(57)【要約】  本発明の力覚センサは、ＸＹ平面上に配置された支持体と、支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、支持体上に配置された固定電極と、固定電極に対向するように変形体の変形部に設けられ、固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、容量素子の静電容量値の変動量に基づいて作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、を備えている。容量素子は、第１容量素子と第２容量素子とを有し、検出回路は、第１容量素子の静電容量値に相当する第１電気信号、第２容量素子の静電容量値に相当する第２電気信号、及び、第１容量素子の静電容量値と第２容量素子の静電容量値との和に相当する合算電気信号、に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
2017212618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及び前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記容量素子は、Ｚ軸方向から見て当該Ｚ軸を含む領域に配置された第１容量素子と、第２容量素子と、を有し、
前記検出回路は、前記第１容量素子の静電容量値に相当する第１電気信号、前記第２容量素子の静電容量値に相当する第２電気信号、及び、前記第１容量素子の静電容量値と前記第２容量素子の静電容量値との和に相当する合算電気信号、を作用した力を示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号または前記第２電気信号と前記合算電気信号とに基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
前記第２容量素子は、前記第１容量素子を取り囲むように配置されている
ことを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
【請求項３】
前記第１容量素子は、Ｚ軸方向から見て円盤状の形状を有し、
前記第２容量素子は、Ｚ軸方向から見て円環状の形状を有する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の力覚センサ。
【請求項４】
前記変位電極は、第１変位電極と第２変位電極とを有し、
前記固定電極は、前記第１変位電極に対向して配置された第１固定電極と、前記第２変位電極に対向して配置された第２固定電極と、を有し、
前記第１容量素子は、前記第１変位電極と前記第１固定電極とによって構成され、
前記第２容量素子は、前記第２変位電極と前記第２固定電極とによって構成される
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項５】
Ｚ軸方向の力が作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１及び第２容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１固定電極及び前記第１変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第２固定電極及び前記第２変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
ことを特徴とする請求項４に記載の力覚センサ。
【請求項６】
前記第１及び第２固定電極が共通の電極で構成されているか、または、前記第１及び第２変位電極が共通の電極で構成されている
ことを特徴とする請求項４または５に記載の力覚センサ。
【請求項７】
作用したＺ軸方向の力が前記合算電気信号に基づいて計測される
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項８】
前記検出回路は、「前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第１電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、の少なくとも一方」が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項９】
前記検出回路は、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との双方を、作用した力を示す電気信号として出力し、
「前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第１電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、の少なくとも一方」、並びに、「前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差」、が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項１０】
ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向及びＸ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及び前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、当該第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び当該第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
前記検出回路は、「前記第１及び第３容量素子の各静電容量値の和と、前記第２及び第４容量素子の各静電容量値の和と、の差」に相当する第１電気信号、並びに、「前記第１容量素子の静電容量値と前記第２容量素子の静電容量値との差」に相当する第２電気信号、及び、「前記第３容量素子の静電容量値と前記第４容量素子の静電容量値との差」に相当する第３電気信号、の少なくとも一方、を作用したＸ軸方向の力を示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号または前記第３電気信号とに基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１１】
前記検出回路は、「前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第３電気信号に基づいて計測された力との差、のうち少なくとも一方」が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１０に記載の力覚センサ。
【請求項１２】
前記検出回路は、
前記第２電気信号と前記第３電気信号との双方を、作用した力を示す電気信号として出力し、
「前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第３電気信号に基づいて計測された力との差、のうち少なくとも一方」、並びに、「前記第２電気信号に基づいて計測された力と前記第３電気信号に基づいて計測された力との差」、が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１０に記載の力覚センサ。
【請求項１３】
作用したＸ軸方向の力が前記第１電気信号に基づいて計測される
ことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項１４】
ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向及びＸ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及び前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、当該第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び当該第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
前記検出回路は、「前記第１及び第２容量素子の各静電容量値の和」に相当する第１電気信号、及び、「前記第３及び第４容量素子の各静電容量値の和」に相当する第２電気信号」、のうち少なくとも一方、並びに、「前記第１〜第４容量素子の各静電容量値の和」に相当する合算電気信号、を作用したＺ軸方向の力を示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号または前記第２電気信号と前記合算電気信号とに基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１５】
前記検出回路は、「前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第１電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、のうち少なくとも一方」が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１４に記載の力覚センサ。
【請求項１６】
前記検出回路は、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との双方を、作用した力を示す電気信号として出力し、
「前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第１電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、のうち少なくとも一方」、並びに、「前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差」、が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１４に記載の力覚センサ。
【請求項１７】
作用したＺ軸方向の力が前記合算電気信号に基づいて計測される
ことを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項１８】
前記第３容量素子は、前記第１容量素子のＸ軸負側に配置され、
前記第４容量素子は、前記第２容量素子のＸ軸正側に配置される
ことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項１９】
前記変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１変位電極及びＸ軸正側の第２変位電極と、当該第１変位電極のＸ軸負側に配置された第３変位電極及び当該第２変位電極のＸ軸正側に配置された第４変位電極と、を有し、
前記固定電極は、前記第１変位電極に対向して配置された第１固定電極と、前記第２変位電極に対向して配置された第２固定電極と、前記第３変位電極に対向して配置された第３固定電極と、前記第４変位電極に対向して配置された第４固定電極と、を有し、
前記第１容量素子は、前記第１変位電極と前記第１固定電極とによって構成され、
前記第２容量素子は、前記第２変位電極と前記第２固定電極とによって構成され、
前記第３容量素子は、前記第３変位電極と前記第３固定電極とによって構成され、
前記第４容量素子は、前記第４変位電極と前記第４固定電極とによって構成される
ことを特徴とする請求項１０乃至１８のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項２０】
前記第１固定電極及び前記第１変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第２固定電極及び前記第２変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第３固定電極及び前記第３変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１固定電極及び前記第１変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第４固定電極及び前記第４変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第２固定電極及び前記第２変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極である
ことを特徴とする請求項１９に記載の力覚センサ。
【請求項２１】
Ｘ軸方向及び／またはＺ軸方向の力が作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第４容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１固定電極及び前記第１変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第２固定電極及び前記第２変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第３固定電極及び前記第３変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第４固定電極及び前記第４変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
ことを特徴とする請求項１９または２０に記載の力覚センサ。
【請求項２２】
前記第１〜第４固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第４変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されている
ことを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項２３】
ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントを検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる４つの第１変形部を有する第１変形体と、
前記第１変形体の各変形部に対応して前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記第１変形体の前記４つの第１変形部にそれぞれ設けられ、固定電極との間で４組の容量素子を構成する変位電極と、
前記第１変形体に関して前記支持体とは反対側で当該第１変形体と対向し、前記４つの第１変形部に対向するように配置された４つの第２変形部を有する第２変形体と、
各第１変形部と当該第１変形部に対応する前記第２変形部とを連結する連結部材と、
前記４組の容量素子の各静電容量値の変動量に基づいて、前記第２変形体及び前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と
を備え、
前記４組の容量素子のうち第１組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸正側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、前記第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び前記第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
前記４組の容量素子のうち第２組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸正側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸正側の第５容量素子及びＹ軸負側の第６容量素子と、前記第５容量素子の近傍に配置された第７容量素子及び前記第６容量素子の近傍に配置された第８容量素子と、を有し、
前記４組の容量素子のうち第３組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸負側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸正側の第９容量素子及びＸ軸負側の第１０容量素子と、前記第９容量素子の近傍に配置された第１１容量素子及び前記第１０容量素子の近傍に配置された第１２容量素子と、を有し、
前記４組の容量素子のうち第４組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸負側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸負側の第１３容量素子及びＹ軸正側の第１４容量素子と、前記第１３容量素子の近傍に配置された第１５容量素子及び前記第１４容量素子の近傍に配置された第１６容量素子と、を有し、
前記検出回路は、「前記第１〜第１６容量素子の各静電容量値の変動量に基づいて検出される各軸方向の力及び各軸まわりのモーメント」と、「前記第１、第２、第５、第６、第９、第１０、第１３及び第１４容量素子の各静電容量値の変動量に基づいて検出される各軸方向の力及び各軸まわりのモーメント」及び「前記第３、第４、第７、第８、第１１、第１２、第１５及び第１６容量素子の各静電容量値の変動量に基づいて検出される各軸方向の力及び各軸まわりのモーメント」のうち少なくとも一方と、に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２４】
前記第３容量素子は、前記第１容量素子のＸ軸負側に配置されており、
前記第４容量素子は、前記第２容量素子のＸ軸正側に配置されており、
前記第７容量素子は、前記第５容量素子のＹ軸正側に配置されており、
前記第８容量素子は、前記第６容量素子のＹ軸負側に配置されており、
前記第１１容量素子は、前記第９容量素子のＸ軸正側に配置されており、
前記第１２容量素子は、前記第１０容量素子のＸ軸負側に配置されており、
前記第１５容量素子は、前記第１３容量素子のＹ軸負側に配置されており、
前記第１６容量素子は、前記第１４容量素子のＹ軸正側に配置されている
ことを特徴とする請求項２３に記載の力覚センサ。
【請求項２５】
前記変位電極は、Ｚ軸方向から見て、原点まわりに９０°毎に配置された４組の変位電極を有しており、
前記４組の変位電極のうち第１組の変位電極は、Ｙ軸正側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１変位電極及びＸ軸正側の第２変位電極と、前記第１変位電極の近傍に配置された第３変位電極及び前記第２変位電極の近傍に配置された第４変位電極と、を有し、
前記４組の変位電極のうち第２組の変位電極は、Ｘ軸正側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸正側の第５変位電極及びＹ軸負側の第６変位電極と、前記第５変位電極の近傍に配置された第７変位電極及び前記第６変位電極の近傍に配置された第８変位電極と、を有し、
前記４組の変位電極のうち第３組の変位電極は、Ｙ軸負側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸正側の第９変位電極及びＸ軸負側の第１０変位電極と、前記第９変位電極の近傍に配置された第１１変位電極及び前記第１０変位電極の近傍に配置された第１２変位電極と、を有し、
前記４組の変位電極のうち第４組の変位電極は、Ｘ軸負側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸負側の第１３変位電極及びＹ軸正側の第１４変位電極と、前記第１３容量素子の近傍に配置された第１５変位電極及び前記第１４変位電極の近傍に配置された第１６変位電極と、を有し、
前記固定電極は、前記第１変位電極に対向して配置された第１固定電極と、前記第２変位電極に対向して配置された第２固定電極と、前記第３変位電極に対向して配置された第３固定電極と、前記第４変位電極に対向して配置された第４固定電極と、前記第５変位電極に対向して配置された第５固定電極と、前記第６変位電極に対向して配置された第６固定電極と、前記第７変位電極に対向して配置された第７固定電極と、前記第８変位電極に対向して配置された第８固定電極と、前記第９変位電極に対向して配置された第９固定電極と、前記第１０変位電極に対向して配置された第１０固定電極と、前記第１１変位電極に対向して配置された第１１固定電極と、前記第１２変位電極に対向して配置された第１２固定電極と、前記第１３変位電極に対向して配置された第１３固定電極と、前記第１４変位電極に対向して配置された第１４固定電極と、前記第１５変位電極に対向して配置された第１５固定電極と、前記第１６変位電極に対向して配置された第１６固定電極と、を有し、
前記第１容量素子は、前記第１変位電極と前記第１固定電極とによって構成され、
前記第２容量素子は、前記第２変位電極と前記第２固定電極とによって構成され、
前記第３容量素子は、前記第３変位電極と前記第３固定電極とによって構成され、
前記第４容量素子は、前記第４変位電極と前記第４固定電極とによって構成され、
前記第５容量素子は、前記第５変位電極と前記第５固定電極とによって構成され、
前記第６容量素子は、前記第６変位電極と前記第６固定電極とによって構成され、
前記第７容量素子は、前記第７変位電極と前記第７固定電極とによって構成され、
前記第８容量素子は、前記第８変位電極と前記第８固定電極とによって構成され、
前記第９容量素子は、前記第９変位電極と前記第９固定電極とによって構成され、
前記第１０容量素子は、前記第１０変位電極と前記第１０固定電極とによって構成され、
前記第１１容量素子は、前記第１１変位電極と前記第１１固定電極とによって構成され、
前記第１２容量素子は、前記第１２変位電極と前記第１２固定電極とによって構成され、
前記第１３容量素子は、前記第１３変位電極と前記第１３固定電極とによって構成され、
前記第１４容量素子は、前記第１４変位電極と前記第１４固定電極とによって構成され、
前記第１５容量素子は、前記第１５変位電極と前記第１５固定電極とによって構成され、
前記第１６容量素子は、前記第１６変位電極と前記第１６固定電極とによって構成される
ことを特徴とする請求項２３または２４に記載の力覚センサ。
【請求項２６】
前記第１固定電極及び前記第１変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第２固定電極及び前記第２変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第３固定電極及び前記第３変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１固定電極及び前記第１変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第４固定電極及び前記第４変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第２固定電極及び前記第２変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第５固定電極及び前記第５変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第６固定電極及び前記第６変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第７固定電極及び前記第７変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第５固定電極及び前記第５変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第８固定電極及び前記第８変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第６固定電極及び前記第６変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第９固定電極及び前記第９変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第１０固定電極及び前記第１０変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第１１固定電極及び前記第１１変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第９固定電極及び前記第９変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第１２固定電極及び前記第１２変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１０固定電極及び前記第１０変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第１３固定電極及び前記第１３変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第１４固定電極及び前記第１４変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第１５固定電極及び前記第１５変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１３固定電極及び前記第１３変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第１６固定電極及び前記第１６変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１４固定電極及び前記第１４変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極である
ことを特徴とする請求項２５に記載の力覚センサ。
【請求項２７】
ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第１６容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１固定電極及び前記第１変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第２固定電極及び前記第２変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第３固定電極及び前記第３変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第４固定電極及び前記第４変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第５固定電極及び前記第５変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第６固定電極及び前記第６変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第７固定電極及び前記第７変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第８固定電極及び前記第８変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第９固定電極及び前記第９変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１０固定電極及び前記第１０変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１１固定電極及び前記第１１変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１２固定電極及び前記第１２変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１３固定電極及び前記第１３変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１４固定電極及び前記第１４変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１５固定電極及び前記第１５変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１６固定電極及び前記第１６変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
ことを特徴とする請求項２５または２６に記載の力覚センサ。
【請求項２８】
前記第１〜第１６固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第１６変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されている
ことを特徴とする請求項２５乃至２７のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項２９】
前記４組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、原点から等距離に配置されている
ことを特徴とする請求項２３乃至２８のいずれかに記載の力覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサに関し、特に、所定の軸方向に作用した力及び所定の回転軸まわりに作用したトルクを電気信号として出力する機能をもったセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
所定の軸方向に作用した力及び所定の回転軸まわりに作用したトルクを電気信号として出力する機能をもった力覚センサは、例えば特許文献１に記載されており、産業用ロボットの力制御に広く利用されている。近年では、生活支援ロボットへも採用されており、高い安全性が求められている。しかしながら、例えば、現状の静電容量タイプの力覚センサにおいては、機構部、静電容量の検出部（力の検出部）、マイコンを含む電子回路を備えているが、結露、衝撃、過負荷、あるいは当該静電容量を提供する一対の平行平板間に異物が混入することによって、故障してしまう可能性がある。【０００３】
力覚センサが故障しているか否かを判断する簡便な方法としては、例えば引用文献１に記載されている力覚センサを複数（例えば３つ）並列に並べ、各力覚センサの出力信号の差を評価すればよい。この方法では、３つの出力信号を２つずつ比較し、各２つの力覚センサの出力信号の差が所定の範囲内に存在していれば当該力覚センサは正常に機能していると判断され、一方で当該差が所定の範囲内に存在していなければ、当該力覚センサは正常に機能していない（故障している）と判断される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３５４０４９号公報
【０００５】
しかしながら、複数の力覚センサを用いて当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判断する方法を採用した場合、力覚センサの個数に応じてコストが増大してしまう。更に、力覚センサを設置するために必要なスペースも増大してしまい、問題である。【０００６】
本発明は、以上のような問題に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、コスト及び設置スペースを最小化しつつ、故障の判定（正常に機能しているか否かの判定）が可能な力覚センサを提供することである。
【発明の開示】
【０００７】
本発明の力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の力を検出するものであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及び前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記容量素子は、Ｚ軸方向から見て当該Ｚ軸を含む領域に配置された第１容量素子と、第２容量素子と、を有し、
前記検出回路は、前記第１容量素子の静電容量値に相当する第１電気信号、前記第２容量素子の静電容量値に相当する第２電気信号、及び、前記第１容量素子の静電容量値と前記第２容量素子の静電容量値との和に相当する合算電気信号、を作用した力を示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号または前記第２電気信号と前記合算電気信号とに基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
【０００８】
本発明によれば、第１電気信号または第２電気信号と合算電気信号とに基づいて計測される力を互いに比較することができるため、力覚センサが正常に機能しているか否かを当該力覚センサ自身で判断することができる。このため、複数の力覚センサを使用することなく、すなわちコスト及び設置スペースを最小化しつつ、故障の判定（正常に機能しているか否かの判定）が可能な力覚センサを提供することができる。
【０００９】
好ましくは、前記第２容量素子は、前記第１容量素子を取り囲むように配置されている。特には、前記第１容量素子は、Ｚ軸方向から見て円盤状の形状を有し、前記第２容量素子は、Ｚ軸方向から見て円環状の形状を有している。
【００１０】
この場合、各容量素子が対称的な形状を有しているため、各容量素子の静電容量値の変動に基づいて検出対象の力を計測するための処理が容易である。
【００１１】
各容量素子を構成する変位電極及び固定電極には種々の態様が考えられる。一例として、前記変位電極は、第１変位電極と第２変位電極とを有し、
前記固定電極は、前記第１変位電極に対向して配置された第１固定電極と、前記第２変位電極に対向して配置された第２固定電極と、を有し、
前記第１容量素子は、前記第１変位電極と前記第１固定電極とによって構成され、
前記第２容量素子は、前記第２変位電極と前記第２固定電極とによって構成される。
【００１２】
この場合、Ｚ軸方向の力が作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１及び第２容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１固定電極及び前記第１変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第２固定電極及び前記第２変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定することが好ましい。
【００１３】
以上の力覚センサにおいて、前記第１及び第２固定電極が共通の電極で構成されているか、または、前記第１及び第２変位電極が共通の電極で構成されていても良い。
【００１４】
好ましくは、前記第１容量素子は、Ｚ軸方向から見て円盤状の形状を有し、
前記第２容量素子は、Ｚ軸方向から見て前記第１容量素子を取り囲む円環状の形状を有している。
【００１５】
この場合、各容量素子が対称的な形状を有しているため、各容量素子の静電容量値の変動に基づいて検出対象の力を計測するための処理が容易である。
【００１６】
また、作用したＺ軸方向の力は、前記合算電気信号に基づいて計測されることが好ましい。合算電気信号は、第１及び第２電気信号と比較して、力の計測に用いられる静電容量値（電極面積）が大きいため、静電容量値の変化も大きく、Ｓ／Ｎの点からも有利である。
【００１７】
好ましくは、前記検出回路は、「前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第１電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、の少なくとも一方」が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
【００１８】
より好ましくは、 前記検出回路は、前記第１電気信号と前記第２電気信号との双方を、作用した力を示す電気信号として出力し、「前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第１電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、の少なくとも一方」、並びに、「前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差」、が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
【００１９】
これらの場合、力覚センサが正常に機能しているか否かを確実に判定することができる。
【００２０】
あるいは、本発明の力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向及びＸ軸方向の力を検出するものであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及び前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、当該第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び当該第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
前記検出回路は、「前記第１及び第３容量素子の各静電容量値の和と、前記第２及び第４容量素子の各静電容量値の和と、の差」に相当する第１電気信号、並びに、「前記第１容量素子の静電容量値と前記第２容量素子の静電容量値との差」に相当する第２電気信号、及び、「前記第３容量素子の静電容量値と前記第４容量素子の静電容量値との差」に相当する第３電気信号、の少なくとも一方、を作用したＸ軸方向の力を示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号または前記第３電気信号とに基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
【００２１】
本発明によれば、第１電気信号と第２電気信号または第３電気信号とに基づいて計測される力を互いに比較することができるため、力覚センサが正常に機能しているか否かを当該力覚センサ自身で判断することができる。このため、複数の力覚センサを使用することなく、すなわちコスト及び設置スペースを最小化しつつ、故障の判定（正常に機能しているか否かの判定）が可能な力覚センサを提供することができる。
【００２２】
好ましくは、前記検出回路は、「前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第３電気信号に基づいて計測された力との差、のうち少なくとも一方」が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
【００２３】
より好ましくは、前記検出回路は、前記第２電気信号と前記第３電気信号との双方を、作用した力を示す電気信号として出力し、「前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第３電気信号に基づいて計測された力との差、のうち少なくとも一方」、並びに、「前記第２電気信号に基づいて計測された力と前記第３電気信号に基づいて計測された力との差」、が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
【００２４】
これらの場合、力覚センサが正常に機能しているか否かを確実に判定することができる。
【００２５】
また、作用したＸ軸方向の力は、前記第１電気信号に基づいて計測されることが好ましい。第１電気信号は、第２及び第３電気信号と比較して、力の計測に用いられる静電容量値（電極面積）が大きいため、静電容量値の変化も大きく、Ｓ／Ｎの点からも有利である。
【００２６】
あるいは、本発明による力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向及びＸ軸方向の力を検出するものであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及び前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、当該第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び当該第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
前記検出回路は、「前記第１及び第２容量素子の各静電容量値の和」に相当する第１電気信号、及び、「前記第３及び第４容量素子の各静電容量値の和」に相当する第２電気信号」、のうち少なくとも一方、並びに、「前記第１〜第４容量素子の各静電容量値の和」に相当する合算電気信号、を作用したＺ軸方向の力を示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号または前記第２電気信号と前記合算電気信号とに基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
【００２７】
本発明によれば、第１電気信号または第２電気信号と合算電気信号とに基づいて計測される力を互いに比較することができるため、力覚センサが正常に機能しているか否かを当該力覚センサ自身で判断することができる。このため、複数の力覚センサを使用することなく、すなわちコスト及び設置スペースを最小化しつつ、故障の判定（正常に機能しているか否かの判定）が可能な力覚センサを提供することができる。
【００２８】
好ましくは、前記検出回路は、「前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第１電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、のうち少なくとも一方」が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
【００２９】
より好ましくは、前記検出回路は、前記第１電気信号と前記第２電気信号との双方を、作用した力を示す電気信号として出力し、「前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第１電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、のうち少なくとも一方」、並びに、「前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差」、が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
【００３０】
これらの場合、力覚センサが正常に機能しているか否かを確実に判定することができる。
【００３１】
また、作用したＺ軸方向の力は、前記合算電気信号に基づいて計測されることが好ましい。合算電気信号は、第１及び第２電気信号と比較して、力の計測に用いられる静電容量値（電極面積）が大きいため、静電容量値の変化も大きく、Ｓ／Ｎの点からも有利である。
【００３２】
好ましくは、前記第３容量素子は、前記第１容量素子のＸ軸負側に配置され、
前記第４容量素子は、前記第２容量素子のＸ軸正側に配置される。
【００３３】
この場合、第１〜第４容量素子が対称的に配置されるため、各容量素子の静電容量値の変動に基づいて検出対象の力を計測するための処理が容易である。
【００３４】
各容量素子を構成する変位電極及び固定電極には種々の態様が考えられる。一例として、前記変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１変位電極及びＸ軸正側の第２変位電極と、当該第１変位電極のＸ軸負側に配置された第３変位電極及び当該第２変位電極のＸ軸正側に配置された第４変位電極と、を有し、
前記固定電極は、前記第１変位電極に対向して配置された第１固定電極と、前記第２変位電極に対向して配置された第２固定電極と、前記第３変位電極に対向して配置された第３固定電極と、前記第４変位電極に対向して配置された第４固定電極と、を有し、
前記第１容量素子は、前記第１変位電極と前記第１固定電極とによって構成され、
前記第２容量素子は、前記第２変位電極と前記第２固定電極とによって構成され、
前記第３容量素子は、前記第３変位電極と前記第３固定電極とによって構成され、
前記第４容量素子は、前記第４変位電極と前記第４固定電極とによって構成されている。
【００３５】
この場合、例えば、前記第１固定電極及び前記第１変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第２固定電極及び前記第２変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第３固定電極及び前記第３変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１固定電極及び前記第１変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第４固定電極及び前記第４変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第２固定電極及び前記第２変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極である。
【００３６】
この場合、各容量素子が対称的な形状を有するため、各容量素子の静電容量値の変動に基づいて検出対象の力を計測するための処理が容易である。
【００３７】
この場合、Ｘ軸方向及び／またはＺ軸方向の力が作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第４容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１固定電極及び前記第１変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第２固定電極及び前記第２変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第３固定電極及び前記第３変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第４固定電極及び前記第４変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定することが好ましい。
【００３８】
以上の力覚センサにおいて、前記第１〜第４固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第４変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されていても良い。
【００３９】
あるいは、本発明による力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントを検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる４つの第１変形部を有する第１変形体と、
前記第１変形体の各変形部に対応して前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記第１変形体の前記４つの第１変形部にそれぞれ設けられ、固定電極との間で４組の容量素子を構成する変位電極と、
前記第１変形体に関して前記支持体とは反対側で当該第１変形体と対向し、前記４つの第１変形部に対向するように配置された４つの第２変形部を有する第２変形体と、
各第１変形部と当該第１変形部に対応する前記第２変形部とを連結する連結部材と、
前記４組の容量素子の各静電容量値の変動量に基づいて、前記第２変形体及び前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記４組の容量素子のうち第１組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸正側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、前記第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び前記第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
前記４組の容量素子のうち第２組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸正側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸正側の第５容量素子及びＹ軸負側の第６容量素子と、前記第５容量素子の近傍に配置された第７容量素子及び前記第６容量素子の近傍に配置された第８容量素子と、を有し、
前記４組の容量素子のうち第３組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸負側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸正側の第９容量素子及びＸ軸負側の第１０容量素子と、前記第９容量素子の近傍に配置された第１１容量素子及び前記第１０容量素子の近傍に配置された第１２容量素子と、を有し、
前記４組の容量素子のうち第４組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸負側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸負側の第１３容量素子及びＹ軸正側の第１４容量素子と、前記第１３容量素子の近傍に配置された第１５容量素子及び前記第１４容量素子の近傍に配置された第１６容量素子と、を有し、
前記検出回路は、「前記第１〜第１６容量素子の各静電容量値の変動量に基づいて検出される各軸方向の力及び各軸まわりのモーメント」と、「前記第１、第２、第５、第６、第９、第１０、第１３及び第１４容量素子の各静電容量値の変動量に基づいて検出される各軸方向の力及び各軸まわりのモーメント」及び「前記第３、第４、第７、第８、第１１、第１２、第１５及び第１６容量素子の各静電容量値の変動量に基づいて検出される各軸方向の力及び各軸まわりのモーメント」のうち少なくとも一方と、に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
【００４０】
本発明によれば、全ての容量素子を用いて計測された力及びモーメントと、一部の容量素子を用いて計測された力及びモーメントと、を互いに比較することができるため、力覚センサが正常に機能しているか否かを当該力覚センサ自身で判断することができる。このため、複数の力覚センサを使用することなく、すなわちコスト及び設置スペースを最小化しつつ、故障の判定（正常に機能しているか否かの判定）が可能な力覚センサを提供することができる。
【００４１】
好ましくは、前記第３容量素子は、前記第１容量素子のＸ軸負側に配置されており、
前記第４容量素子は、前記第２容量素子のＸ軸正側に配置されており、
前記第７容量素子は、前記第５容量素子のＹ軸正側に配置されており、
前記第８容量素子は、前記第６容量素子のＹ軸負側に配置されており、
前記第１１容量素子は、前記第９容量素子のＸ軸正側に配置されており、
前記第１２容量素子は、前記第１０容量素子のＸ軸負側に配置されており、
前記第１５容量素子は、前記第１３容量素子のＹ軸負側に配置されており、
前記第１６容量素子は、前記第１４容量素子のＹ軸正側に配置されている
この場合、第１〜第１６容量素子が対称的に配置されるため、各容量素子の静電容量値の変動に基づいて検出対象の力を計測するための処理が容易である。
【００４２】
各容量素子を構成する変位電極及び固定電極には種々の態様が考えられる。一例として、前記変位電極は、Ｚ軸方向から見て原点まわりに９０°毎に配置された４組の変位電極を有しており、
前記４組の変位電極のうち第１組の変位電極は、Ｙ軸正側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１変位電極及びＸ軸正側の第２変位電極と、前記第１変位電極の近傍に配置された第３変位電極及び前記第２変位電極の近傍に配置された第４変位電極と、を有し、
前記４組の変位電極のうち第２組の変位電極は、Ｘ軸正側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸正側の第５変位電極及びＹ軸負側の第６変位電極と、前記第５変位電極の近傍に配置された第７変位電極及び前記第６変位電極の近傍に配置された第８変位電極と、を有し、
前記４組の変位電極のうち第３組の変位電極は、Ｙ軸負側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸正側の第９変位電極及びＸ軸負側の第１０変位電極と、前記第９変位電極の近傍に配置された第１１変位電極及び前記第１０変位電極の近傍に配置された第１２変位電極と、を有し、
前記４組の変位電極のうち第４組の変位電極は、Ｘ軸負側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸負側の第１３変位電極及びＹ軸正側の第１４変位電極と、前記第１３容量素子の近傍に配置された第１５変位電極及び前記第１４変位電極の近傍に配置された第１６変位電極と、を有し、
前記固定電極は、前記第１変位電極に対向して配置された第１固定電極と、前記第２変位電極に対向して配置された第２固定電極と、前記第３変位電極に対向して配置された第３固定電極と、前記第４変位電極に対向して配置された第４固定電極と、前記第５変位電極に対向して配置された第５固定電極と、前記第６変位電極に対向して配置された第６固定電極と、前記第７変位電極に対向して配置された第７固定電極と、前記第８変位電極に対向して配置された第８固定電極と、前記第９変位電極に対向して配置された第９固定電極と、前記第１０変位電極に対向して配置された第１０固定電極と、前記第１１変位電極に対向して配置された第１１固定電極と、前記第１２変位電極に対向して配置された第１２固定電極と、前記第１３変位電極に対向して配置された第１３固定電極と、前記第１４変位電極に対向して配置された第１４固定電極と、前記第１５変位電極に対向して配置された第１５固定電極と、前記第１６変位電極に対向して配置された第１６固定電極と、を有し、
前記第１容量素子は、前記第１変位電極と前記第１固定電極とによって構成され、
前記第２容量素子は、前記第２変位電極と前記第２固定電極とによって構成され、
前記第３容量素子は、前記第３変位電極と前記第３固定電極とによって構成され、
前記第４容量素子は、前記第４変位電極と前記第４固定電極とによって構成され、
前記第５容量素子は、前記第５変位電極と前記第５固定電極とによって構成され、
前記第６容量素子は、前記第６変位電極と前記第６固定電極とによって構成され、
前記第７容量素子は、前記第７変位電極と前記第７固定電極とによって構成され、
前記第８容量素子は、前記第８変位電極と前記第８固定電極とによって構成され、
前記第９容量素子は、前記第１変位電極と前記第１固定電極とによって構成され、
前記第１０容量素子は、前記第１０変位電極と前記第１０固定電極とによって構成され、
前記第１１容量素子は、前記第１１変位電極と前記第１１固定電極とによって構成され、
前記第１２容量素子は、前記第１２変位電極と前記第１２固定電極とによって構成され、
前記第１３容量素子は、前記第１３変位電極と前記第１３固定電極とによって構成され、
前記第１４容量素子は、前記第１４変位電極と前記第１４固定電極とによって構成され、
前記第１５容量素子は、前記第１５変位電極と前記第１５固定電極とによって構成され、
前記第１６容量素子は、前記第１６変位電極と前記第１６固定電極とによって構成されている。
【００４３】
この場合、例えば、前記第１固定電極及び前記第１変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第２固定電極及び前記第２変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸にと平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第３固定電極及び前記第３変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１固定電極及び前記第１変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第４固定電極及び前記第４変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第２固定電極及び前記第２変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第５固定電極及び前記第５変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第６固定電極及び前記第６変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第７固定電極及び前記第７変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第５固定電極及び前記第５変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第８固定電極及び前記第８変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第６固定電極及び前記第６変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第９固定電極及び前記第９変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第１０固定電極及び前記第１０変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第１１固定電極及び前記第１１変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第９固定電極及び前記第９変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第１２固定電極及び前記第１２変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１０固定電極及び前記第１０変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第１３固定電極及び前記第１３変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第１４固定電極及び前記第１４変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第１５固定電極及び前記第１５変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１３固定電極及び前記第１３変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第１６固定電極及び前記第１６変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１４固定電極及び前記第１４変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極である。
【００４４】
この場合、各組の４つの容量素子が対称的に配置されるため、各容量素子の静電容量値の変動に基づいて検出対象の力を計測するための処理が容易である。
【００４５】
また、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第１６容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１固定電極及び前記第１変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第２固定電極及び前記第２変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第３固定電極及び前記第３変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第４固定電極及び前記第４変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第５固定電極及び前記第５変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第６固定電極及び前記第６変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第７固定電極及び前記第７変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第８固定電極及び前記第８変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第９固定電極及び前記第９変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１０固定電極及び前記第１０変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１１固定電極及び前記第１１変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１２固定電極及び前記第１２変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１３固定電極及び前記第１３変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１４固定電極及び前記第１４変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１５固定電極及び前記第１５変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１６固定電極及び前記第１６変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定することが好ましい。
【００４６】
以上のような力覚センサにおいて、前記第１〜第１６固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第１６変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されていても良い。
【００４７】
また、前記４組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、原点から等距離に配置されていることが好ましい。この場合、各組の容量素子が対称的に配置されることになるため、各容量素子の静電容量値の変動に基づいて検出対象の力を計測するための処理が一層容易である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施の形態による１軸の力覚センサを示す概略断面図である。
【図２】図１の力覚センサの変位電極を示す概略平面図である。
【図３】図１の力覚センサに用いられる検出回路の一例を示す回路図である。
【図４】図３の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。
【図５】本発明の第２の実施の形態による２軸の力覚センサを示す概略断面図である。
【図６】図５の力覚センサの変位電極を示す概略平面図である。
【図７】Ｘ軸方向の力Ｆｘによって図５の力覚センサのダイアフラムに変形が生じている状態を示す概略断面図である。
【図８】図５の力覚センサに用いられる検出回路の一例を示す回路図である。
【図９】図８の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態による６軸の力覚センサを示す概略断面図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ線断面図である。
【図１２】図１０のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１３】Ｘ軸方向の力を作用させたときの図１０の力覚センサの状態を示す概略断面図である。
【図１４】Ｚ軸方向の力を作用させたときの図１０の力覚センサの状態を示す概略断面図である。
【図１５】Ｙ軸まわりのモーメントを作用させたときの図１０の力覚センサの状態を示す概略断面図である。
【図１６】図１０の力覚センサにＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントが作用した場合に容量素子に生じる静電容量値の変化を一覧で示した図表である。
【図１７】図１０の力覚センサに用いられる検出回路の一例を示す回路図である。
【図１８】図１７の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。
【図１９】図１０の力覚センサに用いられる検出回路の他の例を示す回路図である。
【図２０】図１９の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。
【図２１】容量素子にＰＷＭ回路を設けた回路図である。
【図２２】図２１のＰＷＭ回路の各構成部において出力される信号の波形を示す概略図である。
【図２３】本発明の力覚センサに採用され得るＰＷＭ回路の一例を示す回路図である。
【図２４】図２３のＰＷＭ回路の各構成部において出力される信号の波形を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
＜＜＜  §１．  １軸の力覚センサの実施例  ＞＞＞
添付の図面を参照して、本発明の第１の実施の形態による力覚センサについて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態による１軸の力覚センサを示す概略断面図であり、図２は、図１の力覚センサの変位電極を示す概略平面図である。
【００５０】
図１に示すように、本実施の形態による力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向（図１における上下方向）の力を検出する力覚センサである。本実施の形態の力覚センサは、ＸＹ平面上に配置された平板状の支持体３００と、前記支持体３００に対向して配置され、検出対象となる力Ｆｚの作用により弾性変形を生じる変形部としてのダイアフラム１５０ｄを有する変形体１００と、支持体３００の上面に上部基板１１を介して配置された固定電極Ｅ２０と、固定電極Ｅ２０に対向するように下部基板１２を介してダイアフラム１５０ｄに設けられ、固定電極Ｅ２０との間で容量素子Ｃを構成する変位電極Ｅ３０と、を備えている。ここでは、説明の便宜上、支持体３００の上面はＸＹ平面に一致して配置されているものとする。
【００５１】
本実施の形態では、図１に示すように、変形体１００の上面（図１における上方の面）に、検出対象となる力Ｆｚを受ける受力体１６０が設けられており、当該受力体１６０を介して力Ｆｚがダイアフラム１５０ｄに伝達されるようになっている。また、変形体１００の周縁部には、下方に向かって延出した接続部１５１が形成されており、当該接続部１５１の下端が支持体３００の上面に接続されている。すなわち、変形体１００は、支持体３００によって支持されており、受力体１６０に検出対象となる力Ｆｚが作用すると、ダイアフラム１５０ｄが支持体３００に対して弾性変形するようになっている。本実施の形態の支持体３００及び変形体１００は、上方（Ｚ軸正方向）から見て共にＺ軸上に中心を有する円形の外形を有している。更に、受力体１６０は、変形体１００よりも小径であり、支持体３００及び変形体１００と同心の円盤形状を有している。図１に示すように、力Ｆｚは、Ｚ軸と平行に受力体１６０の上面に作用するようになっている。
【００５２】
受力体１６０に対して何ら力が作用していない状態では、受力体１６０は支持体３００に対して定位置をとるが、受力体１６０に何らかの力が作用すると、弾性（可撓性）をもったダイアフラム１５０ｄが弾性変形を生じ、受力体１６０と支持体３００との相対位置に変化が生じることになる。もちろん、受力体１６０に作用する力がなくなると、受力体１６０はもとどおりの定位置に戻る。
【００５３】
次に、図２を参照して、変位電極Ｅ３０について説明する。本実施の形態の変位電極Ｅ３０は、Ｚ軸上に中心を有する円盤状の第１変位電極Ｅ３１と、当該第１変位電極Ｅ３１の外周を取り囲む、Ｚ軸上に中心を有する円環状の第２変位電極Ｅ３２とを有している。また、本実施の形態の固定電極Ｅ２０は、Ｚ軸上に中心を有する第１固定電極Ｅ２１と、当該第１固定電極Ｅ２１の外周を取り囲む、Ｚ軸上に中心を有する円環状の第２固定電極Ｅ２２とを有している。そして、第１変位電極Ｅ３１と第１固定電極Ｅ２１とは互いに対向して配置され、第１容量素子Ｃ１を構成しており、第２変位電極Ｅ３２と第２固定電極Ｅ２２とは互いに対向して配置され、第２容量素子Ｃ２を構成している。本実施の形態では、第１変位電極Ｅ３１と第１固定電極Ｅ２１とは同一の形状を有しており、第２変位電極Ｅ３２と第２固定電極Ｅ２２とは同一の形状を有している。もちろん、他の実施の形態においては、変位電極Ｅ３０を第１変位電極と当該第１変位電極を取り囲む第２変位電極とから構成し、固定電極Ｅ２０を共通電極として構成しても良く、あるいは、固定電極Ｅ２０を第１固定電極と当該第１固定電極を取り囲む第２固定電極とから構成し、変位電極Ｅ３０を共通電極として構成しても良い。
【００５４】
あるいは、図示されていないが、Ｚ軸方向の力が作用した結果、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、固定電極および変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定することも考えられる。これは、具体的には、面積が小さい方の電極（例えば変位電極）の輪郭を、面積が大きい方の電極（例えば固定電極）の表面に投影して正射影投影像を形成した場合、面積が小さい方の電極の投影像が、面積が大きい方の電極の表面内に完全に含まれるような状態である。この状態が維持されれば、両電極によって構成される容量素子の実効面積は、小さい方の電極の面積に等しくなり、常に一定になる。すなわち、力の検出精度を向上させることができる。
【００５５】
以上のような力覚センサの受力体１６０に下向きの力Ｆｚが作用すると、ダイアフラム１５０ｄは下方に湾曲する。これに伴って、第１変位電極Ｅ３１及び第２変位電極Ｅ３２が下方に変位する。このことにより、第１及び第２変位電極Ｅ３１、Ｅ３２と第１及び第２固定電極Ｅ２１、Ｅ２２との離間距離が減少して第１及び第２容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値がそれぞれ増大する。これらの静電容量値の変動量に基づき、第１及び第２容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の和として、受力体１６０に作用したＺ軸方向の力Ｆｚを検出することができる。
【００５６】
すなわち、第１容量素子Ｃ１と第２容量素子Ｃ２とを並列に接続した場合、受力体１６０に加えられているＺ軸方向の力Ｆｚは、下式に基づいて計測され得る。なお、下式において、Ｃ１及びＣ２は、第１及び第２容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値をそれぞれ示している。また、力と静電容量値とが「＝」で結ばれているが、これらは互いに異なる物理量であるため、実際には所定の変換がなされた上で力Ｆｚが計測される。また、Ｆｚ１とは、下式の右辺に基づいて計測される力Ｆｚを意味しており、後述される他の式に基づいて計測される力Ｆｚと区別するための記号である。
［式１］
Ｆｚ１＝Ｃ１＋Ｃ２
【００５７】
受力体１６０に加えられたＺ軸方向の力Ｆｚは、第１容量素子Ｃ１のみに基づいて計測することも、第２容量素子Ｃ２のみに基づいて計測することも、可能である。すなわち、力Ｆは、以下のＦｚ２、Ｆｚ３によっても計測することができる。
［式２］
Ｆｚ２＝Ｃ１
Ｆｚ３＝Ｃ２
【００５８】
本発明においては、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するに当たって、前記Ｆｚ１〜Ｆｚ３が利用される。具体的には、第１容量素子Ｃ１と第２容量素子Ｃ２とを切り離し、前述のＦｚ２及びＦｚ３の式に基づいて力Ｆｚが計測される。そして、Ｆｚ１とＦｚ２またはＦｚ３との差が所定の範囲内にあるか否かと、Ｆｚ２とＦｚ３との差が所定の範囲内にあるか否かと、を評価する。そして、すべての差が所定の範囲内にある場合には、力覚センサが正常に機能していると判定する。一方、いずれかの差が所定の範囲外にある場合には、当該力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定する。
【００５９】
なお、変位電極の構造上、Ｆｚ２とＦｚ３とは完全には一致しない。これは、受力体１６０が、ダイアフラム１５０ｄのＺ軸（力Ｆｚの作用軸線）を含む領域上、すなわち第１変位電極Ｅ３１に対応する領域上に設けられているため、例えば受力体１６０に下向きの力Ｆｚが作用した際に、第１変位電極Ｅ３１の下方への変位の方が第２変位電極Ｅ３２の下方への変位よりも大きいことに起因している。このため、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動量の方が第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量よりも大きい。このことは、受力体１６０に上向きの力Ｆｚが作用した場合においても同じである。本実施の形態の力覚センサにおいては、各容量素子における静電容量値の変動量の差異を考慮して前述の所定の範囲を設定することにより、力覚センサが正常に機能しているか否かが適正に判定され得る。
【００６０】
また、例えば第１及び第２容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が、受力体１６０に力Ｆｚが作用していない初期状態においていずれも等しい場合には、前述の［式１］及び［式２］の右辺から明らかなように、Ｆｚ２及びＦｚ３はＦｚ１の略半分の値となる。このため、Ｆｚ１とＦｚ２、または、Ｆｚ１とＦｚ３を比較する際には、例えばＦｚ２ないしＦｚ３を２倍して、当該比較が適正に実行されるための処理がなされる。もちろん、この処理は、第１及び第２容量素子Ｃ１、Ｃ２の各静電容量値に応じて適切になされるべきものである。
【００６１】
なお、受力体１６０に作用している力は、Ｆｚ２またはＦｚ３によって計測することも可能であるが、Ｆｚ１によって計測される方が高精度である。これは、力の計測に用いられる静電容量値（電極面積）がＦｚ２及びＦｚ３の場合よりも大きいため、静電容量値の変化も大きく、Ｓ／Ｎの点からも有利であるからである。
【００６２】
以上の判定方法を、本実施の形態の力覚センサに設けられている実際の検出回路に基づいて説明する。
【００６３】
図３は、図１の力覚センサの受力体１６０に加えられたＺ軸方向の力Ｆｚを検出するための検出回路の一例を示す回路図であり、図４は、図３の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。
【００６４】
図３に示すように、第１容量素子Ｃ１は、スイッチＳＷ１を介して第１Ｃ／Ｖ変換器４０ａに選択的に接続可能となっており、第２容量素子Ｃ２は、スイッチＳＷ２を介して第２Ｃ／Ｖ変換器４０ｂに選択的に接続可能となっている。また、第１容量素子Ｃ１と第２容量素子Ｃ２とは、スイッチＳＷ３を介して選択的に接続可能となっている。Ｃ／Ｖ変換器４０ａ、４０ｂは、それぞれ容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値を電圧値Ｖ１，Ｖ２に変換する回路であり、変換後の電圧値Ｖ１，Ｖ２は、各容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値に対応した値になる。これら電圧値Ｖ１，Ｖ２は、第１及び第２信号処理部４３ａ、４３ｂによってそれぞれ信号処理されて前述のＦｚ１〜Ｆｚ３として出力端子Ｔ１、Ｔ２から出力される。更に、第１及び第２信号処理部４３ａ、４３ｂからの各出力信号は、当該各出力信号を比較するための比較部４４に接続され、この比較部４４の出力信号に基づいて、力覚センサが正常に機能しているか否かが判定されるようになっている。
【００６５】
受力体１６０に加えられたＺ軸方向の力Ｆｚを検出するには、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の接続状態を図４のタイミング１の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１及びＳＷ３をＯＮにし（接続し）、スイッチＳＷ２をＯＦＦにする（切断する）。これにより、第１及び第２Ｃ／Ｖ変換器４０ａ、４０ｂの出力Ｖ１、Ｖ２は、下式で表される。
［式３］
Ｖ１＝Ｃ１＋Ｃ２
Ｖ２＝０
【００６６】
以上から、Ｖ１は「Ｆｚ１」に対応する（［数１］参照）ため、図４のタイミング１の接続状態によって、力Ｆｚを計測することができる。
【００６７】
次に、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するには、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の接続状態を図４のタイミング２の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をＯＮにし（接続し）、スイッチＳＷ３をＯＦＦにする（切断する）。これにより、第１及び第２Ｃ／Ｖ変換器４０ａ、４０ｂの出力Ｖ１、Ｖ２は、下式で表される。
［式４］
Ｖ１＝Ｃ１
Ｖ２＝Ｃ２
【００６８】
以上から、Ｖ１は「Ｆｚ２」に対応し、Ｖ２は「Ｆｚ３」に対応する（［数２］参照）ため、図４のタイミング２の接続状態にてＦｚ２とＦｚ３とを計測することができる。
【００６９】
そして、図３の比較部４４が、（ａ）「Ｆｚ１−Ｆｚ２」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｂ）「Ｆｚ２−Ｆｚ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価する。これら（ａ）及び（ｂ）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合には、力覚センサは正常に機能していない（故障している）と判定される。この場合、図３の出力端子Ｓから、故障と判定されたことを示す故障診断信号が発信される。
【００７０】
スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のタイミング１とタイミング２との切替は、マイコンで行えばよい。タイミング１とタイミング２との接続状態は、例えば同じ時間ずつ交互に切り換えても良いし、タイミング１の接続状態とタイミング２の接続状態とを例えば１０：１あるいは１００：１の時間比で切り替えて、力Ｆｚの計測時間（タイミング１）を長くして、故障診断（タイミング２）の時間を相対的に短縮させても良い。なお、受力体１６０に作用した力Ｆｚは、Ｆｚ１〜Ｆｚ３のいずれによっても計測可能であるが、電極面積が大きい方が力の検出感度が高く、静止ノイズにも優れるため、Ｆｚ１によって計測することが好ましい。
【００７１】
また、図３の比較部４４は、（ｃ）「Ｆｚ１−Ｆｚ３」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｂ）「Ｆｚ２−Ｆｚ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価して、これら（ｃ）及び（ｂ）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合に力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定しても良いし、（ａ）「Ｆｚ１−Ｆｚ２」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｃ）「Ｆｚ１−Ｆｚ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価して、これら（ａ）及び（ｃ）の条件の少なくとも一方が当該所定の範囲内に無い場合には、力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定しても良い。
【００７２】
以上のような本実施の形態の力覚センサによれば、Ｃ１＋Ｃ２に対応する電気信号、Ｃ１に対応する電気信号及びＣ２に対応する電気信号の各々に基づいて計測される力Ｆｚ１〜Ｆｚ３を互いに比較することにより、力覚センサが正常に機能しているか否かを当該力覚センサ自身で判断することができる。このため、複数の力覚センサを使用することなく、すなわちコスト及び設置スペースを最小化しつつ、故障の判定（正常に機能しているか否かの判定）が可能な力覚センサを提供することができる。
【００７３】
具体的には、検出回路が「Ｃ１＋Ｃ２に対応する電気信号に基づいて計測された力Ｆｚ１とＣ１に対応する電気信号に基づいて計測された力Ｆｚ２との差」、並びに、「Ｃ１に対応する電気信号に基づいて計測された力Ｆｚ２とＣ２に対応する電気信号に基づいて計測された力Ｆｚ３との差」、が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。このことにより、力覚センサが正常に機能しているか否かを確実に判定することができる。
【００７４】
また、本実施の形態では、第１容量素子Ｃ１がＺ軸方向から見て円盤状の形状を有し、第２容量素子Ｃ２がＺ軸方向から見て第１容量素子Ｃ１を取り囲む円環状の形状を有している。このため、各容量素子Ｃ１、Ｃ２が対称的な形状となっていることにより、各容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変動に基づいて検出対象の力Ｆｚを計測するための処理が容易である。
【００７５】
＜＜＜  §２．  ２軸の力覚センサの実施例  ＞＞＞
次に、以上の故障判定の原理を２軸の力覚センサに応用した例について説明する。
【００７６】
ここで説明する２軸の力覚センサは、受力体１６０に作用したＺ軸方向の力ＦｚとＸ軸方向の力Ｆｘとの２つの力を検出することが可能な力覚センサである。図５は、本発明の第２の実施の形態による２軸の力覚センサを示す概略断面図であり、図６は、図５の力覚センサの変位電極を示す概略平面図である。
【００７７】
図５及び図６に示すように、本実施の形態の力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向（図１における上下方向）及びＸ軸方向（図１における左右方向）の力を検出する力覚センサである。この力覚センサは、第１の実施の形態による１軸の力覚センサと略同様の構造を有している。すなわち、ＸＹ平面上に配置された平板状の支持体３００と、前記支持体３００の上面に対向して配置され、検出対象となる力Ｆｚ及び力Ｆｘの作用により弾性変形を生じる変形部としてのダイアフラム１５０ｄを有する変形体１００と、支持体３００の上面に上部基板１１を介して配置された固定電極Ｅ２０と、固定電極Ｅ２０に対向するように下部基板１２を介してダイアフラム１５０ｄに設けられ、固定電極Ｅ２０との間で容量素子Ｃを構成する変位電極Ｅ３０と、を備えている。
【００７８】
本実施の形態においても、図５に示すように、変形体１００の上面（図５における上方の面）に、検出対象となる力Ｆｚ及び力Ｆｘを受ける受力体１６０が設けられており、当該受力体１６０を介して力Ｆｚ、Ｆｘがダイアフラム１５０ｄに伝達されるようになっている。また、変形体１００の周縁部には、下方に向かって延出した接続部１５１が形成されており、当該接続部１５１の下端が支持体３００の上面に接続されている。すなわち、変形体１００は、支持体３００によって支持されており、受力体１６０に検出対象となる力Ｆｚ、Ｆｘが作用すると、ダイアフラム１５０ｄが支持体３００に対して弾性変形するようになっている。本実施の形態の支持体３００及び変形体１００は、上方（Ｚ軸正方向）から見て、共にＺ軸上に中心を有する円形の外形を有している。更に、受力体１６０は、変形体１００よりも小径であり、支持体３００及び変形体１００と同心の円盤形状を有している。力Ｆｚは、Ｚ軸と平行に受力体１６０の上面に作用するようになっている。また、力Ｆｘは、受力体１６０の側面に作用するようになっている。
【００７９】
本実施の形態の力覚センサは、容量素子の構造において第１の実施の形態の力覚センサと異なっている。すなわち、本実施の形態の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子Ｃ１１及びＸ軸正側の第２容量素子Ｃ１２と、当該第１容量素子Ｃ１１のＸ軸負側に配置された第３容量素子Ｃ２１及び当該第２容量素子Ｃ１２のＸ軸正側に配置された第４容量素子Ｃ２２と、を有している。
【００８０】
具体的には、図６に示すように、変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１変位電極Ｅ３１及びＸ軸正側の第２変位電極Ｅ３２と、当該第１変位電極Ｅ３１のＸ軸負側に配置された第３変位電極Ｅ３３及び当該第２変位電極Ｅ３２のＸ軸正側に配置された第４変位電極Ｅ３４と、を有している。更に、固定電極は、第１変位電極Ｅ３１に対向して配置された第１固定電極Ｅ２１と、第２変位電極Ｅ３２に対向して配置された第２固定電極Ｅ２２と、第３変位電極Ｅ３３に対向して配置された第３固定電極Ｅ２３と、第４変位電極Ｅ３４に対向して配置された第４固定電極Ｅ２４と、を有している。
【００８１】
第１容量素子Ｃ１１は、第１変位電極Ｅ３１と第１固定電極Ｅ２１とによって構成され、第２容量素子Ｃ１２は、第２変位電極Ｅ３２と第２固定電極Ｅ２２とによって構成され、第３容量素子Ｃ２１は、第３変位電極Ｅ３３と第３固定電極Ｅ２３とによって構成され、第４容量素子Ｃ２２は、第４変位電極Ｅ３４と第４固定電極Ｅ２４とによって構成されている。本実施の形態では、第１変位電極Ｅ３１と第１固定電極Ｅ２１とは同一の形状を有しており、第２変位電極Ｅ３２と第２固定電極Ｅ２２とは同一の形状を有しており、第３変位電極Ｅ３３と第３固定電極Ｅ２３とは同一の形状を有しており、第４変位電極Ｅ３４と第４固定電極Ｅ２４とは同一の形状を有している。
【００８２】
もちろん、他の実施の形態においては、第１〜第４変位電極の少なくとも２つ、例えば全て、を共通電極として構成し、変位電極を取り囲む第２変位電極とから構成し、固定電極Ｅ２０を共通電極として構成しても良く、あるいは、固定電極Ｅ２０を第１固定電極と当該第１固定電極を取り囲む第２固定電極とから構成し、変位電極Ｅ３０を共通電極として構成しても良い。
【００８３】
あるいは、図示されていないが、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の力が作用した結果、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、固定電極および変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定することも考えられる。これは、前述したように、面積が小さい方の電極（例えば変位電極）の輪郭を、面積が大きい方の電極（例えば固定電極）の表面に投影して正射影投影像を形成した場合、面積が小さい方の電極の投影像が、面積が大きい方の電極の表面内に完全に含まれるような状態である。この状態が維持されれば、両電極によって構成される容量素子の実効面積は、小さい方の電極の面積に等しくなり、常に一定になる。すなわち、力の検出精度を向上させることができる。
【００８４】
更に、Ｚ軸方向から見た各電極の構造について詳述すると、第１固定電極Ｅ３１及び第１変位電極Ｅ２１は、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、第２固定電極Ｅ３２及び第２変位電極Ｅ２２は、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、第３固定電極Ｅ３３及び第３変位電極Ｅ２３は、第１固定電極Ｅ３１及び第１変位電極Ｅ２１の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、第４固定電極Ｅ３４及び第４変位電極Ｅ２４は、第２固定電極Ｅ３２及び第２変位電極Ｅ２２の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極である。結局、本実施の形態の電極Ｅ２０、Ｅ３０は、第１の実施の形態の力覚センサにおける電極をＹ軸を切断線としてそれぞれ二等分した形状となっている。
【００８５】
以上のような力覚センサの受力体１６０にＸ軸方向の力Ｆｘが作用すると、ダイアフラム１５０ｄは、弾性変形を生じる。図７は、Ｘ軸方向の力Ｆｘによって図５の力覚センサのダイアフラム１５０ｄに変形が生じている状態を示す概略断面図である。図７において、力Ｆｘは、図の左側から右側に向かって受力体１６０に作用している。この時、ダイアフラム１５０ｄには、図示するような変形が生じる。この変形により、受力体１６０にＦｘが作用していない初期状態と比較して、Ｘ軸負側に位置する第１変位電極Ｅ３１及び第３変位電極Ｅ３３が上方に変位し、その一方で第２変位電極Ｅ３２及び第４変位電極Ｅ３４が下方に変位する。このような各変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４の変位により、第１容量素子Ｃ１１及び第３容量素子Ｃ２１の各静電容量値は減少し、その一方で第２容量素子Ｃ１２及び第４容量素子Ｃ２２の各静電容量値は増大する。このような各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の各静電容量値の変動量に基づき、「第１容量素子Ｃ１１の静電容量値と第３容量素子Ｃ２１の静電容量値との和と、第２容量素子Ｃ１２の静電容量値と第４容量素子Ｃ２２の静電容量値との和と、の差」として、受力体１６０に作用したＸ軸方向の力Ｆｘを検出することができる。
【００８６】
すなわち、第１容量素子Ｃ１１と第３容量素子Ｃ２１とを並列に接続し、第２容量素子Ｃ１２と第４容量素子Ｃ２２とを並列に接続した場合、受力体１６０に加えられているＸ軸方向の力Ｆｘは、下式に基づいて計測され得る。なお、下式において、Ｃ１１〜Ｃ２２は、第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値をそれぞれ示している。また、力と静電容量値とが「＝」で結ばれているが、これらは互いに異なる物理量であるため、実際には所定の変換がなされた上で力Ｆｘが計測される。また、Ｆｘ１とは、下式の右辺に基づいて計測される力Ｆｚを意味しており、後述される他の式に基づいて計測される力Ｆｚと区別するための記号である。
［式４］
Ｆｘ１＝（Ｃ１２＋Ｃ２２）−（Ｃ１１＋Ｃ２１）
【００８７】
受力体１６０に加えられたＸ軸方向の力Ｆｘは、第１容量素子Ｃ１１及び第２容量素子Ｃ１２のみに基づいて計測することも、第３容量素子Ｃ２１及び第４容量素子Ｃ２２のみに基づいて計測することも、可能である。すなわち、力Ｆは、以下のＦｘ２、Ｆｘ３によっても計測することができる。
［式５］
Ｆｘ２＝Ｃ１２−Ｃ１１
Ｆｘ３＝Ｃ２２−Ｃ２１
【００８８】
力Ｆｘが図の左向きに受力体１６０に作用すると、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動は逆になる。具体的には、Ｘ軸負側に位置する第１変位電極Ｅ３１及び第３変位電極Ｅ３３が下方に変位し、その一方で第２変位電極Ｅ３２及び第４変位電極Ｅ３４が上方に変位する。従って、この場合、第１容量素子Ｃ１１及び第３容量素子Ｃ２１の各静電容量値は増大し、その一方で第２容量素子Ｃ１２及び第４容量素子Ｃ２２の各静電容量値は減少する。したがって、Ｆｘ１〜Ｆｘ３の右辺の符号を評価することによって、力Ｆｘの向きを検出することができる。
【００８９】
また、力覚センサの受力体１６０にＺ軸方向の力Ｆｚとして下向きの力Ｆｚが加えられると、ダイアフラム１５０ｄは下方に湾曲する。これに伴って、第１〜第４変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４が下方に変位する。このことにより、第１及〜第４変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４と第１〜第４固定電極Ｅ２１〜Ｅ２４との離間距離が減少して第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値がそれぞれ増大する。これらの静電容量値の変動量に基づき、第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の和として、受力体１６０に作用したＺ軸方向の力Ｆｚを検出することができる。このような力Ｆｚの検出原理は、第１の実施の形態による１軸の力覚センサの場合と実質的に同じである。
【００９０】
すなわち、第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２を互いに並列に接続した場合、受力体１６０に加えられているＺ軸方向の力Ｆｚは、下式のＦｚ１によって計測され得る。また、第１容量素子Ｃ１１及び第２容量素子Ｃ１２のみに基づいて、下式のＦｚ２によって計測することも、第３容量素子Ｃ２１及び第４容量素子Ｃ２２のみに基づいて、下式のＦｚ３によって計測することも、可能である。
［式６］
Ｆｚ１＝Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ２１＋Ｃ２２
Ｆｚ２＝Ｃ１１＋Ｃ１２
Ｆｚ３＝Ｃ２１＋Ｃ２２
【００９１】
本実施の形態の力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するに当たっては、Ｆｘ１〜Ｆｘ３を利用することも、Ｆｚ１〜Ｆｚ３を利用することも可能である。ここでは、Ｆｘ１〜Ｆｘ３を利用する場合について説明する。この場合、まず、第１容量素子Ｃ１１と第２容量素子Ｃ１２とが切り離され、前述のＦｚ２及びＦｚ３の式に基づいて力Ｆｘがそれぞれ計測される。そして、Ｆｘ１とＦｘ２との差が所定の範囲内にあるか否かと、Ｆｘ２とＦｘ３との差が所定の範囲内にあるか否かと、が評価される。そして、すべての差が所定の範囲内にある場合には、力覚センサが正常に機能していると判定され、少なくとも１つの差が所定の範囲外にある場合には、当該力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定される。
【００９２】
もちろん、Ｆｘ１とＦｘ２との差が所定の範囲内にあるか否かと、Ｆｘ２とＦｘ３との差が所定の範囲内にあるか否かと、を評価する代わりに、Ｆｘ１とＦｘ３との差が所定の範囲内にあるか否かと、Ｆｘ２とＦｘ３との差が所定の範囲内にあるか否かと、を評価しても良い。
【００９３】
なお、変位電極の構造上、Ｆｘ２とＦｘ３とは完全には一致しない。これは、図７から理解されるように、例えば受力体１６０に左向きの力Ｆｘが作用した際に、第１変位電極Ｅ３１の上方への変位の方が第３変位電極Ｅ３３の上方への変位よりも大きくいこと、及び、第２変位電極Ｅ３２の下方への変位の方が第４変位電極Ｅ３４の下方への変位よりも大きいこと、に起因している。このため、第１容量素子Ｃ１１及び第２容量素子Ｃ１２の静電容量値の変動量の方が第３容量素子Ｃ２１及び第４容量素子Ｃ２２の静電容量値の変動量よりも大きい。このことは、受力体１６０に左向きの力Ｆｚが作用した場合においても同じである。本実施の形態の力覚センサにおいては、各容量素子における静電容量値の変動量の差異を考慮して前述の所定の範囲を設定することにより、力覚センサが正常に機能しているか否かが適正に判定されるようになっている。
【００９４】
また、例えば第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値が、受力体１６０に力Ｆｘ及びＦｚが作用していない初期状態においていずれも等しい場合には、前述の［式４］〜［式６］の右辺から明らかなように、Ｆｘ２及びＦｘ３はＦｘ１の略半分の値となり、Ｆｚ２及びＦｚ３はＦｚ１の略半分の値となる。このため、Ｆｘ１とＦｘ２、または、Ｆｘ１とＦｘ３を比較する際には、例えばＦｘ２ないしＦｘ３を２倍して、当該比較が適正に実行されるための処理がなされる。このことは、Ｆｚ１〜Ｆｚ３についても同様である。もちろん、この処理は、第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の各静電容量値に応じて適切になされるべきものである。
【００９５】
なお、受力体１６０に作用している力は、Ｆｘ２またはＦｘ３、あるいは、Ｆｚ２またはＦｚ３によって計測することも可能であるが、Ｆｘ１及びＦｚ１によって計測される方がより高精度である。これは、力の計測に用いられる静電容量値（電極面積）がＦｘ２、Ｆｘ３、Ｆｚ２及びＦｚ３の場合よりも大きいため、静電容量値の変化も大きく、Ｓ／Ｎの点からも有利であるからである。
【００９６】
以上の判定方法を、本実施の形態の力覚センサに設けられている実際の検出回路に基づいて説明する。
【００９７】
図８は、本実施の形態の力覚センサに採用され得る検出回路の一例を示す回路図であり、図９は、図８の検出回路に設けられているスイッチＳＷ１〜ＳＷ８のＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表が示されている。
【００９８】
図８の検出回路によって受力体１６０に加えられた力Ｆｘ及びＦｚを検出するには、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ８の接続状態を図９のタイミング１の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をＯＮにし（接続し）、残りのスイッチＳＷ５〜ＳＷ８をＯＦＦにする（切断する）。これにより、第１〜第４Ｃ／Ｖ変換器及びＡ／Ｄ変換器４５ａ〜４５ｄを介して、第１マイコン４７ａ及び第２マイコン４７ｂに「Ｃ１２＋Ｃ２２」に対応する出力信号と「Ｃ１１＋Ｃ２１」に対応する出力信号とが、提供される。第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、各出力信号に基づいてＦｘ１及びＦｚ１、すなわち「（Ｃ１２＋Ｃ２２）−（Ｃ１１＋Ｃ２１）」及び「（Ｃ１２＋Ｃ２２）＋（Ｃ１１＋Ｃ２１）」を演算し、力Ｆｘ及びＦｚを計測する。計測結果は、出力端子Ｔ１、Ｔ１’から出力される。
【００９９】
次に、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するには、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ８の接続状態を図７のタイミング２の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をＯＦＦにし（切断し）、残りのスイッチＳＷ５〜ＳＷ８をＯＮにする（接続する）。これにより、第１マイコン４７ａ及び第２マイコン４７ｂに対して「Ｃ１１」、「Ｃ１２」、「Ｃ２１」及び「Ｃ２２」に対応する出力信号がそれぞれ提供される。第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、各出力信号に基づいてＦｘ２及びＦｘ３、すなわち「Ｃ１２−Ｃ１１」及び「Ｃ２２−Ｃ２１」を演算して力Ｆｘを計測する。計測結果は、出力端子Ｔ２、Ｔ２’、Ｔ３、Ｔ３’から出力される。
【０１００】
そして、第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、例えば（ａ）「Ｆｘ１−Ｆｘ２」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｂ）「Ｆｘ２−Ｆｘ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価する。これら（ａ）及び（ｂ）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合には、力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定される。この場合、図８の出力端子Ｓ、Ｓ’から、故障と判定されたことを示す故障診断信号が出力される。
【０１０１】
図８に示す検出回路においては、２つのマイコン４７ａ、４７ｂが使用されているが、これは、一方のマイコンが故障しても他方のマイコンから、受力体１６０に作用する力と、故障診断信号とを出力できるようにするためである。また、本センサのユーザーは、第１マイコン４７ａから出力されるＦｘ１〜Ｆｘ３及び故障診断信号と、第２マイコン４７ｂから出力されるＦｘ１〜Ｆｘ３及び故障診断信号と、の両者を比較することができるため、検出回路によって出力された信号の信頼性を確認することができる。
【０１０２】
故障の判定に当たって、マイコン４７ａ、４７ｂは、（ｃ）「Ｆｘ１−Ｆｘ３」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｂ）「Ｆｘ２−Ｆｘ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価して、これら（ｃ）及び（ｂ）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合に力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定しても良いし、（ａ）「Ｆｘ１−Ｆｘ２」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｃ）「Ｆｘ１−Ｆｘ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価し、これら（ａ）及び（ｃ）の条件の少なくとも一方が当該所定の範囲内に無い場合に力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定しても良い。
【０１０３】
これまで説明したように、Ｆｘ１〜Ｆｘ３に基づいて力覚センサの故障診断を行う場合には、Ｆｚ２及びＦｚ３を更に計測して故障診断を行う必要は無い。もちろん、Ｆｘ１〜Ｆｘ３に基づく故障診断に代えて、Ｆｚ１〜Ｆｚ３に基づく故障診断を行うことも可能である。この場合には、図９のタイミング２に示す接続状態において、２つのマイコン４７ａ、４７ｂによりＦｚ２（＝Ｃ１１＋Ｃ１２）及びＦｚ３（＝Ｃ２１＋Ｃ２２）を計測すればよい。そして、例えば（ａ’）「Ｆｚ１−Ｆｚ２」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｂ’）「Ｆｚ２−Ｆｚ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価し、これら（ａ’）及び（ｂ’）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合には、力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定すればよい。
【０１０４】
もちろん、Ｆｘ１〜Ｆｘ３による故障判定の場合と同様に、マイコン４７ａ、４７ｂは、（ｃ’）「Ｆｚ１−Ｆｚ３」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｂ’）「Ｆｚ２−Ｆｚ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価して、これら（ｃ’）及び（ｂ’）の条件の少なくとも一方を満たしていない場合に力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定しても良いし、（ａ’）「Ｆｚ１−Ｆｚ２」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｃ’）「Ｆｚ１−Ｆｚ３」が所定の範囲内にあるか否か、を評価し、これら（ａ’）及び（ｃ’）の条件の少なくとも一方が当該所定の範囲内に無い場合に力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定しても良い。
【０１０５】
以上のような本実施の形態の力覚センサによれば、例えば「（Ｃ１２＋Ｃ２２）−（Ｃ１１＋Ｃ２１）」に対応する電気信号、「Ｃ１２−Ｃ１１」に対応する電気信号、及び、「Ｃ２２−Ｃ２１」に対応する電気信号、の各々に基づいて計測される力Ｆｘ１〜Ｆｘ３を互いに比較することにより、力覚センサが正常に機能しているか否かを当該力覚センサ自身で判断することができる。このため、複数の力覚センサを使用することなく、すなわちコスト及び設置スペースを最小化しつつ、故障の判定（正常に機能しているか否かの判定）が可能な力覚センサを提供することができる。
【０１０６】
具体的には、検出回路が例えばＦｚ１とＦｚ２との差、及び、Ｆｚ２とＦｚ３との差、が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。このことにより、力覚センサが正常に機能しているか否かを確実に判定することができる。
【０１０７】
また、本実施の形態では、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２がＹ軸に関して対称的に配置されているため、当該各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動に基づく検出対象の力Ｆｘ及びＦｚを計測するための処理が容易である。
【０１０８】
＜＜＜  §３．  ６軸の力覚センサの実施例  ＞＞＞
次に、§１で説明した故障判定の原理を６軸の力覚センサに応用した例について説明する。
【０１０９】
ここで説明する６軸の力覚センサは、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、ＦｚとＸ、Ｙ、Ｚの各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚとの６つの力を検出することが可能な力覚センサである。
【０１１０】
ここで、「力」という用語は、特定の座標軸方向の力を意味する場合と、モーメント成分を含めた集合的な力を意味する場合とを、適宜使い分けることにする。たとえば、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと言った場合は、モーメントではない各座標軸方向の力成分を意味しているが、６つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚと言った場合は、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とを含む集合的な力を意味することになる。
【０１１１】
図１０は、本発明の第３の実施の形態による６軸の力覚センサを示す概略断面図であり、図１１は、図１０のＡ−Ａ線断面図であり、図１２は、図１０のＢ−Ｂ線断面図である。
【０１１２】
図１０乃至図１２に示すように、本実施の形態の力覚センサは、ＸＹ平面上に配置された支持体３００と、支持体３００に対向して配置され、検出対象となる力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる４つの第１変形部１１１〜１１４を有する第１変形体１００と、第１変形体１００の各変形部１１１〜１１４に対応して支持体３００上に配置された固定電極と、固定電極に対向するように第１変形体１００の４つの第１変形部１１１〜１１４にそれぞれ設けられ、固定電極との間で４組の容量素子を構成する変位電極と、第１変形体１００の上方に対向して配置された第２変形体２００と、を備えている。本実施の形態の第２変形体２００は、４つの第１変形部１１１〜１１４に対向するように配置された４つの第２変形部２１１〜２１４を有している。更に、本実施の形態の力覚センサには、第１変形部１１１〜１１４と各第１変形部１１１〜１１４に対応する第２変形部２１１〜２１４とを連結する４つの連結部材４０１〜４０４が設けられている。なお、図１０では、煩雑さを避けるため、第１変形部１１１、１１３、第２変形部２１１，２１３及び連結部材４０１、４０３の図示は省略されている。
【０１１３】
第１変形体１００は、例えば金属で構成された円盤状の板材に、４つの肉厚が薄い弾性（可撓性）を有する領域を当該円盤の中心から等距離に９０°毎に形成されて構成され得る。この弾性を有する４つの領域が、第１変形部１１１〜１１４として機能することになる。また、本実施の形態の第２変形体２００は、例えば金属で構成され第１変形体１００と同じ直径を有する円盤状の板材に、４つの肉厚が薄い弾性を有する領域を当該円盤の中心から等距離に９０°毎に形成されて構成され得る。この弾性を有する４つの領域が、第２変形部２１１〜２１４として機能することになる。
【０１１４】
本実施の形態の支持体３００は、第１変形体１００及び第２変形体２００と同じ直径の円盤形状を有しており、図１０に示すように、第１変形部１１１〜１１４を除く領域の下面において、第１変形体１００を支持している。各第１変形部１１１〜１１４、各第２変形部２１１〜２１４は、Ｚ軸方向から見て、正のＸ軸上、正のＹ軸上、負のＸ軸上及び負のＹ軸上に、各１つずつ、原点Ｏから等距離で配置されている（図１１参照）。本実施の形態では、各第１変形部１１１〜１１４、各第２変形部２１１〜２１４は、いずれも、Ｚ軸方向から見て、同じ直径を有する円形のダイアフラムとして構成されている。
【０１１５】
各第１変形部１１１〜１１４の上面（図１０の上方の面）には、当該各第１変形部１１１〜１１４の円形の中心位置からＺ軸方向に沿って上方に延び出た第１連結部１２１〜１２４が設けられている。更に、各第２変形部２１１〜２１４の下面（図１０の下方の面）には、当該各第２変形部２１１〜２１４の円形の中心位置からＺ軸方向に沿って下方に延び出た第２連結部２２１〜２２４が設けられている。そして、第１連結部１２１〜１２４とその各々に対応する第２連結部２２１〜２２４とがボルトなどの適切な接続手段によって強固に接続されることによって、Ｚ軸方向に延在する４つの連結部材４０１〜４０４が構成されている。
【０１１６】
このような構成により、第２変形体２００に対して何ら力が作用していない状態では、第２変形体２００は支持体３００に対して定位置をとるが、第２変形体２００に何らかの力が作用すると、弾性（可撓性）をもった４つの第１変形部１１１〜１１４が弾性変形を生じ、第２変形体２００と支持体３００との相対位置に変化が生じることになる。もちろん、第２変形体２００に作用する力がなくなると、当該第２変形体２００はもとどおりの定位置に戻る。
【０１１７】
図１０に示すように、４組の容量素子は、４つの第１変形部１１１〜１１４の下面に配置された変位電極と、この変位電極に対向するように配置された固定電極とによって構成されている。まず、４組の容量素子のうち、第１組の容量素子について説明する。第１組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸正側の第１変形部１１１に対応した領域に設けられており、４つの容量素子から構成されている。
【０１１８】
これら４つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４を構成する電極として、Ｙ軸正側の第１変形部１１１の下面に、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１変位電極Ｅ３０１及びＸ軸正側の第２変位電極Ｅ３０２と、第１変位電極Ｅ３０１のＸ軸負側に配置された第３変位電極Ｅ３０３及び第２変位電極Ｅ３０２のＸ軸正側に配置された第４変位電極Ｅ３０４と、が設けられている。更に、支持体３００上に、第１変位電極Ｅ３０１に対向して配置された第１固定電極Ｅ２０１と、第２変位電極Ｅ３０２に対向して配置された第２固定電極Ｅ２０２と、第３変位電極Ｅ３０３に対向して配置された第３固定電極Ｅ２０３と、第４変位電極Ｅ３０４に対向して配置された第４固定電極Ｅ２０４と、が設けられている。
【０１１９】
本実施の形態では、Ｚ軸方向から見て、第１固定電極Ｅ２０１及び第１変位電極Ｅ３０１は、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、第２固定電極Ｅ２０２及び第２変位電極Ｅ３０２は、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、第３固定電極Ｅ２０３及び第３変位電極Ｅ３０３は、第１固定電極Ｅ２０１及び第１変位電極Ｅ３０１の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、第４固定電極Ｅ２０４及び第４変位電極Ｅ３０４は、第２固定電極Ｅ２０２及び第２変位電極Ｅ３０２の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極である。なお、図１０及び図１３乃至図１５において、各電極を支持している基板は図示されていない。
【０１２０】
このような電極の配置によって、第１容量素子Ｃ１１が第１変位電極Ｅ３０１と第１固定電極Ｅ２０１とによって構成され、第２容量素子Ｃ１２が第２変位電極Ｅ３０２と第２固定電極Ｅ２０２とによって構成され、第３容量素子Ｃ１３が第３変位電極Ｅ３０３と第３固定電極Ｅ２０３とによって構成され、第４容量素子Ｃ１４が第４変位電極Ｅ３０４と第４固定電極Ｅ２０４とによって構成されている。
【０１２１】
本実施の形態の力覚センサには、このほかに第２組〜第４組の３組の容量素子が設けられている。第２組の容量素子も４つの容量素子（第５〜第８容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４）から構成されている。この第２組の容量素子は、前述の第１組の容量素子、すなわち第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４を原点を中心として時計回りに９０°回転させた構造となっている。すなわち、第５容量素子Ｃ２１は、第１容量素子Ｃ１１を原点を中心として時計回りに９０°回転させた位置に配置されており、第６容量素子Ｃ２２は、第２容量素子Ｃ１２を原点を中心として時計回りに９０°回転させた位置に配置されており、第７容量素子Ｃ２３は、第３容量素子Ｃ１３を原点を中心として時計回りに９０°回転させた位置に配置されており、第８容量素子Ｃ２４は、第４容量素子Ｃ１４を原点を中心として時計回りに９０°回転させた位置に配置されている。もちろん、第５〜第８容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４を構成する第５〜第８固定電極Ｅ２０５〜Ｅ２０８及び第５〜第８変位電極Ｅ３０５〜Ｅ３０８についても同様であり、第１〜第４固定電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４及び第１〜第４変位電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４を原点を中心として９０°時計回りに回転させた位置に配置されている。
【０１２２】
同様に、第３組の容量素子も４つの容量素子（第９〜第１２容量素子Ｃ３１〜Ｃ３４）から構成されており、前述の第５〜第８容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４を原点を中心として９０°時計回りに回転させた位置に配置されている。また、第４組の容量素子も４つの容量素子（第１３〜第１６容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４）から構成されており、前述の第９〜第１２容量素子Ｃ３１〜Ｃ３４を、原点を中心として９０°時計回りに回転させた位置に配置されている。
【０１２３】
結局、第１及び第３容量素子Ｃ１１、Ｃ１３と、第２及び第４容量素子Ｃ１２、Ｃ１４とは、正のＹ軸を対称軸として軸対称に配置されて全体として略円形の第１組の容量素子を構成しており、第５及び第７容量素子Ｃ２１、Ｃ２３と、第６及び第８容量素子Ｃ２２、Ｃ２４とは、正のＸ軸を対称軸として軸対称に配置されて全体として略円形の第２組の容量素子を構成しており、第９及び第１１容量素子Ｃ３１、Ｃ３３と、第１０及び第１２容量素子Ｃ３２、Ｃ３４とは、負のＹ軸を対称軸として軸対称に配置されて全体として略円形の第３組の容量素子を構成しており、第１３及び第１５容量素子Ｃ４１、Ｃ４３と、第１４及び第１６容量素子Ｃ４２、Ｃ４４とは、負のＸ軸を対称軸として軸対称に配置されて全体として略円形の第４組の容量素子を構成している。更に、第１組〜第４組の容量素子は、原点Ｏから等距離に、且つ、対応する第１変形部１１１〜１１４と同心に配置されている。
【０１２４】
前述したように、第１変形体１００の第１変形部１１１〜１１４は、各１つの連結部材４０１〜４０４を介して第２変形体２００の第２変形部２１１〜２１４に連結されている（図１０及び図１１参照）。このため、第２変形体２００に力が作用すると、第２変形体２００及び連結部材４０１〜４０４を介して第１変形体１００の第１変形部１１１〜１１４に力が伝わり、当該力の大きさ及び方向に応じて、当該第１変形部１１１〜１１４が変形する。この変形に伴って、第１変形部１１１〜１１４上に配置された第１〜第１６変位電極Ｅ３０１〜Ｅ３１６がＺ軸方向に変位する。すなわち、支持体３００上に配置された第１〜第１６固定電極Ｅ２０１〜Ｅ２１６に対する第１〜第１６変位電極Ｅ３０１〜Ｅ３１６の相対位置（離間距離）がそれぞれ変化する。このことは、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４の静電容量値のそれぞれに変動を生じさせるため、これらの変動量を検出することによって、第２変形体２００に作用した力の向き及び大きさを計測することができる。
【０１２５】
次に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、及び、各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを計測する原理を説明する。以下の説明においては、支持体３００が固定された状態で、第２変形体２００に力ないしモーメントが作用するものとする。
【０１２６】
図１３は、第２変形体２００にＸ軸方向の力Ｆｘを作用させたときの図１０の力覚センサの状態を示す概略断面図である。図１３では、力Ｆｘが右向きに作用した場合を例示している。この場合、第１変形体の第１変形部１１１〜１１４及び第２変形体の第２変形部２１１〜２１４は、図示されているように変形する。すなわち、第１変形部１１１〜１１４の各々において、Ｘ軸正側の半円領域が下方に変形し、Ｘ軸負側の半円領域が上方に変形する。従って、第１組及び第３組の容量素子においてＸ軸負側に配置されている第１、第３、第１０及び第１２容量素子Ｃ１１、Ｃ１３、Ｃ３２、Ｃ３４の静電容量値が減少し、その一方、第１組及び第３組の容量素子においてＸ軸正側に配置されている第２、第４、第９及び第１１容量素子Ｃ１２、Ｃ１４、Ｃ３１、Ｃ３３の静電容量値が増大する。これに対し、残りの第５〜第８及び第１３〜第１６容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４、Ｃ４１〜Ｃ４４については、変位電極と固定電極との間の離間距離が小さくなる領域と大きくなる領域とが存在し、静電容量値の変化が打ち消されるため、静電容量値は実質的に変化しない。
【０１２７】
もちろん、第２変形体２００に左向きのＸ軸方向の力が作用した場合には、第１組及び第３組の容量素子において上述した静電容量値の変動とは逆の変動が生じる。すなわち、第１組及び第３組の容量素子においてＸ軸負側に配置されている第１、第３、第１０及び第１２容量素子Ｃ１１、Ｃ１３、Ｃ３２、Ｃ３４の静電容量値が増大し、その一方、第１組及び第３組の容量素子においてＸ軸正側に配置されている第２、第４、第９及び第１１容量素子Ｃ１２、Ｃ１４、Ｃ３１、Ｃ３３の静電容量値が減少する。残りの第５〜第８及び第１３〜第１６容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４、Ｃ４１〜Ｃ４４については、前述した場合と同様に、静電容量値は実質的に変化しない。
【０１２８】
第２変形体２００にＹ軸方向の力Ｆｙを作用させた場合については、第２変形体２００にＸ軸方向の力Ｆｘを作用させた状態を９０°ずらして考えれば良いため、ここでは省略する。
【０１２９】
次に、第２変形体２００にＺ軸方向の力Ｆｚ作用した場合について検討する。図１４は、第２変形体２００にＺ軸方向の力Ｆｚを作用させたときの図１０の力覚センサの状態を示す概略断面図である。図１４では、力Ｆｚが下向きに作用した場合を例示している。この場合、第１変形体の第１変形部１１１〜１１４及び第２変形体の第２変形部２１１〜２１４は、図示されているように変形する。すなわち、第１変形部１１１〜１１４の各々が下方に変形する。従って、第１〜第１６容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４は、いずれも変位電極と固定電極との間の離間距離が小さくなるため、静電容量値が増大する。
【０１３０】
他方、第２変形体２００にＺ軸方向の力が上向きに作用すると、前述した場合とは逆に、第１変形部１１１〜１１４は、それぞれ上方に変形する。従って、第１〜第１６容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４は、いずれも変位電極と固定電極との間の離間距離が大きくなるため、静電容量値が減少する。
【０１３１】
次に、第２変形体２００にＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合について検討する。図１５は、第２変形体２００にＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用したときの図１０の力覚センサの状態を示す概略断面図である。図１５では、モーメントＭｙが時計回りに作用した場合を例示している。この場合、第１変形体の第１変形部１１１〜１１４及び第２変形体の第２変形部２１１〜２１４は、図示されているように変形する。すなわち、Ｘ軸正側の第１変形部１１２は下方に変形し、Ｘ軸負側の第１変形部１１４は上方に変形する。一方、図示されていないが、Ｙ軸正側及びＹ軸負側の第１変形部１１１、１１３は、Ｘ軸正側の半円領域が下方に向かって変形し、Ｘ軸負側の半円領域が上方に向かって変形する。
【０１３２】
従って、Ｘ軸正側の第１変形部１１２に対応する第５〜第８容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の静電容量値が増大し、Ｘ軸負側の第１変形部１１４に対応する第１３〜第１６容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４の静電容量値が減少する。一方、Ｙ軸正側及びＹ軸負側の第１変形部１１１、１１３に対応する第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４及び第９〜第１２容量素子Ｃ３１〜Ｃ３４の静電容量値は、第２変形体２００にＸ軸方向の力Ｆｘが作用した場合（図１３参照）において説明したように、実質的に変化しない。
【０１３３】
他方、第２変形体２００にＹ軸まわりに反時計回りのモーメントが作用すると、前述した場合とは逆に、Ｘ軸正側の第１変形部１１２に対応する第５〜第８容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の静電容量値が減少し、Ｘ軸負側の第１変形部１１４に対応する第１３〜第１６容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４の静電容量値が増大する。この場合も、Ｙ軸正側及びＹ軸負側の第１変形部１１１、１１３に対応する第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４及び第９〜第１２容量素子Ｃ３１〜Ｃ３４の静電容量値は、実質的に変化しない。
【０１３４】
第２変形体２００にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合については、第２変形体２００にＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した状態を９０°ずらして考えれば良いため、ここでは省略する。
【０１３５】
また、第２変形体２００にＺ軸まわりのモーメントＭｚが作用した場合には、図示されていないが、連結部材４０１〜４０４はいずれもＺ軸を中心とする円周に沿って同じ回転方向に傾倒するように変位する。従って、例えば第２変形体２００に正側のＺ軸から見て当該Ｚ軸まわりに時計回りのモーメントＭｚが作用すると、Ｙ軸正側の第１変形部１１１においては、Ｘ軸正側の半円領域が下方に向かって変形し、Ｘ軸負側の半円領域が上方に向かって変形する。Ｘ軸正側の第１変形部１１２においては、Ｙ軸負側の半円領域が下方に向かって変形し、Ｙ軸正側の半円領域が上方に向かって変形する。Ｙ軸負側の第１変形部１１３においては、Ｘ軸負側の半円領域が下方に向かって変形し、Ｘ軸正側の半円領域が上方に向かって変形する。Ｘ軸負側の第１変形部１１４においては、Ｙ軸正側の半円領域が下方に向かって変形し、Ｙ軸負側の半円領域が上方に向かって変形する。
【０１３６】
従って、Ｙ軸正側の第１変形部１１１に対応する第１組の容量素子においては、第１及び第３容量素子Ｃ１１、Ｃ１３の静電容量値が減少し、第２及び第４容量素子Ｃ１２、Ｃ２２の静電容量値が増大する。同様に、Ｘ軸正側の第２変形部１１２に対応する第２組の容量素子においては、第５及び第７容量素子Ｃ２１、Ｃ２３の静電容量値が減少し、第６及び第８容量素子Ｃ２２、Ｃ２４の静電容量値が増大する。Ｙ軸負側の第１変形部１１３に対応する第３組の容量素子においては、第９及び第１１容量素子Ｃ３１、Ｃ３３の静電容量値が減少し、第１０及び第１２容量素子Ｃ３２、Ｃ３４の静電容量値が増大する。Ｘ軸負側の第１変形部１１４に第４組の容量素子においては、第１３及び第１５容量素子Ｃ４１、Ｃ４３の静電容量値が減少し、第１４及び第１６容量素子Ｃ４２、Ｃ４４の静電容量値が増大する。
【０１３７】
一方、第２変形体２００に作用するＺ軸まわりのモーメントが、上述した方向とは反対方向に作用すると、各第１変形部１１１〜１１４には逆の変形が生じ、この結果、第１〜第１６容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４に生じる静電容量値の変化も逆になる。
【０１３８】
図１６は、上述した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用した場合に各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４に生じる静電容量値の変化を一覧で示した図表である。表中の「＋」は、静電容量値の増大を示し、「−」は、静電容量値の減少を示している。「０」は、静電容量値が実質的に変化しないことを示している。また、上述したように、各力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが逆向きになった場合には、表中の符号が逆になる。
【０１３９】
以上の各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４の静電容量値の変化から、力の６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが下式で表される。
［式７］
Ｆｘ＝（Ｃ１２＋Ｃ１４＋Ｃ３１＋Ｃ３３）−（Ｃ１１＋Ｃ１３＋Ｃ３２＋Ｃ３４）
Ｆｙ＝（Ｃ２１＋Ｃ２３＋Ｃ４２＋Ｃ４４）−（Ｃ２２＋Ｃ２４＋Ｃ４１＋Ｃ４３）
Ｆｚ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４＋Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４＋Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４）
Ｍｘ＝（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４）−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４）
Ｍｙ＝（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４）−（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４）
Ｍｚ＝（Ｃ１１＋Ｃ１３）−（Ｃ１２＋Ｃ１４）＋（Ｃ２１＋Ｃ２３）−（Ｃ２２＋Ｃ２４）＋（Ｃ３１＋Ｃ３３）−（Ｃ３２＋Ｃ３４）＋（Ｃ４１＋Ｃ４３）−（Ｃ４２＋Ｃ４４）
【０１４０】
この［式７］では、容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４の全てを用いて力の６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを表しているが、４組の容量素子それぞれの外側に配置されている容量素子のみを用いて、すなわち第３、第４、第７、第８、第１１、第１２、第１５及び第１６容量素子Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ２３、Ｃ２４、Ｃ３３、Ｃ３４、Ｃ４３、Ｃ４４のみを用いて、６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを次の［式８］のように表すこともできる。なお、［式８］に基づいて算出した成分を［式７］に基づいて算出した成分から区別するために、「’」を付してある。
［式８］
Ｆｘ’＝（Ｃ１４＋Ｃ３３）−（Ｃ１３＋Ｃ３４）
Ｆｙ’＝（Ｃ２３＋Ｃ４４）−（Ｃ２４＋Ｃ４３）
Ｆｚ’＝−（Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ２３＋Ｃ２４＋Ｃ３３＋Ｃ３４＋Ｃ４３＋Ｃ４４）
Ｍｘ’＝（Ｃ３３＋Ｃ３４）−（Ｃ１３＋Ｃ１４）
Ｍｙ’＝（Ｃ２３＋Ｃ２４）−（Ｃ４３＋Ｃ４４）
Ｍｚ’＝Ｃ１３−Ｃ１４＋Ｃ２３−Ｃ２４＋Ｃ３３−Ｃ３４＋Ｃ４３−Ｃ４４
【０１４１】
本実施の形態の力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するに当たっては、例えば、［式７］に基づいて算出された成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚと、［式８］に基づいて算出された成分Ｆｘ’、Ｆｙ’、Ｆｚ’、Ｍｘ’、Ｍｙ’、Ｍｚ’と、を比較することが有効である。すなわち、（ａ）ＦｘとＦｘ’との差、（ｂ）ＦｙとＦｙ’との差、（ｃ）ＦｚとＦｚ’との差、（ｄ）ＭｘとＭｘ’との差、（ｅ）ＭｙとＭｙ’との差、及び、（ｆ）ＭｚとＭｚ’との差、のそれぞれが所定の範囲内にあるか否かを評価すればよい。（ａ）〜（ｆ）のすべての差が所定の範囲内にある場合には、力覚センサが正常に機能していると判定し、（ａ）〜（ｆ）のうち少なくとも１つの差が所定の範囲外にある場合には、当該力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定すればよい。
【０１４２】
以上の判定方法を、本実施の形態の力覚センサに設けられている実際の検出回路に基づいて説明する。
【０１４３】
図１７は、図１０の力覚センサに用いられる検出回路の一例を示す回路図であり、図１８は、図１７の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。
【０１４４】
図１７の検出回路によって第２変形体２００に作用している力を検出するには、各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ４４及びＳＷ１０１〜ＳＷ１１６の接続状態を図１８のタイミング１の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ４４をＯＮにし（接続し）、残りのスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１１６をＯＦＦにする（切断する）。これにより、第１〜第１６Ｃ／Ｖ変換器及びＡ／Ｄ変換器４５ａ〜４５ｐを介して、第１マイコン４７ａ及び第２マイコン４７ｂに、「Ｃ１１＋Ｃ１３」に対応する出力信号Ｖ１と、「Ｃ１２＋Ｃ１４」に対応する出力信号Ｖ３と、「Ｃ２１＋Ｃ２３」に対応する出力信号Ｖ５と、「Ｃ２２＋Ｃ２４」に対応する出力信号Ｖ７と、「Ｃ３１＋Ｃ３３」に対応する出力信号Ｖ９と、「Ｃ３２＋Ｃ３４」に対応する出力信号Ｖ１１と、「Ｃ４１＋Ｃ４３」に対応する出力信号Ｖ１３と、「Ｃ４２＋Ｃ４４」に対応する出力信号Ｖ１５と、が提供される。第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、各出力信号に基づいて［式７］に記載されている力の６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを演算する。第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂには６つの出力端子Ｔ１〜Ｔ６、Ｔ１’〜Ｔ６’が設けられており、出力端子Ｔ１、Ｔ１’から成分Ｆｘが、出力端子Ｔ２、Ｔ２’から成分Ｆｙが、出力端子Ｔ３、Ｔ３’から成分Ｆｚが、出力端子Ｔ４、Ｔ４’から成分Ｍｘが、出力端子Ｔ５、Ｔ５’から成分Ｍｙが、及び、出力端子Ｔ６、Ｔ６’から成分Ｍｚが、それぞれ出力される。なお、スイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１１６がＯＦＦになっていることから、図１７のＶ２、Ｖ４、Ｖ６、Ｖ８、Ｖ１０、Ｖ１２、Ｖ１４及びＶ１６は０である。
【０１４５】
次に、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するには、各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ４４及びＳＷ１０１〜ＳＷ１１６の接続状態を図１８のタイミング２の列に記載されているように制御すればよい。すなわち、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ４４をＯＦＦにし（切断し）、残りのスイッチＳＷ１０１〜ＳＷ１１６をＯＮにする（接続する）。これにより、第１マイコン４７ａ及び第２マイコン４７ｂに対して、「Ｃ１１」に対応する出力信号Ｖ１と、「Ｃ１３」に対応する出力信号Ｖ２と、「Ｃ１２」に対応する出力信号Ｖ３と、「Ｃ１４」に対応する出力信号Ｖ４と、「Ｃ２１」に対応する出力信号Ｖ５と、「Ｃ２３」に対応する出力信号Ｖ６と、「Ｃ２２」に対応する出力信号Ｖ７と、「Ｃ２４」に対応する出力信号Ｖ８と、「Ｃ３１」に対応する出力信号Ｖ９と、「Ｃ３３」に対応する出力信号Ｖ１０と、「Ｃ３２」に対応する出力信号Ｖ１１と、「Ｃ３４」に対応する出力信号Ｖ１２と、「Ｃ４１」に対応する出力信号Ｖ１３と、「Ｃ４３」に対応する出力信号Ｖ１４と、「Ｃ４２」に対応する出力信号Ｖ１５と、「Ｃ４４」に対応する出力信号Ｖ１６と、がそれぞれ提供される。第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、各出力信号に基づいて、［式８］に記載されている力の６つの成分Ｆｘ’、Ｆｙ’、Ｆｚ’、Ｍｘ’、Ｍｙ’、Ｍｚ’を演算する。そして、出力端子Ｔ１、Ｔ１’から成分Ｆｘ’が、出力端子Ｔ２、Ｔ２’から成分Ｆｙ’が、出力端子Ｔ３、Ｔ３’から成分Ｆｚ’が、出力端子Ｔ４、Ｔ４’から成分Ｍｘ’が、出力端子Ｔ５、Ｔ５’から成分Ｍｙ’が、及び、出力端子Ｔ６、Ｔ６’から成分Ｍｚ’が、それぞれ出力される。
【０１４６】
第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、更に、（ａ）「Ｆｘ−Ｆｘ’」が所定の範囲内にあるか否か、（ｂ）「Ｆｙ−Ｆｙ’」が所定の範囲内にあるか否か、（ｃ）「Ｆｚ−Ｆｚ’」が所定の範囲内にあるか否か、（ｄ）「Ｍｘ−Ｍｘ’」が所定の範囲内にあるか否か、（ｅ）「Ｍｙ−Ｍｙ’」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｆ）「Ｍｚ−Ｍｚ’」が所定の範囲内にあるか否か、を評価する。これら（ａ）〜（ｆ）の条件のうち少なくとも１つを満たしていない場合には、力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定する。この場合、図１７の出力端子Ｓ、Ｓ’から、故障と判定されたことを示す故障診断信号が出力される。
【０１４７】
図１７に示す検出回路においては、２つのマイコン４７ａ、４７ｂが使用されているが、これは、一方のマイコンが故障しても他方のマイコンから、第２変形体２００に作用する力の６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚと故障診断信号とを出力できるようにするためである。また、本センサのユーザーは、第１マイコン４７ａから出力されるＦｘ〜Ｍｚ、Ｆｘ’〜Ｍｚ’及び故障診断信号と、第２マイコン４７ｂから出力されるＦｘ〜Ｍｚ、Ｆｘ’〜Ｍｚ’及び故障診断信号と、の両者を比較することができるため、検出回路によって出力された信号の信頼性を確認することができる。
【０１４８】
以上の故障判定方法においては、４組の容量素子それぞれの外側に配置されている容量素子のみを用いて、力覚センサの故障判定が行われたが、４組の容量素子それぞれの内側に配置されている容量素子のみを用いて、力覚センサの故障判定を行うことも可能である。この場合には、上述の［式８］に代えて次の［式９］が使用される。
［式９］
Ｆｘ’’＝（Ｃ１２＋Ｃ３１）−（Ｃ１１＋Ｃ３２）
Ｆｙ’’＝（Ｃ２１＋Ｃ４２）−（Ｃ２２＋Ｃ４１）
Ｆｚ’’＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ４１＋Ｃ４２）
Ｍｘ’’＝（Ｃ３１＋Ｃ３２）−（Ｃ１１＋Ｃ１２）
Ｍｙ’’＝（Ｃ２１＋Ｃ２２）−（Ｃ４１＋Ｃ４２）
Ｍｚ’’＝Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２
【０１４９】
この場合、第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、（ａ’）「Ｆｘ−Ｆｘ’ ’」が所定の範囲内にあるか否か、（ｂ’）「Ｆｙ−Ｆｙ’’」が所定の範囲内にあるか否か、（ｃ’）「Ｆｚ−Ｆｚ’ ’」が所定の範囲内にあるか否か、（ｄ’）「Ｍｘ−Ｍｘ’’」が所定の範囲内にあるか否か、（ｅ’）「Ｍｙ−Ｍｙ’ ’」が所定の範囲内にあるか否か、及び、（ｆ’）「Ｍｚ−Ｍｚ’’」が所定の範囲内にあるか否か、を評価する。これら（ａ’）〜（ｆ’）の条件の少なくとも１つを満たしていない場合には、力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定され、図１７の出力端子Ｓ、Ｓ’から、故障と判定されたことを示す故障診断信号が出力される。
【０１５０】
なお、第２変形体２００に作用している力の６つの成分は、Ｆｘ’〜Ｍｚ’またはＦｘ’’〜Ｍｚ’’によって計測することも可能であるが、Ｆｘ〜Ｍｚによって計測される方がより高精度である。これは、力の計測に用いられる静電容量値（電極面積）がＦｘ’〜Ｍｚ’及びＦｘ’’〜Ｍｚ’’の場合よりも大きいため、静電容量値の変化も大きく、Ｓ／Ｎの点からも有利であるからである。
【０１５１】
また、§２において説明した第２の実施の形態のように容量素子毎にＣ／Ｖ変換器及び信号処理部を設ける構成も考えられるが、本実施の形態の力覚センサには１６個もの容量素子が設けられているため、演算が複雑になり現実的ではない。このため、上述したように、マイコンを用いて演算処理するような回路構成を採用することが望ましい。
【０１５２】
図１７に示す検出回路は、［式８］に示すＦｘ’、Ｆｙ’、Ｆｚ’、Ｍｘ’、Ｍｙ’、Ｍｚ’を演算することも、［式９］に示すＦｘ’’、Ｆｙ’ ’、Ｆｚ’’、Ｍｘ’ ’、Ｍｙ’’、Ｍｚ’ ’を演算することも、共に可能であるが、いずれか一方の演算のみであれば検出回路をよりシンプルに構成することが可能である。このような検出回路の一例が図１９に示されている。図１９は、図１０の力覚センサに用いられる検出回路の他の例を示す回路図であり、図２０は、図１９の検出回路に設けられているスイッチのＯＮ／ＯＦＦの接続状態を示す図表である。
【０１５３】
図１９の検出回路は、図１７の検出回路から第２、第４、第６、第８、第１０、第１２、第１４及び第１６Ｃ／Ｖ変換器及びＡ／Ｄ変換器４５ｂ、４５ｄ、４５ｆ、４５ｈ、４５ｊ、４５ｌ、４５ｎ、４５ｐを取り除いたものである。この検出回路は、各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ４４を図２０のタイミング１の列に記載されているように全てＯＮにすれば、図１７の各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ４４、ＳＷ１０１〜ＳＷ１１６を図１８のタイミング１の列に記載された接続状態とした当該図１７の検出回路と等価となる。すなわち、第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、［式７］に記載されている力の６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを演算することができる。一方、各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ４４を図２０のタイミング２の列に記載されているように全てＯＦＦにすれば、第１マイコン４７ａ及び第２マイコン４７ｂに対して、「Ｃ１１」に対応する出力信号Ｖ１と、「Ｃ１２」に対応する出力信号Ｖ２と、「Ｃ２１」に対応する出力信号Ｖ３と、「Ｃ２２」に対応する出力信号Ｖ４と、「Ｃ３１」に対応する出力信号Ｖ５と、「Ｃ３２」に対応する出力信号Ｖ６と、「Ｃ４１」に対応する出力信号Ｖ７と、「Ｃ４４」に対応する出力信号Ｖ８と、がそれぞれ提供される。これにより、第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂは、各出力信号Ｖ１〜Ｖ８に基づいて、［式９］に記載されている力の６つの成分Ｆｘ’ ’、Ｆｙ’ ’、Ｆｚ’ ’、Ｍｘ’’、Ｍｙ’’、Ｍｚ’’を演算し得る。
【０１５４】
もちろん、図１７の検出回路において、スイッチの接続状態を図１８のタイミング２に固定すれば、第１〜第１６Ｃ／Ｖ変換器及びＡ／Ｄ変換器４５ａ〜４５ｐによって、対応する容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４の静電容量値がそれぞれ検出される。これらの容量素子の各静電容量値を第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂに対して入力し、当該第１及び第２マイコン４７ａ、４７ｂによって［式７］〜［式９］に基づいて成分Ｆｘ〜Ｍｚ、Ｆｘ’〜Ｍｚ’及びＦｘ’ ’〜Ｍｚ’ ’を演算することも可能である。
【０１５５】
以上のような本実施の形態の力覚センサによれば、全ての容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４を用いて計測された力の成分Ｆｘ〜Ｍｚと、一部の容量素子を用いて計測された力の成分Ｆｘ’〜Ｍｚ’またはＦｘ’ ’〜Ｍｚ’ ’と、を互いに比較することができるため、力覚センサが正常に機能しているか否かを当該力覚センサ自身で判断することができる。このため、複数の力覚センサを使用することなく、すなわちコスト及び設置スペースを最小化しつつ、故障の判定（正常に機能しているか否かの判定）が可能な力覚センサを提供することができる。
【０１５６】
また、４つの第１変形部１１１〜１１４に対応する４組の容量素子の各々が、原点から等距離に、且つ、Ｘ軸またはＹ軸に関して軸対称に配置されているため、各容量素子の静電容量値の変動に基づいて検出対象の力を計測するための処理が容易である。
【０１５７】
なお、変位電極が４つの第１変形部１１１〜１１４に各４つずつ設けられている例を説明したが、このような例には限定されない。例えば、変位電極が４つの第１変形部１１１〜１１４に各１つずつ共通電極として設けられていても良い。この場合、例えば第１変形部１１１に、上述したようなＹ軸に関して対称的に配置された４つの固定電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４が設けられ、これらの固定電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４と共通電極とによって４つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４が構成され得る。このことは、残り３つの第１変形部１１２〜１１４に対応する容量素子Ｃ２１〜Ｃ４４についても同様である。もちろん、４つの第１変形部１１１〜１１４を導電性材料（たとえば、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属材料）から構成し、当該４つの第１変形部１１１〜１１４を共通電極として機能させても良い。
【０１５８】
あるいは、固定電極を共通電極として構成し、上述のように変位電極を４つの第１変形部１１１〜１１４にＸ軸ないしＹ軸に関して対称に各４つ設けることによって、容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４を構成しても良い。
【０１５９】
更には、図示されていないが、各軸方向の力ないし各軸まわりのモーメントが作用した結果、固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、各容量素子を構成する固定電極および変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定することも考えられる。これは、前述したように、面積が小さい方の電極（例えば変位電極）の輪郭を、面積が大きい方の電極（例えば固定電極）の表面に投影して正射影投影像を形成した場合、面積が小さい方の電極の投影像が、面積が大きい方の電極の表面内に完全に含まれるような状態である。この状態が維持されれば、両電極によって構成される容量素子の実効面積は、小さい方の電極の面積に等しくなり、常に一定になる。すなわち、力の検出精度を向上させることができる。
【０１６０】
＜＜＜  §４．  ＰＷＭ変換回路を用いた検出回路の変形例  ＞＞＞
これまで説明した力覚センサは、スイッチのＯＮ／ＯＦＦを所定のタイミングで切り換えることによって所定の容量素子を選択的に並列接続し、静電容量値の加算演算を行っていた。スイッチとしては、機械的な接点を有するスイッチを採用可能であるが、検出回路の回路基板を小型化するという観点からは、アナログスイッチを採用することが好ましい。
【０１６１】
しかしながら、アナログスイッチは、入出力用の端子に寄生容量が存在し、この寄生容量が各容量素子の静電容量値よりも大きくなる恐れがある。この場合、静電容量値を正確に評価することができず、力覚センサによって検出される力ないしモーメントの精度が低下してしまう。従って、アナログスイッチではなく、電子回路を用いて所定の容量素子の静電容量値の加算演算を行うことが望ましい。各容量素子の静電容量値を電気信号に変換するためには、静電容量値の大きさを、電圧に変換する回路（Ｃ／Ｖ変換器）、周波数に変換する回路（Ｃ／ｆ変換器）、パルス幅に変換する回路（ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）回路）等が考えられる。ここでは、一例として、ＰＷＭ回路を用い、静電容量値をパルス波に変換し、当該パルス波の幅をマイコンのカウンタで計測する方法について、図２１乃至図２４に基づいて説明する。
【０１６２】
図２１は、容量素子にＰＷＭ回路を設けた回路図であり、図２２は、図２１のＰＷＭ回路の各構成部において出力される信号の波形を示す概略図である。
【０１６３】
図２１及び図２２に示すように、本回路図におけるＰＷＭ回路は、容量素子Ｃに対して矩形の駆動パルス波Ｗ１を提供する駆動部５１と、容量素子Ｃに並列に接続されたローパスフィルタ５２と、ローパスフィルタ５２を通過した波Ｗ２の波形を矩形波Ｗ３に変換するコンパレータ５３と、駆動部５１によって提供された駆動パルス波Ｗ１とコンパレータ５３によって変換された矩形波Ｗ３との排他的論理和の論理演算を行う演算部５４と、演算部５４による演算後のパルス波Ｗ４のパルス幅を計測するカウンタ５５と、を備えている。
【０１６４】
このＰＷＭ回路においては、図２２に示すように、ローパスフィルタ５２を通過した駆動パルス波Ｗ１は、容量素子Ｃによる当該駆動パルス波Ｗ１の伝達遅れのため、波形に鈍りが生じる。この鈍りの程度は、容量素子Ｃの静電容量値が大きいほど、大きくなるという特性がある。このため、ローパスフィルタ５２を通過した後の波Ｗ２をコンパレータ５３で矩形波Ｗ３に変換すると、当該矩形波Ｗ３は、駆動部５１によって提供された駆動パルス波Ｗ１に対して、容量素子Ｃの静電容量値に応じた分だけ遅延した波となる。従って、駆動パルス波Ｗ１と矩形波Ｗ３との排他的論理和によって得られるパルス波Ｗ４のパルス幅を計測することにより、容量素子Ｃの静電容量値を評価することができる。
【０１６５】
以上のようなＰＷＭ回路を本発明による力覚センサに採用するには、例えば、図２３に示す回路図を構成すればよい。図２３は、本発明の力覚センサに採用され得るＰＷＭ回路の一例を示す回路図であり、図２４は、図２３のＰＷＭ回路の各構成部において出力される信号の波形を示す概略図である。
【０１６６】
図２３に示すＰＷＭ回路は、図２１に示すＰＭＷ回路を並列に２つ配置した構成となっているため、共通する構成部分には図２１と同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。一方、図２３に示すＰＷＭ回路においては、図２１に示すＰＷＭ回路とは異なり、ローパスフィルタ５２ａ、５２ｂを通過したそれぞれの波Ｗ２ａ、Ｗ２ｂは、コンパレータ５３ａ、５３ｂに加え、差分演算器５６にも入力される。そして、差分演算器５６から出力された波Ｗ５がコンパレータ５３ｃで矩形波Ｗ６に整形され、この矩形波Ｗ６が、駆動部５１ａによって提供された駆動パルス波Ｗ１ａと共に、排他的論理和を演算する演算部５４ｃに入力される。そして、演算部５４ｃによって演算された波Ｗ７は、カウンタ５５ｃに入力され、当該波Ｗ７のパルス幅が計測される。
【０１６７】
なお、図示されている回路図においては、２つの駆動パルス波Ｗ１ａ、Ｗ１ｂは互いに逆位相となっている。このため、差分演算器５６によって「Ｗ２ａ−Ｗ２ｂ」という演算が行われるのであるが、実際には「Ｗ２ａ＋Ｗ２ｂ」という加算演算が行われることになる。すなわち、例えば２つの容量素子Ｃ１、Ｃ２に対して本ＰＷＭ回路を適用した場合には、容量素子Ｃ１に基づく信号がカウンタ５５ａから出力され、容量素子Ｃ２に基づく信号がカウンタ５５ｂから出力される。更に、２つの容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量の和（Ｃ１＋Ｃ２）の信号がカウンタ５５ｃから出力される。
【０１６８】
以上のＰＷＭ回路を、例えば§３で説明した６軸の力覚センサに採用するには、１６個の容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４を各２つの容量素子Ｃ１２、Ｃ１４と、容量素子Ｃ１１、Ｃ１３と、容量素子Ｃ２２、Ｃ２４と、容量素子Ｃ２１、Ｃ２３と、容量素子Ｃ３２、Ｃ３４と、容量素子Ｃ３１、Ｃ３３と、容量素子Ｃ４２、Ｃ４４と、容量素子Ｃ４１、Ｃ４３と、の８組に分け、各組毎に当該ＰＷＭ回路を適用すればよい。このような回路構成によれば、容量素子Ｃ１２、Ｃ１４を含む回路から、各容量素子Ｃ１２、Ｃ１４の静電容量値「Ｃ１２」、「Ｃ１４」、及び、静電容量値の和「Ｃ１２＋Ｃ１４」を計測することができる。同様に、容量素子Ｃ１１、Ｃ１３を含む回路から、各容量素子Ｃ１１、Ｃ１３の静電容量値「Ｃ１１」、「Ｃ１３」、及び、静電容量値の和「Ｃ１１＋Ｃ１３」を計測することができ、容量素子Ｃ２２、Ｃ２４を含む回路から、各容量素子Ｃ２２、Ｃ２４の静電容量値「Ｃ２２」、「Ｃ２４」、及び、静電容量値の和「Ｃ２２＋Ｃ２４」を計測することができ、容量素子Ｃ２１、Ｃ２３を含む回路から、各容量素子Ｃ２１、Ｃ２３の静電容量値「Ｃ２１」、「Ｃ２３」、及び、静電容量値の和「Ｃ２１＋Ｃ２３」を計測することができ、容量素子Ｃ３２、Ｃ３４を含む回路から、各容量素子Ｃ３２、Ｃ３４の静電容量値「Ｃ３２」、「Ｃ３４」、及び、静電容量値の和「Ｃ３２＋Ｃ３４」を計測することができ、容量素子Ｃ３１、Ｃ３３を含む回路から、各容量素子Ｃ３１、Ｃ３３の静電容量値「Ｃ３１」、「Ｃ３３」、及び、静電容量値の和「Ｃ３１＋Ｃ３３」を計測することができ、容量素子Ｃ４２、Ｃ４４を含む回路から、各容量素子Ｃ４２、Ｃ４４の静電容量値「Ｃ４２」、「Ｃ４４」、及び、静電容量値の和「Ｃ４２＋Ｃ４４」を計測することができ、容量素子Ｃ４１、Ｃ４３を含む回路から、各容量素子Ｃ４１、Ｃ４３の静電容量値「Ｃ４１」、「Ｃ４３」、及び、静電容量値の和「Ｃ４１＋Ｃ４３」を計測することができる。これらの計測結果を用いて、前述の［式７］に対応する演算を行うことにより、力覚センサに作用している力の６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを演算することができる。更に、前述の［式８］に対応する演算を行うことにより、力の６つの成分Ｆｘ’、Ｆｙ’、Ｆｚ’、Ｍｘ’、Ｍｙ’、Ｍｚ’を演算することができる。あるいは、前述の［式９］に対応する演算を行うことにより、力の６つの成分Ｆｘ’’、Ｆｙ’’、Ｆｚ’’、Ｍｘ’’、Ｍｙ’’、Ｍｚ’’を演算することもできる。これらの演算結果に基づいて、§３で詳細に説明した通り、力覚センサが正常に機能しているか否かを評価することができる。もちろん、同様にして、このＰＷＭ回路を§１で説明した１軸の力覚センサ及び§２で説明した２軸の力覚センサに適用することも可能である。
【０１６９】
ここで説明したＰＷＭ回路によれば、ローパスフィルタ５２ａ、５２ｂを通過した後の波Ｗ２ａ、Ｗ２ｂに同相ノイズ（図２４の波Ｗ２ａ、Ｗ２ｂにおいて破線で示されている）が混入しても、波Ｗ５の波形に示されるように、差分演算器５６で当該ノイズをキャンセルすることができ、静電容量値を高精度に計測することができる。なお、図２３においては、３つのカウンタ５５ａ、５５ｂ、５５ｃを設けて、「Ｃ１」、「Ｃ２」及び「Ｃ１＋Ｃ１」を独立に同時に計測しているが、これらのカウンタ５５ａ、５５ｂ、５５ｃに代えて、１つのマイコンを採用することも可能である。この場合、「Ｃ１」、「Ｃ２」及び「Ｃ１＋Ｃ１」を同時に計測することはできないが、回路構成を単純化することができる。
【図１】
2017212618.tif 000003
【図２】
2017212618.tif 000004
【図３】
2017212618.tif 000005
【図４】
2017212618.tif 000006
【図５】
2017212618.tif 000007
【図６】
2017212618.tif 000008
【図７】
2017212618.tif 000009
【図８】
2017212618.tif 000010
【図９】
2017212618.tif 000011
【図１０】
2017212618.tif 000012
【図１１】
2017212618.tif 000013
【図１２】
2017212618.tif 000014
【図１３】
2017212618.tif 000015
【図１４】
2017212618.tif 000016
【図１５】
2017212618.tif 000017
【図１６】
2017212618.tif 000018
【図１７】
2017212618.tif 000019
【図１８】
2017212618.tif 000020
【図１９】
2017212618.tif 000021
【図２０】
2017212618.tif 000022
【図２１】
2017212618.tif 000023
【図２２】
2017212618.tif 000024
【図２３】
2017212618.tif 000025
【図２４】
2017212618.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月27日(2016.12.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及び前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記容量素子は、Ｚ軸方向から見て当該Ｚ軸を含む領域に配置された第１容量素子と、第２容量素子と、を有し、
前記検出回路は、前記第１容量素子の静電容量値に相当する第１電気信号、前記第２容量素子の静電容量値に相当する第２電気信号、及び、前記第１容量素子の静電容量値と前記第２容量素子の静電容量値との和に相当する合算電気信号、を作用した力を示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号とに基づいて、または、前記第１電気信号または前記第２電気信号と前記合算電気信号とに基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
前記変位電極は、第１変位電極と第２変位電極とを有し、
前記固定電極は、前記第１変位電極に対向して配置された第１固定電極と、前記第２変位電極に対向して配置された第２固定電極と、を有し、
前記第１容量素子は、前記第１変位電極と前記第１固定電極とによって構成され、
前記第２容量素子は、前記第２変位電極と前記第２固定電極とによって構成される
ことを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
【請求項３】
Ｚ軸方向の力が作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１及び第２容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１固定電極及び前記第１変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第２固定電極及び前記第２変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
ことを特徴とする請求項２に記載の力覚センサ。
【請求項４】
前記第１及び第２固定電極が共通の電極で構成されているか、または、前記第１及び第２変位電極が共通の電極で構成されている
ことを特徴とする請求項２または３に記載の力覚センサ。
【請求項５】
前記第２容量素子は、前記第１容量素子を取り囲むように配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項６】
前記第１容量素子は、Ｚ軸方向から見て円盤状の形状を有し、
前記第２容量素子は、Ｚ軸方向から見て円環状の形状を有する
ことを特徴とする請求項５に記載の力覚センサ。
【請求項７】
作用したＺ軸方向の力が前記合算電気信号に基づいて計測される
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項８】
前記検出回路は、「前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第１電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、の少なくとも一方」が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項９】
前記検出回路は、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との双方を、作用した力を示す電気信号として出力し、
「前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第１電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、の少なくとも一方」、並びに、「前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差」、が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項１０】
ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向及びＸ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及び前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、当該第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び当該第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
前記検出回路は、「前記第１及び第３容量素子の各静電容量値の和と、前記第２及び第４容量素子の各静電容量値の和と、の差」に相当する第１電気信号、並びに、「前記第１容量素子の静電容量値と前記第２容量素子の静電容量値との差」に相当する第２電気信号、及び、「前記第３容量素子の静電容量値と前記第４容量素子の静電容量値との差」に相当する第３電気信号、の少なくとも一方、を作用したＸ軸方向の力を示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号または前記第３電気信号とに基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１１】
前記検出回路は、「前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第３電気信号に基づいて計測された力との差、のうち少なくとも一方」が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１０に記載の力覚センサ。
【請求項１２】
前記検出回路は、
前記第２電気信号と前記第３電気信号との双方を、作用した力を示す電気信号として出力し、
「前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第３電気信号に基づいて計測された力との差、のうち少なくとも一方」、並びに、「前記第２電気信号に基づいて計測された力と前記第３電気信号に基づいて計測された力との差」、が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１０に記載の力覚センサ。
【請求項１３】
作用したＸ軸方向の力が前記第１電気信号に基づいて計測される
ことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項１４】
ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向及びＸ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及び前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、当該第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び当該第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
前記検出回路は、「前記第１及び第２容量素子の各静電容量値の和」に相当する第１電気信号、及び、「前記第３及び第４容量素子の各静電容量値の和」に相当する第２電気信号、のうち少なくとも一方、並びに、「前記第１〜第４容量素子の各静電容量値の和」に相当する合算電気信号、を作用したＺ軸方向の力を示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号または前記第２電気信号と前記合算電気信号とに基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１５】
前記検出回路は、「前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第１電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、のうち少なくとも一方」が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１４に記載の力覚センサ。
【請求項１６】
前記検出回路は、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との双方を、作用した力を示す電気信号として出力し、
「前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第１電気信号に基づいて計測された力との差、及び、前記合算電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差、のうち少なくとも一方」、並びに、「前記第１電気信号に基づいて計測された力と前記第２電気信号に基づいて計測された力との差」、が所定の範囲内にあるか否かを判定することにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１４に記載の力覚センサ。
【請求項１７】
作用したＺ軸方向の力が前記合算電気信号に基づいて計測される
ことを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項１８】
前記第３容量素子は、前記第１容量素子のＸ軸負側に配置され、
前記第４容量素子は、前記第２容量素子のＸ軸正側に配置される
ことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項１９】
前記変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１変位電極及びＸ軸正側の第２変位電極と、当該第１変位電極のＸ軸負側に配置された第３変位電極及び当該第２変位電極のＸ軸正側に配置された第４変位電極と、を有し、
前記固定電極は、前記第１変位電極に対向して配置された第１固定電極と、前記第２変位電極に対向して配置された第２固定電極と、前記第３変位電極に対向して配置された第３固定電極と、前記第４変位電極に対向して配置された第４固定電極と、を有し、
前記第１容量素子は、前記第１変位電極と前記第１固定電極とによって構成され、
前記第２容量素子は、前記第２変位電極と前記第２固定電極とによって構成され、
前記第３容量素子は、前記第３変位電極と前記第３固定電極とによって構成され、
前記第４容量素子は、前記第４変位電極と前記第４固定電極とによって構成される
ことを特徴とする請求項１０乃至１８のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項２０】
前記第１固定電極及び前記第１変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第２固定電極及び前記第２変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第３固定電極及び前記第３変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１固定電極及び前記第１変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第４固定電極及び前記第４変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第２固定電極及び前記第２変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極である
ことを特徴とする請求項１９に記載の力覚センサ。
【請求項２１】
Ｘ軸方向及び／またはＺ軸方向の力が作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第４容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１固定電極及び前記第１変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第２固定電極及び前記第２変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第３固定電極及び前記第３変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第４固定電極及び前記第４変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
ことを特徴とする請求項１９または２０に記載の力覚センサ。
【請求項２２】
前記第１〜第４固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第４変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されている
ことを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項２３】
ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントを検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる４つの第１変形部を有する第１変形体と、
前記第１変形体の各変形部に対応して前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記第１変形体の前記４つの第１変形部にそれぞれ設けられ、固定電極との間で４組の容量素子を構成する変位電極と、
前記第１変形体に関して前記支持体とは反対側で当該第１変形体と対向し、前記４つの第１変形部に対向するように配置された４つの第２変形部を有する第２変形体と、
各第１変形部と当該第１変形部に対応する前記第２変形部とを連結する連結部材と、
前記４組の容量素子の各静電容量値の変動量に基づいて、前記第２変形体及び前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と
を備え、
前記４組の容量素子のうち第１組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸正側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、前記第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び前記第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
前記４組の容量素子のうち第２組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸正側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸正側の第５容量素子及びＹ軸負側の第６容量素子と、前記第５容量素子の近傍に配置された第７容量素子及び前記第６容量素子の近傍に配置された第８容量素子と、を有し、
前記４組の容量素子のうち第３組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸負側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸正側の第９容量素子及びＸ軸負側の第１０容量素子と、前記第９容量素子の近傍に配置された第１１容量素子及び前記第１０容量素子の近傍に配置された第１２容量素子と、を有し、
前記４組の容量素子のうち第４組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸負側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸負側の第１３容量素子及びＹ軸正側の第１４容量素子と、前記第１３容量素子の近傍に配置された第１５容量素子及び前記第１４容量素子の近傍に配置された第１６容量素子と、を有し、
前記検出回路は、「前記第１〜第１６容量素子の各静電容量値の変動量に基づいて検出される各軸方向の力及び各軸まわりのモーメント」と、「前記第１、第２、第５、第６、第９、第１０、第１３及び第１４容量素子の各静電容量値の変動量に基づいて検出される各軸方向の力及び各軸まわりのモーメント」及び「前記第３、第４、第７、第８、第１１、第１２、第１５及び第１６容量素子の各静電容量値の変動量に基づいて検出される各軸方向の力及び各軸まわりのモーメント」のうち少なくとも一方と、に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２４】
前記第３容量素子は、前記第１容量素子のＸ軸負側に配置されており、
前記第４容量素子は、前記第２容量素子のＸ軸正側に配置されており、
前記第７容量素子は、前記第５容量素子のＹ軸正側に配置されており、
前記第８容量素子は、前記第６容量素子のＹ軸負側に配置されており、
前記第１１容量素子は、前記第９容量素子のＸ軸正側に配置されており、
前記第１２容量素子は、前記第１０容量素子のＸ軸負側に配置されており、
前記第１５容量素子は、前記第１３容量素子のＹ軸負側に配置されており、
前記第１６容量素子は、前記第１４容量素子のＹ軸正側に配置されている
ことを特徴とする請求項２３に記載の力覚センサ。
【請求項２５】
前記変位電極は、Ｚ軸方向から見て、原点まわりに９０°毎に配置された４組の変位電極を有しており、
前記４組の変位電極のうち第１組の変位電極は、Ｙ軸正側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１変位電極及びＸ軸正側の第２変位電極と、前記第１変位電極の近傍に配置された第３変位電極及び前記第２変位電極の近傍に配置された第４変位電極と、を有し、
前記４組の変位電極のうち第２組の変位電極は、Ｘ軸正側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸正側の第５変位電極及びＹ軸負側の第６変位電極と、前記第５変位電極の近傍に配置された第７変位電極及び前記第６変位電極の近傍に配置された第８変位電極と、を有し、
前記４組の変位電極のうち第３組の変位電極は、Ｙ軸負側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸正側の第９変位電極及びＸ軸負側の第１０変位電極と、前記第９変位電極の近傍に配置された第１１変位電極及び前記第１０変位電極の近傍に配置された第１２変位電極と、を有し、
前記４組の変位電極のうち第４組の変位電極は、Ｘ軸負側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸負側の第１３変位電極及びＹ軸正側の第１４変位電極と、前記第１３容量素子の近傍に配置された第１５変位電極及び前記第１４変位電極の近傍に配置された第１６変位電極と、を有し、
前記固定電極は、前記第１変位電極に対向して配置された第１固定電極と、前記第２変位電極に対向して配置された第２固定電極と、前記第３変位電極に対向して配置された第３固定電極と、前記第４変位電極に対向して配置された第４固定電極と、前記第５変位電極に対向して配置された第５固定電極と、前記第６変位電極に対向して配置された第６固定電極と、前記第７変位電極に対向して配置された第７固定電極と、前記第８変位電極に対向して配置された第８固定電極と、前記第９変位電極に対向して配置された第９固定電極と、前記第１０変位電極に対向して配置された第１０固定電極と、前記第１１変位電極に対向して配置された第１１固定電極と、前記第１２変位電極に対向して配置された第１２固定電極と、前記第１３変位電極に対向して配置された第１３固定電極と、前記第１４変位電極に対向して配置された第１４固定電極と、前記第１５変位電極に対向して配置された第１５固定電極と、前記第１６変位電極に対向して配置された第１６固定電極と、を有し、
前記第１容量素子は、前記第１変位電極と前記第１固定電極とによって構成され、
前記第２容量素子は、前記第２変位電極と前記第２固定電極とによって構成され、
前記第３容量素子は、前記第３変位電極と前記第３固定電極とによって構成され、
前記第４容量素子は、前記第４変位電極と前記第４固定電極とによって構成され、
前記第５容量素子は、前記第５変位電極と前記第５固定電極とによって構成され、
前記第６容量素子は、前記第６変位電極と前記第６固定電極とによって構成され、
前記第７容量素子は、前記第７変位電極と前記第７固定電極とによって構成され、
前記第８容量素子は、前記第８変位電極と前記第８固定電極とによって構成され、
前記第９容量素子は、前記第９変位電極と前記第９固定電極とによって構成され、
前記第１０容量素子は、前記第１０変位電極と前記第１０固定電極とによって構成され、
前記第１１容量素子は、前記第１１変位電極と前記第１１固定電極とによって構成され、
前記第１２容量素子は、前記第１２変位電極と前記第１２固定電極とによって構成され、
前記第１３容量素子は、前記第１３変位電極と前記第１３固定電極とによって構成され、
前記第１４容量素子は、前記第１４変位電極と前記第１４固定電極とによって構成され、
前記第１５容量素子は、前記第１５変位電極と前記第１５固定電極とによって構成され、
前記第１６容量素子は、前記第１６変位電極と前記第１６固定電極とによって構成される
ことを特徴とする請求項２３または２４に記載の力覚センサ。
【請求項２６】
前記第１固定電極及び前記第１変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第２固定電極及び前記第２変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第３固定電極及び前記第３変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１固定電極及び前記第１変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第４固定電極及び前記第４変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第２固定電極及び前記第２変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第５固定電極及び前記第５変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第６固定電極及び前記第６変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第７固定電極及び前記第７変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第５固定電極及び前記第５変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第８固定電極及び前記第８変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第６固定電極及び前記第６変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第９固定電極及び前記第９変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第１０固定電極及び前記第１０変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第１１固定電極及び前記第１１変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第９固定電極及び前記第９変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第１２固定電極及び前記第１２変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１０固定電極及び前記第１０変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第１３固定電極及び前記第１３変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第１４固定電極及び前記第１４変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、
前記第１５固定電極及び前記第１５変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１３固定電極及び前記第１３変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、
前記第１６固定電極及び前記第１６変位電極は、Ｚ軸方向から見て、前記第１４固定電極及び前記第１４変位電極の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極である
ことを特徴とする請求項２５に記載の力覚センサ。
【請求項２７】
ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第１６容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１固定電極及び前記第１変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第２固定電極及び前記第２変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第３固定電極及び前記第３変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第４固定電極及び前記第４変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第５固定電極及び前記第５変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第６固定電極及び前記第６変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第７固定電極及び前記第７変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第８固定電極及び前記第８変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第９固定電極及び前記第９変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１０固定電極及び前記第１０変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１１固定電極及び前記第１１変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１２固定電極及び前記第１２変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１３固定電極及び前記第１３変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１４固定電極及び前記第１４変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１５固定電極及び前記第１５変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定し、前記第１６固定電極及び前記第１６変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定した
ことを特徴とする請求項２５または２６に記載の力覚センサ。
【請求項２８】
前記第１〜第１６固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第１６変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されている
ことを特徴とする請求項２５乃至２７のいずれかに記載の力覚センサ。
【請求項２９】
前記４組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、原点から等距離に配置されている
ことを特徴とする請求項２３乃至２８のいずれかに記載の力覚センサ。
【国際調査報告】
2017212618.tif 000027
2017212618.tif 000028
2017212618.tif 000029
2017212618.tif 000030