(57)【要約】  本発明による力覚センサは、閉ループ状の変形体と、変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備えている。変形体は、少なくとも２つの固定部と、変形体の閉ループ状の経路において固定部に隣接する少なくとも２つの受力部と、閉ループ状の経路において隣接する固定部と受力部との間に位置付けられた変形部と、を有している。変形部は、湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有している。各湾曲面は、共に、変形部のＺ軸正側またはＺ軸負側に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっている。検出回路は、主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、電気信号を出力する。
2019155591.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、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された少なくとも２つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において前記固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、少なくとも２つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
Ｚ軸方向に湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形部のＺ軸正側またはＺ軸負側に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する、力覚センサ。
【請求項２】
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形部のＺ軸負側に設けられ、
前記主湾曲面は、Ｚ軸負側に向かって湾曲しており、
前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面は、Ｚ軸正側に向かって湾曲している、請求項１に記載の力覚センサ。
【請求項３】
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、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された少なくとも２つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において前記固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、少なくとも２つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形体の内周面又は外周面に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する、力覚センサ。
【請求項４】
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定体に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記固定体は、固定体側接続部材を介して各固定部に接続され、
前記受力体は、受力体側接続部材を介して各受力部に接続されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項５】
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定体に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記固定体は、各固定部と一体的に形成され、
前記受力体は、各受力部と一体的に形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項６】
前記変形体は、Ｚ軸方向から見て原点を取り囲むように配置され、
前記固定体及び前記受力体には、Ｚ軸が挿通する貫通孔がそれぞれ形成されている、請求項４または５に記載の力覚センサ。
【請求項７】
前記変形体は、Ｚ軸方向から見て原点を中心とする円形または矩形の形状を有している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項８】
ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出する力覚センサであって、
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
Ｚ軸を取り囲み、前記固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、前記固定体に接続された少なくとも２つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部に隣接して位置付けられた少なくとも２つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
Ｚ軸方向に湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形部のＺ軸正側またはＺ軸負側に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力し、
前記受力体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた受力体表面を有し、
前記固定体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた固定体表面を有し、
前記変形体から前記受力体表面までの距離と、前記変形体から前記固定体表面までの距離と、が異なる、力覚センサ。
【請求項９】
ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出する力覚センサであって、
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
Ｚ軸を取り囲み、前記固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、前記固定体に接続された少なくとも２つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部に隣接して位置付けられた少なくとも２つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形体の内周面又は外周面に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力し、
前記受力体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた受力体表面を有し、
前記固定体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた固定体表面を有し、
前記変形体から前記受力体表面までの距離と、前記変形体から前記固定体表面までの距離と、が異なる、力覚センサ。
【請求項１０】
前記受力体表面及び前記固定体表面は、ＸＹ平面と平行であり、
前記受力体表面のＺ座標値と前記固定体表面のＺ座標値とが異なる、請求項８または９に記載の力覚センサ。
【請求項１１】
前記変形体は、前記固定体及び前記受力体の一方を取り囲み、
前記固定体及び前記受力体の他方は、前記変形体を取り囲む、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１２】
前記固定体、前記受力体及び前記変形体は、いずれも、Ｚ軸方向から見て原点を中心とする円形または矩形の形状を有する、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１３】
前記少なくとも２つの固定部は、前記固定体と一体的に形成され、
前記少なくとも２つの受力部は、前記受力体と一体的に形成されている、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１４】
前記少なくとも２つの受力部及び前記少なくとも２つの固定部は、それぞれｎ個（ｎは２以上の自然数）設けられ、前記変形体の前記閉ループ状の経路に沿って交互に位置付けられ、
前記変形部は、２ｎ個（ｎは２以上の自然数）設けられ、隣接する前記受力部と前記固定部との間に１つずつ配置されている、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１５】
前記検出回路は、前記主湾曲部に配置された変位センサを有し、この変位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、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１６】
前記変位センサは、前記主湾曲部に配置された変位電極と、この変位電極に対向配置され、前記少なくとも２つの固定部に接続された固定電極と、を有する容量素子を含み、
前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する、請求項１５に記載の力覚センサ。
【請求項１７】
前記少なくとも２つの受力部及び前記少なくとも２つの固定部は、それぞれ２つ設けられ、
各固定部は、Ｚ軸方向から見て前記変形体がＸ軸と重なる部位に、Ｙ軸に関して対称的に配置され、
各受力部は、Ｚ軸方向から見て前記変形体がＹ軸と重なる部位に、Ｘ軸に関して対称的に配置され、
前記変形部は、４つ設けられ、隣接する前記受力部と前記固定部との間に１つずつ配置され
前記変位センサは、各変形部の各主湾曲部に配置された４つの変位電極と、各変位電極に対向配置され、対応する各固定部に接続された４つの固定電極と、を有する４つの容量素子を含み、
前記４つの容量素子は、Ｚ軸方向から見て前記変形体がＶ軸及びＷ軸と交わる４つの部位に１つずつ配置され、
前記検出回路は、前記４つの容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する、請求項１５に記載の力覚センサ。
【請求項１８】
前記変形体の前記主湾曲部には、変形体側支持体が接続されており、
前記変位電極は、対応する前記変形体側支持体によって支持されている、請求項１６または１７に記載の力覚センサ。
【請求項１９】
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、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された４つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において各固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、４つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する各固定部と各受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
Ｚ軸方向に湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、各変形部のＺ軸正側またはＺ軸負側に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する、力覚センサ。
【請求項２０】
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、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された４つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において前記固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、４つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形体の内周面又は外周面に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する、力覚センサ。
【請求項２１】
前記４つの受力部及び前記４つの固定部は、前記変形体の前記閉ループ状の経路に沿って交互に位置付けられ、
前記変形部は、８つ設けられ、隣接する前記受力部と前記固定部との間に１つずつ配置されている、請求項１９または２０に記載の力覚センサ。
【請求項２２】
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定体に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記４つの固定部は、固定体側接続部材を介して前記固定体に接続され、
前記４つの受力部は、受力体側接続部材を介して前記受力体に接続されている、請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項２３】
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定体に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記４つの固定部は、前記固定体と一体的に形成され、
前記４つの受力部は、前記受力体と一体的に形成されている、請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項２４】
前記閉ループ状の変形体は、円形また矩形の形状を有している、請求項１９〜２３のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項２５】
前記検出回路は、前記主湾曲部に配置された変位センサを有し、この変位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、請求項１９〜２４のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項２６】
前記変位センサは、前記主湾曲部に配置された変位電極と、この変位電極に対向配置され、前記４つの固定部の少なくとも１つに接続された固定電極と、を有する容量素子を含み、
前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する、請求項２５に記載の力覚センサ。
【請求項２７】
前記４つの受力部のうち２つは、Ｚ軸方向から見てＸ軸上に原点対称に配置され、
前記４つの受力部のうち残り２つは、Ｚ軸方向から見てＹ軸上に原点対称に配置され、
ＸＹ平面上に、原点を通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、
前記４つの固定部のうち２つは、Ｚ軸方向から見てＶ軸上に原点対称に配置され、
前記４つの固定部のうち残り２つは、Ｚ軸方向から見てＷ軸上に原点対称に配置され、
前記変形部は、８つ設けられ、隣接する前記受力部と前記固定部との間に１つずつ配置され
前記変位センサは、各変形部の各主湾曲部に配置された８つの変位電極と、各変位電極に対向配置され、対応する各固定部に接続された８つの固定電極と、を有する８つの容量素子を含み、
前記検出回路は、前記８つの容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する、請求項２５に記載の力覚センサ。
【請求項２８】
前記主湾曲部の前記主湾曲面は、前記閉ループ状の経路に沿って観察したとき、変曲点を有しない滑らかな曲面で構成されている、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項２９】
前記主湾曲部の前記主湾曲面は、前記閉ループ状の経路に沿って観察したとき、円弧に沿った曲面で構成されている、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項３０】
前記主湾曲部の前記主湾曲面は、前記閉ループ状の経路に沿って観察したとき、楕円の弧に沿った曲面で構成されている、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項３１】
前記主湾曲部は、前記閉ループ状の経路に沿って観察したとき、少なくとも一方の端部領域に湾曲していない直線区画を有する、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項３２】
ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸を取り囲み、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
Ｚ軸を取り囲み、前記固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
Ｚ軸を取り囲み、前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、前記固定体に接続された少なくとも２つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部に隣接して位置付けられた少なくとも２つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、所定の方向に湾曲した湾曲部を有し、
前記検出回路は、前記湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力し、
前記受力体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた受力体表面を有し、
前記変形体は、前記受力体表面と同じ方向を向いた変形体表面を有し、この変形体表面のＺ座標が前記受力体表面のＺ座標と異なる、力覚センサ。
【請求項３３】
前記固定体は、前記受力体表面と同じ方向を向いた固定体表面を有し、この固定体表面のＺ座標が前記変形体表面のＺ座標及び前記受力体表面のＺ座標と異なる、請求項３２に記載の力覚センサ。
【請求項３４】
ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸を取り囲み、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
Ｚ軸を取り囲み、前記固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
Ｚ軸を取り囲み、前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、前記固定体に接続された少なくとも２つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部に隣接して位置付けられた少なくとも２つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、所定の方向に湾曲した湾曲部を有し、
前記検出回路は、前記湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力し、
前記固定体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた固定体表面を有し、
前記変形体は、前記固定体表面と同じ方向を向いた変形体表面を有し、この変形体表面のＺ座標が前記固定体表面のＺ座標と異なる、力覚センサ。
【請求項３５】
前記固定体、前記受力体及び前記変形体は、いずれも、Ｚ軸方向から見て原点を中心とする円形または矩形の形状を有する、請求項３２〜３４のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項３６】
前記受力体及び前記固定体は、前記変形体を挟み込むように配置されている、請求項４〜６、８〜１３、２２及び２３のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項３７】
前記受力体及び前記固定体は、前記変形体に関し同じ側に配置されている、請求項４〜６、８〜１３、２２、２３及び３２〜３５のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項３８】
前記固定体または前記受力体は、前記力覚センサが取り付けられる取付対象物に面する領域にセンサ側凸部を有し、
前記センサ側凸部は、前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際、当該取付対象物に形成された取付凹部に収容され、
前記センサ側凸部は、前記取付凹部の内周面により当該取付凹部の内側に向かって押圧される、請求項４〜６、８〜１３、２２、２３及び３２〜３７のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項３９】
前記固定体または前記受力体は、前記力覚センサが取り付けられる取付対象物に面する領域にセンサ側凹部を有し、
前記センサ側凹部は、前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際、当該取付対象物に形成された取付凸部を収容し、
前記センサ側凹部の内周面が、前記取付凸部を当該センサ側凹部の内側に向かって押圧する、請求項４〜６、８〜１３、２２、２３及び３２〜３７のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項４０】
取付凹部を有する取付対象物に取り付けられ、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、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に接続され、ＸＹＺ三次元座標に対して固定された固定体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対し相対移動する受力体と、を備え、
前記固定体または前記受力体は、前記取付対象物に面する領域に前記取付凹部に収容されるセンサ側凸部を有し、
前記センサ側凸部は、前記取付凹部に収容される際に、当該取付凹部の内周面により当該取付凹部の内側に向かって押圧される、力覚センサ。
【請求項４１】
前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向に対し前記センサ側凸部の外周面がなす鋭角は、前記取付方向に対し前記取付凹部の前記内周面がなす鋭角より小さい、請求項４０に記載の力覚センサ。
【請求項４２】
前記センサ側凸部は、前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向から見て、間隔を空けて対向して設けられている、または、閉ループ状の経路に沿って連続的または断続的に設けられている、請求項４０または４１に記載の力覚センサ。
【請求項４３】
取付凸部を有する取付対象物に取り付けられ、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、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に接続され、ＸＹＺ三次元座標に対して固定された固定体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対し相対移動する受力体と、を備え、
前記固定体または前記受力体は、前記取付対象物に面する領域に前記取付凸部に収容されるセンサ側凹部を有し、
前記センサ側凹部が前記取付凸部を収容する際に、前記センサ側凹部の内周面が前記取付凸部を当該センサ側凹部の内側に向かって押圧する、力覚センサ。
【請求項４４】
前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向に対し前記センサ側凹部の内周面がなす鋭角は、前記取付方向に対し前記取付凸部の外周面がなす鋭角より大きい、請求項４３に記載の力覚センサ。
【請求項４５】
前記取付凸部は、前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向から見て、間隔を空けて対向して設けられている、または、閉ループ状の経路に沿って連続的または断続的に設けられている、請求項４３または４４に記載の力覚センサ。
【請求項４６】
請求項３８〜４５のいずれか一項に記載の力覚センサと、
前記力覚センサが取り付けられる取付対象物と、を備えた、組合せ体。
【請求項４７】
取付孔を有する取付対象物に取り付けられ、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、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に接続され、ＸＹＺ三次元座標に対して固定された固定体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対し相対移動する受力体と、を備え、
前記固定体または前記受力体には、取付対象物に前記力覚センサを取り付けるための固定具が通過する貫通孔が設けられ、
前記貫通孔の前記取付対象物側の縁部には、当該取付対象物に向かって突出した突出部が設けられ、
前記突出部は、前記力覚センサを前記取付対象物に取り付ける際に、前記取付孔の縁部を押圧する、力覚センサ。
【請求項４８】
前記取付孔の縁部には、すり鉢状の取付側テーパ面が形成されており、
前記突出部の外周面に、前記取付対象物に向かって先細となるセンサ側テーパ面が形成され、
前記センサ側テーパ面は、前記力覚センサを前記取付対象物に取り付ける際に、前記取付側テーパ面を押圧し、
前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向に対し前記センサ側テーパ面がなす鋭角は、前記取付方向に対し前記取付側テーパ面がなす鋭角より小さい、請求項４７に記載の力覚センサ。
【請求項４９】
請求項４７または４８に記載の力覚センサと、
前記力覚センサが取り付けられる取付対象物と、を備えた、組合せ体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサに関し、特に、所定の軸方向に作用した力及び所定の回転軸まわりに作用したモーメント（トルク）を電気信号として出力する機能をもったセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
所定の軸方向に沿って作用した力及び所定の回転軸まわりに作用したモーメントを電気信号として出力する機能をもった力覚センサが、例えば特許文献１に記載されており、産業用ロボットの力制御に広く利用されている。近年では、生活支援ロボットへも採用されている。力覚センサの市場が拡大するにつれて、力覚センサの低価格化及び高性能化が一層求められるようになった。【０００３】
ところで、力覚センサとしては、容量素子の静電容量値の変動量に基づいて力またはモーメントを検出する静電容量タイプの力覚センサや、歪ゲージの電気抵抗値の変動量に基づいて力またはモーメントを検出する歪ゲージタイプの力覚センサが利用されている。このうち、歪ゲージタイプの力覚センサは、起歪体（弾性体）の構造が複雑であり、また、その製造工程において起歪体に歪ゲージを貼付するという工程が必要である。このように歪ゲージタイプの力覚センサは、製造コストがかかるため、低価格化が困難である。【０００４】
これに対し、静電容量タイプの力覚センサは、１組の平行平板（容量素子）によって作用した力またはモーメントを計測することができるため、容量素子を含む起歪体の構造を簡素化することができる。すなわち、静電容量タイプの力覚センサは、相対的に製造コストがかからないため、低価格化が容易である、というメリットを有する。したがって、容量素子を含む起歪体の構造を更に簡素化すれば、静電容量タイプの力覚センサにおいて、一層の低価格化を実現することができる。【０００５】
このような背景のもと、出願人は、国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１７／００８８４３（特願２０１７−５３９４７０）において、Ｚ軸方向から見て原点Ｏを取り囲むように配置され、力またはモーメントの作用によって弾性変形を生じる環状の変形体を有し、当該変形体が湾曲部を有する力覚センサを提案した。より具体的に説明すると、変形体が、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された２つの固定部と、当該変形体の環状の経路において２つの固定部と交互に位置付けられ、力またはモーメントの作用を受ける、２つの受力部と、環状の経路において隣接する固定部と受力部との間に位置付けられた４つの変形部と、を有しており、各変形部が、例えばＺ軸負方向に湾曲（膨出）している、という力覚センサである。【０００６】
出願人は、以上のような力覚センサを更に改良すべく鋭意検討を行った結果、変形部と固定部及び受力部との接続部分に湾曲部を設けることにより、当該接続部分への応力集中を緩和し、力覚センサの信頼性を一層向上させ得ることを見出した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３５４０４９号公報  本発明は、以上の知見に基づいている。すなわち、本発明の目的は、湾曲部を有する変形体を備えていると共に、高い信頼性をも備えた静電容量タイプの力覚センサを提供することである。
【発明の開示】
【０００８】
本発明の第１の態様による力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された少なくとも２つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において前記固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、少なくとも２つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
Ｚ軸方向に湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形部のＺ軸正側またはＺ軸負側に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する。
【０００９】
この力覚センサにおいて、前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形部のＺ軸負側に設けられ、
前記主湾曲面は、Ｚ軸負側に向かって湾曲しており、
前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面は、Ｚ軸正側に向かって湾曲していて良い。
【００１０】
また、本発明の第２の態様による力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された少なくとも２つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において前記固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、少なくとも２つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形体の内周面又は外周面に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する。
【００１１】
以上の各力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定体に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記固定体は、固定体側接続部材を介して各固定部に接続され、
前記受力体は、受力体側接続部材を介して各受力部に接続されていて良い。
【００１２】
以上の各力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定体に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記固定体は、各固定部と一体的に形成され、
前記受力体は、各受力部と一体的に形成されていて良い。
【００１３】
前記変形体は、Ｚ軸方向から見て原点を取り囲むように配置され、
前記固定体及び前記受力体には、Ｚ軸が挿通する貫通孔がそれぞれ形成されていて良い。
【００１４】
前記変形体は、Ｚ軸方向から見て原点を中心とする円形または矩形の形状を有していて良い。
【００１５】
本発明の第３の態様による力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出するものであって、
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
Ｚ軸を取り囲み、前記固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、前記固定体に接続された少なくとも２つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部に隣接して位置付けられた少なくとも２つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
Ｚ軸方向に湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形部のＺ軸正側またはＺ軸負側に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力し、
前記受力体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた受力体表面を有し、
前記固定体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた固定体表面を有し、
前記変形体から前記受力体表面までの距離と、前記変形体から前記固定体表面までの距離と、が異なる。
【００１６】
また、本発明の第４の態様による力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出するものであって、
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
Ｚ軸を取り囲み、前記固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、前記固定体に接続された少なくとも２つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部に隣接して位置付けられた少なくとも２つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形体の内周面又は外周面に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力し、
前記受力体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた受力体表面を有し、
前記固定体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた固定体表面を有し、
前記変形体から前記受力体表面までの距離と、前記変形体から前記固定体表面までの距離と、が異なる。
【００１７】
以上の第３及び第４の態様による力覚センサにおいて、前記受力体表面及び前記固定体表面は、ＸＹ平面と平行であり、
前記受力体表面のＺ座標値と前記固定体表面のＺ座標値とが異なっていて良い。
【００１８】
前記変形体は、前記固定体及び前記受力体の一方を取り囲み、
前記固定体及び前記受力体の他方は、前記変形体を取り囲んでいて良い。
【００１９】
前記固定体、前記受力体及び前記変形体は、いずれも、Ｚ軸方向から見て原点を中心とする円形または矩形の形状を有していて良い。
【００２０】
前記少なくとも２つの固定部は、前記固定体と一体的に形成され、
前記少なくとも２つの受力部は、前記受力体と一体的に形成されていて良い。
【００２１】
以上の各力覚センサにおいて、前記少なくとも２つの受力部及び前記少なくとも２つの固定部は、それぞれｎ個（ｎは２以上の自然数）設けられ、前記変形体の前記閉ループ状の経路に沿って交互に位置付けられ、
前記変形部は、２ｎ個（ｎは２以上の自然数）設けられ、隣接する前記受力部と前記固定部との間に１つずつ配置されていて良い。
【００２２】
また、以上の各力覚センサにおいて、前記検出回路は、前記主湾曲部に配置された変位センサを有し、この変位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して良い。
【００２３】
前記変位センサは、前記主湾曲部に配置された変位電極と、この変位電極に対向配置され、前記少なくとも２つの固定部に接続された固定電極と、を有する容量素子を含み、
前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力して良い。
【００２４】
あるいは、前記少なくとも２つの受力部及び前記少なくとも２つの固定部は、それぞれ２つ設けられ、
各固定部は、Ｚ軸方向から見て前記変形体がＸ軸と重なる部位に、Ｙ軸に関して対称的に配置され、
各受力部は、Ｚ軸方向から見て前記変形体がＹ軸と重なる部位に、Ｘ軸に関して対称的に配置され、
前記変形部は、４つ設けられ、隣接する前記受力部と前記固定部との間に１つずつ配置され
前記変位センサは、各変形部の各主湾曲部に配置された４つの変位電極と、各変位電極に対向配置され、対応する各固定部に接続された４つの固定電極と、を有する４つの容量素子を含み、
前記４つの容量素子は、Ｚ軸方向から見て前記変形体がＶ軸及びＷ軸と交わる４つの部位に１つずつ配置され、
前記検出回路は、前記４つの容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力して良い。
【００２５】
前記変形体の前記主湾曲部には、変形体側支持体が接続されており、
前記変位電極は、対応する前記変形体側支持体によって支持されていて良い。
【００２６】
本発明の第５の態様による力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された４つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において各固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、４つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する各固定部と各受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
Ｚ軸方向に湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、各変形部のＺ軸正側またはＺ軸負側に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する。
【００２７】
また、本発明の第６の態様による力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された４つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において前記固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、４つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、前記閉ループ状の経路の内側または外側に向かって湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形体の内周面又は外周面に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する。
【００２８】
以上の第５及び第６の態様による力覚センサにおいて、前記４つの受力部及び前記４つの固定部は、前記変形体の前記閉ループ状の経路に沿って交互に位置付けられ、
前記変形部は、８つ設けられ、隣接する前記受力部と前記固定部との間に１つずつ配置されていて良い。
【００２９】
以上の力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定体に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記４つの固定部は、固定体側接続部材を介して前記固定体に接続され、
前記４つの受力部は、受力体側接続部材を介して前記受力体に接続されていて良い。
【００３０】
あるいは、以上の力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
力ないしモーメントの作用によって、前記固定体に対して相対移動する受力体と、を更に備え、
前記４つの固定部は、前記固定体と一体的に形成され、
前記４つの受力部は、前記受力体と一体的に形成されていて良い。
【００３１】
前記閉ループ状の変形体は、円形また矩形の形状を有していて良い。
【００３２】
前記検出回路は、前記主湾曲部に配置された変位センサを有し、この変位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して良い。
【００３３】
前記変位センサは、前記主湾曲部に配置された変位電極と、この変位電極に対向配置され、前記４つの固定部の少なくとも１つに接続された固定電極と、を有する容量素子を含み、
前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力して良い。
【００３４】
前記４つの受力部のうち２つは、Ｚ軸方向から見てＸ軸上に原点対称に配置され、
前記４つの受力部のうち残り２つは、Ｚ軸方向から見てＹ軸上に原点対称に配置され、
ＸＹ平面上に、原点を通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、
前記４つの固定部のうち２つは、Ｚ軸方向から見てＶ軸上に原点対称に配置され、
前記４つの固定部のうち残り２つは、Ｚ軸方向から見てＷ軸上に原点対称に配置され、
前記変形部は、８つ設けられ、隣接する前記受力部と前記固定部との間に１つずつ配置され
前記変位センサは、各変形部の各主湾曲部に配置された８つの変位電極と、各変位電極に対向配置され、対応する各固定部に接続された８つの固定電極と、を有する８つの容量素子を含み、
前記検出回路は、前記８つの容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力して良い。
【００３５】
以上の各力覚センサにおいて、前記主湾曲部の前記主湾曲面は、前記閉ループ状の経路に沿って観察したとき、変曲点を有しない滑らかな曲面で構成されていて良い。
【００３６】
あるいは、以上の各力覚センサにおいて、前記主湾曲部の前記主湾曲面は、前記閉ループ状の経路に沿って観察したとき、円弧に沿った曲面で構成されていて良い。
【００３７】
あるいは、以上の各力覚センサにおいて、前記主湾曲部の前記主湾曲面は、前記閉ループ状の経路に沿って観察したとき、楕円の弧に沿った曲面で構成されていて良い。
【００３８】
以上の各力覚センサにおいて、前記主湾曲部は、前記閉ループ状の経路に沿って観察したとき、少なくとも一方の端部領域に湾曲していない直線区画を有していて良い。
【００３９】
本発明の第７の態様による力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出するものであって、
Ｚ軸を取り囲み、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
Ｚ軸を取り囲み、前記固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
Ｚ軸を取り囲み、前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、前記固定体に接続された少なくとも２つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部に隣接して位置付けられた少なくとも２つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、所定の方向に湾曲した湾曲部を有し、
前記検出回路は、前記湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力し、
前記受力体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた受力体表面を有し、
前記変形体は、前記受力体表面と同じ方向を向いた変形体表面を有し、この変形体表面のＺ座標が前記受力体表面のＺ座標と異なっている。
【００４０】
前記固定体は、前記受力体表面と同じ方向を向いた固定体表面を有し、この固定体表面のＺ座標が前記変形体表面のＺ座標及び前記受力体表面のＺ座標と異なっていて良い。
【００４１】
あるいは、本発明の第８の態様による力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出するものであって、
Ｚ軸を取り囲み、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
Ｚ軸を取り囲み、前記固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
Ｚ軸を取り囲み、前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、前記固定体に接続された少なくとも２つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部に隣接して位置付けられた少なくとも２つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、所定の方向に湾曲した湾曲部を有し、
前記検出回路は、前記湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力し、
前記固定体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた固定体表面を有し、
前記変形体は、前記固定体表面と同じ方向を向いた変形体表面を有し、この変形体表面のＺ座標が前記固定体表面のＺ座標と異なっている。
【００４２】
上記第７及び第８の態様による力覚センサにおいて、前記固定体、前記受力体及び前記変形体は、いずれも、Ｚ軸方向から見て原点を中心とする円形または矩形の形状を有して良い。
【００４３】
また、前記受力体及び前記固定体は、前記変形体を挟み込むように配置されていて良い。
【００４４】
あるいは、前記受力体及び前記固定体は、前記変形体に関し同じ側に配置されていて良い。
【００４５】
また、前記固定体または前記受力体は、前記力覚センサが取り付けられる取付対象物に面する領域にセンサ側凸部を有し、
前記センサ側凸部は、前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際、当該取付対象物に形成された取付凹部に収容され、
前記センサ側凸部は、前記取付凹部の内周面により当該取付凹部の内側に向かって押圧されて良い。
【００４６】
あるいは、前記固定体または前記受力体は、前記力覚センサが取り付けられる取付対象物に面する領域にセンサ側凹部を有し、
前記センサ側凹部は、前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際、当該取付対象物に形成された取付凸部を収容し、
前記センサ側凹部の内周面が、前記取付凸部を当該センサ側凹部の内側に向かって押圧して良い。
【００４７】
本発明の第９の態様による力覚センサは、取付凹部を有する取付対象物に取り付けられ、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に接続され、ＸＹＺ三次元座標に対して固定された固定体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対し相対移動する受力体と、を備え、
前記固定体または前記受力体は、前記取付対象物に面する領域に前記取付凹部に収容されるセンサ側凸部を有し、
前記センサ側凸部は、前記取付凹部に収容される際に、当該取付凹部の内周面により当該取付凹部の内側に向かって押圧される。
【００４８】
以上の第９の態様による力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向に対し前記センサ側凸部の外周面がなす鋭角は、前記取付方向に対し前記取付凹部の前記内周面がなす鋭角より小さくて良い。
【００４９】
前記センサ側凸部は、前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向から見て、間隔を空けて対向して設けられていて良く、または、閉ループ状の経路に沿って連続的または断続的に設けられていて良い。
【００５０】
本発明の第１０の態様による力覚センサは、取付凸部を有する取付対象物に取り付けられ、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に接続され、ＸＹＺ三次元座標に対して固定された固定体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対し相対移動する受力体と、を備え、
前記固定体または前記受力体は、前記取付対象物に面する領域に前記取付凸部に収容されるセンサ側凹部を有し、
前記センサ側凹部が前記取付凸部を収容する際に、前記センサ側凹部の内周面が前記取付凸部を当該センサ側凹部の内側に向かって押圧する。
【００５１】
前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向に対し前記センサ側凹部の内周面がなす鋭角は、前記取付方向に対し前記取付凸部の外周面がなす鋭角より大きくて良い。
【００５２】
また、前記取付凸部は、前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向から見て、間隔を空けて対向して設けられている、または、閉ループ状の経路に沿って連続的または断続的に設けられていて良い。
【００５３】
以上の第１０の態様による力覚センサと、
前記力覚センサが取り付けられる取付対象物と、を備えた、組合せ体も、本発明の範囲内である。
【００５４】
あるいは、本発明の第１１の態様による力覚センサは、取付孔を有する取付対象物に取り付けられ、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出するものであって、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に接続され、ＸＹＺ三次元座標に対して固定された固定体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対し相対移動する受力体と、を備え、
前記固定体または前記受力体には、取付対象物に前記力覚センサを取り付けるための固定具が通過する貫通孔が設けられ、
前記貫通孔の前記取付対象物側の縁部には、当該取付対象物に向かって突出した突出部が設けられ、
前記突出部は、前記力覚センサを前記取付対象物に取り付ける際に、前記取付孔の縁部を押圧する。
【００５５】
以上の第１１の態様による力覚センサにおいて、前記取付孔の縁部には、すり鉢状の取付側テーパ面が形成されており、
前記突出部の外周面に、前記取付対象物に向かって先細となるセンサ側テーパ面が形成され、
前記センサ側テーパ面は、前記力覚センサを前記取付対象物に取り付ける際に、前記取付側テーパ面を押圧し、
前記力覚センサが前記取付対象物に取り付けられる際の取付方向に対し前記センサ側テーパ面がなす鋭角は、前記取付方向に対し前記取付側テーパ面がなす鋭角より小さくて良い。
【００５６】
あるいは、以上の第１１の態様による力覚センサと、
前記力覚センサが取り付けられる取付対象物と、を備えた、組合せ体も、本発明の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略斜視図である。
【図２】図１の基本構造を示す概略平面図である。
【図３】図２の［３］−［３］線断面図である。
【図４】図３中に一点鎖線で示された矩形領域Ｒの拡大図である。
【図５】図１の基本構造に対してＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときに、各変形部に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。
【図６】図５の概略断面図である。図６（ａ）は、図５の［６ａ］−［６ａ］線断面図であり、図６（ｂ）は、図５の［６ｂ］−［６ｂ］線断面図である。
【図７】図１の基本構造に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときに、各変形部に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。
【図８】図７の概略断面図である。図８（ａ）は、図７の［８ａ］−［８ａ］線断面図であり、図８（ｂ）は、図７の［８ｂ］−［８ｂ］線断面図である。
【図９】図１の基本構造に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときに、各変形部に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。
【図１０】図９の概略断面図である。図１０（ａ）は、図９の［１０ａ］−［１０ａ］線断面図であり、図１０（ｂ）は、図９の［１０ｂ］−［１０ｂ］線断面図である。
【図１１】図１の基本構造に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、各変形部に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。
【図１２】図１１の概略断面図である。図１２（ａ）は、図１１の［１２ａ］−［１２ａ］線断面図であり、図１２（ｂ）は、図１１の［１２ｂ］−［１２ｂ］線断面図である。
【図１３】図１の基本構造を利用した力覚センサを示す概略平面図である。
【図１４】図１３の［１４］−［１４］線断面図である。
【図１５】図１３の力覚センサに対して、力及びしモーメントが作用したときに各容量素子に生じる静電容量値の変動を示す図表である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略平面図である。
【図１７】図１６の［１７］−［１７］線断面図である。
【図１８】矩形の変形体を示す概略平面図である。
【図１９】図１８の概略断面図である。図１９（ａ）は、図１８の［１９ａ］−［１９ａ］線断面図であり、図１９（ｂ）は、図１８の［１９ｂ］−［１９ｂ］線断面図である。
【図２０】本発明に利用可能な正方形状の矩形変形体の概略平面図である。
【図２１】図２０の概略断面図である。図２１（ａ）は、図２０の［２１ａ］−［２１ａ］線断面図であり、図２１（ｂ）は、図２０の［２１ｂ］−［２１ｂ］線断面図であり、図２１（ｃ）は、図２０の［２１ｃ］−［２１ｃ］線断面図であり、図２１（ｄ）は、図２０の［２１ｄ］−［２１ｄ］線断面図である。
【図２２】図２０の矩形変形体を採用した、本実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略断面図である。
【図２３】受力体にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときに、図２０に示す矩形変形体の各検出点に生じる変位を説明するための図である。
【図２４】受力体にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、図２０に示す矩形変形体の各検出点に生じる変位を説明するための図である。
【図２５】受力体にＸ軸正方向のモーメント＋Ｍｘが作用したときに、図２０に示す矩形変形体の各検出点に生じる変位を説明するための図である。
【図２６】図受力体にＺ軸正方向のモーメント＋Ｍｚが作用したときに、図２０に示す矩形変形体の各検出点に生じる変位を説明するための図である。
【図２７】受力体にＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力及び各軸方向のモーメントが作用したときの、図２０の矩形変形体の各検出点と固定体との離間距離の増減を一覧で示す図表である。
【図２８】図２２の基本構造を用いた、本実施の形態による力覚センサを示す概略平面図である。
【図２９】図２８の［２９］−［２９］線断面図である。
【図３０】図２８の力覚センサに対して力及びモーメントが作用したときに各容量素子に生じる静電容量値の変動を示す図表である。
【図３１】図２８に示す力覚センサ３０１ｃにおける、各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントの他軸感度を一覧で示す図表である。
【図３２】本発明の第４の実施の形態による力覚センサに採用される基本構造を示す概略平面図である。
【図３３】受力体にＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力及び各軸方向のモーメントが作用したときの、図３２の基本構造の各検出点と固定体との離間距離の増減を一覧で示す図表である。
【図３４】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平面図である。
【図３５】図３４の力覚センサに対して力及びモーメントが作用したときに各容量素子に生じる静電容量値の変動を示す図表である。
【図３６】受力体にＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力及び各軸方向のモーメントが作用したときに、各容量素子に生じる静電容量値の変動を示す図表である。
【図３７】図３６に示す各静電容量値の変動に基づいて算出した、図３４の力覚センサの他軸感度を一覧で示す図表である。
【図３８】図３７に示す他軸感度に対応する行列の逆行列を示す図表である。
【図３９】図４の変形例による変形体を示す概略側面図である。
【図４０】図４の更なる変形例による変形体を示す概略側面図である。
【図４１】図１の変形例による力覚センサと、この力覚センサが取り付けられる取付対象物と、による組合せ体を示す概略断面図である。
【図４２】図４１に示す力覚センサのセンサ側凸部を示す概略底面図である。
【図４３】力覚センサの取付凸部の他の例を示す概略低面図であり、環状の経路に沿って連続的に設けられた取付凸部を示している。
【図４４】力覚センサの取付凸部の他の例を示す概略低面図であり、環状の経路に沿って断続的に設けられた取付凸部を示している。
【図４５】図１の変形例による力覚センサと、この力覚センサが取り付けられる取付対象物と、による他の組合せ体を示す概略断面図である。
【図４６】変形体の製造方法の一例を説明するための図であり、受力部側湾曲部及び固定部側湾曲部が形成される前の第２変形部を示す概略側面図である。
【図４７】変形体の製造方法の一例を説明するための図であり、受力部側湾曲部及び固定部側湾曲部が形成された後の第２変形部を示す概略側面図である。
【図４８】図１の基本構造の変形例を示す概略平面図である。
【図４９】図４８の［４９］−［４９］線断面図である。
【図５０】図１の基本構造の更なる変形例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
＜＜＜  §１．  本発明の第１の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
以下に、添付の図面を参照して、本発明の第１の実施の形態による力覚センサについて詳細に説明する。
【００５９】
＜  １−１．  基本構造  ＞
図１は、本発明の第１の実施の形態による力覚センサの基本構造１を示す概略斜視図であり、図２は、図１の基本構造１を示す概略平面図であり、図３は、図２の［３］−［３］線断面図である。図２においては、左右方向にＸ軸が、上下方向にＹ軸が、奥行き方向にＺ軸（不図示）が、それぞれ定められている。本明細書では、図１に示すように、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶこととする。また、モーメントの方向に関し、Ｘ軸正まわりとは、右ねじをＸ軸正方向に前進させるために当該右ねじを回転させる回転方向を意味し、Ｘ軸負まわりとは、その逆の回転方向を意味することとする。このようなモーメントの方向の規定の仕方は、Ｙ軸まわり及びＺ軸まわりについても、同様とする。
【００６０】
図１〜図３に示すように、基本構造１は、ＸＹ平面と平行な上面を有する円盤状の固定体１０と、力及び／またはモーメントの作用を受けることにより固定体１０に対して相対移動する円盤状の受力体２０と、固定体１０及び受力体２０に接続され、固定体１０に対する受力体２０の相対移動によって弾性変形を生じる円環状の変形体４０と、を備えている。固定体１０、受力体２０及び変形体４０は、互いに同心であり、同一の外径を有していて良い。なお、図２では、変形体４０を明確に図示するため、受力体２０の図示を省略してある。
【００６１】
本実施の形態による基本構造１は、変形体４０と固定体１０との間に形成されている間隙の所定位置に容量素子を配置し、この容量素子に所定の検出回路５０を接続することにより、力覚センサとして機能することになる。検出回路５０は、容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及び／またはモーメントを計測するためのものである。容量素子の具体的な配置態様、及び、作用した力ないしモーメントを計測する具体的な方法は、後述される。
【００６２】
図１及び図２に示すように、変形体４０は、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏを中心とし、ＸＹ平面と平行に配置されている。ここでは、図３に示すように、変形体４０のＺ軸方向の厚みの半分の位置にＸＹ平面が存在していることとする。変形体４０の材質としては、例えば金属が採用され得る。
【００６３】
図２に示すように、変形体４０は、正のＸ軸上に位置する第１固定部４１と、負のＸ軸上に位置する第２固定部４２と、正のＹ軸上に位置する第１受力部４３と、負のＹ軸上に位置する第２受力部４４と、を有している。後述されるように、各固定部４１、４２及び各受力部４３、４４は、変形体４０のうち固定体１０及び受力体２０が接続される領域であって、変形体４０の他の領域と異なる特性を有する部位ではない。したがって、各固定部４１、４２及び各受力部４３、４４の材質は、変形体４０の他の領域と同一である。但し、説明の便宜上、各固定部４１、４２及び各受力部４３、４４は、変形体４０の他の領域とは異なる記号で図示してある。
【００６４】
更に、図２に示すように、変形体４０は、第１固定部４１と第１受力部４３との間（ＸＹ平面の第１象限Ｉ）に位置する第１変形部４５と、第１受力部４３と第２固定部４２との間（ＸＹ平面の第２象限II）に位置する第２変形部４６と、第２固定部４２と第２受力部４４との間（ＸＹ平面の第３象限III）に位置する第３変形部４７と、第２受力部４４と第１固定部４１との間（ＸＹ平面の第４象限IV）に位置する第４変形部４８と、を有している。各変形部４５〜４８の両端は、閉ループ状の経路に沿って隣接する固定部４１、４２及び受力部４３、４４にそれぞれ一体的に連結されている。このような構造によって、受力部４３、４４に作用した力ないしモーメントが確実に各変形部４５〜４８に伝達され、これによって、当該作用した力ないしモーメントに応じた弾性変形が各変形部４５〜４８に生じるようになっている。
【００６５】
図１及び図３に示すように、基本構造１は、固定体１０と変形体４０とを接続する第１接続部材３１及び第２接続部材３２と、受力体２０と変形体４０とを接続する第３接続部材３３及び第４接続部材３４と、を更に有している。第１接続部材３１は、第１固定部４１の下面（図３における下方の面）と固定体１０の上面とを互いに接続し、第２接続部材３２は、第２固定部４２の下面と固定体１０の上面とを互いに接続している。第３接続部材３３は、第１受力部４３の上面（図３における上方の面）と受力体２０の下面とを互いに接続し、第４接続部材３４は、第２受力部４４の上面と受力体２０の下面とを互いに接続している。各接続部材３１〜３４は、実質的に剛体とみなせる程度の剛性を有している。このため、受力体２０に作用した力ないしモーメントは、効果的に各変形部４５〜４８に弾性変形を生じさせることになる。
【００６６】
次に、図４を参照して、変形体４０の各変形部４５〜４８について詳細に説明する。  各変形部４５〜４８は、互いに同一の構造を有しているため、ここでは、第２変形部４６のみについて説明を行うこととする。
【００６７】
図４は、図３の一点鎖線で示された矩形領域Ｒの拡大図であり、第２変形部４６を示している。第２変形部４６は、Ｚ軸負方向（図４における下方向）に湾曲した主湾曲面４６ｐａを有する主湾曲部４６ｐと、主湾曲部４６ｐと固定部４２とを接続し、Ｚ軸正方向に湾曲した固定部側湾曲面４６ｆａを有する固定部側湾曲部４６ｆと、主湾曲部４６ｐと受力部４３とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した受力部側湾曲面４６ｍａを有する受力部側湾曲部４６ｍと、を有している。図４に示すように、主湾曲面４６ｐａと、固定部側湾曲面４６ｆａ及び受力部側湾曲面４６ｍａとは、共に、第２変形部４６のＺ軸負側の面を構成している。本実施の形態では、主湾曲面４６ｐａは、Ｚ軸負方向に向かって湾曲しているのに対し、固定部側湾曲面４６ｆａ及び受力部側湾曲面４６ｍａは、Ｚ軸正方向に向かって湾曲している。
【００６８】
より具体的には、図４に示すように、第２変形部４６のＺ軸正側の面４６ｕは、点Ｏ１を中心とする半径ｒ１の円弧に沿った湾曲面であり、第２変形部４６の主湾曲面４６ｐａは、点Ｏ２を中心とする半径ｒ２の円弧に沿った湾曲面である。これらの湾曲面４６ｕ、４６ｐａは、共にＺ軸負側に向かって湾曲している。また、固定部側湾曲面４６ｆａは、点Ｏ３を中心とする半径ｒ３の円弧に沿った湾曲面であり、受力部側湾曲面４６ｍａは、点Ｏ４を中心とする半径ｒ４の円弧に沿った湾曲面である。これらの湾曲面４６ｆａ、４６ｍａは、Ｚ軸正側に向かって湾曲している。図示される例では、点Ｏ１、Ｏ２及び第２計測部位Ａ２は、Ｚ軸と平行な直線上に配置されており、ｒ１＝ｒ２且つｒ３＝ｒ４という関係が成立している。もちろん、必ずしもこのような関係を満たしている必要は無い。また、各湾曲面４６ｕ、４６ｐａ、４６ｍａは、真円の円弧に沿った形状に限られず、例えば楕円や長円の円弧に沿った形状を有していても良い。このことは、後述する他の実施の形態及び変形例においても同様である。
【００６９】
更に、図４に示すように、第２変形部４６では、固定部側変曲点Ｂｆ２を介して固定部側湾曲部４６ｆと主湾曲部４６ｐとが滑らかに接続されており、更に、受力部側変曲点Ｂｍ２を介して受力部側湾曲部４６ｍと主湾曲部４６ｐとが滑らかに接続されている。
【００７０】
一方、図４に示すように、第２変形部４６のＺ軸正側の面（図４における上面）は、Ｚ軸負方向にのみ湾曲した湾曲面によって構成されている。この湾曲面は、本実施の形態では一定の曲率半径を有している。
【００７１】
以上のような構成により、第２変形部４６は、閉ループ状の経路に沿って観察したときに、第２固定部４２から第１受力部４３に至る経路の中央が、最もＺ軸負側に位置している。そして、図４に示すように、当該最も負側に位置している部位には、第２変形部４６に生じる弾性変形を検出するための第２計測部位Ａ２が規定されている。したがって、第２変形部４６は、閉ループ状の経路に沿って観察したときに、第２計測部位Ａ２に関して対称的に構成されている。
【００７２】
更に、図示されてはいないが、第１、第３及び第４変形部４５、４７、４８も、第２変形部４６と同様に構成されている。すなわち、第１、第３及び第４変形部４５、４７、４８は、上述したような曲率を有する固定部側湾曲部及び受力部側湾曲部と、これらに挟まれた主湾曲部と、を有している。各変形部４５、４７、４８には、閉ループ状の経路に沿って観察したときに、最もＺ軸負側に位置するそれぞれの部位に、第１、第３及び第４計測部位がそれぞれ規定されている。結局、図２に示すように、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義すると、第１変形部４５は、正のＶ軸に関して対称であり、第２変形部４６は、正のＷ軸に関して対称であり、第３変形部４７は、負のＶ軸に関して対称であり、第４変形部４８は、負のＷ軸に関して対称である。そして、各変形部４６〜４８の第１〜第４計測部位Ａ１〜Ａ４が、Ｚ軸方向から見て、正のＶ軸、正のＷ軸、負のＶ軸及び負のＶ軸上に各１つずつ位置している。
【００７３】
＜  １−２．  基本構造の作用  ＞
次に、このような基本構造１の作用について説明する。
【００７４】
（１−２−１．  基本構造１にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合）
図５は、図１の基本構造１に対してＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときに、各変形部４５〜４８に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。また、図６は、図５の概略断面図である。図６（ａ）は、図５の［６ａ］−［６ａ］線断面図であり、図６（ｂ）は、図５の［６ｂ］−［６ｂ］線断面図である。なお、図５及び図６において、黒塗りの太い矢印は、作用する力またはモーメントを示しており、白抜きの太い矢印は、計測部位Ａ１〜Ａ４の変位の方向を示している。このことは、他の図においても同様である。
【００７５】
図５に示すように、受力体２０（図１及び図３参照）を介して基本構造１にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、変形体４０の第１受力部４３に対してＺ軸正方向（図６（ａ）における上方向）の力が作用し、第２受力部４４に対してＺ軸負方向（図６（ｂ）における下方向）の力が作用する。図５において、第１受力部４３に付されている、黒点を丸で囲んだ記号は、Ｚ軸負方向からＺ軸正方向に向かって力が作用することを示しており、第２受力部４４に付されている、×印を丸で囲んだ記号は、Ｚ軸正方向からＺ軸負方向に向かって力が作用することを示している。これらの記号の意味は、図７、図９及び図１１においても同様である。
【００７６】
このとき、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、第１〜第４変形部４５〜４８には次のような弾性変形が生じる。すなわち、第１受力部４３に作用するＺ軸正方向の力によって当該第１受力部４３が上方に移動するため、第１変形部４５及び第２変形部４６のうち第１受力部４３に連結されている端部が上方に移動させられる。これにより、図６（ａ）に示すように、第１変形部４５及び第２変形部４６は、第１及び第２固定部４１、４２に連結されている端部を除き、全体的に上方に移動する。すなわち、第１計測部位Ａ１及び第２計測部位Ａ２は、共に上方に移動する。他方、第２受力部４４に作用するＺ軸負方向の力によって当該第２受力部４４が下方に移動するため、第３変形部４７及び第４変形部４８のうち第２受力部４４に連結されている端部が下方に移動させられる。これにより、図６（ｂ）に示すように、第３変形部４７及び第４変形部４８は、第１及び第２固定部４１、４２に連結されている端部を除き、全体的に下方に移動する。すなわち、第３計測部位Ａ３及び第４計測部位Ａ４は、共に下方に移動する。
【００７７】
このような移動は、図５においては、各計測部位Ａ１〜Ａ４の位置に、丸で囲んだ「＋」または「−」の記号を付して表されている。すなわち、黒点を丸で囲んだ記号が付された計測部位は、変形部の弾性変形によってＺ軸正方向に変位し、×印を丸で囲んだ記号が付された計測部位は、変形部の弾性変形によってＺ軸負方向に変位する。このことは、図７、図９及び図１１においても同様である。
【００７８】
結局、基本構造１の受力体２０に対してＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、第１及び第２計測部位Ａ１、Ａ２と固定体１０（図３参照）の上面との離間距離は、共に増大し、第３及び第４計測部位Ａ３、Ａ４と固定体１０の上面との離間距離は、共に減少する。
【００７９】
図示されていないが、基本構造１の受力体２０にＸ軸負まわりのモーメント−Ｍｘが作用した場合には、各計測部位Ａ１〜Ａ４の移動方向は、上述した方向とは逆になる。すなわち、Ｘ軸負まわりのモーメント−Ｍｘの作用によって、第１及び第２計測部位Ａ１、Ａ２と固定体１０（図２参照）の上面との離間距離は、共に減少し、第３及び第４計測部位Ａ３、Ａ４と固定体１０の上面との離間距離は、共に増大する。
【００８０】
（１−２−２．  基本構造１にＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合）
図７は、図１の基本構造１に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときに、各変形部４５〜４８に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。また、図８は、図７の概略断面図である。図８（ａ）は、図７の［８ａ］−［８ａ］線断面図であり、図８（ｂ）は、図７の［８ｂ］−［８ｂ］線断面図である。
【００８１】
図７及び図８に示すように、受力体２０（図１及び図３参照）を介して基本構造１に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、変形体４０の第１及び第２受力部４３、４４のＸ軸負側の領域にはＺ軸正方向の力が作用し、第１及び第２受力部４３、４４のＸ軸正側の領域にはＺ軸負方向の力が作用する。
【００８２】
このとき、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、第１〜第４変形部４５〜４８には次のような弾性変形が生じる。すなわち、第１受力部４３のＸ軸正側（図８（ａ）における右側）に作用するＺ軸負方向の力によって当該Ｘ軸正側の領域が下方に移動するため、第１変形部４５のうち第１受力部４３に連結されている端部が下方に移動させられる。これにより、図８（ａ）に示すように、第１変形部４５は、第１固定部４１に連結されている端部を除き、全体的に下方に移動する。すなわち、第１計測部位Ａ１は、下方に移動する。他方、第１受力部４３のＸ軸負側（図８（ａ）における左側）に作用するＺ軸正方向の力によって当該Ｘ軸負側の領域が上方に移動するため、第２変形部４６のうち第１受力部４３に連結されている端部が上方に移動する。これにより、図８（ａ）に示すように、第２変形部４６は、第２固定部４２に連結されている端部を除き、全体的に上方に移動する。すなわち、第２計測部位Ａ２は、上方に移動する。
【００８３】
また、図８（ｂ）に示すように、第２受力部４４のＸ軸負側（図８（ｂ）における右側）に作用するＺ軸正方向の力によって当該Ｘ軸負側の領域が上方に移動するため、第３変形部４７のうち第２受力部４４に連結されている端部が上方に移動させられる。これにより、図８（ｂ）に示すように、第３変形部４７は、第２固定部４２に連結されている端部を除き、全体的に上方に移動する。すなわち、第３計測部位Ａ３は、上方に移動する。
【００８４】
他方、図８（ｂ）に示すように、第２受力部４４のＸ軸正側（図８（ｂ）における左側）に作用するＺ軸負方向の力によって当該Ｘ軸正側の領域が下方に移動するため、第４変形部４８のうち第２受力部４４に連結されている端部が下方に移動させられる。これにより、図８（ｂ）に示すように、第４変形部４８は、第１固定部４１に連結されている端部を除き、全体的に下方に移動する。すなわち、第４計測部位Ａ４は、下方に移動する。
【００８５】
結局、基本構造１の受力体２０に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、第１及び第４計測部位Ａ１、Ａ４と固定体１０（図３参照）の上面との離間距離は、共に減少し、第２及び第３計測部位Ａ２、Ａ３と固定体１０の上面との離間距離は、共に増大する。
【００８６】
図示されていないが、基本構造１の受力体２０にＹ軸負まわりのモーメント−Ｍｙが作用した場合には、各計測部位Ａ１〜Ａ４の移動方向は、上述した方向とは逆になる。すなわち、Ｙ軸負まわりのモーメント−Ｍｙの作用によって、第１及び第４計測部位Ａ１、Ａ４と固定体１０（図３参照）の上面との離間距離は、共に増大し、第２及び第３計測部位Ａ２、Ａ３と固定体１０の上面との離間距離は、共に減少する。
【００８７】
（１−２−３．  基本構造１にＺ軸まわりのモーメントＭｚが作用した場合）
図９は、図１の基本構造１に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときに、各変形部４５〜４８に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。また、図１０は、図９の概略断面図である。図１０（ａ）は、図９の［１０ａ］−［１０ａ］線断面図であり、図１０（ｂ）は、図９の［１０ｂ］−［１０ｂ］線断面図である。
【００８８】
図９に示すように、受力体２０（図１及び図３参照）を介して基本構造１に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、変形体４０の第１受力部４３に対してＸ軸負方向（図９における左方向）の力が作用し、第２受力部４４に対してＸ軸正方向（図９における右方向）の力が作用する。
【００８９】
このとき、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、第１〜第４変形部４５〜４８には次のような弾性変形が生じる。すなわち、第１受力部４３に作用するＸ軸負方向の力によって当該第１受力部４３がＸ軸負方向に移動するため、第１変形部４５には、Ｘ軸方向に沿った引張力が作用する。これにより、第１主湾曲部４５ｐは、その両端部のＺ座標値を維持したまま曲率半径が大きくなるように弾性変形する。すなわち、第１計測部位Ａ１は、上方に移動する。他方、第１受力部４３がＸ軸負方向に移動することにより、第２変形部４６には、Ｘ軸方向に沿った圧縮力が作用する。これにより、第２主湾曲部４６ｐは、その両端部のＺ座標値を維持したまま曲率半径が小さくなるように弾性変形する。すなわち、第２計測部位Ａ２は、下方に移動する。
【００９０】
また第２受力部４４に作用するＸ軸正方向の力によって当該第２受力部４４がＸ軸正方向に移動するため、第３変形部４７には、Ｘ軸方向に沿った引張力が作用する。これにより、第３主湾曲部４７ｐは、その両端部のＺ座標値を維持したまま曲率半径が大きくなるように弾性変形する。すなわち、第３計測部位Ａ３は、上方に移動する。他方、第２受力部４４がＸ軸正方向に移動することにより、第４変形部４８には、Ｘ軸方向に沿った圧縮力が作用する。これにより、第４主湾曲部４８ｐは、その両端部のＺ座標値を維持したまま曲率半径が小さくなるように弾性変形する。すなわち、第４計測部位Ａ４は、下方に移動する。
【００９１】
結局、基本構造１の受力体２０に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、第１及び第３計測部位Ａ１、Ａ３と固定体１０の上面との離間距離は、共に増大し、第２及び第４計測部位Ａ２、Ａ４と固定体１０（図２参照）の上面との離間距離は、共に減少する。
【００９２】
図示されていないが、基本構造１の受力体２０にＺ軸負まわりのモーメント−Ｍｚが作用した場合には、各計測部位Ａ１〜Ａ４の移動方向は、上述した方向とは逆になる。すなわち、Ｚ軸負まわりのモーメント−Ｍｚの作用によって、第１及び第３計測部位Ａ１、Ａ３と固定体１０の上面との離間距離は、共に減少し、第２及び第４計測部位Ａ２、Ａ４と固定体１０（図２参照）の上面との離間距離は、共に増大する。
【００９３】
（１−２−４．  基本構造１にＺ方向の力Ｆｚが作用した場合）
次に、図１１は、図１の基本構造１に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、各変形部４５〜４８に生じる弾性変形を説明するための概略平面図である。また、図１２は、図１１の概略断面図である。図１２（ａ）は、図１１の［１２ａ］−［１２ａ］線断面図であり、図１２（ｂ）は、図１１の［１２ｂ］−［１２ｂ］線断面図である。
【００９４】
図１１及び図１２に示すように、受力体２０（図１及び図３参照）を介して基本構造１に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、変形体４０の第１及び第２受力部４３、４４にはＺ軸正方向の力が作用する。
【００９５】
このとき、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、第１〜第４各変形部４５〜４８には次のような弾性変形が生じる。すなわち、第１及び第２受力部４３、４４に作用するＺ軸正方向の力によって各受力部４３、４４が上方に移動するため、各変形部４５〜４８のうち第１及び第２受力部４３、４４に連結されている各端部が上方に移動させられる。これにより、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、各計測部位Ａ１〜Ａ４は、上方に移動する。
【００９６】
結局、基本構造１の受力体２０に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、第１〜第４計測部位Ａ１〜Ａ４と固定体１０（図２参照）の上面との離間距離は、全て増大する。
【００９７】
図示されていないが、基本構造１の受力体２０にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合には、各計測部位Ａ１〜Ａ４の移動方向は、上述した方向とは逆になる。すなわち、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚの作用によって、第１〜第４計測部位Ａ１〜Ａ４と固定体１０（図２参照）の上面との離間距離は、全て減少する。
【００９８】
＜  １−３．  容量素子型の力覚センサ  ＞
（１−３−１．  力覚センサの構成）
§１−１．及び§１−２．において詳述した基本構造１は、容量素子型の力覚センサ１ｃとして好適に使用することができる。ここでは、このような力覚センサ１ｃについて、以下詳細に説明する。
【００９９】
図１３は、図１の基本構造１を利用した力覚センサ１ｃを示す概略平面図であり、図１４は、図１３の［１４］−［１４］線断面図である。なお、図１４では、変形体４０を明確に図示するため、受力体２０の図示を省略してある。
【０１００】
図１３及び図１４に示すように、力覚センサ１ｃは、図１の基本構造１の計測部位Ａ１〜Ａ４に、各１つの容量素子Ｃ１〜Ｃ４が配置されることにより、構成されている。具体的には、図１４に示すように、力覚センサ１ｃは、第１計測部位Ａ１に配置された第１変位電極Ｅｍ１と、第１変位電極Ｅｍ１に対向して配置され、固定体１０に対して相対移動しない第１固定電極Ｅｆ１と、を有している。これらの電極Ｅｍ１、Ｅｆ１は、第１容量素子Ｃ１を構成している。更に、図１４に示すように、力覚センサ１ｃは、第２計測部位Ａ２に配置された第２変位電極Ｅｍ２と、第２変位電極Ｅｍ２に対向して配置され、固定体１０に対して相対移動しない第２固定電極Ｅｆ２と、を有している。これらの電極Ｅｍ２、Ｅｆ２は、第２容量素子Ｃ２を構成している。
【０１０１】
図示されていないが、力覚センサ１ｃは、第３計測部位Ａ３に配置された第３変位電極Ｅｍ３と、第３変位電極Ｅｍ３に対向して配置され、固定体１０に対して相対移動しない第３固定電極Ｅｆ３と、第４計測部位Ａ４に配置された第４変位電極Ｅｍ４と、第４変位電極Ｅｍ４に対向して配置され、固定体１０に対して相対移動しない第４固定電極Ｅｆ４と、を有している。電極Ｅｍ３及び電極Ｅｆ３は、第３容量素子Ｃ３を構成しており、電極Ｅｍ４及び電極Ｅｆ４は、第４容量素子Ｃ４を構成している。
【０１０２】
具体的には、図１４に示すように、各変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４は、対応する計測部位Ａ１〜Ａ４に支持された第１〜第４変形体側支持体６１〜６４の下面に、第１〜第４変位基板Ｉｍ１〜Ｉｍ４を介して支持されている。更に、各固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４は、固定体１０の上面に固定された第１〜第４固定体側支持体７１〜７４の上面に、第１〜第４固定基板Ｉｆ１〜Ｉｆ４を介して支持されている。各変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４は、全て同一の面積であり、各固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４も、全て同一の面積である。但し、力及び／またはモーメントの作用によって各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の実効対向面積が一定の値を維持するようにするための工夫として、変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ４の電極面積は、固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４の電極面積よりも大きく構成されている。この点については、後に詳述される。初期状態において、容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する各組の電極の実効対向面積及び離間距離は、全て同一である。
【０１０３】
更に、図１３及び図１４に示すように、力覚センサ１ｃは、変形体４０の各変形部４５〜４８に生じる弾性変形に基づいて、受力体２０に作用した力及びモーメントを示す電気信号を出力する検出回路５０を有している。図１３及び図１４では、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４と検出回路５０とを電気的に接続する配線は、図示が省略されている。
【０１０４】
なお、固定体１０、受力体２０及び変形体４０が金属などの導電材料で構成されている場合、各電極がショートしないように、第１〜第４変位基板Ｉｍ１〜Ｉｍ４及び第１〜第４固定基板Ｉｆ１〜Ｉｆ４は、絶縁体で構成される必要がある。
【０１０５】
（１−３−２．  力覚センサ１ｃにＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動について）
次に、図１４は、図１３の力覚センサ１ｃに対して、力及びモーメントが作用した時に各容量素子Ｃ１〜Ｃ４に生じる静電容量値の変動を示す図表である。
【０１０６】
まず、本実施の形態による力覚センサ１ｃに対して、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、§１−２−１にて説明した各計測部位Ａ１〜Ａ４の挙動から理解されるように、第１容量素子Ｃ１及び第２容量素子Ｃ２を構成する電極間の離間距離が、共に増大する。このため、第１容量素子Ｃ１及び第２容量素子Ｃ２の静電容量値は、共に減少する。他方、第３容量素子Ｃ３及び第４容量素子Ｃ４を構成する電極間の離間距離は、共に減少する。このため、第３容量素子Ｃ３及び第４容量素子Ｃ４の静電容量値は、共に増大する。各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、図１５の「Ｍｘ」の欄に纏めて示されている。この図表において、「＋」は、静電容量値が増大することを示しており、「−」は、静電容量値が減少することを示している。なお、力覚センサ１ｃにＸ軸負まわりのモーメント−Ｍｘが作用すると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、上述した変動とは逆になる（図１５のＭｘの欄に示す符号が全て逆になる）。
【０１０７】
（１−３−３．  力覚センサ１ｃにＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動について）
次に、本実施の形態による力覚センサ１ｃに対して、Ｙ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、§１−２−２にて説明した各計測部位Ａ１〜Ａ４の挙動から理解されるように、第１容量素子Ｃ１及び第４容量素子Ｃ４を構成する電極間の離間距離が、共に減少する。このため、第１容量素子Ｃ１及び第４容量素子Ｃ４の静電容量値は、共に増大する。他方、第２容量素子Ｃ２及び第３容量素子Ｃ３を構成する電極間の離間距離は、共に増大する。このため、第２容量素子Ｃ２及び第３容量素子Ｃ３の静電容量値は、共に減少する。各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、図１５の「Ｍｙ」の欄に纏めて示されている。なお、力覚センサ１ｃにＹ軸負まわりのモーメント−Ｍｙが作用すると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、上述した変動とは逆になる（図１５のＭｙの欄に示す符号が全て逆になる）。
【０１０８】
（１−３−４．  力覚センサ１ｃにＺ軸まわりのモーメントＭｚが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動について）
次に、本実施の形態による力覚センサ１ｃに対して、Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、§１−２−３にて説明した各計測部位Ａ１〜Ａ４の挙動から理解されるように、第１容量素子Ｃ１及び第３容量素子Ｃ３を構成する電極間の離間距離は、共に増大する。このため、第１容量素子Ｃ１及び第３容量素子Ｃ３の静電容量値は、共に減少する。他方、第２容量素子Ｃ２及び第４容量素子Ｃ４を構成する電極間の離間距離は、共に減少する。このため、第２容量素子Ｃ２及び第４容量素子Ｃ４の静電容量値は、共に増大する。各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、図１５の「Ｍｚ」の欄に纏めて示されている。なお、力覚センサ１ｃにＺ軸負まわりのモーメント−Ｍｚが作用すると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、上述した変動とは逆になる（図１５のＭｚの欄に示す符号が全て逆になる）。
【０１０９】
（１−３−５．  力覚センサ１ｃにＺ軸方向の力Ｆｚが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動について）
次に、本実施の形態による力覚センサ１ｃに対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、§１−２−４にて説明した各計測部位Ａ１〜Ａ４の挙動から理解されるように、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する電極間の離間距離は、全て増大する。このため、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値は、全て減少する。各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、図１５の「Ｆｚ」の欄に纏めて示されている。なお、力覚センサ１ｃにＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動は、上述した変動とは逆になる（図１５のＦｚの欄に示す符号が全て逆になる）。
【０１１０】
（１−３−６．  作用した力及びモーメントの算出方法）
以上のような容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動に鑑み、検出回路５０は、次の［式１］を用いて力覚センサ１ｃに作用したモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚ及び力Ｆｚを算出する。［式１］において、Ｃ１〜Ｃ４は、第１〜第４容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動量を示している。  
［式１］
Ｍｘ＝−Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４
Ｍｙ＝Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４
Ｍｚ＝−Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４
Ｆｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）
【０１１１】
なお、力覚センサ１ｃに作用した力及びモーメントが負方向である場合には、左辺のＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚ及びＦｚを−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚ及び−Ｆｚにすれば良い。但し、この場合、右辺のＣ１〜Ｃ４の符号も逆になるため、結局、作用した力及びモーメントの正負によらず、［式１］により作用した力及びモーメントが計測される。
【０１１２】
以上のような本実施の形態による力覚センサ１ｃによれば、主湾曲部４５ｐ〜４８ｐとこれに隣接する固定部４１、４２及び受力部４３、４４との間に固定部側湾曲部４５ｆ〜４８ｆ及び受力部側湾曲部４５ｍ〜４８ｍがそれぞれ介在することにより、主湾曲部４５ｐ〜４８ｐとこれに隣接する固定部４１、４２及び受力部４３、４４との接続部分への応力集中を回避することができる。このため、本実施の形態によれば、高い信頼性を備えた静電容量タイプの力覚センサ１ｃが提供され得る。
【０１１３】
また、力覚センサ１ｃは、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体１０と、力及び／またはモーメントの作用によって、固定部４１、４２に対して相対移動する受力体２０と、を更に備えており、変形体４０の固定部４１、４２は、固定体１０に接続され、変形体４０の受力部４３、４４は、受力体２０に接続されている。このため、変形体４０に対して力及びモーメントを作用させることが容易である。
【０１１４】
また、固定体１０及び受力体２０には、Ｚ軸が挿通する貫通孔がそれぞれ形成されているため、力覚センサ１ｃを軽量化することができると共に、当該力覚センサ１ｃの設置の自由度を高めることもできる。
【０１１５】
本実施の形態による力覚センサ１ｃでは、ＸＹ平面上に原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４が、Ｚ軸方向から見てＶ軸及びＷ軸に重なる４つの部位に１つずつ配置されている。したがって、容量素子Ｃ１〜Ｃ４がＸ軸及びＹ軸に関して対称的に配置されているため、高い対称性をもって各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値が変動することになる。このため、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及びモーメントを極めて容易に計測することができる。
【０１１６】
以上の説明においては、４つの容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、個別の固定基板Ｉｆ１〜Ｉｆ４及び個別の固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ４を有していた。しかしながら、他の実施の形態においては、固定基板を４つの容量素子で共通となるように構成し、その固定基板上に個別の固定電極を設けても良い。あるいは、固定基板及び固定電極を４つの容量素子で共通となるように構成しても良い。これらのような構成によっても、前述した力覚センサ１ｃと同様にして、力及びモーメントを計測することができる。なお、これらの構成は、後述される各実施の形態でも成り立つ。
【０１１７】
また、力覚センサ１ｃは、変形体４０の断面形状が変更されることにより、作用する力及びモーメントに対する感度が変化する。具体的には、次の通りである。すなわち、本実施の形態では、変形体４０の径方向の断面形状が正方形であった（図３参照）が、この断面形状を、Ｚ軸方向に長い縦長の長方形にすると、Ｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ及びＺ軸方向の力Ｆｚに対する感度が、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚに対する感度よりも相対的に低くなる。その一方、変形体４０の断面形状を、当該変形体４０の径方向に長い横長の長方形にすると、先の場合とは逆に、Ｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ及びＺ軸方向の力Ｆｚに対する感度が、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚに対する感度よりも相対的に高くなる。
【０１１８】
あるいは、力覚センサ１ｃは、主湾曲部４５ｐ〜４８ｐの曲率半径（湾曲の度合い）が変更されることによっても、作用する力及びモーメントに対する感度が変化する。具体的には、主湾曲部４５ｐ〜４８ｐの曲率半径を小さくすると（湾曲の度合いを大きくすると）、作用する力及びモーメントに対する感度が高くなる。その一方、主湾曲部４５ｐ〜４８ｐの曲率半径を大きくすると（湾曲の度合いを小さくすると）、作用する力及びモーメントに対する感度が低くなる。
【０１１９】
以上のような変形体４０の断面形状及び主湾曲部４５ｐ〜４８ｐの曲率半径と、力及びモーメントに対する感度と、の関係を考慮することにより、力覚センサ１ｃの感度を使用環境に対して最適化することができる。もちろん、以上の説明は、後述される各実施の形態でも成り立つ。
【０１２０】
＜＜＜  §２．  本発明の第２の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
次に、本発明の第２の実施の形態による力覚センサ２０１ｃについて説明する。
【０１２１】
図１６は、本発明の第２の実施の形態による力覚センサ２０１ｃの基本構造２０１を示す概略平面図であり、図１７は、図１６の［１７］−［１７］線断面図である。
【０１２２】
図１６及び１７に示すように、基本構造２０１は、固定体２１０及び受力体２２０の構造が第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの基本構造１とは異なっている。具体的には、基本構造２０１の固定体２１０及び受力体２２０は、共に円環（円筒）の形状を有している。そして、図１６及び図１７に示すように、Ｚ軸方向から見て、固定体２１０は変形体４０の内側に配置されており、受力体２２０は、変形体４０の外側に配置されている。固定体２１０、受力体２２０及び変形体４０は、それらの中心軸線がいずれもＺ軸と重なっており、互いに同心となっている。もちろん、固定体２１０が変形体４０の外側に配置され、受力体２２０が、変形体４０の内側に配置されていても良い。
【０１２３】
図１７に示すように、受力体２２０は、Ｚ軸負方向（下方）を向いた受力体表面２２０ａを有している。また、固定体２１０は、Ｚ軸負方向（下方）を向いた固定体表面２１０ａを有している。受力体表面２２０ａ及び固定体表面２１０ａは、共にＸＹ平面と平行な面である。更に、変形体４０は、受力体表面２２０ａと同じ下方を向いた変形体表面４０ａを有している。本実施の形態では、図１７に示すように、受力体表面２２０ａＺ座標と、固定体表面２１０ａのＺ座標と、変形体表面４０ａのＺ座標と、が互いに異なっている。より具体的には、固定体表面２１０ａのＺ座標は、変形体表面４０ａのＺ座標よりも小さく、変形体表面４０ａのＺ座標は、受力体表面２２０ａのＺ座標よりも小さい。ここで、変形体表面４０ａのＺ座標とは、変形体表面４０ａのうちＺ座標の絶対値が最も大きい座標をいうものとする。したがって、本実施の形態の変形体表面４０ａのＺ座標は、計測部位Ａ１〜Ａ４のＺ座標ということになる。なお、他の実施の形態では、受力体表面２２０ａＺの座標と、固定体表面２１０ａのＺ座標と、のうちの一方のみが、変形体表面４０ａのＺ座標と異なっていても良い。
【０１２４】
以上のような固定体２１０、受力体２２０及び変形体４０の配置に伴って、第１〜第４接続部材２３１〜２３４の配置も、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃとは異なっている。すなわち、図１６及び図１７に示すように、第１接続部材２３１は、正のＸ軸上にて、固定体２１０の外側面（Ｘ軸正方向に面する側面）と変形体４０の内側面（Ｘ軸負方向に面する側面）とを接続している。他方、第２接続部材２３２は、負のＸ軸上にて、固定体２１０の外側面（Ｘ軸負方向に面する側面）と変形体４０の内側面（Ｘ軸正方向に面する側面）とを接続している。更に、図１６に示すように、正のＹ軸上において、受力体２２０の内側面（Ｙ軸負方向に面する側面）と変形体４０の外側面（Ｙ軸正方向に面する側面）とが第３接続部材２３３によって接続されており、負のＹ軸上において、受力体２２０の内側面（Ｙ軸正方向に面する側面）と変形体４０の外側面（Ｙ軸負方向に面する側面）とが第４接続部材２３４によって接続されている。その他の構成は第１の実施の形態による力覚センサ１ｃの基本構造１と同様である。このため、図面において、対応する構成要素には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０１２５】
図示されていないが、以上のような基本構造２０１に対して、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃと同様の配置にて４つの容量素子が配置されることにより、力覚センサ２０１ｃが構成される。なお、図１７には、固定電極を配置するための部材が示されていないが、力覚センサ２０１ｃが取り付けられる部位に適宜固定電極を配置しても良いし、あるいは固定体２１０に付加的な部材を固定し、この部材に固定電極を配置しても良い。
【０１２６】
以上のような力覚センサ２０１ｃは、例えばロボットの関節など、互いに相対移動する第１部材及び第２部材から構成される機構部に好適に設置され得る。すなわち、第１部材に固定体２１０を連結し、第２部材に受力体２２０を連結すれば、限られたスペースに、他の部材と干渉しないような態様で、力覚センサ２０１ｃを配置することができる。
【０１２７】
なお、力覚センサ２０１ｃに作用した力及びモーメントを計測するための方法は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃと同様であるため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０１２８】
以上のような基本構造２０１は、受力体２２０、変形体４０及び固定体２１０が同心円状に、且つ、ＸＹ平面に沿って、配置されている。このため、基本構造２０１、２０２の各構成要素を切削加工によって一体的に成形することができる。このような加工により、ヒステリシスの無い力覚センサ２０１ｃを提供することができる。
【０１２９】
＜＜＜  §３．  §１及び§２の変形例  ＞＞＞
次に、図１８及び図１９を参照して、以上の各実施の形態による力覚センサ１ｃ、２０１ｃに適用可能な変形体６４０の変形例について説明する。
【０１３０】
図２に示す環状変形体４０は、内周の輪郭および外周の輪郭がともに円形をなすドーナツ状の構造体であるが、本発明に用いる環状変形体は、必ずしも円形である必要はなく、楕円状、矩形状、三角形状など、任意形状の構造体であってもかまわない。要するに、閉ループ状の経路に沿った構造体であれば、どのような形状の環状変形体を用いてもかまわない。
【０１３１】
図１８は、矩形の変形体６４０を示す概略平面図である。また、図１９は、図１８の概略断面図であり、図１９（ａ）は、図１８の［１９ａ］−［１９ａ］線断面図であり、図１９（ｂ）は、図１８の［１９ｂ］−［１９ｂ］線断面図である。
【０１３２】
本変形例による変形体６４０は、全体として矩形の形状を有している。ここでは、図１８に示すように、正方形の変形体６４０を例に挙げて説明する。変形体６４０は、正のＸ軸上に位置する第１固定部６４１と、負のＸ軸上に位置する第２固定部６４２と、正のＹ軸上に位置する第１受力部６４３と、負のＹ軸上に位置する第２受力部６４４と、を有している。各固定部６４１、６４２及び各受力部６４３、６４４は、変形体６４０のうち固定体１０及び受力体２０が接続される領域であって、変形体６４０の他の領域と異なる特性を有する部位ではない。したがって、各固定部６４１、６４２及び各受力部６４３、６４４の材質は、変形体６４０の他の領域と同一である。
【０１３３】
図１８に示すように、変形体６４０は、更に、第１固定部６４１と第１受力部６４３との間（ＸＹ平面の第１象限）に位置する第１変形部６４５と、第１受力部６４３と第２固定部６４２との間（ＸＹ平面の第２象限）に位置する第２変形部６４６と、第２固定部６４２と第２受力部６４４との間（ＸＹ平面の第３象限）に位置する第３変形部６４７と、第２受力部６４４と第１固定部６４１との間（ＸＹ平面の第４象限）に位置する第４変形部６４８と、を有している。各変形部６４５〜６４８の両端は、隣接する固定部６４１、６４２及び受力部６４３、６４４にそれぞれ一体的に連結されている。このような構造によって、受力部４３，４４に作用した力及びモーメントが確実に各変形部６４５〜６４８に伝達され、これによって、当該作用した力及びモーメントに応じた弾性変形が各変形部６４５〜６４８に生じるようになっている。
【０１３４】
図１９に示すように、第１〜第４変形部６４５〜６４８は、Ｚ軸方向から見て全て直線状に構成されている。また、原点Ｏから各固定部６４１、６４２及び各受力部６４３、６４４までの距離は全て等しいため、各変形部６４５〜６４８は、それぞれ、正方形の一辺を構成するように配置されている。
【０１３５】
更に、図１９（ａ）及び図１９（ｂ）に示すように、変形体６４０の各変形部６４５〜６４８は、§１で説明した各変形部４５〜４８と同様の構造を有している。但し、本変形例の変形体６４０では、各変形部６４５〜６４８は、Ｚ軸方向から見て円弧状ではなく直線状に構成されている。本変形例でも、第１変形部６４５が正のＶ軸に関して対称的に構成されているため、第１主湾曲部６４５ｐの最も下方（Ｚ軸負方向）に位置する部位は、正のＶ軸上に存在している。
【０１３６】
このような構成は、残りの３つの変形部６４６、６４７、６４８においても採用されている。すなわち、第２変形部６４６は、第２主湾曲部６４６ｐの最も下方に位置する部位が正のＷ軸上に存在しており、且つ、正のＷ軸に関して対称的な形状を有している。第３変形部６４７は、第３主湾曲部６４７ｐの最も下方に位置する部位が負のＶ軸上に存在しており、且つ、負のＶ軸に関して対称的な形状を有している。第４変形部６４８は、第４主湾曲部６４８ｐの最も下方に位置する部位が負のＷ軸上に存在しており、且つ、負のＶ軸に関して対称的な形状を有している。
【０１３７】
図１９（ａ）及び図１９（ｂ）に示すように、変形体６４０には、第１〜第４主湾曲部６４５ｐ〜６４８ｐの最も下方に位置する部位に、すなわちＺ軸方向から見て各主湾曲部６４５ｐ〜６４８ｐがＶ軸及びＷ軸と重なる部位の下部に、各変形部６４５〜６４８に生じる弾性変形を検出するための計測部位Ａ１〜Ａ４が規定されている。なお、図１８では、計測部位Ａ１〜Ａ４が変形体６４０の上面（手前側の面）に設けられているように示されているが、実際は、変形体６４０の下面（奥側の面）に設けられている（図１９参照）。
【０１３８】
結局、変形体６４０は、§１及び§２で説明した力覚センサ１ｃ、２０１ｃの環状の変形体４０を、各変形部の構造を実質的に維持したまま全体形状のみを矩形に変更したものと言える。したがって、力覚センサ１ｃ、２０１ｃの環状の変形体４０を上述した変形体６４０に置換しても、当該力覚センサ１ｃ、２０１ｃと同様の作用効果を得ることができる。
【０１３９】
＜＜＜  §４．  本発明の第３の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
次に、本発明の第３の実施の形態による力覚センサについて詳細に説明する。
【０１４０】
＜  ４−１．基本構造の構成  ＞
図２０は、本発明に利用可能な正方形状の矩形変形体３４０の平面図である。また、図２１（ａ）は、図２０の［２１ａ］−［２１ａ］線断面図であり、図２１（ｂ）は、図２０の［２１ｂ］−［２１ｂ］線断面図であり、図２１（ｃ）は、図２０の［２１ｃ］−［２１ｃ］線断面図であり、図２１（ｄ）は、図２０の［２１ｄ］−［２１ｄ］線断面図である。本実施の形態の矩形変形体３４０は、内周の輪郭および外周の輪郭がともに正方形をなす構造体であり、Ｚ軸方向から見て、原点Ｏを中心とし各辺がＸ軸またはＹ軸に平行に配置されている。矩形変形体３４０は、正方形の閉ループ状の経路に沿って、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された４つの固定部３４１ａ〜３４１ｄと、矩形変形体３４０の閉ループ状の経路において固定部３４１ａ〜３４１ｄと交互に位置付けられ、力及びモーメントの作用を受ける、４つの受力部３４３ａ〜３４３ｄと、閉ループ状の経路において隣接する固定部３４１ａ〜３４１ｄと受力部３４３ａ〜３４３ｄとの間に１つずつ位置付けられた合計８つの変形部３４５Ａ〜３４５Ｈと、を有している。
【０１４１】
具体的には、図２０に示すように、矩形変形体３４０は、第２象限に配置された第１固定部３４１ａ、第１象限に配置された第２固定部３４１ｂ、第４象限に配置された第３固定部３４１ｃ及び第３象限に配置された第４固定部３４１ｄを有している。ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、第２及び第４固定部３４１ｂ、３４１ｄはＶ軸上に、第１及び第３固定部３４１ａ、３４１ｃはＷ軸上に、それぞれ原点Ｏに関して対称的に配置されている。そして、第１受力部３４３ａは、第１固定部３４１ａと第４固定部３４１ｄとの中間地点において負のＸ軸上に配置されている。更に、第２受力部３４３ｂは、第１固定部３４１ａと第２固定部３４１ｂとの中間地点において正のＹ軸上に配置されており、第３受力部３４３ｃは、第２固定部３４１ｂと第３固定部３４１ｃとの中間地点において正のＸ軸上に配置されており、第４受力部３４３ｄは、第３固定部３４１ｃと第４固定部３４１ｄとの中間地点において負のＹ軸上に配置されている。
【０１４２】
そして、第１変形部３４５Ａが第１受力部３４３ａと第１固定部３４１ａとの間にＹ軸と平行に配置されており、第２変形部３４５Ｂが第１固定部３４１ａと第２受力部３４３ｂとの間にＸ軸と平行に配置されており、第３変形部３４５Ｃが第２受力部３４３ｂと第２固定部３４１ｂとの間にＸ軸と平行に配置されており、第４変形部３４５Ｄが第２固定部３４１ｂと第３受力部３４３ｃとの間にＹ軸と平行に配置されており、第５変形部３４５Ｅが第３受力部３４３ｃと第３固定部３４１ｃとの間にＹ軸と平行に配置されており、第６変形部３４５Ｆが第３固定部３４１ｃと第４受力部３４３ｄとの間にＸ軸と平行に配置されており、第７変形部３４５Ｇが第４受力部３４３ｄと第４固定部３４１ｄとの間にＸ軸と平行に配置されており、第８変形部３４５Ｈが第４固定部３４１ｄと第１受力部３４３ａとの間にＹ軸と平行に配置されている。各変形部３４５Ａ〜３４５Ｈの具体的な構造は、第１の実施の形態の各変形部４５〜４８と同様の湾曲構造を有している（図２１参照）。
【０１４３】
図２２は、図２０の矩形変形体３４０を採用した、本実施の形態による力覚センサの基本構造３０１を示す概略断面図である。図２２に示すように、基本構造３０１は、図２０及び図２１を参照して説明した矩形変形体３４０と、この矩形変形体３４０に対してＺ軸負側に配置され、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体３１０と、矩形変形体３４０に対してＺ軸正側に配置され、作用する力及びモーメントを受ける受力体３２０と、を備えている。固定体３１０と矩形変形体３４０とは、当該矩形変形体３４０の４つの固定部３４１ａ〜３４１ｄにおいて４つの固定部側接続部材３３１ａ〜３３１ｄによって接続されている。すなわち、第１固定部側接続部材３３１ａは矩形変形体３４０の第１固定部３４１ａと固定体３１０とを接続しており、第２固定部側接続部材３３１ｂは矩形変形体３４０の第２固定部３４１ｂと固定体３１０とを接続しており、第３固定部側接続部材３３１ｃは矩形変形体３４０の第３固定部３４１ｃと固定体３１０とを接続しており、第４固定部側接続部材３３１ｄは矩形変形体３４０の第４固定部３４１ｄと固定体３１０とを接続している。
【０１４４】
また、受力体３２０と矩形変形体３４０とは、当該矩形変形体３４０の４つの受力部３４３ａ〜３４３ｄにおいて４つの受力部側接続部材３３２ａ〜３３２ｄによって接続されている。すなわち、第１受力部側接続部材３３２ａは矩形変形体３４０の第１受力部３４３ａと受力体３２０とを接続しており、第２受力部側接続部材３３２ｂは矩形変形体３４０の第２受力部３４３ｂと受力体３２０とを接続しており、第３受力部側接続部材３３２ｃは矩形変形体３４０の第３受力部３４３ｃと受力体３２０とを接続しており、第４受力部側接続部材３３２ｄは矩形変形体３４０の第４受力部３４３ｄと受力体３２０とを接続している。以上のような構成によって、受力体３２０に作用した力及びモーメントが確実に矩形変形体３４０に伝達されるようになっている。なお、図２２では、本実施の形態の基本構造３０１について、図２１（ａ）に対応する断面図のみが示されており、図２１（ｃ）〜図２１（ｄ）に対応する断面図は、図２２と略同様であるため、図示が省略されている。
【０１４５】
＜  ４−２．  基本構造の作用  ＞
次に、この基本構造３０１の作用について説明する。
【０１４６】
（４−２−１．Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合）
図２３は、受力体２３０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときに、図２０に示す矩形変形体３４０の各検出点Ａ１〜Ａ８に生じる変位を説明するための図である。図中の矢印等の記号の意味は、§１で説明した通りである。
【０１４７】
受力体３２０を介して受力部３４１ａ〜３４１ｄにＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用することにより、各受力部３４１ａ〜３４１ｄはＸ軸正方向へ変位する。この結果、第３変形部３４５Ｃ及び第６変形部３４５Ｆは、圧縮力の作用を受ける。この場合、前述した１−２．から理解されるように、第３変形部３４５Ｃ及び第６変形部３４５Ｆは各湾曲部３４５Ｃｐ、３４５Ｆｐの曲率半径が小さくなるように弾性変形する。このため、各検出点Ａ３、Ａ６は共にＺ軸負方向に変位する。一方、図２３に示すように、第２変形部３４５Ｂ及び第７変形部３４５Ｇは、引張力の作用を受ける。この場合、前述した１−２．から理解されるように、第２変形部３４５Ｂ及び第７変形部３４５Ｇは各湾曲部３４５Ｂｐ、３４５Ｇｐの曲率半径が大きくなるように弾性変形する。このため、各検出点Ａ２、Ａ７は共にＺ軸正方向に変位する。
【０１４８】
また、Ｘ軸上に位置する２つの受力部３４３ａ、３４３ｃは、第１、第４、第５、第８変形部３４５Ａ、３４５Ｄ、３４５Ｅ、３４５Ｈの整列方向（Ｙ軸方向）に対して直交する方向（Ｘ軸方向）に移動する。このため、これら４つの変形部３４５Ａ、３４５Ｄ、３４５Ｅ、３４５Ｈでは、対応する検出点Ａ１、Ａ４、Ａ５、Ａ８にＺ軸方向への変位がほとんど生じない。
【０１４９】
なお、基本構造３０１の受力部３４１ａ〜３４１ｄにＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの当該基本構造３０１の作用は、上述した、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの基本構造３０１の作用を、原点Ｏを中心として反時計回りに９０°回転させて考えればよい。このため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０１５０】
（４−２−２．Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した場合）
次に、図２４は、受力体３２０にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、図２０に示す矩形変形体３４０の各検出点Ａ１〜Ａ８に生じる変位を説明するための図である。図中の矢印等の記号の意味は、§１で説明した通りである。
【０１５１】
受力体３２０を介して受力部３４１ａ〜３４１ｄにＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用することにより、各受力部３４１ａ〜３４１ｄはＺ軸正方向へ変位する。この結果、図２４に示すように、第１〜第８変形部３４５Ａ〜３４５Ｈは、受力部３４１ａ〜３４１ｄの側がＺ軸正方向に引っ張られる。この結果、各検出点Ａ１〜Ａ８は、いずれもＺ軸正方向に変位する。
【０１５２】
（４−２−３．Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合）
次に、図２５は、図２０の矩形変形体３４０に対してＸ軸正方向のモーメント＋Ｍｘが作用したときに各検出点Ａ１〜Ａ８に生じる変位を説明するための図である。図中の矢印等の記号の意味は、§１で説明した通りである。
【０１５３】
受力体３２０にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、正のＹ軸上に位置する第２受力部３４３ｂがＺ軸正方向（図２５における手前方向）に変位し、負のＹ軸上に位置する第４受力部３４３ｄがＺ軸負方向（図２５における奥行き方向）に変位する。したがって、図３３に示すように、第２及び第３変形部３４５Ｂ、３４５Ｃは、力＋Ｆｚが作用したときと同様に、Ｚ軸正方向の力の作用を受ける。すなわち、３−２−２．で説明したように、第２及び第３検出点Ａ２、Ａ３は、Ｚ軸正方向に変位する。一方、図２５に示すように、第６及び第７変形部３４５Ｆ、３４５Ｇは、力＋Ｆｚが作用したときとは逆に、Ｚ軸負方向の力の作用を受ける。この場合、第６及び第７検出点Ａ６、Ａ７は、Ｚ軸負方向に変位する。
【０１５４】
更に、図２５に示すように、第１受力部３４３ａ及び第３受力部３４３ｃは、Ｙ軸正側の端部がＺ軸正方向（図２５における手前側）に変位し、Ｙ軸負側の端部がＺ軸負方向（図２５における奥側）に変位する。これらの変位に伴って、第１及び第４計測部位Ａ１、Ａ４はＺ軸正方向に変位し、第５及び第８計測部位Ａ５、Ａ８はＺ軸負方向に変位する。但し、回転中心軸であるＸ軸から各計測部位Ａ１〜Ａ８までの距離から明らかなように、第１、第４、第５及び第８計測部位Ａ１、Ａ４、Ａ５、Ａ８に生じるＺ軸方向の変位の絶対値は、第２、第３、第６及び第７計測部位Ａ２、Ａ３、Ａ６及びＡ７に生じるＺ軸方向の変位より小さい。
【０１５５】
なお、基本構造３０１の受力部３４３ａ〜３４３ｄにＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの当該基本構造３０１の作用は、上述した、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合を、原点Ｏを中心として反時計回りに９０°回転させて考えればよい。このため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０１５６】
（４−２−４．Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用した場合）
次に、図２６は、図２０の矩形変形体３４０に対してＺ軸正方向のモーメント＋Ｍｚが作用したときに各検出点Ａ１〜Ａ８に生じる変位を説明するための図である。図中の矢印等の記号の意味は、§２で説明した通りである。
【０１５７】
受力体３２０にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、図２６に示すように、負のＸ軸上に位置する第１受力部３４３ａがＸ軸負方向に変位し、正のＹ軸上に位置する第２受力部３４３ｂがＸ軸負方向に変位し、正のＸ軸上に位置する第３受力部３４３ｃがＹ軸正方向に変位し、負のＹ軸上に位置する第４受力部３４３ｄがＸ軸正方向に変位する。したがって、図２６に示すように、第２、第４、第６及び第８変形部３４５Ｂ、３４５Ｄ、３４５Ｆ、３４５Ｈは、圧縮力の作用を受ける。この場合、前述した１−２．から理解されるように、第２、第４、第６及び第８変形部３４５Ｂ、３４５Ｄ、３４５Ｆ、３４５Ｈは、各湾曲部３４５Ｂｐ、３４５Ｄｐ、３４５Ｆｐ、３４５Ｈｐの曲率半径が小さくなるように弾性変形する。このため、各検出点Ａ２、Ａ４、Ａ６、Ａ８は、Ｚ軸負方向に変位する。
【０１５８】
一方、図２６に示すように、第１、第３、第５及び第７変形部３４５Ａ、３４５Ｃ、３４５Ｅ、３４５Ｇは、引張力の作用を受ける。この場合、前述した１−２．から理解されるように、第１、第３、第５及び第７変形部３４５Ａ、３４５Ｃ、３４５Ｅ、３４５Ｇは、各湾曲部３４５Ａｐ、３４５Ｃｐ、３４５Ｅｐ、３４５Ｇｐの曲率半径が大きくなるように弾性変形する。このため、各検出点Ａ１、Ａ３、Ａ５、Ａ７は、Ｚ軸正方向に変位する。
【０１５９】
以上のまとめとして、図２７には、受力体３２０にＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力＋Ｆｘ、＋Ｆｙ、＋Ｆｚ及び各軸方向のモーメント＋Ｍｘ、＋Ｍｙ、＋Ｍｚが作用したときに図２０の矩形変形体３４０の各検出点Ａ１〜Ａ８と固定体３１０との離間距離の増減が、一覧で示されている。図２７において、検出点Ａ１〜Ａ８の欄に記された符号「＋」は、検出点と固定体３１０との離間距離が増大することを意味し、符号「−」は、当該離間距離が減少することを意味し、「０」は、当該離間距離が変化しないことを意味している。また、符号「＋＋」及び「−−」は、検出点と固定体３１０との離間距離がより大きく増大及び減少することを、それぞれ意味している。
【０１６０】
なお、受力体３２０に作用する力及びモーメントが負方向及び負まわりである場合には、上述した各変形部３４５Ａ〜３４５Ｈに作用する力の向きが逆になる。このため、図２７に一覧で示した各検出点Ａ１〜Ａ８と固定体３１０との離間距離の増減は、全て逆になる。
【０１６１】
＜  ４−３．  力覚センサの構成  ＞
次に、４−１、４−２において説明した基本構造３０１を有する力覚センサ３０１ｃの構成について説明する。
【０１６２】
図２８は、図２２の基本構造３０１を用いた、本実施の形態による力覚センサ３０１ｃを示す概略平面図であり、図２９は、図２８の［２９］−［２９］線断面図である。図２８では、説明の便宜上、受力体３２０の図示は省略されている。
【０１６３】
図２８及び図２９に示すように、力覚センサ３０１ｃは、上述した基本構造３０１と、基本構造３０１の変形部３４５Ａ〜３１５Ｈの各検出点Ａ１〜Ａ８に生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントを検出する検出回路３５０と、を有している。本実施の形態の検出回路３５０は、図２８及び図２９に示すように、変形部３４５Ａ〜３１５Ｈの各検出点Ａ１〜Ａ８に１つずつ配置された、合計８個の容量素子Ｃ１〜Ｃ８と、これらの容量素子Ｃ１〜Ｃ８に接続され、当該容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を計測する計測部（不図示）と、を有している。
【０１６４】
８個の容量素子Ｃ１〜Ｃ８の具体的な構成は、第１の実施の形態と同様である。すなわち、図２９に示すように、基本構造３０１において、第２変位電極Ｅｍ２が第２検出点Ａ２に設けられ、この第２変位電極Ｅｍ２に対向するように第２固定電極Ｅｆ２が固定体３１０上に設けられている。これらの電極Ｅｍ２、Ｅｆ２が第２容量素子Ｃ２を構成している。同様に、基本構造３０１において、第３変位電極Ｅｍ３が第３検出点Ａ３に設けられ、この第３変位電極Ｅｍ３に対向するように第３固定電極Ｅｆ３が固定体３１０上に設けられている。これらの電極Ｅｍ３、Ｅｆ３が第３容量素子Ｃ３を構成している。
【０１６５】
更に、詳細には図示されていないが、基本構造３０１において、第１及び第４〜８変位電極Ｅｍ１、Ｅｍ４〜Ｅｍ８が第１、第４〜第８検出点Ａ１、Ａ４〜Ａ８にそれぞれ設けられ、これらの変位電極Ｅｍ１、Ｅｍ４〜Ｅｍ８に対向するように第１及び第４〜第８固定電極Ｅｆ１、Ｅｆ４〜Ｅｆ８が固定体３１０上に設けられている。そして、互いに対向する変位電極Ｅｍ１、Ｅｍ４〜Ｅｍ８及び固定電極Ｅｆ１、Ｅｆ４〜Ｅｆ８が第１及び第４〜第８容量素子Ｃ１、Ｃ４〜Ｃ８を構成している。
【０１６６】
具体的には、図２９に示すように、各変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ８は、対応する計測部位Ａ１〜Ａ８に支持された第１〜第８変形体側支持体３６１〜３６８の下面に、第１〜第８変位基板Ｉｍ１〜Ｉｍ８を介して支持されている。更に、各固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ８は、固定体３１０の上面に固定された第１〜第８固定体側支持体３７１〜３７８の上面に、第１〜第８固定基板Ｉｆ１〜Ｉｆ８を介して支持されている。各変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ８は、全て同一の面積であり、各固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ８も、全て同一の面積である。但し、第１の実施の形態と同様に、変位電極Ｅｍ１〜Ｅｍ８の電極面積は、固定電極Ｅｆ１〜Ｅｆ８の電極面積よりも大きく構成されている。初期状態において、容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する各組の電極の実効対向面積及び離間距離は、全て同一である。
【０１６７】
更に、図２８及び図２９に示すように、力覚センサ３０１ｃは、変形体３４０の各変形部３４５Ａ〜３４５Ｈに生じる弾性変形に基づいて、受力体３２０に作用した力及びモーメントを示す電気信号を出力する検出回路３５０を有している。図２８及び図２９では、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８と検出回路３５０とを電気的に接続する配線は、図示が省略されている。
【０１６８】
なお、固定体３１０、受力体３２０及び変形体３４０が金属などの導電材料で構成されている場合、各電極がショートしないように、第１〜第８変位基板Ｉｍ１〜Ｉｍ８及び第１〜第８固定基板Ｉｆ１〜Ｉｆ８は、絶縁体で構成される必要がある。この点については、第１の実施の形態と同様である。
【０１６９】
＜  ４−４．  力覚センサの作用  ＞
次に、以上の力覚センサ３０１ｃに対してＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用したときの、当該力覚センサ３０１ｃの作用について説明する。
【０１７０】
（４−４−１．  Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したとき）
まず、力覚センサ３０１ｃにＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、図２７の＋Ｆｘの欄から理解されるように、第２及び第７容量素子Ｃ２、Ｃ７では、電極間の離間距離が共に増大するため、静電容量値が減少する。一方、第３及び第６容量素子Ｃ３、Ｃ６では、電極間の離間距離が共に減少するため、静電容量値が増大する。残りの第１、第４、第５及び第８容量素子Ｃ１、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ８では、電極間の離間距離が実質的に変化しないため、静電容量値は変化しない。なお、力覚センサ３０１ｃにＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用すると、第２、第３、第６及び第７容量素子Ｃ２、Ｃ３、Ｃ６、Ｃ７の静電容量値の増減が逆になる。
【０１７１】
（４−４−２．  Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したとき）
次に、力覚センサ３０１ｃにＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、図２７の＋Ｆｙの欄から理解されるように、第５及び第８容量素子Ｃ５、Ｃ８では、電極間の離間距離が共に増大するため、静電容量値が減少する。一方、第１及び第４容量素子Ｃ１、Ｃ４では、電極間の離間距離が共に減少するため、静電容量値が増大する。残りの第２、第３、第６及び第７容量素子Ｃ２、Ｃ３、Ｃ６、Ｃ７では、電極間の離間距離が実質的に変化しないため、静電容量値は変化しない。なお、力覚センサ３０１ｃにＹ軸負方向の力−Ｆｙが作用すると、第１、第４、第５及び第８容量素子Ｃ１、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ８の静電容量値の増減が逆になる。
【０１７２】
（４−４−３．  Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したとき）
次に、力覚センサ３０１ｃにＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、図２７の＋Ｆｚの欄から理解されるように、全ての容量素子Ｃ１〜Ｃ８において、電極間の離間距離が増大するため、静電容量値が減少する。なお、力覚センサ３０１ｃにＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、全ての容量素子Ｃ１〜Ｃ８において、電極間の離間距離が減少するため、静電容量値が増大する。
【０１７３】
（４−４−４．  Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したとき）
次に、力覚センサ３０１ｃにＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、図２７の＋Ｍｘの欄から理解されるように、第１〜第４容量素子Ｃ１〜Ｃ４では、電極間の離間距離が増大するため静電容量値が減少する。但し、電極間の離間距離の変化量の相違から、第１及び第４容量素子Ｃ１、Ｃ４よりも第２及び第３容量素子Ｃ２、Ｃ３において、静電容量値がより大きく減少する。一方、第５〜第８容量素子Ｃ５〜Ｃ８では、電極間の離間距離が減少するため静電容量値が増大する。但し、電極間の離間距離の変化量の相違から、第５及び第８容量素子Ｃ５、Ｃ８よりも第６及び第７容量素子Ｃ６、Ｃ７において、静電容量値がより大きく増大する。なお、力覚センサ３０１ｃにＸ軸負まわりのモーメント−Ｍｘが作用すると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の増減が逆になる。
【０１７４】
（４−４−５．  Ｙ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したとき）
次に、力覚センサ３０１ｃにＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、図２７の＋Ｍｙの欄から理解されるように、第１、第２、第７及び第８容量素子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ７、Ｃ８では、電極間の離間距離が増大するため静電容量値が減少する。但し、電極間の離間距離の変化量の相違から、第２及び第７容量素子Ｃ２、Ｃ７よりも第１及び第８容量素子Ｃ１、Ｃ８において、静電容量値がより大きく減少する。一方、第３〜第６容量素子Ｃ３〜Ｃ６では、電極間の離間距離が減少するため静電容量値が増大する。但し、電極間の離間距離の変化量の相違から、第３及び第６容量素子Ｃ３、Ｃ６よりも第４及び第５容量素子Ｃ４、Ｃ５において、静電容量値がより大きく増大する。なお、力覚センサ３０１ｃにＹ軸負まわりのモーメント−Ｍｙが作用すると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の増減が逆になる。
【０１７５】
（４−４−６．  Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したとき）
次に、力覚センサ３０１ｃにＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、図２７の＋Ｍｚの欄から理解されるように、第１、第３、第５及び第７容量素子Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５、Ｃ７では、電極間の離間距離が増大するため静電容量値が減少する。一方、第２、第４、第６及び第８容量素子Ｃ２、Ｃ４、Ｃ６、Ｃ８では、電極間の離間距離が減少するため静電容量値が増大する。なお、力覚センサ３０１ｃにＺ軸負まわりのモーメント−Ｍｚが作用すると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の増減が逆になる。
【０１７６】
以上に説明した各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の増減は、図３０に纏めて示してある。図３０において、符号「＋」は、静電容量値が増大することを意味し、符号「−」は静電容量値が減少することを意味している。また、符号「＋＋」は、静電容量値が大きく増大することを意味し、符号「−−」は、静電容量値が大きく減少することを意味している。一方、数字「０」は、静電容量値が実質的に変化しないことを意味している。
【０１７７】
（４−４−７．  作用した力及びモーメントの算出方法）
以上のような容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変動に鑑み、検出回路３５０は、次の［式２］を用いて力覚センサ３０１ｃに作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを算出する。［式２］において、Ｃ１〜Ｃ８は、第１〜第８容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変動量を示している。  
［式２］
Ｆｘ＝−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ６−Ｃ７
Ｆｙ＝Ｃ１＋Ｃ４−Ｃ５−Ｃ８
Ｆｚ＝−Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４−Ｃ５−Ｃ６−Ｃ７−Ｃ８
Ｍｘ＝−Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８
Ｍｙ＝−Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６−Ｃ７−Ｃ８
Ｍｚ＝−Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
【０１７８】
なお、力覚センサ３０１ｃに作用した力及びモーメントが負方向である場合には、左辺のＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚを−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚ、−Ｍｘ、−Ｍｙ及び−Ｍｚにすれば良い。但し、この場合、右辺のＣ１〜Ｃ４の符号も逆になるため、結局、作用した力及びモーメントの正負によらず、［式２］により作用した力及びモーメントが計測される。
【０１７９】
但し、［式２］によれば、Ｚ軸方向の力Ｆｚが−Ｃ１〜−Ｃ８の和によって求められる。このため、力Ｆｚについては、力覚センサ３０１ｃの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。
【０１８０】
＜  ４−５．  力覚センサの他軸感度  ＞
次に、図３１を参照して、本実施の形態による力覚センサ３０１ｃの他軸感度について説明する。図３１は、図２８に示す力覚センサ３０１ｃにおける、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の他軸感度ＶＦｘ〜ＶＭｚを一覧で示す図表である。
【０１８１】
図３１の図表中に配された数字は、図３０に示す図表の各力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚについて、「＋」の記号が付された容量素子を＋１とし、「−」の記号が付された容量素子を−１として、上述した［式２］のそれぞれの右辺に代入して得られた値である。すなわち、行ＶＦｘと列Ｆｘとが交わるマス目に記された「８」という数字は、Ｆｘを示す式（［式２］の第１式）に、図３０のＦｘの行に基づいてＣ２＝Ｃ７＝−１、及び、Ｃ３＝Ｃ６＝＋１を代入して得られた値である。また、行ＶＦｘと列Ｆｙとが交わるマス目に記された「０」という数字は、Ｆｘを示す式に、図３０のＦｙの行に基づいてＣ１＝Ｃ４＝＋１、及び、Ｃ５＝Ｃ８＝−１を代入して得られた値である。その他のマス目の数字についても同様である。
【０１８２】
他軸感度が無い場合には、図３１の図表において左上から右下に向かう対角線上に位置する６つのマス目以外の全てのマス目がゼロになる。ところが、図３１に示すように、例えばＦｘにはＭｙの他軸感度が存在しているため、ＦｘとＭｙが互いに影響を及ぼし合う。したがって、このままでは正確な力及びモーメントを検出することができない。しかしながら、この場合、実際の他軸感度のマトリクス（図３１の図表に対応する６行６列の行列）の逆行列を求め、この逆行列を力覚センサ３０１ｃの出力に乗じるという補正演算によって、他軸感度をゼロにすることができる。
【０１８３】
以上のような本実施の形態による力覚センサ３０１ｃによれば、主湾曲部３４５Ａｐ〜３４５Ｈｐとこれに隣接する固定部３４１ａ〜３４１ｄ及び受力部３４３ａ〜３４３ｄとの間に固定部側湾曲部３４５Ａｆ〜３４５Ｈｆ及び受力部側湾曲部３４５Ａｍ〜３４５Ｈｍがそれぞれ介在することにより、主湾曲部３４５Ａｐ〜３４５Ｈｐとこれに隣接する３４１ａ〜３４１ｄ及び受力部３４３ａ〜３４３ｄとの接続部分への応力集中を回避することができる。このため、本実施の形態によれば、高い信頼性を備えた静電容量タイプの力覚センサ３０１ｃを提供することができる。
【０１８４】
また、本実施の形態による力覚センサ３０１ｃは、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つの成分全てを計測することができる。更に、力覚センサ３０１ｃは、Ｚ軸方向の力Ｆｚを除く５つの成分を、８つの容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の差分によって検出することができる。すなわち、本実施の形態によれば、力Ｆｚを除く５つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚを計測するに当たって、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサ３０１ｃを提供することができる。
【０１８５】
また、変形体として、Ｘ軸及びＹ軸に関して対称的な正方形の形状を有する矩形変形体３４０を有しているため、作用した力及びモーメントに起因して、矩形変形体３４０が対称的に変形する。このため、当該変形に基づいて作用した力及びモーメントを計測することが容易である。
【０１８６】
とりわけ、矩形変形体３４０は、その中心がＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏに一致するようにＸＹ平面上に位置付けられている。そして、４つの受力部３４３ａ〜３４３ｄが矩形変形体３４０の各辺の中点に１つずつ配置されており、４つの固定部が矩形変形体３４０の各頂点に１つずつ配置されている。このような対称的な構成により、容量素子Ｃ１〜Ｃ８がＸ軸及びＹ軸に関して対称的に配置されるため、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変動量に基づいて、極めて容易に作用した力及びモーメントを計測することができる。
【０１８７】
また、主湾曲部３４５Ａｐ〜３４５Ｈｐの主湾曲面３４５Ａｐａ〜３４５Ｈｐａは、矩形変形体３４０の閉ループ状の矩形の経路に沿って観察したとき、円弧に沿った曲面で構成されている。このため、力覚センサ３０１ｃに作用する力及びモーメントによって主湾曲部３４５Ａｐ〜３４５Ｈｐに生じる弾性変形をより安定化させることができる。
【０１８８】
＜＜＜  §５．  本発明の第４の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
次に、本発明の第４の実施の形態による力覚センサについて詳細に説明する。
【０１８９】
＜  ５−１．基本構造の構成  ＞
図３２は、本発明の第４の実施の形態による力覚センサに採用される基本構造４０１を示す概略正面図である。上述した第３の実施の形態とは異なり、本実施の形態の基本構造４０１は、ドーナツ状の環状変形体４４０を有している。環状変形体４４０は、内周の輪郭および外周の輪郭がともに円形をなす構造体であり、Ｚ軸方向から見て、原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に配置されている。環状変形体４４０は、円形の閉ループ状の経路に沿って、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された４つの固定部４４１ａ〜４４１ｄと、当該閉ループ状の経路において固定部４４１ａ〜４４１ｄと交互に位置付けられ、力及びモーメントの作用を受ける、４つの受力部４４３ａ〜４４３ｄと、閉ループ状の経路において隣接する固定部４４１ａ〜４４１ｄと受力部４４３ａ〜４４３ｄとの間に１つずつ位置付けられた合計８つの変形部４４５Ａ〜４４５Ｈと、を有している。
【０１９０】
図３２に示すように、ＸＹ平面上に原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義すると、４つの固定部４４１ａ〜４４１ｄは当該Ｖ軸上及びＷ軸上に１つずつ配置されている。また、４つの受力部４４３ａ〜４４３ｄは、Ｘ軸上及びＹ軸上に１つずつ配置されている。原点Ｏから各固定部４４１ａ〜４４１ｄ及び各受力部４４３ａ〜４４３ｄまでの距離は、いずれも等しい。図３２に示すように、８つの変形部４４５Ａ〜４４５Ｈは、負のＸ軸及び正のＷ軸とで挟まれた領域に位置する変形部を第１変形部４４５Ａとし、環状変形体４４０の円環状の経路に沿って時計回りに、第２変形部４４５Ｂ、第３変形部４４５Ｃ、・・・、第８変形部４４５Ｈと呼ぶこととする。各変形部４４５Ａ〜４４５Ｈの具体的な構造は、第１の実施の形態の各変形部４５〜４８と同様の湾曲構造を有している（図２１参照）。要するに、本実施の形態の環状変形体４４０は、第３の実施の形態の矩形変形体３４０（図２０参照）の各辺を湾曲させて円環状に構成したものである。したがって、本実施の形態による基本構造４０１は、このような環状変形体が採用されている点で第３の実施の形態とは異なっている。
【０１９１】
また、環状変形体４４０が採用されたことに伴って、固定体４１０及び受力体４２０も外周の輪郭線が原点Ｏを中心とする円であるように構成されている。但し、図２１においては、説明の便宜上、受力体４２０の図示は省略されている。一方、その他の構成は第３の実施の形態と同様であるため、図３２において第３の実施の形態と共通する構成には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０１９２】
＜  ５−２．  基本構造の作用  ＞
次に、この基本構造４０１の作用について説明する。前述したように、環状変形体４４０は、第３の実施の形態による矩形変形体３４０の各辺を湾曲させて構成されたものと見なすことができる。したがって、環状変形体４４０の受力部４４３ａ〜４４３ｄに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が作用したときに、各変形部４４５Ａ〜４４５Ｈの計測部位Ａ１〜Ａ８と固定体４１０との離間距離の増減は、第３の実施の形態における当該離間距離の増減と本質的に同じである。
【０１９３】
但し、変形体の形状が矩形から円形に変更されたことに伴って、受力体４２０を介して受力部４４３ａ〜４４３ｄにＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、第１、第４、第５及び第８変形部４４５Ａ、４４５Ｄ、４４５Ｅ、４４５Ｈの各湾曲部４４５Ａｐ、４４５Ｄｐ、４４５Ｅｐ、４４５Ｈｐにおいて弾性変形が観察される。具体的には、第１及び第８変形部４４５Ａ、４４５Ｈが僅かに圧縮変形されるため、対応する第１及び第８計測部位Ａ１、Ａ８がＺ軸負方向に変位する。一方、第４及び第５変形部４４５Ｄ、４４５Ｅは僅かに引張変形されるため、対応する第４及び第５計測部位Ａ４、Ａ５がＺ軸正方向に変位する。同様に、受力体４２０を介して受力部４４３ａ〜４４３ｄにＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、第６及び第７変形部４４５Ｆ、４４５Ｇが僅かに圧縮変形されるため、対応する第６及び第７計測部位Ａ６、Ａ７がＺ軸負方向に変位する。一方、第２及び第３変形部４４５Ｂ、４４５Ｃは僅かに引張変形されるため、対応する第２及び第３計測部位Ａ２、Ａ３がＺ軸正方向に変位する。その他の力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用した場合には、各計測部位Ａ１〜Ａ８に生じるＺ軸方向の変位は、第３の実施の形態と同様である。
【０１９４】
本実施の形態による基本構造４０１の受力体４２０にＸＹＺ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が作用したときの、各計測部位Ａ１〜Ａ８と固定体４１０との離間距離の増減が図３３に一覧で示されている。図３３において、符号「＋」は、計測部位Ａ１〜Ａ８と固定体４１０との離間距離が増大することを意味し、符号「−」は当該離間距離が減少することを意味している。また、符号「＋＋」は、当該離間距離が大きく増大することを意味し、符号「−−」は、当該離間距離が大きく減少することを意味している。更に、括弧書きの符号「（＋）」及び「（−）」は、各計測部位Ａ１〜Ａ８と固定体４１０との離間距離の増減の程度が僅かであることを意味している。
【０１９５】
＜  ５−３．  力覚センサの構成  ＞
次に、５−１、５−２において説明した基本構造４０１を有する力覚センサ４０１ｃの構成について説明する。
【０１９６】
図３４は、図３２の基本構造３０１を用いた、本実施の形態による力覚センサ３０１ｃを示す概略平面図である。図３４に示すように、力覚センサ４０１ｃは、上述した基本構造４０１と、基本構造４０１の変形部４４５Ａ〜４１５Ｈの各検出点Ａ１〜Ａ８に生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントを検出する検出回路４５０と、を有している。本実施の形態の検出回路４５０は、図３４に示すように、変形部４４５Ａ〜４４５Ｈの各検出点Ａ１〜Ａ８に１つずつ配置された、合計８個の容量素子Ｃ１〜Ｃ８と、これらの容量素子Ｃ１〜Ｃ８に接続され、当該容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を計測する計測部（不図示）と、を有している。図３４では、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８と検出回路４５０とを電気的に接続する配線は、図示が省略されている。各容量素子の構成及び基本構造４０１への取付態様、及びその他の構成については、第３の実施の形態と略同様である。このため、図３４において、第３の実施の形態と同様の構成部分には略同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０１９７】
＜  ５−４．  力覚センサの作用  ＞
以上の説明から理解されるように、力覚センサ４０１ｃは、作用する力及びモーメントに対し、第３の実施の形態による力覚センサ３０１ｃと略同様の挙動を示す。とりわけ、力覚センサ４０１ｃに対して、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、ＸＹＺの各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの４つの成分がそれぞれ作用した場合、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変動は、第３の実施の形態による力覚センサ３０１ｃと同じ挙動を示す。
【０１９８】
一方、変形体の形状の相違に起因して、Ｘ及びＹ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙがそれぞれ作用した場合、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変動は、第３の実施の形態による力覚センサ３０１ｃと僅かに異なる。例えば、受力体４２０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、環状変形体４４０の各受力部４４３ａ〜４４３ｄはＸ軸正方向に変位する。このとき、第１受力部４４３ａが環状変形体４４０の中心（原点Ｏ）に向かって変位することによって、第１及び第８変形部４４５Ａ、４４５Ｈが、環状変形体４４０の径方向に僅かに圧縮される。これにより、第１及び第８主湾曲部４４５Ａｐ、４４５Ｈｐは、曲率半径が僅かに小さくなるように弾性変形し、対応する各検出点Ａ１、Ａ８がＺ軸負方向に僅かに変位する。同様に、第３受力部４４３ｃが環状変形体４４０の中心（原点Ｏ）から離れるように変位することによって、第４及び第５変形部４４５Ｄ、４４５Ｅが、環状変形体４４０の周方向に僅かに引っ張られる。これにより、第４及び第５主湾曲部４４５Ｄｐ、４４５Ｅｐは、曲率半径が僅かに大きくなるように弾性変形し、対応する検出点Ａ４、Ａ５がＺ軸正方向に僅かに変位する。
【０１９９】
他方、残りの第２、第３、第６及び第７変形部４４５Ｂ、４４５Ｃ、４４５Ｆ、４４５Ｇに生じる弾性変形、及び、対応する計測部位Ａ２、Ａ３、Ａ６、Ａ７の変位は、第３の実施の形態と同様である。もちろん、これらの計測部位Ａ２、Ａ３、Ａ６、Ａ７の変位の絶対値は、上述した計測部位Ａ１、Ａ４、Ａ５、Ａ８の変位の絶対値よりも大きい。なお、力覚センサ４０１ｃの受力体４２０にＸ軸負方向の力が作用した場合には、各変形部４４５Ａ〜４４５Ｈに作用する力の向きが逆になるため、各検出点Ａ１〜Ａ８の変位の方向も逆になる。
【０２００】
力覚センサ４０１ｃの受力体４２０にＹ軸方向の力Ｆｙが作用した場合については、上述したＸ軸方向の力Ｆｘが作用した場合を、原点Ｏを中心として反時計まわりに９０°回転させて考えれば良い。したがって、力覚センサ４０１ｃでは、第３の実施の形態による力覚センサ３０１ｃの受力体３２０にＹ軸方向の力Ｆｙが作用した場合には変位が生じていなかった第２、第３、第６及び第７計測部位Ａ２、Ａ３、Ａ６、Ａ７にも、僅かにＺ軸方向の変位が検出することになる。
【０２０１】
以上のことから、本実施の形態による力覚センサ４０１ｃでは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用すると、各検出点Ａ１〜Ａ８にそれぞれ対応付けられた容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値が、第３の実施の形態と略同様に変動することが分かる。但し、本実施の形態では、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用したときに、計測部位Ａ１、Ａ４、Ａ５、Ａ８にＺ軸方向の僅かな変位が生じるため、これに伴って容量素子Ｃ１、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ８の静電容量値が僅かに変動する。同様に、Ｙ軸方向の力Ｆｙが作用したときに、計測部位Ａ２、Ａ３、Ａ６、Ａ７にＺ軸方向の僅かな変位が生じるため、これに伴って容量素子Ｃ２、Ｃ３、Ｃ６、Ｃ７の静電容量値が僅かに変動する。
【０２０２】
以上に説明した各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の増減は、図３５に纏めて示してある。図３５において、符号「＋」は、静電容量値が増大することを意味し、符号「−」は静電容量値が減少することを意味している。また、符号「＋＋」は、静電容量値が大きく増大することを意味し、符号「−−」は、静電容量値が大きく減少することを意味している。更に、括弧書きの符号「（＋）」及び「（−）」は、静電容量値が僅かに変動することを意味している。
【０２０３】
＜  ５−５．  作用した力及びモーメントの算出方法  ＞
以上のような容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変動に鑑み、検出回路４５０は、次の［式３］を用いて力覚センサ４０１ｃに作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを算出する。［式３］において、Ｃ１〜Ｃ８は、第１〜第８容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変動量を示している。
［式３］
Ｆｘ＝−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ６−Ｃ７
Ｆｙ＝Ｃ１＋Ｃ４−Ｃ５−Ｃ８
Ｆｚ＝−Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４−Ｃ５−Ｃ６−Ｃ７−Ｃ８
Ｍｘ＝−Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８
Ｍｙ＝−Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６−Ｃ７−Ｃ８
Ｍｚ＝−Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
【０２０４】
あるいは、検出回路４５０は、Ｍｘ及びＭｙについて、図３５中の「＋＋」及び「−−」の符号が付されている容量素子のみを用いて、以下の［式４］を用いて作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを算出しても良い。もちろん、このことは第３の実施の形態にも当てはまる。
［式４］
Ｆｘ＝−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ６−Ｃ７
Ｆｙ＝Ｃ１＋Ｃ４−Ｃ５−Ｃ８
Ｆｚ＝−Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４−Ｃ５−Ｃ６−Ｃ７−Ｃ８
Ｍｘ＝−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ６＋Ｃ７
Ｍｙ＝−Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６−Ｃ７−Ｃ８
Ｍｚ＝−Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
【０２０５】
この［式３］は、第３の実施の形態において説明した［式２］と同一である。前述したように、力覚センサ４０１ｃでは、Ｘ及びＹ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙが作用したときに、図３５において括弧書きで符号示したように、僅かに静電容量値が変動する容量素子が存在する。しかしながら、これらの静電容量値の変動量は、括弧無しの符号が示されている容量素子の静電容量値の変動量と比較すると極めて小さいものである。したがって、作用した力及びモーメントを算出する際には、括弧書きで符号が示されている容量素子の静電容量値の変化は、実質的にゼロとして取り扱って差し支えない。
【０２０６】
力覚センサ４０１ｃに作用した力及びモーメントが負方向である場合には、左辺のＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚを−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚ、−Ｍｘ、−Ｍｙ及び−Ｍｚにすれば良い。なお、Ｚ軸方向の力Ｆｚが−Ｃ１〜−Ｃ８の和によって求められるため、力Ｆｚについては、力覚センサ３０１ｃの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。また、他軸感度を打ち消すための補正演算についても、第３の実施の形態と同様の手法が採用され得る。これにより、他軸感度の影響を実質的にゼロにすることができ、高精度の力覚センサ４０１ｃが達成され得る。
【０２０７】
以上のような本実施の形態による力覚センサ４０１ｃによっても、第３の実施の形態による力覚センサ３０１ｃと同様の作用効果を得ることができる。
【０２０８】
＜  ５−６．  補正演算の具体的な手法  ＞
ここで、補正演算の手法について詳細に説明する。図３６は、受力体４２０にＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸方向のモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用したときに、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８に生じる静電容量値の変動を示す図表である。また、図３７は、図３６に示す各静電容量値の変動に基づいて算出した、図３４の力覚センサ４０１ｃの他軸感度を一覧で示す図表である。
【０２０９】
受力体４２０にＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸方向のモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用すると、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値は、図３６に示すように変動する。なお、図３６の図表と図３５の図表とは、図３５の（＋）及び（−）に対応する欄の符号が異なっている。この理由としては、図３５が図３４の点Ａ１〜Ａ８における変位であり、図３６が図３４の容量素子の静電容量値の実際の変化を示している点、図３６が有限要素解析による解析結果であり、解析時のメッシュの設定などにより計算誤差が生じる点、などが考えられる。いずれにしても、作用した力及びモーメントを計測する際に補正演算を行うので、上述した符号の相違は大きな問題ではない。
【０２１０】
図３６に示す各数値に基づき、本実施の形態による力覚センサ４０１ｃの他軸感度を評価すると、図３７に示すとおりである。なお、図３７の他軸感度は、前述した［式４］に基づいて算出されている。具体的には、図３７の行Ｆｘと列ＶＦｘとが交わるマス目に記載されている０．８８という数値は、Ｆｘ＝−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ６−Ｃ７という［式４］の第１式に、図３６のＦｘの行に記載されているＣ２＝−０．２２、Ｃ３＝Ｃ６＝０．２２及びＣ７＝−０．２２を代入して得られた数値である。同様に、例えば行Ｍｙと列ＶＦｘとが交わるマス目に記載されている２．００という数値は、Ｆｘ＝−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ６−Ｃ７という［式４］の第１式に、図３６のＭｙの行に記載されているＣ２＝−０．５０、Ｃ３＝Ｃ６＝０．５０及びＣ７＝−０．５０を代入して得られた数値である。その他のマス目についても同様にして数値が算出されている。
【０２１１】
以上のようにして作成された図３７の図表は、６行６列の行列として見なすことができる。この逆行列が、図３８に示されている。この逆行列を力覚センサ４０１ｃの検出回路４５０からの出力に乗じることによって、他軸感度を打ち消すことができるのである。
【０２１２】
なお、以上の各力覚センサにおいては、図４に示す変形体４０が作用されている。しかしながら、図４とは異なる構成の変形体を採用することも可能である。図３９及び図４０は、図４の変形例による変形体５４０Ａ、５４０Ｂの一部を示す概略側面図である。具体的には、図３９及び図４０では、変形体５４０Ａ、５４０Ｂのうち図４と対応する部分のみが図示されている。
【０２１３】
図３９に示す例では、主湾曲部５４６Ａｐと固定部側湾曲部５４６Ａｆとの間に、Ｚ軸正側の面及びＺ軸負側の面が互いに平行な平面となっている固定部側直線部５４６Ａｆｓが設けられている。更に、主湾曲部５４６Ａｐと受力部側湾曲部５４６Ａｍとの間に、Ｚ軸正側の面及びＺ軸負側の面が互いに平行な平面となっている受力部側直線部５４６Ａｍｓが設けられている。更に、変形部５４６ＡのＺ軸正側の面が、図４に示す例とは異なる曲率を有している。すなわち、主湾曲部５４６ＡｐのＺ軸正側の面５４６ｐｂは、図４と同様に点Ｏ１を中心とする半径ｒ１の円弧に沿った湾曲面であるが、図３９に示すように、固定部側湾曲部５４６ＡｆのＺ軸正側の面５４６ｆｂは、点Ｏ５を中心とする半径ｒ５の円弧に沿った湾曲面であり、Ｚ軸正側に向かって湾曲している。更に、図３９に示すように、受力部側湾曲部５４６ＡｍのＺ軸正側の面５４６ｍｂは、点Ｏ７を中心とする半径ｒ７の円弧に沿った湾曲面であり、Ｚ軸正側に向かって湾曲している。
【０２１４】
また、主湾曲部５４６Ａｐの主湾曲面５４６ｐａは、図４と同様に点Ｏ２を中心とする半径ｒ２の円弧に沿った湾曲面であるが、図３９に示すように、固定部側湾曲面５４６ｆａは、点Ｏ６を中心とする半径ｒ６の円弧に沿った湾曲面であり、Ｚ軸正方向に向かって湾曲している。更に、図３９に示すように、受力部側湾曲面５４６ｍａは、点Ｏ８を中心とする半径ｒ８の円弧に沿った湾曲面であり、Ｚ軸正方向に向かって湾曲している。図示されていないが、以上のことは、残りの変形部５４５Ａ、５４７Ａ、５４８Ｄにおいても同様である。
【０２１５】
すなわち、図３９に示す変形体５４０ＡのＺ軸負側の面は、固定部側直線部５４５Ａｆｓ〜５４８Ａｆｓ及び受力部側直線部５４５Ａｍｓ〜５４８Ａｍｓが設けられている点を除き、図４に示す変形体４０と同様の構成を有している。図示される例では、点Ｏ５及び点Ｏ６がＺ軸と平行な直線上に配置され、点Ｏ７及び点Ｏ８がＺ軸と平行な直線上に配置され、更に、ｒ５＝ｒ６＝ｒ７＝ｒ８となっている。この場合、各変形部５６５Ａ〜５６８Ａが対応する計測部位Ａ１〜Ａ４に関して対称的に構成されるため、作用した力ないしモーメントを容易に算出することができる。
【０２１６】
なお、固定部側直線部５４５Ａｆｓ〜５４８Ａｆｓを介することなく、主湾曲部５４５Ａｐ〜５４８Ａｐと固定部側湾曲部５４５Ａｆ〜５４８Ａｆとが直接接続されていても良い。更に、受力部側直線部５４５Ａｍｓ〜５４８Ａｍｓを介することなく、主湾曲部５４５Ａｐ〜５４８Ａｐと受力部側湾曲部５４５Ａｍ〜５４８Ａｍとが直接接続されていても良い。このような例が、図４０に示されている。図４０において、図３９と対応する構成要素には図３９と同様の符号を付し、ここでは、その詳細な説明を省略する。
【０２１７】
これらの図３９及び図４０に示す変形体５４０Ａ、５４０Ｂを採用した力覚センサにおいても、図４に示す変形体４０を採用した力覚センサ１ｃと同様の作用を提供することができる。
【０２１８】
なお、§１〜§５の各力覚センサでは、４個または８個の容量素子が配置されているが、５〜７個あるいは９個以上の容量素子が配置されていても良い。この場合も、各電気信号Ｔ１〜Ｔ３をそれぞれの場合に応じて出力することにより、上述した各力覚センサと同様の作用が提供され得る。また、§１〜§５の各力覚センサでは、固定部と受力部とが全て隣接しているが、このような態様には限定されない。すなわち、幾つかの受力部が隣接していても良いし、あるいは、幾つかの固定部が隣接していても良い。但し、この場合、互いに隣接する受力部と固定部との組が少なくとも１つ設けられている必要がある。
【０２１９】
＜＜＜  §６．  変形例  ＞＞＞
【０２２０】
＜  変形例１  ＞
以上の各力覚センサでは、Ｚ軸負側に向かって湾曲した主湾曲部、並びに、Ｚ軸正側に向かって湾曲した固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面が、変形体のＺ軸負側の面に設けられていた。しかしながら、このような態様には限定されない。例えば、変形体のＺ軸正側の面に、Ｚ軸正側に向かって湾曲した主湾曲部と、Ｚ軸負側に向かって湾曲した固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面と、が設けられていても良い。この場合、各変形体の計測部位Ａ１〜Ａ４またはＡ１〜Ａ８は、各主湾曲部のＺ軸正側に規定される。
【０２２１】
あるいは、変形体の変形部がＺ軸方向ではなく径方向に湾曲していても良い。すなわち、図１に示す変形体４０において、各変形部４５〜４８は、閉ループ状（円環状）の経路に対し内側（径方向内方）または外側（径方向外方）に向かって湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部を有していて良い。そして、これらの主湾曲部と各固定部４１、４２とを接続し、閉ループ状の経路に対し内側または外側に向かって湾曲した固定部側湾曲面を有する固定部側湾曲部と、主湾曲部と受力部４３、４４とを接続し、閉ループ状の経路に対し内側または外側に向かって湾曲した受力部側湾曲面を有する受力部側湾曲部と、を有していて良い。
【０２２２】
具体的には、主湾曲部が径方向外方に向かって湾曲している場合には、主湾曲面、固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面は、変形体の外周面に規定される。このとき、固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面は、閉ループ状の経路に対し径方向内方に向かって湾曲していれば良い。この場合、各変形体の計測部位Ａ１〜Ａ４またはＡ１〜Ａ８は変形体の外周面（主湾曲部の径方向外方の面）に規定される。あるいは、主湾曲部が径方向内方に向かって湾曲している場合には、主湾曲面、固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面は、変形体の内周面に規定される。このとき、固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面は、閉ループ状の経路に対し径方向外方に向かって湾曲していれば良い。この場合、各変形体の計測部位Ａ１〜Ａ４またはＡ１〜Ａ８は変形体の内周面（径方向内方の面）に規定される。
【０２２３】
＜  変形例２  ＞
次に、図１に示す固定体１０及び受力体２０を変更した変形例について、図４８及び図４９を参照して説明する。図４８は、図１の基本構造１の変形例を示す概略平面図であり、図４９は、図４８の［４８］−［４８］線断面図である。
【０２２４】
図１に示す例では、変形体４０が固定体１０と受力体２０とに挟まれて配置されていた。これに対し、図４８及び図４９に示す例では、固定体１０ａ及び受力体２０ａが、変形体４０に関して同じ側に配置されている。具体的には、図４９に示すように、２つの固定体１０ａと２つの受力体２０ａとが、閉ループ状の経路に沿って交互に配置されている。各固定体１０ａは、変形体４０の各固定部４１、４２にＺ軸正側から接続されており、各受力体２０ａは、変形体４０の各受力部４３、４４にＺ軸正側から接続されている。なお、各固定体１０ａ及び各受力体２０ａは、Ｚ軸負側から変形体４０に接続されても良いし、各固定体１０ａ及び各受力体２０ａのうち一方がＺ軸正側から、他方がＺ軸負側から、変形体４０に接続されていても良い。
【０２２５】
また、図４９に示すように、受力体２０ａは、Ｚ軸正方向（上方）を向いた受力体表面２３ａを有し、固定体１０ａは、Ｚ軸正方向（上方）を向いた固定体表面１３ａを有している。本変形例では、変形体４０から受力体表面２３ａまでの距離と、変形体４０から固定体表面１３ａまでの距離と、が共に異なっている。より具体的には、固定体表面１３ａは、受力体表面２０ａより変形体４０の遠位に配置されている。図示される例では、固定体１０ａ及び受力体２０ａの上面（Ｚ軸正側の面）がＸＹ平面と平行な面となっており、固定体１０ａの上面のＺ座標が、受力体２０ａの上面のＺ座標より大きくなっている。このようなＺ座標の相違は、図４８及び図４９に示す基本構造体１ａが取り付けられる取付対象物の構成に応じて、設定されている。したがって、取付対象物の構成によっては、固定体表面１３ａのＺ座標が受力体表面２３ａのＺ座標より小さくなっていても良いし、固定体表面１３ａのＺ座標と受力体表面２３ａのＺ座標とが同じであっても良い。
【０２２６】
＜  変形例３  ＞
また、図５０は、図１の基本構造１の更なる変形例を示す概略断面図である。図５０に示す例では、固定体１０ｂが接続部材３３、３４（図１、図３参照）を介さずに、各固定部４１、４２と一体的に形成されている。このような構成によっても、図１に示す基本構造と同様の作用を提供することができる。なお、図示されていないが、固定体１０ｂに代えて受力体２０ｂが接続部材３１、３２（図１参照）を介さずに、各受力部４３、４４と一体的に形成されていても良い。あるいは、固定体１０ｂが各固定部４１、４２と一体的に形成され、且つ、受力体２０ｂが各受力部４３、４４と一体的に形成さていても良い。
【０２２７】
これらの変形例は、図１６に示す変形体４０及び図１８に示す変形体６４０や、図２８、図３４に示す各力覚センサ３０１ｃ、４０１ｃの変形体３４０、４４０にも、採用が可能である。そして、このような変形体を有する力覚センサにおいても、§１〜§５に示す各力覚センサと同様の機能が提供され得る。
【０２２８】
＜＜＜  §７．  本発明の第４の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
次に、以上の各力覚センサをロボットなどの取付対象物に強固に取り付けるための工夫について説明する。
【０２２９】
以上の各力覚センサは、固定体が例えばロボット本体に連結され、受力体にはグリッパーなどのエンドエフェクターが連結される。これにより、エンドエフェクターに作用する力ないしトルクが力覚センサにより計測されるようになっている。力覚センサとロボット本体及びエンドエフェクターとの連結は、一般に、ネジまたはボルトが、力覚センサの受力体及び固定体にそれぞれ設けられた２〜４カ所の締結部に締結されることによって実現される。
【０２３０】
ところで、以上の各力覚センサは、高荷重の力及び／またはトルク（モーメント）を計測するのに好適に採用される。このため、ヒステリシスの問題が生じやすく、その対策が重要となる。特に、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、及びＺ軸周りのモーメントＭｚにおいて、ヒステリシスの対策が重要である。
【０２３１】
ヒステリシスを回避するためには、力覚センサの締結部の締結力を大きくする必要がある。このためには、ボルトの径を大きくするか、締結部を増加させる必要がある。しかしながら、この場合、ヒステリシスの問題は解消あるいは低減されるが、力覚センサの外形の寸法が大きくなるという問題が生じる。このような問題を解消するため、力覚センサとロボット本体及び／またはエンドエフェクターとを図４１に示すような組合せ体１０００として構成することにより、力覚センサの外形の寸法を大きくすることなく、ヒステリシスの問題を解消ないし低減させることができる。
＜  ７−１．実施例１  ＞
図４１は、図１の変形例による力覚センサ１０１ｃと、この力覚センサ１０１ｃが取り付けられる取付対象物２と、による組合せ体１０００を示す概略断面図である。また、図４２は、Ｚ軸負方向から見た、図４１に示す力覚センサ１０１ｃのセンサ側凸部１１０ｐを示す概略底面図である。
【０２３２】
図４１に示すように、組合せ体１０００に含まれる力覚センサ１０１ｃは、取付凹部２ｒを有する取付対象物２に取り付けられるようになっている。取付対象物２とは、例えば上述したロボット本体である。力覚センサ１０１ｃの固定体１１０は、取付対象物２に面する領域に取付凹部２ｒに収容されるセンサ側凸部１１０ｐを有している。更に、固定体１１０は、その外縁部に貫通孔１１０ａが形成されている。貫通孔１１０ａは、Ｚ軸から等距離で、固定体１１０の周方向に等間隔で複数設けられていて良い。図４０に示すように、取付対象物２には、貫通孔１１０ａに対応する位置に、取付孔２ａが形成されている。取付孔２ａの内周面には、ネジ溝が形成されている。貫通孔１１０ａ及び取付孔２ａは、それぞれの中心軸線がＺ軸と平行であるように形成されている。
【０２３３】
図４１に示すように、力覚センサ１０１ｃが取付対象物２に取り付けられる際の取付方向（Ｚ方向）に対し、センサ側凸部１１０ｐの外周面１１０ｆがなす鋭角θ１は、当該取付方向に対し、取付凹部２ｒの内周面２ｆがなす鋭角θ２より小さい。そして、センサ側凸部１１０ｐは、取付対象物２の取付凹部２ｒに収容される際に、取付凹部２ｒの内周面２ｆによって、取付凹部２ｒの内側に向かって押圧されるようになっている。また、図４２に示すように、センサ側凸部１１０ｐは、Ｚ軸負方向（図４１における下方）から見て、間隔を空けて互いに対向する一対の凸部として固定体１１０上に設けられている。力覚センサ１０１ｃのその他の構成は、第１の実施の形態による力覚センサ１ｃと同じであるため、ここではその詳細な説明は省略する。
【０２３４】
このような力覚センサ１０１ｃは、固定具としてのボルト３によって取付対象物２に固定される。すなわち、貫通孔１１０ａと同数のボルト３が用意され、これらのボルト３が、取付対象物２が存在している側とは反対側から各貫通孔１１０ａに挿入される。そして、各ボルト３が、対応する取付孔２ａに螺着される。この螺着の過程で、センサ側凸部１１０ｐは、取付凹部２ｒの内周面２ｆに当接する。この状態から、更に各ボルト３を締めることにより、センサ側凸部１１０ｐは、取付凹部２ｒの内周面２ｆによって、取付凹部２ｒの内側に向かって、すなわちセンサ側凸部１１０ｐを構成する一対の凸部が互いに近接する側に、押圧される。この押圧により、センサ側凸部１１０ｐは取付凹部２ｒの内側に向かって弾性変形（撓み変形）する。このようなセンサ側凸部１１０ｐの弾性変形は、取付凹部２ｒの内周面２ｆに関する角度θ２と、センサ側凸部１１０ｐの外周面１１０ｆに関する角度θ１と、の関係によって、スムーズにもたらされる。
【０２３５】
そして、各ボルト３を更に締めることにより、センサ側凸部１１０ｐが、取付凹部２ｒの内周面２ｆの内側に向かって更に弾性変形しながら、力覚センサ１０１ｃと取付対象物２との間隙が次第に減少し、やがて当該間隙がゼロになる。これにより、取付対象物２に対する力覚センサ１０１ｃの取付が完了する。このとき、センサ側凸部１１０ｐの外周面１１０ｆは、取付凹部２ｒの内周面２ｆと実質的に同じ傾斜となる。この結果、センサ側凸部１１０ｐの復元力により、センサ側凸部１１０ｐと取付凹部２ｒとの間に大きな力が作用するのである。
【０２３６】
力覚センサ１０１ｃ及び取付対象物２を以上のような組合せ体１０００として構成すれば、力覚センサ１０１ｃを取付対象物２に対してぐらつくこと無く強固に固定することができ、ヒステリシスの問題を効果的に解消ないし低減させることができる。もちろん、以上のような取り付け態様は、受力体（不図示）とエンドエフェクターとの連結部位においても採用されることが好ましい。
【０２３７】
なお、上述した例とは逆に、力覚センサ側にセンサ側凹部を設け、取付対象物側に、センサ側凹部に収容される取付凸部を設けても良い。この場合、上述したセンサ側凸部１１０ｐに対応する構造を取付凸部に採用し、上述した取付凹部２ｒに対応する構造をセンサ側凹部に採用すればよい。この場合も、上述した例と同様に、力覚センサを取付対象物に対してぐらつくこと無く強固に固定することができる。
【０２３８】
また、上述した例では、センサ側凸部１１０ｐが、互いに対向する一対の凸部である場合について説明した。しかしながら、このような例には限定されない。例えば、図４３や図４４に示す取付凸部も採用され得る。図４３及び図４４は、力覚センサの取付凸部の他の例を示す概略低面図である。図４３は、環状の経路に沿って連続的に設けられた突出部１１０Ａｐを示しており、図４４は、環状の経路に沿って断続的に設けられた突出部１１０Ｂｐを示している。これらの突出部１１０Ａｐ、１１０Ｂｐが採用された力覚センサでも、上述した例と同様に、力覚センサを取付対象物２に対してぐらつくこと無く強固に固定することができる。もちろん、図４３または図４４に示す環状の取付凸部を採用した場合には、取付対象物に形成される取付凹部も環状に構成されることになる。
【０２３９】
更には、矩形、三角形、多角形などの各種の閉ループ状の経路に沿って、連続的に、または断続的に、取付凸部を構成しても良い。
【０２４０】
＜  ７−２．実施例２  ＞
次に、ヒステリシスの問題を解消ないし低減させるための他の例について、図４５を参照して説明する。
【０２４１】
図４５は、図１の変形例による力覚センサ１０１Ａｃと、この力覚センサが取り付けられる取付対象物２Ａと、による他の組合せ体１００１を示す概略断面図である。図４５に示すように、組合せ体１００１を構成する力覚センサ１０１Ａｃは、固定体１１０Ａの貫通孔１１０Ａａの取付対象物２Ａ側（Ｚ軸負側）の縁部に、取付対象物２Ａに向かって突出した突出部１１０Ａｐが設けられている。この突出部１１０Ａｐは、貫通孔１１０Ａａの縁部に沿って連続的に設けられていても良く、あるいは、当該縁部に沿って断続的に設けられていても良い。突出部１１０Ａｐの外周面には、取付対象物２Ａに向かって先細となるセンサ側テーパ面１１０Ａｔが形成されている。
【０２４２】
更に、組合せ体１００１を構成する取付対象物２Ａは、取付孔２Ａａの力覚センサ１０１Ａｃ側の縁部が面取りされており、当該縁部にすり鉢状の取付側テーパ面２Ａｔが形成されている。力覚センサ１０１Ａｃが取付対象物２Ａに取り付けられる際の取付方向（Ｚ軸方向）に対し上述したセンサ側テーパ面１１０Ａｔがなす鋭角θ３は、当該取付方向に対し取付側テーパ面２Ａｔがなす鋭角θ４より小さい。なお、センサ側テーパ面１１０Ａｔは、貫通孔１１０Ａａの縁部の全周にわたって一定である必要は無いが、前記取付方向に対して成す鋭角が、常に、対応する取付側テーパ面２Ａｔが前記取付方向に対して成す鋭角より小さく構成される。組合せ体１００１のその他の構成は、図４１に示す組合せ体１０００と同じであるため、ここではその詳細な説明は省略する。ただし、本実施例では、上述したセンサ側凸部１１０ｐ及び取付凹部２ｒが設けられている必要は無い。
【０２４３】
このような力覚センサ１０１Ａｃは、固定具としてのボルト３によって取付対象物２Ａに固定される。すなわち、貫通孔１１０Ａａと同数のボルト３が用意され、これらのボルト３が、取付対象物２Ａが存在している側とは反対側から各貫通孔１１０Ａａに挿入される。そして、各ボルト３が、対応する取付孔２Ａａに螺着される。この螺着の過程で、センサ側テーパ面１１０Ａｔは、取付側テーパ面２Ａｔに当接する。この状態から、更に各ボルト３を締めることにより、突出部１１０Ａｐは、取付孔２Ａａの縁部、すなわち取付側テーパ面２Ａｔを押圧する。換言すれば、突出部１１０Ａｐが、取付側テーパ面２Ａｔによって、取付孔２Ａａの内側に向かって押圧される。この押圧により、突出部１１０Ａｐは、取付孔２Ａａの内側に向かって弾性変形（撓み変形）する。このような突出部１１０Ａｐの弾性変形は、センサ側テーパ面１１０Ａｔに関する鋭角θ３と、取付側テーパ面２Ａｔに関する鋭角θ４と、の大小関係によって、スムーズにもたらされる。
【０２４４】
そして、各ボルト３を更に締めることにより、突出部１１０Ａｐが、取付孔２Ａａの内側に向かって更に弾性変形しながら、力覚センサ１０１Ａｃと取付対象物２Ａとの間隙が次第に減少し、やがて当該間隙がゼロになる。これにより、取付対象物２Ａに対する力覚センサ１０１Ａｃの取付が完了する。このとき、突出部１１０Ａｐのセンサ側テーパ面１１０Ａｔは、取付側テーパ面２Ａｔと実質的に同じ傾斜となる。この結果、突出部１１０Ａｐの復元力により、センサ側テーパ面１１０Ａｔと取付側テーパ面２Ａｔとの間に大きな力が作用するのである。
【０２４５】
力覚センサ１０１Ａｃ及び取付対象物２Ａを以上のような組合せ体１００１として構成すれば、力覚センサ１０１Ａｃを取付対象物２Ａに対してぐらつくこと無く強固に固定することができ、ヒステリシスの問題を効果的に解消ないし低減させることができる。もちろん、以上のような取り付け態様は、受力体（不図示）とエンドエフェクターとの連結部位においても採用されることが好ましい。
【０２４６】
＜＜＜  §８．  変形体の製造方法  ＞＞＞
次に、図４６及び図４７を参照して、変形体の製造方法の一例について説明する。図４６及び図４７は、図１に示す変形体４０の製造方法を説明するための図である。図４６は、受力部側湾曲部４６ｍ及び固定部側湾曲部４６ｆが形成される前の第２変形部４６を示す概略側面図であり、図４７は、受力部側湾曲部４６ｍ及び固定部側湾曲部４６ｆが形成された後の第２変形部４６を示す概略側面図である。
【０２４７】
図４６に示すように、まず、受力部側湾曲部４６ｍ及び固定部側湾曲部４６ｆが形成されていない状態の第２変形部４６が準備される。この第２変形部４６は、Ｚ軸負側に向かって湾曲し、Ｚ軸負側の面に主湾曲面４６ｐａが設けられている。この主湾曲面４６ｐａと固定部４２との接続部分、及び、主湾曲面４６ｐａと受力部４３との接続部分が、共に鋭角を成している。
【０２４８】
次に、図４７に示すように、第２変形部４６と受力部４３との接続部分、及び第２変形部４６と固定部４２との接続部分に、Ｚ軸と直交する方向（変形体の径方向、図４７における奥行き方向）に延在する貫通孔Ｈ１、Ｈ２を形成する。これらの貫通孔Ｈ１、Ｈ２は、径方向から見て、Ｚ軸正側の弧が主湾曲部４６ｐの主湾曲面４６ｐａ（図３９に示す変形体５４０Ａを製造する場合には、固定部側直線部５４５Ａｆｓ〜５４８Ａｆｓ及び受力部側直線部５４５Ａｍｓ〜５４８Ａｍｓ）と滑らかに接続するように形成される。この結果、図４７に示すように、第２変形部４６と固定部４２との接続部分に形成された貫通孔Ｈ１のＺ軸正側の湾曲面が固定部側湾曲面４６ｆａを構成し、第２変形部４６と受力部４３との接続部分に形成された貫通孔Ｈ２のＺ軸正側の湾曲面が受力部側湾曲面４６ｍａを構成する。従って、図４７に示すように、貫通孔Ｈ１のＺ軸正側の部分が固定部側湾曲部４６ｆとなり、貫通孔Ｈ２のＺ軸正側の部分が受力部側湾曲部４６ｍとなる。
【０２４９】
以上の説明においては、第２変形部４６を形成する方法についてのみ説明を行ったが、第１、第３及び第４変形部４５、４７、４８も同様にして形成することにより、変形体４０を容易に製造することができる。更に、このような製造方法は、上述した各力覚センサの変形体において採用され得る。この際、当該製造方法は、各変形体の形状に応じて、適宜に変更され得る。例えば、§６で説明した、変形体の径方向内方または径方向外方に湾曲した主湾曲面、固定部側湾曲面、受力部側湾曲面を有する変形体においては、上述した貫通孔Ｈ１、Ｈ２は、Ｚ軸と平行な方向に形成されることになる。更に、主湾曲面、固定部側湾曲面、受力部側湾曲面がＺ軸正側に設けられている変形体、すなわち主湾曲面がＺ軸正側に向かって湾曲し、固定部側湾曲面及び受力部側湾曲面がＺ軸負側に向かって湾曲した変形体においては、上述した貫通孔Ｈ１、Ｈ２は、第２変形部４６と固定部４２との接続部分に形成された貫通孔Ｈ１のＺ軸負側の湾曲面が固定部側湾曲面４６ｆａを構成し、第２変形部４６と受力部４３との接続部分に形成された貫通孔Ｈ２のＺ軸負側の湾曲面が受力部側湾曲面４６ｍａを構成する。従って、貫通孔Ｈ１のＺ軸負側の部分が固定部側湾曲部４６ｆとなり、貫通孔Ｈ２のＺ軸負側の部分が受力部側湾曲部４６ｍとなる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年8月28日(2020.8.28)
【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、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された少なくとも２つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において前記固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、少なくとも２つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
Ｚ軸方向に湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形部のＺ軸正側またはＺ軸負側に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する、力覚センサ。
【請求項２】
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形部のＺ軸負側に設けられ、
前記主湾曲面は、Ｚ軸負側に向かって湾曲しており、
前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面は、Ｚ軸正側に向かって湾曲している、請求項１に記載の力覚センサ。
【請求項３】
ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つを検出する力覚センサであって、
ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された固定体と、
Ｚ軸を取り囲み、前記固定体に接続され、力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に接続され、力ないしモーメントの作用により前記固定体に対して相対移動する受力体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、前記受力体に作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、前記固定体に接続された少なくとも２つの固定部と、前記受力体に接続され、当該変形体の周方向において前記固定部に隣接して位置付けられた少なくとも２つの受力部と、隣接する前記固定部と前記受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
Ｚ軸方向に湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、前記変形部のＺ軸正側またはＺ軸負側に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力し、
前記受力体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた受力体表面を有し、
前記固定体は、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向を向いた固定体表面を有し、
前記変形体から前記受力体表面までの距離と、前記変形体から前記固定体表面までの距離と、が異なる、力覚センサ。
【請求項４】
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、
力ないしモーメントの作用によって弾性変形を生じる閉ループ状の変形体と、
前記変形体に生じる弾性変形に基づいて、作用した力ないしモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系に対して固定された４つの固定部と、当該変形体の閉ループ状の経路において各固定部に隣接して位置付けられ、力ないしモーメントの作用を受ける、４つの受力部と、前記閉ループ状の経路において隣接する各固定部と各受力部との間に位置付けられた変形部と、を有し、
前記変形部は、
Ｚ軸方向に湾曲した主湾曲面を有する主湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記固定部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した固定部側湾曲面を有する、固定部側湾曲部と、
前記主湾曲部とこれに対応する前記受力部とを接続し、Ｚ軸方向に湾曲した受力部側湾曲面を有する、受力部側湾曲部と、を有し、
前記主湾曲面と、前記固定部側湾曲面及び前記受力部側湾曲面とは、共に、各変形部のＺ軸正側またはＺ軸負側に設けられ、湾曲の向きが互いに異なっており、
前記検出回路は、前記主湾曲部に生じる弾性変形に基づいて、前記電気信号を出力する、力覚センサ。
【国際調査報告】
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