(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面に平行な配置平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる複数ｍ本（ｍ≧２）の検出リングと、
前記検出リングの下方に配置された支持体と、
前記検出リングの上方に配置された受力体と、
前記検出リングを所定の固定点の位置において前記支持体に固定する支持接続部材と、
前記検出リングを所定の作用点の位置において前記受力体に接続する受力接続部材と、
前記検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記支持体を固定した状態において、前記受力体に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記固定点のＸＹ平面への投影像と前記作用点のＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成されており、
前記複数ｍ本の検出リングは、互いに所定間隔をおいてＺ軸方向に隣接して配置され、個々の検出リングは、いずれもＺ軸が中心軸となるようにＸＹ平面に平行な個々の配置平面上に配置されており、
前記支持体は最も下方に位置する検出リングの更に下方に配置され、前記受力体は最も上方に位置する検出リングの更に上方に配置され、
個々の検出リングの固定点は前記支持接続部材によって前記支持体に固定されており、個々の検出リングの作用点は前記受力接続部材によって前記受力体に固定されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の力覚センサにおいて、
個々の検出リングの固定点および作用点のＸＹ平面への投影像は互いに重なり合い、
支持接続部材は、ＸＹ平面上の同一位置に投影像を形成する、異なる検出リングの各固定点の近傍を、相互に接続するとともに支持体に固定し、
受力接続部材は、ＸＹ平面上の同一位置に投影像を形成する、異なる検出リングの各作用点の近傍を、相互に接続するとともに受力体に固定することを特徴とする力覚センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個（ｎ≧２）の固定点と複数ｎ個の作用点とが交互に配置されており、
検出素子が、隣接配置された固定点と作用点との間の位置に定義された測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、第１の固定点、第１の作用点、第２の固定点、第２の作用点の順に、２個の固定点および２個の作用点が配置されており、
前記環状路における前記第１の固定点と前記第１の作用点との間の位置に配置された第１の測定点、前記環状路における前記第１の作用点と前記第２の固定点との間の位置に配置された第２の測定点、前記環状路における前記第２の固定点と前記第２の作用点との間の位置に配置された第３の測定点、前記環状路における前記第２の作用点と前記第１の固定点との間の位置に配置された第４の測定点をそれぞれ定義したときに、検出素子が、前記第１〜第４の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の力覚センサにおいて、
第１の固定点のＸＹ平面への投影像がＸ軸正領域上に、第１の作用点のＸＹ平面への投影像がＹ軸正領域上に、第２の固定点のＸＹ平面への投影像がＸ軸負領域上に、第２の作用点のＸＹ平面への投影像がＹ軸負領域上に、それぞれ位置し、
ＸＹ平面への投影像がＸ軸正領域上に位置するように配置された第１の支持接続部材により、検出リングの第１の固定点近傍が支持体に接続され、
ＸＹ平面への投影像がＸ軸負領域上に位置するように配置された第２の支持接続部材により、検出リングの第２の固定点近傍が支持体に接続され、
ＸＹ平面への投影像がＹ軸正領域上に位置するように配置された第１の受力接続部材により、検出リングの第１の作用点近傍が受力体に接続され、
ＸＹ平面への投影像がＹ軸負領域上に位置するように配置された第２の受力接続部材により、検出リングの第２の作用点近傍が受力体に接続され、
検出素子が、ＸＹ平面への投影像がＸＹ座標系の第１象限、第２象限、第３象限、第４象限にそれぞれ位置する第１の測定点、第２の測定点、第３の測定点、第４の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の力覚センサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の測定点のＸＹ平面への投影像がＶ軸正領域に、第２の測定点のＸＹ平面への投影像がＷ軸正領域に、第３の測定点のＸＹ平面への投影像がＶ軸負領域に、第４の測定点のＸＹ平面への投影像がＷ軸負領域に、それぞれ位置することを特徴とする力覚センサ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
支持接続部材および受力接続部材が、検出リングの外周面から更に外側に突出する部材によって構成されており、
前記支持接続部材の下面は、最も下方に位置する検出リングの下面よりも下方に位置し、支持体の上面に接続され、最も下方に位置する検出リングの下面と支持体の上面との間には所定の空隙が形成され、
前記受力接続部材の上面は、最も上方に位置する検出リングの上面よりも上方に位置し、受力体の下面に接続され、最も上方に位置する検出リングの上面と受力体の下面との間には所定の空隙が形成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項８】
請求項７に記載の力覚センサにおいて、
支持接続部材および受力接続部材のＸＹ平面への投影像が、支持体のＸＹ平面への投影像の内部に包含され、かつ、受力体のＸＹ平面への投影像の内部に包含されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
支持接続部材が、最も下方に位置する検出リングの下面と支持体とを接続する部材と、上下に隣接する個々の検出リング対について上方検出リングの下面と下方検出リングの上面とを接続する部材と、によって構成されており、
受力接続部材が、最も上方に位置する検出リングの上面と受力体とを接続する部材と、上下に隣接する個々の検出リング対について上方検出リングの下面と下方検出リングの上面とを接続する部材と、によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出リングが、Ｚ軸が中心軸となるように配置平面上に配置された円形のリングであることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
支持体が、検出リングの下方に配置され、ＸＹ平面に平行な板面を有する盤状部材であり、
受力体が、検出リングの上方に配置され、ＸＹ平面に平行な板面を有する盤状部材であることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の力覚センサにおいて、
支持体および受力体の一方もしくは双方が、中心部に開口部を有する盤状部材であることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
支持体および受力体が、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの所定の測定点の変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの測定点近傍の測定対象面と、支持体もしくは受力体に固定され前記測定対象面に対向する対向基準面と、の距離を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの内周面の測定点近傍に内側測定対象面を定義し、
この内側測定対象面に対向する内側対向基準面を有し、支持体の上面もしくは受力体の下面に固定された固定構造体を更に設け、
検出素子が、前記内側測定対象面と前記内側対向基準面との距離を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１７】
請求項１５に記載の力覚センサにおいて、
検出リングの下面の測定点近傍に下側測定対象面を定義し、
検出素子が、前記下側測定対象面と支持体の上面との距離を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
【請求項１８】
請求項１５〜１７のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、測定対象面に設けられた変位電極と、対向基準面に設けられた固定電極と、を有する容量素子によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として容量素子を構成したことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２０】
請求項６に記載の力覚センサにおいて、
検出リングが、Ｚ軸が中心軸となるように、支持体上方の配置平面上に配置された円形のリングであり、
検出素子が、
前記検出リングの内周面の第１の測定点近傍位置に配置された第１の変位電極と、前記検出リングの内側の前記第１の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第１の固定電極と、によって構成される第１の容量素子と、
前記検出リングの内周面の第２の測定点近傍位置に配置された第２の変位電極と、前記検出リングの内側の前記第２の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第２の固定電極と、によって構成される第２の容量素子と、
前記検出リングの内周面の第３の測定点近傍位置に配置された第３の変位電極と、前記検出リングの内側の前記第３の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第３の固定電極と、によって構成される第３の容量素子と、
前記検出リングの内周面の第４の測定点近傍位置に配置された第４の変位電極と、前記検出リングの内側の前記第４の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第４の固定電極と、によって構成される第４の容量素子と、
前記検出リングの下面の第１の測定点近傍位置に配置された第５の変位電極と、前記支持体の上面の前記第５の変位電極に対向する位置に配置された第５の固定電極とによって構成される第５の容量素子と、
前記検出リングの下面の第２の測定点近傍位置に配置された第６の変位電極と、前記支持体の上面の前記第６の変位電極に対向する位置に配置された第６の固定電極とによって構成される第６の容量素子と、
前記検出リングの下面の第３の測定点近傍位置に配置された第７の変位電極と、前記支持体の上面の前記第７の変位電極に対向する位置に配置された第７の固定電極とによって構成される第７の容量素子と、
前記検出リングの下面の第４の測定点近傍位置に配置された第８の変位電極と、前記支持体の上面の前記第８の変位電極に対向する位置に配置された第８の固定電極とによって構成される第８の容量素子と、
を有することを特徴とする力覚センサ。
【請求項２１】
請求項２０に記載の力覚センサにおいて、
互いに所定間隔をおいてＺ軸方向に隣接して配置された上方検出リングと下方検出リングとを備え、この２本の検出リングは、いずれもＺ軸が中心軸となるようにＸＹ平面に平行な個々の配置平面上に配置され、
上方検出リングの第１の固定点のＸＹ平面への投影像と、下方検出リングの第１の固定点のＸＹ平面への投影像と、は互いに重なり合い、
上方検出リングの第２の固定点のＸＹ平面への投影像と、下方検出リングの第２の固定点のＸＹ平面への投影像と、は互いに重なり合い、
上方検出リングの第１の作用点のＸＹ平面への投影像と、下方検出リングの第１の作用点のＸＹ平面への投影像と、は互いに重なり合い、
上方検出リングの第２の作用点のＸＹ平面への投影像と、下方検出リングの第２の作用点のＸＹ平面への投影像と、は互いに重なり合い、
第１の支持接続部材により、上方検出リングの第１の固定点近傍と下方検出リングの第１の固定点近傍とが相互に接続されるとともに、支持体にも接続され、
第２の支持接続部材により、上方検出リングの第２の固定点近傍と下方検出リングの第２の固定点近傍とが相互に接続されるとともに、支持体にも接続され、
第１の受力接続部材により、上方検出リングの第１の作用点近傍と下方検出リングの第１の作用点近傍とが相互に接続されるとともに、受力体にも接続され、
第２の受力接続部材により、上方検出リングの第２の作用点近傍と下方検出リングの第２の作用点近傍とが相互に接続されるとともに、受力体にも接続され、
第１の変位電極は、上方検出リングの内周面の第１の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第１の測定点近傍位置と、の２箇所に分散して配置され、第１の固定電極は、この２箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第２の変位電極は、上方検出リングの内周面の第２の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第２の測定点近傍位置と、の２箇所に分散して配置され、第２の固定電極は、この２箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第３の変位電極は、上方検出リングの内周面の第３の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第３の測定点近傍位置と、の２箇所に分散して配置され、第３の固定電極は、この２箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第４の変位電極は、上方検出リングの内周面の第４の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第４の測定点近傍位置と、の２箇所に分散して配置され、第４の固定電極は、この２箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第５の変位電極は、下方検出リングの下面の第１の測定点近傍位置に配置され、第６の変位電極は、下方検出リングの下面の第２の測定点近傍位置に配置され、第７の変位電極は、下方検出リングの下面の第３の測定点近傍位置に配置され、第８の変位電極は、下方検出リングの下面の第４の測定点近傍位置に配置されていることを特徴とする力覚センサ。
【請求項２２】
請求項２０または２１に記載の力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として各容量素子を構成したことを特徴とする力覚センサ。
【請求項２３】
請求項２０〜２２のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値をＣ１、第２の容量素子の静電容量値をＣ２、第３の容量素子の静電容量値をＣ３、第４の容量素子の静電容量値をＣ４、第５の容量素子の静電容量値をＣ５、第６の容量素子の静電容量値をＣ６、第７の容量素子の静電容量値をＣ７、第８の容量素子の静電容量値をＣ８としたときに、
Ｆｘ＝−Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４
Ｆｙ＝＋Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４
Ｆｚ＝−Ｃ５−Ｃ６−Ｃ７−Ｃ８
Ｍｘ＝−Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８
Ｍｙ＝＋Ｃ５−Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
Ｍｚ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力覚センサに関し、特に、三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを検出するのに適したセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットや産業機械の動作制御を行うために、種々のタイプの力覚センサが利用されている。また、電子機器の入力装置のマン・マシンインターフェイスとしても、小型の力覚センサが組み込まれている。このような用途に用いる力覚センサには、小型化およびコストダウンを図るために、できるだけ構造を単純にするとともに、三次元空間内での各座標軸に関する力をそれぞれ独立して検出できるようにすることが要求される。
【０００３】
現在、一般に利用されている多軸力覚センサは、機械的構造部に作用した力の特定の方向成分を、特定の部分に生じた変位として検出するタイプのものと、特定の部分に生じた機械的な歪みとして検出するタイプのものに分類される。前者の変位検出タイプの代表格は、静電容量素子式の力覚センサであり、一対の電極により容量素子を構成しておき、作用した力によって一方の電極に生じた変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出するものである。たとえば、下記の特許文献１（対応米国公報が特許文献２）や特許文献３（対応米国公報が特許文献４）には、この静電容量式の多軸力覚センサが開示されている。
【０００４】
一方、後者の機械的な歪み検出タイプの代表格は、歪みゲージ式の力覚センサであり、作用した力によって生じた機械的な歪みを、ストレインゲージなどの電気抵抗の変化として検出するものである。たとえば、下記の特許文献５（対応米国公報が特許文献６）には、この歪みゲージ式の多軸力覚センサが開示されている。
【０００５】
また、機械的構造部の形態についても、小型化や薄型化を図るために様々な提案がなされている。たとえば、特許文献７には、円柱状の剛体部の外側に可撓性をもったリング状の荷重検出部を配置して両者間を連結し、モーメントの作用により生じるリング状の荷重検出部のひづみを検出するセンサが開示されている。また、特許文献８には、内側リングと外側リングという２組のリングを同心円状に配置して両者間を連結し、一方のリングに作用した力を他方のリングに伝達して変形させ、この変形態様を検出するセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２５３６７号公報
【特許文献２】米国特許第７２１９５６１号公報
【特許文献３】特開２００４−３５４０４９号公報
【特許文献４】米国特許第６９１５７０９号公報
【特許文献５】特開平８−１２２１７８号公報
【特許文献６】米国特許第５４９０４２７号公報
【特許文献７】特開平６−０９４５４８号公報
【特許文献８】特許第４９６３１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
作用した力やモーメントを電気的に検出するためには、電気信号を取り出す配線や信号処理回路が必要になるが、小型化が要求される力覚センサにおいて、配線や回路を組み込むスペースは限られている。たとえば、前掲の特許文献７，８に開示されている力覚センサでは、機械的構造部として、内側部材と外側部材とを同心円状に配置した構造を採用しているため、全体的に薄型を図ることが可能になる。
【０００８】
しかしながら、内側部材と外側部材という入れ子式の構造を採るため、配線や回路を組み込むための内部スペースは限られ、装置外部に設けられたコネクターから信号を取り出す形態を採用せざるを得ない場合が多い。このような力覚センサをロボットアームに取り付ける場合、配線をロボットアームの外側に実装してロボットの制御装置本体まで接続する必要があるため、ロボートアームの駆動時に、配線が外部の物体と接触して断線するような事故が生じやすい。
【０００９】
また、力とモーメントとの双方を検出する機能をもった力覚センサの場合、実用上、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスがとれていた方が好ましいが、これまで提案されている機械的構造部をもったセンサでは、両者のバランスを調整した設計を行うことが困難である。
【００１０】
そこで本発明は、内部空間を確保しつつ、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整した設計を行いやすい小型の力覚センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
(1)   本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサにおいて、
Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面に平行な配置平面上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる複数ｍ本（ｍ≧２）の検出リングと、
検出リングの下方に配置された支持体と、
検出リングの上方に配置された受力体と、
検出リングを所定の固定点の位置において支持体に固定する支持接続部材と、
検出リングを所定の作用点の位置において受力体に接続する受力接続部材と、
検出リングの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
検出素子の検出結果に基づいて、支持体を固定した状態において、受力体に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を設け、
固定点のＸＹ平面への投影像と作用点のＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成され、
複数ｍ本の検出リングは、互いに所定間隔をおいてＺ軸方向に隣接して配置され、個々の検出リングは、いずれもＺ軸が中心軸となるようにＸＹ平面に平行な個々の配置平面上に配置されており、
支持体は最も下方に位置する検出リングの更に下方に配置され、受力体は最も上方に位置する検出リングの更に上方に配置され、
個々の検出リングの固定点は支持接続部材によって支持体に固定されており、個々の検出リングの作用点は受力接続部材によって受力体に固定されているようにしたものである。
【００１３】
(2)   本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
個々の検出リングの固定点および作用点のＸＹ平面への投影像は互いに重なり合い、
支持接続部材は、ＸＹ平面上の同一位置に投影像を形成する、異なる検出リングの各固定点の近傍を、相互に接続するとともに支持体に固定し、
受力接続部材は、ＸＹ平面上の同一位置に投影像を形成する、異なる検出リングの各作用点の近傍を、相互に接続するとともに受力体に固定するようにしたものである。
【００１４】
(3)   本発明の第３の態様は、上述した第１または第２の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個（ｎ≧２）の固定点と複数ｎ個の作用点とが交互に配置されており、
検出素子が、隣接配置された固定点と作用点との間の位置に定義された測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
【００１５】
(4)   本発明の第４の態様は、上述した第３の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの輪郭に沿った環状路に、第１の固定点、第１の作用点、第２の固定点、第２の作用点の順に、２個の固定点および２個の作用点が配置されており、
当該環状路における第１の固定点と第１の作用点との間の位置に配置された第１の測定点、当該環状路における第１の作用点と第２の固定点との間の位置に配置された第２の測定点、当該環状路における第２の固定点と第２の作用点との間の位置に配置された第３の測定点、当該環状路における第２の作用点と第１の固定点との間の位置に配置された第４の測定点をそれぞれ定義したときに、検出素子が、第１〜第４の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
【００１６】
(5)   本発明の第５の態様は、上述した第４の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の固定点のＸＹ平面への投影像がＸ軸正領域上に、第１の作用点のＸＹ平面への投影像がＹ軸正領域上に、第２の固定点のＸＹ平面への投影像がＸ軸負領域上に、第２の作用点のＸＹ平面への投影像がＹ軸負領域上に、それぞれ位置し、
ＸＹ平面への投影像がＸ軸正領域上に位置するように配置された第１の支持接続部材により、検出リングの第１の固定点近傍が支持体に接続され、
ＸＹ平面への投影像がＸ軸負領域上に位置するように配置された第２の支持接続部材により、検出リングの第２の固定点近傍が支持体に接続され、
ＸＹ平面への投影像がＹ軸正領域上に位置するように配置された第１の受力接続部材により、検出リングの第１の作用点近傍が受力体に接続され、
ＸＹ平面への投影像がＹ軸負領域上に位置するように配置された第２の受力接続部材により、検出リングの第２の作用点近傍が受力体に接続され、
検出素子が、ＸＹ平面への投影像がＸＹ座標系の第１象限、第２象限、第３象限、第４象限にそれぞれ位置する第１の測定点、第２の測定点、第３の測定点、第４の測定点の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出するようにしたものである。
【００１７】
(6)   本発明の第６の態様は、上述した第５の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義したときに、第１の測定点のＸＹ平面への投影像がＶ軸正領域に、第２の測定点のＸＹ平面への投影像がＷ軸正領域に、第３の測定点のＸＹ平面への投影像がＶ軸負領域に、第４の測定点のＸＹ平面への投影像がＷ軸負領域に、それぞれ位置するようにしたものである。
【００１８】
(7)   本発明の第７の態様は、上述した第１〜第６の態様に係る力覚センサにおいて、
支持接続部材および受力接続部材が、検出リングの外周面から更に外側に突出する部材によって構成されており、
支持接続部材の下面は、最も下方に位置する検出リングの下面よりも下方に位置し、支持体の上面に接続され、最も下方に位置する検出リングの下面と支持体の上面との間には所定の空隙が形成され、
受力接続部材の上面は、最も上方に位置する検出リングの上面よりも上方に位置し、受力体の下面に接続され、最も上方に位置する検出リングの上面と受力体の下面との間には所定の空隙が形成されているようにしたものである。
【００１９】
(8)   本発明の第８の態様は、上述した第７の態様に係る力覚センサにおいて、
支持接続部材および受力接続部材のＸＹ平面への投影像が、支持体のＸＹ平面への投影像の内部に包含され、かつ、受力体のＸＹ平面への投影像の内部に包含されているようにしたものである。
【００２０】
(9)   本発明の第９の態様は、上述した第１〜第６の態様に係る力覚センサにおいて、
支持接続部材が、最も下方に位置する検出リングの下面と支持体とを接続する部材と、上下に隣接する個々の検出リング対について上方検出リングの下面と下方検出リングの上面とを接続する部材と、によって構成されており、
受力接続部材が、最も上方に位置する検出リングの上面と受力体とを接続する部材と、上下に隣接する個々の検出リング対について上方検出リングの下面と下方検出リングの上面とを接続する部材と、によって構成されているようにしたものである。
【００２１】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述した第１〜第９の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングを、Ｚ軸が中心軸となるように配置平面上に配置された円形のリングによって構成したものである。
【００２２】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述した第１〜第１０の態様に係る力覚センサにおいて、
支持体を、検出リングの下方に配置され、ＸＹ平面に平行な板面を有する盤状部材によって構成し、
受力体を、検出リングの上方に配置され、ＸＹ平面に平行な板面を有する盤状部材によって構成したものである。
【００２３】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述した第１１の態様に係る力覚センサにおいて、
支持体および受力体の一方もしくは双方を、中心部に開口部を有する盤状部材によって構成したものである。
【００２４】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述した第１〜第１２の態様に係る力覚センサにおいて、
支持体および受力体を、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成したものである。
【００２５】
(14)  本発明の第１４の態様は、上述した第１〜第１３の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの所定の測定点の変位を電気的に検出するようにしたものである。
【００２６】
(15)  本発明の第１５の態様は、上述した第１４の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出リングの測定点近傍の測定対象面と、支持体もしくは受力体に固定され測定対象面に対向する対向基準面と、の距離を電気的に検出するようにしたものである。
【００２７】
(16)  本発明の第１６の態様は、上述した第１５の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの内周面の測定点近傍に内側測定対象面を定義し、
この内側測定対象面に対向する内側対向基準面を有し、支持体の上面もしくは受力体の下面に固定された固定構造体を更に設け、
検出素子が、内側測定対象面と内側対向基準面との距離を電気的に検出するようにしたものである。
【００２８】
(17)  本発明の第１７の態様は、上述した第１５の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングの下面の測定点近傍に下側測定対象面を定義し、
検出素子が、下側測定対象面と支持体の上面との距離を電気的に検出するようにしたものである。
【００２９】
(18)  本発明の第１８の態様は、上述した第１５〜第１７の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子を、測定対象面に設けられた変位電極と、対向基準面に設けられた固定電極と、を有する容量素子によって構成したものである。
【００３０】
(19)  本発明の第１９の態様は、上述した第１８の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として容量素子を構成したものである。
【００３１】
(20)  本発明の第２０の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、Ｚ軸が中心軸となるように、支持体上方の配置平面上に配置された円形のリングであり、
検出素子が、
検出リングの内周面の第１の測定点近傍位置に配置された第１の変位電極と、検出リングの内側の第１の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第１の固定電極と、によって構成される第１の容量素子と、
検出リングの内周面の第２の測定点近傍位置に配置された第２の変位電極と、検出リングの内側の第２の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第２の固定電極と、によって構成される第２の容量素子と、
検出リングの内周面の第３の測定点近傍位置に配置された第３の変位電極と、検出リングの内側の第３の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第３の固定電極と、によって構成される第３の容量素子と、
検出リングの内周面の第４の測定点近傍位置に配置された第４の変位電極と、検出リングの内側の第４の変位電極に対向する位置に配置され、支持体の上面に固定された第４の固定電極と、によって構成される第４の容量素子と、
検出リングの下面の第１の測定点近傍位置に配置された第５の変位電極と、支持体の上面の第５の変位電極に対向する位置に配置された第５の固定電極とによって構成される第５の容量素子と、
検出リングの下面の第２の測定点近傍位置に配置された第６の変位電極と、支持体の上面の第６の変位電極に対向する位置に配置された第６の固定電極とによって構成される第６の容量素子と、
検出リングの下面の第３の測定点近傍位置に配置された第７の変位電極と、支持体の上面の第７の変位電極に対向する位置に配置された第７の固定電極とによって構成される第７の容量素子と、
検出リングの下面の第４の測定点近傍位置に配置された第８の変位電極と、支持体の上面の第８の変位電極に対向する位置に配置された第８の固定電極とによって構成される第８の容量素子と、
を有するようにしたものである。
【００３２】
(21)  本発明の第２１の態様は、上述した第２０の態様に係る力覚センサにおいて、
互いに所定間隔をおいてＺ軸方向に隣接して配置された上方検出リングと下方検出リングとを備え、この２本の検出リングは、いずれもＺ軸が中心軸となるようにＸＹ平面に平行な個々の配置平面上に配置され、
上方検出リングの第１の固定点のＸＹ平面への投影像と、下方検出リングの第１の固定点のＸＹ平面への投影像と、は互いに重なり合い、
上方検出リングの第２の固定点のＸＹ平面への投影像と、下方検出リングの第２の固定点のＸＹ平面への投影像と、は互いに重なり合い、
上方検出リングの第１の作用点のＸＹ平面への投影像と、下方検出リングの第１の作用点のＸＹ平面への投影像と、は互いに重なり合い、
上方検出リングの第２の作用点のＸＹ平面への投影像と、下方検出リングの第２の作用点のＸＹ平面への投影像と、は互いに重なり合い、
第１の支持接続部材により、上方検出リングの第１の固定点近傍と下方検出リングの第１の固定点近傍とが相互に接続されるとともに、支持体にも接続され、
第２の支持接続部材により、上方検出リングの第２の固定点近傍と下方検出リングの第２の固定点近傍とが相互に接続されるとともに、支持体にも接続され、
第１の受力接続部材により、上方検出リングの第１の作用点近傍と下方検出リングの第１の作用点近傍とが相互に接続されるとともに、受力体にも接続され、
第２の受力接続部材により、上方検出リングの第２の作用点近傍と下方検出リングの第２の作用点近傍とが相互に接続されるとともに、受力体にも接続され、
第１の変位電極は、上方検出リングの内周面の第１の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第１の測定点近傍位置と、の２箇所に分散して配置され、第１の固定電極は、この２箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第２の変位電極は、上方検出リングの内周面の第２の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第２の測定点近傍位置と、の２箇所に分散して配置され、第２の固定電極は、この２箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第３の変位電極は、上方検出リングの内周面の第３の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第３の測定点近傍位置と、の２箇所に分散して配置され、第３の固定電極は、この２箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第４の変位電極は、上方検出リングの内周面の第４の測定点近傍位置と、下方検出リングの内周面の第４の測定点近傍位置と、の２箇所に分散して配置され、第４の固定電極は、この２箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向し、
第５の変位電極は、下方検出リングの下面の第１の測定点近傍位置に配置され、第６の変位電極は、下方検出リングの下面の第２の測定点近傍位置に配置され、第７の変位電極は、下方検出リングの下面の第３の測定点近傍位置に配置され、第８の変位電極は、下方検出リングの下面の第４の測定点近傍位置に配置されているようにしたものである。
【００３３】
(22)  本発明の第２２の態様は、上述した第２０または第２１の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングを可撓性をもった導電性材料によって構成し、検出リングの表面を共通変位電極として各容量素子を構成したものである。
【００３４】
(23)  本発明の第２３の態様は、上述した第２０〜第２２の態様に係る力覚センサにおいて、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値をＣ１、第２の容量素子の静電容量値をＣ２、第３の容量素子の静電容量値をＣ３、第４の容量素子の静電容量値をＣ４、第５の容量素子の静電容量値をＣ５、第６の容量素子の静電容量値をＣ６、第７の容量素子の静電容量値をＣ７、第８の容量素子の静電容量値をＣ８としたときに、
Ｆｘ＝−Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４
Ｆｙ＝＋Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４
Ｆｚ＝−Ｃ５−Ｃ６−Ｃ７−Ｃ８
Ｍｘ＝−Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８
Ｍｙ＝＋Ｃ５−Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
Ｍｚ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係る力覚センサでは、弾性変形を生じる検出リングの固定点を下方の支持体に接続し、作用点を上方の受力体に接続し、３つの構成要素を上下に積層配置する構造を採用したため、検出リングの内部に十分なスペースを確保することができる。また、そのような積層構造を採用すれば、複数の検出リングを上下に積層することもできるため、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを、用いる検出リングの個数によって容易に調整することが可能になる。
【００３６】
このように、本発明によれば、内部空間を確保しつつ、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整した設計を行いやすい小型の力覚センサを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造部の分解斜視図である。
【図２】図１に示す基本構造部を組み立てて、ロボットアームの関節部分に利用する状態を示す斜視図である。
【図３】図１に示す基本構造部の上面図（図(a) ）および側面図（図(b) ）である。
【図４】図３に示す基本構造部をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図（図(a) ）およびＹＺ平面で切断した状態を示す断面図（図(b) ）である。
【図５】図１に示す中間体２００の上面図（図(a) ）および検出リング２１０の部分のみを抜き出した上面図（図(b) ）である。
【図６】図１に示す基本構造部において、支持部１００を固定した状態において受力部３００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが加わったときの検出リング２１０の変形態様を示す平面図である（破線は変形前の状態を示す）。
【図７】図１に示す基本構造部において、支持部１００を固定した状態において受力部３００にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが加わったときの検出リング２１０の変形態様を示す平面図である（破線は変形前の状態を示す）。
【図８】図１に示す基本構造部において、支持部１００を固定した状態において受力部３００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが加わったときの検出リング２１０の変形態様を示す側面図である。
【図９】図１に示す基本構造部において、支持部１００を固定した状態において受力部３００にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが加わったときの検出リング２１０の変形態様を示す側面図である。
【図１０】図１に示す基本構造部において、支持部１００を固定した状態において受力部３００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが加わったときの検出リング２１０の変形態様を示す側面図である。
【図１１】図１に示す基本構造部において、支持部１００を固定した状態において受力部３００にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが加わったときの検出リング２１０の変形態様を示す平面図である（破線は変形前の状態を示す）。
【図１２】本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造部に固定電極を付加した状態の分解斜視図である。
【図１３】図１２に示す支持体１００の上面図である（参考のため、検出リング２００の位置を破線で示す）。
【図１４】図１２に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに検出素子として用いられる８組の容量素子を示す平面図である。
【図１５】図１２に示す基本的な実施形態に係る力覚センサで用いられる各容量素子の対向電極のサイズの関係を示す斜視図である。
【図１６】図１２に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変化を示すテーブルである。
【図１７】図１２に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図１８】図１２に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに用いる検出回路を示す回路図である。
【図１９】図１に示す基本的な実施形態に利用されている中間体２００の変形例２００Ａを示す斜視図である。
【図２０】図１に示す基本的な実施形態における中間体２００の代わりに、図１９に示す変形例に係る中間体２００Ａを用いて構成した基本構造部の側面図である。
【図２１】図２０に示す基本構造部をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図である。
【図２２】図１に示す基本的な実施形態に利用されている中間体２００の別な変形例２００Ｂを示す斜視図である。
【図２３】図１に示す基本的な実施形態における中間体２００の代わりに、図２２に示す変形例に係る中間体２００Ｂを用いて構成した基本構造部の側面図である。
【図２４】図２３に示す基本構造部をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図である。
【図２５】本発明に係る力覚センサに用いる中間体の種々のサンプルについて、検出リングの数や各部の寸法を示す表である。
【図２６】図２５に示す８種類のサンプルを用いた力覚センサにおける力とモーメントの検出感度のバランスを示す表である。
【図２７】図２１に示す基本構造部における支持体１００の代わりに、支持体１００Ｃを用いた変形例をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図である。
【図２８】図２４に示すダブルリング式基本構造部における受力体３００の代わりに、受力体３００Ｄを用いた変形例をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図である。
【図２９】本発明における支持接続部材および受力接続部材の構造バリエーションを示す平面図である。
【図３０】シングルリング式基本構造部について、図２９(b) に示す変形例を適用した例をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図である。
【図３１】ダブルリング式基本構造部について、図２９(b) に示す変形例を適用した例をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
＜＜＜  §１．  基本的実施形態に係る力覚センサの基本構造  ＞＞＞
はじめに、本発明の基本的実施形態に係る力覚センサの基本構造を説明する。本発明に係る力覚センサは、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する機能を有している。そこで、以下、この力覚センサの基本構造部の構成を、ＸＹＺ三次元直交座標系に配置された状態について説明する。
【００３９】
図１は、本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造部の分解斜視図である。後述するように、本発明に係る力覚センサは、この基本構造部に、更に、検出素子と検出回路を付加することにより構成される。図示のとおり、この基本構造部は、支持体１００、中間体２００、受力体３００を上下方向に並べて配置し、相互に接合したものである。
【００４０】
ここでは説明の便宜上、図に一点鎖線の矢印で示すようにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸をとって、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。支持体１００、中間体２００、受力体３００は、いずれもＺ軸が中心軸となるように配置されている。
【００４１】
中間体２００は、力やモーメントを検出する際に最も重要な役割を果たす構成要素であり、検出リング２１０、支持接続部材２２１，２２２、受力接続部材２３１，２３２を有している。ここに示す例の場合、中間体２００は、一体成形体として構成されており、検出リング２１０、支持接続部材２２１，２２２、受力接続部材２３１，２３２は、この一体成形体の個々の部分により構成されることになる。もちろん、中間体２００は、必ずしも一体成形体として構成する必要はなく、個々の部分を接合して得られる構造体にしてもかまわない。
【００４２】
検出リング２１０は、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円筒状（ワッシャ状）の環状構造体であり外周面も内周面も円柱面を構成する。また、この検出リング２１０は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる材料から構成されている。支持接続部材２２１，２２２は、この検出リング２１０とＸ軸との交点位置を下方の支持体１００に固定するための部材であり、その下面は支持体１００の上面に接合される。一方、受力接続部材２３１，２３２は、この検出リング２１０とＹ軸との交点位置を上方の受力体３００に固定するための部材であり、その上面は受力体３００の下面に接合される。
【００４３】
支持体１００は、検出リング２１０の下方に配置され、支持接続部材２２１，２２２を介して検出リング２１０を支持固定する役割を果たす。一方、受力体３００は、検出リング２１０の上方に配置され、作用した力やモーメント（検出対象）を受力接続部材２３１，２３２を介して検出リング２１０に伝達する役割を果たす。図示の例の場合、支持体１００は上下両面がＸＹ平面に平行な板面を有する円盤状部材であり、Ｚ軸が中心軸となるように配置されている。また、受力体３００も上下両面がＸＹ平面に平行な板面を有する円盤状部材であり、Ｚ軸が中心軸となるように配置されている。なお、受力体３００には、中心に円形の開口部Ｈが設けられているが、これは後述するように、内部に配線を施すための便宜である。
【００４４】
このような基本構造部を用いれば、支持体１００を固定した状態において、受力体３００に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントを検出することができる。図２は、図１に示す基本構造部を組み立てて、ロボットアームの関節部分に利用する状態を示す斜視図である。図の下方には、ロボットの第１アーム部４００が配置され、図の上方には、ロボットの第２アーム部５００が配置されている。
【００４５】
基本構造部の支持体１００の下面を第１アーム部４００に接続し、受力体３００の上面を第２アーム部５００に接続すれば、当該基本構造部をロボットアームの関節として利用することができ、かつ、第１アーム部４００を固定した状態において、第２アーム部５００に作用した力やモーメントを検出する力覚センサとしての機能を果たすことができる。実際には、盤状の支持体１００および盤状の受力体３００には、ボルトを挿通するための孔部を形成しておき、この孔部を利用して、それぞれ第１アーム部４００への固定や第２アーム部５００への固定を行うことができるようにしておくのが好ましい。
【００４６】
もっとも、作用反作用の法則により、第１アーム部４００を固定した状態において、第２アーム部５００に作用した力やモーメントは、第２アーム部５００を固定した状態において、第１アーム部４００に作用した力やモーメントと、方向は逆転するものの等価である。
【００４７】
したがって、本発明に係る力覚センサは、支持体１００を固定した状態において、受力体３００に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントを検出するセンサと言うこともできるが、逆に、受力体３００を固定した状態において（この場合、部材３００は支持体と呼ぶべきものになる）、支持体１００に作用した（この場合、部材１００は受力体と呼ぶべきものになる）所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントを検出するセンサと言うこともできる。
【００４８】
このように、図示の基本構造部において、部材１００を固定した状態において部材３００に作用した力やモーメントを検出することと、部材３００を固定した状態において部材１００に作用した力やモーメントを検出することとは、物理的には等価である。ただ、本願明細書では、説明の便宜上、部材１００を支持体１００と呼び、部材３００を受力体３００と呼び、前者を固定した状態において、後者に作用した力やモーメントを検出する例について、以下の説明を行うことにする。
【００４９】
また、本願明細書では、説明の便宜上、検出リング２００の下方に支持体１００を配置し、検出リング２００の上方に受力体３００を配置した例を説明するが、もちろん、ここで言う「上方／下方」とは、図を参照しながら説明を行う上での便宜上の位置を示すものである。したがって、本発明に係る力覚センサの実装時には、天地を逆にして、検出リング２００の上方に支持体１００が配置され、検出リング２００の下方に受力体３００が配置されるような向きで利用しても何ら支障はない。
【００５０】
続いて、この基本構造部の構造について、より詳細な説明を行う。図３(a) は、図１に示す基本構造部の上面図である。ここでは、便宜上、中間体２００の位置を破線で示す。受力体３００は、中央に円形の開口部Ｈを有するワッシャ状の部材であり、ここに示す実施例の場合、開口部Ｈの径は、検出リング２００の内径と一致している。したがって、この図３(a) の上面図では、この開口部Ｈの奥に、円盤状の支持体１００の上面が覗いている。
【００５１】
また、ここに示す実施例の場合、支持体１００の外径と受力体３００の外径とが等しいため、上面図では、両者の外側輪郭線は重なっている。一方、検出リング２１０の外径は、支持体１００や受力体３００の外径よりも小さく設定されており、後述するように、検出リング２１０が変形を生じても、支持体１００および受力体３００の外側輪郭線より外側に食み出すことはない。
【００５２】
図１に示すように、支持接続部材２２１，２２２および受力接続部材２３１，２３２は、検出リング２１０の外周面から更に外側に突出する部材によって構成されている。しかも、支持接続部材２２１，２２２の上面は検出リング２１０の上面に揃っているが、下面は検出リング２１０の下面よりも所定寸法ｄ１だけ下方に突き出している。このため、支持接続部材２２１，２２２の下面を支持体１００の上面に接合したとき、検出リング２１０と支持体１００との間に寸法ｄ１の空隙が確保されることになる。一方、受力接続部材２３１，２３２の下面は検出リング２１０の下面に揃っているが、上面は検出リング２１０の上面よりも所定寸法ｄ２だけ上方に突き出している。このため、受力接続部材２３１，２３２の上面を受力体３００の下面に接合したとき、検出リング２１０と受力体３００との間に寸法ｄ２の空隙が確保されることになる。ここに示す実施例の場合、ｄ１＝ｄ２に設定している。
【００５３】
図３(b) は、図１に示す基本構造部の側面図である。ここでは図示のとおり、原点Ｏを円形の検出リング２１０の中心点（支持体１００の上面と受力体３００の下面との中間位置）に定義し、図の右方向をＸ軸正方向、図の上方向をＺ軸正方向、図の紙面垂直奥方向をＹ軸正方向にとってＸＹＺ三次元座標系を定義している。図示のとおり、検出リング２１０のＸ軸に沿った方向の両端（図の左右両端）は、支持接続部材２２１，２２２によって支持体１００の上面に接合されており、検出リング２１０のＹ軸に沿った方向の両端は、受力接続部材２３１，２３２（部材２３１は奥に位置するため、図３(b) には現れていない）によって受力体３００の下面に接合されている。
【００５４】
その結果、検出リング２１０と下方の支持体１００との間には空隙寸法ｄ１が確保され、検出リング２１０と上方の受力体３００との間には空隙寸法ｄ２が確保され、検出リング２１０の各部は、これら空隙寸法ｄ１，ｄ２の範囲内において、上下に変形することが可能である。
【００５５】
図４(a) は、図３に示す基本構造部をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図、図４(b) は、これをＹＺ平面で切断した状態を示す断面図である。図４(a) の断面図には、検出リング２１０が、Ｘ軸に沿った方向の両端部において、支持接続部材２２１，２２２を介して支持体１００の上面に接合され、Ｙ軸に沿った奥端部において、受力接続部材２３１を介して受力体３００の下面に接合された状態が示されている。同様に、図４(b) の断面図には、検出リング２１０が、Ｙ軸に沿った方向の両端部において、受力接続部材２３１，２３２を介して受力体３００の下面に接合され、Ｘ軸に沿った奥端部において、受力接続部材２２２を介して支持体１００の上面に接合された状態が示されている。
【００５６】
図１および図２の斜視図、図３(a) の上面図、図３(b) の側面図、図４(a) ，(b) の側断面図を参照すれば、支持体１００，中間体２００，受力体３００からなる基本構造部の具体的な構造が容易に理解できよう。
【００５７】
なお、検出リング２１０は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により、少なくともその一部に弾性変形を生じる必要がある。これは、本発明に係る力覚センサが、検出リング２１０に生じた弾性変形に基づいて、作用した力もしくはモーメントの検出を行うためである。そのため、検出リング２１０の少なくとも一部は、可撓性を有する材料によって構成する必要がある。
【００５８】
これに対して、支持体１００は検出リング２１０を支持固定する役割を果たす構成要素であり、受力体３００は検出リング２１０に力やモーメントを作用させる役割を果たす構成要素であるため、原理的には、弾性変形を生じる弾性体で構成してもよいし、弾性変形を生じない剛体で構成してもよい。ただ、実用上、支持体１００および受力体３００は、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成するのが好ましい。これは、作用する力もしくはモーメントを、できるだけ効率的に検出リング２１０に伝達するためである。同様の理由により、支持接続部材２２１，２２２や受力接続部材２３１，２３２も、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成するのが好ましい。
【００５９】
基本構造部の各部は、原理的には任意の材料によって構成することができるが、商業的な利用を考慮すると、金属（たとえば、アルミニウム合金、鉄系金属）やプラスチックなどの一般的な工業材料を用いて構成するのが好ましい。このような一般的な工業材料からなる部材は、通常、その形態によって弾性体になったり剛体になったりする。たとえば、金属の場合、ブロック状の金属塊であれば剛体として振る舞うが、薄い板状にすれば弾性体として振る舞うことになろう。したがって、支持体１００、中間体２００、受力体３００は、同一の材料で構成したとしても、その形態を変えることにより、それぞれに与えられた役割を果たすことができる。
【００６０】
たとえば、支持体１００、中間体２００、受力体３００をすべて同一のアルミニウム合金で構成したとしても、図１の斜視図に示すように、検出リング２１０は、その径方向の幅やＺ軸方向の厚みをある程度小さくとることにより、実質的に全体が弾性変形を生じる弾性体として機能させることができる。これに対して、受力体３００は、その径方向の幅をある程度大きくとることにより、実質的に弾性変形を生じない剛体として機能させることができる。
【００６１】
もちろん、受力体３００に力やモーメントが加わると、厳密に言えば、受力体３００自身にも若干の弾性変形が生じることになるが、検出リング２１０に生じる弾性変形に比べてわずかな弾性変形であれば無視することができ、実質的に剛体と考えて支障はない。そこで、ここに示す実施例では、支持体１００および受力体３００が剛体であり、力やモーメントによる弾性変形は、専ら検出リング２１０において生じるものとして説明を行うことにする。
【００６２】
＜＜＜  §２．  基本的実施形態に係る力覚センサの検出原理  ＞＞＞
本発明に係る力覚センサは、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する機能を有している。そこで、以下、§１で述べた基本構造部を有する力覚センサによる力およびモーメントの検出原理を説明する。
【００６３】
まず、図５を参照しながら、支持体１００および受力体３００に対する検出リング２１０の固有の接続位置を説明する。図５(a) は、図１に示す中間体２００の上面図である。参考のため、支持体１００の位置（受力体３００の位置も同様）が破線で示されている。前述したとおり、Ｘ軸上に配置された支持接続部材２２１，２２２は、検出リング２１０を下方の支持体１００に接続する役割を果たし、Ｙ軸上に配置された受力接続部材２３１，２３２は、検出リング２１０を上方の受力体３００に接続する役割を果たす。
【００６４】
そこで、ここでは説明の便宜上、図５(a) に二点鎖線で示す環状路Ｓ（検出リング２１０の環状中心線）とＸ軸との交点Ｐ１，Ｐ２を固定点と呼び、Ｙ軸との交点Ｑ１，Ｑ２を作用点と呼ぶことにする。第１の固定点Ｐ１はＸ軸正領域上の点、第２の固定点Ｐ２はＸ軸負領域上の点、第１の作用点Ｑ１はＹ軸正領域上の点、第２の作用点Ｑ２はＹ軸負領域上の点ということになる。
【００６５】
前述したように、支持体１００を固定した状態において、受力体３００に加えられた力もしくはモーメントを検出する動作を考える場合、検出リング２１０における固定点Ｐ１，Ｐ２は、支持体１００上に固定された文字通り「固定点」として機能し、検出リング２１０における作用点Ｑ１，Ｑ２は、受力体３００に加えられた外力が作用する文字通り「作用点」として機能することになる。したがって、支持接続部材２２１，２２２は、検出リング２１０を固定点Ｐ１，Ｐ２の位置において支持体１００に固定する機能を果たし、受力接続部材２３１，２３２は、検出リング２１０を作用点Ｑ１，Ｑ２の位置において受力体３００に接続する機能を果たすことになる。
【００６６】
図５(b) は、図５(a) に示す中間体２００から、検出リング２１０の部分のみを抜き出して示す上面図である。上述したとおり、固定点Ｐ１，Ｐ２はＸ軸上の点であり、作用点Ｑ１，Ｑ２はＹ軸上の点である。ここでは、更に、図示のようなＶ軸およびＷ軸を定義し、これら各軸Ｖ，Ｗと二点鎖線で示す環状路Ｓ（検出リング２１０の環状中心線）との交点Ｒ１〜Ｒ４を測定点と呼ぶことにする。
【００６７】
ここで、Ｖ軸は、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなす軸であり、Ｗ軸は、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交する軸である。したがって、第１の測定点Ｒ１はＶ軸正領域に位置する点であり、第２の測定点Ｒ２はＷ軸正領域に位置する点であり、第３の測定点Ｒ３はＶ軸負領域に位置する点であり、第４の測定点Ｒ４はＷ軸負領域に位置する点ということになる。
【００６８】
続いて、§１で述べた基本構造部の支持体１００を固定した状態において、受力体３００に各座標軸方向に関する力およびモーメントが加えられた場合に、検出リング２１０にどのような外力が加わり、どのような弾性変形が生じるかを考えてみよう。図５(b) に示す検出リング２１０において、固定点Ｐ１，Ｐ２は支持体１００上に固定されており、受力体３００に加えられた力やモーメントは、作用点Ｑ１，Ｑ２に外力として作用するので、検出リング２１０は、作用点Ｑ１，Ｑ２に作用する外力の向きに応じた弾性変形を生じることになる。
【００６９】
図６は、支持体１００を固定した状態において受力体３００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが加わったときの検出リング２１０の変形態様を示す平面図である。ここで、破線は変形前の状態（図５(b) の状態）を示し、実線が変形後の状態を示している。固定点Ｐ１，Ｐ２は固定されているため定位置を保つが、作用点Ｑ１，Ｑ２は、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘの作用を受けて図の右方向に移動する。その結果、検出リング２１０の２点Ｐ１，Ｑ１間の部分および２点Ｐ１，Ｑ２間の部分は、原点Ｏから遠ざかる方向に弾性変形を生じ、２点Ｐ２，Ｑ１間の部分および２点Ｐ２，Ｑ２間の部分は、原点Ｏに近づく方向に弾性変形を生じる。各測定点Ｒ１〜Ｒ４の位置に着目すれば、測定点Ｒ１，Ｒ４は外側に変位し、測定点Ｒ２，Ｒ３は内側に変位することになる。このとき、Ｚ軸方向に関する変位は生じない。
【００７０】
図７は、支持体１００を固定した状態において受力体３００にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが加わったときの検出リング２１０の変形態様を示す平面図である。ここでも、破線は変形前の状態（図５(b) の状態）を示し、実線が変形後の状態を示している。固定点Ｐ１，Ｐ２は固定されているため定位置を保つが、作用点Ｑ１，Ｑ２は、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙの作用を受けて図の上方向に移動する。その結果、検出リング２１０の２点Ｐ１，Ｑ１間の部分および２点Ｐ２，Ｑ１間の部分は、原点Ｏに近づく方向に弾性変形を生じ、２点Ｐ１，Ｑ２間の部分および２点Ｐ２，Ｑ２間の部分は、原点Ｏから遠ざかる方向に弾性変形を生じる。各測定点Ｒ１〜Ｒ４の位置に着目すれば、測定点Ｒ１，Ｒ２は内側に変位し、測定点Ｒ３，Ｒ４は外側に変位することになる。このとき、Ｚ軸方向に関する変位は生じない。
【００７１】
図８は、支持体１００を固定した状態において受力体３００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが加わったときの検出リング２１０の変形態様を示す側面図である（右がＸ軸正方向）。固定点Ｐ１，Ｐ２は固定されているため定位置を保つが、作用点Ｑ１，Ｑ２は、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚの作用を受けて図の上方向に移動する。その結果、検出リング２１０の２点Ｐ１，Ｑ１間の部分、２点Ｐ２，Ｑ１間の部分、２点Ｐ１，Ｑ２間の部分、２点Ｐ２，Ｑ２間の部分は、図の上方に引き上げられるように弾性変形を生じる。各測定点Ｒ１〜Ｒ４の位置に着目すれば、測定点Ｒ１〜Ｒ４はいずれもＺ軸正方向（図の上方）に変位する。このとき、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に関する変位は生じない。
【００７２】
図９は、支持体１００を固定した状態において受力体３００にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが加わったときの検出リング２１０の変形態様を示す側面図である（右がＹ軸正方向）。なお、本願では、所定の座標軸まわりに作用するモーメントの符号を、当該座標軸の正方向に右ネジを進めるための当該右ネジの回転方向を正にとることにする。したがって、図９に示すモーメント＋Ｍｘの回転方向は、右ネジをＸ軸正方向（図の手前方向）に進めるための回転方向になる。
【００７３】
この場合も、固定点Ｐ１，Ｐ２は固定されているため定位置を保つが、モーメント＋Ｍｘの作用により、作用点Ｑ１は図の上方向に移動し、作用点Ｑ２は図の下方向に移動する。その結果、検出リング２１０の２点Ｐ１，Ｑ１間の部分および２点Ｐ２，Ｑ１間の部分は、図の上方に引き上げられるように弾性変形を生じ、２点Ｐ１，Ｑ２間の部分、２点Ｐ２，Ｑ２間の部分は、図の下方に引き下げられるように弾性変形を生じる。各測定点Ｒ１〜Ｒ４の位置に着目すれば、測定点Ｒ１，Ｒ２はＺ軸正方向（図の上方）に変位し、測定点Ｒ３，Ｒ４はＺ軸負方向（図の下方）に変位する。このとき、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に関する変位は生じない。
【００７４】
図１０は、支持体１００を固定した状態において受力体３００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが加わったときの検出リング２１０の変形態様を示す側面図である（右がＸ軸正方向）。この場合も、固定点Ｐ１，Ｐ２は固定されているため定位置を保つが、モーメント＋Ｍｙの作用により、作用点Ｑ１，Ｑ２には、図において時計まわりの方向に回転させる外力が作用する。その結果、検出リング２１０の２点Ｐ１，Ｑ１間の部分および２点Ｐ１，Ｑ２間の部分は、図の下方に引き下げられるように弾性変形を生じ、２点Ｐ２，Ｑ１間の部分、２点Ｐ２，Ｑ２間の部分は、図の上方に引き上げられるように弾性変形を生じる。各測定点Ｒ１〜Ｒ４の位置に着目すれば、測定点Ｒ１，Ｒ４はＺ軸負方向（図の下方）に変位し、測定点Ｒ２，Ｒ３はＺ軸正方向（図の上方）に変位する。このとき、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に関する変位は生じない。
【００７５】
図１１は、支持体１００を固定した状態において受力体３００にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが加わったときの検出リング２１０の変形態様を示す平面図である。ここでも、破線は変形前の状態（図５(b) の状態）を示し、実線が変形後の状態を示している。固定点Ｐ１，Ｐ２は固定されているため定位置を保つが、作用点Ｑ１，Ｑ２は、Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚの作用を受け、図において反時計まわりの方向に移動する。その結果、検出リング２１０の２点Ｐ１，Ｑ１間の部分および２点Ｐ２，Ｑ２間の部分は、原点Ｏに近づく方向に弾性変形を生じ、２点Ｐ１，Ｑ２間の部分および２点Ｐ２，Ｑ１間の部分は、原点Ｏから遠ざかる方向に弾性変形を生じる。各測定点Ｒ１〜Ｒ４の位置に着目すれば、測定点Ｒ１，Ｒ３は内側に変位し、測定点Ｒ２，Ｒ４は外側に変位することになる。このとき、Ｚ軸方向に関する変位は生じない。
【００７６】
以上、図６〜図１１を参照しながら、支持体１００を固定した状態において受力体３００に、力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚ，モーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚの６軸成分が加わったときの検出リング２１０の弾性変形の態様を説明した。これらの説明から、６軸成分が作用したときに、検出リング２１０にはそれぞれ固有の弾性変形が生じることがわかる。本発明に係る力覚センサは、この検出リング２１０に生じる固有の弾性変形を電気的に検出することにより、上記６軸成分を別個独立して検出するものである。その具体的な手法については、次の§３で詳述する。
【００７７】
＜＜＜  §３． 基本的実施形態に係る力覚センサの検出素子および検出回路  ＞＞＞
本発明に係る力覚センサは、§１で述べた基本構造部に、検出素子および検出回路を付加することにより構成される。検出素子は、検出リング２１０の弾性変形を電気的に検出する役割を果たし、検出回路は、検出素子の検出結果に基づいて、支持体１００を固定した状態において、受力体３００に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する役割を果たす。ここでは、この検出素子と検出回路の具体的な実施例を説明する。
【００７８】
検出素子は、図６〜図１１に示すような検出リング２１０の弾性変形を電気的に検出することができる素子であれば、どのような素子であってもかまわない。ただ、実用上は、検出リングの測定点Ｒ１〜Ｒ４の変位を電気的に検出することができる検出素子を用いるのが好ましい。より具体的には、検出リング２１０の測定点Ｒ１〜Ｒ４近傍の測定対象面と、これら測定対象面に対向し、支持体１００もしくは受力体３００に固定された対向基準面と、の距離を電気的に検出する素子を用いるのが好ましい。ここでは、そのような検出素子として、容量素子を用いた実施例を述べる。
【００７９】
図１２は、図１に示す基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造部に、容量素子を構成するための固定電極を付加した状態の分解斜視図である。具体的には、この実施例の場合、円盤状の支持体１００の上面に、８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８が付加されている。ここでは、図示のとおり、ＸＹ平面上に定義されたＸ軸，Ｙ軸，Ｖ軸，Ｗ軸（図５(b) 参照）を支持体１００の上面に正射影投影して得られる投影軸として、それぞれＸ′軸，Ｙ′軸，Ｖ′軸，Ｗ′軸を定義することにする。図１２では、支持体１００の上面に定義されたこれらの投影軸が一点鎖線で示されている。また、８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８の位置を明確にするため、支持体１００の上面には、検出リング２１０の正射影投影像が破線で示されている。
【００８０】
図示のとおり、第１の固定電極Ｅ１はＶ′軸正領域に配置され、第２の固定電極Ｅ２はＷ′軸正領域に配置され、第３の固定電極Ｅ３はＶ′軸負領域に配置され、第４の固定電極Ｅ４はＷ′軸負領域に配置されている。ここで、外径が検出リング２１０の内径よりも若干小さい円筒を、その中心軸がＺ軸に一致するように支持体１００の上面に配置したとすると、４枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、いずれも、当該円筒の一部をなす湾曲した導電性部材によって構成されている。したがって、中間体２００を支持体１００の上面に接合した場合、４枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、いずれも、検出リング２１０の内周面に対向した状態になる。
【００８１】
一方、図示のとおり、第５の固定電極Ｅ５はＶ′軸正領域における第１の固定電極Ｅ１の外側に配置され、第６の固定電極Ｅ６はＷ′軸正領域における第２の固定電極Ｅ２の外側に配置され、第７の固定電極Ｅ７はＶ′軸負領域における第３の固定電極Ｅ３の外側に配置され、第８の固定電極Ｅ８はＷ′軸負領域における第４の固定電極Ｅ４の外側に配置されている。ここで、外径が検出リング２１０の外径よりも若干小さく、内径が検出リング２１０の内径よりも若干大きいワッシャ状構造体を、その中心軸がＺ軸に一致するように支持体１００の上面に配置したとすると、４枚の固定電極Ｅ５〜Ｅ８は、いずれも、当該ワッシャ状構造体の一部をなす円弧状の導電性部材によって構成されている。したがって、中間体２００を支持体１００の上面に接合した場合、４枚の固定電極Ｅ５〜Ｅ８は、いずれも、検出リング２１０の下面に対向した状態になる。
【００８２】
図１３は、図１２に示す支持体１００の上面図である。参考のため、検出リング２１０の位置（検出リング２１０の支持体１００の上面への正射影投影像）を破線で示してある。この図１３の上面図では、８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８は、いずれも原点Ｏの投影点Ｏ′を中心として配置された円弧状の電極として描かれているが、固定電極Ｅ１〜Ｅ４と、固定電極Ｅ５〜Ｅ８とは、互いに異なる形態をもった電極である。
【００８３】
すなわち、固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、上述したとおり、検出リング２１０の内径よりも若干小さい外径をもった円筒の一部分（投影軸Ｖ′およびＷ′と当該円筒との交点の近傍部分）によって構成されており、支持体１００の上面からＺ軸に沿った方向に立ち上がる壁のような構造体である。一方、固定電極Ｅ５〜Ｅ８は、支持体１００の上面に形成された円弧状の薄い層である。
【００８４】
このように、固定電極Ｅ１〜Ｅ４と固定電極Ｅ５〜Ｅ８の形態は大きく異なるが、これら８枚の固定電極は、いずれも支持体１００の上面に固定されており、検出リング２１０の表面の一部分と対向する位置に配置される、という共通の特徴を有している。そして、各固定電極Ｅ１〜Ｅ８と検出リング２１０の表面の対向部分とによって、それぞれ容量素子が構成されることになる。なお、支持体１００として樹脂などの絶縁材料を用いる場合は、支持体１００の上面に固定電極Ｅ１〜Ｅ８を直接形成することができるが、支持体１００として金属などの導電性材料を用いる場合には、各固定電極Ｅ１〜Ｅ８が相互に短絡しないように、支持体１００の上面と各固定電極Ｅ１〜Ｅ８との間に絶縁層を形成する必要がある。
【００８５】
図１４は、図１２に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに検出素子として用いられる８組の容量素子Ｃ１〜Ｃ８を示す平面図である。この図１４は、当該力覚センサから、検出リング２１０と８組の固定電極Ｅ１〜Ｅ８のみを抽出して示した平面図である。ここに示す実施例の場合、検出リング２１０は金属などの導電性材料によって構成されており、その表面は、共通の電極Ｅ０として機能する。８組の固定電極Ｅ１〜Ｅ８が支持体１００上に固定されている電極であるのに対して、検出リング２１０は、力やモーメントの作用によって弾性変形を生じるため、その表面からなる電極Ｅ０は変位することになる。そこで、ここでは、検出リング２１０の表面からなる電極を変位電極Ｅ０と呼ぶことにする。
【００８６】
検出リング２１０全体を金属などの導電性材料で構成した場合、全体が１つの電極として機能することになるが、ここでは、容量素子としての機能を考えるため、８組の固定電極Ｅ１〜Ｅ８に対向する個々の部分を、それぞれ別個の変位電極として把握し、合計８組の変位電極が存在するものとする。結局、８組の固定電極Ｅ１〜Ｅ８と、これらに対向する８組の変位電極Ｅ０とによって、８組の容量素子Ｃ１〜Ｃ８が形成されることになる。
【００８７】
具体的には、固定電極Ｅ１〜Ｅ４については、図に太線で示すように、検出リング２１０の内周面の一部分が対向する変位電極となり、両者により、容量素子Ｃ１〜Ｃ４が形成される。一方、固定電極Ｅ５〜Ｅ８（検出リング２１０の下方に位置するため、図１４では破線で示されている）については、検出リング２１０の下面の対向領域（図１４の平面図では、固定電極Ｅ５〜Ｅ８と同一位置にある同一形状の領域）が対向する変位電極となり、両者により、容量素子Ｃ５〜Ｃ８が形成される。
【００８８】
一般に、一対の電極からなる容量素子は、当該電極間の距離を電気的に検出する検出素子として機能する。これは、容量素子の静電容量値が電極間距離に反比例する性質を有しているためである。したがって、８組の容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値を測定すれば、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の電極間距離を求めることができる。ここで、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の一方の電極は、変位を生じない固定電極Ｅ１〜Ｅ８であるため、８組の容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変動は、各固定電極Ｅ１〜Ｅ８に対向している変位電極、すなわち、検出リング２１０の特定箇所の変位を示すことになる。
【００８９】
図１４に示されているとおり、容量素子Ｃ１，Ｃ５は第１の測定点Ｒ１の近傍位置に配置された検出素子であり、第１の測定点Ｒ１の変位を検出する役割を果たす。より具体的には、第１の容量素子Ｃ１は、第１の測定点Ｒ１のＶ軸方向の変位検出を行い、第５の容量素子Ｃ５は、第１の測定点Ｒ１のＺ軸方向の変位検出を行うことになる。同様に、容量素子Ｃ２，Ｃ６は第２の測定点Ｒ２の近傍位置に配置された検出素子であり、第２の測定点Ｒ２の変位を検出する役割を果たす。より具体的には、第２の容量素子Ｃ２は、第２の測定点Ｒ２のＷ軸方向の変位検出を行い、第６の容量素子Ｃ６は、第２の測定点Ｒ２のＺ軸方向の変位検出を行うことになる。
【００９０】
また、容量素子Ｃ３，Ｃ７は第３の測定点Ｒ３の近傍位置に配置された検出素子であり、第３の測定点Ｒ３の変位を検出する役割を果たす。より具体的には、第３の容量素子Ｃ３は、第３の測定点Ｒ３のＶ軸方向の変位検出を行い、第７の容量素子Ｃ７は、第３の測定点Ｒ３のＺ軸方向の変位検出を行うことになる。同様に、容量素子Ｃ４，Ｃ８は第４の測定点Ｒ４の近傍位置に配置された検出素子であり、第４の測定点Ｒ４の変位を検出する役割を果たす。より具体的には、第４の容量素子Ｃ４は、第４の測定点Ｒ４のＷ軸方向の変位検出を行い、第８の容量素子Ｃ８は、第４の測定点Ｒ４のＺ軸方向の変位検出を行うことになる。
【００９１】
このように、容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、検出リング２１０内の測定点Ｒ１〜Ｒ４の径方向の変位検出を行う機能を有しているが、当該検出結果は、測定点Ｒ１〜Ｒ４の上下方向（Ｚ軸方向）の変位の影響を受けることはない。同様に、容量素子Ｃ５〜Ｃ８は、検出リング２１０内の測定点Ｒ５〜Ｒ８の上下方向（Ｚ軸方向）の変位検出を行う機能を有しているが、当該検出結果は、測定点Ｒ５〜Ｒ８の径方向の変位の影響を受けることはない。その理由は、次のとおりである。
【００９２】
いま、図１５に示すような一対の対向電極Ｅａ，Ｅｂから構成される容量素子の静電容量値を考えてみよう。この例の場合、両電極Ｅａ，Ｅｂは、いずれも矩形の板状電極であるが、電極Ｅａの縦および横のサイズは、電極Ｅｂの縦および横のサイズよりも大きくなっている。しかも、両電極Ｅａ，Ｅｂは、それぞれの中心点が向かい合う位置に配置されているので、電極Ｅｂを電極Ｅａの形成面に投影した投影像Ａ（正射影投影像）は、電極Ｅａの内部に包含されている。要するに、電極Ｅａは、電極Ｅｂよりも、ひとまわり大きなサイズになっている。
【００９３】
この図１５に示す例の場合、破線で示す投影像Ａの内部の面積が、この容量素子の有効対向面積ということになるが、両電極Ｅａ，Ｅｂが電極面に平行な方向に変位しても、投影像Ａが電極Ｅａ内に包含されている限り、有効対向面積は一定であるので、静電容量値に変化は生じない。したがって、たとえば、電極Ｅｂが電極面に垂直な方向に変位した場合、電極間距離に変化が生じて静電容量値が変化することになるが、電極Ｅｂが電極面に平行な方向に変位した場合、電極間距離は変化せず、また、投影像Ａが電極Ｅａ内に包含されている限り、有効対向面積も変化しないので、静電容量値に変化は生じない。
【００９４】
したがって、図１５に示す容量素子は、両電極Ｅａ，Ｅｂの、電極面に垂直な方向に関する変位検出を行う機能を有しているが、当該検出結果は、両電極Ｅａ，Ｅｂの、電極面に平行な方向に関する変位の影響を受けることはない。
【００９５】
図１４に示す力覚センサにおける容量素子Ｃ５〜Ｃ８も同様の特徴を有している。すなわち、固定電極Ｅ５〜Ｅ８のサイズに比べて、変位電極Ｅ０（検出リング２１０の下面）のサイズの方が大きいため、測定点Ｒ１〜Ｒ４が径方向（ＸＹ平面に平行な方向）に変位を生じたとしても、当該変位が所定の許容範囲（有効対向面積が一定に維持される範囲）である限り、静電容量値に変化は生じない。
【００９６】
このように、容量素子Ｃ５〜Ｃ８を構成する固定電極Ｅ５〜Ｅ８を、対向する変位電極Ｅ０（検出リング２１０の下面）の形成面に投影した投影像は、当該変位電極Ｅ０の内部に包含される関係になっている。このため、容量素子Ｃ５〜Ｃ８は、測定点Ｒ１〜Ｒ４の上下方向（Ｚ軸方向）の変位検出を行う機能を有しているが、測定点Ｒ１〜Ｒ４が径方向に変位を生じたとしても、当該変位が所定の許容範囲内である限り、容量素子Ｃ５〜Ｃ８によって径方向の変位が検出されることはない。別言すれば、容量素子Ｃ５〜Ｃ８の静電容量値の変化は、専ら、測定点Ｒ１〜Ｒ４の上下方向（Ｚ軸方向）の変位を示す情報として取り扱うことが可能になる。
【００９７】
続いて、容量素子Ｃ１〜Ｃ４について考えてみる。図１４の平面図に示されているように、容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、固定電極Ｅ１〜Ｅ４と、検出リング２１０の内周面の対向部分（図では太線で示す）からなる変位電極Ｅ０と、によって構成される素子である。ここで、固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、図１２の斜視図に示されているように、支持体１００の上面から上方へと伸びる電極である。実際には、この固定電極Ｅ１〜Ｅ４の高さは、その上端が検出リング２１０の上面よりも更に上に突き出るように設定されている。したがって、中間体２００を支持体１００の上面に接合すると、検出リング２１０の上面より更に上方に、固定電極Ｅ１〜Ｅ４の上端が所定量δだけ食み出した状態になる。
【００９８】
このような構成を採れば、検出リング２１０の測定点Ｒ１〜Ｒ４が上下方向（Ｚ軸方向）に変位したとしても、当該変位量が上記所定量δの範囲内である限り、固定電極Ｅ１〜Ｅ４と対向電極Ｅ０（検出リング２１０の内周部分の対向面）との有効対向面積に変化は生じない。
【００９９】
結局、図１４に太線で示した４箇所の部分（検出リング２１０の内周面の一部分）を、それぞれ固定電極Ｅ１〜Ｅ４に対向する変位電極として把握すれば、これら変位電極を、対向する固定電極Ｅ１〜Ｅ４に投影した投影像は、それぞれ当該固定電極Ｅ１〜Ｅ４の内部に包含される関係になっている（固定電極Ｅ１〜Ｅ４の方が上下に広がっている）。このため、容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、測定点Ｒ１〜Ｒ４の径方向の変位検出を行う機能を有しているが、測定点Ｒ１〜Ｒ４が上下方向（Ｚ軸方向）に変位を生じたとしても、当該変位が所定の許容範囲内である限り、容量素子Ｃ１〜Ｃ４によって上下方向の変位が検出されることはない。別言すれば、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化は、専ら、測定点Ｒ１〜Ｒ４の径方向の変位を示す情報として取り扱うことが可能になる。
【０１００】
図１６は、このような前提において、図１２に示す力覚センサの支持体１００を固定した状態で受力体３００に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変化を示すテーブルである。このテーブルで「＋」は静電容量値が増加すること（両電極間距離が狭くなること）を示し、「−」は静電容量値が減少すること（両電極間距離が広くなること）を示し、「０」は静電容量値が変動しないことを示している。
【０１０１】
なお、テーブルの「Ｃ１〜Ｃ８」欄に付記された括弧書きは、各容量素子を構成する一対の対向電極を示している。たとえば、Ｃ１欄の（Ｅ１＆Ｅ０）は、容量素子Ｃ１が一対の対向電極Ｅ１，Ｅ０で構成されることを示している。ここで、電極Ｅ１は固定電極、電極Ｅ０（検出リング２１０の内周面の一部の領域もしくは下面の一部の領域）は変位電極である。
【０１０２】
前述したように、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化は、専ら、測定点Ｒ１〜Ｒ４の径方向の変位を示し、容量素子Ｃ５〜Ｃ８の静電容量値の変化は、専ら、測定点Ｒ１〜Ｒ４の上下方向（Ｚ軸方向）の変位を示すことになる。そして、受力体３００に対して、力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚ，モーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚの６軸成分が加わったときの検出リング２１０の弾性変形の態様は、図６〜図１１に示したとおりである。これらの事実を踏まえれば、図１６のテーブルに示すような結果が得られることは容易に理解できよう。
【０１０３】
たとえば、力＋Ｆｘが作用した場合、検出リング２１０は図６の実線に示すような弾性変形を生じることになり、測定点Ｒ１，Ｒ４は径方向に沿って原点Ｏから遠ざかり、測定点Ｒ２，Ｒ３は径方向に沿って原点Ｏに近づく。このため、容量素子Ｃ１，Ｃ４の静電容量値は減少し、容量素子Ｃ２，Ｃ３の静電容量値は増加する。このとき、測定点Ｒ１〜Ｒ４はＺ軸方向には変位しないので、容量素子Ｃ５〜Ｃ８の静電容量値に変化は生じない。図１６のテーブルの「＋Ｆｘ」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。
【０１０４】
そして、力＋Ｆｙが作用した場合、検出リング２１０は図７の実線に示すような弾性変形を生じることになり、測定点Ｒ１，Ｒ２は径方向に沿って原点Ｏに近づき、測定点Ｒ３，Ｒ４は径方向に沿って原点Ｏから遠ざかる。このため、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容量値は減少する。このとき、測定点Ｒ１〜Ｒ４はＺ軸方向には変位しないので、容量素子Ｃ５〜Ｃ８の静電容量値に変化は生じない。図１６のテーブルの「＋Ｆｙ」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。
【０１０５】
また、力＋Ｆｚが作用した場合、検出リング２１０は図８に示すような弾性変形を生じることになり、測定点Ｒ１〜Ｒ４はいずれも上方向（Ｚ軸正方向）に変位する。このため、容量素子Ｃ５〜Ｃ８の静電容量値は減少する。このとき、測定点Ｒ１〜Ｒ４は径方向には変位しないので、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値に変化は生じない。図１６のテーブルの「＋Ｆｚ」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。
【０１０６】
一方、モーメント＋Ｍｘが作用した場合、検出リング２１０は図９に示すような弾性変形を生じることになり、測定点Ｒ１，Ｒ２は上方向（Ｚ軸正方向）に変位し、測定点Ｒ３，Ｒ４は下方向（Ｚ軸負方向）に変位する。このため、容量素子Ｃ５，Ｃ６の静電容量値は減少し、容量素子Ｃ７，Ｃ８の静電容量値は増加する。このとき、測定点Ｒ１〜Ｒ４は径方向には変位しないので、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値に変化は生じない。図１６のテーブルの「＋Ｍｘ」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。
【０１０７】
また、モーメント＋Ｍｙが作用した場合、検出リング２１０は図１０に示すような弾性変形を生じることになり、測定点Ｒ１，Ｒ４は下方向（Ｚ軸負方向）に変位し、測定点Ｒ２，Ｒ３は上方向（Ｚ軸正方向）に変位する。このため、容量素子Ｃ５，Ｃ８の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ６，Ｃ７の静電容量値は減少する。このとき、測定点Ｒ１〜Ｒ４は径方向には変位しないので、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値に変化は生じない。図１６のテーブルの「＋Ｍｙ」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。
【０１０８】
最後に、モーメント＋Ｍｚが作用した場合、検出リング２１０は図１１の実線に示すような弾性変形を生じることになり、測定点Ｒ１，Ｒ３は径方向に沿って原点Ｏに近づき、測定点Ｒ２，Ｒ４は径方向に沿って原点Ｏから遠ざかる。このため、容量素子Ｃ１，Ｃ３の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ２，Ｃ４の静電容量値は減少する。このとき、測定点Ｒ１〜Ｒ４はＺ軸方向には変位しないので、容量素子Ｃ５〜Ｃ８の静電容量値に変化は生じない。図１６のテーブルの「＋Ｍｚ」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。
【０１０９】
図１６のテーブルに示すとおり、８組の容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値（ここでは、便宜上、静電容量値も同じ符号Ｃ１〜Ｃ８で示す）の変化パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、静電容量値の変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら静電容量値Ｃ１〜Ｃ８の測定値に基づく所定の演算を施せば、６軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。
【０１１０】
図１７は、図１２に示す力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを求める具体的な演算式を示す図である。このような演算式によって、個々の検出値が得られる理由は、図１６に示すテーブルを参照すれば理解できる。たとえば、図１６のテーブルの＋Ｆｘの行を参照すれば、「＋」が記されたＣ２，Ｃ３の和と、「−」が記されたＣ１，Ｃ４の和と、の差により、＋Ｆｘの検出値が得られることがわかる。他の検出値についても同様である。
【０１１１】
また、負方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚおよび負まわりのモーメント−Ｍｘ，−Ｍｙ，−Ｍｚが作用した場合は、図１６のテーブルにおける「＋」と「−」とが逆転するので、図１７に示す演算式をそのまま利用すれば、各検出値を負の値として得ることができる。この図１７に示す６軸成分の演算式は、他軸成分の干渉を受けないので、６軸成分についての各検出値を独立して得ることができる。たとえば、＋Ｆｙが作用した場合、Ｃ１，Ｃ２は増加し、Ｃ３，Ｃ４は減少するが、ＦｘやＭｚについての演算式では、これらの増加および減少成分は互いにキャンセルされるので、ＦｘやＭｚについての検出値にＦｙの成分が含まれることはない。その他の軸成分についても、同様に、干渉が生じることはない。
【０１１２】
図１７に示すとおり、力Ｆｚ以外の演算式は、２組の容量値の和についての差分を求める形式になっている。このような差分検出は、温度環境の変化により基本構造部が膨張もしくは収縮し、対向電極間距離が変動する誤差が生じたとしても、生じた誤差を相互にキャンセルすることができるので、外乱成分を含まない正確な検出結果を得る上で好ましい。なお、Ｆｚについても差分検出を行いたい場合は、受力体３００の下面にも固定電極を追加し（たとえば、図１２において、ＸＹ平面を対称面として固定電極Ｅ５〜Ｅ８と対称となるような電極を形成すればよい）、検出リング２１０の上面の対向部分を変位電極とする容量素子を形成すればよい。当該容量素子は、測定点Ｒ１〜Ｒ４と受力体３００の下面との距離を測定する役割を果たすので、これらの容量素子の容量値と容量素子Ｃ５〜Ｃ８の容量値との間で差分をとるようにすればよい。
【０１１３】
図１８は、図１２に示す力覚センサに用いる検出回路を示す回路図である。この検出回路は、図１７に示す演算式に基づいて、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出値を電圧値として出力する回路である。まず、８組の容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値Ｃ１〜Ｃ８は、Ｃ／Ｖ変換器１１〜１８によって、それぞれ電圧値Ｖ１〜Ｖ８に変換される。続いて、加減算回路２１〜２６によって、それぞれ図１７に示す演算式に基づく加減算が行われ、演算結果がそれぞれＦｘ，Ｆｙ，Ｍｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｆｚの検出値として出力される。
【０１１４】
もちろん、この図１８に示す検出回路は一例を示すものであり、原理的に図１７の演算式に基づく検出結果が出力できれば、どのような回路を用いてもかまわない。たとえば、一対の容量素子を並列接続すれば、接続後の容量素子対の静電容量値は、個々の容量素子の静電容量値の和になるので、図１８に示す回路図において、たとえば、容量素子Ｃ２とＣ３とを並列接続すれば、接続後の容量素子対の静電容量値は「Ｃ２＋Ｃ３」になるので、加減算回路２１における「Ｖ２＋Ｖ３」の演算は省略することができる。
【０１１５】
また、図１８は、アナログ演算器を用いた検出回路を示すものであるが、図１７に示す演算は、もちろん、デジタル演算によって行うことも可能である。たとえば、Ｃ／Ｖ変換器１１〜１８の後段にＡ／Ｄ変換器を接続すれば、静電容量値Ｃ１〜Ｃ８をそれぞれデジタル値として取り込むことができるので、マイクロコンピュータなどのデジタル回路により、図１７に示す演算を行い、各検出値をデジタル値として出力することができる。
【０１１６】
最後に、図１２に示す力覚センサで利用されている検出素子および検出回路の特徴をまとめておくと、次のように言うことができる。
【０１１７】
まず、図１２に示す力覚センサにおいて、容量素子Ｃ１〜Ｃ４として実装されている検出素子は、検出リング２１０の内周面の各測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍に内側測定対象面（図１４の太線部分）を定義し、この内側測定対象面に対向する内側対向基準面を有し支持体１００の上面に固定された固定構造体を設けたときに、内側測定対象面と内側対向基準面との距離を電気的に検出する機能を果たす素子ということができる。図１２に示す例の場合、固定電極Ｅ１〜Ｅ４が固定構造体ということになり、その内側面が内側対向基準面ということになる。容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、内側測定対象面（図１４の太線部分）と内側対向基準面（固定電極Ｅ１〜Ｅ４の内側面）との距離を、静電容量値Ｃ１〜Ｃ４として検出する機能を果たす。
【０１１８】
なお、図１２に示す実施例の場合、固定構造体となる固定電極Ｅ１〜Ｅ４を支持体１００の上面に固定しているが、受力体３００の下面に固定した構造を採用してもかまわない。この場合、固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、その上端が受力体３００の下面に接合され、受力体３００の下面から下方に伸びる構造体になる。この場合、固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、支持体１００に対しては変位することになるが、検出リング２１０と受力体３００との相対的な変位を考える上では、受力体３００に固定された固定電極として機能することができ、これまで述べてきた実施例と同等の役割を果たすことができる。
【０１１９】
一方、図１２に示す力覚センサにおいて、容量素子Ｃ５〜Ｃ８として実装されている検出素子は、検出リング２１０の下面の測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍に下側測定対象面を定義したときに、当該下側測定対象面と支持体１００の上面との距離を電気的に検出する機能を果たす素子ということができる。容量素子Ｃ５〜Ｃ８は、検出リング２１０の下面の測定点Ｒ１〜Ｒ４近傍の部分領域として定義された下側測定対象面と、これに対向する支持体１００の上面の所定箇所に設けられた固定電極Ｅ５〜Ｅ８との距離を、静電容量値Ｃ５〜Ｃ８として検出する機能を果たす。
【０１２０】
もちろん、固定電極Ｅ５〜Ｅ８を支持体１００の上面に設ける代わりに、受力体３００の下面（ＸＹ平面を対称面としたときの対称位置）に設けるようにしてもかまわない。この場合、容量素子Ｃ５〜Ｃ８は、受力体３００の下面に設けられた固定電極Ｅ５〜Ｅ８と、検出リング２１０の上面の測定点Ｒ１〜Ｒ４近傍の部分領域として定義された上側測定対象面と、によって構成される容量素子ということになる。固定電極Ｅ５〜Ｅ８を受力体３００の下面に設けると、固定電極Ｅ５〜Ｅ８は支持体１００に対して変位することになるが、やはり検出リング２１０と受力体３００との相対的な変位を考える上では、受力体３００に固定された固定電極として機能することができ、これまで述べてきた実施例と同等の役割を果たすことができる。
【０１２１】
要するに、各測定点Ｒ１〜Ｒ４の変位を検出する検出素子として、容量素子を用いる場合は、検出リング２１０側の測定対象面に設けられた変位電極と、これに対向する支持体１００側もしくは受力体３００側の対向基準面に設けられた固定電極と、によって容量素子を構成すればよい。
【０１２２】
特に、これまで述べた実施例の場合、検出リング２１０を可撓性をもった導電性材料によって構成したため、検出リング２１０の表面を共通変位電極Ｅ０として利用することができ、構造を単純化することができる。たとえば、図１２に示す実施例では、支持体１００の上面側には、８組の別個独立した固定電極Ｅ１〜Ｅ８を設ける必要があるものの、検出リング２１０側には、実際には何ら個別の変位電極を設ける必要はない。これは検出リング２１０の表面が共通の電極層としての役割を果たし、検出リング２１０の表面における、各固定電極Ｅ１〜Ｅ８の対向部分が各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の個別の変位電極として機能するためである。
【０１２３】
もちろん、検出リング２１０を樹脂などの絶縁性材料によって構成した場合には、検出リング２１０の表面における、各固定電極Ｅ１〜Ｅ８の対向部分に個別の変位電極を設けるようにすればよい。この場合、図１５を用いて説明したように、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像が、当該他方の電極の内部に包含される関係が維持されるようにしておけば、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化は、専ら、測定点Ｒ１〜Ｒ４の径方向の変位を示し、容量素子Ｃ５〜Ｃ８の静電容量値の変化は、専ら、測定点Ｒ１〜Ｒ４の上下方向（Ｚ軸方向）の変位を示すことになり、より正確な検出を行うことが可能になる。
【０１２４】
結局、図１２に示す実施例の場合、検出リング２１０は、Ｚ軸が中心軸となるように、支持体１００上方の所定の配置平面（この例では、ＸＹ平面）に配置された円形のリングであり、検出素子として、図１４に示すように、次のような８組の容量素子が設けられていることになる。
(1) 検出リング２１０の内周面の第１の測定点Ｒ１近傍位置に配置された第１の変位電極（検出リング２１０の内周面のＶ軸正領域との交点近傍領域：図の太線部分）と、検出リング２１０の内側の上記第１の変位電極に対向する位置に配置され、支持体１００の上面に固定された第１の固定電極Ｅ１と、によって構成される第１の容量素子Ｃ１。
(2) 検出リング２１０の内周面の第２の測定点Ｒ２近傍位置に配置された第２の変位電極（検出リング２１０の内周面のＷ軸正領域との交点近傍領域：図の太線部分）と、検出リング２１０の内側の上記第２の変位電極に対向する位置に配置され、支持体１００の上面に固定された第２の固定電極Ｅ２と、によって構成される第２の容量素子Ｃ２。
(3) 検出リング２１０の内周面の第３の測定点Ｒ３近傍位置に配置された第３の変位電極（検出リング２１０の内周面のＶ軸負領域との交点近傍領域：図の太線部分）と、検出リング２１０の内側の上記第３の変位電極に対向する位置に配置され、支持体１００の上面に固定された第３の固定電極Ｅ３と、によって構成される第３の容量素子Ｃ３。
(4) 検出リング２１０の内周面の第４の測定点Ｒ４近傍位置に配置された第４の変位電極（検出リング２１０の内周面のＷ軸負領域との交点近傍領域：図の太線部分）と、検出リング２１０の内側の上記第４の変位電極に対向する位置に配置され、支持体１００の上面に固定された第４の固定電極Ｅ４と、によって構成される第４の容量素子Ｃ４。
(5) 検出リング２１０の下面の第１の測定点Ｒ１近傍位置に配置された第５の変位電極（検出リング２１０の下面の測定点Ｒ１の下方に位置する領域）と、支持体１００の上面の第５の変位電極に対向する位置に配置された第５の固定電極Ｅ５とによって構成される第５の容量素子Ｃ５。
(6) 検出リング２１０の下面の第２の測定点Ｒ２近傍位置に配置された第６の変位電極（検出リング２１０の下面の測定点Ｒ２の下方に位置する領域）と、支持体１００の上面の第６の変位電極に対向する位置に配置された第６の固定電極Ｅ６とによって構成される第６の容量素子Ｃ６。
(7) 検出リング２１０の下面の第３の測定点Ｒ３近傍位置に配置された第７の変位電極（検出リング２１０の下面の測定点Ｒ３の下方に位置する領域）と、支持体１００の上面の第７の変位電極に対向する位置に配置された第７の固定電極Ｅ７とによって構成される第７の容量素子Ｃ７。
(8) 検出リング２１０の下面の第４の測定点Ｒ４近傍位置に配置された第８の変位電極（検出リング２１０の下面の測定点Ｒ４の下方に位置する領域）と、支持体１００の上面の第８の変位電極に対向する位置に配置された第８の固定電極Ｅ８とによって構成される第８の容量素子Ｃ８。
【０１２５】
ここで、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する一方の電極を他方の電極の形成面に投影した投影像は、他方の電極の内部に包含されるようになっており、検出リング２１０の変位が所定の許容範囲内である限り、各容量素子の有効対向面積は一定に維持される。このため、前述したとおり、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化は、専ら、測定点Ｒ１〜Ｒ４の径方向の変位を示し、容量素子Ｃ５〜Ｃ８の静電容量値の変化は、専ら、測定点Ｒ１〜Ｒ４の上下方向（Ｚ軸方向）の変位を示すことになり、正確な検出が可能になる。また、実際には、検出リング２１０は、可撓性をもった導電性材料によって構成されているため、検出リング２１０の表面が共通の電極として機能し、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する変位電極は、いずれも検出リング２１０の表面の部分領域によって構成されることになる。
【０１２６】
一方、この力覚センサの検出回路は、第１の容量素子の静電容量値をＣ１、第２の容量素子の静電容量値をＣ２、第３の容量素子の静電容量値をＣ３、第４の容量素子の静電容量値をＣ４、第５の容量素子の静電容量値をＣ５、第６の容量素子の静電容量値をＣ６、第７の容量素子の静電容量値をＣ７、第８の容量素子の静電容量値をＣ８としたときに、図１７に示すとおり、
Ｆｘ＝−Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４
Ｆｙ＝＋Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４
Ｆｚ＝−Ｃ５−Ｃ６−Ｃ７−Ｃ８
Ｍｘ＝−Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８
Ｍｙ＝＋Ｃ５−Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
Ｍｚ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力する機能を果たす。具体的な検出回路の例は、図１８の回路図に示したとおりである。
【０１２７】
なお、図１８の回路図に示すとおり、８組の容量素子Ｃ１〜Ｃ８と検出回路との間には配線を施す必要がある。本発明に係る力覚センサの場合、図１２に示すとおり、検出リング２１０の内部に十分なスペースを確保することができるため、この内部スペースを利用して、各容量素子を構成する電極に対する配線が可能になる。特に、図１２に示す実施例の場合、受力体３００に開口部Ｈが形成されているため、この開口部Ｈを通して配線を力覚センサの外部へと導出することが可能である。もちろん、必要があれば、図１８に示す検出回路を半導体集積回路として構成し、検出リング２１０の内部スペースに収容することもできる。
【０１２８】
＜＜＜  §４．  本発明の変形例  ＞＞＞
以上、§１〜§３では、本発明の基本的実施形態に係る力覚センサの構造および動作を説明した。ここでは、この基本的実施形態に対する変形例をいくつか述べておく。
【０１２９】
＜４−１．中間体に関する変形例＞
はじめに、中間体２００に関する変形例を述べる。図１９は、図１に示す基本的な実施形態に利用されている中間体２００の変形例を示す斜視図である。この変形例に係る中間体２００Ａは、検出リング２１０Ａ、支持接続部材２２１Ａ，２２２Ａ、受力接続部材２３１Ａ，２３２Ａによって構成される。これら各構成要素の基本的な形態および機能は、これまで述べた基本的実施形態に係る中間体２００の検出リング２１０、支持接続部材２２１，２２２、受力接続部材２３１，２３２とほぼ同じである。
【０１３０】
ただ、図１に示す中間体２００と図１９に示す中間体２００Ａとを比較するとわかるとおり、前者の検出リング２１０に比べて後者の検出リング２１０Ａは高さ方向の厚み（Ｚ軸方向の厚み）が小さく設定されており、同一材料によって構成した場合でも、前者の検出リング２１０に比べて後者の検出リング２１０Ａの方が撓みやすくなっている。したがって、検出リング２１０を採用した力覚センサよりも、検出リング２１０Ａを採用した力覚センサの方が検出感度が高くなる。
【０１３１】
要するに、より精度の高い力覚センサが必要な場合には、図１９の変形例に示すような高さ方向の厚みが小さい検出リング２００Ａを用い、より定格荷重の大きな力覚センサが必要な場合には、図１の基本的実施形態に示すような高さ方向の厚みが大きい検出リング２００を用いるようにすればよい。
【０１３２】
検出の基本原理に関しては、図１に示す中間体２００を用いた力覚センサと、図１９に示す中間体２００Ａを用いた力覚センサとの間に違いはない。すなわち、図１９に示す中間体２００Ａにおいて、Ｘ軸上に配置された支持接続部材２２１Ａ，２２２Ａの下面は、Ｙ軸上に配置された受力接続部材２３１Ａ，２３２Ａの下面より下方に突出しているため、受力接続部材２３１Ａ，２３２Ａの下面と支持体１００の上面との間には所定の空隙が確保される。同様に、Ｙ軸上に配置された受力接続部材２３１Ａ，２３２Ａの上面は、Ｘ軸上に配置された支持接続部材２２１Ａ，２２２Ａの上面より上方に突出しているため、支持接続部材２２１Ａ，２２２Ａの上面と受力体３００の下面との間には所定の空隙が確保される。
【０１３３】
図２０は、図１に示す基本的な実施形態における中間体２００の代わりに、図１９に示す変形例に係る中間体２００Ａを用いて構成した基本構造部の側面図であり、図２１は、当該基本構造部をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図である。図２０，図２１を、図３(b) ，図４と比較すればわかるとおり、両者の相違は、検出リングのＺ軸方向の厚みだけであり、動作原理に根本的な違いはない。検出リング２１０Ａは、Ｚ軸方向の厚みが小さいため撓みが生じ易くなり、検出感度を高めることができる。また、検出リング２１０Ａの下面と支持体１００の上面との距離や、検出リング２１０Ａの上面と受力体３００の下面との距離も大きく確保できるため、測定点Ｒ１〜Ｒ４の変位量を大きくとることができ、この点においても、検出感度を高める効果が得られる。
【０１３４】
一方、図２２は、図１に示す基本的な実施形態に利用されている中間体２００の別な変形例を示す斜視図である。この変形例に係る中間体２００Ｂの特徴は、上方検出リング２１１Ｂおよび下方検出リング２１２Ｂという２組の検出リングを上下２段に配置した構造を有する点である。すなわち、この変形例に係る中間体２００Ｂは、上方検出リング２１１Ｂ、下方検出リング２１２Ｂ、支持接続部材２２１Ｂ，２２２Ｂ、受力接続部材２３１Ｂ，２３２Ｂによって構成される。
【０１３５】
ここで、支持接続部材２２１Ｂ，２２２Ｂは、上方検出リング２１１Ｂおよび下方検出リング２１２Ｂの双方をＸ軸正方向端およびＸ軸負方向端で支持し、支持体１００の上面に接続する機能を果たし、受力接続部材２３１Ｂ，２３２Ｂは、上方検出リング２１１Ｂおよび下方検出リング２１２Ｂの双方をＹ軸正方向端およびＹ軸負方向端で支持し、受力体２００の下面に接続する機能を果たす。
【０１３６】
この図２２に示す中間体２００Ｂにおいても、Ｘ軸上に配置された支持接続部材２２１Ｂ，２２２Ｂの下面は、Ｙ軸上に配置された受力接続部材２３１Ｂ，２３２Ｂの下面より下方に突出しているため、受力接続部材２３１Ｂ，２３２Ｂおよび下方検出リング２１２Ｂの下面と支持体１００の上面との間には所定の空隙が確保される。同様に、Ｙ軸上に配置された受力接続部材２３１Ｂ，２３２Ｂの上面は、Ｘ軸上に配置された支持接続部材２２１Ｂ，２２２Ｂの上面より上方に突出しているため、支持接続部材２２１Ｂ，２２２Ｂおよび上方検出リング２１１Ｂの上面と受力体３００の下面との間には所定の空隙が確保される。
【０１３７】
図２３は、図１に示す基本的な実施形態における中間体２００の代わりに、図２２に示す変形例に係る中間体２００Ｂを用いて構成した基本構造部の側面図であり、図２４は、当該基本構造部をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図である。前述した中間体２００Ａを用いた変形例と比較するために、図２０，図２１に示す構造と図２３，図２４に示す構造とを比較すると、前者では単一の検出リング２１０Ａしか用いられていないのに対して、後者では上方検出リング２１１Ｂおよび下方検出リング２１２Ｂという２組の検出リングが用いられている点が大きな相違点であることがわかる。
【０１３８】
図２０，図２１に示す構造の場合、検出リング２１０ＡはＸＹ平面上に配置されているが、図２３，図２４に示す構造の場合、２組の検出リングの配置位置は、いずれもＸＹ平面上ではない。すなわち、上方検出リング２１１Ｂは、ＸＹ平面より若干上方にずれた位置に配置され、下方検出リング２１２Ｂは、ＸＹ平面より若干下方にずれた位置に配置されている。本発明では、このように、各検出リング２１１Ｂ，２１２Ｂの配置位置がＸＹ平面からずれていても、基本的な検出原理に影響はない。
【０１３９】
本発明に用いる検出リングは、Ｚ軸が中心軸となるように、ＸＹ平面に平行な所定の配置平面（ＸＹ平面であってもよい）上に配置され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じるものであれば足りる。図２３，図２４に示す構造の場合、上方検出リング２１１Ｂは、ＸＹ平面の上方に位置し、ＸＹ平面に平行な配置平面上に配置されており、下方検出リング２１２Ｂは、ＸＹ平面の下方に位置し、ＸＹ平面に平行な配置平面上に配置されている。したがって、上方検出リング２１１Ｂおよび下方検出リング２１２Ｂは、いずれも、これまで述べてきた基本的実施形態に係る検出リング２１０と同等の機能を果たすことができる。
【０１４０】
ここでは、この２組の検出リング２１１Ｂ，２１２Ｂのそれぞれについて、測定点Ｒ１〜Ｒ４を定義することにする。具体的には、上方検出リング２１１Ｂについては、図５(b) に示す検出リング２１０上の各測定点Ｒ１〜Ｒ４に対応する位置に測定点Ｒ１〜Ｒ４が定義され、下方検出リング２１２Ｂについても、同様に、図５(b) に示す検出リング２１０上の各測定点Ｒ１〜Ｒ４に対応する位置に測定点Ｒ１〜Ｒ４が定義される。
【０１４１】
支持接続部材２２１Ｂ，２２２Ｂおよび受力接続部材２３１Ｂ，２３２Ｂによる上方検出リング２１１Ｂおよび下方検出リング２１２Ｂの接続態様は全く同じなので、支持体１００を固定した状態において受力体３００に、力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚ，モーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚの６軸成分が加わったとき、上方検出リング２１１Ｂに生じる弾性変形の態様と、下方検出リング２１２Ｂに生じる弾性変形の態様とは全く同じになる。したがって、上方検出リング２１１Ｂに定義された４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の変位の態様と、下方検出リング２１２Ｂに定義された４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の変位の態様とは全く等価になり、両検出リング２１１Ｂ，２１２Ｂの変形動作は、いわばシンクロナイズしたものになる。
【０１４２】
中間体２００として、図２２に示す中間体２００Ｂを用いた変形例の場合も、検出素子を構成するための固定電極Ｅ１〜Ｅ８の構成は、図１２に示す基本的実施形態の構成と同じでかまわない。図１２に示す構成において、中間体２００を図２２に示す中間体２００Ｂに交換すると、４組の固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、上方検出リング２１１Ｂの内周面と下方検出リング２１２Ｂの内周面との双方に対向することになるが、相互に対向する電極によって４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４が形成される点に変わりはない。
【０１４３】
すなわち、上方検出リング２１１Ｂの内周面のＶ軸正領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極Ｅ１の対向領域と、によって構成される容量素子を第１の上方容量素子Ｃ１(upper)と定義し、下方検出リング２１２Ｂの内周面のＶ軸正領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極Ｅ１の対向領域と、によって構成される容量素子を第１の下方容量素子Ｃ１(lower)と定義した場合、第１の容量素子Ｃ１は、第１の上方容量素子Ｃ１(upper)と第１の下方容量素子Ｃ１(lower)とを並列接続した容量素子ということになり、その静電容量値は、各測定点Ｒ１の径方向の変位を示すものになる。
【０１４４】
また、上方検出リング２１１Ｂの内周面のＷ軸正領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極Ｅ２の対向領域と、によって構成される容量素子を第２の上方容量素子Ｃ２(upper)と定義し、下方検出リング２１２Ｂの内周面のＷ軸正領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極Ｅ２の対向領域と、によって構成される容量素子を第２の下方容量素子Ｃ２(lower)と定義した場合、第２の容量素子Ｃ２は、第２の上方容量素子Ｃ２(upper)と第２の下方容量素子Ｃ２(lower)とを並列接続した容量素子ということになり、その静電容量値は、各測定点Ｒ２の径方向の変位を示すものになる。
【０１４５】
そして、上方検出リング２１１Ｂの内周面のＶ軸負領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極Ｅ３の対向領域と、によって構成される容量素子を第３の上方容量素子Ｃ３(upper)と定義し、下方検出リング２１２Ｂの内周面のＶ軸負領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極Ｅ３の対向領域と、によって構成される容量素子を第３の下方容量素子Ｃ３(lower)と定義した場合、第３の容量素子Ｃ３は、第３の上方容量素子Ｃ３(upper)と第３の下方容量素子Ｃ３(lower)とを並列接続した容量素子ということになり、その静電容量値は、各測定点Ｒ３の径方向の変位を示すものになる。
【０１４６】
最後に、上方検出リング２１１Ｂの内周面のＷ軸負領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極Ｅ４の対向領域と、によって構成される容量素子を第４の上方容量素子Ｃ４(upper)と定義し、下方検出リング２１２Ｂの内周面のＷ軸負領域の近傍領域と、これに向かい合った固定電極Ｅ４の対向領域と、によって構成される容量素子を第４の下方容量素子Ｃ４(lower)と定義した場合、第４の容量素子Ｃ４は、第４の上方容量素子Ｃ４(upper)と第４の下方容量素子Ｃ４(lower)とを並列接続した容量素子ということになり、その静電容量値は、各測定点Ｒ４の径方向の変位を示すものになる。
【０１４７】
一方、図１２に示す構成において、中間体２００を図２２に示す中間体２００Ｂに交換すると、４組の固定電極Ｅ５〜Ｅ８は、下方検出リング２１２Ｂの下面に対向することになるので、相互に対向する電極によって４組の容量素子Ｃ５〜Ｃ８が形成される点に変わりはなく、その静電容量値は、下方検出リング２１２Ｂ側の測定点Ｒ１〜Ｒ４のＺ軸方向の変位を示すものになる。この場合、上方検出リング２１１Ｂ側の測定点Ｒ１〜Ｒ４のＺ軸方向の変位は検出されないが、力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚ，モーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚの６軸成分の検出を行う上では何ら支障は生じない。
【０１４８】
もちろん、上方検出リング２１１Ｂ側の測定点Ｒ１〜Ｒ４のＺ軸方向の変位も検出するようにし、下方検出リング２１２Ｂ側の測定点Ｒ１〜Ｒ４のＺ軸方向の変位と上方検出リング２１１Ｂ側の測定点Ｒ１〜Ｒ４のＺ軸方向の変位との双方を用いて（たとえば、両者の平均値を用いて）、検出対象となる力やモーメントの検出を行うようにすれば、検出精度をより向上させることが可能である。その場合には、受力体３００の下面にも、固定電極Ｅ５〜Ｅ８に対応する位置（ＸＹ平面を対称面としたときの対称位置）に４組の電極を設け、これらの電極と上方検出リング２１１Ｂの対向面とによって４組の容量素子を形成し、この４組の容量素子の静電容量値に基づいて、上方検出リング２１１Ｂ側の測定点Ｒ１〜Ｒ４のＺ軸方向の変位を検出するようにすればよい。
【０１４９】
＜４−２．複数の検出リングを用いる変形例の特徴＞
§４−１では、図２２に示すように、上方検出リング２１１Ｂおよび下方検出リング２１２Ｂという２組の検出リングを上下２段に配置した構造を有する中間体２００Ｂを用いる変形例を述べたが、３組以上の検出リングを上下に配置した構造を有する中間体を用いることも可能である。
【０１５０】
このように複数の検出リングを用いる変形例の構造を一般論として述べれば、互いに所定間隔をおいてＺ軸方向に隣接して配置された複数ｍ本（ｍ≧２）の検出リングを備え、個々の検出リングは、いずれもＺ軸が中心軸となるようにＸＹ平面に平行な個々の配置平面上に配置されており、支持体１００は最も下方に位置する検出リングの更に下方に配置され、受力体３００は最も上方に位置する検出リングの更に上方に配置された構造ということができる。図２２に示す実施例のように、個々の検出リング（図２２の実施例の場合は、ｍ＝２であるため、上方検出リング２１１Ｂと下方検出リング２１２Ｂ）のそれぞれの固定点Ｐ１，Ｐ２は支持接続部材２２１Ｂ，２２２Ｂによって支持体１００に固定され、個々の検出リングのそれぞれの作用点Ｑ１，Ｑ２は受力接続部材２３１Ｂ，２３２Ｂによって受力体３００に固定されている。
【０１５１】
実用上は、複数ｍ本の検出リングは、いずれもＺ軸が中心軸となるように個々の配置平面上に配置された同一形状同一寸法の円形のリングとし、個々の検出リングの固定点Ｐ１，Ｐ２の位置（図２２の例の場合、支持接続部材２２１Ｂ，２２２Ｂによって支持されている位置）および作用点Ｑ１，Ｑ２の位置（図２２の例の場合、受力接続部材２３１Ｂ，２３２Ｂによって支持されている位置）が、平面的に同じ位置にくるようにするのが好ましい。別言すれば、個々の検出リングの固定点Ｐ１，Ｐ２および作用点Ｑ１，Ｑ２のＸＹ平面への投影像が互いに重なり合うようにすればよい。たとえば、図２２には、上方検出リング２１１Ｂの固定点Ｐ１と下方検出リング２１２Ｂの固定点Ｐ１とが例示されているが、これら一対の固定点Ｐ１のＸＹ平面への投影像は互いに重なり合う。
【０１５２】
このような構造を採用すれば、支持接続部材は、ＸＹ平面上の同一位置に投影像を形成する、異なる検出リングの各固定点の近傍を、相互に接続するとともに支持体１００に固定することができ、受力接続部材は、ＸＹ平面上の同一位置に投影像を形成する、異なる検出リングの各作用点の近傍を、相互に接続するとともに受力体３００に固定することができるので、支持接続部材および受力接続部材の構造を単純化することができる。
【０１５３】
たとえば、図２２に示す例の場合、支持接続部材２２１Ｂは、上方検出リング２１１Ｂの固定点Ｐ１および下方検出リング２１２Ｂの固定点Ｐ１（いずれも、ＸＹ平面への投影像がＸ軸正領域上の同一位置にくる点）の近傍を、相互に接続するとともに支持体１００に固定する役割を果たしており、支持接続部材２２２Ｂは、上方検出リング２１１Ｂの固定点Ｐ２および下方検出リング２１２Ｂの固定点Ｐ２（図２２では図示が省略されているが、いずれもＸＹ平面への投影像がＸ軸負領域上の同一位置にくる点）の近傍を、相互に接続するとともに支持体１００に固定する役割を果たしている。
【０１５４】
同様に、図２２に示す例の場合、受力接続部材２３１Ｂは、上方検出リング２１１Ｂの作用点Ｑ１および下方検出リング２１２Ｂの作用点Ｑ１（図２２では図示が省略されているが、いずれもＸＹ平面への投影像がＹ軸正領域上の同一位置にくる点）の近傍を、相互に接続するとともに受力体３００に固定する役割を果たしており、受力接続部材２３２Ｂは、上方検出リング２１１Ｂの作用点Ｑ２および下方検出リング２１２Ｂの作用点Ｑ２（図２２では図示が省略されているが、いずれもＸＹ平面への投影像がＹ軸負領域上の同一位置にくる点）の近傍を、相互に接続するとともに受力体３００に固定する役割を果たしている。このため、図２２に示す実施例における支持接続部材２２１Ｂ，２２２Ｂおよび受力接続部材２３１Ｂ，２３２Ｂの構造は、図１９に示す実施例における支持接続部材２２１Ａ，２２２Ａおよび受力接続部材２３１Ａ，２３２Ａの構造と同様に、非常に単純なものになる。
【０１５５】
要するに、複数ｍ本の検出リングを用いた変形例においても、固定点Ｐ１，Ｐ２および作用点Ｑ１，Ｑ２の位置は、１本の検出リングを用いた基本的実施形態と同様に定めればよい。具体的には、個々の検出リングのそれぞれについて、図５(b) に示す位置に固定点Ｐ１，Ｐ２および作用点Ｑ１，Ｑ２を設定すればよい。
【０１５６】
また、測定点Ｒ１〜Ｒ４の位置も、１本の検出リングを用いた基本的実施形態と同様に、個々の検出リングのそれぞれについて、図５(b) に示す位置に４組の測定点Ｒ１〜Ｒ４を設定すればよい。すなわち、複数ｍ本の検出リングを用いた変形例の場合も、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなすＶ軸と、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交するＷ軸と、を定義し、個々の検出リングのそれぞれについて、ＸＹ平面への投影像がＶ軸正領域上に位置する点として第１の測定点Ｒ１を設定し、ＸＹ平面への投影像がＷ軸正領域上に位置する点として第２の測定点Ｒ２を設定し、ＸＹ平面への投影像がＶ軸負領域上に位置する点として第３の測定点Ｒ３を設定し、ＸＹ平面への投影像がＷ軸負領域上に位置する点として第４の測定点Ｒ４を設定すればよい。
【０１５７】
特に、ｍ＝２に設定した変形例、すなわち、図１２に示す基本的な実施形態における中間体２００の代わりに、図２２に示す中間体２００Ｂを採用した変形例に係る力覚センサは、次のような構造上の特徴を有している。
【０１５８】
まず、検出リングに関しては、互いに所定間隔をおいてＺ軸方向に隣接して配置された上方検出リング２１１Ｂと下方検出リング２１２Ｂとを備えており、この２本の検出リング２１１Ｂ，２１２Ｂは、いずれもＺ軸が中心軸となるようにＸＹ平面に平行な個々の配置平面上に配置された同一形状同一寸法の円形のリングとなっている。
【０１５９】
しかも、上述したとおり、上方検出リング２１１Ｂの第１の固定点Ｐ１のＸＹ平面への投影像と、下方検出リング２１２Ｂの第１の固定点Ｐ１のＸＹ平面への投影像と、は互いに重なり合い、上方検出リング２１１Ｂの第２の固定点Ｐ２のＸＹ平面への投影像と、下方検出リング２１２Ｂの第２の固定点Ｐ２のＸＹ平面への投影像と、は互いに重なり合い、上方検出リング２１１Ｂの第１の作用点Ｑ１のＸＹ平面への投影像と、下方検出リング２１２Ｂの第１の作用点Ｑ１のＸＹ平面への投影像と、は互いに重なり合い、上方検出リング２１１Ｂの第２の作用点Ｑ２のＸＹ平面への投影像と、下方検出リング２１２Ｂの第２の作用点Ｑ２のＸＹ平面への投影像と、は互いに重なり合っている。
【０１６０】
また、第１の支持接続部材２２１Ｂにより、上方検出リング２１１Ｂの第１の固定点Ｐ１の近傍と下方検出リング２１２Ｂの第１の固定点Ｐ１の近傍とが相互に接続されるとともに、支持体１００にも接続され、第２の支持接続部材２２２Ｂにより、上方検出リング２１１Ｂの第２の固定点Ｐ２の近傍と下方検出リング２１２Ｂの第２の固定点Ｐ２の近傍とが相互に接続されるとともに、支持体１００にも接続され、第１の受力接続部材２３１Ｂにより、上方検出リング２１１Ｂの第１の作用点Ｑ１の近傍と下方検出リング２１２Ｂの第１の作用点Ｑ１の近傍とが相互に接続されるとともに、受力体３００にも接続され、第２の受力接続部材２３２Ｂにより、上方検出リング２１１Ｂの第２の作用点Ｑ２の近傍と下方検出リング２１２Ｂの第２の作用点Ｑ２の近傍とが相互に接続されるとともに、受力体３００にも接続されている。
【０１６１】
一方、この変形例に係る力覚センサに検出素子として用いられる固定電極Ｅ１〜Ｅ８は、§４−１で述べたとおり、図１２に示す基本的実施形態に用いられている固定電極Ｅ１〜Ｅ８をそのまま利用すればよい。この場合、各固定電極Ｅ１〜Ｅ８に対応する変位電極は、次のような各位置に構成された電極になる。もっとも、上方検出リング２１１Ｂおよび下方検出リング２１２Ｂを導電性材料によって構成すれば、個々の変位電極は、実際には、上方検出リング２１１Ｂもしくは下方検出リング２１２Ｂの表面の一部分の領域によって構成されることになる。
【０１６２】
第１の変位電極は、上方検出リング２１１Ｂの内周面の第１の測定点Ｒ１の近傍位置と、下方検出リング２１２Ｂの内周面の第１の測定点Ｒ１の近傍位置と、の２箇所に分散して配置され、第１の固定電極Ｅ１は、この２箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向した電極になる。第２の変位電極は、上方検出リング２１１Ｂの内周面の第２の測定点Ｒ２の近傍位置と、下方検出リング２１２Ｂの内周面の第２の測定点Ｒ２の近傍位置と、の２箇所に分散して配置され、第２の固定電極Ｅ２は、この２箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向した電極になる。第３の変位電極は、上方検出リング２１１Ｂの内周面の第３の測定点Ｒ３の近傍位置と、下方検出リング２１２Ｂの内周面の第３の測定点Ｒ３の近傍位置と、の２箇所に分散して配置され、第３の固定電極Ｅ３は、この２箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向した電極になる。そして第４の変位電極は、上方検出リング２１１Ｂの内周面の第４の測定点Ｒ４の近傍位置と、下方検出リング２１２Ｂの内周面の第４の測定点Ｒ４の近傍位置と、の２箇所に分散して配置され、第４の固定電極Ｅ４は、この２箇所に分散して配置された変位電極の双方に対向した電極になる。
【０１６３】
また、第５の変位電極は、下方検出リング２１２Ｂの下面の第１の測定点Ｒ１の近傍位置に配置され、第５の固定電極Ｅ５は、この第５の変位電極に対向した電極になる。第６の変位電極は、下方検出リング２１２Ｂの下面の第２の測定点Ｒ２の近傍位置に配置され、第６の固定電極Ｅ６は、この第６の変位電極に対向した電極になる。第７の変位電極は、下方検出リング２１２Ｂの下面の第３の測定点Ｒ３の近傍位置に配置され、第７の固定電極Ｅ７は、この第７の変位電極に対向した電極になる。そして第８の変位電極は、下方検出リング２１２Ｂの下面の第４の測定点Ｒ４の近傍位置に配置され、第８の固定電極Ｅ８は、この第８の変位電極に対向した電極になる。
【０１６４】
＜４−３．複数の検出リングを用いる変形例のメリット＞
ここでは、複数の検出リングを用いて力覚センサを構成するメリットを述べておく。これまで、中間体の形態としては、図１に示すような１本の厚型検出リング２１０を用いた中間体２００、図１９に示すような１本の薄型検出リング２１０Ａを用いた中間体２００Ａ、そして図２２に示すような２本の薄型検出リング２１０Ｂを用いた中間体２００Ｂを例示した。一般に、検出リングの高さ方向の厚みおよび径方向の厚みを変えると、同じ材質でも弾性変形のしやすさが変わるため、力覚センサとしての検出感度が変化する。
【０１６５】
したがって、§４−１で述べたとおり、精度の高い力覚センサが必要な場合には、図１９に示す例のような厚みが小さい検出リング２００Ａを用い、定格荷重の大きな力覚センサが必要な場合には、図１に示す例のように厚みが大きい検出リング２００を用いるようにすればよい。検出リングの数も同様に、力覚センサとしての検出感度に影響を及ぼすファクターである。したがって、設計者は、検出リングの数を変えることによって、設計対象となる力覚センサの精度や定格荷重を調整することも可能である。
【０１６６】
ただ、本願発明者は、力とモーメントとの双方を検出する機能をもった力覚センサの場合、検出リングの数が、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整する上で重要なファクターになることを見出した。
【０１６７】
一般的に、検出リングの各部の厚み等を変えると、全体的に弾性変形のしやすさが変わることになる。たとえば、厚みを小さくして弾性変形しやすくすると、力とモーメントの検出感度はいずれも増加し、厚みを大きくして弾性変形しにくくすると、力とモーメントの検出感度はいずれも減少する。また、同じサイズの検出リングの数を増やしてゆくと、中間体全体としては弾性変形しにくくなるため（外力が個々の検出リングに分散してしまうため）、力とモーメントの検出感度はいずれも減少する。
【０１６８】
しかしながら、本願発明者が行った実験によると、検出リングの数を増やした場合の検出感度の減少程度が力とモーメントとでは異なる、という結果が得られた。この実験結果を踏まえると、検出リングの数は、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整するファクターとして非常に有効であることがわかる。したがって、複数の検出リングを用いる変形例は、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整した設計を行いやすくする、という固有のメリットを有することになる。
【０１６９】
§３で述べた基本的実施形態に係る力覚センサの場合、力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚ，モーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚの６軸成分の検出を行うことができる。ここで、力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚの検出感度はほぼ同じであるが、これら力についての検出感度と、モーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚの検出感度との間には、かなりの差が生じることになり、実用上は、何らかの是正を行うのが好ましい。
【０１７０】
もっとも、力とモーメントは、そもそも異なる物理量であるため、両者の値を直接的に比較することはできない。すなわち、力は単位「Ｎ（ニュートン）」で表現される物理量であるのに対して、モーメントは単位「Ｎ・ｍ」で表現される物理量（トルク）であり、「力の大きさＦ」と「力の作用線と回転中心との距離Ｌ」との積として定義されるものである。ただ、実用上は、この力覚センサを実装予定の利用環境において、上記距離Ｌとして具体的な数値を想定することができるので、特定用途向けの力覚センサを設計する際には、標準的な距離Ｌを設定した上で、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整するのが好ましい。
【０１７１】
そこで、本願発明者は、図１９に示す中間体２００Ａに類似した構造体として、次のような具体的な寸法をもった構造体を設計し（各部の寸法比は、図１９に示す中間体２００Ａの各部の寸法比とは異なったものになる）、支持体１００を固定した状態において受力体３００に力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚ，モーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚの６軸成分を作用させた場合の具体的な変形態様を示す数値を求めるシミュレーションを行った。以下、このような特定の寸法をもった中間体を、便宜上、「サンプルＳ１」と呼ぶことにする。
検出リング２１０Ａの外径：２７．５ｍｍ
検出リング２１０Ａの内径：２４．５ｍｍ
検出リング２１０Ａの径方向の厚み（幅）：１．５ｍｍ
検出リング２１０Ａの高さ方向の厚み（幅）：５．５ｍｍ
各接続部材２２１Ａ，２２２Ａ，２３２Ａ，２３２Ａの径方向寸法：１０ｍｍ
（検出リング２１０Ａの内周位置から、各接続部材の外周位置までの寸法）
【０１７２】
具体的には、受力体３００に、それぞれ２００Ｎの力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚを作用させた場合と、それぞれ１０Ｎ・ｍのモーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚを作用させた場合について、検出リング２１０Ａに生じる具体的な変形態様を示す数値を求めることにした。ここで、具体的な変形態様を示す数値としては、図１６の表の対応欄に「＋」もしくは「−」が示されている容量素子（電極間距離に有意な変化が生じる容量素子）について生じた変位量の絶対値の平均値（以下、平均変位量Δと呼ぶ）を用いている。その結果、サンプルＳ１については、次のような平均変位量が得られた（単位：ｍｍ）。
力＋Ｆｘを作用させた場合：平均変位量Δ＝０．１２
力＋Ｆｙを作用させた場合：平均変位量Δ＝０．１２
力＋Ｆｚを作用させた場合：平均変位量Δ＝０．１４
モーメント＋Ｍｘを作用させた場合：平均変位量Δ＝０．３０
モーメント＋Ｍｙを作用させた場合：平均変位量Δ＝０．３０
モーメント＋Ｍｚを作用させた場合：平均変位量Δ＝０．０６３
【０１７３】
なお、ここでは、力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚについては２００Ｎ、モーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚについては１０Ｎ・ｍという値を用いているが、これは上記寸法値をもったサンプルＳ１を用いた一般的な力覚センサの用途において、「力の作用線と回転中心との距離Ｌ」としてＬ＝５０ｍｍ（当該力覚センサを実装予定の利用環境において妥当と思われる想定距離）という設定を行ったためである。すなわち、回転中心から所定軸に沿って５０ｍｍ離れた地点に、当該所定軸に直交する方向に２００Ｎの力が作用すると、回転中心には、２００Ｎ×０．０５ｍ＝１０Ｎ・ｍのモーメントが作用することになるので、当該利用環境において、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを評価する上では、適切な力およびモーメントの値になっている。すなわち、いずれも２００Ｎの外力が受力体３００に作用した場合を前提とした平均変位量Δということになる。
【０１７４】
上記結果を踏まえると、少なくともＬ＝５０ｍｍという設定環境においては、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスは必ずしも良好とは言えない。そこで、本願発明者は、上記サンプルＳ１に対して、各部の寸法を変更したり、検出リングの数を変更したりすることにより、中間体についていくつかのバリエーションを作成し、これらバリエーションについても、同様の設定環境において、平均変位量Δを求めるシミュレーションを行った。
【０１７５】
図２５は、これら中間体の種々のサンプルについて、検出リングの数や各部の寸法を示す表である。この表に掲載されている８通りのサンプルのうち、サンプルＳ１〜Ｓ３は１本の検出リング（シングルリング）を用いたサンプル（図１９に示す中間体２００Ａに相当）、サンプルＷ１〜Ｗ４は２本の検出リング（ダブルリング）を用いたサンプル（図２２に示す中間体２００Ｂに相当）、そしてサンプルＴ１は３本の検出リング（トリプルリング）を用いたサンプル（図示はされていないが、図２２に示す中間体２００Ｂにおいて、上方検出リング２１１Ｂと下方検出リング２１２Ｂとの間に、同じサイズの中間検出リングを付加したもの）である。なお、図２５の表における「リング間隔」は、最も上方に配置された検出リングの下面と最も下方に配置された検出リングの上面との距離を示すものである。
【０１７６】
この図２５の表に示されている８種類のサンプルのうち、サンプルＳ１は、上述した各寸法値をもった基本となるサンプルであり、サンプルＳ２は、検出リングの高さ方向の厚みを２倍の１１ｍｍに変更したサンプルであり、サンプルＳ３は、検出リングの径方向の厚みを２倍の３ｍｍに変更したサンプルである。一方、サンプルＷ１は、サンプルＳ１と同サイズの検出リングを２本に増やしたサンプルであり、サンプルＷ２〜Ｗ４は、サンプルＷ１における２本の検出リングの間隔を狭めたり、広げたりしたサンプルである。また、サンプルＴ１は、サンプルＳ１と同サイズの検出リングを３本に増やしたサンプルである。
【０１７７】
図２６は、図２５に示す８種類のサンプルを用いた力覚センサにおける力とモーメントの検出感度のバランスを示す表である。具体的には、図２６(a) は、２００Ｎの力Ｆｘ，Ｆｚが作用したときの平均変位量Δと、１０Ｎ・ｍのモーメントＭｙ，Ｍｚが作用したときの平均変位量Δとを示す表であり、図２６(b) は、図２６(a) に示す結果をＦｚについての平均変位量Δに基づいて規格化した結果を示す表である。なお、力Ｆｙが作用したときの結果は力Ｆｘが作用したときの結果と等しくなり、モーメントＭｘが作用したときの結果はモーメントＭｙが作用したときの結果と等しくなるため、図２６ではＦｙ，Ｍｘについての結果表示を省略している。
【０１７８】
前述したとおり、平均変位量Δは、容量素子についての電極間距離の変位量の平均を示すものであり、実質的に検出感度を示すパラメータということになる。図２６(b) の表では、Ｆｚについての平均変位量Δに基づく規格化が行われているため、Ｆｚの欄はすべて１．００になっている。ここで、検出感度についてバランスがとれた力覚センサを実現する上では、すべての欄の平均変位量Δが、Δ＝１．００になるのが理想的である。ただ、６軸成分のすべてがΔ＝１．００となるような設計は現実的には非常に困難であるので、実用上は、ＦｚについてΔ＝１．００となる規格化を行った上で、他軸成分の平均変位量Δができるだけ１．００に近くなるような設計を行うことになる。
【０１７９】
このような観点で図２６(b) の表を見ると、シングルリングのサンプルＳ１〜Ｓ３に比べて、ダブルリングのサンプルＷ１〜Ｗ４もしくはトリプルリングＴ１の方が、全体的に理想に近い結果を示していることがわかる。もちろん、理想的な平均変位量ΔがΔ＝１．００であることを考慮すると、ダブルリングやトリプルリングのサンプルについて得られた結果は、決して十分とは言えないものの、シングルリングのサンプルに比べれば、６軸成分全体についての検出感度のバランスは改善されていることがわかる。
【０１８０】
要するに、シングルリングの構造を採用している限りは、サンプルＳ２，Ｓ３のように検出リングの厚みを変えても、検出感度のバランスを改善する効果はほとんど見られないが、ダブルリングやトリプルリングの構造を採用した変形例（複数の検出リングを用いる変形例）では、検出感度のバランスを改善する効果が見られることになる。別言すれば、複数の検出リングを上下に積層する積層構造を採用すれば、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを、用いる検出リングの個数によって容易に調整することが可能になるので、内部空間を確保しつつ、力の検出感度とモーメントの検出感度とのバランスを調整した設計を行いやすい小型の力覚センサを提供することが可能になる。
【０１８１】
なお、ダブルリングの構造を採用した４通りのサンプルＷ１〜Ｗ４の構造上の相違は、図２５の表に示されているとおり、上方検出リング２１１Ｂと下方検出リング２１２Ｂとの間隔だけである。図２６(b) に示す結果からは、間隔を狭くした方がよいのか、広くした方がよいのか、を一概に断定することはできないが、少なくともリング間隔は、バランス改善効果に影響を及ぼすパラメータの１つになっているので、実用上は、種々の間隔を試行錯誤で設定し、最も改善効果が期待できる間隔を決定すればよい。
【０１８２】
また、図２６(b) に示すとおり、トリプルリングのサンプルＴ１の結果と、ダブルリングＷ１〜Ｗ４の結果との間には、それほど大きな違いは見られなかった。本願発明者は、検出リングの本数を３本以上に増やしても、それほど大きなバランス改善効果は期待できないものと考えている。したがって、バランス改善効果を得るという観点からは、２本の検出リングを用いれば十分と言える。
【０１８３】
＜４−４．支持体および受力体に関する変形例＞
ここでは、支持体および受力体に関する変形例を述べる。これまで述べてきた実施例では、たとえば、図１の斜視図に示されているように、支持体１００および受力体３００として、いずれも円盤状の部材を用いた例を述べたが、支持体１００および受力体３００の形態は必ずしも円盤にする必要はなく、任意形状の板状部材を用いて構成してもかまわないし、必ずしも板状部材である必要もない。本発明に係る力覚センサにおいて、支持体１００および受力体３００は、一方を固定した状態において他方に力を作用させることができればよいので、その形状は特に特定の形状に限定されるものではない。
【０１８４】
ただ、図２に例示するように、ロボットの第１アーム部４００と第２アーム部５００との間に介挿して実装するようなケースを考慮すると、支持体１００および受力体３００を板状部材によって構成しておいた方が、取付作業が容易になる。また、中間体２００に用いられる検出リング２１０としては、円形リングを用いるのが好ましいので、実際には、支持体１００および受力体３００も円盤状の部材で構成しておいた方が形状の整合性がとれて効率的である。したがって、実用上は、これまで述べてきた実施例のように、支持体１００および受力体３００を、上下両面がＸＹ平面に平行になるように配置された円盤状部材によって構成するのが好ましい。
【０１８５】
なお、これまで述べてきた実施例の場合、図１の斜視図に示されているように、支持体１００としては、単なる円盤状の部材を用い、受力体３００としては、円盤状の部材の中央に円形の開口部Ｈを設けたワッシャ状の部材を用いている。開口部Ｈは、内部に配線を通すための便宜である。たとえば、図１２には、検出素子として支持体１００の上面に８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８を設けた例が示されているが、これら各電極に対する配線を基本構造部の外部まで導出し、検出回路を外部に設ける場合には、受力体３００に設けられた開口部Ｈを通して配線を取り出すことができる。
【０１８６】
あるいは、検出リング２１０の内部スペースに検出回路を配置する場合でも、当該検出回路からの検出信号（図１８に示す検出回路における出力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）を出力ための信号線を外部に導出する際には、検出リング２１０の内部スペースから受力体３００に設けられた開口部Ｈを通して信号線を取り出すことができる。
【０１８７】
もちろん、開口部Ｈは、必ずしも受力体３００側に設ける必要はなく、支持体１００側に設けてもかまわないし、両方に設けるようにしてもかまわない。要するに、支持体１００および受力体３００の一方もしくは双方を、中心部に開口部Ｈを有する盤状部材によって構成しておけば、当該開口部Ｈを通して、検出素子に対する配線や、検出回路からの信号線を外部に取り出すことが可能になる。
【０１８８】
図２７は、図２１に示す基本構造部における支持体１００の代わりに、支持体１００Ｃを用いた変形例をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図である。支持体１００Ｃは、円盤状の支持体１００の中央部に円形の開口部ｈを設けたものである。この図２７に示す変形例の場合、円盤状の受力体３００にも円形の開口部Ｈが設けられているため、配線や信号線は開口部Ｈを通して図の上方に導出することもできるし、開口部ｈを通して図の下方に導出することもできる。なお、支持体１００Ｃの上面には、８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８を設ける必要があるため、開口部ｈの直径は、開口部Ｈの直径よりも若干小さくなっている。
【０１８９】
もちろん、支持体や受力体には、必ずしも開口部を設ける必要はない。たとえば、各固定電極Ｅ１〜Ｅ８に対する配線や、検出リングの内部スペースに設けた検出回路からの信号線を、中間体の側方から外部へ導出する構成を採る場合は、支持体および受力体に開口部を形成する必要はない。
【０１９０】
図２８は、図２４に示すダブルリング式基本構造部における受力体３００の代わりに、受力体３００Ｄを用いた変形例をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図である。受力体３００には円形の開口部Ｈが設けられていたが、図２８に示す受力体３００Ｄは単なる円盤状の部材である。このため、図２８に示す基本構造部の場合、支持体１００にも受力体３００Ｄにも開口部は形成されていない。しかしながら、この変形例の場合、たとえば、上方検出リング２１１Ｂと下方検出リング２１２Ｂとの間の空隙部を利用して、側方から検出リングの内部空間に対する配線や信号線の出し入れが可能であるため、上下に開口部がなくても支障は生じない。
【０１９１】
＜４−５．接続部材に関する変形例＞
ここでは、支持接続部材および受力接続部材に関する変形例を述べる。図２９(a) は、これまで述べてきた基本的実施形態に係る検出リング２１０と、支持接続部材２２１，２２２および受力接続部材２３１，２３２（図では、太い破線で示してある）との位置関係を示す平面図である。既に述べたとおり、図示のようにＸＹ座標系を定義した場合、検出リング２１０におけるＸ軸上の点として定義された固定点Ｐ１，Ｐ２は、支持接続部材２２１，２２２によって支持体１００の上面に固定され、検出リング２１０におけるＹ軸上の点として定義された作用点Ｑ１，Ｑ２は、受力接続部材２３１，２３２によって受力体３００の下面に固定される。
【０１９２】
このように、これまで述べてきた実施例は（種々の変形例を含めて）、支持接続部材２２１，２２２および受力接続部材２３１，２３２が、検出リング２１０の外周面から更に外側に突出する部材によって構成されている。そして、支持接続部材２２１，２２２の下面は、検出リング２１０（複数の検出リングがある変形例の場合には、最も下方に位置する検出リング）の下面よりも下方に位置し、支持体１００の上面に接続され、検出リング２１０（複数の検出リングがある変形例の場合には、最も下方に位置する検出リング）の下面と支持体１００の上面との間には所定の空隙が形成される。また、受力接続部材２３１，２３２の上面は、検出リング２１０（複数の検出リングがある変形例の場合には、最も上方に位置する検出リング）の上面よりも上方に位置し、受力体３００の下面に接続され、検出リング２１０（複数の検出リングがある変形例の場合には、最も上方に位置する検出リング）の上面と受力体３００の下面との間には所定の空隙が形成されている。
【０１９３】
しかも、支持接続部材２２１，２２２および受力接続部材２３１，２３２のＸＹ平面への投影像は、支持体１００のＸＹ平面への投影像の内部に包含され、かつ、受力体３００のＸＹ平面への投影像の内部に包含されている。別言すれば、図２の斜視図に示されているように、中間体２００は、支持体１００と受力体３００との間に挟まれた円柱状空間内にすっぽりと収容された状態になっている。
【０１９４】
このように、検出リング２１０の外周部に各接続部材を配置して、支持体１００もしくは受力体３００に接続する構造を採用すると、支持体１００もしくは受力体３００に対する接続面の面積を比較的広くとることができ、接続強度を十分に確保する上で好ましい。また、図２の斜視図に示されているように、中間体２００が、支持体１００と受力体３００との間に挟まれた円柱状空間内にすっぽりと収容された状態になっているため、検出リングに弾性変形が生じたとしても、検出リングの膨らんだ変形部分が上記円柱状空間の外側に食み出すことはなく、検出リングの一部が外部の物体に接触して検出結果に悪影響を及ぼすような事態は発生しない。
【０１９５】
しかしながら、検出リングの内部に配線や回路を組み込むためスペースを確保するという観点からは、検出リングの直径はできるだけ大きくした方が好ましい。図２９(b) は、このような観点に基づく変形例を示す平面図であり、検出リング２１０Ｅと、支持接続部材２２１Ｅ，２２２Ｅおよび受力接続部材２３１Ｅ，２３２Ｅ（図では、太い破線で示してある）との位置関係を示している。
【０１９６】
図２９(b) に示す検出リング２１０Ｅは、図２９(a) に示す検出リング２１０に比べて直径が大きく設定されている。その代わり、支持接続部材２２１Ｅ，２２２Ｅおよび受力接続部材２３１Ｅ，２３２Ｅは、検出リング２１０Ｅの外周部ではなく、上面もしくは下面に配置されている。
【０１９７】
すなわち、図２９(b) に示すように、単一の検出リング２１０Ｅのみを用いたシングルリング式基本構造部について、上下両面からの接続方式を採用する場合には、支持接続部材２２１Ｅ，２２２Ｅは、当該検出リング２１０Ｅの下面と支持体１００とを接続する部材によって構成され、受力接続部材２３１Ｅ，２３２Ｅは、当該検出リング２１０Ｅの上面と受力体３００とを接続する部材によって構成される。
【０１９８】
図３０は、シングルリング式基本構造部について、図２９(b) に示す変形例を適用した例をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図である。図示のとおり、検出リング２１０Ｅの下面の固定点Ｐ１，Ｐ２の位置（図の左右両端位置）には、支持接続部材２２１Ｅ，２２２Ｅが配置され、支持体１００の上面に対する接続が行われている。また、検出リング２１０Ｅの上面の作用点Ｑ１，Ｑ２の位置（図の中央位置）には、受力接続部材２３１Ｅ，２３２Ｅが配置され（図には、奥に位置する受力接続部材２３１Ｅのみが現れている）、受力体３００の下面に対する接続が行われている。
【０１９９】
一方、図２２に示す例のように、複数の検出リングを積層したマルチリング式基本構造部について、図２９(b) に示すような上下両面からの接続方式を採用する場合には、支持接続部材２２１Ｅ，２２２Ｅを、最も下方に位置する検出リングと支持体とを接続する部材と、上下に隣接する個々の検出リング対について上方検出リングの下面と下方検出リングの上面とを接続する部材と、によって構成すればよい。同様に、受力接続部材２３１Ｅ，２３２Ｅを、最も上方に位置する検出リングと受力体とを接続する部材と、上下に隣接する個々の検出リング対について上方検出リングの下面と下方検出リングの上面とを接続する部材と、によって構成すればよい。
【０２００】
図３１は、図２２に示すダブルリング式基本構造部について、図２９(b) に示すような上下両面からの接続を行う変形例を適用した例をＸＺ平面で切断した状態を示す断面図である。
【０２０１】
図示のとおり、上方検出リング２１１Ｆの上面の作用点Ｑ１，Ｑ２の位置（図の中央位置）には、受力接続部材２３１Ｆ１，２３２Ｆ１が配置され（図には、奥に位置する受力接続部材２３１Ｆ１のみが現れている）、受力体３００の下面に対する接続が行われている。そして、更に、上方検出リング２１１Ｆの下面の作用点Ｑ１，Ｑ２の位置（図の中央位置）と、下方検出リング２１２Ｆの上面の作用点Ｑ１，Ｑ２の位置（図の中央位置）と、の間には、受力接続部材２３１Ｆ２，２３２Ｆ２が配置されている（図には、奥に位置する受力接続部材２３１Ｆ２のみが現れている）。
【０２０２】
一方、下方検出リング２１２Ｆの下面の固定点Ｐ１，Ｐ２の位置（図の左右両端位置）には、支持接続部材２２１Ｆ２，２２２Ｆ２が配置され、支持体１００の上面に対する接続が行われている。そして、更に、上方検出リング２１１Ｆの下面の固定点Ｐ１，Ｐ２の位置（図の左右両端位置）と、下方検出リング２１２Ｆの上面の固定点Ｐ１，Ｐ２の位置（図の左右両端位置）と、の間には、支持接続部材２２１Ｆ１，２２２Ｆ１が配置されている。
【０２０３】
結局、この図３１に示す変形例の場合、支持接続部材２２１Ｆ１，２２１Ｆ２が、上下両検出リングの固定点Ｐ１を支持体１００に固定するための支持接続部材としての機能を果たし、支持接続部材２２２Ｆ１，２２２Ｆ２が、上下両検出リングの固定点Ｐ２を支持体１００に固定するための支持接続部材としての機能を果たす。同様に、受力接続部材２３１Ｆ１，２３１Ｆ２が、上下両検出リングの作用点Ｑ１を受力体３００に固定するための受力接続部材としての機能を果たし、受力接続部材２３２Ｆ１，２３２Ｆ２（図３１には現れていない）が、上下両検出リングの作用点Ｑ２を受力体３００に固定するための受力接続部材としての機能を果たす。
【０２０４】
図３０および図３１に示す変形例のように、接続部材を検出リングの上面もしくは下面に接続する形態を採用すると、支持体１００もしくは受力体３００に対する接続面の面積はあまり大きくとることはできず、また、検出リングに弾性変形が生じた場合に、検出リングの膨らんだ変形部分が外側に食み出して外部の物体に接触するおそれが生じるものの、検出リングの直径を大きくすることができるため、配線や回路を組み込むためスペースを十分に確保することができるというメリットが得られる。
【０２０５】
なお、これまで述べてきた実施例は、いずれも検出リング上に２組の固定点Ｐ１，Ｐ２と２組の作用点Ｑ１，Ｑ２を設定した例であるため、これに応じて、２組の支持接続部材２２１，２２２と２組の受力接続部材２３１，２３２を設けているが、本発明を実施する上で、固定点Ｐおよび作用点Ｑは、必ずしも２組ずつに限定されるものではない。本発明における固定点Ｐは、検出リング上の１点であって支持体に対して接続される点を意味し、本発明における作用点Ｑは、検出リング上の１点であって受力体に対して接続される点を意味するものである。
【０２０６】
したがって、原理的には、少なくとも１つの固定点Ｐと少なくとも１つの作用点Ｑとが定義されており、かつ、固定点ＰのＸＹ平面への投影像と作用点ＱのＸＹ平面への投影像とが異なる位置に形成されるような定義が行われていれば足りる（固定点ＰのＸＹ平面への投影像と作用点ＱのＸＹ平面への投影像とが同じ位置に形成されてしまうと、外力の作用により検出リングに弾性変形が生じないため、検出を行うことができなくなる）。
【０２０７】
もっとも、実用上は、２以上の固定点Ｐと２以上の作用点Ｑを設けるのが好ましい。具体的には、検出リングの輪郭に沿った環状路に、複数ｎ個（ｎ≧２）の固定点Ｐと複数ｎ個の作用点Ｑとが交互に配置されるように定義し、検出素子によって、隣接配置された固定点Ｐと作用点Ｑとの間の位置に定義された測定点Ｒの近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出するようにすればよい。
【０２０８】
これまで述べてきた実施例は、いずれも、ｎ＝２に設定した例であり、図５(b) に示すように、検出リング２１０の輪郭に沿った環状路Ｓ（図では二点鎖線で示されている）に、第１の固定点Ｐ１、第１の作用点Ｑ１、第２の固定点Ｐ２、第２の作用点Ｑ２の順に、２個の固定点および２個の作用点を配置し、当該環状路Ｓにおける第１の固定点Ｐ１と第１の作用点Ｑ１との間の位置に配置された第１の測定点Ｒ１、当該環状路Ｓにおける第１の作用点Ｑ１と第２の固定点Ｐ２との間の位置に配置された第２の測定点Ｒ２、当該環状路Ｓにおける第２の固定点Ｐ２と第２の作用点Ｑ２との間の位置に配置された第３の測定点Ｒ３、当該環状路Ｓにおける第２の作用点Ｑ２と第１の固定点Ｐ１との間の位置に配置された第４の測定点Ｒ４をそれぞれ定義したときに、検出素子が、これら第１〜第４の測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍における検出リング２１０の弾性変形を電気的に検出する機能を果たすことになる。
【０２０９】
特に、これまで述べてきた実施例では、２組の固定点Ｐ１，Ｐ２と、２組の作用点Ｑ１，Ｑ２とが、互いに直交する座標系上の点となるような定義を行っている。このような定義を行うことにより、力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚ，モーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚという三次元直交座標系における６軸成分を効率的に検出することが可能になる。
【０２１０】
図５(b) に示す例の場合は、固定点Ｐ１，Ｐ２および作用点Ｑ１，Ｑ２は、いずれもＸＹ平面上の点になるが、図２２に示すように２組の検出リング２１１Ｂ，２１２Ｂを用いる変形例の場合は、個々のリングごとにそれぞれ固定点Ｐ１，Ｐ２および作用点Ｑ１，Ｑ２が定義され、これらの点は必ずしもＸＹ平面上の点にはならない。ただ、このような複数のリングを用いる変形例も含めて、２組の固定点Ｐ１，Ｐ２と２組の作用点Ｑ１，Ｑ２の配置および中間体の構造は、次のように言うことができる。
【０２１１】
まず、第１の固定点Ｐ１のＸＹ平面への投影像はＸ軸正領域上に、第１の作用点Ｑ１のＸＹ平面への投影像はＹ軸正領域上に、第２の固定点Ｐ２のＸＹ平面への投影像がＸ軸負領域上に、第２の作用点Ｑ２のＸＹ平面への投影像がＹ軸負領域上に、それぞれ位置している。
【０２１２】
そして、ＸＹ平面への投影像がＸ軸正領域上に位置するように配置された第１の支持接続部材により、検出リングの第１の固定点Ｐ１近傍が支持体に接続され、ＸＹ平面への投影像がＸ軸負領域上に位置するように配置された第２の支持接続部材により、検出リングの第２の固定点Ｐ２近傍が支持体に接続されている。同様に、ＸＹ平面への投影像がＹ軸正領域上に位置するように配置された第１の受力接続部材により、検出リングの第１の作用点Ｑ１近傍が受力体に接続され、ＸＹ平面への投影像がＹ軸負領域上に位置するように配置された第２の受力接続部材により、検出リングの第２の作用点Ｑ２近傍が受力体に接続されている。
【０２１３】
更に、検出素子は、ＸＹ平面への投影像がＸＹ座標系の第１象限、第２象限、第３象限、第４象限にそれぞれ位置する第１の測定点Ｒ１、第２の測定点Ｒ２、第３の測定点Ｒ３、第４の測定点Ｒ４の近傍における検出リングの弾性変形を電気的に検出する役割を果たすことになる。
【０２１４】
＜４−６．検出素子に関する変形例＞
最後に、検出素子に関する変形例を述べる。これまで述べてきた実施例は、いずれも検出素子として容量素子を利用した例であるが、本発明に用いる検出素子は、検出リングの弾性変形を電気的に検出することができる素子であれば、どのような素子を用いてもかまわない。
【０２１５】
たとえば、ストレインゲージを検出素子として利用すれば、検出リングの弾性変形を各部の機械的な歪みとして電気的に検出することができる。具体的には、検出リングの測定点Ｒの近傍にストレインゲージを貼り付けておき、これらストレインゲージを検出素子として用いた検出回路として、ホイートストンブリッジ回路を用意しておくようにすれば、ブリッジ電圧として作用した力やモーメントを検出することが可能である。
【０２１６】
また、これまで述べてきた実施例は、検出素子として容量素子を利用し、検出リング上の測定点Ｒの変位を容量素子の静電容量値の変動として検出する例であるが、測定点Ｒの変位を電気的に検出可能な検出素子は、必ずしも容量素子に限定されるものではなく、一般的に、距離の検出が可能な素子であれば、どのような検出素子を利用してもかまわない。
【０２１７】
たとえば、検出リングの少なくとも測定点Ｒの近傍が導電性材料によって構成されていれば、その近傍において支持体に固定された渦電流変位計を検出素子として利用することが可能である。渦電流変位計は、高周波磁界によって測定点Ｒの近傍に渦電流を発生させる機能を有するとともに、コイルに生じるインピーダンス変化を検知する機能を有しており、当該インピーダンス変化に基づいて測定点Ｒとの距離を測定することができる。したがって、これまで述べてきた容量素子と同様の機能を果たすことができる。
【０２１８】
また、検出リングの少なくとも測定点Ｒの近傍を磁石によって構成しておけば、その近傍において支持体に固定されたホール素子を検出素子として利用することが可能である。ホール素子に作用する磁界の強度は、測定点Ｒ近傍の磁石の変位によって変化するので、ホール素子による磁界の検出値を、距離測定値として用いることが可能になる。
【０２１９】
この他、光ビームを利用した距離測定器を検出素子として利用することもできる。たとえば、検出リングの測定点Ｒの近傍に対して斜め方向に光ビームを照射する光ビーム照射器と、照射面から反射された光ビームを受光する光ビーム受光器とを、支持体側に固定しておき、光ビーム受光器による光ビームの受光位置に基づいて距離測定値を出力する測定回路を用意しておけばよい。検出リング２００の測定点Ｒ近傍が変位すると、光ビームの照射位置および反射ビームの射出方向が変化することになるので、光ビーム受光器による光ビームの受光位置も変化する。したがって、測定回路は、この受光位置に基づいて距離測定値を出力することができる。
【符号の説明】
【０２２０】
１１〜１８：Ｃ／Ｖ変換回路
２１〜２６：加減算回路
１００：支持体
１００Ｃ：支持体
２００：中間体
２００Ａ：中間体
２００Ｂ：中間体
２１０：検出リング
２１０Ａ：検出リング
２１０Ｅ：検出リング
２１１Ｂ，２１１Ｆ：上方検出リング
２１２Ｂ，２１２Ｆ：下方検出リング
２２１，２２２：支持接続部材
２２１Ａ，２２２Ａ：支持接続部材
２２１Ｂ，２２２Ｂ：支持接続部材
２２１Ｅ，２２２Ｅ：支持接続部材
２２１Ｆ１，２２１Ｆ２，２２２Ｆ１，２２２Ｆ２：支持接続部材
２３１，２３２：受力接続部材
２３１Ａ，２３２Ａ：受力接続部材
２３１Ｂ，２３２Ｂ：受力接続部材
２３１Ｅ，２３２Ｅ：受力接続部材
２３１Ｆ１，２３１Ｆ２，２３２Ｆ１，２３２Ｆ２：受力接続部材
３００：受力体
３００Ｄ：受力体
４００：ロボットの第１アーム部
５００：ロボットの第２アーム部
Ａ：対向領域（電極Ｅｂの投影像）
Ｃ１〜Ｃ８：容量素子
ｄ１，ｄ２：空隙寸法
Ｅ０：共通変位電極（検出リング２１０の表面）
Ｅ１〜Ｅ８：固定電極
Ｅａ，Ｅｂ：電極
Ｆｘ：Ｘ軸方向の力
Ｆｙ：Ｙ軸方向の力
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力
Ｈ，ｈ：開口部
Ｍｘ：Ｘ軸まわりのモーメント
Ｍｙ：Ｙ軸まわりのモーメント
Ｍｚ：Ｚ軸まわりのモーメント
Ｏ：ＸＹＺ三次元直交座標系の原点
Ｏ′：原点Ｏの投影点
Ｐ１：第１の固定点
Ｐ２：第２の固定点
Ｑ１：第１の作用点
Ｑ２：第２の作用点
Ｒ１：第１の測定点
Ｒ２：第２の測定点
Ｒ３：第３の測定点
Ｒ４：第４の測定点
Ｓ：検出リング２１０の輪郭に沿った環状路
Ｓ１〜Ｓ３：シングルリングのサンプル
Ｔ１：トリプルリングのサンプル
Ｖ：Ｘ軸およびＹ軸に対して４５°傾斜した座標軸
Ｖ′：Ｖ軸の支持体１００上面への投影軸
Ｖ１〜Ｖ８：電圧信号
Ｗ：Ｘ軸およびＹ軸に対して４５°傾斜した座標軸
Ｗ′：Ｗ軸の支持体１００上面への投影軸
Ｗ１〜Ｗ４：ダブルリングのサンプル
Ｘ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｘ′：Ｘ軸の支持体１００上面への投影軸
Ｙ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｙ′：Ｙ軸の支持体１００上面への投影軸
Ｚ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
【要約】
【課題】内部空間を確保しつつ、力とモーメントの検出感度のバランスを調整する。
【解決手段】Ｚ軸が中心軸となるように、導電性弾性体からなる円形の検出リング２１０を配置し、その下方に円盤状の支持体１００、上方にワッシャ状の受力体３００を配置する。Ｘ軸上に配置された接続部材２２１，２２２により、検出リング２１０の外周面を支持体１００に接続し、Ｙ軸上に配置された接続部材２３１，２３２により、検出リング２１０の外周面を受力体３００に接続する。支持体１００を固定した状態で受力体３００に力やモーメントが作用すると、検出リング２１０が歪みを生じる。支持体１００上に設けられた８組の電極Ｅ１〜Ｅ８と検出リング２１０の対向面とから構成される８組の容量素子の容量値に基づき、力およびモーメントを検出する。検出リング２１０は上下に複数枚積層させることができ、その枚数により検出感度のバランスを調整する。
【選択図】図１２【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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