(57)【要約】【課題】小型化とコストダウンを図りつつ、３軸の力と３軸のモーメントを検出する。【解決手段】αβγ座標系の原点Ｑの位置に三角柱からなる内側構造体２００を配置し、その外側に円筒状の外側構造体１００、更にその外側に円筒状の外殻構造体３００を配置する。内側構造体２００と外殻構造体３００とは連結され、内側構造体２００と外側構造体１００との間には、基本センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３が接続される。外側構造体１００は台座に固定され、外殻構造体３００に外力が作用すると、内側構造体２００が連動変位し、各基本センサに歪みが生じる。各基本センサには、それぞれ別個のＸＹＺ座標系が定義され、生じた歪みに基づき、Ｘ軸，Ｙ軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙが検出される。各基本センサの検出値Ｍｘ，Ｍｙに基づく演算により、αβγ座標系の各座標軸方向の力Ｆα，Ｆβ，Ｆγと、各座標軸まわりのモーメントＭα，Ｍβ，Ｍγが得られる。【選択図】図１４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に収容空間を有する外側構造体と、
少なくとも一部が前記収容空間内に収容された内側構造体と、
複数ｎ組（但し、ｎ≧３）の基本センサと、
前記ｎ組の基本センサの出力に基づいて演算を行う演算手段と、
を備え、
前記ｎ組の基本センサのそれぞれは、
前記外側構造体の所定位置に設けられた外側接続点と前記内側構造体の所定位置に設けられた内側接続点とを直接もしくは間接的に連結する連結機能と、
前記外側接続点および前記内側接続点のうちの一方を固定した状態において他方に作用する外力に基づいて、前記外側接続点と前記内側接続点との相対位置関係が変化するように弾性変形する変形機能と、
前記外側接続点と前記内側接続点とを結ぶ連結線上に位置する原点Ｏと、前記連結線上に配置されたＺ軸と、このＺ軸に直交するＸ軸と、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸の双方に直交するＹ軸と、を有するＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、前記外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの少なくとも一方を検出する検出機能と、を有し、
前記演算手段は、前記ｎ組の基本センサのそれぞれが検出した検出値を用いた演算を行うことにより、前記外側構造体および前記内側構造体について、一方を固定した状態において他方に作用した力もしくはモーメントまたはその双方を検出する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、
外側構造体が、内側構造体の全部もしくは一部を内部に収容する筒状の構造体によって構成され、各基本センサが、前記筒状の構造体の内周面上の外側接続点と前記内側構造体の外周面上の内側接続点とを連結す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、
外側構造体の更に外側に設けられ、筒状の構造体からなる外殻構造体と、
前記外殻構造体と内側構造体とを接続する連結部材と、
を更に備えることを特徴とする力覚センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の力覚センサにおいて、
外殻構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、その上方開口部を覆う板状部材によって連結部材が構成され、前記板状部材の下面周囲部に前記外殻構造体が接合され、前記板状部材の下面中央部に内側構造体の上面が接続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、
外側構造体と外殻構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、前記外側構造体の外周面と前記外殻構造体の内周面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、前記外側構造体と前記外殻構造体との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が前記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことを特徴とする力覚センサ。
【請求項６】
請求項４または５に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体と外殻構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、
前記外殻構造体の内周面には、内側に向かう制御突起が設けられており、前記外側構造体の外周面には、前記制御突起の先端部を収容する制御溝が設けられており、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、前記制御突起の先端部と前記制御溝の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、前記制御突起の先端部と前記制御溝の溝形成面との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が前記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことを特徴とする力覚センサ。
【請求項７】
請求項４または５に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体と外殻構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、
前記外側構造体の外周面には、外側に向かう制御突起が設けられており、前記外殻構造体の内周面には、前記制御突起の先端部を収容する制御溝が設けられており、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、前記制御突起の先端部と前記制御溝の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、前記制御突起の先端部と前記制御溝の溝形成面との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が前記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことを特徴とする力覚センサ。
【請求項８】
請求項２〜７のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
外側構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、前記外側構造体の下方開口部を覆う底板部材と、この底板部材の上面に固定された回路基板と、を更に備え、演算手段が、前記回路基板上に形成された演算回路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９】
請求項２〜８のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
外側構造体の外側接続点近傍部分を構成する基本センサ取付部に基本センサが取り付けられており、
前記基本センサ取付部の周囲には、前記基本センサ取付部の輪郭線に沿って、前記外側構造体の壁部を貫通する複数の壁部貫通スリットが設けられ、隣接する壁部貫通スリット間に可撓性をもったビーム部が形成され、前記基本センサ取付部が周囲から前記ビーム部によって支持されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の力覚センサにおいて、
基本センサ取付部が円形の輪郭線を有し、この輪郭線に沿って、４組の円弧状の壁部貫通スリットが設けられており、隣接する壁部貫通スリット間にそれぞれビーム部を配置することにより合計４組のビーム部が形成され、前記基本センサ取付部が周囲から前記４組のビーム部によって支持されてい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、
内側構造体が、少なくともその一部が外側構造体の内部に収容された柱状の構造体によって構成され、各基本センサが、前記外側構造体の内周面上の外側接続点と前記柱状の構造体の外周面上の内側接続点とを連結することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の力覚センサにおいて、
内側構造体が、正三角形の断面をもつ三角柱によって構成され、
この三角柱の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、３組の基本センサが、それぞれ前記各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１３】
請求項１１に記載の力覚センサにおいて、
内側構造体が、正三角形の断面をもつ三角錐によって構成され、
この三角錐の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、３組の基本センサが、それぞれ前記各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１４】
請求項１１に記載の力覚センサにおいて、
内側構造体が、正方形の断面をもつ四角柱によって構成され、
この四角柱の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、４組の基本センサが、それぞれ前記各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１５】
請求項１１に記載の力覚センサにおいて、
内側構造体が、正方形の断面をもつ四角錐によって構成され、
この四角錐の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、４組の基本センサが、それぞれ前記各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１６】
請求項１１〜１５のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線が、内側構造体を構成する柱状の構造体の外面に対して直交するように、各基本センサが配置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１に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体および内側構造体が、それぞれ筒状の構造体によって構成され、
前記外側構造体の第１の側壁、前記内側構造体の第１の側壁、前記内側構造体の第２の側壁、前記外側構造体の第２の側壁を貫通する直線を複数ｎ本定義し、これらｎ本の直線をそれぞれｎ組の基本センサに対応する参照線と定義したときに、
前記内側構造体の前記各参照線が貫通する第１の側壁にはそれぞれ挿通孔が形成されており、
各基本センサが、対応する参照線が貫通する外側構造体の第１の側壁の内周面に設けられた外側接続点と、対応する参照線が貫通する内側構造体の第２の側壁の内周面に設けられた内側接続点とを、対応する参照線が貫通する内側構造体の第１の側壁に形成された挿通孔を通して連結する連結機能を有することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、その上方開口部を覆う天板部材を更に設けたことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体と内側構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、内側構造体に対する外側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、前記内側構造体の外周面と前記外側構造体の内周面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、前記内側構造体と前記外側構造体との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、内側構造体に対する外側構造体の変位が前記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２０】
請求項１８または１９に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体と内側構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、内側構造体に対する外側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、内側構造体に形成された挿通孔と、この挿通孔を通る基本センサの一部分とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、前記基本センサの一部分と前記挿通孔との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、内側構造体に対する外側構造体の変位が前記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２１】
請求項１９または２０に記載の力覚センサにおいて、
外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線が、外側構造体および内側構造体の共通中心軸に対して直交するように、各基本センサが配置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１７〜２１のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
外側構造体の第１の側壁の参照線との交差部分近傍が、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部を構成し、基本センサの一端が前記ダイアフラム部に接合されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２３】
請求項１７〜２２のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
複数ｎ組の基本センサが、それぞれ連結機能を果たすための竿状部を有しており、少なくとも一部の基本センサの竿状部は、他の基本センサの竿状部との接触を回避できるように湾曲していることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２４】
請求項１７〜２３のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
内側構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、前記内側構造体の下方開口部を覆う底板部材と、この底板部材の上面に固定された回路基板と、を更に備え、演算手段が、前記回路基板上に形成された演算回路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２５】
請求項１７〜２４のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
外側構造体の更に外側に設けられ、筒状の構造体からなる外殻構造体と、
前記外側構造体と前記外殻構造体とを接続する連結部材と、
を更に備えることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２６】
請求項１〜１１、１７〜２５のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
内側構造体の内部に定義された原点Ｑにおいて互いに直交するα軸，β軸，γ軸を有するαβγ三次元直交座標系を定義したときに、
各基本センサについてそれぞれ定義されたＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸が、前記原点Ｑを通る方向に定義されており、
演算手段は、前記α軸方向に作用した力成分Ｆα、前記β軸方向に作用した力成分Ｆβ、前記γ軸方向に作用した力成分Ｆγ、前記α軸まわりに作用したモーメント成分Ｍα、前記β軸まわりに作用したモーメント成分Ｍβ、前記γ軸まわりに作用したモーメント成分Ｍγの少なくとも１成分を検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２７】
請求項２６に記載の力覚センサにおいて、
各基本センサのそれぞれについて定義された各Ｘ軸および各Ｚ軸が、αβ平面に含まれる軸となり、各基本センサのそれぞれについて定義された各Ｙ軸が、γ軸に平行になるように定義されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２８】
請求項２７に記載の力覚センサにおいて、
各Ｚ軸が互いに１２０°をなすように配置された３組の基本センサを備えることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２９】
請求項２８に記載の力覚センサにおいて、
αβ平面上において、α軸の方向を０°、β軸の方向を９０°とする方位角を定義し、更に、方位角２１０°の方向を向いたδ軸と、方位角３３０°の方向を向いたε軸と、を定義したときに、
第１の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がβ軸負方向に一致し、第２の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がδ軸負方向に一致し、第３の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がε軸負方向に一致するように、互いに検出感度が等しい３組の基本センサが配置されており、
演算手段が、前記第１の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ１、前記第１の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ１、前記第２の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ２、前記第２の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ２、前記第３の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ３、前記第３の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ３としたときに、所定の係数値Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ１３，Ｋ１４，Ｋ１５，Ｋ１６を用いた
Ｆα＝Ｋ１１（−Ｍｙ１＋１／２・Ｍｙ２＋１／２・Ｍｙ３）
Ｆβ＝Ｋ１２（−√３／２・Ｍｙ２＋√３／２・Ｍｙ３）
Ｆγ＝Ｋ１３（Ｍｘ１＋Ｍｘ２＋Ｍｘ３）
Ｍα＝Ｋ１４（Ｍｘ１−１／２・Ｍｘ２−１／２・Ｍｘ３）
Ｍβ＝Ｋ１５（√３／２・Ｍｘ２−√３／２・Ｍｘ３）
Ｍγ＝Ｋ１６（Ｍｙ１＋Ｍｙ２＋Ｍｙ３）
なる演算を行うことにより、力成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγおよびモーメント成分Ｍα，Ｍβ，Ｍγの６成分を検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３０】
請求項２７に記載の力覚センサにおいて、
各Ｚ軸が互いに９０°をなすように配置された４組の基本センサを備えることを特徴とする力覚センサ。
【請求項３１】
請求項３０に記載の力覚センサにおいて、
第１の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がβ軸負方向に一致し、第２の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がα軸正方向に一致し、第３の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がβ軸正方向に一致し、第４の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がα軸負方向に一致するように、互いに検出感度が等しい４組の基本センサが配置されており、
演算手段が、前記第１の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ１、前記第１の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ１、前記第２の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ２、前記第２の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ２、前記第３の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ３、前記第３の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ３、前記第４の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ４、前記第４の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ４としたときに、所定の係数値Ｋ２１，Ｋ２２，Ｋ２３，Ｋ２４，Ｋ２５，Ｋ２６を用いた
Ｆα＝Ｋ２１（−Ｍｙ１＋Ｍｙ３）
Ｆβ＝Ｋ２２（−Ｍｙ２＋Ｍｙ４）
Ｆγ＝Ｋ２３（Ｍｘ１＋Ｍｘ２＋Ｍｘ３＋Ｍｘ４）
Ｍα＝Ｋ２４（Ｍｘ１−Ｍｘ３）
Ｍβ＝Ｋ２５（Ｍｘ２−Ｍｘ４）
Ｍγ＝Ｋ２６（Ｍｙ１＋Ｍｙ２＋Ｍｙ３＋Ｍｙ４）
なる演算を行うことにより、力成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγおよびモーメント成分Ｍα，Ｍβ，Ｍγの６成分を検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３２】
請求項２６に記載の力覚センサにおいて、
各基本センサについて定義された各Ｚ軸が、αβ平面に対して傾斜角θをなす方向を向き、各基本センサについて定義された各Ｙ軸が、γ軸に対して傾斜角θをなす方向を向くように、各基本センサが配置されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項３３】
請求項１〜３２のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
各基本センサが、作用した外力を受ける受力体と、この受力体が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部を有する起歪体と、前記受力体と前記ダイアフラム部とを接続する接続部材と、前記ダイアフラム部の歪みを検出する検出素子と、前記検出素子の検出結果に基づいてモーメント成分ＭｘおよびＭｙの少なくとも一方を電気信号として出力する検出回路と、を備えることを特徴とする力覚センサ。
【請求項３４】
請求項３３に記載の力覚センサにおいて、
検出素子として、ダイアフラム部の歪みを抵抗値の変化として検出するピエゾ抵抗素子を用いたことを特徴とする力覚センサ。
【請求項３５】
請求項３４に記載の力覚センサにおいて、
起歪体が、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、前記起歪体の上面の中央部に定義された検出用領域には、下面側に向かって検出用溝が形成されており、この検出用溝の底部によってダイアフラム部が形成され、この検出用溝の周囲には側壁部が形成され、前記ダイアフラム部の下面と前記側壁部の下面とは同一平面上に位置し、
前記受力体は、前記起歪体の下方に所定間隔をおいて配置され、
前記接続部材は、Ｚ軸上に配置された柱状部材によって構成され、その上端は前記ダイアフラム部の下面中央部に接続され、その下端は前記受力体の上面中央部に接続されており、
ＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｏの位置に配置され、ダイアフラム部に接合された歪検出基板を更に有し、前記歪検出基板は、上面および下面がＸＹ平面に平行な面をなし、前記検出用溝の底面に前記ダイアフラム部の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、
ピエゾ抵抗素子は、前記歪検出基板の上面の所定箇所に形成されており、
検出回路は、前記ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、モーメント成分ＭｘもしくはＭｙまたはその双方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３６】
請求項３３に記載の力覚センサにおいて、
検出素子として、ダイアフラム部の変位を静電容量値の変化として検出する静電容量素子を用いた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、三次元直交座標系における任意軸方向の力成分もしくは任意軸まわりのモーメント成分を検出する力覚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットをはじめとする様々な産業機械では、アームの間節部分に作用する力を検出する力覚センサが利用されている。特に、コンピュータ制御で駆動させる産業機械の場合、各部に作用する力を、三次元座標系における所定軸方向の力成分と所定軸まわりのモーメント成分とに分けて検出することが重要になる。
【０００３】
このように三次元の各軸方向の力成分および各軸まわりのモーメント成分を独立して検出する機能をもつセンサとして、たとえば、下記の特許文献１には、半導体基板上に形成されたピエゾ抵抗素子を利用した力覚センサが開示されている。この力覚センサでは、検出対象となる力の作用により機械的な撓みが生じる起歪体に半導体基板を接合し、この半導体基板上に形成したピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を検出することにより作用した力の検出が行われる。また、特許文献２には、この特許文献１に開示された技術を更に改良して、構造を単純化し、コストダウンを図ることができる力覚センサが開示されている。
【０００４】
一方、特許文献３には、２枚の平行基板の間に四本の支柱を渡した構造体を用い、各支柱の変位状態を容量素子を用いて検知することにより、三次元座標系の各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分をそれぞれ独立して検出可能な６軸型の力覚センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−２６６３２５号公報
【特許文献２】特許第４９８７１６２号公報
【特許文献３】特開２００４−３２５３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、力覚センサの用途は様々な分野にまで広がってきており、個々の用途に応じて、任意の座標軸方向の力成分や任意の座標軸まわりのモーメント成分を検出でき、しかも小型化やコストダウンを図ることができる力覚センサが望まれている。前掲の特許文献１，２に開示された力覚センサは、構造が比較的単純であるため、小型化やコストダウンを図るメリットは得られるが、特定の座標軸方向の力成分や特定の座標軸まわりのモーメント成分しか検出することができないため、利用可能な用途は限定されてしまう。
【０００７】
一方、前掲の特許文献３に開示された力覚センサは、６軸型のセンサであるため、三次元座標系の任意の座標軸方向の力成分と任意の座標軸まわりのモーメント成分をそれぞれ独立して検出することが可能な利点を有している。しかしながら、その構造は複雑であり、小型化やコストダウンを図ることは困難である。
【０００８】
そこで本発明は、要望に応じて、任意の座標軸方向の力成分や任意の座標軸まわりのモーメント成分を検出することができ（必要なら、三次元座標系の各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分の６軸成分を検出することができ）、しかも、小型化およびコストダウンを図ることが可能な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、力覚センサにおいて、
内部に収容空間を有する外側構造体と、
少なくとも一部がこの収容空間内に収容された内側構造体と、
複数ｎ組（但し、ｎ≧３）の基本センサと、
このｎ組の基本センサの出力に基づいて演算を行う演算手段と、
を設け、
ｎ組の基本センサのそれぞれは、
外側構造体の所定位置に設けられた外側接続点と内側構造体の所定位置に設けられた内側接続点とを直接もしくは間接的に連結する連結機能と、
外側接続点および内側接続点のうちの一方を固定した状態において他方に作用する外力に基づいて、外側接続点と内側接続点との相対位置関係が変化するように弾性変形する変形機能と、
外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線上に位置する原点Ｏと、連結線上に配置されたＺ軸と、このＺ軸に直交するＸ軸と、Ｚ軸およびＸ軸の双方に直交するＹ軸と、を有するＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの少なくとも一方を検出する検出機能と、を有するようにし、
演算手段が、ｎ組の基本センサのそれぞれが検出した検出値を用いた演算を行うことにより、外側構造体および内側構造体について、一方を固定した状態において他方に作用した力もしくはモーメントまたはその双方を検出するようにしたものである。
【００１０】
(2)   本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体を、内側構造体の全部もしくは一部を内部に収容する筒状の構造体によって構成し、各基本センサが、筒状の構造体の内周面上の外側接続点と内側構造体の外周面上の内側接続点とを連結するようにしたものである。
【００１１】
(3)   本発明の第３の態様は、上述の第２の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体の更に外側に設けられ、筒状の構造体からなる外殻構造体と、
この外殻構造体と内側構造体とを接続する連結部材と、
を更に設けたものである。
【００１２】
(4)   本発明の第４の態様は、上述の第３の態様に係る力覚センサにおいて、
外殻構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、その上方開口部を覆う板状部材によって連結部材が構成され、この板状部材の下面周囲部に外殻構造体が接合され、この板状部材の下面中央部に内側構造体の上面が接続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、上述の第４の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体と外殻構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、外側構造体の外周面と外殻構造体の内周面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、外側構造体と外殻構造体との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことができるようにしたものである。
【００１４】
(6)   本発明の第６の態様は、上述の第４または第５の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体と外殻構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、
外殻構造体の内周面には、内側に向かう制御突起が設けられており、外側構造体の外周面には、制御突起の先端部を収容する制御溝が設けられており、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、制御突起の先端部と制御溝の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、制御突起の先端部と制御溝の溝形成面との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことができるようにしたものである。
【００１５】
(7)   本発明の第７の態様は、上述の第４または第５の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体と外殻構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、
外側構造体の外周面には、外側に向かう制御突起が設けられており、外殻構造体の内周面には、制御突起の先端部を収容する制御溝が設けられており、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、制御突起の先端部と制御溝の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、制御突起の先端部と制御溝の溝形成面との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことができるようにしたものである。
【００１６】
(8)   本発明の第８の態様は、上述の第２〜第７の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、外側構造体の下方開口部を覆う底板部材と、この底板部材の上面に固定された回路基板と、を更に設け、演算手段を、この回路基板上に形成された演算回路によって構成したものである。
【００１７】
(9)   本発明の第９の態様は、上述の第２〜第８の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体の外側接続点近傍部分を構成する基本センサ取付部に基本センサを取り付けるようにし、
この基本センサ取付部の周囲には、その輪郭線に沿って、外側構造体の壁部を貫通する複数の壁部貫通スリットを設け、隣接する壁部貫通スリット間に可撓性をもったビーム部が形成されるようにし、基本センサ取付部が周囲からビーム部によって支持されるようにしたものである。
【００１８】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述の第９の態様に係る力覚センサにおいて、
基本センサ取付部が円形の輪郭線を有し、この輪郭線に沿って、４組の円弧状の壁部貫通スリットが設けられており、隣接する壁部貫通スリット間にそれぞれビーム部を配置することにより合計４組のビーム部が形成され、基本センサ取付部が周囲から４組のビーム部によって支持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、上述の第１〜第１０の態様に係る力覚センサにおいて、
内側構造体を、少なくともその一部が外側構造体の内部に収容された柱状の構造体によって構成し、各基本センサが、外側構造体の内周面上の外側接続点と上記柱状の構造体の外周面上の内側接続点とを連結するようにしたものである。
【００２０】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述の第１１の態様に係る力覚センサにおいて、
内側構造体を、正三角形の断面をもつ三角柱によって構成し、
この三角柱の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、３組の基本センサが、それぞれ各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有するようにしたものである。
【００２１】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述の第１１の態様に係る力覚センサにおいて、
内側構造体を、正三角形の断面をもつ三角錐によって構成し、
この三角錐の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、３組の基本センサが、それぞれ各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を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、上述の第１１の態様に係る力覚センサにおいて、
内側構造体を、正方形の断面をもつ四角柱によって構成し、
この四角柱の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、４組の基本センサが、それぞれ各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有するようにしたものである。
【００２３】
(15)  本発明の第１５の態様は、上述の第１１の態様に係る力覚センサにおいて、
内側構造体を、正方形の断面をもつ四角錐によって構成し、
この四角錐の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、４組の基本センサが、それぞれ各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有するようにしたものである。
【００２４】
(16)  本発明の第１６の態様は、上述の第１１〜第１５の態様に係る力覚センサにおいて、
外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線が、内側構造体を構成する柱状の構造体の外面に対して直交するように、各基本センサを配置したものである。
【００２５】
(17)  本発明の第１７の態様は、上述の第１の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体および内側構造体を、それぞれ筒状の構造体によって構成し、
外側構造体の第１の側壁、内側構造体の第１の側壁、内側構造体の第２の側壁、外側構造体の第２の側壁を貫通する直線を複数ｎ本定義し、これらｎ本の直線をそれぞれｎ組の基本センサに対応する参照線と定義したときに、
内側構造体の各参照線が貫通する第１の側壁にはそれぞれ挿通孔が形成されており、
各基本センサが、対応する参照線が貫通する外側構造体の第１の側壁の内周面に設けられた外側接続点と、対応する参照線が貫通する内側構造体の第２の側壁の内周面に設けられた内側接続点とを、対応する参照線が貫通する内側構造体の第１の側壁に形成された挿通孔を通して連結する連結機能を有するようにしたものである。
【００２６】
(18)  本発明の第１８の態様は、上述の第１７の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、その上方開口部を覆う天板部材を更に設けたものである。
【００２７】
(19)  本発明の第１９の態様は、上述の第１８の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体と内側構造体とを、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成し、内側構造体に対する外側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、内側構造体の外周面と外側構造体の内周面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、内側構造体と外側構造体との間隔を所定値に設定し、
各基本センサが、内側構造体に対する外側構造体の変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことができるようにしたものである。
【００２８】
(20)  本発明の第２０の態様は、上述の第１８または第１９の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体と内側構造体とを、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成し、内側構造体に対する外側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、内側構造体に形成された挿通孔と、この挿通孔を通る基本センサの一部分とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、基本センサの一部分と挿通孔との間隔を所定値に設定し、
各基本センサが、内側構造体に対する外側構造体の変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことができるようにしたものである。
【００２９】
(21)  本発明の第２１の態様は、上述の第１９または第２０の態様に係る力覚センサにおいて、
外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線が、外側構造体および内側構造体の共通中心軸に対して直交するように、各基本センサを配置したものである。
【００３０】
(22)  本発明の第２２の態様は、上述の第１７〜第２１の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体の第１の側壁の参照線との交差部分近傍が、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部を構成し、基本センサの一端がこのダイアフラム部に接合されているようにしたものである。
【００３１】
(23)  本発明の第２３の態様は、上述の第１７〜第２２の態様に係る力覚センサにおいて、
複数ｎ組の基本センサが、それぞれ連結機能を果たすための竿状部を有しており、少なくとも一部の基本センサの竿状部を、他の基本センサの竿状部との接触を回避できるように湾曲させるようにしたものである。
【００３２】
(24)  本発明の第２４の態様は、上述の第１７〜第２３の態様に係る力覚センサにおいて、
内側構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、内側構造体の下方開口部を覆う底板部材と、この底板部材の上面に固定された回路基板と、を更に設け、演算手段を、回路基板上に形成された演算回路によって構成したものである。
【００３３】
(25)  本発明の第２５の態様は、上述の第１７〜第２４の態様に係る力覚センサにおいて、
外側構造体の更に外側に設けられ、筒状の構造体からなる外殻構造体と、
外側構造体と外殻構造体とを接続する連結部材と、
を更に設けたものである。
【００３４】
(26)  本発明の第２６の態様は、上述の第１〜第１１、第１７〜第２５の態様に係る力覚センサにおいて、
内側構造体の内部に定義された原点Ｑにおいて互いに直交するα軸，β軸，γ軸を有するαβγ三次元直交座標系を定義したときに、
各基本センサについてそれぞれ定義されたＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸が、原点Ｑを通る方向に定義されており、
演算手段が、α軸方向に作用した力成分Ｆα、β軸方向に作用した力成分Ｆβ、γ軸方向に作用した力成分Ｆγ、α軸まわりに作用したモーメント成分Ｍα、β軸まわりに作用したモーメント成分Ｍβ、γ軸まわりに作用したモーメント成分Ｍγの少なくとも１成分を検出するようにしたものである。
【００３５】
(27)  本発明の第２７の態様は、上述の第２６の態様に係る力覚センサにおいて、
各基本センサのそれぞれについて定義された各Ｘ軸および各Ｚ軸が、αβ平面に含まれる軸となり、各基本センサのそれぞれについて定義された各Ｙ軸が、γ軸に平行になるように定義したものである。
【００３６】
(28)  本発明の第２８の態様は、上述の第２７の態様に係る力覚センサにおいて、
各Ｚ軸が互いに１２０°をなすように３組の基本センサを配置するようにしたものである。
【００３７】
(29)  本発明の第２９の態様は、上述の第２８の態様に係る力覚センサにおいて、
αβ平面上において、α軸の方向を０°、β軸の方向を９０°とする方位角を定義し、更に、方位角２１０°の方向を向いたδ軸と、方位角３３０°の方向を向いたε軸と、を定義したときに、
第１の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がβ軸負方向に一致し、第２の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がδ軸負方向に一致し、第３の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がε軸負方向に一致するように、互いに検出感度が等しい３組の基本センサが配置されており、
演算手段が、第１の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ１、第１の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ１、第２の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ２、第２の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ２、第３の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ３、第３の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ３としたときに、所定の係数値Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ１３，Ｋ１４，Ｋ１５，Ｋ１６を用いた
Ｆα＝Ｋ１１（−Ｍｙ１＋１／２・Ｍｙ２＋１／２・Ｍｙ３）
Ｆβ＝Ｋ１２（−√３／２・Ｍｙ２＋√３／２・Ｍｙ３）
Ｆγ＝Ｋ１３（Ｍｘ１＋Ｍｘ２＋Ｍｘ３）
Ｍα＝Ｋ１４（Ｍｘ１−１／２・Ｍｘ２−１／２・Ｍｘ３）
Ｍβ＝Ｋ１５（√３／２・Ｍｘ２−√３／２・Ｍｘ３）
Ｍγ＝Ｋ１６（Ｍｙ１＋Ｍｙ２＋Ｍｙ３）
なる演算を行うことにより、力成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγおよびモーメント成分Ｍα，Ｍβ，Ｍγの６成分を検出するようにしたものである。
【００３８】
(30)  本発明の第３０の態様は、上述の第２７の態様に係る力覚センサにおいて、
各Ｚ軸が互いに９０°をなすように４組の基本センサを配置するようにしたものである。
【００３９】
(31)  本発明の第３１の態様は、上述の第３０の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がβ軸負方向に一致し、第２の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がα軸正方向に一致し、第３の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がβ軸正方向に一致し、第４の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がα軸負方向に一致するように、互いに検出感度が等しい４組の基本センサが配置されており、
演算手段が、第１の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ１、第１の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ１、第２の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ２、第２の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ２、第３の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ３、第３の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ３、第４の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ４、第４の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ４としたときに、所定の係数値Ｋ２１，Ｋ２２，Ｋ２３，Ｋ２４，Ｋ２５，Ｋ２６を用いた
Ｆα＝Ｋ２１（−Ｍｙ１＋Ｍｙ３）
Ｆβ＝Ｋ２２（−Ｍｙ２＋Ｍｙ４）
Ｆγ＝Ｋ２３（Ｍｘ１＋Ｍｘ２＋Ｍｘ３＋Ｍｘ４）
Ｍα＝Ｋ２４（Ｍｘ１−Ｍｘ３）
Ｍβ＝Ｋ２５（Ｍｘ２−Ｍｘ４）
Ｍγ＝Ｋ２６（Ｍｙ１＋Ｍｙ２＋Ｍｙ３＋Ｍｙ４）
なる演算を行うことにより、力成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγおよびモーメント成分Ｍα，Ｍβ，Ｍγの６成分を検出するようにしたものである。
【００４０】
(32)  本発明の第３２の態様は、上述の第２６の態様に係る力覚センサにおいて、
各基本センサについて定義された各Ｚ軸が、αβ平面に対して傾斜角θをなす方向を向き、各基本センサについて定義された各Ｙ軸が、γ軸に対して傾斜角θをなす方向を向くように、各基本センサを配置したものである。
【００４１】
(33)  本発明の第３３の態様は、上述の第１〜第３２の態様に係る力覚センサにおいて、
各基本センサを、作用した外力を受ける受力体と、この受力体が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部を有する起歪体と、受力体とダイアフラム部とを接続する接続部材と、ダイアフラム部の歪みを検出する検出素子と、検出素子の検出結果に基づいてモーメント成分ＭｘおよびＭｙの少なくとも一方を電気信号として出力する検出回路と、によって構成したものである。
【００４２】
(34)  本発明の第３４の態様は、上述の第３３の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子として、ダイアフラム部の歪みを抵抗値の変化として検出するピエゾ抵抗素子を用いるようにしたものである。
【００４３】
(35)  本発明の第３５の態様は、上述の第３４の態様に係る力覚センサにおいて、
起歪体が、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、起歪体の上面の中央部に定義された検出用領域には、下面側に向かって検出用溝が形成されており、この検出用溝の底部によってダイアフラム部が形成され、この検出用溝の周囲には側壁部が形成され、ダイアフラム部の下面と側壁部の下面とは同一平面上に位置し、
受力体は、起歪体の下方に所定間隔をおいて配置され、
接続部材は、Ｚ軸上に配置された柱状部材によって構成され、その上端はダイアフラム部の下面中央部に接続され、その下端は受力体の上面中央部に接続されており、
ＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｏの位置に配置され、ダイアフラム部に接合された歪検出基板を更に有し、歪検出基板は、上面および下面がＸＹ平面に平行な面をなし、検出用溝の底面にダイアフラム部の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、
ピエゾ抵抗素子は、歪検出基板の上面の所定箇所に形成されており、
検出回路は、ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、モーメント成分ＭｘもしくはＭｙまたはその双方を示す電気信号を出力するようにしたものである。
【００４４】
(36)  本発明の第３６の態様は、上述の第３３の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子として、ダイアフラム部の変位を静電容量値の変化として検出する静電容量素子を用いるようにしたものである。
【発明の効果】
【００４５】
本発明に係る力覚センサによれば、内側構造体を外側構造体に収容する構成を採り、両者間を複数ｎ組（但し、ｎ≧３）の基本センサによって接続し、各基本センサによって検出したモーメント成分に対する演算を行うようにしたため、比較的単純な構造により小型化およびコストダウンを図りつつ、要望に応じて、任意の座標軸方向の力成分や任意の座標軸まわりのモーメント成分を検出することができるようになる。もちろん、必要なら、三次元座標系の各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分の６軸成分を検出する力覚センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る力覚センサに利用可能な基本センサの一例（ピエゾ抵抗素子を用いた例）についての基本構造体の上面図（上図(a) ）および側面図（下図(b) ）である。
【図２】図１に示す基本構造体のカバー１８を取り外した状態を示す上面図（上図(a) ）およびＸＺ平面で切断した側断面図（下図(b) ）である（カバー接着部１９のハッチングは、断面を示すものではなく、領域を示すものである）。
【図３】図１に示す基本構造体の下面図である。
【図４】図３に示す基本構造体に４本のネジＮを挿通した状態を示す下面図である。
【図５】図１に示す基本構造体のカバー１８を取り外した状態を示す上面図（上図(a) ）および切断線Ｗ−Ｗの位置で切断した側断面図（下図(b) ）である（カバー接着部１９のハッチングは、断面を示すものではなく、領域を示すものである）。
【図６】図１に示す基本構造体にＹ軸まわりのモーメント成分＋Ｍｙが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面での側断面図である。
【図７】図１に示す基本構造体にＺ軸方向の力成分＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面での側断面図である。
【図８】図１に示す基本センサにおけるピエゾ抵抗素子の配置例を示す上面図である（ハッチングは、ピエゾ抵抗素子の形成領域を示すものであり、断面を示すものではない）。
【図９】図８に示す配置例における各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を示す表である。
【図１０】図８に示す配置例において、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを検出するための検出回路を示す回路図である。
【図１１】図８に示す配置例において、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘを検出するための検出回路を示す回路図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態に係る力覚センサをαβ平面で切断した横断面図である（基本センサＳ１〜Ｓ３については上面図）。
【図１３】本発明の第１の実施形態に係る力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図である（基本センサＳ３については側面図）。
【図１４】図１２に示す力覚センサの構成要素となる基本センサＳ１〜Ｓ３の座標軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）の方向を示す横断面図である。
【図１５】図１２に示す力覚センサの内側構造体２００に対して、α軸正方向の力＋Ｆαが作用したときの各基本センサＳ１〜Ｓ３の検出動作を示す横断面図である。
【図１６】図１２に示す力覚センサの内側構造体２００に対して、β軸正方向の力＋Ｆβが作用したときの各基本センサＳ１〜Ｓ３の検出動作を示す横断面図である。
【図１７】図１２に示す力覚センサの内側構造体２００に対して、γ軸正方向の力＋Ｆγが作用したときの各基本センサＳ１〜Ｓ３の検出動作を示す横断面図である。
【図１８】図１２に示す力覚センサの内側構造体２００に対して、α軸正方向まわりのモーメント＋Ｍαが作用したときの各基本センサＳ１〜Ｓ３の検出動作を示す横断面図である。
【図１９】図１２に示す力覚センサの内側構造体２００に対して、β軸正方向まわりのモーメント＋Ｍβが作用したときの各基本センサＳ１〜Ｓ３の検出動作を示す横断面図である。
【図２０】図１２に示す力覚センサの内側構造体２００に対して、γ軸正方向まわりのモーメント＋Ｍγが作用したときの各基本センサＳ１〜Ｓ３の検出動作を示す横断面図である。
【図２１】図１２に示す力覚センサの内側構造体２００に対して、外力の６軸成分が作用したときの各基本センサＳ１〜Ｓ３から出力される検出値を示すテーブルである。
【図２２】図１２に示す力覚センサによって６軸成分を検出するために行う演算の式を示す図である。
【図２３】本発明の第２の実施形態に係る力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図である（基本センサＳ３については側面図）。
【図２４】本発明の第３の実施形態に係る力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図である（基本センサＳ３については側面図）。
【図２５】本発明の第４の実施形態に係る力覚センサをαβ平面で切断した横断面図である（基本センサＳ１′〜Ｓ３′については上面図）。
【図２６】本発明の第４の実施形態に係る力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図である（基本センサＳ３′については側面図）。
【図２７】本発明の第４の実施形態の変形例に係る力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図である（基本センサＳ３′については側面図）。
【図２８】本発明の変形例に係る力覚センサをαβ平面で切断した横断面図である（基本センサＳ１〜Ｓ４については上面図）。
【図２９】図２８に示す力覚センサによって６軸成分を検出するために行う演算の式を示す図である。
【図３０】本発明の別な変形例に係る力覚センサの外側構造体１００Ｅの構造を示す斜視図である（基本センサＳ１〜Ｓ３の取り付け状態を破線で示してある）。
【図３１】本発明に係る力覚センサに利用可能な基本センサの別な一例（静電容量素子を用いた例）を示す側面図である。
【図３２】図３１に示す基本センサにおける起歪体７０の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。本発明に係る力覚センサは、３組以上の基本センサを組み合わせて構成される装置である。そこで、ここでは便宜上、基本センサの具体例の構成および動作を§１，§２で述べ、この基本センサを利用して構成した力覚センサの実施形態を§３以降で説明することにする。
【００４８】
＜＜＜  §１．  具体的な基本センサの構成例  ＞＞＞
ここでは、まず、本発明に係る力覚センサの一部品として利用される基本センサの具体的な構成例を述べる。ここで述べる基本センサは、前掲の特許文献２（特許第４９８７１６２号公報）に開示されているセンサであり、その詳細は、特許文献２に説明されている。そこで、以下の説明では、その構造と動作を簡単に述べることにする。
【００４９】
図１には、この基本センサを構成する基本構造体の上面図（上段の図(a) ）および側面図（下段の図(b) ）が示されている。下段の側面図に示されているように、この基本構造体の主たる構成要素は、起歪体１０、接続部材２０、受力体３０である。
【００５０】
図１の上段の上面図に示されているとおり、起歪体１０は、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成されている。起歪体１０の内部には、下段の側面図に破線で示すように、検出用溝Ｇ１が設けられており、この検出用溝Ｇの底部によってダイアフラム部１１が形成されている。一方、この検出用溝Ｇ１の周囲には側壁部１２が形成されている。また、検出用溝Ｇ１の底面（ダイアフラム部１１の上面）には、歪検出基板４０が配置されている。
【００５１】
ここでは、説明の便宜上、この歪検出基板４０の中心位置に原点Ｏをとり、図示の各方向にＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸をとることにより、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。すなわち、上段の上面図では、右方向にＸ軸、上方向にＹ軸が定義され、Ｚ軸は紙面に垂直な方向を向く。また、下段の側面図では、右方向にＸ軸、上方向にＺ軸が定義され、Ｙ軸は紙面に垂直な方向を向く。
【００５２】
ここに示す例の場合、受力体３０も、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成されている。そして、その内部には、図に破線で示すように、検出用溝Ｇ２が設けられており、この検出用溝Ｇの底部によってダイアフラム部３１が形成されている。一方、この検出用溝Ｇ２の周囲には側壁部３２が形成されている。図示する例の場合、起歪体１０および受力体３０は、同じ直径をもった円盤状の部材によって構成されており、Ｚ軸が中心軸となるように配置されているため、上面図において、受力体３０は起歪体１０に完全に重なった状態になっている。
【００５３】
受力体３０は、起歪体１０の下方に所定間隔をおいて配置され、両者間は接続部材２０によって接続される。接続部材２０は、Ｚ軸上に配置された柱状部材（この例の場合は、円柱状の部材）によって構成され、その上端はダイアフラム部１１の下面中央部に接続され、その下端はダイアフラム部３１の上面中央部に接続されている。
【００５４】
ここに示す例の場合、起歪体１０、接続部材２０、受力体３０は、同一材料（たとえば、コバールや４２−アロイなどのシリコン基板と線膨張係数の近い金属、もしくはステンレスやアルミニウムなどの金属）からなる一体構造体によって構成されている。したがって、起歪体１０と接続部材２０との接続部および接続部材２０と受力体３０との接続部は、接着剤などによる接合ではなく、同一材料からなる連続構造体によって構成されている。
【００５５】
図１上段の上面図に描かれている花弁状のカバー１８は、検出用溝Ｇ１の上部を覆う蓋として機能する。後述するように、検出用溝Ｇ１の平面形状は、このカバー１８の輪郭形状よりもひとまわり小さい花弁状をしている。下段の側面図に破線で描かれている検出用溝Ｇ１は、起歪体１０をＸＺ平面で切断したときの検出用溝Ｇ１の輪郭位置を示すものである。図１上段に示すとおり、起歪体１０の側壁部１２には、４箇所にネジ孔１５が形成されている（下段の側面図では、これらのネジ孔は図示省略）。また、起歪体１０の側壁部１２から外部へ突き出している回路基板５０は、検出回路を実装するための基板であり、その一端は検出用溝Ｇ１にまで達している。
【００５６】
この基本センサの内部の基本構造は、図２を参照することにより更に明瞭になる。図２には、図１に示す基本構造体のカバー１８を取り外した状態を示す上面図（上段の図(a) ）およびＸＺ平面で切断した側断面図（下段の図(b) ）が示されている。ここで、上段の上面図において、花弁状の輪郭ｆ１と輪郭ｆ２との間に挟まれたドットによるハッチングを施した部分は、カバー１８の下面周辺部を接着するためのカバー接着部１９の領域を示すものである（ハッチングは領域を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【００５７】
図２下段の側断面図に示されているとおり、カバー接着部１９は、起歪体１０の上面から、カバー１８の厚みに相当する寸法だけ下がった位置に形成された段差部である。また、図２上段に示す花弁状の輪郭ｆ２は、図１に示すカバー１８の輪郭形状に一致する。したがって、図にハッチングを施して示したカバー接着部１９の部分に接着剤を塗布し、上方からカバー１８を段差部に嵌合すれば、カバー１８の下面周囲部をカバー接着部１９に接着固定することができる。
【００５８】
一方、カバー接着部１９の内側の輪郭ｆ１は、検出用溝Ｇ１の輪郭を示すものである。すなわち、起歪体１０の上面の中央部には、花弁状の輪郭ｆ１の内部に相当する検出用領域が定義されており、この検出用領域には、起歪体１０の下面側に向かって均一の深さをもつ検出用溝Ｇ１が形成されている。図２下段の側断面図は、この基本構造体をＸＺ平面で切断した断面を示しているため、検出用溝Ｇ１の一部の縦断面しか現れていないが、図２上段の上面図に示すとおり、検出用溝Ｇ１は、花弁状の平面形状を有している。検出用溝Ｇ１の深さは均一であり、この検出用溝Ｇ１の底部には、均一の厚みをもった花弁状のダイアフラム部１１が形成されている。ダイアフラム部１１は、肉厚が薄いため、検出対象となる力の作用を受けると撓み（機械的変形）を生じる。図示のとおりダイアフラム部１１の下面と側壁部１２の下面とは同一平面上に位置する。
【００５９】
歪検出基板４０は、上面および下面がＸＹ平面に平行な面をなす正方形状の半導体基板であり、Ｚ軸が中心軸となるように配置される。図２上段の上面図に示すとおり、検出用溝Ｇ１の花弁状の平面形状は、この正方形状をした歪検出基板４０を収容するのに適した形状になっている。図２下段の側断面図に示すとおり、歪検出基板４０は、検出用溝Ｇ１の底面（すなわち、ダイアフラム部１１の上面）にダイアフラム部１１の変形によって生じる応力が伝達されるように接合される（具体的には、歪検出基板４０は、下面全面に接着剤を塗布して、ダイアフラム部１１の上面に接着される）。
【００６０】
歪検出基板４０の上面の所定箇所にはピエゾ抵抗素子Ａが形成されている（下段の側断面図では図示省略）。ここに示す例の場合、歪検出基板４０はシリコン基板によって構成されており、ピエゾ抵抗素子Ａは、このシリコン基板の上面層にＰ型もしくはＮ型の不純物を注入した領域として構成できる。図２上段の例では、破線で示す接続部材２０の位置の外側直近部に８組のピエゾ抵抗素子Ａが配置されているが、ピエゾ抵抗素子の数や配置は、この例に限定されるものではない。
【００６１】
要するに、この基本センサに用いる歪検出基板４０は、上面および下面がＸＹ平面に平行な面をなし、検出用溝Ｇ１の底面にダイアフラム部１１の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、上面の所定箇所にピエゾ抵抗素子が形成されたものであればよい。回路基板５０には、ピエゾ抵抗素子Ａの電気抵抗の変化に基づいて、受力体３０が受けた力を示す電気信号を出力する検出回路（図示省略）が実装されている。
【００６２】
一方、受力体３０は、起歪体１０とほぼ同じ構造をもった構成要素である。起歪体１０には、上面側に検出用溝Ｇ１が設けられているのに対して、受力体３０には、下面側に検出用溝Ｇ２が設けられている。ここで、検出用溝Ｇ２の平面形状は、円形をしている。検出用溝Ｇ１内には、歪検出基板４０が配置されているのに対して、検出用溝Ｇ２内には、そのような構成要素は設けられておらず、カバーも設けられていない。なお、前掲の特許文献２（特許第４９８７１６２号公報）に開示されているセンサの場合、受力体３０側には検出用溝Ｇ２は設けられていない。本発明に用いる基本センサでは、受力体３０側にも検出用溝Ｇ２を設けることにより、受力体３０自身にも可撓性をもたせ、本願に示す６軸力覚センサの検出感度の向上を図っている。
【００６３】
結局、この基本センサは、ダイアフラム部１１を有する起歪体１０と、ダイアフラム部３１を有する受力体３０と、両ダイアフラム部１１，３１を接続する接続部材２０と、ＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｏの位置に配置され、ダイアフラム部１１に接合された歪検出基板４０と、検出対象となる力を電気信号として出力する検出回路（回路基板５０上に実装された回路）と、を備え、ＸＹＺ三次元直交座標系における所定軸方向の力成分および所定軸まわりのモーメント成分を検出する機能を有している。
【００６４】
起歪体１０の側壁部１２の４箇所に形成されたネジ孔１５は、起歪体１０を外部の物体に固定するための貫通孔（ネジは切られていない）である。図２下段の側断面図には、左右のネジ孔１５に、それぞれネジＮを挿通させた状態が描かれている。これらのネジＮは、起歪体１０の上方に配置された物体（§３で述べる実施形態の場合は、内側構造体２００）に形成されたネジ孔内の雌ネジに螺合する。こうして、起歪体１０は、４本のネジＮによって、当該物体にしっかりと固定されることになる。
【００６５】
なお、図２下段の側断面図に示すとおり、受力体３０の側壁部３２の外周部分には、４箇所に開口部３３が設けられている。各開口部３３は、各ネジ孔１５の真下の位置に形成されおり、ネジ孔１５に挿通されたネジＮを回転するための器具（ドライバー）を挿入するために利用される。
【００６６】
図３は、図１に示す基本構造体の下面図であり、図４は、図３に示す基本構造体に４本のネジＮを挿通した状態を示す下面図である。上述したとおり、受力体３０の外周部には、起歪体１０のネジ孔１５に挿通されたネジＮを回転するための器具（ドライバー）を挿入するための開口部３３（図示のとおり、受力体３０の外周部から中心軸方向に向かって形成されたＵ字状の切り欠き部）が形成されている。
【００６７】
この基本センサを相手方の物体（§３で述べる実施形態の場合は、内側構造体２００）に取り付けるには、４箇所にある開口部３３を利用して、受力体３０の下面側から４本のネジＮを起歪体１０のネジ孔１５に挿通し、器具（ドライバー）で回転させることにより、４本のネジＮを固定すればよい。図４は、こうして４本のネジＮによる固定が完了した状態を示している。
【００６８】
開口部３３が、それぞれＸ軸もしくはＹ軸に沿った位置に形成されているのに対して、受力体３０の外周部における４５°ずれた４箇所には、受力体３０をその下方に配置されている物体（§３で述べる実施形態の場合は、外側構造体１００）に固定するためのネジ孔３５が形成されている。
【００６９】
図５は、図１に示す基本構造体のカバー１８を取り外した状態を示す上面図（上段の図(a) ）およびその側断面図（下段の図(b) ）である。ここで、図５上段の上面図は、図２上段の上面図を時計まわりに４５°回転させたものに相当し、図５下段の側断面図は、図５上段に示す構造体を切断線Ｗ−Ｗの位置で切断した断面を示している。したがって、この側断面図には、左右にネジ孔３５が現れている。受力体３０に形成されたネジ孔３５の内部には、雌ネジが形成されており、下方に配置された物体（§３で述べる実施形態の場合は、外側構造体１００）側から導出された４本のネジの先端部と螺合する。これにより、受力体３０を当該物体にしっかりと固定することができる。
【００７０】
なお、図５下段の側断面図に示された検出用溝Ｇ１の輪郭形状は、図２下段の側断面図に示された検出用溝Ｇ１の輪郭形状とは異なっているが、これは前者が切断線Ｗ−Ｗの位置における断面を示しているのに対して、後者はＸＺ平面による断面を示しているためである。図５下段の側断面図には、輪郭ｆ１，ｆ２の相違によって生じる段差構造により、カバー接着部１９が形成される様子が明瞭に示されている。また、起歪体１０の側壁部１２に、外部から検出用溝Ｇ１へ向かって貫通した挿入口が設けられ、検出回路が実装された回路基板５０が、この挿入口に挿入固定されている状態も明瞭に示されている。歪検出基板４０の上面に設けられた各ピエゾ抵抗素子Ａ（下段の側断面図では図示省略）と、回路基板５０上に設けられた検出回路との間には、ボンディングワイヤ４７を含む配線が施される。
【００７１】
＜＜＜  §２．  具体的な基本センサの動作  ＞＞＞
続いて、§１で述べた基本センサの動作を説明する。ここでは、まず、この基本センサに外力が作用したとき、ダイアフラム部１１がどのように変形し、歪検出基板４０にどのような応力が作用するかを考えてみよう。図６は、図１に示す基本構造体にＹ軸まわりのモーメント成分＋Ｍｙが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面での側断面図である。図において、Ｙ軸は、原点Ｏにおいて紙面に垂直奥方向を向いた軸である。
【００７２】
なお、本願では、特定の座標軸まわりのモーメント成分の符号は、当該特定の座標軸の正方向に右ネジを進めるための回転方向を正にとることにする。したがって、図示の例の場合、モーメント成分＋Ｍｙは、Ｙ軸を中心軸として、受力体３０を時計まわりに回転させる力になり、モーメント成分−Ｍｙは、Ｙ軸を中心軸として、受力体３０を反時計まわりに回転させる力になる。
【００７３】
ダイアフラム部１１，３１は、他の部分よりも肉厚が薄い膜状の構造部であるため、外力が作用すると弾性変形により撓みを生じることになる。したがって、起歪体１０を固定した状態において、受力体３０に対してモーメント成分＋Ｍｙが作用すると、ダイアフラム部１１，３１は図示のように変形し、歪検出基板４０には図示のような変形が生じることになる。その結果、歪検出基板４０の上面には、図に矢印で示すような応力が加わる。すなわち、歪検出基板４０の上面の中央付近（接続部材２０の接続領域の外側直近部）に着目すると、図の左側では伸びる方向への応力（引張り応力）が加わり、図の右側では縮む方向への応力（圧縮応力）が加わる。その結果、各位置に配置されたピエゾ抵抗素子の電気抵抗に変化が生じることになる。
【００７４】
たとえば、シリコン基板上に形成されたＰ型のピエゾ抵抗素子の場合、伸びる方向への応力が作用すると抵抗値は増加し、縮む方向への応力が作用すると抵抗値は減少する。Ｎ型のピエゾ抵抗素子の場合は、これと逆の結果が生じる。そこで、回路基板５０上に、このようなピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化を検知する検出回路を設けておけば、受力体３０に作用した外力成分を電気信号として検出することができる。
【００７５】
各ピエゾ抵抗素子に加わる応力は、受力体３０に作用した外力成分の種類によって異なる。たとえば、負のモーメント成分−Ｍｙが作用した場合、図６とは左右逆転した変形態様が得られることになる。図７は、図１に示す基本構造体にＺ軸方向の力成分＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面での側断面図である。歪検出基板４０の中央部が上方（Ｚ軸正方向）に押し上げられ、歪検出基板４０の上面の中央付近に着目すると、左右いずれの位置においても伸びる方向への応力が加わる。負の力成分−Ｆｚ（図７の下方へ向かう力成分）が作用した場合は、これとは逆に、左右いずれの位置においても縮む方向への応力が加わることになる。
【００７６】
図８は、図５に示す８組のピエゾ抵抗素子Ａの配置を詳細に示す上面図である。説明の便宜上、８組のピエゾ抵抗素子にＡ１〜Ａ８の符号を付して示してある。なお、この図８におけるハッチングは、ピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８の形成領域を示すものであり、断面を示すものではない。
【００７７】
具体的には、この例の場合、歪検出基板４０の上面には、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸正領域に沿って配置された第１のピエゾ抵抗素子Ａ１および第２のピエゾ抵抗素子Ａ２と、Ｘ軸方向が長手方向となるように、Ｘ軸負領域に沿って配置された第３のピエゾ抵抗素子Ａ３および第４のピエゾ抵抗素子Ａ４と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸正領域に沿って配置された第５のピエゾ抵抗素子Ａ５および第６のピエゾ抵抗素子Ａ６と、Ｙ軸方向が長手方向となるように、Ｙ軸負領域に沿って配置された第７のピエゾ抵抗素子Ａ７および第８のピエゾ抵抗素子Ａ８と、が設けられている。
【００７８】
ここで、第１〜第８のピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８は、同一材料かつ同一サイズのピエゾ抵抗素子によって構成されており、その電気的特性は同一になる。したがって、各素子に同じ条件で応力が加われば、いずれも同じ抵抗値変化を生じることになる。また、各ピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８の配置パターンは、ＸＺ平面およびＹＺ平面に関して対称形をなすようになっており、図８の上面図に示されている平面パターンは、Ｘ軸に関して線対称、Ｙ軸に関しても線対称の図形になっている。
【００７９】
図９は、図８に示す８組のピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８の抵抗値の変化を示す表である。図に「＋Ｍｘ」と標記された行の各欄は、受力体３０にＸ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｘが作用したときの抵抗値変化を示し、「＋Ｍｙ」と標記された行の各欄は、受力体３０にＹ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｙが作用したときの抵抗値変化を示し、「＋Ｆｚ」と標記された行の各欄は、受力体３０にＺ軸正方向の力成分＋Ｆｚが作用したときの抵抗値変化を示している。ここで、「＋」は抵抗値が増加することを示し、「−」は抵抗値が減少することを示し、「０」は抵抗値に変化が生じないことを示す。
【００８０】
図９の表において、「＋Ｍｙ」の欄の結果がこのようになることは、図６の変形態様を見れば容易に理解できよう。８組のピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８は、いずれもＰ型のピエゾ抵抗素子であるので、図６の変形態様を考慮すれば、図８に示す上面図において、素子Ａ１，Ａ２には長手方向に縮む応力が作用して抵抗値は減少し、素子Ａ３，Ａ４には長手方向に伸びる応力が作用して抵抗値は増加することがわかる。これに対して、素子Ａ５〜Ａ８については、長手方向に関する伸縮応力は発生しないため、抵抗値に変化は生じない。「＋Ｍｘ」の欄の結果が得られる理由も同様である。
【００８１】
一方、「＋Ｆｚ」の欄の結果がこのようになることは、図７の変形態様を見れば容易に理解できよう。図７の変形態様を考慮すれば、図８に示す上面図において、すべてのピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８には長手方向に伸びる応力が作用して抵抗値は増加することがわかる。なお、逆まわりのモーメント成分「−Ｍｘ」，「−Ｍｙ」や、逆方向の力成分「−Ｆｚ」が作用した場合は、図９の表に示す各符号を逆転した結果が得られることになる。
【００８２】
この図９の表に示す結果を踏まえれば、図１０および図１１に示す検出回路により、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙおよびＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘの検出が可能になることがわかる。
【００８３】
図１０に示す検出回路は、第１のピエゾ抵抗素子Ａ１と第２のピエゾ抵抗素子Ａ２とを第１の対辺に配置し、第３のピエゾ抵抗素子Ａ３と第４のピエゾ抵抗素子Ａ４とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの検出を行う回路である。直流電源Ｅから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Ｔｙ１，Ｔｙ２は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Ｖｙが生じることになる。この電位差Ｖｙは、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの向きおよび大きさを示す電気信号になる。
【００８４】
たとえば、モーメント成分＋Ｍｙが作用すると、図９の表に示すとおり、ピエゾ抵抗素子Ａ１，Ａ２の抵抗値は減少し、ピエゾ抵抗素子Ａ３，Ａ４の抵抗値は増加するので、端子Ｔｙ１側が正、端子Ｔｙ２側が負となる電圧Ｖｙが発生する。逆まわりのモーメント成分−Ｍｙが作用した場合は、電圧Ｖｙの符号が逆転する。また、作用したモーメント成分が大きければ、電圧Ｖｙの絶対値も大きくなる。
【００８５】
同様に、図１１に示す検出回路は、第５のピエゾ抵抗素子Ａ５と第６のピエゾ抵抗素子Ａ６とを第１の対辺に配置し、第７のピエゾ抵抗素子Ａ７と第８のピエゾ抵抗素子Ａ８とを第２の対辺に配置したホイートストンブリッジを用いてＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘの検出を行う回路である。直流電源Ｅから所定の電源電圧を供給すると、ブリッジが平衡条件を維持している間は、両端子Ｔｘ１，Ｔｘ２は等電位を保つが、平衡状態が崩れると、両端子間に電位差Ｖｘが生じることになる。この電位差Ｖｘは、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘの向きおよび大きさを示す電気信号になる。
【００８６】
なお、モーメント成分Ｍｘが作用した場合は、ピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ４の抵抗値変化は生じないので、図１０に示す検出回路が、モーメント成分Ｍｘを誤検出することはない。また、力成分Ｆｚが作用した場合は、ピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８のすべての抵抗値が増加することになるので、図１０に示す検出回路は、ブリッジの平衡条件を維持し、力成分Ｆｚを誤検出することはない。同様に、図１１に示す検出回路は、モーメント成分Ｍｙや力成分Ｆｚを誤検出することはない。このように、図１０および図１１に示す検出回路は、他軸成分の干渉を排除した正確な検出値を得ることができる。
【００８７】
また、図１０および図１１に示す検出回路は、いずれもホイートストンブリッジを用いた差分検出を行う回路になっており、回路基板５０に実装されることになる。差分検出が行われるため、実使用環境（特に温度環境）の変化によって各ピエゾ抵抗素子の電気的特性に変化が生じても、その影響が検出値として出力されることはない。たとえば、温度変化によって、８組のピエゾ抵抗素子の電気抵抗が増減したとしても、これらの増減は８組のピエゾ抵抗素子すべてに対して生じる現象であるため、外力が作用していない状態では、ブリッジ回路の平衡条件はそのまま維持され、検出電圧が出力されることはない。このように、図１０および図１１に示す検出回路は、実使用環境の影響を排除した正確な検出を行うことが可能である。
【００８８】
なお、図９の表の「＋Ｆｚ」の欄の結果を踏まえれば、８組のピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８の抵抗値の総和の変動量として、Ｚ軸方向の力成分を検出できることがわかる。すなわち、外力が何ら作用していない状態における８組のピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８の抵抗値の総和を基準値として測定しておけば、当該抵抗値の総和が基準値より増加すれば、増加分はＺ軸正方向の力成分＋Ｆｚの大きさを示すものになり、当該抵抗値の総和が基準値より減少すれば、減少分はＺ軸負方向の力成分−Ｆｚの大きさを示すものになる。ただ、Ｚ軸方向の力成分に関しては、差分検出を行うことはできないため、実使用環境の変化に起因した検出誤差が含まれることになる。
【００８９】
もっとも、§３以降で述べる力覚センサに利用する場合、基本センサは、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを検出する機能を有していれば足り、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚを検出する機能は不要である。よって、ここで述べたセンサを、本発明に係る力覚センサ用の基本センサとして利用するにあたっては、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚについての正確な検出ができなくても何ら支障は生じない。
【００９０】
＜＜＜  §３．  第１の実施形態の構造  ＞＞＞
ここでは、本発明に係る力覚センサの第１の実施形態の構造を説明する。図１２は、この第１の実施形態に係る力覚センサの横断面図である。この力覚センサは、三次元直交座標系における所望の座標軸方向の力成分および所望の座標軸まわりのモーメント成分を検出する機能を有している。そこで、ここでは、図面の右方向にα軸、上方向にβ軸、紙面に垂直な手前方向にγ軸をとったαβγ三次元直交座標系を定義し、以下の説明を行うことにする。
【００９１】
なお、§１，§２で述べた基本センサの説明では、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを検出する機能を説明したが、本願では、便宜上、基本センサの動作説明に用いる三次元直交座標系をＸＹＺ三次元直交座標系、本発明に係る力覚センサの動作説明に用いる三次元直交座標系をαβγ三次元直交座標系と区別することにする。ＸＹＺ三次元直交座標系は、個々の基本センサごとに定義されるローカル座標系であるのに対して、αβγ三次元直交座標系は、力覚センサ全体に定義されるグローバル座標系ということになる。
【００９２】
図１２は、この力覚センサをαβ平面で切断した横断面図であり、図の中心に示す点Ｑは、αβγ三次元直交座標系の原点を示している（γ軸は、点Ｑにおいて紙面に直交する軸になる）。この力覚センサは、α軸方向に作用した力成分Ｆα、β軸方向に作用した力成分Ｆβ、γ軸方向に作用した力成分Ｆγ、α軸まわりに作用したモーメント成分Ｍα、β軸まわりに作用したモーメント成分Ｍβ、γ軸まわりに作用したモーメント成分Ｍγの６成分を検出することが可能な６軸力覚センサとして機能する。
【００９３】
図示のとおり、この力覚センサの基本的な構成要素は、内部に収容空間を有する円筒状の外側構造体１００、この収容空間内に収容された内側構造体２００、外側構造体１００の更に外側に配置された外殻構造体３００、３組の基本センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３、そして図示されていない演算手段である。演算手段は、後述するように、基本センサＳ１〜Ｓ３の出力に基づいて、検出対象となる６成分を求めるために必要な演算を行う機能を有する。
【００９４】
基本センサＳ１〜Ｓ３は、図示のとおり、起歪体１０、接続部材２０、受力体３０によって構成されている。ここでは、この３組の基本センサを相互に区別するため、「Ｓ１〜Ｓ３」という異なる符号を付しているが、この３組の基本センサは、いずれも、§１，§２で説明した基本センサＳである。別言すれば、この第１の実施形態に係る力覚センサには、§１，§２で説明した基本センサＳが３組用いられていることになる。基本センサＳの構造については既に詳細に説明したので、以降の図では、各基本センサの内部構造の図示は省略する。したがって、図１２は、基本的には横断面図であるが、基本センサＳ１〜Ｓ３の部分については上面図が示されている。
【００９５】
内側構造体２００は、断面が正三角形をした柱状の構造体であり、γ軸が中心軸となるように配置されている。一方、外側構造体１００および外殻構造体３００は、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成されている。３組の基本センサＳ１〜Ｓ３は、内側構造体２００の側面と外側構造体１００の内周面との間に配置され、両者を接続する機能を果たしている。すなわち、この第１の実施形態では、外側構造体１００は、内側構造体２００を内部に収容する筒状の構造体によって構成され、各基本センサＳ１〜Ｓ３が、この筒状の外側構造体１００の内周面上の外側接続点と内側構造体２００の外周面上の内側接続点とを連結するように接続されていることになる。
【００９６】
ここでは、各基本センサＳ１〜Ｓ３の具体的な配置を説明するため、αβ平面上において、α軸の方向を０°とし、反時計まわりに３６０°までの方位角を定義する。また、図示のとおり、α軸，β軸に加えて、更に、δ軸およびε軸を定義する。α軸，β軸，δ軸，ε軸は、いずれもαβ平面上の軸であり、それぞれの方位角は、０°，９０°，２１０°，３３０°である（いずれも、各軸の正方向の方位角）。したがって、β軸，δ軸，ε軸の３軸に着目すると、これら３軸は、αβ平面上において互いに１２０°をなす軸ということになる。そして、３組の基本センサＳ１〜Ｓ３は、この３軸に沿って配置されている。
【００９７】
具体的には、第１の基本センサＳ１は、β軸が中心軸となるように配置されており、外側構造体１００の内周面とβ軸正領域との交点に位置する外側接続点Ｊβと、内側構造体２００の外周面とβ軸正領域との交点に位置する内側接続点Ｉβとを連結するように接続されている。同様に、第２の基本センサＳ２は、δ軸が中心軸となるように配置されており、外側構造体１００の内周面とδ軸正領域との交点に位置する外側接続点Ｊδと、内側構造体２００の外周面とδ軸正領域との交点に位置する内側接続点Ｉδとを連結するように接続されており、第３の基本センサＳ３は、ε軸が中心軸となるように配置されており、外側構造体１００の内周面とε軸正領域との交点に位置する外側接続点Ｊεと、内側構造体２００の外周面とε軸正領域との交点に位置する内側接続点Ｉεとを連結するように接続されている。
【００９８】
なお、§１で述べたとおり、各基本センサＳを構成する起歪体１０および受力体３０は、いずれも板状の部材であるため、取付対象となる相手方の物体面は平面であることが望ましい。この第１の実施形態の場合、内側構造体２００は、断面が正三角形であり、その外周面は平面であるので、起歪体１０を取り付けるには支障はない。これに対して、外側構造体１００は、完全な円筒形にすると、内周面が曲面になるため、板状の受力体３０をそのまま取り付けるには好ましくない。そこで、ここに示す実施例では、図示のとおり、外側構造体１００の内周面のうち、基本センサＳ１〜Ｓ３の受力体３０を取り付ける部分については平面となるような形状を採用している。
【００９９】
このため、外側構造体１００は、β軸正領域，δ軸正領域，ε軸正領域と交差する部分近傍の肉厚が若干厚くなっている。また、この肉厚部分の外周面には、図示のとおり、制御溝１１１，１１２，１１３が設けられており、外殻構造体３００の内周面に設けられた制御突起３１１，３１２，３１３の先端部を収容できる構造となっている。これら制御突起および制御溝の機能については後述する。
【０１００】
このように、各基本センサＳ１〜Ｓ３の起歪体１０は、内側構造体２００の外周面上の所定位置に設けられた内側接続点Ｉβ，Ｉδ，Ｉε（図では黒丸で示す）に接合固定され、各基本センサＳ１〜Ｓ３の受力体３０は、外側構造体１００の内周面上の所定位置に設けられた外側接続点Ｊβ，Ｊδ，Ｊε（図では黒丸で示す）に接合固定される。§１で述べたとおり、実際には、起歪体１０および受力体３０はネジで固定されているが、図１２以降の各図では、ネジの図示は省略する。
【０１０１】
なお、図１(b) に示すように、起歪体１０の上面には検出用溝Ｇ１が形成されており、受力体３０の下面には検出用溝Ｇ２が形成されている。このため、図１２に示す構造において、起歪体１０は内側接続点Ｉβ，Ｉδ，Ｉεに直接接続されるわけではなく、受力体３０も外側接続点Ｊβ，Ｊδ，Ｊεに直接接続されるわけではないが、これらは各接続点の周囲部分に直接固定されるので、結局、各基本センサＳ１〜Ｓ３は、外側構造体１００の所定位置に設けられた外側接続点Ｊβ，Ｊδ，Ｊεと内側構造体２００の所定位置に設けられた内側接続点Ｉβ，Ｉδ，Ｉεとを間接的に連結する連結機能を果たすことになる。
【０１０２】
もちろん、一端が外側接続点に直接固定され、他端が内側接続点に直接固定されるような構造をもった基本センサを用いて、両接続点間を直接的に連結するようにしてもかまわない。また、内側構造体２００は、その側面に基本センサＳ１〜Ｓ３を接続する機能を有していれば足りるので、内部を空洞にした筒状体によって構成してもかまわない。
【０１０３】
図１２に示す力覚センサの構造は、図１３の縦断面図を参照することにより、更に明確になる。図１３に示す縦断面図は、図１２に示す力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図に相当する。すなわち、この力覚センサを、αβ平面上において、１５０°および−３３０°の方位角に対応する断面（ε軸に沿った位置）で切断した断面図ということになる。この図１３でも、基本センサＳ３については、断面図ではなく側面図が示されている。
【０１０４】
前述したとおり、外側構造体１００および外殻構造体３００は、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成されているが、外側構造体１００の下方には、円板状の底板部材１５０が取り付けられており、外殻構造体３００の上方には、円板状の連結部材２５０が取り付けられている。そして、内側構造体２００の上部は連結部材２５０の下面中央部に取り付けられており、底板部材１５０は、台座４００の上面に固定されている。
【０１０５】
図１３において、外側構造体１００の左側の側壁（ε軸負領域と交差する部分）に比べて、右側の側壁（ε軸正領域と交差する部分）の方が厚くなっているのは、前述したように、右側の側壁の内面に、第３の基本センサＳ３の受力体３０を接続するための平面を設けたためである。この肉厚部分の外周面には制御溝１１３が設けられており、外殻構造体３００の内周面に設けられた制御突起３１３の先端部が収容されている。
【０１０６】
第３の基本センサＳ３の受力体３０は、外側構造体１００の内周面に固定され、起歪体１０は、内側構造体２００の外周面に固定されており、第３の基本センサＳ３によって、外側接続点Ｊεと内側接続点Ｉεとが接続されることになる。図１３には現れていないが、第１の基本センサＳ１および第２の基本センサＳ２の取付具合も、全く同様である。別言すれば、図１２に示す力覚センサを、β軸に沿って切断した縦断面図やδ軸に沿って切断した縦断面図も、図１３の縦断面図と同様の図になる。
【０１０７】
ここに示す実施形態の場合、内側構造体２００は、正三角形の横断面をもつ三角柱によって構成されている。図１３において、内側構造体２００の縦断面部分が、γ軸に対して左右対称になっていないのは、三角柱の縦断面を示しているためである。この三角柱からなる内側構造体２００の各側面におけるβ軸，δ軸，ε軸との交点位置に、それぞれ内側接続点Ｉβ，Ｉδ，Ｉεが設けられ、３組の基本センサＳ１〜Ｓ３が、それぞれ内側接続点Ｉβ，Ｉδ，Ｉεと外側構造体１００の対向位置に設けられた外側接続点Ｊβ，Ｊδ，Ｊεとを連結する連結機能を果たすことになる。
【０１０８】
ここに示す実施例の場合、図にドットによるハッチングを施して示すとおり、外側構造体１００と底板部材１５０とは、同一材料によって構成された一体構造をなすカップ状の構造体によって構成されており、その底面は、台座４００の上面に接着されている。また、底板部材１５０の上面には、回路基板５００が固着されている。この回路基板５００は、後述する演算手段を構成する演算回路が形成された半導体基板である。図示は省略するが、各基本センサＳ１〜Ｓ３と回路基板５００との間には、各基本センサＳ１〜Ｓ３によって検出された検出値を伝達するための配線が施される。
【０１０９】
一方、この実施例の場合、図に斜線によるハッチングを施して示すとおり、内側構造体２００、連結部材２５０、外殻構造体３００も、同一材料からなる一体構造をなす構造体によって構成されている。連結部材２５０は、内側構造体２００と、その外側に設けられた筒状の外殻構造体３００とを接続する機能を有し、外力が作用したときに、内側構造体２００、連結部材２５０、外殻構造体３００は、一体となって変位することになる。
【０１１０】
この例の場合、外殻構造体３００は、γ軸を中心軸とする円筒状構造体であり、図１３に示すように、γ軸が上下方向を向くように配置したときに、筒状の外殻構造体３００の上方開口部を覆う円形の板状部材によって連結部材２５０が構成されている。そして、この板状部材２５０の下面周囲部に外殻構造体３００が接合され、板状部材２５０の下面中央部に内側構造体２００の上面が接続されていることになる。
【０１１１】
もちろん、連結部材２５０は、必ずしも板状部材によって構成する必要はなく、内側構造体２００と外殻構造体３００とを接続する機能を果たす構造体であれば、どのような構造体によって構成してもかまわない。ただ、図示の例のように、連結部材２５０を、筒状の外殻構造体３００の上方開口部を覆う板状部材によって構成すれば、装置内部を覆うカバーとしての機能を果たす利点が得られる。
【０１１２】
外側構造体１００、内側構造体２００、連結部材２５０、外殻構造体３００は、できるだけ剛性を有する構造体で構成するのが好ましい。これらを十分な剛性を有する構造体によって構成しておけば、検出対象となる外力を各基本センサＳ１〜Ｓ３に効率的に伝達することができ、検出感度を向上させることができる。ここに示す実施例の場合、図にドットによるハッチングを施して示した外側構造体１００と底板部材１５０とをアルミニウム合金によって構成し、図に斜線によるハッチングを施して示した内側構造体２００、連結部材２５０、外殻構造体３００もアルミニウム合金によって構成し、更に、台座４００もアルミニウム合金によって構成している。もちろん、各部の材質は、アルミニウム合金に限定されるものではなく、たとえば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）などの鉄系合金を用いてもかまわない。
【０１１３】
一方、各基本センサＳ１〜Ｓ３は、図１に示すように、ダイアフラム部１１，３１を有しており、外力が作用すると、たとえば、図６や図７に示すような弾性変形を生じる性質を有している。結局、図１３に示す力覚センサは、外側構造体１００、底板部材１５０、台座４００からなる第１の剛体群と、内側構造体２００、連結部材２５０、外殻構造体３００からなる第２の剛体群とを、弾性変形可能な基本センサＳ１〜Ｓ３によって接続した構造を有していることになる。
【０１１４】
したがって、たとえば、台座４００を固定した状態とし、連結部材２５０もしくは外殻構造体３００に対して何らかの外力を作用させたとすると、当該外力によって基本センサＳ１〜Ｓ３が弾性変形することになり、上記第１の剛体群に対して、上記第２の剛体群が変位を生じることになる。逆に、第２の剛体群を固定した状態において、第１の剛体群に外力を作用させた場合は、第２の剛体群に対して、第１の剛体群が変位を生じることになる。もっとも、作用反作用の法則により、これらの現象は根本的には同じであるため、本願では、前者のケースを例にとって以下の説明を行うことにする。
【０１１５】
台座４００を固定した状態にすると、図１２の横断面図において、外側構造体１００は固定された状態になる。その状態で、外殻構造体３００（もしくは、その上方に接続された円板状の連結部材２５０）に対して外力が作用すると、当該外力は内側構造体２００へと伝達される。この内側構造体２００は、基本センサＳ１〜Ｓ３によって、三方から支持されているが、上述したとおり、基本センサＳ１〜Ｓ３は外力の作用により弾性変形するので、この弾性変形に応じて、内側構造体２００は外側構造体１００の内部の収容空間内で変位する。
【０１１６】
ここで、基本センサＳ１〜Ｓ３は、作用した外力のモーメント成分ＭｘおよびＭｙを検出する機能を有しており、その検出値は、前述した回路基板５００上の演算回路へ電気信号として与えられる。演算回路は、各基本センサＳ１〜Ｓ３から与えられた検出値に対して所定の演算処理を行うことにより、外殻構造体３００（もしくは、その上方に接続された円板状の連結部材２５０）に作用した外力について、各座標軸方向の力成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγおよび各座標軸まわりのモーメント成分Ｍα，Ｍβ，Ｍγを検出する処理を行うことになる。具体的な演算内容については、§４において詳述する。
【０１１７】
上述したように、基本センサＳ１〜Ｓ３は、外力の作用により弾性変形する性質を有している。すなわち、外力が作用すると、当該外力に応じた態様で変形するが、外力が作用しなくなると、元の状態に復帰する性質を有している。しかしながら、通常、このような弾性変形の性質が維持されるのは、作用した外力の大きさが所定の許容範囲内である場合に限られ、過度の外力が作用した場合、弾性変形の性質は損なわれてしまう。そうなると、基本センサは正常な検出機能を果たすことができなくなる。そこで、この第１の実施形態に係る力覚センサには、基本センサＳ１〜Ｓ３に過度の外力が加わらないようにするための２通りの制御構造が組み込まれている。
【０１１８】
第１の制御構造は、外側構造体１００と外殻構造体３００とを、共通のγ軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成したことにより実現されている。図１２に示すように、外側構造体１００の外周面と外殻構造体３００の内周面との間には所定の空隙が形成されている。そこで、この空隙の寸法を適切に設定することにより、外側構造体１００に対する外殻構造体３００の変位を適切な範囲内に制御し、基本センサＳ１〜Ｓ３に過度の外力が加わらないようにしている。外側構造体１００に対する外殻構造体３００の変位を適切な範囲内に制御できれば、外側構造体１００に対する内側構造体２００の変位も所定の許容範囲内に制御することができるので、各基本センサＳ１〜Ｓ３は、正常な検出機能を果たすことができる。
【０１１９】
要するに、外側構造体１００に対する内側構造体２００の変位が所定の許容範囲に達した場合に（すなわち、作用する外力の大きさが、各基本センサＳ１〜Ｓ３が正常な検出機能を果たすことが可能な範囲内の所定値に達した場合に）、外側構造体１００の外周面と外殻構造体３００の内周面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、外側構造体１００と外殻構造体３００との間隔を所定値に設定する設計を行うようにすればよい。
【０１２０】
本願発明者が試作した具体的な力覚センサの場合、すなわち、各基本センサＳ１〜Ｓ３として、直径１０ｍｍ、高さ７ｍｍのサイズの構造体を用い、外殻構造体３００として、直径２５ｍｍのサイズの円筒状構造体を用いた実施例の場合、外側構造体１００と外殻構造体３００との間隔を１０〜２０μｍ程度に設定すれば、実用上、十分な検出感度が得られ、基本センサＳ１〜Ｓ３に対して加わる外力を、正常な検出機能を果たすことができる範囲内に制限することが可能であった。
【０１２１】
図１２に示す力覚センサが採用している第２の制御構造は、制御突起と制御溝との組み合わせである。図示のとおり、外殻構造体３００の内周面には、内側に向かう制御突起３１１，３１２，３１３が設けられており、外側構造体１００の外周面には、これらの制御突起の先端部を収容する制御溝１１１，１１２，１１３が設けられている。しかも、外側構造体１００に対する内側構造体２００の変位が所定の許容範囲に達した場合に（すなわち、外側構造体１００に対する外殻構造体３００の変位が所定の許容範囲に達した場合に）、各制御突起３１１，３１２，３１３の先端部と各制御溝１１１，１１２，１１３の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、各制御突起の先端部と各制御溝の溝形成面との間隔が適切な値（この実施例の場合は、１０〜２０μｍ程度）に設定されている。
【０１２２】
各基本センサＳ１〜Ｓ３は、外側構造体１００に対する内側構造体２００の変位が、上述した許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことができるので、これら制御突起と制御溝とによる制御構造により、基本センサＳ１〜Ｓ３に対して加わる外力を、正常な検出機能を果たすことができる範囲内に制限することが可能になる。
【０１２３】
図示のとおり、ここに示す実施例の場合、制御突起３１１と制御溝１１１との組み合わせはβ軸上に配置されており、制御突起３１２と制御溝１１２との組み合わせはδ軸上に配置されており、制御突起３１３と制御溝１１３との組み合わせはε軸上に配置されている。このように、制御突起と制御溝との組み合わせを、１２０°ずつずれた位置に合計３組配置すれば、様々な方向に作用する外力成分に対して、効率的な変位制御を行うことが可能になる。
【０１２４】
特に、β軸上に配置された制御突起３１１と制御溝１１１との組み合わせは、第１の基本センサＳ１に対して高さ方向（図１におけるＺ軸方向）に加わる力を許容範囲内に制御するのに効果的であり、δ軸上に配置された制御突起３１２と制御溝１１２との組み合わせは、第２の基本センサＳ２に対して高さ方向に加わる力を許容範囲内に制御するのに効果的であり、ε軸上に配置された制御突起３１３と制御溝１１３との組み合わせは、第３の基本センサＳ３に対して高さ方向に加わる力を許容範囲内に制御するのに効果的である。
【０１２５】
このように、図１２に示す実施形態の場合、外側構造体１００と外殻構造体３００とを、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成し、両者間の空隙寸法を適切な値に設定するという第１の制御構造と、制御突起と制御溝との組み合わせを配置するという第２の制御構造と、の２通りの制御構造を採用することにより、各基本センサＳ１〜Ｓ３に加わる外力を所定の許容範囲内に維持している。
【０１２６】
なお、図１２に示す例では、外殻構造体３００の内周面に、内側に向かう制御突起を形成し、外側構造体の外周面に、これら制御突起の先端部を収容する制御溝を設ける構造としているが、制御突起と制御溝の位置関係は逆にしてもかまわない。すなわち、外側構造体１００の外周面に、外側に向かう制御突起を設け、外殻構造体３００の内周面に、制御突起の先端部を収容する制御溝を設けるようにしてもかまわない。この場合も、外側構造体１００に対する内側構造体２００の変位が所定の許容範囲に達した場合に、制御突起の先端部と制御溝の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、制御突起の先端部と制御溝の溝形成面との間隔を適切な値に設定しておけば、各基本センサＳ１〜Ｓ３に加わる外力を所定の許容範囲内に維持することができ、正常な検出機能を維持させることができる。
【０１２７】
＜＜＜  §４．  第１の実施形態の検出動作  ＞＞＞
続いて、§３で述べた本発明の第１の実施形態に係る力覚センサの検出動作を説明する。図１２に示す力覚センサの主要な構成要素は、既に述べたとおり、内部に収容空間を有する外側構造体１００と、この収容空間内に収容された内側構造体２００と、３組の基本センサＳ１〜Ｓ３と、これら基本センサＳ１〜Ｓ３の出力に基づいて演算を行う演算手段（図１２には示されていない）である。
【０１２８】
なお、§３で述べた力覚センサには、更に、外殻構造体３００および連結部材２５０が設けられているが、これらの構成要素は、外力を内側構造体２００に効率よく伝達させるための補助的な構成要素であり、本発明に係る力覚センサを構成する上で必須のものではない。
【０１２９】
図１３に示すとおり、この力覚センサには、外側構造体１００を中心軸が上下方向を向くように配置した場合に、外側構造体１００の下方開口部を覆うような底板部材１５０が設けられており、この底板部材１５０の上面に回路基板５００が固定されている。上述した演算手段は、この回路基板５００上に形成された演算回路によって構成され、後述する検出動作は、この回路基板５００上に形成された演算回路によって実行されることになる。なお、この底板部材１５０や台座４００も、本発明に必須の構成要素ではないが、回路基板５００を支持する上では有用である。
【０１３０】
回路基板５００上にマイクロプロセッサを設けておけば、後述する検出動作は、このマイクロプロセッサによるデジタル演算によって行うことも可能である。更に、必要があれば、このマイクロプロセッサによって、感度補正、温度補正、他軸感度補正等の信号処理を行うことも可能である。
【０１３１】
内部構造体２００は、図１３に示すとおり、外側構造体１００の内部に収容された柱状の構造体（この例の場合は断面が正三角形となる三角柱）によって構成され、３組の基本センサＳ１〜Ｓ３は、図１２に示すとおり、外側構造体１００の内周面上の外側接続点Ｊβ，Ｊδ，Ｊεと内側構造体（三角柱）２００の外周面上の内側接続点Ｉβ，Ｉδ，Ｉεとを連結する役割を果たすことになる。
【０１３２】
ここで、本発明に係る力覚センサに用いられる各基本センサＳ１〜Ｓ３の基本機能を整理しておこう。各基本センサの第１の基本機能は、外側構造体１００の所定位置に設けられた外側接続点Ｊβ，Ｊδ，Ｊεと内側構造体２００の所定位置に設けられた内側接続点Ｉβ，Ｉδ，Ｉεとを連結する連結機能である。外側接続点と内側接続点とは、必ずしも直接的に連結する必要はなく、その周囲にセンサの端部を固定することにより間接的に連結されていてもかまわない。
【０１３３】
図１２に示す例の場合、基本センサＳ１〜Ｓ３の起歪体１０や受力体３０には、検出用溝Ｇ１，Ｇ２が形成されており、外側接続点および内側接続点はこれら溝Ｇ１，Ｇ２内に位置する。このため、両者は直接的に接続されているわけではないが、その周囲に起歪体１０および受力体３０を接合することにより、間接的に連結された状態になっている。
【０１３４】
各基本センサの第２の基本機能は、外側接続点および内側接続点のうちの一方を固定した状態において他方に作用する外力に基づいて、両点の相対位置関係が変化するように弾性変形する変形機能である。図１２に示す力覚センサに外力が作用したときに（たとえば、外側構造体１００を固定した状態において、内側構造体２００に力を加えたときに）、外側構造体１００に対して内側構造体２００が変位するのは、各基本センサＳ１〜Ｓ３が弾性変形する変形機能を有しているためである。図１に示す基本センサＳの場合、少なくともダイアフラム部１１，３１が弾性変形する機能をもっているため、図６や図７に例示するような弾性変形が生じることになる。
【０１３５】
そして、各基本センサの第３の基本機能は、外側接続点および内側接続点のうちの一方を固定した状態において他方に作用する外力を検出する検出機能である。もっとも、検出対象となる外力は、所定軸まわりのモーメント成分だけで十分である。より具体的には、外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線上に位置する原点Ｏと、この連結線上に配置されたＺ軸と、このＺ軸に直交するＸ軸と、Ｚ軸およびＸ軸の双方に直交するＹ軸と、を有するＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、作用した外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを検出する検出機能を有していればよい。
【０１３６】
§１，§２で述べた具体的な基本センサは、上述した３つの基本機能を備えた理想的なセンサと言える。演算手段は、３組の基本センサＳ１〜Ｓ３のそれぞれが検出した検出値を用いた演算を行うことにより、外側構造体１００および内側構造体２００について、一方を固定した状態において他方に作用した力およびモーメントを検出することができる。以下、その検出原理を詳細に説明する。
【０１３７】
はじめに、各座標系の関係を正確に定義しておく。図１および図２では、ＸＹＺ三次元直交座標系を図示のとおりに定義して、基本センサＳの構造および動作を説明した。当該説明によれば、基本センサＳは、このＸＹＺ座標系において、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを検出することができる。
【０１３８】
なお、この基本センサＳは、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚの検出も可能であるが、本発明の力覚センサでは、力成分Ｆｚの検出値は利用しない。本願発明者が基本センサＳを試作して感度測定を行ったところ、モーメント成分Ｍｘ，Ｍｙの検出感度が、力成分Ｆｚの検出感度に比べて極めて高い結果が得られた。たとえば、モーメント成分Ｍｘ，Ｍｙとして、１０Ｎ・cmの大きさのモーメントを加える測定と、力成分Ｆｚとして１０Ｎを加える測定を行ったところ、前者の感度を１００とすると、後者の感度は１〜１０程度であった。もちろん、このような感度差は、増幅回路で補正可能な範囲内なので、基本センサＳをＭｘ，Ｍｙ，Ｆｚの検出が可能な３軸センサとして利用する上では何ら支障は生じないが、本発明では、Ｚ軸方向の力成分Ｆｚの検出は不要であり、感度の高いＭｘ，Ｍｙ成分のみを用いた効率的な検出が可能になる。
【０１３９】
このように、ＸＹＺ三次元直交座標系が、個々の基本センサＳについて定義されたローカル座標系であるのに対して、αβγ三次元直交座標系は、力覚センサの検出対象となる力やモーメントの方向を示すためのグローバル座標系である。図１２に示す例の場合、内側構造体２００の内部（三角柱の中心軸上の１点）に原点Ｑを定義し、この原点Ｑにおいて互いに直交するα軸，β軸，γ軸を有するαβγ三次元直交座標系が定義されている。したがって、このαβγグローバル座標系内に、３つの基本センサＳ１〜Ｓ３のそれぞれについて定義されたＸＹＺローカル座標系が配置されることになる。
【０１４０】
図１４は、図１２に示す力覚センサの構成要素となる基本センサＳ１〜Ｓ３の座標軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）の方向を示す横断面図（αβ平面で切った断面図）である。図１(b) に示すとおり、基本センサＳの座標系の原点Ｏは、歪検出基板４０の中心位置に定義されており、板状部材によって構成された起歪体１０および受力体２０の上面および下面がＸＹ平面に平行になるように、ＸＹＺ座標系が定義されている。したがって、図１４においても、各基本センサＳ１〜Ｓ３について、同様の方法でＸＹＺ座標系を定義している。
【０１４１】
すなわち、基本センサＳ１の原点Ｏはβ軸上に位置し、基本センサＳ２の原点Ｏはδ軸上に位置し、基本センサＳ３の原点Ｏはε軸上に位置するように配置されており、各基本センサＳ１〜Ｓ３についてそれぞれ定義されたＸＹＺ座標系のＺ軸が、αβγ座標系の原点Ｑを通る方向に定義されている（原点Ｑに向かう方向がＺ軸の正方向になる）。また、各基本センサＳ１〜Ｓ３のそれぞれについて定義された各Ｘ軸および各Ｚ軸は、αβ平面に含まれる軸となり、各基本センサＳ１〜Ｓ３のそれぞれについて定義された各Ｙ軸は、γ軸に平行になるように定義されている（図の紙面に対して垂直に、紙面裏側に向かう方向がＹ軸の正方向になる）。
【０１４２】
結果的に、各基本センサＳ１〜Ｓ３のそれぞれについて定義された各Ｘ軸の正方向は、図１４において、原点Ｑを中心とした円についての反時計まわりの接線方向になり、各Ｚ軸は互いに１２０°をなすように配置されることになる。すなわち、第１の基本センサＳ１について定義されたＺ軸正方向がβ軸負方向に一致し、第２の基本センサＳ２について定義されたＺ軸正方向がδ軸負方向に一致し、第３の基本センサＳ３について定義されたＺ軸正方向がε軸負方向に一致するように、互いに検出感度が等しい３組の基本センサが配置されることになる。このような構成を採ると、演算手段による演算を単純化することができる。
【０１４３】
演算手段は、第１の基本センサＳ１が検出したＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ１、第１の基本センサＳ１が検出したＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ１、第２の基本センサＳ２が検出したＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ２、第２の基本センサＳ２が検出したＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ２、第３の基本センサＳ３が検出したＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ３、第３の基本センサＳ３が検出したＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ３に基づいて、次のような原理で、この力覚センサに作用した力のα軸方向に作用した力成分Ｆα、β軸方向に作用した力成分Ｆβ、γ軸方向に作用した力成分Ｆγ、α軸まわりに作用したモーメント成分Ｍα、β軸まわりに作用したモーメント成分Ｍβ、γ軸まわりに作用したモーメント成分Ｍγを検出することができる。以下、各成分の検出原理を説明する。
【０１４４】
図１５は、図１２に示す力覚センサの内側構造体２００に対して、α軸正方向の力＋Ｆαが作用したときの各基本センサＳ１〜Ｓ３の検出動作を示す横断面図である。たとえば、台座４００を固定した状態において、外殻構造体３００をα軸正方向に平行移動させるような力＋Ｆαを加えると、外殻構造体３００と一体となった内側構造体２００に対しても、力＋Ｆαが作用することになる。図１５において、α軸正方向を向いた白矢印は、力＋Ｆαの作用方向を示すものである。
【０１４５】
内側構造体２００に対して、このような外力＋Ｆαが作用すると、各基本センサＳ１〜Ｓ３には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用し、それぞれ所定の態様で弾性変形を生じることになる。そして、このような基本センサの弾性変形により、内側構造体２００はα軸正方向に変位する。換言すれば、内側構造体２００をα軸正方向に変位させると、各基本センサＳ１〜Ｓ３には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用することなる。
【０１４６】
具体的には、内側構造体２００に対してα軸正方向の力＋Ｆαが作用すると、第１の基本センサＳ１には、図の下面（内側構造体２００に接触した面）をα軸正方向に移動させる力が作用するため、原点Ｏ１に関しては、図示のとおり、Ｙ軸負まわりのモーメント成分−Ｍｙ１（図において、原点Ｏ１の近傍を反時計まわりに回転させる力）が作用する。この場合、力＋Ｆαは、内側構造体２００をα軸正方向に平行移動させる力であるから、原点Ｏ１に関して作用するＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ１は零である。
【０１４７】
一方、第２の基本センサＳ２には、図の右上面（内側構造体２００に接触した面）をα軸正方向に移動させる力が作用するため、原点Ｏ２に関しては、図示のとおり、Ｙ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｙ２（図において、原点Ｏ２の近傍を時計まわりに回転させる力）が作用する。この場合も、原点Ｏ２に関して作用するＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ２は零である。
【０１４８】
同様に、第３の基本センサＳ３には、図の左上面（内側構造体２００に接触した面）をα軸正方向に移動させる力が作用するため、原点Ｏ３に関しては、図示のとおり、Ｙ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｙ３（図において、原点Ｏ３の近傍を時計まわりに回転させる力）が作用する。この場合も、原点Ｏ３に関して作用するＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ３は零である。
【０１４９】
このように、α軸正方向の力＋Ｆαが作用したとき、各基本センサＳ１〜Ｓ３からは、いずれもＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの値を示す検出値が得られる（Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘの値を示す検出値は零である）。ただ、図に示す各基本センサＳ１〜Ｓ３の配置を見ればわかるとおり、検出感度は、基本センサごとに若干異なっている。
【０１５０】
すなわち、各基本センサＳ１〜Ｓ３に対して、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの発生に寄与する力は、内側構造体２００に加えられた外力＋Ｆαのうち、内側構造体２００の側面方向成分ということになり、各側面とα軸とのなす角をφとすれば、「Ｆα×cosφ」なる成分のみがモーメントＭｙの発生に寄与する力ということになる。ここで、第１の基本センサＳ１の場合、φ＝０°であるから、Ｆα×cosφ＝Ｆαとなるが、第２および第３の基本センサＳ２，Ｓ３の場合、φ＝６０°であるから、Ｆα×cosφ＝１／２・Ｆαになる。
【０１５１】
別言すれば、内側構造体２００に対して、同じ大きさの外力＋Ｆαが加えられたとしても、基本センサＳ１から出力されるＹ軸まわりのモーメントＭｙの絶対値を１とすると、基本センサＳ２，Ｓ３から出力されるＹ軸まわりのモーメントＭｙの絶対値は１／２になる。結局、内側構造体２００に対して、α軸正方向の外力＋Ｆαが作用した場合、各基本センサＳ１〜Ｓ３から出力されるＸ軸まわりのモーメントＭｘ１〜Ｍｘ３およびＹ軸まわりのモーメントＭｙ１〜Ｍｙ３の検出値は、その符号を考慮してまとめると、図１５の下段に示す表のようになる。
【０１５２】
なお、説明の便宜上、断面図の白矢印には、回転方向を示す符号＋もしくは−を付して、「−Ｍｙ１」，「＋Ｍｙ２」，「＋Ｍｙ３」のように記載しているが、図の下段の表における検出値「Ｍｘ１」，「Ｍｙ１」，......は、符号を含んだ変数値（すなわち、正もしくは負の値）を示している。後述する図１６〜図２０についても同様である。
【０１５３】
図１５の表に示すとおり、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ１〜Ｍｘ３の検出値は、いずれも零になり、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ１〜Ｍｙ３の各検出値は、Ｍｙ１＝−１、Ｍｙ２＝＋１／２、Ｍｙ３＝＋１／２になる。ここで、各検出値の符号は、各基本センサに作用したモーメントの回転方向（各座標軸の正方向に右ネジを進める回転方向を正とする）を示しており、各検出値の絶対値は、内側構造体２００に作用した外力のうち、各基本センサにモーメントとして寄与する有効成分の割合を示している。具体的には、上述したとおり、各基本センサの最大感度方向（Ｍｘを検出する際にはＹ軸方向、Ｍｙを検出する際にはＸ軸方向）と作用した外力の方向とのなす角をφとすれば、各検出値の絶対値は、cosφで与えられることになる。
【０１５４】
各基本センサＳ１〜Ｓ３を、モーメントＭｘ，Ｍｙの値を線形検出値として出力できるように調整しておけば、図１５の下段に示す表の値も、線形出力値として得られることになる。たとえば、単位外力＋Ｆαが加えられたときに、図示のように、Ｍｙ１＝−１、Ｍｙ２＝＋１／２、Ｍｙ３＝＋１／２なる検出値が得られたとすれば、その２倍の外力＋２Ｆαが加えられたときには、Ｍｙ１＝−２、Ｍｙ２＝＋１、Ｍｙ３＝＋１なる検出値が得られることになる。また、逆方向（α軸負方向）を向いた単位外力−Ｆαが加えられたときには、各検出値の符号は逆転し、Ｍｙ１＝＋１、Ｍｙ２＝−１／２、Ｍｙ３＝−１／２なる検出値が得られることになる。
【０１５５】
図１６は、図１２に示す力覚センサの内側構造体２００に対して、β軸正方向の力＋Ｆβが作用したときの各基本センサＳ１〜Ｓ３の検出動作を示す横断面図である。このような外力＋Ｆβが作用すると、各基本センサＳ１〜Ｓ３には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用する。
【０１５６】
具体的には、第１の基本センサＳ１には、原点Ｏ１に対してＺ軸方向の力が作用するものの、モーメントは作用しないので、モーメント成分は、Ｍｘ１＝０，Ｍｙ１＝０になる。一方、第２の基本センサＳ２には、図の右上面（内側構造体２００に接触した面）をβ軸正方向に移動させる力が作用するため、原点Ｏ２に関しては、図示のとおり、Ｙ軸負まわりのモーメント成分−Ｍｙ２（図において、原点Ｏ２の近傍を反時計まわりに回転させる力）が作用するが、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ２は零である。同様に、第３の基本センサＳ３には、図の左上面（内側構造体２００に接触した面）をβ軸正方向に移動させる力が作用するため、原点Ｏ３に関しては、図示のとおり、Ｙ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｙ３（図において、原点Ｏ３の近傍を時計まわりに回転させる力）が作用するが、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ３は零である。
【０１５７】
ここでも、各基本センサの最大感度方向と作用した外力の方向とのなす角をφとすれば、基本センサＳ２，Ｓ３についてはφ＝３０°になるので、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos３０°＝√３／２になる。したがって、内側構造体２００に対して、β軸正方向の外力＋Ｆβが作用した場合、各基本センサＳ１〜Ｓ３から出力されるＸ軸まわりのモーメントＭｘ１〜Ｍｘ３およびＹ軸まわりのモーメントＭｙ１〜Ｍｙ３の検出値は、図１６の下段に示す表のようになる。
【０１５８】
図１７は、図１２に示す力覚センサの内側構造体２００に対して、γ軸正方向の力＋Ｆγ（紙面垂直上方に向かう力）が作用したときの各基本センサＳ１〜Ｓ３の検出動作を示す横断面図である。このような外力＋Ｆγが作用すると、各基本センサＳ１〜Ｓ３には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用する。
【０１５９】
具体的には、第１の基本センサＳ１には、図の下面（内側構造体２００に接触した面）をγ軸正方向に移動させる力が作用するため、原点Ｏ１に関しては、図示のとおり、Ｘ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｘ１（図において、原点Ｏ１の近傍を矢印の進行方向を向いて時計まわりに回転させる力）が作用するが、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ１は零である。
【０１６０】
同様に、第２の基本センサＳ２には、図の右上面（内側構造体２００に接触した面）をγ軸正方向に移動させる力が作用するため、原点Ｏ２に関しては、図示のとおり、Ｘ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｘ２（図において、原点Ｏ２の近傍を矢印の進行方向を向いて時計まわりに回転させる力）が作用するが、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ２は零である。全く同様に、第３の基本センサＳ３には、図の左上面（内側構造体２００に接触した面）をγ軸正方向に移動させる力が作用するため、原点Ｏ３に関しては、図示のとおり、Ｘ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｘ３（図において、原点Ｏ３の近傍を矢印の進行方向を向いて時計まわりに回転させる力）が作用するが、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ３は零である。
【０１６１】
ここでも、各基本センサの最大感度方向と作用した外力の方向とのなす角をφとすれば、いずれの基本センサＳ１〜Ｓ３についてもφ＝０°になるので、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos０°＝１になる。したがって、内側構造体２００に対して、γ軸正方向の外力＋Ｆγが作用した場合、各基本センサＳ１〜Ｓ３から出力されるＸ軸まわりのモーメントＭｘ１〜Ｍｘ３およびＹ軸まわりのモーメントＭｙ１〜Ｍｙ３の検出値は、図１７の下段に示す表のようになる。
【０１６２】
図１８は、図１２に示す力覚センサの内側構造体２００に対して、α軸正まわりのモーメント＋Ｍαが作用したときの各基本センサＳ１〜Ｓ３の検出動作を示す横断面図である。このようなモーメント＋Ｍαが作用すると、各基本センサＳ１〜Ｓ３には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用する。
【０１６３】
具体的には、第１の基本センサＳ１には、図の下面（内側構造体２００に接触した面）をγ軸正方向（紙面垂直上方）に移動させる力が作用するため、原点Ｏ１に関しては、図示のとおり、Ｘ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｘ１（図において、原点Ｏ１の近傍を矢印の進行方向を向いて時計まわりに回転させる力）が作用するが、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ１は零である。
【０１６４】
一方、第２の基本センサＳ２には、図の右上面（内側構造体２００に接触した面）をγ軸負方向（紙面垂直下方）に移動させる力が作用するため、原点Ｏ２に関しては、図示のとおり、Ｘ軸負まわりのモーメント成分−Ｍｘ２（図において、原点Ｏ２の近傍を矢印の進行方向を向いて反時計まわりに回転させる力）が作用するが、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ２は零である。同様に、第３の基本センサＳ３には、図の左上面（内側構造体２００に接触した面）をγ軸負方向（紙面垂直下方）に移動させる力が作用するため、原点Ｏ３に関しては、図示のとおり、Ｘ軸負まわりのモーメント成分−Ｍｘ３（図において、原点Ｏ３の近傍を矢印の進行方向を向いて反時計まわりに回転させる力）が作用するが、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ３は零である。
【０１６５】
ここでも、各基本センサの最大感度方向と作用した外力の方向とのなす角をφとすれば、基本センサＳ１についてはφ＝０°であるため、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos０°＝１になるが、基本センサＳ２，Ｓ３についてはφ＝６０°になるので、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos６０°＝１／２になる。したがって、内側構造体２００に対して、α軸正まわりのモーメント＋Ｍαが作用した場合、各基本センサＳ１〜Ｓ３から出力されるＸ軸まわりのモーメントＭｘ１〜Ｍｘ３およびＹ軸まわりのモーメントＭｙ１〜Ｍｙ３の検出値は、図１８の下段に示す表のようになる。
【０１６６】
図１９は、図１２に示す力覚センサの内側構造体２００に対して、β軸正まわりのモーメント＋Ｍβが作用したときの各基本センサＳ１〜Ｓ３の検出動作を示す横断面図である。このようなモーメント＋Ｍβが作用すると、各基本センサＳ１〜Ｓ３には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用する。
【０１６７】
具体的には、第１の基本センサＳ１には、図の下面（内側構造体２００に接触した面）をβ軸まわりに回転させるモーメント、すなわち、Ｚ軸まわりのモーメントが作用することになるが、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ１とＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ１は零である。
【０１６８】
一方、第２の基本センサＳ２には、図の右上面（内側構造体２００に接触した面）をγ軸正方向（紙面垂直上方）に移動させる力が作用するため、原点Ｏ２に関しては、図示のとおり、Ｘ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｘ２（図において、原点Ｏ２の近傍を矢印の進行方向を向いて時計まわりに回転させる力）が作用するが、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ２は零である。同様に、第３の基本センサＳ３には、図の左上面（内側構造体２００に接触した面）をγ軸負方向（紙面垂直下方）に移動させる力が作用するため、原点Ｏ３に関しては、図示のとおり、Ｘ軸負まわりのモーメント成分−Ｍｘ３（図において、原点Ｏ３の近傍を矢印の進行方向を向いて反時計まわりに回転させる力）が作用するが、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ３は零である。
【０１６９】
ここでも、各基本センサの最大感度方向と作用した外力の方向とのなす角をφとすれば、基本センサＳ１についてはφ＝０°であるため、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos０°＝１になるが、基本センサＳ２，Ｓ３についてはφ＝３０°になるので、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos３０°＝√３／２になる。したがって、内側構造体２００に対して、β軸正まわりのモーメント＋Ｍβが作用した場合、各基本センサＳ１〜Ｓ３から出力されるＸ軸まわりのモーメントＭｘ１〜Ｍｘ３およびＹ軸まわりのモーメントＭｙ１〜Ｍｙ３の検出値は、図１９の下段に示す表のようになる。
【０１７０】
なお、図１に示す基本センサＳは、その構造上、Ｚ軸まわりのモーメント成分Ｍｚが作用したときに、必ずしも十分な変形を生じる可撓性を有していない。したがって、図１９において、力覚センサの内側構造体２００に対して、β軸正まわりのモーメント＋Ｍβが作用したときに、第１の基本センサＳ１が、第２および第３の基本センサＳ２，Ｓ３に生じる変形を抑制する作用を生じさせる可能性がある。後述する§８．２では、この点を改善するための変形例を例示する。
【０１７１】
図２０は、図１２に示す力覚センサの内側構造体２００に対して、γ軸正まわりのモーメント＋Ｍγが作用したときの各基本センサＳ１〜Ｓ３の検出動作を示す横断面図である。このようなモーメント＋Ｍγが作用すると、図において、内側構造体２００を反時計まわりに回転させる力が加わることになり、各基本センサＳ１〜Ｓ３には、図に白矢印で示す回転方向を向いたモーメントが作用する。
【０１７２】
具体的には、第１の基本センサＳ１には、図の下面（内側構造体２００に接触した面）をα軸負方向に移動させる力が作用するため、原点Ｏ１に関しては、図示のとおり、Ｙ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｙ１（図において、原点Ｏ１の近傍を時計まわりに回転させる力）が作用する。このとき、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ１は零である。全く同様に、第２の基本センサＳ２については、原点Ｏ２の近傍を時計まわりに回転させる力、すなわち、Ｙ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｙ２が作用するが、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ２は零である。また、第３の基本センサＳ３については、原点Ｏ３の近傍を時計まわりに回転させる力、すなわち、Ｙ軸正まわりのモーメント成分＋Ｍｙ３が作用するが、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ３は零である。
【０１７３】
ここで、各基本センサの最大感度方向と作用した外力の方向とのなす角φを考慮すると、いずれの基本センサについても、φ＝０°となるため、モーメント発生に寄与する有効成分の割合は、cos０°＝１になる。したがって、内側構造体２００に対して、γ軸正まわりのモーメント＋Ｍγが作用した場合、各基本センサＳ１〜Ｓ３から出力されるＸ軸まわりのモーメントＭｘ１〜Ｍｘ３およびＹ軸まわりのモーメントＭｙ１〜Ｍｙ３の検出値は、図２０の下段に示す表のようになる。
【０１７４】
以上、図１２および図１３に示す力覚センサについて、台座４００を固定した状態において、内側構造体２００に対して、外力の６軸成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγ，Ｍα，Ｍβ，Ｍγを作用させた場合に、各基本センサＳ１〜Ｓ３からどのような出力（モーメントＭｘおよびＭｙの検出値）が得られるかを説明した。図２１は、これらの結果をまとめたテーブルである。
【０１７５】
このテーブルには、外力の６軸成分として、それぞれ正の力成分＋Ｆα，＋Ｆβ，＋Ｆγ、および正のモーメント成分＋Ｍα，＋Ｍβ，＋Ｍγを作用させた結果が示されているが、負の成分−Ｆα，−Ｆβ，−Ｆγ，−Ｍα，−Ｍβ，−Ｍγを作用させた場合は、テーブル内の各検出値の符号を逆転させた結果が得られることになる。また、このテーブル内の各検出値の絶対値は、上述したとおり、基本センサの最大感度方向と作用した外力の方向とが一致した場合（φ＝０°の場合）を基準値１としたものであり、各基本センサＳ１〜Ｓ３の検出感度を示す相対的な値になる。
【０１７６】
この図２１のテーブルに示す結果を考慮すると、図２２に示すような演算式に基づいて、６軸成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγ，Ｍα，Ｍβ，Ｍγが得られることがわかる（詳細は後述する具体的な数値を代入した例を参照）。これらの演算式は、６つの検出値Ｍｘ１，Ｍｙ１，Ｍｘ２，Ｍｙ２，Ｍｘ３，Ｍｙ３に、図２１のテーブルに示す各検出値を係数として乗じて加算する式になっている。たとえば、α軸方向の力成分Ｆαを算出するための演算式は
Ｆα＝Ｋ１１（−Ｍｙ１＋１／２・Ｍｙ２＋１／２・Ｍｙ３）
となっているが、これは、６つの検出値Ｍｘ１，Ｍｙ１，Ｍｘ２，Ｍｙ２，Ｍｘ３，Ｍｙ３に、それぞれ図２１のテーブルの第１行目に示されている検出値「０」，「−１」，「０」，「＋１／２」，「０」，「＋１／２」を係数として乗じて加算した式になっている。なお、右辺最初の係数Ｋ１１は、最終的なＦαの値のスケーリングを行うためのファクタである。
【０１７７】
結局、この力覚センサの場合、３組の基本センサＳ１〜Ｓ３から得られた６組のモーメント検出値Ｍｘ１，Ｍｙ１，Ｍｘ２，Ｍｙ２，Ｍｘ３，Ｍｙ３に基づいて、
Ｆα＝Ｋ１１（−Ｍｙ１＋１／２・Ｍｙ２＋１／２・Ｍｙ３）
Ｆβ＝Ｋ１２（−√３／２・Ｍｙ２＋√３／２・Ｍｙ３）
Ｆγ＝Ｋ１３（Ｍｘ１＋Ｍｘ２＋Ｍｘ３）
Ｍα＝Ｋ１４（Ｍｘ１−１／２・Ｍｘ２−１／２・Ｍｘ３）
Ｍβ＝Ｋ１５（√３／２・Ｍｘ２−√３／２・Ｍｘ３）
Ｍγ＝Ｋ１６（Ｍｙ１＋Ｍｙ２＋Ｍｙ３）
なる演算を行うことにより、α軸方向に作用した力成分Ｆα、β軸方向に作用した力成分Ｆβ、γ軸方向に作用した力成分Ｆγ、α軸まわりに作用したモーメント成分Ｍα、β軸まわりに作用したモーメント成分Ｍβ、γ軸まわりに作用したモーメント成分Ｍγの６軸成分を検出することができる。
【０１７８】
回路基板５００上には、このような演算を行うための演算回路を組み込んでおけばよい。なお、上記式におけるＫ１１，Ｋ１２，Ｋ１３，Ｋ１４，Ｋ１５，Ｋ１６は、それぞれ適切なスケーリングを行うためのファクタであり、実用上は、力覚センサの試作品を用いた較正プロセスにおいて、正しい単位系での最終出力が得られるように、各係数値の値を定めるようにすればよい。
【０１７９】
ここで重要な点は、上記演算式により６軸成分を求めると、他軸成分の干渉を受けることなく、各成分の検出値を独立して得ることができる点である。以下、この点を、図２２に示す各演算式の変数に、具体的な検出値を代入することによって示そう。
【０１８０】
まず、力成分Ｆαについての演算式について考えてみよう。いま、内側構造体２００に外力＋Ｆαが作用したとすると、図２１のテーブルの第１行目に示すような検出値（Ｍｘ１＝０，Ｍｙ１＝−１，Ｍｘ２＝０，Ｍｙ２＝＋１／２，Ｍｘ３＝０，Ｍｙ３＝＋１／２）が得られることになる。そこで、図２２の第１行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆα＝Ｋ１１（−（−１）＋１／２（＋１／２）＋１／２（＋１／２））＝Ｋ１１（３／２）なる演算結果が得られる。すなわち、力成分Ｆαの検出値として、Ｋ１１（３／２）なる値が出力されることになる。係数Ｋ１１を適切な値に設定しておけば、この検出値は力成分Ｆαについての正しい値を示すことになる。
【０１８１】
このとき、他の５軸成分が同時に作用していたとしても、上記演算式を用いた演算を行えば、他軸成分が、力成分Ｆαの検出値として誤検出されることはない。たとえば、力成分＋Ｆβが作用していたとすると、図２１のテーブルの第２行目に示すように、Ｍｙ１＝０，Ｍｙ２＝−√３／２，Ｍｙ３＝＋√３／２が検出値として得られるが、図２２の第１行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆα＝Ｋ１１（０＋１／２（−√３／２）＋１／２（＋√３／２））＝０になり、力成分Ｆαの検出値として出力されることはない。また、力成分＋Ｆγが作用していたとすると、図２１のテーブルの第３行目に示すように、Ｍｙ１＝０，Ｍｙ２＝０，Ｍｙ３＝０が検出値として得られるので、図２２の第１行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆα＝Ｋ１１（０＋０＋０）＝０になり、やはり力成分Ｆαの検出値として出力されることはない。
【０１８２】
モーメント成分Ｍα，Ｍβ，Ｍγについても同様である。たとえば、モーメント成分＋Ｍαや＋Ｍβが作用していたとすると、図２１のテーブルの第４行目および第５行目に示すように、Ｍｙ１＝０，Ｍｙ２＝０，Ｍｙ３＝０が検出値として得られるので、図２２の第１行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆα＝Ｋ１１（０＋０＋０）＝０になり、やはり力成分Ｆαの検出値として出力されることはない。また、モーメント成分＋Ｍγが作用していたとすると、図２１のテーブルの第６行目に示すように、Ｍｙ１＝＋１，Ｍｙ２＝＋１，Ｍｙ３＝＋１が検出値として得られるので、図２２の第１行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆα＝Ｋ１１（−（＋１）＋１／２（＋１）＋１／２（＋１））＝０になり、力成分Ｆαの検出値として出力されることはない。結局、図２２の第１行目の式による演算結果は、力成分Ｆαの検出値のみを示すものになり、他軸成分の干渉を受けることはない。
【０１８３】
次に、力成分Ｆβについての演算式について考えてみる。内側構造体２００に外力＋Ｆβが作用したとすると、図２１のテーブルの第２行目に示すような検出値（Ｍｘ１＝０，Ｍｙ１＝０，Ｍｘ２＝０，Ｍｙ２＝−√３／２，Ｍｘ３＝０，Ｍｙ３＝＋√３／２）が得られることになる。そこで、図２２の第２行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆβ＝Ｋ１２（−√３／２（−√３／２）＋√３／２（＋√３／２））＝Ｋ１２（３／２）なる演算結果が得られる。すなわち、力成分Ｆβの検出値として、Ｋ１２（３／２）なる値が出力されることになる。係数Ｋ１２を適切な値に設定しておけば、この検出値は力成分Ｆβについての正しい値を示すことになる。
【０１８４】
このとき、他の５軸成分が同時に作用していたとしても、誤検出されることはない。たとえば、力成分＋Ｆαが作用していたとすると、図２１のテーブルの第１行目に示すように、Ｍｙ２＝＋１／２，Ｍｙ３＝＋１／２が検出値として得られるが、図２２の第２行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆβ＝Ｋ１２（−√３／２（＋１／２）＋√３／２（＋１／２））＝０になり、力成分Ｆβの検出値として出力されることはない。また、力成分＋Ｆγが作用していたとすると、図２１のテーブルの第３行目に示すように、Ｍｙ２＝０，Ｍｙ３＝０が検出値として得られるので、図２２の第２行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆβ＝Ｋ１２（０＋０）＝０になり、やはり力成分Ｆβの検出値として出力されることはない。
【０１８５】
モーメント成分Ｍα，Ｍβ，Ｍγについても同様である。たとえば、モーメント成分＋Ｍαや＋Ｍβが作用していたとすると、図２１のテーブルの第４行目および第５行目に示すように、Ｍｙ２＝０，Ｍｙ３＝０が検出値として得られるので、図２２の第２行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆβ＝Ｋ１２（０＋０）＝０になる。また、モーメント成分＋Ｍγが作用していたとすると、図２１のテーブルの第６行目に示すように、Ｍｙ２＝＋１，Ｍｙ３＝＋１が検出値として得られるので、図２２の第２行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆβ＝Ｋ１２（−√３／２（＋１）＋√３／２（＋１））＝０になり、力成分Ｆβの検出値として出力されることはない。結局、図２２の第２行目の式による演算結果は、力成分Ｆβの検出値のみを示すものになり、他軸成分の干渉を受けることはない。
【０１８６】
同様に、力成分Ｆγについての演算式について考えてみる。内側構造体２００に外力＋Ｆγが作用したとすると、図２１のテーブルの第３行目に示すような検出値（Ｍｘ１＝＋１，Ｍｙ１＝０，Ｍｘ２＝＋１，Ｍｙ２＝０，Ｍｘ３＝＋１，Ｍｙ３＝０）が得られることになる。そこで、図２２の第３行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆγ＝Ｋ１３（（＋１）＋（＋１）＋（＋１））＝Ｋ１３×３なる演算結果が得られる。すなわち、力成分Ｆγの検出値として、Ｋ１３×３なる値が出力されることになる。係数Ｋ１３を適切な値に設定しておけば、この検出値は力成分Ｆγについての正しい値を示すことになる。
【０１８７】
このとき、他の５軸成分が同時に作用していたとしても、誤検出されることはない。たとえば、力成分＋Ｆαや＋Ｆβが作用していたとすると、図２１のテーブルの第１行目および第２行目に示すように、Ｍｘ１＝０，Ｍｘ２＝０，Ｍｘ３＝０が検出値として得られるので、図２２の第３行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆγ＝Ｋ１３（０＋０＋０）＝０になり、力成分Ｆγの検出値として出力されることはない。
【０１８８】
モーメント成分Ｍα，Ｍβ，Ｍγについても同様である。たとえば、モーメント成分＋Ｍαが作用していたとすると、図２１のテーブルの第４行目に示すように、Ｍｘ１＝＋１，Ｍｘ２＝−１／２，Ｍｘ３＝−１／２が検出値として得られるので、図２２の第３行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆγ＝Ｋ１３（（＋１）＋（−１／２）＋（−１／２））＝０になり、力成分Ｆγの検出値として出力されることはない。同様に、モーメント成分＋Ｍβが作用していたとすると、図２１のテーブルの第５行目に示すように、Ｍｘ１＝０，Ｍｘ２＝＋√３／２，Ｍｘ３＝−√３／２が検出値として得られるので、図２２の第３行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆγ＝Ｋ１３（（０）＋（＋√３／２）＋（−√３／２））＝０になり、力成分Ｆγの検出値として出力されることはない。
【０１８９】
また、モーメント成分＋Ｍγが作用していたとすると、図２１のテーブルの第６行目に示すように、Ｍｘ１＝０，Ｍｘ２＝０，Ｍｘ３＝０が検出値として得られるので、図２２の第３行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｆγ＝Ｋ１３（０＋０＋０）＝０になり、力成分Ｆγの検出値として出力されることはない。結局、図２２の第３行目の式による演算結果は、力成分Ｆγの検出値のみを示すものになり、他軸成分の干渉を受けることはない。
【０１９０】
続いて、モーメント成分Ｍαについての演算式について考えてみる。内側構造体２００にモーメント＋Ｍαが作用したとすると、図２１のテーブルの第４行目に示すような検出値（Ｍｘ１＝＋１，Ｍｙ１＝０，Ｍｘ２＝−１／２，Ｍｙ２＝０，Ｍｘ３＝−１／２，Ｍｙ３＝０）が得られることになる。そこで、図２２の第４行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍα＝Ｋ１４（（＋１）−１／２（−１／２）−１／２（−１／２））＝Ｋ１４（３／２）なる演算結果が得られる。すなわち、モーメント成分Ｍαの検出値として、Ｋ１４（３／２）なる値が出力されることになる。係数Ｋ１４を適切な値に設定しておけば、この検出値はモーメント成分Ｍαについての正しい値を示すことになる。
【０１９１】
このとき、他の５軸成分が同時に作用していたとしても、誤検出されることはない。たとえば、力成分＋Ｆαや＋Ｆβが作用していたとすると、図２１のテーブルの第１行目および第２行目に示すように、Ｍｘ１＝０，Ｍｘ２＝０，Ｍｘ３＝０が検出値として得られるので、図２２の第４行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍα＝Ｋ１４（０＋０＋０）＝０になり、モーメント成分Ｍαの検出値として出力されることはない。また、力成分＋Ｆγが作用していたとすると、図２１のテーブルの第３行目に示すように、Ｍｘ１＝＋１，Ｍｘ２＝＋１，Ｍｘ３＝＋１が検出値として得られるので、図２２の第４行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍα＝Ｋ１４（（＋１）−１／２（＋１）−１／２（＋１））＝Ｋ１４（０）＝０になり、モーメント成分Ｍαの検出値として出力されることはない。
【０１９２】
モーメント成分Ｍβ，Ｍγについても同様である。たとえば、モーメント成分＋Ｍβが作用していたとすると、図２１のテーブルの第５行目に示すように、Ｍｘ１＝０，Ｍｘ２＝＋√３／２，Ｍｘ３＝−√３／２が検出値として得られるので、図２２の第４行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍα＝Ｋ１４（（０）−１／２（＋√３／２）−１／２（−√３／２））＝Ｋ１４（０）＝０になり、モーメント成分Ｍαの検出値として出力されることはない。
【０１９３】
また、モーメント成分＋Ｍγが作用していたとすると、図２１のテーブルの第６行目に示すように、Ｍｘ１＝０，Ｍｘ２＝０，Ｍｘ３＝０が検出値として得られるので、図２２の第４行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍα＝＝Ｋ１４（（０）−１／２（０）−１／２（０））＝０になり、モーメント成分Ｍαの検出値として出力されることはない。結局、図２２の第４行目の式による演算結果は、モーメント成分Ｍαの検出値のみを示すものになり、他軸成分の干渉を受けることはない。
【０１９４】
次に、モーメント成分Ｍβについての演算式について考えてみる。内側構造体２００にモーメント＋Ｍβが作用したとすると、図２１のテーブルの第５行目に示すような検出値（Ｍｘ１＝０，Ｍｙ１＝０，Ｍｘ２＝＋√３／２，Ｍｙ２＝０，Ｍｘ３＝−√３／２，Ｍｙ３＝０）が得られることになる。そこで、図２２の第５行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍβ＝Ｋ１５（√３／２（＋√３／２）−√３／２（−√３／２））＝Ｋ１５（３／２）なる演算結果が得られる。すなわち、モーメント成分Ｍβの検出値として、Ｋ１５（３／２）なる値が出力されることになる。係数Ｋ１５を適切な値に設定しておけば、この検出値はモーメント成分Ｍβについての正しい値を示すことになる。
【０１９５】
このとき、他の５軸成分が同時に作用していたとしても、誤検出されることはない。たとえば、力成分＋Ｆαや＋Ｆβが作用していたとすると、図２１のテーブルの第１行目および第２行目に示すように、Ｍｘ２＝０，Ｍｘ３＝０が検出値として得られるので、図２２の第５行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍβ＝Ｋ１５（０＋０）＝０になり、モーメント成分Ｍβの検出値として出力されることはない。また、力成分＋Ｆγが作用していたとすると、図２１のテーブルの第３行目に示すように、Ｍｘ２＝＋１，Ｍｘ３＝＋１が検出値として得られるので、図２２の第５行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍβ＝Ｋ１５（√３／２（＋１）−√３／２（＋１））＝Ｋ１５（０）＝０になり、モーメント成分Ｍβの検出値として出力されることはない。
【０１９６】
モーメント成分Ｍα，Ｍγについても同様である。たとえば、モーメント成分＋Ｍαが作用していたとすると、図２１のテーブルの第４行目に示すように、Ｍｘ２＝−１／２，Ｍｘ３＝−１／２が検出値として得られるので、図２２の第５行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍβ＝Ｋ１５（√３／２（−１／２）−√３／２（−１／２））＝Ｋ１５（０）＝０になり、モーメント成分Ｍβの検出値として出力されることはない。
【０１９７】
また、モーメント成分＋Ｍγが作用していたとすると、図２１のテーブルの第６行目に示すように、Ｍｘ２＝０，Ｍｘ３＝０が検出値として得られるので、図２２の第４行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍβ＝Ｋ１５（√３／２（０）−√３／２（０））＝Ｋ１５（０）＝０になり、モーメント成分Ｍβの検出値として出力されることはない。結局、図２２の第５行目の式による演算結果は、モーメント成分Ｍβの検出値のみを示すものになり、他軸成分の干渉を受けることはない。
【０１９８】
最後に、モーメント成分Ｍγについての演算式について考えてみる。内側構造体２００にモーメント＋Ｍγが作用したとすると、図２１のテーブルの第６行目に示すような検出値（Ｍｘ１＝０，Ｍｙ１＝＋１，Ｍｘ２＝０，Ｍｙ２＝＋１，Ｍｘ３＝０，Ｍｙ３＝＋１）が得られることになる。そこで、図２２の第６行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍγ＝Ｋ１６（（＋１）＋（＋１）＋（＋１））＝Ｋ１６×３なる演算結果が得られる。すなわち、モーメント成分Ｍγの検出値として、Ｋ１６×３なる値が出力されることになる。係数Ｋ１６を適切な値に設定しておけば、この検出値はモーメント成分Ｍγについての正しい値を示すことになる。
【０１９９】
このとき、他の５軸成分が同時に作用していたとしても、誤検出されることはない。たとえば、力成分＋Ｆαが作用していたとすると、図２１のテーブルの第１行目に示すように、Ｍｙ１＝−１，Ｍｙ２＝＋１／２，Ｍｙ３＝＋１／２が検出値として得られるので、図２２の第６行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍγ＝Ｋ１６（（−１）＋（＋１／２）＋（＋１／２））＝０になり、モーメント成分Ｍγの検出値として出力されることはない。
【０２００】
また、力成分＋Ｆβが作用していたとすると、図２１のテーブルの第２行目に示すように、Ｍｙ１＝０，Ｍｙ２＝−√３／２，Ｍｙ３＝＋√３／２が検出値として得られるので、図２２の第６行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍγ＝Ｋ１６（（０）＋（−√３／２）＋（＋√３／２））＝０になり、モーメント成分Ｍγの検出値として出力されることはない。一方、力成分＋Ｆγが作用していたとすると、図２１のテーブルの第３行目に示すように、Ｍｙ１＝０，Ｍｙ２＝０，Ｍｙ３＝０が検出値として得られるので、図２２の第６行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍγ＝Ｋ１６（（０）＋（０）＋（０））＝０になり、モーメント成分Ｍγの検出値として出力されることはない。
【０２０１】
モーメント成分Ｍα，Ｍβについても同様である。モーメント成分＋ＭαやＭβが作用していたとすると、図２１のテーブルの第４行目および第５行目に示すように、Ｍｙ１＝０，Ｍｙ２＝０，Ｍｙ３＝０が検出値として得られるので、図２２の第６行目の式に、これらの検出値を代入すると、Ｍγ＝Ｋ１６（（０）＋（０）＋（０））＝０になり、モーメント成分Ｍγの検出値として出力されることはない。結局、図２２の第６行目の式による演算結果は、モーメント成分Ｍγの検出値のみを示すものになり、他軸成分の干渉を受けることはない。
【０２０２】
このように、本発明の第１の実施形態に係る力覚センサでは、外側構造体１００に内側構造体２００を収容する構成を採り、両者間を３組の基本センサＳ１〜Ｓ３によって接続し、演算手段によって、これら基本センサＳ１〜Ｓ３によって検出したモーメント成分ＭｘおよびＭｙに基づく演算を行うことにより、αβγ座標系に作用した外力の６軸成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγ，Ｍα，Ｍβ，Ｍγを、他軸干渉を受けることなしに検出することが可能になる。基本センサＳ１〜Ｓ３としては、２軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＭｙのみを検出する機能を設けておけばよいので、たとえば、図１に例示したような比較的単純な構造を有するセンサを利用することができる。
【０２０３】
＜＜＜  §５．  第２の実施形態  ＞＞＞
続いて、本発明の第２の実施形態に係る力覚センサについて説明する。図２３は、この第２の実施形態に係る力覚センサの縦断面図である（基本センサＳ３については側面図）。図２３の縦断面図と図１３の縦断面図とを比較するとわかるとおり、第２の実施形態の構造は、上述した第１の実施形態の構造とほとんど同じであるが、外殻構造体３００、連結部材２５０、底板部材１５０が省略されており、代わりに、蓋板部材２７０が設けられている。
【０２０４】
図２３の縦断面図においても、図１３に示す縦断面図と同様に、αβγ三次元直交座標系が定義されており、図示の断面は、第２の実施形態に係る力覚センサをεγ平面で切断した断面に対応する。この第２の実施形態をαβ平面で切断した横断面図は、図１２に示す横断面図から外殻構造体３００を省略したものになる。このように、第１の実施形態と第２の実施形態とは、多くの部分において構成要素を共通にするため、第２の実施形態の各構成要素の符号には、第１の実施形態の対応する構成要素の符号に「Ａ」を付した符号を用いることにする。
【０２０５】
たとえば、図２３に示す外側構造体１００Ａは、図１３に示す外側構造体１００に対応するものであり、両者は、制御溝１１１〜１１３の有無を除いて、全く同じ円筒状の構造を有している。ただ、図１３に示す外側構造体１００の下面には、底板部材１５０が一体構造として連なっているが、図２３に示す力覚センサでは、底板部材１５０に対応する構成要素は省略されている。
【０２０６】
また、図２３に示す内側構造体２００Ａは、図１３に示す内側構造体２００に対応するものであり、両者は、全く同じ三角柱（横断面は正三角形）からなる柱状の構造体である。ただ、図１３に示す内側構造体２００の上面には、連結部材２５０が一体構造として連なっており、更に、外殻構造体３００が一体構造として連なっているが、図２３に示す力覚センサでは、連結部材２５０や外殻構造体３００に対応する構成要素は省略されている。その代わりに、内側構造体２００Ａの上面には、段差をもった円板状の蓋板部材２７０の下面中心部が接合されている。また、蓋板部材２７０の下面周縁部と外側構造体１００Ａの上面との間には、図示のとおり、シリコンゴムからなる充填層２８０が介挿されている。シリコンゴムは柔軟性を有する材料であるため、蓋板部材２７０は外側構造体１００Ａに対して自由に変位することができる。
【０２０７】
図２３に示す台座４００Ａは、図１３に示す台座４００に対応するものである。いずれも内側構造体１００Ａもしくは１００を指示する土台としての機能を果たすが、図１３に示す台座４００の上面には底板部材１５０が接合されているのに対して、図２３に示す台座４００Ａの上面には内側構造体１００Ａの下面が接続されている。また、図１３に示す台座４００の外縁部は、外殻構造体３００の位置まで延びているが、図２３に示す台座４００Ａの外縁部は、内側構造体１００Ａの周囲部の位置で終端している。
【０２０８】
図２３に示す回路基板５００Ａは、図１３に示す回路基板５００に対応するものである。ただ、回路基板５００は、底板部材１５０の上面に固定されていたが、図２３に示す力覚センサでは底板部材が省略されているため、回路基板５００Ａは台座４００Ａの上面に固定されている。別言すれば、図２３に示す力覚センサの場合、台座４００Ａが底板部材としての機能を兼ねていることになる。
【０２０９】
上述したとおり、この図２３に示す力覚センサをαβ平面で切断した横断面図は、図１２に示す横断面図から外殻構造体３００を省略したものとほぼ同じである。したがって、この第２の実施形態に係る力覚センサの検出原理は、上述した第１の実施形態に係る力覚センサの検出原理と全く同じであり、回路基板５００Ａの検出処理機能は、§４で述べた回路基板５００の検出処理機能と全く同じである。
【０２１０】
図１３に示す第１の実施形態と図２３に示す第２の実施形態とを比べると、前者よりも後者の方が装置の構造が単純化され、小型化が図られていることがわかる。用いられている３組の基本センサＳ１〜Ｓ３は、両者で共通しており、外側構造体１００，１００Ａおよび内側構造体２００，２００Ａの基本的な部分のサイズも両者で共通しているため、両者の検出機能や感度は全く同じである。
【０２１１】
また、前者では、内側構造体２００の上部の一部が、外側構造体１００の内部に設けられた収容空間から上方に食み出した構造になっているのに対して、後者では、外側構造体１００Ａの内部に設けられた収容空間内に内側構造体２００Ａの全体が収容された構造となっている。内側構造体は、少なくともその一部が、外側構造体の内部に設けられた収容空間内に収容されていれば、基本センサＳを両者間に配置することができるので、前者のように、その一部分が収容空間から食み出す構造にしてもかまわない。ただ、後者のように、その全体を収容空間内に収容する構造を採れば、装置全体の小型化を図ることができる。
【０２１２】
このように、図２３に示す第２の実施形態は、図１３に示す第１の実施形態に比べて、構造を単純化し、小型化を図ることができるという点においてメリットを有している。台座４００Ａを固定した状態において、内側構造体２００Ａに作用する外力を検出する用途に利用する場合は、検出対象となる外力を蓋板部材２７０に伝達させればよい。ただ、デメリットとしては、内側構造体２００Ａのすべての方向に関する変位を制御する構造を採用することが困難であるため、基本センサＳ１〜Ｓ３に過度の外力が加わらないようにするための変位の制御対策が不十分になる。なお、蓋板部材２７０およびシリコンゴム充填層２８０は、外側構造体１００Ａの内部に塵埃などが入るのを防ぐカバーとしての役割を果たすが、防塵対策が不要な環境で用いる場合には、省略してもかまわない。
【０２１３】
この図２３に示す第２の実施形態に対して、図１３に示す第１の実施形態は、外殻構造体３００や連結部材２５０を設けたため、構造は若干複雑になり、サイズも若干大きくなるが、外側構造体１００の内部空間は連結部材２５０によって覆われているため、内部に塵埃などが入りにくい構造になっている。また、検出対象となる外力は、外殻構造体３００の外周面に作用させてもよいし、連結部材２５０の上面に作用させてもよいので、様々な実環境で利用することができる。
【０２１４】
更に、図１３に示す第１の実施形態の重要なメリットは、各基本センサＳに過度の外力が加わることを防ぐための制御構造を実現できる点である。すなわち、§３で述べたように、外側構造体１００と外殻構造体３００とを、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成し、両者間の間隔を所定値に設定することにより第１の制御構造が実現でき、制御突起３１１，３１２，３１３と制御溝１１１，１１２，１１３との組み合わせにより第２の制御構造が実現できる。
【０２１５】
結局、一般的な用途に利用する場合には、§３，§４で述べた第１の実施形態が好ましいが、より小型のセンサを必要とする特定の用途向けには、第２の実施形態を利用すればよい。
【０２１６】
＜＜＜  §６．  第３の実施形態  ＞＞＞
続いて、本発明の第３の実施形態に係る力覚センサについて説明する。図２４は、この第３の実施形態に係る力覚センサの縦断面図である（基本センサＳ３については側面図）。図２４の縦断面図と図１３の縦断面図とを比較するとわかるとおり、第３の実施形態の構造は、第１の実施形態の構造とほとんど同じであるが、内側構造体および外側構造体の形状が若干異なっており、その結果、３組の基本センサＳ１〜Ｓ３の向きが異なっている。
【０２１７】
この図２４の縦断面図においても、図１３に示す縦断面図と同様に、αβγ三次元直交座標系が定義されており、図示の断面は、第３の実施形態に係る力覚センサをεγ平面で切断した断面に対応する。この第３の実施形態の各構成要素の符号には、第１の実施形態の対応する構成要素の符号に「Ｂ」を付した符号を用いることにする。
【０２１８】
まず、図２４に示す外殻構造体３００Ｂおよび連結部材２５０Ｂは、図１３に示す外殻構造体３００および連結部材２５０と同じものである。また、図２４に示す底板部材１５０Ｂ，台座４００Ｂ，回路基板５００Ｂは、それぞれ図１３に示す底板部材１５０，台座４００，回路基板５００と同じものである（回路基板５００，５００Ｂに形成される検出回路の機能は若干異なる）。但し、外殻構造体３００Ｂには、制御突起３１１〜３１３は設けられておらず、内側構造体１００Ｂ側には、制御溝１１１，１１２，１１３は設けられていない。したがって、この実施例の場合、外側構造体１００Ｂと外殻構造体３００Ｂとの間隔を所定値に設定することにより、制御構造を実現している。
【０２１９】
一方、図１３に示す内側構造体２００と図２４に示す内側構造体２００Ｂとを比べると、両者では形状が大きく異なっていることがわかるであろう。前述したとおり、図１３に示す内側構造体２００は、正三角形の横断面をもつ三角柱によって構成されており、この三角柱の各側面にそれぞれ３組の基本センサＳ１〜Ｓ３が取り付けられている。
【０２２０】
これに対して、図２４に示す内側構造体２００Ｂは、正三角形の横断面をもつ三角錐によって構成されている。すなわち、この内側構造体２００Ｂを、αβ平面に平行な面で切断すると、得られる切断面は正三角形になるが（３つの頂点は、図１２に示す例と同様に、β軸、δ軸、ε軸上に位置する）、切断面の位置を図２４に示すγ軸に沿って上方に移動させてゆくと、断面に得られる正三角形は徐々に小さくなってゆく。
【０２２１】
図２４に示す第３の実施形態の場合、この内側構造体２００Ｂを構成する三角錐の各側面にそれぞれ内側接続点が設けられ、３組の基本センサＳ１〜Ｓ３が、それぞれ各内側接続点と外側構造体１００Ｂの対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有する。そのため、外側構造体１００Ｂの内周面の上方部分は、内側構造体２００Ｂを構成する三角錐の各側面に平行となるような対向面を形成している。各基本センサＳ１〜Ｓ３は、内側構造体２００Ｂを構成する三角錐の各側面と、外側構造体１００Ｂの内周に設けられた各対向面と、の間に接続されることになる。
【０２２２】
図２４には、第３の基本センサＳ３の接続状態が示されている。この第３の基本センサＳ３は、内側構造体２００Ｂを構成する三角錐の側面上に設けられた内側接続点Ｉθ（黒丸で示す）と、外側構造体１００Ｂの内周に設けられた対向面上の外側接続点Ｊθ（白丸で示す）と、を接続する役割を果たしている。ここで、内側接続点Ｉθと外側接続点Ｊθとを通る直線は、第３の基本センサＳ３について定義されたＺ軸に対応し、αβ平面に対して傾斜角θをなす方向を向いている。第１の基本センサＳ１および第２の基本センサＳ２も、同様に三角錐の側面とその対向面との間に取り付けられている。
【０２２３】
結局、この第３の実施形態の場合、各基本センサＳ１〜Ｓ３について定義された各Ｚ軸が、αβ平面に対して傾斜角θをなす方向を向くことになり、その結果、各基本センサＳ１〜Ｓ３について定義された各Ｙ軸は、γ軸に対して傾斜角θをなす方向を向くようになる。別言すれば、この第３の実施形態は、図１３に示す第１の実施形態における各基本センサＳ１〜Ｓ３の向きを、原点Ｑを中心として仰角（傾斜角）θだけγ軸正方向に傾斜させて配置したものと言うことができる。
【０２２４】
このように、第３の実施形態では、各基本センサＳ１〜Ｓ３について定義されるＸＹＺ座標系の向きが、第１の実施形態とは異なるため、各基本センサＳ１〜Ｓ３によって検出されたモーメント成分Ｍｘ１，Ｍｙ１，Ｍｘ２，Ｍｙ２，Ｍｘ３，Ｍｙ３に基づいて、作用した外力のαβγ座標系における各座標軸方向の力成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγおよび各座標軸まわりのモーメント成分Ｍα，Ｍβ，Ｍγを求めるために必要な演算処理は、§４で述べた第１の実施形態の検出動作で説明した演算処理（図２２に示す演算式に基づく演算処理）とは異なったものになる。
【０２２５】
すなわち、６軸成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγ，Ｍα，Ｍβ，Ｍγを、モーメント成分Ｍｘ１，Ｍｙ１，Ｍｘ２，Ｍｙ２，Ｍｘ３，Ｍｙ３に基づいて求める演算式（他軸干渉を排除可能な演算式）は、傾斜角θに関する三角関数を含む式になる。この演算式は、かなり複雑な式になるため、ここでは掲載を省略するが、第１の実施形態と同様の原理により、各基本センサＳ１〜Ｓ３の幾何学的な配置に基づいて求めることができる。したがって、回路基板５００Ｂには、当該演算式に基づいて必要な演算処理を行う演算回路を設けておけばよい。
【０２２６】
このように、ここで述べた第３の実施形態に係る力覚センサでは、各基本センサＳ１〜Ｓ３がαβ平面に対して傾斜角θだけ傾斜した方向に取り付けられているため、各検出値を得るために必要な演算処理は若干複雑になる。しかしながら、各基本センサＳ１〜Ｓ３の配置の自由度が増すため、装置全体の設計自由度を向上させることができる。たとえば、「高さを抑制してできるだけ平らなセンサを設計したい」といった要望や、「高さは増してもよいが、径ができるだけ小さいセンサを設計したい」といった要望など、設計上の様々な要望に応えることが容易になる。
【０２２７】
＜＜＜  §７．  第４の実施形態  ＞＞＞
ここで述べる第４の実施形態は、外側構造体と内側構造体との間に３組の基本センサを接続する、という基本原理に関しては、これまで述べてきた各実施形態と同じであるが、個々の基本センサの構造とその接続方法が大きく異なっている。
【０２２８】
図２５は、この第４の実施形態に係る力覚センサをαβ平面で切断した横断面図、図２６は、εγ平面で切断した縦断面図である（いずれも各基本センサＳ１′〜Ｓ３′の部分については上面図や側面図を示す）。αβγ座標系上におけるδ軸およびε軸の向きは、これまで述べてきた各実施形態の例と全く同様である。この第４の実施形態の各構成要素の符号には、第１の実施形態の対応する構成要素の符号に「Ｃ」を付した符号を用いることにする。
【０２２９】
図２５に示すとおり、この力覚センサの主たる構成要素は、外側構造体１００Ｃ、内側構造体２００Ｃ、３組の基本センサＳ１′〜Ｓ３′である。外側構造体１００Ｃおよび内側構造体２００Ｃは、それぞれ筒状の構造体によって構成されており、外側構造体１００Ｃの内側に、内側構造体２００Ｃが配置されている。特に、ここに示す実施例の場合、外側構造体１００Ｃと内側構造体２００Ｃは、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成されている。
【０２３０】
第１〜第３の実施形態の場合、外側構造体１００，１００Ａ，１００Ｂは筒状の構造体であるが、その内側に配置される内側構造体２００，２００Ａ，２００Ｂは柱状もしくは錐状の構造体であった（もちろん、内部を空洞にして筒状にする変形例も可能）。これに対して、ここに示す第４の実施形態では、内側構造体２００Ｃも筒状の構造体によって構成されている。これは、各基本センサＳ１′〜Ｓ３′が、内側構造体２００Ｃの内周面に設けられた内側接続点Ｉβ，Ｉδ，Ｉε（図では黒丸で示す）と、外側構造体１００Ｃの内周面に設けられた外側接続点Ｊβ，Ｊδ，Ｊε（図では白丸で示す）とを連結する構造を採用するためである。
【０２３１】
図２５に示すとおり、第１の基本センサＳ１′は、β軸に沿って伸びる方向に配置され、第２の基本センサＳ２′は、δ軸に沿って伸びる方向に配置され、第３の基本センサＳ３′は、ε軸に沿って伸びる方向に配置されている。そこで、ここでは説明の便宜上、β軸を第１の基本センサＳ１′に対応する参照線と定義し、δ軸を第２の基本センサＳ２′に対応する参照線と定義し、ε軸を第３の基本センサＳ３′に対応する参照線と定義することにする。
【０２３２】
そうすると、各参照線は、外側構造体１００Ｃの第１の側壁、内側構造体２００Ｃの第１の側壁、内側構造体２００Ｃの第２の側壁、外側構造体１００Ｃの第２の側壁を貫通する直線になり、各参照線が貫通する内側構造体２００Ｃの第１の側壁にはそれぞれ挿通孔が形成されていることになる。
【０２３３】
たとえば、第１の基本センサＳ１′に対応する参照線であるβ軸を図の下方（座標軸βの負方向）から図の上方（座標軸βの正方向）へと順に辿ってゆくと、当該参照線は、外側構造体１００Ｃの第１の側壁（図の下方の壁）、内側構造体２００Ｃの第１の側壁（図の下方の壁）、内側構造体２００Ｃの第２の側壁（図の上方の壁）、外側構造体１００Ｃの第２の側壁（図の上方の壁）を貫通する直線になる。そして、内側構造体２００Ｃの第１の側壁（図の下方の壁）には挿通孔２１１が形成されている。
【０２３４】
同様に、第２の基本センサＳ２′に対応する参照線であるδ軸を図の右上（座標軸δの負方向）から図の左下（座標軸δの正方向）へと順に辿ってゆくと、当該参照線は、外側構造体１００Ｃの第１の側壁（図の右上の壁）、内側構造体２００Ｃの第１の側壁（図の右上の壁）、内側構造体２００Ｃの第２の側壁（図の左下の壁）、外側構造体１００Ｃの第２の側壁（図の左下の壁）を貫通する直線になる。そして、内側構造体２００Ｃの第１の側壁（図の右上の壁）には挿通孔２１２が形成されている。
【０２３５】
また、第３の基本センサＳ３′に対応する参照線であるε軸を図の左上（座標軸εの負方向）から図の右下（座標軸εの正方向）へと順に辿ってゆくと、当該参照線は、外側構造体１００Ｃの第１の側壁（図の左上の壁）、内側構造体２００Ｃの第１の側壁（図の左上の壁）、内側構造体２００Ｃの第２の側壁（図の右下の壁）、外側構造体１００Ｃの第２の側壁（図の右下の壁）を貫通する直線になる。そして、内側構造体２００Ｃの第１の側壁（図の左上の壁）には挿通孔２１３が形成されている。
【０２３６】
ここで述べる第４の実施形態に用いられている３組の基本センサＳ１′〜Ｓ３′は、これまで述べてきた第１〜第３の実施形態に用いられている基本センサＳ１〜Ｓ３（§１，§２で述べたセンサ）とは若干構造が異なっているが、その基本機能は同じである。すなわち、図２５に示す基本センサＳ１′〜Ｓ３′は、起歪体１０に竿状部２１〜２３を取り付けた構造を有する。なお、ここでは、説明の便宜上、各竿状部２１，２２，２３にそれぞれ異なる符号を付して示すが、これら各竿状部は実質的に全く同一の構造体である。起歪体１０は、図１に示す基本センサＳの起歪体１０と同じものであり、竿状部２１，２２，２３は、連結機能を果たすための細長い部材である。
【０２３７】
一方、外側構造体１００Ｃの第１の側壁の参照線との交差部分近傍には、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部が形成されており、各基本センサＳ１′〜Ｓ３′の一端は、このダイアフラム部に接合されている。具体的には、図２５に示す外側構造体１００Ｃの下方内周面には、取付溝１２１が掘られており、肉厚の薄いダイアフラム部１３１が形成されており、第１の基本センサＳ１′の竿状部２１の端部は、このダイアフラム部１３１の内側面に接合されている。同様に、外側構造体１００Ｃの右上内周面には、取付溝１２２が掘られており、肉厚の薄いダイアフラム部１３２が形成されており、第２の基本センサＳ２′の竿状部２２の端部は、このダイアフラム部１３２の内側面に接合されており、外側構造体１００Ｃの左上内周面には、取付溝１２３が掘られており、肉厚の薄いダイアフラム部１３３が形成されており、第３の基本センサＳ３′の竿状部２３の端部は、このダイアフラム部１３３の内側面に接合されている。
【０２３８】
結局、この第４の実施形態の場合、各基本センサＳ１′〜Ｓ３′は、対応する参照線（β軸，δ軸，ε軸）が貫通する外側構造体１００Ｃの第１の側壁の内周面に設けられた外側接続点Ｊβ，Ｊδ，Ｊεと、対応する参照線が貫通する内側構造体２００Ｃの第２の側壁の内周面に設けられた内側接続点Ｉβ，Ｉδ，Ｉεとを、対応する参照線が貫通する内側構造体２００Ｃの第１の側壁に形成された挿通孔２１１，２１２，２１３を通して連結する連結機能を有していることになる。
【０２３９】
また、各基本センサＳ１′，Ｓ２′，Ｓ３′の起歪体１０には、図１(b) に示すように、ダイアフラム部１１が設けられているため、各基本センサＳ１′，Ｓ２′，Ｓ３′は、外側接続点Ｊβ，Ｊδ，Ｊεと内側接続点Ｉβ，Ｉδ，Ｉεとを連結する連結機能に加えて、両接続点の相対位置関係が変化するように弾性変形する変形機能も有していることになる。
【０２４０】
更に、図示の実施例の場合、竿状部２１，２２，２３の端部は、外側構造体１００Ｃに設けられたダイアフラム部１３１，１３２，１３３に接続されている。そのため、各基本センサＳ１′，Ｓ２′，Ｓ３′の弾性変形機能と、ダイアフラム部１３１，１３２，１３３の弾性変形機能とが協働動作することができるようになり、内側構造体２００Ｃを固定した状態において外側構造体１００Ｃに外力が作用した場合、この力覚センサを円滑に変形させることが可能になる。
【０２４１】
もちろん、各基本センサＳ１′〜Ｓ３′は、第１〜第３の実施形態に用いられていた基本センサＳ１〜Ｓ３と同様の検出機能を有している。すなわち、外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線上に原点Ｏを定義し、この連結線上に配置されたＺ軸と、このＺ軸に直交するＸ軸と、Ｚ軸およびＸ軸の双方に直交するＹ軸と、を有するＸＹＺ三次元直交座標系を定義したとき、各基本センサＳ１′〜Ｓ３′は、内側構造体２００Ｃを固定した状態において外側構造体１００Ｃに作用した外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを検出することができる。
【０２４２】
したがって、図１４に示す例と同様に、各基本センサＳ１′〜Ｓ３′について、歪検出基板４０の中心位置に原点Ｏをとり、各座標軸β，δ，εの方向にＺ軸を定義し、紙面垂直方向にＹ軸を定義し、Ｚ軸とＹ軸との双方に直交する方向にＸ軸を定義して、個々の基本センサＳ１′〜Ｓ３′ごとにＸＹＺ座標系を定義すれば、演算手段は、各基本センサＳ１′〜Ｓ３′のそれぞれが検出したＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｘ３およびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｙ３を用いた演算を行うことにより、外側構造体１００Ｃおよび内側構造体２００Ｃについて、一方を固定した状態において他方に作用した外力のαβγ座標系の各座標軸方向の力成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγと各座標軸まわりのモーメント成分Ｍα，Ｍβ，Ｍγとを求めることができる。具体的な演算方法は、§４で述べた演算方法と同様であり、図２２に示す演算式を利用した演算を行うことにより、他軸干渉を排除した検出値を得ることができる。
【０２４３】
この第４の実施形態に係る力覚センサの内部構造は、図２６の縦断面図に詳細に示されている。上述したとおり、外側構造体１００Ｃおよび内側構造体２００Ｃは、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成されている。そして、図示のとおり、外側構造体１００Ｃには、中心軸γが上下方向を向くように配置したときに、その上方開口部を覆う円板状の天板部材１５０Ｃが設けられている。また、内側構造体２００Ｃの下方には、その下方開口部を覆う円板状の底板部材２５０Ｃが取り付けられており、この底板部材２５０Ｃは、台座４００Ｃの上面に固定されている。
【０２４４】
図２６は、図２５に示す力覚センサをεγ平面で切断した縦断面図であり（基本センサＳ３′の部分は側面図）、図の横方向がε軸の方向になる。そして、このε軸（参照軸）に沿って第３の基本センサＳ３′が配置されている。具体的には、外側構造体１００Ｃの左側の側壁（第１の側壁）の内周面には、取付溝１２３が掘られており、肉厚の薄いダイアフラム部１３３が形成されている。そして、第３の基本センサＳ３′を構成する竿状部２３は、このダイアフラム部１３３の内側面に左端部が接合されており、内側構造体２００Ｃの左側の側壁（第１の側壁）に形成された挿通孔２１３を通ってε軸（参照軸）に沿って右方へと伸びている。竿状部２３の右端部には、起歪体１０のダイアフラム部が接続されており、この起歪体１０は、内側構造体２００Ｃの右側の側壁（第２の側壁）の内周面に固着されている。
【０２４５】
こうして、第３の基本センサＳ３′は、図の左方に示す外側接続点Ｊε（ε軸とダイアフラム１３３の内面との交点）と、図の右方に示す内側接続点Ｉε（ε軸と内側構造体２００Ｃの内周面との交点）と、を挿通孔２１３を通して連結する連結機能を果たすことになる。図２６では、図が繁雑になるのを避けるため、第１の基本センサＳ１′および第２の基本センサＳ２′については、竿状部２１および２２をεγ平面で切断した断面部分のみが示されているが、これら基本センサＳ１′，Ｓ２′についての連結形態も全く同様である。
【０２４６】
なお、３組の基本センサＳ１′，Ｓ２′，Ｓ３′を配置する参照線となるβ軸，δ軸，ε軸は、αβγ座標系の原点Ｑで交差するため、竿状部２１，２２，２３を直線状の部材によって構成すると、原点Ｑ付近で互いに接触してしまうことになる。このような相互干渉を避けるためには、少なくとも一部の基本センサの竿状部を、他の基本センサの竿状部との接触を回避できるように湾曲させればよい。
【０２４７】
図示の例の場合、第１の基本センサＳ１′の竿状部２１は直線状の細長い円柱状部材によって構成されているが（図では、原点Ｑの位置に楕円状の切断面が示されている）、第３の基本センサＳ３′の竿状部２３は、図示のとおり、基本的には直線状の細長い円柱状部材によって構成されているものの、原点Ｑ付近では、竿状部２１の上方を通過できるように上方に湾曲している。一方、第２の基本センサＳ２′の竿状部２２も、基本的には直線状の細長い円柱状部材によって構成されているものの、原点Ｑ付近では、竿状部２１の下方を通過できるように下方に湾曲している（図では、原点Ｑの下方位置に楕円状の切断面が示されている）。
【０２４８】
図２６に示す力覚センサでは、図に斜線によるハッチングを施して示すとおり、内側構造体２００Ｃと底板部材２５０Ｃとは、同一材料によって構成された一体構造をなすカップ状の構造体によって構成されており、その底面は、台座４００Ｃの上面に接着されている。一方、図にドットによるハッチングを施して示すとおり、外側構造体１００Ｃと天板部材１５０Ｃとは、やはり同一材料によって構成された一体構造をなすカップ状の構造体によって構成されている。
【０２４９】
結局、この力覚センサは、２組のカップ状構造体を、弾性変形機能をもった３組の基本センサＳ１′〜Ｓ３′によって連結した基本構造を有していることになり、台座４００Ｃを固定した状態において、外側構造体１００Ｃもしくは天板部材１５０Ｃに外力を作用させると、前述したとおり、当該外力について、Ｆα，Ｆβ，Ｆγ，Ｍα，Ｍβ，Ｍγという６軸成分を検出することが可能になる。
【０２５０】
この第４の実施形態では、基本センサＳ１′〜Ｓ３′の一部分（竿状部２２，２３の一部分）を湾曲構造にし、内側構造体２００Ｃに挿通孔２１１〜２１３を設ける等の加工が必要になるが、第１の実施形態に比べると、外径を小さく設計できるという利点が得られる。
【０２５１】
図２６に示すとおり、底板部材２５０Ｃの上面には、回路基板５００Ｃが固着されている。図示は省略するが、各基本センサＳ１′〜Ｓ３′と回路基板５００Ｃとの間には、各基本センサＳ１′〜Ｓ３′によって検出された検出値Ｍｘ１，Ｍｘ２，Ｍｘ３，Ｍｙ１，Ｍｙ２，Ｍｙ３を伝達するための配線が施されており、回路基板５００Ｃには、これらの検出値に基づいて上記６軸成分を求める演算を行うための演算回路が形成されている。
【０２５２】
また、前述した第１の実施形態に係る力覚センサと同様に、この第４の実施形態に係る力覚センサにも、基本センサＳ１′〜Ｓ３′に過度の外力が加わらないようにするための２通りの制御構造が組み込まれている。
【０２５３】
第１の制御構造は、外側構造体１００Ｃと内側構造体２００Ｃとを、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成したことにより実現されている。図２６に示すように、外側構造体１００Ｃの内周面と内側構造体２００Ｃの外周面との間には所定の空隙が形成されている。そこで、この空隙の寸法を適切に設定することにより、内側構造体２００Ｃに対する外側構造体１００Ｃの変位を適切な範囲内に制御し、基本センサＳ１′〜Ｓ３′に過度の外力が加わらないようにしている。
【０２５４】
要するに、内側構造体２００Ｃに対する外側構造体１００Ｃの変位が所定の許容範囲に達した場合に、内側構造体２００Ｃの外周面と外側構造体１００Ｃの内周面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、内側構造体２００Ｃと外側構造体１００Ｃとの間隔が所定値に設定されており、各基本センサＳ１′〜Ｓ３′が、内側構造体２００Ｃに対する外側構造体１００Ｃの変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすように設計すればよい。
【０２５５】
この第４の実施形態に係る力覚センサが採用している第２の制御構造は、竿状部２１〜２３と挿通孔２１１〜２１３との組み合わせである。たとえば、図２６に示す竿状部２３は、内側構造体２００Ｃの側壁に設けられた挿通孔２１３を通るように配置されている。そこで、内側構造体２００Ｃに対する外側構造体１００Ｃの変位が所定の許容範囲に達した場合に、内側構造体２００Ｃに形成された挿通孔２１３と、この挿通孔２１３を通る竿状部２３（すなわち、基本センサＳ３′の一部分）とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、挿通孔２１３との間隔を所定値に設定しておき、基本センサＳ３′が、内側構造体２００Ｃに対する外側構造体１００Ｃの変位が上記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすように設計すればよい。基本センサＳ１′，Ｓ２′についても同様である。
【０２５６】
なお、図２５および図２６に示す実施形態では、外側構造体１００Ｃの外周面にダイアフラム部１３１，１３２，１３３が露出している。このため、側面から加えられた外力がダイアフラム部１３１，１３２，１３３に直接作用すると、この部分が直接変形し、正確な検出値を得ることができないおそれがある。
【０２５７】
このような弊害を避けるためには、図２７に示す変形例のように、外側構造体１００Ｃの更に外側に、筒状の構造体からなる外殻構造体３００Ｃを設け、その上方に円板状の連結部材３５０Ｃを設け、連結部材３５０Ｃを天板部材１５０Ｃの上面に接着することにより、外殻構造体３００Ｃと外側構造体１００Ｃとを接続するようにすればよい。この変形例では、台座４００Ｃを固定した状態において、外殻構造体３００Ｃもしくは連結部材３５０Ｃに外力を作用させると、当該外力は、天板部材１５０Ｃを介して外側構造体１００Ｃに伝達され、各基本センサＳ１′〜Ｓ３′が弾性変形することにより、図にドットによるハッチングを施した構成部分が一体となって変位を生じることになる。しかも、ダイアフラム部１３１，１３２，１３３は、外殻構造体３００Ｃによって保護されているため、外力の作用を直接受けることはない。また、外側構造体１００Ｃの外周面と、外殻構造体３００Ｃの内周面との間には、所定の空隙が確保されているため、ダイアフラム部１３１，１３２，１３３の自由変形が阻害されることもない。
【０２５８】
＜＜＜  §８．  種々の変形例  ＞＞＞
これまで、本発明に係る力覚センサを、第１〜第４の実施形態に基づいて説明した。ここでは、これらの実施形態に対するいくつかの変形例を述べることにする。
【０２５９】
＜８．１  基本センサの数に関する変形例＞
今まで述べた実施形態では、３組の基本センサが用いられていたが、本発明を実施するにあたり、基本センサの数は３組に限定されるものではない。本発明に係る力覚センサは、３組以上であれば、任意の数の基本センサを用いて構成することができる。要するに、本発明に係る力覚センサは、内部に収容空間を有する外側構造体と、少なくとも一部がこの収容空間内に収容された内側構造体との間を、複数ｎ組（但し、ｎ≧３）の基本センサによって連結し、演算手段によって、これらｎ組の基本センサの検出値を用いた演算を行うことにより、作用した外力の検出が行われるようにすればよい。
【０２６０】
図２８は、４組の基本センサを用いた変形例に係る力覚センサをαβ平面で切断した横断面図（基本センサＳ１〜Ｓ４については上面図）である。ここでは、図の上方に配置された基本センサを第１の基本センサＳ１と呼び、以下、反時計まわりの順に、第２の基本センサＳ２、第３の基本センサＳ３、第４の基本センサＳ４と呼ぶことにする。第１の基本センサＳ１は、β軸正領域が中心軸となるように配置され、第２の基本センサＳ２は、α軸負領域が中心軸となるように配置され、第３の基本センサＳ３は、β軸負領域が中心軸となるように配置され、第４の基本センサＳ４は、α軸正領域が中心軸となるように配置されている。
【０２６１】
この変形例は、図１２に示す第１の実施形態における基本センサの数を３組から４組に変更した例であり、基本的な構造は、§３で述べた第１の実施形態と同様である。そこで、この変形例の各構成要素の符号には、第１の実施形態の対応する構成要素の符号に「Ｄ」を付した符号を用いることにする。両者の相違は、第１の実施形態では、図１２に示すように内側構造体２００が三角柱によって構成されていたのに対し、図２８に示す変形例の内側構造体２００Ｄは四角柱によって構成されており、その４つの側面に、それぞれ基本センサＳ１〜Ｓ４が設けられている点である。
【０２６２】
図示のとおり、内側構造体２００Ｄは、正方形の断面をもつ四角柱によって構成されており、この内側構造体２００Ｄの外側に、円筒状の外側構造体１００Ｄが配置され、更にその外側に外殻構造体３００Ｄが配置されている。その余の構成は、§３で述べた第１の実施形態と同様である。
【０２６３】
すなわち、外殻構造体３００Ｄの上方開口部を覆う円板状部材によって連結部材が構成され、内側構造体２００Ｄの上面は、この連結部材の下面に接合されている。そして、この連結部材は、内側構造体２００Ｄおよび外殻構造体３００Ｄと一体構造をなす。また、外側構造体１００Ｄの下方には、その開口部を覆う底板部材が形成されており、この底板部材は台座に固定されている。そして、演算手段は、底板部材の上面に固定された回路基板上に形成された演算回路によって構成されている。
【０２６４】
外側構造体１００Ｄと外殻構造体３００Ｄとは、γ軸を共通の中心軸とする同心円筒をなし、両者の間には所定の空隙寸法が確保されている。この空隙の寸法は、外側構造体１００Ｄに対する外殻構造体３００Ｄの変位を適切な範囲内に制御可能な寸法に設定されており、基本センサＳ１〜Ｓ４に過度の外力が加わらないような制御構造が実現されている。なお、この変形例では、制御溝と制御突起からなる制御構造は省略されているが、もちろん必要に応じて、制御溝と制御突起からなる制御構造を追加してもかまわない。
【０２６５】
内側構造体２００Ｄを構成する四角柱の各側面には、４組の内側接続点（黒丸で示す）が設けられている。すなわち、α軸正領域との交点位置には内側接続点Ｉα＋が設けられ、α軸負領域との交点位置には内側接続点Ｉα−が設けられ、β軸正領域との交点位置には内側接続点Ｉβ＋が設けられ、β軸負領域との交点位置には内側接続点Ｉβ−が設けられている。これに対して、外側構造体１００Ｄの内周面における対向位置には、４組の外側接続点（白丸で示す）が設けられている。すなわち、α軸正領域との交点位置には外側接続点Ｊα＋が設けられ、α軸負領域との交点位置には外側接続点Ｊα−が設けられ、β軸正領域との交点位置には外側接続点Ｊβ＋が設けられ、β軸負領域との交点位置には外側接続点Ｊβ−が設けられている。
【０２６６】
４組の基本センサＳ１〜Ｓ４は、図示のとおり、これら各内側接続点と各外側接続点とを連結する連結機能を果たすことになる。各基本センサＳ１〜Ｓ４は、図１に示す基本センサＳによって構成されており、上記連結機能の他に、外力の作用により弾性変形する変形機能と、作用した外力によって生じたモーメント成分を検出する検出機能と、を有している。各基本センサＳ１〜Ｓ４は、互いに検出感度が等しい同一のセンサである。
【０２６７】
ここでも、力覚センサ全体について、中心点Ｑを原点とするαβγグローバル座標系を定義し、個々の基本センサＳ１〜Ｓ４のそれぞれについて、歪検出基板の中心位置を原点ＯとするＸＹＺローカル座標系を定義すれば、各基本センサＳ１〜Ｓ４は、それぞれのＸＹＺ座標系におけるＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを検出することができる。ただ、図１２に示す第１の実施形態の場合、３組の基本センサＳ１〜Ｓ３の各Ｚ軸が、互いに１２０°をなすように、β軸，δ軸，ε軸に沿って配置されていたのに対し、図２８に示す変形例の場合、４組の基本センサＳ１〜Ｓ４の各Ｚ軸が、互いに９０°をなすように、β軸負方向、α軸正方向、β軸正方向、α軸負方向に沿って配置されている。別言すれば、各基本センサＳ１〜Ｓ４のＺ軸正方向は、いずれも原点Ｑに向かう方向を向いている。
【０２６８】
具体的には、第１の基本センサＳ１について定義されたＺ軸正方向はβ軸負方向に一致し、第２の基本センサＳ２について定義されたＺ軸正方向はα軸正方向に一致し、第３の基本センサＳ３について定義されたＺ軸正方向はβ軸正方向に一致し、第４の基本センサＳ４について定義されたＺ軸正方向はα軸負方向に一致する。また、図１４に示す第１の実施形態の場合と同様に、各基本センサＳ１〜Ｓ４についてのＹ軸正方向は、紙面垂直下方向（紙面の裏側に向かう方向）に定義され、Ｘ軸正方向は、原点Ｑを中心とした円について反時計まわりの接線方向に定義されるものとする。
【０２６９】
結局、この変形例の場合、４組の基本センサＳ１〜Ｓ４のそれぞれから、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙが検出され、演算手段は、合計８組の検出値に基づいて、作用した外力のαβγ座標系における６軸成分を求める演算を行うことができる。第１の実施形態の場合、図２２に示す演算式に基づく演算により６軸成分が得られたのに対して、ここに示す変形例の場合、図２９に示す演算式に基づく演算により６軸成分を得ることができる。
【０２７０】
すなわち、この変形例に係る力覚センサの演算手段は、第１の基本センサＳ１が検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ１、第１の基本センサＳ１が検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ１、第２の基本センサＳ２が検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ２、第２の基本センサＳ２が検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ２、第３の基本センサＳ３が検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ３、第３の基本センサＳ３が検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ３、第４の基本センサＳ４が検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ４、第４の基本センサＳ４が検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ４としたときに、所定の係数値Ｋ２１，Ｋ２２，Ｋ２３，Ｋ２４，Ｋ２５，Ｋ２６を用いた
Ｆα＝Ｋ２１（−Ｍｙ１＋Ｍｙ３）
Ｆβ＝Ｋ２２（−Ｍｙ２＋Ｍｙ４）
Ｆγ＝Ｋ２３（Ｍｘ１＋Ｍｘ２＋Ｍｘ３＋Ｍｘ４）
Ｍα＝Ｋ２４（Ｍｘ１−Ｍｘ３）
Ｍβ＝Ｋ２５（Ｍｘ２−Ｍｘ４）
Ｍγ＝Ｋ２６（Ｍｙ１＋Ｍｙ２＋Ｍｙ３＋Ｍｙ４）
なる演算を行うことにより、力成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγおよびモーメント成分Ｍα，Ｍβ，Ｍγの６成分を検出することができる。
【０２７１】
しかも、上記演算式によって求めた６軸成分は、第１の実施形態と同様に、他軸干渉のない独立した検出値になる。ここでは、上記演算式によって、各軸成分の検出値が得られる理由および他軸成分の干渉を排除できる理由についての個別の説明は省略するが、§４で詳述した第１の実施形態についての検出動作を踏まえれば、上記演算式によって他軸干渉のない６軸成分が求まることは容易に理解できよう。
【０２７２】
図２２に示す演算式（１２０°おきに３組の基本センサを配置した場合の演算式）と、図２９に示す演算式（９０°おきに４組の基本センサを配置した場合の演算式）とを比べればわかるとおり、前者が各項にルート演算を含む係数値が乗じられた式であるのに対して、後者は単純な加減算のみである。したがって、９０°おきに４組の基本センサを配置した変形例は、演算手段の演算負担が軽減されるというメリットを有している。しかしながら、１２０°おきに３組の基本センサを配置した変形例に比べると、基本センサの数が増えるため、装置が大型化し、コスト高になるというデメリットが生じることになる。
【０２７３】
以上、§３，§４で述べた第１の実施形態を基本として、用いる基本センサの数を３組から４組に増やす変形例を述べたが、もちろん、§５〜§７で述べた第２〜第４の実施形態についても、基本センサの数を３組から４組に増やす変形が可能である。
【０２７４】
たとえば、第３の実施形態では、図２４に示すような三角錐状の内側構造体２００Ｂを用いる例を示したが、内側構造体を、正方形の横断面をもつ四角錐（いわゆる、ピラミッド型）によって構成し、この四角錐の各側面にそれぞれ内側接続点を設け、４組の基本センサにより、それぞれ各内側接続点と外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結すれば、第３の実施形態の基本センサの数を３組から４組に増やした変形例が実現できる。
【０２７５】
この場合、４組の基本センサは、中心軸（Ｚ軸）がαβ平面に対して傾斜角θだけ傾斜した状態で配置されることになるが、これら中心軸をαβ平面に投影した投影線は、α軸またはβ軸上に位置することになる。このように、４組の基本センサの中心軸（Ｚ軸）を傾斜角θだけ傾斜させる変形例の場合、演算手段は、図２９に示す演算式ではなく、角度θの三角関数を含んだより複雑な演算式を用いた演算を行う必要があるが、装置設計の自由度が増すため、高さを抑制したい、あるいは、径の大きさを抑制したい等の要望に応えることが容易になる。
【０２７６】
もちろん、用いる基本センサの数は３組や４組に限定されるものではなく、５組以上の基本センサを用いる構成を採ることも可能である。ただ、基本センサの数を増やせば増やすほど、装置は大型化し、コストも高騰することになるので、実際には、３組もしくは４組の基本センサを用いるのが好ましい。一般に、外側構造体によって内側構造体を変位自在に安定して支持するには、３組の基本センサを用いれば十分であるので、実用上は、３組の基本センサを用いた実施形態が最適と言える。
【０２７７】
なお、本発明に係る力覚センサを構成する基本センサは、外側接続点と内側接続点と連結する連結機能を有しているが、外側接続点の位置および内側接続点の位置は、これまで述べてきた実施形態や変形例に示されている位置に限定されるものではない。
【０２７８】
ただ、実用上は、第１〜第３の実施形態のように、内側構造体として柱状の構造体を利用する場合には、外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線が、内側構造体を構成する柱状の構造体の外面に対して直交するように、各基本センサを配置するようにし、第４の実施形態のように、内側構造体および外側構造体として同心の円筒状構造体を利用する場合には、外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線が、外側構造体および内側構造体の共通中心軸に対して直交するように、各基本センサを配置するのが好ましい。このような配置を採れば、各基本センサのＺ軸が、αβγ座標系のγ軸もしくは原点Ｇを中心として放射状に外側に向くような配置が可能になり、演算手段による演算処理をより単純化する効果が得られるようになる。
【０２７９】
＜８．２  基本センサ取付部の構造に関する変形例＞
§３では、図１２および図１３に示す第１の実施形態の構造を説明した。この第１の実施形態では、外側構造体１００は円筒状の構造体であり、３組の基本センサＳ１〜Ｓ３の受力体３０は、この外側構造体１００の内周面に固定されている。一方、§４では、この第１の実施形態による検出動作を説明した。特に、図１９を参照した説明では、内側構造体２００に対してβ軸正まわりのモーメント＋Ｍβが作用したときの検出動作を述べた。
【０２８０】
この図１９に示す検出動作では、第１の基本センサＳ１に対しても、β軸正まわりのモーメント＋Ｍβが作用することになるが、図１に示す基本センサＳは、その構造上、Ｚ軸まわりのモーメント成分Ｍｚが作用したときに、必ずしも十分な変形を生じる可撓性を有していない。すなわち、図１(b) の側面図に示すとおり、接続部材２０の上下両端はダイアフラム部１１，３１の中心部に接続されているため、この基本センサＳは、図６や図７に例示するような変形は生じやすい。しかしながら、ダイアフラム部１１，３１に対してＺ軸まわりのモーメントＭｚを加えても、必ずしも十分な変形が生じるわけではない。したがって、図１９に示すように、力覚センサの内側構造体２００に対して、β軸正まわりのモーメント＋Ｍβが作用した場合、第１の基本センサＳ１はβ軸まわりに十分な変形を生じることができず、第２および第３の基本センサＳ２，Ｓ３に生じる変形を抑制し、検出感度を低下させてしまう可能性がある。
【０２８１】
そもそも、図１に示す基本センサＳは、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚを検出するセンサであるため、これらのモーメントや力が作用した場合は検出に十分な変形が生じるように設計されているが、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが作用した場合には、必ずしも十分な変形が生じるわけではない。一方、この基本センサＳを本発明に係る力覚センサに利用し、たとえば、図１９に示すように、β軸まわりのモーメントＭβの検出に利用する場合には、少なくとも第１の基本センサＳ１は、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが作用したときに十分な変形が生じる構造を有しているのが好ましい。
【０２８２】
図１に示す基本センサＳにＺ軸まわりに関する可撓性をもたせる方法の１つは、接続部材２０の部分に加工を施し、Ｚ軸を中心として捻れる方向に変形しやすい構造にすることである。ただ、この方法には、接続部材２０の構造が複雑になり、製造コストの高騰を招くという問題がある。別な方法としては、接続部材２０の全長を伸ばすという方法もある。一般的な金属によって接続部材２０を構成した場合、ある程度の弾性変形が生じるので、その全長が長くなればなるほど、捻れ方向の変形は生じやすくなる。しかしながら、接続部材２０の全長を長くすると、本発明に係る力覚センサの径は大きくならざるを得ず、小型化を図ることができなくなる。
【０２８３】
ここで述べる変形例は、このような問題を解決する一方法を提案するものであり、その特徴は、基本センサＳ自体にＺ軸まわりの可撓性を与える代わりに、外側構造体側に同等の機能を生じさせる構造を設ける点にある。図３０は、第１の実施形態に係る力覚センサの外側構造体１００の変形例に相当する外側構造体１００Ｅを示す斜視図である。なお、この図３０では、説明の便宜上、外側構造体１００Ｅの内部に３組の基本センサＳ１〜Ｓ３（図では、破線で描かれている）を配置した状態を示す。実際には、第１の実施形態に係る力覚センサを構成するためには、３組の基本センサＳ１〜Ｓ３の内側に配置される三角柱状の内側構造体２００や、外側構造体１００Ｅの更に外側に配置される外殻構造体３００等の構成要素が必要になるが、図３０では、説明の便宜上、他の構成要素の図示は省略している。
【０２８４】
図３０に示す外側構造体１００Ｅは、§３で述べた外側構造体１００と同様に円筒状の構造体であるが、その壁部の所定箇所には、外側から内側まで貫通する壁部貫通スリットが設けられており、この壁部貫通スリットで囲まれた部分が基本センサ取付部を構成している。具体的には、図３０に示す例の場合、外側構造体１００Ｅには、３組の基本センサ取付部１６０，１７０，１８０が形成されている。
【０２８５】
ここで、第１の基本センサ取付部１６０は、外側構造体１００Ｅとβ軸とが交差する外側接続点近傍の円形部分であり、その内側には、破線で示すように第１の基本センサＳ１が取り付けられる。同様に、第２の基本センサ取付部１７０は、外側構造体１００Ｅとγ軸とが交差する外側接続点近傍の円形部分であり、その内側には、破線で示すように第２の基本センサＳ２が取り付けられる。また、第３の基本センサ取付部１８０は、外側構造体１００Ｅとε軸とが交差する外側接続点近傍の円形部分であり、その内側には、破線で示すように第３の基本センサＳ３が取り付けられる。
【０２８６】
図３０の正面に示されているとおり、第３の基本センサ取付部１８０は、輪郭が円形をした円板状部材（厳密に言えば、円筒の一部を構成する湾曲円板状部材）であり、その周囲には、４組の円弧状をした壁部貫通スリットＳＬ１〜ＳＬ４が設けられている。また、隣接する一対の壁部貫通スリット間には、それぞれビーム部１８１〜１８４が形成されている。具体的には、壁部貫通スリットＳＬ１，ＳＬ２の間にはビーム部１８１が形成され、壁部貫通スリットＳＬ２，ＳＬ３の間にはビーム部１８２が形成され、壁部貫通スリットＳＬ３，ＳＬ４の間にはビーム部１８３が形成され、壁部貫通スリットＳＬ４，ＳＬ１の間にはビーム部１８４が形成されている。
【０２８７】
結局、第３の基本センサ取付部１８０は、その周囲を４組の壁部貫通スリットＳＬ１〜ＳＬ４で囲まれ、４組のビーム部１８１〜１８４によって周囲から支持されていることになる。ここで、４組のビーム部１８１〜１８４は、外側構造体１００Ｅの本体部と同じ材質（たとえば、アルミニウム合金）からなる構造体であるが、厚みが小さいために変形に十分な可撓性を有している。このため、第３の基本センサ取付部１８０は、外力の作用により、所定の自由度の範囲内で外側構造体１００Ｅの本体部に対して変位（たとえば、ε軸を中心として捩じれるような変位や、ε軸の軸方向への変位）を生じることができる。第１および第２の基本センサ取付部１６０，１７０についても全く同様である。
【０２８８】
このように、図３０に示す変形例では、外側構造体１００Ｅの外側接続点（β軸，γ軸，ε軸との交点）の近傍部分が、基本センサ取付部１６０，１７０，１８０を構成しており、各基本センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、これら基本センサ取付部１６０，１７０，１８０の内側に取り付けられている。しかも、基本センサ取付部１６０，１７０，１８０の周囲には、各基本センサ取付部の輪郭線に沿って、外側構造体１００Ｅの壁部を貫通する複数の壁部貫通スリット（ＳＬ１〜ＳＬ４等）が設けられ、隣接する壁部貫通スリット間に可撓性をもったビーム部（１８１〜１８４等）が形成されている。その結果、基本センサ取付部１６０，１７０，１８０は、周囲からこれらビーム部によって支持されている。
【０２８９】
特に、図３０に例示する変形例の場合、基本センサ取付部１６０，１７０，１８０は、いずれも円形の輪郭線を有し、この輪郭線に沿って、４組の円弧状の壁部貫通スリット（ＳＬ１〜ＳＬ４等）が設けられており、隣接する壁部貫通スリット間にそれぞれ可撓性を有するビーム部（１８１〜１８４等）を配置することにより合計４組のビーム部が形成され、基本センサ取付部１６０，１７０，１８０は、それぞれ周囲から合計４組のビーム部によって支持されていることになる。
【０２９０】
この図３０に示す変形例では、図１９に示すモーメントＭβの検出動作においても、十分な検出感度を確保することが可能になる。すなわち、３組の基本センサＳ１〜Ｓ３自身は、Ｚ軸まわりに関する十分な可撓性を有していなくても、基本センサ取付部１６０，１７０，１８０が、各基本センサのＺ軸まわり（β軸，γ軸，ε軸まわり）に関する十分な可撓性を有しているため、図１９に示す検出動作においても、第１の基本センサＳ１により変位が抑制されることはなく、第２および第３の基本センサＳ２，Ｓ３から、十分な感度をもった検出値が得られることになる。
【０２９１】
なお、図３０に示す変形例は、各基本センサＳ１〜Ｓ３に過度の外力が作用しないように制御構造を設ける際にもメリットがある。図１２に示すように、第１の実施形態には、制御突起３１１，３１２，３１３と制御溝１１１，１１２，１１３との組合わせからなる制御構造が設けられており、両者の間隔が所定寸法となるような設計を行うことにより、各基本センサＳ１〜Ｓ３を破損から保護することができる。
【０２９２】
たとえば、図１に示す基本センサＳの場合、Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが作用すると、図７に示すような変形が生じることになる。本願発明者が試作した基本センサの場合、Ｚ軸方向の力Ｆｚに対する定格荷重を加えたときのダイアフラム部１１および３１の中心部の変位はそれぞれ５μｍ程度であった（ピエゾ抵抗素子を用いた基本センサでは、この程度の変位でも十分に検出が可能である）。この場合、定格荷重時のＺ軸方向に関する変位は合計で１０μｍ程度ということになる。ここで、たとえば、定格荷重の５倍以上の外力が作用した場合に変位が制御されるようにするには、Ｚ軸方向に関する変位量を５０μｍ以下に抑制する制御構造が必要になる。別言すれば、図１２に示す構造の場合、各制御突起３１１，３１２，３１３と各制御溝１１１，１１２，１１３の底面との間隔を５０μｍに設定する必要がある。しかしながら、実際には、制御突起と制御溝との間隔を５０μｍ程度とする加工を行うには、精度の高い加工技術が要求され、決して容易な作業ではない。
【０２９３】
これに対して、図３０の変形例に示す構造を採用すれば、基本センサ取付部１６０，１７０，１８０自身がＺ軸方向（β軸，γ軸，ε軸方向）に変位するため、各基本センサＳ１〜Ｓ３のＺ軸方向に関する変位量を、見かけ上、増幅させる効果が得られる。この見かけの増幅率は、ビーム部の縦、横、長さの寸法値に応じて定まるので、試作品を作成したり、ＦＥＭ解析の手法を利用したりすることにより、求めることができる。たとえば、こうして求められた増幅率が４であったとすれば、制御突起と制御溝との間隔は、５０μｍ×４＝２００μｍに設定すればよいことになり、加工のし易さは格段に向上する。
【０２９４】
以上、図１２および図１３に示す第１の実施形態について、筒状の外側構造体の壁部にスリットおよびビーム構造を採用し、基本センサ取付部が変位するようにした変形例を述べたが、このような変形例は、第２〜第４の実施形態についても同様に採用することが可能である。
【０２９５】
＜８．３  基本センサの構造に関する変形例＞
第１〜第３の実施形態に示す３組の基本センサＳ１〜Ｓ３は、いずれも図１に示す基本センサＳによって構成されており、第４の実施形態に示す３組の基本センサＳ１′〜Ｓ３′は、この図１に示す基本センサＳを一部変形したもの（接続部材２０および受力体３０の部分を竿状部２１〜２３に置き換えたもの）である。前述したとおり、図１に示す基本センサＳは、モーメントＭｘ，Ｍｙの検出感度が優れており、本願発明者が知る限り、本発明に係る力覚センサに利用するのに最適のセンサである。
【０２９６】
図１に示す基本センサＳの主たる構成要素は、作用した外力を受ける受力体３０、この受力体３０が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部１１を有する起歪体１０、受力体３０と上記ダイアフラム部１１とを接続する接続部材２０、上記ダイアフラム部１１の歪みを検出する検出素子Ａ、この検出素子Ａの検出結果に基づいてモーメント成分ＭｘおよびＭｙを電気信号として出力する検出回路であり、検出素子Ａとしては、図８に示すとおり、ダイアフラム部１１の歪みを抵抗値の変化として検出するピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８が用いられている。
【０２９７】
より具体的には、図１に示す基本センサＳの場合、起歪体１０が、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、起歪体１０の上面の中央部に定義された検出用領域には、下面側に向かって検出用溝Ｇ１が形成されている。そして、この検出用溝Ｇ１の底部によってダイアフラム部１１が形成され、この検出用溝Ｇ１の周囲には側壁部１２が形成され、ダイアフラム部１１の下面と側壁部１２の下面とは同一平面上に位置する構造になっている。
【０２９８】
一方、受力体３０は、起歪体１０の下方に所定間隔をおいて配置され、接続部材２０は、Ｚ軸上に配置された柱状部材によって構成され、その上端はダイアフラム部１１の下面中央部に接続され、その下端は受力体３０の上面中央部に接続されている。
【０２９９】
また、検出用溝Ｇ１の底面（ダイアフラム部１１の上面）には、歪検出基板４０が接合されている。この歪検出基板４０は、ＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｏの位置に配置され、上面および下面がＸＹ平面に平行な面をなし、ダイアフラム部１１の変形によって生じる応力が伝達されるように、ダイアフラム部１１の上面に接合されている。そして、図８に示すように、この歪検出基板４０の上面の所定箇所には、ピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８が形成されており、回路基板５０上に形成された検出回路は、これらピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８の電気抵抗の変化に基づいて、モーメント成分Ｍｘ，Ｍｙを示す電気信号を出力する。
【０３００】
このように、図１に示す基本センサＳは、ピエゾ抵抗素子Ａ１〜Ａ８によりダイアフラム部１１の歪みを検出し、モーメント成分Ｍｘ，Ｍｙを示す電気信号を出力する機能をもったセンサであるが、ダイアフラム部１１の歪みを検出する検出素子としては、必ずしもピエゾ抵抗素子を用いる必要はない。たとえば、ピエゾ抵抗素子の代わりに、ダイアフラム部の変位を静電容量値の変化として検出する静電容量素子を検出素子として用いることもできる。
【０３０１】
図３１は、静電容量素子を用いた基本センサの一例を示す側面図である。この基本センサは、図示のとおり、円板状の補助基板６０、円板状の起歪体７０、円柱状の接続部材８０、円板状の受力体９０を、Ｚ軸を共通の中心軸として配置し、相互に接続したものである。
【０３０２】
補助基板６０は、単なる円板状の基板であるが、その下面中央には、円板状の共通固定電極Ｅ０が形成されている。起歪体７０は、図１に示す基本センサＳの起歪体１０に類似した構造体であり、上面の円形領域には、検出用溝Ｇ３が掘られており、この検出用溝Ｇ３の底面は、肉厚の薄いダイアフラム部７１、その周囲は側壁部７２を構成している。一方、受力体９０は、図１に示す基本センサＳの受力体３０と同様の構造体であり、下面の円形領域には、検出用溝Ｇ４が掘られており、この検出用溝Ｇ４の底面は、肉厚の薄いダイアフラム部９１、その周囲は側壁部９２を構成している。円柱状の接続部材８０は、ダイアフラム部７１の中央部とダイアフラム部９１の中央部とを接続する機能を果たす。
【０３０３】
図３２は、図３１に示す基本センサにおける起歪体７０の上面図である。上述したとおり、起歪体７０の上面には、円形の検出用溝Ｇ３が掘られており、その底面は薄い円板状のダイアフラム部７１を形成している。そして、このダイアフラム部７１の上面には、図示のとおり、４枚の扇形の個別変位電極Ｅ１〜Ｅ４が形成されている。図示の位置にＸＹＺ座標系の原点Ｏを定義し、図の右方向にＸ軸、上方向にＹ軸を定義した場合、電極Ｅ１はＸ軸正領域に配置され、電極Ｅ２はＹ軸正領域に配置され、電極Ｅ３はＸ軸負領域に配置され、電極Ｅ４はＹ軸負領域に配置されている。これら４枚の個別変位電極Ｅ１〜Ｅ４は、外力の作用によって変形するダイアフラム部７１の上面に形成されているため、外力の作用によって変位することになる。
【０３０４】
一方、補助基板６０の下面に形成された共通固定電極Ｅ０は、４枚の個別変位電極Ｅ１〜Ｅ４の全体に対して対向する１枚の円形の電極であり、ダイアフラム部７１の変形の影響を受けずに固定状態を維持する電極である。ここで、４枚の個別変位電極Ｅ１〜Ｅ４と、これらに対向する共通固定電極Ｅ０の扇形の部分領域と、によって構成される静電容量素子をそれぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ４と呼ぶことにすると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する対向電極間の距離は、ダイアフラム部７１の変形によって変化し、その結果、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値に変動が生じることになる。
【０３０５】
したがって、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動を電気的に検出すれば、この検出結果に基づいて、ダイアフラム部７１の変形態様を認識することができ、補助基板６０および受力体９０のうちの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ことができる。具体的には、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘは、容量素子Ｃ２，Ｃ４の静電容量値の差として得ることができ、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙは、容量素子Ｃ１，Ｃ３の静電容量値の差として得ることができる。このような検出原理は、たとえば、特許第２８４１２４０号公報などに開示されている公知の技術であるため、ここでは詳しい説明は省略する。
【０３０６】
結局、図１に示す基本センサＳ（ピエゾ抵抗素子を検出素子として利用したセンサ）の代わりに、図３１に示す基本センサ（容量素子を検出素子として利用したセンサ）を利用しても、本発明に係る力覚センサを構成することが可能である。このように、本発明に係る力覚センサに用いる基本センサは、図１に示す基本センサに限定されるものではなく、別な構造や別な検出原理をもったセンサであってもかまわない。
【０３０７】
要するに、本発明に係る力覚センサに利用する基本センサは、外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線上に位置する原点Ｏと、この連結線上に配置されたＺ軸と、このＺ軸に直交するＸ軸と、Ｚ軸およびＸ軸の双方に直交するＹ軸と、を有するＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、作用した外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘあるいはＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを検出する検出機能を有していれば、その実体構造はどのようなものであってもかまわない。
【０３０８】
なお、図１に示す基本センサＳでは、受力体３０側にも検出用溝Ｇ２を堀り、ダイアフラム部３１を形成しており、図３１に示す基本センサでは、受力体９０側にも検出用溝Ｇ４を堀り、ダイアフラム部９１を形成しているが、受力体３０，９０側のダイアフラム部３１，９１は必須のものではない。すなわち、起歪体１０，７０側に掘られた検出用溝Ｇ１，Ｇ３によって形成されるダイアフラム部１１，７１は、外力の作用によって生じる撓みを電気的に検出するために必要なものであるが、受力体３０，９０側のダイアフラム部３１，９１は、このような検出に直接的に利用されるものではないので、受力体３０，９０側の検出用溝Ｇ２，Ｇ４は省略してもかまわない。
【０３０９】
ただ、受力体３０，９０側に検出用溝Ｇ２，Ｇ４を堀り、ダイアフラム部３１，９１を形成しておくと、外力の検出に直接的に利用されるダイアフラム部１１，７１に対して、より効果的に撓みを生じさせることができるようになり、検出感度を向上させることができる。したがって、実用上は、図１や図３１に示す例のように、受力体３０，９０側にも検出用溝Ｇ２，Ｇ４を堀り、ダイアフラム部３１，９１を形成しておくのが好ましい。
【０３１０】
また、図１に示す基本センサＳや図３１に示す基本センサでは、各ダイアフラム部を薄い円板状の膜によって構成しているが、ダイアフラム部は、必ずしも膜状の構造体によって構成する必要はなく、たとえば、十字状のビーム構造体によって各ダイアフラム部を構成してもかまわない。図２５に示す第４の実施形態におけるダイアフラム部１３１〜１３３についても同様である。要するに、本願におけるダイアフラム部は、一般的な膜状構造体である必要はなく、弾性変形する機能をもった可撓性部材であれば、どのような構造体で構成してもかまわない。
【０３１１】
＜８．４  その他の変形例＞
以上、本発明に係る力覚センサを、第１〜第４の実施形態について説明し、更に、その変形例をいくつか述べたが、これまで述べてきた事項は自由に組み合わせて利用することが可能である。たとえば、第１の実施形態で述べた制御突起と制御溝による制御機構は、他の実施形態や変形例においても採用することが可能である。
【０３１２】
また、これまで述べた実施形態の場合、基本センサＳの起歪体１０側を内側構造体に接続し、受力体３０側を外側構造体に接続しているが、基本センサＳは、一端を固定した状態において、他端に作用した外力のモーメント成分Ｍｘ，Ｍｙを検出する機能を有しているので、逆向き、すなわち、基本センサＳの受力体３０側を内側構造体に接続し、起歪体１０側を外側構造体に接続して用いてもかまわない。
【０３１３】
同様に、本発明に係る力覚センサ自体も、外側構造体および内側構造体について、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ので、たとえば、図１３に示す実施形態において、台座４００を固定した状態において、外殻構造体３００に作用した外力を検出する用途に利用することもできるし、逆に、外殻構造体３００を固定した状態において、台座４００に作用した外力を検出する用途に利用することもできる。
【０３１４】
また、これまで述べた実施形態では、αβγ座標系において、作用した外力の６軸成分、すなわち、α軸方向に作用した力成分Ｆα、β軸方向に作用した力成分Ｆβ、γ軸方向に作用した力成分Ｆγ、α軸まわりに作用したモーメント成分Ｍα、β軸まわりに作用したモーメント成分Ｍβ、γ軸まわりに作用したモーメント成分Ｍγの６つの成分をすべて検出する機能をもった力覚センサを述べたが、本発明に係る力覚センサは、必ずしもこれら６軸成分のすべてを検出する機能を有している必要はなく、これら６軸成分のうちの少なくとも１成分を検出することができればよい。
【０３１５】
すなわち、力覚センサの用途によっては、６軸成分すべてではなく、その一部の成分のみを検出できれば足りるケースもあるので、用途に応じて、６軸成分のうち必要な成分についての検出機能を設けておけば足りる。したがって、演算手段は、図２２や図２９に示すような演算式に基づいて６軸成分のすべてを求める演算機能を有している必要はなく、用途に応じて必要な成分についての演算機能を有していれば足りる。また、一部の成分の検出機能を省いた結果、特定の基本センサの特定のモーメント検出値が不要になった場合には、当該基本センサによる当該特定のモーメント検出値の検出機能も省くことができる。したがって、各基本センサは、必ずしもモーメント成分ＭｘおよびＭｙの双方を検出する機能を有している必要はなく、少なくとも一方を検出する機能を有していればよい。
【０３１６】
要するに、本発明に係る力覚センサは、内側構造体の少なくとも一部を外側構造体に収容する構成を採り、両者間を複数ｎ組（但し、ｎ≧３）の基本センサによって接続し、各基本センサによって検出したモーメント成分に対する演算を行い、要望に応じた任意の座標軸方向の力成分や任意の座標軸まわりのモーメント成分を検出するようにすればよい。そうすることにより、比較的単純な構造により小型化およびコストダウンを図りつつ、要望に応じた外力成分を検出することができるようになる。
【０３１７】
もっとも、６軸成分のうちの一部の成分の検出機能を省略したとしても、大幅なコストダウンを図ることはできないので、実用上は、これまで述べてきた実施形態やその変形例のように、三次元αβγ座標系の各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分の６軸成分をすべて検出する機能をもった力覚センサを構成するのが好ましい。
【符号の説明】
【０３１８】
１０：起歪体
１１：ダイアフラム部
１２：側壁部
１５：ネジ孔（ネジ挿通用貫通孔）
１８：カバー
１９：カバー接着部
２０：接続部材
２１〜２３：竿状部
３０：受力体
３１：ダイアフラム部
３２：側壁部
３３：開口部
３５：ネジ孔（雌ネジ形成孔）
４０：歪検出基板
４７：ボンディングワイヤ
５０：回路基板
６０：補助基板
７０：起歪体
７１：ダイアフラム部
７２：側壁部
８０：接続部材
９０：受力体
９１：ダイアフラム部
９２：側壁部
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ：外側構造体
１１１，１１２，１１３：制御溝
１２１，１２２，１２３：取付溝
１３１，１３２，１３３：ダイアフラム部
１５０，１５０Ｂ：底板部材
１５０Ｃ：天板部材
１６０：第１の基本センサ取付部
１７０：第２の基本センサ取付部
１８０：第３の基本センサ取付部
１８１〜１８４：ビーム部
２００，２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ，２００Ｄ：内側構造体
２１１，２１２，２１３：挿通孔
２５０，２５０Ｂ：連結部材
２５０Ｃ：底板部材
２７０：蓋板部材
２８０：シリコンゴム充填層
３００，３００Ｂ，３００Ｃ，３００Ｄ：外殻構造体
３１１，３１２，３１３：制御突起
３５０Ｃ：連結部材
４００，４００Ａ，４００Ｂ，４００Ｃ，４００Ｄ：台座
５００，５００Ａ，５００Ｂ，５００Ｃ，５００Ｄ：回路基板
Ａ，Ａ１〜Ａ８：ピエゾ抵抗素子
Ｅ：直流電源
Ｅ０：共通固定電極
Ｅ１〜Ｅ４：個別変位電極
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力成分
Ｆα：α軸方向の力成分
Ｆβ：β軸方向の力成分
Ｆγ：γ軸方向の力成分
ｆ１：検出用溝（検出用領域）の輪郭線
ｆ２：カバー接着部の外側輪郭線
Ｇ１〜Ｇ４：検出用溝
Ｉβ，Ｉδ，Ｉε，Ｉθ：内側接続点
Ｉα＋，Ｉα−，Ｉβ＋，Ｉβ−：内側接続点
Ｊβ，Ｊδ，Ｊε，Ｊθ：外側接続点
Ｊα＋，Ｊα−，Ｊβ＋，Ｊβ−：内側接続点
Ｋ１１〜Ｋ２６：演算に用いる係数
Ｍｘ：Ｘ軸まわりのモーメント成分
Ｍｘ１：基本センサＳ１によって検出されるＸ軸まわりのモーメント成分
Ｍｘ２：基本センサＳ２によって検出されるＸ軸まわりのモーメント成分
Ｍｘ３：基本センサＳ３によって検出されるＸ軸まわりのモーメント成分
Ｍｙ：Ｙ軸まわりのモーメント成分
Ｍｙ１：基本センサＳ１によって検出されるＹ軸まわりのモーメント成分
Ｍｙ２：基本センサＳ２によって検出されるＹ軸まわりのモーメント成分
Ｍｙ３：基本センサＳ３によって検出されるＹ軸まわりのモーメント成分
Ｍα：α軸まわりのモーメント成分
Ｍβ：β軸まわりのモーメント成分
Ｍγ：γ軸まわりのモーメント成分
Ｎ：ネジ
Ｏ，Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３：ＸＹＺ三次元直交座標系の原点
Ｑ：αβγ三次元直交座標系の原点
Ｓ：基本センサ
Ｓ１，Ｓ１′：第１の基本センサ
Ｓ２，Ｓ２′：第２の基本センサ
Ｓ３，Ｓ３′：第３の基本センサ
Ｓ４：第４の基本センサ
ＳＬ１〜ＳＬ４：壁部貫通スリット
Ｔｘ１，Ｔｘ２：モーメント成分Ｍｘの出力端子
Ｔｙ１，Ｔｙ２：モーメント成分Ｍｙの出力端子
Ｖｘ：モーメント成分Ｍｘに対応する出力電圧
Ｖｙ：モーメント成分Ｍｙに対応する出力電圧
Ｗ：切断線
Ｘ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｙ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｚ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
α：αβγ三次元直交座標系の座標軸
β：αβγ三次元直交座標系の座標軸
γ：αβγ三次元直交座標系の座標軸
δ：αβ平面上の軸（α軸に対して２１０°をなす軸）
ε：αβ平面上の軸（α軸に対して３３０°をなす軸）
θ：傾斜角
【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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【手続補正書】
【提出日】平成25年3月19日(2013.3.19)
【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】
内部に収容空間を有する外側構造体と、
少なくとも一部が前記収容空間内に収容された内側構造体と、
前記外側構造体の更に外側に設けられ、筒状の構造体からなる外殻構造体と、
前記外殻構造体と前記内側構造体とを接続する連結部材と、
複数ｎ組（但し、ｎ≧３）の基本センサと、
前記ｎ組の基本センサの出力に基づいて演算を行う演算手段と、
を備え、
前記ｎ組の基本センサのそれぞれは、
前記外側構造体の所定位置に設けられた外側接続点と前記内側構造体の所定位置に設けられた内側接続点とを直接もしくは間接的に連結する連結機能と、
前記外側接続点および前記内側接続点のうちの一方を固定した状態において他方に作用する外力に基づいて、前記外側接続点と前記内側接続点との相対位置関係が変化するように弾性変形する変形機能と、
前記外側接続点と前記内側接続点とを結ぶ連結線上に位置する原点Ｏと、前記連結線上に配置されたＺ軸と、このＺ軸に直交するＸ軸と、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸の双方に直交するＹ軸と、を有するＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、前記外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの少なくとも一方を検出する検出機能と、を有し、
前記演算手段は、前記ｎ組の基本センサのそれぞれが検出した検出値を用いた演算を行うことにより、前記外側構造体および前記内側構造体について、一方を固定した状態において他方に作用した力もしくはモーメントまたはその双方を検出し、
前記外側構造体は、前記内側構造体の全部もしくは一部を内部に収容する筒状の構造体によって構成され、各基本センサは、前記筒状の構造体の内周面上の外側接続点と前記内側構造体の外周面上の内側接続点とを連結し、
前記外殻構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、その上方開口部を覆う板状部材によって前記連結部材が構成され、前記板状部材の下面周囲部に前記外殻構造体が接合され、前記板状部材の下面中央部に前記内側構造体の上面が接続されており、
前記外側構造体と前記外殻構造体とが、共通の軸を中心軸とする同心円筒状の構造体によって構成され、前記外側構造体に対する前記内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、前記外側構造体の外周面と前記外殻構造体の内周面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、前記外側構造体と前記外殻構造体との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、前記外側構造体に対する前記内側構造体の変位が前記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果た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、
外殻構造体の内周面には、内側に向かう制御突起が設けられており、外側構造体の外周面には、前記制御突起の先端部を収容する制御溝が設けられており、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、前記制御突起の先端部と前記制御溝の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、前記制御突起の先端部と前記制御溝の溝形成面との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が前記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことを特徴とする力覚センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の力覚センサにおいて、
外側構造体の外周面には、外側に向かう制御突起が設けられており、外殻構造体の内周面には、前記制御突起の先端部を収容する制御溝が設けられており、外側構造体に対する内側構造体の変位が所定の許容範囲に達した場合に、前記制御突起の先端部と前記制御溝の溝形成面とが接触し、それ以上の変位が制限されるように、前記制御突起の先端部と前記制御溝の溝形成面との間隔が所定値に設定されており、
各基本センサが、外側構造体に対する内側構造体の変位が前記許容範囲内である限りにおいて、正常な検出機能を果たすことを特徴とする力覚センサ。
【請求項４】
内部に収容空間を有する外側構造体と、
少なくとも一部が前記収容空間内に収容された内側構造体と、
複数ｎ組（但し、ｎ≧３）の基本センサと、
前記ｎ組の基本センサの出力に基づいて演算を行う演算手段と、
を備え、
前記ｎ組の基本センサのそれぞれは、
前記外側構造体の所定位置に設けられた外側接続点と前記内側構造体の所定位置に設けられた内側接続点とを直接もしくは間接的に連結する連結機能と、
前記外側接続点および前記内側接続点のうちの一方を固定した状態において他方に作用する外力に基づいて、前記外側接続点と前記内側接続点との相対位置関係が変化するように弾性変形する変形機能と、
前記外側接続点と前記内側接続点とを結ぶ連結線上に位置する原点Ｏと、前記連結線上に配置されたＺ軸と、このＺ軸に直交するＸ軸と、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸の双方に直交するＹ軸と、を有するＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、前記外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの少なくとも一方を検出する検出機能と、を有し、
前記演算手段は、前記ｎ組の基本センサのそれぞれが検出した検出値を用いた演算を行うことにより、前記外側構造体および前記内側構造体について、一方を固定した状態において他方に作用した力もしくはモーメントまたはその双方を検出し、
前記外側構造体は、前記内側構造体の全部もしくは一部を内部に収容する筒状の構造体によって構成され、各基本センサは、前記筒状の構造体の内周面上の外側接続点と前記内側構造体の外周面上の内側接続点とを連結し、
前記外側構造体の前記外側接続点近傍部分を構成する基本センサ取付部に前記基本センサが取り付けられており、
前記基本センサ取付部の周囲には、前記基本センサ取付部の輪郭線に沿って、前記外側構造体の壁部を貫通する複数の壁部貫通スリットが設けられ、隣接する壁部貫通スリット間に可撓性をもったビーム部が形成され、前記基本センサ取付部が周囲から前記ビーム部によって支持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、
基本センサ取付部が円形の輪郭線を有し、この輪郭線に沿って、４組の円弧状の壁部貫通スリットが設けられており、隣接する壁部貫通スリット間にそれぞれビーム部を配置することにより合計４組のビーム部が形成され、前記基本センサ取付部が周囲から前記４組のビーム部によって支持されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項６】
内部に収容空間を有する外側構造体と、
少なくとも一部が前記収容空間内に収容された内側構造体と、
複数ｎ組（但し、ｎ≧３）の基本センサと、
前記ｎ組の基本センサの出力に基づいて演算を行う演算手段と、
を備え、
前記ｎ組の基本センサのそれぞれは、
前記外側構造体の所定位置に設けられた外側接続点と前記内側構造体の所定位置に設けられた内側接続点とを直接もしくは間接的に連結する連結機能と、
前記外側接続点および前記内側接続点のうちの一方を固定した状態において他方に作用する外力に基づいて、前記外側接続点と前記内側接続点との相対位置関係が変化するように弾性変形する変形機能と、
前記外側接続点と前記内側接続点とを結ぶ連結線上に位置する原点Ｏと、前記連結線上に配置されたＺ軸と、このＺ軸に直交するＸ軸と、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸の双方に直交するＹ軸と、を有するＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、前記外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの少なくとも一方を検出する検出機能と、を有し、
前記演算手段は、前記ｎ組の基本センサのそれぞれが検出した検出値を用いた演算を行うことにより、前記外側構造体および前記内側構造体について、一方を固定した状態において他方に作用した力もしくはモーメントまたはその双方を検出し、
前記内側構造体が、少なくともその一部が前記外側構造体の内部に収容された柱状の構造体によって構成され、各基本センサが、前記外側構造体の内周面上の外側接続点と前記柱状の構造体の外周面上の内側接続点とを連結し、
前記内側構造体が、正三角形の断面をもつ三角錐によって構成され、
この三角錐の各側面にそれぞれ前記内側接続点が設けられ、３組の基本センサが、それぞれ前記各内側接続点と前記外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有することを特徴とする力覚センサ。
【請求項７】
内部に収容空間を有する外側構造体と、
少なくとも一部が前記収容空間内に収容された内側構造体と、
複数ｎ組（但し、ｎ≧３）の基本センサと、
前記ｎ組の基本センサの出力に基づいて演算を行う演算手段と、
を備え、
前記ｎ組の基本センサのそれぞれは、
前記外側構造体の所定位置に設けられた外側接続点と前記内側構造体の所定位置に設けられた内側接続点とを直接もしくは間接的に連結する連結機能と、
前記外側接続点および前記内側接続点のうちの一方を固定した状態において他方に作用する外力に基づいて、前記外側接続点と前記内側接続点との相対位置関係が変化するように弾性変形する変形機能と、
前記外側接続点と前記内側接続点とを結ぶ連結線上に位置する原点Ｏと、前記連結線上に配置されたＺ軸と、このＺ軸に直交するＸ軸と、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸の双方に直交するＹ軸と、を有するＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、前記外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの少なくとも一方を検出する検出機能と、を有し、
前記演算手段は、前記ｎ組の基本センサのそれぞれが検出した検出値を用いた演算を行うことにより、前記外側構造体および前記内側構造体について、一方を固定した状態において他方に作用した力もしくはモーメントまたはその双方を検出し、
前記内側構造体が、少なくともその一部が前記外側構造体の内部に収容された柱状の構造体によって構成され、各基本センサが、前記外側構造体の内周面上の外側接続点と前記柱状の構造体の外周面上の内側接続点とを連結し、
前記内側構造体が、正方形の断面をもつ四角錐によって構成され、
この四角錐の各側面にそれぞれ前記内側接続点が設けられ、４組の基本センサが、それぞれ前記各内側接続点と前記外側構造体の対向位置に設けられた外側接続点とを連結する連結機能を有することを特徴とする力覚センサ。
【請求項８】
請求項６または７に記載の力覚センサにおいて、
外側接続点と内側接続点とを結ぶ連結線が、内側構造体を構成する柱状の構造体の外面に対して直交するように、各基本センサが配置されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項９】
内部に収容空間を有する外側構造体と、
少なくとも一部が前記収容空間内に収容された内側構造体と、
複数ｎ組（但し、ｎ≧３）の基本センサと、
前記ｎ組の基本センサの出力に基づいて演算を行う演算手段と、
を備え、
前記ｎ組の基本センサのそれぞれは、
前記外側構造体の所定位置に設けられた外側接続点と前記内側構造体の所定位置に設けられた内側接続点とを直接もしくは間接的に連結する連結機能と、
前記外側接続点および前記内側接続点のうちの一方を固定した状態において他方に作用する外力に基づいて、前記外側接続点と前記内側接続点との相対位置関係が変化するように弾性変形する変形機能と、
前記外側接続点と前記内側接続点とを結ぶ連結線上に位置する原点Ｏと、前記連結線上に配置されたＺ軸と、このＺ軸に直交するＸ軸と、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸の双方に直交するＹ軸と、を有するＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、前記外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘおよびＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの少なくとも一方を検出する検出機能と、を有し、
前記演算手段は、前記ｎ組の基本センサのそれぞれが検出した検出値を用いた演算を行うことにより、前記外側構造体および前記内側構造体について、一方を固定した状態において他方に作用した力もしくはモーメントまたはその双方を検出し、
前記内側構造体の内部に定義された原点Ｑにおいて互いに直交するα軸，β軸，γ軸を有するαβγ三次元直交座標系を定義したときに、
各基本センサについてそれぞれ定義されたＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸が、前記原点Ｑを通る方向に定義されており、
前記演算手段は、前記α軸方向に作用した力成分Ｆα、前記β軸方向に作用した力成分Ｆβ、前記γ軸方向に作用した力成分Ｆγ、前記α軸まわりに作用したモーメント成分Ｍα、前記β軸まわりに作用したモーメント成分Ｍβ、前記γ軸まわりに作用したモーメント成分Ｍγの少なくとも１成分を検出し、
各基本センサについて定義された各Ｚ軸が、αβ平面に対して傾斜角θをなす方向を向き、各基本センサについて定義された各Ｙ軸が、γ軸に対して傾斜角θをなす方向を向くように、各基本センサが配置されてい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、
外側構造体が、内側構造体の全部もしくは一部を内部に収容する筒状の構造体によって構成され、
前記外側構造体を、その中心軸が上下方向を向くように配置したときに、前記外側構造体の下方開口部を覆う底板部材と、この底板部材の上面に固定された回路基板と、を更に備え、演算手段が、前記回路基板上に形成された演算回路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１１】
請求項１〜５のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
内側構造体の内部に定義された原点Ｑにおいて互いに直交するα軸，β軸，γ軸を有するαβγ三次元直交座標系を定義したときに、
各基本センサについてそれぞれ定義されたＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸が、前記原点Ｑを通る方向に定義されており、
演算手段は、前記α軸方向に作用した力成分Ｆα、前記β軸方向に作用した力成分Ｆβ、前記γ軸方向に作用した力成分Ｆγ、前記α軸まわりに作用したモーメント成分Ｍα、前記β軸まわりに作用したモーメント成分Ｍβ、前記γ軸まわりに作用したモーメント成分Ｍγの少なくとも１成分を検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の力覚センサにおいて、
各基本センサのそれぞれについて定義された各Ｘ軸および各Ｚ軸が、αβ平面に含まれる軸となり、各基本センサのそれぞれについて定義された各Ｙ軸が、γ軸に平行になるように定義されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の力覚センサにおいて、
各Ｚ軸が互いに１２０°をなすように配置された３組の基本センサを備える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、
αβ平面上において、α軸の方向を０°、β軸の方向を９０°とする方位角を定義し、更に、方位角２１０°の方向を向いたδ軸と、方位角３３０°の方向を向いたε軸と、を定義したときに、
第１の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がβ軸負方向に一致し、第２の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がδ軸負方向に一致し、第３の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がε軸負方向に一致するように、互いに検出感度が等しい３組の基本センサが配置されており、
演算手段が、前記第１の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ１、前記第１の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ１、前記第２の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ２、前記第２の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ２、前記第３の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ３、前記第３の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ３としたときに、所定の係数値Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ１３，Ｋ１４，Ｋ１５，Ｋ１６を用いた
Ｆα＝Ｋ１１（−Ｍｙ１＋１／２・Ｍｙ２＋１／２・Ｍｙ３）
Ｆβ＝Ｋ１２（−√３／２・Ｍｙ２＋√３／２・Ｍｙ３）
Ｆγ＝Ｋ１３（Ｍｘ１＋Ｍｘ２＋Ｍｘ３）
Ｍα＝Ｋ１４（Ｍｘ１−１／２・Ｍｘ２−１／２・Ｍｘ３）
Ｍβ＝Ｋ１５（√３／２・Ｍｘ２−√３／２・Ｍｘ３）
Ｍγ＝Ｋ１６（Ｍｙ１＋Ｍｙ２＋Ｍｙ３）
なる演算を行うことにより、力成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγおよびモーメント成分Ｍα，Ｍβ，Ｍγの６成分を検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１５】
請求項１２に記載の力覚センサにおいて、
各Ｚ軸が互いに９０°をなすように配置された４組の基本センサを備えることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の力覚センサにおいて、
第１の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がβ軸負方向に一致し、第２の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がα軸正方向に一致し、第３の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がβ軸正方向に一致し、第４の基本センサについて定義されたＺ軸正方向がα軸負方向に一致するように、互いに検出感度が等しい４組の基本センサが配置されており、
演算手段が、前記第１の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ１、前記第１の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ１、前記第２の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ２、前記第２の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ２、前記第３の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ３、前記第３の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ３、前記第４の基本センサが検出したＸ軸まわりのモーメント成分をＭｘ４、前記第４の基本センサが検出したＹ軸まわりのモーメント成分をＭｙ４としたときに、所定の係数値Ｋ２１，Ｋ２２，Ｋ２３，Ｋ２４，Ｋ２５，Ｋ２６を用いた
Ｆα＝Ｋ２１（−Ｍｙ１＋Ｍｙ３）
Ｆβ＝Ｋ２２（−Ｍｙ２＋Ｍｙ４）
Ｆγ＝Ｋ２３（Ｍｘ１＋Ｍｘ２＋Ｍｘ３＋Ｍｘ４）
Ｍα＝Ｋ２４（Ｍｘ１−Ｍｘ３）
Ｍβ＝Ｋ２５（Ｍｘ２−Ｍｘ４）
Ｍγ＝Ｋ２６（Ｍｙ１＋Ｍｙ２＋Ｍｙ３＋Ｍｙ４）
なる演算を行うことにより、力成分Ｆα，Ｆβ，Ｆγおよびモーメント成分Ｍα，Ｍβ，Ｍγの６成分を検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
各基本センサが、作用した外力を受ける受力体と、この受力体が受けた力に基づいて変形するダイアフラム部を有する起歪体と、前記受力体と前記ダイアフラム部とを接続する接続部材と、前記ダイアフラム部の歪みを検出する検出素子と、前記検出素子の検出結果に基づいてモーメント成分ＭｘおよびＭｙの少なくとも一方を電気信号として出力する検出回路と、を備えることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の力覚センサにおいて、
検出素子として、ダイアフラム部の歪みを抵抗値の変化として検出するピエゾ抵抗素子を用いたことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の力覚センサにおいて、
起歪体が、ＸＹ平面に平行な上面および下面をもった板状部材によって構成され、前記起歪体の上面の中央部に定義された検出用領域には、下面側に向かって検出用溝が形成されており、この検出用溝の底部によってダイアフラム部が形成され、この検出用溝の周囲には側壁部が形成され、前記ダイアフラム部の下面と前記側壁部の下面とは同一平面上に位置し、
前記受力体は、前記起歪体の下方に所定間隔をおいて配置され、
前記接続部材は、Ｚ軸上に配置された柱状部材によって構成され、その上端は前記ダイアフラム部の下面中央部に接続され、その下端は前記受力体の上面中央部に接続されており、
ＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｏの位置に配置され、ダイアフラム部に接合された歪検出基板を更に有し、前記歪検出基板は、上面および下面がＸＹ平面に平行な面をなし、前記検出用溝の底面に前記ダイアフラム部の変形によって生じる応力が伝達されるように接合され、
ピエゾ抵抗素子は、前記歪検出基板の上面の所定箇所に形成されており、
検出回路は、前記ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化に基づいて、モーメント成分ＭｘもしくはＭｙまたはその双方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１７に記載の力覚センサにおいて、
検出素子として、ダイアフラム部の変位を静電容量値の変化として検出する静電容量素子を用いたことを特徴とする力覚センサ。