CN107735659A - 力觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的力觉传感器具备：支撑体，配置于XY平面上；变形体，配置成与支撑体相对，并具有因作为检测对象的力的作用而发生弹性变形的变形部；固定电极，配置于支撑体上；位移电极，以与固定电极相对的方式设于变形体的变形部，并与固定电极之间构成电容元件；以及检测电路，基于电容元件的静电电容值的变动量，输出表示所作用的力的电信号。电容元件具有第一电容元件和第二电容元件，检测电路基于相当于第一电容元件的静电电容值的第一电信号、相当于第二电容元件的静电电容值的第二电信号、以及相当于第一电容元件的静电电容值与第二电容元件的静电电容值之和的合计电信号，判断该力觉传感器是否在正常地发挥作用。

Description

力觉传感器

技术领域

本发明涉及力觉传感器，尤其是涉及具有将沿预定的轴向作用的力及绕预定的旋转轴作用的扭矩作为电信号输出的功能的传感器。

背景技术

具有将沿预定的轴向作用的力及绕预定的旋转轴作用的扭矩作为电信号输出的功能的力觉传感器例如在专利文献1中已有记载，其正广泛地被利用于工业用机器人的力控制。近年来，也在生活辅助机器人中采用，要求很高的安全性。然而，例如在现状的静电电容型的力觉传感器中，虽然具备机构部、静电电容的检测部(力的检测部)、包括微机的电子电路，但具有因结露、冲击、过负载或者在提供该静电电容的一对平行平板间混入异物而导致故障的可能性。

作为判断力觉传感器是否发生故障的简便的方法，例如可以将多个(例如三个)引用文献1中记载的力觉传感器并列排列而评价各力觉传感器的输出信号之差。在该方法中，将三个输出信号两两比较，如果各两个力觉传感器的输出信号之差存在于规定的范围内，则判断为该力觉传感器在正常地发挥作用；另一方面，如果该差未存在于规定的范围内，则判断为该力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开2004-354049号公报

然而，在采用了使用多个力觉传感器来判断该力觉传感器是否在正常地发挥作用的方法的情况下，随着力觉传感器的个数而导致成本增大。进而，导致为设置力觉传感器所需的空间也增大，是个问题。

本发明鉴于以上那样的问题而创造出。即，本发明的目的是，提供既能使成本及设置空间最小化、又能进行故障判断(是否在正常地发挥作用的判断)的力觉传感器。

发明内容

本发明的力觉传感器检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向的力，并具备：

支撑体，配置于XY平面上；

变形体，配置成与所述支撑体相对，并具有因作为检测对象的力的作用而发生弹性变形的变形部；

固定电极，配置于所述支撑体上；

位移电极，以与所述固定电极相对的方式设于所述变形体的所述变形部，并且，在所述位移电极与所述固定电极之间构成电容元件；以及

检测电路，基于所述电容元件的静电电容值的变动量，输出表示在负荷施加于所述变形体和所述支撑体中一方的状态下作用于另一方的力的电信号，

所述电容元件具有：从Z轴方向上观察时配置于包含该Z轴的区域的第一电容元件和第二电容元件，

所述检测电路将相当于所述第一电容元件的静电电容值的第一电信号、相当于所述第二电容元件的静电电容值的第二电信号、以及相当于所述第一电容元件的静电电容值与所述第二电容元件的静电电容值之和的合计电信号作为表示所作用的力的电信号而输出，并且，

基于所述第一电信号和所述合计电信号、或者基于所述第二电信号和所述合计电信号来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

根据本发明，能够相互比较基于第一电信号和合计电信号或者基于第二电信号和合计电信号而计测的力，因此能够由该力觉传感器本身判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。为此，可以提供能够在不使用多个力觉传感器的情况下、即在最小化成本及设置空间的同时进行故障判断(是否在正常地发挥作用的判断)的力觉传感器。

优选地，所述第二电容元件配置成包围所述第一电容元件。特别地，所述第一电容元件从Z轴方向上观察时具有圆盘状的形状，所述第二电容元件从Z轴方向上观察时具有圆环状的形状。

在这种情况下，由于各电容元件具有对称性的形状，因此用于根据各电容元件的静电电容值的变动来计测检测对象的力的处理是容易的。

对于构成各电容元件的位移电极和固定电极，可考虑各种方式。作为一个例子，所述位移电极具有第一位移电极和第二位移电极，所述固定电极具有与所述第一位移电极配置成相对的第一固定电极和与所述第二位移电极配置成相对的第二固定电极，所述第一电容元件由所述第一位移电极和所述第一固定电极构成，所述第二电容元件由所述第二位移电极和所述第二固定电极构成。

在这种情况下，优选地，以使在作用有Z轴方向的力而使所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生了变化的情况下，构成所述第一电容元件的一对电极和构成所述第二电容元件的一对电极的实效相对面积也不发生变化的方式将所述第一固定电极和所述第一位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第二固定电极和所述第二位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积。

在以上的力觉传感器中，也可以是，所述第一固定电极和所述第二固定电极由共同的电极构成、或者所述第一位移电极和所述第二位移电极由共同的电极构成。

优选地，所述第一电容元件从Z轴方向上观察时具有圆盘状的形状，所述第二电容元件从Z轴方向上观察时具有包围所述第一电容元件的圆环状的形状。

在这种情况下，由于各电容元件具有对称的形状，因此用于根据各电容元件的静电电容值的变动来计测检测对象的力的处理是容易的。

另外，所作用的Z轴方向的力优选基于所述合计电信号而计测。合计电信号由于与第一及第二电信号相比，用于力的计测的静电电容值(电极面积)更大，因此静电电容值的变化也大，从S/N的方面来看也是有利的。

优选地，所述检测电路通过判断“基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第一电信号计测出的力之差、以及基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差中至少一方”是否在规定的范围内来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

更优选地，所述检测电路将所述第一电信号和所述第二电信号双方作为表示所作用的力的电信号而输出，所述检测电路通过判断“基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第一电信号计测出的力之差和基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差中至少一方”、以及“基于所述第一电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差”是否在规定的范围内来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

在这些情况下，能够可靠地判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。

或者，根据本发明的力觉传感器检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向及X轴方向的力，并具备：

支撑体，配置于XY平面上；

变形体，配置成与所述支撑体相对，并具有因作为检测对象的力的作用而发生弹性变形的变形部；

固定电极，配置于所述支撑体上；

位移电极，以与所述固定电极相对的方式设于所述变形体的所述变形部，并且，在所述位移电极与所述固定电极之间构成电容元件；以及

检测电路，基于所述电容元件的静电电容值的变动量，输出表示在负荷施加于所述变形体和所述支撑体中一方的状态下作用于另一方的力的电信号，

所述电容元件具有：从Z轴方向上观察时夹着Y轴而配置的X轴负侧的第一电容元件和X轴正侧的第二电容元件、以及配置于所述第一电容元件附近的第三电容元件和配置于所述第二电容元件附近的第四电容元件，

所述检测电路将相当于“所述第一电容元件的静电电容值及所述第三电容元件的静电电容值之和与所述第二电容元件的静电电容值及所述第四电容元件的静电电容值之和的差”的第一电信号、以及相当于“所述第一电容元件的静电电容值与所述第二电容元件的静电电容值之差”的第二电信号和相当于“所述第三电容元件的静电电容值与所述第四电容元件的静电电容值之差”的第三电信号中至少一方作为表示所作用的X轴方向的力的电信号而输出，并且，

基于所述第一电信号和所述第二电信号、或者基于所述第一电信号和所述第三电信号来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

根据本发明，能够相互比较基于第一电信号和第二电信号、或者基于第一电信号和第三电信号而计测的力，因此能够由该力觉传感器本身判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。为此，可以提供能够在不使用多个力觉传感器的情况下、即在最小化成本及设置空间的同时进行故障判断(是否在正常地发挥作用的判断)的力觉传感器。

优选地，所述检测电路通过判断“基于所述第一电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差、以及基于所述第一电信号计测出的力与基于所述第三电信号计测出的力之差中至少一方”是否在规定的范围内来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

更优选地，所述检测电路将所述第二电信号和所述第三电信号双方作为表示所作用的力的电信号而输出，所述检测电路通过判断“基于所述第一电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差和基于所述第一电信号计测出的力与基于所述第三电信号计测出的力之差中至少一方”、以及“基于所述第二电信号计测出的力与基于所述第三电信号计测出的力之差”是否在规定的范围内来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

在这些情况下，能够可靠地判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。

另外，所作用的X轴方向的力优选基于所述第一电信号而计测。第一电信号由于与第二及第三电信号相比，用于力的计测的静电电容值(电极面积)更大，因此静电电容值的变化也大，从S/N的方面来看也是有利的。

或者，本发明的力觉传感器检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向及X轴方向的力，并具备：

支撑体，配置于XY平面上；

变形体，配置成与所述支撑体相对，并具有因作为检测对象的力的作用而发生弹性变形的变形部；

固定电极，配置于所述支撑体上；

位移电极，以与所述固定电极相对的方式设于所述变形体的所述变形部，并且，在所述位移电极与所述固定电极之间构成电容元件；以及

检测电路，基于所述电容元件的静电电容值的变动量，输出表示在负荷施加于所述变形体和所述支撑体中一方的状态下作用于另一方的力的电信号，

所述电容元件具有：从Z轴方向上观察时夹着Y轴而配置的X轴负侧的第一电容元件和X轴正侧的第二电容元件、以及配置于所述第一电容元件附近的第三电容元件和配置于所述第二电容元件附近的第四电容元件，

所述检测电路将相当于“所述第一电容元件的静电电容值与所述第二电容元件的静电电容值之和”的第一电信号和相当于“所述第三电容元件的静电电容值与所述第四电容元件的静电电容值之和”的第二电信号中至少一方、以及相当于“所述第一电容元件～所述第四电容元件各自的静电电容值之和”的合计电信号作为表示所作用的Z轴方向的力的电信号而输出，并且，

基于所述第一电信号和所述合计电信号、或者基于所述第二电信号和所述合计电信号来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

根据本发明，能够相互比较基于第一电信号和合计电信号、或者基于第二电信号和合计电信号而计测的力，因此能够由该力觉传感器本身判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。为此，可以提供能够在不使用多个力觉传感器的情况下、即在最小化成本及设置空间的同时进行故障判断(是否在正常地发挥作用的判断)的力觉传感器。

优选地，所述检测电路通过判断“基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第一电信号计测出的力之差、以及基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差中至少一方”是否在规定的范围内来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

更优选地，所述检测电路将所述第一电信号和所述第二电信号双方作为表示所作用的力的电信号而输出，所述检测电路通过判断“基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第一电信号计测出的力之差和基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差中至少一方”、以及“基于所述第一电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差”是否在规定的范围内来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

在这些情况下，能够可靠地判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。

另外，所作用的Z轴方向的力优选基于所述合计电信号而计测。合计电信号由于与第一及第二电信号相比，用于力的计测的静电电容值(电极面积)更大，因此静电电容值的变化也大，从S/N方面来看也是有利的。

优选地，所述第三电容元件配置于所述第一电容元件的X轴负侧，所述第四电容元件配置于所述第二电容元件的X轴正侧。

在这种情况下，由于第一～第四电容元件对称性地配置，因此用于根据各电容元件的静电电容值的变动而计测检测对象的力的处理是容易的。

对于构成各电容元件的位移电极及固定电极，可考虑各种方式。作为一个例子，所述位移电极具有：从Z轴方向上观察时夹着Y轴而配置的X轴负侧的第一位移电极和X轴正侧的第二位移电极、以及配置于所述第一位移电极的X轴负侧的第三位移电极和配置于所述第二位移电极的X轴正侧的第四位移电极，

所述固定电极具有：配置成与所述第一位移电极相对的第一固定电极、配置成与所述第二位移电极相对的第二固定电极、配置成与所述第三位移电极相对的第三固定电极、以及配置成与所述第四位移电极相对的第四固定电极，

所述第一电容元件由所述第一位移电极和所述第一固定电极构成，

所述第二电容元件由所述第二位移电极和所述第二固定电极构成，

所述第三电容元件由所述第三位移电极和所述第三固定电极构成，

所述第四电容元件由所述第四位移电极和所述第四固定电极构成。

在这种情况下，例如，所述第一固定电极和所述第一位移电极是从Z轴方向上观察时以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的X轴负侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第二固定电极和所述第二位移电极是从Z轴方向上观察时以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的X轴正侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第三固定电极和所述第三位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第一固定电极和所述第一位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第四固定电极和所述第四位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第二固定电极和所述第二位移电极的所述弧的半圆环状的电极。

在这种情况下，由于各电容元件具有对称的形状，因此用于根据各电容元件的静电电容值的变动来计测检测对象的力的处理是容易的。

在这种情况下，优选地，以使在作用有X轴方向以及/或者Z轴方向的力而使所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生了变化的情况下，构成所述第一电容元件～所述第四电容元件各自的一对电极的实效相对面积也不发生变化的方式将所述第一固定电极和所述第一位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第二固定电极和所述第二位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第三固定电极和所述第三位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第四固定电极和所述第四位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积。

在以上的力觉传感器中，也可以是，所述第一固定电极～所述第四固定电极中的至少两个固定电极由共同的电极构成、或者所述第一位移电极～所述第四位移电极中的至少两个位移电极由共同的电极构成。

或者，根据本发明的力觉传感器检测XYZ三维坐标系中的各轴方向的力及绕各轴的力矩，并具备：

支撑体，配置于XY平面上；

第一变形体，配置成与所述支撑体相对，并具有因作为检测对象的力或力矩的作用而发生弹性变形的四个第一变形部；

固定电极，对应于所述第一变形体的各变形部而配置于所述支撑体上；

位移电极，以与所述固定电极相对的方式分别设于所述第一变形体的所述四个第一变形部，并且，在所述位移电极与所述固定电极之间构成四组电容元件；

第二变形体，在所述第一变形体的与所述支撑体相反的一侧与所述第一变形体相对，并具有配置成与所述四个第一变形部相对的四个第二变形部；

连结部件，连结各第一变形部与对应于该第一变形部的所述第二变形部；以及

检测电路，基于所述四组电容元件各自的静电电容值的变动量，输出表示在负荷施加于所述第二变形体和所述支撑体中一方的状态下作用于另一方的力或力矩的电信号，

所述四组电容元件中的第一组电容元件具有：从Z轴方向上观察时在Y轴正侧夹着Y轴而配置的X轴负侧的第一电容元件和X轴正侧的第二电容元件、以及配置于所述第一电容元件附近的第三电容元件和配置于所述第二电容元件附近的第四电容元件，

所述四组电容元件中的第二组电容元件具有：从Z轴方向上观察时在X轴正侧夹着X轴而配置的Y轴正侧的第五电容元件和Y轴负侧的第六电容元件、以及配置于所述第五电容元件附近的第七电容元件和配置于所述第六电容元件附近的第八电容元件，

所述四组电容元件中的第三组电容元件具有：从Z轴方向上观察时在Y轴负侧夹着Y轴而配置的X轴正侧的第九电容元件和X轴负侧的第十电容元件、以及配置于所述第九电容元件附近的第十一电容元件和配置于所述第十电容元件附近的第十二电容元件，

所述四组电容元件中的第四组电容元件具有：从Z轴方向上观察时在X轴负侧夹着X轴而配置的Y轴负侧的第十三电容元件和Y轴正侧的第十四电容元件、以及配置于所述第十三电容元件附近的第十五电容元件和配置于所述第十四电容元件附近的第十六电容元件，

所述检测电路根据“基于所述第一电容元件、所述第二电容元件、所述第五电容元件、所述第六电容元件、所述第九电容元件、所述第十电容元件、所述第十三电容元件及所述第十四电容元件各自的静电电容值的变动量而检测的各轴方向的力及绕各轴的力矩”和“基于所述第三电容元件、所述第四电容元件、所述第七电容元件、所述第八电容元件、所述第十一电容元件、所述第十二电容元件、所述第十五电容元件及所述第十六电容元件各自的静电电容值的变动量而检测的各轴方向的力及绕各轴的力矩”中的至少一方、以及“基于所述第一电容元件～所述第十六电容元件各自的静电电容值的变动量而检测的各轴方向的力及绕各轴的力矩”来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

根据本发明，由于能够相互比较使用所有的电容元件而计测出的力及力矩与使用部分电容元件而计测出的力及力矩，因此能够由该力觉传感器本身判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。为此，可以提供能够在不使用多个力觉传感器的情况下、即在最小化成本及设置空间的同时进行故障判断(是否在正常地发挥作用的判断)的力觉传感器。

优选地，所述第三电容元件配置于所述第一电容元件的X轴负侧，

所述第四电容元件配置于所述第二电容元件的X轴正侧，

所述第七电容元件配置于所述第五电容元件的Y轴正侧，

所述第八电容元件配置于所述第六电容元件的Y轴负侧，

所述第十一电容元件配置于所述第九电容元件的X轴正侧，

所述第十二电容元件配置于所述第十电容元件的X轴负侧，

所述第十五电容元件配置于所述第十三电容元件的Y轴负侧，

所述第十六电容元件配置于所述第十四电容元件的Y轴正侧。

在这种情况下，由于第一～第十六电容元件对称性地配置，因此用于根据各电容元件的静电电容值的变动而计测检测对象的力的处理是容易的。

对于构成各电容元件的位移电极及固定电极，可考虑各种方式。作为一个例子，所述位移电极具有从Z轴方向上观察时绕原点每隔90°而配置的四组位移电极，

所述四组位移电极中的第一组位移电极具有：在Y轴正侧夹着Y轴而配置的X轴负侧的第一位移电极和X轴正侧的第二位移电极、以及配置于所述第一位移电极附近的第三位移电极和配置于所述第二位移电极附近的第四位移电极，

所述四组位移电极中的第二组位移电极具有：在X轴正侧夹着X轴而配置的Y轴正侧的第五位移电极和Y轴负侧的第六位移电极、以及配置于所述第五位移电极附近的第七位移电极和配置于所述第六位移电极附近的第八位移电极，

所述四组位移电极中的第三组位移电极具有：在Y轴负侧夹着Y轴而配置的X轴正侧的第九位移电极和X轴负侧的第十位移电极、以及配置于所述第九位移电极附近的第十一位移电极和配置于所述第十位移电极附近的第十二位移电极，

所述四组位移电极中的第四组位移电极具有：在X轴负侧夹着X轴而配置的Y轴负侧的第十三位移电极和Y轴正侧的第十四位移电极、以及配置于所述第十三电容元件附近的第十五位移电极和配置于所述第十四位移电极附近的第十六位移电极，

所述固定电极具有：配置成与所述第一位移电极相对的第一固定电极、配置成与所述第二位移电极相对的第二固定电极、配置成与所述第三位移电极相对的第三固定电极、配置成与所述第四位移电极相对的第四固定电极、配置成与所述第五位移电极相对的第五固定电极、配置成与所述第六位移电极相对的第六固定电极、配置成与所述第七位移电极相对的第七固定电极、配置成与所述第八位移电极相对的第八固定电极、配置成与所述第九位移电极相对的第九固定电极、配置成与所述第十位移电极相对的第十固定电极、配置成与所述第十一位移电极相对的第十一固定电极、配置成与所述第十二位移电极相对的第十二固定电极、配置成与所述第十三位移电极相对的第十三固定电极、配置成与所述第十四位移电极相对的第十四固定电极、配置成与所述第十五位移电极相对的第十五固定电极、以及配置成与所述第十六位移电极相对的第十六固定电极，

所述第一电容元件由所述第一位移电极和所述第一固定电极构成，

所述第二电容元件由所述第二位移电极和所述第二固定电极构成，

所述第三电容元件由所述第三位移电极和所述第三固定电极构成，

所述第四电容元件由所述第四位移电极和所述第四固定电极构成，

所述第五电容元件由所述第五位移电极和所述第五固定电极构成，

所述第六电容元件由所述第六位移电极和所述第六固定电极构成，

所述第七电容元件由所述第七位移电极和所述第七固定电极构成，

所述第八电容元件由所述第八位移电极和所述第八固定电极构成，

所述第九电容元件由所述第一位移电极和所述第一固定电极构成，

所述第十电容元件由所述第十位移电极和所述第十固定电极构成，

所述第十一电容元件由所述第十一位移电极和所述第十一固定电极构成，

所述第十二电容元件由所述第十二位移电极和所述第十二固定电极构成，

所述第十三电容元件由所述第十三位移电极和所述第十三固定电极构成，

所述第十四电容元件由所述第十四位移电极和所述第十四固定电极构成，

所述第十五电容元件由所述第十五位移电极和所述第十五固定电极构成，

所述第十六电容元件由所述第十六位移电极和所述第十六固定电极构成。

在这种情况下，例如，所述第一固定电极和所述第一位移电极是从Z轴方向上观察时以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的X轴负侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第二固定电极和所述第二位移电极是从Z轴方向上观察时以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的X轴正侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第三固定电极和所述第三位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第一固定电极和所述第一位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第四固定电极和所述第四位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第二固定电极和所述第二位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第五固定电极和所述第五位移电极是从Z轴方向上观察时以与X轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的Y轴正侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第六固定电极和所述第六位移电极是从Z轴方向上观察时以与X轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的Y轴负侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第七固定电极和所述第七位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第五固定电极和所述第五位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第八固定电极和所述第八位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第六固定电极和所述第六位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第九固定电极和所述第九位移电极是从Z轴方向上观察时以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的X轴正侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第十固定电极和所述第十位移电极是从Z轴方向上观察时以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的X轴负侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第十一固定电极和所述第十一位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第九固定电极和所述第九位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第十二固定电极和所述第十二位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第十固定电极和所述第十位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第十三固定电极和所述第十三位移电极是从Z轴方向上观察时以与X轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的Y轴负侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第十四固定电极和所述第十四位移电极是从Z轴方向上观察时以与X轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的Y轴正侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第十五固定电极和所述第十五位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第十三固定电极和所述第十三位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第十六固定电极和所述第十六位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第十四固定电极和所述第十四位移电极的所述弧的半圆环状的电极。

在这种情况下，由于各组的四个电容元件对称性地配置，因此用于根据各电容元件的静电电容值的变动而计测检测对象的力的处理是容易的。

另外，优选地，以使在作用有XYZ三维坐标系中的各轴方向的力及绕各轴的力矩而使所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生了变化的情况下，构成所述第一电容元件～所述第十六电容元件各自的一对电极的实效相对面积也不发生变化的方式将所述第一固定电极和所述第一位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第二固定电极和所述第二位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第三固定电极和所述第三位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第四固定电极和所述第四位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积，将所述第五固定电极和所述第五位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第六固定电极和所述第六位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第七固定电极和所述第七位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第八固定电极和所述第八位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第九固定电极和所述第九位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十固定电极和所述第十位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十一固定电极和所述第十一位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十二固定电极和所述第十二位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十三固定电极和所述第十三位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十四固定电极和所述第十四位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十五固定电极和所述第十五位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十六固定电极和所述第十六位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积。

在以上那样的力觉传感器中，也可以是，所述第一固定电极～所述第十六固定电极中的至少两个固定电极由共同的电极构成、或者所述第一位移电极～所述第十六位移电极中的至少两个位移电极由共同的电极构成。

另外，优选地，所述四组电容元件配置成从Z轴方向上观察时与原点的距离相等。在这种情况下，由于各组的电容元件对称性地配置，因此用于根据各电容元件的静电电容值的变动而计测检测对象的力的处理更加容易。

附图说明

图1是示出根据本发明一实施方式的单轴力觉传感器的概略截面图。

图2是示出图1的力觉传感器的位移电极的概略平面图。

图3是示出用于图1的力觉传感器的检测电路的一个例子的电路图。

图4是示出设于图3的检测电路的开关的导通/截止的连接状态的图表。

图5是示出根据本发明第二实施方式的双轴力觉传感器的概略截面图。

图6是示出图5的力觉传感器的位移电极的概略平面图。

图7是示出由于X轴方向的力Fx而在图5的力觉传感器的膜片上产生了变形的状态的概略截面图。

图8是示出用于图5的力觉传感器的检测电路的一个例子的电路图。

图9是示出设于图8的检测电路的开关的导通/截止的连接状态的图表。

图10是示出根据本发明第三实施方式的六轴力觉传感器的概略截面图。

图11是图10的A-A线截面图。

图12是图10的B-B线截面图。

图13是示出X轴方向的力作用时的图10的力觉传感器的状态的概略截面图。

图14是示出Z轴方向的力作用时的图10的力觉传感器的状态的概略截面图。

图15是示出绕Y轴的力矩作用时的图10的力觉传感器的状态的概略截面图。

图16是一览显示在X、Y、Z各轴方向的力及绕各轴的力矩作用于了图10的力觉传感器的情况下在电容元件上产生的静电电容值的变化的图表。

图17是示出用于图10的力觉传感器的检测电路的一个例子的电路图。

图18是示出设于图17的检测电路的开关的导通/截止的连接状态的图表。

图19是示出用于图10的力觉传感器的检测电路的其它例子的电路图。

图20是示出设于图19的检测电路的开关的导通/截止的连接状态的图表。

图21是在电容元件中设置了PWM电路的电路图。

图22是示出在图21的PWM电路的各构成部中输出的信号的波形的概略图。

图23是示出可在本发明的力觉传感器中采用的PWM电路的一个例子的电路图。

图24是示出在图23的PWM电路的各构成部中输出的信号的波形的概略图。

具体实施方式

<<<§1.单轴力觉传感器的实施例>>>

参照附图，对根据本发明第一实施方式的力觉传感器进行说明。图1是示出根据本发明第一实施方式的单轴力觉传感器的概略截面图，图2是示出图1的力觉传感器的位移电极的概略平面图。

如图1所示，根据本实施方式的力觉传感器是检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向(图1中的上下方向)的力的力觉传感器。本实施方式的力觉传感器具备：配置于XY平面上的平板状的支撑体300；变形体100，配置成与所述支撑体300相对，具有作为变形部的膜片150d，该膜片150d因作为检测对象的力Fz的作用而发生弹性变形；固定电极E20，隔着上部基板11而配置于支撑体300的上表面；以及位移电极E30，以与固定电极E20相对的方式隔着下部基板12而设于膜片150d上，在位移电极E30与固定电极E20之间构成电容元件C。在此，为便于说明起见，设支撑体300的上表面配置为与XY平面一致。

在本实施方式中，如图1所示，在变形体100的上表面(图1中的上方的面)设有接收作为检测对象的力Fz的受力体160，力Fz经由该受力体160而传递至膜片150d。另外，在变形体100的周缘部形成有朝下方延伸出的连接部151，该连接部151的下端与支撑体300的上表面连接。即，变形体100由支撑体300支撑，当作为检测对象的力Fz作用于受力体160时，膜片150d相对于支撑体300进行弹性变形。本实施方式的支撑体300及变形体100从上方(Z轴正向)观察时均具有在Z轴上具有中心的圆形的外形。进而，受力体160的直径小于变形体100，具有与支撑体300及变形体100同心的圆盘形状。如图1所示，力Fz与Z轴平行地作用于受力体160的上表面。

在没有任何力作用于受力体160的状态下，受力体160相对于支撑体300而处于固定位置，但当某力作用于受力体160时，具有弹性(可挠性)的膜片150d发生弹性变形，受力体160与支撑体300的相对位置将会发生变化。当然，当作用于受力体160的力消失时，受力体160返回至原来的固定位置。

接着，参照图2，对位移电极E30进行说明。本实施方式的位移电极E30具有：在Z轴上具有中心的圆盘状的第一位移电极E31和包围该第一位移电极E31的外周的、在Z轴上具有中心的圆环状的第二位移电极E32。另外，本实施方式的固定电极E20具有：在Z轴上具有中心的第一固定电极E21和包围该第一固定电极E21的外周的、在Z轴上具有中心的圆环状的第二固定电极E22。而且，第一位移电极E31与第一固定电极E21配置成彼此相对，构成第一电容元件C1，第二位移电极E32与第二固定电极E22配置成彼此相对，构成第二电容元件C2。在本实施方式中，第一位移电极E31与第一固定电极E21具有相同的形状，第二位移电极E32与第二固定电极E22具有相同的形状。当然，在其它实施方式中，也可以由第一位移电极和包围该第一位移电极的第二位移电极构成位移电极E30，并将固定电极E20构成为共同的电极；或者，还可以由第一固定电极和包围该第一固定电极的第二固定电极构成固定电极E20，并将位移电极E30构成为共同的电极。

或者，虽未图示，但也可考虑，以使在作用有Z轴方向的力而使位移电极相对于固定电极的相对位置发生了变化的情况下构成电容元件的一对电极的实效相对面积也不发生变化的方式将固定电极和位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积。具体而言，这是一种如下这样的状态：即、在将面积小一方的电极(例如位移电极)的轮廓投影到面积大一方的电极(例如固定电极)的表面上而形成了正射影投影像的情况下，面积小一方的电极的投影像完全地包含在面积大一方的电极的表面内。如果维持该状态，由两电极构成的电容元件的实效面积等于小的一方的电极的面积，总是为一定。即，能够使力的检测精度提高。

当向下的力Fz作用于以上那样的力觉传感器的受力体160时，膜片150d向下方弯曲。与此相伴地，第一位移电极E31及第二位移电极E32向下方位移。由此，第一及第二位移电极E31、E32与第一及第二固定电极E21、E22的分离距离减少，第一及第二电容元件C1、C2的静电电容值分别增大。根据这些静电电容值的变动量，能够将作用于受力体160的Z轴方向的力Fz作为第一和第二电容元件C1、C2的静电电容值之和来进行检测。

即，在将第一电容元件C1与第二电容元件C2并联连接的情况下，施加于受力体160的Z轴方向的力Fz可基于下式计测。需要注意的是，在下式中，C1及C2分别表示第一及第二电容元件C1、C2的静电电容值。另外，虽然力与静电电容值用“＝”结合起来，但它们是彼此不同的物理量，因此实际上在进行了规定的转换之后计测力Fz。另外，Fz1意味着基于下式的右边计测的力Fz，其是用于与基于后述的其它式子计测的力Fz相区分的记号。

[式1]

Fz1＝C1+C2

施加于受力体160的Z轴方向的力Fz只基于第一电容元件C1计测和只基于第二电容元件C2计测均可。即，力F也能够通过以下的Fz2、Fz3来计测。

[式2]

Fz2＝C1

Fz3＝C2

在本发明中，当判断力觉传感器是否在正常地发挥作用时，利用上述Fz1Fz3。具体而言，断开第一电容元件C1与第二电容元件C2，根据上述的Fz2及Fz3的式子计测力Fz。然后，评价Fz1与Fz2或Fz3之差是否在规定的范围内、以及Fz2与Fz3之差是否在规定的范围内。然后，当所有的差均在规定的范围内时，判断力觉传感器在正常地发挥作用。另一方面，当任意的差在规定范围外时，判断该力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)。

需要注意的是，在位移电极的结构上，Fz2与Fz3不完全一致。这起因于，受力体160设于膜片150d的包含Z轴(力Fz的作用轴线)的区域上、即对应于第一位移电极E31的区域上，因此，例如当向下的力Fz作用于了受力体160时，第一位移电极E31向下方的位移大于第二位移电极E32向下方的位移。为此，第一电容元件C1的静电电容值的变动量大于第二电容元件C2的静电电容值的变动量。这一点在向上的力Fz作用于了受力体160的情况下也是相同的。在本实施方式的力觉传感器中，通过考虑各电容元件中的静电电容值的变动量的差异来设定上述的规定的范围，从而能够适当判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。

另外，例如在第一及第二电容元件C1、C2的静电电容值在力Fz未作用于受力体160的初始状态下均相等的情况下，由上述的[式1]及[式2]的右边可知，Fz2及Fz3为Fz1的大致一半的值。为此，当比较Fz1与Fz2或Fz1与Fz3时，例如使Fz2或Fz3为两倍来进行用于适当执行该比较的处理。当然，该处理应根据第一及第二电容元件C1、C2的各静电电容值恰当地进行。

需要说明的是，虽然作用于受力体160的力也可以通过Fz2或Fz3来计测，但通过Fz1来计测的精度高。这是因为，用于力的计测的静电电容值(电极面积)比Fz2及Fz3时大，因此静电电容值的变化也大，从S/N的角度来看也是有利的。

基于设于本实施方式的力觉传感器的实际的检测电路来说明以上的判断方法。

图3是示出用于检测施加于图1的力觉传感器的受力体160的Z轴方向的力Fz的检测电路的一个例子的电路图，图4是示出设于图3的检测电路的开关的导通/截止的连接状态的图表。

如图3所示，第一电容元件C1可经由开关SW1选择性地连接于第一C/V转换器40a，第二电容元件C2可经由开关SW2选择性地连接于第二C/V转换器40b。另外，第一电容元件C1与第二电容元件C2可经由开关SW3选择性地连接。C/V转换器40a、40b分别为将电容元件C1、C2的静电电容值转换成电压值V1、V2的电路，转换后的电压值V1、V2是对应于各电容元件C1、C2的静电电容值的值。这些电压值V1、V2被第一及第二信号处理部43a、43b分别进行信号处理，并作为上述的Fz1Fz3从输出端子T1、T2输出。进而，来自第一及第二信号处理部43a、43b的各输出信号与用于比较该各输出信号的比较部44连接，根据该比较部44的输出信号而判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。

为检测施加于受力体160的Z轴方向的力Fz，按图4的时机(タイミング)1的列中记载的那样控制各开关SW1SW3的连接状态即可。即，使开关SW1及SW3导通(连接)，使开关SW2截止(断开)。由此，第一及第二C/V转换器40a、40b的输出V1、V2由下式表示：

[式3]

V1＝C1+C2

V2＝0

由上可知，V1对应于“Fz1”(参照[数学式1])，因此，能够通过图4的时机1的连接状态来计测力Fz。

接着，为判断力觉传感器是否在正常地发挥作用，按图4的时机2的列中记载的那样控制各开关SW1SW3的连接状态即可。即，使开关SW1及SW2导通(连接)，使开关SW3截止(断开)。由此，第一及第二C/V转换器40a、40b的输出V1、V2由下式表示：

[式4]

V1＝C1

V2＝C2

由上可知，V1对应于“Fz2”，V2对应于“Fz3”(参照[数学式2])，因此，能够通过图4的时机2的连接状态来计测Fz2和Fz3。

然后，图3的比较部44评价(a)“Fz1-Fz2”是否在规定的范围内以及(b)“Fz2-Fz3”是否在规定的范围内。在不满足这些(a)及(b)的条件中至少一方的情况下，判断力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)。在这种情况下，从图3的输出端子S发出表示判断为故障的故障诊断信号。

开关SW1SW3的时机1与时机2的切换通过微机进行即可。时机1与时机2的连接状态例如既可以每隔相同的时间交替地切换，也可以按例如10:1或100:1的时间比切换时机1的连接状态与时机2的连接状态而使力Fz的计测时间(时机1)延长，使故障诊断(时机2)的时间相对缩短。需要注意的是，作用于受力体160的力Fz不论通过Fz1Fz3中哪一个均能计测，但电极面积越大，力的检测灵敏度越高，在静止噪声方面也优异，因此优选通过Fz1来计测。

另外，图3的比较部44既可以评价(c)“Fz1-Fz3”是否在规定的范围内以及(b)“Fz2-Fz3”是否在规定的范围内，并在不满足这些(c)及(b)的条件中至少一方的情况下，判断为力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)，也可以评价(a)“Fz1-Fz2”是否在规定的范围内以及(c)“Fz1-Fz3”是否在规定的范围内，并在这些(a)及(c)的条件中至少一方不在该规定的范围内的情况下，判断为力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)。

根据以上那样的本实施方式的力觉传感器，通过相互比较基于对应于C1+C2的电信号、对应于C1的电信号以及对应于C2的电信号各自所计测的力Fz1～Fz3，能够由该力觉传感器本身判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。因此，可以提供能够在不使用多个力觉传感器的情况下、即在最小化成本及设置空间的同时进行故障判断(是否在正常地发挥作用的判断)的力觉传感器。

具体而言，检测电路通过判断“基于对应于C1+C2的电信号所计测出的力Fz1与基于对应于C1的电信号所计测出的力Fz2之差”以及“基于对应于C1的电信号所计测出的力Fz2与基于对应于C2的电信号所计测出的力Fz3之差”是否在规定的范围内来判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。由此，能够可靠地判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。

另外，在本实施方式中，第一电容元件C1从Z轴方向观察具有圆盘状的形状，第二电容元件C2从Z轴方向观察具有包围第一电容元件C1的圆环状的形状。为此，由于各电容元件C1、C2成为对称的形状，所以用于基于各电容元件C1、C2的静电电容值的变动而计测检测对象的力Fz的处理是容易的。

<<<§2.双轴力觉传感器的实施例>>>

接着，对将以上的故障判断的原理应用于双轴力觉传感器的例子进行说明。

在此说明的双轴力觉传感器是能够检测作用于受力体160的Z轴方向的力Fz和X轴方向的力Fx这两个力的力觉传感器。图5是示出根据本发明第二实施方式的双轴力觉传感器的概略截面图，图6是示出图5的力觉传感器的位移电极的概略平面图。

如图5及图6所示，本实施方式的力觉传感器是检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向(图1中的上下方向)以及X轴方向(图1中的左右方向)的力的力觉传感器。该力觉传感器具有与根据第一实施方式的单轴力觉传感器大致同样的结构。即，具备：配置于XY平面上的平板状的支撑体300；变形体100，配置成与所述支撑体300的上表面相对，具有作为变形部的膜片150d，膜片150d因作为检测对象的力Fz及力Fx的作用而发生弹性变形；固定电极E20，隔着上部基板11而配置于支撑体300的上表面；以及位移电极E30，以与固定电极E20相对的方式隔着下部基板12而设于膜片150d上，与固定电极E20之间构成电容元件C。

在本实施方式中，如图5所示，也是在变形体100的上表面(图5中的上方的面)设有接收作为检测对象的力Fz及力Fx的受力体160，力Fz、Fx经由该受力体160传递至膜片150d。另外，在变形体100的周缘部形成有朝下方延伸出的连接部151，该连接部151的下端与支撑体300的上表面连接。即，变形体100由支撑体300支撑，当作为检测对象的力Fz、Fx作用于受力体160时，膜片150d相对于支撑体300发生弹性变形。本实施方式的支撑体300及变形体100从上方(Z轴正向)观察时均具有在Z轴上具有中心的圆形的外形。进而，受力体160的直径小于变形体100，并且，受力体160具有与支撑体300及变形体100同心的圆盘形状。力Fz与Z轴平行地作用于受力体160的上表面。另外，力Fx作用于受力体160的侧面。

本实施方式的力觉传感器在电容元件的结构上与第一实施方式的力觉传感器不同。即，本实施方式的电容元件具有：从Z轴方向观察夹着Y轴而配置的X轴负侧的第一电容元件C11和X轴正侧的第二电容元件C12、以及配置于该第一电容元件C11的X轴负侧的第三电容元件C21和配置于该第二电容元件C12的X轴正侧的第四电容元件C22。

具体而言，如图6所示，位移电极具有：从Z轴方向上观察夹着Y轴而配置的X轴负侧的第一位移电极E31和X轴正侧的第二位移电极E32、以及配置于该第一位移电极E31的X轴负侧的第三位移电极E33和配置于该第二位移电极E32的X轴正侧的第四位移电极E34。并且，固定电极具有：与第一位移电极E31相对配置的第一固定电极E21、与第二位移电极E32相对配置的第二固定电极E22、与第三位移电极E33相对配置的第三固定电极E23、以及与第四位移电极E34相对配置的第四固定电极E24。

第一电容元件C11由第一位移电极E31和第一固定电极E21构成，第二电容元件C12由第二位移电极E32和第二固定电极E22构成，第三电容元件C21由第三位移电极E33和第三固定电极E23构成，第四电容元件C22由第四位移电极E34和第四固定电极E24构成。在本实施方式中，第一位移电极E31与第一固定电极E21具有相同的形状，第二位移电极E32与第二固定电极E22具有相同的形状，第三位移电极E33与第三固定电极E23具有相同的形状，第四位移电极E34与第四固定电极E24具有相同的形状。

当然，在其它实施方式中，也可以将第一～第四位移电极的至少两个、例如全部构成为共同的电极，由包围位移电极的第二位移电极构成，并将固定电极E20构成为共同的电极；或者，也可以由第一固定电极和包围该第一固定电极的第二固定电极构成固定电极E20，并将位移电极E30构成为共同的电极。

或者，虽未图示，但也考虑，以使在作用有X轴方向及Z轴方向的力而使位移电极相对于固定电极的相对位置发生了变化的情况下，构成电容元件的一对电极的实效相对面积也不发生变化的方式将固定电极和位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积。如上所述，这是一种如下这样的状态：即、在将面积小一方的电极(例如位移电极)的轮廓投影到面积大一方的电极(例如固定电极)的表面上而形成了正射影投影像的情况下，面积小一方的电极的投影像完全地包含在面积大一方的电极的表面内。如果维持该状态，由两电极构成的电容元件的实效面积等于小的一方的电极的面积，总是为一定。即，能够使力的检测精度提高。

进而，对从Z轴方向上观察的各电极的结构进行详述，第一固定电极E31和第一位移电极E21是以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的X轴负侧形成有弧的半圆状的电极，第二固定电极E32和第二位移电极E22是以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的X轴正侧形成有弧的半圆状的电极，第三固定电极E33和第三位移电极E23是分别包围第一固定电极E31及第一位移电极E21的所述弧的半圆环状的电极，第四固定电极E34和第四位移电极E24是分别包围第二固定电极E32及第二位移电极E22的所述弧的半圆环状的电极。结果，本实施方式的电极E20、E30成为以Y轴为剖线将第一实施方式的力觉传感器中的电极分别两等分后的形状。

当X轴方向的力Fx作用于以上那样的力觉传感器的受力体160时，膜片150d发生弹性变形。图7是示出因X轴方向的力Fx而在图5的力觉传感器的膜片150d上产生了变形的状态的概略截面图。在图7中，力Fx从图的左侧向右侧作用于受力体160。此时，膜片150d产生图示那样的变形。由于该变形，与Fx未作用于受力体160的初始状态相比较，位于X轴负侧的第一位移电极E31及第三位移电极E33向上方位移，但另一方面，第二位移电极E32及第四位移电极E34向下方位移。由于这样的各位移电极E31E34的位移，第一电容元件C11及第三电容元件C21的各静电电容值减少，而第二电容元件C12及第四电容元件C22的各静电电容值增大。基于这样的各电容元件C11C22的各静电电容值的变动量，能够将作用于受力体160的X轴方向的力Fx作为“第一电容元件C11的静电电容值和第三电容元件C21的静电电容值之和与第二电容元件C12的静电电容值和第四电容元件C22的静电电容值之和的差”来检测。

即，在将第一电容元件C11与第三电容元件C21并联、将第二电容元件C12与第四电容元件C22并联的情况下，施加于受力体160的X轴方向的力Fx可基于下式来计测。需要注意的是，在下式中，C11～C22分别表示第一～第四电容元件C11～C22的静电电容值。另外，虽然力与静电电容值用“＝”连结，但它们是彼此不同的物理量，因此实际上在进行了规定的变换之后计测力Fx。另外，Fx1意味着基于下式的右边而计测的力Fz，是用于与基于后述的其它式子计测的力Fz相区分的记号。

[式4]

Fx1＝(C12+C22)-(C11+C21)

施加于受力体160的X轴方向的力Fx只基于第一电容元件C11及第二电容元件C12计测和只基于第三电容元件C21及第四电容元件C22计测均可。即，力F也能够通过以下的Fx2、Fx3计测。

[式5]

Fx2＝C12-C11

Fx3＝C22-C21

当力Fx在图中向左作用于了受力体160时，各电容元件C11～C22的静电电容值的变动变为相反。具体而言，位于X轴负侧的第一位移电极E31及第三位移电极E33向下方位移，而第二位移电极E32及第四位移电极E34向上方位移。因此，在这种情况下，第一电容元件C11及第三电容元件C21的各静电电容值增大，而第二电容元件C12及第四电容元件C22的各静电电容值减少。因此，通过评价Fx1Fx3的右边的符号，能够检测力Fx的方向。

另外，当向下的力Fz作为Z轴方向的力Fz施加于了力觉传感器的受力体160时，膜片150d向下方弯曲。与此相伴，第一～第四位移电极E31E34向下方位移。由此，第一～第四位移电极E31E34与第一～第四固定电极E21～E24的分离距离减少而使第一～第四电容元件C11～C22的静电电容值分别增大。根据这些静电电容值的变动量，能够将作用于受力体160的Z轴方向的力Fz作为第一～第四电容元件C11～C22的静电电容值之和来检测。这样的力Fz的检测原理与根据第一实施方式的单轴力觉传感器的情况实质上相同。

即，在将第一～第四电容元件C11～C22彼此并联的情况下，施加于受力体160的Z轴方向的力Fz可通过下式的Fz1来计测。另外，只基于第一电容元件C11及第二电容元件C12而通过下式的Fz2来计测和只基于第三电容元件C21及第四电容元件C22而通过下式的Fz3来计测均可。

[式6]

Fz1＝C11+C12+C21+C22

Fz2＝C11+C12

Fz3＝C21+C22

在判断本实施方式的力觉传感器是否在正常地发挥作用时，利用Fx1Fx3和利用Fz1Fz3均可。在此，对利用Fx1Fx3的情况进行说明。在这种情况下，首先，断开第一电容元件C11与第二电容元件C12，基于上述的Fz2及Fz3的式子分别计测力Fx。然后，评价Fx1与Fx2之差是否在规定的范围内和Fx2与Fx3之差是否在规定的范围内。然后，当所有的差都在规定的范围内时，判断为力觉传感器在正常地发挥作用；当至少有一个差在规定的范围外时，判断为该力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)。

当然，也可以不评价Fx1与Fx2之差是否在规定的范围内和Fx2与Fx3之差是否在规定的范围内，而是评价Fx1与Fx3之差是否在规定的范围内和Fx2与Fx3之差是否在规定的范围内。

需要注意的是，在位移电极的结构上，Fx2与Fx3不完全一致。这起因于，由图7可知，例如当向左的力Fx作用于了受力体160时，第一位移电极E31向上方的位移大于第三位移电极E33向上方的位移以及第二位移电极E32向下方的位移大于第四位移电极E34向下方的位移。为此，第一电容元件C11及第二电容元件C12的静电电容值的变动量大于第三电容元件C21及第四电容元件C22的静电电容值的变动量。这在向左的力Fz作用于了受力体160的情况下也是相同的。在本实施方式的力觉传感器中，通过考虑各电容元件中的静电电容值的变动量的差异来设定上述的规定的范围，从而能够适当判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。

另外，例如当第一～第四电容元件C11～C22的静电电容值在力Fx及Fz未作用于受力体160的初始状态下均相等时，由上述的[式4]～[式6]的右边可知，Fx2及Fx3成为Fx1的大致一半的值，Fz2及Fz3成为Fz1的大致一半的值。为此，当比较Fx1与Fx2或Fx1与Fx3时，例如使Fx2或Fx3为两倍来进行用于适当执行该比较的处理。这一点对于Fz1Fz3也是同样的。当然，该处理应根据第一～第四电容元件C11～C22的各静电电容值而恰当地进行。

需要说明的是，作用于受力体160的力也能通过Fx2或Fx3、或者Fz2或Fz3来计测，但通过Fx1及Fz1来计测的精度更高。这是因为，用于力的计测的静电电容值(电极面积)比Fx2、Fx3、Fz2及Fz3时大，因此静电电容值的变化也大，从S/N的角度来看也是有利的。

基于设于本实施方式的力觉传感器的实际的检测电路来说明以上的判断方法。

图8是示出在本实施方式的力觉传感器中可采用的检测电路的一个例子的电路图，图9示出了表示设于图8的检测电路的开关SW1～SW8的导通/截止的连接状态的图表。

要通过图8的检测电路来检测施加于受力体160的力Fx及Fz，按图9的时机1的列中记载的那样控制各开关SW1SW8的连接状态即可。即，使开关SW1～SW4导通(连接)，使剩余的开关SW5～SW8截止(断开)。由此，经由第一～第四C/V转换器及A/D转换器45a～45d而向第一微机47a及第二微机47b提供对应于“C12+C22”的输出信号和对应于“C11+C21”的输出信号。第一及第二微机47a、47b基于各输出信号来运算Fx1及Fz1、即“(C12+C22)-(C11+C21)”以及“(C12+C22)+(C11+C21)”，计测力Fx及Fz。计测结果从输出端子T1、T1’输出。

接着，要判断力觉传感器是否在正常地发挥作用，按图7的时机2的列中记载的那样控制各开关SW1SW8的连接状态即可。即，使开关SW1～SW4截止(断开)，使剩余的开关SW5～SW8导通(连接)。由此，向第一微机47a及第二微机47b分别提供对应于“C11”、“C12”、“C21”及“C22”的输出信号。第一及第二微机47a、47b基于各输出信号来运算Fx2及Fx3、即“C12-C11”及“C22-C21”，计测力Fx。计测结果从输出端子T2、T2’、T3、T3’输出。

然后，第一及第二微机47a、47b例如评价(a)“Fx1-Fx2”是否在规定的范围内以及(b)“Fx2-Fx3”是否在规定的范围内。在不满足这些(a)及(b)的条件中至少一方的情况下，判断为力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)。在这种情况下，从图8的输出端子S、S’输出表示判断为故障的故障诊断信号。

在图8所示的检测电路中，使用了两个微机47a、47b，这是为了即使一方的微机发生故障，也能够从另一方的微机输出作用于受力体160的力和故障诊断信号。另外，本传感器的用户能够比较从第一微机47a输出的Fx1Fx3及故障诊断信号与从第二微机47b输出的Fx1Fx3及故障诊断信号两者，从而能够确认通过检测电路输出的信号的可靠性。

在故障判断时，微机47a、47b既可以评价(c)“Fx1-Fx3”是否在规定的范围内以及(b)“Fx2-Fx3”是否在规定的范围内，并在不满足这些(c)及(b)的条件中至少一方的情况下判断为力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)，也可以评价(a)“Fx1-Fx2”是否在规定的范围内及(c)“Fx1-Fx3”是否在规定的范围内，并在这些(a)及(c)的条件中至少一方不在该规定的范围内的情况下判断为力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)。

正如到目前为止已说明的，在基于Fx1Fx3进行力觉传感器的故障诊断的情况下，不必再计测Fz2及Fz3来进行故障诊断。当然，也能够代替基于Fx1Fx3的故障诊断而进行基于Fz1Fz3的故障诊断。在这种情况下，在图9的时机2所示的连接状态下通过两个微机47a、47b计测Fz2(＝C11+C12)以及Fz3(＝C21+C22)即可。然后，例如评价(a’)“Fz1-Fz2”是否在规定的范围内以及(b’)“Fz2-Fz3”是否在规定的范围内，并在不满足这些(a’)及(b’)的条件中至少一方的情况下判断为力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)即可。

当然，与基于Fx1-Fx3的故障判断时同样地，微机47a、47b既可以评价(c’)“Fz1-Fz3”是否在规定的范围内以及(b’)“Fz2-Fz3”是否在规定的范围内，并在不满足这些(c’)及(b’)的条件中至少一方的情况下判断为力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)，也可以评价(a’)“Fz1-Fz2”是否在规定的范围内及(c’)“Fz1-Fz3”是否在规定的范围内，并在这些(a’)及(c’)的条件中至少一方不在该规定的范围内的情况下判断为力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)。

根据以上那样的本实施方式的力觉传感器，例如通过相互比较基于对应于“(C12+C22)-(C11+C21)”的电信号、对应于“C12-C11”的电信号以及对应于“C22-C21”的电信号各自而计测的力Fx1～Fx3，能够由该力觉传感器本身判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。为此，可以提供能够在不使用多个力觉传感器的情况下、即在最小化成本及设置空间的同时进行故障判断(是否在正常地发挥作用的判断)的力觉传感器。

具体而言，检测电路通过判断例如Fz1与Fz2之差以及Fz2与Fz3之差是否在规定的范围内来判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。由此，能够可靠地判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。

另外，在本实施方式中，由于各电容元件C11～C22关于Y轴对称地配置，因此，用于基于该各电容元件C11～C22的静电电容值的变动而计测检测对象的力Fx及Fz的处理是容易的。

<<<§3.六轴力觉传感器的实施例>>>

接着，对将在§1中说明过的故障判断的原理应用于六轴力觉传感器的例子进行说明。

在此说明的六轴力觉传感器是能够检测X、Y、Z各轴方向的力Fx、Fy、Fz和绕X、Y、Z各轴的力矩Mx、My、Mz这六个力的力觉传感器。

在此，关于“力”这一用语，适当地分开使用意味着特定的坐标轴方向的力的情况和意味着包括力矩分量在内的集合性的力的情况。例如，说成力Fx、Fy、Fz的情况意味着不是力矩的各坐标轴方向的力分量，而说成六个力Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的情况意味着包括各坐标轴方向的力分量和绕各坐标轴的力矩分量的集合性的力。

图10是示出根据本发明第三实施方式的六轴力觉传感器的概略截面图，图11是图10的A-A线截面图，图12是图10的B-B线截面图。

如图10至图12所示，本实施方式的力觉传感器具备：支撑体300，配置于XY平面上；第一变形体100，配置成与支撑体300相对，并具有由于作为检测对象的力或力矩的作用而发生弹性变形的四个第一变形部111～114；固定电极，对应于第一变形体100的各变形部111～114地配置于支撑体300上；位移电极，以与固定电极相对的方式分别设于第一变形体100的四个第一变形部111～114上，并且，在位移电极与固定电极之间构成四组电容元件；以及第二变形体200，以与第一变形体100相对的方式配置于第一变形体100的上方。本实施方式的第二变形体200具有配置成与四个第一变形部111～114相对的四个第二变形部211～214。进而，在本实施方式的力觉传感器上设有连结第一变形部111～114与对应于各第一变形部111～114的第二变形部211～214的四个连结部件401～404。需要注意的是，在图10中，为了避免繁杂，省略了第一变形部111、113、第二变形部211、213以及连结部件401、403的图示。

第一变形体100可通过在由例如金属构成的圆盘状的板材上与该圆盘的中心等距离地每隔90°形成四个壁厚薄的具有弹性(可挠性)的区域而构成。该具有弹性的四个区域作为第一变形部111～114而发挥作用。另外，本实施方式的第二变形体200可通过在由例如金属构成的具有与第一变形体100相同的直径的圆盘状的板材上与该圆盘的中心等距离地每隔90°形成四个壁厚薄的具有弹性的区域而构成。该具有弹性的四个区域作为第二变形部211～214而发挥作用。

本实施方式的支撑体300具有与第一变形体100及第二变形体200相同的直径的圆盘形状，如图10所示，在除了第一变形部111～114以外的区域的下表面支撑第一变形体100。各第一变形部111～114、各第二变形部211～214从Z轴方向上观察时，在正的X轴上、正的Y轴上、负的X轴上以及负的Y轴上与原点O等距离地各配置有一个(参照图11)。在本实施方式中，各第一变形部111～114、各第二变形部211～214均构成为从Z轴方向上观察时具有相同直径的圆形的膜片。

在各第一变形部111～114的上表面(图10的上方的面)上设有从该各第一变形部111～114的圆形的中心位置沿Z轴方向向上方延伸出的第一连结部121～124。进而，在各第二变形部211～214的下表面(图10的下方的面)上设有从该各第二变形部211～214的圆形的中心位置沿Z轴方向向下方延伸出的第二连结部221～224。而且，通过用螺栓等适当的连接单元将第一连结部121～124和其各自对应的第二连结部221～224牢固地连接，从而构成在Z轴方向上延伸的四个连结部件401～404。

通过这样的结构，在无任何力作用于第二变形体200的状态下，第二变形体200相对于支撑体300处于固定位置，但当某力作用于第二变形体200时，具有弹性(可挠性)的四个第一变形部111～114产生弹性变形，第二变形体200与支撑体300的相对位置将会发生变化。当然，当作用于第二变形体200的力消失时，该第二变形体200返回至原来的固定位置。

如图10所示，四组电容元件由配置于四个第一变形部111～114的下表面的位移电极和配置成与该位移电极相对的固定电极构成。首先，对四组电容元件中的第一组电容元件进行说明。第一组电容元件设于从Z轴方向观察时对应于Y轴正侧的第一变形部111的区域，其由四个电容元件构成。

作为构成这四个电容元件C11C14的电极，在Y轴正侧的第一变形部111的下表面设有：夹着Y轴配置的X轴负侧的第一位移电极E301和X轴正侧的第二位移电极E302、以及配置于第一位移电极E301的X轴负侧的第三位移电极E303和配置于第二位移电极E302的X轴正侧的第四位移电极E304。进而，在支撑体300上设有：配置成与第一位移电极E301相对的第一固定电极E201、配置成与第二位移电极E302相对的第二固定电极E202、配置成与第三位移电极E303相对的第三固定电极E203、以及配置成与第四位移电极E304相对的第四固定电极E204。

在本实施方式中，从Z轴方向上观察时，第一固定电极E201及第一位移电极E301是以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的X轴负侧形成有弧的半圆状的电极，第二固定电极E202及第二位移电极E302是以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的X轴正侧形成有弧的半圆状的电极，第三固定电极E203及第三位移电极E303是分别包围第一固定电极E201及第一位移电极E301的所述弧的半圆环状的电极，第四固定电极E204及第四位移电极E304是分别包围第二固定电极E202及第二位移电极E302的所述弧的半圆环状的电极。需要说明的是，在图10及图13至图15中，未图示支撑各电极的基板。

根据这样的电极配置，第一电容元件C11由第一位移电极E301和第一固定电极E201构成，第二电容元件C12由第二位移电极E302和第二固定电极E202构成，第三电容元件C13由第三位移电极E303和第三固定电极E203构成，第四电容元件C14由第四位移电极E304和第四固定电极E204构成。

在本实施方式的力觉传感器中，除此以外还设有第二组～第四组这三组电容元件。第二组电容元件也由四个电容元件(第五～第八电容元件C21C24)构成。该第二组电容元件为使上述的第一组电容元件、即第一～第四电容元件C11C14以原点为中心沿顺时针方向旋转90°而成的结构。即，第五电容元件C21配置于使第一电容元件C11以原点为中心沿顺时针方向旋转90°后的位置，第六电容元件C22配置于使第二电容元件C12以原点为中心沿顺时针方向旋转90°后的位置，第七电容元件C23配置于使第三电容元件C13以原点为中心沿顺时针方向旋转90°后的位置，第八电容元件C24配置于使第四电容元件C14以原点为中心沿顺时针方向旋转90°后的位置。当然，对于构成第五～第八电容元件C21C24的第五～第八固定电极E205～E208及第五～第八位移电极E305～E308也是同样的，配置于使第一～第四固定电极E201～E204及第一～第四位移电极E301～E304以原点为中心沿顺时针方向旋转90°后的位置。

同样地，第三组电容元件也由四个电容元件(第九～第十二电容元件C31C34)构成，并配置于使上述的第五～第八电容元件C21C24以原点为中心沿顺时针方向旋转90°后的位置。另外，第四组电容元件也由四个电容元件(第十三～第十六电容元件C41C44)构成，并配置于使上述的第九～第十二电容元件C31C34以原点为中心沿顺时针方向旋转90°后的位置。

结果，第一及第三电容元件C11、C13和第二及第四电容元件C12、C14构成以正的Y轴为对称轴呈轴对称配置并整体上大致为圆形的第一组电容元件，第五及第七电容元件C21、C23和第六及第八电容元件C22、C24构成以正的X轴为对称轴呈轴对称配置并整体上大致为圆形的第二组电容元件，第九及第十一电容元件C31、C33和第十及第十二电容元件C32、C34构成以负的Y轴为对称轴呈轴对称配置并整体上大致为圆形的第三组电容元件，第十三及第十五电容元件C41、C43和第十四及第十六电容元件C42、C44构成以负的X轴为对称轴呈轴对称配置并整体上大致为圆形的第四组电容元件。进而，第一组～第四组电容元件配置成与原点O的距离相等且与对应的第一变形部111～114同心地配置。

如上所述，第一变形体100的第一变形部111～114各经由一个连结部件401～404而与第二变形体200的第二变形部211～214连结(参照图10及图11)。为此，当力作用于第二变形体200时，力经由第二变形体200及连结部件401～404而传递至第一变形体100的第一变形部111～114，根据该力的大小及方向，该第一变形部111～114变形。随着该变形，配置于第一变形部111～114上的第一～第十六位移电极E301E316在Z轴方向上位移。即，第一～第十六位移电极E301E316相对于配置在支撑体300上的第一～第十六固定电极E201～E216的相对位置(分离距离)各自变化。关于这一点，由于使各电容元件C11C44的静电电容值各自产生变动，因此，通过检测这些变动量，能够计测作用于第二变形体200的力的方向及大小。

接下来，说明计测X、Y、Z轴各轴方向的力Fx、Fy、Fz以及绕各轴的力矩Mx、My、Mz的原理。在以下的说明中，假设在支撑体300固定的状态下，力或力矩作用于第二变形体200。

图13是示出在使X轴方向的力Fx作用于了第二变形体200时的图10的力觉传感器的状态的概略截面图。在图13中，例示了力Fx向右作用的情况。在这种情况下，第一变形体100的第一变形部111～114及第二变形体200的第二变形部211～214如图示那样变形。即，在第一变形部111～114各自中，X轴正侧的半圆区域向下方变形，X轴负侧的半圆区域向上方变形。因此，在第一组及第三组电容元件中配置于X轴负侧的第一、第三、第十以及第十二电容元件C11、C13、C32、C34的静电电容值减少，而在第一组及第三组电容元件中配置于X轴正侧的第二、第四、第九以及第十一电容元件C12、C14、C31、C33的静电电容值增大。与此相对地，关于剩余的第五～第八以及第十三～第十六电容元件C21C24、C41C44，存在位移电极与固定电极之间的分离距离变小的区域和变大的区域，静电电容值的变化被抵消，因此静电电容值实质上没有变化。

当然，在向左的X轴方向的力作用于了第二变形体200的情况下，在第一组及第三组电容元件中产生与上述的静电电容值的变动相反的变动。即，在第一组及第三组电容元件中配置于X轴负侧的第一、第三、第十以及第十二电容元件C11、C13、C32、C34的静电电容值增大，而在第一组及第三组电容元件中配置于X轴正侧的第二、第四、第九以及第十一电容元件C12、C14、C31、C33的静电电容值减少。关于剩余的第五～第八以及第十三～第十六电容元件C21C24、C41C44，与上述的情况同样地，静电电容值实质上没有变化。

关于使Y轴方向的力Fy作用于了第二变形体200的情况，只要将X轴方向的力Fx作用于了第二变形体200的状态错开90°来考虑即可，故在此省略。

接着，探讨Z轴方向的力Fz作用于了第二变形体200的情况。图14是示出在使Z轴方向的力Fz作用于了第二变形体200时的图10的力觉传感器的状态的概略截面图。在图14中，例示了力Fz向下作用的情况。在这种情况下，第一变形体的第一变形部111～114及第二变形体的第二变形部211～214如图示那样变形。即，第一变形部111～114各自向下方变形。因此，第一～第十六电容元件C11C44均为位移电极与固定电极之间的分离距离变小，从而静电电容值增大。

另一方面，当Z轴方向的力向上作用于第二变形体200时，与上述的情况相反，第一变形部111～114分别向上方变形。因此，第一～第十六电容元件C11C44均为位移电极与固定电极之间的分离距离变大，从而静电电容值减少。

接着，探讨绕Y轴的力矩My作用于了第二变形体200的情况。图15是示出绕Y轴的力矩My作用于了第二变形体200时图10的力觉传感器的状态的概略截面图。在图15中，例示了力矩My沿顺时针方向作用的情况。在这种情况下，第一变形体的第一变形部111～114及第二变形体的第二变形部211～214如图示那样变形。即，X轴正侧的第一变形部112向下方变形，X轴负侧的第一变形部114向上方变形。另一方面，虽未图示，但Y轴正侧及Y轴负侧的第一变形部111、113的X轴正侧的半圆区域朝下方变形，X轴负侧的半圆区域朝上方变形。

因此，对应于X轴正侧的第一变形部112的第五～第八电容元件C21C24的静电电容值增大，对应于X轴负侧的第一变形部114的第十三～第十六电容元件C41C44的静电电容值减少。另一方面，对应于Y轴正侧及Y轴负侧的第一变形部111、113的第一～第四电容元件C11C14及第九～第十二电容元件C31C34的静电电容值如X轴方向的力Fx作用于了第二变形体200时(参照图13)所说明的，实质上没有变化。

另一方面，当绕Y轴逆时针转的力矩作用于第二变形体200时，与上述的情况相反，对应于X轴正侧的第一变形部112的第五～第八电容元件C21C24的静电电容值减少，对应于X轴负侧的第一变形部114的第十三～第十六电容元件C41C44的静电电容值增大。在这种情况下，对应于Y轴正侧及Y轴负侧的第一变形部111、113的第一～第四电容元件C11C14及第九～第十二电容元件C31C34的静电电容值也是实质上没有变化。

关于绕X轴的力矩Mx作用于了第二变形体200的情况，只要将绕Y轴的力矩My作用于了第二变形体200的状态错开90°来考虑即可，故在此省略。

另外，在绕Z轴的力矩Mz作用于了第二变形体200的情况下，虽未图示，但连结部件401～404均以沿将Z轴作为中心的圆周向相同的旋转方向倾倒的方式位移。因此，例如当从正侧的Z轴观察时绕该Z轴顺时针转的力矩Mz作用于第二变形体200时，在Y轴正侧的第一变形部111上，X轴正侧的半圆区域朝下方变形，X轴负侧的半圆区域朝上方变形。在X轴正侧的第一变形部112上，Y轴负侧的半圆区域朝下方变形，Y轴正侧的半圆区域朝上方变形。在Y轴负侧的第一变形部113上，X轴负侧的半圆区域朝下方变形，X轴正侧的半圆区域朝上方变形。在X轴负侧的第一变形部114上，Y轴正侧的半圆区域朝下方变形，Y轴负侧的半圆区域朝上方变形。

因此，在对应于Y轴正侧的第一变形部111的第一组电容元件中，第一及第三电容元件C11、C13的静电电容值减少，第二及第四电容元件C12、C22的静电电容值增大。同样地，在对应于X轴正侧的第二变形部112的第二组电容元件中，第五及第七电容元件C21、C23的静电电容值减少，第六及第八电容元件C22、C24的静电电容值增大。在对应于Y轴负侧的第一变形部113的第三组电容元件中，第九及第十一电容元件C31、C33的静电电容值减少，第十及第十二电容元件C32、C34的静电电容值增大。在对应于X轴负侧的第一变形部114的第四组电容元件中，第十三及第十五电容元件C41、C43的静电电容值减少，第十四及第十六电容元件C42、C44的静电电容值增大。

另一方面，当作用于第二变形体200的绕Z轴的力矩向与上述方向相反的方向作用时，各第一变形部111～114产生相反的变形，其结果，第一～第十六电容元件C11C44上所产生的静电电容值的变化也相反。

图16是一览示出在上述的Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz作用的情况下各电容元件C11C44上所产生的静电电容值的变化的图表。表中的“+”表示静电电容值的增大，“-”表示静电电容值的减少。“0”表示静电电容值实质上没有变化。另外，如上所述，在各力Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz为反方向的情况下，表中的符号变成相反。

根据以上的各电容元件C11C44的静电电容值的变化，力的六个分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz由下式表示。

[式7]

Fx＝(C12+C14+C31+C33)-(C11+C13+C32+C34)

Fy＝(C21+C23+C42+C44)-(C22+C24+C41+C43)

Fz＝-(C11+C12+C13+C14+C21+C22+C23+C24+C31+C32+C33+C34+C41+C42+C43+C44)

Mx＝(C31+C32+C33+C34)-(C11+C12+C13+C14)

My＝(C21+C22+C23+C24)-(C41+C42+C43+C44)

Mz＝(C11+C13)-(C12+C14)+(C21+C23)-(C22+C24)+(C31+C33)-(C32+C34)+(C41+C43)-(C42+C44)

在该[式7]中，虽然使用所有的电容元件C11C14来表示力的六个分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，但也可以只使用配置于四组电容元件各自的外侧的电容元件、即只使用第三、第四、第七、第八、第十一、第十二、第十五以及第十六电容元件C13、C14、C23、C24、C33、C34、C43、C44来按以下的[式8]这样表示六个分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。需要注意的是，为了将基于[式8]算出的分量与基于[式7]算出的分量区分开，对其标有“’”。

[式8]

Fx’＝(C14+C33)-(C13+C34)

Fy’＝(C23+C44)-(C24+C43)

Fz’＝-(C13+C14+C23+C24+C33+C34+C43+C44)

Mx’＝(C33+C34)-(C13+C14)

My’＝(C23+C24)-(C43+C44)

Mz’＝C13-C14+C23-C24+C33-C34+C43-C44

在判断本实施方式的力觉传感器是否在正常地发挥作用时，例如比较基于[式7]算出的分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz与基于[式8]算出的分量Fx’、Fy’、Fz’、Mx’、My’、Mz’是有效的。即，评价(a)Fx与Fx’之差、(b)Fy与Fy’之差、(c)Fz与Fz’之差、(d)Mx与Mx’之差、(e)My与My’之差、以及(f)Mz与Mz’之差各自是否在规定的范围内即可。当(a)～(f)中所有的差都在规定的范围内时，判断为力觉传感器在正常地发挥作用；当(a)～(f)中至少一个差在规定的范围外时，判断为该力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)即可。

基于设于本实施方式的力觉传感器的实际的检测电路来说明以上的判断方法。

图17是示出用于图10的力觉传感器的一例检测电路的电路图，图18是示出设于图17的检测电路的开关的导通/截止的连接状态的图表。

要通过图17的检测电路来检测作用于第二变形体200的力，按图18的时机1的列中记载的那样控制各开关SW11SW44及SW101SW116的连接状态即可。即，使开关SW11～SW44导通(连接)，使剩余的开关SW101～SW116截止(断开)。由此，经由第一～第十六C/V转换器及A/D转换器45a45p而向第一微机47a及第二微机47b提供对应于“C11+C13”的输出信号V1、对应于“C12+C14”的输出信号V3、对应于“C21+C23”的输出信号V5、对应于“C22+C24”的输出信号V7、对应于“C31+C33”的输出信号V9、对应于“C32+C34”的输出信号V11、对应于“C41+C43”的输出信号V13、以及对应于“C42+C44”的输出信号V15。第一及第二微机47a、47b基于各输出信号来运算[式7]中所记载的力的六个分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。在第一及第二微机47a、47b上设有六个输出端子T1T6、T1’T6’，从输出端子T1、T1’输出分量Fx，从输出端子T2、T2’输出分量Fy，从输出端子T3、T3’输出分量Fz，从输出端子T4、T4’输出分量Mx，从输出端子T5、T5’输出分量My，以及从输出端子T6、T6’输出分量Mz。需要注意的是，由于开关SW101SW116变为截止，因此图17的V2、V4、V6、V8、V10、V12、V14及V16为0。

接着，要判断力觉传感器是否在正常地发挥作用，按图18的时机2的列中记载的那样控制各开关SW11SW44以及SW101SW116的连接状态即可。即，使开关SW11～SW44截止(断开)，使剩余的开关SW101～SW116导通(连接)。由此，向第一微机47a及第二微机47b分别提供对应于“C11”的输出信号V1、对应于“C13”的输出信号V2、对应于“C12”的输出信号V3、对应于“C14”的输出信号V4、对应于“C21”的输出信号V5、对应于“C23”的输出信号V6、对应于“C22”的输出信号V7、对应于“C24”的输出信号V8、对应于“C31”的输出信号V9、对应于“C33”的输出信号V10、对应于“C32”的输出信号V11、对应于“C34”的输出信号V12、对应于“C41”的输出信号V13、对应于“C43”的输出信号V14、对应于“C42”的输出信号V15、以及对应于“C44”的输出信号V16。第一及第二微机47a、47b基于各输出信号运算[式8]中所记载的力的六个分量Fx’、Fy’、Fz’、Mx’、My’、Mz’。然后，从输出端子T1、T1’输出分量Fx’，从输出端子T2、T2’输出分量Fy’，从输出端子T3、T3’输出分量Fz’，从输出端子T4、T4’输出分量Mx’，从输出端子T5、T5’输出分量My’，以及从输出端子T6、T6’输出分量Mz’。

第一及第二微机47a、47b进一步评价(a)“Fx-Fx’”是否在规定的范围内、(b)“Fy-Fy’”是否在规定的范围内、(c)“Fz-Fz’”是否在规定的范围内、(d)“Mx-Mx’”是否在规定的范围内、(e)“My-My’”是否在规定的范围内、以及(f)“Mz-Mz’”是否在规定的范围内。在不满足这些(a)～(f)的条件中至少一个的情况下，判断为力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)。在这种情况下，从图17的输出端子S、S’输出表示判断为故障的故障诊断信号。

在图17所示的检测电路中使用了两个微机47a、47b，这是为了即使一方的微机发生故障，也能够从另一方的微机中输出作用于第二变形体200的力的六个分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz和故障诊断信号。另外，本传感器的用户能够比较从第一微机47a中输出的Fx～Mz、Fx’～Mz’及故障诊断信号和从第二微机4b中输出的Fx～Mz、Fx’～Mz’及故障诊断信号两者，因此能够确认通过检测电路输出的信号的可靠性。

在以上的故障判断方法中，只使用配置于四组电容元件各自的外侧的电容元件来进行了力觉传感器的故障判断，但也可以只使用配置于四组电容元件各自的内侧的电容元件来进行力觉传感器的故障判断。在这种情况下，代替上述的[式8]而使用下面的[式9]：

[式9]

Fx”＝(C12+C31)-(C11+C32)

Fy”＝(C21+C42)-(C22+C41)

Fz”＝-(C11+C12+C21+C22+C31+C32+C41+C42)

Mx”＝(C31+C32)-(C11+C12)

My”＝(C21+C22)-(C41+C42)

Mz”＝C11-C12+C21-C22+C31-C32+C41-C42

在这种情况下，第一及第二微机47a、47b评价(a’)“Fx-Fx””是否在规定的范围内、(b’)“Fy-Fy””是否在规定的范围内、(c’)“Fz-Fz””是否在规定的范围内、(d’)“Mx-Mx””是否在规定的范围内、(e’)“My-My””是否在规定的范围内、以及(f’)“Mz-Mz””是否在规定的范围内。在不满足这些(a’)～(f’)的条件中至少一个的情况下，判断为力觉传感器未正常地发挥作用(发生了故障)，从图17的输出端子S、S’输出表示判断为故障的故障诊断信号。

需要说明的是，作用于第二变形体200的力的六个分量也可以通过Fx’Mz’或Fx”Mz”来计测，但通过FxMz来计测的精度更高。这是因为，用于力的计测的静电电容值(电极面积)比Fx’Mz’及Fx”Mz”时大，因此静电电容值的变化也大，从S/N方面来看也是有利的。

另外，也考虑像在§2中所说明的第二实施方式那样对应每个电容元件设置C/V转换器及信号处理部的结构，但由于在本实施方式的力觉传感器中设有十六个电容元件，因此运算复杂，并不现实。为此，如上所述，优选采用使用微机来进行运算处理那样的电路结构。

图17所示的检测电路运算[式8]所示的Fx’、Fy’、Fz’、Mx’、My’、Mz’和运算[式9]所示的Fx”、Fy”、Fz”、Mx”、My”、Mz”均可，但如果只是任意一方的运算的话，则能够更简单地构成检测电路。将这样的检测电路的一例示于图19。图19是示出用于图10的力觉传感器的检测电路的其它例子的电路图，图20是示出设于图19的检测电路的开关的导通/截止的连接状态的图表。

图19的检测电路是从图17的检测电路中省却了第二、第四、第六、第八、第十、第十二、第十四和第十六C/V转换器以及A/D转换器45b、45d、45f、45h、45j、45l、45n、45p的电路。该检测电路中，如果使各开关SW11SW44如图20的时机1的列中记载的那样全部导通，则与使图17的各开关SW11SW44、SW101SW116为图18的时机1的列中记载的连接状态的该图17的检测电路等效。即，第一及第二微机47a、47b能够对[式7]中所记载的力的六个分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz进行运算。另一方面，如果使各开关SW11～SW44如图20的时机2的列中记载的那样全部都截止，则向第一微机47a及第二微机47b分别提供对应于“C11”的输出信号V1、对应于“C12”的输出信号V2、对应于“C21”的输出信号V3、对应于“C22”的输出信号V4、对应于“C31”的输出信号V5、对应于“C32”的输出信号V6、对应于“C41”的输出信号V7、以及对应于“C44”的输出信号V8。由此，第一及第二微机47a、47b可基于各输出信号V1～V8运算[式9]中所记载的力的六个分量FX”、Fy”、Fz”、Mx”、My”、Mz”。

当然，在图17的检测电路中，如果将开关的连接状态固定为图18的时机2，则通过第一～第十六C/V转换器及A/D转换器45a45p分别检测对应的电容元件C11C44的静电电容值。也可以对第一及第二微机47a、47b输入这些电容元件的各静电电容值，通过该第一及第二微机47a、47b基于[式7][式9]来对FxMz、Fx’Mz’以及Fx”Mz”进行运算。

根据以上那样的本实施方式的力觉传感器，能够相互比较使用所有的电容元件C11C44计测的力的分量FxMz与使用一部分电容元件计测的力的分量Fx’Mz’或Fx”Mz”，因此能够由该力觉传感器本身判断力觉传感器是否在正常地发挥作用。为此，可以提供能够在不使用多个力觉传感器的情况下、即在最小化成本及设置空间的同时进行故障判断(是否在正常地发挥作用的判断)的力觉传感器。

另外，对应于四个第一变形部111～114的四组电容元件各自配置成与原点等距离且关于X轴或Y轴轴对称，因此用于基于各电容元件的静电电容值的变动而计测检测对象的力的处理是容易的。

需要注意的是，虽然说明了位移电极在四个第一变形部111～114上各设有四个的例子，但并不限定于这样的例子。例如，位移电极也可以在四个第一变形部111～114上作为公共电极各设有一个。在这种情况下，例如在第一变形部111上设有如上述那样的关于Y轴呈对称性配置的四个固定电极E201E204，可通过这些固定电极E201E204和公共电极来构成四个电容元件C11C14。至于其余的三个第一变形部112～114所对应的电容元件C21C44，这一点也是同样的。当然，也可以由导电性材料(例如不锈钢、铝、钛等金属材料)构成四个第一变形部111～114，使该四个第一变形部111～114作为公共电极而发挥作用。

或者，也可以将固定电极构成为公共电极并如上所述将位移电极在四个第一变形部111～114上关于X轴或Y轴对称地各设置四个来构成电容元件C11C44。

进一步地，虽未图示，但也考虑：以使在作用有各轴方向的力或者绕各轴的力矩而使位移电极相对于固定电极的相对位置发生了变化的情况下，构成电容元件的一对电极的实效相对面积也不发生变化的方式将构成各电容元件的固定电极和位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积。如上所述，这是一种如下这样的状态：即、在将面积小一方的电极(例如位移电极)的轮廓投影到面积大一方的电极(例如固定电极)的表面上而形成了正射影投影像的情况下，面积小一方的电极的投影像完全地包含在面积大一方的电极的表面内。如果维持该状态，由两电极构成的电容元件的实效面积等于小的一方的电极的面积，总是为一定。即，能够使力的检测精度提高。

<<<§4.使用了PWM转换电路的检测电路的变形例>>>

到目前为止已说明的力觉传感器通过在规定的时机切换开关的导通/截止来选择性地将规定的电容元件并联连接，并进行了静电电容值的加法运算。作为开关，虽然可采用具有机械接点的开关，但从使检测电路的电路基板小型化的方面来看，优选采用模拟开关。

然而，模拟开关在输入输出用的端子上存在寄生电容，该寄生电容可能大于各电容元件的静电电容值。在这种情况下，不能够准确地评价静电电容值，导致通过力觉传感器检测的力或力矩的精度降低。因此，最好不是使用模拟开关而是使用电子电路来进行规定的电容元件的静电电容值的加法运算。要将各电容元件的静电电容值转换成电信号，考虑将静电电容值的大小转换成电压的电路(C/V转换器)、将静电电容值的大小转换成频率的电路(C/f转换器)、将静电电容值的大小转换成脉冲宽度的电路(PWM(Pulse WidthModulation：脉宽调制)电路)等。在此，作为一个例子，根据图21至图24对使用PWM电路而将静电电容值转换成脉冲波并用微机的计数器来计测该脉冲波的宽度的方法进行说明。

图21是在电容元件中设有PWM电路的电路图，图22是示出在图21的PWM电路的各构成部中输出的信号的波形的概略图。

如图21及图22所示，本电路图中的PWM电路具备：驱动部51，对电容元件C提供矩形的驱动脉冲波W1；低通滤波器52，与电容元件C并联连接；比较器53，将通过低通滤波器52的波W2的波形转换成矩形波W3；运算部54，进行由驱动部51提供的驱动脉冲波W1与由比较器53转换后的矩形波W3的异或的逻辑运算；以及计数器55，计测运算部54运算后的脉冲波W4的脉冲宽度。

在该PWM电路中，如图22所示，通过了低通滤波器52的驱动脉冲波W1由于电容元件C导致的该驱动脉冲波W1的传递延迟，从而波形变钝。该变钝的程度具有电容元件C的静电电容值越大则越大的特性。为此，当用比较器53将通过了低通滤波器52后的波W2转换成了矩形波W3时，该矩形波W3成为相对于由驱动部51提供的驱动脉冲波W1而延迟了对应于电容元件C的静电电容值的量的波。因此，通过计测根据驱动脉冲波W1与矩形波W3的异或而得到的脉冲波W4的脉冲宽度，能够评价电容元件C的静电电容值。

要将以上那样的PWM电路用于根据本发明的力觉传感器，构成例如图23所示的电路图即可。图23是示出可在本发明的力觉传感器中采用的PWM电路的一个例子的电路图，图24是示出在图23的PWM电路的各构成部中输出的信号的波形的概略图。

图23所示的PWM电路为将图21所示的PWM电路并列配置了两个的结构，因此对共同的构成部分标以与图21同样的符号，并省略其详细的说明。另一方面，在图23所示的PWM电路中，与图21所示的PWM电路不同，通过了低通滤波器52a、52b的各个波W2a、W2b除了输入比较器53a、53b以外，还输入差分运算器56。然后，从差分运算器56输出的波W5在比较器53c中被整形为矩形波W6，该矩形波W6与由驱动部51a提供的驱动脉冲波W1a一起被输入至运算异或的运算部54c。然后，通过运算部54c运算后的波W7被输入至计数器55c，计测该波W7的脉冲宽度。

需要注意的是，在图示的电路图中，两个驱动脉冲波W1a、W1b成为彼此相反的相位。为此，虽然是通过差分运算器56来进行“W2a-W2b”的运算，但实际上进行“W2a+W2b”的加法运算。即，例如在对两个电容元件C1、C2应用了本PWM电路的情况下，基于电容元件C1的信号从计数器55a中输出，基于电容元件C2的信号从计数器55b中输出。进而，两个电容元件C1、C2的静电电容的和(C1+C2)的信号从计数器55c中输出。

要将以上的PWM电路采用于例如在§3中说明的六轴力觉传感器，将16个电容元件C11C44分成各两个的电容元件C12、C14、电容元件C11、C13、电容元件C22、C24、电容元件C21、C23、电容元件C32、C34、电容元件C31、C33、电容元件C42、C44、电容元件C41、C43这八组，按各组应用该PWM电路。根据这样的电路结构，能够从包括电容元件C12、C14的电路计测各电容元件C12、C14的静电电容值“C12”、“C14”以及静电电容值的和“C12+C14”。同样地，能够从包括电容元件C11、C13的电路计测各电容元件C11、C13的静电电容值“C11”、“C13”以及静电电容值的和“C11+C13”，能够从包括电容元件C22、C24的电路计测各电容元件C22、C24的静电电容值“C22”、“C24”以及静电电容值的和“C22+C24”，能够从包括电容元件C21、C23的电路计测各电容元件C21、C23的静电电容值“C21”、“C23”以及静电电容值的和“C21+C23”，能够从包括电容元件C32、C34的电路计测各电容元件C32、C34的静电电容值“C32”、“C34”以及静电电容值的和“C32+C34”，能够从包括电容元件C31、C33的电路计测各电容元件C31、C33的静电电容值“C31”、“C33”以及静电电容值的和“C31+C33”，能够从包括电容元件C42、C44的电路计测各电容元件C42、C44的静电电容值“C42”、“C44”以及静电电容值的和“C42+C44”，能够从包括电容元件C41、C43的电路计测各电容元件C41、C43的静电电容值“C41”、“C43”以及静电电容值的和“C41+C43”。通过使用这些计测结果来进行对应于上述的[式7]的运算，能够运算作用于力觉传感器的力的六个分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。进而，通过进行对应于上述的[式8]的运算，能够运算力的六个分量Fx’、Fy’、Fz’、Mx’、My’、Mz’。或者，通过进行对应于上述的[式9]的运算，也能够运算力的六个分量Fx”、Fy”、Fz”、Mx”、My”、Mz”。根据这些运算结果，正如在§3中详细说明的，能够评价力觉传感器是否在正常地发挥作用。当然，同样地，也可以将该PWM电路应用于在§1中说明的单轴力觉传感器以及在§2中说明的双轴力觉传感器。

根据在此说明的PWM电路，即使在通过低通滤波器52a、52b后的波W2a、W2b中混入同相噪声(在图24的波W2a、W2b中用虚线示出)，如波W5的波形所示，也能够在差分运算器56中消除该噪声，能够高精度地计测静电电容值。需要注意的是，在图23中，虽然设置三个计数器55a、55b、55c来独立地同时计测“C1”、“C2”以及“C1+C2”，但也能够代替这些计数器55a、55b、55c而采用一个微机。在这种情况下，虽然不能够同时计测“C1”、“C2”以及“C1+C1”，但能够使电路结构简单化。

Claims (29)

1.一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向的力，其特征在于，具备：

支撑体，配置于XY平面上；

变形体，配置成与所述支撑体相对，并具有因作为检测对象的力的作用而发生弹性变形的变形部；

固定电极，配置于所述支撑体上；

位移电极，以与所述固定电极相对的方式设于所述变形体的所述变形部，并且，在所述位移电极与所述固定电极之间构成电容元件；以及

检测电路，基于所述电容元件的静电电容值的变动量，输出表示在负荷施加于所述变形体和所述支撑体中一方的状态下作用于另一方的力的电信号，

所述电容元件具有：从Z轴方向上观察时配置于包含该Z轴的区域的第一电容元件和第二电容元件，

所述检测电路将相当于所述第一电容元件的静电电容值的第一电信号、相当于所述第二电容元件的静电电容值的第二电信号、以及相当于所述第一电容元件的静电电容值与所述第二电容元件的静电电容值之和的合计电信号作为表示所作用的力的电信号而输出，并且，

基于所述第一电信号和所述合计电信号、或者基于所述第二电信号和所述合计电信号来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

2.根据权利要求1所述的力觉传感器，其特征在于，

所述第二电容元件配置成包围所述第一电容元件。

3.根据权利要求1或2所述的力觉传感器，其特征在于，

所述第一电容元件从Z轴方向上观察时具有圆盘状的形状，

所述第二电容元件从Z轴方向上观察时具有圆环状的形状。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的力觉传感器，其特征在于，

所述位移电极具有第一位移电极和第二位移电极，

所述固定电极具有配置成与所述第一位移电极相对的第一固定电极和配置成与所述第二位移电极相对的第二固定电极，

所述第一电容元件由所述第一位移电极和所述第一固定电极构成，

所述第二电容元件由所述第二位移电极和所述第二固定电极构成。

5.根据权利要求4所述的力觉传感器，其特征在于，

以使在作用有Z轴方向的力而使所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生了变化的情况下，构成所述第一电容元件的一对电极和构成所述第二电容元件的一对电极的实效相对面积也不发生变化的方式，将所述第一固定电极和所述第一位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积，并将所述第二固定电极和所述第二位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积。

6.根据权利要求4或5所述的力觉传感器，其特征在于，

所述第一固定电极和所述第二固定电极由共同的电极构成、或者所述第一位移电极和所述第二位移电极由共同的电极构成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的力觉传感器，其特征在于，

所作用的Z轴方向的力基于所述合计电信号而计测。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的力觉传感器，其特征在于，

所述检测电路通过判断“基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第一电信号计测出的力之差、以及基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差中至少一方”是否在规定的范围内来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的力觉传感器，其特征在于，

所述检测电路将所述第一电信号和所述第二电信号双方作为表示所作用的力的电信号而输出，

所述检测电路通过判断“基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第一电信号计测出的力之差和基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差中至少一方”、以及“基于所述第一电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差”是否在规定的范围内来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

10.一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向及X轴方向的力，其特征在于，具备：

支撑体，配置于XY平面上；

变形体，配置成与所述支撑体相对，并具有因作为检测对象的力的作用而发生弹性变形的变形部；

固定电极，配置于所述支撑体上；

位移电极，以与所述固定电极相对的方式设于所述变形体的所述变形部，并且，在所述位移电极与所述固定电极之间构成电容元件；以及

检测电路，基于所述电容元件的静电电容值的变动量，输出表示在负荷施加于所述变形体和所述支撑体中一方的状态下作用于另一方的力的电信号，

所述电容元件具有：从Z轴方向上观察时夹着Y轴而配置的X轴负侧的第一电容元件和X轴正侧的第二电容元件、以及配置于所述第一电容元件附近的第三电容元件和配置于所述第二电容元件附近的第四电容元件，

所述检测电路将相当于“所述第一电容元件的静电电容值及所述第三电容元件的静电电容值之和与所述第二电容元件的静电电容值及所述第四电容元件的静电电容值之和的差”的第一电信号、以及相当于“所述第一电容元件的静电电容值与所述第二电容元件的静电电容值之差”的第二电信号和相当于“所述第三电容元件的静电电容值与所述第四电容元件的静电电容值之差”的第三电信号中至少一方作为表示所作用的X轴方向的力的电信号而输出，并且，

基于所述第一电信号和所述第二电信号、或者基于所述第一电信号和所述第三电信号来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

11.根据权利要求10所述的力觉传感器，其特征在于，

所述检测电路通过判断“基于所述第一电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差、以及基于所述第一电信号计测出的力与基于所述第三电信号计测出的力之差中至少一方”是否在规定的范围内来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

12.根据权利要求10所述的力觉传感器，其特征在于，

所述检测电路将所述第二电信号和所述第三电信号双方作为表示所作用的力的电信号而输出，

所述检测电路通过判断“基于所述第一电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差和基于所述第一电信号计测出的力与基于所述第三电信号计测出的力之差中至少一方”、以及“基于所述第二电信号计测出的力与基于所述第三电信号计测出的力之差”是否在规定的范围内来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的力觉传感器，其特征在于，

所作用的X轴方向的力基于所述第一电信号而计测。

14.一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向及X轴方向的力，其特征在于，具备：

支撑体，配置于XY平面上；

变形体，配置成与所述支撑体相对，并具有因作为检测对象的力的作用而发生弹性变形的变形部；

固定电极，配置于所述支撑体上；

位移电极，以与所述固定电极相对的方式设于所述变形体的所述变形部，并且，在所述位移电极与所述固定电极之间构成电容元件；以及

检测电路，基于所述电容元件的静电电容值的变动量，输出表示在负荷施加于所述变形体和所述支撑体中一方的状态下作用于另一方的力的电信号，

所述电容元件具有：从Z轴方向上观察时夹着Y轴而配置的X轴负侧的第一电容元件和X轴正侧的第二电容元件、以及配置于所述第一电容元件附近的第三电容元件和配置于所述第二电容元件附近的第四电容元件，

所述检测电路将相当于“所述第一电容元件的静电电容值与所述第二电容元件的静电电容值之和”的第一电信号和相当于“所述第三电容元件的静电电容值与所述第四电容元件的静电电容值之和”的第二电信号中至少一方、以及相当于“所述第一电容元件～所述第四电容元件各自的静电电容值之和”的合计电信号作为表示所作用的Z轴方向的力的电信号而输出，并且，

基于所述第一电信号和所述合计电信号、或者基于所述第二电信号和所述合计电信号来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

15.根据权利要求14所述的力觉传感器，其特征在于，

所述检测电路通过判断“基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第一电信号计测出的力之差、以及基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差中至少一方”是否在规定的范围内来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

16.根据权利要求14所述的力觉传感器，其特征在于，

所述检测电路将所述第一电信号和所述第二电信号双方作为表示所作用的力的电信号而输出，

所述检测电路通过判断“基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第一电信号计测出的力之差和基于所述合计电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差中至少一方”、以及“基于所述第一电信号计测出的力与基于所述第二电信号计测出的力之差”是否在规定的范围内来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的力觉传感器，其特征在于，

所作用的Z轴方向的力基于所述合计电信号而计测。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的力觉传感器，其特征在于，

所述第三电容元件配置于所述第一电容元件的X轴负侧，

所述第四电容元件配置于所述第二电容元件的X轴正侧。

19.根据权利要求10至18中任一项所述的力觉传感器，其特征在于，

所述位移电极具有：从Z轴方向上观察时夹着Y轴而配置的X轴负侧的第一位移电极和X轴正侧的第二位移电极、以及配置于所述第一位移电极的X轴负侧的第三位移电极和配置于所述第二位移电极的X轴正侧的第四位移电极，

所述固定电极具有：配置成与所述第一位移电极相对的第一固定电极、配置成与所述第二位移电极相对的第二固定电极、配置成与所述第三位移电极相对的第三固定电极、以及配置成与所述第四位移电极相对的第四固定电极，

所述第一电容元件由所述第一位移电极和所述第一固定电极构成，

所述第二电容元件由所述第二位移电极和所述第二固定电极构成，

所述第三电容元件由所述第三位移电极和所述第三固定电极构成，

所述第四电容元件由所述第四位移电极和所述第四固定电极构成。

20.根据权利要求19所述的力觉传感器，其特征在于，

所述第一固定电极和所述第一位移电极是从Z轴方向上观察时以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的X轴负侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第二固定电极和所述第二位移电极是从Z轴方向上观察时以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的X轴正侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第三固定电极和所述第三位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第一固定电极和所述第一位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第四固定电极和所述第四位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第二固定电极和所述第二位移电极的所述弧的半圆环状的电极。

21.根据权利要求19或20所述的力觉传感器，其特征在于，

以使在作用有X轴方向以及/或者Z轴方向的力而使所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生了变化的情况下，构成所述第一电容元件～所述第四电容元件各自的一对电极的实效相对面积也不发生变化的方式将所述第一固定电极和所述第一位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第二固定电极和所述第二位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第三固定电极和所述第三位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第四固定电极和所述第四位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的力觉传感器，其特征在于，

所述第一固定电极～所述第四固定电极中的至少两个固定电极由共同的电极构成、或者所述第一位移电极～所述第四位移电极中的至少两个位移电极由共同的电极构成。

23.一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的各轴方向的力及绕各轴的力矩，其特征在于，具备：

支撑体，配置于XY平面上；

第一变形体，配置成与所述支撑体相对，并具有因作为检测对象的力或力矩的作用而发生弹性变形的四个第一变形部；

固定电极，对应于所述第一变形体的各变形部而配置于所述支撑体上；

位移电极，以与所述固定电极相对的方式分别设于所述第一变形体的所述四个第一变形部，并且，在所述位移电极与所述固定电极之间构成四组电容元件；

第二变形体，在所述第一变形体的与所述支撑体相反的一侧与所述第一变形体相对，并具有配置成与所述四个第一变形部相对的四个第二变形部；

连结部件，连结各第一变形部与对应于该第一变形部的所述第二变形部；以及

检测电路，基于所述四组电容元件各自的静电电容值的变动量，输出表示在负荷施加于所述第二变形体和所述支撑体中一方的状态下作用于另一方的力或力矩的电信号，

所述四组电容元件中的第一组电容元件具有：从Z轴方向上观察时在Y轴正侧夹着Y轴而配置的X轴负侧的第一电容元件和X轴正侧的第二电容元件、以及配置于所述第一电容元件附近的第三电容元件和配置于所述第二电容元件附近的第四电容元件，

所述四组电容元件中的第二组电容元件具有：从Z轴方向上观察时在X轴正侧夹着X轴而配置的Y轴正侧的第五电容元件和Y轴负侧的第六电容元件、以及配置于所述第五电容元件附近的第七电容元件和配置于所述第六电容元件附近的第八电容元件，

所述四组电容元件中的第三组电容元件具有：从Z轴方向上观察时在Y轴负侧夹着Y轴而配置的X轴正侧的第九电容元件和X轴负侧的第十电容元件、以及配置于所述第九电容元件附近的第十一电容元件和配置于所述第十电容元件附近的第十二电容元件，

所述四组电容元件中的第四组电容元件具有：从Z轴方向上观察时在X轴负侧夹着X轴而配置的Y轴负侧的第十三电容元件和Y轴正侧的第十四电容元件、以及配置于所述第十三电容元件附近的第十五电容元件和配置于所述第十四电容元件附近的第十六电容元件，

所述检测电路根据“基于所述第一电容元件、所述第二电容元件、所述第五电容元件、所述第六电容元件、所述第九电容元件、所述第十电容元件、所述第十三电容元件及所述第十四电容元件各自的静电电容值的变动量而检测的各轴方向的力及绕各轴的力矩”和“基于所述第三电容元件、所述第四电容元件、所述第七电容元件、所述第八电容元件、所述第十一电容元件、所述第十二电容元件、所述第十五电容元件及所述第十六电容元件各自的静电电容值的变动量而检测的各轴方向的力及绕各轴的力矩”中的至少一方、以及“基于所述第一电容元件～所述第十六电容元件各自的静电电容值的变动量而检测的各轴方向的力及绕各轴的力矩”来判断所述力觉传感器是否在正常地发挥作用。

24.根据权利要求23所述的力觉传感器，其特征在于，

所述第三电容元件配置于所述第一电容元件的X轴负侧，

所述第四电容元件配置于所述第二电容元件的X轴正侧，

所述第七电容元件配置于所述第五电容元件的Y轴正侧，

所述第八电容元件配置于所述第六电容元件的Y轴负侧，

所述第十一电容元件配置于所述第九电容元件的X轴正侧，

所述第十二电容元件配置于所述第十电容元件的X轴负侧，

所述第十五电容元件配置于所述第十三电容元件的Y轴负侧，

所述第十六电容元件配置于所述第十四电容元件的Y轴正侧。

25.根据权利要求23或24所述的力觉传感器，其特征在于，

所述位移电极具有从Z轴方向上观察时绕原点每隔90°而配置的四组位移电极，

所述四组位移电极中的第一组位移电极具有：在Y轴正侧夹着Y轴而配置的X轴负侧的第一位移电极和X轴正侧的第二位移电极、以及配置于所述第一位移电极附近的第三位移电极和配置于所述第二位移电极附近的第四位移电极，

所述四组位移电极中的第二组位移电极具有：在X轴正侧夹着X轴而配置的Y轴正侧的第五位移电极和Y轴负侧的第六位移电极、以及配置于所述第五位移电极附近的第七位移电极和配置于所述第六位移电极附近的第八位移电极，

所述四组位移电极中的第三组位移电极具有：在Y轴负侧夹着Y轴而配置的X轴正侧的第九位移电极和X轴负侧的第十位移电极、以及配置于所述第九位移电极附近的第十一位移电极和配置于所述第十位移电极附近的第十二位移电极，

所述四组位移电极中的第四组位移电极具有：在X轴负侧夹着X轴而配置的Y轴负侧的第十三位移电极和Y轴正侧的第十四位移电极、以及配置于所述第十三电容元件附近的第十五位移电极和配置于所述第十四位移电极附近的第十六位移电极，

所述固定电极具有：配置成与所述第一位移电极相对的第一固定电极、配置成与所述第二位移电极相对的第二固定电极、配置成与所述第三位移电极相对的第三固定电极、配置成与所述第四位移电极相对的第四固定电极、配置成与所述第五位移电极相对的第五固定电极、配置成与所述第六位移电极相对的第六固定电极、配置成与所述第七位移电极相对的第七固定电极、配置成与所述第八位移电极相对的第八固定电极、配置成与所述第九位移电极相对的第九固定电极、配置成与所述第十位移电极相对的第十固定电极、配置成与所述第十一位移电极相对的第十一固定电极、配置成与所述第十二位移电极相对的第十二固定电极、配置成与所述第十三位移电极相对的第十三固定电极、配置成与所述第十四位移电极相对的第十四固定电极、配置成与所述第十五位移电极相对的第十五固定电极、以及配置成与所述第十六位移电极相对的第十六固定电极，

所述第一电容元件由所述第一位移电极和所述第一固定电极构成，

所述第二电容元件由所述第二位移电极和所述第二固定电极构成，

所述第三电容元件由所述第三位移电极和所述第三固定电极构成，

所述第四电容元件由所述第四位移电极和所述第四固定电极构成，

所述第五电容元件由所述第五位移电极和所述第五固定电极构成，

所述第六电容元件由所述第六位移电极和所述第六固定电极构成，

所述第七电容元件由所述第七位移电极和所述第七固定电极构成，

所述第八电容元件由所述第八位移电极和所述第八固定电极构成，

所述第九电容元件由所述第九位移电极和所述第九固定电极构成，

所述第十电容元件由所述第十位移电极和所述第十固定电极构成，

所述第十一电容元件由所述第十一位移电极和所述第十一固定电极构成，

所述第十二电容元件由所述第十二位移电极和所述第十二固定电极构成，

所述第十三电容元件由所述第十三位移电极和所述第十三固定电极构成，

所述第十四电容元件由所述第十四位移电极和所述第十四固定电极构成，

所述第十五电容元件由所述第十五位移电极和所述第十五固定电极构成，

所述第十六电容元件由所述第十六位移电极和所述第十六固定电极构成。

26.根据权利要求25所述的力觉传感器，其特征在于，

所述第一固定电极和所述第一位移电极是从Z轴方向上观察时以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的X轴负侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第二固定电极和所述第二位移电极是从Z轴方向上观察时以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的X轴正侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第三固定电极和所述第三位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第一固定电极和所述第一位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第四固定电极和所述第四位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第二固定电极和所述第二位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第五固定电极和所述第五位移电极是从Z轴方向上观察时以与X轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的Y轴正侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第六固定电极和所述第六位移电极是从Z轴方向上观察时以与X轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的Y轴负侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第七固定电极和所述第七位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第五固定电极和所述第五位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第八固定电极和所述第八位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第六固定电极和所述第六位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第九固定电极和所述第九位移电极是从Z轴方向上观察时以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的X轴正侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第十固定电极和所述第十位移电极是从Z轴方向上观察时以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的X轴负侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第十一固定电极和所述第十一位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第九固定电极和所述第九位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第十二固定电极和所述第十二位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第十固定电极和所述第十位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第十三固定电极和所述第十三位移电极是从Z轴方向上观察时以与X轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的Y轴负侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第十四固定电极和所述第十四位移电极是从Z轴方向上观察时以与X轴平行地延伸的弦为直径并在所述弦的Y轴正侧形成有弧的半圆状的电极，

所述第十五固定电极和所述第十五位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第十三固定电极和所述第十三位移电极的所述弧的半圆环状的电极，

所述第十六固定电极和所述第十六位移电极是从Z轴方向上观察时分别包围所述第十四固定电极和所述第十四位移电极的所述弧的半圆环状的电极。

27.根据权利要求25或26所述的力觉传感器，其特征在于，

以使在作用有XYZ三维坐标系中的各轴方向的力及绕各轴的力矩而使所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生了变化的情况下，构成所述第一电容元件～所述第十六电容元件各自的一对电极的实效相对面积也不发生变化的方式将所述第一固定电极和所述第一位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第二固定电极和所述第二位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第三固定电极和所述第三位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第四固定电极和所述第四位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积，将所述第五固定电极和所述第五位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第六固定电极和所述第六位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第七固定电极和所述第七位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第八固定电极和所述第八位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第九固定电极和所述第九位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十固定电极和所述第十位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十一固定电极和所述第十一位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十二固定电极和所述第十二位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十三固定电极和所述第十三位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十四固定电极和所述第十四位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十五固定电极和所述第十五位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积、将所述第十六固定电极和所述第十六位移电极中一方的面积设定得大于另一方的面积。

28.根据权利要求25至27中任一项所述的力觉传感器，其特征在于，

所述第一固定电极～所述第十六固定电极中的至少两个固定电极由共同的电极构成、或者所述第一位移电极～所述第十六位移电极中的至少两个位移电极由共同的电极构成。

29.根据权利要求23至28中任一项所述的力觉传感器，其特征在于，

所述四组电容元件配置成从Z轴方向上观察时与原点的距离相等。