合、第２の筒状部２１２Ｃの下面の外周位置と支持基板３７０の上面との距離（空隙寸法ｄ）の変動量の絶対値の平均値を指し、図２０に示す基本構造体１００Ｃの場合、筒状部材１１８の下面の外周位置と支持基板１４８の上面との距離（空隙寸法ｄ）の変動量の絶対値の平均値を指す。外力が作用していない状態では、空隙寸法ｄは、いずれの箇所でも同じであるが、外力の作用によりダイアフラムに撓みが生じると、空隙寸法ｄは位置によって増減する。平均変位量Δｄは、この増減量の平均値を示すことになり、ダイアフラムに生じた撓みの程度を示すパラメータとして利用することができる。
【０１５５】
なお、グラフの横軸の単位は、力Ｆｚについては「Ｎ」、モーメントＭｘ，Ｍｙについては「Ｎ・ｍ」となっている。本来、力とモーメントは、別な物理量であり、両者を直接的に比較することはできないが、ここでは、便宜上、外力が加わる作用点Ｑとモーメントの回転中心（原点Ｏ）との距離を、上述した各部の寸法値を考慮して１０ｍｍに設定し、１００Ｎの力が１Ｎ・ｍのモーメントに対応するものとして、グラフＦｚとグラフＭｘ，Ｍｙの横軸のスケーリングを行い、横軸を共通軸として設定した。力Ｆｚについてのグラフの右目盛の最大値１００Ｎは、これら各基本構造体の力Ｆｚについて設定した定格荷重値であり、モーメントＭｘ，Ｍｙについてのグラフの右目盛の最大値１Ｎ・ｍは、これら各基本構造体のモーメントＭｘ，Ｍｙについて設定した定格荷重値である。
【０１５６】
したがって、作用点Ｑ１，Ｑ２に５０Ｎずつの下方への押圧力を加えて、合計１００Ｎの押圧力−Ｆｚを加えると、力の定格荷重値に達することになる。また、上述したとおり、ここでは、作用点Ｑ１，Ｑ２と原点Ｏとの距離をそれぞれ１０ｍｍ（０．０１ｍ）に設定したスケーリングを行っているため、、作用点Ｑ１に５０Ｎの上方への引っ張り力、作用点Ｑ２に５０Ｎの下方への押圧力を加えて、合計１００Ｎの力を作用させると、１００Ｎ×０．０１ｍ＝１Ｎ・ｍになるので、モーメントの定格荷重値に達することになる。
【０１５７】
結果は、図２１(a) に示すグラフと図２１(b) に示すグラフとを対比すれば一目瞭然である。図２１(a) に示す従来の基本構造体１００Ｃについての結果を見ると、モーメントＭｘ，Ｍｙが作用したときの平均変位量Δｄと、力Ｆｚが作用したときの平均変位量Δｄとを同じ横軸位置で比べると、前者に対して後者は著しく低いことがわかる。これは、力Ｆｚに対する感度が、モーメントＭｘ，Ｍｙに対する感度よりも著しく低いことを意味する。実際、定格荷重値における平均変位量Δｄの差は、３１÷６＝５．２倍もの値になっている。
【０１５８】
別言すれば、モーメントＭｘ，Ｍｙについては、１Ｎ・ｍが適切な定格荷重値であるのに対して、力Ｆｚについての１００Ｎは、ここでは便宜上、定格荷重値に設定しているが、この値は適切な定格荷重値にはなっていない。すなわち、本来、力Ｆｚについて設定すべき適切な定格荷重値は、平均変位量Δｄが３１μｍに達するまでグラフＦｚを右方へ延長したときの値ということになる。ただ、市販製品として、個々の座標軸ごとに異なる定格荷重値を設定した製品を提供することは好ましくないので、実用上は、最も低い定格荷重値に合わせて、製品としての定格荷重値を設定しているのが実情である。
【０１５９】
もちろん、製品としての定格荷重値をより大きく設定したい場合には、ダイアフラムの厚みを増加させて撓みにくくするような設計を行えばよい。ただ、そのような設計変更を行ったとしても、図２１(a) に示すグラフＭｘ，Ｍｙ，Ｆｚの傾斜を全体的に変える効果しかなく、グラフＭｘ，Ｍｙの傾斜とグラフＦｚの傾斜との差、すなわち両者の感度差は是正されない。これは、モーメントＭｘ，Ｍｙについての測定には、基本構造体１００Ｃの構造上、最適な変位レンジが利用されるのに対して、力Ｆｚについての測定には、当該最適な変位レンジが有効に利用されないことを意味し、検出精度の低下を招くことになる。
【０１６０】
これに対して、図２１(b) に示す本発明の基本構造体２００Ｃについての結果を見ると、グラフＦｚの傾斜がグラフＭｘ，Ｍｙの傾斜にかなり近づいていることがわかる。実際、定格荷重値における平均変位量Δｄの差は、２２÷２０＝１．１倍に是正されている。両者は完全一致の状態には至ってないが、実用上、各座標軸方向に関する感度差はほぼ是正された状態になっている。したがって、グラフの右目盛の最大値１００Ｎもしくは１Ｎ・ｍを、この製品としての定格荷重値に設定した場合、いずれの座標軸方向に関する測定も、基本構造体２００Ｃの構造上、最適な変位レンジを利用した測定になり、良好な検出精度を確保することが可能になる。この実験により、本発明の有効性が明らかになった。
【符号の説明】
【０１６１】
１０，１０Ｃ：第１の基本部
２０，２０Ｂ，２０Ｃ：第２の基本部
１００，１００Ｃ：基本構造体（従来のセンサに用いられるもの）
１１０，１１８：筒状部材
１２０，１２８：可撓性接続部材（ダイアフラム）
１３０，１３８：中心部材
１４０，１４８：支持基板
２００：基本構造体（本発明に係るセンサに用いられるもの）
２００Ａ：基本構造体（本発明の第１の具体的構成例）
２００Ａ−１：センサ用構造体（検出素子としてピエゾ抵抗素子を付加）
２００Ａ−２：センサ用構造体（検出素子として容量素子を付加）
２００Ｂ：基本構造体（本発明の第２の具体的構成例）
２００Ｂ−１：センサ用構造体（検出素子として容量素子を付加）
２００Ｂ−１：センサ用構造体（検出素子としてピエゾ抵抗素子を付加）
２００Ｃ：基本構造体（本発明の第３の具体的構成例）
２００Ｄ：基本構造体（本発明の第４の具体的構成例）
２１０：筒状部材
２１１，２１１Ｃ：第１の筒状部
２１２，２１２Ｃ：第２の筒状部
２１２Ｆ：フランジ部
２２１，２２１Ｃ，２２１Ｌ，２２１Ｒ：第１の可撓性接続部材（ダイアフラム）
２２２，２２２Ｃ，２２２Ｌ，２２２Ｒ：第２の可撓性接続部材（ダイアフラム）
２３０：中心部材
２３１，２３１Ｃ：第１の中心部
２３２，２３２Ｃ：第２の中心部
２５０：シリコン基板
２６１〜２６５：電極形成用絶縁板
２７０，２８０：電極形成用絶縁板
２９１〜２９４：可撓性を有する架橋構造体
３００：支持基板
３５０：支持基板
３６０：支持筐体
３６１：支持基板
３６２：筒状制御部材
３７０：支持基板
４００：検出素子
５００：検出回路
ｄ：空隙寸法
Ｅｘ１１〜Ｅｘ８２：Ｘ軸に沿って配置された扇形電極
Ｅｙ１１〜Ｅｙ８２：Ｙ軸に沿って配置された扇形電極
Ｅ５０，Ｅ６０：中央に配置された円形電極
Ｅ７０，Ｅ８０：円環状電極
Ｆｘ：Ｘ軸方向の力
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力
ｆ０，ｆｘ１〜ｆｘ４：各部に発生する応力
Ｈ：空気抜き孔
Ｍｘ：Ｘ軸まわりのモーメント
Ｍｙ：Ｙ軸まわりのモーメント
Ｏ：三次元座標系の原点
Ｐｘ１，Ｐｘ２，Ｐｙ１，Ｐｙ２：ピエゾ抵抗素子
Ｑ，Ｑ１，Ｑ２：作用点
Ｓ１：第１の接続平面（Ｚ＝Ｚ１なる式で表される平面）
Ｓ２：第２の接続平面（Ｚ＝Ｚ２なる式で表される平面）
Ｖ１，Ｖ２：空洞部
Ｗ１〜Ｗ４：開口窓部
Ｘ，Ｙ，Ｚ：三次元座標系の各座標軸
Δｄ：平均変位量（空隙寸法ｄの平均変位量）
ε１，ε２：空隙部
【要約】
【課題】個々の軸方向感度を等しくする。
【解決手段】Ｚ軸を中心軸として配置された円筒状部材２１０内に、Ｚ軸上に配置された円柱状の中心部材２３０を配置し、両者間をワッシャ状の２組のダイアフラム２２１，２２２によって接続する。ダイアフラム２２１は、Ｚ＝Ｚ１なる式で表される第１の接続平面Ｓ１に沿って配置され、ダイアフラム２２２は、Ｚ＝Ｚ２なる式で表される第２の接続平面Ｓ２に沿って配置される。円筒状部材２１０の底面を支持基板３００上に固定した状態で、中心部材２３０の上端に作用した外力についての各座標軸方向成分を、ダイアフラム２２１，２２２の撓みを検出する検出素子４００および検出回路５００を用いて電気信号として出力する。Ｙ軸まわりのモーメントＭｙおよびＺ軸方向の力Ｆｚの検出感度はほぼ等しくなり、各座標軸方向に関する定格荷重もほぼ同じになる。
【選択図】図４【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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