(57)【要約】      （修正有）【課題】楕円形断面を有した長尺変形体に加わる外力のモーメント成分もしくは力成分を、容易かつ高精度に検出できる力覚センサ装置を提供する。【解決手段】楕円形断面を有した筒状又は棒状の構造体であって、長さ方向の一方の端部Ａが固定され反対側の端部Ｂが外力を受けて変位する長尺変形体１２を検出対象物とする。端部Ａの周囲に所定の位置Ａ１〜Ａ４を定義し、位置Ａ１〜Ａ４の中の少なくとも１箇所に、当該位置と長尺変形体１２の外周面１２ｂとの離間距離の変化を検出する端部Ａセンサが設置される。端部Ｂの周囲に所定の位置Ｂ１〜Ｂ４を定義し、位置Ｂ１〜Ｂ４の中の少なくとも１箇所に、当該位置と長尺変形体１２の外周面１２ｂとの離間距離の変化を検出する端部Ｂセンサが設置される。端部Ａセンサと端部Ｂセンサの出力に基づいて、長尺変形体１２に加わった外力を検出する。【選択図】図１
2019138650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
楕円形断面を有した筒状又は棒状の構造体であって、長さ方向の一方の端部Ａが固定され反対側の端部Ｂが外力を受けて変位する長尺変形体を検出対象物とする力覚センサ装置であって、
前記長尺変形体の中心軸上に配置されたＺ軸と、前記長尺変形体の楕円形断面の長軸上に配置されてＺ軸と直交するＸ軸と、前記長尺変形体の楕円形断面の短軸上に配置されてＺ軸と直交するＹ軸とを有したＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、
前記端部Ａの外周面に対向する位置Ａ１〜Ａ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ａ１とＡ２の配置及び前記位置Ａ３とＡ４の配置がそれぞれＸ軸を間に挟んで互いに線対称になるように、且つ前記位置Ａ１とＡ４の配置及び前記位置Ａ２とＡ３の配置がそれぞれＹ軸を挟んで互いに線対称になるように定義し、
前記端部Ｂの外周面に対向する位置Ｂ１〜Ｂ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の配置がそれぞれ前記位置Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と重なるように定義し、
前記位置Ａ１〜Ａ４の中の少なくとも１箇所に、当該位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出する端部Ａセンサが設置され、
前記位置Ｂ１〜Ｂ４の中の少なくとも１箇所に、当該位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出する端部Ｂセンサが設置され、
前記端部Ａセンサと前記端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＺ軸周りのモーメントＭｚ、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、及びＹ軸方向の力Ｆｙの中の少なくとも一つを検出することを特徴とする力覚センサ装置。
【請求項２】
楕円形断面を有した筒状又は棒状の構造体であって、外力を受けて自己の中心軸周りに回転する長尺変形体を検出対象物とする力覚センサ装置であって、
前記長尺変形体の中心軸上に配置されたＺ軸と、Ｚ軸に直交するＸ軸と、Ｚ軸とＸ軸の双方と直交するＹ軸とを有したＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、
前記長尺変形体の中心軸方向の一方の端部Ａの外周面に対向する位置Ａ１〜Ａ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ａ１とＡ２の配置及び前記位置Ａ３とＡ４の配置がそれぞれＸ軸を間に挟んで互いに線対称になるように、且つ前記位置Ａ１とＡ４の配置及び前記位置Ａ２とＡ３の配置がそれぞれＹ軸を挟んで互いに線対称になるように、且つ前記位置Ａ１〜Ａ４を順に結ぶと正方形が描かれるように定義し、
前記長尺変形体の、前記端部Ａと反対側の端部Ｂの外周面に対向する位置Ｂ１〜Ｂ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の配置がそれぞれ前記位置Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と重なるように定義し、
前記位置Ａ１〜Ａ４の４箇所に、当該位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出する端部Ａセンサが各々設置され、
前記位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所に、当該位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出する端部Ｂセンサが各々設置され、
前記端部Ａセンサと前記端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＺ軸周りのモーメントＭｚ、Ｘ軸方向の力Ｆｘ及びＹ軸方向の力Ｆｙの力の中の少なくとも一つを検出することを特徴とする力覚センサ装置。
【請求項３】
楕円形断面を有した筒状又は棒状の構造体であって、長さ方向の一方の端部Ａが固定され反対側の端部Ｂが外力を受けて変位する長尺変形体を検出対象物とする力覚センサ装置であって、
前記長尺変形体の中心軸上に配置されたＺ軸と、前記長尺変形体の楕円形断面の長軸上に配置されて前記Ｚ軸と直交するＸ軸と、前記長尺変形体の楕円形断面の短軸上に配置されて前記Ｚ軸と直交するＹ軸とを有したＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、
前記端部Ａの外周面に対向する位置Ａ１〜Ａ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ａ１とＡ２の配置及び前記位置Ａ３とＡ４の配置がそれぞれＸ軸を間に挟んで互いに線対称になるように、且つ前記位置Ａ１とＡ４の配置及び前記位置Ａ２とＡ３の配置がそれぞれＹ軸を挟んで互いに線対称になるように定義し、
前記端部Ｂの外周面に対向する位置Ｂ１〜Ｂ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の配置がそれぞれ前記位置Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と重なるように定義し、
前記長尺変形体の外周面は導電性を有しており、
前記位置Ａ１〜Ａ４の中の、Ｚ軸を間に挟んで対向する２箇所にＺ軸用端部Ａ電極が各々配置され、２つの前記Ｚ軸用端部Ａ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出するＺ軸用端部Ａセンサが形成され、
前記位置Ｂ１〜Ｂ４の中の、Ｚ軸を間に挟んで対向する２箇所にＺ軸用端部Ｂ電極が各々配置され、２つの前記Ｚ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出するＺ軸用端部Ｂセンサが形成され、
前記Ｚ軸用端部Ａセンサと前記Ｚ軸用端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＺ軸周りのモーメントＭｚを検出することを特徴とする力覚センサ装置。
【請求項４】
前記前記Ｚ軸用端部Ｂ電極とは別に、前記位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所にＸ軸用端部Ｂ電極が各々並設され、４つの前記Ｘ軸用端部Ｂ電極は、Ｘ軸を間に挟んでＹ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＸ軸用端部Ｂセンサを形成し、
前記Ｘ軸用端部Ｂセンサは、一対にした２つの前記Ｘ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、
前記Ｘ軸端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＸ軸方向の力Ｆｘを検出する請求項３記載の力覚センサ装置。
【請求項５】
前記Ｚ軸用端部Ｂ電極とは別に、前記位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所にＹ軸用端部Ｂ電極が各々並設され、４つの前記Ｙ軸用端部Ｂ電極は、Ｙ軸を間に挟んでＸ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＹ軸用端部Ｂセンサを形成し、
前記Ｙ軸用端部Ｂセンサは、一対にした２つの前記Ｙ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、
前記Ｙ軸端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＹ軸方向の力Ｆｙを検出する請求項３又は４記載の力覚センサ装置。
【請求項６】
楕円形断面を有した筒状又は棒状の構造体であって、外力を受けて自己の中心軸周りに回転する長尺変形体を検出対象物とする力覚センサ装置であって、
前記長尺変形体の中心軸上に配置されたＺ軸と、前記Ｚ軸に直交するＸ軸と、前記Ｚ軸と前記Ｘ軸の双方と直交するＹ軸とを有したＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、
前記長尺変形体の中心軸方向の一方の端部Ａの外周面に対向する位置Ａ１〜Ａ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ａ１とＡ２の配置及び前記位置Ａ３とＡ４の配置がそれぞれＸ軸を間に挟んで互いに線対称になるように、且つ前記位置Ａ１とＡ４の配置及び前記位置Ａ２とＡ３の配置がそれぞれＹ軸を挟んで互いに線対称になるように、且つ前記位置Ａ１〜Ａ４を順に結ぶと正方形が描かれるように定義し、
前記長尺変形体の、前記端部Ａと反対側の端部Ｂの外周面に対向する位置Ｂ１〜Ｂ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の配置がそれぞれ前記位置Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と重なるように定義し、
前記長尺変形体の外周面は導電性を有しており、
前記位置Ａ１〜Ａ４の４箇所に、Ｚ軸用端部Ａ電極が各々配置され、４つの前記Ｚ軸用端部Ａ電極は、Ｚ軸を間に挟んで対角に位置する２つを一対にして２組のＺ軸用端部Ａセンサを形成し、
前記Ｚ軸用端部Ａセンサは、一対にした２つの前記Ｚ軸用端部Ａ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、
前記位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所に、Ｚ軸用端部Ｂ電極が各々配置され、４つの前記Ｚ軸用端部Ｂ電極は、Ｚ軸を間に挟んで対角に位置する２つを一対にして２組のＺ軸用端部Ｂセンサを形成し、
前記Ｚ軸用端部Ｂセンサは、一対にした２つの前記Ｚ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、
前記Ｚ軸用端部Ａセンサと前記Ｚ軸用端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＺ軸周りのモーメントＭｚを検出することを特徴とする力覚センサ装置。
【請求項７】
前記Ｚ軸用端部Ａ電極とは別に、前記位置Ａ１〜Ａ４の４箇所にＸ軸用端部Ａ電極が各々並設され、４つの前記Ｘ軸用端部Ａ電極は、Ｘ軸を間に挟んでＹ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＸ軸用端部Ａセンサを形成し、
前記Ｘ軸用端部Ａセンサは、一対にした２つの前記Ｘ軸用端部Ａ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、
前記Ｚ軸用端部Ａ電極とは別に、前記位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所にＸ軸用端部Ｂ電極が各々並設され、４つの前記Ｘ軸用端部Ｂ電極は、Ｘ軸を間に挟んでＹ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＸ軸用端部Ｂセンサを形成し、
前記Ｘ軸用端部Ｂセンサは、一対にした２つの前記Ｘ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、
前記Ｘ軸用端部Ａセンサと前記Ｘ軸用端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＸ軸方向の力Ｆｘを検出する請求項６記載の力覚センサ装置。
【請求項８】
前記Ｚ軸用端部Ａ電極とは別に、前記位置Ａ１〜Ａ４の４箇所にＹ軸用端部Ａ電極が各々並設され、４つの前記Ｙ軸用端部Ａ電極は、Ｙ軸を間に挟んで前記Ｘ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＹ軸用端部Ａセンサを形成し、
前記Ｙ軸用端部Ａセンサは、一対にした２つの前記Ｙ軸用端部Ａ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、
前記Ｚ軸用端部Ｂ電極とは別に、前記位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所にＹ軸用端部Ｂ電極が各々並設され、４つの前記Ｙ軸用端部Ｂ電極は、Ｙ軸を間に挟んでＸ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＹ軸用端部Ｂセンサを形成し、
前記Ｙ軸用端部Ｂセンサは、一対にした２つの前記Ｙ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、
前記Ｙ軸用端部Ａセンサと前記Ｙ軸用端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＹ軸方向の力Ｆｙを検出する請求項６又は７記載の力覚センサ装置。
【請求項９】
前記各センサが２セットずつ設けられ、対応する前記センサ同士の出力の差が基準値を超えると異常と判断する請求項１乃至８のいずれか記載の力覚センサ装置。
【請求項１０】
前記端部Ａセンサ及び前記端部Ｂセンサは、近接センサ又は光センサである請求項１乃至９のいずれか記載の力覚センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出対象物に加わる外力の、三次元直交座標系における特定軸方向のモーメント成分もしくは特定軸方向の力成分を検出する力覚センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、検出対象物に加わる外力を検出する方法として、検出対象物の表面に複数の歪みゲージを貼着し、検出対象物の歪み量を検出する方法が広く使用されている。また、特許文献１には、中心軸周りに回転して楕円筒状の検出対象物に加わる外力を検出するため、検出対象物の外周面近傍に複数の磁界センサを配置し、検出対象物の歪み量を漏れ磁界の変化を通じて観測し、外力のモーメント成分（回転軸周りのトルク）を検出する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許２００７−１０８０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
歪みゲージは、一定以上に変形すると破損してしまうので、変形量が大きい検出対象物には使用することができない。また、複数の歪みゲージから信号を取り出すために配線が煩雑になり、特に検出対象物が回転する場合には使用が難しいという問題がある。
【０００５】
また、特許文献１に開示された方法は、モーメント成分検出しているものであるが、より高い精度で検出することが求められていた。また、モーメント成分以外に、特定軸方向の力成分を検出できることの望ましいが、特許文献１に開示された方法では対応できない。
【０００６】
本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、楕円形断面を有した長尺変形体に加わる外力のモーメント成分もしくは力成分を、容易かつ高精度に検出できる力覚センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、楕円形断面を有した筒状又は棒状の構造体であって、長さ方向の一方の端部Ａが固定され反対側の端部Ｂが外力を受けて変位する長尺変形体を検出対象物とする力覚センサ装置であって、
前記長尺変形体の中心軸上に配置されたＺ軸と、前記長尺変形体の楕円形断面の長軸上に配置されてＺ軸と直交するＸ軸と、前記長尺変形体の楕円形断面の短軸上に配置されてＺ軸と直交するＹ軸とを有したＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、
前記端部Ａの外周面に対向する位置Ａ１〜Ａ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ａ１とＡ２の配置及び前記位置Ａ３とＡ４の配置がそれぞれＸ軸を間に挟んで互いに線対称になるように、且つ前記位置Ａ１とＡ４の配置及び前記位置Ａ２とＡ３の配置がそれぞれＹ軸を挟んで互いに線対称になるように定義し、
前記端部Ｂの外周面に対向する位置Ｂ１〜Ｂ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の配置がそれぞれ前記位置Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と重なるように定義し、
前記位置Ａ１〜Ａ４の中の少なくとも１箇所に、当該位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出する端部Ａセンサが設置され、前記位置Ｂ１〜Ｂ４の中の少なくとも１箇所に、当該位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出する端部Ｂセンサが設置され、前記端部Ａセンサと前記端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＺ軸周りのモーメントＭｚを検出する力覚センサ装置である。
【０００８】
さらに、前記位置Ａ１〜Ａ４の中の少なくとも１箇所に、当該位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出する端部Ａセンサが設置され、前記位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所に、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出する端部Ｂセンサが各々設置され、前記端部Ａセンサと前記端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＸ軸方向の力Ｆｘ及びＹ軸方向の力Ｆｙの少なくとも一方を検出する構成にしてもよい。
【０００９】
また、本発明は、楕円形断面を有した筒状又は棒状の構造体であって、外力を受けて自己の中心軸周りに回転する長尺変形体を検出対象物とする力覚センサ装置であって、
前記長尺変形体の中心軸上に配置されたＺ軸と、Ｚ軸に直交するＸ軸と、Ｚ軸とＸ軸の双方と直交するＹ軸とを有したＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、
前記長尺変形体の中心軸方向の一方の端部Ａの外周面に対向する位置Ａ１〜Ａ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ａ１とＡ２の配置及び前記位置Ａ３とＡ４の配置がそれぞれＸ軸を間に挟んで互いに線対称になるように、且つ前記位置Ａ１とＡ４の配置及び前記位置Ａ２とＡ３の配置がそれぞれＹ軸を挟んで互いに線対称になるように、且つ前記位置Ａ１〜Ａ４を順に結ぶと正方形が描かれるように定義し、
前記長尺変形体の、前記端部Ａと反対側の端部Ｂの外周面に対向する位置Ｂ１〜Ｂ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の配置がそれぞれ前記位置Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と重なるように定義し、
前記位置Ａ１〜Ａ４の４箇所に、当該位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出する端部Ａセンサが各々設置され、前記位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所に、当該位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出する端部Ｂセンサが各々設置され、前記端部Ａセンサと前記端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＺ軸周りのモーメントＭｚ、Ｘ軸方向の力Ｆｘ及びＹ軸方向の力Ｆｙの力の中の少なくと  も一つを検出する力覚センサ装置である。
【００１０】
また、本発明は、楕円形断面を有した筒状又は棒状の構造体であって、長さ方向の一方の端部Ａが固定され反対側の端部Ｂが外力を受けて変位する長尺変形体を検出対象物とする力覚センサ装置であって、
前記長尺変形体の中心軸上に配置されたＺ軸と、前記長尺変形体の楕円形断面の長軸上に配置されて前記Ｚ軸と直交するＸ軸と、前記長尺変形体の楕円形断面の短軸上に配置されて前記Ｚ軸と直交するＹ軸とを有したＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、
前記端部Ａの外周面に対向する位置Ａ１〜Ａ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ａ１とＡ２の配置及び前記位置Ａ３とＡ４の配置がそれぞれＸ軸を間に挟んで互いに線対称になるように、且つ前記位置Ａ１とＡ４の配置及び前記位置Ａ２とＡ３の配置がそれぞれＹ軸を挟んで互いに線対称になるように定義し、
前記端部Ｂの外周面に対向する位置Ｂ１〜Ｂ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の配置がそれぞれ前記位置Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と重なるように定義し、
前記長尺変形体の外周面は導電性を有しており、前記位置Ａ１〜Ａ４の中の、Ｚ軸を間に挟んで対向する２箇所にＺ軸用端部Ａ電極が各々配置され、２つの前記Ｚ軸用端部Ａ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出するＺ軸用端部Ａセンサが形成され、前記位置Ｂ１〜Ｂ４の中の、Ｚ軸を間に挟んで対向する２箇所にＺ軸用端部Ｂ電極が各々配置され、２つの前記Ｚ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出するＺ軸用端部Ｂセンサが形成され、前記Ｚ軸用端部Ａセンサと前記Ｚ軸用端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＺ軸周りのモーメントＭｚを検出する力覚センサ装置である。
【００１１】
さらに、前記前記Ｚ軸用端部Ｂ電極とは別に、前記位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所にＸ軸用端部Ｂ電極が各々並設され、４つの前記Ｘ軸用端部Ｂ電極は、Ｘ軸を間に挟んでＹ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＸ軸用端部Ｂセンサを形成し、前記Ｘ軸用端部Ｂセンサは、一対にした２つの前記Ｘ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、前記Ｘ軸端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＸ軸方向の力Ｆｘを検出する構成にしてもよい。
【００１２】
あるいは、前記Ｚ軸用端部Ｂ電極とは別に、前記位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所にＹ軸用端部Ｂ電極が各々並設され、４つの前記Ｙ軸用端部Ｂ電極は、Ｙ軸を間に挟んでＸ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＹ軸用端部Ｂセンサを形成し、前記Ｙ軸用端部Ｂセンサは、一対にした２つの前記Ｙ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、前記Ｙ軸端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＹ軸方向の力Ｆｙを検出する構成人してもよい。
【００１３】
また、本発明は、楕円形断面を有した筒状又は棒状の構造体であって、外力を受けて自己の中心軸周りに回転する長尺変形体を検出対象物とする力覚センサ装置であって、
前記長尺変形体の中心軸上に配置されたＺ軸と、前記Ｚ軸に直交するＸ軸と、前記Ｚ軸と前記Ｘ軸の双方と直交するＹ軸とを有したＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、
前記長尺変形体の中心軸方向の一方の端部Ａの外周面に対向する位置Ａ１〜Ａ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ａ１とＡ２の配置及び前記位置Ａ３とＡ４の配置がそれぞれＸ軸を間に挟んで互いに線対称になるように、且つ前記位置Ａ１とＡ４の配置及び前記位置Ａ２とＡ３の配置がそれぞれＹ軸を挟んで互いに線対称になるように、且つ前記位置Ａ１〜Ａ４を順に結ぶと正方形が描かれるように定義し、
前記長尺変形体の、前記端部Ａと反対側の端部Ｂの外周面に対向する位置Ｂ１〜Ｂ４を、前記長尺変形体をＺ軸方向に投影した時に、前記位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の配置がそれぞれ前記位置Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と重なるように定義し、
前記長尺変形体の外周面は導電性を有しており、前記位置Ａ１〜Ａ４の４箇所に、Ｚ軸用端部Ａ電極が各々配置され、４つの前記Ｚ軸用端部Ａ電極は、Ｚ軸を間に挟んで対角に位置する２つを一対にして２組のＺ軸用端部Ａセンサを形成し、前記Ｚ軸用端部Ａセンサは、一対にした２つの前記Ｚ軸用端部Ａ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、前記位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所に、Ｚ軸用端部Ｂ電極が各々配置され、４つの前記Ｚ軸用端部Ｂ電極は、Ｚ軸を間に挟んで対角に位置する２つを一対にして２組のＺ軸用端部Ｂセンサを形成し、前記Ｚ軸用端部Ｂセンサは、一対にした２つの前記Ｚ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、前記Ｚ軸用端部Ａセンサと前記Ｚ軸用端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＺ軸周りのモーメントＭｚを検出する力覚センサ装置である。
【００１４】
さらに、前記Ｚ軸用端部Ａ電極とは別に、前記位置Ａ１〜Ａ４の４箇所にＸ軸用端部Ａ電極が各々並設され、４つの前記Ｘ軸用端部Ａ電極は、Ｘ軸を間に挟んでＹ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＸ軸用端部Ａセンサを形成し、前記Ｘ軸用端部Ａセンサは、一対にした２つの前記Ｘ軸用端部Ａ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、前記Ｚ軸用端部Ａ電極とは別に、前記位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所にＸ軸用端部Ｂ電極が各々並設され、４つの前記Ｘ軸用端部Ｂ電極は、Ｘ軸を間に挟んでＹ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＸ軸用端部Ｂセンサを形成し、前記Ｘ軸用端部Ｂセンサは、一対にした２つの前記Ｘ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、前記Ｘ軸用端部Ａセンサと前記Ｘ軸用端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＸ軸方向の力Ｆｘを検出する構成にしてもよい。
【００１５】
あるいは、前記Ｚ軸用端部Ａ電極とは別に、前記位置Ａ１〜Ａ４の４箇所にＹ軸用端部Ａ電極が各々並設され、４つの前記Ｙ軸用端部Ａ電極は、Ｙ軸を間に挟んで前記Ｘ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＹ軸用端部Ａセンサを形成し、前記Ｙ軸用端部Ａセンサは、一対にした２つの前記Ｙ軸用端部Ａ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、前記Ｚ軸用端部Ｂ電極とは別に、前記位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所にＹ軸用端部Ｂ電極が各々並設され、４つの前記Ｙ軸用端部Ｂ電極は、Ｙ軸を間に挟んでＸ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＹ軸用端部Ｂセンサを形成し、前記Ｙ軸用端部Ｂセンサは、一対にした２つの前記Ｙ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と前記長尺変形体の外周面との離間距離の変化を検出し、前記Ｙ軸用端部Ａセンサと前記Ｙ軸用端部Ｂセンサの出力に基づいて、前記長尺変形体に加わった外力のＹ軸方向の力Ｆｙを検出する構成にしてもよい。
【００１６】
その他、前記各センサが２セットずつ設けられ、対応する前記センサ同士の出力の差が基準値を超えると異常と判断する構成にしてもよい。前記端部Ａセンサ及び前記端部Ｂセンサは、各種の近接センサ又は光センサを用いるとよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の力覚センサ装置は、楕円形断面を有した長尺変形体を検出対象物とし、少ない数のセンサを使用して、中心軸周りのモーメント成分を容易かつ高精度に検出することができる。また、センサを少し追加することによって、中心軸と直角方向の力成分も容易かつ高精度に検出することができる。
【００１８】
さらに、各センサを２セットずつ設け、対応する前記センサ同士の出力の差を観測することによって、装置の異常発生時の故障診断等を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の力覚センサ装置の第一の実施形態において、検出対象物である長尺変形体に定義されたＸＹＺ三次元座標系を示す斜視図（ａ）、端部Ａの近傍に定義された位置Ａ１〜Ａ４を示す図（ｂ）、端部Ｂの近傍に定義された位置Ｂ１〜Ｂ４を示す図（ｃ）である。
【図２】第一の実施形態の力覚センサ装置の構成（ｔｙｐｅ１〜１６）を示す図表である。
【図３】図２のｔｙｐｅ１の構成でモーメントＭｚを検出する場合の動作を示す図（ａ）、図２のｔｙｐｅ２の構成でモーメントＭｚを検出する場合の動作を示す図（ｂ）である。
【図４】本発明の力覚センサ装置の第二の実施形態の構成（ｔｙｐｅ１〜４）を示す図表である。
【図５】図４のｔｙｐｅ１の構成で力ＦｘとＦｙを検出する動作を示す図（ａ）、（ｂ）である。
【図６】本発明の力覚センサ装置の第三の実施形態の検出対象物において、長尺変形体に定義されたＸＹＺ三次元座標系を示す斜視図（ａ）、端部Ａの近傍に定義された位置Ａ１〜Ａ４を示す図（ｂ）、端部Ｂの近傍に定義された位置Ｂ１〜Ｂ４を示す図（ｃ）である。
【図７】第三の実施形態の力覚センサ装置の構成を示す図表である。
【図８】第三の実施形態の力覚センサ装置でモーメントＭｚを検出する動作を示す図（ａ）、（ｂ）である。
【図９】第三の実施形態の力覚センサ装置で力Ｆｘを検出する動作を示す図（ａ）、（ｂ）である。
【図１０】第三の実施形態の力覚センサ装置で力Ｆｙを検出する動作を示す図（ａ）、（ｂ）である。
【図１１】本発明の力覚センサ装置の第四の実施形態の構成（ｔｙｐｅ１〜４）を示す図表である。
【図１２】図１１のｔｙｐｅ１の構成でモーメントＭｚを検出する場合の動作を示す図（ａ）、図１１のｔｙｐｅ２の構成でモーメントＭｚを検出する場合の動作を示す図（ｂ）である。
【図１３】本発明の力覚センサ装置の第五の実施形態の構成（ｔｙｐｅ１〜４）を示す図表である。
【図１４】図１３のｔｙｐｅ１の構成で力ＦｘとＦｙを検出する動作を示す図（ａ）、（ｂ）である。
【図１５】本発明の力覚センサ装置の第六の実施形態を示す図表である。
【図１６】第六の実施形態の力覚センサ装置でモーメントＭｚを検出する動作を示す図（ａ）、（ｂ）である。
【図１７】第六の実施形態の力覚センサ装置で力Ｆｘを検出する動作を示す図（ａ）、（ｂ）である。
【図１８】第六の実施形態の力覚センサ装置で力Ｆｙを検出する動作を示す図（ａ）、（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜＜第一の実施形態＞＞
以下、本発明の力覚センサ装置の第一の実施形態について、図１〜図３に基づいて説明する。この実施形態の力覚センサ装置１０の検出対象物は、楕円形断面を有した筒状又は棒状の長尺変形体１２であり、図１（ａ）に示すように、長さ方向の一方の端部Ａが基板１４に固定され、反対側の端部Ｂが外力を受けて変位することができる。
【００２１】
ここでは、長尺変形体１２に対し、中心軸１２ａ上に配置されたＺ軸と、楕円形断面の長軸上に配置されてＺ軸と直交するＸ軸と、楕円形断面の短軸上に配置されてＺ軸と直交するＹ軸とを有したＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。
【００２２】
さらに、長尺変形体１２に対し、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、端部Ａの外周面１２ｂに対向する位置Ａ１〜Ａ４と、端部Ｂの外周面１２ｂに対向する位置Ｂ１〜Ｂ４を定義する。位置Ａ１〜Ａ４は、長尺変形体１２をＺ軸方向に投影した時に、位置Ａ１とＡ２の配置及び位置Ａ３とＡ４の配置がそれぞれＸ軸を間に挟んで互いに線対称になり、位置Ａ１とＡ４の配置及び位置Ａ２とＡ３の配置がそれぞれＹ軸を挟んで互いに線対称になるように定義される。位置Ｂ１〜Ｂ４は、長尺変形体１２をＺ軸方向に投影した時に、位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の配置がそれぞれ位置Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と重なるように定義される。なお、位置Ｂ１〜Ｂ４は、端部Ｂが外力を受けて変位した状態でも、端部Ｂと干渉しない位置である。
【００２３】
力覚センサ装置１０は、長尺変形体１２に外力が加わって発生するＺ軸周りのモーメントＭｚ（長尺変形体１２に捻れの歪みを発生させるモーメント）を検出する装置であり、位置Ａ１〜Ａ４の中の少なくとも１箇所に設置された端部Ａセンサと、位置Ｂ１〜Ｂ４の中の少なくとも１箇所に設置された端部Ｂセンサにより構成される。端部Ａセンサ及び端部Ｂセンサは、設置された位置と外周面１２ｂとの離間距離の変化を検出するセンサであり、個々の特性は互いに同じである。センサの種類は特に限定されないが、例えば、静電容量の変化を利用した静電容量型変位センサ、その他渦電流や磁気、高周波を利用した変位センサを含む各種の近接センサ、あるいは光の反射を利用した光センサ等を使用すれば、長尺変形体１２に対して非接触で検出できる。
【００２４】
図２に示すように、端部Ａセンサ及び端部Ｂセンサの位置の組み合わせ方は複数ある。例えばｔｙｐｅ１は、下段の図に示すように、位置Ａ１に端部ＡセンサS(A1)を設置し、位置Ｂ１に端部ＢセンサS(B1)を設置したタイプである。また、ｔｙｐｅ２は、位置Ａ１に端部ＡセンサS(A1)を設置し、位置Ｂ２に端部ＢセンサS(B2)をそれぞれ設置したタイプである。以下、ｔｙｐｅ１，ｔｙｐｅ２を力覚センサ装置１０(1)，１０(2)と表し、それぞれの動作について説明する。ここでは、端部Ａセンサ及び端部Ｂセンサは、離間距離が短くなると出力が上昇し、離間距離が長くなると出力が低下するものとする。
【００２５】
力覚センサ装置１０(1)の場合、長尺変形体１２を端部Ｂ側から見て、端部Ｂを時計回りに捻じるようなモーメントＭｚが加わった時は、図３（ａ）に示すように、位置Ａ１と外周面１２ｂとの離間距離は変化せず、端部ＡセンサS(A1)の出力はほぼ初期値に保持されるが、位置Ｂ１と外周面１２ｂとの離間距離が長くなるので、端部ＢセンサS(B1)の出力が初期値よりも低下する。したがって、時計回りを正方向したときのモーメントＭｚは、次の式（１）で求めることができる。
Mz＝−ka・［S(B1)−S(A1)］        （１）
式（１）の中のS(A1)，S(B1)は、各センサの出力を表しており、ｋａは、比例定数（ｋａ＞０）である。例えば、反時計回りのモーメントＭｚが加わった時は、Ｍｚ＜０となる。また、モーメントＭｚと同時に後述する力ＦｘやＦｙが加わっていたとしても、それらの成分は式（１）によって相殺されるので、Ｍｚの算出には影響しない。
【００２６】
一方、力覚センサ装置１０(2)の場合、端部Ｂから長尺変形体１２を見て端部Ｂに時計回りのモーメントＭｚが加わった時、図３（ｂ）に示すように、位置Ａ１と外周面１２ｂとの離間距離は変化せず、端部ＡセンサS(A1)の出力はほぼ初期値に保持されるが、位置Ｂ２と外周面１２ｂとの離間距離が短くなるので、端部ＢセンサS(B2)の出力が初期値よりも上昇する。したがって、時計回りを正方向としたときのモーメントＭｚは、次の式（２）で求めることができる。
Mz＝＋ka・［S(B2)−S(A1)］        （２）
式（２）の中のS(A1)，S(B2)は、各センサの出力を表しており、ｋａは、比例定数（ｋａ＞０）である。例えば、反時計回りのモーメントＭｚが加わった時は、Ｍｚ＜０となる。また、モーメントＭｚと同時に後述する力ＦｘやＦｙが加わっていたとしても、それらの成分は式（２）によって相殺されるので、Ｍｚの算出には影響しない。
【００２７】
その他、図２のｔｙｐｅ３〜１６についても、同様の考え方で式を設定することにより、モーメントＭｚを容易に求めることができる。
【００２８】
以上説明したように、第一の実施形態の力覚センサ装置１０は、端部Ａが固定された楕円形断面の長尺変形体１２を検出対象物とし、２個のセンサにより、モーメントＭｚを容易かつ高精度に検出することができる。なお、図２に示す力覚センサ装置１０の構成は、モーメントＭｚを検出するために必要な最低数のセンサを設けたものであり、モーメントＭｚの検出精度をさらに向上させるため、他の位置にセンサを追加してもよい。
【００２９】
＜＜第二の実施形態＞＞
次に、本発明の力覚センサ装置の第二の実施形態について、図４、図５に基づいて説明する。ここで、上記実施形態と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の力覚センサ装置１６は、上記力覚センサ装置１０を改良したものであり、図１（ａ）に示す長尺変形体１２に外力が加わって発生するＺ軸周りのモーメントＭｚ（長尺変形体１２に捻れの歪みを発生させるモーメント）に加え、Ｘ軸方向の力ＦｘとＹ軸方向の力Ｆｙ（長尺変形体１２に歪みを発生させる力）を検出する。
【００３０】
力覚センサ装置１６は、位置Ａ１〜Ａ４の中の少なくとも１箇所に設置された端部Ａセンサと、位置Ｂ１〜Ｂ４にそれぞれ設置された４つの端部Ｂセンサにより構成される。端部Ａセンサ及び端部Ｂセンサは、上記と同様に、設置された位置と外周面１２ｂとの離間距離の変化を検出するセンサであり、個々の特性は互いに同じである。
【００３１】
図４に示すように、端部Ａセンサ及び端部Ｂセンサの位置の組み合わせ方は複数ある。例えばｔｙｐｅ１は、下段の図に示すように、位置Ａ１に端部ＡセンサS(A1)を設置し、位置Ｂ１〜Ｂ４にそれぞれ端部ＢセンサS(B1)〜S(B4)を設置したタイプである。以下、ｔｙｐｅ１を力覚センサ装置１６(1)と表し、その動作について説明する。ここでは、端部Ａセンサ及び端部Ｂセンサは、離間距離が短くなると出力が上昇し、離間距離が長くなると出力が低下するものとする。
【００３２】
力覚センサ装置１６(1)は、端部Ｂ側から長尺変形体１２を見て、端部Ｂに時計回りに変位させるモーメントＭｚが加わった時は、例えば、上記力覚センサ装置１０(1)と同様の式（１）でモーメントＭｚを求めることができる。
【００３３】
端部ＢをＸ軸正方向に変位させる力Ｆｘが加わった時は、図５（ａ）に示すように、位置Ａ１と外周面１２ｂとの離間距離は変化せず、端部ＡセンサS(A1)の出力はほぼ初期値に保持されるが、位置Ｂ１，Ｂ２と外周面１２ｂとの離間距離が長くなるので、端部ＢセンサS(B1)，S(B2)の出力が初期値よりも低下し、位置Ｂ３，Ｂ４と外周面１２ｂとの離間距離が短くなるので、端部ＢセンサS(B3)，S(B4)の出力が初期値よりも上昇する。したがって、力Ｆｘは、次の式（３）で求めることができる。
Fx＝kb・{[S(B3)＋S(B4)]−[S(B1)＋S(B2)]}        （３）
式（３）の中のS(B1)〜S(B4)は、各センサの出力を表しており、ｋｂは、比例定数（ｋｂ＞０）である。例えば、Ｘ軸負方向の力Ｆｘが加わった時は、Ｆｘ＜０となる。また、力Ｆｘと同時にモーメントＭｚや後述する力Ｆｙが加わっていたとしても、それらの成分は式（３）によって相殺されるので、Ｆｘの算出には影響しない。
【００３４】
端部ＢをＹ軸正方向に変位させる力Ｆｙが加わった時は、図５（ｂ）に示すように、位置Ａ１と外周面１２ｂとの離間距離は変化せず、端部ＡセンサS(A1)の出力はほぼ初期値に保持されるが、位置Ｂ１，Ｂ４と外周面１２ｂとの離間距離が短くなるので、端部ＢセンサS(B1)，S(B4)の出力が初期値よりも上昇し、位置Ｂ２，Ｂ３と外周面１２ｂとの離間距離が長くなるので、端部ＢセンサS(B2)，S(B3)の出力が初期値よりも上昇する。したがって、力Ｆｙは、次の式（４）で求めることができる。
Fy＝kb・{[S(B1)＋S(B4)]−[S(B2)＋S(B3)]}        （４）
式（４）の中のS(B1)〜S(B4)は、各センサの出力を表しており、ｋｂは、比例定数（ｋｂ＞０）である。例えば、Ｙ軸負方向の力Ｆｙが加わった時は、Ｆｙ＜０となる。また、力ｙと同時にモーメントＭｚや力Ｆｘが加わっていたとしても、それらの成分は式（４）によって相殺されるので、Ｆｙの算出には影響しない。
【００３５】
その他、図４のｔｙｐｅ２〜４についても、同様の考え方で式を設定することにより、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙを容易に求めることができる。
【００３６】
以上説明したように、第二の実施形態の力覚センサ装置１６は、端部Ａが固定された楕円形断面の長尺変形体１２を検出対象物とし、５個のセンサにより、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙを容易かつ高精度に検出することができる。なお、図４に示す力覚センサ装置１６の構成は、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙを検出するために必要な最低数のセンサを設けたものであり、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙの検出精度をさらに向上させるため、他の位置にセンサを追加してもよい。
【００３７】
＜＜第三の実施形態＞＞
次に、本発明の力覚センサ装置の第三の実施形態について、図６〜図１０に基づいて説明する。この実施形態の力覚センサ装置１８の検出対象物は、図６（ａ）に示すように、楕円形断面を有した筒状又は棒状の構造体であって、外力を受けて自己の中心軸１２ａ周りに回転する長尺変形体１２である。長尺変形体１２は、例えば特許文献１の減速機の部材であり、端部Ａと端部Ｂが変位可能であるが、中心軸１２ａの位置はほぼ一定に保持される。
【００３８】
ここでは、長尺変形体１２に対し、中心軸１２ａ上に配置されたＺ軸と、Ｚ軸に直交するＸ軸と、Ｚ軸とＸ軸の双方と直交するＹ軸とを有したＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。
【００３９】
さらに、長尺変形体１２の一方の端部Ａの外周面１２ｂに対向する位置Ａ１〜Ａ４と、反対側の端部Ｂの外周面１２ｂに対向する位置Ｂ１〜Ｂ４を定義する。位置Ａ１〜Ａ４は、長尺変形体１２をＺ軸方向に投影した時に、位置Ａ１とＡ２の配置及び位置Ａ３とＡ４の配置がそれぞれＸ軸を間に挟んで互いに線対称になり、位置Ａ１とＡ４の配置及び位置Ａ２とＡ３の配置がそれぞれＹ軸を挟んで互いに線対称になり、さらに位置Ａ１〜Ａ４を順に結ぶと正方形が描かれるように定義される。位置Ｂ１〜Ｂ４は、長尺変形体１２をＺ軸方向に投影した時に、位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４の配置がそれぞれ位置Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と重なるように定義される。なお、位置Ｂ１〜Ｂ４は、端部Ｂが回転しても、端部Ｂと干渉しない位置である。
【００４０】
力覚センサ装置１８は、長尺変形体１２が外力を受けて回転することによって発生するＺ軸周りのモーメントＭｚ（長尺変形体１２に捻れの歪みを発生させるモーメント）と、Ｘ軸方向の力ＦｘとＹ軸方向の力Ｆｙ（長尺変形体１２に歪みを発生させる力）を検出する装置であり、図７に示すように、位置Ａ１〜Ａ４にそれぞれ設置された４つの端部ＡセンサS(A1)〜(A4)と、位置Ｂ１〜Ｂ４にそれぞれ設置された４つの端部ＢセンサS(B1)〜S(B4)により構成される。各センサS(A1)〜(A4)，S(B1)〜S(B4)は、上記と同様に、設置された位置と外周面１２ｂとの離間距離の変化を検出するセンサであり、個々の特性は互いに同じである。
【００４１】
力覚センサ装置１８の動作は、長尺変形体１２がＺ軸周りに回転しているときの特定の瞬間、例えば、端部Ａの楕円形断面の長軸がＸ軸と重なった瞬間を考えると分かりやすい。以下、端部Ａセンサ及び端部Ｂセンサは、離間距離が短くなると出力が上昇し、離間距離が長くなると出力が低下するものとして説明する。
【００４２】
図８（ａ）、（ｂ）は、長尺変形体１２を端部Ｂ側から見て、端部Ａの楕円形断面の長軸がＸ軸と重なった瞬間に、端部Ａに対して端部Ｂを時計回りに捻じるようなモーメントＭｚが加わっている状態を示している。この状態で、端部Ａ側は、位置Ａ１〜Ａ４と外周面１２ｂとの離間距離は互いに等しく、端部ＡセンサS(A1)〜S(A4)の出力がほぼ等しい値（以下、標準値と称する。）になっているとする。これに対して、端部Ｂ側は、位置Ｂ１，Ｂ３と外周面１２ｂとの離間距離が長いので、端部ＢセンサS(B1)，S(B3)の出力が標準値よりも低下し、位置Ｂ２，Ｂ４と外周面１２ｂとの離間距離が短いので、端部ＢセンサS(B2)，S(B4)の出力が標準値よりも上昇する。
【００４３】
したがって、時計回りを正方向としたときのモーメントＭｚは、式（５）で求めることができる。
ΔS1＝S(B1)−S(A1)
ΔS2＝S(B2)−S(A2)
ΔS3＝S(B3)−S(A3)
ΔS4＝S(B4)−S(A4)
Mz＝kc・[(ΔS2+ΔS4)−(ΔS1＋ΔS3)]              （５）
式（５）の中のS(A1)〜S(A4)，S(B1)〜S(B4)は、各センサの出力を表しており、ｋｃは、比例定数（ｋc＞０）である。例えば、反時計回りのモーメントＭｚが加わった時は、Ｍｚ＜０となる。また、モーメントＭｚと同時に後述する力ＦｘやＦｙが加わっていたとしても、それらの成分は式（５）によって相殺されるので、Ｍｚの算出には影響しない。
【００４４】
図９（ａ）、（ｂ）は、長尺変形体１２を端部Ｂ側から見て、端部Ａの楕円形断面の長軸がＸ軸と重なった瞬間に、端部Ａに対して端部ＢをＸ軸正方向に変位させるような力Ｆｘが加わっている状態を示している。この状態で、端部Ａ側は、位置Ａ１〜Ａ４と外周面１２ｂとの離間距離は互いに等しく、端部ＡセンサS(A1)〜S(A4)の出力がほぼ等しい値（標準値）になっているとする。これに対して、端部Ｂ側は、位置Ｂ１，Ｂ２と外周面１２ｂとの離間距離が長いので、端部ＢセンサS(B1)，S(B2)の出力が標準値よりも低下し、位置Ｂ３，Ｂ４と外周面１２ｂとの離間距離が短いので、端部ＢセンサS(B3)，S(B4)の出力が標準値よりも上昇する。
【００４５】
したがって、Ｘ軸正方向の力Ｆｘは、式（６）で求めることができる。
ΔS1＝S(B1)−S(A1)
ΔS2＝S(B2)−S(A2)
ΔS3＝S(B3)−S(A3)
ΔS4＝S(B4)−S(A4)
Fx＝kd・[(ΔS3+ΔS4)−(ΔS1＋ΔS2)]              （６）
式（６）の中のS(A1)〜S(A4)，S(B1)〜S(B4)は、各センサの出力を表しており、ｋｄは、比例定数（ｋｄ＞０）である。例えば、Ｘ軸負方向の力Ｆｘが加わった時は、Ｆｘ＜０となる。また、力Ｆｘと同時にモーメントＭｚや後述するＦｙが加わっていたとしても、それらの成分は式（６）によって相殺されるので、Ｆｘの算出には影響しない。
【００４６】
図１０（ａ）、（ｂ）は、長尺変形体１２を端部Ｂ側から見て、端部Ａの楕円形断面の長軸がＸ軸と重なった瞬間に、端部Ａに対して端部ＢをＹ軸正方向に変位させるような力Ｆｙが加わっている状態を示している。この状態で、端部Ａ側は、位置Ａ１〜Ａ４と外周面１２ｂとの離間距離は互いに等しく、端部ＡセンサS(A1)〜S(A4)の出力がほぼ等しい値（標準値）になっているとする。これに対して、端部Ｂ側は、位置Ｂ１，Ｂ４と外周面１２ｂとの離間距離が短いので、端部ＢセンサS(B1)，S(B4)の出力が標準値よりも上昇し、位置Ｂ２，Ｂ３と外周面１２ｂとの離間距離が長いので、端部ＢセンサS(B2)，S(B3)の出力が標準値よりも低下する。
【００４７】
したがって、Ｙ軸正方向の力Ｆｙは、式（７）で求めることができる。
ΔS1＝S(B1)−S(A1)
ΔS2＝S(B2)−S(A2)
ΔS3＝S(B3)−S(A3)
ΔS4＝S(B4)−S(A4)
Fy＝kd・[(ΔS1+ΔS4)−(ΔS3＋ΔS3)]              （７）
式（７）の中のS(A1)〜S(A4)，S(B1)〜S(B4)は、各センサの出力を表しており、ｋｄは、比例定数（ｋｄ＞０）である。例えば、Ｙ軸負方向の力Ｆｙが加わった時は、Ｆｙ＜０となる。また、力Ｆｙと同時にモーメントＭｚや力Ｆｘが加わっていたとしても、それらの成分は式（７）によって相殺されるので、Ｆｙの算出には影響しない。
【００４８】
式（５）〜（７）は、図８〜図１０に示す特定の瞬間だけでなく、長尺変形体１２がＺ軸周りに回転しているすべての瞬間において成立する。したがって、長尺変形体１２が連続回転している状態で、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙを容易に求めることができる。
【００４９】
以上説明したように、第三の実施形態の力覚センサ装置１８は、中心軸周りに回転する楕円形断面の長尺変形体１２を検出対象物とし、８個のセンサにより、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙを容易かつ高精度に検出することができる。なお、図７に示す力覚センサ装置１８の構成は、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙを検出するために必要な最低数のセンサを設けたものであり、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙの検出精度をさらに向上させるため、他の位置にセンサを追加してもよい。
【００５０】
＜＜第四の実施形態＞＞
本発明の力覚センサ装置の第四の実施形態について、図１１、図１２に基づいて説明する。この実施形態の力覚センサ装置２０の検出対象物は、楕円形断面を有した筒状又は棒状の長尺変形体１２であり、図１（ａ）に示すように、長さ方向の一方の端部Ａが基板１４に固定され、反対側の端部Ｂが外力を受けて変位することができる。また、この長尺変形体１２の場合、外周面１２ｂが導電性を有している。
【００５１】
ここでは、図１（ａ）に示すようにＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように位置Ａ１〜Ａ４、位置Ｂ１〜Ｂ４を定義する。そして力覚センサ装置２０は、長尺変形体１２に外力が加わって発生するＺ軸周りのモーメントＭｚ（長尺変形体１２に捻れの歪みを発生させるモーメント）を検出する。
【００５２】
力覚センサ装置２０は、位置Ａ１〜Ａ４の中の、Ｚ軸を間に挟んで対向する２箇所に配置された２つのＺ軸用端部Ａ電極で構成されたＺ軸用端部Ａセンサを備えている。Ｚ軸用端部Ａセンサは、２つのＺ軸用端部Ａ電極の間の静電容量の変化に基づいて、設置された位置との外周面１２ｂとの離間距離の変化を検出する。ここでは長尺変形体１２の外周面１２ｂが導電性を有しているので、上記の「２つのＺ軸用端部Ａ電極の間の静電容量」は、「一方のＺ軸用端部Ａ電極と外周面１２ｂとの間の静電容量」と「他方のＺ軸用端部Ａ電極と外周面１２ｂとの間の静電容量」とを直列に合成した静電容量と言い換えることができる。
【００５３】
さらに、位置Ｂ１〜Ｂ４の中の、Ｚ軸を間に挟んで対向する２箇所に配置された２つのＺ軸用端部Ｂ電極で構成されたＺ軸用端部Ｂセンサを備えている。Ｚ軸用端部Ｂセンサは、２つのＺ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、設置された位置との外周面１２ｂとの離間距離の変化を検出する。上記のように、長尺変形体１２の外周面１２ｂが導電性を有しているので、「２つのＺ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量」は、「一方のＺ軸用端部Ｂ電極と外周面１２ｂとの間の静電容量」と「他方のＺ軸用端部Ｂ電極と外周面１２ｂとの間の静電容量」とを直列に合成した静電容量と言い換えることができる。
【００５４】
図１１に示すように、Ｚ軸用端部Ａ電極及びＺ軸用端部Ｂ電極の位置の組み合わせ方は複数ある。例えばｔｙｐｅ１は、下段の図に示すように、位置Ａ１，Ａ３にＺ軸用端部Ａ電極Dz(A1)，Dz(A3)を各々設置することによって１つのＺ軸用ＡセンサSz(A13)を形成し、位置Ｂ１，Ｂ３にＺ軸用端部Ｂ電極Dz(B1)，Dz(B3)を各々設置することによって１つのＺ軸用端部ＢセンサSz(B13)を形成したタイプである。またｔｙｐｅ２は、位置Ａ１，Ａ３にＺ軸用端部Ａ電極Dz(A1)，Dz(A3)を各々設置することによって１つのＺ軸用ＡセンサSz(A13)を形成し、位置Ｂ２，Ｂ４にＺ軸用端部Ｂ電極Dz(B2)，Dz(B4)を各々設置することによって１つのＺ軸用端部ＢセンサSz(B13)を形成したタイプである。各センサの特性は互いに同じである。以下、ｔｙｐｅ１とｔｙｐｅ２を力覚センサ装置２０(1)，２０(2)と表し、それぞれの動作について説明する。ここでは、Ｚ軸用端部Ａセンサ及び端部Ｂセンサは、離間距離が短くなると出力が上昇し、離間距離が長くなると出力が低下するものとする。
【００５５】
力覚センサ装置２０(1)の場合、長尺変形体１２を端部Ｂ側から見て、端部Ｂを時計回りに捻じるようなモーメントＭｚが加わった時は、図１２（ａ）に示すように、位置Ａ１，Ａ３と外周面１２ｂとの離間距離は変化せず、Ｚ軸用端部ＡセンサSz(A13)の出力はほぼ初期値に保持されるが、位置Ｂ１，Ｂ３と外周面１２ｂとの離間距離が長くなるので、Ｚ軸用端部ＢセンサSz(B13)の出力が初期値よりも低下する。したがって、時計回りを正方向したときのモーメントＭｚは、次の式（８）で求めることができる。
Mz＝−ke・［Sz(B13)−Sz(A13)］        （８）
式（８）の中のSz(A13)，Sz(B13)は、各センサの出力を表しており、ｋｅは、比例定数（ｋｅ＞０）である。例えば、反時計回りのモーメントＭｚが加わった時は、Ｍｚ＜０となる。また、モーメントＭｚと同時に後述する力ＦｘやＦｙが加わっていたとしても、それらの成分は式（８）によって相殺されるので、Ｍｚの算出には影響しない。
【００５６】
一方、力覚センサ装置２０(2)の場合、長尺変形体１２を端部Ｂ側から見て、端部Ｂを時計回りに捻じるようなモーメントＭｚが加わった時は、図１２（ｂ）に示すように、位置Ａ１，Ａ３と外周面１２ｂとの離間距離は変化せず、Ｚ軸用端部ＡセンサSz(A13)の出力はほぼ初期値に保持されるが、位置Ｂ２，Ｂ４と外周面１２ｂとの離間距離が短くなるので、Ｚ軸用端部ＢセンサSz(B24)の出力が初期値よりも上昇する。したがって、時計回りを正方向したときのモーメントＭｚは、次の式（９）で求めることができる。
Mz＝＋ke・［Sz(B24)−Sz(A13)］        （９）
式（９）の中のSz(A13)，Sz(B24)は、各センサの出力を表しており、ｋｅは、比例定数（ｋｅ＞０）である。例えば、反時計回りのモーメントＭｚが加わった時は、Ｍｚ＜０となる。また、モーメントＭｚと同時に後述する力ＦｘやＦｙが加わっていたとしても、それらの成分は式（９）によって相殺されるので、Ｍｚの算出には影響しない。
【００５７】
その他、図１１のｔｙｐｅ３，４についても、同様の考え方で式を設定することにより、モーメントＭｚを容易に求めることができる。
【００５８】
以上説明したように、第四の実施形態の力覚センサ装置２０は、端部Ａが固定された楕円形断面の長尺変形体１２を検出対象物とし、４個の電極で構成した静電容量型の非接触式センサにより、モーメントＭｚを容易かつ高精度に検出することができる。なお、図１１に示す力覚センサ装置２０の構成は、モーメントＭｚを検出するために必要な最低数の電極及びセンサを設けたものであり、モーメントＭｚの検出精度をさらに向上させるため、他の位置に電極及びセンサを追加してもよい。
【００５９】
＜＜第五の実施形態＞＞
次に、本発明の力覚センサ装置の第五の実施形態について、図１３、図１４に基づいて説明する。ここで、上記実施形態と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態の力覚センサ装置２２は、上記力覚センサ装置２０を改良したものであり、図１（ａ）に示す長尺変形体１２に外力が加わって発生するＺ軸周りのモーメントＭｚ（長尺変形体１２に捻れの歪みを発生させるモーメント）に加え、Ｘ軸方向の力ＦｘとＹ軸方向の力Ｆｙ（長尺変形体１２に歪みを発生させる力）を検出する。
【００６０】
力覚センサ装置２２は、位置Ａ１〜Ａ４の中の、Ｚ軸を間に挟んで対向する２箇所に配置されたＺ軸用端部Ａ電極で構成されたＺ軸用端部Ａセンサと、位置Ｂ１〜Ｂ４の中の、Ｚ軸を間に挟んで対向する２箇所に配置されたＺ軸用端部Ｂ電極で構成されたＺ軸用端部Ｂセンサとを備えている。このＺ軸用端部Ａセンサ及びＺ軸用端部Ｂセンサの構成は、上記力覚センサ装置２０と同様である。
【００６１】
力覚センサ装置２２の場合、Ｚ軸用端部Ｂ電極とは別に、位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所にＸ軸用端部Ｂ電極が各々並設され、４つのＸ軸用端部Ｂ電極は、Ｘ軸を間に挟んでＹ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＸ軸用端部Ｂセンサを形成している。各Ｘ軸用端部Ｂセンサは、一対にした２つのＸ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と外周面１２ｂとの離間距離の変化を検出する。
【００６２】
さらに、Ｚ軸用端部Ｂ電極及びＸ軸用端部Ｂ電極とは別に、位置Ｂ１〜Ｂ４の４箇所にＹ軸用端部Ｂ電極が各々並設され、４つのＹ軸用端部Ｂ電極は、Ｙ軸を間に挟んでＸ軸と平行に配置された２つを一対にして２組のＹ軸用端部Ｂセンサを形成している。各Ｙ軸用端部Ｂセンサは、一対にした２つのＹ軸用端部Ｂ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と外周面１２ｂとの離間距離の変化を検出する。
【００６３】
図１３に示すように、Ｚ軸用端部Ａ電極、Ｚ軸用端部Ｂ電極、Ｘ軸用端部Ａ電極、Ｘ軸用端部Ｂ電極、Ｙ軸用端部Ａ電極及びＹ軸用端部Ｂ電極の位置の組み合わせ方は複数ある。例えばｔｙｐｅ１は、下段の図に示すように、位置Ａ１，Ａ３にＺ軸用端部Ａ電極Dz(A1)，Dz(A3)を各々設置することによってＺ軸用ＡセンサSz(A13)を形成し、位置Ｂ１，Ｂ３にＺ軸用端部Ｂ電極Dz(B1)，Dz(B3)を各々設置することによってＺ軸用端部ＢセンサSz(B13)を形成している。また、位置Ｂ１，Ｂ２にＸ軸用端部Ｂ電極Dx(B1)，Dx(B2)を各々設置することによってＸ軸用ＢセンサSx(B12)を形成し、位置Ｂ３，Ｂ４にＸ軸用端部Ｂ電極Dz(B3)，Dz(B4)を各々設置することによってＸ軸用端部ＢセンサSx(B34)を形成している。さらに、位置Ｂ１，Ｂ４にＹ軸用端部Ｂ電極Dy(B1)，Dy(B4)を各々設置することによってＹ軸用ＢセンサSy(B12)を形成し、位置Ｂ２，Ｂ３にＹ軸用端部Ｂ電極Dy(B2)，Dy(B3)を各々設置することによってＹ軸用端部ＢセンサSy(B23)を形成している。以下、ｔｙｐｅ１を力覚センサ装置２２(1)と表し、その動作について説明する。ここでは、各軸用端部Ａセンサ及び端部Ｂセンサは、離間距離が短くなると出力が上昇し、離間距離が長くなると出力が低下するものとする。
【００６４】
力覚センサ装置２２(1)は、端部Ｂ側から長尺変形体１２を見て、端部Ｂを時計回りに捻じるようなモーメントＭｚが加わった時は、例えば上記の力覚センサ装置２０(1)の式（８）でモーメントＭｚを求めることができる。
【００６５】
端部ＢをＸ軸正方向に変位させる力Ｆｘが加わった時は、図１４（ａ）に示すように、位置Ａ１〜Ａ４と外周面１２ｂとの離間距離は互いに等しく、Ｘ軸用端部ＡセンサSx(A12)，Sx(A34)がほぼ初期値に保持されるが、位置Ｂ１，Ｂ２と外周面１２ｂとの離間距離が長くなるので、Ｘ軸用端部ＢセンサSx(B12)の出力が初期値よりも低下し、位置Ｂ３，Ｂ４と外周面１２ｂとの離間距離が短くなるので、Ｘ軸用端部ＢセンサSz(B34)の出力が初期値よりも上昇する。したがって、力Ｆｘは、次の式（１０）で求めることができる。
Fx＝kf・[Sx(B34)−Sx(B12)]        （１０）
式（１０）の中のSx(B12)，Sx(B34)は、各センサの出力を表しており、ｋｆは、比例定数（ｋｆ＞０）である。例えば、Ｘ軸負方向の力Ｆｘが加わった時は、Ｆｘ＜０となる。また、力Ｆｘと同時にモーメントＭｚや後述するＦｙが加わっていたとしても、それらの成分は式（１０）によって相殺されるので、Ｆｘの算出には影響しない。
【００６６】
端部ＢをＹ軸正方向に変位させる力Ｆｙが加わった時は、図１４（ｂ）に示すように、位置Ａ１〜Ａ４と外周面１２ｂとの離間距離は互いにほぼ等しく、Ｙ軸用端部ＡセンサSx(A14)，Sx(A23)が初期値に保持されるが、位置Ｂ１，Ｂ４と外周面１２ｂとの離間距離が短くなるので、Ｙ軸用端部ＢセンサSy(B14)の出力が初期値よりも上昇し、位置Ｂ２，Ｂ３と外周面１２ｂとの離間距離が長くなるので、Ｙ軸用端部ＢセンサSy(B23)の出力が初期値よりも低下する。したがって、力Ｆｙは、次の式（１１）で求めることができる。
Fy＝kf・[Sy(B14)−Sy(B23)]        （１１）
式（１１）の中のSy(B14)，Sy(B23)は、各センサの出力を表しており、ｋｆは、比例定数（ｋｆ＞０）である。例えば、Ｙ軸負方向の力Ｆｙが加わった時は、Ｆｙ＜０となる。また、力Ｆｙと同時にモーメントＭｚや力Ｆｘが加わっていたとしても、それらの成分は式（１１）によって相殺されるので、Ｆｙの算出には影響しない。
【００６７】
その他、図１３のｔｙｐｅ２〜４についても、同様の考え方で式を設定することにより、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙを容易に求めることができる。
【００６８】
以上説明したように、第五の実施形態の力覚センサ装置２２は、端部Ａが固定された楕円形断面の長尺変形体１２を検出対象物とし、１２個の電極で構成した静電容量型の非接触式センサにより、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙを容易かつ高精度に検出することができる。なお、図１３に示す力覚センサ装置２２の構成は、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙを検出するために必要な最低数の電極及びセンサを設けたものであり、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙの検出精度をさらに向上させるため、他の位置に電極及びセンサを追加してもよい。
【００６９】
＜＜第六の実施形態＞＞
次に、本発明の力覚センサ装置の第六の実施形態について、図１５〜図１８に基づいて説明する。この実施形態の力覚センサ装置２４の検出対象物は、図６（ａ）に示すように、楕円形断面を有した筒状又は棒状の構造体であって、外力を受けて自己の中心軸１２ａ周りに回転する長尺変形体１２である。長尺変形体１２は、例えば特許文献１の減速機のような部材であり、端部Ａと端部Ｂが変位可能であるが、中心軸１２ａの位置はほぼ一定に保持される。また、この長尺変形体１２の場合、外周面１２ｂが導電性を有している。
【００７０】
ここでは、図６（ａ）に示すようにＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように位置Ａ１〜Ａ４、位置Ｂ１〜Ｂ４を定義する。そして力覚センサ装置２４は、長尺変形体１２が外力を受けて回転することによって発生するＺ軸周りのモーメントＭｚ（長尺変形体１２に捻れの歪みを発生させるモーメント）と、Ｘ軸方向の力ＦｘとＹ軸方向の力Ｆｙ（長尺変形体１２に歪みを発生させる力）を検出する。
【００７１】
力覚センサ装置２４は、図１５に示すように、位置Ａ１〜Ａ４にＺ軸用端部Ａ電極Dz(A1)〜Dz(A4)がそれぞれ設置され、Ｚ軸を間に挟んで対向するDz(A1)とDz(A3)を一対にしてＺ軸用端部ＡセンサSz(A13)を形成し、Dz(A2)とDz(A4)を一対にしてＺ軸用端部ＡセンサSz(A24)を形成している。Ｚ軸用端部ＡセンサSz(A13)，Sz(A24)は、一対にした２つのＺ軸用端部Ａ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と外周面１２ｂとの離間距離の変化をそれぞれ検出する。
【００７２】
また、Ｚ軸用端部Ａ電極Dz(A1)〜Dz(A4)とは別に、位置Ａ１〜Ａ４にＸ軸用端部Ａ電極Dx(A1)〜Dx(A4)が並設され、Ｘ軸を間に挟んでＹ軸と平行に配置されたDx(A1)とDx(A2)を一対にしてＸ軸用端部ＡセンサSx(A12)を形成し、Dx(A3)とDx(A4)を一対にしてＸ軸用端部ＡセンサSx(A34)を形成している。Ｘ軸用端部ＡセンサSx(A12)，Sx(A34)は、一対にした２つのＸ軸用端部Ａ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と外周面１２ｂとの離間距離の変化をそれぞれ検出する。
【００７３】
さらに、Ｚ軸用端部Ａ電極Dz(A1)〜Dz(A4)とは別に、位置Ａ１〜Ａ４の４箇所にＹ軸用端部Ａ電極Dy(A1)〜Dy(A4)が並設され、Ｙ軸を間に挟んでＸ軸と平行に配置されたDy(A1)とDy(A4)を一対にしてＹ軸用端部ＡセンサSy(A14)を形成し、Dy(A2)とDy(A3)を一対にしてＹ軸用端部ＡセンサSy(A23)を形成している。Ｙ軸用端部ＡセンサSy(A14)，Sy(A23)は、一対にした２つのＹ軸用端部Ａ電極の間の静電容量の変化に基づいて、当該各位置と外周面１２ｂとの離間距離の変化をそれぞれ検出する。
【００７４】
力覚センサ装置２４は、端部Ｂの側にも端部Ａ側と同様の構成が設けられている。すなわち、位置Ｂ１〜Ｂ４に、Ｚ軸用端部Ｂ電極Dz(B1)〜Dz(B4)、Ｘ軸用端部Ｂ電極Dx(B1)〜Dx(B4)、及びＹ軸用端部Ｂ電極Dy(B1)〜Dz(B4)が設けられ、２つの電極を一対にして、Ｚ軸用端部ＢセンサSz(B13)，Sz(B24)、Ｘ軸用端部ＢセンサSx(B12)，Sx(B34)、及びＹ軸用端部ＢセンサSy(B14)，Sy(B23)が形成されている。各センサの特性は互いに同じである。
【００７５】
力覚センサ装置２４の動作は、長尺変形体１２がＺ軸周りに回転しているときの特定の瞬間、例えば、端部Ａの楕円形断面の長軸がＸ軸と重なった瞬間を考えると分かりやすい。以下、各軸用端部Ａセンサ及び端部Ｂセンサは、離間距離が短くなると出力が上昇し、離間距離が長くなると出力が低下するものとして説明する。
【００７６】
図１６（ａ）、（ｂ）は、長尺変形体１２を端部Ｂ側から見て、端部Ａの楕円形断面の長軸がＸ軸と重なった瞬間に、端部Ａに対して端部Ｂを時計回りに捻じるようなモーメントＭｚが加わっている状態を示している。この状態で、位置Ａ１〜Ａ４と外周面１２ｂとの離間距離は互いに等しく、Ｚ軸用端部ＡセンサSz(A13)，Sz(A24)の出力がほぼ等しい値（以下、標準値と称する。）になっているとする。これに対して、位置Ｂ１，Ｂ３と外周面１２ｂとの離間距離が長いので、Ｚ軸用端部ＢセンサSz(B13)の出力が標準値よりも低下し、位置Ｂ２，Ｂ４と外周面１２ｂとの離間距離が短いので、Ｚ軸用端部ＢセンサSz(B24)の出力が標準値よりも上昇する。
【００７７】
したがって、時計回りを正方向としたときのモーメントＭｚは、式（１２）で求めることができる。
ΔSz13＝Sz(B13)−Sz(A13)
ΔSz24＝Sz(B24)−Sz(B24)
Mz＝kg・(ΔSz24−ΔSz13)                （１２）
式（１２）の中のSz(AB13)，Sz(A24)，Sz(B13)，Sz(B24)は、各センサの出力を表しており、ｋｇは、比例定数（ｋｇ＞０）である。例えば、反時計回りのモーメントＭｚが加わった時は、Ｍｚ＜０となる。また、モーメントＭｚと同時に後述する力ＦｘやＦｙが加わっていたとしても、それらの成分は式（１２）によって相殺されるので、Ｍｚの算出には影響しない。
【００７８】
図１７（ａ）、（ｂ）は、長尺変形体１２を端部Ｂ側から見て、端部Ａの楕円形断面の長軸がＸ軸と重なった瞬間に、端部Ａに対して端部ＢをＸ軸正方向に変位させるような力Ｆｘが加わっている状態を示している。この状態で、端部Ａ側は、位置Ａ１〜Ａ４と外周面１２ｂとの離間距離は互いに等しく、Ｘ軸用端部ＡセンサSx(A12)，Sx(A34)の出力がほぼ標準値になっているとする。これに対して、端部Ｂ側は、位置Ｂ１，Ｂ２と外周面１２ｂとの離間距離が長いので、Ｘ軸用端部ＢセンサSz(B12)の出力が標準値よりも低下し、位置Ｂ３，Ｂ４と外周面１２ｂとの離間距離が短いので、Ｘ軸用端部ＢセンサSz(B34)の出力が標準値よりも上昇する。
【００７９】
したがって、Ｘ軸正方向の力Ｆｘは、式（１３）で求めることができる。
ΔSx12＝Sx(B12)−Sx(A12)
ΔSx34＝Sx(B34)−Sx(A34)
Fx＝kh・(ΔSx34−ΔSx12)              （１３）
式（１３）の中のSx(A12)，Sx(A34)，Sx(B12)，Sx(B34)は、各センサの出力を表しており、ｋｈは、比例定数（ｋｈ＞０）である。例えば、Ｘ軸負方向の力Ｆｘが加わった時は、Ｆｘ＜０となる。また、力Ｆｘと同時にモーメントＭｚや後述する力Ｆｙが加わっていたとしても、それらの成分は式（１３）によって相殺されるので、Ｆｘの算出には影響しない。
【００８０】
図１８（ａ）、（ｂ）は、長尺変形体１２を端部Ｂ側から見て、端部Ａの楕円形断面の長軸がＸ軸と重なった瞬間に、端部Ａに対して端部ＢをＹ軸正方向に変位させるような力Ｆｙが加わっている状態を示している。この状態で、端部Ａ側は、位置Ａ１〜Ａ４と外周面１２ｂとの離間距離は互いに等しく、端部ＡセンサS(A1)〜S(A4)の出力がほぼ標準値になっているとする。これに対して、端部Ｂ側は、位置Ｂ１，Ｂ４と外周面１２ｂとの離間距離が短いので、Ｙ軸用端部ＢセンサSy(B14)の出力が標準値よりも上昇し、位置Ｂ２，Ｂ３と外周面１２ｂとの離間距離が長いので、Ｙ軸用端部ＢセンサSy(B23)の出力が標準値よりも低下する。
【００８１】
したがって、Ｙ軸正方向の力Ｆｙは、式（１４）で求めることができる。
ΔSy14＝Sy(B14)−Sy(A14)
ΔSy23＝Sy(B23)−Sy(A23)
Fy＝kh・(ΔSy14−ΔSy23)              （１４）
式（１４）の中のSy(A14)，Sy(A23)，Sy(B14)，Sy(B23)は、各センサの出力を表しており、ｋｈは、比例定数（ｋｈ＞０）である。例えば、Ｙ軸負方向の力Ｆｙが加わった時は、Ｆｙ＜０となる。また、力Ｆｙと同時にモーメントＭｚや力Ｆｘが加わっていたとしても、それらの成分は式（１４）によって相殺されるので、Ｆｙの算出には影響しない。
【００８２】
式（１２）〜（１４）は、図１６〜図１８に示す特定の瞬間だけでなく、長尺変形体１２がＺ軸周りに回転しているすべての瞬間において成立する。したがって、長尺変形体１２が連続回転している状態でモーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙを容易に求めることができる。
【００８３】
以上説明したように、第六の実施形態の力覚センサ装置２４は、中心軸周りに回転する楕円形断面の長尺変形体１２を検出対象物とし、２４個の電極で構成した静電容量型の非接触センサにより、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙを容易かつ高精度に検出することができる。なお、図１５に示す力覚センサ装置２４の構成は、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙを検出するために必要な最低数のセンサを設けたものであり、モーメントＭｚと力Ｆｘ，Ｆｙの検出精度をさらに向上させるため、他の位置にセンサを追加してもよい。
【００８４】
なお、本発明の力覚センサ装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、各センサの特性について、「離間距離が短くなると出力が上昇し、離間距離が長くなると出力が低下する。」と説明したが、「離間距離が短くなると出力が低下し、離間距離が長くなると出力が上昇する。」という逆特性のセンサを使用してもよく、上記の式の中のプラスとマイナスを反対にすることによって、同様の検出を行うことができる。また、上記実施形態で定義したＺ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、正方向と負方向を逆に定義してもよく、同様の検出を行うことができる。
【００８５】
検出対象物である長尺変形体は、計測中に断面が楕円形状になる構造体であれば好ましいが、厳密に楕円でなくてもよく計測可能な真円以外の断面形状ででもよく、非計測時の断面形状は問わない。また、静電容量型の非接触センサを使用した力覚センサ装置(力覚センサ装置２０，２２，２４)において、長尺変形体の外周面が導電性を有していることが条件になる場合、長尺変形体は、金属等の導電材料で形成されたものでもよいし、非導電性の本体の外周面に導電層が形成されたものでもよい。
【００８６】
その他、上記の力覚センサ装置１０(1)において、端部ＡセンサS(A1)を２セット、端部Ｂセンサ(B1)を２セット設けてもよい。対応するセンサ同士の出力の差が基準値を超えると異常と判断する構成にすることによって、装置の故障やその他の異常発生時の診断を迅速且つ容易に行うことができる。その他の実施形態においても同様である。
【符号の説明】
【００８７】
１０（１０(1)〜１０(16)），１６（１６(1)〜１６(4)），１８，２０（２０(1)〜２０(4)），２２（２２(1)〜２２(4)），２４  力覚センサ装置
１２  楕円形断面を有した長尺変形体
１２ａ  中心軸
１２ｂ  外周面
１４  基板
Ａ  長尺変形体の一方の端部
Ｂ  長尺変形体の他方の端部
Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４  位置
Dx(A1)〜Dx(A4)  Ｘ軸用端部Ａ電極
Dx(B1)〜Dx(B4)  Ｘ軸用端部Ｂ電極
Dy(A1)〜Dy(A4)  Ｙ軸用端部Ａ電極
Dx(B1)〜Dx(B4)  Ｙ軸用端部Ｂ電極
Dz(A1)〜Dz(A4)  Ｚ軸用端部Ａ電極
Dz(B1)〜Dz(B4)  Ｚ軸用端部Ｂ電極
Sx(A12)，Sx(A34)  Ｘ軸用端部Ａセンサ
Sx(B12)，Sx(B34)  Ｘ軸用端部Ｂセンサ
Sy(A14)，Sy(A23)  Ｙ軸用端部Ａセンサ
Sy(B14)，Sy(B23)  Ｙ軸用端部Ｂセンサ
Sz(A13)，Sy(A24)  Ｚ軸用端部Ａセンサ
Sz(B13)，Sy(B24)  Ｚ軸用端部Ｂセンサ
S(A1)〜S(A4)  端部Ａセンサ
S(B1)〜S(B4)  端部Ｂセンサ
Ｆｘ  Ｘ軸方向の力
Ｆｙ  Ｙ軸方向の力
Ｍｚ  Ｚ軸周りのモーメント
【図１】
2019138650.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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