(57)【要約】【課題】静電容量型の力覚センサにおいて、低価格かつ高感度であり、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサを提供すること。【解決手段】力覚センサ１００ｃは、受力部１４と固定部１５とを有する変形体１０と、変形体１０に接続され、変形体１０に生じる弾性変形により変位を生じる変位体２０と、変位体２０に生じる変位に基づいて、作用した力を検出する検出回路４０と、を備える。変形体１０は、長手方向ｌを有し受力部１４と固定部１５との間に配置された傾動部１３を有し、変位体２０は、傾動部１３に接続され傾動部１３の傾動によって変位する変位部Ｄ１、Ｄ２を有している。検出回路４０は、変位部Ｄ１、Ｄ２に配置された容量素子Ｃ１、Ｃ２を有しており、容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を検出するようになっている。【選択図】図７
2019060834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受力部と固定部とを有し、前記受力部に作用した力により弾性変形を生じる変形体と、  前記変形体に接続され、当該変形体に生じる弾性変形により変位を生じる変位体と、
前記変位体に生じる変位に基づいて、作用した力を検出する検出回路と、を備え、
前記変形体は、
長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に配置された傾動部と、
前記受力部と前記傾動部とを接続する第１変形部と、
前記固定部と前記傾動部とを接続する第２変形部と、を有しており、
前記第１変形部は、前記傾動部の一方の側で前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第２変形部は、前記傾動部の他方の側で前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第１変形部と前記傾動部との接続部位と、前記第２変形部と前記傾動部との接続部位とは、当該傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
前記変位体は、前記傾動部に接続されているが前記固定部から離間しており、当該傾動部の傾動によって変位する変位部を有しており、
前記検出回路は、前記変位部に配置された容量素子を有しており、当該容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を検出するようになっている
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
前記変位体に対向配置され、前記固定部に対して移動しない支持体を更に備え、
前記容量素子は、前記変位体の前記変位部に配置された変位電極と、この変位電極に対向して前記支持体上に配置された固定電極と、を有している
ことを特徴とする請求項１に記載の力覚センサ。
【請求項３】
前記変位体は、前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する梁を有している
ことを特徴とする請求項１または２に記載の力覚センサ。
【請求項４】
前記変位体の前記変位部は、前記梁に互いに異なる位置に規定された第１変位部及び第２変位部を有しており、
前記検出回路は、前記第１変位部に配置された第１容量素子と、前記第２変位部に配置された第２容量素子と、を有し、各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を検出するようになっている
ことを特徴とする請求項３に記載の力覚センサ。
【請求項５】
前記変位体は、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する接続体を有しており、
前記変位体の前記第１変位部及び前記第２変位部は、前記梁に前記接続体と前記梁との接続部位に関して対称的に配置されている
ことを特徴とする請求項４に記載の力覚センサ。
【請求項６】
前記変位体は、前記受力部に特定の方向の力が作用したときに、前記傾動部に生じる変位と前記第１変位部及び前記第２変位部のうちの一方の変位部に生じる変位とが互いに逆向きで同じ大きさであることにより、当該一方の変位部に変位が生じないようになっている
ことを特徴とする請求項４に記載の力覚センサ。
【請求項７】
前記変形体の前記傾動部の前記長手方向は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸及びＹ軸と交差する方向に延在しており、
前記変位体の前記梁は、Ｘ軸と平行に延在しており、
前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用したＸ軸方向の力及びＺ軸方向の力の少なくとも一方を検出するようになっている
ことを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項８】
前記変位体の前記梁に対向配置され、前記固定部に対して移動しない支持体を更に備え、
前記第１容量素子は、前記変位体の前記第１変位部に配置された第１変位電極と、この第１変位電極に対向して前記支持体上に配置された第１固定電極と、を有しており、
前記第２容量素子は、前記変位体の前記第２変位部に配置された第２変位電極と、この第２変位電極に対向して前記支持体上に配置された第２固定電極と、を有している
ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項９】
前記変形体の前記受力部に接続され、作用する力を受けるための受力体と、
前記変形体の前記固定部に接続された固定体と、を更に備え、
前記固定体は、前記支持体に接続されている
ことを特徴とする請求項８に記載の力覚センサ。
【請求項１０】
前記第１変位電極及び前記第２変位電極、または、前記第１固定電極及び前記第２固定電極は、共通の電極により構成されている
ことを特徴とする請求項８または９に記載の力覚センサ。
【請求項１１】
閉ループ状の変形体であって、２つの受力部と、閉ループ状の経路に沿って前記２つの受力部と交互に配置された２つの固定部と、前記閉ループ状の経路に沿って隣接する前記受力部及び前記固定部を接続し前記受力部に作用した力ないしモーメントにより弾性変形を生じる４つの変形部と、を有する変形体と、
各変形部に接続され、当該変形部に生じる弾性変形により変位を生じる４つの変位体と、
前記４つの変位体のそれぞれに生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出する検出回路と、を備え、
前記４つの変形部は、それぞれ、
長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に配置された傾動部と、
対応する前記受力部と前記傾動部とを接続する第１変形部と、
対応する前記固定部と前記傾動部とを接続する第２変形部と、を有しており、
前記第１変形部は、前記傾動部の一方の側で前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第２変形部は、前記傾動部の他方の側で前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第１変形部と前記傾動部との接続部位と、前記第２変形部と前記傾動部との接続部位とは、当該傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
前記４つの変位体は、各傾動部に１つずつ接続されているが各固定部から離間しており、それぞれ、当該傾動部の傾動によって変位する変位部を有しており、
前記検出回路は、各変位部に少なくとも１つずつ配置された、少なくとも４つの容量素子を有しており、当該少なくとも４つの容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出するようになっている
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項１２】
前記４つの変位体は、それぞれ、対応する前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する梁を有している
ことを特徴とする請求項１１に記載の力覚センサ。
【請求項１３】
前記４つの変位体の各変位部は、対応する前記梁に互いに異なる位置に規定された第１変位部及び第２変位部を有しており、
前記容量素子は、各変位体の前記第１変位部に配置された４つの第１容量素子と、各変位体の前記第２変位部に配置された４つの第２容量素子と、の合計８つの容量素子を含んでおり、
前記検出回路は、前記８つの容量素子のそれぞれの静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出するようになっている
ことを特徴とする請求項１２に記載の力覚センサ。
【請求項１４】
前記４つの変位体のうち２つは、それぞれ、対応する前記梁に互いに異なる位置に規定された第１変位部及び第２変位部を有しており、
前記４つの変位体のうち残り２つは、それぞれ、対応する前記梁に単一の変位部を有しており、
前記容量素子は、各第１変位部及び各第２変位部に１つずつ配置された４つの容量素子と、各単一の変位部に１つずつ配置された２つの容量素子と、の合計６つの容量素子を含んでおり、
前記検出回路は、前記６つの容量素子のそれぞれの静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出するようになっている
ことを特徴とする請求項１２に記載の力覚センサ。
【請求項１５】
前記第１変位部及び前記第２変位部を有する２つの変位体は、一方の前記固定部を挟んで隣接して配置されており、それぞれ、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する第１接続体を有しており、当該第１変位部及び当該第２変位部は、前記第１接続体の両側に配置されており、
前記単一の変位部を有する２つの変位体は、他方の前記固定部を挟んで隣接して配置されており、それぞれ、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する第２接続体を有しており、各変位部は、前記閉ループ状の経路において、対応する第２接続体よりも共に進んだ位置に配置されているか、または、共に後れた位置に配置されている
ことを特徴とする請求項１４に記載の力覚センサ。
【請求項１６】
前記４つの変位体のうち前記第１変位部及び前記第２変位部を有する変位体は、それぞれ、対応する前記傾動部と前記梁とを接続する第１接続体を有しており、
前記第１変位部及び前記第２変位部は、前記第１接続体と前記梁との接続部位に関して対称的に配置されている
ことを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１７】
前記４つの変位体のうち前記第１変位部及び前記第２変位部を有する変位体は、それぞれ、前記受力部に特定方向の力が作用したときに、前記傾動部に生じる変位と前記第１変位部及び前記第２変位部のうちの一方の変位部に生じる変位とが互いに逆向きで同じ大きさであることにより、当該一方の変位部に変位が生じないようになっている
ことを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項１８】
前記４つの変位体は、それぞれ、対応する前記梁に単一の変位部を有しており、
前記容量素子は、各変位部に１つずつ配置された４つの容量素子を含んでおり、
各変位体は、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する接続体を有しており、前記変形体の周方向において、各変位部は、対応する前記接続体よりも共に進んだ位置に配置されているか、または、共に後れた位置に配置されている
ことを特徴とする請求項１２に記載の力覚センサ。
【請求項１９】
前記４つの変位体は、それぞれ、対応する前記梁に単一の変位部を有しており、
前記容量素子は、各変位部に１つずつ配置された４つの容量素子を含んでおり、
各変位体は、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する接続体を有しており、
各変位部は、対応する前記接続体よりも、隣接する受力部に近接する位置に配置されている
ことを特徴とする請求項１２に記載の力覚センサ。
【請求項２０】
前記４つの変形体の各傾動部の前記長手方向は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸及びＹ軸と交差する方向に延在しており、
前記４つの変位体の各梁は、ＸＹ平面と平行に延在しており、
前記検出回路は、前記少なくとも４つの容量素子のそれぞれの静電容量値の変動量に基づいて、作用した各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントの少なくとも１つを検出するようになっている
ことを特徴とする請求項１２乃至１９のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項２１】
前記変形体の前記２つの受力部に接続され、作用した力及びモーメントを受けるための受力体と、
各変位体に対向配置され、前記変形体の前記２つの固定部に接続された固定体と、を更に備え、
各容量素子は、対応する前記梁に配置された変位電極と、この変位電極に対向して前記固定体上に配置された固定電極と、を有している
ことを特徴とする請求項１２乃至２０のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項２２】
前記閉ループ状の変形体は、矩形または円環の形状を有している
ことを特徴とする請求項１１乃至２１のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項２３】
前記閉ループ状の変形体は、ＸＹＺ三次元座標系の原点を取り囲むようにＸＹ平面上に位置付けられており、
前記２つの受力部は、Ｘ軸上に原点対称に位置付けられており、
前記２つの固定部は、Ｙ軸上に原点対称に位置付けられている
ことを特徴とする請求項１１乃至２２のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項２４】
閉ループ状の変形体であって、４つの受力部と、閉ループ状の経路に沿って前記４つの受力部と交互に配置された４つの固定部と、前記閉ループ状の経路に沿って隣接する前記受力部及び前記固定部を接続し、前記受力部に作用した力及びモーメントにより弾性変形を生じる８つの変形部と、を有する変形体と、
各変形部に接続され、当該変形部に生じる弾性変形により変位を生じる８つの変位体と、
前記８つの変位体のそれぞれに生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出する検出回路と、を備え、
前記８つの変形部は、それぞれ、
長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に配置された傾動部と、
対応する前記受力部と前記傾動部とを接続する第１変形部と、
対応する前記固定部と前記傾動部とを接続する第２変形部と、を有しており、
前記第１変形部は、前記傾動部の一方の側で前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第２変形部は、前記傾動部の他方の側で前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第１変形部と前記傾動部との接続部位と、前記第２変形部と前記傾動部との接続部位とは、当該傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
前記８つの変位体は、各傾動部に１つずつ接続されているが各固定部から離間しており、それぞれ、当該傾動部の傾動によって変位する変位部を有しており、
前記検出回路は、各変位部に少なくとも１つずつ配置された、少なくとも８つの容量素子を有しており、当該少なくとも８つの容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出するようになっている
ことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２５】
前記８つの変位体は、それぞれ、対応する前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する梁を有している
ことを特徴とする請求項２４に記載の力覚センサ。
【請求項２６】
前記８つの変位体の各変位部は、対応する前記梁の互いに異なる位置に規定された第１変位部及び第２変位部を有しており、
前記容量素子は、各変位体の前記第１変位部に配置された８個の第１容量素子と、各変位体の前記第２変位部に配置された８個の第２容量素子と、の合計１６個の容量素子を含んでおり、
前記検出回路は、前記１６個の容量素子のそれぞれの静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出するようになっている
ことを特徴とする請求項２５に記載の力覚センサ。
【請求項２７】
前記８つの変位体は、それぞれ、対応する前記傾動部と前記梁とを接続する接続体を有しており、
各変位体の前記第１変位部及び前記第２変位部は、前記接続体と前記梁との接続部位に関して対称的に配置されている
ことを特徴とする請求項２６に記載の力覚センサ。
【請求項２８】
前記８つの変位体は、それぞれ、前記受力部に特定の方向の力が作用したときに、前記傾動部に生じる変位と前記第１変位部及び前記第２変位部のうちの一方の変位部に生じる変位とが互いに逆向きで同じ大きさであることにより、当該一方の変位部に変位が生じないようになっている
ことを特徴とする請求項２６に記載の力覚センサ。
【請求項２９】
前記８つの変位体は、それぞれ、対応する前記梁に単一の変位部を有しており、
前記容量素子は、各変位部に１つずつ配置された８つの容量素子を含んでおり、
各変位体は、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する第２接続体を有しており、  前記４つの固定部のうち互いに隣接しない２つの固定部に隣接して配置された４つの変位部は、対応する前記第２接続体に関して、当該固定部の側に位置しており、
前記４つの固定部のうち残り２つの固定部に隣接して配置された４つの変位部は、対応する前記第２接続体に関して、当該固定部とは反対側に位置している
ことを特徴とする請求項２５に記載の力覚センサ。
【請求項３０】
前記８つの変形部の各傾動部の前記長手方向は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸及びＹ軸と交差する方向に延在しており、
前記８つの変形部の各第１変形部及び各第２変形部、並びに、前記８つの変位体の各梁は、Ｘ軸と平行に延在しており、
前記検出回路は、前記少なくとも８つの容量素子のそれぞれの静電容量値の変動量に基づいて、作用した各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントの少なくとも１つを検出するようになっている
ことを特徴とする請求項２５乃至２９のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項３１】
前記変形体の前記４つの受力部に接続され、作用した力及びモーメントを受けるための受力体と、
各変位体の前記梁に対向配置され、前記変形体の前記４つの固定部に接続された固定体と、を更に備え、
各容量素子は、対応する前記梁に配置された変位電極と、この変位電極に対向して前記固定体上に配置された固定電極と、を有している
ことを特徴とする請求項２５乃至３０のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項３２】
前記閉ループ状の変形体は、矩形または円環の形状を有している
ことを特徴とする請求項２５乃至３１のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項３３】
前記閉ループ状の変形体は、ＸＹＺ三次元座標系の原点を取り囲むようにＸＹ平面上に位置付けられており、
前記４つの受力部のうち２つは、Ｘ軸上に原点対称に配置されており、
前記４つの受力部のうち残り２つは、Ｙ軸上に原点対称に配置されており、
ＸＹ平面上に、原点を通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、
前記４つの固定部のうち２つは、Ｖ軸上に原点対称に配置されており、
前記４つの固定部のうち残り２つは、Ｗ軸上に原点対称に配置されている
ことを特徴とする請求項２５乃至３２のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項３４】
前記単一の変位部のみを有する前記梁は、前記第２接続体によって支持された片持ち梁として構成されている
ことを特徴とする請求項１５、１８、１９または２９に記載の力覚センサ。
【請求項３５】
前記閉ループ状の変形体は、ＸＹＺ三次元座標系の原点を取り囲むようにＸＹ平面上に位置付けられており、
前記受力体は、Ｚ軸方向から見て、少なくとも一部が前記変形体と重なるように配置されている
ことを特徴とする請求項２１または３１に記載の力覚センサ。
【請求項３６】
前記閉ループ状の変形体は、ＸＹＺ三次元座標系の原点を取り囲むようにＸＹ平面上に位置付けられており、
前記受力体は、ＸＹ平面上に前記変形体の外周を取り囲むように配置されている
ことを特徴とする請求項２１または３１に記載の力覚センサ。
【請求項３７】
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平面上に配置されており、
前記傾動部の前記長手方向は、Ｚ軸と平行な方向であり、
前記第１変形部は、前記受力部と前記傾動部のＺ軸負側の端部とを接続しており、
前記第２変形部は、前記固定部と前記傾動部のＺ軸正側の端部とを接続している
ことを特徴とする請求項１乃至３６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項３８】
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平面上に配置されており、
前記傾動部の前記長手方向は、Ｚ軸と平行な方向であり、
前記第１変形部は、前記受力部と前記傾動部のＺ軸正側の端部とを接続しており、
前記第２変形部は、前記固定部と前記傾動部のＺ軸負側の端部とを接続している
ことを特徴とする請求項１乃至３６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【請求項３９】
前記変位体は、前記変形体の前記傾動部のＺ軸負側の端部に取り付けられている
ことを特徴とする請求項３７または３８に記載の力覚センサ。
【請求項４０】
前記変位体は、前記変形体の前記傾動部のうち、当該傾動部の前記長手方向の両端部の間の中間部に取り付けられている
ことを特徴とする請求項３７または３８に記載の力覚センサ。
【請求項４１】
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平面上に配置されており、
前記傾動部の前記長手方向は、Ｚ軸と交差する方向であり、
前記第１変形部は、前記受力部と前記傾動部の一方の端部とを接続しており、
前記第２変形部は、前記固定部と前記傾動部の他方の端部とを接続している
ことを特徴とする請求項１乃至３６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサに関し、特に、所定の軸方向に作用した力及び所定の回転軸まわりに作用したトルクを電気信号として出力する機能をもったセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、所定の軸方向に作用した力及び所定の回転軸まわりに作用したトルクを電気信号として出力する機能をもった力覚センサとして、容量素子の静電容量値の変動量によって力及びトルクを検出する静電容量型の力覚センサや、歪ゲージの電気抵抗値の変動量によって力及びトルクを検出する歪ゲージ型の力覚センサなどが、商品化されている。
【０００３】
歪ゲージ式の力覚センサは、センサの製造工程において、起歪体に歪ゲージを貼付する工程が必要である。このため、センサの組み立てが複雑である。更に、歪ゲージ式の力覚センサは、過負荷によるセンサの故障を防止するためのストッパー機構を内蔵することが極めて困難であるため、限定的な用途に利用されている。
【０００４】
一方、静電容量型の力覚センサは、センサの構造が簡単であり、過負荷によるセンサの故障を防止するためのストッパー機構を内蔵することが容易である。更に、２組の平行平板によって容量素子が構成されるため、低価格化が可能である。これらの特徴から、静電容量型の力覚センサは、多くの市場で利用されている。
【０００５】
しかしながら、静電容量型の力覚センサでは、複数の容量素子についての静電容量値の和に基づいて、Ｚ軸方向の力が検出される。このような検出方法は、例えば、本出願人による特許文献１の図６及び図７に示されている。この場合、使用環境の温度変化によりセンサの出力が変動し、更に、同相ノイズの影響を受けてしまう、という問題がある。これらの問題は、もちろん、検出回路を変更することによって解決することが可能であるが、力覚センサの製造コストが上昇してしまい、望ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２８４１２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上のような問題に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、静電容量型の力覚センサにおいて、低価格かつ高感度であり、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による力覚センサの第１の態様は、
受力部と固定部とを有し、前記受力部に作用した力により弾性変形を生じる変形体と、  前記変形体に接続され、当該変形体に生じる弾性変形により変位を生じる変位体と、
前記変位体に生じる変位に基づいて、作用した力を検出する検出回路と、を備え、
前記変形体は、
長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に配置された傾動部と、
前記受力部と前記傾動部とを接続する第１変形部と、
前記固定部と前記傾動部とを接続する第２変形部と、を有しており、
前記第１変形部は、前記傾動部の一方の側で前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第２変形部は、前記傾動部の他方の側で前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第１変形部と前記傾動部との接続部位と、前記第２変形部と前記傾動部との接続部位とは、当該傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
前記変位体は、前記傾動部に接続されているが前記固定部から離間しており、当該傾動部の傾動によって変位する変位部を有しており、
前記検出回路は、前記変位部に配置された容量素子を有しており、当該容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を検出するようになっている。
【０００９】
このような構成によれば、傾動部の傾動によって変位する変位部の作用により、傾動部に生じる変位を容易に増幅させることができる。更に、変位部に複数の容量素子を配置すれば、容量素子の静電容量値の変動量の差分によって作用した力を検出することができる。すなわち、本発明によれば、低価格かつ高感度であり、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサを提供することができる。
【００１０】
以上の力覚センサは、前記変位体に対向配置され、前記固定部に対して移動しない支持体を更に備え、
前記容量素子は、前記変位体の前記変位部に配置された変位電極と、この変位電極に対向して前記支持体上に配置された固定電極と、を有していて良い。
【００１１】
この場合、容量素子を安定的に配置することができる。
【００１２】
前記変位体は、前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する梁を有していて良い。この場合、傾動部に生じる傾動を効果的に増幅させることができる。
【００１３】
前記変位体の前記変位部は、前記梁に互いに異なる位置に規定された第１変位部及び第２変位部を有しており、
前記検出回路は、前記第１変位部に配置された第１容量素子と、前記第２変位部に配置された第２容量素子と、を有し、各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を検出するようになっていて良い。
【００１４】
この場合、容量素子の静電容量値の変動量の差分によって作用した力を検出することができるため、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサを提供することができる。
【００１５】
前記変位体は、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する接続体を有しており、
前記変位体の前記第１変位部及び前記第２変位部は、前記梁に前記接続体と前記梁との接続部位に関して対称的に配置されていて良い。
【００１６】
この場合、傾動部の長手方向への変位を無視できれば、第１変位部に生じる変位と第２変位部に生じる変位とが、同じ大きさで互いに異符号となるため、作用した力を簡易な演算によって検出することができる。
【００１７】
前記変位体は、前記受力部に特定の方向の力が作用したときに、前記傾動部に生じる変位と前記第１変位部及び前記第２変位部のうちの一方の変位部に生じる変位とが互いに逆向きで同じ大きさであることにより、当該一方の変位部に変位が生じないようになっていて良い。この場合、作用した力を簡易な演算によって検出することができる。
【００１８】
前記変形体の前記傾動部の前記長手方向は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸及びＹ軸と交差する方向に延在しており、
前記変位体の前記梁は、Ｘ軸と平行に延在しており、
前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用したＸ軸方向の力及びＺ軸方向の力の少なくとも一方を検出するようになっていて良い。
【００１９】
この場合、容量素子を構成する電極をＸＹ平面と平行に配置することができるため、簡単な構造にて力覚センサを実現することができる。
【００２０】
前記変位体の前記梁に対向配置され、前記固定部に対して移動しない支持体を更に備え、
前記第１容量素子は、前記変位体の前記第１変位部に配置された第１変位電極と、この第１変位電極に対向して前記支持体上に配置された第１固定電極と、を有しており、
前記第２容量素子は、前記変位体の前記第２変位部に配置された第２変位電極と、この第２変位電極に対向して前記支持体上に配置された第２固定電極と、を有していて良い。
【００２１】
この場合、各容量素子における静電容量値の変動の挙動を安定化させることができる。
【００２２】
前記変形体の前記受力部に接続され、作用する力を受けるための受力体と、
前記変形体の前記固定部に接続された固定体と、を更に備え、
前記固定体は、前記支持体に接続されていて良い。
【００２３】
この場合、作用する力を変形体に確実に伝達することができる。
【００２４】
前記第１変位電極及び前記第２変位電極、または、前記第１固定電極及び前記第２固定電極は、共通の電極により構成されていて良い。この場合にも、作用した力を確実に検出することができる。
【００２５】
本発明による力覚センサの第２の態様は、
閉ループ状の変形体であって、２つの受力部と、閉ループ状の経路に沿って前記２つの受力部と交互に配置された２つの固定部と、前記閉ループ状の経路に沿って隣接する前記受力部及び前記固定部を接続し前記受力部に作用した力ないしモーメントにより弾性変形を生じる４つの変形部と、を有する変形体と、
各変形部に接続され、当該変形部に生じる弾性変形により変位を生じる４つの変位体と、
前記４つの変位体のそれぞれに生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出する検出回路と、を備え、
前記４つの変形部は、それぞれ、
長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に配置された傾動部と、
対応する前記受力部と前記傾動部とを接続する第１変形部と、
対応する前記固定部と前記傾動部とを接続する第２変形部と、を有しており、
前記第１変形部は、前記傾動部の一方の側で前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第２変形部は、前記傾動部の他方の側で前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第１変形部と前記傾動部との接続部位と、前記第２変形部と前記傾動部との接続部位とは、当該傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
前記４つの変位体は、各傾動部に１つずつ接続されているが各固定部から離間しており、それぞれ、当該傾動部の傾動によって変位する変位部を有しており、
前記検出回路は、各変位部に少なくとも１つずつ配置された、少なくとも４つの容量素子を有しており、当該少なくとも４つの容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出するようになっている。
【００２６】
このような構成によれば、傾動部の傾動によって変位する変位部の作用により、傾動部に生じる変位を容易に増幅させることができる。更に、複数の容量素子を用いて、それらの静電容量値の変動量の差分によって作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出することができる。すなわち、以上から、本発明によれば、低価格かつ高感度であり、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサを提供することができる。
【００２７】
前記４つの変位体は、それぞれ、対応する前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する梁を有していて良い。この場合、傾動部に生じる傾動を効果的に増幅させることができる。
【００２８】
前記４つの変位体の各変位部は、対応する前記梁に互いに異なる位置に規定された第１変位部及び第２変位部を有しており、
前記容量素子は、各変位体の前記第１変位部に配置された４つの第１容量素子と、各変位体の前記第２変位部に配置された４つの第２容量素子と、の合計８つの容量素子を含んでおり、
前記検出回路は、前記８つの容量素子のそれぞれの静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出するようになっていて良い。
【００２９】
あるいは、前記４つの変位体のうち２つは、それぞれ、対応する前記梁に互いに異なる位置に規定された第１変位部及び第２変位部を有しており、
前記４つの変位体のうち残り２つは、それぞれ、対応する前記梁に単一の変位部を有しており、
前記容量素子は、各第１変位部及び各第２変位部に１つずつ配置された４つの容量素子と、各単一の変位部に１つずつ配置された２つの容量素子と、の合計６つの容量素子を含んでおり、
前記検出回路は、前記６つの容量素子のそれぞれの静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出するようになっていて良い。
【００３０】
これらの場合、複数の容量素子を用いて、それらの静電容量値の変動量の差分によって作用した力及びモーメントの少なくとも一方を高精度に検出することができる。
【００３１】
更に、前記第１変位部及び前記第２変位部を有する２つの変位体は、一方の前記固定部を挟んで隣接して配置されており、それぞれ、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する第１接続体を有しており、当該第１変位部及び当該第２変位部は、前記第１接続体の両側に配置されており、
前記単一の変位部を有する２つの変位体は、他方の前記固定部を挟んで隣接して配置されており、それぞれ、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する第２接続体を有しており、各変位部は、前記閉ループ状の経路において、対応する第２接続体よりも共に進んだ位置に配置されているか、または、共に後れた位置に配置されていて良い。
【００３２】
この場合にも、複数の容量素子を用いて、それらの静電容量値の変動量の差分によって作用した力及びモーメントの少なくとも一方を高精度に検出することができる。
【００３３】
前記４つの変位体のうち前記第１変位部及び前記第２変位部を有する変位体は、それぞれ、対応する前記傾動部と前記梁とを接続する第１接続体を有しており、
前記第１変位部及び前記第２変位部は、前記第１接続体と前記梁との接続部位に関して対称的に配置されていて良い。
【００３４】
この場合、傾動部の長手方向への変位を無視できれば、第１変位部に生じる変位と第２変位部に生じる変位とが、同じ大きさで互いに異符号となるため、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を簡易な演算によって検出することができる。
【００３５】
あるいは、前記４つの変位体のうち前記第１変位部及び前記第２変位部を有する変位体は、それぞれ、前記受力部に特定方向の力が作用したときに、前記傾動部に生じる変位と前記第１変位部及び前記第２変位部のうちの一方の変位部に生じる変位とが互いに逆向きで同じ大きさであることにより、当該一方の変位部に変位が生じないようになっていて良い。
【００３６】
あるいは、前記４つの変位体は、それぞれ、対応する前記梁に単一の変位部を有しており、
前記容量素子は、各変位部に１つずつ配置された４つの容量素子を含んでおり、
各変位体は、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する接続体を有しており、前記変形体の周方向において、各変位部は、対応する前記接続体よりも共に進んだ位置に配置されているか、または、共に後れた位置に配置されていて良い。
【００３７】
あるいは、前記４つの変位体は、それぞれ、対応する前記梁に単一の変位部を有しており、
前記容量素子は、各変位部に１つずつ配置された４つの容量素子を含んでおり、
各変位体は、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する接続体を有しており、
各変位部は、対応する前記接続体よりも、隣接する受力部に近接する位置に配置されていて良い。
【００３８】
これらの場合にも、傾動部がその長手方向に沿って変位した際に、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を簡易な演算によって検出することができる。
【００３９】
前記４つの変形体の各傾動部の前記長手方向は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸及びＹ軸と交差する方向に延在しており、
前記４つの変位体の各梁は、ＸＹ平面と平行に延在しており、
前記検出回路は、前記少なくとも４つの容量素子のそれぞれの静電容量値の変動量に基づいて、作用した各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントの少なくとも１つを検出するようになっていて良い。
【００４０】
この場合、容量素子を構成する電極をＸＹ平面と平行に配置することができるため、簡単な構造にて力覚センサを実現することができる。
【００４１】
また、力覚センサは、前記変形体の前記２つの受力部に接続され、作用した力及びモーメントを受けるための受力体と、
各変位体に対向配置され、前記変形体の前記２つの固定部に接続された固定体と、を更に備え、
各容量素子は、対応する前記梁に配置された変位電極と、この変位電極に対向して前記固定体上に配置された固定電極と、を有していて良い。
【００４２】
この場合、作用する力及びモーメントを変形体に確実に伝達することができる。
【００４３】
前記閉ループ状の変形体は、矩形または円環の形状を有していて良い。この場合、変形体が対称的な構造になるため、作用した力及びモーメントを検出するための演算が容易である。
【００４４】
前記閉ループ状の変形体は、ＸＹＺ三次元座標系の原点を取り囲むようにＸＹ平面上に位置付けられており、
前記２つの受力部は、Ｘ軸上に原点対称に位置付けられており、
前記２つの固定部は、Ｙ軸上に原点対称に位置付けられていて良い。
【００４５】
この場合、各容量素子が対称的に配置されるため、作用した力及びモーメントを検出するための演算が一層容易である。
【００４６】
本発明による力覚センサの第３の態様は、
閉ループ状の変形体であって、４つの受力部と、閉ループ状の経路に沿って前記４つの受力部と交互に配置された４つの固定部と、前記閉ループ状の経路に沿って隣接する前記受力部及び前記固定部を接続し、前記受力部に作用した力及びモーメントにより弾性変形を生じる８つの変形部と、を有する変形体と、
各変形部に接続され、当該変形部に生じる弾性変形により変位を生じる８つの変位体と、
前記８つの変位体のそれぞれに生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出する検出回路と、を備え、
前記８つの変形部は、それぞれ、
長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に配置された傾動部と、
対応する前記受力部と前記傾動部とを接続する第１変形部と、
対応する前記固定部と前記傾動部とを接続する第２変形部と、を有しており、
前記第１変形部は、前記傾動部の一方の側で前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第２変形部は、前記傾動部の他方の側で前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第１変形部と前記傾動部との接続部位と、前記第２変形部と前記傾動部との接続部位とは、当該傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
前記８つの変位体は、各傾動部に１つずつ接続されているが各固定部から離間しており、それぞれ、当該傾動部の傾動によって変位する変位部を有しており、
前記検出回路は、各変位部に少なくとも１つずつ配置された、少なくとも８つの容量素子を有しており、当該少なくとも８つの容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出するようになっている。
【００４７】
このような構成によれば、傾動部の傾動によって変位する変位部の作用により、傾動部に生じる変位を容易に増幅させることができる。更に、複数の容量素子を用いて、それらの静電容量値の変動量の差分によって作用した力を検出することができる。すなわち、本発明によれば、低価格かつ高感度であり、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサを提供することができる。
【００４８】
前記８つの変位体は、それぞれ、対応する前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する梁を有していて良い。この場合、傾動部に生じる傾動を効果的に増幅させることができる。
【００４９】
前記８つの変位体の各変位部は、対応する前記梁の互いに異なる位置に規定された第１変位部及び第２変位部を有しており、
前記容量素子は、各変位体の前記第１変位部に配置された８個の第１容量素子と、各変位体の前記第２変位部に配置された８個の第２容量素子と、の合計１６個の容量素子を含んでおり、
前記検出回路は、前記１６個の容量素子のそれぞれの静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出するようになっていて良い。
【００５０】
この場合、複数の容量素子を用いて、それらの静電容量値の変動量の差分によって作用した力を高精度に検出することができる。
【００５１】
前記８つの変位体は、それぞれ、対応する前記傾動部と前記梁とを接続する接続体を有しており、
各変位体の前記第１変位部及び前記第２変位部は、前記接続体と前記梁との接続部位に関して対称的に配置されていて良い。
【００５２】
この場合、傾動部がその長手方向に沿って変位しなければ、第１変位部に生じる変位と第２変位部に生じる変位とが、同じ大きさで互いに異符号となるため、作用した力を簡易な演算によって検出することができる。
【００５３】
前記８つの変位体は、それぞれ、前記受力部に特定の方向の力が作用したときに、前記傾動部に生じる変位と前記第１変位部及び前記第２変位部のうちの一方の変位部に生じる変位とが互いに逆向きで同じ大きさであることにより、当該一方の変位部に変位が生じないようになっていて良い。
【００５４】
この場合、傾動部がその長手方向に沿って変位した際に、第１変位部または第２変位部を実質的に変位しないような位置に配置しておくことにより、作用した力を簡易な演算によって検出することができる。
【００５５】
前記８つの変位体は、それぞれ、対応する前記梁に単一の変位部を有しており、
前記容量素子は、各変位部に１つずつ配置された８つの容量素子を含んでおり、
各変位体は、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する第２接続体を有しており、  前記４つの固定部のうち互いに隣接しない２つの固定部に隣接して配置された４つの変位部は、対応する前記第２接続体に関して、当該固定部の側に位置しており、
前記４つの固定部のうち残り２つの固定部に隣接して配置された４つの変位部は、対応する前記第２接続体に関して、当該固定部とは反対側に位置していて良い。
【００５６】
この場合も、傾動部がその長手方向に沿って変位した際に、第１変位部または第２変位部を実質的に変位しないような位置に配置しておくことにより、作用した力を簡易な演算によって検出することができる。
【００５７】
前記８つの変形部の各傾動部の前記長手方向は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸及びＹ軸と交差する方向に延在しており、
前記８つの変形部の各第１変形部及び各第２変形部、並びに、前記８つの変位体の各梁は、Ｘ軸と平行に延在しており、
前記検出回路は、前記少なくとも８つの容量素子のそれぞれの静電容量値の変動量に基づいて、作用した各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントの少なくとも１つを検出するようになっていて良い。
【００５８】
この場合、容量素子を構成する電極をＸＹ平面と平行に配置することができるため、簡単な構造にて力覚センサを実現することができる。
【００５９】
前記変形体の前記４つの受力部に接続され、作用した力及びモーメントを受けるための受力体と、
各変位体の前記梁に対向配置され、前記変形体の前記４つの固定部に接続された固定体と、を更に備え、
各容量素子は、対応する前記梁に配置された変位電極と、この変位電極に対向して前記固定体上に配置された固定電極と、を有していて良い。
【００６０】
この場合、作用する力を確実に変形体に伝達することができる。
【００６１】
前記閉ループ状の変形体は、矩形または円環の形状を有していて良い。この場合、変形体が対称的な構造になるため、作用した力を検出するための演算が容易である。
【００６２】
前記閉ループ状の変形体は、ＸＹＺ三次元座標系の原点を取り囲むようにＸＹ平面上に位置付けられており、
前記４つの受力部のうち２つは、Ｘ軸上に原点対称に配置されており、
前記４つの受力部のうち残り２つは、Ｙ軸上に原点対称に配置されており、
ＸＹ平面上に、原点を通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、
前記４つの固定部のうち２つは、Ｖ軸上に原点対称に配置されており、
前記４つの固定部のうち残り２つは、Ｗ軸上に原点対称に配置されていて良い。
【００６３】
この場合、変形体が高い対称性を有することにより、作用した力を検出するための演算が一層容易である。
【００６４】
前記単一の変位部のみを有する前記梁は、前記第２接続体によって支持された片持ち梁として構成されていて良い。この場合、力覚センサの構造を簡素化することができる。
【００６５】
前記閉ループ状の変形体は、ＸＹＺ三次元座標系の原点を取り囲むようにＸＹ平面上に位置付けられており、
前記受力体は、Ｚ軸方向から見て、少なくとも一部が前記変形体と重なるように配置されていて良い。
【００６６】
この場合、Ｚ軸方向から見て、変形体の外寸とセンサの外寸とが略同じ大きさになるため、力覚センサを小型に設計することができる。
【００６７】
あるいは、前記閉ループ状の変形体は、ＸＹＺ三次元座標系の原点を取り囲むようにＸＹ平面上に位置付けられており、
前記受力体は、ＸＹ平面上に前記変形体の外周を取り囲むように配置されていても良い。
【００６８】
この場合、変形体と受力体とが同一平面上に配置されるため、力覚センサのＺ軸方向の寸法を小さく（薄く）設計することができる。
【００６９】
以上の力覚センサにおいて、
前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平面上に配置されており、
前記傾動部の前記長手方向は、Ｚ軸と平行な方向であり、
前記第１変形部は、前記受力部と前記傾動部のＺ軸負側の端部とを接続しており、
前記第２変形部は、前記固定部と前記傾動部のＺ軸正側の端部とを接続していて良い。
【００７０】
あるいは、前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平面上に配置されており、
前記傾動部の前記長手方向は、Ｚ軸と平行な方向であり、
前記第１変形部は、前記受力部と前記傾動部のＺ軸正側の端部とを接続しており、
前記第２変形部は、前記固定部と前記傾動部のＺ軸負側の端部とを接続していて良い。
【００７１】
これらの場合、受力部に作用する力によって、傾動部を効果的に傾動させることができる。
【００７２】
前記変位体は、前記変形体の前記傾動部のＺ軸負側の端部に取り付けられていて良い。
【００７３】
あるいは、前記変位体は、前記変形体の前記傾動部のうち、当該傾動部の前記長手方向の両端部の間の中間部に取り付けられていても良い。
【００７４】
いずれの場合にも、傾動部の傾動が梁に確実に伝達され得る。
【００７５】
あるいは、前記変形体は、ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平面上に配置されており、
前記傾動部の前記長手方向は、Ｚ軸と交差する方向であり、
前記第１変形部は、前記受力部と前記傾動部の一方の端部とを接続しており、
前記第２変形部は、前記固定部と前記傾動部の他方の端部とを接続していても良い。
【００７６】
このような構成であっても、受力部に作用した力によって、傾動部が確実に傾動され得る。
【発明の効果】
【００７７】
本発明によれば、低価格かつ高感度であり、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の一実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略正面図である。
【図２】図１の概略上面図である。
【図３】受力部に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの基本構造の変形状態を示す概略正面図である。
【図４】受力部に対してＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの基本構造の変形状態を示す概略正面図である。
【図５】受力部に対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの基本構造の変形状態を示す概略正面図である。
【図６】受力部に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの基本構造の変形状態を示す概略正面図である。
【図７】図１に示す基本構造を採用した力覚センサの例を示す概略正面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略上面図である。
【図９】図８のＹ軸正側から見た基本構造を示す概略正面図である。
【図１０】図８のＸ軸正側から見た基本構造を示す概略側面図である。
【図１１】受力部にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときに、図８の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。
【図１２】受力部にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときに、図８の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。
【図１３】受力部にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、図８の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。
【図１４】受力部にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときに、図８の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。
【図１５】受力部にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときに、図８の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。
【図１６】受力部にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときに、図８の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。
【図１７】受力部にＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力及び各軸方向のモーメントが作用したときに図８の基本構造の各変位体に生じる変位を一覧で示す図表である。
【図１８】図８に示す基本構造を採用した力覚センサの例を示す概略上面図である。
【図１９】Ｙ軸正側から見たときの、図１８に示す力覚センサを示す概略正面図である。
【図２０】受力部にＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の増減を一覧で示す図表である。
【図２１】図１８に示す力覚センサについて、各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントの他軸感度を一覧で示す図表である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態による力覚センサを示す概略上面図である。
【図２３】図２２に示す力覚センサに力及びモーメントの４つの成分が作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動を一覧で示す図表である。
【図２４】図２２に示す力覚センサについて、力及びモーメントの４つの成分の他軸感度を一覧で示す図表である。
【図２５】図２２の変形例による力覚センサを示す概略上面図である。
【図２６】本発明の第４の実施の形態による力覚センサを示す概略上面図である。
【図２７】図２６に示す力覚センサに力及びモーメントの４つの成分が作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動を一覧で示す図表である。
【図２８】図２６の変形例による力覚センサを示す概略上面図である。
【図２９】本発明の第５の実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略上面図である。
【図３０】図２９のＹ軸正側から見た基本構造を示す概略側面図である。
【図３１】受力体にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときに、図２９の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。
【図３２】受力体にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、図２９の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。
【図３３】受力体にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときに、図２９の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。
【図３４】受力体にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときに、図２９の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。
【図３５】受力部にＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力及び各軸方向のモーメントが作用したときに図２９の基本構造の各傾動部の傾動の向きと、各変位部に生じる変位とを、一覧で示す図表である。
【図３６】図２９の基本構造を用いた本発明の第５の実施の形態による力覚センサを示す概略上面図である。
【図３７】図３６のＸ軸正側から見た力覚センサを示す概略側面図である。
【図３８】図３６に示す力覚センサに力及びモーメントの６つの成分が作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動を一覧で示す図表である。
【図３９】図３６に示す力覚センサについて、力及びモーメントの４つの成分の他軸感度を一覧で示す図表である。
【図４０】本発明の第６の実施の形態による力覚センサを示す概略上面図である。
【図４１】Ｙ軸正側から見たときの、図４０に示す力覚センサを示す概略正面図である。
【図４２】図４０に示す力覚センサに力及びモーメントの６つの成分が作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動を一覧で示す図表である。
【図４３】図４０に示す力覚センサについて、力及びモーメントの６つの成分の他軸感度を一覧で示す図表である。
【図４４】本発明の第７の実施の形態による力覚センサを示す概略上面図である。
【図４５】受力部にＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力及び各軸方向のモーメントが作用したときに図４４に示す力覚センサの各傾動部の傾動の向きと、各変位部に生じる変位とを、一覧で示す図表である。
【図４６】図４４の変形例による力覚センサを示す概略上面図である。
【図４７】本発明の第８の実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略上面図である。
【図４８】図４７の概略上面図である。
【図４９】受力部に対してＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの基本構造の変形状態を示す概略正面図である。
【図５０】図４７の変形例による力覚センサに各軸方向及び各軸まわりのモーメントが作用したときに生じる容量素子の静電容量値の変動を一覧で示す図表である。
【図５１】図５０に対応する力覚センサについて、力及びモーメントの６つの成分の他軸感度を一覧で示す図表である。
【図５２】図５０に対応する力覚センサについて、図５１の場合とは異なる式によって算出した場合の成分の他軸感度を一覧で示す図表である。
【図５３】図４７の更なる変形例による力覚センサに各軸方向及び各軸まわりのモーメントが作用したときに生じる容量素子の静電容量値の変動を一覧で示す図表である。
【図５４】図５３に対応する力覚センサについて、力及びモーメントの６つの成分の他軸感度を一覧で示す図表である。
【図５５】受力体が変形体の外周側に配置された力覚センサの基本構造の一例を示す概略断面図である。
【図５６】第１の実施の形態による力覚センサの変形例を示す概略側面図である。
【図５７】図５６の更なる変形例を示す概略側面図である。
【図５８】図５６の更なる変形例を示す概略側面図である。
【図５９】図１８の変形例による力覚センサを示す概略上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００７９】
＜＜＜  §１．  本発明の第１の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
＜  １−１．  基本構造の構成  ＞
添付の図面を参照して、本発明の第１の実施の形態による力覚センサについて説明する。
【００８０】
図１は、本発明の一実施の形態による力覚センサの基本構造１００を示す概略正面図であり、図２は、その概略上面図である。ここでは、図１及び図２に示すようにＸＹＺ三次元座標系を定義して以下の説明を行うこととする。
【００８１】
図１及び図２に示すように、基本構造１００は、受力部１４と固定部１５とを有し、受力部１４に作用した力により弾性変形を生じる変形体１０と、変形体１０に接続され、当該変形体１０に生じる弾性変形により変位を生じる変位体２０と、を備えている。受力部１４は、検出対象となる力を受けるための部位であり、固定部１５は、受力部１４に力が作用しても変位しない部位である。
【００８２】
本実施の形態において、図１及び図２に示すように、変形体１０は、Ｚ軸と平行な長手方向ｌを有し受力部１４と固定部１５との間に配置された傾動部１３と、受力部Ｐと傾動部１３とを接続する第１変形部１１と、固定部１５と傾動部１３とを接続する第２変形部１２と、を有している。図示されるように、第１変形部１１は、傾動部１３の一方の側（図１及び図２における左方）で長手方向ｌと交差する方向に延在している。一方、第２変形部１２は、傾動部１３の他方の側（図１及び図２における右方）で長手方向ｌと交差する方向に延在している。図示される例では、長手方向ｌと交差する方向とは、Ｘ軸方向である。
【００８３】
更に、第１変形部１１と傾動部１３との接続部位Ｒ１と、第２変形部１２と傾動部１３との接続部位Ｒ２とは、傾動部１３の長手方向ｌにおいて位置が異なっている。具体的には、接続部位Ｒ１は、傾動部１３のＺ軸負側の端部（図１における下端部）の近傍に位置しており、接続部位Ｒ２は、傾動部１３のＺ軸正側の端部（図１における上端部）の近傍に位置している。
【００８４】
図１及び図２に示すように、受力部１４及び固定部１５は、共にＺ軸と平行に延在している。受力部１４、傾動部１３及び固定部１５の各上端部は、Ｚ軸方向の位置が互いに同一である。また、受力部１４及び傾動部１３の各下端部も、Ｚ軸方向の位置が互いに同一である。そして、受力部１４、の下端部と傾動部１３の下端部とが、Ｘ軸と平行に延在する第１変形部１１によって接続されており、傾動部１３の上端部と固定部１５の上端部とが、Ｘ軸と平行に延在する第２変形部１２によって接続されている。更に、固定部１５は、その下端部が、所定の間隔を空けて傾動部１３に対向配置された支持体５０に接続されている。
【００８５】
変位体２０は、図１及び図２に示すように、傾動部１３の下端に取り付けられた接続体２２を介して当該傾動部１３に接続された梁２１を有している。この梁２１は、傾動部１３の長手方向ｌと直交する方向に延在しており、Ｙ軸方向から見て、左右対称の形状を有している。梁２１は、変形体１０の固定部１５及び受力部１４から離間しており、当該梁２１の傾動（回動）が固定部１５及び受力部１４によって妨げられないようになっている。梁２１には、当該梁２１と接続体２２との接続部位に関して対称的に、第１変位部Ｄ１及び第２変位部Ｄ２が規定されている。後述されるように、これら第１変位部Ｄ１及び第２変位部Ｄ２にそれぞれ容量素子が配置され、受力部１４に作用した力が検出されることになる。
【００８６】
＜  １−２．  基本構造の作用  ＞
次に、以上のような基本構造１００の作用について説明する。
【００８７】
図３は、受力部１４に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの基本構造１００の変形状態を示す概略正面図であり、図４は、受力部１４に対してＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの基本構造１００の変形状態を示す概略正面図であり、図５は、受力部１４に対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの基本構造１００の変形状態を示す概略正面図であり、図６は、受力部１４に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの基本構造１００の変形状態を示す概略正面図である。
【００８８】
（１−２−１．力＋Ｆｘが作用した場合）
受力部１４に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、傾動部１３の下端近傍の接続部位Ｒ１にはＸ軸正方向（図３における右方向）に力が作用し、傾動部１３の上端近傍の接続部位Ｒ２には、作用した力＋Ｆｘの反作用として、Ｘ軸負方向（図３における左方向）に力が作用する。これらの力の作用によって、図３に示すように、傾動部１３は、反時計回りに傾動する。もちろん、作用した力＋Ｆｘの作用によって、第１変形部１１及び第２変形部１２は共に圧縮変形されるため、傾動部１３は、全体として、わずかにＸ軸正方向に変位する。
【００８９】
このような傾動部１３の傾動によって、図３に示すように、傾動部１３の下端に接続された梁２１も反時計回りに傾動する。これにより、梁２１の第１変位部Ｄ１は、支持体５０との間の離間距離が減少する方向（図３における下方）に変位し、第２変位部Ｄ２は、支持体５０との間の離間距離が増大する方向（図３における上方）に変位する。
【００９０】
（１−２−２．力−Ｆｘが作用した場合）
次に、受力部１４に対してＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用すると、傾動部１３の下端近傍の接続部位Ｒ１にはＸ軸負方向（図４における左方向）に力が作用し、傾動部１３の上端近傍の接続部位Ｒ２には、作用した力−Ｆｘの反作用として、Ｘ軸正方向（図４における右方向）に力が作用する。これらの力の作用によって、図４に示すように、傾動部１３は、時計回りに傾動する。もちろん、作用した力−Ｆｘの作用によって、第１変形部１１及び第２変形部１２は共に引張変形されるため、傾動部１３は、全体として、わずかにＸ軸負方向に変位する。
【００９１】
このような傾動部１３の傾動によって、図４に示すように、傾動部１３の下端に接続された梁２１も、時計回りに傾動する。これにより、梁２１の第１変位部Ｄ１は、支持体５０との間の離間距離が増大する方向（図４における上方）に変位し、第２変位部Ｄ２は、支持体５０との間の離間距離が減少する方向（図４における下方）に変位する。
【００９２】
（１−２−３．力−Ｆｚが作用した場合）
次に、受力部１４に対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、傾動部１３の左下端の接続部位Ｒ１にはＺ軸負方向（図５における下方向）に力が作用し、傾動部１３の右上端の接続部位Ｒ２には、作用した力−Ｆｚの反作用として、Ｚ軸正方向（図５における上方向）に力が作用する。これらの力の作用によって、図５に示すように、傾動部１３は、反時計回りに傾動する。更に、作用した力−Ｆｚの作用によって、第１変形部１１を介して傾動部１３がＺ軸負方向へ引き下げられるため、当該傾動部１３は、全体として、わずかにＺ軸負方向に変位する。
【００９３】
傾動部１３の傾動によって、図５に示すように、傾動部１３の下端に接続された梁２１も、反時計回りに傾動する。これにより、梁２１の第１変位部Ｄ１は、支持体５０との間の離間距離が減少する方向（図５における下方）に変位し、第２変位部Ｄ２は、支持体５０との間の離間距離が増大する方向（図５における上方）に変位する。
【００９４】
なお、梁２１の長さによっては、第２変位部Ｄ２のＺ軸正方向への変位が梁２１全体のＺ軸負方向への変位よりも小さくなり、第２変位部Ｄ２も、支持体５０との間の離間距離が減少する、ということも想定される。しかしながら、ここでは、梁２１は十分な長さを有しており、そのような状況は生じないものとする。
【００９５】
（１−２−４．力＋Ｆｚが作用した場合）
次に、受力部１４に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、傾動部１３の左下端の接続部位Ｒ１にはＺ軸正方向（図６における上方向）に力が作用し、傾動部１３の右上端の接続部位Ｒ２には、作用した力＋Ｆｚの反作用として、Ｚ軸負向（図６における下方向）に力が作用する。これらの力の作用によって、図６に示すように、傾動部１３は、時計回りに傾動する。もちろん、作用した力＋Ｆｚの作用によって、第１変形部１１を介して傾動部１３がＺ軸正方向へ引き上げられるため、当該傾動部１３は、全体として、わずかにＺ軸正方向に変位する。
【００９６】
このような傾動部１３の傾動によって、図６に示すように、傾動部１３の下端に接続された梁２１も、時計回りに傾動する。これにより、梁２１の第１変位部Ｄ１は、支持体５０との間の離間距離が増大する方向（図６における上方）に変位し、第２変位部Ｄ２は、支持体５０との間の離間距離が減少する方向（図６おける下方）に変位する。
【００９７】
なお、梁２１の長さによっては、第２変位部Ｄ２のＺ軸負方向への変位が梁２１全体のＺ軸正方向への変位よりも小さくなり、第２変位部Ｄ２も、支持体５０との間の離間距離が増大する、ということも想定される。しかしながら、ここでは、梁２１は十分な長さを有しており、そのような状況は生じないものとする。
【００９８】
以上のいずれの場合においても、第１変位部Ｄ１及び第２変位部Ｄ２に生じる変位は、傾動部１３の下端に生じる変位よりも大きい。すなわち、梁２１の存在によって、傾動部１３の下端部に生じる変位が、梁２１の各変位部Ｄ１、Ｄ２においてＺ軸方向の変位として増幅されて取り出されることになる。
【００９９】
＜  １−３．  力覚センサの構成  ＞
次に、１−１、１−２において説明した基本構造１００を有する力覚センサ１００ｃの構成について説明する。
【０１００】
図７は、図１に示す基本構造１００を採用した力覚センサ１００ｃの例を示す概略正面図である。
【０１０１】
図７に示すように、力覚センサ１００ｃは、上述した基本構造１００と、基本構造１００の梁２１の第１変位部Ｄ１及び第２変位部Ｄ２に生じる変位に基づいて、作用した力を検出する検出回路４０と、を有している。本実施の形態の検出回路４０は、図７に示すように、第１変位部Ｄ１に配置された第１容量素子Ｃ１と、第２変位部Ｄ２に配置された第２容量素子Ｃ２と、これらの容量素子Ｃ１、Ｃ２に接続され、当該容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を計測する計測部４１と、を有している。
【０１０２】
図７に示すように、第１容量素子Ｃ１は、梁２１の第１変位部Ｄ１上に絶縁体を介して配置された第１変位電極Ｅｍ１と、支持体５０上に絶縁体を介して第１変位電極Ｅｍ１と対向するように配置された第１固定電極Ｅｆ１と、を有している。また、第２容量素子Ｃ２は、梁２１の第２変位部Ｄ２上に絶縁体を介して配置された第２変位電極Ｅｍ２と、支持体５０上に絶縁体を介して第２変位電極Ｅｍ２と対向するように配置された第２固定電極Ｅｆ２と、を有している。これらの容量素子Ｃ１、Ｃ２は、図７には明確には図示されていないが、所定の回路によって計測部４１に接続されており、各容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値が計測部４１に提供されるようになっている。
【０１０３】
なお、図面においては、第１変位電極Ｅｍ１、第２変位電極Ｅｍ２、第１固定電極Ｅｆ１及び第２固定電極Ｅｆ２は、それぞれ個別の電極によって構成されているが、他の実施の形態においては、第１変位電極Ｅｍ１及び第２変位電極Ｅｍ２、または、第１固定電極Ｅｆ１及び第２固定電極Ｅｆ２は、共通の電極で構成されていても良い。このことは、§２以降で説明する他の実施の形態においても同様である。
【０１０４】
＜  １−４．  力覚センサの作用  ＞
次に、１−３．で説明した力覚センサ１００ｃの作用について説明する。
【０１０５】
（１−４−１．力Ｆｘが作用した場合）
力覚センサ１００ｃの受力部１４にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、１−２．において図３を参照して説明した梁２１の挙動から理解されるように、第１容量素子Ｃ１においては、第１変位電極Ｅｍ１と第１固定電極Ｅｆ１との離間距離が減少し、第２容量素子Ｃ２においては、第２変位電極Ｅｍ２と第２固定電極Ｅｆ２との離間距離が増大する。すなわち、第１容量素子Ｃ１の静電容量値は増大し、第２容量素子Ｃ２の静電容量値は減少する。
【０１０６】
本実施の形態では、第１変位部Ｄ１及び第２変位部Ｄ２の配置から理解されるように、第１容量素子Ｃ１と第２容量素子Ｃ２とが梁２１の傾動の中心から互いに等距離に配置されている。このため、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ１｜）と、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ２｜）とは、互いに等しい。このため、｜ΔＣ１｜＝｜ΔＣ２｜＝ΔＣとすると、力＋Ｆｘが作用したときの第１容量素子Ｃ１及び第２容量素子Ｃ２の各静電容量値Ｃ１ａ、Ｃ２ａは、次の［式１］で表される。
［式１］において、Ｃ１及びＣ２は、力が作用していないときの第１及び第２容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値をそれぞれ示している。なお、このことは、以下の各式において同様である。
［式１］
Ｃ１ａ＝Ｃ１＋ΔＣ
Ｃ２ａ＝Ｃ２−ΔＣ
【０１０７】
このような静電容量値の変動に基づいて、計測部４１は、作用した力＋Ｆｘを次の［式２］により計測する。［式２］において、力と静電容量値とが「＝」で結ばれているが、これらは互いに異なる物理量であるため、実際には所定の変換がなされた上で力＋Ｆｘが計測される。この表記法については、［式２］に限られず、これ以降の各式において共通している。
［式２］
＋Ｆｘ＝Ｃ１−Ｃ２
【０１０８】
次に、力覚センサ１００ｃの受力部１４にＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用すると、１−２において図４を参照して説明した梁２１の挙動から理解されるように、第１容量素子Ｃ１においては、第１変位電極Ｅｍ１と第１固定電極Ｅｆ１との離間距離が増大し、第２容量素子Ｃ２においては、第２変位電極Ｅｍ２と第２固定電極Ｅｆ２との離間距離が減少する。すなわち、第１容量素子Ｃ１の静電容量値は減少し、第２容量素子Ｃ２の静電容量値は増大する。結局、ここでは、先に説明した力＋Ｆｘが作用した場合において、符号を全て逆にして考えればよい。
【０１０９】
したがって、計測部４１は、作用した力−Ｆｘを次の［式２］により計測する。
［式３］
−Ｆｘ＝Ｃ２−Ｃ１
【０１１０】
結局、［式２］と［式３］は同じ演算式であり、いずれの場合も、作用した力Ｆｘは、Ｆｘ＝Ｃ１−Ｃ２で計測される。
【０１１１】
（１−４−２．力Ｆｚが作用した場合）
次に、力覚センサ１００ｃの受力部１４にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、１−２において図５を参照して説明した梁２１の挙動から理解されるように、第１容量素子Ｃ１においては、第１変位電極Ｅｍ１と第１固定電極Ｅｆ１との離間距離が減少し、第２容量素子Ｃ２においては、第２変位電極Ｅｍ２と第２固定電極Ｅｆ２との離間距離が増大する。すなわち、第１容量素子Ｃ１の静電容量値は増大し、第２容量素子Ｃ２の静電容量値は減少する。
【０１１２】
より詳細には、力−Ｆｚが作用したときに第１変位部Ｄ１に生じる変位は、前述した傾動部１３の全体的なＺ軸負方向への変位と、梁２１の傾動によるＺ軸負方向への変位と、の和であり、第２変位部Ｄ２に生じる変位は、傾動部１３の当該変位と、梁２１の傾動によるＺ軸正方向への変位と、の和である。つまり、各容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変動についてより正確に記述すれば、第１容量素子Ｃ１においては、梁２１の傾動による変位に傾動部１３の全体的なＺ軸負方向への変位が加わるため、第１変位電極Ｅｍ１と第１固定電極Ｅｆ１との離間距離は大きく減少する。一方、第２容量素子Ｃ２においては、梁２１の傾動による変位が傾動部１３の全体的なＺ軸負方向への変位によって相殺されるため、第２変位電極Ｅｍ２と第２固定電極Ｅｆ２との離間距離が僅かに増大する。
【０１１３】
但し、前述したように、簡単のため、傾動部１３のＺ軸方向の長さ（高さ）に対して梁２１のＺ軸方向の長さが十分に大きいものとしているため、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ１｜）と、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ２｜）とは、実質的に等しいと考えて良い。このため、｜ΔＣ１｜＝｜ΔＣ２｜＝ΔＣとすると、力−Ｆｚが作用したときの第１容量素子Ｃ１及び第２容量素子Ｃ２の各静電容量値Ｃ１ｂ、Ｃ２ｂは、次の［式４］で表される。
［式４］
Ｃ１ｂ＝Ｃ１−ΔＣ
Ｃ２ｂ＝Ｃ２＋ΔＣ
【０１１４】
このような静電容量値の変動に基づいて、計測部４１は、作用した力−Ｆｚを次の［式５］により計測する。
［式５］
−Ｆｚ＝Ｃ１−Ｃ２
【０１１５】
次に、力覚センサ１００ｃの受力部１４にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、１−２において図６を参照して説明した梁２１の挙動から理解されるように、第１容量素子Ｃ１においては、第１変位電極Ｅｍ１と第１固定電極Ｅｆ１との離間距離が増大し、第２容量素子Ｃ２においては、第２変位電極Ｅｍ２と第２固定電極Ｅｆ２との離間距離が減少する。すなわち、第１容量素子Ｃ１の静電容量値は減少し、第２容量素子Ｃ２の静電容量値は増大する。ここでも、力−Ｆｚが作用した場合と同様に、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ１｜）と、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ２｜）とは、実質的に等しいと考えて良い。
【０１１６】
このため、以上の静電容量値の変動に基づいて、計測部４１は、作用した力＋Ｆｚを次の［式６］により計測する。
［式６］
＋Ｆｚ＝Ｃ２−Ｃ１
【０１１７】
結局、［式５］と［式６］は同じ演算式であり、いずれの場合も、作用した力Ｆｚは、Ｆｚ＝Ｃ２−Ｃ１で計測される。
【０１１８】
以上の［式２］、［式３］、［式５］及び［式６］を比較すると、［式２］の右辺と［式５］の右辺とが同一であり、［式３］の右辺と［式６］の右辺とが同一である。従って、［式２］及び［式５］に関しては、計測部４１は、作用した力が＋Ｆｘであるのか−Ｆｚであるのかを判別することができない。同様に、［式３］及び［式６］に関しては、計測部４１は、作用した力が−Ｆｘであるのか＋Ｆｚであるのかを判別することができない。しかしながら、作用する力がＸ軸方向またはＺ軸方向の一方向のみに限定されている環境では、計測部４１は、作用した力の向き（符号）とその大きさとを、差分演算によって計測することができる。
【０１１９】
以上のような本実施の形態によれば、傾動部１３の傾動によって各変位部Ｄ１、Ｄ２が変位することにより、傾動部１３に生じる傾動を効果的に増幅させることができる。このことにより、低価格且つ高感度の力覚センサ１００ｃが提供され得る。更に、計測部４１は、第１変位部Ｄ１に配置された第１容量素子Ｃ１の静電容量値と、第２変位部Ｄ２に配置された第２容量素子Ｃ２の静電容量値と、の差分によって作用した力を計測するため、使用環境の温度変化や同相ノイズの影響を受けにくい力覚センサ１００ｃを提供することができる。
【０１２０】
また、変位体２０の第１変位部Ｄ１及び第２変位部Ｄ２は、梁２１に接続体２２と梁２１との接続部位に関して対称的に配置されている。このため、第１変位部Ｄ１に生じる変位と第２変位部Ｄ２に生じる変位とが、同じ大きさで互いに異符号となるため、作用した力を簡易な演算によって検出することができる。
【０１２１】
＜＜＜  §２．  本発明の第２の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
＜  ２−１．  基本構造の構成  ＞
次に、本発明の第２の実施の形態による力覚センサについて説明する。
【０１２２】
図８は、本発明の第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃの基本構造２００を示す概略上面図である。図９は、図８のＹ軸正側から見た基本構造２００を示す概略正面図であり、図１０は、図８のＸ軸正側から見た基本構造２００を示す概略側面図である。ここでは、図８乃至図１０に示すようにＸＹＺ三次元座標系を定義して以下の説明を行うこととする。なお、図８では、説明の便宜上、受力体２６０の図示が省略されている。
【０１２３】
図８乃至図１０に示すように、基本構造２００は、閉ループ状の変形体であって、２つの受力部２１８、２１９と、閉ループ状の経路に沿って当該２つの受力部２１８、２１９と交互に配置された２つの固定部２１６、２１７と、閉ループ状の経路に沿って隣接する受力部２１８、２１９及び固定部２１６、２１７によって挟まれた４つの間隙に１つずつ配置され、受力部２１８、２１９に作用した力ないしモーメントにより弾性変形を生じる４つの変形要素２１０Ａ〜２１０Ｄと、を有する変形体と、各変形要素２１０Ａ〜２１０Ｄに接続され、当該変形要素２１０Ａ〜２１０Ｄに生じる弾性変形により変位を生じる４つの変位体２２０Ａ〜２２０Ｄと、を備えている。
【０１２４】
本実施の形態では、図８に示すように、一方の受力部２１８は正のＸ軸上に、他方の受力部２１９は負のＸ軸上に、互いに原点Ｏに関して対称的に配置されている。また、一方の固定部２１６は正のＹ軸上に、他方の固定部２１７は負のＹ軸上に、互いに原点Ｏに関して対称的に配置されている。これら受力部２１８、２１９及び固定部２１６、２１７を含む閉ループ状の変形体は、本実施の形態では、原点Ｏを中心とする円形の環状変形体２１０として構成されている。
【０１２５】
図８乃至図１０に示すように、Ｚ軸方向から見てＸＹ平面の第２象限に配置された第１変形要素２１０Ａは、Ｘ軸負側に配置された受力部２１９とＹ軸正側に配置された固定部２１６との間に弧状に配置されており、Ｚ軸方向（図８における奥行き方向）を長手方向とする第１傾動部２１３Ａと、受力部２１９と第１傾動部２１３Ａとを接続する第１−１変形部２１１Ａと、固定部２１６と第１傾動部２１３Ａとを接続する第１−２変形部２１２Ａと、を有している。図９に示すように、第１−１変形部２１１Ａは、ＸＹ平面と平行に延在し、第１傾動部２１３ＡのＺ軸負側の端部（下端）にて、当該第１傾動部２１３Ａに接続されている。第１−２変形部２１２Ａは、ＸＹ平面と平行に延在し、第１傾動部２１３ＡのＺ軸正側の端部（上端）にて、当該第１傾動部２１３Ａに接続されている。
【０１２６】
Ｚ軸方向から見てＸＹ平面の第１象限に配置された第２変形要素２１０Ｂは、Ｘ軸正側に配置された受力部２１８とＹ軸正側に配置された固定部２１６との間に弧状に配置され、Ｚ軸方向（図８における奥行き方向）を長手方向とする第２傾動部２１３Ｂと、受力部２１８と第２傾動部２１３Ｂとを接続する第２−１変形部２１１Ｂと、固定部２１６と第２傾動部２１３Ｂとを接続する第２−２変形部２１２Ｂと、を有している。図９に示すように、第２−１変形部２１１Ｂは、ＸＹ平面と平行に延在し、第２傾動部２１３ＢのＺ軸負側の端部（下端）にて、当該第２傾動部２１３Ｂに接続されている。第２−２変形部２１２Ｂは、ＸＹ平面と平行に延在し、第２傾動部２１３ＢのＺ軸正側の端部（上端）にて、当該第２傾動部２１３Ｂに接続されている。
【０１２７】
更に、詳細には図示されていないが、ＸＹ平面の第３象限及び第４象限に配置された第４変形要素２１０Ｄ及び第３変形要素２１０Ｃは、環状変形体２１０のＹ軸正側（図８の環状変形体２１０の上半分）の部分を原点まわりに１８０°回転させたときの、上述した第２変形要素２１０Ｂ及び第１変形要素２１０Ａの構成に、それぞれ対応している。このため、ここでは、その詳細な説明は省略する。図８乃至図１０において、第３変形要素２１０Ｃの構成要素には符号の末尾に「Ｃ」が付され、第４変形要素２１０Ｄの構成要素には符号の末尾に「Ｄ」が付されている。更に、基本構造２００の各固定部２１６、２１７は、その下端部が、後述される第１〜第４梁２２１Ａ〜２２１Ｄに所定の間隔を空けて対向配置された支持体２５０に接続されている。
【０１２８】
図８乃至図１０に示すように、前述した４つの変位体２２０Ａ〜２２０Ｄは、第１〜第４変形要素２１０Ａ〜２１０Ｄの各傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄの下端（Ｚ軸負側の端部）に１つずつ接続されている。各変位体２２０Ａ〜２２０Ｄは、それぞれ、対応する傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄの傾動によって変位する変位部を有している。この変位部は、図８乃至図１０に示すように、各傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄの下端に接続体２２２Ａ〜２２２Ｄを介してそれぞれ取り付けられた第１〜第４梁２２１Ａ〜２２１Ｄである。
【０１２９】
これらの梁２２１Ａ〜２２２Ｄは、対応する傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄの長手方向（Ｚ軸方向）と直交する方向に延在しており、環状変形体２１０の径方向から見て、いずれも、左右対称の形状を有している。いずれの梁２２１Ａ〜２２２Ｄも、固定部２１６、２１７及び受力部２１８、２１９から離間しており、当該梁２２１Ａ〜２２２Ｄの傾動（回動）が妨げられないようになっている。そして、第１梁２２１Ａには、当該第１梁２２１Ａと第１接続体２２２Ａとの接続部位に関して対称的に、第１−１変位部Ｄ１１及び第１−２変位部Ｄ１２が規定されている。同様に、第２梁２２１Ｂには、当該第２梁２２１Ｂと第２接続体２２２Ｂとの接続部位に関して対称的に、第２−１変位部Ｄ２１及び第２−２変位部Ｄ２２が規定されており、第３梁２２１Ｃには、当該第３梁２２１Ｃと第３接続体２２２Ｃとの接続部位に関して対称的に、第３−１変位部Ｄ３１及び第３−２変位部Ｄ３２が規定されており、第４梁２２１Ｄには、当該第４梁２２１Ｄと第４接続体２２２Ｄとの接続部位に関して対称的に、第４−１変位部Ｄ４１及び第４−２変位部Ｄ４２が規定されている。後述されるように、これら第１１〜第４２変位部Ｄ１１〜Ｄ４２のそれぞれに容量素子が配置され、受力部２１８、２１９に作用した力及びモーメントが検出されることになる。結局、基本構造２００は、第１〜第４変形要素２１０Ａ〜２１０Ｄとして、§１で説明した基本構造１００を４つ、円環状に配置して構成されている。
【０１３０】
更に、図９及び図１０に示すように、環状変形体２１０のＺ軸正側には、検出対象の力を受けるための受力体２６０が配置されている。受力体２６０は、Ｚ軸方向から見て、環状変形体２１０とぴったり重なる円環の形状を有する受力体本体２６１と、受力体本体２６１のうち、環状変形体２１０の受力部２１８、２１９に面する部位に設けられた受力部接続体２６２、２６３と、を有している。これらの受力部接続体２６２、２６３が、対応する受力部２１８、２１９に接続され、受力体本体２６１に作用した力及びモーメントが、各受力部２１８、２１９に伝達されるようになっている。
【０１３１】
＜  ２−２．  基本構造の作用  ＞
次に、以上のような基本構造２００の作用について説明する。
【０１３２】
（２−２−１．力＋Ｆｘが作用した場合）
図１１は、受力部２１８、２１９にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときに、図８の基本構造２００の各変位体２２０Ａ〜２２０Ｄに生じる変位を説明するための図である。図８において、受力部２１８、２１９に作用する力は、黒塗りの太い矢印で示されている。
また、力が作用したときに、各変形要素２１０Ａ〜２１０Ｄの傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄに生じる傾動は、弧状の細い矢印で示されている。この矢印は、原点Ｏから観測したときの、各傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄの傾動の向き（時計回りか、反時計回りか）を表している。更に、各傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄの傾動によって変位体２２０Ａ〜２２０Ｄの梁２２１Ａ〜２２１Ｄの各変位部Ｄ１１〜Ｄ４２に生じるＺ軸方向の変位は、ドットを丸で囲んだ記号と、×印を丸で囲んだ記号と、によって示されている。ドットを丸で囲んだ記号は、奥側から手前側への変位（Ｚ軸正方向への変位）を示しており、×印を丸で囲んだ記号は、手前側から奥側への変位（Ｚ軸負方向への変位）を示している。なお、このような図示の方法は、後述される各実施の形態においても共通である。なお、受力部２１８、２１９に作用する力は、その向きによっては、ドットを丸で囲んだ記号と、×印を丸で囲んだ記号と、によって示してある。これらの記号の意味は、前述した通りである。
【０１３３】
受力体２６０を介して受力部２１８、２１９にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、図１１に示すように、受力部２１８、２１９がＸ軸正方向へ変位する。このことにより、第１変形要素２１０Ａは、図３に示すような圧縮力の作用を受ける。この場合、第１傾動部２１３Ａが反時計回りに傾動するため、第１梁２２１Ａも反時計回りに傾動する。この結果、第１−１変位部Ｄ１１はＺ軸負方向に変位し、第１−２変位部Ｄ１２はＺ軸正方向に変位する。
【０１３４】
第２変形要素２１０Ｂは、受力部２１８のＸ軸正方向への変位によって、図４に示すような引張力の作用を受ける。この場合、第２傾動部２１３Ｂが反時計回りに傾動するため、第２梁２２１Ｂも反時計回りに傾動する。この結果、第２−１変位部Ｄ２１はＺ軸負方向に変位し、第２−２変位部Ｄ２２はＺ軸正方向に変位する。
【０１３５】
第３変形要素２１０Ｃは、受力部２１８のＸ軸正方向への変位によって、図４に示すような引張力の作用を受ける。この場合、第３傾動部２１３Ｃが時計回りに傾動するため、第３梁２２１Ｃも時計回りに傾動する。この結果、第３−１変位部Ｄ３１はＺ軸正方向に変位し、第３−２変位部Ｄ３２はＺ軸負方向に変位する。
【０１３６】
更に、第４変形要素２１０Ｄは、受力部２１９のＸ軸正方向への変位によって、図３に示すような圧縮力の作用を受ける。この場合、第４傾動部２１３Ｄが時計回りに傾動するため、第４梁２２１Ｄも時計回りに傾動する。この結果、第４−１変位部Ｄ４１はＺ軸正方向に変位し、第４−２変位部Ｄ４２はＺ軸負方向に変位する。
【０１３７】
（２−２−２．力＋Ｆｙが作用した場合）
次に、図１２は、受力部２１８、２１９にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときに、図８の基本構造２００の各変位体２２０Ａ〜２２０Ｄに生じる変位を説明するための図である。
【０１３８】
受力体２６０を介して受力部２１８、２１９にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、図１２に示すように、受力部２１８、２１９がＹ軸正方向へ変位する。このことにより、第１変形要素２１０Ａは、図３に示すような圧縮力の作用を受ける。この場合、前述したように、第１傾動部２１３Ａ及び第１梁２２１Ａが反時計回りに傾動するため、第１−１変位部Ｄ１１はＺ軸負方向に変位し、第１−２変位部Ｄ１２はＺ軸正方向に変位する。
【０１３９】
第２変形要素２１０Ｂは、受力部２１８のＹ軸正方向への変位によって、図３に示すような圧縮力の作用を受ける。この場合、第２傾動部２１３Ｂ及び第２梁２２１Ｂが時計回りに傾動するため、第２−１変位部Ｄ２１はＺ軸正方向に変位し、第２−２変位部Ｄ２２はＺ軸負方向に変位する。
【０１４０】
第３変形要素２１０Ｃは、受力部２１８のＹ軸正方向への変位によって、図４に示すような引張力の作用を受ける。この場合、第３傾動部２１３Ｃ及び第３梁２２１Ｃが時計回りに傾動するため、第３−１変位部Ｄ３１はＺ軸正方向に変位し、第３−２変位部Ｄ３２はＺ軸負方向に変位する。
【０１４１】
第４変形要素２１０Ｄは、受力部２１９のＹ軸正方向への変位によって、図４に示すような引張力の作用を受ける。この場合、第４傾動部２１３Ｄ及び第４梁２２１Ｄが反時計回りに傾動するため、第４−１変位部Ｄ４１はＺ軸負方向に変位し、第４−２変位部Ｄ４２はＺ軸正方向に変位する。
【０１４２】
（２−２−３．力＋Ｆｚが作用した場合）
次に、図１３は、受力部２１８、２１９にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、図８の基本構造２００の各変位体２２０Ａ〜２２０Ｄに生じる変位を説明するための図である。
【０１４３】
受力体２６０を介して受力部２１８、２１９にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、図１３に示すように、受力部２１８、２１９がＺ軸正方向へ変位する。このことにより、第１〜第４変形要素２１０Ａ〜２１０Ｄは、いずれも、図６に示すような上向きの力の作用を受ける。この場合、第１傾動部２１３Ａ及び第３傾動部２１３Ｃが時計回りに傾動するため、第１梁２２１Ａ及び第３梁２２１Ｃも時計回りに傾動する。この結果、第１−１変位部Ｄ１１及び第３−１変位部Ｄ１３はＺ軸正方向に変位し、第１−２変位部Ｄ１２及び第３−２変位部Ｄ３２はＺ軸負方向に変位する。
【０１４４】
一方、第２傾動部２１３Ｂ及び第４傾動部２１３Ｄは、反時計回りに傾動するため、第２梁２２１Ｂ及び第４梁２２１Ｄも反時計回りに傾動する。この結果、第２−１変位部Ｄ２１及び第４−１変位部Ｄ４１はＺ軸負方向に変位し、第２−２変位部Ｄ２２及び第４−２変位部Ｄ４２はＺ軸正方向に変位する。
【０１４５】
（２−２−４．モーメント＋Ｍｘが作用した場合）
次に、図１４は、受力部２１８、２１９にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときに、図８の基本構造２００の各変位体２２０Ａ〜２２０Ｄに生じる変位を説明するための図である。なお、本願では、所定の座標軸の正方向に右ネジを進める場合の当該右ネジの回転方向を、当該座標軸まわりの正のモーメントと定義することにする。
【０１４６】
受力体２６０を介して受力部２１８、２１９にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、各受力部２１８、２１９のうち、Ｙ軸正側（図１４における上側）の部位がＺ軸正方向（手前側）に変位し、Ｙ軸負側（図１４における下側）の部位がＺ軸負方向（奥側）に変位する。すなわち、第１変形要素２１０Ａ及び第２変形要素２１０Ｂには、図１３と同じ方向に力が作用する。したがって、２−２−３．で説明したように、第１−１変位部Ｄ１１はＺ軸正方向に変位し、第１−２変位部Ｄ１２はＺ軸負方向に変位し、第２−１変位部Ｄ２１はＺ軸負方向に変位し、第２−２変位部Ｄ２２はＺ軸正方向に変位する。
【０１４７】
一方、第３変形要素２１０Ｃは、受力部２１９から、図５に示すような下向きの力の作用を受ける。この場合、第３傾動部２１３Ｃが反時計回りに傾動するため、第３梁２２１Ｃも反時計回りに傾動する。この結果、第３−１変位部Ｄ３１はＺ軸負方向に変位し、第３−２変位部Ｄ３２はＺ軸正方向に変位する。
【０１４８】
第４変形要素２１０Ｄは、受力部２１８から、図５に示すような下向きの力の作用を受ける。この場合、第４傾動部２１３Ｄが時計回りに傾動するため、第４梁２２１Ｄも時計回りに傾動する。この結果、第４−１変位部Ｄ４１はＺ軸正方向に変位し、第４−２変位部Ｄ４２はＺ軸正方向に変位する。
【０１４９】
（２−２−５．モーメント＋Ｍｙが作用した場合）
次に、図１５は、受力部２１８、２１９にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときに、図８の基本構造２００の各変位体２２０Ａ〜２２０Ｄに生じる変位を説明するための図である。
【０１５０】
受力体２６０を介して受力部２１８、２１９にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、Ｘ軸負側に位置する受力部２１８は、Ｚ軸正方向（図１５における奥から手前に向かう方向）に変位し、Ｘ軸正側に位置する受力部２１９は、Ｚ軸負方向（図１５における手前から奥に向かう方向）に変位する。すなわち、第１変形要素２１０Ａ及び第４変形要素２１０Ｄには、図１３と同じ方向に力が作用する。したがって、２−２−３．で説明したように、第１−１変位部Ｄ１１はＺ軸正方向に変位し、第１−２変位部Ｄ１２はＺ軸負方向に変位し、第４−１変位部Ｄ４１はＺ軸負方向に変位し、第４−２変位部Ｄ４２はＺ軸正方向に変位する。
【０１５１】
一方、図１５に示すように、第２変形要素２１０Ｂ及び第３変形要素２１０Ｃは、Ｚ軸負方向の力の作用を受ける（図５参照）。このような力の作用により、第２変形要素２１０Ｂでは、第２傾動部２１３Ｂが時計回りに傾動するため、第２梁２２１Ｂも時計回りに傾動する。この結果、第２−１変位部Ｄ２１はＺ軸正方向に変位し、第２−２変位部Ｄ２２はＺ軸負方向に変位する。第３変形要素２１０Ｃでは、図１４と同様に、第３傾動部２１３Ｃが反時計回りに傾動することにより、第３−１変位部Ｄ３１はＺ軸負方向に変位し、第３−２変位部Ｄ３２はＺ軸正方向に変位する。
【０１５２】
（２−２−６．モーメント＋Ｍｚが作用した場合）
次に、図１６は、受力部２１８、２１９にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときに、図８の基本構造２００の各変位体２２０Ａ〜２２０Ｄに生じる変位を説明するための図である。
【０１５３】
受力体２６０を介して受力部２１８、２１９にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、Ｘ軸負側に位置する受力部２１９がＹ軸負方向へ変位し、Ｘ軸正側に位置する受力部２１８がＹ軸正方向へ変位する。Ｘ軸正側に位置する受力部２１８の変位は、力＋Ｆｙが作用した場合と同じ向きであるため（図１２参照）、Ｘ軸正側に配置された第２変形要素２１０Ｂ及び第３変形要素２１０Ｃには、図１２と同じ弾性変形が生じる。すなわち、第２−１変位部Ｄ２１はＺ軸正方向に変位し、第２−２変位部Ｄ２２はＺ軸負方向に変位し、第３−１変位部Ｄ４１はＺ軸正方向に変位し、第３−２変位部Ｄ３２はＺ軸負方向に変位する。
【０１５４】
一方、第１変形要素２１０Ｂは、受力部２１９のＹ軸負方向への変位によって、図４に示すような引張力の作用を受ける。この場合、第１傾動部２１３Ａ及び第１梁２２１Ａが時計回りに傾動するため、第１−１変位部Ｄ１１はＺ軸正方向に変位し、第１−２変位部Ｄ１２はＺ軸負方向に変位する。
【０１５５】
また、第４変形要素２１０Ｄは、受力部２１９のＹ軸負方向への変位によって、図３に示すような圧縮力の作用を受ける。この場合、第４傾動部２１３Ｄ及び第４梁２２１Ｄが時計回りに傾動するため、第４−１変位部Ｄ４１はＺ軸正方向に変位し、第４−２変位部Ｄ４２はＺ軸負方向に変位する。
【０１５６】
以上のまとめとして、図１７には、受力部２１８、２１９にＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力＋Ｆｘ、＋Ｆｙ、＋Ｆｚ及び各軸まわりのモーメント＋Ｍｘ、＋Ｍｙ、＋Ｍｚが作用したときに図８の基本構造２００の各傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄに生じる傾動の向きと、各変位体２２０Ａ〜２２０Ｂの各変位部Ｄ１１〜Ｄ４２に生じる変位とが、一覧で示されている。図１７において、各傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄの欄に記された回動の向き（時計回り／反時計回り）は、原点Ｏから観測したときの向きである。また、各変位部Ｄ１１〜Ｄ４２の欄に記された「＋」の記号は、対応する変位部と支持体２５０との離間距離が増大することを意味し、「−」の記号は、対応する変位部と支持体２５０との離間距離が減少することを意味している。
【０１５７】
なお、受力体２６０に作用する力及びモーメントが負方向及び負まわりである場合には、上述した各場合において、傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄの傾動の向きが全て逆になる。この結果、各変位体２２０Ａ〜２２０Ｄの変位部Ｄ１１〜Ｄ４２に生じる変位の向きも逆になり、図１７に一覧で示した傾動の向き、及び、各変位部Ｄ１１〜Ｄ４２と支持体２５０との離間距離の増減（＋／−）が、全て逆になる。
【０１５８】
＜  ２−３．  力覚センサの構成  ＞
次に、２−１、２−２において説明した基本構造２００を有する力覚センサ２００ｃの構成について説明する。
【０１５９】
図１８は、図８に示す基本構造２００を採用した力覚センサ２００ｃの一例を示す概略上面図であり、図１９は、Ｙ軸正側から見た、図１８に示す力覚センサ２００ｃを示す概略正面図である。
【０１６０】
図１８及び図１９に示すように、力覚センサ２００ｃは、上述した基本構造２００と、基本構造２００の変位体２２０Ａ〜２２０Ｄの各変位部Ｄ１１〜Ｄ４２に生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントを検出する検出回路２４０と、を有している。本実施の形態の検出回路２４０は、図１８及び図１９に示すように、各変位体２２０Ａ〜２２０Ｄの各変位部Ｄ１１〜Ｄ４２に１つずつ配置された、合計８つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２と、これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２に接続され、当該容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を計測する計測部２４１と、を有している。
【０１６１】
８つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の具体的な構成は、次の通りである。すなわち、図１９に示すように、第１−１容量素子Ｃ１１は、第１梁２２１Ａの第１−１変位部Ｄ１１上に絶縁体（不図示）を介して配置された第１−１変位電極Ｅｍ１１と、支持体２５０上に絶縁体（不図示）を介して第１−１変位電極Ｅｍ１１と対向するように配置された第１−１固定電極Ｅｆ１１と、を有している。また、第１−２容量素子Ｃ１２は、第１梁２２１Ａの第１−２変位部Ｄ１２上に絶縁体（不図示）を介して配置された第１−２変位電極Ｅｍ１２と、支持体２５０上に絶縁体（不図示）を介して第１−２変位電極Ｅｍ１２と対向するように配置された第１−２固定電極Ｅｆ１２と、を有している。
【０１６２】
同様に、図１９に示すように、第２−１容量素子Ｃ２１は、第２梁２２１Ｂの第２−１変位部Ｄ２１上に絶縁体（不図示）を介して配置された第２−１変位電極Ｅｍ２１と、支持体２５０上に絶縁体（不図示）を介し第２−１変位電極Ｅｍ２１と対向するように配置された第２−１固定電極Ｅｆ２１と、を有しており、第２−２容量素子Ｃ２２は、第２梁２２１Ｂの第２−２変位部Ｄ２２上に絶縁体（不図示）を介して配置された第２−２変位電極Ｅｍ２２と、支持体２５０上に絶縁体（不図示）を介して第２−２変位電極Ｅｍ２２と対向するように配置された第２−２固定電極Ｅｆ２２と、を有している。
【０１６３】
更に、図示されていないが、第３−１容量素子Ｃ３１は、第３梁２２１Ｃの第３−１変位部Ｄ３１上に絶縁体を介して配置された第３−１変位電極Ｅｍ３１と、支持体２５０上に絶縁体を介し第３−１変位電極Ｅｍ３１と対向するように配置された第３−１固定電極Ｅｆ３１と、を有しており、第３−２容量素子Ｃ３２は、第３梁２２１Ｃの第３−２変位部Ｄ３２上に絶縁体を介して配置された第３−２変位電極Ｅｍ３２と、支持体２５０上に絶縁体を介して第３−２変位電極Ｅｍ３２と対向するように配置された第３−２固定電極Ｅｆ３２と、を有している。
【０１６４】
同様に第４−１容量素子Ｃ４１は、第４梁２２１Ｄの第４−１変位部Ｄ４１上に絶縁体を介して配置された第４−１変位電極Ｅｍ４１と、支持体２５０上に絶縁体を介し第４−１変位電極Ｅｍ４１と対向するように配置された第４−１固定電極Ｅｆ４１と、を有しており、第４−２容量素子Ｃ４２は、第４梁２２１Ｄの第４−２変位部Ｄ４２上に絶縁体を介して配置された第４−２変位電極Ｅｍ４２と、支持体２５０上に絶縁体を介して第４−２変位電極Ｅｍ４２と対向するように配置された第４−２固定電極Ｅｆ４２と、を有している。
【０１６５】
これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２は、図１８及び図１９には明確には図示されていないが、所定の回路によって計測部２４１に接続されており、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値が計測部２４１に提供されるようになっている。
【０１６６】
＜  ２−４．  力覚センサの作用  ＞
次に、２−３．で説明した力覚センサ２００ｃの作用について説明する。
【０１６７】
（２−４−１．Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合）
力覚センサ２００ｃの受力部２１８，２１９に受力体２６０を介してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、図１７に示すように、第１−１容量素子Ｃ１においては、第１−１変位電極Ｅｍ１１と第１−１固定電極Ｅｆ１１との離間距離が減少する一方、第１−２容量素子Ｃ１２においては、第２変位電極Ｅｍ２と第２固定電極Ｅｆ２との離間距離が増大する。すなわち、第１−１容量素子Ｃ１１の静電容量値は増大し、第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値は減少する。同様に、図１７から理解されるように、第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値は増大し、第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値は減少する。第３−１容量素子Ｃ３１の静電容量値は減少し、第３−２容量素子Ｃ３２の静電容量値は増大する。
そして、第４−１容量素子Ｃ４１の静電容量値は減少し、第４−２容量素子Ｃ４２の静電容量値は増大する。
【０１６８】
図２０は、受力部２１８、２１９にＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力＋Ｆｘ、＋Ｆｙ、＋Ｆｚまたは各軸まわりのモーメント＋Ｍｘ、＋Ｍｙ、＋Ｍｚが作用したときの各容量素子の静電容量値の増減を一覧で示す図表である。上述した各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の増減は、図２０のＦｘの欄に纏めて示してある。なお、図中の「＋」の記号は、静電容量値が増大することを示しており、「−」の記号は、静電容量値が減少することを示している。
【０１６９】
本実施の形態では、各梁２２１Ａ〜２２１Ｄにおいて、第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１と第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ４２とが、対応する梁２２１Ａ〜２２１Ｄの傾動の中心から互いに等距離に配置されている。このため、各梁２２１Ａ〜２２１Ｄにおいて、第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１に配置された容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ１１｜、｜ΔＣ２１｜、｜ΔＣ３１｜、｜ΔＣ４１｜）と、第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ４２に配置された容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４２の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ１２｜、｜ΔＣ２２｜、｜ΔＣ３２｜、｜ΔＣ４２｜）とは、互いに等しい。このため、｜ΔＣ１１｜＝｜ΔＣ１２｜＝｜ΔＣ２１｜＝｜ΔＣ２２｜＝｜ΔＣ３１｜＝｜ΔＣ３２｜＝｜ΔＣ４１｜＝｜ΔＣ４２｜＝ΔＣとすると、力＋Ｆｘが作用したときの第１−１〜第４−２容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の各静電容量値Ｃ１１ａ〜Ｃ４２ａは、次の［式７］で表される。
［式７］
Ｃ１１ａ＝Ｃ１１＋ΔＣ
Ｃ１２ａ＝Ｃ１２−ΔＣ
Ｃ２１ａ＝Ｃ２１＋ΔＣ
Ｃ２２ａ＝Ｃ２２−ΔＣ
Ｃ３１ａ＝Ｃ３１−ΔＣ
Ｃ３２ａ＝Ｃ３２＋ΔＣ
Ｃ４１ａ＝Ｃ４１−ΔＣ
Ｃ４２ａ＝Ｃ４２＋ΔＣ
【０１７０】
このような静電容量値の変動に基づいて、計測部２４１は、作用した力＋Ｆｘを次の［式８］により計測する。
［式８］
＋Ｆｘ＝Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ４１＋Ｃ４２
【０１７１】
（２−４−２．Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合）
次に、力覚センサ２００ｃの受力部２１８，２１９に受力体２６０を介してＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、図１７から理解されるように、第１−１容量素子Ｃ１１の静電容量値が増大し、第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値が減少し、第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値が減少し、第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値が増大する。更に、第３−１容量素子Ｃ３１の静電容量値が減少し、第３−２容量素子Ｃ３２の静電容量値が増大し、第４−１容量素子Ｃ４１の静電容量値が増大し、第４−２容量素子Ｃ４２の静電容量値が減少する。これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の増減は、図２０のＦｙの欄に纏めて示してある。
【０１７２】
ここでも、各梁２２１Ａ〜２２１Ｄにおいて、第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１に配置された容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１の静電容量値の変動の大きさと、第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ４２に配置された容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４２の静電容量値の変動の大きさとが、互いに等しいと見なせる。このため、前述した［式７］と同様にして各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の変動を考慮することにより、計測部２４１は、作用した力＋Ｆｙを次の［式９］により計測する。
［式９］
＋Ｆｙ＝Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２
【０１７３】
（２−４−３．Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した場合）
次に、力覚センサ２００ｃの受力部２１８，２１９に受力体２６０を介してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、図１７から理解されるように、第１−１容量素子Ｃ１１の静電容量値が減少し、第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値が増大し、第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値が増大し、第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値が減少する。更に、第３−１容量素子Ｃ３１の静電容量値が減少し、第３−２容量素子Ｃ３２の静電容量値が増大し、第４−１容量素子Ｃ４１の静電容量値が増大し、第４−２容量素子Ｃ４２の静電容量値が減少する。これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の増減は、図２０のＦｚの欄に纏めて示してある。
【０１７４】
より詳細には、力＋Ｆｚが作用すると、各傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄが全体的にＺ軸正方向に変位する。したがって、第１−１変位部Ｄ１１に生じる変位は、この第１傾動部２１３Ａの全体的なＺ軸正方向への変位と、梁２２１Ａの傾動によるＺ軸正方向への変位と、の和であり、第１−２変位部Ｄ１２に生じる変位は、傾動部２１３Ａの全体的な変位と、梁２２１Ａの傾動によるＺ軸負方向への変位と、の和である。つまり、各容量素子Ｃ１１、Ｃ１２の静電容量値の変動についてより正確に記述すれば、第１−１変位電極Ｅｍ１１と第１−１固定電極Ｅｆ１１との離間距離は、第１傾動部２１３Ａの全体的なＺ軸正方向への変位の分だけ大きく増大する。一方、第１−２容量素子Ｃ１２においては、第１梁２２１Ａの傾動による変位が第１傾動部２１３Ａの全体的なＺ軸正方向への変位によって相殺されるため、第１−２変位電極Ｅｍ１２と第１−２固定電極Ｅｆ１２との離間距離は僅かに増大する。このような傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄの全体的なＺ軸正方向への変位による影響は、残りの容量素子Ｃ２１〜Ｃ４２においても、同様に現れる。
【０１７５】
但し、ここでは、簡単のため、各傾動部２１３Ａ〜２２１ＤのＺ軸方向の長さ（高さ）に対して各梁２２１Ａ〜２２１ＤのＺ軸方向の長さが十分に大きいため、各梁２２１Ａ〜２２１Ｄの第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１に設けられた容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ１１｜、｜ΔＣ２１｜、｜ΔＣ３１｜、｜ΔＣ４１｜）と、第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ４２に設けられた容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４２の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ１２｜、｜ΔＣ２２｜、｜ΔＣ３２｜、｜ΔＣ４２｜）とは、互いに等しいと考えて良い。
【０１７６】
このため、前述した［式７］と同様にして各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の変動を考慮することにより、計測部２４１は、作用した力＋Ｆｚを次の［式１０］により計測する。
［式１０］
＋Ｆｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２
【０１７７】
（２−４−４．Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合）
次に、力覚センサ２００ｃの受力部２１８，２１９に受力体２６０を介してＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、図１７から理解されるように、第１−１容量素子Ｃ１１の静電容量値が減少し、第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値が増大し、第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値が増大し、第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値が減少する。
更に、第３−１容量素子Ｃ３１の静電容量値が増大し、第３−２容量素子Ｃ３２の静電容量値が減少し、第４−１容量素子Ｃ４１の静電容量値が減少し、第４−２容量素子Ｃ４２の静電容量値が増大する。これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の増減は、図２０のＭｘの欄に纏めて示してある。
【０１７８】
この場合も、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用する場合と同様に、各傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄが全体的にＺ軸方向へ変位するため、正確には、当該変位を加味して各変位部Ｄ１１〜Ｄ４２の変位を評価する必要がある。但し、前述したように、各傾動部２１３Ａ〜２２１ＤのＺ軸方向の長さ（高さ）に対して各梁２２１Ａ〜２２１ＤのＺ軸方向の長さが十分に大きいため、各傾動部２１３Ａ〜２１３ＤのＺ軸方向への全体的な変位は無視することができる。すなわち、ここでも、各梁２２１Ａ〜２２１Ｄの一方の変位部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１に設けられた容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１の静電容量値の変動の大きさと、他方の変位部Ｄ１２、Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ４２に設けられた容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４２の静電容量値の変動の大きさとは、互いに等しいものとする。なお、このことは、後述されるＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用した場合でも同様とする。
【０１７９】
このため、前述した［式７］と同様にして各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の変動を考慮することにより、計測部２４１は、作用したモーメント＋Ｍｘを次の［式１１］により計測する。
［式１１］
＋Ｍｘ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ３２−Ｃ４１＋Ｃ４２
【０１８０】
（２−４−５．Ｙ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用した場合）
次に、力覚センサ２００ｃの受力部２１８，２１９に受力体２６０を介してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、図１７から理解されるように、第１−１容量素子Ｃ１１の静電容量値が減少し、第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値が増大し、第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値が減少し、第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値が増大する。
更に、第３−１容量素子Ｃ３１の静電容量値が増大し、第３−２容量素子Ｃ３２の静電容量値が減少し、第４−１容量素子Ｃ４１の静電容量値が増大し、第４−２容量素子Ｃ４２の静電容量値が減少する。これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の増減は、図２０のＭｙの欄に纏めて示してある。
【０１８１】
このため、前述した［式７］と同様にして各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の変動を考慮することにより、計測部２４１は、作用したモーメント＋Ｍｙを次の［式１２］により計測する。
［式１２］
＋Ｍｙ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２
【０１８２】
（２−４−６．Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用した場合）
次に、力覚センサ２００ｃの受力部２１８，２１９に受力体２６０を介してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、図１７から理解されるように、第１−１容量素子Ｃ１１の静電容量値が減少し、第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値が増大し、第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値が減少し、第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値が増大する。
更に、第３−１容量素子Ｃ３１の静電容量値が減少し、第３−２容量素子Ｃ３２の静電容量値が増大し、第４−１容量素子Ｃ４１の静電容量値が減少し、第４−２容量素子Ｃ４２の静電容量値が増大する。これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の増減は、図２０のＭｚの欄に纏めて示してある。
【０１８３】
このため、前述した［式７］と同様にして各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の変動を考慮することにより、計測部２４１は、作用したモーメント＋Ｍｚを次の［式１３］により計測する。
［式１３］
＋Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ４１＋Ｃ４２
【０１８４】
なお、力覚センサ２００ｃの受力体２６０に各軸方向の負の力−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚまたは各軸の負まわりのモーメント−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚが作用した場合は、前述したように、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の電極間の離間距離の増減が図１７とは逆になる。このため、力−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚまたはモーメント−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚを検出するには、［式８］〜［式１３］の右辺について、Ｃ１１〜Ｃ４２の符号を全て逆にすればよい。
【０１８５】
＜  ２−５．  力覚センサの他軸感度  ＞
次に、図２１を参照して、本実施の形態による力覚センサ２００ｃの他軸感度について説明する。図２１は、図１８に示す力覚センサ２００ｃにおける、各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度ＶＦｘ〜ＶＭｚを一覧で示す図表である。
【０１８６】
説明の便宜のため、改めて、［式８］〜［式１３］をまとめて示すと、次の［式１４］の通りである。なお、［式１４］において、力及びモーメントが正であることを示す「＋」の記号は省略してある。
［式１４］
式８：Ｆｘ＝Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ４１＋Ｃ４２
式９：Ｆｙ＝Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２
式１０：Ｆｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２
式１１：Ｍｘ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ３２−Ｃ４１＋Ｃ４２
式１２：Ｍｙ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２
式１３：Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ４１＋Ｃ４２
【０１８７】
図２１の図表中に配された数字は、図２０に示す図表の各力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚについて、「＋」の記号が付された容量素子を＋１とし、「−」の記号が付された容量素子を−１として、上述した［式１４］（［式８］〜［式１３］）のそれぞれの右辺に代入して得られた値である。すなわち、列Ｆｘと行ＶＦｘとが交わるマス目に記された「８」という数字は、Ｆｘを示す式（［式８］）において、図２０のＦｘの行に基づき、Ｃ１１＝Ｃ２１＝Ｃ３２＝Ｃ４２＝＋１とし、Ｃ１２＝Ｃ２２＝Ｃ３１＝Ｃ４１＝−１として得られた値である。また、列ＦｘとＶＦｙとが交わるマス目に記された「０」という数字は、Ｆｘを示す式（［式８］）において、図２０のＦｙの行に基づき、Ｃ１１＝Ｃ２２＝Ｃ３２＝Ｃ４１＝＋１とし、Ｃ１２＝Ｃ２１＝Ｃ３１＝Ｃ４２＝−１として得られた値である。その他のマス目の数字についても同様である。
【０１８８】
図２１によれば、ＦｘとＭｙの他軸感度、及び、ＦｙとＭｘの他軸感度が１００％となっている。確かに、［式８］と［式１２］とは、右辺の符号が互いに逆の関係にあり、［式９］と［式１１］とは、右辺の符号が互いに逆の関係にある。このため、本実施の形態による力覚センサ２００ｃは、ＦｘとＭｙとを区別することができず、ＦｙとＭｘとを区別することもできない。すなわち、力覚センサ２００ｃは、各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの全てを検出することはできない。しかしながら、Ｆｘ及びＦｙが作用しない用途、あるいは、Ｍｘ及びＭｙが作用しない用途に限定して用いることにより、力覚センサ２００ｃを有用に活用することができる。
【０１８９】
以上のような本実施の形態によれば、傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄの傾動によって変位する梁２２１Ａ〜２２１Ｄの作用により、傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄに生じる変位を容易に増幅させることができる。更に、第１−１〜第４−２容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２を用いて、それらの静電容量値の変動量の差分によって作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうちの４成分を検出することができる。すなわち、本実施の形態によれば、低価格かつ高感度であり、更には、［式８］〜［式１３］で算出されるＦｘ〜Ｍｚの全ての成分が差分で検出されることから、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサ２００ｃを提供することができる。
【０１９０】
また、各変位体２２０Ａ〜２２０Ｄは、それぞれ、対応する傾動部２１３Ａ〜２１３Ｄと梁２２１Ａ〜２２１Ｄとを接続する接続体２２２Ａ〜２２２Ｄを有しており、各変位体２２０Ａ〜２２０Ｄの第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１及び第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ４２は、接続体２２２Ａ〜２２２Ｄと対応する梁２２１Ａ〜２２１Ｄとの接続部位に関して対称的に配置されている。このため、第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１に生じる変位と第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ４２に生じる変位とが、同じ大きさで互いに異符号となるため、作用した力及びモーメントを簡易な演算によって検出することができる。
【０１９１】
また、力覚センサ２００ｃは、変形体２１０の２つの受力部２１８、２１９に接続され、作用する力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを受けるための受力体２６０と、各変位体２２０Ａ〜２２０Ｄに対向配置され、変形体２１０の２つの固定部２１６、２１７に接続された支持体２５０と、を備えている。このため、作用する力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを確実に変形体２１０に伝達することができる。
【０１９２】
更に、変形体２１０は、円環の形状を有しており、２つの受力部２１８、２１９は、Ｘ軸上に原点Ｏに関して対称に位置付けられており、２つの固定部２１６、２１７は、Ｙ軸上に原点Ｏに関して対称に位置付けられている。このため、作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出するための演算が容易である。
【０１９３】
＜＜＜  §３．  本発明の第３の実施の形態による力覚センサ及びその変形例  ＞＞＞
＜  ３−１．  本発明の第３の実施の形態による力覚センサ  ＞
§２で説明した力覚センサ２００ｃは、各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち４つの成分を検出することが可能であった。ところで、これら４つの成分を検出するためには、力覚センサに必ずしも８つの容量素子を設ける必要は無い。ここでは、上述した力覚センサ２００ｃの変形例として、より少ない容量素子によって４つの成分を検出可能な第３の実施の形態による力覚センサについて説明する。
【０１９４】
図２２は、本発明の第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃを示す概略上面図である。
【０１９５】
図２２に示すように、力覚センサ３００ｃは、梁３２１Ａ〜３２１Ｄが片持ち梁として構成されている点において、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃとは異なっている。具体的には、力覚センサ３００ｃの各梁３２１Ａ〜３２１Ｄは、力覚センサ２００ｃの各梁２２１Ａ〜２２１Ｄのうち、図１８の時計回りに進んだ方に位置する部位を削除した片持ち梁構造となっている。したがって、力覚センサ３００ｃでは、各梁３２１Ａ〜３２１Ｄに各１つの変位部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１が規定されている。そして、これら４つの変位部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１に各１つの容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ３１、Ｃ４１が配置されている。各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４１の構成は、第２の実施の形態と同じである。
【０１９６】
これらの４つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４１は、図２２には図示されていないが、所定の回路によって検出回路３４０の計測部３４１に接続されており、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４１の静電容量値が当該計測部３４１に提供されるようになっている。そして、後述するように、計測部３４１は、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４１の静電容量値の変動量に基づいて、力覚センサ３００ｃに作用した力を検出するようになっている。
【０１９７】
力覚センサ３００ｃのその他の構成については、第２の実施の形態と同様である。このため、第２の実施の形態と共通する構成要素には略同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０１９８】
次に、本実施の形態による力覚センサ３００ｃの作用について説明する。ここでは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚの４つの成分を検出する場合について説明を行う。なお、これら４つの成分は、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃが検出可能な４つの成分でもある。
【０１９９】
上述したように、本実施の形態による力覚センサ３００ｃは、梁３２１Ａ〜３２１Ｄが片持ち梁として構成されている点を除いて、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃと略同様の構造を有している。したがって、受力体３６０を介して受力部３１８、３１９に力またはモーメントが作用すると、各梁３２１Ａ〜３２１Ｄの各検出部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１には、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃの対応する各検出部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ４１と同じ変位が生じる。
【０２００】
以上から、力覚センサ３００ｃに力及びモーメントの４つの成分Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用すると、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４１の静電容量値は、図２３に一覧で示すように変動する。図２０と同様に、図中の「＋」の記号は、静電容量値が増大することを示しており、「−」の記号は、静電容量値が減少することを示している。なお、図２３の図表は、図２０における、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用したときの４つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１の静電容量値の増減と、同一である。
【０２０１】
このような静電容量値の変動に基づいて、計測部３４１は、作用した力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを次の［式１５］により計測する。［式１５］は、［式１４］のＦｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚの式から、Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４２を削除したものである。
［式１５］
Ｆｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ２１−Ｃ３１＋Ｃ４１
Ｍｘ＝−Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３１−Ｃ４１
Ｍｙ＝−Ｃ１１−Ｃ２１＋Ｃ３１＋Ｃ４１
Ｍｚ＝−Ｃ１１−Ｃ２１−Ｃ３１−Ｃ４１
【０２０２】
［式１５］に基づき、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度を求めると、図２４に一覧で示す通りとなる。他軸感度は、図２１と同様に、図２３に示す図表の力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚについて、「＋」の記号が付された容量素子を＋１とし、「−」の記号が付された容量素子を−１として、上述した［式１５］のそれぞれの右辺に代入して得られた値である。図２４に示すように、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度は、ゼロである。但し、［式１５］によれば、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚがＣ１１〜Ｃ４１の和によって求められる。このため、モーメントＭｚについては、力覚センサ３００ｃの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。
【０２０３】
以上のような本実施の形態によれば、傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄの傾動によって変位する梁３２１Ａ〜３２１Ｄの作用により、傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄに生じる変位を容易に増幅させることができる。更に、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを除いて、４つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ４１の静電容量値の変動量の差分によって、作用した力Ｆｚ及びモーメントＭｘ，Ｍｙを検出することができる。すなわち、本実施の形態によれば、低価格かつ高感度であり、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ，Ｍｙについて、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサ３００ｃを提供することができる。
【０２０４】
また、力覚センサ３００ｃは、変形体３１０の２つの受力部３１８、３１９に接続され、作用する力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを受けるための受力体３６０と、各変位体３２０Ａ〜３２０Ｄに対向配置され、変形体３１０の２つの固定部３１６、３１７に接続された固定体３５０と、を備えている。このため、作用する力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを確実に変形体３１０に伝達することができる。
【０２０５】
更に、変形体３１０は、円環の形状を有しており、２つの受力部３１８、３１９は、Ｘ軸上に原点Ｏに関して対称に位置付けられており、２つの固定部３１６、３１７は、Ｙ軸上に原点Ｏに関して対称に位置付けられている。このため、作用した力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出するための演算が容易である。
【０２０６】
＜  ３−２．  変形例による力覚センサ  ＞
上述したように、力覚センサ３００ｃは、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを計測する際に、使用環境における温度変化の影響や同相ノイズの影響を受けやすいものであった。このため、当該モーメントＭｚを計測する際に、それらの影響を受けにくくできればより好ましい。ここでは、そのような力覚センサとして、６つの容量素子を備えた変形例について説明する。
【０２０７】
図２５は、第３の実施の形態の変形例による力覚センサ３０１ｃを示す概略上面図である。
【０２０８】
図２５に示すように、力覚センサ３０１ｃは、第１及び第２梁３２１Ａ、３２１Ｂが片持ち梁として構成されている点において、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃとは異なっている。具体的には、本変形例による力覚センサ３０１ｃの第１及び第２梁３２１Ａ、３２１Ｂは、第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃの第１及び第２梁３２１Ａ、３２１Ｂと同様であり、力覚センサ３０１ｃの第３及び第４梁３２１、３２１Ｄは、図１８に示す第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃの第３及び第４梁２２１Ｃ、２２１Ｄと同様である。したがって、力覚センサ３０１ｃでは、第１梁３２１Ａに第１−１変位部Ｄ１１が、第２梁３２１Ｂに第２−１変位部Ｄ２１が、それぞれ規定されており、第３梁３２１Ｃに第３−１変位部Ｄ３１及び第３−２変位部Ｄ３２が、第４梁３２１Ｄに第４−１変位部Ｄ４１及び第４−２変位部Ｄ４２が、それぞれ規定されている。第３−１変位部Ｄ３１、第３−２変位部Ｄ３２、第４−１変位部Ｄ４１及び第４−２変位部Ｄ４２の配置は、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃの対応する変位部Ｄ３１〜Ｄ４２の配置と同一である。そして、これら６つの変位部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ４２に各１つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ４２が配置されている。各容量素子の構成は、第２の実施の形態と同じである。
【０２０９】
図２５には明確には図示されていないが、これらの６つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ４２は、所定の回路によって計測部３４１に接続されており、各容量素子の静電容量値が計測部３４１に提供されるようになっている。そして、後述するように、計測部３４１は、各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、力覚センサ３０１ｃに作用した力を検出するようになっている。
【０２１０】
力覚センサ３０１ｃのその他の構成については、第２の実施の形態と同様である。このため、第２の実施の形態と共通する構成要素には略同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０２１１】
次に、本実施の形態による力覚センサ３０１ｃの作用について説明する。ここでは、第３の実施の形態と同様に、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚの４つの成分を検出する場合について説明を行う。
【０２１２】
本実施の形態による力覚センサ３０１ｃは、受力体３６０を介して受力部３１８、３１９に力またはモーメントが作用すると、６つの検出部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ４２には、それぞれ、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃの対応する検出部Ｄ１１、Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ４２と同じ変位が生じる。
【０２１３】
したがって、力覚センサ３０１ｃに力及びモーメントが作用すると、各容量素子の静電容量値は、図２０のうち対応する容量素子と同様に変動する。このような静電容量値の変動に基づいて、計測部３４１は、作用した力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを次の［式１６］により計測する。［式１６］に示す４つの式のうち、Ｆｚ、Ｍｘ及びＭｙの式は、［式１５］の対応する式とそれぞれ同一である。もちろん、［式１６］において、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度は、いずれもゼロである。
［式１６］
Ｆｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ２１−Ｃ３１＋Ｃ４１
Ｍｘ＝−Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３１−Ｃ４１
Ｍｙ＝−Ｃ１１−Ｃ２１＋Ｃ３１＋Ｃ４１
Ｍｚ＝−Ｃ１１−Ｃ２１＋Ｃ３２＋Ｃ４２
【０２１４】
以上のような本実施の形態によれば、第３の実施の形態において説明した効果に加え、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを差分によって演算することができるため、力覚センサ３０１ｃの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を排除して、高精度に当該モーメントＭｚを計測することができる。
【０２１５】
＜  ３−３．  更なる変形例による力覚センサ  ＞
（３−３−１．変形例１）
力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出するための力覚センサ３００ｃとして、図２２においては、４つの容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４２を削除したものを示したが、このような態様には限定されない。他の例による力覚センサとしては、４つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ４２を削除したものが考えられる。すなわち、この力覚センサは、４つの容量素子Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３２、Ｃ４１を有している。
【０２１６】
この力覚センサに対して、力及びモーメントが作用したときの各容量素子Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３２、Ｃ４１の増減は、図２０に示す容量素子Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３２、Ｃ４１の増減と同一である。したがって、この力覚センサの計測部３４１は、作用した力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを次の［式１７］により計測する。［式１７］は、［式１４］のＦｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚの式から、Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ４２を削除したものである。
［式１７］
Ｆｚ＝Ｃ１２＋Ｃ２１＋Ｃ３２＋Ｃ４１
Ｍｘ＝Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ３２−Ｃ４１
Ｍｙ＝Ｃ１２−Ｃ２１−Ｃ３２＋Ｃ４１
Ｍｚ＝Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ３２−Ｃ４１
【０２１７】
各容量素子Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３２、Ｃ４１の増減及び［式１７］に基づき、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度を求めると、図２４と同一になる。したがって、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度は、ゼロである。但し、［式１７］によれば、Ｚ軸方向の力Ｆｚは、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３２、Ｃ４１の和に基づいて求められる。このため、力Ｆｚについては、力覚センサの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。
【０２１８】
（３−３−２．変形例２）
あるいは、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出するための力覚センサ３００ｃとして４つの容量素子Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３２、Ｃ４１を削除したものも考えられる。
すなわち、この力覚センサは、４つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ４２を有している。
【０２１９】
この力覚センサに対して、力及びモーメントが作用したときの各容量素子Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３２、Ｃ４１の増減は、図２０に示す容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ４２の増減と同一である。したがって、この力覚センサの計測部３４１は、作用した力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを次の［式１８］により計測する。［式１８］は、［式１４］のＦｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚの式から、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３２、Ｃ４１を削除した式に一致する。
［式１８］
Ｆｚ＝−Ｃ１１−Ｃ２２−Ｃ３１−Ｃ４２
Ｍｘ＝−Ｃ１１−Ｃ２２＋Ｃ３１＋Ｃ４２
Ｍｙ＝−Ｃ１１＋Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ４２
Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ４２
【０２２０】
各容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ４２の増減及び［式１８］に基づき、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度を求めると、図２４と同一になる。したがって、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度は、ゼロである。但し、［式１８］によれば、Ｚ軸方向の力Ｆｚは、Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ４２の和に基づいて求められる。このため、本変形例においても、力Ｆｚについては、力覚センサの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。
【０２２１】
＜＜＜  §４．  本発明の第４の実施の形態による力覚センサ及びその変形例  ＞＞＞
＜  ４−１．  本発明の第４の実施の形態による力覚センサ  ＞
§３では、第３の実施の形態及びその変形例として、特にモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを重点的に計測するのに適した力覚センサについて説明を行った。ここでは、力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを重点的に計測するのに適した第４の実施の形態による力覚センサについて説明する。
【０２２２】
図２６は、本発明の第４の実施の形態による力覚センサ４００ｃを示す概略上面図である。
【０２２３】
本実施の形態による力覚センサ４００ｃは、第３の実施の形態と同様に４つの容量素子を有する力覚センサ３００ｃであるが、それらの配置が異なっている。具体的には、力覚センサ４００ｃの各梁４２１Ａ〜４２１Ｄは、力覚センサ２００ｃの各梁２２１Ａ〜２２１Ｄのうち、固定部２１６、２１７側の部位をそれぞれ削除した片持ち梁構造となっている。したがって、力覚センサ４００ｃでは、各梁４２１Ａ〜４２１Ｄに各１つの変位部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ４２が規定されている。そして、これら４つの変位部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ４２に各１つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ４２が配置されている。各容量素子の構成は、第２の実施の形態と同じである。
【０２２４】
これらの４つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ４２は、図２６には明確には図示されていないが、所定の回路によって計測部４４１に接続されており、各容量素子の静電容量値が計測部４４１に提供されるようになっている。そして、後述するように、計測部４４１は、各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、力覚センサ４００ｃに作用した力を検出するようになっている。
【０２２５】
力覚センサ４００ｃのその他の構成については、第２及び第３の実施の形態と同様である。このため、第２及び第３の実施の形態と共通する構成要素には略同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０２２６】
次に、本実施の形態による力覚センサ４００ｃの作用について説明する。ここでは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びＭｚの４つの成分を検出する場合について説明を行う。なお、これら４つの成分は、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃが検出可能な４つの成分でもある。
【０２２７】
図２７は、図２６に示す力覚センサ４００ｃに力及びモーメントの４つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｚが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動を一覧で示す図表である。上述したように、本実施の形態による力覚センサ４００ｃは、梁４２１Ａ〜４２１Ｄが片持ち梁として構成されている点を除いて、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃと同様の構造を有している。したがって、受力体４６０を介して受力部４１８、４１９に力またはモーメントが作用すると、各梁４２１Ａ〜４２１Ｄの各検出部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ４２には、それぞれ、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃにおける対応する検出部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ４２と同じ変位が生じる。
【０２２８】
したがって、力覚センサ４００ｃに力及びモーメントの４つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｚが作用すると、各容量素子の静電容量値は、図２７に一覧で示すように変動する。図２０と同様に、図中の「＋」の記号は、静電容量値が増大することを示しており、「−」の記号は、静電容量値が減少することを示している。なお、図２７の図表は、図２０における、力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｚが作用したときの４つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ４２の静電容量値の増減と、同一である。
【０２２９】
このような静電容量値の変動に基づいて、計測部４４１は、作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｚを次の［式１９］により計測する。［式１９］は、［式１４］のＦｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚの式から、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３２、Ｃ４１を削除した式に一致する。
［式１９］
Ｆｘ＝Ｃ１１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ４２
Ｆｙ＝Ｃ１１＋Ｃ２２−Ｃ３１−Ｃ４２
Ｆｚ＝−Ｃ１１−Ｃ２２−Ｃ３１−Ｃ４２
Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ４２
【０２３０】
［式１９］に基づき、力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｚの他軸感度を求めると、図２４に一覧で示す通り、いずれもゼロである。他軸感度の算出方法は、他の実施の形態と同様である。但し、［式１９］によれば、Ｚ軸方向の力ＦｚがＣ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ４２の和によって求められる。このため、力Ｆｚについては、力覚センサ４００ｃの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。
【０２３１】
以上のような本実施の形態によれば、傾動部４１３Ａ〜４１３Ｄの傾動によって変位する梁４１１Ａ〜４１１Ｄの作用により、傾動部４１３Ａ〜４１３Ｄに生じる変位を容易に増幅させることができる。更に、Ｚ軸方向の力Ｆｚを除いて、４つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ４２の静電容量値の変動量の差分によって、作用した力Ｆｘ、Ｆｙ及びモーメントＭｚを検出することができる。すなわち、本実施の形態によれば、低価格かつ高感度であり、力Ｆｘ、Ｆｙ及びモーメントＭｚについて、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサ４００ｃを提供することができる。
【０２３２】
また、力覚センサ４００ｃは、変形体４１０の２つの受力部４１８、４１９に接続され、作用する力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｚを受けるための受力体４６０と、各変位体４２０Ａ〜４２０Ｄに対向配置され、変形体４１０の２つの固定部４１６、４１７に接続された固定体４５０と、を備えている。このため、作用する力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｚを確実に変形体４１０に伝達することができる。
【０２３３】
更に、変形体４１０は、円環の形状を有しており、２つの受力部４１８、４１９は、Ｘ軸上に原点Ｏに関して対称に位置付けられており、２つの固定部４１６、４１７は、Ｙ軸上に原点Ｏに関して対称に位置付けられている。このため、作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｚを検出するための演算が容易である。
【０２３４】
＜  ４−２．  変形例による力覚センサ  ＞
上述したように、力覚センサ４００ｃは、Ｚ軸方向の力Ｆｚを計測する際に、使用環境における温度変化の影響や同相ノイズの影響を受けやすいものであった。このため、当該力Ｆｚを計測する際に、それらの影響を受けにくくできればより好ましい。ここでは、そのような力覚センサとして、６つの容量素子を備えた変形例について説明する。
【０２３５】
図２８は、第４の実施の形態の変形例による力覚センサ４０１ｃを示す概略上面図である。
【０２３６】
図２８に示すように、力覚センサ４０１ｃは、第１及び第２梁４２１Ａ、４２１Ｂが片持ち梁として構成されている点において、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃとは異なっている。具体的には、力覚センサ４０１ｃの第１及び第２梁４２１Ａ、４２１Ｂは、第３の実施の形態による力覚センサ４００ｃの第１及び第２梁４２１Ａ、４２１Ｂと同様であり、力覚センサ４０１ｃの第３及び第４梁４２１、４２１Ｄは、図１８に示す第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃの第３及び第４梁２２１Ｃ、２２１Ｄと同様である。したがって、力覚センサ４０１ｃでは、第１梁４２１Ａに第１−１変位部Ｄ１１が、第２梁４２１Ｂに第２−２変位部Ｄ２２が規定されており、第３梁４２１Ｃに第３−１変位部Ｄ３１及び第３−２変位部Ｄ３２が、第４梁４２１Ｄに第４−１変位部Ｄ４１及び第４−２変位部Ｄ４２が、それぞれ規定されている。第３−１変位部Ｄ３１、第３−２変位部Ｄ３２、第４−１変位部Ｄ４１及び第４−２変位部Ｄ４２の配置は、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃの対応する変位部Ｄ３１〜Ｄ４２の配置と同一である。そして、これら６つの変位部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ４２に各１つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ４２が配置されている。各容量素子の構成は、第２の実施の形態と同じである。
【０２３７】
図２８には明確には図示されていないが、これらの６つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ４２は、所定の回路によって計測部４４１に接続されており、各容量素子の静電容量値が計測部４４１に提供されるようになっている。そして、後述するように、計測部４４１は、各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、力覚センサ４０１ｃに作用した力を検出するようになっている。
【０２３８】
力覚センサ４０１ｃのその他の構成については、第２の実施の形態と同様である。このため、第２の実施の形態と共通する構成要素には略同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０２３９】
次に、本実施の形態による力覚センサ４０１ｃの作用について説明する。ここでは、第４の実施の形態と同様に、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びＭｚの４つの成分を検出する場合について説明を行う。
【０２４０】
本実施の形態による力覚センサ４０１ｃは、受力体４６０を介して受力部４１８、４１９に力またはモーメントが作用すると、６つの検出部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ４２には、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃの対応する検出部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ４２と同じ変位が生じる。
【０２４１】
したがって、力覚センサ４０１ｃに力及びモーメントが作用すると、各容量素子の静電容量値は、図２０のうち対応する容量素子と同様に変動する（Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ４２については、図２７と同じである）。このような静電容量値の変動に基づいて、計測部４４１は、作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｚを次の［式２０］により計測する。［式２０］に示す４つの式のうち、Ｆｘ、Ｆｙ及びＭｚの式は、［式１９］の対応する式とそれぞれ同一である。もちろん、［式２０］において、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度は、いずれもゼロである。
［式２０］
Ｆｘ＝Ｃ１１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ４２
Ｆｙ＝Ｃ１１＋Ｃ２２−Ｃ３１−Ｃ４２
Ｆｚ＝−Ｃ１１−Ｃ２２＋Ｃ３２＋Ｃ４１
Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ４２
【０２４２】
以上のような本実施の形態によれば、第４の実施の形態において説明した効果に加え、Ｚ軸方向の力Ｆｚを差分によって演算することができるため、力覚センサ４０１ｃの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を排除して、高精度に当該力Ｆｚを計測することができる。
【０２４３】
以上から、§３及び§４で説明したように、図１に示す力覚センサ１００ｃを４つ、閉ループ状に並べることで、力の４成分（Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの組、またはＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｚの組）を検出することができる。もちろん、これらの４成分のうち任意の成分のみを検出しても良い。
【０２４４】
なお、§３及び§４で説明した各実施の形態及びそれらの変形例による力覚センサ３００ｃ、３０１ｃ、４００ｃ、４０１ｃは、特定の梁を片持ち梁構造に置換したモデルとして説明を行った。しかしながら、このような例には限られず、図１８に示す両持ち梁構造を維持したままで、各力覚センサ３００ｃ、３０１ｃ、４００ｃ、４０１ｃにおいて用いられている特定の容量素子に着目し、それらの容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力及びモーメントを計測しても良い。
【０２４５】
＜＜＜  §５．  本発明の第５の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
＜  ５−１．  基本構造の構成  ＞
次に、本発明の第５の実施の形態による力覚センサについて説明する。
【０２４６】
図２９は、本発明の第５の実施の形態による力覚センサの基本構造５００を示す概略上面図であり、図３０は、Ｙ軸正側から見た基本構造５００を示す概略側面図である。ここでは、図２９及び図３０に示すようにＸＹＺ三次元座標系を定義して以下の説明を行うこととする。なお、図２９では、説明の便宜上、受力体５６０の図示が省略されている。
【０２４７】
図２９及び図３０に示すように、基本構造５００は、閉ループ状の矩形変形体５１０であって、４つの受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆと、閉ループ状の経路に沿って前記４つの受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆと交互に配置された４つの固定部５１５Ｂ、５１５Ｃ、５１５Ｅ、５１５Ｈと、閉ループ状の経路に沿って隣接する受力部及び固定部によって挟まれた８つの間隙に１つずつ配置され、受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆに作用した力またはモーメントにより弾性変形を生じる８つの変形要素５１０Ａ〜５１０Ｈと、を有する矩形変形体５１０と、各変形要素５１０Ａ〜５１０Ｈに接続され、当該変形要素５１０Ａ〜５１０Ｈに生じる弾性変形により変位を生じる８つの変位体５２０Ａ〜５２０Ｈと、を備えている。
【０２４８】
図２９に示すように、４つの受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆは、正のＸ軸上、負のＸ軸上、正のＹ軸上及び負のＹ軸上にそれぞれ１つずつ原点Ｏから等距離で配置されている。また、４つの固定部５１５Ｂ、５１５Ｃ、５１５Ｅ、５１５Ｈは、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して反時計回りに４５°の角度を成す直線上、及び、原点Ｏを通り正のＹ軸に対して反時計回りに４５°の角度を成す直線上、にそれぞれ原点Ｏに関して対称的に各１つずつ配置されている。これら４つの固定部５１５Ｂ、５１５Ｃ、５１５Ｅ、５１５Ｈは、矩形変形体５１０の４つの頂点を構成している。したがって、図２９に示すように、矩形変形体５１０は、Ｚ軸方向から見て正方形の形状を有している。
【０２４９】
矩形変形体５１０の各変形要素５１０Ａ〜５１０Ｈの配置について見ると、負のＸ軸上に配置された第１受力部５１４Ａの両隣に配置された第１変形要素５１０Ａ及び第８変形要素５１０Ｈと、正のＸ軸上に配置された第３受力部５１４Ｄの両隣に配置された第４変形要素５１０Ｄ及び第５変形要素５１０Ｅとは、共にＹ軸に平行に延在している。また、正のＹ軸上に配置された第２受力部５１４Ｂの両隣に配置された第２変形要素５１０Ｂ及び第３変形要素５１０Ｃと、負のＹ軸上に配置された第４受力部５１４Ｆの両隣に配置された第６変形要素５１０Ｆ及び第７変形要素５１０Ｇとは、共にＸ軸に平行に延在している。
【０２５０】
次に、各変形要素５１０Ａ〜５１０Ｈの構成について説明する。ここでは、図２９及び図３０を参照して、第２及び第３変形要素５１０Ｂ、５１０Ｃの構成を詳細に説明し、その説明に基づいて残りの変形要素の構成を説明する。
【０２５１】
図２９及び図３０に示すように、ＸＹ平面の第２象限（図２９の左上の領域）にＸ軸と平行に配置された第２変形要素５１０Ｂは、Ｘ軸負側に配置された第１固定部５１５ＢとＹ軸上に配置された第２受力部５１４Ｂとの間に配置されており、Ｚ軸方向（図２９における奥行き方向）を長手方向とする第２傾動部５１３Ｂと、第２受力部５１４Ｂと第２傾動部５１３Ｂとを接続する第２−１変形部５１１Ｂと、第１固定部５１５Ｂと第２傾動部５１３Ｂとを接続する第２−２変形部５１２Ｂと、を有している。図３０に示すように、第２−１変形部５１１Ｂは、ＸＹ平面と平行に延在し、第２傾動部５１３ＢのＺ軸負側の端部（図３０における下端部）にて、当該第２傾動部５１３Ｂに接続されている。第２−２変形部５１２Ｂは、ＸＹ平面と平行に延在し、第２傾動部５１３ＢのＺ軸正側の端部（図３０における上端部）にて、当該第２傾動部５１３Ｂに接続されている。
【０２５２】
図２９及び図３０に示すように、ＸＹ平面の第１象限（図２９の右上の領域）にＸ軸と平行に配置された第３変形要素５１０Ｃは、Ｘ軸正側に配置された第２固定部５１５ＣとＹ軸上に配置された第２受力部５１４Ｂとの間に配置されており、Ｚ軸方向を長手方向とする第３傾動部５１３Ｃと、第２受力部５１４Ｂと第３傾動部５１３Ｃとを接続する第３−１変形部５１１Ｃと、第２固定部５１５Ｃと第３傾動部５１３Ｃとを接続する第３−２変形部５１２Ｃと、を有している。図３０に示すように、第３−１変形部５１１Ｃは、ＸＹ平面と平行に延在し、第３傾動部５１３ＣのＺ軸負側の端部（下端）にて、当該第３傾動部５１３Ｃに接続されている。第３−２変形部５１２Ｃは、ＸＹ平面と平行に延在し、第３傾動部５１３ＣのＺ軸正側の端部（上端）にて、当該第３傾動部５１３Ｃに接続されている。
【０２５３】
更に、詳細には図示されていないが、Ｘ座標が負の領域（図２９におけるＹ軸の左側の領域）にＹ軸と平行に配置された第１変形要素５１０Ａ及び第８変形要素５１０Ｈは、上述した第２及び第３変形要素５１０Ｂ，５１０Ｃを、原点Ｏを中心として反時計回りに９０°回転させたときの当該第３変形要素５１０Ｃ及び第２変形要素５１０Ｂの構成に、それぞれ対応している。
【０２５４】
また、Ｘ座標が正の領域（図２９におけるＹ軸の右側の領域）にＹ軸と平行に配置された第４変形要素５１０Ｄ及び第５変形要素５１０Ｅは、上述した第２及び第３変形要素５１０Ｂ，５１０Ｃを、原点Ｏを中心として時計回りに９０°回転させたときの当該第２変形要素５１０Ｂ及び第３変形要素５１０Ｃの構成に、それぞれ対応している。Ｙ座標が負の領域（図２９におけるＸ軸の下側の領域）にＸ軸と平行に配置された第６変形要素５１０Ｆ及び第７変形要素５１０Ｇは、上述した第２及び第３変形要素５１０Ｂ，５１０Ｃを、原点Ｏを中心として時計回りに１８０°回転させたときの当該第２変形要素５１０Ｂ及び第３変形要素５１０Ｃの構成に、それぞれ対応している。
【０２５５】
以上の対応関係により、ここでは、第１及び第４〜８変形要素５１０Ａ、５１０Ｄ〜５１０Ｈの詳細な説明は省略する。なお、図２９及び図３０において、第１及び第４〜８変形要素５１０Ａ、５１０Ｄ〜５１０Ｈの構成要素には符号の末尾に「Ａ」、「Ｄ」〜「Ｈ」がそれぞれ付されている。
【０２５６】
更に、基本構造５００の各固定部５１５Ｂ、５１５Ｃ、５１５Ｅ、５１５Ｈは、その下端部が、後述される第１〜第８梁５２１Ａ〜５２１Ｈに所定の間隔を空けて対向配置された支持体５５０に接続されている。
【０２５７】
図２９及び図３０に示すように、前述した８つの変位体５２０Ａ〜５２０Ｈは、第１〜第８変形要素５１０Ａ〜５１０Ｈの各傾動部５１３Ａ〜５１３Ｈの下端（Ｚ軸負側の端部）に１つずつ接続されている。各変位体５２０Ａ〜５２０Ｈは、それぞれ、対応する傾動部５１３Ａ〜５１３Ｈの傾動によって変位する変位部を有している。この変位部は、図２９及び図３０に示すように、各傾動部５１３Ａ〜５１３Ｈの下端に接続体５２２Ａ〜５２２Ｈを介してそれぞれ取り付けられた第１〜第８梁５２１Ａ〜５２１Ｈである。
【０２５８】
各変位体５２０Ａ〜５２０Ｈの具体的な構成は、第２の実施の形態で説明した第１変位体２２０Ａの構成と同様である。このため、図２９及び図３０では、第２の実施の形態に対応する構成要素には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。後述されるように、各変位体５２０Ａ〜５２０Ｈの各変位部Ｄ１１〜Ｄ８２のそれぞれに容量素子が配置され、受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆに作用した力及びモーメントが検出されることになる。結局、基本構造５００は、第１〜第８変形要素５１０Ａ〜５１０Ｈとして、§１で説明した基本構造１００を８つ、矩形の閉ループ状に配置されて構成されている。
【０２５９】
更に、図３０に示すように、矩形変形体５１０のＺ軸正側には、検出対象の力を受けるための受力体５６０が配置されている（図２９では図示が省略されている）。受力体５６０は、Ｚ軸方向から見て、矩形変形体５１０と重なる矩形の形状を有する受力体本体５６１と、受力体本体５６１のうち、矩形変形体５１０の受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆに面する部位に設けられた受力部接続体５６２〜５６５（５６３〜５６５は図示されず）と、を有している。これらの受力部接続体５６２〜５６５が、対応する受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆに接続され、受力体本体５６１に作用した力及びモーメントが、当該受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆに伝達されるようになっている。
【０２６０】
＜  ５−２．  基本構造の作用  ＞
次に、以上のような基本構造５００の作用について説明する。
【０２６１】
（５−２−１．力＋Ｆｘが作用した場合）
図３１は、受力体５６０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときに、図２９の基本構造５００の各変位体５２０Ａ〜５２０Ｈに生じる変位を説明するための図である。図中の矢印等の記号の意味は、§２で説明した通りである。
【０２６２】
受力体５６０を介して受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４ＦにＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用することにより、各受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４ＦがＸ軸正方向へ変位する。この結果、図３１に示すように、第３変形要素５１０Ｃ及び第６変形要素５１０Ｆは、図３に示すような圧縮力の作用を受ける。この場合、第３傾動部５１３Ｃが反時計回りに傾動し、第６傾動部５１３Ｆが時計回りに傾動する。すなわち、第３梁５２１Ｃが反時計回りに傾動し、第６梁５１３Ｆが時計回りに傾動する。これらの結果、第３−１変位部Ｄ３１がＺ軸負方向に変位し、第３−２変位部Ｄ３２がＺ軸正方向に変位し、第６−１変位部Ｄ６１がＺ軸正方向に変位し、第６−２変位部Ｄ６２がＺ軸負方向に変位する。
【０２６３】
同時に、図３１に示すように、第２変形要素５１０Ｂ及び第７変形要素５１０Ｇは、図４に示すような引張力の作用を受ける。この結果、第２傾動部５１３Ｂが反時計回りに傾動し、第７傾動部５１３Ｇが時計回りに傾動する。すなわち、第２梁５２１Ｂが反時計回りに傾動し、第７梁５１３Ｇが時計回りに傾動する。これらの結果、第２−１変位部Ｄ２１がＺ軸負方向に変位し、第２−２変位部Ｄ２２がＺ軸正方向に変位し、第７−１変位部Ｄ７１がＺ軸正方向に変位し、第７−２変位部Ｄ７２がＺ軸負方向に変位する。
【０２６４】
一方、Ｘ軸上に位置する２つの受力部５１４Ａ、５１４Ｄは、第１、第４、第５、第８変形要素５１０Ａ、５１０Ｄ、５１０Ｅ、５１０Ｈの整列方向（Ｙ軸方向）に対して直交する方向（Ｘ軸方向）に移動する。このため、これら４つの変形要素５１０Ａ、５１０Ｄ、５１０Ｅ、５１０Ｈに対応する容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ５１、Ｃ５２、Ｃ８１、Ｃ８２では、各容量素子を構成する変位電極Ｅｍ１１、Ｅｍ１２、Ｅｍ４１、Ｅｍ４２、Ｅｍ５１、Ｅｍ５２、Ｅｍ８１、Ｅｍ８２のそれぞれにおいて、一部がＺ軸正方向に変位し、他の一部がＺ軸負方向に変位する。すなわち、各容量素子は、一部において極板間の離間距離が増大する一方、他の一部において当該離間距離が減少する。したがって、当該８つの容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ５１、Ｃ５２、Ｃ８１、Ｃ８２の静電容量値は、いずれも実質的に変化しないと考えて良い。
【０２６５】
なお、基本構造５００の受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４ＦにＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの当該基本構造５００の作用は、上述した、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの基本構造５００の作用を、原点Ｏを中心として反時計回りに９０°回転させて考えればよい。このため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０２６６】
（５−２−２．力＋Ｆｚが作用した場合）
次に、図３２は、受力体５６０にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、図２９の基本構造５００の各変位体５２０Ａ〜５２０Ｈに生じる変位を説明するための図である。図中の矢印等の記号の意味は、§２で説明した通りである。
【０２６７】
受力体５６０を介して受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４ＦにＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用することにより、各受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４ＦがＺ軸正方向へ変位する。この結果、図３２に示すように、第１〜第８変形要素５１０Ａ〜５１０Ｈは、いずれも、図６に示すような上向きの力の作用を受ける。この場合、第１、３、５及び７傾動部５１３Ａ、５１３Ｃ、５１３Ｅ、５１３Ｇが時計回りに傾動し、残りの第２、４、６及び８傾動部５１３Ｂ、５１３Ｄ、５１３Ｆ、５１３Ｈが反時計回りに傾動する。すなわち、第１、３、５及び７梁５２１Ａ、５２１Ｃ、５２１Ｅ、５２１Ｇが時計回りに傾動し、残りの第２、４、６及び８傾動部５１３Ｂ、５１３Ｄ、５１３Ｆ、５１３Ｈが反時計回りに傾動する。
【０２６８】
これらの結果、第１−１、第２−２、第３−１、第４−２、第５−１、第６−２、第７−１及び第８−２変位部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ４２、Ｄ５１、Ｄ６２、Ｄ７１、Ｄ８２がＺ軸正方向に変位し、残りの第１−２、第２−１、第３−２、第４−１、第５−２、第６−１、第７−２及び第８−１変位部Ｄ１２、Ｄ２１、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ５２、Ｄ６１、Ｄ７２、Ｄ８１がＺ軸負方向に変位する。
【０２６９】
（５−２−３．モーメント＋Ｍｘが作用した場合）
次に、基本構造５００の受力体５６０（受力部）にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときの当該基本構造５００の作用について説明する。
【０２７０】
図３３は、受力体５６０にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときに、図２９の基本構造５００の各変位体５２０Ａ〜５２０Ｈに生じる変位を説明するための図である。図中の矢印等の記号の意味は、§２で説明した通りである。
【０２７１】
受力体５６０にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、正のＹ軸上に位置する第２受力部５１４ＢがＺ軸正方向（図３３における手前方向）に変位し、負のＹ軸上に位置する第４受力部５１４ＦがＺ軸負方向（図３３における奥行き方向）に変位する。したがって、図３３に示すように、第２及び第３変形要素５１０Ｂ、５１０Ｃは、力＋Ｆｚが作用したときと同様に、図６に示すような上向きの力の作用を受ける。すなわち、５−２−２．で説明したように、第２−１及び第３−２変位部Ｄ２１、Ｄ３２がＺ軸負方向に変位し、第２−２及び第３−１変位部Ｄ２２、Ｄ３１がＺ軸正方向に変位する。
【０２７２】
一方、図３３に示すように、第６及び第７変形要素５１０Ｆ、５１０Ｇは、力＋Ｆｚが作用したときとは逆に、図５に示すような下向きの力の作用を受ける。この場合、第６傾動部５１３Ｆは時計回りに傾動し、第７傾動部５１３Ｇは反時計回りに傾動する。すなわち、第６梁５２１Ｆは時計回りに傾動し、第７梁５２１Ｇは反時計回りに傾動する。この結果、第６−１変位部Ｄ６１及び第７−２変位部Ｄ７２はＺ軸正方向に変位し、第６−２変位部Ｄ６２及び第７−１変位部Ｄ７１はＺ軸負方向に変位する。
【０２７３】
一方、モーメント＋Ｍｘの中心軸線上（Ｘ軸上）に位置する第１及び第３受力部５１４Ａ、５１４Ｄは、実質的に変位しない。このため、第１及び第３受力部５１４Ａ、５１４Ｄに接続された第１、第４、第５及び第８変形要素５１０Ａ、５１０Ｄ、５１０Ｅ、５１０Ｈには、実質的に圧縮力も引張力も作用しない。すなわち、各変形要素５１０Ａ、５１０Ｄ、５１０Ｅ、５１０Ｈに対応する変位部Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ４１、Ｄ４２、Ｄ５１、Ｄ５２、Ｄ８１、Ｄ８２は、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘによってＺ軸方向へは変位しない。
【０２７４】
なお、基本構造５００の受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４ＦにＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの当該基本構造５００の作用は、上述した、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合を、原点Ｏを中心として反時計回りに９０°回転させて考えればよい。このため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０２７５】
（５−２−４．モーメント＋Ｍｚが作用した場合）
次に、図３４は、受力体５６０にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときに、図２９の基本構造５００の各変位体５２０Ａ〜５２０Ｈに生じる変位を説明するための図である。図中の矢印等の記号の意味は、§２で説明した通りである。
【０２７６】
受力体５６０にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、図３４に示すように、負のＸ軸上に位置する第１受力部５１４ＡがＸ軸負方向に変位し、正のＹ軸上に位置する第２受力部５１４ＢがＸ軸負方向に変位し、正のＸ軸上に位置する第３受力部５１４ＤがＹ軸正方向に変位し、負のＹ軸上に位置する第４受力部５１４ＦがＸ軸正方向に変位する。したがって、図３４に示すように、第２、第４、第６及び第８変形要素５１０Ｂ、５１０Ｄ、５１０Ｆ、５１０Ｈは、図３に示すような圧縮力の作用を受ける。この場合、第２、第４、第６及び第８傾動部５１３Ｂ、５１３Ｄ、５１３Ｆ、５１３Ｈが時計回りに傾動するため、第２、第４、第６及び第８梁５２１Ｂ、５２１Ｄ、５２１Ｆ、５２１Ｈも時計回りに傾動する。この結果、第２−１、第４−１、第６−１及び第８−１変位部Ｄ２１、Ｄ４１、Ｄ６１、Ｄ８１がＺ軸正方向に変位し、第２−２、第４−２、第６−２及び第８−２変位部Ｄ２２、Ｄ４２、Ｄ６２、Ｄ８２がＺ軸負方向に変位する。
【０２７７】
更に、図３４に示すように、第１、第３、第５及び第７変形要素５１０Ａ、５１０Ｃ、５１０Ｅ、５１０Ｇが図４に示すような引張力の作用を受ける。この場合、第１、第３、第５及び第７傾動部５１３Ａ、５１３Ｃ、５１３Ｅ、５１３Ｇが時計回りに傾動するため、第１、第３、第５及び第７梁５２１Ａ、５２１Ｃ、５２１Ｅ、５２１Ｇも時計回りに傾動する。この結果、第１−１、第３−１、第５−１及び第７−１変位部Ｄ１１、Ｄ３１、Ｄ５１、Ｄ７１がＺ軸正方向に変位し、第１−２、第３−２、第５−２及び第７−２変位部Ｄ１２、Ｄ３２、Ｄ５２、Ｄ７２がＺ軸負方向に変位する。
【０２７８】
以上のまとめとして、図３５には、受力体５６０にＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力＋Ｆｘ、＋Ｆｙ、＋Ｆｚ及び各軸方向のモーメント＋Ｍｘ、＋Ｍｙ、＋Ｍｚが作用したときに図２９の基本構造５００の各傾動部５１３Ａ〜５１３Ｈに生じる傾動の向きと、各変位体５２０Ａ〜５２０Ｈの各変位部Ｄ１１〜Ｄ８２に生じる変位とが、一覧で示されている。図３５において、各傾動部５１３Ａ〜５１３Ｈの欄に記された回動の向き（時計回り／反時計回り）は、原点Ｏから観測したときの向きである。また、各変位部Ｄ１１〜Ｄ４８の欄に記された「＋」の記号は、対応する変位部と支持体５５０との離間距離が増大することを意味し、「−」の記号は、対応する変位部と支持体５５０との離間距離が減少することを意味する。
【０２７９】
なお、受力体５６０に作用する力及びモーメントが負方向及び負まわりである場合には、上述した各場合において、傾動部５１３Ａ〜５１３Ｈの傾動の向きが全て逆になる。この結果、各変位体５２０Ａ〜５２０Ｈの変位部Ｄ１１〜Ｄ８２に生じる変位の向きが逆になり、図３５に一覧で示した傾動の向き、及び、各変位部Ｄ１１〜Ｄ８２と支持体５５０との離間距離の増減（＋／−）が、全て逆になる。
【０２８０】
＜  ５−３．  力覚センサの構成  ＞
次に、５−１、５−２において説明した基本構造５００を有する力覚センサ５００ｃの構成について説明する。
【０２８１】
図３６は、図２９の基本構造５００を用いた本発明の第５の実施の形態による力覚センサ５００ｃを示す概略上面図であり、図３７は、図３６のＸ軸正側から見た力覚センサ５００ｃを示す概略側面図である。
【０２８２】
図３６及び図３７に示すように、力覚センサ５００ｃは、上述した基本構造５００と、基本構造５００の変位体５２０Ａ〜５２０Ｈの各変位部Ｄ１１〜Ｄ８２に生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントを検出する検出回路５４０と、を有している。本実施の形態の検出回路５４０は、図３６及び図３７に示すように、変位体５２０Ａ〜５２０Ｈの各変位部Ｄ１１〜Ｄ８２に１つずつ配置された、合計１６個の容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２と、これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２に接続され、当該容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を計測する計測部５４１と、を有している。
【０２８３】
１６個の容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の具体的な構成は、次の通りである。すなわち、図３７に示すように、第２−１容量素子Ｃ２１は、第２梁２２１Ｂの第２−１変位部Ｄ２１上に絶縁体（不図示）を介して配置された第２−１変位電極Ｅｍ２１と、支持体５５０上に絶縁体（不図示）を介して第２−１変位電極Ｅｍ２１と対向するように配置された第２−１固定電極Ｅｆ２１と、を有している。また、第２−２容量素子Ｃ２２は、第２梁２２１Ｂの第２−２変位部Ｄ２２上に絶縁体（不図示）を介して配置された第２−２変位電極Ｅｍ２２と、支持体５５０上に絶縁体（不図示）を介して第２−２変位電極Ｅｍ２２と対向するように配置された第２−２固定電極Ｅｆ２２と、を有している。
【０２８４】
同様に、図３７に示すように、第３−１容量素子Ｃ３１は、第３梁２２１Ｃの第３−１変位部Ｄ３１上に絶縁体（不図示）を介して配置された第３−１変位電極Ｅｍ３１と、支持体５５０上に絶縁体（不図示）を介し第３−１変位電極Ｅｍ３１と対向するように配置された第３−１固定電極Ｅｆ３１と、を有しており、第３−２容量素子Ｃ３２は、第３梁２２１Ｃの第３−２変位部Ｄ３２上に絶縁体（不図示）を介して配置された第３−２変位電極Ｅｍ３２と、支持体５５０上に絶縁体（不図示）を介して第３−２変位電極Ｅｍ３２と対向するように配置された第３−２固定電極Ｅｆ３２と、を有している。
【０２８５】
更に、詳細には図示されていないが、Ｘ座標が負の領域（図３６におけるＹ軸の左側の領域）にＹ軸と平行に配置された第１−１、第１−２、第８−１及び第８−２容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ８１、Ｃ８２は、上述した第３−１、第３−２、第２−１及び第２−２容量素子Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ２１、Ｃ２２を、原点Ｏを中心として反時計回りに９０°回転させたときの各容量素子Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ２１、Ｃ２２の構成に、それぞれ対応している。
【０２８６】
また、Ｘ座標が正の領域（図３６におけるＹ軸の右側の領域）にＹ軸と平行に配置された第４−１、第４−２、第５−１及び第５−２容量素子Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ５１、Ｃ５２は、上述した第３−１、第３−２、第２−１及び第２−２容量素子Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ２１、Ｃ２２を、原点Ｏを中心として時計回りに９０°回転させたときの各容量素子Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ２１、Ｃ２２の構成に、それぞれ対応している。Ｙ座標が負の領域（図３６におけるＸ軸の下側の領域）にＸ軸と平行に配置された第６−１、第６−２、第７−１及び第７−２容量素子は、上述した第２−１、第２−２、第３−１及び第３−２容量素子Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２を、原点Ｏを中心として時計回りに１８０°回転させたときの当該各容量素子Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２の構成に、それぞれ対応している。
以上の対応関係により、ここでは、第２−１、第２−２、第３−１及び第３−２容量素子Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２以外の容量素子についての詳細な説明は省略する。
【０２８７】
これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２は、図３６及び図３７には明確には図示されていないが、所定の回路によって検出回路５４０の計測部５４１に接続されており、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値が計測部５４１に提供されるようになっている。
【０２８８】
＜  ５−４．  力覚センサの作用  ＞
次に、５−３．で説明した力覚センサ５００ｃの作用について説明する。
【０２８９】
（５−４−１．Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合）
力覚センサ５００ｃの受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆに受力体５６０を介してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、図３５に示す各検出部Ｄ１１〜Ｄ８２の変位から理解されるように、第２−１、第３−１、第６−２及び第７−２容量素子Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ６２、Ｃ７２の静電容量値が増大する一方、第２−２、第３−２、第６−１及び第７−１容量素子Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ６１、Ｃ７１の静電容量値が減少する。残りの第１−１、第１−２、第４−１、第４−２、第５−１、第５−２、第８−１及び第８−２容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ５１、Ｃ５２、Ｃ８１、Ｃ８２の静電容量値は、変動しない。
【０２９０】
図３８は、受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４ＦにＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力＋Ｆｘ、＋Ｆｙ、＋Ｆｚまたは各軸まわりのモーメント＋Ｍｘ、＋Ｍｙ、＋Ｍｚが作用したときの各容量素子の静電容量値の増減を一覧で示す図表である。上述した各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の増減は、図３８のＦｘの欄に纏めて示してある。なお、図中の「＋」の記号は、静電容量値が増大することを示しており、「−」の記号は、静電容量値が減少することを示している。
【０２９１】
本実施の形態では、各梁５２１Ａ〜５２１Ｈにおいて、第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、…、Ｄ８１と第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、…、Ｄ８２とが、対応する梁５２１Ａ〜５２１Ｈの傾動の中心から互いに等距離に配置されている。このため、傾動が生じる４つの梁５２１Ｂ、５２１Ｃ、５２１Ｆ、５２１Ｇにおいて、第１変位部Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ６１、Ｄ７１に配置された容量素子Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ６１、Ｃ７１の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ２１｜、｜ΔＣ３１｜、｜ΔＣ６１｜、｜ΔＣ７１｜）と、第２変位部Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ６２、Ｄ７２に配置された容量素子Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ６２、Ｃ７２の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ２２｜、｜ΔＣ３２｜、｜ΔＣ６２｜、｜ΔＣ７２｜）とは、互いに等しい。このため、｜ΔＣ２１｜＝｜ΔＣ２２｜＝｜ΔＣ３１｜＝｜ΔＣ３２｜＝｜ΔＣ６１｜＝｜ΔＣ６２｜＝｜ΔＣ７１｜＝｜ΔＣ７２｜＝ΔＣとすると、力＋Ｆｘが作用したときの第１−１〜第８−２容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の各静電容量値Ｃ１１ａ〜Ｃ８２ａは、次の［式２１］で表される。
［式２１］
Ｃ１１ａ＝Ｃ１１
Ｃ１２ａ＝Ｃ１２
Ｃ２１ａ＝Ｃ２１＋ΔＣ
Ｃ２２ａ＝Ｃ２２−ΔＣ
Ｃ３１ａ＝Ｃ３１＋ΔＣ
Ｃ３２ａ＝Ｃ３２−ΔＣ
Ｃ４１ａ＝Ｃ４１
Ｃ４２ａ＝Ｃ４２
Ｃ５１ａ＝Ｃ５１
Ｃ５２ａ＝Ｃ５２
Ｃ６１ａ＝Ｃ６１−ΔＣ
Ｃ６２ａ＝Ｃ６２＋ΔＣ
Ｃ７１ａ＝Ｃ７１−ΔＣ
Ｃ７２ａ＝Ｃ７２＋ΔＣ
Ｃ８１ａ＝Ｃ８１
Ｃ８２ａ＝Ｃ８２
【０２９２】
このような静電容量値の変動に基づいて、計測部５４１は、作用した力＋Ｆｘを次の［式２２］により計測する。
［式２２］
＋Ｆｘ＝Ｃ２１−Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ３２−Ｃ６１＋Ｃ６２−Ｃ７１＋Ｃ７２
【０２９３】
（５−４−２．Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合）
次に、力覚センサ５００ｃの受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆに受力体５６０を介してＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、図３５に示す各検出部Ｄ１１〜Ｄ８２の変位から理解されるように、第１−１、第４−２、第５−２及び第８−１容量素子Ｃ１１、Ｃ４２、Ｃ５２、Ｃ８１の静電容量値が増大する一方、第１−２、第４−１、第５−１及び第８−２容量素子Ｃ１２、Ｃ４１、Ｃ５１、Ｃ８２の静電容量値が減少する。残りの第２−１、第２−２、第３−１、第３−２、第６−１、第６−２、第７−１及び第７−２容量素子Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ６１、Ｃ６２、Ｃ７１、Ｃ７２の静電容量値は、変動しない。これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の増減は、図３８のＦｙの欄に纏めて示してある。  
ここでも、各梁５２１Ａ〜５２１Ｈにおいて、第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、・・・、Ｄ８１に配置された容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、・・・、Ｃ８１の静電容量値の変動の大きさと、第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、・・・、Ｄ８２に配置された容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、・・・、Ｃ８２の静電容量値の変動の大きさとが、互いに等しいと見なせる。このため、前述した［式２１］と同様にして各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動を考慮することにより、計測部５４１は、作用した力＋Ｆｙを次の［式２３］により計測する。
［式２３］
＋Ｆｙ＝Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ４１＋Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２＋Ｃ８１−Ｃ８２
【０２９４】
（５−４−３．Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した場合）
次に、力覚センサ５００ｃの受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆに受力体５６０を介してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、図３５に示す各検出部Ｄ１１〜Ｄ８２の変位から理解されるように、第１−２、第２−１、第３−２、第４−１、第５−２、第６−１、第７−２及び第８−１容量素子Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ５２、Ｃ６１、Ｃ７２、Ｃ８１の静電容量値が増大する一方、残りの第１−１、第２−２、第３−１、第４−２、第５−１、第６−２、第７−１、第８−２容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ４２、Ｃ５１、Ｃ６２、Ｃ７１、Ｃ８２の静電容量値が減少する。これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の増減は、図３８のＦｚの欄に纏めて示してある。
【０２９５】
より詳細には、力＋Ｆｚが作用すると、各傾動部５１３Ａ〜５１３Ｈが全体的にＺ軸正方向に変位する。したがって、§２で詳細に説明したように、各変位部Ｄ１１〜Ｄ８２に生じる変位は、各傾動部５１３Ａ〜５１３Ｈの傾動によるＺ軸正方向またはＺ軸負方向への変位と、各傾動部５１３Ａ〜５１３ＨのＺ軸正方向への変位と、の和である。つまり、Ｚ軸正方向に変位する変位部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ４２、Ｄ５１、Ｄ６２、Ｄ７１、Ｄ８２においては、その変位が増幅され、Ｚ軸負方向に変位する変位部Ｄ１２、Ｄ２１、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ５２、Ｄ６１、Ｄ７２、Ｄ８１においては、その変位が相殺される。
【０２９６】
ここでは、各傾動部５１３Ａ〜５２１ＨのＺ軸方向の長さ（高さ）に対して各梁５２１Ａ〜５２１ＨのＺ軸方向の長さが十分に大きいため、各梁５２１Ａ〜５２１Ｈの第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、・・・、Ｄ８１に設けられた容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、・・・、Ｃ８１の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ１１｜、｜ΔＣ２１｜、・・・、｜ΔＣ８１｜）と、第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、・・・、Ｄ８２に設けられた容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、・・・、Ｃ８２の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ１２｜、｜ΔＣ２２｜、・・・、｜ΔＣ８２｜）とは、互いに等しいと考えて良い。
【０２９７】
このため、前述した［式２１］と同様にして各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動を考慮することにより、計測部５４１は、作用した力＋Ｆｚを次の［式２４］により計測する。
［式２４］
＋Ｆｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２＋Ｃ６１−Ｃ６２−Ｃ７１＋Ｃ７２＋Ｃ８１−Ｃ８２
【０２９８】
（５−４−４．Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合）
次に、力覚センサ５００ｃの受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆに受力体５６０を介してＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、図３５に示す各検出部Ｄ１１〜Ｄ８２の変位から理解されるように、第２−１、第３−２、第６−２及び第７−１容量素子Ｃ２１、Ｃ３２、Ｃ６２、Ｃ７１の静電容量値が増大する一方、第２−２、第３−１、第６−１及び第７−２容量素子Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ６１、Ｃ７２の静電容量値が減少する。残りの第１−１、第１−２、第４−１、第４−２、第５−１、第５−２、第８−１及び第８−２容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ５１、Ｃ５２、Ｃ８１、Ｃ８２の静電容量値は、変動しない。これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の増減は、図３８のＭｘの欄に纏めて示してある。
【０２９９】
ここでも、各梁５２１Ａ〜５２１Ｈにおいて、第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、・・・、Ｄ８１に配置された容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、・・・、Ｃ８１の静電容量値の変動の大きさと、第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、・・・、Ｄ８２に配置された容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、・・・、Ｃ８２の静電容量値の変動の大きさとが、互いに等しいと見なせる。このため、前述した［式２１］と同様にして各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動を考慮することにより、計測部５４１は、作用したモーメント＋Ｍｘを次の［式２５］により計測する。
［式２５］
＋Ｍｘ＝Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ６１＋Ｃ６２＋Ｃ７１−Ｃ７２
【０３００】
（５−４−５．Ｙ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用した場合）
次に、力覚センサ５００ｃの受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆに受力体５６０を介してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、図３５に示す各検出部Ｄ１１〜Ｄ８２の変位から理解されるように、第１−２、第４−２、第５−１及び第８−１容量素子Ｃ１２、Ｃ４２、Ｃ５１、Ｃ８１の静電容量値が増大する一方、第１−１、第４−１、第５−２及び第８−２容量素子Ｃ１１、Ｃ４１、Ｃ５２、Ｃ８２の静電容量値が減少する。残りの第２−１、第２−２、第３−１、第３−２、第６−１、第６−２、第７−１及び第７−２容量素子Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ６１、Ｃ６２、Ｃ７１、Ｃ７２の静電容量値は、変動しない。これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の増減は、図３８のＭｙの欄に纏めて示してある。
【０３０１】
ここでも、各梁５２１Ａ〜５２１Ｈにおいて、第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、・・・、Ｄ８１に配置された容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、・・・、Ｃ８１の静電容量値の変動の大きさと、第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、・・・、Ｄ８２に配置された容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、・・・、Ｃ８２の静電容量値の変動の大きさとが、互いに等しいと見なせる。このため、前述した［式２１］と同様にして各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動を考慮することにより、計測部５４１は、作用したモーメント＋Ｍｙを次の［式２６］により計測する。
［式２６］
＋Ｍｙ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ５１−Ｃ５２＋Ｃ８１−Ｃ８２
【０３０２】
（５−４−６．Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用した場合）
次に、力覚センサ５００ｃの受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆに受力体５６０を介してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、図３５に示す各検出部Ｄ１１〜Ｄ８２の変位から理解されるように、第１−２、第２−２、第３−２、第４−２、第５−２、第６−２、第７−２及び第８−２容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４２、Ｃ５２、Ｃ６２、Ｃ７２、Ｃ８２の静電容量値が増大する一方、残りの第１−１、第２−１、第３−１、第４−１、第５−１、第６−１、第７−１、第８−１容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４１、Ｃ５１、Ｃ６１、Ｃ７１、Ｃ８１の静電容量値が減少する。これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の増減は、図３８のＭｚの欄に纏めて示してある。
【０３０３】
ここでも、各梁５２１Ａ〜５２１Ｈにおいて、第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、・・・、Ｄ８１に配置された容量素子Ｃ１１、Ｃ２１、・・・、Ｃ８１の静電容量値の変動の大きさと、第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、・・・、Ｄ８２に配置された容量素子Ｃ１２、Ｃ２２、・・・、Ｃ８２の静電容量値の変動の大きさとが、互いに等しいと見なせる。このため、前述した［式２１］と同様にして各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動を考慮することにより、計測部５４１は、作用した力＋Ｆｙを次の［式２７］により計測する。
［式２７］
＋Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ４１＋Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２−Ｃ６１＋Ｃ６２−Ｃ７１＋Ｃ７２−Ｃ８１＋Ｃ８２
【０３０４】
なお、力覚センサ５００ｃの受力体５６０に各軸方向の負の力−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚまたは各軸の負まわりのモーメント−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚが作用した場合は、前述したように、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の電極間の離間距離の増減が図３５とは逆になる。このため、力−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚまたはモーメント−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚを検出するには、［式２２］〜［式２７］の右辺のＣ１１〜Ｃ８２の符号を全て逆にすればよい。
【０３０５】
＜  ５−５．  力覚センサの他軸感度  ＞
次に、図３９を参照して、本実施の形態による力覚センサ５００ｃの他軸感度について説明する。図３９は、図３６に示す力覚センサ５００ｃにおける、各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度ＶＦｘ〜ＶＭｚを一覧で示す図表である。図３９の図表に記されている数字は、２−５．で説明したように、図３８に示す図表の各力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚについて、「＋」の記号が付された容量素子を＋１とし、「−」の記号が付された容量素子を−１として、上述した［式２２］〜［式２７］のそれぞれの右辺に代入して得られた値である。
【０３０６】
図３９によれば、各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度はゼロであることが分かる。従って、図３６に示す力覚センサ５００ｃは、各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの全てを検出することができる。
【０３０７】
なお、実際の力覚センサ５００ｃにおいては、図３８において静電容量値の変動を「０」と記した容量素子においても、僅かに静電容量値の変動が生じる。また、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙが受力体５６０に作用した場合には、前述したように、傾動部５１３Ａ〜５１３ＨにＺ軸方向への変位が生じるため、第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、・・・Ｄ８１に生じるＺ軸方向の変位と、第２変位部Ｄ２１、Ｄ２２、・・・、Ｄ８２に生じるＺ軸方向の変位とは、互いに大きさが異なる。これらのことを考慮すれば、実際には、他軸感度が僅かに存在することになる。しかしながら、このような場合であっても、実際の他軸感度のマトリクス（図３９の図表に対応する６行６列の行列）の逆行列を求め、この逆行列を力覚センサ５００ｃの出力に乗じるという補正演算によって、他軸感度をゼロにすることができる。
【０３０８】
以上のような本実施の形態によれば、傾動部５１３Ａ〜５１３Ｈの傾動によって変位する梁５２１Ａ〜５２１Ｈの作用により、傾動部５１３Ａ〜５１３Ｈに生じる変位を容易に増幅させることができる。更に、第１−１〜第８−２容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２を用いて、それらの静電容量値の変動量の差分によって作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの全てを検出することができる。すなわち、本実施の形態によれば、低価格かつ高感度であり、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサ５００ｃを提供することができる。
【０３０９】
また、各変位体５２０Ａ〜５２０Ｈは、それぞれ、対応する傾動部５１３Ａ〜５１３Ｈと梁５２１Ａ〜５２１Ｈとを接続する接続体５２２Ａ〜５２２Ｈを有しており、各変位体５２０Ａ〜５２０Ｈの第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、・・・、Ｄ８１及び第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、・・・、Ｄ８２は、接続体５２２Ａ〜５２２Ｈと対応する梁５２１Ａ〜５２１Ｈとの接続部位に関して対称的に配置されている。このため、第１変位部Ｄ１１、Ｄ２１、・・・、Ｄ８１に生じる変位と第２変位部Ｄ１２、Ｄ２２、・・・、Ｄ８２に生じる変位とが、同じ大きさで互いに異符号となるため、作用した力及びモーメントを簡易な演算によって検出することができる。
【０３１０】
また、力覚センサ５００ｃは、変形体５１０の受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆに接続され、作用する力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを受けるための受力体５６０と、各変位体５２０Ａ〜５２０Ｈに対向配置され、変形体５１０の４つの固定部５１５Ｂ、５１５Ｃ、５１５Ｅ、５１５Ｈに接続された支持体５５０と、を備えている。このため、作用する力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを確実に変形体５１０に伝達することができる。
【０３１１】
更に、変形体５１０は、正方形の形状を有しており、４つの受力部５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆ各辺の中点に位置付けられており、４つの固定部５１５Ｂ、５１５Ｃ、５１５Ｅ、５１５Ｈは、各頂点に位置付けられている。このため、作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出するための演算が容易である。
【０３１２】
＜＜＜  §６．  本発明の第６の実施の形態による力覚センサ＞＞＞
＜  ６−１．  基本構造の構成  ＞
§５で説明した力覚センサ５００ｃは、各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの６つの成分を検出することが可能であった。ところで、これら６つの成分を検出するためには、力覚センサに必ずしも１６個の容量素子を設ける必要は無い。
ここでは、上述した力覚センサ５００ｃの変形例として、より少ない容量素子によって６つの成分を検出可能な第６の実施の形態による力覚センサについて説明する。
【０３１３】
図４０は、本発明の第６の実施の形態による力覚センサ６００ｃを示す概略上面図であり、図４１は、Ｙ軸正側から見た力覚センサ６００ｃを示す概略正面図である。
【０３１４】
図４０に示すように、力覚センサ６００ｃは、全ての梁６２１Ａ〜６２１Ｈが片持ち梁として構成されている点において、第５の実施の形態による力覚センサ５００ｃとは異なっている。具体的には、Ｘ軸と平行に延在している第２、第３、第６及び第７梁６２１Ｂ、６２１Ｃ、６２１Ｆ、６２１Ｇにおいては、各接続体６２２Ｂ、６２２Ｃ、６２２Ｆ、６２２Ｇを挟んで、図４０の反時計回りに進んだ方に位置する部位が削除されている。その一方、Ｙ軸と平行に延在している第１、第４、第５及び第８梁６２１Ａ、６２１Ｄ、６２１Ｅ、６２１Ｈにおいては、各接続体６２２Ａ、６２２Ｄ、６２２Ｅ、６２２Ｈを挟んで、図４０の時計回りに進んだ方に位置する部位が削除されている。
【０３１５】
したがって、力覚センサ６００ｃでは、各梁６２１Ａ〜６２１Ｈに１つずつ、合計８つの変位部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ５１、Ｄ６２、Ｄ７２、Ｄ８１が規定されている。そして、これら８つの変位部に１つずつ、合計８つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ５１、Ｃ６２、Ｃ７２、Ｃ８１が配置されている。各容量素子の構成は、第５の実施の形態と同じである。
【０３１６】
これらの８つの容量素子は、図４０及び図４１には図示されていないが、所定の回路によって検出回路６４０の計測部６４１に接続されており、各容量素子の静電容量値が当該計測部６４１に提供されるようになっている。そして、後述するように、計測部６４１は、各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、力覚センサ６００ｃに作用した力及びモーメントを検出するようになっている。
【０３１７】
力覚センサ６００ｃのその他の構成については、第５の実施の形態と同様である。このため、第５の実施の形態と共通する構成要素には略同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０３１８】
次に、本実施の形態による力覚センサ６００ｃの作用について説明する。ここでは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの６つの成分のすべてを検出する場合について説明を行う。
【０３１９】
上述したように、本実施の形態による力覚センサ６００ｃは、梁６２１Ａ〜６２１Ｈが片持ち梁として構成されている点を除いて、第５の実施の形態による力覚センサ５００ｃと略同様の構造を有している。したがって、受力体６６０を介して受力部６１４Ａ、６１４Ｂ、６１４Ｄ、６１４Ｆに力またはモーメントが作用すると、各梁６２１Ａ〜６２１Ｈの各検出部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ５１、Ｄ６２、Ｄ７２、Ｄ８１には、第５の実施の形態による力覚センサ５００ｃの対応する検出部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ５１、Ｄ６２、Ｄ７２、Ｄ８１と同じ変位が生じる。
【０３２０】
以上から、力覚センサ６００ｃに力及びモーメントの６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用すると、各容量素子の静電容量値は、図４２に一覧で示すように変動する。図３８と同様に、図中の「＋」の記号は、静電容量値が増大することを示しており、「−」の記号は、静電容量値が減少することを示している。なお、図４２の図表は、図３８における、８つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ５１、Ｃ６２、Ｃ７２、Ｃ８１の静電容量値の増減と、同一である。
【０３２１】
このような静電容量値の変動に基づいて、計測部６４１は、作用した力及びモーメントを次の［式２８］により計測する。［式２８］は、［式２２］〜［式２７］の各式から、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４２、Ｃ５２、Ｃ６１、Ｃ７１及びＣ８２を削除した式に一致する。
［式２８］
＋Ｆｘ＝−Ｃ２２−Ｃ３２＋Ｃ６２＋Ｃ７２
＋Ｆｙ＝Ｃ１１−Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ８１
＋Ｆｚ＝−Ｃ１１−Ｃ２２＋Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ５１−Ｃ６２＋Ｃ７２＋Ｃ８１
＋Ｍｘ＝−Ｃ２２＋Ｃ３２＋Ｃ６２−Ｃ７２
＋Ｍｙ＝−Ｃ１１−Ｃ４１＋Ｃ５１＋Ｃ８１
＋Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ２２＋Ｃ３２−Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ６２＋Ｃ７２−Ｃ８１
【０３２２】
［式２８］に基づき、力及びモーメントの６つの成分それぞれの他軸感度を求めると、図４３に一覧で示す通りである。他軸感度は、図２１と同様に、図２３に示す図表の力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚについて、「＋」の記号が付された容量素子を＋１とし、「−」の記号が付された容量素子を−１として、上述した［式２８］のそれぞれの式の右辺に代入して得られた値である。図４３に示すように、各成分の他軸感度は、ゼロである。更に、［式２８］から理解されるように、本実施の形態では、各成分は、静電容量値の差分によって検出されるため、その検出結果は、周辺環境の温度変化や同相ノイズの影響を受けにくい。
【０３２３】
以上のような本実施の形態によれば、上述した第５の実施の形態による力覚センサ５００ｃと同様の作用効果を奏する力覚センサ６００ｃを提供することができる。
【０３２４】
＜＜＜  §７．  本発明の第７の実施の形態による力覚センサ及びその変形例  ＞＞＞
＜  ７−１．  第７の実施の形態による力覚センサ  ＞
次に、本発明の第７の実施の形態による力覚センサについて説明する。
【０３２５】
図４４は、本発明の第７の実施の形態による力覚センサ７００ｃを示す概略上面図である。ここでも、図４４に示すようにＸＹＺ三次元座標系を定義して以下の説明を行うこととする。なお、図４４では、説明の便宜上、受力体７６０の図示が省略されている。
【０３２６】
図４４に示すように、力覚センサ７００ｃは、第５の実施の形態の矩形変形体５１０の四隅が丸められ、原点Ｏを中心とする環状変形体７１０として構成されている点で、第５の実施の形態と異なっている。したがって、例えば、第５の実施の形態による力覚センサ５００ｃの第１梁５２１Ａは、長さ方向がＹ軸と平行に配置されていたが、本実施の形態の第１梁７２１Ａは、長さ方向がＹ軸と平行ではない。具体的には、第１梁７２１Ａは、原点Ｏと第１接続体７２２Ａとを結ぶ直線と直交するように、配置されている。このような配置は、第２〜第８梁７２１Ｂ〜７２１Ｈにおいても同様である。
【０３２７】
次に、以上のような力覚センサ７００ｃの作用について説明する。
【０３２８】
力覚センサ７００ｃにおいて、それぞれの変形要素７１０Ａ〜７１０Ｈの配置は、大まかには第５の実施の形態と同様である。したがって、例えば、力覚センサ７００ｃにＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、図３５に示すように、第２−１、第３−１、第６−２及び第７−２変位部Ｄ２１、Ｄ３１、Ｄ６２、Ｄ７２はＺ軸負方向に変位し、第２−２、第３−２、第６−１及び第７−１変位部Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ６１、Ｄ７１はＺ軸正方向に変位する。
【０３２９】
更に、本実施の形態では、前述したように、各梁７２１Ａ〜７２１Ｈの長さ方向が、いずれもＸ軸及びＹ軸と非平行となっている。したがって、第５の実施の形態ではＺ軸方向に変位しなかった第１−１、第１−２、第４−１、第４−２、第５−１、第５−２、第８−１及び第８−２変位部Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ４１、Ｄ４２、Ｄ５１、Ｄ５２、Ｄ８１、Ｄ８２にも、相対的に小さい値ではあるが、Ｚ軸方向の変位が生じる。具体的には、第１、第４、第５及び第８変形要素７１０Ａ、７１０Ｄ、７１０Ｅ、７１０Ｈは、それぞれ§２で説明した基本構造２００（図８参照）の第１〜第４変形要素２１０Ａ〜２１０Ｄに対応すると考えられるため、第１−１、第４−１、第５−２及び第８−２変位部Ｄ１１、Ｄ４１、Ｄ５２、Ｄ８２はＺ軸負方向に変位し、第１−２、第４−２、第５−１及び第８−１変位部Ｄ１２、Ｄ４２、Ｄ５１、Ｄ８１はＺ軸正方向に変位する。なお、このことは、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合においても、同様である。
【０３３０】
一方、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚ及び各軸正まわりのモーメント＋Ｍｘ、＋Ｍｙ、＋Ｍｚが作用した場合には、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の電極間距離の変動は、第５の実施の形態と同様である。
【０３３１】
図４５は、受力部にＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸方向のモーメントＦｘ〜Ｍｚが作用したときに、図４４の力覚センサの各傾動部７１３Ａ〜７１３Ｈに生じる傾動の向きと、各変位部Ｄ１１〜Ｄ８２に生じる変位とを、一覧で示す図表である。
図４５に示す図表では、変形要素が相対的に小さい弾性変形を呈することによって、相対的に小さい傾動を示す傾動部、及び、相対的に小さい変位を示す変位部、に対応する欄には、括弧付きで傾動方向及び変位の符号を示してある。なお、図４５に示す図表は、括弧付きの欄以外の部分は、図３５と同じである。また、図示しないが、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸方向のモーメントＦｘ〜Ｍｚが作用したときに各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２に生じる静電容量値の変動は、図４５の表において、当該容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２に対応する変位部Ｄ１１〜Ｄ８２の欄に記入された変位の符号を反転させればよい。もちろん、「＋」の符号は静電容量値の増大を表し、「−」の符号は静電容量値の減少を表す。
【０３３２】
そして、計測部７４１は、作用した力及びモーメントＦｘ〜Ｍｚを次の［式２９］により計測する。
［式２９］
＋Ｆｘ＝Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２−Ｃ６１＋Ｃ６２−Ｃ７１＋Ｃ７２−Ｃ８１＋Ｃ８２
＋Ｆｙ＝Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ４１＋Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２−Ｃ６１＋Ｃ６２＋Ｃ７１−Ｃ７２＋Ｃ８１−Ｃ８２
＋Ｆｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２＋Ｃ６１−Ｃ６２−Ｃ７１＋Ｃ７２＋Ｃ８１−Ｃ８２
＋Ｍｘ＝Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ６１＋Ｃ６２＋Ｃ７１−Ｃ７２
＋Ｍｙ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ５１−Ｃ５２＋Ｃ８１−Ｃ８２
＋Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ４１＋Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２−Ｃ６１＋Ｃ６２−Ｃ７１＋Ｃ７２−Ｃ８１＋Ｃ８２
【０３３３】
なお、力覚センサ７００ｃの受力体７６０に各軸の負方向の力−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚまたは各軸の負まわりのモーメント−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚが作用した場合は、前述したように、各変位部Ｄ１１〜Ｄ８２のＺ軸方向における変位が図４５とは逆方向になる。このため、力−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚまたはモーメント−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚを検出するには、［式２９］の右辺のＣ１１〜Ｃ８２の符号を全て逆にすればよい。
【０３３４】
本実施の形態による力覚センサ７００ｃでは、前述したように、第５の実施の形態において静電容量値の変動がゼロであった容量素子においても、静電容量値の変動が生じる。
このため、本実施の形態では、他軸感度が存在することになる。しかしながら、前述したように、実際の他軸感度のマトリクスの逆行列を求め、この逆行列を力覚センサ７００ｃの出力に乗じるという補正演算によって、他軸感度をゼロにすることができる。
【０３３５】
以上のような本実施の形態によっても、上述した第５の実施の形態による力覚センサ５００ｃと同様の作用効果を奏する力覚センサ７００ｃを提供することができる。
【０３３６】
＜  ７−２．  変形例  ＞
７−１．で説明した力覚センサ７００ｃは、各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの６つの成分を検出することが可能であった。ところで、これら６つの成分を検出するためには、力覚センサに必ずしも１６個の容量素子を設ける必要は無い。ここでは、上述した力覚センサ７００ｃの変形例として、より少ない容量素子によって６つの成分を検出可能な力覚センサ７０１ｃについて説明する。
【０３３７】
図４６は、図４４の変形例による力覚センサ７０１ｃを示す概略上面図である。
【０３３８】
図４６に示すように、力覚センサ７０１ｃは、梁７２１Ａ〜７２１Ｈが片持ち梁として構成されている点において、第７の実施の形態による力覚センサ７００ｃとは異なっている。具体的には、第２、第３、第６及び第７梁７２１Ｂ、７２１Ｃ、７２１Ｆ、７２１Ｇにおいては、各接続体７２２Ｂ、７２２Ｃ、７２２Ｆ、７２２Ｇを挟んで、図４６の反時計回りに進んだ方に位置する部位が削除されている。その一方、第１、第４、第５及び第８梁７２１Ａ、７２１Ｄ、７２１Ｅ、７２１Ｈにおいては、各接続体７２２Ａ、７２２Ｄ、７２２Ｅ、７２２Ｈを挟んで、図４６の時計回りに進んだ方に位置する部位が削除されている。
【０３３９】
したがって、力覚センサ７０１ｃでは、各梁７２１Ａ〜７２１Ｈに１つずつ、合計８つの変位部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ５１、Ｄ６２、Ｄ７２、Ｄ８１が規定されている。そして、これら８つの変位部に１つずつ、合計８つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ５１、Ｃ６２、Ｃ７２、Ｃ８１が配置されている。各容量素子の構成は、第５〜第７の実施の形態と同じである。
【０３４０】
これらの８つの容量素子は、図４６には図示されていないが、所定の回路によって検出回路７４０の計測部７４１に接続されており、各容量素子の静電容量値が当該計測部７４１に提供されるようになっている。そして、後述するように、計測部７４１は、各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、力覚センサ７０１ｃに作用した力及びモーメントを検出するようになっている。
【０３４１】
力覚センサ７０１ｃのその他の構成については、第７の実施の形態と同様である。このため、第７の実施の形態と共通する構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。結局、第７の実施の形態による力覚センサ７００ｃは、第５の実施の形態による力覚センサ５００ｃの変形体の形状を環状にしたものであったが、本変形例による力覚センサ７０１ｃは、第６の実施の形態による力覚センサ６００ｃの変形体の形状を環状にしたものである。
【０３４２】
次に、本実施の形態による力覚センサ７０１ｃの作用について説明する。ここでは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの６つの成分のすべてを検出する場合について説明を行う。
【０３４３】
上述したように、本変形例による力覚センサ７０１ｃは、梁７２１Ａ〜７２１Ｈが片持ち梁として構成されている点を除いて、第７の実施の形態による力覚センサ７００ｃと略同様の構造を有している。したがって、受力体７６０を介して受力部７１４Ａ、７１４Ｂ、７１４Ｄ、７１４Ｆに力またはモーメントが作用すると、各梁７２１Ａ〜７２１Ｈの各検出部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ５１、Ｄ６２、Ｄ７２、Ｄ８１には、第７の実施の形態による力覚センサ７００ｃの対応する検出部Ｄ１１、Ｄ２２、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ５１、Ｄ６２、Ｄ７２、Ｄ８１と同じ変位が生じる。
【０３４４】
以上から、力覚センサ７０１ｃに力及びモーメントの６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用すると、各容量素子の静電容量値は、第７の実施の形態による力覚センサ７００ｃに力及びモーメントが作用したときの、対応する８つの容量素子Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ５１、Ｃ６２、Ｃ７２、Ｃ８１の静電容量値の増減と、同一である。
【０３４５】
このような静電容量値の変動に基づいて、計測部７４１は、作用した力及びモーメントを次の［式３０］により計測する。［式３０］は、［式２９］の各式から、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ４２、Ｃ５２、Ｃ６１、Ｃ７１及びＣ８２を削除した式に一致する。
［式３０］
＋Ｆｘ＝Ｃ１１−Ｃ２２−Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ６２＋Ｃ７２−Ｃ８１
＋Ｆｙ＝Ｃ１１−Ｃ２２＋Ｃ３２−Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ６２−Ｃ７２＋Ｃ８１
＋Ｆｚ＝−Ｃ１１−Ｃ２２＋Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ５１−Ｃ６２＋Ｃ７２−Ｃ８２
＋Ｍｘ＝−Ｃ２２＋Ｃ３２＋Ｃ６２−Ｃ７２
＋Ｍｙ＝−Ｃ１１−Ｃ４１＋Ｃ５１＋Ｃ８１
＋Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ２２＋Ｃ３２−Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ６２＋Ｃ７２−Ｃ８１
【０３４６】
なお、力覚センサ７０１ｃの受力体７６０に各軸方向の負の力−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚまたは各軸の負まわりのモーメント−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚが作用した場合は、前述したように、各容量素子の電極間の離間距離の増減が、対応する変位部についての図４５に示す増減とは逆になる。このため、力−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚまたはモーメント−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚを検出するには、［式３０］の右辺のＣ１１・・・Ｃ８１の符号を全て逆にすればよい。
【０３４７】
本変形例による力覚センサ７０１ｃにおいても、前述した補正演算によって、他軸感度をゼロにすることができる。
【０３４８】
以上のような本変形例によっても、上述した第７の実施の形態による力覚センサ７００ｃと同様の作用効果を奏する力覚センサ７０１ｃを提供することができる。
【０３４９】
＜＜＜  §８．  本発明の第８の実施の形態による力覚センサ  ＞＞＞
＜  ８−１．  力覚センサの構成  ＞
次に、本発明の第８の実施の形態による力覚センサ８００ｃについて説明する。
【０３５０】
図４７は、本発明の第８の実施の形態による力覚センサ８００ｃの基本構造８００を示す概略上面図であり、図４８は、その概略上面図である。
【０３５１】
図４７及び図４８に示すように、基本構造８００の全体的な構成は、§１で示した第１の実施の形態と同様である。更に、この基本構造８００に配置される容量素子Ｃ１、Ｃ２も、第１の実施の形態と同様である（図７参照）。したがって、図４７及び４８において、第１の実施の形態による基本構造１００と共通する構成要素には略同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。但し、本実施の形態では、受力部８１４にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときに第２変位部Ｄ２がＺ軸方向に変位しないように、接続体８２２のＺ軸方向の長さと、傾動部８１３の長手方向ｌから第２変位部Ｄ２までの距離とが、設定されている。この点については、以下に詳細に説明する。
【０３５２】
図４９は、受力部８１４に対してＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの基本構造８００の変形状態を示す概略正面図である。§１で説明したように、受力部８１４に対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、傾動部８１３の左下端の接続部位Ｒ１にはＺ軸負方向（図４７における下方向）に力が作用し、傾動部８１３の右上端の接続部位Ｒ２には、作用した力−Ｆｚの反作用として、Ｚ軸正方向（図４７における上方向）に力が作用する。
これらの力の作用によって、図４９に示すように、傾動部８１３は、反時計回りに傾動する。更に、作用した力−Ｆｚの作用によって、第１変形部８１１を介して傾動部８１３がＺ軸負方向へ引き下げられるため、当該傾動部８１３は、全体として、わずかにＺ軸負方向に変位する。
【０３５３】
同時に、傾動部８１３の傾動によって、図４９に示すように、傾動部８１３の下端に接続された梁８２１は、反時計回りに傾動する。これにより、梁８２１の第１変位部Ｄ１は、支持体８５０との間の離間距離が減少する方向（図４９における下方）に変位し、第２変位部Ｄ２は、支持体８５０との間の離間距離が増大する方向（図４９における上方）に変位する。より詳細には、力−Ｆｚが作用したときに第１変位部Ｄ１に生じる変位は、前述した傾動部８１３の全体的なＺ軸負方向への変位と、梁８２１の傾動によるＺ軸負方向への変位と、の和であり、第２変位部Ｄ２に生じる変位は、傾動部８１３の当該変位と、梁８２１の傾動によるＺ軸正方向への変位と、の和である。つまり、受力部８１４にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、第１変位部Ｄ１においては、梁８２１の傾動による変位に傾動部８１３の全体的なＺ軸負方向への変位が加わるため、当該第１変位部Ｄ１と支持体８５０との離間距離は大きく減少する。一方、第２変位部Ｄ２においては、梁８２１の傾動による変位が傾動部８１３の全体的なＺ軸負方向への変位によって相殺されるため、第２変位電極Ｅｍ２と第１固定電極Ｅｆ２との離間距離はわずかな変化にとどまる。とりわけ、接続体８２２のＺ軸方向の長さと、傾動部８１３の長手方向ｌから第２変位部Ｄ２までの距離と、が所定の関係を満たす場合には、第２変位電極Ｅｍ２と第２固定電極Ｅｆ２との離間距離を実質的に変化しないようにすることができる。本実施の形態は、このことに着目して創案されたものである。
【０３５４】
すなわち、接続体８２２のＺ軸方向の長さと、傾動部８１３の長手方向ｌから第２変位部Ｄ２までの距離と、が前記所定の関係を満たす場合、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが受力部８１４に作用したときの力覚センサ８００ｃの容量素子Ｃ１、Ｃ２（不図示）の静電容量値Ｃ１ａ、Ｃ２ａは、次の［式３１］で表される。
［式３１］
Ｃ１ａ＝Ｃ１＋ΔＣ
Ｃ２ａ＝Ｃ２
【０３５５】
一方、力覚センサ８００ｃにＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、図示されていないが、傾動部８１３は、時計回りに傾動すると共に、作用した力＋Ｆｚの作用によって、第１変形部８１１を介して傾動部８１３がＺ軸正方向へ引き上げられるため、当該傾動部８１３は、全体として、わずかにＺ軸正方向に変位する。
【０３５６】
同時に、傾動部８１３の傾動によって、傾動部８１３の下端に接続された梁８２１は、時計回りに傾動する。これにより、梁８２１の第１変位部Ｄ１は、支持体８５０との間の離間距離が増大する方向に変位し、第２変位部Ｄ２は、支持体８５０との間の離間距離が減少する方向に変位する。したがって、先の場合と同様に、力＋Ｆｚが作用したときに第１変位部Ｄ１に生じる変位は、前述した傾動部８１３の全体的なＺ軸正方向への変位と、梁８２１の傾動によるＺ軸正方向への変位と、の和であり、第２変位部Ｄ２に生じる変位は、傾動部８１３の当該変位と、梁８２１の傾動によるＺ軸負方向への変位と、の和である。ここで、本実施の形態では、接続体８２２のＺ軸方向の長さと、傾動部８１３の長手方向ｌから第２変位部Ｄ２までの距離と、が前述した所定の関係を満たすことから、第２変位電極Ｅｍ２と第２固定電極Ｅｆ２との離間距離は、実質的に変化しない。
【０３５７】
したがって、本実施の形態による力覚センサ８００ｃによれば、傾動部８１３がその長手方向ｌに沿って変位した際に、第２変位部Ｄ２が実質的にＺ軸方向に変位しないように配置されているため、作用したＺ軸方向の力Ｆｚを簡易な演算によって検出することができる。
【０３５８】
＜  ８−２．  図１８に示す力覚センサ２００ｃの変形例  ＞
次に、８−１．で説明した構成が作用された、図１８に示す力覚センサ２００ｃの変形例について説明する。
【０３５９】
前述したように、図１８に示す力覚センサ２００ｃは、図１に示す基本構造１００を４つ、円環状に配置して構成されている（２−１．参照）。これら４つの基本構造１００（第１〜第４変形要素２１０Ａ〜２１０Ｄ）を、それぞれ８−１．で説明した基本構造８００に置換して構成された力覚センサ８０１ｃが、本変形例である。このため、図１８に示す力覚センサ２００ｃの構成要素と対応する構成要素は、当該力覚センサ２００ｃを説明する際に用いた名称と同じ名称を用いることとする。
【０３６０】
本変形例による力覚センサ８０１ｃにＸ軸正方向の力＋Ｆｘ、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙ及びＺ軸正まわりのモーメントが作用した場合については、各変形要素８１０Ａ〜８１０Ｄの受力部８１４Ａ〜８１４ＤにＺ軸方向の力は作用しないため、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の変動は、図２０に示す図表のＦｘ、Ｆｙ、Ｍｚの各欄に示す通りである。
【０３６１】
一方、力覚センサ８０１ｃにＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、第１〜第４変形要素８１０Ａ〜８１０Ｄの各受力部にはＺ軸方向の力が作用する。このため、第１変形要素８１０Ａにおいては、第１−２変位部Ｄ１２のＺ軸方向の変位がゼロとなり、第２変形要素８１０Ｂにおいては、第２−１変位部Ｄ２１のＺ軸方向の変位がゼロとなり、第３変形要素８１０Ｃにおいては、第３−２変位部Ｄ３２のＺ軸方向の変位がゼロとなり、第４変形要素８１０Ｄにおいては、第４−１変位部Ｄ４１のＺ軸方向の変位がゼロとなる。力覚センサ８０１ｃにＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合も同様である。更に、このように４つの変位部Ｄ１２、Ｄ２１、Ｄ３２、Ｄ４１のＺ軸方向の変位がゼロとなる現象は、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ及びＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合にも同様に生じる。以上の結果を踏まえ、力覚センサ８０１ｃに力及びモーメントＦｘ〜Ｍｚが作用したときに生じる容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の変動を、図５０に一覧で示す。
【０３６２】
各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４２の静電容量値の変動に基づいて、検出回路８４０の計測部８４１は、作用した力及びモーメントを次の［式３２］により計測する。［式３２］は、［式１４］のＭｘ及びＭｙからＣ１２、Ｃ２１、Ｃ３２及びＣ４１を削除した式である。
［式３２］
Ｆｘ＝Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ４１＋Ｃ４２
Ｆｙ＝Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２
Ｆｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２
Ｍｘ＝−Ｃ１１−Ｃ２２＋Ｃ３１＋Ｃ４２
Ｍｙ＝−Ｃ１１＋Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ４２
Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ４１＋Ｃ４２
【０３６３】
なお、［式３２］のＦｚは、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３２及びＣ４１を残したままとしている。これは、Ｆｚを差分検出によって計測することによって、環境温度の変化や同相ノイズによる影響を排除するための工夫である。
【０３６４】
次に、本変形例による力覚センサ８０１ｃの他軸感度について説明する。
【０３６５】
図５１は、図４７の変形例による力覚センサ８０１ｃについて、力及びモーメントの６つの成分の他軸感度を一覧で示す図表である。図５１から、力覚センサ８０１ｃでは、Ｘ軸方向の力ＦｘとＹ軸まわりのモーメントＭｙとが互いに影響を及ぼし、Ｙ軸方向の力ＦｙとＸ軸まわりのモーメントＭｘとが互いに影響を及ぼす、ということが読み取れる。したがって、力覚センサ８０１ｃは、例えばＭｘ及びＭｙが作用しない環境で、４つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びＭｚを検出するセンサとして利用するか、あるいは、Ｆｘ及びＦｙが作用しない環境で、４つの成分Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚを検出センサとして利用すればよい。
【０３６６】
あるいは、次の［式３３］を用いることによっても、作用した力及びモーメントを計測することができる。
［式３３］
Ｆｘ＝−Ｃ１２＋Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ４１
Ｆｙ＝−Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ３２＋Ｃ４１
Ｆｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２
Ｍｘ＝−Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ２１−Ｃ２２＋Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ４１＋Ｃ４２
Ｍｙ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ４１−Ｃ４２
Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ２１−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ４１＋Ｃ４２
【０３６７】
［式３３］において、Ｆｘ及びＦｙを示す式は、各梁に設けられた２つの変位部のうちの片方にのみ着目した式である。６つの成分のいずれも、差分によって計測することができるため、環境温度の変化や同相ノイズによる影響を受けることなく、作用した力及びモーメントを求めることができる。
【０３６８】
更に、［式３３］に基づき、各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントＦｘ〜Ｍｚの他軸感度を求めると、図５２に一覧で示す通りとなる。他軸感度は、図５１に示す図表の６つの成分Ｆｘ〜Ｍｚについて、「＋」の記号が付された容量素子を＋１とし、「−」の記号が付された容量素子を−１とし、「０」である容量素子を０として、上述した［式３３］のそれぞれの右辺に代入して得られた値である。図５２に示すように、いずれの成分Ｆｘ〜Ｍｚを検出する場合にも、他軸感度はゼロである。
【０３６９】
以上のような本変形例によれば、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃと同様の作用効果を奏することに加え、作用した力及びモーメントを一層簡易な演算によって検出することができる。
【０３７０】
＜  ８−３．  図３６に示す力覚センサ５００ｃの変形例  ＞
次に、８−１．で説明した構成が作用された、図３６に示す力覚センサ５００ｃの変形例について説明する。
【０３７１】
前述したように、図３６に示す力覚センサ２００ｃは、図１に示す基本構造１００を８つ、矩形の閉ループ状に配置して構成されている（５−１．参照）。これら８つの基本構造１００（第１〜第８変形要素２１０Ａ〜２１０Ｈ）を、それぞれ８−１．で説明した基本構造８００に置換して構成された力覚センサ８０２ｃが、本変形例である。ここでは、図３６に示す力覚センサ５００ｃの構成要素と対応する構成要素は、当該力覚センサ５００ｃを説明する際に用いた名称と同じ名称を用いることとする。
【０３７２】
本変形例による力覚センサ８０２ｃにＸ軸正方向の力＋Ｆｘ、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙ及びＺ軸正まわりのモーメントが作用した場合については、各変形要素８１０Ａ〜８１０Ｈの受力部８１４Ａ〜８１４ＨにＺ軸方向の力は作用しないため、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動は、図３８に示す図表のＦｘ、Ｆｙ、Ｍｚの各欄に示す通りである。
【０３７３】
一方、力覚センサ８０１ｃにＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、第１〜第８変形要素８１０Ａ〜８１０Ｈの各受力部にはＺ軸正方向の力が作用する。このため、第１変形要素８１０Ａにおいては、第１−２変位部Ｄ１２のＺ軸方向の変位がゼロとなり、第２変形要素８１０Ｂにおいては、第２−１変位部Ｄ２１のＺ軸方向の変位がゼロとなり、第３変形要素８１０Ｃにおいては、第３−２変位部Ｄ３２のＺ軸方向の変位がゼロとなり、第４変形要素８１０Ｄにおいては、第４−１変位部Ｄ４１のＺ軸方向の変位がゼロとなり、第５変形要素８１０Ｅにおいては、第５−２変位部Ｄ５２のＺ軸方向の変位がゼロとなり、第６変形要素８１０Ｆにおいては、第６−１変位部Ｄ６１のＺ軸方向の変位がゼロとなり、第７変形要素８１０Ｇにおいては、第７−２変位部Ｄ７２のＺ軸方向の変位がゼロとなり、第８変形要素８１０Ｈにおいては、第８−１変位部Ｄ８１のＺ軸方向の変位がゼロとなる。力覚センサ８０２ｃにＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合も同様である。更に、このように８つの変位部Ｄ１２、Ｄ２１、Ｄ３２、Ｄ４１、Ｄ５２、Ｄ６１、Ｄ７２、Ｄ８１のＺ軸方向の変位がゼロとなる現象は、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ及びＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合にも同様に生じる。以上の結果を踏まえ、力覚センサ８０２ｃに力及びモーメントＦｘ〜Ｍｚが作用したときに生じる容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動を、図５３に一覧で示す。
【０３７４】
各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動に基づいて、検出回路８４０の計測部８４１は、作用した力及びモーメントを次の［式３４］により計測する。［式３４］は、［式２２］〜［式２７］に基づいており、Ｍｘ及びＭｙの式からＣ１２、Ｃ２１、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ５２、Ｃ６１、Ｃ７２及びＣ８１を削除した式である。
［式３４］
＋Ｆｘ＝Ｃ２１−Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ３２−Ｃ６１＋Ｃ６２−Ｃ７１＋Ｃ７２
＋Ｆｙ＝Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ４１＋Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２＋Ｃ８１−Ｃ８２
＋Ｆｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２＋Ｃ６１−Ｃ６２−Ｃ７１＋Ｃ７２＋Ｃ８１−Ｃ８２
＋Ｍｘ＝−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ６２＋Ｃ７１
＋Ｍｙ＝−Ｃ１１＋Ｃ４２＋Ｃ５１−Ｃ８２
＋Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ４１＋Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２−Ｃ６１＋Ｃ６２−Ｃ７１＋Ｃ７２−Ｃ８１＋Ｃ８２
【０３７５】
なお、［式３４］のＦｚは、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ５２、Ｃ６１、Ｃ７２及びＣ８１を残したままとしている。これは、Ｆｚを差分検出によって計測することによって、環境温度の変化や同相ノイズによる影響を排除するための工夫である。［式３４］によれば、６つの成分のいずれも、差分によって計測することができるため、環境温度の変化や同相ノイズによる影響を受けることなく、作用した力及びモーメントを求めることができる。
【０３７６】
次に、本変形例による力覚センサ８０２ｃの他軸感度について説明する。
【０３７７】
図５４は、図５３に対応する力覚センサ８０２ｃについて、力及びモーメントの６つの成分の他軸感度を一覧で示す図表である。他軸感度の算出方法は、８−２．で述べたとおりである。図５４に示すように、力覚センサ８０２ｃでは、いずれの成分Ｆｘ〜Ｍｚを検出する場合にも、他軸感度はゼロである。
【０３７８】
以上のような本変形例によれば、第５の実施の形態による力覚センサ５００ｃと同様の作用効果を奏することに加え、作用した力及びモーメントを一層簡易な演算によって検出することができる。
【０３７９】
なお、［式３４］では、Ｃ１１〜Ｃ８２の１６個の変数から６つの成分Ｆｘ〜Ｍｚを求めているため、冗長性がある。より効率的な計測のためには、例えばコンピューターシミュレーションによって静電容量の解析を行い、１６個の容量素子から６つ以上の容量素子を選択することが考えられる。この場合、前述した補正演算を用いることによって、他軸感度の影響を排除することができる。
【０３８０】
＜＜＜  §９．  変形例  ＞＞＞
＜  ９−１．  受力体の変形例  ＞
§２〜§８で説明した各力覚センサ２００ｃ〜８０２ｃでは、図９、図１０、図１９、図３０、図３７、図４１等に示すように、変形体と受力体とがＺ軸方向において（各図の上下方向において）整列されていた。しかしながら、このような形態には限定されない。
【０３８１】
図５５は、受力体が変形体の外周側に配置された力覚センサの基本構造２０１の一例を示す概略断面図である。図５５では、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃの基本構造２００の変形例に対応している。このため、図５５において、図５５に示すように、上述した各力覚センサ２００ｃ〜８０２ｃにおいて、受力体２６０ａの受力体本体２６１ａを変形体２１０の外周の輪郭線の形状と相似形に構成し、当該変形体２１０の外周を取り囲むように配置しても良い。この場合、受力体本体２６１ａと変形体２１０とを接続する受力部接続体２６２ａ、２６３ａは、変形体２１０の外周面上に設けられることになる。
【０３８２】
この場合、変形体２１０と受力体２６０ａとが同一平面上に配置されるため、力覚センサのＺ軸方向の寸法を小さく（薄く）設計することができる。
【０３８３】
＜  ９−２．  変形体の変形例（１）  ＞
次に、図５６は、§１の力覚センサ１００ｃの変形例を示す概略側面図である。
【０３８４】
図５６に示すように、本変形例による力覚センサ１００ｃａは、第１変形部１１ａ及び第２変形部１２ａの配置が、第１の実施の形態による力覚センサ１００ｃとは異なっている。すなわち、第１の実施の形態による力覚センサ１００ｃは、第１変形部１１と傾動部１３とが当該傾動部１３の下端部（Ｚ軸負側の端部）にて接続されていたが、本変形例では、当該傾動部１３の上端部（Ｚ軸正側の端部）にて接続されている。更に、第１の実施の形態による力覚センサ１００ｃは、第２変形部１２と傾動部１３とが当該傾動部１３の上端部にて接続されていたが、本変形例では第２変形部１２ｃと傾動部１３とが当該傾動部１３の下端部に接続されている。その他の構成は、第１の実施の形態による力覚センサ１００ｃと同様である。図５６において、力覚センサ１００ｃと共通する構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【０３８５】
本変形例による力覚センサ１００ｃａでは、受力部１４にＸ軸正方向（図５６における右方向）の力＋Ｆｘが作用すると、傾動部１３は時計回りに傾動し、受力部１４にＸ軸負方向（図５６における左方向）の力−Ｆｘが作用すると、傾動部１３は反時計回りに傾動する。これらの傾動の向きは、第１の実施の形態とは逆である。一方、受力部１４にＺ軸正方向（図５６における上方向）の力＋Ｆｚが作用すると、傾動部１３は時計回りに傾動し、受力部１４にＺ軸負方向（図５６における下方向）の力−Ｆｚが作用すると、傾動部１３は反時計回りに傾動する。これらの傾動の向きは、第１の実施の形態と同じである。
【０３８６】
したがって、本変形例による力覚センサ１００ｃａによって受力部１４に作用した力を計測するには、Ｘ軸方向の力を検出する場合、［式３］の右辺の符号を反転させればよく、Ｚ軸方向の力を検出する場合には、［式５］をそのまま採用すればよい。
【０３８７】
もちろん、以上のような変形部１０ａは、第１の実施の形態に限らず、§２〜§８に示した各実施の形態及び各変形例による力覚センサに採用され得る。この場合、変形部１０ａにＸ軸方向の力が作用する場合には、§２〜§８の各実施の形態及び各変形例で示した容量素子の静電容量値の変動について、それぞれの符号を反転させればよい。
【０３８８】
＜  ９−３．  変形体の変形例（２）  ＞
次に、図５７は、§１の力覚センサ１００ｃの更なる変形例を示す概略側面図である。
【０３８９】
本変形例による力覚センサ１００ｃｂは、変位体２０の構成が第１の実施の形態とは異なっている。すなわち、図５７に示すように、力覚センサ１００ｃｂの変位体２０ｂは、傾動部１３の下端ではなく、当該傾動部１３の上端と下端との間の中間部１３ｍに接続されている。この場合にも、梁２１は、第１の実施の形態による力覚センサ１００ｃと同様の挙動を示すため、§１で説明した力Ｆｘ及びＦｚの計測方法がそのまま採用され得る。
【０３９０】
もちろん、本変形例の変形部１０ｂは、第１の実施の形態に限らず、§２〜§８に示した各実施の形態及び各変形例による力覚センサに採用され得る。
【０３９１】
＜  ９−４．  変形体の変形例（３）  ＞
図５８は、図５７の力覚センサ１０１ｃｂの更なる変形例を示す概略側面図である。
【０３９２】
図５８に示すように、本変形例による力覚センサ１０１ｃｃは、傾動部１３ｃが図１、図５６、図５７等に示す傾動部よりも短く構成されており、且つ、初期状態において長手方向ｌがＺ軸と鋭角を成している。更に、力覚センサ１０１ｃｃの第１変形部１１ｃは、受力部１４からＸ軸と平行に延び出た第１−１変形部１１ｃ１と、この第１−１変形部１１ｃ１の先端から傾動部１３ｃの長手方向ｌと平行に延び出て当該傾動部１３の一方の端部に連結された第１−２変形部１１ｃ２と、を有している。また、力覚センサ１０１ｃｃの第２変形部１２ｃは、固定部１５の上端からＸ軸と平行に延び出た第２−１変形部１２ｃ１と、この第２−１変形部の先端から傾動部１３ｃの長手方向ｌと平行に延び出て当該傾動部１３の他方の端部に連結された第２−２変形部１２ｃ２と、を有している。更に、変位体２０ｃは、傾動部１３ｃからＺ軸と平行に下方に延び出た接続体２２ｃと、この接続体２２ｃの下端に連結された梁２１ｃと、を有している。
【０３９３】
このような力覚センサ１００ｃｃによっても、梁２１は、第１の実施の形態による力覚センサ１００ｃと同様の挙動を示すため、§１で説明した力Ｆｘ及びＦｚの計測方法によって、適正に当該力Ｆｘ、Ｆｚを計測することができる。もちろん、本変形例の変形部１０ｃは、第１の実施の形態に限らず、§２〜§８に示した各実施の形態及び各変形例による力覚センサに採用され得る。
【０３９４】
なお、更なる例示は行わないが、要するに、固定体が変位しない状況下で、受力部にＺ軸方向及びＸ軸方向の力が作用したときに、変位体が傾動（回動）するような構造であれば良い。
【０３９５】
なお、図５６〜図５８に示した３つの変形例では、２つの変位電極及び２つの固定電極がそれぞれ単一の絶縁体（絶縁層）の上に配置されている。このような配置によれば、単一の基板から絶縁体（ガラスエポキシ基板、セラミック基板など）を作ることができるため、力覚センサの生産性が向上するというメリットがある。
【０３９６】
＜  ９−４．  変形体の変形例（４）  ＞
次に、図１８に示す第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃの更なる変形例について説明する。
【０３９７】
図５９は、図１８の変形例による力覚センサ２０２ｃを示す概略上面図である。本図においても、説明の便宜上、受力体の図示が省略されている。
【０３９８】
図５９に示すように、力覚センサ２０２ｃは、変形体２１０ｂが矩形の形状を有している点で、図１８に示す力覚センサ２００ｃとは異なっている。変形体２１０ｂは、Ｘ軸上に原点Ｏを挟んで対称的に配置された２つの受力部２１８ｂ、２１９ｂと、Ｙ軸上に原点Ｏを挟んで対称的に配置された２つの固定部２１６ｂ、２１７ｂとを有している。そして、閉ループ状の経路に沿って隣接する受力部と固定部とが、直線状の４つの変形要素２１０Ａｂ〜２１０Ｄｂによって連結されている。したがって、力覚センサ２０２ｃの基本構造２０２は、２つの受力部２１８ｂ、２１９ｂ及び２つの固定部２１６ｂ、２１７ｂを４つの頂点とする矩形の形状を有しており、この矩形の４つの辺上に、変形要素２１０Ａｂ〜２１０Ｄｂが１つずつ配置されている。
【０３９９】
その他の構成については、図１８に示す力覚センサ２００ｃと略同様である。このため、図５９において、図１８に示す力覚センサ２００ｃと対応する構成要素には略同様の符号（末尾に「ｂ」を付加）を付し、その詳細な説明は省略する。
【０４００】
以上の力覚センサ２０２ｃは、結局、図１８に示す力覚センサ２００ｃの各変形要素２１０Ａ〜２１０Ｄを弧状ではなく直線状に構成したものである。従って、図５９に示す力覚センサ２０２ｃに対して力及びモーメントが作用したときに、各変形要素２１０Ａｂ〜２１０Ｄｂに生じる弾性変形は、実質的に図１８に示す力覚センサ２００ｃと同様である。すなわち、作用する力及びモーメントに対して、本変形例による力覚センサ２０２ｃの各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４１の静電容量値は、図２０に記載された通りに変動する。
【０４０１】
したがって、以上のような本変形例による力覚センサ２０２ｃによっても、図１８に示す力覚センサ２００ｃと同様の作用効果が提供され得る。
【０４０２】
なお、本変形例においても、９−１．で説明した受力体の変形例を採用することができる。この場合、変形体２１０ｂの外周に、当該変形体２１０ｂの外周の輪郭線の形状と相似な矩形の形状に構成した受力体を配置すればよい。
【符号の説明】
【０４０３】
１０  変形体
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  変形部
１１、１１ａ、１１ｃ  第１変形部
１２、１２ａ、１２ｃ  第２変形部
１３、１３ｃ  傾動部
１３ｍ  中間部
１４  受力部
１５  固定部
２０、２０ｂ、２０ｃ  変位体
２１、２１ｃ  梁
２２、２２ｃ  接続体
４０  検出回路
４１  計測部
５０  支持体
１００  基本構造
１００ｃ、１００ｃａ、１００ｃｂ、１００ｃｃ、１０１ｃｂ、１０１ｃｃ  力覚センサ２００  基本構造
２００ｃ  力覚センサ
２０１  基本構造
２１０  環状変形体
２１０Ａ〜２１０Ｄ  変形要素
２１３Ａ〜２１３Ｄ  傾動部
２１６、２１７  固定部
２１８、２１９  受力部
２２０Ａ〜２２０Ｄ  変位体
２２１Ａ〜２２１Ｄ  梁
２２２Ａ〜２２２Ｄ  接続体
２４０  検出回路
２４１  計測部
２５０  支持体
２６０、２６０ａ  受力体
２６１、２６１ａ  受力体本体
２６２、２６２ａ  受力部接続体
２６３、２６３ａ  受力部接続体
３００ｃ、３０１ｃ  力覚センサ
３１０  変形体
３１３Ａ〜２１３Ｄ  傾動部
３１６、３１７  固定部
３１８、３１９  受力部
３２１Ａ〜３２１Ｄ  梁
３４０  検出回路
３４１  計測部
３５０  固定体
３６０  受力体
４００ｃ、４０１ｃ  力覚センサ
４１０  変形体
４１１Ａ〜４１１Ｄ  梁
４１３Ａ〜４１３Ｄ  傾動部
４１６、４１７  固定部
４１８、４１９  受力部
４２１Ａ〜４２１Ｄ  梁
４４１  計測部
４５０  固定体
４６０  受力体
５００  基本構造
５００ｃ  力覚センサ
５１０  矩形変形体
５１０Ａ〜５１０Ｈ  変形要素
５１３Ａ〜５１３Ｈ  傾動部
５１４Ａ、５１４Ｂ、５１４Ｄ、５１４Ｆ  受力部
５１５Ｂ、５１５Ｃ、５１５Ｅ、５１５Ｈ  固定部
５２０Ａ〜５２０Ｈ  変位体
５２１Ａ〜５２１Ｈ  梁
５２２Ａ〜５２２Ｈ  接続体
５４０  検出回路
５４１  計測部
５５０  支持体
５６０  受力体
５６１  受力体本体
５６２〜５６５  受力部接続体
６００ｃ  力覚センサ
６１４Ａ、６１４Ｂ、６１４Ｄ、６１４Ｆ  受力部
６２１Ａ〜６２１Ｈ  梁
６２２Ａ〜６２２Ｈ  接続体
６４０  検出回路
６４１  計測部
６６０  受力体
７００ｃ、７０１ｃ  力覚センサ
７１０  環状変形体
７１０Ａ〜７１０Ｈ  変形要素
７１３Ａ〜７１３Ｈ  傾動部
７１４Ａ、７１４Ｂ、７１４Ｄ、７１４Ｆ  受力部
７２１Ａ〜７２１Ｈ  梁
７２２Ａ〜７２２Ｈ  接続体
７４０  検出回路
７４１  計測部
７６０  受力体
８００  基本構造
８００ｃ、８０１ｃ、８０２ｃ  力覚センサ
８１０  変形体
８１１  第１変形部
８１２  第２変形部
８１３  傾動部
８１４  受力部
８２１  梁
８２２  接続体
８４０  検出回路
８４１  計測部
８５０  支持体
【図１】
2019060834.tif 000003
【図２】
2019060834.tif 000004
【図３】
2019060834.tif 000005
【図４】
2019060834.tif 000006
【図５】
2019060834.tif 000007
【図６】
2019060834.tif 000008
【図７】
2019060834.tif 000009
【図８】
2019060834.tif 000010
【図９】
2019060834.tif 000011
【図１０】
2019060834.tif 000012
【図１１】
2019060834.tif 000013
【図１２】
2019060834.tif 000014
【図１３】
2019060834.tif 000015
【図１４】
2019060834.tif 000016
【図１５】
2019060834.tif 000017
【図１６】
2019060834.tif 000018
【図１７】
2019060834.tif 000019
【図１８】
2019060834.tif 000020
【図１９】
2019060834.tif 000021
【図２０】
2019060834.tif 000022
【図２１】
2019060834.tif 000023
【図２２】
2019060834.tif 000024
【図２３】
2019060834.tif 000025
【図２４】
2019060834.tif 000026
【図２５】
2019060834.tif 000027
【図２６】
2019060834.tif 000028
【図２７】
2019060834.tif 000029
【図２８】
2019060834.tif 000030
【図２９】
2019060834.tif 000031
【図３０】
2019060834.tif 000032
【図３１】
2019060834.tif 000033
【図３２】
2019060834.tif 000034
【図３３】
2019060834.tif 000035
【図３４】
2019060834.tif 000036
【図３５】
2019060834.tif 000037
【図３６】
2019060834.tif 000038
【図３７】
2019060834.tif 000039
【図３８】
2019060834.tif 000040
【図３９】
2019060834.tif 000041
【図４０】
2019060834.tif 000042
【図４１】
2019060834.tif 000043
【図４２】
2019060834.tif 000044
【図４３】
2019060834.tif 000045
【図４４】
2019060834.tif 000046
【図４５】
2019060834.tif 000047
【図４６】
2019060834.tif 000048
【図４７】
2019060834.tif 000049
【図４８】
2019060834.tif 000050
【図４９】
2019060834.tif 000051
【図５０】
2019060834.tif 000052
【図５１】
2019060834.tif 000053
【図５２】
2019060834.tif 000054
【図５３】
2019060834.tif 000055
【図５４】
2019060834.tif 000056
【図５５】
2019060834.tif 000057
【図５６】
2019060834.tif 000058
【図５７】
2019060834.tif 000059
【図５８】
2019060834.tif 000060
【図５９】
2019060834.tif 000061