(57)【要約】ＸＹ平面上にＺ軸を中心軸として、剛性をもった受力リング（１００）、その内側に可撓性をもった検出リング（２００）、その内側に円筒状の固定補助体（３５０）を配置する。検出リング（２００）の２箇所の固定点（Ｐ１，Ｐ２）は支持基板（３００）に固定され、２箇所の作用点（Ｑ１，Ｑ２）は接続部材（４１０，４２０）を介して受力リング（１００）に接続される。支持基板（３００）を固定した状態で受力リング（１００）に力やモーメントが作用すると、検出リング（２００）が弾性変形する。測定点（Ｒ１〜Ｒ４）の固定補助体（３５０）に対する距離（ｄ１〜ｄ４）および支持基板（３００）に対する距離（ｄ５，ｄ７）を静電容量素子などを用いて測定し、検出リング（２００）の弾性変形の態様および大きさを認識することにより、作用した力やモーメントの向きおよび大きさを検出する。
2013014803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力リング（１００；１００Ａ；１００Ｂ）と、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に、かつ、前記受力リング（１００；１００Ａ；１００Ｂ）の内側もしくは外側に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる検出リング（２００；２００Ａ；２００Ｂ）と、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、前記受力リング（１００；１００Ａ；１００Ｂ）および前記検出リング（２００；２００Ａ；２００Ｂ）の下方に所定間隔をおいて配置された支持基板（３００；３００Ａ；３００Ｂ）と、
前記検出リング（２００；２００Ａ；２００Ｂ）を所定の作用点（Ｑ１，Ｑ２；Ｑ１１〜Ｑ１４）の位置において前記受力リングに接続する接続部材（４１０，４２０；４１０Ａ，４２０Ａ；４３１〜４３４）と、
前記検出リング（２００；２００Ａ；２００Ｂ）を所定の固定点（Ｐ１，Ｐ２；Ｐ１１〜Ｐ１４）の位置において前記支持基板（３００；３００Ａ；３００Ｂ）に固定する固定部材（５１０，５２０；５１５，５２５；５３１〜５３４）と、
前記検出リング（２００；２００Ａ；２００Ｂ）の弾性変形を電気的に検出する検出素子（Ｃ１〜Ｃ１０；Ｇ１〜Ｇ１２；Ｃ１１〜Ｃ４５）と、
前記検出素子（Ｃ１〜Ｃ１０；Ｇ１〜Ｇ１２；Ｃ１１〜Ｃ４５）の検出結果に基づいて、前記支持基板（３００；３００Ａ；３００Ｂ）を固定した状態において、前記受力リング（１００；１００Ａ；１００Ｂ）に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路（３８０）と、
を備え、
前記作用点（Ｑ１，Ｑ２；Ｑ１１〜Ｑ１４）のＸＹ平面への投影像と前記固定点（Ｐ１，Ｐ２；Ｐ１１〜Ｐ１４）のＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成されることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の力覚センサにおいて、
検出リング（２００）の輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個の作用点（Ｑ１，Ｑ２）と複数ｎ個の固定点（Ｐ１，Ｐ２）とが交互に配置されており、
検出素子（Ｃ１〜Ｃ８；Ｇ１〜Ｇ１２）が、隣接配置された作用点と固定点との間の位置に定義された測定点（Ｒ１〜Ｒ４）の近傍における検出リング（２００）の弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の力覚センサにおいて、
検出リング（２００）の輪郭に沿った環状路に、第１の作用点（Ｑ１）、第１の固定点（Ｐ１）、第２の作用点（Ｑ２）、第２の固定点（Ｐ２）の順に、２個の作用点および２個の固定点が配置されており、
前記環状路における前記第１の作用点（Ｑ１）と前記第１の固定点（Ｐ１）との間の位置に配置された第１の測定点（Ｒ１）、前記環状路における前記第１の固定点（Ｐ１）と前記第２の作用点（Ｑ２）との間の位置に配置された第２の測定点（Ｒ２）、前記環状路における前記第２の作用点（Ｑ２）と前記第２の固定点（Ｐ２）との間の位置に配置された第３の測定点（Ｒ３）、前記環状路における前記第２の固定点（Ｐ２）と前記第１の作用点（Ｑ１）との間の位置に配置された第４の測定点（Ｒ４）をそれぞれ定義したときに、検出素子（Ｃ１〜Ｃ８；Ｇ１〜Ｇ１２）が、前記第１〜第４の測定点（Ｒ１〜Ｒ４）の近傍における検出リング（２００）の弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の力覚センサにおいて、
第１の作用点（Ｑ１）がＸ軸正領域に、第１の固定点（Ｐ１）がＹ軸正領域に、第２の作用点（Ｑ２）がＸ軸負領域に、第２の固定点（Ｐ２）がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、
Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材（４１０）により、検出リング（２００）の前記第１の作用点（Ｑ１）近傍が受力リング（１００）に接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第２の接続部材（４２０）により、検出リング（２００）の前記第２の作用点（Ｑ２）近傍が受力リング（１００）に接続されており、
検出素子が、ＸＹ平面の第１象限、第２象限、第３象限、第４象限にそれぞれ配置された第１の測定点（Ｒ１）、第２の測定点（Ｒ２）、第３の測定点（Ｒ３）、第４の測定点（Ｒ４）の近傍における検出リング（２００）の弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の力覚センサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の測定点（Ｒ１）がＶ軸正領域に、第２の測定点（Ｒ２）がＷ軸正領域に、第３の測定点（Ｒ３）がＶ軸負領域に、第４の測定点（Ｒ４）がＷ軸負領域に、それぞれ配置されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の力覚センサにおいて、
検出リング（２００Ｂ）の輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個の作用点（Ｑ１１〜Ｑ１４）と複数ｎ個の固定点（Ｐ１１〜Ｐ１４）とが交互に配置されており、
前記検出リング（２００Ｂ）の前記ｎ個の作用点（Ｑ１１〜Ｑ１４）の近傍部分は、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部（Ｄ１〜Ｄ４）を構成し、
複数ｎ個の接続部材（４３１〜４３４）は前記各ダイアフラム部（Ｄ１〜Ｄ４）に接続されており、
検出素子（Ｃ１１〜Ｃ４５）が、前記各ダイアフラム部（Ｄ１〜Ｄ４）の弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の力覚センサにおいて、
検出リング（２００Ｂ）の輪郭に沿った環状路に、第１の作用点（Ｑ１１）、第１の固定点（Ｐ１１）、第２の作用点（Ｑ１２）、第２の固定点（Ｐ１２）、第３の作用点（Ｑ１３）、第３の固定点（Ｐ１３）、第４の作用点（Ｑ１４）、第４の固定点（Ｐ１４）の順に、４個の作用点および４個の固定点が配置されており、
前記検出リング（２００Ｂ）の前記第１の作用点（Ｑ１１）の近傍部分は第１のダイアフラム部（Ｄ１）を構成し、前記検出リング（２００Ｂ）の前記第２の作用点（Ｑ１２）の近傍部分は第２のダイアフラム部（Ｄ２）を構成し、前記検出リング（２００Ｂ）の前記第３の作用点（Ｑ１３）の近傍部分は第３のダイアフラム部（Ｄ３）を構成し、前記検出リング（２００Ｂ）の前記第４の作用点（Ｑ１４）の近傍部分は第４のダイアフラム部（Ｄ４）を構成し、
検出素子（Ｃ１１〜Ｃ４５）が、前記第１〜第４のダイアフラム部（Ｄ１〜Ｄ４）の弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の力覚センサにおいて、
第１の作用点（Ｑ１１）がＸ軸正領域に、第２の作用点（Ｑ１２）がＹ軸正領域に、第３の作用点（Ｑ１３）がＸ軸負領域に、第４の作用点（Ｑ１４）がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、第１のダイアフラム部（Ｄ１）がＸ軸正領域に位置し、第２のダイアフラム部（Ｄ２）がＹ軸正領域に位置し、第３のダイアフラム部（Ｄ３）がＸ軸負領域に位置し、第４のダイアフラム部（Ｄ４）がＹ軸負領域に位置し、
ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の固定点（Ｐ１１）がＶ軸正領域に、第２の固定点（Ｐ１２）がＷ軸正領域に、第３の固定点（Ｐ１３）がＶ軸負領域に、第４の固定点（Ｐ１４）がＷ軸負領域に、それぞれ配置されており、
Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材（４３１）により、第１のダイアフラム部（Ｄ１）が受力リング（１００Ｂ）に接続され、Ｙ軸正領域に沿って伸びる第２の接続部材（４３２）により、第２のダイアフラム部（Ｄ２）が受力リング（１００Ｂ）に接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第３の接続部材（４３３）により、第３のダイアフラム部（Ｄ３）が受力リング（１００Ｂ）に接続され、Ｙ軸負領域に沿って伸びる第４の接続部材（４３４）により、第４のダイアフラム部（Ｄ４）が受力リング（１００Ｂ）に接続されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
固定部材（５１０，５２０；５３１〜５３４）が、検出リング（２００；２００Ａ；２００Ｂ）の下面と支持基板（３００；３００Ａ；３００Ｂ）の上面とを接続することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力リング（１００）が外側、検出リング（２００）が内側となるように両リングが配置されており、
前記検出リング（２００）の更に内側に、下面が支持基板（３００）の上面に固定された固定補助体（３５０）が設けられており、
固定部材（５１５，５２５）が、前記検出リング（２００）の内周面と前記固定補助体（３５０）の外周面とを接続することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、受力リング（１００；１００Ａ）および検出リング（２００；２００Ａ）の上方に所定間隔をおいて配置された受力基板（６００；６００Ａ）を更に備え、
前記受力基板（６００；６００Ａ）の下面の一部は、受力リング（１００；１００Ａ）の上面に接続されており、
前記受力基板（６００；６００Ａ）の下面と検出リング（２００；２００Ａ）の上面との間には、所定の空隙部（Ｈ３）が形成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の力覚センサにおいて、
受力基板（６００Ａ）の下面外周部には、受力リング（１００Ａ）および検出リング（２００Ａ）を包摂する包摂筒状体（６５０）が接続されており、前記包摂筒状体（６５０）の下端部と支持基板（３００Ａ）の外周部との間には空隙部（Ｈ４，Ｈ５）が形成されており、
前記受力基板（６００Ａ）に所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、前記包摂筒状体（６５０）の下端部と前記支持基板（３００Ａ）の外周部とが接触して、前記受力基板（６００Ａ）の変位が制限されるように、前記空隙部（Ｈ４，Ｈ５）の寸法が設定されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力リング（１００）の所定箇所に上下に貫通する貫通孔（１０５，１０７）が形成され、前記受力リングの上面の前記貫通孔の位置に前記貫通孔よりも径の大きな溝部（１０１〜１０４）が形成されており、
前記貫通孔（１０５，１０７）を挿通して先端部が支持基板（３００）に固定され、頭部が前記溝部（１０１〜１０４）に収容された変位制御ネジ（１１１〜１１４）を更に備え、前記変位制御ネジと前記貫通孔の内面および前記溝部の内面との間には空隙部が形成されており、
前記受力リング（１００）に所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、前記変位制御ネジ（１１１〜１１４）と前記貫通孔の内面もしくは前記溝部の内面とが接触して、前記受力リング（１００）の変位が制限されるように、前記空隙部の寸法が設定されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力リング（１００；１００Ａ；１００Ｂ）が、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力リング（１００；１００Ａ；１００Ｂ）および検出リング（２００；２００Ａ；２００Ｂ）の双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出回路を構成する電子部品を実装した検出回路基板（３８０）が、支持基板（３００Ａ）の上面に設けられていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子（Ｃ１〜Ｃ１０；Ｃ１１〜Ｃ４５）が、検出リング（２００；２００Ａ；２００Ｂ）の所定の測定点（Ｒ１〜Ｒ４）の変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リング（２００）の測定点（Ｒ１〜Ｒ４）近傍の測定対象面と、受力リング（１００）の前記測定対象面に対向する対向基準面との距離（ｄ１′〜ｄ４′）を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１９】
請求項１７に記載の力覚センサにおいて、
受力リング（１００；１００Ａ；１００Ｂ）が外側、検出リング（２００；２００Ａ；２００Ｂ）が内側となるように両リングが配置されており、
前記検出リング（２００；２００Ａ；２００Ｂ）の更に内側に、下面が支持基板（３００；３００Ａ；３００Ｂ）の上面に固定された固定補助体（３５０）が設けられており、
検出素子が、検出リング（２００；２００Ａ；２００Ｂ）の内周面の、測定点（Ｒ１〜Ｒ４）近傍に位置する測定対象面と、前記固定補助体（３５０）の外周に位置し前記測定対象面に対向する対向基準面との距離（ｄ１〜ｄ４）を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２０】
請求項１７に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リング（２００；２００Ａ）の下面の、測定点（Ｒ１〜Ｒ４）近傍に位置する測定対象面と、支持基板（３００；３００Ａ）の上面に位置し前記測定対象面に対向する対向基準面との距離（ｄ５〜ｄ８；ｄ９，ｄ１０）を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２１】
請求項１８〜２０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、測定対象面に設けられた変位電極（Ｅ２１〜Ｅ３０）と、対向基準面に設けられた固定電極（Ｅ１１〜Ｅ２０）と、を有する容量素子（Ｃ１〜Ｃ１０）によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２２】
請求項２１に記載の力覚センサにおいて、
検出リング（２００）を可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として容量素子（Ｃ１〜Ｃ８）を構成したことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２３】
請求項１８〜２０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出リング（２００）の少なくとも測定対象面が導電性材料からなり、
検出素子が、対向基準面に設けられた渦電流変位計（Ｍ１〜Ｍ４）によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２４】
請求項１８〜２０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出リング（２００）の少なくとも測定対象面が磁石からなり、
検出素子が、対向基準面に設けられたホール素子（Ｍ１〜Ｍ４）によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２５】
請求項１８〜２０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子（Ｍ１〜Ｍ４）が、
対向基準面に固定され、測定対象面に対して斜め方向に光ビームを照射する光ビーム照射器と、
対向基準面に固定され、前記測定対象面で反射された光ビームを受光する光ビーム受光器と、
前記光ビーム受光器による光ビームの受光位置に基づいて距離測定値を出力する測定回路と、
によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２６】
請求項１〜１６のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子（Ｇ１〜Ｇ１２）が、検出リング（２００）の所定の測定点（Ｒ１〜Ｒ４）の近傍位置の機械的な歪みを電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２７】
請求項２６に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リング（２００）の測定点（Ｒ１〜Ｒ４）近傍の表面に、前記検出リング（２００）の輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられたストレインゲージ（Ｇ１〜Ｇ１２）によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２８】
請求項５に記載の力覚センサにおいて、
受力リング（１００）および検出リング（２００）の双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、
前記受力リング（１００）が外側、前記検出リング（２００）が内側となるように両リングが配置されており、
前記検出リング（２００）の更に内側に、下面が支持基板（３００）の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体（３５０）が設けられており、
検出素子が、
前記検出リング（２００）の内周面の第１の測定点（Ｒ１）近傍位置に配置された第１の変位電極（Ｅ２１）と、前記固定補助体（３５０）の外周面の前記第１の変位電極（Ｅ２１）に対向する位置に配置された第１の固定電極（Ｅ１１）とによって構成される第１の容量素子（Ｃ１）と、
前記検出リング（２００）の内周面の第２の測定点（Ｒ２）近傍位置に配置された第２の変位電極（Ｅ２２）と、前記固定補助体（３５０）の外周面の前記第２の変位電極（Ｅ２２）に対向する位置に配置された第２の固定電極（Ｅ１２）とによって構成される第２の容量素子（Ｃ２）と、
前記検出リング（２００）の内周面の第３の測定点（Ｒ３）近傍位置に配置された第３の変位電極（Ｅ２３）と、前記固定補助体（３５０）の外周面の前記第３の変位電極（Ｅ２３）に対向する位置に配置された第３の固定電極（Ｅ１３）とによって構成される第３の容量素子（Ｃ３）と、
前記検出リング（２００）の内周面の第４の測定点（Ｒ４）近傍位置に配置された第４の変位電極（Ｅ２４）と、前記固定補助体（３５０）の外周面の前記第４の変位電極（Ｅ２４）に対向する位置に配置された第４の固定電極（Ｅ１４）とによって構成される第４の容量素子（Ｃ４）と、
前記検出リング（２００）の下面の第１の測定点（Ｒ１）近傍位置に配置された第５の変位電極（Ｅ２５）と、前記支持基板（３００）の上面の前記第５の変位電極（Ｅ２５）に対向する位置に配置された第５の固定電極（Ｅ１５）とによって構成される第５の容量素子（Ｃ５）と、
前記検出リング（２００）の下面の第２の測定点（Ｒ２）近傍位置に配置された第６の変位電極（Ｅ２６）と、前記支持基板（３００）の上面の前記第６の変位電極（Ｅ２６）に対向する位置に配置された第６の固定電極（Ｅ１６）とによって構成される第６の容量素子（Ｃ６）と、
前記検出リング（２００）の下面の第３の測定点（Ｒ３）近傍位置に配置された第７の変位電極（Ｅ２７）と、前記支持基板（３００）の上面の前記第７の変位電極（Ｅ２７）に対向する位置に配置された第７の固定電極（Ｅ１７）とによって構成される第７の容量素子（Ｃ７）と、
前記検出リング（２００）の下面の第４の測定点（Ｒ４）近傍位置に配置された第８の変位電極（Ｅ２８）と、前記支持基板（３００）の上面の前記第８の変位電極（Ｅ２８）に対向する位置に配置された第８の固定電極（Ｅ１８）とによって構成される第８の容量素子（Ｃ８）と、
を有し、前記各容量素子（Ｃ１〜Ｃ８）を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、前記他方の電極の内部に包含され、
検出回路（３８０）が、前記第１の容量素子（Ｃ１）の静電容量値をＣ１、前記第２の容量素子（Ｃ２）の静電容量値をＣ２、前記第３の容量素子（Ｃ３）の静電容量値をＣ３、前記第４の容量素子（Ｃ４）の静電容量値をＣ４、前記第５の容量素子（Ｃ５）の静電容量値をＣ５、前記第６の容量素子（Ｃ６）の静電容量値をＣ６、前記第７の容量素子（Ｃ７）の静電容量値をＣ７、前記第８の容量素子（Ｃ８）の静電容量値をＣ８としたときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）
Ｍｘ＝（Ｃ７＋Ｃ８）−（Ｃ５＋Ｃ６）
Ｍｙ＝（Ｃ５＋Ｃ８）−（Ｃ６＋Ｃ７）
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｚ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２９】
請求項５に記載の力覚センサにおいて、
受力リング（１００）および検出リング（２００）の双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、
前記受力リング（１００）が外側、前記検出リング（２００）が内側となるように両リングが配置されており、
前記検出リング（２００）の更に内側に、下面が支持基板（３００）の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体（３５０）が設けられており、
検出素子が、第１の作用点（Ｑ１）を第５の測定点とし、第２の作用点（Ｑ２）を第６の測定点として、
前記検出リング（２００）の内周面の第１の測定点（Ｒ１）近傍位置に配置された第１の変位電極（Ｅ２１）と、前記固定補助体（３５０）の外周面の前記第１の変位電極（Ｅ２１）に対向する位置に配置された第１の固定電極（Ｅ１１）とによって構成される第１の容量素子（Ｃ１）と、
前記検出リング（２００）の内周面の第２の測定点（Ｒ２）近傍位置に配置された第２の変位電極（Ｅ２２）と、前記固定補助体（３５０）の外周面の前記第２の変位電極（Ｅ２２）に対向する位置に配置された第２の固定電極（Ｅ１２）とによって構成される第２の容量素子（Ｃ２）と、
前記検出リング（２００）の内周面の第３の測定点（Ｒ３）近傍位置に配置された第３の変位電極（Ｅ２３）と、前記固定補助体（３５０）の外周面の前記第３の変位電極（Ｅ２３）に対向する位置に配置された第３の固定電極（Ｅ１３）とによって構成される第３の容量素子（Ｃ３）と、
前記検出リング（２００）の内周面の第４の測定点（Ｒ４）近傍位置に配置された第４の変位電極（Ｅ２４）と、前記固定補助体（３５０）の外周面の前記第４の変位電極（Ｅ２４）に対向する位置に配置された第４の固定電極（Ｅ１４）とによって構成される第４の容量素子（Ｃ４）と、
前記検出リング（２００）の下面の第５の測定点（Ｑ１）近傍位置に配置された第５の変位電極（Ｅ２９）と、前記支持基板（３００）の上面の前記第５の変位電極（Ｅ２９）に対向する位置に配置された第５の固定電極（Ｅ１９）とによって構成される第５の容量素子（Ｃ９）と、
前記検出リング（２００）の下面の第６の測定点（Ｑ２）近傍位置に配置された第６の変位電極（Ｅ３０）と、前記支持基板（３００）の上面の前記第６の変位電極（Ｅ３０）に対向する位置に配置された第６の固定電極（Ｅ２０）とによって構成される第６の容量素子（Ｃ１０）と、
を有し、前記各容量素子（Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０）を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、前記他方の電極の内部に包含され、
検出回路（３８０）が、前記第１の容量素子（Ｃ１）の静電容量値をＣ１、前記第２の容量素子（Ｃ２）の静電容量値をＣ２、前記第３の容量素子（Ｃ３）の静電容量値をＣ３、前記第４の容量素子（Ｃ４）の静電容量値をＣ４、前記第５の容量素子（Ｃ９）の静電容量値をＣ９、前記第６の容量素子（Ｃ１０）の静電容量値をＣ１０としたときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ９＋Ｃ１０）
Ｍｙ＝Ｃ９−Ｃ１０
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３０】
請求項２８または２９に記載の力覚センサにおいて、
検出リング（２００）を可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として各容量素子（Ｃ１〜Ｃ１０）を構成したことを特徴とする力覚センサ。
【請求項３１】
請求項５に記載の力覚センサにおいて、
受力リング（１００）および検出リング（２００）の双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、
前記受力リング（１００）が外側、前記検出リング（２００）が内側となるように両リングが配置されており、
検出素子が、前記検出リング（２００）の第１〜第４の測定点（Ｒ１〜Ｒ４）近傍の表面に、前記検出リング（２００）の輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられた複数のストレインゲージ（Ｇ１〜Ｇ８）を有し、
前記検出リング（２００）の内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し、前記検出リング（２００）の上面および下面のいずれか一方を縦方向配置面と定義したときに、前記複数のストレインゲージは、
前記横方向配置面の第１の測定点（Ｒ１）近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージ（Ｇ１）と、
前記横方向配置面の第２の測定点（Ｒ２）近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージ（Ｇ２）と、
前記横方向配置面の第３の測定点（Ｒ３）近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージ（Ｇ３）と、
前記横方向配置面の第４の測定点（Ｒ４）近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージ（Ｇ４）と、
前記縦方向配置面の第１の測定点（Ｒ１）近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージ（Ｇ５）と、
前記縦方向配置面の第２の測定点（Ｒ２）近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージ（Ｇ６）と、
前記縦方向配置面の第３の測定点（Ｒ３）近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージ（Ｇ７）と、
前記縦方向配置面の第４の測定点（Ｒ４）近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージ（Ｇ８）と、
の８種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成され、
検出回路（３８０）が、
前記第１属性のストレインゲージ（Ｇ１）と前記第４属性のストレインゲージ（Ｇ４）とを第１の対辺とし、前記第２属性のストレインゲージ（Ｇ２）と前記第３属性のストレインゲージ（Ｇ３）とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値を出力し、
前記第１属性のストレインゲージ（Ｇ１）と前記第２属性のストレインゲージ（Ｇ２）とを第１の対辺とし、前記第３属性のストレインゲージ（Ｇ３）と前記第４属性のストレインゲージ（Ｇ４）とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージ（Ｇ５）と前記第６属性のストレインゲージ（Ｇ６）とを第１の対辺とし、前記第７属性のストレインゲージ（Ｇ７）と前記第８属性のストレインゲージ（Ｇ８）とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージ（Ｇ５）と前記第８属性のストレインゲージ（Ｇ８）とを第１の対辺とし、前記第６属性のストレインゲージ（Ｇ６）と前記第７属性のストレインゲージ（Ｇ７）とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値を出力し、
前記第１属性のストレインゲージ（Ｇ１）と前記第３属性のストレインゲージ（Ｇ３）とを第１の対辺とし、前記第２属性のストレインゲージ（Ｇ２）と前記第４属性のストレインゲージ（Ｇ４）とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３２】
請求項５に記載の力覚センサにおいて、
受力リング（１００）および検出リング（２００）の双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、
前記受力リング（１００）が外側、前記検出リング（２００）が内側となるように両リングが配置されており、
検出素子が、前記検出リング（２００）の第１〜第４の測定点（Ｒ１〜Ｒ４）近傍の表面に、前記検出リング（２００）の輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられた複数のストレインゲージ（Ｇ１〜Ｇ１２）を有し、
前記検出リング（２００）の内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し、前記検出リング（２００）の上面および下面のいずれか一方を第１縦方向配置面、他方を第２縦方向配置面と定義したときに、前記複数のストレインゲージは、
前記横方向配置面の第１の測定点（Ｒ１）近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージ（Ｇ１）と、
前記横方向配置面の第２の測定点（Ｒ２）近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージ（Ｇ２）と、
前記横方向配置面の第３の測定点（Ｒ３）近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージ（Ｇ３）と、
前記横方向配置面の第４の測定点（Ｒ４）近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージ（Ｇ４）と、
前記検出リング（２００）の前記第１縦方向配置面の第１の測定点（Ｒ１）近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージ（Ｇ５）と、
前記検出リング（２００）の前記第１縦方向配置面の第２の測定点（Ｒ２）近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージ（Ｇ６）と、
前記検出リング（２００）の前記第１縦方向配置面の第３の測定点（Ｒ３）近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージ（Ｇ７）と、
前記検出リング（２００）の前記第１縦方向配置面の第４の測定点（Ｒ４）近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージ（Ｇ８）と、
前記検出リング（２００）の前記第２縦方向配置面の第１の測定点（Ｒ１）近傍位置に取り付けられた第９属性のストレインゲージ（Ｇ９）と、
前記検出リング（２００）の前記第２縦方向配置面の第２の測定点（Ｒ２）近傍位置に取り付けられた第１０属性のストレインゲージ（Ｇ１０）と、
前記検出リング（２００）の前記第２縦方向配置面の第３の測定点（Ｒ３）近傍位置に取り付けられた第１１属性のストレインゲージ（Ｇ１１）と、
前記検出リング（２００）の前記第２縦方向配置面の第４の測定点（Ｒ４）近傍位置に取り付けられた第１２属性のストレインゲージ（Ｇ１２）と、
の１２種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成され、
検出回路（３８０）が、
前記第１属性のストレインゲージ（Ｇ１）と前記第４属性のストレインゲージ（Ｇ４）とを第１の対辺とし、前記第２属性のストレインゲージ（Ｇ２）と前記第３属性のストレインゲージ（Ｇ３）とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値を出力し、
前記第１属性のストレインゲージ（Ｇ１）と前記第２属性のストレインゲージ（Ｇ２）とを第１の対辺とし、前記第３属性のストレインゲージ（Ｇ３）と前記第４属性のストレインゲージ（Ｇ４）とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージ（Ｇ５）と前記第６属性のストレインゲージ（Ｇ６）との直列接続辺と、前記第７属性のストレインゲージ（Ｇ７）と前記第８属性のストレインゲージ（Ｇ８）との直列接続辺と、を第１の対辺とし、前記第９属性のストレインゲージ（Ｇ９）と前記第１０属性のストレインゲージ（Ｇ１０）との直列接続辺と、前記第１１属性のストレインゲージ（Ｇ１１）と前記第１２属性のストレインゲージ（Ｇ１２）との直列接続辺と、を第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージ（Ｇ５）と前記第６属性のストレインゲージ（Ｇ６）とを第１の対辺とし、前記第７属性のストレインゲージ（Ｇ７）と前記第８属性のストレインゲージ（Ｇ８）とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージ（Ｇ５）と前記第８属性のストレインゲージ（Ｇ８）とを第１の対辺とし、前記第６属性のストレインゲージ（Ｇ６）と前記第７属性のストレインゲージ（Ｇ７）とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値を出力し、
前記第１属性のストレインゲージ（Ｇ１）と前記第３属性のストレインゲージ（Ｇ３）とを第１の対辺とし、前記第２属性のストレインゲージ（Ｇ２）と前記第４属性のストレインゲージ（Ｇ４）とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３３】
請求項８に記載の力覚センサにおいて、
受力リング（１００Ｂ）および検出リング（２００Ｂ）の双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、
前記受力リング（１００Ｂ）が外側、前記検出リング（２００Ｂ）が内側となるように両リングが配置されており、
前記検出リング（２００Ｂ）の更に内側に、下面が支持基板（３００Ｂ）の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体（３５０Ｂ）が設けられており、
検出素子が、
前記検出リング（２００Ｂ）の内周面の第１のダイアフラム（Ｄ１）の部分に配置された複数の変位電極（Ｔ１１〜Ｔ１５）からなる第１変位電極群（Ｔ１０）と、前記固定補助体（３５０Ｂ）の外周面の前記第１変位電極群（Ｔ１０）の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極（Ｕ１１〜Ｕ１５）からなる第１固定電極群（Ｕ１０）と、によって構成される複数の容量素子（Ｃ１１〜Ｃ１５）からなる第１容量素子群（Ｃ１０）と、
前記検出リング（２００Ｂ）の内周面の第２のダイアフラム（Ｄ２）の部分に配置された複数の変位電極（Ｔ２１〜Ｔ２５）からなる第２変位電極群（Ｔ２０）と、前記固定補助体（３５０Ｂ）の外周面の前記第２変位電極群（Ｔ２０）の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極（Ｕ２１〜Ｕ２５）からなる第２固定電極群（Ｕ２０）と、によって構成される複数の容量素子（Ｃ２１〜Ｃ２５）からなる第２容量素子群（Ｃ２０）と、
前記検出リング（２００Ｂ）の内周面の第３のダイアフラム（Ｄ１）の部分に配置された複数の変位電極（Ｔ３１〜Ｔ３５）からなる第３変位電極群（Ｔ３０）と、前記固定補助体（３５０Ｂ）の外周面の前記第３変位電極群（Ｔ３０）の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極（Ｕ３１〜Ｕ３５）からなる第３固定電極群（Ｕ３０）と、によって構成される複数の容量素子（Ｃ３１〜Ｃ３５）からなる第３容量素子群（Ｃ３０）と、
前記検出リング（２００Ｂ）の内周面の第４のダイアフラム（Ｄ４）の部分に配置された複数の変位電極（Ｔ４１〜Ｔ４５）からなる第４変位電極群（Ｔ４０）と、前記固定補助体（３５０Ｂ）の外周面の前記第４変位電極群（Ｔ４０）の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極（Ｕ４１〜Ｕ４５）からなる第４固定電極群（Ｕ４０）と、によって構成される複数の容量素子（Ｃ４１〜Ｃ４５）からなる第４容量素子群（Ｃ４０）と、
を有し、前記各容量素子（Ｃ１１〜Ｃ１５，Ｃ２１〜Ｃ２５，Ｃ３１〜Ｃ３５，Ｃ４１〜Ｃ４５）を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、前記他方の電極の内部に包含され、
検出回路（３８０）が、前記各容量素子（Ｃ１１〜Ｃ１５，Ｃ２１〜Ｃ２５，Ｃ３１〜Ｃ３５，Ｃ４１〜Ｃ４５）の静電容量値に基づいて検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３４】
請求項３３に記載の力覚センサにおいて、
第１容量素子群（Ｃ１０）が、Ｘ軸上に配置された第１群の軸上容量素子（Ｃ１５）と、前記第１群の軸上容量素子（Ｃ１５）に対してＹ軸正方向に隣接配置された第１群の第１容量素子（Ｃ１１）と、前記第１群の軸上容量素子（Ｃ１５）に対してＹ軸負方向に隣接配置された第１群の第２容量素子（Ｃ１２）と、前記第１群の軸上容量素子（Ｃ１５）に対してＺ軸正方向に隣接配置された第１群の第３容量素子（Ｃ１３）と、前記第１群の軸上容量素子（Ｃ１５）に対してＺ軸負方向に隣接配置された第１群の第４容量素子（Ｃ１４）と、を有し、
第２容量素子群（Ｃ２０）が、Ｙ軸上に配置された第２群の軸上容量素子（Ｃ２５）と、前記第２群の軸上容量素子（Ｃ２５）に対してＸ軸正方向に隣接配置された第２群の第１容量素子（Ｃ２１）と、前記第２群の軸上容量素子（Ｃ２５）に対してＸ軸負方向に隣接配置された第２群の第２容量素子（Ｃ２２）と、前記第２群の軸上容量素子（Ｃ２５）に対してＺ軸正方向に隣接配置された第２群の第３容量素子（Ｃ２３）と、前記第２群の軸上容量素子（Ｃ２５）に対してＺ軸負方向に隣接配置された第２群の第４容量素子（Ｃ２４）と、を有し、
第３容量素子群（Ｃ３０）が、Ｘ軸上に配置された第３群の軸上容量素子（Ｃ３５）と、前記第３群の軸上容量素子（Ｃ３５）に対してＹ軸正方向に隣接配置された第３群の第１容量素子（Ｃ３１）と、前記第３群の軸上容量素子（Ｃ３５）に対してＹ軸負方向に隣接配置された第３群の第２容量素子（Ｃ３２）と、前記第３群の軸上容量素子（Ｃ３５）に対してＺ軸正方向に隣接配置された第３群の第３容量素子（Ｃ３３）と、前記第３群の軸上容量素子（Ｃ３５）に対してＺ軸負方向に隣接配置された第３群の第４容量素子（Ｃ３４）と、を有し、
第４容量素子群（Ｃ４０）が、Ｙ軸上に配置された第４群の軸上容量素子（Ｃ４５）と、前記第４群の軸上容量素子（Ｃ４５）に対してＸ軸正方向に隣接配置された第４群の第１容量素子（Ｃ４１）と、前記第４群の軸上容量素子（Ｃ４５）に対してＸ軸負方向に隣接配置された第４群の第２容量素子（Ｃ４２）と、前記第４群の軸上容量素子（Ｃ４５）に対してＺ軸正方向に隣接配置された第４群の第３容量素子（Ｃ４３）と、前記第４群の軸上容量素子（Ｃ４５）に対してＺ軸負方向に隣接配置された第４群の第４容量素子（Ｃ４４）と、を有し、
検出回路（３８０）が、
前記第１群の第１容量素子（Ｃ１１）の静電容量値をＣ１１、前記第１群の第２容量素子（Ｃ１２）の静電容量値をＣ１２、前記第１群の第３容量素子（Ｃ１３）の静電容量値をＣ１３、前記第１群の第４容量素子（Ｃ１４）の静電容量値をＣ１４、前記第１群の軸上容量素子（Ｃ１５）の静電容量値をＣ１５とし、
前記第２群の第１容量素子（Ｃ２１）の静電容量値をＣ２１、前記第２群の第２容量素子（Ｃ２２）の静電容量値をＣ２２、前記第２群の第３容量素子（Ｃ２３）の静電容量値をＣ２３、前記第２群の第４容量素子（Ｃ２４）の静電容量値をＣ２４、前記第２群の軸上容量素子（Ｃ２５）の静電容量値をＣ２５とし、
前記第３群の第１容量素子（Ｃ３１）の静電容量値をＣ３１、前記第３群の第２容量素子（Ｃ３２）の静電容量値をＣ３２、前記第３群の第３容量素子（Ｃ３３）の静電容量値をＣ３３、前記第３群の第４容量素子（Ｃ３４）の静電容量値をＣ３４、前記第３群の軸上容量素子（Ｃ３５）の静電容量値をＣ３５とし、
前記第４群の第１容量素子（Ｃ４１）の静電容量値をＣ４１、前記第４群の第２容量素子（Ｃ４２）の静電容量値をＣ４２、前記第４群の第３容量素子（Ｃ４３）の静電容量値をＣ４３、前記第４群の第４容量素子（Ｃ４４）の静電容量値をＣ４４、前記第４群の軸上容量素子（Ｃ４５）の静電容量値をＣ４５としたときに、
Ｆｘ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４＋Ｃ３５）  または
＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４）  または
＝−Ｃ１５＋Ｃ３５
Ｆｙ＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４＋Ｃ２５）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４＋Ｃ４５）  または
＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４）  または
＝−Ｃ２５＋Ｃ４５
Ｆｚ＝  （Ｃ１３＋Ｃ２３＋Ｃ３３＋Ｃ４３）
−（Ｃ１４＋Ｃ２４＋Ｃ３４＋Ｃ４４）
Ｍｘ＝  （Ｃ２３＋Ｃ４４）−（Ｃ２４＋Ｃ４３）
Ｍｙ＝  （Ｃ１４＋Ｃ３３）−（Ｃ１３＋Ｃ３４）
Ｍｚ＝  （Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３２＋Ｃ４２）
−（Ｃ１２＋Ｃ２２＋Ｃ３１＋Ｃ４１）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３５】
請求項３３または３４に記載の力覚センサにおいて、
検出リング（２００Ｂ）の少なくともダイアフラム部（Ｄ１〜Ｄ４）を可撓性をもった導電性材料によって構成し、このダイアフラム部の表面を共通変位電極として各容量素子（Ｃ１１〜Ｃ１５，Ｃ２１〜Ｃ２５，Ｃ３１〜Ｃ３５，Ｃ４１〜Ｃ４５）を構成したことを特徴とする力覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサに関し、特に、三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを検出するのに適した薄型のセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットや産業機械の動作制御を行うために、種々のタイプの力覚センサが利用されている。また、電子機器の入力装置のマン・マシンインターフェイスとしても、小型の力覚センサが組み込まれている。このような用途に用いる力覚センサには、小型化およびコストダウンを図るために、できるだけ構造を単純にするとともに、三次元空間内での各座標軸に関する力をそれぞれ独立して検出できるようにすることが要求される。
現在、一般に利用されている多軸力覚センサは、機械的構造部に作用した力の特定の方向成分を、特定の部分に生じた変位として検出するタイプのものと、特定の部分に生じた機械的な歪みとして検出するタイプのものに分類される。前者の変位検出タイプの代表格は、静電容量素子式の力覚センサであり、一対の電極により容量素子を構成しておき、作用した力によって一方の電極に生じた変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出するものである。たとえば、特開２００４−３２５３６７号公報（米国特許第７２１９５６１号公報）や特開２００４−３５４０４９号公報（米国特許第６９１５７０９号公報）には、この静電容量式の多軸力覚センサが開示されている。
一方、後者の機械的な歪み検出タイプの代表格は、歪みゲージ式の力覚センサであり、作用した力によって生じた機械的な歪みを、ストレインゲージなどの電気抵抗の変化として検出するものである。たとえば、特開平８−１２２１７８号公報（米国特許第５４９０４２７号公報）には、この歪みゲージ式の多軸力覚センサが開示されている。
しかしながら、上述した各特許文献に開示されている多軸力覚センサは、いずれも機械的構造部の厚みが大きくならざるを得ず、装置全体を薄型化することが困難である。その一方で、ロボット、産業機械、電子機器用入力装置などの分野では、より薄型の力覚センサの登場が望まれている。そこで本発明は、構造が単純で薄型化を図ることが可能な力覚センサを提供することを目的とする。
【発明の開示】
【０００３】
（１）  本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサにおいて、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力リングと、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に、かつ、受力リングの内側もしくは外側に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる検出リングと、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、受力リングおよび検出リングの下方に所定間隔をおいて配置された支持基板と、
検出リングを所定の作用点の位置において受力リングに接続する接続部材と、
検出リングを所定の固定点の位置において支持基板に固定する固定部材と、
検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
検出素子の検出結果に基づいて、支持基板を固定した状態において、受力リングに作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を設け、
作用点のＸＹ平面への投影像と固定点のＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成されるようにしたものである。
（２）  本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個の作用点と複数ｎ個の固定点とを交互に配置し、
検出素子が、隣接配置された作用点と固定点との間の位置に定義された測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
（３）  本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、第１の作用点、第１の固定点、第２の作用点、第２の固定点の順に、２個の作用点および２個の固定点を配置し、
環状路における第１の作用点と第１の固定点との間の位置に配置された第１の測定点、環状路における第１の固定点と第２の作用点との間の位置に配置された第２の測定点、環状路における第２の作用点と第２の固定点との間の位置に配置された第３の測定点、環状路における第２の固定点と第１の作用点との間の位置に配置された第４の測定点をそれぞれ定義したときに、検出素子が、第１〜第４の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
（４）  本発明の第４の態様は、上述した第３の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の作用点がＸ軸正領域に、第１の固定点がＹ軸正領域に、第２の作用点がＸ軸負領域に、第２の固定点がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、
Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材により、検出リングの第１の作用点近傍が受力リングに接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第２の接続部材により、検出リングの第２の作用点近傍が受力リングに接続されており、
検出素子が、ＸＹ平面の第１象限、第２象限、第３象限、第４象限にそれぞれ配置された第１の測定点、第２の測定点、第３の測定点、第４の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
（５）  本発明の第５の態様は、上述した第４の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の測定点がＶ軸正領域に、第２の測定点がＷ軸正領域に、第３の測定点がＶ軸負領域に、第４の測定点がＷ軸負領域に、それぞれ配置されているようにしたものである。
（６）  本発明の第６の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個の作用点と複数ｎ個の固定点とが交互に配置されており、
検出リングのｎ個の作用点の近傍部分は、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部を構成し、
複数ｎ個の接続部材は各ダイアフラム部に接続されており、
検出素子が、各ダイアフラム部の弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
（７）  本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、第１の作用点、第１の固定点、第２の作用点、第２の固定点、第３の作用点、第３の固定点、第４の作用点、第４の固定点の順に、４個の作用点および４個の固定点が配置されており、
検出リングの第１の作用点の近傍部分は第１のダイアフラム部を構成し、検出リングの第２の作用点の近傍部分は第２のダイアフラム部を構成し、検出リングの第３の作用点の近傍部分は第３のダイアフラム部を構成し、検出リングの第４の作用点の近傍部分は第４のダイアフラム部を構成し、
検出素子が、第１〜第４のダイアフラム部の弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
（８）  本発明の第８の態様は、上述した第７の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の作用点がＸ軸正領域に、第２の作用点がＹ軸正領域に、第３の作用点がＸ軸負領域に、第４の作用点がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、第１のダイアフラム部がＸ軸正領域に位置し、第２のダイアフラム部がＹ軸正領域に位置し、第３のダイアフラム部がＸ軸負領域に位置し、第４のダイアフラム部がＹ軸負領域に位置し、
ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の固定点がＶ軸正領域に、第２の固定点がＷ軸正領域に、第３の固定点がＶ軸負領域に、第４の固定点がＷ軸負領域に、それぞれ配置されており、
Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材により、第１のダイアフラム部が受力リングに接続され、Ｙ軸正領域に沿って伸びる第２の接続部材により、第２のダイアフラム部が受力リングに接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第３の接続部材により、第３のダイアフラム部が受力リングに接続され、Ｙ軸負領域に沿って伸びる第４の接続部材により、第４のダイアフラム部が受力リングに接続されているようにしたものである。
（９）  本発明の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る力覚センサにおいて、
固定部材が、検出リングの下面と支持基板の上面とを接続するようにしたものである。
（１０）  本発明の第１０の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングが配置されており、
検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定された固定補助体が設けられており、
固定部材が、検出リングの内周面と固定補助体の外周面とを接続するようにしたものである。
（１１）  本発明の第１１の態様は、上述した第１〜第１０の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、受力リングおよび検出リングの上方に所定間隔をおいて配置された受力基板を更に設け、
受力基板の下面の一部は、受力リングの上面に接続されており、
受力基板の下面と検出リングの上面との間には、所定の空隙部が形成されているようにしたものである。
（１２）  本発明の第１２の態様は、上述した第１１の態様に係る力覚センサにおいて、
受力基板の下面外周部には、受力リングおよび検出リングを包摂する包摂筒状体が接続されており、包摂筒状体の下端部と支持基板の外周部との間には空隙部が形成されており、
受力基板に所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、包摂筒状体の下端部と支持基板の外周部とが接触して、受力基板の変位が制限されるように、空隙部の寸法が設定されているようにしたものである。
（１３）  本発明の第１３の態様は、上述した第１〜第１２の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングの所定箇所に上下に貫通する貫通孔を形成し、受力リングの上面の貫通孔の位置に当該貫通孔よりも径の大きな溝部を形成し、
貫通孔を挿通して先端部が支持基板に固定され、頭部が溝部に収容された変位制御ネジを更に設け、変位制御ネジと貫通孔の内面および溝部の内面との間には空隙部が形成されるようにし、
受力リングに所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、変位制御ネジと貫通孔の内面もしくは溝部の内面とが接触して、受力リングの変位が制限されるように、空隙部の寸法を設定したものである。
（１４）  本発明の第１４の態様は、上述した第１〜第１３の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングを、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成したものである。
（１５）  本発明の第１５の態様は、上述した第１〜第１４の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングによって構成したものである。
（１６）  本発明の第１６の態様は、上述した第１〜第１５の態様に係る力覚センサにおいて、
検出回路を構成する電子部品を実装した検出回路基板を、支持基板の上面に設けるようにしたものである。
（１７）  本発明の第１７の態様は、上述した第１〜第１６の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子により、検出リングの所定の測定点の変位を電気的に検出するようにしたものである。
（１８）  本発明の第１８の態様は、上述した第１７の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの測定点近傍の測定対象面と、受力リングの測定対象面に対向する対向基準面との距離を電気的に検出するようにしたものである。
（１９）  本発明の第１９の態様は、上述した第１７の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングを配置し、
検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定された固定補助体を設け、
検出素子が、検出リングの内周面の、測定点近傍に位置する測定対象面と、固定補助体の外周に位置し測定対象面に対向する対向基準面との距離を電気的に検出するようにしたものである。
（２０）  本発明の第２０の態様は、上述した第１７の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの下面の、測定点近傍に位置する測定対象面と、支持基板の上面に位置し測定対象面に対向する対向基準面との距離を電気的に検出するようにしたものである。
（２１）  本発明の第２１の態様は、上述した第１８〜第２０の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子を、測定対象面に設けられた変位電極と、対向基準面に設けられた固定電極と、を有する容量素子によって構成したものである。
（２２）  本発明の第２２の態様は、上述した第２１の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として容量素子を構成したものである。
（２３）  本発明の第２３の態様は、上述した第１８〜第２０の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの少なくとも測定対象面を導電性材料によって構成し、
検出素子を、対向基準面に設けられた渦電流変位計によって構成したものである。
（２４）  本発明の第２４の態様は、上述した第１８〜第２０の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの少なくとも測定対象面を磁石によって構成し、
検出素子を、対向基準面に設けられたホール素子によって構成したものである。
（２５）  本発明の第２５の態様は、上述した第１８〜第２０の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子を、
対向基準面に固定され、測定対象面に対して斜め方向に光ビームを照射する光ビーム照射器と、
対向基準面に固定され、測定対象面で反射された光ビームを受光する光ビーム受光器と、
光ビーム受光器による光ビームの受光位置に基づいて距離測定値を出力する測定回路と、
によって構成したものである。
（２６）  本発明の第２６の態様は、上述した第１〜第１６の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの所定の測定点の近傍位置の機械的な歪みを電気的に検出するようにしたものである。
（２７）  本発明の第２７の態様は、上述した第２６の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子を、検出リングの測定点近傍の表面に、検出リングの輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられたストレインゲージによって構成したものである。
（２８）  本発明の第２８の態様は、上述した第５の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングによって構成し、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングを配置し、
検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体を設け、
検出素子を、
検出リングの内周面の第１の測定点近傍位置に配置された第１の変位電極と、固定補助体の外周面の第１の変位電極に対向する位置に配置された第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子と、
検出リングの内周面の第２の測定点近傍位置に配置された第２の変位電極と、固定補助体の外周面の第２の変位電極に対向する位置に配置された第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子と、
検出リングの内周面の第３の測定点近傍位置に配置された第３の変位電極と、固定補助体の外周面の第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極とによって構成される第３の容量素子と、
検出リングの内周面の第４の測定点近傍位置に配置された第４の変位電極と、固定補助体の外周面の第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極とによって構成される第４の容量素子と、
検出リングの下面の第１の測定点近傍位置に配置された第５の変位電極と、支持基板の上面の第５の変位電極に対向する位置に配置された第５の固定電極とによって構成される第５の容量素子と、
検出リングの下面の第２の測定点近傍位置に配置された第６の変位電極と、支持基板の上面の第６の変位電極に対向する位置に配置された第６の固定電極とによって構成される第６の容量素子と、
検出リングの下面の第３の測定点近傍位置に配置された第７の変位電極と、支持基板の上面の第７の変位電極に対向する位置に配置された第７の固定電極とによって構成される第７の容量素子と、
検出リングの下面の第４の測定点近傍位置に配置された第８の変位電極と、支持基板の上面の第８の変位電極に対向する位置に配置された第８の固定電極とによって構成される第８の容量素子と、
によって構成し、各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が、当該他方の電極の内部に包含されるようにし、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値をＣ１、第２の容量素子の静電容量値をＣ２、第３の容量素子の静電容量値をＣ３、第４の容量素子の静電容量値をＣ４、第５の容量素子の静電容量値をＣ５、第６の容量素子の静電容量値をＣ６、第７の容量素子の静電容量値をＣ７、第８の容量素子の静電容量値をＣ８としたときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）
Ｍｘ＝（Ｃ７＋Ｃ８）−（Ｃ５＋Ｃ６）
Ｍｙ＝（Ｃ５＋Ｃ８）−（Ｃ６＋Ｃ７）
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。
（２９）  本発明の第２９の態様は、上述した第５の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングによって構成し、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングを配置し、
検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体を設け、
検出素子を、第１の作用点を第５の測定点とし、第２の作用点を第６の測定点として、
検出リングの内周面の第１の測定点近傍位置に配置された第１の変位電極と、固定補助体の外周面の第１の変位電極に対向する位置に配置された第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子と、
検出リングの内周面の第２の測定点近傍位置に配置された第２の変位電極と、固定補助体の外周面の第２の変位電極に対向する位置に配置された第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子と、
検出リングの内周面の第３の測定点近傍位置に配置された第３の変位電極と、固定補助体の外周面の第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極とによって構成される第３の容量素子と、
検出リングの内周面の第４の測定点近傍位置に配置された第４の変位電極と、固定補助体の外周面の第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極とによって構成される第４の容量素子と、
検出リングの下面の第５の測定点近傍位置に配置された第５の変位電極と、支持基板の上面の第５の変位電極に対向する位置に配置された第５の固定電極とによって構成される第５の容量素子と、
検出リングの下面の第６の測定点近傍位置に配置された第６の変位電極と、支持基板の上面の第６の変位電極に対向する位置に配置された第６の固定電極とによって構成される第６の容量素子と、
によって構成し、各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が、当該他方の電極の内部に包含されるようにし、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値をＣ１、第２の容量素子の静電容量値をＣ２、第３の容量素子の静電容量値をＣ３、第４の容量素子の静電容量値をＣ４、第５の容量素子の静電容量値をＣ９、第６の容量素子の静電容量値をＣ１０としたときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ９＋Ｃ１０）
Ｍｙ＝Ｃ９−Ｃ１０
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。
（３０）  本発明の第３０の態様は、上述した第２８または第２９の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として各容量素子を構成したものである。
（３１）  本発明の第３１の態様は、上述した第５の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングによって構成し、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングを配置し、
検出素子を、検出リングの第１〜第４の測定点近傍の表面に、検出リングの輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられた複数のストレインゲージによって構成し、
検出リングの内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し、検出リングの上面および下面のいずれか一方を縦方向配置面と定義したときに、複数のストレインゲージは、
横方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージと、
横方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージと、
横方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージと、
横方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージと、
縦方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージと、
縦方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージと、
縦方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージと、
縦方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージと、
の８種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成されるようにし、
検出回路が、
第１属性のストレインゲージと第４属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージと第３属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値を出力し、
第１属性のストレインゲージと第２属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第３属性のストレインゲージと第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値を出力し、
第５属性のストレインゲージと第６属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第７属性のストレインゲージと第８属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値を出力し、
第５属性のストレインゲージと第８属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第６属性のストレインゲージと第７属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値を出力し、
第１属性のストレインゲージと第３属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージと第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。
（３２）  本発明の第３２の態様は、上述した第５の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングによって構成し、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングを配置し、
検出素子を、検出リングの第１〜第４の測定点近傍の表面に、検出リングの輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられた複数のストレインゲージによって構成し、検出リングの内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し、検出リングの上面および下面のいずれか一方を第１縦方向配置面、他方を第２縦方向配置面と定義したときに、複数のストレインゲージは、
横方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージと、
横方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージと、
横方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージと、
横方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージと、
検出リングの第１縦方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージと、
検出リングの第１縦方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージと、
検出リングの第１縦方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージと、
検出リングの第１縦方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージと、
検出リングの第２縦方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第９属性のストレインゲージと、
検出リングの第２縦方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第１０属性のストレインゲージと、
検出リングの第２縦方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第１１属性のストレインゲージと、
検出リングの第２縦方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第１２属性のストレインゲージと、
の１２種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成されるようにし、
検出回路が、
第１属性のストレインゲージと第４属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージと第３属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値を出力し、
第１属性のストレインゲージと第２属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第３属性のストレインゲージと第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値を出力し、
第５属性のストレインゲージと第６属性のストレインゲージとの直列接続辺と、第７属性のストレインゲージと第８属性のストレインゲージとの直列接続辺と、を第１の対辺とし、第９属性のストレインゲージと第１０属性のストレインゲージとの直列接続辺と、第１１属性のストレインゲージと第１２属性のストレインゲージとの直列接続辺と、を第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値を出力し、
第５属性のストレインゲージと第６属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第７属性のストレインゲージと第８属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値を出力し、
第５属性のストレインゲージと第８属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第６属性のストレインゲージと第７属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値を出力し、
第１属性のストレインゲージと第３属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージと第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。
（３３）  本発明の第３３の態様は、上述した第８の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングによって構成し、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングを配置し、
検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体を設け、
検出素子を、
検出リングの内周面の第１のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第１変位電極群と、固定補助体の外周面の第１変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第１固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第１容量素子群と、
検出リングの内周面の第２のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第２変位電極群と、固定補助体の外周面の第２変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第２固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第２容量素子群と、
検出リングの内周面の第３のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第３変位電極群と、固定補助体の外周面の第３変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第３固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第３容量素子群と、
検出リングの内周面の第４のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第４変位電極群と、固定補助体の外周面の第４変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第４固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第４容量素子群と、
によって構成し、各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が、当該他方の電極の内部に包含されるようにし、
検出回路が、各容量素子の静電容量値に基づいて検出値を出力するようにしたものである。
（３４）  本発明の第３４の態様は、上述した第３３の態様に係る力覚センサにおいて、
第１容量素子群が、Ｘ軸上に配置された第１群の軸上容量素子と、第１群の軸上容量素子に対してＹ軸正方向に隣接配置された第１群の第１容量素子と、第１群の軸上容量素子に対してＹ軸負方向に隣接配置された第１群の第２容量素子と、第１群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第１群の第３容量素子と、第１群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第１群の第４容量素子と、を有し、
第２容量素子群が、Ｙ軸上に配置された第２群の軸上容量素子と、第２群の軸上容量素子に対してＸ軸正方向に隣接配置された第２群の第１容量素子と、第２群の軸上容量素子に対してＸ軸負方向に隣接配置された第２群の第２容量素子と、第２群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第２群の第３容量素子と、第２群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第２群の第４容量素子と、を有し、
第３容量素子群が、Ｘ軸上に配置された第３群の軸上容量素子と、第３群の軸上容量素子に対してＹ軸正方向に隣接配置された第３群の第１容量素子と、第３群の軸上容量素子に対してＹ軸負方向に隣接配置された第３群の第２容量素子と、第３群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第３群の第３容量素子と、第３群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第３群の第４容量素子と、を有し、
第４容量素子群が、Ｙ軸上に配置された第４群の軸上容量素子と、第４群の軸上容量素子に対してＸ軸正方向に隣接配置された第４群の第１容量素子と、第４群の軸上容量素子に対してＸ軸負方向に隣接配置された第４群の第２容量素子と、第４群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第４群の第３容量素子と、第４群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第４群の第４容量素子と、を有し、
検出回路が、
第１群の第１容量素子の静電容量値をＣ１１、第１群の第２容量素子の静電容量値をＣ１２、第１群の第３容量素子の静電容量値をＣ１３、第１群の第４容量素子の静電容量値をＣ１４、第１群の軸上容量素子の静電容量値をＣ１５とし、
第２群の第１容量素子の静電容量値をＣ２１、第２群の第２容量素子の静電容量値をＣ２２、第２群の第３容量素子の静電容量値をＣ２３、第２群の第４容量素子の静電容量値をＣ２４、第２群の軸上容量素子の静電容量値をＣ２５とし、
第３群の第１容量素子の静電容量値をＣ３１、第３群の第２容量素子の静電容量値をＣ３２、第３群の第３容量素子の静電容量値をＣ３３、第３群の第４容量素子の静電容量値をＣ３４、第３群の軸上容量素子の静電容量値をＣ３５とし、
第４群の第１容量素子の静電容量値をＣ４１、第４群の第２容量素子の静電容量値をＣ４２、第４群の第３容量素子の静電容量値をＣ４３、第４群の第４容量素子の静電容量値をＣ４４、第４群の軸上容量素子の静電容量値をＣ４５としたときに、
Ｆｘ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４＋Ｃ３５）  または
＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４）  または
＝−Ｃ１５＋Ｃ３５
Ｆｙ＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４＋Ｃ２５）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４＋Ｃ４５）  または
＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４）  または
＝−Ｃ２５＋Ｃ４５
Ｆｚ＝  （Ｃ１３＋Ｃ２３＋Ｃ３３＋Ｃ４３）
−（Ｃ１４＋Ｃ２４＋Ｃ３４＋Ｃ４４）
Ｍｘ＝  （Ｃ２３＋Ｃ４４）−（Ｃ２４＋Ｃ４３）
Ｍｙ＝  （Ｃ１４＋Ｃ３３）−（Ｃ１３＋Ｃ３４）
Ｍｚ＝  （Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３２＋Ｃ４２）
−（Ｃ１２＋Ｃ２２＋Ｃ３１＋Ｃ４１）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。
（３５）  本発明の第３５の態様は、上述した第３３または第３４の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの少なくともダイアフラム部を可撓性をもった導電性材料によって構成し、このダイアフラム部の表面を共通変位電極として各容量素子を構成したものである。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）および側面図（下段の図）である。
図２は、図１に示す基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＸＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。
図３は、図１に示す基本構造部の支持基板３００および固定部材５１０，５２０の上面図（上段の図）、ならびに、この基本構造部をＹＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。
図４は、図１に示す基本構造部の受力リング１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図（上段の図）およびＸＺ平面における縦断面図（下段の図）である。
図５は、図１に示す基本構造部の受力リング１００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。
図６は、図１に示す基本構造部の受力リング１００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。
図７は、図１に示す基本構造部の受力リング１００にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図である。
図８は、図１に示す基本構造部に、変位検出用の固定補助体３５０を付加した実施形態を示す上面図（上段の図）および側面図（下段の図）である。
図９は、図８に示す基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。
図１０は、図８に示す基本構造部における距離測定箇所を示す上面図である。
図１１は、図１０に示す基本構造部に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの距離ｄ１〜ｄ８の変化を示すテーブルである。
図１２は、図８に示す基本構造部における距離測定箇所の変形例を示す上面図である。
図１３は、図１２に示す基本構造部に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０の変化を示すテーブルである。
図１４は、容量素子を用いた実施形態に係る力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。
図１５は、図１４に示す力覚センサで用いられている各容量素子の対向電極のサイズの関係を示す斜視図である。
図１６は、図１４に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変化を示すテーブルである。
図１７は、図１４に示す力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
図１８は、図１４に示す力覚センサに用いる検出回路を示す回路図である。
図１９は、図１２に示す変形例に係る力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０の静電容量値の変化を示すテーブルである。
図２０は、図１２に示す変形例に係る力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める式を示す図である。
図２１は、導電性材料によって構成された検出リング２００自身を、複数の変位電極として利用した変形例に係る力覚センサを、ＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。
図２２は、ストレインゲージを用いた実施形態に係る力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図である（図示されているストレインゲージＧ１〜Ｇ８は、実際には、それぞれ互いに平行な複数本のストレインゲージによって構成される）。
図２３は、図２２に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときのストレインゲージＧ１〜Ｇ８の電気抵抗の変化を示すテーブルである。
図２４は、図２２に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときのストレインゲージＧ１〜Ｇ８に加わる応力（単位：ＭＰａ）の具体的な測定値を示すテーブルである。
図２５は、図２２に示す実施形態に、更に、ストレインゲージＧ９〜Ｇ１２を付加した変形例に係る力覚センサの上面図である。
図２６は、図２５に示す変形例に係る力覚センサにおいて、各座標軸方向の力を検出するための検出回路を示す回路図である。
図２７は、図２５に示す変形例に係る力覚センサにおいて、各座標軸まわりのモーメントを検出するための検出回路を示す回路図である。
図２８は、図１に示す基本構造部に、受力基板６００を付加した形態を示すＸＺ平面における縦断面図である。
図２９は、図１に示す基本構造部における検出リング２００の固定方法を変えた変形例を示す上面図である。
図３０は、図１に示す基本構造部に、変位制御構造を付加した例を示す上面図である。
図３１は、図３０に示す例をＸＺ平面で切断した縦断面図である。
図３２は、容量素子を用いた実用的な実施例に係る力覚センサの上面図である。
図３３は、図３２に示す力覚センサをＸＺ平面で切断した縦断面図である。
図３４は、図３２に示す力覚センサをＶＺ平面で切断した縦断面図である。
図３５は、ダイアフラム部を形成した実施形態の基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＸＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。
図３６は、図３５に示す基本構造部をＶＺ平面で切断した縦断面図である。
図３７は、図３５に示す基本構造部に容量素子を付加することにより構成された力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図である。
図３８は、図３７に示す力覚センサに用いられている各容量素子の電極構成を示すテーブルである（それぞれＺ軸正方向を上方にとり、図３８の視点ｅ１〜ｅ４から見た状態を示している）。
図３９は、図３７に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値の変化を示すテーブルである。
図４０は、図３７に示す力覚センサに対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である（説明の便宜上、各部はデフォルメされている）。
図４１は、図３７に示す力覚センサに対して、Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図である（説明の便宜上、各部はデフォルメされている）。
図４２は、図３７に示す力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める式を示す図である。
図４３は、図３７に示す力覚センサのダイアフラム部の変形例を示す正面図である。
図４４は、図３７に示す力覚センサの電極群の変形例を示す平面図である（ハッチングは、各電極の形状を明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない）。
図４５は、渦電流変位計／ホール素子／光ビーム距離測定器を用いた変形例に係る力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図である。
図４６は、渦電流変位計による距離測定原理を示す斜視図およびブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
＜＜＜  §１．  力覚センサの基本構造および原理  ＞＞＞
はじめに、本発明に係る力覚センサの基本構造部の構成と、この基本構造部を利用した力およびモーメントの検出原理を説明する。本発明に係る力覚センサは、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する機能を有している。そこで、以下、この力覚センサの基本構造部の構成を、ＸＹＺ三次元直交座標系に配置された状態について説明する。
図１は、本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）および側面図（下段の図）である。上面図では、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸が配置されており、紙面に垂直な手前方向がＺ軸方向になる。一方、側面図では、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸が配置されており、紙面に垂直な奥行き方向がＹ軸方向になる。図示のとおり、この基本構造部は、受力リング１００、検出リング２００、支持基板３００、接続部材４１０，４２０、固定部材５１０，５２０によって構成されている。
受力リング１００は、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形平板状（ワッシャ状）のリングであり、外周面も内周面も円柱面を構成する。受力リング１００の役割は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受けることにあり、より詳しく説明すれば、検出対象となる力もしくはモーメントを検出リング２００に伝達することにある。
一方、検出リング２００は、受力リング１００と同様に、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形平板状（ワッシャ状）のリングであり、外周面も内周面も円柱面を構成する。ここに示す例の場合、検出リング２００は、受力リング１００の内側に配置されている。すなわち、受力リング１００はＸＹ平面上に配置された外側リング、検出リング２００はＸＹ平面上に配置された内側リングということになる。ここで、検出リング２００の特徴は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる点である。
接続部材４１０，４２０は、受力リング１００と検出リング２００とを接続するための部材である。図示の例の場合、接続部材４１０は、Ｘ軸正領域に沿った位置において、受力リング１００の内周面と検出リング２００の外周面とを接続し、接続部材４２０は、Ｘ軸負領域に沿った位置において、受力リング１００の内周面と検出リング２００の外周面とを接続している。したがって、受力リング１００と検出リング２００との間には、図示のとおり空隙部Ｈ１が確保されており、検出リング２００の内側には、図示のとおり空隙部Ｈ２が確保されている。
側面図を見れば明らかなように、受力リング１００と検出リング２００の厚み（Ｚ軸方向の寸法）は同じであり、側面図では、検出リング２００は受力リング１００の内側に完全に隠れた状態になっている。両リングの厚みは、必ずしも同じにする必要はないが、薄型センサ（Ｚ軸方向の寸法ができるだけ小さいセンサ）を実現する上では、両リングを同じ厚みにするのが好ましい。
支持基板３００は、径が受力リング１００の外径と等しい円盤状の基板であり、ＸＹ平面に平行な上面をもち、受力リング１００および検出リング２００の下方に所定間隔をおいて配置される。固定部材５１０，５２０は、検出リング２００を支持基板３００に固定するための部材である。側面図では、固定部材５１０は固定部材５２０の奥に隠れて現れていないが、固定部材５１０，５２０は、検出リング２００の下面と支持基板３００の上面とを接続する役割を果たす。上面図に破線で示されているとおり、固定部材５１０，５２０は、Ｙ軸に沿った位置に配置されている。
図２は、図１に示す基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＸＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。ＸＹ平面で切断した横断面図の中心には、ＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｏが示されている。この図２では、検出リング２００が、左右２カ所において、Ｘ軸に沿って配置された接続部材４１０，４２０を介して受力リング１００に接続されている状態が明瞭に示されている。
図３は、図１に示す基本構造部の支持基板３００および固定部材５１０，５２０の上面図（上段の図）、ならびに、この基本構造部をＹＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。図３の上面図は、図１の上面図を反時計まわりに９０°回転させた状態に相当し、Ｙ軸が左方向にとられている。また、図３の上面図では、検出リング２００の位置が破線で示されている。一方、図３の縦断面図には、固定部材５１０，５２０によって、支持基板３００の上方に検出リング２００が固定されている状態が明瞭に示されている。
続いて、この基本構造部を利用した力およびモーメントの検出原理を説明する。まず、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用した場合に、この基本構造部にどのような現象が生じるかを考えてみる。
上述したとおり、ここに示す例の場合、受力リング１００および検出リング２００は、双方ともにＺ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングである。ただ、検出リング２００は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる必要がある。別言すれば、少なくとも一部は可撓性を有している必要がある。これは、本発明に係る力覚センサが、検出リング２００に生じた弾性変形に基づいて、作用した力もしくはモーメントの検出を行うためである。
一方、受力リング１００は、上述したとおり、作用した力もしくはモーメントを検出リング２００に伝達する役割を果たす構成要素であり、原理的には、弾性変形を生じる弾性体で構成してもよいし、弾性変形を生じない剛体で構成してもよい。ただ、実用上、受力リング１００は、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成するのが好ましい。これは、作用する力もしくはモーメントを、できるだけ効率的に検出リング２００に伝達するためである。
本発明において、基本構造部の各部は、任意の材料によって構成することができるが、商業的な利用を考慮すると、金属（たとえば、アルミニウム合金、鉄系金属）やプラスチックなどの一般的な工業材料を用いて構成するのが好ましい。このような一般的な工業材料からなる部材は、通常、その形態によって弾性体になったり剛体になったりする。たとえば、金属の場合、ブロック状の金属塊であれば剛体として振る舞うが、薄い板状にすれば弾性体として振る舞うことになろう。したがって、受力リング１００および検出リング２００は、同一の材料で構成したとしても、その形態を変えることにより、それぞれに与えられた役割を果たすことができる。
たとえば、受力リング１００および検出リング２００を同一のアルミニウム合金で構成したとしても、図２の横断面図に示すように、受力リング１００は、その幅をある程度大きくとることにより、実質的に弾性変形を生じない剛体として機能させることができ、検出リング２００は、その幅をある程度小さくとることにより、実質的に全体が弾性変形を生じる弾性体として機能させることができる。すなわち、検出リング２００は、全体的に可撓性をもったリングになる。
もちろん、受力リング１００に力やモーメントが加わると、厳密に言えば、受力リング１００自身にも若干の弾性変形が生じることになるが、検出リング２００に生じる弾性変形に比べてわずかな弾性変形であれば無視することができ、実質的に剛体と考えて支障はない。そこで、以下、受力リング１００が剛体であり、力やモーメントによる弾性変形は、専ら検出リング２００においてのみ生じるものとして説明を行うことにする。
まず、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に対して、Ｘ軸方向の力が作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図４は、図１に示す基本構造部の受力リング１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図（上段の図）およびＸＺ平面における縦断面図（下段の図）である。支持基板３００は固定されているため不動であるが、受力リング１００は、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘにより図の右方向へと移動する。その結果、検出リング２００は図示のとおり変形する。なお、図に示す破線は、移動もしくは変形前の各リングの位置を示している。
ここでは、この変形態様を説明する便宜上、２つの固定点Ｐ１，Ｐ２と、２つの作用点Ｑ１，Ｑ２を考える。固定点Ｐ１，Ｐ２は、Ｙ軸上に定義される点であり、図１に示す固定部材５１０，５２０の位置に対応するものである。すなわち、検出リング２００は、この固定点Ｐ１，Ｐ２の位置において、固定部材５１０，５２０によって支持基板３００に固定されている。一方、作用点Ｑ１，Ｑ２は、Ｘ軸上に定義される点であり、検出リング２００は、この作用点Ｑ１，Ｑ２の位置において、接続部材４１０，４２０によって受力リング１００に接続されている。
このように、本発明において、作用点は接続部材が接続される位置であり、固定点は固定部材が接続される位置である。そして、重要な点は、作用点と固定点とが異なる位置に配置される点である。図４に示す例の場合、作用点Ｐ１，Ｐ２と固定点Ｑ１，Ｑ２とはＸＹ平面上の異なる位置に配置されている。これは、作用点と固定点とが同一位置を占めると、検出リング２００に弾性変形が生じなくなるためである。なお、ここに示す例の場合、作用点Ｐ１，Ｐ２と固定点Ｑ１，Ｑ２は、いずれもＸＹ平面上に定義されているが、作用点および固定点は必ずしもＸＹ平面上に定義する必要はない。作用点および固定点がＸＹ平面上あってもなくても、要するに、作用点のＸＹ平面への正射影投影像と固定点のＸＹ平面への正射影投影像とが異なる位置に形成されていれば、検出リング２００に本発明に必要な弾性変形を生じさせることができる。
さて、受力リング１００に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、図４に示すように、検出リング２００の作用点Ｑ１，Ｑ２には、図の右方向への力が加わることになる。ところが、検出リング２００の固定点Ｐ１，Ｐ２の位置は固定されているため、可撓性をもった検出リング２００は、基準の円形状態から、図示のような歪んだ状態へと変形することになる（なお、本願における変形状態を示す図は、変形状態を強調して示すため多少デフォルトされた図になっており、必ずしも正確な変形態様を示す図ではない）。具体的には、図示のとおり、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ１間では、検出リング２００の四分円弧の両端に引っ張り力が作用して四分円弧は内側に縮み、点Ｐ１−Ｑ２間および点Ｐ２−Ｑ２間では、検出リング２００の四分円弧の両端に押圧力が作用して四分円弧は外側に膨らんでいる。
受力リング１００に対してＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合は、図４とは左右逆の現象が起きる。また、受力リング１００に対してＹ軸正方向の力＋ＦｙおよびＹ軸負方向の力−Ｆｙが作用した場合は、図４上段における変形状態を９０°回転させた現象が起きる。
次に、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に対して、Ｚ軸方向の力が作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図５は、図１に示す基本構造部の受力リング１００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。支持基板３００は固定されているため不動であるが、受力リング１００は、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚにより図の上方向へと移動する。その結果、検出リング２００は図示のとおり変形する。なお、図に示す破線は、移動もしくは変形前の各リングの位置を示している。
ここでも、変形態様の基本は、２つの固定点Ｐ１，Ｐ２の位置（固定部材５１０，５２０で固定された位置）は不動であり、２つの作用点Ｑ１，Ｑ２の位置が上方へ移動する、という点である。検出リング２００は、固定点Ｐ１，Ｐ２の位置から作用点Ｑ１，Ｑ２の位置へ向けて緩やかに変形することになる。また、受力リング１００に対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合は、受力リング１００は、図の下方向へと移動する。その結果、検出リング２００の変形態様は、図５とは上下逆になる。
続いて、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に対して、Ｙ軸まわりのモーメントが作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図６は、図１に示す基本構造部の受力リング１００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。なお、本願では、所定の座標軸まわりに作用するモーメントの符号を、当該座標軸の正方向に右ネジを進めるための当該右ネジの回転方向を正にとることにする。たとえば、図６に示すモーメント＋Ｍｙの回転方向は、右ネジをＹ軸正方向に進めるための回転方向になる。
この場合も、支持基板３００は固定されているため不動であるが、受力リング１００は、Ｙ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙを受けて、図の原点Ｏを中心として時計まわりに回転する。その結果、作用点Ｑ１は下方に移動し、作用点Ｑ２は上方に移動する。検出リング２００は、固定点Ｐ１，Ｐ２の位置（固定部材５１０，５２０で固定された位置）から作用点Ｑ１，Ｑ２の位置へ向けて緩やかに変形することになる。受力リング１００に対してＹ軸負まわりのモーメント−Ｍｙが作用した場合は、図６とは左右逆の現象が起きる。また、受力リング１００に対してＸ軸正まわりのモーメント＋ＭｘおよびＸ軸負まわりのモーメント−Ｍｘが作用した場合は、上面図において変形状態を９０°回転させた現象が起きる。
最後に、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に対して、Ｚ軸まわりのモーメントが作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図７は、図１に示す基本構造部の受力リング１００にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図である。この場合も、支持基板３００は固定されているため不動であるが、受力リング１００は、Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚを受けて、図の原点Ｏを中心として反時計まわりに回転する。
その結果、検出リング２００の作用点Ｑ１，Ｑ２には、図において反時計回りの力が加わることになる。ところが、検出リング２００の固定点Ｐ１，Ｐ２の位置は固定されているため、可撓性をもった検出リング２００は、基準の円形状態から、図示のような歪んだ状態へと変形することになる。具体的には、図示のとおり、点Ｐ２−Ｑ１間および点Ｐ１−Ｑ２間では、検出リング２００の四分円弧の両端に引っ張り力が作用して四分円弧は内側に縮み、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ２間では、検出リング２００の四分円弧の両端に押圧力が作用して四分円弧は外側に膨らんでおり、全体的に楕円状に変形している。一方、受力リング１００に対してＺ軸負まわりのモーメント−Ｍｚが作用した場合は、受力リング１００は、図の原点Ｏを中心として時計まわりに回転するため、図７を裏返しにした変形状態が起きる。
以上、図１に示す基本構造部の支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用した場合に、検出リング２００に生じる変形態様を説明したが、これらの変形態様は互いに異なり、また、作用した力やモーメントの大きさにより変形量も異なる。そこで、検出リング２００の弾性変形を検出し、その態様や大きさに関する情報を収集すれば、各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントをそれぞれ別個独立して検出することができる。これが、本発明に係る力覚センサの基本原理である。
このような基本原理に基づく検出を行うために、本発明に係る力覚センサは、図１に示す基本構造部の他に、検出リング２００の弾性変形を電気的に検出する検出素子と、この検出素子の検出結果に基づいて、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、を備えている。この検出素子および検出回路の具体的な構成例については、§３以降で詳述する。
後述するように、検出素子および検出回路は、図１に示す基本構造部の内部に組み込むことができるので、本発明に係る力覚センサのサイズは、実質的に、この基本構造部のサイズと同一にすることができる。この基本構造部は、図１の下段に示す側面図を見ればわかるとおり、薄型化に適した構造を有している。すなわち、この基本構造部全体の厚み（Ｚ軸方向のサイズ）は、受力リング１００の厚み（検出リング２００の厚み）と、固定部材５１０，５２０の厚みと、支持基板３００の厚みの和になる。ここで、検出リング２００は、後述する検出素子を配置するのに十分な厚みに設定すればよく、固定部材５１０，５２０は、検出リング２００の下方への変形を妨げることのない十分な厚みに設定すればよく、支持基板３００は、他の構成要素を支持するのに十分な厚みに設定すればよい。
このように本発明に係る力覚センサは、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントをそれぞれ独立して検出する機能をもち、しかも、従来の力覚センサに比べて、構造が単純で薄型化を図ることが可能になる。
なお、図１に示す基本構造部は、受力リング１００を外側に配置し、検出リング２００を内側に配置した例であるが、両リングの内側と外側の関係は入れ替えることができ、受力リング１００を内側に配置し、検出リング２００を外側に配置する構成を採ることも可能である。ただ、変形した状態の検出リング２００が外部の物体と接触すると、変形態様に外乱が加わることになり、正しい検出値が得られなくなる可能性がある。したがって、実用上は、ここに示した例のように、受力リング１００を外側に配置し、検出リング２００を内側に配置する構成を採り、検出リング２００が外部の物体と接触するのを防ぐようにするのが好ましい。
＜＜＜  §２．変位の検出  ＞＞＞
前述したとおり、本発明に係る力覚センサでは、検出リング２００の弾性変形の態様および大きさを検出することにより、作用した力やモーメントの方向および大きさを求めることになる。ここでは、弾性変形の態様および大きさを検出する方法の１つとして、検出リング２００の特定箇所（ここでは、測定点と呼ぶ）の変位を検出する方法を説明する。すなわち、ここに示す実施形態では、検出素子として、検出リング２００の所定の測定点の変位を電気的に検出する機能をもった素子を用いることになる。
図８は、図１に示す基本構造部に、変位検出用の固定補助体３５０を付加した実施形態を示す上面図（上段の図）および側面図（下段の図）である。図示のとおり、この基本構造部では、受力リング１００の内側に検出リング２００が配置されており、更にその内側に固定補助体３５０が配置されている。この固定補助体３５０は、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の物体であり、下面が支持基板３００の上面に固定されている。固定補助体３５０の外周面は、空隙部Ｈ２を挟んで、検出リング２００の内周面に対向している。
図９は、図８に示す基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。ここで、Ｖ軸は、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなす軸である。また、Ｗ軸は、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交する軸である。図９の上段に示す横断面図は、Ｖ軸正方向を右方向、Ｗ軸正方向を上方向にとった図であり、図２の上段に示す基本構造部に固定補助体３５０を付加し、これを時計まわりに４５°回転させた図に対応する。また、図９の下段の縦断面図は、ＶＺ平面で切断した縦断面図であるため、右方向はＶ軸正方向になっている。
§１で述べたとおり、検出リング２００上には、Ｙ軸上に２つの固定点Ｐ１，Ｐ２が配置され、Ｘ軸上に２つの作用点Ｑ１，Ｑ２が配置されている。ここでは、更に、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４を定義する。図示のとおり、第１の測定点Ｒ１はＶ軸正領域に、第２の測定点Ｒ２はＷ軸正領域に、第３の測定点Ｒ３はＶ軸負領域に、第４の測定点Ｒ４はＷ軸負領域に、それぞれ配置されている。結局、図９の上段の横断面図において、検出リング２００の外周輪郭円と内周輪郭円との中間に位置する中間円を定義した場合、各点Ｑ１，Ｒ１，Ｐ１，Ｒ２，Ｑ２，Ｒ３，Ｐ２，Ｒ４は、この順番どおりに、当該中間円上に等間隔に配置されていることになる。４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４をこのような位置に定義するのは、検出リング２００の弾性変形に起因して生じる変位が最も顕著になるためである。
この４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の半径方向の変位を検出するには、図９の上段の横断面図に矢印で示す距離ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４を測定すればよい。これらの距離ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４は、検出リング２００の内周面の、各測定点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４近傍に位置する測定対象面と、固定補助体３５０の外周に位置し、測定対象面に対向する対向基準面との距離であり、当該距離が大きくなれば、測定点近傍部分が半径方向に膨らんでいることを示し、当該距離が小さくなれば、測定点近傍部分が半径方向に縮んでいることを示すことになる。したがって、これらの距離を電気的に検出する検出素子を用意しておけば、各測定点近傍部分の半径方向に関する変形量を測定することができる。
あるいは、図９の上段の横断面図に矢印で示す距離ｄ１′，ｄ２′，ｄ３′，ｄ４′を測定する方法を採ることもできる。これらの距離ｄ１′，ｄ２′，ｄ３′，ｄ４′は、検出リング２００の外周面の、各測定点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４近傍に位置する測定対象面と、受力リング１００の内周に位置し、測定対象面に対向する対向基準面との距離である。但し、受力リング１００自身も変位するため、これらの距離の測定値は受力リング１００の変位と検出リング２００の変位との差分を示すことになる。したがって、各測定点の変位を求めるには、何らかの補正処理が必要になり、実用上は、距離ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４を測定するのが好ましい。
なお、距離ｄ１′，ｄ２′，ｄ３′，ｄ４′を測定する場合は、固定補助体３５０を設ける必要はない。受力リング１００と検出リング２００との間の距離を測定する場合は、検出素子が、検出リング２００の各測定点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４近傍に位置する測定対象面と、受力リング１００の測定対象面に対向する対向基準面との距離を電気的に検出すればよいので、固定補助体３５０を設ける必要はなく、また、受力リング１００を内側、検出リング２００を外側に配置した場合も適用可能になる。
一方、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の上下方向（Ｚ軸方向）の変位を検出するには、図９の下段の縦断面図に矢印で示す距離ｄ５，ｄ７および図示されていない距離ｄ６，ｄ８（距離ｄ６は、固定補助体３５０の奥に位置する測定点Ｒ２の直下の距離、距離ｄ８は、固定補助体３５０の手前に位置する測定点Ｒ４の直下の距離）を測定すればよい。これらの距離ｄ５，ｄ６，ｄ７，ｄ８は、検出リング２００の下面の、各測定点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４近傍に位置する測定対象面と、支持基板３００の上面に位置し、測定対象面に対向する対向基準面との距離であり、当該距離が大きくなれば、測定点近傍部分が上方向に変位していることを示し、当該距離が小さくなれば、測定点近傍部分が下方向に変位していることを示すことになる。したがって、これらの距離を電気的に検出する検出素子を用意しておけば、各測定点近傍部分の上下方向に関する変形量を測定することができる。
このように、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の半径方向の変位と上下方向の変位とを測定することができれば、検出リング２００の全体的な変形態様および変形量を把握することができ、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントの６軸成分を検出することが可能になる。図１０は、この６軸成分を検出するために必要な距離測定箇所を示す上面図である。すなわち、この例では、前述したとおり、第１の測定点Ｒ１について、距離ｄ１（半径方向の変位）と距離ｄ５（上下方向の変位）とが測定され、第２の測定点Ｒ２について、距離ｄ２（半径方向の変位）と距離ｄ６（上下方向の変位）とが測定され、第３の測定点Ｒ３について、距離ｄ３（半径方向の変位）と距離ｄ７（上下方向の変位）とが測定され、第４の測定点Ｒ４について、距離ｄ４（半径方向の変位）と距離ｄ８（上下方向の変位）とが測定されることになる。
図１１は、図１０に示す基本構造部において、支持基板３００を固定した状態で受力リング１００に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの距離ｄ１〜ｄ８の変化を示すテーブルである。このテーブルで「＋」は距離が大きくなることを示し、「−」は距離が小さくなることを示し、「０」は距離が変動しないことを示している。このような結果が得られることは、§１で説明した検出リング２００の具体的な変形態様を考えれば、容易に理解できよう。
たとえば、受力リング１００に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、検出リング２００は、図４に示すように、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ１間の四分円弧は内側に縮み、点Ｐ１−Ｑ２間および点Ｐ２−Ｑ２間の四分円弧は外側に膨らむように変形する。したがって、距離ｄ１，ｄ４は小さくなり、距離ｄ２，ｄ３は大きくなる。このとき、検出リング２００に上下方向の変形は生じないので、距離ｄ５〜ｄ８は変動しない。図１１のテーブルの＋Ｆｘの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合は、図１１のテーブルの＋Ｆｙの行に示す結果が得られる。
また、受力リング１００に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、検出リング２００は、図５に示すように変形するので、距離ｄ５〜ｄ８は大きくなる。このとき、検出リング２００に半径方向の変形は生じないので、距離ｄ１〜ｄ４は変動しない。図１１のテーブルの＋Ｆｚの行は、このような結果を示している。
そして、受力リング１００に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、検出リング２００は、図６に示すように変形し、図の右半分は下方へ変位し、図の左半分は上方へ変位するので、距離ｄ５，ｄ８は小さくなり、距離ｄ６，ｄ７は大きくなる。このとき、検出リング２００に半径方向の変形は生じないので、距離ｄ１〜ｄ４は変動しない。図１１のテーブルの＋Ｍｙの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、図１１のテーブルの＋Ｍｘの行に示す結果が得られる。
最後に、受力リング１００に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用した場合、検出リング２００は、図７に示すように変形し、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ２間の四分円弧は外側に膨らみ、点Ｐ１−Ｑ２間および点Ｐ２−Ｑ１間の四分円弧は内側に縮むように変形する。したがって、距離ｄ１，ｄ３は大きくなり、距離ｄ２，ｄ４は小さくなる。このとき、検出リング２００に上下方向の変形は生じないので、距離ｄ５〜ｄ８は変動しない。図１１のテーブルの＋Ｍｚの行は、このような結果を示している。
なお、図１１のテーブルは、正方向の力および正まわりのモーメントが作用した場合の結果を示しているが、負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、「＋」と「−」が逆転した結果が得られることになる。結局、距離ｄ１〜ｄ８の変化パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、距離の変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら距離ｄ１〜ｄ８の測定値に基づく所定の演算を施せば、６軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。具体的な演算式については、§３の実施形態で詳述する。
なお、６軸成分の検出値のすべてを得る必要がない場合には、必ずしも８通りの距離測定を行う必要はない。たとえば、図１２は、図８に示す基本構造部における距離測定箇所の変形例を示す上面図である。図１０に示す例では８通りの距離ｄ１〜ｄ８の測定を行っていたが、図１２に示す例では６通りの距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０の測定を行えば足りる。
ここで、距離ｄ１〜ｄ４は、前述の例と同様である。すなわち、距離ｄ１は、第１の測定点Ｒ１についての半径方向の変位を示し、距離ｄ２は、第２の測定点Ｒ２についての半径方向の変位を示し、距離ｄ３は、第３の測定点Ｒ３についての半径方向の変位を示し、距離ｄ４は、第４の測定点Ｒ４についての半径方向の変位を示している。一方、これら４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４についての上下方向の変位測定は行われない。別言すれば、前述の例における距離ｄ５〜ｄ８の測定は行われない。その代わりに、第１の作用点Ｑ１を第５の測定点として、その上下方向の変位測定を行い、第２の作用点Ｑ２を第６の測定点として、その上下方向の変位測定を行うことになる。
すなわち、図１２に示す距離ｄ９は、検出リング２００の下面の、第１の作用点Ｑ１（第５の測定点）近傍に位置する測定対象面と、支持基板３００の上面に位置し、かつ、測定対象面に対向する位置にある対向基準面との距離であり、図１２に示す距離ｄ１０は、検出リング２００の下面の、第２の作用点Ｑ２（第６の測定点）近傍に位置する測定対象面と、支持基板３００の上面に位置し、かつ、測定対象面に対向する位置にある対向基準面との距離である。
図１３は、図１２に示す基本構造部において、支持基板３００を固定した状態で受力リング１００に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０の変化を示すテーブルである。ここでも、「＋」は距離が大きくなることを示し、「−」は距離が小さくなることを示し、「０」は距離が変動しないことを示している。距離ｄ１〜ｄ４について、このような結果が得られることは、既に述べたとおりである。
一方、距離ｄ９，ｄ１０について、このような結果が得られることは、§１で説明した検出リング２００の具体的な変形態様を考えれば、容易に理解できよう。すなわち、Ｘ軸正方向の力＋ＦｘやＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用しても、作用点Ｑ１，Ｑ２は上下方向に変動することはないので、距離ｄ９，ｄ１０について、＋Ｆｘおよび＋Ｆｙの行は「０」になる。しかしながら、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、作用点Ｑ１，Ｑ２は上方に変位するので、距離ｄ９，ｄ１０について、＋Ｆｚの行は「＋」になる。
また、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、Ｘ軸上に位置する作用点Ｑ１，Ｑ２は回転軸上の点になるため上下方向に変動することはない。よって、距離ｄ９，ｄ１０について、＋Ｍｘの行は「０」になる。しかしながら、Ｙ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、作用点Ｑ１は下方に変位し、作用点Ｑ２は上方に変位するので、＋Ｍｙの行は、距離ｄ９は「−」、距離ｄ１０は「＋」になる。最後に、Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用した場合は、作用点Ｑ１，Ｑ２は上下方向に変動することはないので、距離ｄ９，ｄ１０について、＋Ｍｚの行は「０」になる。負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、図１３に示すテーブルにおける「＋」と「−」が逆転した結果が得られる。
結局、距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０の変化パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、距離の変動量も大きくなる。但し、図１３のテーブルの＋Ｍｘの行を見ると、すべての距離について「０」という結果となっている。これは、距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０を測定しても、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘに関する情報は得られないことを示している。ただ、それ以外の５軸成分についての情報は得られている。そこで、検出回路により、これら距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０の測定値に基づく所定の演算を施せば、モーメントＭｘを除く５軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。具体的な演算式については、§３の実施形態で詳述する。
このように、本発明に係る力覚センサでは、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚという６軸成分を独立して検出することが可能であるが、この６軸成分の検出値のすべてを得る必要がない場合には、検出素子を適宜省略して、コストダウンを図ることが可能である。
また、図９では、２つの作用点Ｑ１，Ｑ２と、２つの固定点Ｐ１，Ｐ２とを配置した例を示したが、本発明に係る力覚センサにおける作用点の数および固定点の数は、必ずしも２個に限定されるものではない。すなわち、ここで述べる基本的な実施形態の場合、検出リング２００の輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個の作用点と複数ｎ個の固定点とが交互に配置されており、検出素子が、隣接配置された作用点と固定点との間の位置に定義された測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出することができればよい。
したがって、たとえば、ｎ＝３に設定し、３つの作用点と、３つの固定点とを交互に配置してもかまわない。この場合、検出リング２００は、３箇所の作用点の位置において、接続部材を介して受力リング１００に接続されることになり、３箇所の固定点の位置において、固定部材を介して支持基板３００に固定されることになる。
ただ、実用上は、図９に示す例のように、検出リング２００の輪郭に沿った環状路に、第１の作用点Ｑ１、第１の固定点Ｐ１、第２の作用点Ｑ２、第２の固定点Ｐ２の順に、２個の作用点および２個の固定点を配置するようにし、この環状路における第１の作用点Ｑ１と第１の固定点Ｐ１との間に第１の測定点Ｒ１を定義し、第１の固定点Ｐ１と第２の作用点Ｑ２との間に第２の測定点Ｒ２を定義し、第２の作用点Ｑ２と第２の固定点Ｐ２との間に第３の測定点Ｒ３を定義し、第２の固定点Ｐ２と第１の作用点Ｑ１との間に第４の測定点Ｒ４を定義するようにし、検出素子によって、これら第１〜第４の測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍における検出リング２００の弾性変形を電気的に検出するのが効率的である。
特に、図９に示す例は、基本構造部の構造が、ＸＺ平面に関して面対称となり、かつ、ＹＺ平面に関しても面対称となっているため、図１１や図１３に示すテーブルに「＋」もしくは「−」で示されている変位量に対称性が生じ、比較的単純な検出回路により各軸方向の力および各軸まわりのモーメントの検出値を得ることができる。
したがって、実用上は、図９に示す例のように、第１の作用点Ｑ１がＸ軸正領域に、第１の固定点Ｐ１がＹ軸正領域に、第２の作用点Ｑ２がＸ軸負領域に、第２の固定点Ｐ２がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材４１０により、検出リング２００の第１の作用点Ｑ１近傍が受力リング１００に接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第２の接続部材４２０により、検出リング２００の第２の作用点Ｑ２近傍が受力リング１００に接続されており、検出素子が、ＸＹ平面の第１象限、第２象限、第３象限、第４象限にそれぞれ配置された第１の測定点Ｒ１、第２の測定点Ｒ２、第３の測定点Ｒ３、第４の測定点Ｒ４の近傍における検出リング２００の弾性変形を電気的に検出するのが好ましい。
各測定点Ｒ１〜Ｒ４は、必ずしもＶ軸上もしくはＷ軸上に定義する必要はないが、前述したとおり、検出リング２００の弾性変形に起因して生じる変位は、Ｖ軸上もしくはＷ軸上が最も顕著になるので、検出感度を高める上では、図９に示す例のように、第１の測定点Ｒ１はＶ軸正領域に、第２の測定点Ｒ２はＷ軸正領域に、第３の測定点Ｒ３はＶ軸負領域に、第４の測定点Ｒ４はＷ軸負領域に、それぞれ定義するのが好ましい。
＜＜＜  §３．  容量素子を用いた実施形態  ＞＞＞
ここでは、検出素子として、静電容量素子を用いた実施形態を説明する。既に述べたとおり、静電容量素子式の多軸力覚センサは、機械的構造部に作用した力の特定の方向成分を、特定の部分に生じた変位として検出するものである。すなわち、一対の電極により容量素子を構成しておき、作用した力によって一方の電極に生じた変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出する原理を採る。
そこで、ここでは、図１０に示す基本構造部において、８通りの距離ｄ１〜ｄ８を容量素子を用いて検出する実施形態を述べる。図１４は、当該実施形態に係る力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。この図１４に示す力覚センサは、図９に示す基本構造部に、１６枚の電極Ｅ１１〜Ｅ１８，Ｅ２１〜Ｅ２８と、所定の検出回路とを追加することによって構成される。１６枚の電極により構成される８組の容量素子は、前述した８通りの距離ｄ１〜ｄ８を測定する検出素子として機能する。
図１４上段の横断面図に示されているとおり、検出リング２００の内周面の、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍部分（測定対象面）には、それぞれ変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４が設けられている。また、検出リング２００の下面の、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍部分（測定対象面）には、それぞれ変位電極Ｅ２５〜Ｅ２８（図では、破線で示されている）が設けられている。これら８枚の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８は、文字通り、検出リング２００の変形によって変位を生じる電極である。
一方、これら８枚の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８に対向する位置（対向基準面）に、８枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８が設けられている。これら８枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８は、文字通り、支持基板３００に直接もしくは間接的に固定された電極であり、検出リング２００の変形にかかわらず、常に定位置を維持する。具体的には、円柱状の固定補助体３５０の外周面には、変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４に対向する位置に固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４が設けられており、これらの電極は固定補助体３５０を介して支持基板３００上に間接的に固定されている。また、支持基板３００の上面には、変位電極Ｅ２５〜Ｅ２８に対向する位置に固定電極Ｅ１５〜Ｅ１８が直接固定されている（図１４下段の縦断面図には、変位電極Ｅ１５，Ｅ１７のみが現れているが、変位電極Ｅ１６は、固定補助体３５０の奥に位置し、変位電極Ｅ１８は、固定補助体３５０の手前に位置する）。
結局、この実施形態の場合、検出リング２００の内周面および下面の、各測定点Ｒ１〜Ｒ４近傍に位置する測定対象面に設けられた８組の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８と、固定補助体３５０の外周面および支持基板３００の上面の、各測定対象面に対向する位置に定義された対向基準面に設けられた８組の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８と、によって、８組の容量素子が構成されることになる。これら８組の容量素子は、本発明における検出素子として機能し、検出リング２００の弾性変形を電気的に検出する役割を果たす。
ここでは、説明の便宜上、固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８と、これに対向する変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８と、によって構成される容量素子を、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ８と呼ぶことにし、その静電容量値を、同じ符号を用いてＣ１〜Ｃ８で表すことにする。一般に、容量素子の静電容量値は、当該容量素子を構成する一対の対向電極の距離が大きくなると小さくなり、距離が小さくなると大きくなる。したがって、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値を電気的に測定すれば、図１０に示す距離ｄ１〜ｄ８を求めることができ、図１１に示すテーブルに基づいて、作用した力もしくはモーメントを検出することができる。
ただ、容量素子の静電容量値は、一対の対向電極の有効対向面積によっても変化し、有効対向面積が大きくなれば静電容量値も大きくなり、有効対向面積が小さくなれば静電容量値も小さくなる。したがって、上述の原理で距離ｄ１〜ｄ８を正確に測定するためには、検出リング２００に変位が生じたとしても、各容量素子の有効対向面積に変化が生じないようにする必要がある。そこで、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が、他方の電極の内部に包含されるようにする。
図１５は、図１４に示す力覚センサで用いられている各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の対向電極のサイズの関係を示す斜視図である。図には、電極Ｅａと電極Ｅｂとが対向して配置された状態が示されている。この例では、両電極Ｅａ，Ｅｂは、いずれも矩形の板状電極であるが、電極Ｅａの縦および横のサイズは、電極Ｅｂの縦および横のサイズよりも大きくなっている。しかも、両電極Ｅａ，Ｅｂは、それぞれの中心点が向かい合う位置に配置されているので、電極Ｅｂを電極Ｅａの形成面に投影した投影像Ａ（正射影投影像）は、電極Ｅａの内部に包含されている。要するに、電極Ｅａは、電極Ｅｂよりも、ひとまわり大きなサイズになっている。
図１４に示す力覚センサで用いられている各容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する一対の対向電極の関係が、図１５に示すような関係になっていれば、検出リング２００に変位が生じたとしても、当該変位が所定の許容範囲内である限り、各容量素子の有効対向面積は変化しない。すなわち、図１５に示す例の場合、破線で示す投影像Ａの内部の面積が、この容量素子の有効対向面積ということになるが、両電極Ｅａ，Ｅｂが電極面に平行な方向に変位しても、投影像Ａが電極Ｅａ内に包含されている限り、有効対向面積は一定である。
図１４に示す力覚センサの場合、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する一対の対向電極について、各固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８よりも各変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８のサイズをひとまわり大きく設定しているが、逆に、各変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８よりも各固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８のサイズをひとまわり大きく設定してもかまわない。また、一対の対向電極の位置関係は、検出対象となる力やモーメントが何ら作用していない基準状態において、一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像（たとえば、両電極の中心点を結ぶ線に平行な方向に投影した投影像）が、他方の電極の内部に包含される関係になっている。
両電極のサイズの差は、検出リング２００の変位の許容範囲（有効対向面積が一定に維持される範囲）を決定するパラメータになる。したがって、検出値のダイナミックレンジを広く設定するには、両電極のサイズの差も大きくとり、図１５における投影像Ａの外側の余白領域を広く設定する必要がある。検出リング２００の変位が許容範囲内であれば、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の有効対向面積は一定に維持されるので、静電容量値Ｃ１〜Ｃ８の変動は、専ら、距離ｄ１〜ｄ８の変動を示すものになる。
図１６は、このような前提において、図１４に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変化を示すテーブルである。このテーブルで「＋」は静電容量値が増加することを示し、「−」は静電容量値が減少することを示し、「０」は静電容量値が変動しないことを示している。なお、テーブルの「Ｃ１〜Ｃ８」欄に付記された括弧書きは、各容量素子を構成する一対の対向電極を示している。たとえば、Ｃ１欄の（Ｅ１１＆Ｅ２１）は、容量素子Ｃ１が一対の対向電極Ｅ１１，Ｅ２１で構成されることを示している。
この図１６に示すテーブルは、図１１に示すテーブルの各欄の「＋」と「−」とを入れ替えることによって得られる。図１１に示すテーブルは距離ｄ１〜ｄ８の増減を示すものであるのに対し、図１６に示すテーブルは静電容量値Ｃ１〜Ｃ８の増減を示すものである。容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離が増加すると静電容量値は減少し、電極間距離が減少すると静電容量値は増加するので、図１１に示すテーブルから、図１６に示すテーブルが得られることは、容易に理解できよう。
図１６のテーブルに示すとおり、静電容量値Ｃ１〜Ｃ８の変化パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、静電容量値の変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら静電容量値Ｃ１〜Ｃ８の測定値に基づく所定の演算を施せば、６軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。
図１７は、図１４に示す力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを求める具体的な演算式を示す図である。このような演算式によって、個々の検出値が得られる理由は、図１６に示すテーブルを参照すれば理解できる。たとえば、図１６のテーブルの＋Ｆｘの行を参照すれば、「＋」が記されたＣ１，Ｃ４の和と、「−」が記されたＣ２，Ｃ３の和と、の差により、＋Ｆｘの検出値が得られることがわかる。他の検出値についても同様である。
また、負方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚおよび負まわりのモーメント−Ｍｘ，−Ｍｙ，−Ｍｚが作用した場合は、図１６のテーブルにおける「＋」と「−」とが逆転するので、図１７に示す演算式をそのまま利用すれば、各検出値を負の値として得ることができる。この図１７に示す６軸成分の演算式は、他軸成分の干渉を受けないので、６軸成分についての各検出値を独立して得ることができる。たとえば、＋Ｆｙが作用した場合、Ｃ１，Ｃ２は減少し、Ｃ３，Ｃ４は増加するが、Ｆｘについての演算式では、これらの減少および増加成分は互いにキャンセルされるので、Ｆｘについての検出値にＦｙの成分が含まれることはない。
図１７に示すとおり、力Ｆｚ以外の演算式は、２組の容量値の和についての差分を求める形式になっている。このような差分検出は、温度環境の変化により基本構造部が膨張もしくは収縮し、対向電極間距離が変動する誤差が生じたとしても、生じた誤差を相互にキャンセルすることができるので、外乱成分を含まない正確な検出結果を得る上で好ましい。なお、Ｆｚについても差分検出を行いたい場合は、検出リング２００の上面に変位電極を追加し、その上方において支持基板３００に固定された補助基板を設け、この補助基板の下面に固定電極を設け、検出リング２００の上面と補助基板との距離を測定するための容量素子を追加し、これらの容量素子の容量値と容量素子Ｃ５〜Ｃ８の容量値との間で差分をとるようにすればよい。
図１８は、図１４に示す力覚センサに用いる検出回路を示す回路図である。この検出回路は、図１７に示す演算式に基づいて、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出値を電圧値として出力する回路である。まず、８組の容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値Ｃ１〜Ｃ８は、Ｃ／Ｖ変換器１１〜１８によって、それぞれ電圧値Ｖ１〜Ｖ８に変換される。続いて、演算器２１〜３０によって、それぞれ２組の電圧値の和が求められ、更に、演算器３１〜３５によって差分がとられ、それぞれＦｘ，Ｆｙ，Ｍｚ，Ｍｙ，Ｍｘの検出値として出力される。また、演算器３６によって、４組の電圧値の和がとられ、符号を反転した値がＦｚの検出値として出力される。
もちろん、この図１８に示す検出回路は一例を示すものであり、原理的に図１７の演算式に基づく検出結果が出力できれば、どのような回路を用いてもかまわない。たとえば、一対の容量素子を並列接続すれば、接続後の容量素子対の静電容量値は、個々の容量素子の静電容量値の和になるので、図１８に示す回路図において、たとえば、容量素子Ｃ１とＣ４とを並列接続すれば、接続後の容量素子対の静電容量値は「Ｃ１＋Ｃ４」になるので、演算器２１を省略することができる。同様の方法により、演算器２２〜３０，３６を省略することも可能である。
また、図１８は、アナログ演算器を用いた検出回路を示すものであるが、図１７に示す演算は、もちろん、デジタル演算によって行うことも可能である。たとえば、Ｃ／Ｖ変換器１１〜１８の後段にＡ／Ｄ変換器を接続すれば、静電容量値Ｃ１〜Ｃ８をそれぞれデジタル値として取り込むことができるので、マイクロコンピュータなどのデジタル回路により、図１７に示す演算を行い、各検出値をデジタル値として出力することができる。
ここで、図１４に示す容量素子を用いた力覚センサの特徴をまとめておくと、次のように言うことができる。まず、基本構造部は、受力リング１００および検出リング２００の双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、受力リング１００が外側、検出リング２００が内側となるように両リングが配置されており、検出リング２００の更に内側に、下面が支持基板３００の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体３５０が設けられている、という特徴を有している。
そして、検出素子として、次のような８組の容量素子が設けられている。
（１）検出リング２００の内周面の第１の測定点Ｒ１近傍位置に配置された第１の変位電極Ｅ２１と、固定補助体３５０の外周面の第１の変位電極Ｅ２１に対向する位置に配置された第１の固定電極Ｅ１１とによって構成される第１の容量素子Ｃ１。
（２）検出リング２００の内周面の第２の測定点Ｒ２近傍位置に配置された第２の変位電極Ｅ２２と、固定補助体３５０の外周面の第２の変位電極Ｅ２２に対向する位置に配置された第２の固定電極Ｅ１２とによって構成される第２の容量素子Ｃ２。
（３）検出リング２００の内周面の第３の測定点Ｒ３近傍位置に配置された第３の変位電極Ｅ２３と、固定補助体３５０の外周面の第３の変位電極Ｅ２３に対向する位置に配置された第３の固定電極Ｅ１３とによって構成される第３の容量素子Ｃ３。
（４）検出リング２００の内周面の第４の測定点Ｒ４近傍位置に配置された第４の変位電極Ｅ２４と、固定補助体３５０の外周面の第４の変位電極Ｅ２４に対向する位置に配置された第４の固定電極Ｅ１４とによって構成される第４の容量素子Ｃ４。
（５）検出リング２００の下面の第１の測定点Ｒ１近傍位置に配置された第５の変位電極Ｅ２５と、支持基板３００の上面の第５の変位電極Ｅ２５に対向する位置に配置された第５の固定電極Ｅ１５とによって構成される第５の容量素子Ｃ５。
（６）検出リング２００の下面の第２の測定点Ｒ２近傍位置に配置された第６の変位電極Ｅ２６と、支持基板３００の上面の第６の変位電極Ｅ２６に対向する位置に配置された第６の固定電極Ｅ１６とによって構成される第６の容量素子Ｃ６。
（７）検出リング２００の下面の第３の測定点Ｒ３近傍位置に配置された第７の変位電極Ｅ２７と、支持基板３００の上面の第７の変位電極Ｅ２７に対向する位置に配置された第７の固定電極Ｅ１７とによって構成される第７の容量素子Ｃ７。
（８）検出リング２００の下面の第４の測定点Ｒ４近傍位置に配置された第８の変位電極Ｅ２８と、支持基板３００の上面の第８の変位電極Ｅ２８に対向する位置に配置された第８の固定電極Ｅ１８とによって構成される第８の容量素子Ｃ８。
ここで、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、他方の電極の内部に包含されるようになっており、検出リング２００の変位が所定の許容範囲内である限り、各容量素子の有効対向面積は一定に維持される。
一方、この力覚センサの検出回路は、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値を、同じ符号を用いてＣ１〜Ｃ８と表したときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）
Ｍｘ＝（Ｃ７＋Ｃ８）−（Ｃ５＋Ｃ６）
Ｍｙ＝（Ｃ５＋Ｃ８）−（Ｃ６＋Ｃ７）
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力する機能を有している。
以上、図１４に示す力覚センサの検出原理およびこのセンサに用いる検出回路を説明した。この図１４に示す力覚センサは、図１０に示す８通りの距離ｄ１〜ｄ８を容量素子を用いて測定するものである。そこで、次に、図１２に示す６通りの距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０を容量素子を用いて測定するタイプの力覚センサについて簡単に説明しておく。この場合、距離ｄ１〜ｄ４を測定するために容量素子Ｃ１〜Ｃ４（固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４と変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４）を設ける点は、図１４に示す力覚センサと同様である。ただ、距離ｄ５〜ｄ８の測定は行わないため、図１４に示す力覚センサで用いられていた容量素子Ｃ５〜Ｃ８（固定電極Ｅ１５〜Ｅ１８と変位電極Ｅ２５〜Ｅ２８）は不要になる。
その代わり、図１２に示す距離ｄ９，ｄ１０を測定するために、容量素子Ｃ９，Ｃ１０を設けるようにする。ここで、容量素子Ｃ９は、検出リング２００の下面の作用点Ｑ１（第５の測定点として機能する）の近傍位置に配置された変位電極Ｅ２９と、支持基板３００の上面の変位電極Ｅ２９に対向する位置に配置された固定電極Ｅ１９とによって構成される容量素子であり、容量素子Ｃ１０は、検出リング２００の下面の作用点Ｑ２（第６の測定点として機能する）の近傍位置に配置された変位電極Ｅ３０と、支持基板３００の上面の変位電極Ｅ３０に対向する位置に配置された固定電極Ｅ２０とによって構成される容量素子である。ここでも、容量素子Ｃ９，Ｃ１０を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が、他方の電極の内部に包含される関係が維持され、有効対向面積が一定に維持される工夫を施すようにする。
図１９は、このような力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０の静電容量値の変化を示すテーブルである。このテーブルにおいても、「＋」は静電容量値が増加することを示し、「−」は静電容量値が減少することを示し、「０」は静電容量値が変動しないことを示しており、テーブルの「Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０」欄に付記された括弧書きは、各容量素子を構成する一対の対向電極を示している。前述したとおり、距離と静電容量値とでは増減関係が逆転するので、この図１９に示すテーブルは、図１３に示すテーブルの各欄の「＋」と「−」とを入れ替えることによって得られる。
図１９のテーブルに示すとおり、静電容量値Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０の変化パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、静電容量値の変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら静電容量値Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０の測定値に基づく所定の演算を施せば、各軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。ただ、§２でも述べたとおり、モーメントＭｘに関しては、すべての容量値について「０」（変動なし）という結果となっているため、この力覚センサでは検出できない。
図２０は、この力覚センサに対して作用する力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｙ，Ｍｚを求める具体的な演算式を示す図である。このような演算式によって、個々の検出値が得られる理由は、図１９に示すテーブルを参照すれば容易に理解できよう。この演算式に基づいて５軸成分の検出値を出力するには、図１８に準じた検出回路を用意すればよい。もちろん、一対の容量素子を並列接続すれば、演算器の一部を省略することができるし、Ａ／Ｄ変換器により静電容量値Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０をそれぞれデジタル値として取り込めば、デジタル演算の結果として、各検出値をデジタル値として出力することもできる。
結局、この力覚センサは、図１４に示す力覚センサにおける容量素子Ｃ５〜Ｃ８を省略し、その代わりに、第１の作用点Ｑ１を第５の測定点とし、第２の作用点Ｑ２を第６の測定点として、第５の容量素子Ｃ９と第６の容量素子Ｃ１０とを設けた構造を有していることになる。ここで、第５の容量素子Ｃ９は、検出リング２００の下面の第５の測定点Ｑ１近傍位置に配置された第５の変位電極Ｅ２９と、支持基板３００の上面の第５の変位電極Ｅ２９に対向する位置に配置された第５の固定電極Ｅ１９とによって構成され、第６の容量素子Ｃ１０は、検出リング２００の下面の第６の測定点Ｑ２近傍位置に配置された第６の変位電極Ｅ３０と、支持基板３００の上面の第６の変位電極Ｅ３０に対向する位置に配置された第６の固定電極Ｅ２０とによって構成される。
また、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、他方の電極の内部に包含されるようになっており、検出リング２００の変位が所定の許容範囲内である限り、各容量素子の有効対向面積は一定に維持される。
そして、この力覚センサの検出回路は、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０の静電容量値を、同じ符号を用いてＣ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０と表したときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ９＋Ｃ１０）
Ｍｙ＝Ｃ９−Ｃ１０
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力する機能を有している。
最後に、容量素子を用いた力覚センサに適用できる実用的な工夫を述べておく。図２１は、図１４に示す力覚センサに、この実用的な工夫を施した変形例に係る力覚センサを、ＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。この変形例の特徴は、検出リング２００を可撓性をもった導電性材料（たとえば、アルミニウム合金などの金属）によって構成し、検出リング２００の表面を共通変位電極Ｅ０として容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成したものである。検出リング２００の少なくとも表面部分が導電性材料によって構成されていれば、この表面全体が１枚の共通変位電極Ｅ０として機能するので、図１４に示す力覚センサにおける８枚の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８を兼用する電極として利用することができる。
図２１を見れば明らかなように、検出リング２００の表面には、別体の変位電極は形成されていないが、たとえば、検出リング２００の外周面のうち、固定電極Ｅ１１に対向する一部分の領域が、図１４に示す変位電極Ｅ２１として機能することになり、容量素子Ｃ１が形成されることになる。同様に、検出リング２００の下面のうち、固定電極Ｅ１５に対向する一部分の領域が、図１４に示す変位電極Ｅ２５として機能することになり、容量素子Ｃ５が形成されることになる。
もちろん、８枚の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８の代わりに、１枚の共通変位電極Ｅ０（検出リング２００の表面）を用いるようにすると、図１８に示す回路図に示されている変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８が相互に短絡されることになるが、検出回路の動作には何ら支障はない。すなわち、Ｃ／Ｖ変換器１１〜１８は、いずれも変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８を接地した状態において、この接地ノードと各固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８との間の静電容量値Ｃ１〜Ｃ８を電圧値Ｖ１〜Ｖ８に別個独立して変換することができるので、接地される変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８が共通変位電極Ｅ０に置き換わっても問題は生じない。
結局、図２１に示す変形例において実質的に必要な電極は、固定補助体３５０の外周面に設けられた４枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、支持基板３００の上面に設けられた４枚の固定基板Ｅ１５〜Ｅ１８ということになり、センサ全体の構造は極めて単純になる。また、共通変位電極Ｅ０は、検出リング２００の表面全体であるため、図１５に示す電極Ｅａの役割を果たすことになり、各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が他方の電極の内部に包含される、という条件も満たされる。なお、各固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８は、互いに電気的に絶縁されている必要があるので、固定補助体３５０の少なくとも表面の一部（固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４の形成部）および支持基板３００の少なくとも上面の一部（固定電極Ｅ１５〜Ｅ１８の形成部）は絶縁材料によって構成する必要があるが、その他の構成要素は金属などの導電性材料で構成することができる。
＜＜＜  §４．  ストレインゲージを用いた実施形態  ＞＞＞
本発明に係る力覚センサの共通した特徴は、検出リング２００の弾性変形の態様および大きさを検出することにより、作用した力やモーメントの方向および大きさを求めることにある。§２では、弾性変形の態様および大きさを検出する方法の１つとして、測定点の変位を検出する方法を説明し、§３では、変位検出の具体的な方法として、容量素子を用いた実施形態を説明した。ここでは、弾性変形の態様および大きさを検出する別な方法として、検出素子により、検出リング２００の所定の測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍位置の機械的な歪みを電気的に検出する方法を説明する。特に、歪みを検出する検出素子としてストレインゲージを用いた具体的な実施形態について述べる。
図２２は、ストレインゲージを用いた実施形態に係る力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図である。この力覚センサの基本構造部は、図１に示す基本構造部と全く同じものであり、図１４に示す容量素子を用いた実施形態の基本構造部と全く同じものである。ただ、検出素子として、容量素子の代わりにストレインゲージを用いることにより、測定点の変位の代わりに機械的な歪みを検出する点が異なっている。図２２に示す４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４は、図１４に示す４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４と全く同じものであり、Ｖ軸もしくはＷ軸上に配置された点である。
この力覚センサでは、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍の歪みを電気的に測定するために、合計８種類のストレインゲージＧ１〜Ｇ８が用いられる。すなわち、図２２に示すとおり、ストレインゲージＧ１〜Ｇ４は検出リング２００の内周面の、それぞれ測定点Ｒ１〜Ｒ４近傍に取り付けられており、ストレインゲージＧ５〜Ｇ８（図では破線で示す）は検出リング２００の下面の、それぞれ測定点Ｒ１〜Ｒ４近傍に取り付けられている。
ここで、各ストレインゲージＧ１〜Ｇ８は、いずれも検出リング２００の測定点Ｒ１〜Ｒ４近傍の表面に、検出リング２００の輪郭に沿った環状路に沿った方向が長手方向（応力の検出方向）となるように取り付けられている。したがって、取り付けられた表面に生じる、検出リング２００の円周に沿った方向に関する機械的な歪みを、各ストレインゲージＧ１〜Ｇ８の長手方向に関する電気抵抗の変化として検出することができる。
図２３は、図２２に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときのストレインゲージＧ１〜Ｇ８の電気抵抗の変化を示すテーブルである。このテーブルで「＋」は電気抵抗が増加することを示し、「−」は電気抵抗が減少することを示し、「０」は電気抵抗の変動が無視しうる程度であることを示している。このような結果は、§１で説明した検出リング２００の具体的な変形態様を解析することにより得られる。
たとえば、受力リング１００に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、検出リング２００は図４に示すように変形する。したがって、検出リング２００の内周面に張り付けられたストレインゲージＧ１〜Ｇ４について長手方向に加わる応力を考えると、Ｇ１，Ｇ４に対しては伸ばす方向に応力が加わるので電気抵抗が増加し、Ｇ２，Ｇ３に対しては縮める方向に応力が加わるので電気抵抗は減少する。一方、検出リング２００の下面に張り付けられたストレインゲージＧ５〜Ｇ８については、電気抵抗の変化は無視しうる程度である（具体的な数値については後述）。図２３のテーブルの＋Ｆｘの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合は、図２３のテーブルの＋Ｆｙの行に示す結果が得られる。
また、受力リング１００に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、検出リング２００は、図５に示すように変形する。このとき、検出リング２００の内周面に張り付けられたストレインゲージＧ１〜Ｇ４については、電気抵抗の変化は無視しうる程度であるが、検出リング２００の下面に張り付けられたストレインゲージＧ５〜Ｇ８に対しては、伸ばす方向に応力が加わるので電気抵抗が増加する。図２３のテーブルの＋Ｆｚの行は、このような結果を示している。
そして、受力リング１００に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、検出リング２００は、図６に示すように変形し、図の右半分は下方へ変位し、図の左半分は上方へ変位する。このとき、検出リング２００の内周面に張り付けられたストレインゲージＧ１〜Ｇ４については、電気抵抗の変化は無視しうる程度であるが、検出リング２００の下面に張り付けられたストレインゲージＧ５〜Ｇ８のうち、Ｇ５，Ｇ８に対しては、縮める方向に応力が加わるので電気抵抗が減少し、Ｇ６，Ｇ７に対しては、伸ばす方向に応力が加わるので電気抵抗が増加する。図２３のテーブルの＋Ｍｙの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、図２３のテーブルの＋Ｍｘの行に示す結果が得られる。
最後に、受力リング１００に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用した場合、検出リング２００は、図７に示すように変形する。このとき、検出リング２００の下面に張り付けられたストレインゲージＧ５〜Ｇ８については、電気抵抗の変化は無視しうる程度であるが、検出リング２００の内周面に張り付けられたストレインゲージＧ１〜Ｇ４のうち、Ｇ２，Ｇ４に対しては、伸ばす方向に応力が加わるので電気抵抗が増加し、Ｇ１，Ｇ３に対しては、縮める方向に応力が加わるので電気抵抗が減少する。図２３のテーブルの＋Ｍｚの行は、このような結果を示している。
なお、図２３のテーブルは、正方向の力および正まわりのモーメントが作用した場合の結果を示しているが、負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、「＋」と「−」が逆転した結果が得られることになる。結局、８組のストレインゲージＧ１〜Ｇ８の電気抵抗の変動パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、電気抵抗の変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら電気抵抗の測定値に基づく所定の演算を施せば、６軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。
図２４は、図２２に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときのストレインゲージＧ１〜Ｇ８に加わる応力（単位：ＭＰａ）を有限要素法で解析した具体的な解析結果を示すテーブルである。図２３のテーブルは、図２４のテーブルに基づいて作成したものである。上述したとおり、図２３のテーブルの「０」の欄は電気抵抗の変動が「０」であることを示しているわけではなく、テーブルの他の欄における変動に比べて小さく、測定値として無視することができる程度であることを示している。
もっとも、これらの測定値が無視しうるか否かは、力覚センサに求める精度に依存する問題であり、低い精度しか要求されない力覚センサであれば、これらの測定値を無視した取り扱いを行うことができるが、高い精度が要求される力覚センサでは、決して無視できない値になろう。実際、図２３に示すテーブルにおいて「０」と記された欄について、電気抵抗の変動値が生じると、他軸成分の干渉が生じ、精度の高い検出値を得ることはできなくなる。そのような場合は、必要に応じて、マイクロコンピュータなどによる補正演算を行うようにするのが好ましい。
図２３のテーブルの「０」の欄の電気抵抗の変動を近似的に「０」であるとして取り扱うことができる場合、この力覚センサに対して作用する力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出値は、単純なホイートストンブリッジからなる検出回路を用いて出力することが可能である。更に、力Ｆｚの検出値も、単純なホイートストンブリッジによって得るようにし、６軸成分のすべてをホイートストンブリッジからなる検出回路から出力させるようにするには、検出リング２００の上面にストレインゲージＧ９〜Ｇ１２を追加すればよい。
図２５は、図２２に示す実施形態に、更に、ストレインゲージＧ９〜Ｇ１２を付加した変形例に係る力覚センサの上面図である。図２２に示すストレインゲージＧ５〜Ｇ８は、検出リング２００の下面に設けられているが、図２５に示すストレインゲージＧ９〜Ｇ１２は、検出リング２００の上面に設けられている。より具体的には、ストレインゲージＧ９〜Ｇ１２は、それぞれストレインゲージＧ５〜Ｇ８の真上に配置された同形状の同サイズのゲージ抵抗である。このため、ストレインゲージＧ９〜Ｇ１２の電気抵抗の増減は、図２３のテーブルに示されているストレインゲージＧ５〜Ｇ８の電気抵抗の増減とは逆の関係になる。
このように、合計１２種類のストレインゲージＧ１〜Ｇ１２を利用すれば、６軸成分のすべての検出値をホイートストンブリッジからなる検出回路によって出力することができる。図２６は、図２５に示す変形例に係る力覚センサにおいて、各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを検出するための検出回路を示す回路図であり、図２７は、図２５に示す変形例に係る力覚センサにおいて、各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出するための検出回路を示す回路図である。いずれも電源４０からの電源供給を受けて動作するホイートストンブリッジからなる回路である。
図２３のテーブルの＋Ｆｘの行を参照すれば、Ｇ１，Ｇ４が「＋」，Ｇ２，Ｇ３が「−」となっているので、図２６上段に示すホイートストンブリッジによる出力電圧ＶＦｘが、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値になることは容易に理解できよう。同様の理由により、図２６中段に示すホイートストンブリッジによる出力電圧ＶＦｙが、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値になる。また、図２３のテーブルの＋Ｆｚの行を参照すれば、Ｇ５〜Ｇ８が「＋」となっており、Ｇ９〜Ｇ１２はこれとは逆の「−」になるので、図２６下段に示すホイートストンブリッジによる出力電圧ＶＦｚが、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値になることも容易に理解できよう。
一方、図２３のテーブルの＋Ｍｘの行を参照すれば、Ｇ５，Ｇ６が「−」，Ｇ７，Ｇ８が「＋」となっているので、図２７上段に示すホイートストンブリッジによる出力電圧ＶＭｘが、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値になることは容易に理解できよう。同様の理由により、図２７中段に示すホイートストンブリッジによる出力電圧ＶＭｙが、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値になる。また、図２３のテーブルの＋Ｍｚの行を参照すれば、Ｇ１，Ｇ３が「−」、Ｇ２，Ｇ４が「＋」となっているので、図２７下段に示すホイートストンブリッジによる出力電圧ＶＭｚが、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値になることも容易に理解できよう。
かくして、この力覚センサに対して作用する力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６軸成分の検出値が、単純なホイートストンブリッジからなる検出回路によって出力される。なお、出力値の符号が、正しい軸方向および正しい軸まわりの符号になるようにするには、各ホイートストンブリッジに対して接続される電源４０の極性を、それぞれ適切な向きに設定する必要がある。
なお、図２６および図２７に示すようなホイートストンブリッジからなる検出回路を組む場合、個々のホイートストンブリッジは電気的に独立したブリッジを構成するようにする必要があるので、回路図に同じ符号で示されているストレインゲージであっても、実際には、電気的に独立した別のストレインゲージにしておく必要がある。たとえば、図２６上段の回路に示されたＧ１，中段の回路に示されたＧ１，図２７下段の回路に示されたＧ１は、いずれも同じ符号で示されているが、実際には、別個独立したストレインゲージである。
したがって、図２２や図２５に示すストレインゲージＧ１は、実際には、互いに電気的に独立した複数本（別個独立したホイートストンブリッジを構成するのに必要な数）のストレインゲージの束を示していることになる。別言すれば、これまで述べてきたストレインゲージＧ１〜Ｇ１２は、それぞれ異なる配置属性をもった１２種類のストレインゲージを示しており、実際の力覚センサは、この１２種類の属性のいずれかをもつストレインゲージを、図２６および図２７に示すホイートストンブリッジを構成するのに必要な数だけ配置することにより構成される。
もちろん、力Ｆｚを除く５軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出できれば十分な場合には、検出リング２００の上面に配置されるストレインゲージＧ９〜Ｇ１２は省略することができ、８種類の属性をもつストレインゲージＧ１〜Ｇ８のみを用いて力覚センサを構成することができる。
なお、図２２に示す例では、ストレインゲージＧ１〜Ｇ４を検出リング２００の内側面に配置しているが、逆に検出リング２００の外側面に配置するようにしてもよい。同様に、図２２に示す例では、ストレインゲージＧ５〜Ｇ８を検出リング２００の下面に配置しているが、逆に検出リング２００の上面に配置するようにしてもよい。内側面と外側面、あるいは、上面と下面では、応力の加わる方向が逆転し、図２３に示すテーブルの「＋」と「−」が逆転するものの、上述したホイートストンブリッジにより、各検出値が得られる点に変わりはない。
結局、このような５軸成分の検出機能をもった力覚センサの特徴をまとめておくと、次のように言うことができる。まず、基本構造部は、受力リング１００および検出リング２００の双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、受力リング１００が外側、検出リング２００が内側となるように両リングが配置されている。
そして、検出素子として、検出リング２００の第１〜第４の測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍の表面に、検出リング２００の輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられた複数のストレインゲージＧ１〜Ｇ８が用いられる。ここで、検出リング２００の内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し（図２２の例の場合、内周面が横方向配置面になる）、検出リング２００の上面および下面のいずれか一方を縦方向配置面（図２２の例の場合、下面が縦方向配置面になる）と定義したとき、検出素子は、次の８種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成される。
（１）横方向配置面の第１の測定点Ｒ１の近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージＧ１。
（２）横方向配置面の第２の測定点Ｒ２の近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージＧ２。
（３）横方向配置面の第３の測定点Ｒ３の近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージＧ３。
（４）横方向配置面の第４の測定点Ｒ４の近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージＧ４。
（５）縦方向配置面の第１の測定点Ｒ１の近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージＧ５。
（６）縦方向配置面の第２の測定点Ｒ２の近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージＧ６。
（７）縦方向配置面の第３の測定点Ｒ３の近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージＧ７。
（８）縦方向配置面の第４の測定点Ｒ４の近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージＧ８。
そして、検出回路は、図２６上段に示すように、第１属性のストレインゲージＧ１と第４属性のストレインゲージＧ４とを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージＧ２と第３属性のストレインゲージＧ３とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値ＶＦｘを出力し、図２６中段に示すように、第１属性のストレインゲージＧ１と第２属性のストレインゲージＧ２とを第１の対辺とし、第３属性のストレインゲージＧ３と第４属性のストレインゲージＧ４とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値ＶＦｙを出力する。
一方、図２７上段に示すように、第５属性のストレインゲージＧ５と第６属性のストレインゲージＧ６とを第１の対辺とし、第７属性のストレインゲージＧ７と第８属性のストレインゲージＧ８とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値ＶＭｘを出力し、図２７中段に示すように、第５属性のストレインゲージＧ５と第８属性のストレインゲージＧ８とを第１の対辺とし、第６属性のストレインゲージＧ６と第７属性のストレインゲージＧ７とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値ＶＭｙを出力し、図２７下段に示すように、第１属性のストレインゲージＧ１と第３属性のストレインゲージＧ３とを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージＧ２と第４属性のストレインゲージＧ４とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値ＶＭｚを出力する。
そして、力Ｆｚを含めた６軸成分を検出する力覚センサを構成する場合には、図２５に示すように、検出リング２００の上面に配置されるストレインゲージＧ９〜Ｇ１２を更に付加すればよい。なお、検出リング２００の上面に配置されるストレインゲージをＧ５〜Ｇ８とし、検出リング２００の下面に配置されるストレインゲージをＧ９〜Ｇ１２として、上面／下面に形成されるストレインゲージの属性の呼び方を変えた場合も、図２６および図２７に示すホイートストンブリッジ回路による検出が可能な点に変わりはない。したがって、検出リング２００の内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し、検出リング２００の上面および下面のいずれか一方を第１縦方向配置面、他方を第２縦方向配置面と定義すれば、検出素子は、以下の１２種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成される。
（１）横方向配置面の第１の測定点Ｒ１の近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージＧ１。
（２）横方向配置面の第２の測定点Ｒ２の近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージＧ２。
（３）横方向配置面の第３の測定点Ｒ３の近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージＧ３。
（４）横方向配置面の第４の測定点Ｒ４の近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージＧ４。
（５）検出リング２００の第１縦方向配置面の第１の測定点Ｒ１の近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージＧ５。
（６）検出リング２００の第１縦方向配置面の第２の測定点Ｒ２の近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージＧ６。
（７）検出リング２００の第１縦方向配置面の第３の測定点Ｒ３の近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージＧ７。
（８）検出リング２００の第１縦方向配置面の第４の測定点Ｒ４の近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージＧ８。
（９）検出リング２００の第２縦方向配置面の第１の測定点Ｒ１の近傍位置に取り付けられた第９属性のストレインゲージＧ９。
（１０）検出リング２００の第２縦方向配置面の第２の測定点Ｒ２の近傍位置に取り付けられた第１０属性のストレインゲージＧ１０。
（１１）検出リング２００の第２縦方向配置面の第３の測定点Ｒ３の近傍位置に取り付けられた第１１属性のストレインゲージＧ１１。
（１２）検出リング２００の第２縦方向配置面の第４の測定点Ｒ４の近傍位置に取り付けられた第１２属性のストレインゲージＧ１２。
そして、検出回路は、図２６上段に示すように、第１属性のストレインゲージＧ１と第４属性のストレインゲージＧ４とを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージＧ２と第３属性のストレインゲージＧ３とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値ＶＦｘを出力し、図２６中段に示すように、第１属性のストレインゲージＧ１と第２属性のストレインゲージＧ２とを第１の対辺とし、第３属性のストレインゲージＧ３と第４属性のストレインゲージＧ４とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値ＶＦｙを出力し、図２６下段に示すように、第５属性のストレインゲージＧ５と第６属性のストレインゲージＧ６との直列接続辺と、第７属性のストレインゲージＧ７と第８属性のストレインゲージＧ８との直列接続辺と、を第１の対辺とし、第９属性のストレインゲージＧ９と第１０属性のストレインゲージＧ１０との直列接続辺と、第１１属性のストレインゲージＧ１１と第１２属性のストレインゲージＧ１２との直列接続辺と、を第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値ＶＦｚを出力する。
また、図２７上段に示すように、第５属性のストレインゲージＧ５と第６属性のストレインゲージＧ６とを第１の対辺とし、第７属性のストレインゲージＧ７と第８属性のストレインゲージＧ８とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値ＶＭｘを出力し、図２７中段に示すように、第５属性のストレインゲージＧ５と第８属性のストレインゲージＧ８とを第１の対辺とし、第６属性のストレインゲージＧ６と第７属性のストレインゲージＧ７とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値ＶＭｙを出力し、図２７下段に示すように、第１属性のストレインゲージＧ１と第３属性のストレインゲージＧ３とを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージＧ２と第４属性のストレインゲージＧ４とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値ＶＭｚを出力する。
＜＜＜  §５．  実装に適した工夫  ＞＞＞
ここでは、これまで述べてきた力覚センサをロボットや産業機械等に実装する場合に適したいくつかの工夫を述べておく。
＜５−１．  受力基板＞
図２８は、図１に示す基本構造部に、受力基板６００を付加した形態を示すＸＺ平面における縦断面図である。実際には、この基本構造部に、容量素子やストレインゲージ等の検出素子が付加されることになるが、ここでは、説明の便宜上、基本構造部のみを示すことにする。
受力基板６００は、図示のとおり、受力リング１００および検出リング２００の上方に所定間隔をおいて配置された基板であり、ＸＹ平面に平行な上面を有している。ここで、受力基板６００の下面の一部（図示の例では、外周近傍）は、受力リング１００の上面に接続されている。また、受力基板６００の下面と検出リング２００の上面との間には、所定の空隙部Ｈ３が形成されている。これは、受力基板６００の下面の内側部分が、外側部分に比べて厚みが小さくなっているためである。このような空隙部Ｈ３を設けたため、検出リング２００の変位が受力基板６００によって妨げられることはない。
これまで述べてきた実施形態は、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に作用する力やモーメントを検出するものであったが、図２８に示す例では、支持基板３００を固定した状態において、受力基板６００に作用する力やモーメントを検出することになる。別言すれば、受力リング１００には、受力基板６００が受けた力やモーメントが伝達される。
このように、受力基板６００が設けられた力覚センサは、ロボットアームなどの中継部分に取り付ける場合に実装しやすい。たとえば、受力基板６００の上面にロボットのハンド部を接合し、支持基板３００の下面にロボットのアーム部を接合すれば、この受力センサをロボットの手首に実装することができ、ハンド部に加わる力やモーメントを検出することができる。
＜５−２．  検出リングの別な固定方法＞
図２９は、図１に示す基本構造部における検出リング２００の固定方法を変えた変形例を示す上面図である。ここでも、実際には、この基本構造部に、容量素子やストレインゲージ等の検出素子が付加されることになるが、説明の便宜上、基本構造部のみを示してある。
図１に示す基本構造部では、検出リング２００が、固定部材５１０，５２０によって支持基板３００上に固定されていた。ここで、固定部材５１０，５２０は、検出リング２００の下面と支持基板３００の上面とを接続する役割を果たす。これに対して、図２９に示す基本構造部の場合、検出リング２００は、固定部材５１５，５２５によって、固定補助体３５０に固定されている。
このような固定方法を採るためには、受力リング１００が外側、検出リング２００が内側となるように両リングを配置し、検出リング２００の更に内側に、下面が支持基板３００の上面に固定された固定補助体３５０を設けることが前提となる。図１４や図２１に示した力覚センサは、このような前提の基本構造部を備えている。受力リング１００と検出リング２００が、Ｘ軸に沿った接続部材４１０，４２０によって接続される点は、図１４や図２１に示した力覚センサと同じであるが、図２９に示す力覚センサの場合、検出リング２００を支持基板３００上に固定するために、固定部材５１５，５２５が、検出リング２００の内周面と固定補助体３５０の外周面とを接続することになる。
固定部材５１５，５２５が、Ｙ軸に沿って配置されているため、検出リング２００上に定義される固定点Ｐ１，Ｐ２の位置や、作用点Ｑ１，Ｑ２の位置は、これまで述べてきた実施形態と変わりはない。したがって、これまでとは異なる固定方法を採用しているものの、力覚センサとしての基本動作は、これまで述べた実施形態と同じである。検出リング２００は、固定部材５１５，５２５および固定補助体３５０を介して、支持基板３００に対して固定されることになる。支持基板３００の上面に対して接合される部材は、固定補助体３５０のみとなるため、これまで述べてきた実施形態と比べて、組立工程が若干簡略化されることになる。特に、固定補助体３５０と支持基板３００とを最終段階で接合して、この力覚センサを実装するような環境では、実装が容易になる。
＜５−３．  変位の制御構造（その１）＞
図３０は、図１に示す基本構造部に、変位制御構造を付加した例を示す上面図であり、図３１は、この例をＸＺ平面で切断した縦断面図である。図３１に示すとおり、受力リング１００の左右両端付近には、上下に貫通する貫通孔１０５，１０７が形成されており、受力リング１００の上面の貫通孔１０５，１０７の位置には、貫通孔１０５，１０７よりも径の大きな溝部１０１，１０３が形成されている。
そして、この貫通孔１０５，１０７を挿通するように、変位制御ネジ１１１，１１３が嵌め込まれている。この変位制御ネジ１１１，１１３は、先端部が支持基板３００の上面に形成されたネジ穴に固定されており、頭部が溝部１０１，１０３に収容された状態になっている。しかも、変位制御ネジ１１１と貫通孔１０５の内面および溝部１０１の内面との間には空隙部が形成されており、変位制御ネジ１１３と貫通孔１０７の内面および溝部１０３の内面との間にも空隙部が形成されている。
図３１は、ＸＺ断面図であるため、２本の変位制御ネジ１１１，１１３およびその周囲の構造しか現れていないが、実際には、図３０の上面図に示すとおり、４本の変位制御ネジ１１１，１１２，１１３，１１４が所定箇所（この例の場合、Ｘ軸正および負ならびにＹ軸正および負の合計４箇所）に配置されており、その周囲の構造はいずれも同じである。４本の変位制御ネジ１１１，１１２，１１３，１１４の頭部は、それぞれ溝部１０１，１０２，１０３，１０４に収容されているが、両者間には空隙部が形成されている。これは、各変位制御ネジ１１１〜１１４が、受力リング１００を固定する機能を果たしているわけではないことを意味する。
各変位制御ネジ１１１〜１１４は、その先端部が支持基板３００の上面に形成されたネジ穴に固定されているため、変位制御ネジ自身は、支持基板３００に対して垂直に立った状態で固定されていることになる。一方、受力リング１００は、変位制御ネジ１１１〜１１４で固定されているわけではないので、力もしくはモーメントが作用すると変位を生じることになる。但し、変位量が大きくなると、変位制御ネジ１１１〜１１４と貫通孔１０５〜１０８の内面もしくは溝部１０１〜１０４の内面とが接触して、受力リング１００の変位が制限される。
ここで、受力リング１００に所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、変位制御ネジ１１１〜１１４によって受力リング１００の変位が制限されるように、空隙部の寸法を設定しておけば、受力リング１００が過度に変位することを制限することができる。このように受力リング１００の変位を制限する制御構造を設けておけば、過度の力やモーメントが作用した場合にも、基本構造部が機械的な損傷を受けることを防止することができる。特に、検出リング２００は、可撓性を有した部材であり、所定の許容範囲内の力の作用に対しては弾性変形を生じるが、許容範囲を超える力が作用した場合、損傷する可能性がある。したがって、実用上は、ここに示す例のように、何らかの変位制御構造を設けておくのが好ましい。
＜５−４．  変位の制御構造（その２）＞
ここでは、受力リング１００の過度の変位を制御する別な構造例を説明する。ここに示す例は、受力リング１００の上方に配置された受力基板６００利用して、変位の制御構造を実現した例である。すなわち、ここで述べる例は、§３で述べた容量素子を用いた実施形態を、より実装に適した形に改良した力覚センサの例であり、基本的な構造は、図２１に示す力覚センサと全く同じである。
図３２は、この力覚センサの上面図、図３３は、この力覚センサをＸＺ平面で切断した縦断面図、図３４は、この力覚センサをＶＺ平面で切断した縦断面図である。ここで、Ｖ軸およびＷ軸は、図２１に示す実施形態で定義したものと同じものであり、ＸＹ平面に含まれ、Ｘ軸やＹ軸に対して４５°傾斜した座標軸である。
図３２に示すように、この力覚センサの上部は円盤状の受力基板６００Ａによって覆われている。図３２に描かれた破線は、受力リング１００Ａの位置を示すものである。図示のとおり、受力基板６００ＡのＸ軸およびＹ軸の上方に位置する４箇所には、円形の溝部６０１，６０３，６０５，６０７が形成されており、これらの中心位置には貫通孔が形成され、固定ネジ６１１，６１３，６１５，６１７が挿通している。この固定ネジ６１１，６１３，６１５，６１７は、受力基板６００Ａを受力リング１００Ａに固定する役割を果たす。
図３３には、固定ネジ６１１，６１５が、受力リング１００Ａの上面に形成されたネジ穴に固定されている状態が明瞭に示されている。固定ネジ６１１，６１５の頭部は、溝部６０１，６０５内に収容されている。固定ネジ６１３，６１７の固定状態も同様である。なお、支持基板３００Ａの下面における固定ネジ６１１，６１３，６１５，６１７の真下の位置には、それぞれネジ孔３０１，３０３，３０５，３０７が形成されている。これらのネジ孔は、支持基板３００Ａを、その下方の物体（たとえば、ロボットのアーム部）に固定する役割を果たす。
一方、図３２に示すとおり、受力基板６００ＡのＶ軸およびＷ軸の上方に位置する４箇所には、円形の貫通孔６０２，６０４，６０６，６０８が形成されており、その内部には、円筒状のスペーサ６２２，６２４，６２６，６２８が嵌め込まれ、更にその内部には、固定ネジ６１２，６１４，６１６，６１８が挿通している。この固定ネジ６１２，６１４，６１６，６１８は、受力リング１００Ａを、受力基板６００Ａの上方の物体（たとえば、ロボットのハンド部）に固定する役割を果たす。
図３４には、固定ネジ６１２，６１６およびその周囲の構造が明瞭に示されている。固定ネジ６１２の頭部は、受力リング１００Ａの下面に形成された溝部１２１内に収容されており、その先端部は、受力リング１００Ａに形成された貫通孔および受力基板６００Ａに形成された貫通孔６０２を通って上方へと突き出している。この固定ネジ６１２と貫通孔６０２の内壁面との間には、円筒状のスペーサ６２２が嵌められている。同様に、固定ネジ６１６の頭部は、受力リング１００Ａの下面に形成された溝部１２６内に収容されており、その先端部は、受力リング１００Ａに形成された貫通孔および受力基板６００Ａに形成された貫通孔６０６を通って上方へと突き出している。この固定ネジ６１６と貫通孔６０６の内壁面との間には、円筒状のスペーサ６２６が嵌められている。固定ネジ６１４，６１８の周囲の構造も同様である。
受力基板６００Ａの上方の物体（たとえば、ロボットのハンド部）の下面に、固定ネジ６１２，６１４，６１６，６１８の先端部に螺合するネジ孔を形成しておけば、当該物体は、これら固定ネジによって、スペーサ６２２，６２４，６２６，６２８の上端位置にしっかりと固定される。
図３３および図３４に示されているように、受力基板６００Ａの下面外周部には、受力リング１００Ａおよび検出リング２００Ａを包摂する包摂筒状体６５０（この例の場合、円筒状の物体）が接続されている（図示の例の場合、受力基板６００Ａと包摂筒状体６５０とは一体の構造体となっている）。しかも、包摂筒状体６５０の下端部と支持基板３００Ａの外周部との間には空隙部Ｈ４，Ｈ５が形成されている。すなわち、この例の場合、支持基板３００Ａの周縁部には段差部が設けられており、包摂筒状体６５０の下端面と段差部との間には空隙部Ｈ４が形成されている。また、包摂筒状体６５０の内壁面と支持基板３００Ａの段差内側の周縁部との間には空隙部Ｈ５が形成されている。
ここで、空隙部Ｈ４，Ｈ５の寸法は、受力基板６００Ａに所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、包摂筒状体６５０の下端部と支持基板３００Ａの外周部とが接触して、受力基板６００Ａの変位が制限されるように設定されている。したがって、この力覚センサの場合も、過度の力やモーメントが作用した場合にも、基本構造部が機械的な損傷を受けることを防止することができる。
なお、この力覚センサでは、検出回路を構成する電子部品を実装した検出回路基板３８０が、支持基板３００Ａの上面に設けられている。図示の例では、検出回路基板３８０は、固定補助体３５０Ａの周囲を取り囲むようなワッシャ状の回路基板であり、図３４に示すとおり、固定電極Ｅ１５，Ｅ１６，Ｅ１７，Ｅ１８は、この検出回路基板３８０の上面に配置される。なお、図では、検出回路基板３８０上に実装される電子部品は省略されているが、これらの電子部品は、たとえば、図１８に示すような回路を構成する部品になる。これらの電子部品と、共通変位電極Ｅ０（すなわち、検出リング２００Ａ）および各固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８との間には配線が施される。
このように、検出回路基板３８０を支持基板３００Ａの上面に設け、検出回路の部品を実装すれば、力覚センサとして必要な構成要素をすべて内部に組み込むことができる。したがって、装置全体の省スペース化、薄型化を図ることができる。
＜＜＜  §６．  ダイアフラム部を形成する実施形態  ＞＞＞
これまで述べてきた実施形態では、検出リング２００として、全体が可撓性を有する円環状のリングを用いていたが、本発明に用いる検出リング２００は、必ずしも全体が可撓性を有する必要はなく、少なくとも一部に弾性変形が生じるリングであれば足りる。ここでは、検出リング２００の一部分にダイアフラム部を形成し、このダイアフラム部に弾性変形の役割を課した実施形態を説明する。
図３５は、検出リングにダイアフラム部を形成した実施形態の基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＸＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。ここでも、Ｖ軸およびＷ軸は、これまで述べた実施形態で定義したものと同じものであり、ＸＹ平面に含まれ、Ｘ軸やＹ軸に対して４５°傾斜した座標軸である。
ここに示す基本構造部は、受力リング１００Ｂの内側に検出リング２００Ｂを配置し、更にその内側に固定補助体３５０Ｂを配置し、これらの下方に支持基板３００Ｂを配置した構成を有する。受力リング１００Ｂと検出リング２００Ｂとの間には空隙部Ｈ６が確保され、検出リング２００Ｂと固定補助体３５０Ｂとの間には空隙部Ｈ７が確保されている。そして、受力リング１００Ｂと検出リング２００Ｂは、支持基板３００Ｂに対して上方に浮いた位置に支持されているため、検出リング２００Ｂは、所定の許容範囲内で変形および変位することができる。
受力リング１００Ｂおよび検出リング２００Ｂは、いずれも円環状のリングであり、ＸＹ平面上にＺ軸を中心軸として配置されている。また、支持基板３００Ｂは、ＸＹ平面に平行な上面をもち、受力リング１００Ｂおよび検出リング２００Ｂの下方に所定間隔をおいて配置されている。そして、固定補助体３５０Ｂは、Ｚ軸を中心軸として配置された円柱状の構造体であり、その下面は支持基板３００Ｂの上面に接合されている。このような特徴は、図８に示す基本構造部と共通するものである。
ただ、ここに示す実施形態の場合、検出リング２００Ｂは幾何学的に完全な円環ではなく、図３５上段の横断面図に示すとおり、一部分に４組のダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４が設けられている。そして、受力リング１００Ｂと検出リング２００Ｂとを接続する４本の接続部材４３１〜４３４は、Ｘ軸もしくはＹ軸を中心軸とする円柱状の部材であり、その内側端は各ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４の中心位置に接続されている。したがって、各ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４の中心位置は、それぞれ作用点Ｑ１１〜Ｑ１４として機能する。実用上は、受力リング１００Ｂ、検出リング２００Ｂ、接続部材４３１〜４３４は、金属などの同一材料で一体の構造体として製造することができる。
一方、検出リング２００ＢのＶ軸およびＷ軸上には、図示のとおり固定点Ｐ１１〜Ｐ１４が定義されている。そして、検出リング２００Ｂの固定点Ｐ１１〜Ｐ１４の位置は、固定部材５３１〜５３４によって支持基板３００Ｂの上面に固定されている。図３５において、破線で描かれている固定部材５３１〜５３４は、検出リング２００Ｂの固定点Ｐ１１〜Ｐ１４の位置の下面に配置されている。図３６は、図３５に示す基本構造部をＶＺ平面で切断した縦断面図である。この図には、検出リング２００Ｂの固定点Ｐ１１近傍の下面が固定部材５３１によって支持基板３００Ｂの上面に固定され、検出リング２００Ｂの固定点Ｐ１３近傍の下面が固定部材５３３によって支持基板３００Ｂの上面に固定されている状態が明瞭に示されている。
結局、図３５上段の横断面図に示すとおり、検出リング２００Ｂは、４箇所の固定点Ｐ１１〜Ｐ１４の位置で支持基板３００Ｂに固定された状態において、４箇所の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４の位置に力を受けることになる。ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４は、検出リング２００Ｂに形成された、他の部分に比べて肉厚の薄い部分であり、可撓性を有している。したがって、受力リング１００Ｂから４本の接続部材４３１〜４３４を介して各作用点Ｑ１１〜Ｑ１４に力が作用すると、専ら、ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４に弾性変形が生じることになる。もちろん、検出リング２００Ｂの各部を同一材料で構成した場合、厳密に言えば、ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４以外の部分も多少の弾性変形を生じることになるが、実質的には、ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４に弾性変形が集中する。
そこで、ここに示す実施形態では、このダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４に生じた弾性変形を、検出素子によって電気的に検出することになる。具体的には、§３で述べた実施形態と同様に、容量素子を用いてダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４に生じた変位を測定し、その結果に基づいて、弾性変形の態様を認識する方法を採る。後述するように、支持基板３００Ｂを固定した状態において、受力リング１００Ｂに各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚが作用したときのダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４の変形態様はそれぞれ異なるので、ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４に生じた変位を測定することにより、６軸成分をそれぞれ独立して検出することが可能になる。
図３７は、図３５に示す基本構造部に容量素子を付加することにより構成された力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図である。この力覚センサでは、合計４０枚の電極を設けて、合計２０組の容量素子を構成している。ここでは、便宜上、互いに近傍に配置される５枚の電極を１つの電極群として、合計８組の電極群を構成して説明する。図３７において、符号Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０で示されている電極群は、それぞれが５枚の変位電極から構成される変位電極群であり、検出リング２００Ｂの内周面の各ダイアフラム部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の位置に配置されている。これに対して、符号Ｕ１０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０で示されている電極群は、それぞれが５枚の固定電極から構成される固定電極群であり、固定補助体３５０Ｂの外周面のそれぞれ変位電極群Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０に対向する位置に配置されている。
図３７では、これら８組の電極群（４０枚の電極）を詳細に示すことは困難なので、各電極の形状および配置を図３８のテーブルに示す。このテーブルにおいて、Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０なる表題が付された欄には、図３７に示す変位電極群Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０の平面図が示されており、Ｕ１０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０なる表題が付された欄には、図３７に示す固定電極群Ｕ１０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０の平面図が示されている。各平面図は、それぞれ図３７に示す視点ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４の位置から各電極群を見た状態を示している。ＸＹＺ座標系に対する位置関係を明確にするために、各平面図には、それぞれＸ，Ｙ，Ｚ軸の方向を示してある。いずれの平面図においても、Ｚ軸が上方になる。なお、固定電極群Ｕ１０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０の平面図における破線は、対向する変位電極群Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０に所属する変位電極の投影像（Ｘ軸もしくはＹ軸方向への投影像）を示している。
たとえば、図３８の「Ｔ１０」欄には、変位電極群Ｔ１０に所属する５枚の変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５の平面図が示されている。この平面図は、図３７に示す視点ｅ１の位置からＸ軸正方向を観察したときに得られるものである。変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５は、いずれも検出リング２００Ｂの内周面のダイアフラム部Ｄ１の部分に配置されている。したがって、実際には、各電極は曲面上に形成されていることになるが、図３８では、説明の便宜上、平面上に配置した図として示す。変位電極Ｔ１１〜Ｔ１４は同じサイズの台形をした電極であり、変位電極Ｔ１５は正方形の電極である。変位電極Ｔ１５は、中心点がＸ軸上にくるように配置されており、変位電極Ｔ１１〜Ｔ１４は、その周囲を取り囲むように配置されている。図示の平面図において、この変位電極群Ｔ１０は、Ｙ軸に関しても、Ｚ軸に関しても、対称性を有している。
一方、図３８の「Ｕ１０」欄には、固定電極群Ｕ１０に所属する５枚の固定電極Ｕ１１〜Ｕ１５の平面図が示されている。この平面図は、図３７に示す視点ｅ１の位置からＸ軸負方向を観察したときに得られるものである。固定電極Ｕ１１〜Ｕ１５は、それぞれ変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５に対向する位置に配置されている。図示の平面図において、この固定電極群Ｕ１０は、Ｙ軸に関しても、Ｚ軸に関しても、対称性を有している。上述したとおり、図における破線は、対向する変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５の投影像（Ｘ軸方向への投影像）を示している。
５枚の変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５と５枚の固定電極Ｕ１１〜Ｕ１５とは、それぞれ対向しているため、５組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５が形成される。しかも、図３８の「Ｕ１０」欄に示すとおり、実線で示す固定電極Ｕ１１〜Ｕ１５は、それぞれ破線で示す変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５の投影像に含まれている。これは、各対向電極が、図１５に示す電極Ｅａ，Ｅｂの関係にあることを意味している。すなわち、容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５は、一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、当該他方の電極の内部に包含される、という条件を満たす容量素子になっており、ダイアフラム部Ｄ１の変位が所定の許容範囲内である限り、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５の有効対向面積は一定に維持される。
図３８の「Ｔ２０」，「Ｔ３０」，「Ｔ４０」の各欄に示された変位電極群および「Ｕ２０」，「Ｕ３０」，「Ｕ４０」の各欄に示された固定電極群についても全く同様である。結局、変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５と固定電極Ｕ１１〜Ｕ１５とにより容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５が形成され（以下、容量素子群Ｃ１０と呼ぶ）、変位電極Ｔ２１〜Ｔ２５と固定電極Ｕ２１〜Ｕ２５とにより容量素子Ｃ２１〜Ｃ２５が形成され（以下、容量素子群Ｃ２０と呼ぶ）、変位電極Ｔ３１〜Ｔ３５と固定電極Ｕ３１〜Ｕ３５とにより容量素子Ｃ３１〜Ｃ３５が形成され（以下、容量素子群Ｃ３０と呼ぶ）、変位電極Ｔ４１〜Ｔ４５と固定電極Ｕ４１〜Ｕ４５とにより容量素子Ｃ４１〜Ｃ４５が形成される（以下、容量素子群Ｃ４０と呼ぶ）。ここで、容量素子群Ｃ１０，Ｃ２０，Ｃ３０，Ｃ４０は、それぞれダイアフラム部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の変位（弾性変形）を検出する検出素子としての役割を果たす。
続いて、この力覚センサにおいて、支持基板３００Ｂを固定した状態において、受力リング１００Ｂに各座標軸方向の力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚが作用したとき、容量素子群Ｃ１０，Ｃ２０，Ｃ３０，Ｃ４０の静電容量値にどのような変化が生じるかを検討する。図３９は、図３７に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値の変化を示すテーブルである。このテーブルで「＋」は静電容量値が増加することを示し、「−」は静電容量値が減少することを示し、「０」は静電容量値が変動しないことを示している。このような結果が得られることは、検出リング２００Ｂの具体的な変形態様を考えれば理解できよう。
たとえば、図３７において、受力リング１００Ｂに対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、ダイアフラムＤ１は右方向へ引っ張られ、ダイアフラムＤ３は右方向へ押し出される。その結果、容量素子群Ｃ１０の電極間距離は広がり静電容量値は減少し、容量素子群Ｃ３０の電極間距離は狭まり静電容量値は増加する。このとき、容量素子群Ｃ２０，Ｃ４０については、Ｘ軸方向へのずれが生じるものの、電極間距離や有効対向面積に実質的な変化は生じないため、静電容量値は変化しない。図３９のテーブルの＋Ｆｘの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合は、図３９のテーブルの＋Ｆｙの行に示す結果が得られる。
次に、受力リング１００Ｂに対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した場合を考える。図４０は、力＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。説明の便宜上、必要な構成要素のみを抽出し、各部をデフォルメして示してある。したがって、個々の部分の形状は、実際の変形態様を正確に示すものではない。図示のとおり、受力リング１００Ｂが上方に移動すると、接続部材４３１，４３３を介して、ダイアフラム部Ｄ１，Ｄ３の中央部分に対して上方向への力が伝達される。その結果、ダイアフラム部Ｄ１，Ｄ３は図示のように傾斜する。図では、ダイアフラム部Ｄ１，Ｄ３を平板として描いているが、実際には、ねじれを生じた複雑な形状をなす。ただ、固定補助体３５０Ｂの外周面との距離の変動を考えると、図示のとおり、上部における距離ｄ（ｕｐ）は小さくなり、下部における距離ｄ（ｄｏｗｎ）は大きくなる。
その結果、図３８に示すテーブルにおいて、上部に配置された電極対からなる容量素子Ｃ１３，Ｃ２３，Ｃ３３，Ｃ４３の静電容量値は増加し、下部に配置された電極対からなる容量素子Ｃ１４，Ｃ２４，Ｃ３４，Ｃ４４の静電容量値は減少する。一方、中央や左右に配置された電極対の距離は、上半分は小さくなるが、下半分は大きくなるので、両者で相殺され、これらの電極対からなる容量素子の静電容量値は変化しない。図３９のテーブルの＋Ｆｚの行は、このような結果を示している。
続いて、受力リング１００Ｂに対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用した場合を考える。この場合、図３７において、受力リング１００Ｂの左端はＺ軸正方向（紙面から持ち上げる方向）に移動するため、ダイアフラム部Ｄ３は、図４０と同様に傾斜し、上部における距離ｄ（ｕｐ）は小さくなり、下部における距離ｄ（ｄｏｗｎ）は大きくなる。したがって、容量素子Ｃ３３の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ３４の静電容量値は減少する。一方、受力リング１００Ｂの右端はＺ軸負方向（紙面の裏側へ向かう方向）に移動するため、ダイアフラム部Ｄ１は、図４０とは逆の方向に傾斜し、上部における距離ｄ（ｕｐ）は大きくなり、下部における距離ｄ（ｄｏｗｎ）は小さくなる。したがって、容量素子Ｃ１３の静電容量値は減少し、容量素子Ｃ１４の静電容量値は増加する。他の容量素子の静電容量値は変化しない。図３９のテーブルの＋Ｍｙの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、図３９のテーブルの＋Ｍｘの行に示す結果が得られる。
最後に、受力リング１００Ｂに対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用した場合を考える。図４１は、モーメント＋Ｍｚが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図である。この図でも、説明の便宜上、必要な構成要素のみを抽出し、各部をデフォルメして示してある。したがって、個々の部分の形状は、実際の変形態様を正確に示すものではない。図示のとおり、モーメント＋Ｍｚが作用すると、受力リング１００Ｂは反時計回りに回転するため、ダイアフラム部Ｄ１は図示のように傾斜する。ここでも、ダイアフラム部Ｄ１を平板として描いているが、実際には、ねじれを生じた複雑な形状をなす。ただ、固定補助体３５０Ｂの外周面との距離の変動を考えると、図示のとおり、視点ｅ１から見たときの左側（図４１では上側）における距離ｄ（ｌｅｆｔ）は小さくなり、右側（図４１では下側）における距離ｄ（ｒｉｇｈｔ）は大きくなる。その結果、容量素子Ｃ１１の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ１２の静電容量値は減少する。同様の理由により、容量素子Ｃ２１，Ｃ３２，Ｃ４２の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ４１の静電容量値は減少する。他の容量素子の静電容量値は変化しない。図３９のテーブルの＋Ｍｚの行は、このような結果を示している。
なお、図３９のテーブルは、正方向の力および正まわりのモーメントが作用した場合の結果を示しているが、負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、「＋」と「−」が逆転した結果が得られることになる。結局、２０組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値の変化パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら静電容量の測定値に基づく所定の演算を施せば、６軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。
図４２は、図３７に示す力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを求める具体的な演算式を示す図である。この式におけるＣ１１〜Ｃ４５は、それぞれ同じ符号で示す容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値を示している。このような演算式によって、個々の検出値が得られる理由は、図３９に示すテーブルを参照すれば理解できる。たとえば、Ｆｘに関する第１の式は、図３９のテーブルの＋Ｆｘの行において「＋」が記された５組の容量素子の容量値の総和と、「−」が記された５組の容量素子の容量値の総和と、の差分を示している。第２の式および第３の式は、５組の容量素子のうちの４組もしくは１組のみを用いた場合の式である。他の検出値についても同様である。
また、負方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚおよび負まわりのモーメント−Ｍｘ，−Ｍｙ，−Ｍｚが作用した場合は、図３９のテーブルにおける「＋」と「−」とが逆転するので、図４２に示す演算式をそのまま利用すれば、各検出値を負の値として得ることができる。この図４２に示す６軸成分の演算式は、他軸成分の干渉を受けないので、６軸成分についての各検出値を独立して得ることができる。また、この演算式によれば、いずれも差分をとる演算が行われるため、温度環境の変化により基本構造部が膨張もしくは収縮し、対向電極開距離が変動する誤差が生じたとしても、生じた誤差を相互にキャンセルすることができるので、外乱成分を含まない正確な検出結果を得ることができる。
ここでは、この図４２に示す演算式に基づいて、６軸成分の検出値を出力する検出回路の例示は省略するが、図１８に示した回路図に準じた検出回路を構成することが可能である。もちろん、複数の容量素子を並列接続すれば、加算演算を行うための演算器を省略することができるし、Ａ／Ｄ変換器により静電容量値Ｃ１１〜Ｃ４５をそれぞれデジタル値として取り込めば、デジタル演算の結果として、各検出値をデジタル値として出力することもできる。
また、図３７に示す力覚センサの構造は、一例を示すものであり、細かな構造部分の仕様は、設計上、適宜変更可能である。たとえば、図３７に示す力覚センサのダイアフラム部Ｄ１は、図４３（ａ）に示すように（Ｘ軸正方向から原点Ｏ方向を観察した図）、輪郭が矩形状をなし、その中心位置に接続部材４３１（断面が示されている）が接合されている。このような形状をしたダイアフラム部Ｄ１は、検出リング２００Ｂの一部を切削加工することにより形成することができ、比較的製造プロセスは簡単である。ただ、ダイアフラム部の形状は、必ずしも矩形状に限定されるものではない。
図４３（ｂ）に示す例（こちらも、Ｘ軸正方向から原点Ｏ方向を観察した図）は、輪郭が円形のダイアフラム部Ｄ１′を形成した例である。ダイアフラム部Ｄ１′の中心位置に接続部材４３１が接合されている点は同じであるが、ダイアフラム部Ｄ１′は、検出リング２００Ｂに円形の溝を掘ることにより形成され、その周囲全体が、検出リング２００Ｂの肉厚部分によって囲まれている。
一方、図４４は、図３７に示す力覚センサの電極群の変形例を示す平面図である（ハッチングは、各電極の形状を明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない）。図３７に示す力覚センサでは、図３８の平面図に示すとおり、１枚の正方形の電極と４枚の台形状の電極との５枚の電極により、１組の電極群が構成されていたが、各電極群を構成する電極の数、形状、配置は、図３８に示す例に限定されるものではない。図４４（ａ）は、４枚の二等辺三角形からなる電極により、１組の電極群を構成した例である。また、図４４（ｂ）は、１枚の正方形の電極と４枚のＬ字状の電極との５枚の電極により、１組の電極群を構成した例である。更に、図４４（ｃ）は、４枚の正方形の電極により、１組の電極群を構成した例である。もちろん、この他にも様々な電極構成が考えられる。
ここでは、この図４４に変形例として示す電極構成を採用した場合の６軸成分の検出方法についての詳細な説明は省略するが、いずれの場合も、図３９に準じたテーブルを作成することができ、このテーブルに基づいて、図４２に準じた演算式を定義することができる。
最後に、この§６で述べた実施形態の特徴をまとめておく。まず第１に、図３５に示すとおり、検出リング２００Ｂの輪郭に沿った環状路に、４個の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４と４個の固定点Ｐ１１〜Ｐ１４とが交互に配置されており、検出リング２００Ｂの４個の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４の近傍部分は、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４を構成している。そして、４個の接続部材４３１〜４３４が、作用点Ｑ１１〜Ｑ１４の位置において各ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４に接続されており、４個の固定部材５３１〜５３４が、固定点Ｐ１〜Ｐ４の位置において、検出リング２００Ｂの下面に接続されている。
もっとも、作用点および固定点の数は、必ずしも４個に限定されるものではなく、任意の複数ｎ個に設定することが可能である。要するに、検出リング２００Ｂの輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個の作用点Ｑ１１〜Ｑ１ｎと複数ｎ個の固定点Ｐ１１〜Ｐ１ｎが交互に配置されるようにし、検出リング２００Ｂのｎ個の作用点Ｑ１１〜Ｑ１ｎの近傍部分は、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部Ｄ１〜Ｄｎを構成し、ｎ個の接続部材が各ダイアフラム部に接続されており、ｎ個の固定部材が各固定点Ｐ１１〜Ｐ１ｎを支持基板３００Ｂに固定するようにすればよい。そして、このような構造をもった基本構造部に対して、各ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄｎの弾性変形を電気的に検出する検出素子を付加すればよい
ただ、実用上は、上述した実施形態のように、検出リング２００Ｂの輪郭に沿った環状路に、第１の作用点Ｑ１１、第１の固定点Ｐ１１、第２の作用点Ｑ１２、第２の固定点Ｐ１２、第３の作用点Ｑ１３、第３の固定点Ｐ１３、第４の作用点Ｑ１４、第４の固定点Ｐ１４の順に、４個の作用点および４個の固定点を配置し、検出リング２００Ｂの第１の作用点Ｑ１１の近傍部分に第１のダイアフラム部Ｄ１を構成し、第２の作用点Ｑ１２の近傍部分に第２のダイアフラム部Ｄ２を構成し、第３の作用点Ｑ１３の近傍部分に第３のダイアフラム部Ｄ３を構成し、第４の作用点Ｑ１４の近傍部分に第４のダイアフラム部Ｄ４を構成し、検出素子より、これら第１〜第４のダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４の弾性変形を電気的に検出するようにすれば、非常に効率的な検出が可能になる。
特に、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６軸成分を独立して検出可能な力覚センサを実現するには、上述した実施形態の構成を採るのが最も効率的である。具体的には、作用点に関しては、第１の作用点Ｑ１１がＸ軸正領域に、第２の作用点Ｑ１２がＹ軸正領域に、第３の作用点Ｑ１３がＸ軸負領域に、第４の作用点Ｑ１４がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、第１のダイアフラム部Ｄ１がＸ軸正領域に位置し、第２のダイアフラム部Ｄ２がＹ軸正領域に位置し、第３のダイアフラム部Ｄ３がＸ軸負領域に位置し、第４のダイアフラム部Ｄ４がＹ軸負領域に位置するようにする。
そして、Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材４３１により、第１のダイアフラム部Ｄ１が受力リング１００Ｂに接続され、Ｙ軸正領域に沿って伸びる第２の接続部材４３２により、第２のダイアフラム部Ｄ２が受力リング１００Ｂに接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第３の接続部材４３３により、第３のダイアフラム部Ｄ３が受力リング１００Ｂに接続され、Ｙ軸負領域に沿って伸びる第４の接続部材４３４により、第４のダイアフラム部Ｄ４が受力リング１００Ｂに接続されているようにする。
一方、固定点に関しては、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の固定点Ｐ１１がＶ軸正領域に、第２の固定点Ｐ１２がＷ軸正領域に、第３の固定点Ｐ１３がＶ軸負領域に、第４の固定点Ｐ１４がＷ軸負領域に、それぞれ配置されているようにし、各固定点の位置において、検出リング２００Ｂが支持基板３００Ｂに対して固定されるようにすればよい。
ここで、各ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４の弾性変形を電気的に検出するには、容量素子などを利用して各部の変位を測定する方法を採ってもよいし、ストレインゲージなどを利用して各部に生じる機械的な歪みを測定する方法を採ってもよい。図３７に示す力覚センサは、前者の方法を採用するものであり、容量素子を用いた効率的な変位測定を行うことができるように、次のような工夫を施している。
まず、受力リング１００Ｂおよび検出リング２００Ｂの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングとし、受力リング１００Ｂが外側、検出リング２００Ｂが内側となるように両リングを配置している。そして、固定電極を支持するために、検出リング２００Ｂの更に内側に、下面が支持基板３００Ｂの上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体３５０Ｂを設けている。
そして、検出素子は、次の４組の容量素子群によって構成される。
（１）検出リング２００Ｂの内周面の第１のダイアフラムＤ１の部分に配置された複数の変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５からなる第１変位電極群Ｔ１０と、固定補助体３５０Ｂの外周面の第１変位電極群Ｔ１０の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極Ｕ１１〜Ｕ１５からなる第１固定電極群Ｕ１０と、によって構成される複数の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５からなる第１容量素子群Ｃ１０。
（２）検出リング２００Ｂの内周面の第２のダイアフラムＤ２の部分に配置された複数の変位電極Ｔ２１〜Ｔ２５からなる第２変位電極群Ｔ２０と、固定補助体３５０Ｂの外周面の第２変位電極群Ｔ２０の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極Ｕ２１〜Ｕ２５からなる第２固定電極群Ｕ２０と、によって構成される複数の容量素子Ｃ２１〜Ｃ２５からなる第２容量素子群Ｃ２０。
（３）検出リング２００Ｂの内周面の第３のダイアフラムＤ１の部分に配置された複数の変位電極Ｔ３１〜Ｔ３５からなる第３変位電極群Ｔ３０と、固定補助体３５０Ｂの外周面の第３変位電極群Ｔ３０の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極Ｕ３１〜Ｕ３５からなる第３固定電極群Ｕ３０と、によって構成される複数の容量素子Ｃ３１〜Ｃ３５からなる第３容量素子群Ｃ３０。
（４）検出リング２００Ｂの内周面の第４のダイアフラムＤ４の部分に配置された複数の変位電極Ｔ４１〜Ｔ４５からなる第４変位電極群Ｔ４０と、固定補助体３５０Ｂの外周面の第４変位電極群Ｔ４０の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極Ｕ４１〜Ｕ４５からなる第４固定電極群Ｕ４０と、によって構成される複数の容量素子Ｃ４１〜Ｃ４５からなる第４容量素子群Ｃ４０。
ここで、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、当該他方の電極の内部に包含される関係にある。そして、検出回路により、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値に基づいて、所定の検出値の出力が行われる。
各容量素子群のメンバーとなる個々の容量素子の電極の数、形状、配置パターンには、図４４に例示するとおり、様々なバリエーションが考えられるが、図３８に示す実施形態を採る力覚センサの場合、各容量素子群の構成は次のようになる。
（１）第１容量素子群Ｃ１０は、Ｘ軸上に配置された第１群の軸上容量素子Ｃ１５と、第１群の軸上容量素子Ｃ１５に対してＹ軸正方向に隣接配置された第１群の第１容量素子Ｃ１１と、第１群の軸上容量素子Ｃ１５に対してＹ軸負方向に隣接配置された第１群の第２容量素子Ｃ１２と、第１群の軸上容量素子Ｃ１５に対してＺ軸正方向に隣接配置された第１群の第３容量素子Ｃ１３と、第１群の軸上容量素子Ｃ１５に対してＺ軸負方向に隣接配置された第１群の第４容量素子Ｃ１４と、を有する。
（２）第２容量素子群Ｃ２０は、Ｙ軸上に配置された第２群の軸上容量素子Ｃ２５と、第２群の軸上容量素子Ｃ２５に対してＸ軸正方向に隣接配置された第２群の第１容量素子Ｃ２１と、第２群の軸上容量素子Ｃ２５に対してＸ軸負方向に隣接配置された第２群の第２容量素子Ｃ２２と、第２群の軸上容量素子Ｃ２５に対してＺ軸正方向に隣接配置された第２群の第３容量素子Ｃ２３と、第２群の軸上容量素子Ｃ２５に対してＺ軸負方向に隣接配置された第２群の第４容量素子Ｃ２４と、を有する。
（３）第３容量素子群Ｃ３０は、Ｘ軸上に配置された第３群の軸上容量素子Ｃ３５と、第３群の軸上容量素子Ｃ３５に対してＹ軸正方向に隣接配置された第３群の第１容量素子Ｃ３１と、第３群の軸上容量素子Ｃ３５に対してＹ軸負方向に隣接配置された第３群の第２容量素子Ｃ３２と、第３群の軸上容量素子Ｃ３５に対してＺ軸正方向に隣接配置された第３群の第３容量素子Ｃ３３と、第３群の軸上容量素子Ｃ３５に対してＺ軸負方向に隣接配置された第３群の第４容量素子Ｃ３４と、を有する。
（４）第４容量素子群Ｃ４０は、Ｙ軸上に配置された第４群の軸上容量素子Ｃ４５と、第４群の軸上容量素子Ｃ４５に対してＸ軸正方向に隣接配置された第４群の第１容量素子Ｃ４１と、第４群の軸上容量素子Ｃ４５に対してＸ軸負方向に隣接配置された第４群の第２容量素子Ｃ４２と、第４群の軸上容量素子Ｃ４５に対してＺ軸正方向に隣接配置された第４群の第３容量素子Ｃ４３と、第４群の軸上容量素子Ｃ４５に対してＺ軸負方向に隣接配置された第４群の第４容量素子Ｃ４４と、を有する。
上記構成からなる容量素子群を用いた実施形態の場合、検出回路は、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１１〜Ｃ４５と表すことにより、
Ｆｘ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４＋Ｃ３５）  または
＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４）  または
＝−Ｃ１５＋Ｃ３５
Ｆｙ＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４＋Ｃ２５）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４＋Ｃ４５）  または
＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４）  または
＝−Ｃ２５＋Ｃ４５
Ｆｚ＝  （Ｃ１３＋Ｃ２３＋Ｃ３３＋Ｃ４３）
−（Ｃ１４＋Ｃ２４＋Ｃ３４＋Ｃ４４）
Ｍｘ＝  （Ｃ２３＋Ｃ４４）−（Ｃ２４＋Ｃ４３）
Ｍｙ＝  （Ｃ１４＋Ｃ３３）−（Ｃ１３＋Ｃ３４）
Ｍｚ＝  （Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３２＋Ｃ４２）
−（Ｃ１２＋Ｃ２２＋Ｃ３１＋Ｃ４１）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することができる。
なお、図３７に示す実施形態についても、検出リング２００Ｂの少なくともダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４を可撓性をもった導電性材料によって構成しておけば、このダイアフラム部の表面を共通変位電極Ｅ０として各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５を構成することができる。実用上は、検出リング２００Ｂ全体をアルミニウム合金などの金属によって構成し、肉厚の薄いダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４が可撓性をもつようにすればよい。この場合、検出リング２００Ｂのダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４自身が変位電極群Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０として機能することになるので、別体として変位電極を設ける必要はなくなる。
＜＜＜  §７．  その他の変形例  ＞＞＞
最後に、これまで述べてきた実施形態に適用可能な変形例を述べておく。
＜７−１．  変位検出に関する変形例＞
§３や§６では、容量素子を利用して、検出リングの所定箇所の変位を検出する実施形態を述べたが、変位検出に利用する検出素子は、必ずしも容量素子に限定されるものではなく、一般的に、距離の検出が可能な素子であれば、どのような検出素子を利用してもかまわない。
図４５は、図１０に示す基本構造部における距離ｄ１〜ｄ４の測定を行うために、固定補助体３５０の外周面のＶ軸上およびＷ軸上に、距離検出素子Ｍ１〜Ｍ４を設けた変形例に係る力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図である。ここでは、距離検出素子Ｍ１〜Ｍ４の内部構造の図示は省略するが、一般的な距離検出に利用されている素子であれば、どのようなものを用いてもかまわない。
たとえば、検出リング２００の少なくとも測定対象面（図示の例の場合、Ｖ軸およびＷ軸近傍の内周面）を導電性材料によって構成しておけば、その対向基準面に設けられた距離検出素子Ｍ１〜Ｍ４として、渦電流変位計を利用することができる。図４６は、渦電流変位計による距離測定の基本原理を示す図である。渦電流変位計は、高周波発振回路７１とコイル７２によって構成される装置であり、コイル７２に近接配置された導電性の検出物体７３とコイル７２との距離を電気的に検出する機能を有している。
渦電流変位計による距離検出の基本原理は次のとおりである。まず、高周波発振回路７１からコイル７２に対して高周波電流を流すと、コイル７２から高周波磁界７４が発生し、この高周波磁界７４の電磁誘導作用により、導電性の検出物体７３に渦電流７５が流れる。そして、この渦電流７５により、コイル７２のインピーダンスが変化し、その結果、高周波発振回路７１の発振状態に変化が生じることになる。コイル７２のインピーダンス変化量は、コイル７２と検出物体７３との距離に応じたものになるので、高周波発振回路７１に、発振状態の変化を検出する回路を設けておけば、コイル７２と検出物体７３との距離を電気的に検出することができる。
また、検出リング２００の少なくとも測定対象面を磁石によって構成しておけば、その対向基準面に設けられた距離検出素子Ｍ１〜Ｍ４として、ホール素子を利用することもできる。ホール素子は、ホール効果によって磁界を検出する機能をもった素子であるから、検出リング２００の測定対象面を磁石によって構成しておけば、磁界の変動に基づいて測定対象面の変位検出が可能になる。具体的には、検出リング２００全体を磁石によって構成するか（この場合、変形に耐えうる機械的強度をもった磁石を用いる必要がある）、あるいは、検出リング２００の内周面に磁石を固着しておけばよい。距離検出素子Ｍ１〜Ｍ４として配置されたホール素子に作用する磁界の強度は、測定対象面の変位によって変化するので、ホール素子による磁界の検出値を、距離測定値として用いることが可能になる。
この他、光ビームを利用した距離測定器を、距離検出素子Ｍ１〜Ｍ４として利用することも可能である。たとえば、測定対象面（図示の例の場合、Ｖ軸およびＷ軸近傍の内周面）に対して斜め方向に光ビームを照射する光ビーム照射器と、この測定対象面で反射された光ビームを受光する光ビーム受光器とを、この測定対象面に対向する対向基準面（図示の例の場合、固定補助体３５０の外周面）に固定しておき、光ビーム受光器による光ビームの受光位置に基づいて距離測定値を出力する測定回路を用意しておけばよい。検出リング２００の測定対象面（内周面）が変位すると、光ビームの照射位置および反射ビームの射出方向が変化することになるので、光ビーム受光器による光ビームの受光位置も変化する。したがって、測定回路は、この受光位置に基づいて距離測定値を出力することができる。
＜７−２．  各部の形状および配置に関する変形例＞
これまで述べてきた実施形態では、受力リング１００および検出リング２００として、円環状の部材を用いているが、これらのリングは、必ずしも円形の環状体である必要はなく、開口部を有するループ状の部材であればよい。たとえば、正八角形、正六角形、正方形の形状をした環状体でもかまわないし、任意形状の環状体であってもかまわない。
ただ、実用上は、これまで述べた実施形態に示すように、円形の環状体を用いるのが好ましい。受力リング１００および検出リング２００として、円環状の部材を用い、両者をＺ軸を中心軸として同心配置した構成にすれば、基本構造部は、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して面対称な構造になる。ここで、各検出素子の配置も、これまで述べた実施形態のように、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して面対称となるようにしておけば、検出回路による信号処理も単純化される。
たとえば、図１７，図２０，図４２に示されている演算式では、静電容量値を示す各項に係数は乗じられていないが、これは上記対称性が確保されているためである。検出リング２００を任意形状のリングで構成した場合、上記演算式の各項に所定の係数を乗じる必要が生じ、実際の検出回路の構成は複雑化せざるを得なくなる。
また、容量素子を構成する変位電極や固定電極の形状も、これまで述べた実施形態で示した形状に限定されるものではなく、任意の形状の電極を採用することができる。ただ、上述したように、各軸成分の検出値を得るための演算式を単純化するためには、電極の形成パターンも、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して面対称となるようなパターンにするのが好ましい。
＜７−３．  検出に不要な構成要素の省略＞
これまで述べてきた実施形態は、主に６軸成分の検出を行うタイプの力覚センサであるが、本発明に係る力覚センサは、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する機能をもっていれば足りる。したがって、本発明を、Ｘ軸方向に作用した力Ｆｘのみを検出する力覚センサや、Ｙ軸まわりに作用したモーメントＭｙのみを検出する力覚センサに適用することも可能である。
このように、特定の成分のみの検出に特化した力覚センサを製造する上では、検出に不要な構成要素を省略することができる。たとえば、図３７に示す力覚センサは、６軸成分をすべて検出する機能を有しているが、Ｘ軸方向に作用した力Ｆｘのみを検出できればよい場合は、図４２のＦｘ欄に示すとおり、最低限、容量素子Ｃ１５およびＣ３５のみを設けておけば足りる。同様に、Ｙ軸まわりに作用したモーメントＭｙのみを検出できればよい場合は、図４２のＭｙ欄に示すとおり、容量素子Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ３３，Ｃ３４のみを設けておけば足りる。
＜７−４．  開示された技術思想の組み合わせ＞
以上、本発明の技術思想を様々な実施形態について説明し、様々な変形例に係る技術思想を述べたが、本願に述べられた多数の技術思想は、特別な阻害理由がない限り、自由に組み合わせて用いることが可能である。たとえば、受力リング１００と検出リング２００との内外の位置関係を逆にする、という技術思想は、これまで述べてきた様々な実施形態に適用可能である。また、図３５に示す基本構造部の弾性変形を検出するために、ストレインゲージを用いることも可能であるし（この場合、固定補助体３５０Ｂは不要になる）、図３５に示す基本構造部において、検出リング２００Ｂを固定部材を介して固定補助体３５０Ｂに固定することも可能である。
本願明細書では、開示されている様々な技術思想について、あらゆる組み合わせを網羅した実施形態を説明しているわけではないが、当業者であれば、本願に開示されている様々な技術思想を組み合わせることにより、本願に直接的には開示されていない実施形態を自由に設計することができよう。
【産業上の利用可能性】
【０００６】
本発明に係る力覚センサは、ロボットや産業機械の動作制御を行うために力やモーメントを検出する用途に利用するのに最適である。また、電子機器の入力装置のマン・マシンインターフェイスとしても利用可能である。特に、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントという６軸成分を検出する薄型力覚センサとして利用できる。
【図１】
2013014803.tif 000003
【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】
2013014803.tif 000026
【図２７】
2013014803.tif 000027
【図２８】
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【図２９】
2013014803.tif 000029
【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】
2013014803.tif 000034
【図３６】
2013014803.tif 000035
【図３８】
2013014803.tif 000036
【図３９】
2013014803.tif 000037
【図４０】
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【図４２】
2013014803.tif 000039
【図４３】
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【図４６】
2013014803.tif 000041
【図７】
2013014803.tif 000042
【図２１】
2013014803.tif 000043
【図３５】
2013014803.tif 000044
【図３７】
2013014803.tif 000045
【図４１】
2013014803.tif 000046
【図４４】
2013014803.tif 000047
【図４５】
2013014803.tif 000048
【手続補正書】
【提出日】平成24年1月11日(2012.1.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサに関し、特に、三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを検出するのに適した薄型のセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットや産業機械の動作制御を行うために、種々のタイプの力覚センサが利用されている。また、電子機器の入力装置のマン・マシンインターフェイスとしても、小型の力覚センサが組み込まれている。このような用途に用いる力覚センサには、小型化およびコストダウンを図るために、できるだけ構造を単純にするとともに、三次元空間内での各座標軸に関する力をそれぞれ独立して検出できるようにすることが要求される。
【０００３】
現在、一般に利用されている多軸力覚センサは、機械的構造部に作用した力の特定の方向成分を、特定の部分に生じた変位として検出するタイプのものと、特定の部分に生じた機械的な歪みとして検出するタイプのものに分類される。前者の変位検出タイプの代表格は、静電容量素子式の力覚センサであり、一対の電極により容量素子を構成しておき、作用した力によって一方の電極に生じた変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出するものである。たとえば、下記の特許文献１（対応米国公報が特許文献２）や特許文献３（対応米国公報が特許文献４）には、この静電容量式の多軸力覚センサが開示されている。
【０００４】
一方、後者の機械的な歪み検出タイプの代表格は、歪みゲージ式の力覚センサであり、作用した力によって生じた機械的な歪みを、ストレインゲージなどの電気抵抗の変化として検出するものである。たとえば、下記の特許文献５（対応米国公報が特許文献６）には、この歪みゲージ式の多軸力覚センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３２５３６７号公報
【特許文献２】米国特許第７２１９５６１号公報
【特許文献３】特開２００４−３５４０４９号公報
【特許文献４】米国特許第６９１５７０９号公報
【特許文献５】特開平８−１２２１７８号公報
【特許文献６】米国特許第５４９０４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した各特許文献に開示されている多軸力覚センサは、いずれも機械的構造部の厚みが大きくならざるを得ず、装置全体を薄型化することが困難である。その一方で、ロボット、産業機械、電子機器用入力装置などの分野では、より薄型の力覚センサの登場が望まれている。
【０００７】
そこで本発明は、構造が単純で薄型化を図ることが可能な力覚センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
(1)   本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサにおいて、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力リングと、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に、かつ、受力リングの内側もしくは外側に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる検出リングと、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、受力リングおよび検出リングの下方に所定間隔をおいて配置された支持基板と、
検出リングを所定の作用点の位置において受力リングに接続する接続部材と、
検出リングを所定の固定点の位置において支持基板に固定する固定部材と、
検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
検出素子の検出結果に基づいて、支持基板を固定した状態において、受力リングに作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を設け、
作用点のＸＹ平面への投影像と固定点のＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成されるようにしたものである。
【０００９】
(2)   本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個の作用点と複数ｎ個の固定点とを交互に配置し、
検出素子が、隣接配置された作用点と固定点との間の位置に定義された測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
【００１０】
(3)   本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、第１の作用点、第１の固定点、第２の作用点、第２の固定点の順に、２個の作用点および２個の固定点を配置し、
環状路における第１の作用点と第１の固定点との間の位置に配置された第１の測定点、環状路における第１の固定点と第２の作用点との間の位置に配置された第２の測定点、環状路における第２の作用点と第２の固定点との間の位置に配置された第３の測定点、環状路における第２の固定点と第１の作用点との間の位置に配置された第４の測定点をそれぞれ定義したときに、検出素子が、第１〜第４の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
【００１１】
(4)   本発明の第４の態様は、上述した第３の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の作用点がＸ軸正領域に、第１の固定点がＹ軸正領域に、第２の作用点がＸ軸負領域に、第２の固定点がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、
Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材により、検出リングの第１の作用点近傍が受力リングに接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第２の接続部材により、検出リングの第２の作用点近傍が受力リングに接続されており、
検出素子が、ＸＹ平面の第１象限、第２象限、第３象限、第４象限にそれぞれ配置された第１の測定点、第２の測定点、第３の測定点、第４の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
【００１２】
(5)   本発明の第５の態様は、上述した第４の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の測定点がＶ軸正領域に、第２の測定点がＷ軸正領域に、第３の測定点がＶ軸負領域に、第４の測定点がＷ軸負領域に、それぞれ配置されているようにしたものである。
【００１３】
(6)   本発明の第６の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個の作用点と複数ｎ個の固定点とが交互に配置されており、
検出リングのｎ個の作用点の近傍部分は、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部を構成し、
複数ｎ個の接続部材は各ダイアフラム部に接続されており、
検出素子が、各ダイアフラム部の弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
【００１４】
(7)   本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、第１の作用点、第１の固定点、第２の作用点、第２の固定点、第３の作用点、第３の固定点、第４の作用点、第４の固定点の順に、４個の作用点および４個の固定点が配置されており、
検出リングの第１の作用点の近傍部分は第１のダイアフラム部を構成し、検出リングの第２の作用点の近傍部分は第２のダイアフラム部を構成し、検出リングの第３の作用点の近傍部分は第３のダイアフラム部を構成し、検出リングの第４の作用点の近傍部分は第４のダイアフラム部を構成し、
検出素子が、第１〜第４のダイアフラム部の弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
【００１５】
(8)   本発明の第８の態様は、上述した第７の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の作用点がＸ軸正領域に、第２の作用点がＹ軸正領域に、第３の作用点がＸ軸負領域に、第４の作用点がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、第１のダイアフラム部がＸ軸正領域に位置し、第２のダイアフラム部がＹ軸正領域に位置し、第３のダイアフラム部がＸ軸負領域に位置し、第４のダイアフラム部がＹ軸負領域に位置し、
ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の固定点がＶ軸正領域に、第２の固定点がＷ軸正領域に、第３の固定点がＶ軸負領域に、第４の固定点がＷ軸負領域に、それぞれ配置されており、
Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材により、第１のダイアフラム部が受力リングに接続され、Ｙ軸正領域に沿って伸びる第２の接続部材により、第２のダイアフラム部が受力リングに接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第３の接続部材により、第３のダイアフラム部が受力リングに接続され、Ｙ軸負領域に沿って伸びる第４の接続部材により、第４のダイアフラム部が受力リングに接続されているようにしたものである。
【００１６】
(9)   本発明の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る力覚センサにおいて、
固定部材が、検出リングの下面と支持基板の上面とを接続するようにしたものである。
【００１７】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングが配置されており、
検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定された固定補助体が設けられており、
固定部材が、検出リングの内周面と固定補助体の外周面とを接続するようにしたものである。
【００１８】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述した第１〜第１０の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、受力リングおよび検出リングの上方に所定間隔をおいて配置された受力基板を更に設け、
受力基板の下面の一部は、受力リングの上面に接続されており、
受力基板の下面と検出リングの上面との間には、所定の空隙部が形成されているようにしたものである。
【００１９】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述した第１１の態様に係る力覚センサにおいて、
受力基板の下面外周部には、受力リングおよび検出リングを包摂する包摂筒状体が接続されており、包摂筒状体の下端部と支持基板の外周部との間には空隙部が形成されており、
受力基板に所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、包摂筒状体の下端部と支持基板の外周部とが接触して、受力基板の変位が制限されるように、空隙部の寸法が設定されているようにしたものである。
【００２０】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述した第１〜第１２の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングの所定箇所に上下に貫通する貫通孔を形成し、受力リングの上面の貫通孔の位置に当該貫通孔よりも径の大きな溝部を形成し、
貫通孔を挿通して先端部が支持基板に固定され、頭部が溝部に収容された変位制御ネジを更に設け、変位制御ネジと貫通孔の内面および溝部の内面との間には空隙部が形成されるようにし、
受力リングに所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、変位制御ネジと貫通孔の内面もしくは溝部の内面とが接触して、受力リングの変位が制限されるように、空隙部の寸法を設定したものである。
【００２１】
(14)  本発明の第１４の態様は、上述した第１〜第１３の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングを、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成したものである。
【００２２】
(15)  本発明の第１５の態様は、上述した第１〜第１４の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングによって構成したものである。
【００２３】
(16)  本発明の第１６の態様は、上述した第１〜第１５の態様に係る力覚センサにおいて、
検出回路を構成する電子部品を実装した検出回路基板を、支持基板の上面に設けるようにしたものである。
【００２４】
(17)  本発明の第１７の態様は、上述した第１〜第１６の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子により、検出リングの所定の測定点の変位を電気的に検出するようにしたものである。
【００２５】
(18)  本発明の第１８の態様は、上述した第１７の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの測定点近傍の測定対象面と、受力リングの測定対象面に対向する対向基準面との距離を電気的に検出するようにしたものである。
【００２６】
(19)  本発明の第１９の態様は、上述した第１７の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングを配置し、
検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定された固定補助体を設け、
検出素子が、検出リングの内周面の、測定点近傍に位置する測定対象面と、固定補助体の外周に位置し測定対象面に対向する対向基準面との距離を電気的に検出するようにしたものである。
【００２７】
(20)  本発明の第２０の態様は、上述した第１７の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの下面の、測定点近傍に位置する測定対象面と、支持基板の上面に位置し測定対象面に対向する対向基準面との距離を電気的に検出するようにしたものである。
【００２８】
(21)  本発明の第２１の態様は、上述した第１８〜第２０の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子を、測定対象面に設けられた変位電極と、対向基準面に設けられた固定電極と、を有する容量素子によって構成したものである。
【００２９】
(22)  本発明の第２２の態様は、上述した第２１の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として容量素子を構成したものである。
【００３０】
(23)  本発明の第２３の態様は、上述した第１８〜第２０の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの少なくとも測定対象面を導電性材料によって構成し、
検出素子を、対向基準面に設けられた渦電流変位計によって構成したものである。
【００３１】
(24)  本発明の第２４の態様は、上述した第１８〜第２０の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの少なくとも測定対象面を磁石によって構成し、
検出素子を、対向基準面に設けられたホール素子によって構成したものである。
【００３２】
(25)  本発明の第２５の態様は、上述した第１８〜第２０の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子を、
対向基準面に固定され、測定対象面に対して斜め方向に光ビームを照射する光ビーム照射器と、
対向基準面に固定され、測定対象面で反射された光ビームを受光する光ビーム受光器と、
光ビーム受光器による光ビームの受光位置に基づいて距離測定値を出力する測定回路と、
によって構成したものである。
【００３３】
(26)  本発明の第２６の態様は、上述した第１〜第１６の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの所定の測定点の近傍位置の機械的な歪みを電気的に検出するようにしたものである。
【００３４】
(27)  本発明の第２７の態様は、上述した第２６の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子を、検出リングの測定点近傍の表面に、検出リングの輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられたストレインゲージによって構成したものである。
【００３５】
(28)  本発明の第２８の態様は、上述した第５の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングによって構成し、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングを配置し、
検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体を設け、
検出素子を、
検出リングの内周面の第１の測定点近傍位置に配置された第１の変位電極と、固定補助体の外周面の第１の変位電極に対向する位置に配置された第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子と、
検出リングの内周面の第２の測定点近傍位置に配置された第２の変位電極と、固定補助体の外周面の第２の変位電極に対向する位置に配置された第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子と、
検出リングの内周面の第３の測定点近傍位置に配置された第３の変位電極と、固定補助体の外周面の第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極とによって構成される第３の容量素子と、
検出リングの内周面の第４の測定点近傍位置に配置された第４の変位電極と、固定補助体の外周面の第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極とによって構成される第４の容量素子と、
検出リングの下面の第１の測定点近傍位置に配置された第５の変位電極と、支持基板の上面の第５の変位電極に対向する位置に配置された第５の固定電極とによって構成される第５の容量素子と、
検出リングの下面の第２の測定点近傍位置に配置された第６の変位電極と、支持基板の上面の第６の変位電極に対向する位置に配置された第６の固定電極とによって構成される第６の容量素子と、
検出リングの下面の第３の測定点近傍位置に配置された第７の変位電極と、支持基板の上面の第７の変位電極に対向する位置に配置された第７の固定電極とによって構成される第７の容量素子と、
検出リングの下面の第４の測定点近傍位置に配置された第８の変位電極と、支持基板の上面の第８の変位電極に対向する位置に配置された第８の固定電極とによって構成される第８の容量素子と、
によって構成し、各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が、当該他方の電極の内部に包含されるようにし、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値をＣ１、第２の容量素子の静電容量値をＣ２、第３の容量素子の静電容量値をＣ３、第４の容量素子の静電容量値をＣ４、第５の容量素子の静電容量値をＣ５、第６の容量素子の静電容量値をＣ６、第７の容量素子の静電容量値をＣ７、第８の容量素子の静電容量値をＣ８としたときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）
Ｍｘ＝（Ｃ７＋Ｃ８）−（Ｃ５＋Ｃ６）
Ｍｙ＝（Ｃ５＋Ｃ８）−（Ｃ６＋Ｃ７）
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。
【００３６】
(29)  本発明の第２９の態様は、上述した第５の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングによって構成し、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングを配置し、
検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体を設け、
検出素子を、第１の作用点を第５の測定点とし、第２の作用点を第６の測定点として、
検出リングの内周面の第１の測定点近傍位置に配置された第１の変位電極と、固定補助体の外周面の第１の変位電極に対向する位置に配置された第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子と、
検出リングの内周面の第２の測定点近傍位置に配置された第２の変位電極と、固定補助体の外周面の第２の変位電極に対向する位置に配置された第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子と、
検出リングの内周面の第３の測定点近傍位置に配置された第３の変位電極と、固定補助体の外周面の第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極とによって構成される第３の容量素子と、
検出リングの内周面の第４の測定点近傍位置に配置された第４の変位電極と、固定補助体の外周面の第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極とによって構成される第４の容量素子と、
検出リングの下面の第５の測定点近傍位置に配置された第５の変位電極と、支持基板の上面の第５の変位電極に対向する位置に配置された第５の固定電極とによって構成される第５の容量素子と、
検出リングの下面の第６の測定点近傍位置に配置された第６の変位電極と、支持基板の上面の第６の変位電極に対向する位置に配置された第６の固定電極とによって構成される第６の容量素子と、
によって構成し、各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が、当該他方の電極の内部に包含されるようにし、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値をＣ１、第２の容量素子の静電容量値をＣ２、第３の容量素子の静電容量値をＣ３、第４の容量素子の静電容量値をＣ４、第５の容量素子の静電容量値をＣ９、第６の容量素子の静電容量値をＣ１０としたときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ９＋Ｃ１０）
Ｍｙ＝Ｃ９−Ｃ１０
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。
【００３７】
(30)  本発明の第３０の態様は、上述した第２８または第２９の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として各容量素子を構成したものである。
【００３８】
(31)  本発明の第３１の態様は、上述した第５の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングによって構成し、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングを配置し、
検出素子を、検出リングの第１〜第４の測定点近傍の表面に、検出リングの輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられた複数のストレインゲージによって構成し、
検出リングの内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し、検出リングの上面および下面のいずれか一方を縦方向配置面と定義したときに、複数のストレインゲージは、
横方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージと、
横方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージと、
横方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージと、
横方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージと、
縦方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージと、
縦方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージと、
縦方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージと、
縦方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージと、
の８種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成されるようにし、
検出回路が、
第１属性のストレインゲージと第４属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージと第３属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値を出力し、
第１属性のストレインゲージと第２属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第３属性のストレインゲージと第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値を出力し、
第５属性のストレインゲージと第６属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第７属性のストレインゲージと第８属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値を出力し、
第５属性のストレインゲージと第８属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第６属性のストレインゲージと第７属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値を出力し、
第１属性のストレインゲージと第３属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージと第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。
【００３９】
(32)  本発明の第３２の態様は、上述した第５の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングによって構成し、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングを配置し、
検出素子を、検出リングの第１〜第４の測定点近傍の表面に、検出リングの輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられた複数のストレインゲージによって構成し、検出リングの内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し、検出リングの上面および下面のいずれか一方を第１縦方向配置面、他方を第２縦方向配置面と定義したときに、複数のストレインゲージは、
横方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージと、
横方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージと、
横方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージと、
横方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージと、
検出リングの第１縦方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージと、
検出リングの第１縦方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージと、
検出リングの第１縦方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージと、
検出リングの第１縦方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージと、
検出リングの第２縦方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第９属性のストレインゲージと、
検出リングの第２縦方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第１０属性のストレインゲージと、
検出リングの第２縦方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第１１属性のストレインゲージと、
検出リングの第２縦方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第１２属性のストレインゲージと、
の１２種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成されるようにし、
検出回路が、
第１属性のストレインゲージと第４属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージと第３属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値を出力し、
第１属性のストレインゲージと第２属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第３属性のストレインゲージと第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値を出力し、
第５属性のストレインゲージと第６属性のストレインゲージとの直列接続辺と、第７属性のストレインゲージと第８属性のストレインゲージとの直列接続辺と、を第１の対辺とし、第９属性のストレインゲージと第１０属性のストレインゲージとの直列接続辺と、第１１属性のストレインゲージと第１２属性のストレインゲージとの直列接続辺と、を第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値を出力し、
第５属性のストレインゲージと第６属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第７属性のストレインゲージと第８属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値を出力し、
第５属性のストレインゲージと第８属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第６属性のストレインゲージと第７属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値を出力し、
第１属性のストレインゲージと第３属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージと第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。
【００４０】
(33)  本発明の第３３の態様は、上述した第８の態様に係る力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングによって構成し、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングを配置し、
検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体を設け、
検出素子を、
検出リングの内周面の第１のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第１変位電極群と、固定補助体の外周面の第１変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第１固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第１容量素子群と、
検出リングの内周面の第２のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第２変位電極群と、固定補助体の外周面の第２変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第２固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第２容量素子群と、
検出リングの内周面の第３のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第３変位電極群と、固定補助体の外周面の第３変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第３固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第３容量素子群と、
検出リングの内周面の第４のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第４変位電極群と、固定補助体の外周面の第４変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第４固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第４容量素子群と、
によって構成し、各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が、当該他方の電極の内部に包含されるようにし、
検出回路が、各容量素子の静電容量値に基づいて検出値を出力するようにしたものである。
【００４１】
(34)  本発明の第３４の態様は、上述した第３３の態様に係る力覚センサにおいて、
第１容量素子群が、Ｘ軸上に配置された第１群の軸上容量素子と、第１群の軸上容量素子に対してＹ軸正方向に隣接配置された第１群の第１容量素子と、第１群の軸上容量素子に対してＹ軸負方向に隣接配置された第１群の第２容量素子と、第１群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第１群の第３容量素子と、第１群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第１群の第４容量素子と、を有し、
第２容量素子群が、Ｙ軸上に配置された第２群の軸上容量素子と、第２群の軸上容量素子に対してＸ軸正方向に隣接配置された第２群の第１容量素子と、第２群の軸上容量素子に対してＸ軸負方向に隣接配置された第２群の第２容量素子と、第２群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第２群の第３容量素子と、第２群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第２群の第４容量素子と、を有し、
第３容量素子群が、Ｘ軸上に配置された第３群の軸上容量素子と、第３群の軸上容量素子に対してＹ軸正方向に隣接配置された第３群の第１容量素子と、第３群の軸上容量素子に対してＹ軸負方向に隣接配置された第３群の第２容量素子と、第３群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第３群の第３容量素子と、第３群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第３群の第４容量素子と、を有し、
第４容量素子群が、Ｙ軸上に配置された第４群の軸上容量素子と、第４群の軸上容量素子に対してＸ軸正方向に隣接配置された第４群の第１容量素子と、第４群の軸上容量素子に対してＸ軸負方向に隣接配置された第４群の第２容量素子と、第４群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第４群の第３容量素子と、第４群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第４群の第４容量素子と、を有し、
検出回路が、
第１群の第１容量素子の静電容量値をＣ１１、第１群の第２容量素子の静電容量値をＣ１２、第１群の第３容量素子の静電容量値をＣ１３、第１群の第４容量素子の静電容量値をＣ１４、第１群の軸上容量素子の静電容量値をＣ１５とし、
第２群の第１容量素子の静電容量値をＣ２１、第２群の第２容量素子の静電容量値をＣ２２、第２群の第３容量素子の静電容量値をＣ２３、第２群の第４容量素子の静電容量値をＣ２４、第２群の軸上容量素子の静電容量値をＣ２５とし、
第３群の第１容量素子の静電容量値をＣ３１、第３群の第２容量素子の静電容量値をＣ３２、第３群の第３容量素子の静電容量値をＣ３３、第３群の第４容量素子の静電容量値をＣ３４、第３群の軸上容量素子の静電容量値をＣ３５とし、
第４群の第１容量素子の静電容量値をＣ４１、第４群の第２容量素子の静電容量値をＣ４２、第４群の第３容量素子の静電容量値をＣ４３、第４群の第４容量素子の静電容量値をＣ４４、第４群の軸上容量素子の静電容量値をＣ４５としたときに、
Ｆｘ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４＋Ｃ３５）  または
＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４）  または
＝−Ｃ１５＋Ｃ３５
Ｆｙ＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４＋Ｃ２５）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４＋Ｃ４５）  または
＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４）  または
＝−Ｃ２５＋Ｃ４５
Ｆｚ＝  （Ｃ１３＋Ｃ２３＋Ｃ３３＋Ｃ４３）
−（Ｃ１４＋Ｃ２４＋Ｃ３４＋Ｃ４４）
Ｍｘ＝  （Ｃ２３＋Ｃ４４）−（Ｃ２４＋Ｃ４３）
Ｍｙ＝  （Ｃ１４＋Ｃ３３）−（Ｃ１３＋Ｃ３４）
Ｍｚ＝  （Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３２＋Ｃ４２）
−（Ｃ１２＋Ｃ２２＋Ｃ３１＋Ｃ４１）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。
【００４２】
(35)  本発明の第３５の態様は、上述した第３３または第３４の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの少なくともダイアフラム部を可撓性をもった導電性材料によって構成し、このダイアフラム部の表面を共通変位電極として各容量素子を構成したものである。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、構造が単純で薄型化を図ることが可能な力覚センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）および側面図（下段の図）である。
【図２】図１に示す基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＸＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。
【図３】図１に示す基本構造部の支持基板３００および固定部材５１０，５２０の上面図（上段の図）、ならびに、この基本構造部をＹＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。
【図４】図１に示す基本構造部の受力リング１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図（上段の図）およびＸＺ平面における縦断面図（下段の図）である。
【図５】図１に示す基本構造部の受力リング１００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。
【図６】図１に示す基本構造部の受力リング１００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。
【図７】図１に示す基本構造部の受力リング１００にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図である。
【図８】図１に示す基本構造部に、変位検出用の固定補助体３５０を付加した実施形態を示す上面図（上段の図）および側面図（下段の図）である。
【図９】図８に示す基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。
【図１０】図８に示す基本構造部における距離測定箇所を示す上面図である。
【図１１】図１０に示す基本構造部に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの距離ｄ１〜ｄ８の変化を示すテーブルである。
【図１２】図８に示す基本構造部における距離測定箇所の変形例を示す上面図である。
【図１３】図１２に示す基本構造部に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０の変化を示すテーブルである。
【図１４】容量素子を用いた実施形態に係る力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。
【図１５】図１４に示す力覚センサで用いられている各容量素子の対向電極のサイズの関係を示す斜視図である。
【図１６】図１４に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変化を示すテーブルである。
【図１７】図１４に示す力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図１８】図１４に示す力覚センサに用いる検出回路を示す回路図である。
【図１９】図１２に示す変形例に係る力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０の静電容量値の変化を示すテーブルである。
【図２０】図１２に示す変形例に係る力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める式を示す図である。
【図２１】導電性材料によって構成された検出リング２００自身を、複数の変位電極として利用した変形例に係る力覚センサを、ＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。
【図２２】ストレインゲージを用いた実施形態に係る力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図である（図示されているストレインゲージＧ１〜Ｇ８は、実際には、それぞれ互いに平行な複数本のストレインゲージによって構成される）。
【図２３】図２２に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときのストレインゲージＧ１〜Ｇ８の電気抵抗の変化を示すテーブルである。
【図２４】図２２に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときのストレインゲージＧ１〜Ｇ８に加わる応力（単位：ＭＰａ）の具体的な測定値を示すテーブルである。
【図２５】図２２に示す実施形態に、更に、ストレインゲージＧ９〜Ｇ１２を付加した変形例に係る力覚センサの上面図である。
【図２６】図２５に示す変形例に係る力覚センサにおいて、各座標軸方向の力を検出するための検出回路を示す回路図である。
【図２７】図２５に示す変形例に係る力覚センサにおいて、各座標軸まわりのモーメントを検出するための検出回路を示す回路図である。
【図２８】図１に示す基本構造部に、受力基板６００を付加した形態を示すＸＺ平面における縦断面図である。
【図２９】図１に示す基本構造部における検出リング２００の固定方法を変えた変形例を示す上面図である。
【図３０】図１に示す基本構造部に、変位制御構造を付加した例を示す上面図である。
【図３１】図３０に示す例をＸＺ平面で切断した縦断面図である。
【図３２】容量素子を用いた実用的な実施例に係る力覚センサの上面図である。
【図３３】図３２に示す力覚センサをＸＺ平面で切断した縦断面図である。
【図３４】図３２に示す力覚センサをＶＺ平面で切断した縦断面図である。
【図３５】ダイアフラム部を形成した実施形態の基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＸＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。
【図３６】図３５に示す基本構造部をＶＺ平面で切断した縦断面図である。
【図３７】図３５に示す基本構造部に容量素子を付加することにより構成された力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図である。
【図３８】図３７に示す力覚センサに用いられている各容量素子の電極構成を示すテーブルである（それぞれＺ軸正方向を上方にとり、図３８の視点ｅ１〜ｅ４から見た状態を示している）。
【図３９】図３７に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値の変化を示すテーブルである。
【図４０】図３７に示す力覚センサに対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である（説明の便宜上、各部はデフォルメされている）。
【図４１】図３７に示す力覚センサに対して、Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図である（説明の便宜上、各部はデフォルメされている）。
【図４２】図３７に示す力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める式を示す図である。
【図４３】図３７に示す力覚センサのダイアフラム部の変形例を示す正面図である。
【図４４】図３７に示す力覚センサの電極群の変形例を示す平面図である（ハッチングは、各電極の形状を明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図４５】渦電流変位計／ホール素子／光ビーム距離測定器を用いた変形例に係る力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図である。
【図４６】渦電流変位計による距離測定原理を示す斜視図およびブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
＜＜＜  §１．  力覚センサの基本構造および原理  ＞＞＞
はじめに、本発明に係る力覚センサの基本構造部の構成と、この基本構造部を利用した力およびモーメントの検出原理を説明する。本発明に係る力覚センサは、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する機能を有している。そこで、以下、この力覚センサの基本構造部の構成を、ＸＹＺ三次元直交座標系に配置された状態について説明する。
【００４６】
図１は、本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）および側面図（下段の図）である。上面図では、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸が配置されており、紙面に垂直な手前方向がＺ軸方向になる。一方、側面図では、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸が配置されており、紙面に垂直な奥行き方向がＹ軸方向になる。図示のとおり、この基本構造部は、受力リング１００、検出リング２００、支持基板３００、接続部材４１０，４２０、固定部材５１０，５２０によって構成されている。
【００４７】
受力リング１００は、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形平板状（ワッシャ状）のリングであり、外周面も内周面も円柱面を構成する。受力リング１００の役割は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受けることにあり、より詳しく説明すれば、検出対象となる力もしくはモーメントを検出リング２００に伝達することにある。
【００４８】
一方、検出リング２００は、受力リング１００と同様に、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形平板状（ワッシャ状）のリングであり、外周面も内周面も円柱面を構成する。ここに示す例の場合、検出リング２００は、受力リング１００の内側に配置されている。すなわち、受力リング１００はＸＹ平面上に配置された外側リング、検出リング２００はＸＹ平面上に配置された内側リングということになる。ここで、検出リング２００の特徴は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる点である。
【００４９】
接続部材４１０，４２０は、受力リング１００と検出リング２００とを接続するための部材である。図示の例の場合、接続部材４１０は、Ｘ軸正領域に沿った位置において、受力リング１００の内周面と検出リング２００の外周面とを接続し、接続部材４２０は、Ｘ軸負領域に沿った位置において、受力リング１００の内周面と検出リング２００の外周面とを接続している。したがって、受力リング１００と検出リング２００との間には、図示のとおり空隙部Ｈ１が確保されており、検出リング２００の内側には、図示のとおり空隙部Ｈ２が確保されている。
【００５０】
側面図を見れば明らかなように、受力リング１００と検出リング２００の厚み（Ｚ軸方向の寸法）は同じであり、側面図では、検出リング２００は受力リング１００の内側に完全に隠れた状態になっている。両リングの厚みは、必ずしも同じにする必要はないが、薄型センサ（Ｚ軸方向の寸法ができるだけ小さいセンサ）を実現する上では、両リングを同じ厚みにするのが好ましい。
【００５１】
支持基板３００は、径が受力リング１００の外径と等しい円盤状の基板であり、ＸＹ平面に平行な上面をもち、受力リング１００および検出リング２００の下方に所定間隔をおいて配置される。固定部材５１０，５２０は、検出リング２００を支持基板３００に固定するための部材である。側面図では、固定部材５１０は固定部材５２０の奥に隠れて現れていないが、固定部材５１０，５２０は、検出リング２００の下面と支持基板３００の上面とを接続する役割を果たす。上面図に破線で示されているとおり、固定部材５１０，５２０は、Ｙ軸に沿った位置に配置されている。
【００５２】
図２は、図１に示す基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＸＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。ＸＹ平面で切断した横断面図の中心には、ＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｏが示されている。この図２では、検出リング２００が、左右２カ所において、Ｘ軸に沿って配置された接続部材４１０，４２０を介して受力リング１００に接続されている状態が明瞭に示されている。
【００５３】
図３は、図１に示す基本構造部の支持基板３００および固定部材５１０，５２０の上面図（上段の図）、ならびに、この基本構造部をＹＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。図３の上面図は、図１の上面図を反時計まわりに９０°回転させた状態に相当し、Ｙ軸が左方向にとられている。また、図３の上面図では、検出リング２００の位置が破線で示されている。一方、図３の縦断面図には、固定部材５１０，５２０によって、支持基板３００の上方に検出リング２００が固定されている状態が明瞭に示されている。
【００５４】
続いて、この基本構造部を利用した力およびモーメントの検出原理を説明する。まず、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用した場合に、この基本構造部にどのような現象が生じるかを考えてみる。
【００５５】
上述したとおり、ここに示す例の場合、受力リング１００および検出リング２００は、双方ともにＺ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングである。ただ、検出リング２００は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる必要がある。別言すれば、少なくとも一部は可撓性を有している必要がある。これは、本発明に係る力覚センサが、検出リング２００に生じた弾性変形に基づいて、作用した力もしくはモーメントの検出を行うためである。
【００５６】
一方、受力リング１００は、上述したとおり、作用した力もしくはモーメントを検出リング２００に伝達する役割を果たす構成要素であり、原理的には、弾性変形を生じる弾性体で構成してもよいし、弾性変形を生じない剛体で構成してもよい。ただ、実用上、受力リング１００は、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成するのが好ましい。これは、作用する力もしくはモーメントを、できるだけ効率的に検出リング２００に伝達するためである。
【００５７】
本発明において、基本構造部の各部は、任意の材料によって構成することができるが、商業的な利用を考慮すると、金属（たとえば、アルミニウム合金、鉄系金属）やプラスチックなどの一般的な工業材料を用いて構成するのが好ましい。このような一般的な工業材料からなる部材は、通常、その形態によって弾性体になったり剛体になったりする。たとえば、金属の場合、ブロック状の金属塊であれば剛体として振る舞うが、薄い板状にすれば弾性体として振る舞うことになろう。したがって、受力リング１００および検出リング２００は、同一の材料で構成したとしても、その形態を変えることにより、それぞれに与えられた役割を果たすことができる。
【００５８】
たとえば、受力リング１００および検出リング２００を同一のアルミニウム合金で構成したとしても、図２の横断面図に示すように、受力リング１００は、その幅をある程度大きくとることにより、実質的に弾性変形を生じない剛体として機能させることができ、検出リング２００は、その幅をある程度小さくとることにより、実質的に全体が弾性変形を生じる弾性体として機能させることができる。すなわち、検出リング２００は、全体的に可撓性をもったリングになる。
【００５９】
もちろん、受力リング１００に力やモーメントが加わると、厳密に言えば、受力リング１００自身にも若干の弾性変形が生じることになるが、検出リング２００に生じる弾性変形に比べてわずかな弾性変形であれば無視することができ、実質的に剛体と考えて支障はない。そこで、以下、受力リング１００が剛体であり、力やモーメントによる弾性変形は、専ら検出リング２００においてのみ生じるものとして説明を行うことにする。
【００６０】
まず、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に対して、Ｘ軸方向の力が作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図４は、図１に示す基本構造部の受力リング１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図（上段の図）およびＸＺ平面における縦断面図（下段の図）である。支持基板３００は固定されているため不動であるが、受力リング１００は、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘにより図の右方向へと移動する。その結果、検出リング２００は図示のとおり変形する。なお、図に示す破線は、移動もしくは変形前の各リングの位置を示している。
【００６１】
ここでは、この変形態様を説明する便宜上、２つの固定点Ｐ１，Ｐ２と、２つの作用点Ｑ１，Ｑ２を考える。固定点Ｐ１，Ｐ２は、Ｙ軸上に定義される点であり、図１に示す固定部材５１０，５２０の位置に対応するものである。すなわち、検出リング２００は、この固定点Ｐ１，Ｐ２の位置において、固定部材５１０，５２０によって支持基板３００に固定されている。一方、作用点Ｑ１，Ｑ２は、Ｘ軸上に定義される点であり、検出リング２００は、この作用点Ｑ１，Ｑ２の位置において、接続部材４１０，４２０によって受力リング１００に接続されている。
【００６２】
このように、本発明において、作用点は接続部材が接続される位置であり、固定点は固定部材が接続される位置である。そして、重要な点は、作用点と固定点とが異なる位置に配置される点である。図４に示す例の場合、作用点Ｐ１，Ｐ２と固定点Ｑ１，Ｑ２とはＸＹ平面上の異なる位置に配置されている。これは、作用点と固定点とが同一位置を占めると、検出リング２００に弾性変形が生じなくなるためである。なお、ここに示す例の場合、作用点Ｐ１，Ｐ２と固定点Ｑ１，Ｑ２は、いずれもＸＹ平面上に定義されているが、作用点および固定点は必ずしもＸＹ平面上に定義する必要はない。作用点および固定点がＸＹ平面上あってもなくても、要するに、作用点のＸＹ平面への正射影投影像と固定点のＸＹ平面への正射影投影像とが異なる位置に形成されていれば、検出リング２００に本発明に必要な弾性変形を生じさせることができる。
【００６３】
さて、受力リング１００に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、図４に示すように、検出リング２００の作用点Ｑ１，Ｑ２には、図の右方向への力が加わることになる。ところが、検出リング２００の固定点Ｐ１，Ｐ２の位置は固定されているため、可撓性をもった検出リング２００は、基準の円形状態から、図示のような歪んだ状態へと変形することになる（なお、本願における変形状態を示す図は、変形状態を強調して示すため多少デフォルトされた図になっており、必ずしも正確な変形態様を示す図ではない）。具体的には、図示のとおり、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ１間では、検出リング２００の四分円弧の両端に引っ張り力が作用して四分円弧は内側に縮み、点Ｐ１−Ｑ２間および点Ｐ２−Ｑ２間では、検出リング２００の四分円弧の両端に押圧力が作用して四分円弧は外側に膨らんでいる。
【００６４】
受力リング１００に対してＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合は、図４とは左右逆の現象が起きる。また、受力リング１００に対してＹ軸正方向の力＋ＦｙおよびＹ軸負方向の力−Ｆｙが作用した場合は、図４上段における変形状態を９０°回転させた現象が起きる。
【００６５】
次に、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に対して、Ｚ軸方向の力が作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図５は、図１に示す基本構造部の受力リング１００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。支持基板３００は固定されているため不動であるが、受力リング１００は、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚにより図の上方向へと移動する。その結果、検出リング２００は図示のとおり変形する。なお、図に示す破線は、移動もしくは変形前の各リングの位置を示している。
【００６６】
ここでも、変形態様の基本は、２つの固定点Ｐ１，Ｐ２の位置（固定部材５１０，５２０で固定された位置）は不動であり、２つの作用点Ｑ１，Ｑ２の位置が上方へ移動する、という点である。検出リング２００は、固定点Ｐ１，Ｐ２の位置から作用点Ｑ１，Ｑ２の位置へ向けて緩やかに変形することになる。また、受力リング１００に対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合は、受力リング１００は、図の下方向へと移動する。その結果、検出リング２００の変形態様は、図５とは上下逆になる。
【００６７】
続いて、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に対して、Ｙ軸まわりのモーメントが作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図６は、図１に示す基本構造部の受力リング１００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。なお、本願では、所定の座標軸まわりに作用するモーメントの符号を、当該座標軸の正方向に右ネジを進めるための当該右ネジの回転方向を正にとることにする。たとえば、図６に示すモーメント＋Ｍｙの回転方向は、右ネジをＹ軸正方向に進めるための回転方向になる。
【００６８】
この場合も、支持基板３００は固定されているため不動であるが、受力リング１００は、Ｙ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙを受けて、図の原点Ｏを中心として時計まわりに回転する。その結果、作用点Ｑ１は下方に移動し、作用点Ｑ２は上方に移動する。検出リング２００は、固定点Ｐ１，Ｐ２の位置（固定部材５１０，５２０で固定された位置）から作用点Ｑ１，Ｑ２の位置へ向けて緩やかに変形することになる。受力リング１００に対してＹ軸負まわりのモーメント−Ｍｙが作用した場合は、図６とは左右逆の現象が起きる。また、受力リング１００に対してＸ軸正まわりのモーメント＋ＭｘおよびＸ軸負まわりのモーメント−Ｍｘが作用した場合は、上面図において変形状態を９０°回転させた現象が起きる。
【００６９】
最後に、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に対して、Ｚ軸まわりのモーメントが作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図７は、図１に示す基本構造部の受力リング１００にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図である。この場合も、支持基板３００は固定されているため不動であるが、受力リング１００は、Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚを受けて、図の原点Ｏを中心として反時計まわりに回転する。
【００７０】
その結果、検出リング２００の作用点Ｑ１，Ｑ２には、図において反時計回りの力が加わることになる。ところが、検出リング２００の固定点Ｐ１，Ｐ２の位置は固定されているため、可撓性をもった検出リング２００は、基準の円形状態から、図示のような歪んだ状態へと変形することになる。具体的には、図示のとおり、点Ｐ２−Ｑ１間および点Ｐ１−Ｑ２間では、検出リング２００の四分円弧の両端に引っ張り力が作用して四分円弧は内側に縮み、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ２間では、検出リング２００の四分円弧の両端に押圧力が作用して四分円弧は外側に膨らんでおり、全体的に楕円状に変形している。一方、受力リング１００に対してＺ軸負まわりのモーメント−Ｍｚが作用した場合は、受力リング１００は、図の原点Ｏを中心として時計まわりに回転するため、図７を裏返しにした変形状態が起きる。
【００７１】
以上、図１に示す基本構造部の支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用した場合に、検出リング２００に生じる変形態様を説明したが、これらの変形態様は互いに異なり、また、作用した力やモーメントの大きさにより変形量も異なる。そこで、検出リング２００の弾性変形を検出し、その態様や大きさに関する情報を収集すれば、各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントをそれぞれ別個独立して検出することができる。これが、本発明に係る力覚センサの基本原理である。
【００７２】
このような基本原理に基づく検出を行うために、本発明に係る力覚センサは、図１に示す基本構造部の他に、検出リング２００の弾性変形を電気的に検出する検出素子と、この検出素子の検出結果に基づいて、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、を備えている。この検出素子および検出回路の具体的な構成例については、§３以降で詳述する。
【００７３】
後述するように、検出素子および検出回路は、図１に示す基本構造部の内部に組み込むことができるので、本発明に係る力覚センサのサイズは、実質的に、この基本構造部のサイズと同一にすることができる。この基本構造部は、図１の下段に示す側面図を見ればわかるとおり、薄型化に適した構造を有している。すなわち、この基本構造部全体の厚み（Ｚ軸方向のサイズ）は、受力リング１００の厚み（検出リング２００の厚み）と、固定部材５１０，５２０の厚みと、支持基板３００の厚みの和になる。ここで、検出リング２００は、後述する検出素子を配置するのに十分な厚みに設定すればよく、固定部材５１０，５２０は、検出リング２００の下方への変形を妨げることのない十分な厚みに設定すればよく、支持基板３００は、他の構成要素を支持するのに十分な厚みに設定すればよい。
【００７４】
このように本発明に係る力覚センサは、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントをそれぞれ独立して検出する機能をもち、しかも、従来の力覚センサに比べて、構造が単純で薄型化を図ることが可能になる。
【００７５】
なお、図１に示す基本構造部は、受力リング１００を外側に配置し、検出リング２００を内側に配置した例であるが、両リングの内側と外側の関係は入れ替えることができ、受力リング１００を内側に配置し、検出リング２００を外側に配置する構成を採ることも可能である。ただ、変形した状態の検出リング２００が外部の物体と接触すると、変形態様に外乱が加わることになり、正しい検出値が得られなくなる可能性がある。したがって、実用上は、ここに示した例のように、受力リング１００を外側に配置し、検出リング２００を内側に配置する構成を採り、検出リング２００が外部の物体と接触するのを防ぐようにするのが好ましい。
【００７６】
＜＜＜  §２．変位の検出  ＞＞＞
前述したとおり、本発明に係る力覚センサでは、検出リング２００の弾性変形の態様および大きさを検出することにより、作用した力やモーメントの方向および大きさを求めることになる。ここでは、弾性変形の態様および大きさを検出する方法の１つとして、検出リング２００の特定箇所（ここでは、測定点と呼ぶ）の変位を検出する方法を説明する。すなわち、ここに示す実施形態では、検出素子として、検出リング２００の所定の測定点の変位を電気的に検出する機能をもった素子を用いることになる。
【００７７】
図８は、図１に示す基本構造部に、変位検出用の固定補助体３５０を付加した実施形態を示す上面図（上段の図）および側面図（下段の図）である。図示のとおり、この基本構造部では、受力リング１００の内側に検出リング２００が配置されており、更にその内側に固定補助体３５０が配置されている。この固定補助体３５０は、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の物体であり、下面が支持基板３００の上面に固定されている。固定補助体３５０の外周面は、空隙部Ｈ２を挟んで、検出リング２００の内周面に対向している。
【００７８】
図９は、図８に示す基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。ここで、Ｖ軸は、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなす軸である。また、Ｗ軸は、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交する軸である。図９の上段に示す横断面図は、Ｖ軸正方向を右方向、Ｗ軸正方向を上方向にとった図であり、図２の上段に示す基本構造部に固定補助体３５０を付加し、これを時計まわりに４５°回転させた図に対応する。また、図９の下段の縦断面図は、ＶＺ平面で切断した縦断面図であるため、右方向はＶ軸正方向になっている。
【００７９】
§１で述べたとおり、検出リング２００上には、Ｙ軸上に２つの固定点Ｐ１，Ｐ２が配置され、Ｘ軸上に２つの作用点Ｑ１，Ｑ２が配置されている。ここでは、更に、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４を定義する。図示のとおり、第１の測定点Ｒ１はＶ軸正領域に、第２の測定点Ｒ２はＷ軸正領域に、第３の測定点Ｒ３はＶ軸負領域に、第４の測定点Ｒ４はＷ軸負領域に、それぞれ配置されている。結局、図９の上段の横断面図において、検出リング２００の外周輪郭円と内周輪郭円との中間に位置する中間円を定義した場合、各点Ｑ１，Ｒ１，Ｐ１，Ｒ２，Ｑ２，Ｒ３，Ｐ２，Ｒ４は、この順番どおりに、当該中間円上に等間隔に配置されていることになる。４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４をこのような位置に定義するのは、検出リング２００の弾性変形に起因して生じる変位が最も顕著になるためである。
【００８０】
この４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の半径方向の変位を検出するには、図９の上段の横断面図に矢印で示す距離ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４を測定すればよい。これらの距離ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４は、検出リング２００の内周面の、各測定点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４近傍に位置する測定対象面と、固定補助体３５０の外周に位置し、測定対象面に対向する対向基準面との距離であり、当該距離が大きくなれば、測定点近傍部分が半径方向に膨らんでいることを示し、当該距離が小さくなれば、測定点近傍部分が半径方向に縮んでいることを示すことになる。したがって、これらの距離を電気的に検出する検出素子を用意しておけば、各測定点近傍部分の半径方向に関する変形量を測定することができる。
【００８１】
あるいは、図９の上段の横断面図に矢印で示す距離ｄ１′，ｄ２′，ｄ３′，ｄ４′を測定する方法を採ることもできる。これらの距離ｄ１′，ｄ２′，ｄ３′，ｄ４′は、検出リング２００の外周面の、各測定点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４近傍に位置する測定対象面と、受力リング１００の内周に位置し、測定対象面に対向する対向基準面との距離である。但し、受力リング１００自身も変位するため、これらの距離の測定値は受力リング１００の変位と検出リング２００の変位との差分を示すことになる。したがって、各測定点の変位を求めるには、何らかの補正処理が必要になり、実用上は、距離ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４を測定するのが好ましい。
【００８２】
なお、距離ｄ１′，ｄ２′，ｄ３′，ｄ４′を測定する場合は、固定補助体３５０を設ける必要はない。受力リング１００と検出リング２００との間の距離を測定する場合は、検出素子が、検出リング２００の各測定点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４近傍に位置する測定対象面と、受力リング１００の測定対象面に対向する対向基準面との距離を電気的に検出すればよいので、固定補助体３５０を設ける必要はなく、また、受力リング１００を内側、検出リング２００を外側に配置した場合も適用可能になる。
【００８３】
一方、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の上下方向（Ｚ軸方向）の変位を検出するには、図９の下段の縦断面図に矢印で示す距離ｄ５，ｄ７および図示されていない距離ｄ６，ｄ８（距離ｄ６は、固定補助体３５０の奥に位置する測定点Ｒ２の直下の距離、距離ｄ８は、固定補助体３５０の手前に位置する測定点Ｒ４の直下の距離）を測定すればよい。これらの距離ｄ５，ｄ６，ｄ７，ｄ８は、検出リング２００の下面の、各測定点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４近傍に位置する測定対象面と、支持基板３００の上面に位置し、測定対象面に対向する対向基準面との距離であり、当該距離が大きくなれば、測定点近傍部分が上方向に変位していることを示し、当該距離が小さくなれば、測定点近傍部分が下方向に変位していることを示すことになる。したがって、これらの距離を電気的に検出する検出素子を用意しておけば、各測定点近傍部分の上下方向に関する変形量を測定することができる。
【００８４】
このように、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の半径方向の変位と上下方向の変位とを測定することができれば、検出リング２００の全体的な変形態様および変形量を把握することができ、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントの６軸成分を検出することが可能になる。図１０は、この６軸成分を検出するために必要な距離測定箇所を示す上面図である。すなわち、この例では、前述したとおり、第１の測定点Ｒ１について、距離ｄ１（半径方向の変位）と距離ｄ５（上下方向の変位）とが測定され、第２の測定点Ｒ２について、距離ｄ２（半径方向の変位）と距離ｄ６（上下方向の変位）とが測定され、第３の測定点Ｒ３について、距離ｄ３（半径方向の変位）と距離ｄ７（上下方向の変位）とが測定され、第４の測定点Ｒ４について、距離ｄ４（半径方向の変位）と距離ｄ８（上下方向の変位）とが測定されることになる。
【００８５】
図１１は、図１０に示す基本構造部において、支持基板３００を固定した状態で受力リング１００に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの距離ｄ１〜ｄ８の変化を示すテーブルである。このテーブルで「＋」は距離が大きくなることを示し、「−」は距離が小さくなることを示し、「０」は距離が変動しないことを示している。このような結果が得られることは、§１で説明した検出リング２００の具体的な変形態様を考えれば、容易に理解できよう。
【００８６】
たとえば、受力リング１００に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、検出リング２００は、図４に示すように、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ１間の四分円弧は内側に縮み、点Ｐ１−Ｑ２間および点Ｐ２−Ｑ２間の四分円弧は外側に膨らむように変形する。したがって、距離ｄ１，ｄ４は小さくなり、距離ｄ２，ｄ３は大きくなる。このとき、検出リング２００に上下方向の変形は生じないので、距離ｄ５〜ｄ８は変動しない。図１１のテーブルの＋Ｆｘの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合は、図１１のテーブルの＋Ｆｙの行に示す結果が得られる。
【００８７】
また、受力リング１００に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、検出リング２００は、図５に示すように変形するので、距離ｄ５〜ｄ８は大きくなる。このとき、検出リング２００に半径方向の変形は生じないので、距離ｄ１〜ｄ４は変動しない。図１１のテーブルの＋Ｆｚの行は、このような結果を示している。
【００８８】
そして、受力リング１００に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、検出リング２００は、図６に示すように変形し、図の右半分は下方へ変位し、図の左半分は上方へ変位するので、距離ｄ５，ｄ８は小さくなり、距離ｄ６，ｄ７は大きくなる。このとき、検出リング２００に半径方向の変形は生じないので、距離ｄ１〜ｄ４は変動しない。図１１のテーブルの＋Ｍｙの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、図１１のテーブルの＋Ｍｘの行に示す結果が得られる。
【００８９】
最後に、受力リング１００に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用した場合、検出リング２００は、図７に示すように変形し、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ２間の四分円弧は外側に膨らみ、点Ｐ１−Ｑ２間および点Ｐ２−Ｑ１間の四分円弧は内側に縮むように変形する。したがって、距離ｄ１，ｄ３は大きくなり、距離ｄ２，ｄ４は小さくなる。このとき、検出リング２００に上下方向の変形は生じないので、距離ｄ５〜ｄ８は変動しない。図１１のテーブルの＋Ｍｚの行は、このような結果を示している。
【００９０】
なお、図１１のテーブルは、正方向の力および正まわりのモーメントが作用した場合の結果を示しているが、負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、「＋」と「−」が逆転した結果が得られることになる。結局、距離ｄ１〜ｄ８の変化パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、距離の変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら距離ｄ１〜ｄ８の測定値に基づく所定の演算を施せば、６軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。具体的な演算式については、§３の実施形態で詳述する。
【００９１】
なお、６軸成分の検出値のすべてを得る必要がない場合には、必ずしも８通りの距離測定を行う必要はない。たとえば、図１２は、図８に示す基本構造部における距離測定箇所の変形例を示す上面図である。図１０に示す例では８通りの距離ｄ１〜ｄ８の測定を行っていたが、図１２に示す例では６通りの距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０の測定を行えば足りる。
【００９２】
ここで、距離ｄ１〜ｄ４は、前述の例と同様である。すなわち、距離ｄ１は、第１の測定点Ｒ１についての半径方向の変位を示し、距離ｄ２は、第２の測定点Ｒ２についての半径方向の変位を示し、距離ｄ３は、第３の測定点Ｒ３についての半径方向の変位を示し、距離ｄ４は、第４の測定点Ｒ４についての半径方向の変位を示している。一方、これら４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４についての上下方向の変位測定は行われない。別言すれば、前述の例における距離ｄ５〜ｄ８の測定は行われない。その代わりに、第１の作用点Ｑ１を第５の測定点として、その上下方向の変位測定を行い、第２の作用点Ｑ２を第６の測定点として、その上下方向の変位測定を行うことになる。
【００９３】
すなわち、図１２に示す距離ｄ９は、検出リング２００の下面の、第１の作用点Ｑ１（第５の測定点）近傍に位置する測定対象面と、支持基板３００の上面に位置し、かつ、測定対象面に対向する位置にある対向基準面との距離であり、図１２に示す距離ｄ１０は、検出リング２００の下面の、第２の作用点Ｑ２（第６の測定点）近傍に位置する測定対象面と、支持基板３００の上面に位置し、かつ、測定対象面に対向する位置にある対向基準面との距離である。
【００９４】
図１３は、図１２に示す基本構造部において、支持基板３００を固定した状態で受力リング１００に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０の変化を示すテーブルである。ここでも、「＋」は距離が大きくなることを示し、「−」は距離が小さくなることを示し、「０」は距離が変動しないことを示している。距離ｄ１〜ｄ４について、このような結果が得られることは、既に述べたとおりである。
【００９５】
一方、距離ｄ９，ｄ１０について、このような結果が得られることは、§１で説明した検出リング２００の具体的な変形態様を考えれば、容易に理解できよう。すなわち、Ｘ軸正方向の力＋ＦｘやＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用しても、作用点Ｑ１，Ｑ２は上下方向に変動することはないので、距離ｄ９，ｄ１０について、＋Ｆｘおよび＋Ｆｙの行は「０」になる。しかしながら、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、作用点Ｑ１，Ｑ２は上方に変位するので、距離ｄ９，ｄ１０について、＋Ｆｚの行は「＋」になる。
【００９６】
また、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、Ｘ軸上に位置する作用点Ｑ１，Ｑ２は回転軸上の点になるため上下方向に変動することはない。よって、距離ｄ９，ｄ１０について、＋Ｍｘの行は「０」になる。しかしながら、Ｙ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、作用点Ｑ１は下方に変位し、作用点Ｑ２は上方に変位するので、＋Ｍｙの行は、距離ｄ９は「−」、距離ｄ１０は「＋」になる。最後に、Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用した場合は、作用点Ｑ１，Ｑ２は上下方向に変動することはないので、距離ｄ９，ｄ１０について、＋Ｍｚの行は「０」になる。負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、図１３に示すテーブルにおける「＋」と「−」が逆転した結果が得られる。
【００９７】
結局、距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０の変化パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、距離の変動量も大きくなる。但し、図１３のテーブルの＋Ｍｘの行を見ると、すべての距離について「０」という結果となっている。これは、距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０を測定しても、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘに関する情報は得られないことを示している。ただ、それ以外の５軸成分についての情報は得られている。そこで、検出回路により、これら距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０の測定値に基づく所定の演算を施せば、モーメントＭｘを除く５軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。具体的な演算式については、§３の実施形態で詳述する。
【００９８】
このように、本発明に係る力覚センサでは、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚという６軸成分を独立して検出することが可能であるが、この６軸成分の検出値のすべてを得る必要がない場合には、検出素子を適宜省略して、コストダウンを図ることが可能である。
【００９９】
また、図９では、２つの作用点Ｑ１，Ｑ２と、２つの固定点Ｐ１，Ｐ２とを配置した例を示したが、本発明に係る力覚センサにおける作用点の数および固定点の数は、必ずしも２個に限定されるものではない。すなわち、ここで述べる基本的な実施形態の場合、検出リング２００の輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個の作用点と複数ｎ個の固定点とが交互に配置されており、検出素子が、隣接配置された作用点と固定点との間の位置に定義された測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出することができればよい。
【０１００】
したがって、たとえば、ｎ＝３に設定し、３つの作用点と、３つの固定点とを交互に配置してもかまわない。この場合、検出リング２００は、３箇所の作用点の位置において、接続部材を介して受力リング１００に接続されることになり、３箇所の固定点の位置において、固定部材を介して支持基板３００に固定されることになる。
【０１０１】
ただ、実用上は、図９に示す例のように、検出リング２００の輪郭に沿った環状路に、第１の作用点Ｑ１、第１の固定点Ｐ１、第２の作用点Ｑ２、第２の固定点Ｐ２の順に、２個の作用点および２個の固定点を配置するようにし、この環状路における第１の作用点Ｑ１と第１の固定点Ｐ１との間に第１の測定点Ｒ１を定義し、第１の固定点Ｐ１と第２の作用点Ｑ２との間に第２の測定点Ｒ２を定義し、第２の作用点Ｑ２と第２の固定点Ｐ２との間に第３の測定点Ｒ３を定義し、第２の固定点Ｐ２と第１の作用点Ｑ１との間に第４の測定点Ｒ４を定義するようにし、検出素子によって、これら第１〜第４の測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍における検出リング２００の弾性変形を電気的に検出するのが効率的である。
【０１０２】
特に、図９に示す例は、基本構造部の構造が、ＸＺ平面に関して面対称となり、かつ、ＹＺ平面に関しても面対称となっているため、図１１や図１３に示すテーブルに「＋」もしくは「−」で示されている変位量に対称性が生じ、比較的単純な検出回路により各軸方向の力および各軸まわりのモーメントの検出値を得ることができる。
【０１０３】
したがって、実用上は、図９に示す例のように、第１の作用点Ｑ１がＸ軸正領域に、第１の固定点Ｐ１がＹ軸正領域に、第２の作用点Ｑ２がＸ軸負領域に、第２の固定点Ｐ２がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材４１０により、検出リング２００の第１の作用点Ｑ１近傍が受力リング１００に接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第２の接続部材４２０により、検出リング２００の第２の作用点Ｑ２近傍が受力リング１００に接続されており、検出素子が、ＸＹ平面の第１象限、第２象限、第３象限、第４象限にそれぞれ配置された第１の測定点Ｒ１、第２の測定点Ｒ２、第３の測定点Ｒ３、第４の測定点Ｒ４の近傍における検出リング２００の弾性変形を電気的に検出するのが好ましい。
【０１０４】
各測定点Ｒ１〜Ｒ４は、必ずしもＶ軸上もしくはＷ軸上に定義する必要はないが、前述したとおり、検出リング２００の弾性変形に起因して生じる変位は、Ｖ軸上もしくはＷ軸上が最も顕著になるので、検出感度を高める上では、図９に示す例のように、第１の測定点Ｒ１はＶ軸正領域に、第２の測定点Ｒ２はＷ軸正領域に、第３の測定点Ｒ３はＶ軸負領域に、第４の測定点Ｒ４はＷ軸負領域に、それぞれ定義するのが好ましい。
【０１０５】
＜＜＜  §３．  容量素子を用いた実施形態  ＞＞＞
ここでは、検出素子として、静電容量素子を用いた実施形態を説明する。既に述べたとおり、静電容量素子式の多軸力覚センサは、機械的構造部に作用した力の特定の方向成分を、特定の部分に生じた変位として検出するものである。すなわち、一対の電極により容量素子を構成しておき、作用した力によって一方の電極に生じた変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出する原理を採る。
【０１０６】
そこで、ここでは、図１０に示す基本構造部において、８通りの距離ｄ１〜ｄ８を容量素子を用いて検出する実施形態を述べる。図１４は、当該実施形態に係る力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。この図１４に示す力覚センサは、図９に示す基本構造部に、１６枚の電極Ｅ１１〜Ｅ１８，Ｅ２１〜Ｅ２８と、所定の検出回路とを追加することによって構成される。１６枚の電極により構成される８組の容量素子は、前述した８通りの距離ｄ１〜ｄ８を測定する検出素子として機能する。
【０１０７】
図１４上段の横断面図に示されているとおり、検出リング２００の内周面の、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍部分（測定対象面）には、それぞれ変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４が設けられている。また、検出リング２００の下面の、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍部分（測定対象面）には、それぞれ変位電極Ｅ２５〜Ｅ２８（図では、破線で示されている）が設けられている。これら８枚の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８は、文字通り、検出リング２００の変形によって変位を生じる電極である。
【０１０８】
一方、これら８枚の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８に対向する位置（対向基準面）に、８枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８が設けられている。これら８枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８は、文字通り、支持基板３００に直接もしくは間接的に固定された電極であり、検出リング２００の変形にかかわらず、常に定位置を維持する。具体的には、円柱状の固定補助体３５０の外周面には、変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４に対向する位置に固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４が設けられており、これらの電極は固定補助体３５０を介して支持基板３００上に間接的に固定されている。また、支持基板３００の上面には、変位電極Ｅ２５〜Ｅ２８に対向する位置に固定電極Ｅ１５〜Ｅ１８が直接固定されている（図１４下段の縦断面図には、変位電極Ｅ１５，Ｅ１７のみが現れているが、変位電極Ｅ１６は、固定補助体３５０の奥に位置し、変位電極Ｅ１８は、固定補助体３５０の手前に位置する）。
【０１０９】
結局、この実施形態の場合、検出リング２００の内周面および下面の、各測定点Ｒ１〜Ｒ４近傍に位置する測定対象面に設けられた８組の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８と、固定補助体３５０の外周面および支持基板３００の上面の、各測定対象面に対向する位置に定義された対向基準面に設けられた８組の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８と、によって、８組の容量素子が構成されることになる。これら８組の容量素子は、本発明における検出素子として機能し、検出リング２００の弾性変形を電気的に検出する役割を果たす。
【０１１０】
ここでは、説明の便宜上、固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８と、これに対向する変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８と、によって構成される容量素子を、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ８と呼ぶことにし、その静電容量値を、同じ符号を用いてＣ１〜Ｃ８で表すことにする。一般に、容量素子の静電容量値は、当該容量素子を構成する一対の対向電極の距離が大きくなると小さくなり、距離が小さくなると大きくなる。したがって、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値を電気的に測定すれば、図１０に示す距離ｄ１〜ｄ８を求めることができ、図１１に示すテーブルに基づいて、作用した力もしくはモーメントを検出することができる。
【０１１１】
ただ、容量素子の静電容量値は、一対の対向電極の有効対向面積によっても変化し、有効対向面積が大きくなれば静電容量値も大きくなり、有効対向面積が小さくなれば静電容量値も小さくなる。したがって、上述の原理で距離ｄ１〜ｄ８を正確に測定するためには、検出リング２００に変位が生じたとしても、各容量素子の有効対向面積に変化が生じないようにする必要がある。そこで、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が、他方の電極の内部に包含されるようにする。
【０１１２】
図１５は、図１４に示す力覚センサで用いられている各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の対向電極のサイズの関係を示す斜視図である。図には、電極Ｅａと電極Ｅｂとが対向して配置された状態が示されている。この例では、両電極Ｅａ，Ｅｂは、いずれも矩形の板状電極であるが、電極Ｅａの縦および横のサイズは、電極Ｅｂの縦および横のサイズよりも大きくなっている。しかも、両電極Ｅａ，Ｅｂは、それぞれの中心点が向かい合う位置に配置されているので、電極Ｅｂを電極Ｅａの形成面に投影した投影像Ａ（正射影投影像）は、電極Ｅａの内部に包含されている。要するに、電極Ｅａは、電極Ｅｂよりも、ひとまわり大きなサイズになっている。
【０１１３】
図１４に示す力覚センサで用いられている各容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する一対の対向電極の関係が、図１５に示すような関係になっていれば、検出リング２００に変位が生じたとしても、当該変位が所定の許容範囲内である限り、各容量素子の有効対向面積は変化しない。すなわち、図１５に示す例の場合、破線で示す投影像Ａの内部の面積が、この容量素子の有効対向面積ということになるが、両電極Ｅａ，Ｅｂが電極面に平行な方向に変位しても、投影像Ａが電極Ｅａ内に包含されている限り、有効対向面積は一定である。
【０１１４】
図１４に示す力覚センサの場合、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する一対の対向電極について、各固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８よりも各変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８のサイズをひとまわり大きく設定しているが、逆に、各変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８よりも各固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８のサイズをひとまわり大きく設定してもかまわない。また、一対の対向電極の位置関係は、検出対象となる力やモーメントが何ら作用していない基準状態において、一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像（たとえば、両電極の中心点を結ぶ線に平行な方向に投影した投影像）が、他方の電極の内部に包含される関係になっている。
【０１１５】
両電極のサイズの差は、検出リング２００の変位の許容範囲（有効対向面積が一定に維持される範囲）を決定するパラメータになる。したがって、検出値のダイナミックレンジを広く設定するには、両電極のサイズの差も大きくとり、図１５における投影像Ａの外側の余白領域を広く設定する必要がある。検出リング２００の変位が許容範囲内であれば、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の有効対向面積は一定に維持されるので、静電容量値Ｃ１〜Ｃ８の変動は、専ら、距離ｄ１〜ｄ８の変動を示すものになる。
【０１１６】
図１６は、このような前提において、図１４に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変化を示すテーブルである。このテーブルで「＋」は静電容量値が増加することを示し、「−」は静電容量値が減少することを示し、「０」は静電容量値が変動しないことを示している。なお、テーブルの「Ｃ１〜Ｃ８」欄に付記された括弧書きは、各容量素子を構成する一対の対向電極を示している。たとえば、Ｃ１欄の（Ｅ１１＆Ｅ２１）は、容量素子Ｃ１が一対の対向電極Ｅ１１，Ｅ２１で構成されることを示している。
【０１１７】
この図１６に示すテーブルは、図１１に示すテーブルの各欄の「＋」と「−」とを入れ替えることによって得られる。図１１に示すテーブルは距離ｄ１〜ｄ８の増減を示すものであるのに対し、図１６に示すテーブルは静電容量値Ｃ１〜Ｃ８の増減を示すものである。容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離が増加すると静電容量値は減少し、電極間距離が減少すると静電容量値は増加するので、図１１に示すテーブルから、図１６に示すテーブルが得られることは、容易に理解できよう。
【０１１８】
図１６のテーブルに示すとおり、静電容量値Ｃ１〜Ｃ８の変化パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、静電容量値の変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら静電容量値Ｃ１〜Ｃ８の測定値に基づく所定の演算を施せば、６軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。
【０１１９】
図１７は、図１４に示す力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを求める具体的な演算式を示す図である。このような演算式によって、個々の検出値が得られる理由は、図１６に示すテーブルを参照すれば理解できる。たとえば、図１６のテーブルの＋Ｆｘの行を参照すれば、「＋」が記されたＣ１，Ｃ４の和と、「−」が記されたＣ２，Ｃ３の和と、の差により、＋Ｆｘの検出値が得られることがわかる。他の検出値についても同様である。
【０１２０】
また、負方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚおよび負まわりのモーメント−Ｍｘ，−Ｍｙ，−Ｍｚが作用した場合は、図１６のテーブルにおける「＋」と「−」とが逆転するので、図１７に示す演算式をそのまま利用すれば、各検出値を負の値として得ることができる。この図１７に示す６軸成分の演算式は、他軸成分の干渉を受けないので、６軸成分についての各検出値を独立して得ることができる。たとえば、＋Ｆｙが作用した場合、Ｃ１，Ｃ２は減少し、Ｃ３，Ｃ４は増加するが、Ｆｘについての演算式では、これらの減少および増加成分は互いにキャンセルされるので、Ｆｘについての検出値にＦｙの成分が含まれることはない。
【０１２１】
図１７に示すとおり、力Ｆｚ以外の演算式は、２組の容量値の和についての差分を求める形式になっている。このような差分検出は、温度環境の変化により基本構造部が膨張もしくは収縮し、対向電極間距離が変動する誤差が生じたとしても、生じた誤差を相互にキャンセルすることができるので、外乱成分を含まない正確な検出結果を得る上で好ましい。なお、Ｆｚについても差分検出を行いたい場合は、検出リング２００の上面に変位電極を追加し、その上方において支持基板３００に固定された補助基板を設け、この補助基板の下面に固定電極を設け、検出リング２００の上面と補助基板との距離を測定するための容量素子を追加し、これらの容量素子の容量値と容量素子Ｃ５〜Ｃ８の容量値との間で差分をとるようにすればよい。
【０１２２】
図１８は、図１４に示す力覚センサに用いる検出回路を示す回路図である。この検出回路は、図１７に示す演算式に基づいて、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出値を電圧値として出力する回路である。まず、８組の容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値Ｃ１〜Ｃ８は、Ｃ／Ｖ変換器１１〜１８によって、それぞれ電圧値Ｖ１〜Ｖ８に変換される。続いて、演算器２１〜３０によって、それぞれ２組の電圧値の和が求められ、更に、演算器３１〜３５によって差分がとられ、それぞれＦｘ，Ｆｙ，Ｍｚ，Ｍｙ，Ｍｘの検出値として出力される。また、演算器３６によって、４組の電圧値の和がとられ、符号を反転した値がＦｚの検出値として出力される。
【０１２３】
もちろん、この図１８に示す検出回路は一例を示すものであり、原理的に図１７の演算式に基づく検出結果が出力できれば、どのような回路を用いてもかまわない。たとえば、一対の容量素子を並列接続すれば、接続後の容量素子対の静電容量値は、個々の容量素子の静電容量値の和になるので、図１８に示す回路図において、たとえば、容量素子Ｃ１とＣ４とを並列接続すれば、接続後の容量素子対の静電容量値は「Ｃ１＋Ｃ４」になるので、演算器２１を省略することができる。同様の方法により、演算器２２〜３０，３６を省略することも可能である。
【０１２４】
また、図１８は、アナログ演算器を用いた検出回路を示すものであるが、図１７に示す演算は、もちろん、デジタル演算によって行うことも可能である。たとえば、Ｃ／Ｖ変換器１１〜１８の後段にＡ／Ｄ変換器を接続すれば、静電容量値Ｃ１〜Ｃ８をそれぞれデジタル値として取り込むことができるので、マイクロコンピュータなどのデジタル回路により、図１７に示す演算を行い、各検出値をデジタル値として出力することができる。
【０１２５】
ここで、図１４に示す容量素子を用いた力覚センサの特徴をまとめておくと、次のように言うことができる。まず、基本構造部は、受力リング１００および検出リング２００の双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、受力リング１００が外側、検出リング２００が内側となるように両リングが配置されており、検出リング２００の更に内側に、下面が支持基板３００の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体３５０が設けられている、という特徴を有している。
【０１２６】
そして、検出素子として、次のような８組の容量素子が設けられている。
【０１２７】
(1) 検出リング２００の内周面の第１の測定点Ｒ１近傍位置に配置された第１の変位電極Ｅ２１と、固定補助体３５０の外周面の第１の変位電極Ｅ２１に対向する位置に配置された第１の固定電極Ｅ１１とによって構成される第１の容量素子Ｃ１。
【０１２８】
(2) 検出リング２００の内周面の第２の測定点Ｒ２近傍位置に配置された第２の変位電極Ｅ２２と、固定補助体３５０の外周面の第２の変位電極Ｅ２２に対向する位置に配置された第２の固定電極Ｅ１２とによって構成される第２の容量素子Ｃ２。
【０１２９】
(3) 検出リング２００の内周面の第３の測定点Ｒ３近傍位置に配置された第３の変位電極Ｅ２３と、固定補助体３５０の外周面の第３の変位電極Ｅ２３に対向する位置に配置された第３の固定電極Ｅ１３とによって構成される第３の容量素子Ｃ３。
【０１３０】
(4) 検出リング２００の内周面の第４の測定点Ｒ４近傍位置に配置された第４の変位電極Ｅ２４と、固定補助体３５０の外周面の第４の変位電極Ｅ２４に対向する位置に配置された第４の固定電極Ｅ１４とによって構成される第４の容量素子Ｃ４。
【０１３１】
(5) 検出リング２００の下面の第１の測定点Ｒ１近傍位置に配置された第５の変位電極Ｅ２５と、支持基板３００の上面の第５の変位電極Ｅ２５に対向する位置に配置された第５の固定電極Ｅ１５とによって構成される第５の容量素子Ｃ５。
【０１３２】
(6) 検出リング２００の下面の第２の測定点Ｒ２近傍位置に配置された第６の変位電極Ｅ２６と、支持基板３００の上面の第６の変位電極Ｅ２６に対向する位置に配置された第６の固定電極Ｅ１６とによって構成される第６の容量素子Ｃ６。
【０１３３】
(7) 検出リング２００の下面の第３の測定点Ｒ３近傍位置に配置された第７の変位電極Ｅ２７と、支持基板３００の上面の第７の変位電極Ｅ２７に対向する位置に配置された第７の固定電極Ｅ１７とによって構成される第７の容量素子Ｃ７。
【０１３４】
(8) 検出リング２００の下面の第４の測定点Ｒ４近傍位置に配置された第８の変位電極Ｅ２８と、支持基板３００の上面の第８の変位電極Ｅ２８に対向する位置に配置された第８の固定電極Ｅ１８とによって構成される第８の容量素子Ｃ８。
【０１３５】
ここで、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、他方の電極の内部に包含されるようになっており、検出リング２００の変位が所定の許容範囲内である限り、各容量素子の有効対向面積は一定に維持される。
【０１３６】
一方、この力覚センサの検出回路は、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値を、同じ符号を用いてＣ１〜Ｃ８と表したときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）
Ｍｘ＝（Ｃ７＋Ｃ８）−（Ｃ５＋Ｃ６）
Ｍｙ＝（Ｃ５＋Ｃ８）−（Ｃ６＋Ｃ７）
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力する機能を有している。
【０１３７】
以上、図１４に示す力覚センサの検出原理およびこのセンサに用いる検出回路を説明した。この図１４に示す力覚センサは、図１０に示す８通りの距離ｄ１〜ｄ８を容量素子を用いて測定するものである。そこで、次に、図１２に示す６通りの距離ｄ１〜ｄ４，ｄ９，ｄ１０を容量素子を用いて測定するタイプの力覚センサについて簡単に説明しておく。この場合、距離ｄ１〜ｄ４を測定するために容量素子Ｃ１〜Ｃ４（固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４と変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４）を設ける点は、図１４に示す力覚センサと同様である。ただ、距離ｄ５〜ｄ８の測定は行わないため、図１４に示す力覚センサで用いられていた容量素子Ｃ５〜Ｃ８（固定電極Ｅ１５〜Ｅ１８と変位電極Ｅ２５〜Ｅ２８）は不要になる。
【０１３８】
その代わり、図１２に示す距離ｄ９，ｄ１０を測定するために、容量素子Ｃ９，Ｃ１０を設けるようにする。ここで、容量素子Ｃ９は、検出リング２００の下面の作用点Ｑ１（第５の測定点として機能する）の近傍位置に配置された変位電極Ｅ２９と、支持基板３００の上面の変位電極Ｅ２９に対向する位置に配置された固定電極Ｅ１９とによって構成される容量素子であり、容量素子Ｃ１０は、検出リング２００の下面の作用点Ｑ２（第６の測定点として機能する）の近傍位置に配置された変位電極Ｅ３０と、支持基板３００の上面の変位電極Ｅ３０に対向する位置に配置された固定電極Ｅ２０とによって構成される容量素子である。ここでも、容量素子Ｃ９，Ｃ１０を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が、他方の電極の内部に包含される関係が維持され、有効対向面積が一定に維持される工夫を施すようにする。
【０１３９】
図１９は、このような力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０の静電容量値の変化を示すテーブルである。このテーブルにおいても、「＋」は静電容量値が増加することを示し、「−」は静電容量値が減少することを示し、「０」は静電容量値が変動しないことを示しており、テーブルの「Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０」欄に付記された括弧書きは、各容量素子を構成する一対の対向電極を示している。前述したとおり、距離と静電容量値とでは増減関係が逆転するので、この図１９に示すテーブルは、図１３に示すテーブルの各欄の「＋」と「−」とを入れ替えることによって得られる。
【０１４０】
図１９のテーブルに示すとおり、静電容量値Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０の変化パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、静電容量値の変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら静電容量値Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０の測定値に基づく所定の演算を施せば、各軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。ただ、§２でも述べたとおり、モーメントＭｘに関しては、すべての容量値について「０」（変動なし）という結果となっているため、この力覚センサでは検出できない。
【０１４１】
図２０は、この力覚センサに対して作用する力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｙ，Ｍｚを求める具体的な演算式を示す図である。このような演算式によって、個々の検出値が得られる理由は、図１９に示すテーブルを参照すれば容易に理解できよう。この演算式に基づいて５軸成分の検出値を出力するには、図１８に準じた検出回路を用意すればよい。もちろん、一対の容量素子を並列接続すれば、演算器の一部を省略することができるし、Ａ／Ｄ変換器により静電容量値Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０をそれぞれデジタル値として取り込めば、デジタル演算の結果として、各検出値をデジタル値として出力することもできる。
【０１４２】
結局、この力覚センサは、図１４に示す力覚センサにおける容量素子Ｃ５〜Ｃ８を省略し、その代わりに、第１の作用点Ｑ１を第５の測定点とし、第２の作用点Ｑ２を第６の測定点として、第５の容量素子Ｃ９と第６の容量素子Ｃ１０とを設けた構造を有していることになる。ここで、第５の容量素子Ｃ９は、検出リング２００の下面の第５の測定点Ｑ１近傍位置に配置された第５の変位電極Ｅ２９と、支持基板３００の上面の第５の変位電極Ｅ２９に対向する位置に配置された第５の固定電極Ｅ１９とによって構成され、第６の容量素子Ｃ１０は、検出リング２００の下面の第６の測定点Ｑ２近傍位置に配置された第６の変位電極Ｅ３０と、支持基板３００の上面の第６の変位電極Ｅ３０に対向する位置に配置された第６の固定電極Ｅ２０とによって構成される。
【０１４３】
また、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、他方の電極の内部に包含されるようになっており、検出リング２００の変位が所定の許容範囲内である限り、各容量素子の有効対向面積は一定に維持される。
【０１４４】
そして、この力覚センサの検出回路は、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０の静電容量値を、同じ符号を用いてＣ１〜Ｃ４，Ｃ９，Ｃ１０と表したときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ９＋Ｃ１０）
Ｍｙ＝Ｃ９−Ｃ１０
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力する機能を有している。
【０１４５】
最後に、容量素子を用いた力覚センサに適用できる実用的な工夫を述べておく。図２１は、図１４に示す力覚センサに、この実用的な工夫を施した変形例に係る力覚センサを、ＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。この変形例の特徴は、検出リング２００を可撓性をもった導電性材料（たとえば、アルミニウム合金などの金属）によって構成し、検出リング２００の表面を共通変位電極Ｅ０として容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成したものである。検出リング２００の少なくとも表面部分が導電性材料によって構成されていれば、この表面全体が１枚の共通変位電極Ｅ０として機能するので、図１４に示す力覚センサにおける８枚の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８を兼用する電極として利用することができる。
【０１４６】
図２１を見れば明らかなように、検出リング２００の表面には、別体の変位電極は形成されていないが、たとえば、検出リング２００の外周面のうち、固定電極Ｅ１１に対向する一部分の領域が、図１４に示す変位電極Ｅ２１として機能することになり、容量素子Ｃ１が形成されることになる。同様に、検出リング２００の下面のうち、固定電極Ｅ１５に対向する一部分の領域が、図１４に示す変位電極Ｅ２５として機能することになり、容量素子Ｃ５が形成されることになる。
【０１４７】
もちろん、８枚の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８の代わりに、１枚の共通変位電極Ｅ０（検出リング２００の表面）を用いるようにすると、図１８に示す回路図に示されている変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８が相互に短絡されることになるが、検出回路の動作には何ら支障はない。すなわち、Ｃ／Ｖ変換器１１〜１８は、いずれも変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８を接地した状態において、この接地ノードと各固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８との間の静電容量値Ｃ１〜Ｃ８を電圧値Ｖ１〜Ｖ８に別個独立して変換することができるので、接地される変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８が共通変位電極Ｅ０に置き換わっても問題は生じない。
【０１４８】
結局、図２１に示す変形例において実質的に必要な電極は、固定補助体３５０の外周面に設けられた４枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４と、支持基板３００の上面に設けられた４枚の固定基板Ｅ１５〜Ｅ１８ということになり、センサ全体の構造は極めて単純になる。また、共通変位電極Ｅ０は、検出リング２００の表面全体であるため、図１５に示す電極Ｅａの役割を果たすことになり、各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が他方の電極の内部に包含される、という条件も満たされる。なお、各固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８は、互いに電気的に絶縁されている必要があるので、固定補助体３５０の少なくとも表面の一部（固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４の形成部）および支持基板３００の少なくとも上面の一部（固定電極Ｅ１５〜Ｅ１８の形成部）は絶縁材料によって構成する必要があるが、その他の構成要素は金属などの導電性材料で構成することができる。
【０１４９】
＜＜＜  §４．  ストレインゲージを用いた実施形態  ＞＞＞
本発明に係る力覚センサの共通した特徴は、検出リング２００の弾性変形の態様および大きさを検出することにより、作用した力やモーメントの方向および大きさを求めることにある。§２では、弾性変形の態様および大きさを検出する方法の１つとして、測定点の変位を検出する方法を説明し、§３では、変位検出の具体的な方法として、容量素子を用いた実施形態を説明した。ここでは、弾性変形の態様および大きさを検出する別な方法として、検出素子により、検出リング２００の所定の測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍位置の機械的な歪みを電気的に検出する方法を説明する。特に、歪みを検出する検出素子としてストレインゲージを用いた具体的な実施形態について述べる。
【０１５０】
図２２は、ストレインゲージを用いた実施形態に係る力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図である。この力覚センサの基本構造部は、図１に示す基本構造部と全く同じものであり、図１４に示す容量素子を用いた実施形態の基本構造部と全く同じものである。ただ、検出素子として、容量素子の代わりにストレインゲージを用いることにより、測定点の変位の代わりに機械的な歪みを検出する点が異なっている。図２２に示す４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４は、図１４に示す４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４と全く同じものであり、Ｖ軸もしくはＷ軸上に配置された点である。
【０１５１】
この力覚センサでは、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍の歪みを電気的に測定するために、合計８種類のストレインゲージＧ１〜Ｇ８が用いられる。すなわち、図２２に示すとおり、ストレインゲージＧ１〜Ｇ４は検出リング２００の内周面の、それぞれ測定点Ｒ１〜Ｒ４近傍に取り付けられており、ストレインゲージＧ５〜Ｇ８（図では破線で示す）は検出リング２００の下面の、それぞれ測定点Ｒ１〜Ｒ４近傍に取り付けられている。
【０１５２】
ここで、各ストレインゲージＧ１〜Ｇ８は、いずれも検出リング２００の測定点Ｒ１〜Ｒ４近傍の表面に、検出リング２００の輪郭に沿った環状路に沿った方向が長手方向（応力の検出方向）となるように取り付けられている。したがって、取り付けられた表面に生じる、検出リング２００の円周に沿った方向に関する機械的な歪みを、各ストレインゲージＧ１〜Ｇ８の長手方向に関する電気抵抗の変化として検出することができる。
【０１５３】
図２３は、図２２に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときのストレインゲージＧ１〜Ｇ８の電気抵抗の変化を示すテーブルである。このテーブルで「＋」は電気抵抗が増加することを示し、「−」は電気抵抗が減少することを示し、「０」は電気抵抗の変動が無視しうる程度であることを示している。このような結果は、§１で説明した検出リング２００の具体的な変形態様を解析することにより得られる。
【０１５４】
たとえば、受力リング１００に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、検出リング２００は図４に示すように変形する。したがって、検出リング２００の内周面に張り付けられたストレインゲージＧ１〜Ｇ４について長手方向に加わる応力を考えると、Ｇ１，Ｇ４に対しては伸ばす方向に応力が加わるので電気抵抗が増加し、Ｇ２，Ｇ３に対しては縮める方向に応力が加わるので電気抵抗は減少する。一方、検出リング２００の下面に張り付けられたストレインゲージＧ５〜Ｇ８については、電気抵抗の変化は無視しうる程度である（具体的な数値については後述）。図２３のテーブルの＋Ｆｘの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合は、図２３のテーブルの＋Ｆｙの行に示す結果が得られる。
【０１５５】
また、受力リング１００に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、検出リング２００は、図５に示すように変形する。このとき、検出リング２００の内周面に張り付けられたストレインゲージＧ１〜Ｇ４については、電気抵抗の変化は無視しうる程度であるが、検出リング２００の下面に張り付けられたストレインゲージＧ５〜Ｇ８に対しては、伸ばす方向に応力が加わるので電気抵抗が増加する。図２３のテーブルの＋Ｆｚの行は、このような結果を示している。
【０１５６】
そして、受力リング１００に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、検出リング２００は、図６に示すように変形し、図の右半分は下方へ変位し、図の左半分は上方へ変位する。このとき、検出リング２００の内周面に張り付けられたストレインゲージＧ１〜Ｇ４については、電気抵抗の変化は無視しうる程度であるが、検出リング２００の下面に張り付けられたストレインゲージＧ５〜Ｇ８のうち、Ｇ５，Ｇ８に対しては、縮める方向に応力が加わるので電気抵抗が減少し、Ｇ６，Ｇ７に対しては、伸ばす方向に応力が加わるので電気抵抗が増加する。図２３のテーブルの＋Ｍｙの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、図２３のテーブルの＋Ｍｘの行に示す結果が得られる。
【０１５７】
最後に、受力リング１００に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用した場合、検出リング２００は、図７に示すように変形する。このとき、検出リング２００の下面に張り付けられたストレインゲージＧ５〜Ｇ８については、電気抵抗の変化は無視しうる程度であるが、検出リング２００の内周面に張り付けられたストレインゲージＧ１〜Ｇ４のうち、Ｇ２，Ｇ４に対しては、伸ばす方向に応力が加わるので電気抵抗が増加し、Ｇ１，Ｇ３に対しては、縮める方向に応力が加わるので電気抵抗が減少する。図２３のテーブルの＋Ｍｚの行は、このような結果を示している。
【０１５８】
なお、図２３のテーブルは、正方向の力および正まわりのモーメントが作用した場合の結果を示しているが、負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、「＋」と「−」が逆転した結果が得られることになる。結局、８組のストレインゲージＧ１〜Ｇ８の電気抵抗の変動パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、電気抵抗の変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら電気抵抗の測定値に基づく所定の演算を施せば、６軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。
【０１５９】
図２４は、図２２に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときのストレインゲージＧ１〜Ｇ８に加わる応力（単位：ＭＰａ）を有限要素法で解析した具体的な解析結果を示すテーブルである。図２３のテーブルは、図２４のテーブルに基づいて作成したものである。上述したとおり、図２３のテーブルの「０」の欄は電気抵抗の変動が「０」であることを示しているわけではなく、テーブルの他の欄における変動に比べて小さく、測定値として無視することができる程度であることを示している。
【０１６０】
もっとも、これらの測定値が無視しうるか否かは、力覚センサに求める精度に依存する問題であり、低い精度しか要求されない力覚センサであれば、これらの測定値を無視した取り扱いを行うことができるが、高い精度が要求される力覚センサでは、決して無視できない値になろう。実際、図２３に示すテーブルにおいて「０」と記された欄について、電気抵抗の変動値が生じると、他軸成分の干渉が生じ、精度の高い検出値を得ることはできなくなる。そのような場合は、必要に応じて、マイクロコンピュータなどによる補正演算を行うようにするのが好ましい。
【０１６１】
図２３のテーブルの「０」の欄の電気抵抗の変動を近似的に「０」であるとして取り扱うことができる場合、この力覚センサに対して作用する力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出値は、単純なホイートストンブリッジからなる検出回路を用いて出力することが可能である。更に、力Ｆｚの検出値も、単純なホイートストンブリッジによって得るようにし、６軸成分のすべてをホイートストンブリッジからなる検出回路から出力させるようにするには、検出リング２００の上面にストレインゲージＧ９〜Ｇ１２を追加すればよい。
【０１６２】
図２５は、図２２に示す実施形態に、更に、ストレインゲージＧ９〜Ｇ１２を付加した変形例に係る力覚センサの上面図である。図２２に示すストレインゲージＧ５〜Ｇ８は、検出リング２００の下面に設けられているが、図２５に示すストレインゲージＧ９〜Ｇ１２は、検出リング２００の上面に設けられている。より具体的には、ストレインゲージＧ９〜Ｇ１２は、それぞれストレインゲージＧ５〜Ｇ８の真上に配置された同形状の同サイズのゲージ抵抗である。このため、ストレインゲージＧ９〜Ｇ１２の電気抵抗の増減は、図２３のテーブルに示されているストレインゲージＧ５〜Ｇ８の電気抵抗の増減とは逆の関係になる。
【０１６３】
このように、合計１２種類のストレインゲージＧ１〜Ｇ１２を利用すれば、６軸成分のすべての検出値をホイートストンブリッジからなる検出回路によって出力することができる。図２６は、図２５に示す変形例に係る力覚センサにおいて、各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを検出するための検出回路を示す回路図であり、図２７は、図２５に示す変形例に係る力覚センサにおいて、各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出するための検出回路を示す回路図である。いずれも電源４０からの電源供給を受けて動作するホイートストンブリッジからなる回路である。
【０１６４】
図２３のテーブルの＋Ｆｘの行を参照すれば、Ｇ１，Ｇ４が「＋」，Ｇ２，Ｇ３が「−」となっているので、図２６上段に示すホイートストンブリッジによる出力電圧ＶＦｘが、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値になることは容易に理解できよう。同様の理由により、図２６中段に示すホイートストンブリッジによる出力電圧ＶＦｙが、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値になる。また、図２３のテーブルの＋Ｆｚの行を参照すれば、Ｇ５〜Ｇ８が「＋」となっており、Ｇ９〜Ｇ１２はこれとは逆の「−」になるので、図２６下段に示すホイートストンブリッジによる出力電圧ＶＦｚが、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値になることも容易に理解できよう。
【０１６５】
一方、図２３のテーブルの＋Ｍｘの行を参照すれば、Ｇ５，Ｇ６が「−」，Ｇ７，Ｇ８が「＋」となっているので、図２７上段に示すホイートストンブリッジによる出力電圧ＶＭｘが、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値になることは容易に理解できよう。同様の理由により、図２７中段に示すホイートストンブリッジによる出力電圧ＶＭｙが、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値になる。また、図２３のテーブルの＋Ｍｚの行を参照すれば、Ｇ１，Ｇ３が「−」、Ｇ２，Ｇ４が「＋」となっているので、図２７下段に示すホイートストンブリッジによる出力電圧ＶＭｚが、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値になることも容易に理解できよう。
【０１６６】
かくして、この力覚センサに対して作用する力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６軸成分の検出値が、単純なホイートストンブリッジからなる検出回路によって出力される。なお、出力値の符号が、正しい軸方向および正しい軸まわりの符号になるようにするには、各ホイートストンブリッジに対して接続される電源４０の極性を、それぞれ適切な向きに設定する必要がある。
【０１６７】
なお、図２６および図２７に示すようなホイートストンブリッジからなる検出回路を組む場合、個々のホイートストンブリッジは電気的に独立したブリッジを構成するようにする必要があるので、回路図に同じ符号で示されているストレインゲージであっても、実際には、電気的に独立した別のストレインゲージにしておく必要がある。たとえば、図２６上段の回路に示されたＧ１，中段の回路に示されたＧ１，図２７下段の回路に示されたＧ１は、いずれも同じ符号で示されているが、実際には、別個独立したストレインゲージである。
【０１６８】
したがって、図２２や図２５に示すストレインゲージＧ１は、実際には、互いに電気的に独立した複数本（別個独立したホイートストンブリッジを構成するのに必要な数）のストレインゲージの束を示していることになる。別言すれば、これまで述べてきたストレインゲージＧ１〜Ｇ１２は、それぞれ異なる配置属性をもった１２種類のストレインゲージを示しており、実際の力覚センサは、この１２種類の属性のいずれかをもつストレインゲージを、図２６および図２７に示すホイートストンブリッジを構成するのに必要な数だけ配置することにより構成される。
【０１６９】
もちろん、力Ｆｚを除く５軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出できれば十分な場合には、検出リング２００の上面に配置されるストレインゲージＧ９〜Ｇ１２は省略することができ、８種類の属性をもつストレインゲージＧ１〜Ｇ８のみを用いて力覚センサを構成することができる。
【０１７０】
なお、図２２に示す例では、ストレインゲージＧ１〜Ｇ４を検出リング２００の内側面に配置しているが、逆に検出リング２００の外側面に配置するようにしてもよい。同様に、図２２に示す例では、ストレインゲージＧ５〜Ｇ８を検出リング２００の下面に配置しているが、逆に検出リング２００の上面に配置するようにしてもよい。内側面と外側面、あるいは、上面と下面では、応力の加わる方向が逆転し、図２３に示すテーブルの「＋」と「−」が逆転するものの、上述したホイートストンブリッジにより、各検出値が得られる点に変わりはない。
【０１７１】
結局、このような５軸成分の検出機能をもった力覚センサの特徴をまとめておくと、次のように言うことができる。まず、基本構造部は、受力リング１００および検出リング２００の双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、受力リング１００が外側、検出リング２００が内側となるように両リングが配置されている。
【０１７２】
そして、検出素子として、検出リング２００の第１〜第４の測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍の表面に、検出リング２００の輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられた複数のストレインゲージＧ１〜Ｇ８が用いられる。ここで、検出リング２００の内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し（図２２の例の場合、内周面が横方向配置面になる）、検出リング２００の上面および下面のいずれか一方を縦方向配置面（図２２の例の場合、下面が縦方向配置面になる）と定義したとき、検出素子は、次の８種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成される。
【０１７３】
(1) 横方向配置面の第１の測定点Ｒ１の近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージＧ１。
【０１７４】
(2) 横方向配置面の第２の測定点Ｒ２の近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージＧ２。
【０１７５】
(3) 横方向配置面の第３の測定点Ｒ３の近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージＧ３。
【０１７６】
(4) 横方向配置面の第４の測定点Ｒ４の近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージＧ４。
【０１７７】
(5) 縦方向配置面の第１の測定点Ｒ１の近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージＧ５。
【０１７８】
(6) 縦方向配置面の第２の測定点Ｒ２の近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージＧ６。
【０１７９】
(7) 縦方向配置面の第３の測定点Ｒ３の近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージＧ７。
【０１８０】
(8) 縦方向配置面の第４の測定点Ｒ４の近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージＧ８。
【０１８１】
そして、検出回路は、図２６上段に示すように、第１属性のストレインゲージＧ１と第４属性のストレインゲージＧ４とを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージＧ２と第３属性のストレインゲージＧ３とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値ＶＦｘを出力し、図２６中段に示すように、第１属性のストレインゲージＧ１と第２属性のストレインゲージＧ２とを第１の対辺とし、第３属性のストレインゲージＧ３と第４属性のストレインゲージＧ４とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値ＶＦｙを出力する。
【０１８２】
一方、図２７上段に示すように、第５属性のストレインゲージＧ５と第６属性のストレインゲージＧ６とを第１の対辺とし、第７属性のストレインゲージＧ７と第８属性のストレインゲージＧ８とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値ＶＭｘを出力し、図２７中段に示すように、第５属性のストレインゲージＧ５と第８属性のストレインゲージＧ８とを第１の対辺とし、第６属性のストレインゲージＧ６と第７属性のストレインゲージＧ７とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値ＶＭｙを出力し、図２７下段に示すように、第１属性のストレインゲージＧ１と第３属性のストレインゲージＧ３とを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージＧ２と第４属性のストレインゲージＧ４とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値ＶＭｚを出力する。
【０１８３】
そして、力Ｆｚを含めた６軸成分を検出する力覚センサを構成する場合には、図２５に示すように、検出リング２００の上面に配置されるストレインゲージＧ９〜Ｇ１２を更に付加すればよい。なお、検出リング２００の上面に配置されるストレインゲージをＧ５〜Ｇ８とし、検出リング２００の下面に配置されるストレインゲージをＧ９〜Ｇ１２として、上面／下面に形成されるストレインゲージの属性の呼び方を変えた場合も、図２６および図２７に示すホイートストンブリッジ回路による検出が可能な点に変わりはない。したがって、検出リング２００の内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し、検出リング２００の上面および下面のいずれか一方を第１縦方向配置面、他方を第２縦方向配置面と定義すれば、検出素子は、以下の１２種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成される。
【０１８４】
(1) 横方向配置面の第１の測定点Ｒ１の近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージＧ１。
【０１８５】
(2) 横方向配置面の第２の測定点Ｒ２の近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージＧ２。
【０１８６】
(3) 横方向配置面の第３の測定点Ｒ３の近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージＧ３。
【０１８７】
(4) 横方向配置面の第４の測定点Ｒ４の近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージＧ４。
【０１８８】
(5) 検出リング２００の第１縦方向配置面の第１の測定点Ｒ１の近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージＧ５。
【０１８９】
(6) 検出リング２００の第１縦方向配置面の第２の測定点Ｒ２の近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージＧ６。
【０１９０】
(7) 検出リング２００の第１縦方向配置面の第３の測定点Ｒ３の近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージＧ７。
【０１９１】
(8) 検出リング２００の第１縦方向配置面の第４の測定点Ｒ４の近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージＧ８。
【０１９２】
(9) 検出リング２００の第２縦方向配置面の第１の測定点Ｒ１の近傍位置に取り付けられた第９属性のストレインゲージＧ９。
【０１９３】
(10) 検出リング２００の第２縦方向配置面の第２の測定点Ｒ２の近傍位置に取り付けられた第１０属性のストレインゲージＧ１０。
【０１９４】
(11) 検出リング２００の第２縦方向配置面の第３の測定点Ｒ３の近傍位置に取り付けられた第１１属性のストレインゲージＧ１１。
【０１９５】
(12) 検出リング２００の第２縦方向配置面の第４の測定点Ｒ４の近傍位置に取り付けられた第１２属性のストレインゲージＧ１２。
【０１９６】
そして、検出回路は、図２６上段に示すように、第１属性のストレインゲージＧ１と第４属性のストレインゲージＧ４とを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージＧ２と第３属性のストレインゲージＧ３とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値ＶＦｘを出力し、図２６中段に示すように、第１属性のストレインゲージＧ１と第２属性のストレインゲージＧ２とを第１の対辺とし、第３属性のストレインゲージＧ３と第４属性のストレインゲージＧ４とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値ＶＦｙを出力し、図２６下段に示すように、第５属性のストレインゲージＧ５と第６属性のストレインゲージＧ６との直列接続辺と、第７属性のストレインゲージＧ７と第８属性のストレインゲージＧ８との直列接続辺と、を第１の対辺とし、第９属性のストレインゲージＧ９と第１０属性のストレインゲージＧ１０との直列接続辺と、第１１属性のストレインゲージＧ１１と第１２属性のストレインゲージＧ１２との直列接続辺と、を第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値ＶＦｚを出力する。
【０１９７】
また、図２７上段に示すように、第５属性のストレインゲージＧ５と第６属性のストレインゲージＧ６とを第１の対辺とし、第７属性のストレインゲージＧ７と第８属性のストレインゲージＧ８とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値ＶＭｘを出力し、図２７中段に示すように、第５属性のストレインゲージＧ５と第８属性のストレインゲージＧ８とを第１の対辺とし、第６属性のストレインゲージＧ６と第７属性のストレインゲージＧ７とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値ＶＭｙを出力し、図２７下段に示すように、第１属性のストレインゲージＧ１と第３属性のストレインゲージＧ３とを第１の対辺とし、第２属性のストレインゲージＧ２と第４属性のストレインゲージＧ４とを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値ＶＭｚを出力する。
【０１９８】
＜＜＜  §５．  実装に適した工夫  ＞＞＞
ここでは、これまで述べてきた力覚センサをロボットや産業機械等に実装する場合に適したいくつかの工夫を述べておく。
【０１９９】
＜５−１．  受力基板＞
図２８は、図１に示す基本構造部に、受力基板６００を付加した形態を示すＸＺ平面における縦断面図である。実際には、この基本構造部に、容量素子やストレインゲージ等の検出素子が付加されることになるが、ここでは、説明の便宜上、基本構造部のみを示すことにする。
【０２００】
受力基板６００は、図示のとおり、受力リング１００および検出リング２００の上方に所定間隔をおいて配置された基板であり、ＸＹ平面に平行な上面を有している。ここで、受力基板６００の下面の一部（図示の例では、外周近傍）は、受力リング１００の上面に接続されている。また、受力基板６００の下面と検出リング２００の上面との間には、所定の空隙部Ｈ３が形成されている。これは、受力基板６００の下面の内側部分が、外側部分に比べて厚みが小さくなっているためである。このような空隙部Ｈ３を設けたため、検出リング２００の変位が受力基板６００によって妨げられることはない。
【０２０１】
これまで述べてきた実施形態は、支持基板３００を固定した状態において、受力リング１００に作用する力やモーメントを検出するものであったが、図２８に示す例では、支持基板３００を固定した状態において、受力基板６００に作用する力やモーメントを検出することになる。別言すれば、受力リング１００には、受力基板６００が受けた力やモーメントが伝達される。
【０２０２】
このように、受力基板６００が設けられた力覚センサは、ロボットアームなどの中継部分に取り付ける場合に実装しやすい。たとえば、受力基板６００の上面にロボットのハンド部を接合し、支持基板３００の下面にロボットのアーム部を接合すれば、この受力センサをロボットの手首に実装することができ、ハンド部に加わる力やモーメントを検出することができる。
【０２０３】
＜５−２．  検出リングの別な固定方法＞
図２９は、図１に示す基本構造部における検出リング２００の固定方法を変えた変形例を示す上面図である。ここでも、実際には、この基本構造部に、容量素子やストレインゲージ等の検出素子が付加されることになるが、説明の便宜上、基本構造部のみを示してある。
【０２０４】
図１に示す基本構造部では、検出リング２００が、固定部材５１０，５２０によって支持基板３００上に固定されていた。ここで、固定部材５１０，５２０は、検出リング２００の下面と支持基板３００の上面とを接続する役割を果たす。これに対して、図２９に示す基本構造部の場合、検出リング２００は、固定部材５１５，５２５によって、固定補助体３５０に固定されている。
【０２０５】
このような固定方法を採るためには、受力リング１００が外側、検出リング２００が内側となるように両リングを配置し、検出リング２００の更に内側に、下面が支持基板３００の上面に固定された固定補助体３５０を設けることが前提となる。図１４や図２１に示した力覚センサは、このような前提の基本構造部を備えている。受力リング１００と検出リング２００が、Ｘ軸に沿った接続部材４１０，４２０によって接続される点は、図１４や図２１に示した力覚センサと同じであるが、図２９に示す力覚センサの場合、検出リング２００を支持基板３００上に固定するために、固定部材５１５，５２５が、検出リング２００の内周面と固定補助体３５０の外周面とを接続することになる。
【０２０６】
固定部材５１５，５２５が、Ｙ軸に沿って配置されているため、検出リング２００上に定義される固定点Ｐ１，Ｐ２の位置や、作用点Ｑ１，Ｑ２の位置は、これまで述べてきた実施形態と変わりはない。したがって、これまでとは異なる固定方法を採用しているものの、力覚センサとしての基本動作は、これまで述べた実施形態と同じである。検出リング２００は、固定部材５１５，５２５および固定補助体３５０を介して、支持基板３００に対して固定されることになる。支持基板３００の上面に対して接合される部材は、固定補助体３５０のみとなるため、これまで述べてきた実施形態と比べて、組立工程が若干簡略化されることになる。特に、固定補助体３５０と支持基板３００とを最終段階で接合して、この力覚センサを実装するような環境では、実装が容易になる。
【０２０７】
＜５−３．  変位の制御構造（その１）＞
図３０は、図１に示す基本構造部に、変位制御構造を付加した例を示す上面図であり、図３１は、この例をＸＺ平面で切断した縦断面図である。図３１に示すとおり、受力リング１００の左右両端付近には、上下に貫通する貫通孔１０５，１０７が形成されており、受力リング１００の上面の貫通孔１０５，１０７の位置には、貫通孔１０５，１０７よりも径の大きな溝部１０１，１０３が形成されている。
【０２０８】
そして、この貫通孔１０５，１０７を挿通するように、変位制御ネジ１１１，１１３が嵌め込まれている。この変位制御ネジ１１１，１１３は、先端部が支持基板３００の上面に形成されたネジ穴に固定されており、頭部が溝部１０１，１０３に収容された状態になっている。しかも、変位制御ネジ１１１と貫通孔１０５の内面および溝部１０１の内面との間には空隙部が形成されており、変位制御ネジ１１３と貫通孔１０７の内面および溝部１０３の内面との間にも空隙部が形成されている。
【０２０９】
図３１は、ＸＺ断面図であるため、２本の変位制御ネジ１１１，１１３およびその周囲の構造しか現れていないが、実際には、図３０の上面図に示すとおり、４本の変位制御ネジ１１１，１１２，１１３，１１４が所定箇所（この例の場合、Ｘ軸正および負ならびにＹ軸正および負の合計４箇所）に配置されており、その周囲の構造はいずれも同じである。４本の変位制御ネジ１１１，１１２，１１３，１１４の頭部は、それぞれ溝部１０１，１０２，１０３，１０４に収容されているが、両者間には空隙部が形成されている。これは、各変位制御ネジ１１１〜１１４が、受力リング１００を固定する機能を果たしているわけではないことを意味する。
【０２１０】
各変位制御ネジ１１１〜１１４は、その先端部が支持基板３００の上面に形成されたネジ穴に固定されているため、変位制御ネジ自身は、支持基板３００に対して垂直に立った状態で固定されていることになる。一方、受力リング１００は、変位制御ネジ１１１〜１１４で固定されているわけではないので、力もしくはモーメントが作用すると変位を生じることになる。但し、変位量が大きくなると、変位制御ネジ１１１〜１１４と貫通孔１０５〜１０８の内面もしくは溝部１０１〜１０４の内面とが接触して、受力リング１００の変位が制限される。
【０２１１】
ここで、受力リング１００に所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、変位制御ネジ１１１〜１１４によって受力リング１００の変位が制限されるように、空隙部の寸法を設定しておけば、受力リング１００が過度に変位することを制限することができる。このように受力リング１００の変位を制限する制御構造を設けておけば、過度の力やモーメントが作用した場合にも、基本構造部が機械的な損傷を受けることを防止することができる。特に、検出リング２００は、可撓性を有した部材であり、所定の許容範囲内の力の作用に対しては弾性変形を生じるが、許容範囲を超える力が作用した場合、損傷する可能性がある。したがって、実用上は、ここに示す例のように、何らかの変位制御構造を設けておくのが好ましい。
【０２１２】
＜５−４．  変位の制御構造（その２）＞
ここでは、受力リング１００の過度の変位を制御する別な構造例を説明する。ここに示す例は、受力リング１００の上方に配置された受力基板６００利用して、変位の制御構造を実現した例である。すなわち、ここで述べる例は、§３で述べた容量素子を用いた実施形態を、より実装に適した形に改良した力覚センサの例であり、基本的な構造は、図２１に示す力覚センサと全く同じである。
【０２１３】
図３２は、この力覚センサの上面図、図３３は、この力覚センサをＸＺ平面で切断した縦断面図、図３４は、この力覚センサをＶＺ平面で切断した縦断面図である。ここで、Ｖ軸およびＷ軸は、図２１に示す実施形態で定義したものと同じものであり、ＸＹ平面に含まれ、Ｘ軸やＹ軸に対して４５°傾斜した座標軸である。
【０２１４】
図３２に示すように、この力覚センサの上部は円盤状の受力基板６００Ａによって覆われている。図３２に描かれた破線は、受力リング１００Ａの位置を示すものである。図示のとおり、受力基板６００ＡのＸ軸およびＹ軸の上方に位置する４箇所には、円形の溝部６０１，６０３，６０５，６０７が形成されており、これらの中心位置には貫通孔が形成され、固定ネジ６１１，６１３，６１５，６１７が挿通している。この固定ネジ６１１，６１３，６１５，６１７は、受力基板６００Ａを受力リング１００Ａに固定する役割を果たす。
【０２１５】
図３３には、固定ネジ６１１，６１５が、受力リング１００Ａの上面に形成されたネジ穴に固定されている状態が明瞭に示されている。固定ネジ６１１，６１５の頭部は、溝部６０１，６０５内に収容されている。固定ネジ６１３，６１７の固定状態も同様である。なお、支持基板３００Ａの下面における固定ネジ６１１，６１３，６１５，６１７の真下の位置には、それぞれネジ孔３０１，３０３，３０５，３０７が形成されている。これらのネジ孔は、支持基板３００Ａを、その下方の物体（たとえば、ロボットのアーム部）に固定する役割を果たす。
【０２１６】
一方、図３２に示すとおり、受力基板６００ＡのＶ軸およびＷ軸の上方に位置する４箇所には、円形の貫通孔６０２，６０４，６０６，６０８が形成されており、その内部には、円筒状のスペーサ６２２，６２４，６２６，６２８が嵌め込まれ、更にその内部には、固定ネジ６１２，６１４，６１６，６１８が挿通している。この固定ネジ６１２，６１４，６１６，６１８は、受力リング１００Ａを、受力基板６００Ａの上方の物体（たとえば、ロボットのハンド部）に固定する役割を果たす。
【０２１７】
図３４には、固定ネジ６１２，６１６およびその周囲の構造が明瞭に示されている。固定ネジ６１２の頭部は、受力リング１００Ａの下面に形成された溝部１２１内に収容されており、その先端部は、受力リング１００Ａに形成された貫通孔および受力基板６００Ａに形成された貫通孔６０２を通って上方へと突き出している。この固定ネジ６１２と貫通孔６０２の内壁面との間には、円筒状のスペーサ６２２が嵌められている。同様に、固定ネジ６１６の頭部は、受力リング１００Ａの下面に形成された溝部１２６内に収容されており、その先端部は、受力リング１００Ａに形成された貫通孔および受力基板６００Ａに形成された貫通孔６０６を通って上方へと突き出している。この固定ネジ６１６と貫通孔６０６の内壁面との間には、円筒状のスペーサ６２６が嵌められている。固定ネジ６１４，６１８の周囲の構造も同様である。
【０２１８】
受力基板６００Ａの上方の物体（たとえば、ロボットのハンド部）の下面に、固定ネジ６１２，６１４，６１６，６１８の先端部に螺合するネジ孔を形成しておけば、当該物体は、これら固定ネジによって、スペーサ６２２，６２４，６２６，６２８の上端位置にしっかりと固定される。
【０２１９】
図３３および図３４に示されているように、受力基板６００Ａの下面外周部には、受力リング１００Ａおよび検出リング２００Ａを包摂する包摂筒状体６５０（この例の場合、円筒状の物体）が接続されている（図示の例の場合、受力基板６００Ａと包摂筒状体６５０とは一体の構造体となっている）。しかも、包摂筒状体６５０の下端部と支持基板３００Ａの外周部との間には空隙部Ｈ４，Ｈ５が形成されている。すなわち、この例の場合、支持基板３００Ａの周縁部には段差部が設けられており、包摂筒状体６５０の下端面と段差部との間には空隙部Ｈ４が形成されている。また、包摂筒状体６５０の内壁面と支持基板３００Ａの段差内側の周縁部との間には空隙部Ｈ５が形成されている。
【０２２０】
ここで、空隙部Ｈ４，Ｈ５の寸法は、受力基板６００Ａに所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、包摂筒状体６５０の下端部と支持基板３００Ａの外周部とが接触して、受力基板６００Ａの変位が制限されるように設定されている。したがって、この力覚センサの場合も、過度の力やモーメントが作用した場合にも、基本構造部が機械的な損傷を受けることを防止することができる。
【０２２１】
なお、この力覚センサでは、検出回路を構成する電子部品を実装した検出回路基板３８０が、支持基板３００Ａの上面に設けられている。図示の例では、検出回路基板３８０は、固定補助体３５０Ａの周囲を取り囲むようなワッシャ状の回路基板であり、図３４に示すとおり、固定電極Ｅ１５，Ｅ１６，Ｅ１７，Ｅ１８は、この検出回路基板３８０の上面に配置される。なお、図では、検出回路基板３８０上に実装される電子部品は省略されているが、これらの電子部品は、たとえば、図１８に示すような回路を構成する部品になる。これらの電子部品と、共通変位電極Ｅ０（すなわち、検出リング２００Ａ）および各固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８との間には配線が施される。
【０２２２】
このように、検出回路基板３８０を支持基板３００Ａの上面に設け、検出回路の部品を実装すれば、力覚センサとして必要な構成要素をすべて内部に組み込むことができる。したがって、装置全体の省スペース化、薄型化を図ることができる。
【０２２３】
＜＜＜  §６．  ダイアフラム部を形成する実施形態  ＞＞＞
これまで述べてきた実施形態では、検出リング２００として、全体が可撓性を有する円環状のリングを用いていたが、本発明に用いる検出リング２００は、必ずしも全体が可撓性を有する必要はなく、少なくとも一部に弾性変形が生じるリングであれば足りる。ここでは、検出リング２００の一部分にダイアフラム部を形成し、このダイアフラム部に弾性変形の役割を課した実施形態を説明する。
【０２２４】
図３５は、検出リングにダイアフラム部を形成した実施形態の基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＸＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。ここでも、Ｖ軸およびＷ軸は、これまで述べた実施形態で定義したものと同じものであり、ＸＹ平面に含まれ、Ｘ軸やＹ軸に対して４５°傾斜した座標軸である。
【０２２５】
ここに示す基本構造部は、受力リング１００Ｂの内側に検出リング２００Ｂを配置し、更にその内側に固定補助体３５０Ｂを配置し、これらの下方に支持基板３００Ｂを配置した構成を有する。受力リング１００Ｂと検出リング２００Ｂとの間には空隙部Ｈ６が確保され、検出リング２００Ｂと固定補助体３５０Ｂとの間には空隙部Ｈ７が確保されている。そして、受力リング１００Ｂと検出リング２００Ｂは、支持基板３００Ｂに対して上方に浮いた位置に支持されているため、検出リング２００Ｂは、所定の許容範囲内で変形および変位することができる。
【０２２６】
受力リング１００Ｂおよび検出リング２００Ｂは、いずれも円環状のリングであり、ＸＹ平面上にＺ軸を中心軸として配置されている。また、支持基板３００Ｂは、ＸＹ平面に平行な上面をもち、受力リング１００Ｂおよび検出リング２００Ｂの下方に所定間隔をおいて配置されている。そして、固定補助体３５０Ｂは、Ｚ軸を中心軸として配置された円柱状の構造体であり、その下面は支持基板３００Ｂの上面に接合されている。このような特徴は、図８に示す基本構造部と共通するものである。
【０２２７】
ただ、ここに示す実施形態の場合、検出リング２００Ｂは幾何学的に完全な円環ではなく、図３５上段の横断面図に示すとおり、一部分に４組のダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４が設けられている。そして、受力リング１００Ｂと検出リング２００Ｂとを接続する４本の接続部材４３１〜４３４は、Ｘ軸もしくはＹ軸を中心軸とする円柱状の部材であり、その内側端は各ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４の中心位置に接続されている。したがって、各ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４の中心位置は、それぞれ作用点Ｑ１１〜Ｑ１４として機能する。実用上は、受力リング１００Ｂ、検出リング２００Ｂ、接続部材４３１〜４３４は、金属などの同一材料で一体の構造体として製造することができる。
【０２２８】
一方、検出リング２００ＢのＶ軸およびＷ軸上には、図示のとおり固定点Ｐ１１〜Ｐ１４が定義されている。そして、検出リング２００Ｂの固定点Ｐ１１〜Ｐ１４の位置は、固定部材５３１〜５３４によって支持基板３００Ｂの上面に固定されている。図３５において、破線で描かれている固定部材５３１〜５３４は、検出リング２００Ｂの固定点Ｐ１１〜Ｐ１４の位置の下面に配置されている。図３６は、図３５に示す基本構造部をＶＺ平面で切断した縦断面図である。この図には、検出リング２００Ｂの固定点Ｐ１１近傍の下面が固定部材５３１によって支持基板３００Ｂの上面に固定され、検出リング２００Ｂの固定点Ｐ１３近傍の下面が固定部材５３３によって支持基板３００Ｂの上面に固定されている状態が明瞭に示されている。
【０２２９】
結局、図３５上段の横断面図に示すとおり、検出リング２００Ｂは、４箇所の固定点Ｐ１１〜Ｐ１４の位置で支持基板３００Ｂに固定された状態において、４箇所の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４の位置に力を受けることになる。ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４は、検出リング２００Ｂに形成された、他の部分に比べて肉厚の薄い部分であり、可撓性を有している。したがって、受力リング１００Ｂから４本の接続部材４３１〜４３４を介して各作用点Ｑ１１〜Ｑ１４に力が作用すると、専ら、ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４に弾性変形が生じることになる。もちろん、検出リング２００Ｂの各部を同一材料で構成した場合、厳密に言えば、ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４以外の部分も多少の弾性変形を生じることになるが、実質的には、ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４に弾性変形が集中する。
【０２３０】
そこで、ここに示す実施形態では、このダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４に生じた弾性変形を、検出素子によって電気的に検出することになる。具体的には、§３で述べた実施形態と同様に、容量素子を用いてダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４に生じた変位を測定し、その結果に基づいて、弾性変形の態様を認識する方法を採る。後述するように、支持基板３００Ｂを固定した状態において、受力リング１００Ｂに各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚが作用したときのダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４の変形態様はそれぞれ異なるので、ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４に生じた変位を測定することにより、６軸成分をそれぞれ独立して検出することが可能になる。
【０２３１】
図３７は、図３５に示す基本構造部に容量素子を付加することにより構成された力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図である。この力覚センサでは、合計４０枚の電極を設けて、合計２０組の容量素子を構成している。ここでは、便宜上、互いに近傍に配置される５枚の電極を１つの電極群として、合計８組の電極群を構成して説明する。図３７において、符号Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０で示されている電極群は、それぞれが５枚の変位電極から構成される変位電極群であり、検出リング２００Ｂの内周面の各ダイアフラム部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の位置に配置されている。これに対して、符号Ｕ１０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０で示されている電極群は、それぞれが５枚の固定電極から構成される固定電極群であり、固定補助体３５０Ｂの外周面のそれぞれ変位電極群Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０に対向する位置に配置されている。
【０２３２】
図３７では、これら８組の電極群（４０枚の電極）を詳細に示すことは困難なので、各電極の形状および配置を図３８のテーブルに示す。このテーブルにおいて、Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０なる表題が付された欄には、図３７に示す変位電極群Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０の平面図が示されており、Ｕ１０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０なる表題が付された欄には、図３７に示す固定電極群Ｕ１０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０の平面図が示されている。各平面図は、それぞれ図３７に示す視点ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４の位置から各電極群を見た状態を示している。ＸＹＺ座標系に対する位置関係を明確にするために、各平面図には、それぞれＸ，Ｙ，Ｚ軸の方向を示してある。いずれの平面図においても、Ｚ軸が上方になる。なお、固定電極群Ｕ１０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０の平面図における破線は、対向する変位電極群Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０に所属する変位電極の投影像（Ｘ軸もしくはＹ軸方向への投影像）を示している。
【０２３３】
たとえば、図３８の「Ｔ１０」欄には、変位電極群Ｔ１０に所属する５枚の変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５の平面図が示されている。この平面図は、図３７に示す視点ｅ１の位置からＸ軸正方向を観察したときに得られるものである。変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５は、いずれも検出リング２００Ｂの内周面のダイアフラム部Ｄ１の部分に配置されている。したがって、実際には、各電極は曲面上に形成されていることになるが、図３８では、説明の便宜上、平面上に配置した図として示す。変位電極Ｔ１１〜Ｔ１４は同じサイズの台形をした電極であり、変位電極Ｔ１５は正方形の電極である。変位電極Ｔ１５は、中心点がＸ軸上にくるように配置されており、変位電極Ｔ１１〜Ｔ１４は、その周囲を取り囲むように配置されている。図示の平面図において、この変位電極群Ｔ１０は、Ｙ軸に関しても、Ｚ軸に関しても、対称性を有している。
【０２３４】
一方、図３８の「Ｕ１０」欄には、固定電極群Ｕ１０に所属する５枚の固定電極Ｕ１１〜Ｕ１５の平面図が示されている。この平面図は、図３７に示す視点ｅ１の位置からＸ軸負方向を観察したときに得られるものである。固定電極Ｕ１１〜Ｕ１５は、それぞれ変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５に対向する位置に配置されている。図示の平面図において、この固定電極群Ｕ１０は、Ｙ軸に関しても、Ｚ軸に関しても、対称性を有している。上述したとおり、図における破線は、対向する変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５の投影像（Ｘ軸方向への投影像）を示している。
【０２３５】
５枚の変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５と５枚の固定電極Ｕ１１〜Ｕ１５とは、それぞれ対向しているため、５組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５が形成される。しかも、図３８の「Ｕ１０」欄に示すとおり、実線で示す固定電極Ｕ１１〜Ｕ１５は、それぞれ破線で示す変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５の投影像に含まれている。これは、各対向電極が、図１５に示す電極Ｅａ，Ｅｂの関係にあることを意味している。すなわち、容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５は、一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、当該他方の電極の内部に包含される、という条件を満たす容量素子になっており、ダイアフラム部Ｄ１の変位が所定の許容範囲内である限り、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５の有効対向面積は一定に維持される。
【０２３６】
図３８の「Ｔ２０」，「Ｔ３０」，「Ｔ４０」の各欄に示された変位電極群および「Ｕ２０」，「Ｕ３０」，「Ｕ４０」の各欄に示された固定電極群についても全く同様である。結局、変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５と固定電極Ｕ１１〜Ｕ１５とにより容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５が形成され（以下、容量素子群Ｃ１０と呼ぶ）、変位電極Ｔ２１〜Ｔ２５と固定電極Ｕ２１〜Ｕ２５とにより容量素子Ｃ２１〜Ｃ２５が形成され（以下、容量素子群Ｃ２０と呼ぶ）、変位電極Ｔ３１〜Ｔ３５と固定電極Ｕ３１〜Ｕ３５とにより容量素子Ｃ３１〜Ｃ３５が形成され（以下、容量素子群Ｃ３０と呼ぶ）、変位電極Ｔ４１〜Ｔ４５と固定電極Ｕ４１〜Ｕ４５とにより容量素子Ｃ４１〜Ｃ４５が形成される（以下、容量素子群Ｃ４０と呼ぶ）。ここで、容量素子群Ｃ１０，Ｃ２０，Ｃ３０，Ｃ４０は、それぞれダイアフラム部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の変位（弾性変形）を検出する検出素子としての役割を果たす。
【０２３７】
続いて、この力覚センサにおいて、支持基板３００Ｂを固定した状態において、受力リング１００Ｂに各座標軸方向の力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚが作用したとき、容量素子群Ｃ１０，Ｃ２０，Ｃ３０，Ｃ４０の静電容量値にどのような変化が生じるかを検討する。図３９は、図３７に示す力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値の変化を示すテーブルである。このテーブルで「＋」は静電容量値が増加することを示し、「−」は静電容量値が減少することを示し、「０」は静電容量値が変動しないことを示している。このような結果が得られることは、検出リング２００Ｂの具体的な変形態様を考えれば理解できよう。
【０２３８】
たとえば、図３７において、受力リング１００Ｂに対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、ダイアフラムＤ１は右方向へ引っ張られ、ダイアフラムＤ３は右方向へ押し出される。その結果、容量素子群Ｃ１０の電極間距離は広がり静電容量値は減少し、容量素子群Ｃ３０の電極間距離は狭まり静電容量値は増加する。このとき、容量素子群Ｃ２０，Ｃ４０については、Ｘ軸方向へのずれが生じるものの、電極間距離や有効対向面積に実質的な変化は生じないため、静電容量値は変化しない。図３９のテーブルの＋Ｆｘの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合は、図３９のテーブルの＋Ｆｙの行に示す結果が得られる。
【０２３９】
次に、受力リング１００Ｂに対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した場合を考える。図４０は、力＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。説明の便宜上、必要な構成要素のみを抽出し、各部をデフォルメして示してある。したがって、個々の部分の形状は、実際の変形態様を正確に示すものではない。図示のとおり、受力リング１００Ｂが上方に移動すると、接続部材４３１，４３３を介して、ダイアフラム部Ｄ１，Ｄ３の中央部分に対して上方向への力が伝達される。その結果、ダイアフラム部Ｄ１，Ｄ３は図示のように傾斜する。図では、ダイアフラム部Ｄ１，Ｄ３を平板として描いているが、実際には、ねじれを生じた複雑な形状をなす。ただ、固定補助体３５０Ｂの外周面との距離の変動を考えると、図示のとおり、上部における距離ｄ（up）は小さくなり、下部における距離ｄ（down）は大きくなる。
【０２４０】
その結果、図３８に示すテーブルにおいて、上部に配置された電極対からなる容量素子Ｃ１３，Ｃ２３，Ｃ３３，Ｃ４３の静電容量値は増加し、下部に配置された電極対からなる容量素子Ｃ１４，Ｃ２４，Ｃ３４，Ｃ４４の静電容量値は減少する。一方、中央や左右に配置された電極対の距離は、上半分は小さくなるが、下半分は大きくなるので、両者で相殺され、これらの電極対からなる容量素子の静電容量値は変化しない。図３９のテーブルの＋Ｆｚの行は、このような結果を示している。
【０２４１】
続いて、受力リング１００Ｂに対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用した場合を考える。この場合、図３７において、受力リング１００Ｂの左端はＺ軸正方向（紙面から持ち上げる方向）に移動するため、ダイアフラム部Ｄ３は、図４０と同様に傾斜し、上部における距離ｄ（up）は小さくなり、下部における距離ｄ（down）は大きくなる。したがって、容量素子Ｃ３３の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ３４の静電容量値は減少する。一方、受力リング１００Ｂの右端はＺ軸負方向（紙面の裏側へ向かう方向）に移動するため、ダイアフラム部Ｄ１は、図４０とは逆の方向に傾斜し、上部における距離ｄ（up）は大きくなり、下部における距離ｄ（down）は小さくなる。したがって、容量素子Ｃ１３の静電容量値は減少し、容量素子Ｃ１４の静電容量値は増加する。他の容量素子の静電容量値は変化しない。図３９のテーブルの＋Ｍｙの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、図３９のテーブルの＋Ｍｘの行に示す結果が得られる。
【０２４２】
最後に、受力リング１００Ｂに対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用した場合を考える。図４１は、モーメント＋Ｍｚが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図である。この図でも、説明の便宜上、必要な構成要素のみを抽出し、各部をデフォルメして示してある。したがって、個々の部分の形状は、実際の変形態様を正確に示すものではない。図示のとおり、モーメント＋Ｍｚが作用すると、受力リング１００Ｂは反時計回りに回転するため、ダイアフラム部Ｄ１は図示のように傾斜する。ここでも、ダイアフラム部Ｄ１を平板として描いているが、実際には、ねじれを生じた複雑な形状をなす。ただ、固定補助体３５０Ｂの外周面との距離の変動を考えると、図示のとおり、視点ｅ１から見たときの左側（図４１では上側）における距離ｄ（left）は小さくなり、右側（図４１では下側）における距離ｄ（right）は大きくなる。その結果、容量素子Ｃ１１の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ１２の静電容量値は減少する。同様の理由により、容量素子Ｃ２１，Ｃ３２，Ｃ４２の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ４１の静電容量値は減少する。他の容量素子の静電容量値は変化しない。図３９のテーブルの＋Ｍｚの行は、このような結果を示している。
【０２４３】
なお、図３９のテーブルは、正方向の力および正まわりのモーメントが作用した場合の結果を示しているが、負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、「＋」と「−」が逆転した結果が得られることになる。結局、２０組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値の変化パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら静電容量の測定値に基づく所定の演算を施せば、６軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。
【０２４４】
図４２は、図３７に示す力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを求める具体的な演算式を示す図である。この式におけるＣ１１〜Ｃ４５は、それぞれ同じ符号で示す容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値を示している。このような演算式によって、個々の検出値が得られる理由は、図３９に示すテーブルを参照すれば理解できる。たとえば、Ｆｘに関する第１の式は、図３９のテーブルの＋Ｆｘの行において「＋」が記された５組の容量素子の容量値の総和と、「−」が記された５組の容量素子の容量値の総和と、の差分を示している。第２の式および第３の式は、５組の容量素子のうちの４組もしくは１組のみを用いた場合の式である。他の検出値についても同様である。
【０２４５】
また、負方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚおよび負まわりのモーメント−Ｍｘ，−Ｍｙ，−Ｍｚが作用した場合は、図３９のテーブルにおける「＋」と「−」とが逆転するので、図４２に示す演算式をそのまま利用すれば、各検出値を負の値として得ることができる。この図４２に示す６軸成分の演算式は、他軸成分の干渉を受けないので、６軸成分についての各検出値を独立して得ることができる。また、この演算式によれば、いずれも差分をとる演算が行われるため、温度環境の変化により基本構造部が膨張もしくは収縮し、対向電極間距離が変動する誤差が生じたとしても、生じた誤差を相互にキャンセルすることができるので、外乱成分を含まない正確な検出結果を得ることができる。
【０２４６】
ここでは、この図４２に示す演算式に基づいて、６軸成分の検出値を出力する検出回路の例示は省略するが、図１８に示した回路図に準じた検出回路を構成することが可能である。もちろん、複数の容量素子を並列接続すれば、加算演算を行うための演算器を省略することができるし、Ａ／Ｄ変換器により静電容量値Ｃ１１〜Ｃ４５をそれぞれデジタル値として取り込めば、デジタル演算の結果として、各検出値をデジタル値として出力することもできる。
【０２４７】
また、図３７に示す力覚センサの構造は、一例を示すものであり、細かな構造部分の仕様は、設計上、適宜変更可能である。たとえば、図３７に示す力覚センサのダイアフラム部Ｄ１は、図４３(a) に示すように（Ｘ軸正方向から原点Ｏ方向を観察した図）、輪郭が矩形状をなし、その中心位置に接続部材４３１（断面が示されている）が接合されている。このような形状をしたダイアフラム部Ｄ１は、検出リング２００Ｂの一部を切削加工することにより形成することができ、比較的製造プロセスは簡単である。ただ、ダイアフラム部の形状は、必ずしも矩形状に限定されるものではない。
【０２４８】
図４３(b) に示す例（こちらも、Ｘ軸正方向から原点Ｏ方向を観察した図）は、輪郭が円形のダイアフラム部Ｄ１′を形成した例である。ダイアフラム部Ｄ１′の中心位置に接続部材４３１が接合されている点は同じであるが、ダイアフラム部Ｄ１′は、検出リング２００Ｂに円形の溝を掘ることにより形成され、その周囲全体が、検出リング２００Ｂの肉厚部分によって囲まれている。
【０２４９】
一方、図４４は、図３７に示す力覚センサの電極群の変形例を示す平面図である（ハッチングは、各電極の形状を明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない）。図３７に示す力覚センサでは、図３８の平面図に示すとおり、１枚の正方形の電極と４枚の台形状の電極との５枚の電極により、１組の電極群が構成されていたが、各電極群を構成する電極の数、形状、配置は、図３８に示す例に限定されるものではない。図４４(a) は、４枚の二等辺三角形からなる電極により、１組の電極群を構成した例である。また、図４４(b) は、１枚の正方形の電極と４枚のＬ字状の電極との５枚の電極により、１組の電極群を構成した例である。更に、図４４(c) は、４枚の正方形の電極により、１組の電極群を構成した例である。もちろん、この他にも様々な電極構成が考えられる。
【０２５０】
ここでは、この図４４に変形例として示す電極構成を採用した場合の６軸成分の検出方法についての詳細な説明は省略するが、いずれの場合も、図３９に準じたテーブルを作成することができ、このテーブルに基づいて、図４２に準じた演算式を定義することができる。
【０２５１】
最後に、この§６で述べた実施形態の特徴をまとめておく。まず第１に、図３５に示すとおり、検出リング２００Ｂの輪郭に沿った環状路に、４個の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４と４個の固定点Ｐ１１〜Ｐ１４とが交互に配置されており、検出リング２００Ｂの４個の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４の近傍部分は、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４を構成している。そして、４個の接続部材４３１〜４３４が、作用点Ｑ１１〜Ｑ１４の位置において各ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４に接続されており、４個の固定部材５３１〜５３４が、固定点Ｐ１〜Ｐ４の位置において、検出リング２００Ｂの下面に接続されている。
【０２５２】
もっとも、作用点および固定点の数は、必ずしも４個に限定されるものではなく、任意の複数ｎ個に設定することが可能である。要するに、検出リング２００Ｂの輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個の作用点Ｑ１１〜Ｑ１ｎと複数ｎ個の固定点Ｐ１１〜Ｐ１ｎが交互に配置されるようにし、検出リング２００Ｂのｎ個の作用点Ｑ１１〜Ｑ１ｎの近傍部分は、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部Ｄ１〜Ｄｎを構成し、ｎ個の接続部材が各ダイアフラム部に接続されており、ｎ個の固定部材が各固定点Ｐ１１〜Ｐ１ｎを支持基板３００Ｂに固定するようにすればよい。そして、このような構造をもった基本構造部に対して、各ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄｎの弾性変形を電気的に検出する検出素子を付加すればよい
【０２５３】
ただ、実用上は、上述した実施形態のように、検出リング２００Ｂの輪郭に沿った環状路に、第１の作用点Ｑ１１、第１の固定点Ｐ１１、第２の作用点Ｑ１２、第２の固定点Ｐ１２、第３の作用点Ｑ１３、第３の固定点Ｐ１３、第４の作用点Ｑ１４、第４の固定点Ｐ１４の順に、４個の作用点および４個の固定点を配置し、検出リング２００Ｂの第１の作用点Ｑ１１の近傍部分に第１のダイアフラム部Ｄ１を構成し、第２の作用点Ｑ１２の近傍部分に第２のダイアフラム部Ｄ２を構成し、第３の作用点Ｑ１３の近傍部分に第３のダイアフラム部Ｄ３を構成し、第４の作用点Ｑ１４の近傍部分に第４のダイアフラム部Ｄ４を構成し、検出素子より、これら第１〜第４のダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４の弾性変形を電気的に検出するようにすれば、非常に効率的な検出が可能になる。
【０２５４】
特に、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６軸成分を独立して検出可能な力覚センサを実現するには、上述した実施形態の構成を採るのが最も効率的である。具体的には、作用点に関しては、第１の作用点Ｑ１１がＸ軸正領域に、第２の作用点Ｑ１２がＹ軸正領域に、第３の作用点Ｑ１３がＸ軸負領域に、第４の作用点Ｑ１４がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、第１のダイアフラム部Ｄ１がＸ軸正領域に位置し、第２のダイアフラム部Ｄ２がＹ軸正領域に位置し、第３のダイアフラム部Ｄ３がＸ軸負領域に位置し、第４のダイアフラム部Ｄ４がＹ軸負領域に位置するようにする。
【０２５５】
そして、Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材４３１により、第１のダイアフラム部Ｄ１が受力リング１００Ｂに接続され、Ｙ軸正領域に沿って伸びる第２の接続部材４３２により、第２のダイアフラム部Ｄ２が受力リング１００Ｂに接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第３の接続部材４３３により、第３のダイアフラム部Ｄ３が受力リング１００Ｂに接続され、Ｙ軸負領域に沿って伸びる第４の接続部材４３４により、第４のダイアフラム部Ｄ４が受力リング１００Ｂに接続されているようにする。
【０２５６】
一方、固定点に関しては、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の固定点Ｐ１１がＶ軸正領域に、第２の固定点Ｐ１２がＷ軸正領域に、第３の固定点Ｐ１３がＶ軸負領域に、第４の固定点Ｐ１４がＷ軸負領域に、それぞれ配置されているようにし、各固定点の位置において、検出リング２００Ｂが支持基板３００Ｂに対して固定されるようにすればよい。
【０２５７】
ここで、各ダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４の弾性変形を電気的に検出するには、容量素子などを利用して各部の変位を測定する方法を採ってもよいし、ストレインゲージなどを利用して各部に生じる機械的な歪みを測定する方法を採ってもよい。図３７に示す力覚センサは、前者の方法を採用するものであり、容量素子を用いた効率的な変位測定を行うことができるように、次のような工夫を施している。
【０２５８】
まず、受力リング１００Ｂおよび検出リング２００Ｂの双方を、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングとし、受力リング１００Ｂが外側、検出リング２００Ｂが内側となるように両リングを配置している。そして、固定電極を支持するために、検出リング２００Ｂの更に内側に、下面が支持基板３００Ｂの上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体３５０Ｂを設けている。
【０２５９】
そして、検出素子は、次の４組の容量素子群によって構成される。
【０２６０】
(1) 検出リング２００Ｂの内周面の第１のダイアフラムＤ１の部分に配置された複数の変位電極Ｔ１１〜Ｔ１５からなる第１変位電極群Ｔ１０と、固定補助体３５０Ｂの外周面の第１変位電極群Ｔ１０の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極Ｕ１１〜Ｕ１５からなる第１固定電極群Ｕ１０と、によって構成される複数の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５からなる第１容量素子群Ｃ１０。
【０２６１】
(2) 検出リング２００Ｂの内周面の第２のダイアフラムＤ２の部分に配置された複数の変位電極Ｔ２１〜Ｔ２５からなる第２変位電極群Ｔ２０と、固定補助体３５０Ｂの外周面の第２変位電極群Ｔ２０の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極Ｕ２１〜Ｕ２５からなる第２固定電極群Ｕ２０と、によって構成される複数の容量素子Ｃ２１〜Ｃ２５からなる第２容量素子群Ｃ２０。
【０２６２】
(3) 検出リング２００Ｂの内周面の第３のダイアフラムＤ１の部分に配置された複数の変位電極Ｔ３１〜Ｔ３５からなる第３変位電極群Ｔ３０と、固定補助体３５０Ｂの外周面の第３変位電極群Ｔ３０の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極Ｕ３１〜Ｕ３５からなる第３固定電極群Ｕ３０と、によって構成される複数の容量素子Ｃ３１〜Ｃ３５からなる第３容量素子群Ｃ３０。
【０２６３】
(4) 検出リング２００Ｂの内周面の第４のダイアフラムＤ４の部分に配置された複数の変位電極Ｔ４１〜Ｔ４５からなる第４変位電極群Ｔ４０と、固定補助体３５０Ｂの外周面の第４変位電極群Ｔ４０の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極Ｕ４１〜Ｕ４５からなる第４固定電極群Ｕ４０と、によって構成される複数の容量素子Ｃ４１〜Ｃ４５からなる第４容量素子群Ｃ４０。
【０２６４】
ここで、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、当該他方の電極の内部に包含される関係にある。そして、検出回路により、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値に基づいて、所定の検出値の出力が行われる。
【０２６５】
各容量素子群のメンバーとなる個々の容量素子の電極の数、形状、配置パターンには、図４４に例示するとおり、様々なバリエーションが考えられるが、図３８に示す実施形態を採る力覚センサの場合、各容量素子群の構成は次のようになる。
【０２６６】
(1) 第１容量素子群Ｃ１０は、Ｘ軸上に配置された第１群の軸上容量素子Ｃ１５と、第１群の軸上容量素子Ｃ１５に対してＹ軸正方向に隣接配置された第１群の第１容量素子Ｃ１１と、第１群の軸上容量素子Ｃ１５に対してＹ軸負方向に隣接配置された第１群の第２容量素子Ｃ１２と、第１群の軸上容量素子Ｃ１５に対してＺ軸正方向に隣接配置された第１群の第３容量素子Ｃ１３と、第１群の軸上容量素子Ｃ１５に対してＺ軸負方向に隣接配置された第１群の第４容量素子Ｃ１４と、を有する。
【０２６７】
(2) 第２容量素子群Ｃ２０は、Ｙ軸上に配置された第２群の軸上容量素子Ｃ２５と、第２群の軸上容量素子Ｃ２５に対してＸ軸正方向に隣接配置された第２群の第１容量素子Ｃ２１と、第２群の軸上容量素子Ｃ２５に対してＸ軸負方向に隣接配置された第２群の第２容量素子Ｃ２２と、第２群の軸上容量素子Ｃ２５に対してＺ軸正方向に隣接配置された第２群の第３容量素子Ｃ２３と、第２群の軸上容量素子Ｃ２５に対してＺ軸負方向に隣接配置された第２群の第４容量素子Ｃ２４と、を有する。
【０２６８】
(3) 第３容量素子群Ｃ３０は、Ｘ軸上に配置された第３群の軸上容量素子Ｃ３５と、第３群の軸上容量素子Ｃ３５に対してＹ軸正方向に隣接配置された第３群の第１容量素子Ｃ３１と、第３群の軸上容量素子Ｃ３５に対してＹ軸負方向に隣接配置された第３群の第２容量素子Ｃ３２と、第３群の軸上容量素子Ｃ３５に対してＺ軸正方向に隣接配置された第３群の第３容量素子Ｃ３３と、第３群の軸上容量素子Ｃ３５に対してＺ軸負方向に隣接配置された第３群の第４容量素子Ｃ３４と、を有する。
【０２６９】
(4) 第４容量素子群Ｃ４０は、Ｙ軸上に配置された第４群の軸上容量素子Ｃ４５と、第４群の軸上容量素子Ｃ４５に対してＸ軸正方向に隣接配置された第４群の第１容量素子Ｃ４１と、第４群の軸上容量素子Ｃ４５に対してＸ軸負方向に隣接配置された第４群の第２容量素子Ｃ４２と、第４群の軸上容量素子Ｃ４５に対してＺ軸正方向に隣接配置された第４群の第３容量素子Ｃ４３と、第４群の軸上容量素子Ｃ４５に対してＺ軸負方向に隣接配置された第４群の第４容量素子Ｃ４４と、を有する。
【０２７０】
上記構成からなる容量素子群を用いた実施形態の場合、検出回路は、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１１〜Ｃ４５と表すことにより、
Ｆｘ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４＋Ｃ３５）  または
＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４）  または
＝−Ｃ１５＋Ｃ３５
Ｆｙ＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４＋Ｃ２５）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４＋Ｃ４５）  または
＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４）  または
＝−Ｃ２５＋Ｃ４５
Ｆｚ＝  （Ｃ１３＋Ｃ２３＋Ｃ３３＋Ｃ４３）
−（Ｃ１４＋Ｃ２４＋Ｃ３４＋Ｃ４４）
Ｍｘ＝  （Ｃ２３＋Ｃ４４）−（Ｃ２４＋Ｃ４３）
Ｍｙ＝  （Ｃ１４＋Ｃ３３）−（Ｃ１３＋Ｃ３４）
Ｍｚ＝  （Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３２＋Ｃ４２）
−（Ｃ１２＋Ｃ２２＋Ｃ３１＋Ｃ４１）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することができる。
【０２７１】
なお、図３７に示す実施形態についても、検出リング２００Ｂの少なくともダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４を可撓性をもった導電性材料によって構成しておけば、このダイアフラム部の表面を共通変位電極Ｅ０として各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５を構成することができる。実用上は、検出リング２００Ｂ全体をアルミニウム合金などの金属によって構成し、肉厚の薄いダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４が可撓性をもつようにすればよい。この場合、検出リング２００Ｂのダイアフラム部Ｄ１〜Ｄ４自身が変位電極群Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０として機能することになるので、別体として変位電極を設ける必要はなくなる。
【０２７２】
＜＜＜  §７．  その他の変形例  ＞＞＞
最後に、これまで述べてきた実施形態に適用可能な変形例を述べておく。
【０２７３】
＜７−１．  変位検出に関する変形例＞
§３や§６では、容量素子を利用して、検出リングの所定箇所の変位を検出する実施形態を述べたが、変位検出に利用する検出素子は、必ずしも容量素子に限定されるものではなく、一般的に、距離の検出が可能な素子であれば、どのような検出素子を利用してもかまわない。
【０２７４】
図４５は、図１０に示す基本構造部における距離ｄ１〜ｄ４の測定を行うために、固定補助体３５０の外周面のＶ軸上およびＷ軸上に、距離検出素子Ｍ１〜Ｍ４を設けた変形例に係る力覚センサをＸＹ平面で切断した横断面図である。ここでは、距離検出素子Ｍ１〜Ｍ４の内部構造の図示は省略するが、一般的な距離検出に利用されている素子であれば、どのようなものを用いてもかまわない。
【０２７５】
たとえば、検出リング２００の少なくとも測定対象面（図示の例の場合、Ｖ軸およびＷ軸近傍の内周面）を導電性材料によって構成しておけば、その対向基準面に設けられた距離検出素子Ｍ１〜Ｍ４として、渦電流変位計を利用することができる。図４６は、渦電流変位計による距離測定の基本原理を示す図である。渦電流変位計は、高周波発振回路７１とコイル７２によって構成される装置であり、コイル７２に近接配置された導電性の検出物体７３とコイル７２との距離を電気的に検出する機能を有している。
【０２７６】
渦電流変位計による距離検出の基本原理は次のとおりである。まず、高周波発振回路７１からコイル７２に対して高周波電流を流すと、コイル７２から高周波磁界７４が発生し、この高周波磁界７４の電磁誘導作用により、導電性の検出物体７３に渦電流７５が流れる。そして、この渦電流７５により、コイル７２のインピーダンスが変化し、その結果、高周波発振回路７１の発振状態に変化が生じることになる。コイル７２のインピーダンス変化量は、コイル７２と検出物体７３との距離に応じたものになるので、高周波発振回路７１に、発振状態の変化を検出する回路を設けておけば、コイル７２と検出物体７３との距離を電気的に検出することができる。
【０２７７】
また、検出リング２００の少なくとも測定対象面を磁石によって構成しておけば、その対向基準面に設けられた距離検出素子Ｍ１〜Ｍ４として、ホール素子を利用することもできる。ホール素子は、ホール効果によって磁界を検出する機能をもった素子であるから、検出リング２００の測定対象面を磁石によって構成しておけば、磁界の変動に基づいて測定対象面の変位検出が可能になる。具体的には、検出リング２００全体を磁石によって構成するか（この場合、変形に耐えうる機械的強度をもった磁石を用いる必要がある）、あるいは、検出リング２００の内周面に磁石を固着しておけばよい。距離検出素子Ｍ１〜Ｍ４として配置されたホール素子に作用する磁界の強度は、測定対象面の変位によって変化するので、ホール素子による磁界の検出値を、距離測定値として用いることが可能になる。
【０２７８】
この他、光ビームを利用した距離測定器を、距離検出素子Ｍ１〜Ｍ４として利用することも可能である。たとえば、測定対象面（図示の例の場合、Ｖ軸およびＷ軸近傍の内周面）に対して斜め方向に光ビームを照射する光ビーム照射器と、この測定対象面で反射された光ビームを受光する光ビーム受光器とを、この測定対象面に対向する対向基準面（図示の例の場合、固定補助体３５０の外周面）に固定しておき、光ビーム受光器による光ビームの受光位置に基づいて距離測定値を出力する測定回路を用意しておけばよい。検出リング２００の測定対象面（内周面）が変位すると、光ビームの照射位置および反射ビームの射出方向が変化することになるので、光ビーム受光器による光ビームの受光位置も変化する。したがって、測定回路は、この受光位置に基づいて距離測定値を出力することができる。
【０２７９】
＜７−２．  各部の形状および配置に関する変形例＞
これまで述べてきた実施形態では、受力リング１００および検出リング２００として、円環状の部材を用いているが、これらのリングは、必ずしも円形の環状体である必要はなく、開口部を有するループ状の部材であればよい。たとえば、正八角形、正六角形、正方形の形状をした環状体でもかまわないし、任意形状の環状体であってもかまわない。
【０２８０】
ただ、実用上は、これまで述べた実施形態に示すように、円形の環状体を用いるのが好ましい。受力リング１００および検出リング２００として、円環状の部材を用い、両者をＺ軸を中心軸として同心配置した構成にすれば、基本構造部は、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して面対称な構造になる。ここで、各検出素子の配置も、これまで述べた実施形態のように、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して面対称となるようにしておけば、検出回路による信号処理も単純化される。
【０２８１】
たとえば、図１７，図２０，図４２に示されている演算式では、静電容量値を示す各項に係数は乗じられていないが、これは上記対称性が確保されているためである。検出リング２００を任意形状のリングで構成した場合、上記演算式の各項に所定の係数を乗じる必要が生じ、実際の検出回路の構成は複雑化せざるを得なくなる。
【０２８２】
また、容量素子を構成する変位電極や固定電極の形状も、これまで述べた実施形態で示した形状に限定されるものではなく、任意の形状の電極を採用することができる。ただ、上述したように、各軸成分の検出値を得るための演算式を単純化するためには、電極の形成パターンも、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して面対称となるようなパターンにするのが好ましい。
【０２８３】
＜７−３．  検出に不要な構成要素の省略＞
これまで述べてきた実施形態は、主に６軸成分の検出を行うタイプの力覚センサであるが、本発明に係る力覚センサは、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する機能をもっていれば足りる。したがって、本発明を、Ｘ軸方向に作用した力Ｆｘのみを検出する力覚センサや、Ｙ軸まわりに作用したモーメントＭｙのみを検出する力覚センサに適用することも可能である。
【０２８４】
このように、特定の成分のみの検出に特化した力覚センサを製造する上では、検出に不要な構成要素を省略することができる。たとえば、図３７に示す力覚センサは、６軸成分をすべて検出する機能を有しているが、Ｘ軸方向に作用した力Ｆｘのみを検出できればよい場合は、図４２のＦｘ欄に示すとおり、最低限、容量素子Ｃ１５およびＣ３５のみを設けておけば足りる。同様に、Ｙ軸まわりに作用したモーメントＭｙのみを検出できればよい場合は、図４２のＭｙ欄に示すとおり、容量素子Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ３３，Ｃ３４のみを設けておけば足りる。
【０２８５】
＜７−４．  開示された技術思想の組み合わせ＞
以上、本発明の技術思想を様々な実施形態について説明し、様々な変形例に係る技術思想を述べたが、本願に述べられた多数の技術思想は、特別な阻害理由がない限り、自由に組み合わせて用いることが可能である。たとえば、受力リング１００と検出リング２００との内外の位置関係を逆にする、という技術思想は、これまで述べてきた様々な実施形態に適用可能である。また、図３５に示す基本構造部の弾性変形を検出するために、ストレインゲージを用いることも可能であるし（この場合、固定補助体３５０Ｂは不要になる）、図３５に示す基本構造部において、検出リング２００Ｂを固定部材を介して固定補助体３５０Ｂに固定することも可能である。
【０２８６】
本願明細書では、開示されている様々な技術思想について、あらゆる組み合わせを網羅した実施形態を説明しているわけではないが、当業者であれば、本願に開示されている様々な技術思想を組み合わせることにより、本願に直接的には開示されていない実施形態を自由に設計することができよう。
【産業上の利用可能性】
【０２８７】
本発明に係る力覚センサは、ロボットや産業機械の動作制御を行うために力やモーメントを検出する用途に利用するのに最適である。また、電子機器の入力装置のマン・マシンインターフェイスとしても利用可能である。特に、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントという６軸成分を検出する薄型力覚センサとして利用できる。
【符号の説明】
【０２８８】
１１〜１８：Ｃ／Ｖ変換器
２１〜３６：演算器
４０：電源
７１：高周波発振回路
７２：コイル
７３：検出物体
７４：高周波磁界
７５：渦電流
１００，１００Ａ，１００Ｂ：受力リング
１０１〜１０４：溝部
１０５，１０６：貫通孔
１１１〜１１４：変位制御ネジ
１２１，１２６：溝部
２００，２００Ａ，２００Ｂ：検出リング
３００，３００Ａ，３００Ｂ：支持基板
３０１，３０５：固定用ねじ孔
３５０，３５０Ａ：固定補助体
３８０：検出回路基板
４１０，４１０Ａ：接続部材
４２０，４２０Ａ：接続部材
４３１，４３２，４３３，４３４：接続部材
５１０，５１５，５２０，５２５：固定部材
５３１，５３２，５３３，５３４：固定部材
６００，６００Ａ：受力基板
６０１，６０３，６０５，６０７：溝部
６０２，６０４，６０５，６０８：貫通孔
６１１，６１３，６１５，６１７：固定ネジ
６１２，６１４，６１６，６１８：固定ネジ
６２２，６２４，６２６，６２８：スペーサ
６５０：包摂筒状体
Ａ：対向領域
Ｃ１〜Ｃ８：容量素子／静電容量値
Ｃ１０，Ｃ２０，Ｃ３０，Ｃ４０：容量素子群
Ｃ１１〜Ｃ１５：第１群の容量素子／静電容量値
Ｃ２１〜Ｃ２５：第２群の容量素子／静電容量値
Ｃ３１〜Ｃ３５：第３群の容量素子／静電容量値
Ｃ４１〜Ｃ４５：第４群の容量素子／静電容量値
Ｄ１〜Ｄ４：ダイアフラム部
ｄ１〜ｄ１０：距離
ｄ１′〜ｄ４′：距離
ｄ（up），ｄ（down），ｄ（left），ｄ（right）：距離
Ｅ０：共通変位電極
Ｅ１１〜Ｅ２０：固定電極
Ｅ２１〜Ｅ３０：変位電極
Ｅａ，Ｅｂ：電極
ｅ１〜ｅ４：視点
Ｆｘ：Ｘ軸方向の力
Ｆｙ：Ｙ軸方向の力
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力
Ｇ１〜Ｇ８，Ｇ５′〜Ｇ８′：ストレインゲージ
Ｈ１〜Ｈ７：空隙部
Ｍ１〜Ｍ４：渦電流変位計／ホール素子／光ビームを用いた距離測定器
Ｍｘ：Ｘ軸まわりのモーメント
Ｍｙ：Ｙ軸まわりのモーメント
Ｍｚ：Ｚ軸まわりのモーメント
Ｏ：ＸＹＺ三次元直交座標系の原点
Ｐ１，Ｐ２：固定点
Ｐ１１〜Ｐ１４：固定点
Ｑ１，Ｑ２：作用点
Ｑ１１〜Ｑ１４：作用点
Ｒ１〜Ｒ４：測定点
Ｔ１０，Ｔ２０，Ｔ３０，Ｔ４０：変位電極群
Ｔ１１〜Ｔ１５，Ｔ２１〜Ｔ２５，Ｔ３１〜Ｔ３５，Ｔ４１〜Ｔ４５：変位電極
Ｕ１０，Ｕ２０，Ｕ３０，Ｕ４０：固定電極群
Ｕ１１〜Ｕ１５，Ｕ２１〜Ｕ２５，Ｕ３１〜Ｕ３５，Ｕ４１〜Ｕ４５：変位電極
Ｖ：Ｘ軸およびＹ軸に対して４５°傾斜した座標軸
Ｖ１〜Ｖ８：電圧値
ＶＦｘ：Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値
ＶＦｙ：Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値
ＶＦｚ：Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値
ＶＭｘ：Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値
ＶＭｙ：Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値
ＶＭｚ：Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値
Ｗ：Ｖ軸に直交する座標軸
Ｘ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｙ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｚ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
【手続補正２】
【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三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力リングと、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に、かつ、前記受力リングの内側もしくは外側に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる検出リングと、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、前記受力リングおよび前記検出リングの下方に所定間隔をおいて配置された支持基板と、
前記検出リングを所定の作用点の位置において前記受力リングに接続する接続部材と、
前記検出リングを所定の固定点の位置において前記支持基板に固定する固定部材と、
前記検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記支持基板を固定した状態において、前記受力リングに作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記作用点のＸＹ平面への投影像と前記固定点のＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成されることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個の作用点と複数ｎ個の固定点とが交互に配置されており、
検出素子が、隣接配置された作用点と固定点との間の位置に定義された測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、第１の作用点、第１の固定点、第２の作用点、第２の固定点の順に、２個の作用点および２個の固定点が配置されており、
前記環状路における前記第１の作用点と前記第１の固定点との間の位置に配置された第１の測定点、前記環状路における前記第１の固定点と前記第２の作用点との間の位置に配置された第２の測定点、前記環状路における前記第２の作用点と前記第２の固定点との間の位置に配置された第３の測定点、前記環状路における前記第２の固定点と前記第１の作用点との間の位置に配置された第４の測定点をそれぞれ定義したときに、検出素子が、前記第１〜第４の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の力覚センサにおいて、
第１の作用点がＸ軸正領域に、第１の固定点がＹ軸正領域に、第２の作用点がＸ軸負領域に、第２の固定点がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、
Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材により、検出リングの前記第１の作用点近傍が受力リングに接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第２の接続部材により、検出リングの前記第２の作用点近傍が受力リングに接続されており、
検出素子が、ＸＹ平面の第１象限、第２象限、第３象限、第４象限にそれぞれ配置された第１の測定点、第２の測定点、第３の測定点、第４の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の力覚センサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の測定点がＶ軸正領域に、第２の測定点がＷ軸正領域に、第３の測定点がＶ軸負領域に、第４の測定点がＷ軸負領域に、それぞれ配置されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個の作用点と複数ｎ個の固定点とが交互に配置されており、
前記検出リングの前記ｎ個の作用点の近傍部分は、他の部分に比べて肉厚の薄いダイアフラム部を構成し、
複数ｎ個の接続部材は前記各ダイアフラム部に接続されており、
検出素子が、前記各ダイアフラム部の弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、第１の作用点、第１の固定点、第２の作用点、第２の固定点、第３の作用点、第３の固定点、第４の作用点、第４の固定点の順に、４個の作用点および４個の固定点が配置されており、
前記検出リングの前記第１の作用点の近傍部分は第１のダイアフラム部を構成し、前記検出リングの前記第２の作用点の近傍部分は第２のダイアフラム部を構成し、前記検出リングの前記第３の作用点の近傍部分は第３のダイアフラム部を構成し、前記検出リングの前記第４の作用点の近傍部分は第４のダイアフラム部を構成し、
検出素子が、前記第１〜第４のダイアフラム部の弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の力覚センサにおいて、
第１の作用点がＸ軸正領域に、第２の作用点がＹ軸正領域に、第３の作用点がＸ軸負領域に、第４の作用点がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、第１のダイアフラム部がＸ軸正領域に位置し、第２のダイアフラム部がＹ軸正領域に位置し、第３のダイアフラム部がＸ軸負領域に位置し、第４のダイアフラム部がＹ軸負領域に位置し、
ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の固定点がＶ軸正領域に、第２の固定点がＷ軸正領域に、第３の固定点がＶ軸負領域に、第４の固定点がＷ軸負領域に、それぞれ配置されており、
Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材により、第１のダイアフラム部が受力リングに接続され、Ｙ軸正領域に沿って伸びる第２の接続部材により、第２のダイアフラム部が受力リングに接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第３の接続部材により、第３のダイアフラム部が受力リングに接続され、Ｙ軸負領域に沿って伸びる第４の接続部材により、第４のダイアフラム部が受力リングに接続されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
固定部材が、検出リングの下面と支持基板の上面とを接続することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングが配置されており、
前記検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定された固定補助体が設けられており、
固定部材が、前記検出リングの内周面と前記固定補助体の外周面とを接続することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、受力リングおよび検出リングの上方に所定間隔をおいて配置された受力基板を更に備え、
前記受力基板の下面の一部は、受力リングの上面に接続されており、
前記受力基板の下面と検出リングの上面との間には、所定の空隙部が形成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の力覚センサにおいて、
受力基板の下面外周部には、受力リングおよび検出リングを包摂する包摂筒状体が接続されており、前記包摂筒状体の下端部と支持基板の外周部との間には空隙部が形成されており、
前記受力基板に所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、前記包摂筒状体の下端部と前記支持基板の外周部とが接触して、前記受力基板の変位が制限されるように、前記空隙部の寸法が設定されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力リングの所定箇所に上下に貫通する貫通孔が形成され、前記受力リングの上面の前記貫通孔の位置に前記貫通孔よりも径の大きな溝部が形成されており、
前記貫通孔を挿通して先端部が支持基板に固定され、頭部が前記溝部に収容された変位制御ネジを更に備え、前記変位制御ネジと前記貫通孔の内面および前記溝部の内面との間には空隙部が形成されており、
前記受力リングに所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、前記変位制御ネジと前記貫通孔の内面もしくは前記溝部の内面とが接触して、前記受力リングの変位が制限されるように、前記空隙部の寸法が設定されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力リングが、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出回路を構成する電子部品を実装した検出回路基板が、支持基板の上面に設けられていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの所定の測定点の変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの測定点近傍の測定対象面と、受力リングの前記測定対象面に対向する対向基準面との距離を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１９】
請求項１７に記載の力覚センサにおいて、
受力リングが外側、検出リングが内側となるように両リングが配置されており、
前記検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定された固定補助体が設けられており、
検出素子が、検出リングの内周面の、測定点近傍に位置する測定対象面と、前記固定補助体の外周に位置し前記測定対象面に対向する対向基準面との距離を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２０】
請求項１７に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの下面の、測定点近傍に位置する測定対象面と、支持基板の上面に位置し前記測定対象面に対向する対向基準面との距離を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２１】
請求項１８〜２０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、測定対象面に設けられた変位電極と、対向基準面に設けられた固定電極と、を有する容量素子によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２２】
請求項２１に記載の力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として容量素子を構成したことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２３】
請求項１８〜２０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出リングの少なくとも測定対象面が導電性材料からなり、
検出素子が、対向基準面に設けられた渦電流変位計によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２４】
請求項１８〜２０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出リングの少なくとも測定対象面が磁石からなり、
検出素子が、対向基準面に設けられたホール素子によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２５】
請求項１８〜２０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、
対向基準面に固定され、測定対象面に対して斜め方向に光ビームを照射する光ビーム照射器と、
対向基準面に固定され、前記測定対象面で反射された光ビームを受光する光ビーム受光器と、
前記光ビーム受光器による光ビームの受光位置に基づいて距離測定値を出力する測定回路と、
によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２６】
請求項１〜１６のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの所定の測定点の近傍位置の機械的な歪みを電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２７】
請求項２６に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの測定点近傍の表面に、前記検出リングの輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられたストレインゲージによって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２８】
請求項５に記載の力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、
前記受力リングが外側、前記検出リングが内側となるように両リングが配置されており、
前記検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体が設けられており、
検出素子が、
前記検出リングの内周面の第１の測定点近傍位置に配置された第１の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第１の変位電極に対向する位置に配置された第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子と、
前記検出リングの内周面の第２の測定点近傍位置に配置された第２の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第２の変位電極に対向する位置に配置された第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子と、
前記検出リングの内周面の第３の測定点近傍位置に配置された第３の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極とによって構成される第３の容量素子と、
前記検出リングの内周面の第４の測定点近傍位置に配置された第４の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極とによって構成される第４の容量素子と、
前記検出リングの下面の第１の測定点近傍位置に配置された第５の変位電極と、前記支持基板の上面の前記第５の変位電極に対向する位置に配置された第５の固定電極とによって構成される第５の容量素子と、
前記検出リングの下面の第２の測定点近傍位置に配置された第６の変位電極と、前記支持基板の上面の前記第６の変位電極に対向する位置に配置された第６の固定電極とによって構成される第６の容量素子と、
前記検出リングの下面の第３の測定点近傍位置に配置された第７の変位電極と、前記支持基板の上面の前記第７の変位電極に対向する位置に配置された第７の固定電極とによって構成される第７の容量素子と、
前記検出リングの下面の第４の測定点近傍位置に配置された第８の変位電極と、前記支持基板の上面の前記第８の変位電極に対向する位置に配置された第８の固定電極とによって構成される第８の容量素子と、
を有し、前記各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、前記他方の電極の内部に包含され、
検出回路が、前記第１の容量素子の静電容量値をＣ１、前記第２の容量素子の静電容量値をＣ２、前記第３の容量素子の静電容量値をＣ３、前記第４の容量素子の静電容量値をＣ４、前記第５の容量素子の静電容量値をＣ５、前記第６の容量素子の静電容量値をＣ６、前記第７の容量素子の静電容量値をＣ７、前記第８の容量素子の静電容量値をＣ８としたときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）
Ｍｘ＝（Ｃ７＋Ｃ８）−（Ｃ５＋Ｃ６）
Ｍｙ＝（Ｃ５＋Ｃ８）−（Ｃ６＋Ｃ７）
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２９】
請求項５に記載の力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、
前記受力リングが外側、前記検出リングが内側となるように両リングが配置されており、
前記検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体が設けられており、
検出素子が、第１の作用点を第５の測定点とし、第２の作用点を第６の測定点として、
前記検出リングの内周面の第１の測定点近傍位置に配置された第１の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第１の変位電極に対向する位置に配置された第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子と、
前記検出リングの内周面の第２の測定点近傍位置に配置された第２の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第２の変位電極に対向する位置に配置された第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子と、
前記検出リングの内周面の第３の測定点近傍位置に配置された第３の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極とによって構成される第３の容量素子と、
前記検出リングの内周面の第４の測定点近傍位置に配置された第４の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極とによって構成される第４の容量素子と、
前記検出リングの下面の第５の測定点近傍位置に配置された第５の変位電極と、前記支持基板の上面の前記第５の変位電極に対向する位置に配置された第５の固定電極とによって構成される第５の容量素子と、
前記検出リングの下面の第６の測定点近傍位置に配置された第６の変位電極と、前記支持基板の上面の前記第６の変位電極に対向する位置に配置された第６の固定電極とによって構成される第６の容量素子と、
を有し、前記各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、前記他方の電極の内部に包含され、
検出回路が、前記第１の容量素子の静電容量値をＣ１、前記第２の容量素子の静電容量値をＣ２、前記第３の容量素子の静電容量値をＣ３、前記第４の容量素子の静電容量値をＣ４、前記第５の容量素子の静電容量値をＣ９、前記第６の容量素子の静電容量値をＣ１０としたときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ９＋Ｃ１０）
Ｍｙ＝Ｃ９−Ｃ１０
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３０】
請求項２８または２９に記載の力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として各容量素子を構成したことを特徴とする力覚センサ。
【請求項３１】
請求項５に記載の力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、
前記受力リングが外側、前記検出リングが内側となるように両リングが配置されており、
検出素子が、前記検出リングの第１〜第４の測定点近傍の表面に、前記検出リングの輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられた複数のストレインゲージを有し、
前記検出リングの内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し、前記検出リングの上面および下面のいずれか一方を縦方向配置面と定義したときに、前記複数のストレインゲージは、
前記横方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージと、
前記横方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージと、
前記横方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージと、
前記横方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージと、
前記縦方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージと、
前記縦方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージと、
前記縦方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージと、
前記縦方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージと、
の８種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成され、
検出回路が、
前記第１属性のストレインゲージと前記第４属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第２属性のストレインゲージと前記第３属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値を出力し、
前記第１属性のストレインゲージと前記第２属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第３属性のストレインゲージと前記第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージと前記第６属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第７属性のストレインゲージと前記第８属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージと前記第８属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第６属性のストレインゲージと前記第７属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値を出力し、
前記第１属性のストレインゲージと前記第３属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第２属性のストレインゲージと前記第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３２】
請求項５に記載の力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、
前記受力リングが外側、前記検出リングが内側となるように両リングが配置されており、
検出素子が、前記検出リングの第１〜第４の測定点近傍の表面に、前記検出リングの輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられた複数のストレインゲージを有し、
前記検出リングの内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し、前記検出リングの上面および下面のいずれか一方を第１縦方向配置面、他方を第２縦方向配置面と定義したときに、前記複数のストレインゲージは、
前記横方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージと、
前記横方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージと、
前記横方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージと、
前記横方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第１縦方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第１縦方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第１縦方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第１縦方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第２縦方向配置面の第１の測定点近傍位置に取り付けられた第９属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第２縦方向配置面の第２の測定点近傍位置に取り付けられた第１０属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第２縦方向配置面の第３の測定点近傍位置に取り付けられた第１１属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第２縦方向配置面の第４の測定点近傍位置に取り付けられた第１２属性のストレインゲージと、
の１２種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成され、
検出回路が、
前記第１属性のストレインゲージと前記第４属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第２属性のストレインゲージと前記第３属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値を出力し、
前記第１属性のストレインゲージと前記第２属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第３属性のストレインゲージと前記第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージと前記第６属性のストレインゲージとの直列接続辺と、前記第７属性のストレインゲージと前記第８属性のストレインゲージとの直列接続辺と、を第１の対辺とし、前記第９属性のストレインゲージと前記第１０属性のストレインゲージとの直列接続辺と、前記第１１属性のストレインゲージと前記第１２属性のストレインゲージとの直列接続辺と、を第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージと前記第６属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第７属性のストレインゲージと前記第８属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージと前記第８属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第６属性のストレインゲージと前記第７属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値を出力し、
前記第１属性のストレインゲージと前記第３属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第２属性のストレインゲージと前記第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３３】
請求項８に記載の力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、
前記受力リングが外側、前記検出リングが内側となるように両リングが配置されており、
前記検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体が設けられており、
検出素子が、
前記検出リングの内周面の第１のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第１変位電極群と、前記固定補助体の外周面の前記第１変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第１固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第１容量素子群と、
前記検出リングの内周面の第２のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第２変位電極群と、前記固定補助体の外周面の前記第２変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第２固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第２容量素子群と、
前記検出リングの内周面の第３のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第３変位電極群と、前記固定補助体の外周面の前記第３変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第３固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第３容量素子群と、
前記検出リングの内周面の第４のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第４変位電極群と、前記固定補助体の外周面の前記第４変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第４固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第４容量素子群と、
を有し、前記各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、前記他方の電極の内部に包含され、
検出回路が、前記各容量素子の静電容量値に基づいて検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３４】
請求項３３に記載の力覚センサにおいて、
第１容量素子群が、Ｘ軸上に配置された第１群の軸上容量素子と、前記第１群の軸上容量素子に対してＹ軸正方向に隣接配置された第１群の第１容量素子と、前記第１群の軸上容量素子に対してＹ軸負方向に隣接配置された第１群の第２容量素子と、前記第１群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第１群の第３容量素子と、前記第１群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第１群の第４容量素子と、を有し、
第２容量素子群が、Ｙ軸上に配置された第２群の軸上容量素子と、前記第２群の軸上容量素子に対してＸ軸正方向に隣接配置された第２群の第１容量素子と、前記第２群の軸上容量素子に対してＸ軸負方向に隣接配置された第２群の第２容量素子と、前記第２群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第２群の第３容量素子と、前記第２群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第２群の第４容量素子と、を有し、
第３容量素子群が、Ｘ軸上に配置された第３群の軸上容量素子と、前記第３群の軸上容量素子に対してＹ軸正方向に隣接配置された第３群の第１容量素子と、前記第３群の軸上容量素子に対してＹ軸負方向に隣接配置された第３群の第２容量素子と、前記第３群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第３群の第３容量素子と、前記第３群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第３群の第４容量素子と、を有し、
第４容量素子群が、Ｙ軸上に配置された第４群の軸上容量素子と、前記第４群の軸上容量素子に対してＸ軸正方向に隣接配置された第４群の第１容量素子と、前記第４群の軸上容量素子に対してＸ軸負方向に隣接配置された第４群の第２容量素子と、前記第４群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第４群の第３容量素子と、前記第４群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第４群の第４容量素子と、を有し、
検出回路が、
前記第１群の第１容量素子の静電容量値をＣ１１、前記第１群の第２容量素子の静電容量値をＣ１２、前記第１群の第３容量素子の静電容量値をＣ１３、前記第１群の第４容量素子の静電容量値をＣ１４、前記第１群の軸上容量素子の静電容量値をＣ１５とし、
前記第２群の第１容量素子の静電容量値をＣ２１、前記第２群の第２容量素子の静電容量値をＣ２２、前記第２群の第３容量素子の静電容量値をＣ２３、前記第２群の第４容量素子の静電容量値をＣ２４、前記第２群の軸上容量素子の静電容量値をＣ２５とし、
前記第３群の第１容量素子の静電容量値をＣ３１、前記第３群の第２容量素子の静電容量値をＣ３２、前記第３群の第３容量素子の静電容量値をＣ３３、前記第３群の第４容量素子の静電容量値をＣ３４、前記第３群の軸上容量素子の静電容量値をＣ３５とし、
前記第４群の第１容量素子の静電容量値をＣ４１、前記第４群の第２容量素子の静電容量値をＣ４２、前記第４群の第３容量素子の静電容量値をＣ４３、前記第４群の第４容量素子の静電容量値をＣ４４、前記第４群の軸上容量素子の静電容量値をＣ４５としたときに、
Ｆｘ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４＋Ｃ３５）  または
＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４）  または
＝−Ｃ１５＋Ｃ３５
Ｆｙ＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４＋Ｃ２５）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４＋Ｃ４５）  または
＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４）  または
＝−Ｃ２５＋Ｃ４５
Ｆｚ＝  （Ｃ１３＋Ｃ２３＋Ｃ３３＋Ｃ４３）
−（Ｃ１４＋Ｃ２４＋Ｃ３４＋Ｃ４４）
Ｍｘ＝  （Ｃ２３＋Ｃ４４）−（Ｃ２４＋Ｃ４３）
Ｍｙ＝  （Ｃ１４＋Ｃ３３）−（Ｃ１３＋Ｃ３４）
Ｍｚ＝  （Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３２＋Ｃ４２）
−（Ｃ１２＋Ｃ２２＋Ｃ３１＋Ｃ４１）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３５】
請求項３３または３４に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの少なくともダイアフラム部を可撓性をもった導電性材料によって構成し、このダイアフラム部の表面を共通変位電極として各容量素子を構成したことを特徴とする力覚センサ。
【手続補正書】
【提出日】平成24年1月16日(2012.1.16)
【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三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力リングと、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に、かつ、前記受力リングの内側もしくは外側に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる検出リングと、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、前記受力リングおよび前記検出リングの下方に所定間隔をおいて配置された支持基板と、
前記検出リングを所定の作用点の位置において前記受力リングに接続する接続部材と、
前記検出リングを所定の固定点の位置において前記支持基板に固定する固定部材と、
前記検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記支持基板を固定した状態において、前記受力リングに作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記作用点のＸＹ平面への投影像と前記固定点のＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成されており、
前記検出リングの輪郭に沿った環状路に、第１の作用点、第１の固定点、第２の作用点、第２の固定点、第３の作用点、第３の固定点、第４の作用点、第４の固定点の順に、４個の作用点および４個の固定点が配置されており、
前記検出リングの前記第１の作用点の近傍部分は他の部分に比べて肉厚の薄い第１のダイアフラム部を構成し、前記検出リングの前記第２の作用点の近傍部分は他の部分に比べて肉厚の薄い第２のダイアフラム部を構成し、前記検出リングの前記第３の作用点の近傍部分は他の部分に比べて肉厚の薄い第３のダイアフラム部を構成し、前記検出リングの前記第４の作用点の近傍部分は他の部分に比べて肉厚の薄い第４のダイアフラム部を構成し、
４個の接続部材がそれぞれ前記第１〜第４のダイアフラム部に接続されており、
前記検出素子が、前記第１〜第４のダイアフラム部の弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の力覚センサにおいて、
第１の作用点がＸ軸正領域に、第２の作用点がＹ軸正領域に、第３の作用点がＸ軸負領域に、第４の作用点がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、第１のダイアフラム部がＸ軸正領域に位置し、第２のダイアフラム部がＹ軸正領域に位置し、第３のダイアフラム部がＸ軸負領域に位置し、第４のダイアフラム部がＹ軸負領域に位置し、
ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の固定点がＶ軸正領域に、第２の固定点がＷ軸正領域に、第３の固定点がＶ軸負領域に、第４の固定点がＷ軸負領域に、それぞれ配置されており、
Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材により、第１のダイアフラム部が受力リングに接続され、Ｙ軸正領域に沿って伸びる第２の接続部材により、第２のダイアフラム部が受力リングに接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第３の接続部材により、第３のダイアフラム部が受力リングに接続され、Ｙ軸負領域に沿って伸びる第４の接続部材により、第４のダイアフラム部が受力リングに接続されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、
前記受力リングが外側、前記検出リングが内側となるように両リングが配置されており、
前記検出リングの更に内側に、下面が支持基板の上面に固定され、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の固定補助体が設けられており、
検出素子が、
前記検出リングの内周面の第１のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第１変位電極群と、前記固定補助体の外周面の前記第１変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第１固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第１容量素子群と、
前記検出リングの内周面の第２のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第２変位電極群と、前記固定補助体の外周面の前記第２変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第２固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第２容量素子群と、
前記検出リングの内周面の第３のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第３変位電極群と、前記固定補助体の外周面の前記第３変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第３固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第３容量素子群と、
前記検出リングの内周面の第４のダイアフラムの部分に配置された複数の変位電極からなる第４変位電極群と、前記固定補助体の外周面の前記第４変位電極群の個々の変位電極にそれぞれ対向する位置に配置された複数の固定電極からなる第４固定電極群と、によって構成される複数の容量素子からなる第４容量素子群と、
を有し、前記各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、前記他方の電極の内部に包含され、
検出回路が、前記各容量素子の静電容量値に基づいて検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の力覚センサにおいて、
第１容量素子群が、Ｘ軸上に配置された第１群の軸上容量素子と、前記第１群の軸上容量素子に対してＹ軸正方向に隣接配置された第１群の第１容量素子と、前記第１群の軸上容量素子に対してＹ軸負方向に隣接配置された第１群の第２容量素子と、前記第１群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第１群の第３容量素子と、前記第１群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第１群の第４容量素子と、を有し、
第２容量素子群が、Ｙ軸上に配置された第２群の軸上容量素子と、前記第２群の軸上容量素子に対してＸ軸正方向に隣接配置された第２群の第１容量素子と、前記第２群の軸上容量素子に対してＸ軸負方向に隣接配置された第２群の第２容量素子と、前記第２群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第２群の第３容量素子と、前記第２群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第２群の第４容量素子と、を有し、
第３容量素子群が、Ｘ軸上に配置された第３群の軸上容量素子と、前記第３群の軸上容量素子に対してＹ軸正方向に隣接配置された第３群の第１容量素子と、前記第３群の軸上容量素子に対してＹ軸負方向に隣接配置された第３群の第２容量素子と、前記第３群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第３群の第３容量素子と、前記第３群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第３群の第４容量素子と、を有し、
第４容量素子群が、Ｙ軸上に配置された第４群の軸上容量素子と、前記第４群の軸上容量素子に対してＸ軸正方向に隣接配置された第４群の第１容量素子と、前記第４群の軸上容量素子に対してＸ軸負方向に隣接配置された第４群の第２容量素子と、前記第４群の軸上容量素子に対してＺ軸正方向に隣接配置された第４群の第３容量素子と、前記第４群の軸上容量素子に対してＺ軸負方向に隣接配置された第４群の第４容量素子と、を有し、
検出回路が、
前記第１群の第１容量素子の静電容量値をＣ１１、前記第１群の第２容量素子の静電容量値をＣ１２、前記第１群の第３容量素子の静電容量値をＣ１３、前記第１群の第４容量素子の静電容量値をＣ１４、前記第１群の軸上容量素子の静電容量値をＣ１５とし、
前記第２群の第１容量素子の静電容量値をＣ２１、前記第２群の第２容量素子の静電容量値をＣ２２、前記第２群の第３容量素子の静電容量値をＣ２３、前記第２群の第４容量素子の静電容量値をＣ２４、前記第２群の軸上容量素子の静電容量値をＣ２５とし、
前記第３群の第１容量素子の静電容量値をＣ３１、前記第３群の第２容量素子の静電容量値をＣ３２、前記第３群の第３容量素子の静電容量値をＣ３３、前記第３群の第４容量素子の静電容量値をＣ３４、前記第３群の軸上容量素子の静電容量値をＣ３５とし、
前記第４群の第１容量素子の静電容量値をＣ４１、前記第４群の第２容量素子の静電容量値をＣ４２、前記第４群の第３容量素子の静電容量値をＣ４３、前記第４群の第４容量素子の静電容量値をＣ４４、前記第４群の軸上容量素子の静電容量値をＣ４５としたときに、
Ｆｘ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４＋Ｃ３５）  または
＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４）  または
＝−Ｃ１５＋Ｃ３５
Ｆｙ＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４＋Ｃ２５）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４＋Ｃ４５）  または
＝−（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４）  または
＝−Ｃ２５＋Ｃ４５
Ｆｚ＝  （Ｃ１３＋Ｃ２３＋Ｃ３３＋Ｃ４３）
−（Ｃ１４＋Ｃ２４＋Ｃ３４＋Ｃ４４）
Ｍｘ＝  （Ｃ２３＋Ｃ４４）−（Ｃ２４＋Ｃ４３）
Ｍｙ＝  （Ｃ１４＋Ｃ３３）−（Ｃ１３＋Ｃ３４）
Ｍｚ＝  （Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３２＋Ｃ４２）
−（Ｃ１２＋Ｃ２２＋Ｃ３１＋Ｃ４１）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項５】
請求項３または４に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの少なくともダイアフラム部を可撓性をもった導電性材料によって構成し、このダイアフラム部の表面を共通変位電極として各容量素子を構成したことを特徴とする力覚センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の力覚センサにおいて、
固定部材が、検出リングの下面と支持基板の上面とを接続することを特徴とする力覚センサ。
【請求項７】
ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力リングと、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に、かつ、前記受力リングの内側に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる検出リングと、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、前記受力リングおよび前記検出リングの下方に所定間隔をおいて配置された支持基板と、
前記検出リングの更に内側に配置され、下面が前記支持基板の上面に固定された固定補助体と、
前記検出リングを所定の作用点の位置において前記受力リングに接続する接続部材と、
前記検出リングを所定の固定点の位置において前記固定補助体を介して前記支持基板に固定する固定部材と、
前記検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記支持基板を固定した状態において、前記受力リングに作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記作用点のＸＹ平面への投影像と前記固定点のＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成されており、
前記固定部材が、前記検出リングの内周面と前記固定補助体の外周面とを接続することを特徴とする力覚センサ。
【請求項８】
ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力リングと、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に、かつ、前記受力リングの内側に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる検出リングと、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、前記受力リングおよび前記検出リングの下方に所定間隔をおいて配置された支持基板と、
前記検出リングの更に内側に配置され、下面が前記支持基板の上面に固定された固定補助体と、
前記検出リングを所定の作用点の位置において前記受力リングに接続する接続部材と、
前記検出リングを所定の固定点の位置において前記固定補助体を介して前記支持基板に固定する固定部材と、
前記検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記支持基板を固定した状態において、前記受力リングに作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記作用点のＸＹ平面への投影像と前記固定点のＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成されており、
前記固定部材が、前記検出リングの内周面と前記固定補助体の外周面とを接続し、
前記検出素子が、前記検出リングの所定の測定点の変位を電気的に検出するために、前記検出リングの内周面の、前記測定点近傍に位置する測定対象面と、前記固定補助体の外周に位置し前記測定対象面に対向する対向基準面との距離を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、測定対象面に設けられた変位電極と、対向基準面に設けられた固定電極と、を有する容量素子によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として容量素子を構成したことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１１】
請求項８に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの少なくとも測定対象面が導電性材料からなり、
検出素子が、対向基準面に設けられた渦電流変位計によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１２】
請求項８に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの少なくとも測定対象面が磁石からなり、
検出素子が、対向基準面に設けられたホール素子によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１３】
請求項８に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、
対向基準面に固定され、測定対象面に対して斜め方向に光ビームを照射する光ビーム照射器と、
対向基準面に固定され、前記測定対象面で反射された光ビームを受光する光ビーム受光器と、
前記光ビーム受光器による光ビームの受光位置に基づいて距離測定値を出力する測定回路と、
によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、受力リングおよび検出リングの上方に所定間隔をおいて配置された受力基板を更に備え、
前記受力基板の下面の一部は、受力リングの上面に接続されており、
前記受力基板の下面と検出リングの上面との間には、所定の空隙部が形成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の力覚センサにおいて、
受力基板の下面外周部には、受力リングおよび検出リングを包摂する包摂筒状体が接続されており、前記包摂筒状体の下端部と支持基板の外周部との間には空隙部が形成されており、
前記受力基板に所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、前記包摂筒状体の下端部と前記支持基板の外周部とが接触して、前記受力基板の変位が制限されるように、前記空隙部の寸法が設定されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力リングの所定箇所に上下に貫通する貫通孔が形成され、前記受力リングの上面の前記貫通孔の位置に前記貫通孔よりも径の大きな溝部が形成されており、
前記貫通孔を挿通して先端部が支持基板に固定され、頭部が前記溝部に収容された変位制御ネジを更に備え、前記変位制御ネジと前記貫通孔の内面および前記溝部の内面との間には空隙部が形成されており、
前記受力リングに所定の許容範囲を超える力もしくはモーメントが作用した場合に、前記変位制御ネジと前記貫通孔の内面もしくは前記溝部の内面とが接触して、前記受力リングの変位が制限されるように、前記空隙部の寸法が設定されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力リングが、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
受力リングおよび検出リングの双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出回路を構成する電子部品を実装した検出回路基板が、支持基板の上面に設けられていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２０】
ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力リングと、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に、かつ、前記受力リングの内側に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる検出リングと、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、前記受力リングおよび前記検出リングの下方に所定間隔をおいて配置された支持基板と、
前記検出リングの更に内側に配置され、下面が前記支持基板の上面に固定された固定補助体と、
前記検出リングを所定の作用点の位置において前記受力リングに接続する接続部材と、
前記検出リングを所定の固定点の位置において前記支持基板に固定する固定部材と、
前記検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記支持基板を固定した状態において、前記受力リングに作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記作用点のＸＹ平面への投影像と前記固定点のＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成されており、
第１の作用点がＸ軸正領域に、第１の固定点がＹ軸正領域に、第２の作用点がＸ軸負領域に、第２の固定点がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、
Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材により、前記検出リングの前記第１の作用点近傍が前記受力リングに接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第２の接続部材により、前記検出リングの前記第２の作用点近傍が前記受力リングに接続されており、
前記ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、前記ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の測定点がＶ軸正領域に、第２の測定点がＷ軸正領域に、第３の測定点がＶ軸負領域に、第４の測定点がＷ軸負領域に、それぞれ配置されており、
前記受力リングおよび前記検出リングの双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、前記固定補助体が、Ｚ軸を中心軸とする円柱状をなし、
前記検出素子が、
前記検出リングの内周面の前記第１の測定点近傍位置に配置された第１の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第１の変位電極に対向する位置に配置された第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子と、
前記検出リングの内周面の前記第２の測定点近傍位置に配置された第２の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第２の変位電極に対向する位置に配置された第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子と、
前記検出リングの内周面の前記第３の測定点近傍位置に配置された第３の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極とによって構成される第３の容量素子と、
前記検出リングの内周面の前記第４の測定点近傍位置に配置された第４の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極とによって構成される第４の容量素子と、
前記検出リングの下面の前記第１の測定点近傍位置に配置された第５の変位電極と、前記支持基板の上面の前記第５の変位電極に対向する位置に配置された第５の固定電極とによって構成される第５の容量素子と、
前記検出リングの下面の前記第２の測定点近傍位置に配置された第６の変位電極と、前記支持基板の上面の前記第６の変位電極に対向する位置に配置された第６の固定電極とによって構成される第６の容量素子と、
前記検出リングの下面の前記第３の測定点近傍位置に配置された第７の変位電極と、前記支持基板の上面の前記第７の変位電極に対向する位置に配置された第７の固定電極とによって構成される第７の容量素子と、
前記検出リングの下面の前記第４の測定点近傍位置に配置された第８の変位電極と、前記支持基板の上面の前記第８の変位電極に対向する位置に配置された第８の固定電極とによって構成される第８の容量素子と、
を有し、前記各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、前記他方の電極の内部に包含され、
前記検出回路が、前記第１の容量素子の静電容量値をＣ１、前記第２の容量素子の静電容量値をＣ２、前記第３の容量素子の静電容量値をＣ３、前記第４の容量素子の静電容量値をＣ４、前記第５の容量素子の静電容量値をＣ５、前記第６の容量素子の静電容量値をＣ６、前記第７の容量素子の静電容量値をＣ７、前記第８の容量素子の静電容量値をＣ８としたときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）
Ｍｘ＝（Ｃ７＋Ｃ８）−（Ｃ５＋Ｃ６）
Ｍｙ＝（Ｃ５＋Ｃ８）−（Ｃ６＋Ｃ７）
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２１】
ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力リングと、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に、かつ、前記受力リングの内側に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる検出リングと、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、前記受力リングおよび前記検出リングの下方に所定間隔をおいて配置された支持基板と、
前記検出リングの更に内側に配置され、下面が前記支持基板の上面に固定された固定補助体と、
前記検出リングを所定の作用点の位置において前記受力リングに接続する接続部材と、
前記検出リングを所定の固定点の位置において前記支持基板に固定する固定部材と、
前記検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記支持基板を固定した状態において、前記受力リングに作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記作用点のＸＹ平面への投影像と前記固定点のＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成されており、
第１の作用点がＸ軸正領域に、第１の固定点がＹ軸正領域に、第２の作用点がＸ軸負領域に、第２の固定点がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、
Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材により、前記検出リングの前記第１の作用点近傍が前記受力リングに接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第２の接続部材により、前記検出リングの前記第２の作用点近傍が前記受力リングに接続されており、
前記ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、前記ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の測定点がＶ軸正領域に、第２の測定点がＷ軸正領域に、第３の測定点がＶ軸負領域に、第４の測定点がＷ軸負領域に、それぞれ配置されており、
前記受力リングおよび前記検出リングの双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、前記固定補助体が、Ｚ軸を中心軸とする円柱状をなし、
前記検出素子が、前記第１の作用点を第５の測定点とし、前記第２の作用点を第６の測定点として、
前記検出リングの内周面の前記第１の測定点近傍位置に配置された第１の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第１の変位電極に対向する位置に配置された第１の固定電極とによって構成される第１の容量素子と、
前記検出リングの内周面の前記第２の測定点近傍位置に配置された第２の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第２の変位電極に対向する位置に配置された第２の固定電極とによって構成される第２の容量素子と、
前記検出リングの内周面の前記第３の測定点近傍位置に配置された第３の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第３の変位電極に対向する位置に配置された第３の固定電極とによって構成される第３の容量素子と、
前記検出リングの内周面の前記第４の測定点近傍位置に配置された第４の変位電極と、前記固定補助体の外周面の前記第４の変位電極に対向する位置に配置された第４の固定電極とによって構成される第４の容量素子と、
前記検出リングの下面の前記第５の測定点近傍位置に配置された第５の変位電極と、前記支持基板の上面の前記第５の変位電極に対向する位置に配置された第５の固定電極とによって構成される第５の容量素子と、
前記検出リングの下面の前記第６の測定点近傍位置に配置された第６の変位電極と、前記支持基板の上面の前記第６の変位電極に対向する位置に配置された第６の固定電極とによって構成される第６の容量素子と、
を有し、前記各容量素子を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、前記他方の電極の内部に包含され、
前記検出回路が、前記第１の容量素子の静電容量値をＣ１、前記第２の容量素子の静電容量値をＣ２、前記第３の容量素子の静電容量値をＣ３、前記第４の容量素子の静電容量値をＣ４、前記第５の容量素子の静電容量値をＣ９、前記第６の容量素子の静電容量値をＣ１０としたときに、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ３＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ２）
Ｆｚ＝−（Ｃ９＋Ｃ１０）
Ｍｙ＝Ｃ９−Ｃ１０
Ｍｚ＝（Ｃ２＋Ｃ４）−（Ｃ１＋Ｃ３）
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２２】
請求項２０または２１に記載の力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として各容量素子を構成したことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２３】
ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力リングと、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に、かつ、前記受力リングの内側に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる検出リングと、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、前記受力リングおよび前記検出リングの下方に所定間隔をおいて配置された支持基板と、
前記検出リングを所定の作用点の位置において前記受力リングに接続する接続部材と、
前記検出リングを所定の固定点の位置において前記支持基板に固定する固定部材と、
前記検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記支持基板を固定した状態において、前記受力リングに作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記作用点のＸＹ平面への投影像と前記固定点のＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成されており、
第１の作用点がＸ軸正領域に、第１の固定点がＹ軸正領域に、第２の作用点がＸ軸負領域に、第２の固定点がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、
Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材により、前記検出リングの前記第１の作用点近傍が前記受力リングに接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第２の接続部材により、前記検出リングの前記第２の作用点近傍が前記受力リングに接続されており、
前記ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、前記ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の測定点がＶ軸正領域に、第２の測定点がＷ軸正領域に、第３の測定点がＶ軸負領域に、第４の測定点がＷ軸負領域に、それぞれ配置されており、
前記受力リングおよび前記検出リングの双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、
前記検出素子が、前記検出リングの前記第１〜第４の測定点近傍の表面に、前記検出リングの輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられた複数のストレインゲージを有し、
前記検出リングの内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し、前記検出リングの上面および下面のいずれか一方を縦方向配置面と定義したときに、前記複数のストレインゲージは、
前記横方向配置面の前記第１の測定点近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージと、
前記横方向配置面の前記第２の測定点近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージと、
前記横方向配置面の前記第３の測定点近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージと、
前記横方向配置面の前記第４の測定点近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージと、
前記縦方向配置面の前記第１の測定点近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージと、
前記縦方向配置面の前記第２の測定点近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージと、
前記縦方向配置面の前記第３の測定点近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージと、
前記縦方向配置面の前記第４の測定点近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージと、
の８種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成され、
前記検出回路が、
前記第１属性のストレインゲージと前記第４属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第２属性のストレインゲージと前記第３属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値を出力し、
前記第１属性のストレインゲージと前記第２属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第３属性のストレインゲージと前記第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージと前記第６属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第７属性のストレインゲージと前記第８属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージと前記第８属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第６属性のストレインゲージと前記第７属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値を出力し、
前記第１属性のストレインゲージと前記第３属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第２属性のストレインゲージと前記第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２４】
ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力リングと、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に、かつ、前記受力リングの内側に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる検出リングと、
ＸＹ平面に平行な上面をもち、前記受力リングおよび前記検出リングの下方に所定間隔をおいて配置された支持基板と、
前記検出リングを所定の作用点の位置において前記受力リングに接続する接続部材と、
前記検出リングを所定の固定点の位置において前記支持基板に固定する固定部材と、
前記検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記支持基板を固定した状態において、前記受力リングに作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記作用点のＸＹ平面への投影像と前記固定点のＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成されており、
第１の作用点がＸ軸正領域に、第１の固定点がＹ軸正領域に、第２の作用点がＸ軸負領域に、第２の固定点がＹ軸負領域に、それぞれ配置されており、
Ｘ軸正領域に沿って伸びる第１の接続部材により、前記検出リングの前記第１の作用点近傍が前記受力リングに接続され、Ｘ軸負領域に沿って伸びる第２の接続部材により、前記検出リングの前記第２の作用点近傍が前記受力リングに接続されており、
前記ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、前記ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の測定点がＶ軸正領域に、第２の測定点がＷ軸正領域に、第３の測定点がＶ軸負領域に、第４の測定点がＷ軸負領域に、それぞれ配置されており、
前記受力リングおよび前記検出リングの双方が、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形のリングであり、
前記検出素子が、前記検出リングの前記第１〜第４の測定点近傍の表面に、前記検出リングの輪郭に沿った環状路に沿った方向が検出方向となるように取り付けられた複数のストレインゲージを有し、
前記検出リングの内周面および外周面のいずれか一方を横方向配置面と定義し、前記検出リングの上面および下面のいずれか一方を第１縦方向配置面、他方を第２縦方向配置面と定義したときに、前記複数のストレインゲージは、
前記横方向配置面の前記第１の測定点近傍位置に取り付けられた第１属性のストレインゲージと、
前記横方向配置面の前記第２の測定点近傍位置に取り付けられた第２属性のストレインゲージと、
前記横方向配置面の前記第３の測定点近傍位置に取り付けられた第３属性のストレインゲージと、
前記横方向配置面の前記第４の測定点近傍位置に取り付けられた第４属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第１縦方向配置面の前記第１の測定点近傍位置に取り付けられた第５属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第１縦方向配置面の前記第２の測定点近傍位置に取り付けられた第６属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第１縦方向配置面の前記第３の測定点近傍位置に取り付けられた第７属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第１縦方向配置面の前記第４の測定点近傍位置に取り付けられた第８属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第２縦方向配置面の前記第１の測定点近傍位置に取り付けられた第９属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第２縦方向配置面の前記第２の測定点近傍位置に取り付けられた第１０属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第２縦方向配置面の前記第３の測定点近傍位置に取り付けられた第１１属性のストレインゲージと、
前記検出リングの前記第２縦方向配置面の前記第４の測定点近傍位置に取り付けられた第１２属性のストレインゲージと、
の１２種類の属性をもったストレインゲージのいずれかによって構成され、
検出回路が、
前記第１属性のストレインゲージと前記第４属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第２属性のストレインゲージと前記第３属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値を出力し、
前記第１属性のストレインゲージと前記第２属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第３属性のストレインゲージと前記第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージと前記第６属性のストレインゲージとの直列接続辺と、前記第７属性のストレインゲージと前記第８属性のストレインゲージとの直列接続辺と、を第１の対辺とし、前記第９属性のストレインゲージと前記第１０属性のストレインゲージとの直列接続辺と、前記第１１属性のストレインゲージと前記第１２属性のストレインゲージとの直列接続辺と、を第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージと前記第６属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第７属性のストレインゲージと前記第８属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘの検出値を出力し、
前記第５属性のストレインゲージと前記第８属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第６属性のストレインゲージと前記第７属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値を出力し、
前記第１属性のストレインゲージと前記第３属性のストレインゲージとを第１の対辺とし、前記第２属性のストレインゲージと前記第４属性のストレインゲージとを第２の対辺とするホイートストンブリッジ回路により、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【国際調査報告】
2013014803.tif 000049
2013014803.tif 000050
2013014803.tif 000051
2013014803.tif 000052