(57)【要約】  本発明の力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出する力覚センサであって、第１支持体と、第１支持体から離間して配置された第２支持体と、第１変形部を有する第１変形体と、第２変形部を有する第２変形体と、第１変形部及び第２変形部に生じる変形を計測するセンサと、各第１変形部とこの第１変形部に対応する第２変形部とをそれぞれ連結する連結部材と、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、第１変形部は、第２変形部のバネ定数とは異なるバネ定数を有し、検出回路は、作用した力ないしモーメントに対応する、第１変形部の変形に相当する第１電気信号と、第２変形部の変形に相当する第２電気信号と、を出力し、第１電気信号と第２電気信号との比率の変化に基づいて、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。
2018042571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置され、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第１変形部を有する第１変形体と、
前記第１変形体から離間して配置され、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第２変形部を有する第２変形体と、
前記第１変形部及び前記第２変形部に生じる変形を計測するセンサと、
前記第１変形部と前記第２変形部とを連結する連結部材と、
前記センサの計測値に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記第１変形部は、前記第２変形部のバネ定数とは異なるバネ定数を有しており、
前記検出回路は、作用した力ないしモーメントに対応する、前記第１変形部の変形に相当する第１電気信号と、前記第２変形部の変形に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用した力ないしモーメントに対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、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】
前記検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号と第２電気信号との比率を基準比率として記憶する記憶部を有し、「第１電気信号と第２電気信号との比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、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に記載の力覚センサ。
【請求項３】
前記センサは、前記第１変形部に配置された第１容量素子と、前記第２変形部に配置された第２容量素子と、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】
前記第１変形体は、当該第１変形体に関して前記第２変形体とは反対側に配置された第１支持体に支持され、
前記第２変形体は、当該第２変形体に関して前記第１変形体とは反対側に配置された第２支持体に支持され、
前記第１容量素子は、前記第１変形部に対応して前記第１支持体上に設けられた第１固定電極と、前記第１固定電極に対向するように前記第１変形部に設けられ、当該第１固定電極との間で当該第１容量素子を構成する第１変位電極と、を有し、
前記第２容量素子は、前記第２変形部に対応して前記第２支持体上に設けられた第２固定電極と、前記第２固定電極に対向するように前記第２変形部に設けられ、当該第２固定電極との間で当該第２容量素子を構成する第２変位電極と、を有する
ことを特徴とする請求項３に記載の力覚センサ。
【請求項５】
前記第１変位電極は、前記第１変形部の前記第１支持体側に支持された第１変位基板上に配置され、
前記第２変位電極は、前記第２変形部の前記第２支持体側に支持された第２変位基板上に配置される
ことを特徴とする請求項４に記載の力覚センサ。
【請求項６】
前記第１容量素子は、いずれも複数の容量素子から構成され、
前記第２容量素子は、いずれも複数の容量素子から構成される
ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項７】
前記第１変形部及び前記第２変形部のうち相対的にバネ定数が小さい方の変形部には、スリットが形成されている
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項８】
前記第１変形部及び前記第２変形部のうち相対的にバネ定数が小さい方の変形部は、相対的にバネ定数が大きい方の変形部よりもＺ軸方向の肉厚が小さい
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項９】
前記第１変形部及び前記第２変形部は、共に円盤状であり、
前記第１変形部及び前記第２変形部のうち相対的にバネ定数が小さい方の変形部は、相対的にバネ定数が大きい方の変形部よりも半径が大きい
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１０】
前記第１変形体及び前記第２変形体は、ダイアフラム、ビーム、クロスビーム及び片持ち梁のうちのいずれかによって構成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の力覚センサ。
【請求項１１】
前記第２変形体は、前記第１変形体からＺ軸方向に離間して配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１２】
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、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第１変形部を有する第１変形体と、
前記第１変形体から離間して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第２変形部を有する第２変形体と、
前記第１変形部及び前記第２変形部に生じる変形を計測するセンサと、
前記第１変形体と前記第２変形体とを連結する連結部材と、
前記センサの計測値に基づいて、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、
前記第１変形体は、検出対象となる力を受ける受力部を有し、
前記第１変形体は、第１変形部とは異なる位置にて固定部に固定され、
前記第２変形体は、第２変形部とは異なる位置にて固定部に固定され、
前記第１変形部は、前記固定部から見て、前記第１変形体と前記連結部材との連結部分よりも遠位側に設けられ、
前記第２変形部は、前記固定部から見て、前記第２変形体と前記連結部材との連結部分よりも近位側に設けられ、
前記第１変形部は、前記第２変形部のバネ定数よりも小さいバネ定数を有しており、
前記検出回路は、作用した力に対応する、前記第１変形部の変形に相当する第１電気信号と、前記第２変形部の変形に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用した力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、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１３】
前記第１変形体及び前記第２変形体は、片持ち梁である
ことを特徴とする請求項１２に記載の力覚センサ。
【請求項１４】
前記第２変形体は、前記第１変形体からＺ軸方向に離間して配置されている
ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の力覚センサ。
【請求項１５】
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、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第１変形部及び第２変形部を有する変形体と、
前記第１変形部及び前記第２変形部に生じる変形を計測するセンサと、
前記センサの計測値に基づいて、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、
前記変形体は、前記第１変形部と前記第２変形部との間にＺ軸方向への変位が規制されるように支持され、
前記変形体は、前記第１変形部及び前記第２変形部とは異なる位置にて固定部に固定され、
前記変形体は、前記固定部から見て、前記第１変形部及び前記第２変形部よりも遠位側に検出対象となる力を受ける受力部を有し、
前記第１変形部は、前記第２変形部のバネ定数よりも小さいバネ定数を有しており、
前記検出回路は、作用した力に対応する、前記第１変形部の変形に相当する第１電気信号と、前記第２変形部の変形に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用した力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、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１６】
前記変形体は、片持ち梁である
ことを特徴とする請求項１５に記載の力覚センサ。
【請求項１７】
前記センサは、前記第１変形部に配置された第１容量素子と、前記第２変形部に配置された第２容量素子と、を有する
ことを特徴とする請求項１１乃至１６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１８】
前記第１容量素子は、前記第１変形部に設けられた第１変位電極と、この第１変位電極に対向するように配置された第１固定台座上に設けられ、前記第１変位電極との間で当該第１容量素子を構成する第１固定電極と、を有し、
前記第２容量素子は、前記第２変形部に設けられた第２変位電極と、この第２変位電極に対向するように配置された第２固定台座上に設けられ、前記第２変位電極との間で当該第２容量素子を構成する第２固定電極と、を有する
ことを特徴とする請求項１７に記載の力覚センサ。
【請求項１９】
前記センサは、前記第１変形部に配置された第１歪ゲージと、前記第２変形部に配置された第２歪ゲージと、を有する
ことを特徴とする請求項１、２、１０、１２、１３、１４、１５または１６に記載の力覚センサ。
【請求項２０】
前記第１電気信号、前記第２電気信号、または、前記第１電気信号と前記第２電気信号との和、に基づいて作用した力ないしモーメントを検出する
ことを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサに関し、特に、所定の軸方向に作用した力及び所定の回転軸まわりに作用した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や歪ゲージタイプの力覚センサにおいては、機構部、静電容量や抵抗を構成する検出部（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。特には、力覚センサの力検出部は、可撓性を有するため、過負荷や繰り返し荷重によって金属疲労を生じる。このことにより、当該力検出部を構成する弾性体にクラック等が生じ、最終的には破断してしまう恐れがある。【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  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。もちろん、ロボット等に取り付けられた力覚センサを取り外して故障診断を行うことにより、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は可能ではある。しかしながら、一度取り付けられた力覚センサを取り外すことは面倒であるため、より簡便に故障診断を行うことができる力覚センサが望まれていた。
【０００５】
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、力検出部を構成する弾性体が破断する前に当該弾性体に金属疲労が生じていること検出し、当該力検出部の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することである。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置され、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第１変形部を有する第１変形体と、
前記第１変形体から離間して配置され、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第２変形部を有する第２変形体と、
前記第１変形部及び前記第２変形部に生じる変形を計測するセンサと、
前記第１変形部と前記第２変形部とを連結する連結部材と、
前記センサの計測値に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記第１変形部は、前記第２変形部のバネ定数とは異なるバネ定数を有しており、
前記検出回路は、作用した力ないしモーメントに対応する、前記第１変形部の変形に相当する第１電気信号と、前記第２変形部の変形に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用した力ないしモーメントに対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、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。
【０００７】
本発明によれば、力検出部を構成する変形体に金属疲労が生じる（蓄積する）と、第１電気信号と第２電気信号との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
【０００８】
以上の力覚センサにおいて、前記検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号と第２電気信号との比率を基準比率として記憶する記憶部を有し、「第１電気信号と第２電気信号との比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定しても良い。
【０００９】
この場合、予め定められた基準比率に基づいて、各変形部の故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
【００１０】
前記センサは、前記第１変形部に配置された第１容量素子と、前記第２変形部に配置された第２容量素子と、を有していても良い。この場合、各変形部に生じる変形（歪ないしＺ軸方向への変位）を、各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、高精度に検出することができる。
【００１１】
このような力覚センサにおいて、前記第１変形体は、当該第１変形体に関して前記第２変形体とは反対側に配置された第１支持体に支持され、
前記第２変形体は、当該第２変形体に関して前記第１変形体とは反対側に配置された第２支持体に支持され、
前記第１容量素子は、前記第１変形部に対応して前記第１支持体上に設けられた第１固定電極と、前記第１固定電極に対向するように前記第１変形部に設けられ、当該第１固定電極との間で当該第１容量素子を構成する第１変位電極と、を有し得て、
前記第２容量素子は、前記第２変形部に対応して前記第２支持体上に設けられた第２固定電極と、前記第２固定電極に対向するように前記第２変形部に設けられ、当該第２固定電極との間で当該第２容量素子を構成する第２変位電極と、を有していても良い。
【００１２】
また、前記第１変位電極は、前記第１変形部の前記第１支持体側に支持された第１変位基板上に配置され、
前記第２変位電極は、前記第２変形部の前記第２支持体側に支持された第２変位基板上に配置されていても良い。
【００１３】
この場合、第１変形部及び第２変形部を絶縁体で構成した力覚センサにおいても、本発明による故障判定の原理が採用され得る。
【００１４】
また、前記第１容量素子は、いずれも複数の容量素子から構成され、前記第２容量素子は、いずれも複数の容量素子から構成されていても良い。
【００１５】
第１変形部のバネ定数と第２変形部のバネ定数とを異ならせるためには、様々な態様が採用され得る。例えば、前記第１変形部及び前記第２変形部のうち相対的にバネ定数が小さい方の変形部には、スリットが形成されていても良い。
【００１６】
あるいは、前記第１変形部及び前記第２変形部のうち相対的にバネ定数が小さい方の変形部が、相対的にバネ定数が大きい方の変形部よりもＺ軸方向の肉厚が小さく構成されていても良い。
【００１７】
あるいは、前記第１変形部及び前記第２変形部が共に円盤状であり、
前記第１変形部及び前記第２変形部のうち相対的にバネ定数が小さい方の変形部は、相対的にバネ定数が大きい方の変形部よりも半径が大きく構成されていても良い。
【００１８】
また、前記第１変形体及び前記第２変形体は、ダイアフラム、ビーム、クロスビーム及び片持ち梁のうちのいずれかによって構成されることができる。
【００１９】
以上のような力覚センサにおいて、前記第２変形体は、前記第１変形体からＺ軸方向に離間して配置されていて良い。この場合、検出対象の力ないしモーメントを効果的に検出することができる。
【００２０】
あるいは、本発明は、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、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第１変形部を有する第１変形体と、
前記第１変形体から離間して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第２変形部を有する第２変形体と、
前記第１変形部及び前記第２変形部に生じる変形を計測するセンサと、
前記第１変形体と前記第２変形体とを連結する連結部材と、
前記センサの計測値に基づいて、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、
前記第１変形体は、検出対象となる力を受ける受力部を有し、
前記第１変形体は、第１変形部とは異なる位置にて固定部に固定され、
前記第２変形体は、第２変形部とは異なる位置にて固定部に固定され、
前記第１変形部は、前記固定部から見て、前記第１変形体と前記連結部材との連結部分よりも遠位側に設けられ、
前記第２変形部は、前記固定部から見て、前記第２変形体と前記連結部材との連結部分よりも近位側に設けられ、
前記第１変形部は、前記第２変形部のバネ定数よりも小さいバネ定数を有しており、
前記検出回路は、作用した力に対応する、前記第１変形部の変形に相当する第１電気信号と、前記第２変形部の変形に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用した力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、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、各変形部に金属疲労が蓄積すると、第１電気信号と第２電気信号との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
【００２２】
前記第１変形体及び前記第２変形体は、例えば、片持ち梁である。この場合、それぞれの片持ち梁の一端を固定部に固定させ、第１変形体に対応する片持ち梁の他端に検出対象の力を作用させることによって、効率的に当該力を検出することができる。
【００２３】
あるいは、本発明は、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、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第１変形部及び第２変形部を有する変形体と、
前記第１変形部及び前記第２変形部に生じる変形を計測するセンサと、
前記センサの計測値に基づいて、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、
前記変形体は、前記第１変形部と前記第２変形部との間にＺ軸方向への変位が規制された支点を有し、
前記変形体は、前記第１変形部及び前記第２変形部とは異なる位置にて固定部に固定され、
前記変形体は、前記固定部から見て、前記第１変形部及び前記第２変形部よりも遠位側に検出対象となる力を受ける受力部を有し、
前記第１変形部は、前記第２変形部のバネ定数よりも小さいバネ定数を有しており、
前記検出回路は、作用した力に対応する、前記第１変形部の変形に相当する第１電気信号と、前記第２変形部の変形に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用した力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、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】
本発明によれば、各変形部に金属疲労が蓄積すると、第１電気信号と第２電気信号との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が蓄積していることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
【００２５】
前記変形体は、例えば、片持ち梁である。この場合、片持ち梁の一端を固定部に固定させ、他端に検出対象の力を作用させることによって、効率的に当該力を検出することができる。
【００２６】
ここでも、前記第２変形体は、前記第１変形体からＺ軸方向に離間して配置されていて良い。この場合、検出対象の力ないしモーメントを効果的に検出することができる。
【００２７】
以上のような力覚センサに採用され得るセンサは、例えば、前記第１変形部に配置された第１容量素子と、前記第２変形部に配置された第２容量素子と、を有する。この場合、各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、検出対象の力を検出することができる。
【００２８】
具体的な態様としては、前記第１容量素子は、前記第１変形部に設けられた第１変位電極と、この第１変位電極に対向するように配置された第１固定台座上に設けられ、前記第１変位電極との間で当該第１容量素子を構成する第１固定電極と、を有し、
前記第２容量素子は、前記第２変形部に設けられた第２変位電極と、この第２変位電極に対向するように配置された第２固定台座上に設けられ、前記第２変位電極との間で当該第２容量素子を構成する第２固定電極と、を有していても良い。
【００２９】
あるいは、他の例としては、前記センサは、前記第１変形部に配置された第１歪ゲージと、前記第２変形部に配置された第２歪ゲージと、を有していても良い。
【００３０】
以上のような力覚センサは、前記第１電気信号、前記第２電気信号、または、前記第１電気信号と前記第２電気信号との和、に基づいて作用した力ないしモーメントを検出して良い。相対的にバネ定数が小さい変形部に基づく電気信号を用いれば、作用した力ないしモーメントを高感度で検出することが可能であるし、第１電気信号と第２電気信号との和を用いれば、更に高感度で検出することが可能である。一方、相対的にバネ定数が大きい変形部に基づく電気信号を用いれば、当該変形部に蓄積する金属疲労の影響をほとんど受けることなく作用した力ないしモーメントを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施の形態による力覚センサを示す概略断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】図１の力覚センサを示す概略平面図である。
【図５】Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘを作用させたときの図１の力覚センサの状態を示す概略断面図である。
【図６】Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚを作用させたときの図１の力覚センサの状態を示す概略断面図である。
【図７】図１の力覚センサにＸ軸方向及びＺ軸方向の力が作用した場合に各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８】各変形部に金属疲労が生じていない場合（初期状態）において、力覚センサに作用する力Ｆｚの大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフである。
【図９】各変形部に金属疲労が生じている場合において、力覚センサに作用する力Ｆｚの大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ｂ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。
【図１０】図１の力覚センサに採用されている検出回路のブロック図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態による力覚センサを示す概略断面図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ線断面図である。
【図１３】図１１のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１４】本発明の第２の実施の形態による力覚センサの第１容量素子を構成する電極のうち第１固定電極の配置を示す概略平面図である。
【図１５】Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘを作用させたときの図１１の力覚センサの状態を示す概略断面図である。
【図１６】Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚを作用させたときの図１１の力覚センサの状態を示す概略断面図である。
【図１７】Ｙ軸正周りのモーメント＋Ｍｙを作用させたときの図１１の力覚センサの状態を示す概略断面図である。
【図１８】図１１の力覚センサに対して力ないしモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用した場合に第１容量素子Ｃ１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１９】図１１の力覚センサに対して力ないしモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用した場合に第２容量素子Ｃ２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２０】本発明の第３の実施の形態による力覚センサを示す概略断面図である。
【図２１】図２０に示す力覚センサの概略平面図である。
【図２２】図２０に示す力覚センサの検出回路に設けられるホイートストンブリッジ回路である。
【図２３】Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚを作用させたときの図２０の力覚センサの状態を示す概略断面図である。
【図２４】Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘを作用させたときの図２０の力覚センサの状態を示す概略断面図である。
【図２５】図２０に示す力覚センサの第１及び第２変形部の変形例を示す概略平面図である。
【図２６】図２０に示す力覚センサの第１及び第２変形部の他の変形例を示す概略平面図である。
【図２７】図２０に示す力覚センサの第１及び第２変形部の更に他の変形例を示す概略平面図である。
【図２８】本発明の第４の実施の形態による力覚センサの概略側面図である。
【図２９】Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した時の図２８の力覚センサの状態を示す図である。
【図３０】図２８の力覚センサの変形例を示す概略側面図である。
【図３１】本発明の第５の実施の形態による力覚センサの概略側面図である。
【図３２】Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した時の図３１の力覚センサの状態を示す図である。
【図３３】図２８の力覚センサの変形例を示す概略側面図である。
【図３４】Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した時の図３３の力覚センサの状態を示す図である。
【図３５】図３１の力覚センサの変形例を示す概略側面図である。
【図３６】Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した時の図３５の力覚センサの状態を示す図である。
【図３７】プラスチック製のダイアフラムによって構成された変形部を有する力覚センサの、第１容量素子Ｃ１の部分的な概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
＜＜＜  §１．  本発明による力覚センサの第１の実施例  ＞＞＞
以下に、添付の図面を参照して、本発明の一実施の形態による力覚センサについて詳細に説明する。
【００３３】
図１は、本実施の形態による力覚センサを示す概略断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ線断面図であり、図４は、図１の力覚センサを示す概略平面図である。
【００３４】
本実施の形態の力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向及びＺ軸方向の力を検出するものであり、図１乃至図４に示すように、ＸＹ平面上に配置された第１支持体３００と、第１支持体３００からＺ軸方向に離間して配置された第２支持体４００と、第１支持体３００に、第２支持体４００側において接合され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第１変形部１１１を有する第１変形体１００と、第２支持体４００に、第１支持体３００側において接合され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第２変形部２１１を有する第２変形体２００と、を備えている。また、第２支持体４００の上面の中央には、この力覚センサに作用する力を受ける受力体６０が設けられている。すなわち、本実施の形態の力覚センサでは、受力体６０を介して第２支持体４００に力が作用するようになっている。
【００３５】
更に本力覚センサは、第１変形部１１１及び第２変形部２１１に生じる変形を計測するセンサと、第１変形部１１１と第２変形部２１１とを連結する連結部材４０１と、前記センサの計測値に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備えている。
【００３６】
第１変形体１００は、例えば導電性を有する金属で構成された円盤状の板材に、肉厚が薄い弾性（可撓性）を有する領域が形成されて構成され得る。この弾性を有する領域が、第１変形部１１１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、第１変形部１１１よりも肉厚が厚い弾性を有する領域が形成されて構成され得る。この弾性を有する領域が、第２変形部２１１として機能することになる。換言すれば、本実施の形態の第１変形部１１１及び第２変形部２１１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。
【００３７】
本実施の形態の第１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１に示すように、第１変形部１１１を除く領域において、第１変形体１００を支持している。また、本実施の形態の第２支持体４００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１に示すように、第２変形部２１１を除く領域において、第２変形体２００を支持している。
【００３８】
本実施の形態では、第１変形部１１１の上面（図１の上方の面）には、当該第１変形部１１１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が設けられている。更に、第２変形部２１１の下面（図１の下方の面）には、当該第２変形部２１１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が設けられている。そして、第１連結部１２１と第２連結部２２１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軸方向に延在する連結部材４０１が構成されている。
【００３９】
このような構成により、第２支持体４００に対して何ら力が作用していない状態では、当該第２支持体４００及び第２変形体２００は第１支持体３００及び第１変形体１００に対して定位置をとるが、第２支持体４００に対して何らかの力が作用すると、弾性（可撓性）をもった第１変形部１１１及び第２変形部２１１に弾性変形が生じ、第２支持体４００及び第２変形体２００と第１支持体３００及び第１変形体１００との相対位置に変化が生じることになる。もちろん、第２支持体４００に作用する力がなくなると、当該第２支持体４００はもとどおりの定位置に戻る。
【００４０】
本実施の形態では、図示されるように、前記センサは容量素子として具現化されている。すなわち、前記センサは、第１変形部１１１に配置された第１容量素子Ｃ１である第１センサと、第２変形部２１１に配置された第２容量素子Ｃ２である第２センサと、を有している。このような構成によれば、検出対象の力が第２支持体４００を介して第２変形体２００に作用すると、第１変形部１１１及び第２変形部２１１がそれぞれ弾性変形し、この弾性変形に起因して各容量素子を構成する一対の電極間の距離が変化することになる。この変化は、容量素子の静電容量値に変動をもたらすため、この変動を検出することによって本力覚センサに作用した力が計測される。
【００４１】
本実施の形態では、図１に示すように、第１容量素子Ｃ１は、Ｘ軸正側に配置された第１−１容量素子Ｃ１１及びＸ軸負側に配置された第１−２容量素子Ｃ１２を有している。具体的には、第１−１容量素子Ｃ１１は、第１支持体３００の上面のＸ軸正側に設けられた第１−１固定電極Ｅｆ１１と、第１−１固定電極Ｅｆ１１に対向するように第１変形部１１１の下面に設けられ、第１−１固定電極Ｅｆ１１との間で第１−１容量素子Ｃ１１を構成する第１−１変位電極Ｅｍ１１と、を有している。また、第１−２容量素子Ｃ１２は、第１支持体３００のＸ軸負側の上面に設けられた第１−２固定電極Ｅｆ１２と、第１−２固定電極Ｅｆ１２に対向するように第１変形部１１１の下面に設けられ、第１−２固定電極Ｅｆ１２との間で第１−２容量素子Ｃ１２を構成する第１−２変位電極Ｅｍ１２と、を有している。
【００４２】
本実施の形態では、図３に示すように、第１−１変位電極Ｅｍ１１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形状を有している。また、第１−２固定電極Ｅｍ１２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形状を有している。更に、図示されていないが、第１−１固定電極Ｅｆ１１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形状を有している。また、第１−２変位電極Ｅｆ１２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形状を有している。
【００４３】
また、図１に示すように、第２容量素子Ｃ２は、Ｘ軸正側に配置された第２−１容量素子Ｃ２１及びＸ軸負側に配置された第２−２容量素子Ｃ２２を有している。具体的には、第２−１容量素子Ｃ２１は、第２支持体４００の下面のＸ軸正側に設けられた第２−１固定電極Ｅｆ２１と、第２−１固定電極Ｅｆ２１に対向するように第２変形部２１１の上面に設けられ、第２−１固定電極Ｅｆ２１との間で第２−１容量素子Ｃ２１を構成する第２−１変位電極Ｅｍ２１と、を有している。また、第２−２容量素子Ｃ２２は、第２支持体４００のＸ軸負側の下面に設けられた第２−２固定電極Ｅｆ２２と、第２−２固定電極Ｅｆ２２に対向するように第２変形部２１１の上面に設けられ、第２−２固定電極Ｅｆ２２との間で第２−２容量素子Ｃ２２を構成する第２−２変位電極Ｅｍ２２と、を有している。
【００４４】
本実施の形態では、図４に示すように、第２−１固定電極Ｅｆ２１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形状を有している。また、第２−２固定電極Ｅｆ２２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形状を有している。更に、第２−１変位電極Ｅｍ２１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形状を有している。また、第２−２変位電極Ｅｍ２２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形状を有している。要するに、第１容量素子Ｃ１を構成する各電極と第２容量素子を構成する各電極とは、共に同じ構成を有している。
【００４５】
もちろん、この他にも様々な電極の形態が可能である。第１支持体３００、第１変形体１００、第２変形体２００及び第２支持体４００が導電性を有する材料で構成される場合は、後述される図３７に例示されるように、絶縁性を有する支持基板を介して第１−１及び第１−２固定電極Ｅｆ１１、Ｅｆ１２が第１支持体３００上に配置され、絶縁性を有する支持基板を介して第１−１及び第１−２変位電極Ｅｍ１１、Ｅｍ１２が第１変形体１００上に配置され、絶縁性を有する支持基板を介して第２−１及び第２−２固定電極Ｅｆ２１、Ｅｆ２２が第２支持体４００上に配置され、絶縁性を有する支持基板を介して第２−１及び第２−２変位電極Ｅｍ２１、Ｅｍ２２が第２変形体２００上に配置される。あるいは、このような独立した変位電極を配置する一方で、第１支持体３００上に設けられる第１−１及び第１−２固定電極Ｅｆ１１、Ｅｆ１２及び第２支持体４００上に設けられる第２−１及び第２−２固定電極Ｅｆ２１、Ｅｆ２２を、共通電極で構成することも可能である。同様に、第１変形体１００上に設けられた第１−１及び第１−２変位電極Ｅｍ１１、Ｅｍ１２及び第２変形体２００上に設けられた第２−１及び第２−２変位電極Ｅｍ２１、Ｅｍ２２を共通電極で構成しても良い。
【００４６】
本実施の形態による力覚センサにおいては、第１変形体３００の第１変形部１１１のバネ定数と、第２変形体４００の第２変形部２１１のバネ定数と、が異なっている。具体的には、図示されるように、第２変形部２１１のＺ軸方向の肉厚が、第１変形部１１１のＺ軸方向の肉厚よりも大きくなっていて、このことにより、第２変形部２１１のバネ定数が、第１変形部１１１のバネ定数よりも大きくなっている。なお、本実施の形態における「バネ定数」とは、受力体６０に対してＸ軸方向及びＺ軸方向の力が作用した時に各変形部１１１、２１１に生じるＺ軸方向の変位で、当該力の大きさを除した値を意味している。
【００４７】
前述したように、第１変形体１００の第１変形部１１１は、連結部材４０１を介して第２変形体２００の第２変形部２１１に連結されている。このため、第２変形体２００を支持する第２支持体４００に力が作用すると、第２変形体２００及び連結部材４０１を介して第１変形体１００の第１変形部１１１に力が伝わり、作用した力の大きさ及び方向に応じて、第１変形部１１１が変形する。換言すれば、この変形に伴って、第１支持体３００上に配置された第１−１及び第１−２固定電極Ｅｆ１１、Ｅｆ１２に対する第１−１及び第１−２変位電極Ｅｍ１１、Ｅｍ１２の相対位置（離間距離）がそれぞれ変化する。このことは、第１−１及び第１−２容量素子Ｃ１１、Ｃ１２の静電容量値に、作用した力の大きさ及び方向に応じた変動を生じさせる。従って、それぞれの静電容量値の変動量を検出することによって、受力体６０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。
【００４８】
もちろん、受力体６０に力が作用すると、第１変形部１１１に対して伝えられる力と同じ力が、反作用として第２変形部２１１にも伝えられる。従って、第２支持体４００上に配置された第２−１及び第２−２固定電極Ｅｆ２１、Ｅｆ２２に対する第２−１及び第２−２変位電極Ｅｍ２１、Ｅｍ２２の相対位置（離間距離）もそれぞれ変化する。このことは、第２−１及び第２−２容量素子Ｃ２１、Ｃ２２の静電容量値に、作用した力の大きさ及び方向に応じた変動を生じさせる。従って、第２−１及び第２−２容量素子Ｃ２１、Ｃ２２の各静電容量値の変動量を検出することによっても、受力体６０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。前述の通り、第２変形部２１１のバネ定数は、第１変形部１１１のバネ定数よりも大きい。このため、第１−１及び第１−２固定電極Ｅｆ１１、Ｅｆ１２の方が作用した力による変形が大きく、より高感度の計測を行うことができる。一方、第２変形部２１１は、力が第２支持体４００に繰り返し作用しても、相対的に金属疲労が発現しにくいため、当該金属疲労による検出精度の低下が生じにくい。
【００４９】
次に、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｚを計測する原理を説明する。以下の説明においては、第１支持体３００が固定された状態で、受力体６０に力が作用するものとする。
【００５０】
図５は、受力体６０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘを作用させたときの図１の力覚センサの状態を示す概略断面図である。この場合、第１変形体１００の第１変形部１１１及び第２変形体２００の第２変形部２１１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では、Ｘ軸正側の半円領域が下方（Ｚ軸負側）に変形し、Ｘ軸負側の半円領域が上方（Ｚ軸正側）に変形する。従って、第１容量素子Ｃ１のうちＸ軸負側に配置されている第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値が減少し、その一方、Ｘ軸正側に配置されている第１−１容量素子Ｃ１１の静電容量値が増大する。
【００５１】
更に、図示されるように、第２変形体２００にも、第１変形部１１１に生じる変形と同じ変形が生じる。すなわち、第２変形部２１１では、Ｘ軸負側の半円領域が上方（Ｚ軸正側）に変形し、Ｘ軸正側の半円領域が下方（Ｚ軸負側）に変形する。従って、第２容量素子Ｃ２のうちＸ軸負側に配置されている第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値が増大し、その一方、Ｘ軸正側に配置されている第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値が減少する。
【００５２】
これとは逆に、受力体６０にＸ軸負方向の力が作用すると、第１容量素子Ｃ１及び第２容量素子Ｃ２には、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変形部１１１では、Ｘ軸正側の半円領域が上方（Ｚ軸正側）に変形し、Ｘ軸負側の半円領域が下方（Ｚ軸負側）に変形する。従って、第１容量素子Ｃ１のうちＸ軸負側に配置されている第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値が増大し、その一方、Ｘ軸正側に配置されている第１−１容量素子Ｃ１１の静電容量値が減少する。また、第２変形部２１１では、Ｘ軸正側の半円領域が上方（Ｚ軸正側）に変形し、Ｘ軸負側の半円領域が下方（Ｚ軸負側）に変形する。従って、第２容量素子Ｃ２のうちＸ軸負側に配置されている第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値が減少し、その一方、Ｘ軸正側に配置されている第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値が増大する。
【００５３】
次に、受力体６０にＺ軸正方向（図６における上向き）の力＋Ｆｚが作用した場合について検討する。図６は、受力体６０にＺ軸正方向の力＋Ｆｚを作用させたときの図１の力覚センサの状態を示す概略断面図である。この場合、第１変形体１００の第１変形部１１１及び第２変形体２００の第２変形部２１１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は、第１支持体３００から離間するように変形し、第２変形部２１１は、第２支持体４００から離間するように変形する。従って、第１及び第２容量素子Ｃ１、Ｃ２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。
【００５４】
他方、受力体６０にＺ軸負方向（図６における下向き）の力が作用すると、前述した場合とは逆に、第１変形部１１１は、第１支持体３００に近接するように変形し、第２変形部２１１は、第２支持体４００に近接するように変形する。従って、第１及び第２容量素子Ｃ１、Ｃ２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。
【００５５】
本実施の形態では、前述したように、第２変形部２１１のバネ定数は、第１変形部１１１のバネ定数よりも大きい。このため、受力体６０に作用した力によって、第１変形部１１１においては相対的に大きな弾性変形が生じ、第２変形部２１１においては相対的に小さな弾性変形が生じる。このため、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量の方が、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動量よりも小さい。換言すれば、作用した力に対して、第１容量素子Ｃ１は、第２容量素子Ｃ２よりも高感度である。
【００５６】
図７は、上述した力＋Ｆｘ及び＋Ｆｚが作用した場合に各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２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。また、「＋＋」は、静電容量値の更に大きな増大を示し、「−」は、静電容量値の減少を示し、「−−」は、静電容量値の更に大きな減少を示している。上述したように、力Ｆｘ及びＦｚが逆向きになった場合には、表中の符号が逆になる。
【００５７】
本実施の形態の力覚センサでは、第１容量素子Ｃ１に基づいて作用した力を計測することも可能であるし、第２容量素子Ｃ２に基づいて作用した力を計測することも可能である。具体的には、第１容量素子Ｃ１を構成する各容量素子の静電容量値を用いると、作用した力Ｆｘ及びＦｚが次の［式１］で表される。なお、下式において、Ｃ１１及びＣ１２は、第１−１及び第１−２容量素子Ｃ１１、Ｃ１２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、各力の末尾に付してある「１」及び「２」の符号は、後述される、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量に基づいて算出される力（これらは、末尾に「２」の符号を付してある）と区別するためのものである。  
［式１］
Ｆｘ１＝Ｃ１１−Ｃ１２
Ｆｚ１＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２）
【００５８】
更に、第２容量素子Ｃ２を構成する各容量素子の静電容量値を用いると、作用した力Ｆｘ及びＦｚが次の［式２］で表される。  
［式２］
Ｆｘ２＝Ｃ２２−Ｃ２１
Ｆｚ２＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２）
【００５９】
本実施の形態の力覚センサにおいては、力Ｆｘ及びＦｚのいずれに着目しても当該力覚センサの故障判定を行うことができるが、ここでは、一例として、Ｚ軸方向の力Ｆｚに着目して故障判定を行う方法について説明する。また、この故障判定を説明するに当たり、上述したＦｚ１及びＦｚ２に相当する電気信号を、それぞれ第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２とおく。すなわち、改めて第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を書き下すと、次の［式３］のようになる。  
［式３］
Ｔ１＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２）
Ｔ２＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２）
【００６０】
本実施の形態では、第１変形部１１１及び第２変形部２１１に金属疲労が蓄積することに伴って第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じることを利用して、力覚センサの故障診断を行う。以下の説明においては、第１変形部１１１及び第２変形部２１１に金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ａ、Ｔ２ａとし、第１変形部１１１及び第２変形部２１１に金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、互いに区別することとする。
【００６１】
図８は、図１の第１変形部１１１及び第２変形部２１１に金属疲労が生じていない状態（初期状態）において、力覚センサに作用する力の大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフであり、図９は、図１の第１変形部１１１及び第２変形部２１１に金属疲労が生じている（蓄積している）状態において、力覚センサに作用する力の大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ｂ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。各図において、横軸は力覚センサに作用した力Ｆｚを示し、縦軸は当該力Ｆｚに応じて力覚センサから出力される電気信号の大きさを示している。このため、各図において、各電気信号Ｔ１ａ〜Ｔ２ｂを示す直線の傾きは、力覚センサの検出感度を示すことになる。
【００６２】
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方法について説明する。本実施の形態の力覚センサに対して繰り返しの負荷が作用すると、第１変形部１１１及び第２変形部２１１に金属疲労が蓄積する。金属疲労は、力Ｆｚによる弾性変形が相対的に大きい第１変形部１１１において顕著に発現する。この金属疲労が蓄積すると、第１変形部１１１の強度が低下し、最終的に当該第１変形部１１１が破断することになる。一般的に、金属材料に金属疲労が蓄積すると、当該金属材料は軟化する。このため、金属疲労の蓄積に伴って、第１変形部１１１のバネ定数が次第に低下することになる。すなわち、本実施の形態の第１変形体１００においては、第１変形部１１１に金属疲労が蓄積すると、当該第１変形部１１１が力Ｆｚによって大きく変形されるようになり、初期状態と比較して、力Ｆｚに対する感度が上昇する。このことは、図８と図９とを比較することによって理解される。
【００６３】
具体的には、図８を参照すると、初期状態においては、第１変形部１１１に対応する第１電気信号Ｔ１ａを示す直線の傾き（感度）は２．０である。一方、図９を参照すると、金属疲労が蓄積している状態においては、第１変形部１１１に対応する第１電気信号Ｔ１ｂを示す直線の傾き（感度）は３．０であり、感度が５０％上昇している。
【００６４】
もちろん、金属疲労は、第２変形部２１１にも蓄積するが、その蓄積の程度は、第１変形部１１１における金属疲労の蓄積の程度よりも小さい。実際、図８を参照すると、初期状態においては、第２変形部２１１に対応する第２電気信号Ｔ２ａを示す直線の傾き（感度）は０．５である。これに対し、図９を参照すると、金属疲労が蓄積している状態においては、第２変形部２１１に対応する第２電気信号Ｔ２ｂを示す直線の傾き（感度）は０．６である。従って、感度の上昇は２０％にとどまっている。
【００６５】
なお、本実施の形態では、第１変形部１１１はいずれも厚さ（Ｚ軸方向の肉厚）が１．０ｍｍのダイアフラムとして構成されており、第２変形部２１１はいずれも厚さが１．６ｍｍのダイアフラムとして構成されている。理論上、各変形部に生じるＺ軸方向の変位は、ダイアフラムの厚さの３乗に反比例する。このため、本実施の形態では、力覚センサに作用した力によって、第１変形部１１１に生じるＺ軸方向の変位は、第２変形部２１１に生じるＺ軸方向の変位の約４倍である。
【００６６】
ここで着目すべきは、第１変形部１１１と第２変形部２１１とで、金属疲労の蓄積の程度が異なっているということである。すなわち、初期状態においては、第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）は、４．０であるのに対し、金属疲労が蓄積している状態においては、第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率（Ｔ１ｂ／Ｔ２ｂ）は、５．０に上昇しているのである。換言すれば、第１変形部１１１と第２変形部２１１とで金属疲労の蓄積の特性が異なることに起因して、繰り返しの負荷に伴って第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率が次第に変化している。本発明は、このことを利用して力覚センサの故障診断を行うものである。
【００６７】
なお、力覚センサに対して繰り返しの負荷が更に作用すると、第１変形部１１１が破断し、当該第１変形部１１１に配置された第１容量素子Ｃ１が正常に機能しなくなる。一方、この時点では第２変形部２１１に配置された第２容量素子Ｃ２は正常に機能している蓋然性が高い。
【００６８】
以上のことから、力Ｆｚの計測を例えば第２変形部２１１に配置された第２容量素子Ｃ２を用いて行いつつ、「ある時点における第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、初期状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを評価することによって、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ができる。もちろん、作用した力Ｆｚを第１電気信号Ｔ１に基づいて計測しても良い。この場合、第１電気信号Ｔ１を提供する第１容量素子Ｃ１に対応する第１変形部１１１は、相対的にバネ定数が小さいため、作用した力に対する感度が高く、Ｓ／Ｎに優れた力の計測が可能となる。同様に、Ｘ軸方向の力Ｆｘの計測においても、第１容量素子Ｃ１を用いるとＳ／Ｎに優れた力の計測が可能となる。
【００６９】
以上の判定原理を具現化するために、本実施の形態の力覚センサは、図１０に示す検出回路を備えている。図１０は、本実施の形態の力覚センサに採用されている検出回路のブロック図である。この検出回路は、各変形部及び各容量素子Ｃ１、Ｃ２を含む機構部から提供される各容量素子の静電容量値をそれぞれ対応する電圧値に変換するＣ／Ｖ変換器４１と、Ｃ／Ｖ変換器４１から提供される電圧値から、前述の［式３］に基づいて第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２とを算出し、これらＴ１及びＴ２のいずれか一方から力覚センサに作用している力を算出するマイコン４７と、マイコン４７に接続され、各変形部に金属疲労が発現していない初期状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を記憶する記憶部４８と、を有している。マイコン４７は、記憶部４８に記憶された前記初期状態の比率（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）と、現在の第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、を比較して、その比較結果が所定の範囲内にあるか否かを判定する機能を有している。
【００７０】
比較の結果、現在の比率（Ｔ１ｂ／Ｔ２ｂ）が所定の範囲内にある場合、マイコン４７は、力覚センサが正常に機能していると判定し、計測された力の値を出力する。一方、前記比率が所定の範囲内に無い場合は、マイコン４７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、故障診断信号を出力する。
【００７１】
以上のような本実施の形態によれば、第１及び第２変形部１１１、２１１に金属疲労が蓄積すると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
【００７２】
具体的には、本実施の形態の検出回路は、各変形部に金属疲労が発現していない初期状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、各変形部の故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
【００７３】
また、本実施の形態では、各容量素子がＸＹ平面において対称的に配置されているため、当該各容量素子の静電容量値の変動に基づく検出対象の力を計測するための処理が容易である。
【００７４】
なお、本実施の形態では、Ｚ軸方向の力Ｆｚを計測するに当たって、前述の［式１］及び［式２］に記載したＦｚ１及びＦｚ２のいずれかを用いても良いが、より高精度な計測を行うために、Ｆｚ１＋Ｆｚ２、すなわち、−（Ｃ１１＋Ｃ１２）−（Ｃ２１＋Ｃ２２）を用いることも可能である。同様に、Ｘ軸方向の力Ｆｘを計測する場合も、Ｆｘ１＋Ｆｘ２、すなわち（Ｃ１１−Ｃ１２）＋（Ｃ２２−Ｃ２１）を用いると高精度な計測が可能である。
【００７５】
また、以上の説明においては、第１変形部１１１のバネ定数と第２変形部２１１のバネ定数とを各変形部（ダイアフラム）の厚みで変えていたが、他の実施の形態においては、ダイアフラムの径で変えても良い。
【００７６】
以上の説明においては、Ｚ軸方向の力Ｆｚに基づく［式３］によって力覚センサの故障判定を行っていたが、この［式３］に代えて、Ｔ１＝Ｃ１１−Ｃ１２、Ｔ２＝Ｃ２２−Ｃ２１という式を用いれば、以上の説明と同様の考えによってＸ軸方向の力Ｆｘを用いて力覚センサの故障判定を行うことができる。
【００７７】
＜＜＜  §２．  本発明による力覚センサの第２の実施例  ＞＞＞
次に本発明の第２の実施の形態による力覚センサについて説明する。§１で説明した力覚センサは、第１変形体１００及び第２変形体２００に各２つの容量素子が配置されて、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｚの向き及び大きさを検出することが可能であった。本実施の形態では、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｚのみならず、ＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの６成分全てを検出可能な力覚センサの例について説明する。
【００７８】
図１１は、本実施の形態による力覚センサを示す概略断面図であり、図１２は、図１１のＡ−Ａ線断面図であり、図１３は、図１１のＢ−Ｂ線断面図である。
【００７９】
本実施の形態の力覚センサは、図１１乃至図１３に示すように、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントの全てを検出するものであり、ＸＹ平面上に配置された第１支持体３００と、第１支持体３００からＺ軸方向に離間して配置された第２支持体４００と、第１支持体３００に、第２支持体４００側において接合され、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２支持体４００に、第１支持体３００側において接合され、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２変形部２１１〜２１４を有する第２変形体２００と、を備えている。
【００８０】
更に本力覚センサは、４つの第１変形部１１１〜１１４及び４つの第２変形部２１１〜２１４のそれぞれに生じる変形を計測するセンサと、各第１変形部１１１〜１１４と第１変形部１１１〜１１４に対応する第２変形部２１１〜２１４とをそれぞれ連結する４つの連結部材４０１〜４０４と、前記センサの計測値に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備えている。なお、図１１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。
【００８１】
第１変形体１００は、例えば導電性を有する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た第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。
【００８２】
本実施の形態の第１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１１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。また、本実施の形態の第２支持体４００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１１に示すように、第２変形部２１１〜２１４を除く領域の上面において、第２変形体２００を支持している。
【００８３】
また、４つの第１変形部１１１〜１１４及び４つの第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１２参照）。本実施の形態では、第１変形部１１１〜１１４及び第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。
【００８４】
本実施の形態では、各第１変形部１１１〜１１４の上面（図１１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１１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。結局、図１１に示す本実施の形態による力覚センサは、図１に示す力覚センサを４つ並列に並べたものである。
【００８５】
このような構成により、第２支持体４００に対して何ら力が作用していない状態では、当該第２支持体４００及び第２変形体２００は第１支持体３００及び第１変形体１００に対して定位置をとるが、第２支持体４００に対して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及び４つの第２変形部２１１〜２１４に弾性変形が生じ、第２支持体４００と第１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支持体４００に作用する力がなくなると、当該第２支持体４００はもとどおりの定位置に戻る。
【００８６】
本実施の形態では、図示されるように、前記センサは容量素子として具現化されている。すなわち、前記センサは、４つの第１変形部１１１〜１１４に配置された４組の第１容量素子Ｃ１を有する第１センサと、前記４つの第２変形部２１１〜２１４に配置された４組の第２容量素子Ｃ２を有する第２センサと、を有している。このような構成によれば、力ないしモーメントが第２支持体４００を介して第２変形部２００に対して作用すると、第１変形部１１１〜１１４及び第２変形部２１１〜２１４がそれぞれ弾性変形し、この弾性変形に起因して容量素子を構成する一対の電極間の距離が変化することになる。この変化は、容量素子の静電容量値に変動をもたらすため、この変動量を計測することによって、本力覚センサに作用した力ないしモーメントが計測されるのである。
【００８７】
本実施の形態では、図１３に示すように、４組の第１容量素子Ｃ１は、４つの第１変形部１１１〜１１４に対応して第１支持体３００上に設けられた第１固定電極Ｅｆ１と、第１固定電極Ｅｆ１に対向するように４つの第１変形部１１１〜１１４に設けられ、当該第１固定電極Ｅｆ１との間で４組の第１容量素子Ｃ１を構成する第１変位電極Ｅｍ１と、を有している。同様に、４組の第２容量素子Ｃ２は、４つの第２変形部２１１〜２１４に対応して第２支持体４００上に設けられた第２固定電極Ｅｆ２と、第２固定電極Ｅｆ２に対向するように４つの第２変形部２１１〜２１４に設けられ、当該第２固定電極Ｅｆ２との間で４組の第２容量素子Ｃ２を構成する第２変位電極Ｅｍ２と、を有している。
【００８８】
図１４を参照して、本実施の形態の力覚センサに採用されている第１及び第２固定電極Ｅｆ１、Ｅｆ２の構成について説明する。図１４は、本実施の形態による力覚センサの第１容量素子Ｃ１を構成する電極のうち第１固定電極Ｅｆ１の配置を示す概略平面図である。図１４に示すように、第１固定電極Ｅｆ１は、Ｘ軸正側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸正側の第１−１固定電極Ｅｆ１０１及びＹ軸負側の第１−２固定電極Ｅｆ１０２と、Ｘ軸負側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸正側の第１−３固定電極Ｅｆ１０３及びＹ軸負側の第１−４固定電極Ｅｆ１０４と、Ｙ軸正側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸正側の第１−５固定電極Ｅｆ１０５とＸ軸負側の第１−６固定電極Ｅｆ１０６と、Ｙ軸負側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸正側の第１−７固定電極Ｅｆ１０７とＸ軸負側の第１−８固定電極Ｅｆ１０８と、を有している。
【００８９】
一方、本実施の形態の第１変位電極Ｅｍ１は、図１３に示すように、４つの変形部１１１〜１１４が共通電極で構成されている。
【００９０】
このような構成から、Ｚ軸方向から見て、４組の第１容量素子Ｃ１のうち、第１組の第１容量素子は、Ｘ軸正側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸正側の第１−１容量素子Ｃ１０１とＹ軸負側の第１−２容量素子Ｃ１０２とを有し、第２組の第１容量素子は、Ｘ軸負側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸正側の第１−３容量素子Ｃ１０３とＹ軸負側の第１−４容量素子Ｃ１０４とを有し、第３組の第１容量素子は、Ｙ軸正側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸正側の第１−５容量素子Ｃ１０５とＸ軸負側の第１−６容量素子Ｃ１０６とを有し、第４組の第１容量素子は、Ｙ軸負側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸正側の第１−７容量素子Ｃ１０７とＸ軸負側の第１−８容量素子Ｃ１０８とを有している。
【００９１】
また、図示されていないが、第２容量素子Ｃ２を構成する第２固定電極Ｅｆ２及び第２変位電極Ｅｍ２も、前述した第１固定電極Ｅｆ１及び第１変位電極Ｅｍ１と同様の構成を有している。すなわち、Ｚ軸方向から見て、前記４組の第２容量素子Ｃ２のうち、第１組の第２容量素子は、Ｘ軸正側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸正側の第２−１容量素子Ｃ２０１とＹ軸負側の第２−２容量素子Ｃ２０２とを有し、第２組の第２容量素子は、Ｘ軸負側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸正側の第２−３容量素子Ｃ２０３とＹ軸負側の第２−４容量素子Ｃ２０４とを有し、第３組の第２容量素子は、Ｙ軸正側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸正側の第２−５容量素子Ｃ２０５とＸ軸負側の第２−６容量素子Ｃ２０６とを有し、第４組の第２容量素子は、Ｙ軸負側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸正側の第２−７容量素子Ｃ２０７とＸ軸負側の第２−８容量素子Ｃ２０８とを有している。すなわち、Ｚ軸方向から見て、第２容量素子Ｃ２は、第１容量素子Ｃ１と同様の構成を有している。
【００９２】
もちろん、この他にも様々な電極の形態が可能である。例えば、他の実施の形態においては、４つの第１変形部１１１〜１１４の下面（第１支持体３００側の面）に絶縁体からなる支持基板を介して、Ｚ軸方向から見て第１−１〜第１−８固定電極Ｅｆ１０１〜Ｅｆ１０８と同様の位置に、合計８個の電極からなる第１変位電極Ｅｍ１を配置しても良い。また、４つの第２変形部２１１〜２１４の上面（第２支持体４００側の面）に絶縁体からなる支持基板を介して、同様に合計８個の電極からなる第２変位電極Ｅｍ２を配置しても良い。この場合、第１−１〜第１−８容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０８及び第２−１〜第２−８容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０８が、それぞれ独立した電極から構成される。あるいは、このような独立した各８個の第１及び第２変位電極を配置する一方で、第１支持体３００上に設けられる固定電極Ｅｆ１及び第２支持体４００上に設けられる固定電極Ｅｆ２を、共通の電極から構成することも可能である。また、第１固定電極Ｅｆ１０１〜Ｅｆ１０４及び第２固定電極Ｅｆ２０１〜Ｅｆ２０８を絶縁体からなる支持基板を介して第１支持体３００と第２支持体４００にそれぞれ固定しても良い。
【００９３】
本実施の形態による力覚センサにおいては、第１変形体３００の４つの第１変形部１１１〜１１４のバネ定数と、第２変形体４００の４つの第２変形部２１１〜２１４のバネ定数と、が異なっている。具体的には、図示されるように、第２変形部２１１〜２１４のＺ軸方向の肉厚が、第１変形部１１１〜１１４のＺ軸方向の肉厚よりも大きくなっていて、このことにより、第２変形部２１１〜２１４のバネ定数が、第１変形部１１１〜１１４のバネ定数よりも大きくなっている。なお、本実施の形態における「バネ定数」とは、第２支持体４００に対してＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の力または各軸まわりのモーメントが作用した時に各変形部１１１〜１１４、２１１〜２１４に生じるＺ軸方向の変位で、当該力またはモーメントの大きさを除した値を意味している。
【００９４】
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８及び図９参照）。このため、第２変形体２００を支持する第２支持体４００に力ないしモーメントが作用すると、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、作用した力ないしモーメントの大きさ及び方向に応じて、第１変形部１１１〜１１４が弾性変形する。換言すれば、この変形に伴って、第１変位電極Ｅｍ１がＺ軸方向に変位する。すなわち、第１支持体３００上に配置された第１−１〜第１−８固定電極Ｅｆ１０１〜Ｅｆ１０８に対する第１変位電極Ｅｍ１の相対位置（離間距離）がそれぞれ変化する。このことは、第１−１〜第１−８容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０８の静電容量値に、作用した力ないしモーメントの大きさ及び方向に応じた変動を生じさせる。従って、それぞれの静電容量値の変動量を検出することによって、第２支持体４００に作用した力ないしモーメントの向き及び大きさを計測することができる。
【００９５】
もちろん、第２支持体４００に力ないしモーメントが作用すると、第１変形部１１１〜１１４に対して伝えられる力と同じ力が、反作用として第２変形部２１１〜２１４にも伝えられる。従って、第２支持体４００上に配置された第２−１〜第２−８固定電極Ｅｆ２０１〜Ｅｆ２０８に対する第２変位電極Ｅｍ２の相対位置（離間距離）もそれぞれ変化する。このことは、第２−１〜第２−８容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０８の静電容量値に、作用した力ないしモーメントの大きさ及び方向に応じた変動を生じさせる。従って、第２−１〜第２−８容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０８に基づいても、各静電容量値の変動量を検出することによって、第２支持体４００に作用した力ないしモーメントの向き及び大きさを計測することができる。前述の通り、第２変形部２１１〜２１４のバネ定数は、第１変形部１１１〜１１４のバネ定数よりも大きい。このため、第１−１〜第１−８固定電極Ｅｆ１０１〜Ｅｆ１０８の方が作用した力ないしモーメントによって相対的に大きく変形するため、より高感度の計測を行うことができる。一方、第２変形部２１１〜２１４は、力ないしモーメントが第２支持体４００に繰り返し作用しても相対的に金属疲労が発現しにくいため、当該金属疲労による検出精度の低下が生じにくい。
【００９６】
次に、本力覚センサによって、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、第１支持体３００が固定された状態で、第２支持体４００に力ないしモーメントが作用するものとする。
【００９７】
図１５は、第２支持体４００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘを作用させたときの図１１の力覚センサの状態を示す概略断面図である。この場合、第１変形体１００の第１変形部１１１〜１１４及び第２変形体２００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第１支持体３００に近接するように弾性変形し、Ｘ軸負側の半円領域が第１支持体３００から離間するように弾性変形する。従って、第１容量素子Ｃ１のうち第１−６及び第１−８容量素子Ｃ１０６、Ｃ１０８静電容量値が減少し、その一方、第１−５及び第１−７容量素子Ｃ１０５、Ｃ１０７の静電容量値が増大する。これに対し、残りの容量素子については、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。
【００９８】
一方、第２変形体２００に生じる変形について検討してみると、図示されるように、第１変形部１１１〜１１４に生じる弾性変形と同様の弾性変形が生じる。すなわち、第２変形部２１１〜２１４の各々において、Ｘ軸正側の半円領域が第２支持体４００から離間するように変形し、Ｘ軸負側の半円領域が第２支持体４００に近接するように変形する。従って、４組の第２容量素子Ｃ２のうち第２−６及び第２−８容量素子Ｃ２０６、Ｃ２０８の静電容量値が増大し、その一方、４組の第２容量素子Ｃ２のうち第２−５及び第２−７容量素子Ｃ２０５、Ｃ２０７の静電容量値が減少する。これに対し、残りの容量素子については、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。
【００９９】
もちろん、第２支持体４００にＸ軸負方向の力が作用すると、４組の第１容量素子Ｃ１及び４組の第２容量素子Ｃ２は、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変形部１１１〜１１４の各々において、Ｘ軸正側の半円領域が第１支持体３００から離間するように変形し、Ｘ軸負側の半円領域が第１支持体３００に近接するように変形する。従って、４組の第１容量素子Ｃ１のうち第１−６、第１−８容量素子Ｃ１０６、Ｃ１０８の静電容量値が増大し、その一方、４組の第１容量素子Ｃ１のうち第１−５、第１−７容量素子Ｃ１０５、Ｃ１０７の静電容量値が減少する。また、第２変形部２１１〜２１４の各々において、Ｘ軸正側の半円領域が第２支持体４００に近接するように弾性変形し、Ｘ軸負側の半円領域が第２支持体から離間するように弾性変形する。従って、４組の第２容量素子Ｃ２のうち第２−６及び第２−８容量素子Ｃ２０６、Ｃ２０８の静電容量値が減少し、その一方、４組の第２容量素子Ｃ２のうち第２−５及び第２−７容量素子Ｃ２０５、Ｃ２０７の静電容量値が増大する。そして、第１変形部１１１〜１１４及び第２変形部２１１〜２１４のいずれにおいても、残りの容量素子の静電容量値は、実質的に変化しない。
【０１００】
第２支持体４００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４００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。
【０１０１】
次に、第２支持体４００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚを作用させた場合について検討する。図１６は、第２支持体４００にＺ軸正方向（図の上方向）の力＋Ｆｚを作用させたときの図１１の力覚センサの状態を示す概略断面図である。この場合、第１変形体１００の第１変形部１１１〜１１４及び第２変形体２００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は、いずれも第１支持体３００から離間するように弾性変形し、第２変形部２１１〜２１４は、いずれも第２支持体４００から離間するように弾性変形する。従って、第１−１〜第１−８容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０８及び第２−１〜第２−８容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０８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。
【０１０２】
他方、第２支持体４００にＺ軸負方向（図１６の下方向）の力が作用すると、前述した場合とは逆に、第１変形部１１１〜１１４は、いずれも第１支持体３００に近接するように弾性変形し、第２変形部２１１〜２１４は、いずれも第２支持体４００に近接するように弾性変形する。従って、第１−１〜第１−８容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０８及び第２−１〜第２−８容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０８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。
【０１０３】
次に、第２支持体４００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙを作用させた場合について検討する。図１７は、第２支持体４００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙを作用させたときの図１の力覚センサの状態を示す概略断面図である。この場合、第１変形体１００の第１変形部１１１〜１１４及び第２変形体２００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変形体１００について見ると、Ｘ軸正側の第１変形部１１２が第１支持体３００に近接するように弾性変形し、Ｘ軸負側の第１変形部１１４が第１支持体３００から離間するように弾性変形する。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では、いずれも、Ｘ軸正側の半円領域が第１支持体３００にわずかに近接するように変形し、Ｘ軸負側の半円領域が第１支持体３００からわずかに離間するように変形する。
【０１０４】
２変形部２１１〜２１４について見ると、Ｘ軸正側の第２変形部２１２は第２支持体４００に近接するように変形し、Ｘ軸負側の第２変形部２１４は第２支持体４００から離間するように変形する。一方、図示されていないが、Ｙ軸正側及びＹ軸負側の第２変形部２１１、２１３は、いずれも、Ｘ軸正側の半円領域が第２支持体４００にわずかに近接するように変形し、Ｘ軸負側の半円領域が第２支持体４００からわずかに離間するように変形する。
【０１０５】
従って、第１容量素子Ｃ１のうち第１−１及び第１−２容量素子Ｃ１０１、Ｃ１０２の静電容量値が増大し、第１−３及び第１−４容量素子Ｃ１０３、Ｃ１０４の静電容量値が減少する。更に、第１−６及び第１−８容量素子Ｃ１０６、Ｃ１０８の静電容量値がわずかに減少し、第１−５、第１−７容量素子Ｃ１０５、Ｃ１０７の静電容量値がわずかに増大する。ここでは、第１−５〜第１−８容量素子Ｃ１０５〜Ｃ１０８の静電容量値の変動量は、ゼロと考えることとする。
【０１０６】
本実施の形態では、第２容量素子Ｃ２においても、第１容量素子Ｃ１に生じる弾性変形と同様の弾性変形が生じる。このため、第２容量素子Ｃ２のうち第２−１及び第２−２容量素子Ｃ２０１、Ｃ２０２の静電容量値が増大し、第２−３及び第２−４容量素子Ｃ２０３、Ｃ２０４の静電容量値が減少する。更に、第２−６及び第２−８容量素子Ｃ２０６、Ｃ２０８の静電容量値がわずかに増大し、第２−５、第２−７容量素子Ｃ２０５、Ｃ２０７の静電容量値がわずかに減少する。
【０１０７】
他方、第２支持体４００に対してＹ軸負まわりのモーメントが作用すると、前述した場合とは逆に、第１容量素子Ｃ１のうち第１−１及び第１−２容量素子Ｃ１０１、Ｃ１０２の静電容量値が減少し、第１−３及び第１−４容量素子Ｃ１０３、Ｃ１０４の静電容量値が増大する。更に、第１−６及び第１−８容量素子Ｃ１０６、Ｃ１０８の静電容量値がわずかに増大し、第１−５、第１−７容量素子Ｃ１０５、Ｃ１０７の静電容量値がわずかに減少する。また、第２容量素子Ｃ２のうち第２−１及び第２−２容量素子Ｃ２０１、Ｃ２０２の静電容量値が増大し、第２−３及び第２−４容量素子Ｃ２０３、Ｃ２０４の静電容量値が減少する。更に、第２−６及び第２−８容量素子Ｃ２０６、Ｃ２０８の静電容量値がわずかに減少し、第２−５、第２−７容量素子Ｃ２０５、Ｃ２０７の静電容量値がわずかに増大する。ここでは、第２−５〜第２−８容量素子Ｃ２０５〜Ｃ２０８の静電容量値の変動量は、ゼロと考えることとする。
【０１０８】
第２支持体４００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、前述の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。
【０１０９】
また、第２支持体４００にＺ軸正まわり（図１４における反半時計まわり）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、第１容量素子Ｃ１について見ると、Ｘ軸正側の第１変形部１１２では、Ｙ軸負側の半円領域が第１支持体３００から離間するように弾性変形し、Ｙ軸正側の半円領域が第１支持体３００に近接するように弾性変形する。Ｘ軸負側の第１変形部１１４では、Ｙ軸正側の半円領域が第１支持体３００から離間するように弾性変形し、Ｙ軸負側の半円領域が第１支持体３００に近接するように弾性変形する。Ｙ軸正側の第１変形部１１１では、Ｘ軸正側の半円領域が第１支持体３００から離間するように弾性変形し、Ｘ軸負側の半円領域が第１支持体３００に近接するように弾性変形する。Ｙ軸負側の第１変形部１１３では、Ｘ軸負側の半円領域が第１支持体３００から離間するように弾性変形し、Ｙ軸負側の半円領域が第１支持体３００に近接するように弾性変形する。従って、第１容量素子Ｃ１のうち、第１−１、第１−４、第１−６及び第１−７容量素子Ｃ１０１、Ｃ１０４、Ｃ１０６及びＣ１０７の静電容量値が増大し、第１−２、第１−３、第１−５及び第１−８容量素子Ｃ１０２、Ｃ１０３、Ｃ１０５及びＣ１０８の静電容量値が減少する。
【０１１０】
また、第２容量素子Ｃ２について見ると、Ｘ軸正側の第２変形部２１２では、Ｙ軸負側の半円領域が第２支持体４００に近接するように弾性変形し、Ｙ軸正側の半円領域が第２支持体４００から離間するように弾性変形する。Ｘ軸負側の第２変形部２１４では、Ｙ軸正側の半円領域が第２支持体４００に近接するように弾性変形し、Ｙ軸負側の半円領域が第２支持体４００から離間するように弾性変形する。Ｙ軸正側の第１変形部１１１では、Ｘ軸正側の半円領域が第２支持体４００に近接するように弾性変形し、Ｘ軸負側の半円領域が第２支持体４００から離間するように弾性変形する。Ｙ軸負側の第１変形部１１４では、Ｘ軸負側の半円領域が第２支持体４００に近接するように弾性変形し、Ｙ軸負側の半円領域が第２支持体４００から離間するように弾性変形する。従って、第２容量素子Ｃ２のうち、第２−１、第２−４、第２−６及び第２−７容量素子Ｃ２０１、Ｃ２０４、Ｃ２０６及びＣ２０７の静電容量値が減少し、第２−２、第２−３、第２−５及び第２−８容量素子Ｃ２０２、Ｃ２０３、Ｃ２０５及びＣ２０８の静電容量値が増大する。
【０１１１】
一方、第２支持体４００にＺ軸負まわりのモーメントが作用すると、４つの第１変形部１１１〜１１４及び４つの第２変形部２１１〜２１４には前述した変形とは逆向きの弾性変形が生じ、この結果、第１−１〜第１−８容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０８及び第２−１〜第２−８容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０８に生じる静電容量値の変動も、逆になる。
【０１１２】
本実施の形態では、前述したように、第２変形部２１１〜２１４のバネ定数は、第１変形部１１１〜１１４のバネ定数よりも大きい。このため、第２支持体４００に対して作用した力ないしモーメントによって、第１変形部１１１〜１１４においては相対的に大きな弾性変形が生じ、第２変形部２１１〜２１４においては相対的に小さな弾性変形が生じる。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。換言すれば、作用した力ないしモーメントに対して、第１容量素子Ｃ１は、第２容量素子Ｃ２よりも高感度である。
【０１１３】
図１８は、上述した力ないしモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用した場合に第１−１〜第１−８容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０８に生じる静電容量値の変化を一覧で示した図表である。また、図１９は、上述した力ないしモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用した場合に第２−１〜第２−８容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０８に生じる静電容量値の変化を一覧で示した図表である。各表中の「＋」は、静電容量値の増大を示し、「＋＋」は、静電容量値の更に大きな増大を示し、「−」は、静電容量値の減少を示し、「−−」は、静電容量値の更に大きな減少を示している。「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。
【０１１４】
本実施の形態の力覚センサでは、第１容量素子Ｃ１に基づいて作用した力及びモーメントを計測することも可能であるし、第２容量素子Ｃ２に基づいて作用した力及びモーメントを計測することも可能である。具体的には、第１容量素子Ｃ１を構成する各容量素子の静電容量値を用いると、作用した力及びモーメントの各成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが次の［式４］で表される。なお、下式において、Ｃ１０１〜Ｃ１０８及びＣ２０１〜Ｃ２０８は、第１−１〜第１−８容量素子Ｃ１０１〜Ｃ１０８及び第２−１〜第２−８容量素子Ｃ２０１〜Ｃ２０８の静電容量値をそれぞれ示している。また、ここにおいても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ないしモーメントが計測される。なお、各成分の末尾に付してある「１」及び「２」の符号は、後述される、第２容量素子Ｃ２の静電容量値に基づいて算出される成分（これらは、末尾に「２」の符号を付してある）と区別するためのものである。  
［式４］
Ｆｘ１＝（Ｃ１０５−Ｃ１０６）＋（Ｃ１０７−Ｃ１０８）
Ｆｙ１＝（Ｃ１０１−Ｃ１０２）＋（Ｃ１０３−Ｃ１０４）
Ｆｚ１＝−（Ｃ１０１＋Ｃ１０２＋Ｃ１０３＋Ｃ１０４＋Ｃ１０５＋Ｃ１０６＋Ｃ１０７＋Ｃ１０８）
Ｍｘ１＝（Ｃ１０７＋Ｃ１０８）−（Ｃ１０５＋Ｃ１０６）
Ｍｙ１＝（Ｃ１０１＋Ｃ１０２）−（Ｃ１０３＋Ｃ１０４）
Ｍｚ１＝（Ｃ１０１−Ｃ１０２）＋（Ｃ１０４−Ｃ１０３）＋（Ｃ１０６−Ｃ１０５）＋（Ｃ１０７−Ｃ１０８）
【０１１５】
更に、第２容量素子Ｃ２を構成する各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、力の６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが次の［式５］で表される。  
［式５］
Ｆｘ２＝（Ｃ２０６−Ｃ２０５）＋（Ｃ２０８−Ｃ２０７）
Ｆｙ２＝（Ｃ２０２−Ｃ２０１）＋（Ｃ２０４−Ｃ２０３）
Ｆｚ２＝−（Ｃ２０１＋Ｃ２０２＋Ｃ２０３＋Ｃ２０４＋Ｃ２０５＋Ｃ２０６＋Ｃ２０７＋Ｃ２０８）
Ｍｘ２＝（Ｃ２０７＋Ｃ２０８）−（Ｃ２０５＋Ｃ２０６）
Ｍｙ２＝（Ｃ２０１＋Ｃ２０２）−（Ｃ２０３＋Ｃ２０４）
Ｍｚ１＝（Ｃ２０２−Ｃ２０１）＋（Ｃ２０３−Ｃ２０４）＋（Ｃ２０５−Ｃ２０６）＋（Ｃ２０８−Ｃ２０７）
【０１１６】
本実施の形態の力覚センサにおいては、以上のＦｘ〜Ｍｚの６つの力ないしモーメントのいずれに着目しても当該力覚センサの故障判定を行うことができるが、ここでは、一例として、Ｚ軸方向の力Ｆｚ（Ｆｚ１、Ｆｚ２）に着目して故障判定を行う方法について説明する。この故障判定を説明するに当たり、上述したＦｚ１及びＦｚ２に相当する電気信号を、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２とおく。すなわち、改めて第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を書き下すと、次の［式６］のようになる。  
［式６］
Ｔ１＝−（Ｃ１０１＋Ｃ１０２＋Ｃ１０３＋Ｃ１０４＋Ｃ１０５＋Ｃ１０６＋Ｃ１０７＋Ｃ１０８）
Ｔ２＝−（Ｃ２０１＋Ｃ２０２＋Ｃ２０３＋Ｃ２０４＋Ｃ２０５＋Ｃ２０６＋Ｃ２０７＋Ｃ２０８）
【０１１７】
本実施の形態でも、第１変形部１１１〜１１４及び第２変形部２１１〜２１４に金属疲労が蓄積することに伴って第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じることを利用して、力覚センサの故障診断を行う。従って、ここでも、以下の説明においては、第１変形部１１１〜１１４及び第２変形部２１１〜２１４に金属疲労が蓄積していない初期状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ａ、Ｔ２ａとし、第１変形部１１１〜１１４及び第２変形部２１１〜２１４に金属疲労が蓄積している状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、互いに区別することとする。
【０１１８】
本実施の形態では、第１変形部１１１〜１１４及び第２変形部２１１〜２１４に金属疲労が蓄積していない初期状態において、力覚センサに作用する力Ｆｚの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図８に示すグラフと同じである。また、第１変形部１１１〜１１４及び第２変形部２１１〜２１４に金属疲労が蓄積している状態において、力覚センサに作用する力Ｆｚの大きさと、この時の第１及び第２電気信号Ｔ１ｂ、Ｔ２ｂと、の関係は、図９に示すグラフと同じである。
【０１１９】
以上のような本実施の形態による力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、§１と同じである。すなわち、§１における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式６］に読み替えることによって、本実施の形態による力覚センサの故障判定の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。
【０１２０】
以上のような本実施の形態によれば、第１変形部１１１〜１１４及び第２変形部２１１〜２１４に金属疲労が蓄積すると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が蓄積していることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な６軸の力覚センサを提供することができる。
【０１２１】
具体的には、本実施の形態の検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、第１変形部１１１〜１１４及び第２変形部２１１〜２１４の故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
【０１２２】
なお、力Ｆｚ以外の５つの成分のいずれかを用いて故障判定を行う場合には、［式６］に示した第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２に代えて、着目する特定の成分に関する［式４］の演算式を第１電気信号Ｔ１とし、当該特定の成分に関する［式５］の演算式を第２電気信号Ｔ２とすればよい。
【０１２３】
また、本実施の形態では、各容量素子がＸＹ平面において対称的に配置されているため、当該各容量素子の静電容量値の変動に基づく検出対象の力ないしモーメントを計測するための処理が容易である。
【０１２４】
また、§１で示した力覚センサと同様に、［式５］で得られる出力よりも［式４］で得られる出力の方が高い（感度が大きい）ので、［式４］で各軸の力とモーメントを計測した方がよい。更に、［式４］と［式５］の各出力の和で計測した方が更に感度が高くなる。
【０１２５】
なお、第１変形部１１１〜１１４のバネ定数と第２変形部２１１〜２１４のバネ定数とを異ならせるため、本実施の形態においては各変形部を構成するダイアフラムの厚さを異ならせているが、他の実施の形態においては、当該ダイアフラムの直径を異ならせても良いし、当該ダイアフラムに例えば径方向に延在するスリットを形成しても良い。
【０１２６】
＜＜＜  §３．  本発明による力覚センサの第３の実施例＞＞＞
＜３−１．  歪ゲージを利用した力覚センサ＞
§１及び§２では、容量素子を利用した静電容量式の力覚センサにおける故障判定について説明したが、容量素子に代えて歪ゲージなどの他のセンサを採用することも可能である。図２０は、本発明の第３の実施の形態による力覚センサを示す概略断面図であり、図２１は、図２０に示す力覚センサの概略平面図である。図２０及び図２１に示すように、本実施の形態による力覚センサは、容量素子に代えて歪ゲージが配置されている点及び第２支持体４００が設けられておらず第２変形体のＸ軸方向両端に受力体６０が配置されている点を除き、§１で説明した第１の実施の形態による力覚センサと同様の構成を有している。このため、第１の実施の形態による力覚センサと同じ構成部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０１２７】
本実施の形態の力覚センサは、図２０に示すように、第１変形体１００の下面にＸ軸方向に沿って配置された第１−１〜第１−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４と、第２変形体２００の上面にＸ軸方向に沿って配置された第２−１〜第２−４歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４と、の合計８つの歪ゲージを有している。具体的には、Ｚ軸方向から見て、第１−１歪ゲージＲ１１及び第１−２歪ゲージＲ１２は、連結部材４０１と変形体１１１との接続部分、すなわち変形体１１１の中心、を挟んで配置され、第１−３歪ゲージＲ１３及び第１−４歪ゲージＲ１４は、変形体１１１の中心を挟んで第１−１歪ゲージＲ１１及び第１−２歪ゲージＲ１２の外側に配置されている。第２−１〜第２−４歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４は、Ｚ軸方向から見て、第１−１〜第１−４歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４にそれぞれ対応する位置に配置されている。
【０１２８】
なお、歪ゲージとしては、例えば金属箔歪ゲージや半導体歪ゲージが採用され得る。金属箔歪ゲージは、圧縮応力が作用すると抵抗値が減少し、逆に引張応力が作用すると抵抗値が増大するという性質を有している。また、半導体歪ゲージは、ピエゾ抵抗効果を利用した歪ゲージであり、この半導体歪ゲージに対して引張応力が作用すると、ｐ型の半導体歪ゲージにおいては抵抗値が増大し、ｎ型の半導体歪ゲージにおいては抵抗値が減少するという特性がある。一方、この半導体歪ゲージに対して圧縮応力が作用すると、ｐ型の半導体歪ゲージにおいては抵抗値が減少し、ｎ型の半導体歪ゲージにおいては抵抗値が増大する。
【０１２９】
本実施の形態による力覚センサの検出回路は、図１０に示す検出回路とは部分的に異なる回路構成を有する。すなわち、歪ゲージからは静電容量値ではなく抵抗値が提供されるため、図１０のＣ／Ｖ変換器４１がＡ／Ｖ変換器に置き換えられる必要がある。このＡ／Ｖ変換器は、例えば、図２２に示すホイートストンブリッジ回路を含んでいる。図２２（Ａ）は、第１変形部１１１に配置された４つの歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４によって構成されるホイートストンブリッジ回路であり、図２２（Ｂ）は、第２変形部２１１に配置された４つの歪ゲージＲ２１〜Ｒ２４によって構成されるホイートストンブリッジ回路である。これらの２つの回路のうちどちらの回路によっても、受力体６０に作用した力Ｆｚ及びＦｘを計測することが可能である。また、ホイートストンブリッジ回路の特性により、当該力Ｆｚ及びＦｘを、温度変化の影響を排除して高精度に計測することが可能である。本力覚センサにおける検出回路のその他の構成は、図１０に示す検出回路と同様である。
【０１３０】
本実施の形態では、図２２（Ａ）に示す回路から出力される電気信号を第１電気信号Ｔ１、図２２（Ｂ）に示す回路から出力される電気信号を第２電気信号Ｔ２とし、これら２つの電気信号Ｔ１、Ｔ２の比率の変化に基づいて、本実施の形態による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が可能である。この判定原理は上述した通りであるため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０１３１】
なお、図２０に示す力覚センサに対して力Ｆｚ、Ｆｘが作用した時に、各半導体歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４、Ｒ２１〜Ｒ２４に作用する応力の方向は、図２３及び図２４の矢印で示される通りである。図２３は、図２０に示す力覚センサの受力体６０に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した時の当該力覚センサの状態を示す概略断面図であり、図２４は、図２０に示す力覚センサの受力体６０に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘを作用させたときの図２０の力覚センサの状態を示す概略断面図である。
【０１３２】
なお、図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）は、力Ｆｚを検出するための回路であり、力Ｆｘを検出する回路は、図２２（Ａ）に示す回路については、第１−１歪ゲージＲ１１と第１−３歪ゲージＲ１３とを入れ替えるか、または第１−２歪ゲージＲ１２と第１−４歪ゲージＲ１４とを入れ替えれば良く、図２２（Ｂ）に示す回路については、第２−１歪ゲージＲ２１と第２−３歪ゲージＲ２３とを入れ替えるか、または第２−２歪ゲージＲ２２と第２−４歪ゲージＲ２４とを入れ替えれば良い。
【０１３３】
また、図２１では力Ｆｘ、Ｆｚのいずれかが計測されるようになっているが、ＦｘとＦｚとを同時に検出するためには、図２０の各歪ゲージＲ１１〜Ｒ１４、Ｒ２１〜Ｒ２４が配置された領域に並列に４つの歪ゲージ（合計８個の歪ゲージ）を配置すればよい。また、Ｙ軸方向の力Ｆｙを検出するためには、Ｙ軸方向に、すなわち図２１に配置された４つの歪ゲージを９０°回転させた位置に配置すればよい。
【０１３４】
以上のような本変形例によっても、第１変形部１１１及び第２変形部２１１に金属疲労が蓄積すると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が蓄積していることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
【０１３５】
具体的には、本実施の形態の検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、変形部の故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
【０１３６】
＜３−２．  ３−１の力覚センサの変形例  ＞
３−１で説明した実施の形態では、歪センサが配置される第１及び第２変形部１１１、２１１をダイアフラムではなくビーム等の他の構造体によって構成しても良い。図２５乃至図２７は、図２０に示す力覚センサの第１及び第２変形部１１１、２１１の変形例を示す概略平面図である。具体的には、図２５は、Ｘ軸に沿って延在する片持ち梁形の変形部を示している。また、図２６はＸ軸及びＹ軸に沿って延在するクロスビーム形の変形部を示しており、図２７はＸ軸に沿って延在するビーム形（両持ち梁形）の変形部を示している。
【０１３７】
いずれの形状の変形部を採用する場合であっても、第２変形部２１１のバネ定数と第１変形部１１１のバネ定数とが異なるように構成されていれば、本発明による故障判定の原理を採用することが可能である。例えば、第２変形部２１１のＺ軸方向の肉厚を第１変形部１１１のＺ軸方向の肉厚よりも大きく構成することによって、第２変形部２１１のバネ定数を第１変形部１１１のバネ定数よりも大きく設定しても良いし、他の例としては、第２変形部２１１のＹ軸方向の幅を第１変形部１１１のＹ軸方向の幅よりも大きく構成することによって、第２変形部２１１のバネ定数を第１変形部１１１のバネ定数よりも大きく設定しても良い。
【０１３８】
各変形例における歪ゲージの配置を見ると、図２５に示す片持ち梁形の変形部においては、連結部材４０１と第１変形体１００との接続部分の近傍、すなわち片持ち梁の一方の端部領域に、２つの歪ゲージが配置されており、片持ち梁の他方の端部領域に２つの歪ゲージが配置されている。前述の通り、図２５において片持ち梁はＸ軸方向に延在しているため、各２つの歪ゲージもＸ軸方向に沿って配置されることになる。また、図２６に示すクロスビーム形の変形部及び図２７に示すビーム形の変形部においては、２つの歪ゲージが連結部材４０１と変形体１１１との接続部分、すなわち変形体１１１の中心、を挟んでＸ軸方向に沿って配置され、更に２つの歪ゲージが前記２つの歪ゲージを挟んでＸ軸方向に沿って配置されている。
【０１３９】
これらの変形例による変形部を採用した力覚センサにおいても、３−１で説明した、図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）に示すホイートストンブリッジ回路を含む検出回路が採用され得る。そして、３−１で説明したように、図２２（Ａ）に示す回路から出力される電気信号を第１電気信号Ｔ１、図２２（Ｂ）に示す回路から出力される電気信号を第２電気信号Ｔ２とし、これら２つの電気信号Ｔ１、Ｔ２の比率の変化に基づいて、本実施の形態による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が可能である。この判定原理は上述した通りであるため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０１４０】
以上の各変形例によっても、第１変形部１１１及び第２変形部２１１に金属疲労が蓄積すると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が蓄積していることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
【０１４１】
具体的には、本実施の形態の検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、変形部の故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
【０１４２】
＜３−３．  本発明の第４の実施の形態による力覚センサ＞
次に、図２８及び図２９を参照して、本発明の第４の実施の形態による力覚センサについて説明する。図２８は、本発明の第４の実施の形態による力覚センサを示す概略側面図であり、図２９は、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した時の図２８の力覚センサの状態を示す図である。
【０１４３】
図２８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軸方向の力を検出するものであって、ＸＹ平面上に配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第１変形部５１１を有する第１変形体５１０と、第１変形体５１０からＺ軸負方向に離間して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第２変形部５２１を有する第２変形体５２０と、第１変形部５１１及び前記第２変形部５２１に生じる変形（歪）を計測するセンサと、第１変形体５１０と第２変形体５２０とを連結する連結部材５３０と、センサの計測値に基づいて、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。
【０１４４】
本実施の形態によるセンサは、図２８に示すように、第１変形部５１１の上面に配置された第１歪ゲージＲ１と、第２変形部５２１の上面に配置された第２歪ゲージＲ２と、を有している。
【０１４５】
本実施の形態による検出回路は、図１０に示す検出回路とは部分的に異なる回路構成を有する。すなわち、歪ゲージからは静電容量値ではなく抵抗値が提供されるため、図１０のＣ／Ｖ変換器４１がＡ／Ｖ変換器に置き換えられている。検出回路のその他の構成は、図１０に示す検出回路と同様である。
【０１４６】
また、第１変形体５１０は、検出対象となる力を受ける受力部５６０を有し、且つ、一方の端部が固定部５４０に固定されている。更に、第２変形体５２０も、一方の端部が固定部５４０に固定されている。図示されるように、第１変形部５１１は、固定部５４０から見て、第１変形体５１０と連結部材５３０との連結部分５１２よりも遠位側に設けられ、第２変形部５２１は、固定部５４０から見て、第２変形体５２０と連結部材５３０との連結部分５２２よりも近位側に設けられている。このような構成により、第１変形体５１０の受力部５６０にＺ軸方向の力Ｆｚが作用すると第１変形体５１０が撓み変形し、この撓み変形が連結部材５３０を介して第２変形体５２０に伝達されることで、当該第２変形体５２０も撓み変形することになる。
【０１４７】
本実施の形態では、第１変形部５１１は、第２変形部５２１のバネ定数よりも小さいバネ定数を有している。本実施の形態における「バネ定数」とは、受力部５６０にＺ軸方向の力Ｆｚを作用させたときに、第１変形部５１１及び第２変形部５２１にそれぞれ生じるＺ軸方向の変位で作用した力Ｆｚの大きさを除した値を意味している。
【０１４８】
また、図示されていないが、検出回路は、作用した力に対応する、第１変形部５１１の変形量に相当する第１電気信号Ｔ１と、第２変形部５２１の変形量に相当する第２電気信号Ｔ２と、を出力し、作用した力に対応する第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率の変化に基づいて、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ようになっている。
【０１４９】
このような力覚センサの受力部５６０に対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、本力覚センサは、図２９に示すように変形する。すなわち、第１変形体５１０が上に凸となるように撓み変形すると共に、作用した力−Ｆｚが連結部材５３０を介して第２変形体５２０に伝達され、当該第２変形体５２０も上に凸となるように撓み変形する。但し、前述したように、第１変形部５１１は、第２変形部５２１のバネ定数よりも小さいバネ定数を有している。従って、変形の程度について見ると、第１変形部５１１の変形量、すなわち当該第１変形部５１１の上面に生じる歪の大きさの方が、第２変形部５２１の変形量、すなわち当該第２変形部５２１の上面に生じる歪の大きさよりも大きい。このため、第１変形部５１１に配置された第１歪ゲージＲ１を用いて作用した力を計測すれば、より高感度の計測を行うことができる。一方、第２変形部５２１は、力が受力部５６０に繰り返し作用しても、相対的に金属疲労が発現しにくいため、当該金属疲労による検出精度の低下が生じにくい。
【０１５０】
本実施の形態の力覚センサでは、第１歪ゲージＲ１に基づいて受力部６６０に作用した力を計測することも可能であるし、第２歪ゲージＲ２に基づいて受力部６６０に作用した力を計測することも可能である。具体的には、第１歪ゲージＲ１の抵抗値に対応する電気信号をＴ１、第２歪ゲージＲ２の抵抗値に対応する電気信号をＴ２として、その比率に変化が生じることを利用して力覚センサの故障診断を行う。従って、第１変形部５１１及び第２変形部５２１に金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ａ、Ｔ２ａとし、第１変形部５１１及び第２変形部５２１に金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ｂ、Ｔ２ｂとすることにより、§１で説明した力覚センサの故障診断の原理が採用され得る。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。
【０１５１】
以上のような本実施の形態によれば、第１変形部５１１及び第２変形部５２１に金属疲労が蓄積すると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じる。このことを利用して各変形部に当該金属疲労が生じていることを検出することにより、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
【０１５２】
具体的には、本実施の形態の検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、第１変形部５１１及び第２変形部５２１の故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
【０１５３】
なお、本力覚センサの変形例として、連結部材５３０に非直線部分を設けた構成を採用することも可能である。このような連結部材５３０を有する力覚センサが図３０に示されている。図３０に示す力覚センサにおいては、第２変形体５２０に対する力の作用点が相対的に固定部側に近接しているため、第２変形部５２１に生じる変形（歪）は相対的に小さくなる。このことにより、図２８に示す力覚センサと比較して、第２変形体５２０に金属疲労が一層発現しにくくなるのである。
【０１５４】
＜３−４．  本発明の第５の実施の形態による力覚センサ＞
次に、図３１及び図３２を参照して、本発明の第５の実施の形態による力覚センサについて説明する。図３１は、本発明の第５の実施の形態による力覚センサを示す概略側面図であり、図３２は、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した時の図３１の力覚センサの状態を示す図である。
【０１５５】
図３１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軸方向の力を検出するものであって、ＸＹ平面上に配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第１変形部及６１１及び第２変形部６１２を有する変形体６１０と、第１変形部及６１１及び第２変形部６１２に生じる変形を計測するセンサと、このセンサの計測値に基づいて、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。
【０１５６】
本実施の形態による変形体６１０は、図示されるように一方の端部が固定部６４０に固定された片持ち梁として具現化されている。この片持ち梁は、第１変形部６１１と第２変形部６１２との間にＺ軸方向への変位が規制された支点を有している。支点としては、例えば、図３１に示すように、第２固定部６４１に対して固定され先細りの先端６３１を有する支柱６３０の当該先端６３１が、当該片持ち梁の下面に当接することによって実現され得る。また、変形体６１０は、固定部６４０から見て、第１変形部６１１及び第２変形部６１２よりも遠位側に検出対象となる力を受ける受力部６６０を有している。
【０１５７】
本実施の形態では、第１変形部６１１は、第２変形部６１２のバネ定数よりも小さいバネ定数を有している。ここで、「バネ定数」とは、受力部６６０にＺ軸方向の力Ｆｚが作用した時に第１変形部６１１及び第２変形部６１２に生じるＺ軸方向への変位で作用した力Ｆｚの大きさを除した値を意味している。従って、変形体６１０が均質な材料によって構成されていても、支点の位置によっては第１変形部６１１に生じるＺ軸方向への変位と第２変形部６１２に生じるＺ軸方向への変位とが異なることになる。具体的な例としては、支点の位置を、固定部６４０と受力部６６０との中点よりも固定部６４０に近接させることにより、第１変形部６１１のバネ定数を第２変形部６１２のバネ定数よりも小さく設定することができる。
【０１５８】
本実施の形態によるセンサは、図３１に示すように、第１変形部６１１の上面に配置された第１歪ゲージＲ１と、第２変形部６１２の上面に配置された第２歪ゲージＲ２と、を有している。
【０１５９】
本実施の形態による検出回路は、３−３の検出回路と同様に、図１０のＣ／Ｖ変換器４１がＡ／Ｖ変換器に置き換えられたものである。検出回路のその他の構成は、図１０に示す検出回路と同様である。この、検出回路は、作用した力に対応する、第１変形部６１１の変形量に相当する第１電気信号Ｔ１と、第２変形部６１２の変形量に相当する第２電気信号Ｔ２と、を出力し、作用した力に対応する第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率の変化に基づいて、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ようになっている。
【０１６０】
このような力覚センサの受力部６６０に対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、本力覚センサは、図３２に示すように、変形体６１０が上に凸となるように撓み変形する。但し、前述したように、支柱６３０の存在によって、第１変形部６１１は、第２変形部６１２のバネ定数よりも小さいバネ定数を有している。このため、変形の程度について見ると、第１変形部６１１の変形量、すなわち当該第１変形部６１１の上面に生じる歪の大きさの方が、第２変形部６１２の変形量、すなわち当該第２変形部６１２の上面に生じる歪の大きさよりも大きい。このため、第１変形部６１１に配置された第１歪ゲージＲ１を用いて作用した力を計測すれば、より高感度の計測を行うことができる。一方、第２変形部６１２は、力が受力部６６０に繰り返し作用しても、相対的に金属疲労が発現しにくいため、当該金属疲労による検出精度の低下が生じにくい。
【０１６１】
本実施の形態の力覚センサでは、第１歪ゲージＲ１に基づいて受力部６６０に作用した力を計測することも可能であるし、第２歪ゲージＲ２に基づいて受力部６６０に作用した力を計測することも可能である。具体的には、第１歪ゲージＲ１の抵抗値に対応する電気信号をＴ１、第２歪ゲージＲ２の抵抗値に対応する電気信号をＴ２として、その比率に変化が生じることを利用して力覚センサの故障診断を行う。従って、第１変形部６１１及び第２変形部６１２に金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ａ、Ｔ２ａとし、第１変形部６１１及び第２変形部６１２に金属疲労が蓄積している状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ｂ、Ｔ２ｂとすることにより、§１で説明した力覚センサの故障診断の原理が採用され得る。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。
【０１６２】
以上のような本実施の形態によれば、第１変形部６１１及び第２変形部６１２に金属疲労が蓄積すると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じる。このことを利用して各変形部に当該金属疲労が生じていることを検出することにより、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
【０１６３】
具体的には、本実施の形態の検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、第１変形部６１１及び第２変形部６１２の故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
【０１６４】
なお、図３１では、第１変形部６１１と第２変形部６１２との間において変形体６１０のＺ軸方向への変位が制限されているとしたが、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが受力部６６０に作用した時、第１変形部６１１と第２変形部６１２が上に凸に変形するならば、どのような支持方法であっても良い。
【０１６５】
＜３−５．  ３−３、３−４による力覚センサの変形例＞
次に、３−３、３−４による力覚センサの歪ゲージを容量素子に置換した力覚センサの変形例について、図３３乃至図３６を参照して説明する。
【０１６６】
図３３は、３−３に対応する図２８の力覚センサの変形例を示す概略側面図であり、図３４は、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した時の図３３の力覚センサの状態を示す図である。また、図３５は、３−４に対応する図３１の力覚センサの変形例を示す概略側面図であり、図３６は、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した時の図３５の力覚センサの状態を示す図である。
【０１６７】
まず、３−３に対応する変形例による力覚センサについて説明する。本力覚センサは、図３３に示すように、基本的な構造は図２８に示す力覚センサと共通している。但し、図２８において第１変形体５１１及び第２変形体５２１にそれぞれ配置されていた第１歪ゲージＲ１及び第２歪ゲージＲ２が取り除かれており、これらに代えて、第１変形部５１１及び第２変形部５２１の下面に第１容量素子Ｃ１及び第２容量素子Ｃ２がそれぞれ設けられている。図３３に示すように、第１容量素子Ｃ１は、第１変形体５１０の第１変形部５１１（図３３における左端近傍）の下面に配置された第１変位電極Ｅｍ１と、この第１変位電極Ｅｍ１に対向するように配置された第１固定電極Ｅｆ１とを有している。また、第２容量素子Ｃ２は、第２変形体５２０の下面であって、連結部材５３０と当該第２変形体５２０との接続部分に対応する第２変形部５２１に配置された第２変位電極Ｅｍ２と、この第２変位電極Ｅｍ２に対向するように配置された第２固定電極Ｅｆ２と、を有している。
【０１６８】
本変形例では、第１変位電極Ｅｍ１は第１変位基板Ｉｍ１を介して第１変形部５１１に配置されており、第２変位電極Ｅｍ２は第２変位基板Ｉｍ２を介して第２変形部５２１に配置されている。また、第１固定電極Ｅｆ１は第１固定基板Ｉｆ１を介して第１台座５４１上に配置されており、第２固定電極Ｅｆ２は第２固定基板Ｉｆ２を介して第２台座５４２上に配置されている。
【０１６９】
また、本変形例による力覚センサの検出回路は、§１で説明した図１０の検出回路と同様のものが採用されている。
【０１７０】
このような力覚センサの受力部５６０にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、力覚センサの各変形体５１０、５２０には、図３４に示すように、それぞれ上に凸の撓み変形が生じる。このことによって、第１及び第２容量素子Ｃ１及びＣ２の静電容量値が共に増大する。但し、前述したバネ定数の相違から、第１変形部５１１に生じる変位の方が第２変形部５２１に生じる変位よりも大きい。すなわち、静電容量値の変動量は、第１容量素子Ｃ１の方が第２容量素子Ｃ２よりも大きい。このため、第１変形部５１１に配置された第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動量に基づいて作用した力を計測すれば、より高感度の計測を行うことができる。一方、第２変形部５２１は、力が受力部５６０に繰り返し作用しても、相対的に金属疲労が発現しにくいため、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量に基づいて作用した力を計測すれば、当該金属疲労による検出精度の低下による影響を受けにくいという利点がある。
【０１７１】
本変形例による力覚センサでは、第１容量素子Ｃ１に基づいて受力部５６０に作用した力を計測することも可能であるし、第２容量素子Ｃ２に基づいて受力部５６０に作用した力を計測することも可能である。もちろん、第１容量素子Ｃ１と第２容量素子Ｃ２との和で受力部５６０に作用した力を計測しても良い。具体的には、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動量に対応する電気信号をＴ１、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量に対応する電気信号をＴ２として、その比率に変化が生じることを利用して力覚センサの故障診断を行う。従って、第１変形部５１１及び第２変形部５２１に金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ａ、Ｔ２ａとし、第１変形部５１１及び第２変形部５２１に金属疲労が蓄積している状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ｂ、Ｔ２ｂとすることにより、§１で説明した力覚センサの故障診断の原理が採用され得る。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。
【０１７２】
次に、３−４に対応する変形例による力覚センサについて説明する。本力覚センサは、図３５に示すように、基本的な構造は図３１に示す力覚センサと共通している。但し、図３１において変形体６１０に配置されていた第１歪ゲージＲ１及び第２歪ゲージＲ２が取り除かれており、これらに代えて、第１変形体６１１及び第２変形体６１２の下面に第１容量素子Ｃ１及び第２容量素子Ｃ２がそれぞれ設けられている。図３５に示すように、第１容量素子Ｃ１は、変形体６１０の第１変形部６１１の下面に配置された第１変位電極Ｅｍ１と、この第１変位電極Ｅｍ１に対向するように配置された第１固定電極Ｅｆ１とを有している。また、第２容量素子Ｃ２は、変形体６１０の第２変形部６１２の下面に配置された第２変位電極Ｅｍ２と、この第２変位電極Ｅｍ２に対向するように配置された第２固定電極Ｅｆ２と、を有している。
【０１７３】
本変形例でも、第１変位電極Ｅｍ１は第１変位基板Ｉｍ１を介して第１変形部６１１に配置されており、第２変位電極Ｅｍ２は第２変位基板Ｉｍ２を介して第２変形部６１２に配置されている。また、第１固定電極Ｅｆ１は第１固定基板Ｉｆ１を介して第１台座６４２上に配置されており、第２固定電極Ｅｆ２は第２固定基板Ｉｆ２を介して第２台座６４３上に配置されている。
【０１７４】
また、本変形例による力覚センサの検出回路は、§１で説明した図１０の検出回路と同様のものが採用されている。
【０１７５】
このような力覚センサの受力部６６０にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、力覚センサの変形体６１０には、図３６に示すように、上に凸の撓み変形が生じる。このことによって、第１容量素子Ｃ１の静電容量値は増大し、第２容量素子Ｃ２の静電容量値は減少する。但し、前述したバネ定数の相違から、第１変形部６１１に生じる変位の方が第２変形部６１２に生じる変位よりも大きい。すなわち、静電容量値の変動量は、第１容量素子Ｃ１の方が第２容量素子Ｃ２よりも大きい。このため、第１変形部６１１に配置された第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動量に基づいて作用した力を計測すれば、より高感度の計測を行うことができる。一方、第２変形部６１２は、力が受力部６６０に繰り返し作用しても、相対的に金属疲労が発現しにくいため、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量に基づいて作用した力を計測すれば、当該金属疲労による検出精度の低下による影響を受けにくいという利点がある。
【０１７６】
本変形例による力覚センサでも、第１容量素子Ｃ１に基づいて受力部６６０に作用した力を計測することが可能であるし、第２容量素子Ｃ２に基づいて受力部６６０に作用した力を計測することも可能である。もちろん、両者の和（Ｃ１＋Ｃ２）に基づいて計測しても良い。具体的には、第１容量素子Ｃ１の静電容量値に対応する電気信号をＴ１、第２容量素子Ｃ２の静電容量値に対応する電気信号をＴ２として、その比率に変化が生じることを利用して力覚センサの故障診断を行う。従って、第１変形部６１１及び第２変形部６１２に金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ａ、Ｔ２ａとし、第１変形部６１１及び第２変形部６１２に金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をそれぞれＴ１ｂ、Ｔ２ｂとすることにより、§１で説明した力覚センサの故障診断の原理が採用され得る。このため、ここでも、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。
【０１７７】
以上のような各変形例によれば、第１変形部６１１及び第２変形部６１２に金属疲労が蓄積すると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じる。このことを利用して各変形部に当該金属疲労蓄積していることを検出することにより、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
【０１７８】
＜＜＜  §４  他の変形例  ＞＞＞
＜４−１．  他の電極構造を採用した力覚センサの変形例＞
§１及び§２の力覚センサにおいては、各変形部が金属で構成され、当該各変形部が変位電極（共通電極）として機能しても良いとして説明を行った。しかしながら、この場合、意図していない様々な部分に浮遊容量が形成されることになるため、静電容量の検出値にノイズ成分が混入しやすくなり、検出精度が低下する可能性がある。このような事情に鑑み、高精度の検出が要求される力覚センサの場合には、変位電極を容量素子毎に独立して設けることで各容量素子を構成することも可能である。この場合、各変形体をプラスチックなどの可撓性を有する絶縁体から構成することも可能である。
【０１７９】
図３７は、プラスチック製のダイアフラム１５０ｄによって構成された変形部を有する力覚センサの、第１容量素子Ｃ１の部分的な概略断面図である。図３７に示すように、連結部材４０１をダイアフラム１５０ｄの下方（図３７における下方）まで設け、当該連結部材４０１の下端に固定基板Ｉを接着して、その下面に変位電極が設けられている。ただし、固定基板Ｉは、ダイアフラム１５０ｄの弾性変形を妨げないような態様で配置される必要がある。このように変位電極を容量素子毎に独立して設けることができれば、前述したような検出精度の低下の恐れが少なく、更に回路的な自由度が増すことから、回路設計上有利である。プラスチックから構成されたダイアフラム１５０ｄも、繰り返しの使用によって前述した第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率が変化するので、そのようなダイアフラム１５０ｄを有する力覚センサにおいても、これまで説明した故障判定の原理が採用され得る。
【０１８０】
もちろん、図３７のダイアフラム１５０ｄは、プラスチックでなく金属でも良い。変位電極Ｅｍ１は、変位基板（絶縁体）を介してダイアフラム１５０ｄに接合され、固定電極Ｅｆ１も固定基板（絶縁体）を介して第１支持体３００に固定される。変位電極Ｅｍ１と固定電極Ｅｆ１は、第１変形体１００及び第１支持体３００が導体（金属）であっても、変位基板（絶縁体）を介して配置されているため、電気的に導通することはない。
【０１８１】
＜４−３．  電極間の実効対向面積を一定とした力覚センサの変形例＞
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、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Ｚ軸方向に投影して正射影投影像を形成した場合、面積が小さい方の電極の投影像が、面積が大きい方の電極の表面内に完全に含まれるような状態である。この状態が維持されれば、両電極によって構成される容量素子の実効面積は、小さい方の電極の面積に等しくなり、常に一定になる。すなわち、力の検出精度を向上させることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年9月13日(2017.9.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置され、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第１変形部を有する第１変形体と、
前記第１変形体から離間して配置され、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第２変形部を有する第２変形体と、
前記第１変形部及び前記第２変形部に生じる変形を計測するセンサと、
前記第１変形部と前記第２変形部とを連結する連結部材と、
前記センサの計測値に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記第１変形部は、前記第２変形部のバネ定数とは異なるバネ定数を有しており、
前記検出回路は、作用した力ないしモーメントに対応する、前記第１変形部の変形に相当する第１電気信号と、前記第２変形部の変形に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用した力ないしモーメントに対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、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ようになっており、
前記センサは、前記第１変形部に配置された第１容量素子と、前記第２変形部に配置された第２容量素子と、を有する
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
前記検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号と第２電気信号との比率を基準比率として記憶する記憶部を有し、「第１電気信号と第２電気信号との比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、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に記載の力覚センサ。
【請求項３】
前記第１変形体は、当該第１変形体に関して前記第２変形体とは反対側に配置された第１支持体に支持され、
前記第２変形体は、当該第２変形体に関して前記第１変形体とは反対側に配置された第２支持体に支持され、
前記第１容量素子は、前記第１変形部に対応して前記第１支持体上に設けられた第１固定電極と、前記第１固定電極に対向するように前記第１変形部に設けられ、当該第１固定電極との間で当該第１容量素子を構成する第１変位電極と、を有し、
前記第２容量素子は、前記第２変形部に対応して前記第２支持体上に設けられた第２固定電極と、前記第２固定電極に対向するように前記第２変形部に設けられ、当該第２固定電極との間で当該第２容量素子を構成する第２変位電極と、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】
前記第１変位電極は、前記第１変形部の前記第１支持体側に支持された第１変位基板上に配置され、
前記第２変位電極は、前記第２変形部の前記第２支持体側に支持された第２変位基板上に配置される
ことを特徴とする請求項３に記載の力覚センサ。
【請求項５】
前記第１容量素子は、いずれも複数の容量素子から構成され、
前記第２容量素子は、いずれも複数の容量素子から構成される
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項６】
前記第１変形部及び前記第２変形部のうち相対的にバネ定数が小さい方の変形部には、スリットが形成されている
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項７】
前記第１変形部及び前記第２変形部のうち相対的にバネ定数が小さい方の変形部は、相対的にバネ定数が大きい方の変形部よりもＺ軸方向の肉厚が小さい
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項８】
前記第１変形部及び前記第２変形部は、共に円盤状であり、
前記第１変形部及び前記第２変形部のうち相対的にバネ定数が小さい方の変形部は、相対的にバネ定数が大きい方の変形部よりも半径が大きい
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項９】
前記第１変形体及び前記第２変形体は、ダイアフラム、ビーム、クロスビーム及び片持ち梁のうちのいずれかによって構成されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の力覚センサ。
【請求項１０】
前記第２変形体は、前記第１変形体からＺ軸方向に離間して配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１１】
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、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第１変形部を有する第１変形体と、
前記第１変形体から離間して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第２変形部を有する第２変形体と、
前記第１変形部及び前記第２変形部に生じる変形を計測するセンサと、
前記第１変形体と前記第２変形体とを連結する連結部材と、
前記センサの計測値に基づいて、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、
前記第１変形体は、検出対象となる力を受ける受力部を有し、
前記第１変形体は、第１変形部とは異なる位置にて固定部に固定され、
前記第２変形体は、第２変形部とは異なる位置にて固定部に固定され、
前記第１変形部は、前記固定部から見て、前記第１変形体と前記連結部材との連結部分よりも遠位側に設けられ、
前記第２変形部は、前記固定部から見て、前記第２変形体と前記連結部材との連結部分よりも近位側に設けられ、
前記第１変形部は、前記第２変形部のバネ定数よりも小さいバネ定数を有しており、
前記検出回路は、作用した力に対応する、前記第１変形部の変形に相当する第１電気信号と、前記第２変形部の変形に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用した力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、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ようになっており、
前記センサは、前記第１変形部に配置された第１容量素子と、前記第２変形部に配置された第２容量素子と、を有する
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１２】
前記第１変形体及び前記第２変形体は、片持ち梁である
ことを特徴とする請求項１１に記載の力覚センサ。
【請求項１３】
前記第２変形体は、前記第１変形体からＺ軸方向に離間して配置されている
ことを特徴とする請求項１１または１２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、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる第１変形部及び第２変形部を有する変形体と、
前記第１変形部及び前記第２変形部に生じる変形を計測するセンサと、
前記センサの計測値に基づいて、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、
前記変形体は、前記第１変形部と前記第２変形部との間にＺ軸方向への変位が規制されるように支持され、
前記変形体は、前記第１変形部及び前記第２変形部とは異なる位置にて固定部に固定され、
前記変形体は、前記固定部から見て、前記第１変形部及び前記第２変形部よりも遠位側に検出対象となる力を受ける受力部を有し、
前記第１変形部は、前記第２変形部のバネ定数よりも小さいバネ定数を有しており、
前記検出回路は、作用した力に対応する、前記第１変形部の変形に相当する第１電気信号と、前記第２変形部の変形に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用した力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、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】
前記変形体は、片持ち梁である
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】
前記センサは、前記第１変形部に配置された第１容量素子と、前記第２変形部に配置された第２容量素子と、を有する
ことを特徴とする請求項１４または１５に記載の力覚センサ。
【請求項１７】
前記第１容量素子は、前記第１変形部に設けられた第１変位電極と、この第１変位電極に対向するように配置された第１固定台座上に設けられ、前記第１変位電極との間で当該第１容量素子を構成する第１固定電極と、を有し、
前記第２容量素子は、前記第２変形部に設けられた第２変位電極と、この第２変位電極に対向するように配置された第２固定台座上に設けられ、前記第２変位電極との間で当該第２容量素子を構成する第２固定電極と、を有する
ことを特徴とする請求項１６に記載の力覚センサ。
【請求項１８】
前記第１電気信号、前記第２電気信号、または、前記第１電気信号と前記第２電気信号との和、に基づいて作用した力ないしモーメントを検出する
ことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【国際調査報告】
2018042571.tif 000040
2018042571.tif 000041
2018042571.tif 000042
2018042571.tif 000043