CN108139288B - 力觉传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的各轴方向的力及各绕轴的转矩的各分量的至少一个分量，力觉传感器包括：支承体，配置于XY平面上；变形体，接合于支承体；以及检测电路，输出电信号，该电信号表示作用于变形体的力。变形体具有：第一变形部，具有第一弹簧常数；以及第二变形部，具有与第一弹簧常数不同的第二弹簧常数，检测电路输出第一电信号和第二电信号，该第一电信号相当于第一变形部对应所作用的力的变形，该第二电信号相当于第二变形部对应所作用的力的变形，基于与所作用的力对应的、第一电信号和第二电信号的比例变化，判定所述力觉传感器是否正常工作。

Description

力觉传感器

技术领域

本发明涉及一种力觉传感器，尤其涉及一种具有将作用于预定的轴方向的力及绕预定的旋转轴作用的转矩作为电信号而输出的功能的传感器。

背景技术

关于具有将作用于预定的轴方向的力及绕预定的旋转轴作用的转矩作为电信号而输出的功能的力觉传感器，例如专利文献1所记载那样，广泛应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，要求高安全性。但是，例如在现有的静电电容型的力觉传感器中，虽具备机构部、静电电容的检测部(力的检测部)、包含微机的电子电路，但由于结露、冲击、超负荷或异物混入提供该静电电容的一对平行平板间而有可能导致故障。特别是由于力觉传感器的力检测部具有挠性，因此，由于超负荷或反复负载而产生金属疲劳。从而，有可能在构成该力检测部的弹性体产生裂纹等，最终导致断裂。

作为判断力觉传感器是否发生故障的简便方法，例如可以将专利文献1所记载的力觉传感器并排多个(例如3个)，评价各力觉传感器的输出信号之差。在该方法中，对于三个输出信号分别进行两两比较，各两个力觉传感器的输出信号之差在预定的范围内的话，判断为该力觉传感器正常工作，相反，该差不在预定的范围内的话，判断为该力觉传感器没有正常工作(发生故障)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-354049号公报

但是，在采用使用多个力觉传感器判断该力觉传感器是否正常工作的方法的情况下，成本会与力觉传感器的数量对应地增加。并且，设置力觉传感器所需的空间也增大，成为问题。当然，也可以通过拆下安装于机器人等的力觉传感器来进行故障判断，从而判定该力觉传感器是否正常工作。但是，由于拆下已安装的力觉传感器会麻烦，因此，渴望一种能够更简便地进行故障判断的力觉传感器。

本发明鉴于以上的问题而作出。即，本发明的目的在于提供一种在构成力检测部的弹性体断裂前检测出在该弹性体上产生金属疲劳并能够诊断该力检测部的故障的力觉传感器。

发明内容

本发明为一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的各轴方向的力及各绕轴的转矩的各分量的至少一个分量，所述力觉传感器包括：支承体，配置于XY平面上；变形体，接合于所述支承体；以及检测电路，输出电信号，所述电信号表示作用于所述变形体的力，所述变形体具有：第一变形部，具有第一弹簧常数；以及第二变形部，具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数，所述检测电路输出第一电信号和第二电信号，所述第一电信号相当于所述第一变形部对应所作用的力的变形，所述第二电信号相当于所述第二变形部对应所作用的力的变形，基于与所作用的力对应的、所述第一电信号和所述第二电信号的比例变化，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据本发明，能够提供如下力觉传感器：当在构成力检测部的变形体上产生金属疲劳时，第一电信号和第二电信号的比例产生变化，因此基于该变化检测出产生了该金属疲劳，能够诊断变形体的故障。

在该力觉传感器中，优选的是，基于所述第一电信号或者所述第二电信号，检测作用于所述力觉传感器的分量。

这种情况下，如果基于与弹簧常数相对大的变形部对应的电信号来检测所作用的分量(力)的话，能够在几乎不受到金属疲劳影响的情况下检测出该分量。另一方面，如果基于与弹簧常数相对小的变形部对应的电信号来检测所作用的分量(力)的话，针对所作用的分量的灵敏度相对较高，因此能够进行S/N优异的计测。

在以上那样的力觉传感器中，所述检测电路能够通过各种方式检测作用于该力觉传感器的分量。作为一例，可以是，所述检测电路利用静电电容的变化来检测所作用的分量。

或者，可以是，所述检测电路利用电阻值的变化来检测所作用的分量。

或者，可以是，所述检测电路使用发光元件和受光元件检测所作用的分量。

作为以上发明的具体方式，可设想如下。

根据第1-1的发明，本发明为一种单轴力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向的力，所述单轴力觉传感器包括：支承体，配置于XY平面上；变形体，与所述支承体对置配置，并具有在成为检测对象的力的作用下产生弹性变形的变形部；固定电极，配置于所述支承体；位移电极，以与所述固定电极对置的方式设置于所述变形体的所述变形部，在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来输出电信号，所述电信号表示在负荷加载于所述变形体和所述支承体的一方的状态下作用于另一方的力，所述变形部从Z轴方向观察包括：内侧变形部，包含所述Z轴并具有第一弹簧常数；以及外侧变形部，位于所述内侧变形部的外侧并具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数，所述电容元件具有：第一电容元件，配置于与所述内侧变形部对应的位置；以及第二电容元件，配置于与所述外侧变形部对应的位置，所述检测电路输出第一电信号和第二电信号，所述第一电信号相当于所述第一电容元件对应所作用的力的静电电容值，所述第二电信号相当于所述第二电容元件对应所作用的力的静电电容值，基于与所作用的力对应的所述第一电信号和所述第二电信号的比例变化，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据第1-2的发明，所述第二电容元件以包围所述第一电容元件的方式配置。

根据第1-3的发明，所述第一电容元件从Z轴方向观察具有圆盘状的形状，所述第二电容元件从Z轴方向观察具有圆环状的形状。

这些情况下，由于各电容元件具有对称的形状，因此用于基于各电容元件的静电电容值的变动计测检测对象的力的处理容易。

根据第1-4的发明，在以上的力觉传感器中，所述第一及第二电容元件的各位移电极以共用电极构成，或者所述第一及第二电容元件的各固定电极以共用电极构成。

根据第1-5的发明，设定成所述第一电容元件和所述第二电容元件各自的位移电极和固定电极中的一方面积比另一方面积大，即便在作用Z轴方向的力的结果导致所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生变化的情况下，构成所述第一电容元件和第二电容元件各自的一对电极的有效对置面积不发生变化。

根据第2-1的发明，本发明为一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向和X轴方向的力，所述力觉传感器包括：支承体，配置于XY平面上；变形体，与所述支承体对置配置，并具有在成为检测对象的力的作用下产生弹性变形的变形部；固定电极，配置于所述支承体；位移电极，以与所述固定电极对置的方式设置于所述变形体的所述变形部，在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来输出电信号，所述电信号表示在负荷加载于所述变形体和所述支承体的一方的状态下作用于另一方的力，所述变形部从Z轴方向观察包括：内侧变形部，包含所述Z轴并具有第一弹簧常数；以及外侧变形部，位于所述内侧变形部的外侧并具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数，所述电容元件从Z轴方向观察包括：在与所述内侧变形部对应的位置而隔着Y轴配置的X轴负方向侧的第一电容元件和X轴正方向侧的第二电容元件；在与所述外侧变形部对应的位置而配置于所述第一电容元件近旁的第三电容元件及配置于所述第二电容元件近旁的第四电容元件，所述检测电路输出第一电信号和第二电信号，所述第一电信号相当于对应所作用的X轴方向的力的、“所述第一电容元件的静电电容值和所述第二电容元件的静电电容值之差”，所述第二电信号相当于对应所作用的X轴方向的力的、“所述第三电容元件的静电电容值和所述第四电容元件的静电电容值之差”，基于与所作用的X轴方向的力对应的所述第一电信号和所述第二电信号的比例的变化，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据第2-2发明，基于与所作用的Z轴方向的力对应的电信号能够诊断变形体的故障。也就是说，本发明为一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向和X轴方向的力，所述力觉传感器包括：支承体，配置于XY平面上；变形体，与所述支承体对置配置，并具有在成为检测对象的力的作用下产生弹性变形的变形部；固定电极，配置于所述支承体；位移电极，以与所述固定电极对置的方式设置于所述变形体的所述变形部，在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来输出电信号，所述电信号表示在负荷加载于所述变形体和所述支承体的一方的状态下作用于另一方的力，所述变形部从Z轴方向观察包括：内侧变形部，包含所述Z轴并具有第一弹簧常数；以及外侧变形部，位于所述内侧变形部的外侧并具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数，所述电容元件从Z轴方向观察包括：在与所述内侧变形部对应的位置而隔着Y轴配置的X轴负方向侧的第一电容元件和X轴正方向侧的第二电容元件；在与所述外侧变形部对应的位置而配置于所述第一电容元件近旁的第三电容元件及配置于所述第二电容元件近旁的第四电容元件，所述第一电容元件及所述第二电容元件在对应于所述内侧变形部的位置分别配置，所述第三电容元件及所述第四电容元件在对应于所述外侧变形部的位置分别配置，所述检测电路输出第一电信号和第二电信号，所述第一电信号相当于对应所作用的Z轴方向的力的、“所述第一电容元件的静电电容值和所述第二电容元件的静电电容值之和”，所述第二电信号相当于对应所作用的Z轴方向的力的、“所述第三电容元件的静电电容值和所述第四电容元件的静电电容值之和”，基于与所作用的Z轴方向的力对应的所述第一电信号和所述第二电信号的比例的变化，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据本发明，也能够提供如下力觉传感器：当在构成力检测部的变形体产生金属疲劳时，第一电信号和第二电信号的比例产生变化，因此基于该变化检测出产生了所述金属疲劳，能够诊断变形体的故障。

根据第2-3的发明，所述第三电容元件配置于所述第一电容元件的X轴负方向侧，所述第四电容元件配置于所述第二电容元件的X轴正方向侧。

根据第2-4的发明，所述第一电容元件从Z轴方向观察为以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的X轴负方向一侧形成有弧的半圆状的形状，所述第二电容元件从Z轴方向观察为以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的X轴正方向一侧形成有弧的半圆状的形状，所述第三电容元件从Z轴方向观察为包围所述第一电容元件的所述弧的半圆环状的形状，所述第四电容元件从Z轴方向观察为包围所述第二电容元件的所述弧的半圆环状的形状。

这些情况下，由于各电容元件具有对称的形状，因此用于基于各电容元件的静电电容值的变动计测检测对象的力的处理容易。

根据第2-5的发明，设定成所述第一电容元件～所述第四电容元件的各个位移电极和固定电极中的一方面积比另一方面积大，即便在作用X轴方向及/或Z轴方向的力的结果导致所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生变化的情况下，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有效对置面积不发生变化。

根据第2-6的发明，所述第一电容元件～所述第四电容元件的各固定电极中的至少两个以共用电极构成，或者所述第一电容元件～所述第四电容元件的各位移电极中的至少两个以共用电极构成。

根据第2-7的发明，基于所述第一电信号或者所述第二电信号，检测作用于所述力觉传感器的分量。本发明也可适用于第1-1～1-5的发明。

根据第3-1的发明，本发明为力觉传感器即六轴力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的各轴方向的力及各绕轴的转矩，所述六轴力觉传感器包括：支承体，配置于XY平面上；第一变形体，与所述支承体对置配置，并具有在成为检测对象的力或转矩的作用下产生弹性变形的四个第一变形部；固定电极，对应所述四个第一变形部而配置在所述支承体上；位移电极，以与所述固定电极对置的方式分别设置于所述四个第一变形部，在与固定电极之间构成四组电容元件；第二变形体，在以所述第一变形体为基准与所述支承体相反的一侧与所述第一变形体对置，并具有以与所述四个第一变形部的各个对置的方式配置的四个第二变形部；连结部件，分别连结各第一变形部和与各第一变形部相对应的第二变形部；以及检测电路，基于所述四组电容元件的各静电电容值的变动量来输出电信号，所述电信号表示在负荷加载于所述第二变形体和所述支承体的一方的状态下作用于另一方的力或转矩，各第一变形部分别具有：内侧变形部，连结于所述第一变形部中的所述连结部件并具有第一弹簧常数；以及外侧变形部，位于所述内侧变形部的外侧并具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数，所述四组电容元件中的第一组电容元件从Z轴方向观察具有：在Y轴正方向侧隔着Y轴而配置的X轴负方向侧的第一电容元件和X轴正方向侧的第二电容元件；以及配置于所述第一电容元件近旁的第三电容元件及配置于所述第二电容元件近旁的第四电容元件，所述四组电容元件中的第二组电容元件从Z轴方向观察具有：在X轴正方向侧隔着X轴而配置的Y轴正方向侧的第五电容元件和Y轴负方向侧的第六电容元件；以及配置于所述第五电容元件近旁的第七电容元件及配置于所述第六电容元件近旁的第八电容元件，所述四组电容元件中的第三组电容元件从Z轴方向观察具有：在Y轴负方向侧隔着Y轴而配置的X轴正方向侧的第九电容元件和X轴负方向侧的第十电容元件；以及配置于所述第九电容元件近旁的第十一电容元件及配置于所述第十电容元件近旁的第十二电容元件，所述四组电容元件中的第四组电容元件从Z轴方向观察具有：在Y轴负方向侧隔着X轴而配置的Y轴负方向侧的第十三电容元件和Y轴正方向侧的第十四电容元件；以及配置于所述第十三电容元件近旁的第十五电容元件及配置于所述第十四电容元件近旁的第十六电容元件，所述第一电容元件、第二电容元件、第五电容元件、第六电容元件、第九电容元件、第十电容元件、第十三电容元件及第十四电容元件分别配置于与各第一变形部的内侧变形部对应的位置，所述第三电容元件、第四电容元件、第七电容元件、第八电容元件、第十一电容元件、第十二电容元件、第十五电容元件及第十六电容元件分别配置于与各第一变形部的外侧变形部对应的位置，所述检测电路，基于“所述第一电容元件、第二电容元件、第五电容元件、第六电容元件、第九电容元件、第十电容元件、第十三电容元件及第十四电容元件的各静电电容值的变动量”，针对四个第一变形部输出合计六个第一电信号，所述六个第一电信号相当于XYZ三维坐标系中的各轴方向的力和各绕轴的转矩，基于“所述第三电容元件、第四电容元件、第七电容元件、第八电容元件、第十一电容元件、第十二电容元件、第十五电容元件及第十六电容元件的各静电电容值的变动量”，针对四个第一变形部输出合计六个第二电信号，所述六个第二电信号相当于XYZ三维坐标系中的各轴方向的力和各绕轴的转矩，基于XYZ三维坐标系中的各轴方向的力和各绕轴的转矩中至少一个中的所述第一电信号和所述第二电信号的比例变化，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据第3-2的发明，所述检测电路基于所述第一电信号或者所述第二电信号，检测作用于所述力觉传感器的各轴方向的力及转矩。

根据第3-3的发明，所述第三电容元件配置于所述第一电容元件的X轴负方向侧，所述第四电容元件配置于所述第二电容元件的X轴正方向侧，所述第七电容元件配置于所述第五电容元件的Y轴正方向侧，所述第八电容元件配置于所述第六电容元件的Y轴负方向侧，所述第十一电容元件配置于所述第九电容元件的X轴正方向侧，所述第十二电容元件配置于所述第十电容元件的X轴负方向侧，所述第十五电容元件配置于所述第十三电容元件的Y轴负方向侧，所述第十六电容元件配置于所述第十四电容元件的Y轴正方向侧。

根据第3-4的发明，所述第一电容元件从Z轴方向观察为以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的X轴正方向侧形成有弧的半圆状的形状，所述第二电容元件从Z轴方向观察为以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的X轴负方向侧形成有弧的半圆状的形状，所述第三电容元件从Z轴方向观察为包围所述第一电容元件的所述弧的半圆环状的形状，所述第四电容元件从Z轴方向观察为包围所述第二电容元件的所述弧的半圆环状的电极，所述第五电容元件从Z轴方向观察为以与X轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的Y轴正方向侧形成有弧的半圆状的形状，所述第六电容元件从Z轴方向观察为以与X轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的Y轴负方向侧形成有弧的半圆状的形状，所述第七电容元件从Z轴方向观察为包围所述第五电容元件的所述弧的半圆环状的形状，所述第八电容元件从Z轴方向观察为包围所述第六电容元件的所述弧的半圆环状的形状，所述第九电容元件从Z轴方向观察为以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的X轴负方向侧形成有弧的半圆状的形状，所述第十电容元件从Z轴方向观察为以与Y轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的X轴正方向侧形成有弧的半圆状的形状，所述第十一电容元件从Z轴方向观察为包围所述第九电容元件的所述弧的半圆环状的形状，所述第十二电容元件从Z轴方向观察为包围所述第十电容元件的所述弧的半圆环状的形状，所述第十三电容元件从Z轴方向观察为以与X轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的Y轴负方向侧形成有弧的半圆状的形状，所述第十四电容元件从Z轴方向观察为以与X轴平行地延伸的弦为直径并在该弦的Y轴正方向侧形成有弧的半圆状的形状，所述第十五电容元件从Z轴方向观察为包围所述第十三电容元件的所述弧的半圆环状的形状，所述第十六电容元件从Z轴方向观察为包围所述第十四电容元件的所述弧的半圆环状的形状。

这种情况下，由于各电容元件具有对称的形状，因此用于基于各电容元件的静电电容值的变动计测检测对象的力的处理容易。

根据第3-5的发明，设定成所述第一电容元件～所述第十六电容元件的各个位移电极和固定电极中的一方面积比另一方面积大，即便在作用XYZ三维坐标系中的各轴方向的力及各绕轴的转矩的结果导致所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生变化的情况下，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有效对置面积不发生变化。

根据第3-6的发明，所述第一电容元件～所述第十六电容元件的各固定电极中的至少两个以共用电极构成，或者所述第一电容元件～所述第十六电容元件的各位移电极中的至少两个以共用电极构成。

根据第3-7的发明，所述四组电容元件从Z轴方向观察在距离原点等距离处配置。这种情况下，由于各组电容元件对称配置，因此用于基于各电容元件的静电电容值的变动计测检测对象的力的处理更容易。

根据第3-8的发明，所述检测电路具有将所述力觉传感器正常工作状态下的所述第一电信号和所述第二电信号的比例作为基准比例而存储的存储部，通过判定“所述第一电信号和所述第二电信号的比例和所述基准比例之差”是否在预定的范围内，判定所述力觉传感器是否正常工作。

这种情况下，能够基于预先规定的基准比例，可靠地进行变形体的故障判定即力觉传感器的故障判定。该构成可适用于第1-1～第2-7的发明。

根据第4-1的发明，本发明为一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向的力，所述力觉传感器包括：变形体，具有在成为检测对象的力的作用下产生弹性变形的变形部；应变计测器，配置于所述变形体的表面，计测由于所述弹性变形而在所述变形体中产生的应变；以及检测电路，基于所述应变计测器的计测结果来输出电信号，所述电信号表示作用于所述变形体的力，所述变形部具有：从Z轴方向观察包含该Z轴并具有第一弹簧常数的内侧变形部；以及具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数的外侧变形部，所述应变计测器计测设置于所述内侧变形部的第一计测部位的应变和设置于所述外侧变形部的第二计测部位的应变，所述检测电路输出第一电信号和第二电信号，所述第一电信号相当于对应所作用的力的、所述第一计测部位的计测值，所述第二电信号相当于对应所作用的力的、所述第二计测部位的计测值，基于与所作用的力对应的、所述第一电信号和所述第二电信号的比例的变化，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据第4-2的发明，本发明为一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向及X轴方向的力，所述力觉传感器包括：变形体，具有在成为检测对象的力的作用下产生弹性变形的变形部；应变计测器，配置于所述变形体的表面，计测由于所述弹性变形而在所述变形体中产生的应变；以及检测电路，基于所述应变计测器的计测结果来输出电信号，所述电信号表示作用于所述变形体的力，所述变形部具有：从Z轴方向观察包含该Z轴并具有第一弹簧常数的内侧变形部；以及位于所述内侧变形部的外侧并具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数的外侧变形部，所述应变计测器计测：在正的X轴上设置于所述内侧变形部的第一计测部位的应变；在负的X轴上设置于所述内侧变形部的第二计测部位的应变；在正的X轴上设置于所述外侧变形部的第三计测部位的应变；在负的X轴上设置于所述外侧变形部的第四计测部位的应变，所述检测电路输出第一电信号和第二电信号，所述第一电信号相当于与所作用的X轴方向的力对应的、“所述第一计测部位的计测值和所述第二计测部位的计测值之差”，所述第二电信号相当于与所作用的X轴方向的力对应的、“所述第三计测部位的计测值和所述第四计测部位的计测值之差”，基于与所作用的X轴方向的力对应的、所述第一电信号和所述第二电信号的比例变化，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据第4-3的发明，本发明为一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向及X轴方向的力，所述力觉传感器包括：变形体，具有在成为检测对象的力的作用下产生弹性变形的变形部；应变计测器，配置于所述变形体的表面，计测由于所述弹性变形而在所述变形体中产生的应变；以及检测电路，基于所述应变计测器的计测结果来输出电信号，所述电信号表示作用于所述变形体的力，所述变形部具有：从Z轴方向观察包含该Z轴并具有第一弹簧常数的内侧变形部；以及位于所述内侧变形部的外侧并具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数的外侧变形部，所述应变计测器计测：在正的X轴上设置于所述内侧变形部的第一计测部位的应变；在负的X轴上设置于所述内侧变形部的第二计测部位的应变；在正的X轴上设置于所述外侧变形部的第三计测部位的应变；以及在负的X轴上设置于所述外侧变形部的第四计测部位的应变，所述检测电路输出第一电信号和第二电信号，所述第一电信号相当于与所作用的Z轴方向的力对应的、“所述第一计测部位的计测值和所述第二计测部位的计测值之和”，所述第二电信号相当于与所作用的Z轴方向的力对应的、“所述第三计测部位的计测值和所述第四计测部位的计测值之和”，基于与所作用的Z轴方向的力对应的、所述第一电信号和所述第二电信号的比例变化，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据第4-4的发明，基于在所述内侧变形部和所述外侧变形部中具有相对大的弹簧常数的变形部设置的计测部位的计测值，计测所作用的力。

根据第4-5的发明，所述检测电路具有将“所述力觉传感器正常工作状态下的所述第一电信号和所述第二电信号的比例”作为基准比例而存储的存储部，通过判定“所述第一电信号和所述第二电信号的比例和所述基准比例之差”是否在预定的范围内，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据第4-6的发明，本发明为六轴力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的各轴方向的力及各绕轴的转矩，所述六轴力觉传感器包括：第一变形体，具有在成为检测对象的力或转矩的作用下产生弹性变形的四个第一变形部；应变计测器，配置于所述第一变形体的表面，用于计测由于所述弹性变形而在所述四个第一变形部中产生的应变；第二变形体，具有以与所述四个第一变形部的各个对置的方式配置的四个第二变形部；连结部件，分别连结各第一变形部和与该第一变形部相对应的第二变形部；以及检测电路，基于所述应变计测器的计测结果来输出电信号，所述电信号表示在负荷加载于所述第一变形体和所述第二变形体的一方的状态下作用于另一方的力或转矩，各第一变形部分别具有：连结于该第一变形部中的所述连结部件并具有第一弹簧常数的内侧变形部；以及具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数的外侧变形部，所述应变计测器在各第一变形部检测：隔着所述连结部件而沿X轴方向设置于所述内侧变形部的第一及第二计测部位的应变；隔着所述连结部件而沿Y轴方向设置于所述内侧变形部的第三及第四计测部位的应变；隔着所述连结部件而沿X轴方向设置于所述外侧变形部的第五及第六计测部位的应变；以及隔着所述连结部件而沿Y轴方向设置于所述外侧变形部的第七及第八计测部位的应变，所述检测电路基于在各第一变形部的所述内侧变形部配置的所述第一计测部位～所述第四计测部位的计测值，输出针对四个所述第一变形部的合计六个第一电信号，所述第一电信号相当于XYZ三维坐标系中的各轴方向的力和各绕轴的转矩，基于在各第一变形部的所述外侧变形部配置的所述各四个第五计测部位～第八计测部位的计测值，输出针对四个所述第一变形部的合计六个第二电信号，所述第二电信号相当于XYZ三维坐标系中的各轴方向的力和各绕轴的转矩，基于针对XYZ三维坐标系中的各轴方向的力和各绕轴的转矩中的至少一个的、所述第一电信号和所述第二电信号的比例变化，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据第4-7的发明，基于所述第一电信号或者所述第二电信号，检测作用于所述力觉传感器的分量。

根据第4-8的发明，所述检测电路针对各轴方向的力和各绕轴的转矩中的至少一个而具有将“所述力觉传感器正常工作状态下的所述第一电信号和所述第二电信号的比例”作为基准比例而存储的存储部，通过判定“针对各轴方向的力和各绕轴的转矩中的至少一个的所述第一电信号和所述第二电信号的比例和所述基准比例之差”是否在预定的范围内，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据第4-9的发明，所述应变计测器包含对应各计测部位而设置的应变仪。

根据第4-10的发明，所述应变计测器包含具有发光元件和受光元件的光学干涉式计测器。

根据第4-11的发明，所述内侧变形部为沿X轴方向延伸的一根内侧梁，所述外侧变形部为从所述内侧梁的两端分别沿X轴方向延伸的外侧梁。

根据第4-12的发明，所述内侧变形部为分别沿X轴方向和Y轴方向延伸的十字形的两根内侧梁，所述外侧变形部为分别从所述两根内侧梁的各两端沿X轴方向和Y轴方向延伸的外侧梁。

根据第4-13的发明，所述内侧变形部为圆盘状的内侧隔板，所述外侧变形部为包围所述内侧隔板的外周的圆环状的外侧隔板。

根据第4-14的发明，所述第一弹簧常数比所述第二弹簧常数小。

根据第4-15的发明，所述第一弹簧常数比所述第二弹簧常数大。

根据第4-16的发明，所述内侧变形部和所述外侧变形部在Z轴方向的厚度上彼此不同，由此具有不同的弹簧常数。

此外，第4-13～4-16的发明还可适用于第1-1～第3-8的发明。

根据第4-17的发明，通过在所述内侧变形部和所述外侧变形部中的一方设置狭缝，所述内侧变形部和所述外侧变形部具有不同的弹簧常数。

根据第4-18的发明，所述内侧梁和所述外侧梁从Z轴方向观察时彼此的宽度方向厚度不同，由此有不同的弹簧常数。

第5-1的发明为一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的各轴方向的力和各绕轴的转矩，所述力觉传感器包括：环状变形体，由在成为检测对象的力或转矩的作用下产生弹性变形的材质构成，并具有供Z轴插穿的贯通开口部；第一支承体，在所述环状变形体与XZ平面相交的两个第一部位连接于所述环状变形体；第二支承体，在所述环状变形体与包含Z轴且与XZ平面不同的平面相交的两个第二部位连接于所述环状变形体，所述第二支承体能够相对于所述第一支承体绕Z轴旋转；位移电极，配置于所述环状变形体的预定位置，并产生起因于所述环状变形体的弹性变形的位移；固定电极，配置于所述第一支承体中的与所述位移电极相对置的位置；以及检测电路，基于由所述位移电极和所述固定电极构成的电容元件的静电电容值的变动量来输出电信号，所述电信号表示在负荷加载于所述第一支承体和所述第二支承体的一方的状态下作用于另一方的各轴方向的力和各绕轴的转矩，所述环状变形体具有：位于在所述环状变形体上定义的四个检测点的第一检测部～第四检测部和与所述第一检测部～第四检测部的两端相连接的连结部，所述第一检测部和第四检测部在X轴正方向侧以X轴对称地配置，所述第二检测部和所述第三检测部在X轴负方向侧以X轴对称地配置，所述第一检测部～第四检测部分别具有：在成为检测对象的力或转矩的作用下产生弹性变形的第一变形部；在成为检测对象的力或转矩的作用下产生弹性变形的第二变形部；由于所述第一变形部和所述第二变形部的弹性变形而产生位移的位移部，所述第一变形部的圆周方向外侧端连接于与之相邻的连结部，所述第一变形部的圆周方向内侧端连接于所述位移部，所述第二变形部的圆周方向外侧端连接于与之相邻的连结部，所述第二变形部的圆周方向内侧端连接于所述位移部，所述第一检测部及所述第四检测部的所述第一变形部及第二变形部具有第一弹簧常数，所述第二检测部及所述第三检测部的所述第一变形部及所述第二变形部具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数，所述电容元件具有第一电容元件、第二电容元件、第三电容元件及第四电容元件，各电容元件由在所述第一检测部～第四检测部各自的与所述位移部对应的位置配置的位移电极和固定电极构成，所述检测电路将“相当于所述第一电容元件的静电电容值和所述第四电容元件的静电电容值之和的第一电信号与相当于所述第二电容元件的静电电容值和所述第三电容元件的静电电容值之和的第二电信号之差”输出为表示所作用的X轴方向的力的电信号，基于“所述第一电信号和所述第二电信号的比例”或者“相当于所述第一电容元件或者所述第四电容元件的静电电容值的电信号与相当于所述第二电容元件或者所述第三电容元件的静电电容值的电信号的比例”，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据第5-2的发明，所述检测电路具有将所述力觉传感器正常工作时的、“所述第一电信号和所述第二电信号的比例”或者“相当于所述第一电容元件或者所述第四电容元件的静电电容值的电信号与相当于所述第二电容元件或者所述第三电容元件的静电电容值的电信号的比例”作为基准比例存储的存储部，通过判定“所述第一电信号和所述第二电信号的比例”或者“相当于所述第一电容元件或者所述第四电容元件的静电电容值的电信号与相当于所述第二电容元件或者所述第三电容元件的静电电容值的电信号的比例”与所述基准比例之差是否在预定的范围内，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据第5-3的发明，当在XY平面上定义通过原点O并相对于X轴及Y轴呈45°的V轴及W轴时，从Z轴方向观察时，所述第一检测部配置于正的V轴上，所述第二检测部配置于正的W轴上，所述第三检测部配置于负的V轴上，所述第四检测部配置于负的W轴上。

第5-4的发明为一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的各轴方向的力和各绕轴的转矩，所述力觉传感器包括：环状变形体，由在成为检测对象的力或转矩的作用下产生弹性变形的材质构成，并具有供Z轴插穿的贯通开口部；第一支承体，在所述环状变形体与XZ平面相交的两个第一部位连接于所述环状变形体；第二支承体，在所述环状变形体与包含Z轴并与XZ平面不同的平面相交的两个第二部位连接于所述环状变形体，所述第二支承体能够相对于所述第一支承体围绕Z轴旋转；位移电极，配置于所述环状变形体的预定位置，并产生起因于所述环状变形体的弹性变形的位移；固定电极，配置于所述第一支承体中的与所述位移电极相对置的位置；以及检测电路，基于由所述位移电极和所述固定电极构成的电容元件的静电电容值的变动量来输出电信号，所述电信号表示在负荷加载于所述第一支承体和所述第二支承体的一方的状态下作用于另一方的各轴方向的力和各绕轴的转矩，所述环状变形体具有：位于在所述环状变形体上定义的四个检测点的第一检测部～第四检测部；以及与所述第一检测部～第四检测部的两端相连接的连结部，所述第一检测部～第四检测部分别具有：在成为检测对象的力或转矩的作用下产生弹性变形的第一变形部；在成为检测对象的力或转矩的作用下产生弹性变形的第二变形部；以及由于所述第一变形部和所述第二变形部的弹性变形而产生位移的位移部，所述第一变形部的圆周方向外侧端连接于与之相邻的连结部，所述第一变形部的圆周方向内侧端连接于所述位移部，所述第二变形部的圆周方向外侧端连接于与之相邻的连结部，所述第二变形部的圆周方向内侧端连接于所述位移部，所述第一检测部及所述第二检测部的所述第一变形部及所述第二变形部具有第一弹簧常数，所述第三检测部及所述第四检测部的所述第一变形部及所述第二变形部具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数，所述电容元件具有第一电容元件、第二电容元件、第三电容元件及第四电容元件，各电容元件由在与所述第一检测部～所述第四检测部各自的所述位移部对应的位置配置的位移电极和固定电极构成，所述检测电路将相当于“所述第一电容元件的静电电容值和所述第二电容元件的静电电容值之和”的第一电信号与相当于“所述第三电容元件的静电电容值和所述第四电容元件的静电电容值之和”的第二电信号输出为表示所作用的Z轴方向的力的电信号，基于所述第一电信号和所述第二电信号的比例变化，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据第5-5的发明，所述检测电路具有将“所述力觉传感器正常工作状态下Z轴方向的力作用时的、所述第一电信号和所述第二电信号的比例”作为基准比例而存储的存储部，通过判定“所述第一电信号和所述第二电信号的比例与所述基准比例之差”是否在预定的范围内，判定所述力觉传感器是否正常工作。

根据第5-6的发明，所述第一检测部～所述第四检测部在所述环状变形体上沿所述环状变形体的圆周方向等间隔配置。这种情况下，由于各检测部绕原点而对称配置，因此用于检测作用于力觉传感器的力或转矩的计算容易。

根据第5-7的发明，设定成所述第一电容元件～所述第四电容元件各自的位移电极和固定电极中的一方面积比另一方面积大，即便在作用XYZ三维坐标系中的各轴方向的力和各绕轴的转矩的结果导致所述位移电极相对于所述固定电极的相对位置发生变化的情况下，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有效对置面积不发生变化。

根据第5-8的发明，所述第一固定电极～所述第四固定电极中的至少两个以共用电极构成，或者所述第一固定电极～所述第四位移电极中的至少两个以共用电极构成。

根据第5-9的发明，所述第一弹簧常数比所述第二弹簧常数小。

根据第5-10的发明，所述第一弹簧常数比所述第二弹簧常数大。

附图说明

图1为示出根据本发明的一实施方式的单轴力觉传感器的简要截面图。

图2为示出图1的力觉传感器的位移电极的简要俯视图。

图3为示出在图1的隔板上未产生金属疲劳的情况(初始状态)下作用于力觉传感器的力Fz的大小和从该力觉传感器输出的第一电信号T1a及第二电信号T2a的关系的图表。

图4为示出在图1的隔板上产生金属疲劳的情况下作用于力觉传感器的力Fz的大小和从该力觉传感器输出的第一电信号T1b及第二电信号T2b的关系的图表。

图5为本实施方式的力觉传感器所采用的检测电路的框图。

图6为示出根据本发明的第二实施方式的双轴力觉传感器的简要截面图。

图7为示出图6的力觉传感器的位移电极的简要俯视图。

图8为示出通过X轴正方向的力+Fx而在图6的力觉传感器的隔板产生变形的状态的简要截面图。

图9为示出根据本发明的第三实施方式的六轴力觉传感器的简要截面图。

图10为图9的A-A线截面图。

图11为图9的B-B线截面图。

图12为示出使X轴正方向的力+Fx作用时的图9的力觉传感器的状态的简要截面图。

图13为示出使Z轴负方向的力-Fz作用时的图9的力觉传感器的状态的简要截面图。

图14为示出使正绕Y轴的转矩+My作用时的图9的力觉传感器的状态的简要截面图。

图15为用一览表示出在X、Y、Z的各轴正方向的力及各正绕的转矩作用于图9的力觉传感器的情况下在电容元件中产生的静电电容值的变化的图表。

图16为示出应变仪式的单轴力觉传感器的一例的简要俯视图。

图17为示出Z轴负方向的力-Fz作用于受力体的状态下的、图16的力觉传感器的简要截面图。

图18为示出X轴正方向的力+Fx作用于受力体的状态下的、图16的力觉传感器的简要截面图。

图19为图16的力觉传感器中采用的检测电路的框图。

图20为示出采用了半导体应变仪的力觉传感器的简要俯视图。

图21为设置于图20的力觉传感器的检测电路的惠斯登电桥电路。

图22为示出应变仪式的六轴力觉传感器的一例的简要截面图。

图23为示出设置于图22的力觉传感器的变形部之一的简要俯视图。

图24为用一览表示出正方向的力或转矩作用于图22的力觉传感器的情况下的、各应变仪的计测值的动向的图表。

图25为示出采用了横梁形的变形部的变形体的一例的简要俯视图。

图26为示出采用了横梁形的变形部的变形体的一例的简要截面图。

图27为具有塑料制的隔板的力觉传感器的简要截面图。

图28为示出具有内侧变形部设置有狭缝的隔板的变形体100的简要俯视图。

图29为在先申请的力觉传感器的基本构造部的俯视图(上侧图)及侧视图(下侧图)。

图30为以XY平面截取图29所示的基本构造部的横截面图(上侧图)及以XZ平面截取该基本构造部的纵截面图(下侧图)。

图31为图29所示的基本构造部的支承基板及固定部件的俯视图(上侧图)以及以YZ平面截取该基本构造部的纵截面图(下侧图)。

图32为示出X轴正方向的力+Fx作用于图29所示的基本构造部的受力体时的变形状态的、XY平面下的横截面图(上侧图)以及XZ平面下的纵截面图(下侧图)。

图33为示出Z轴正方向的力+Fz作用于图29所示的基本构造部的受力体时的变形状态的、XZ平面下的纵截面图。

图34为正绕Y轴的转矩+My作用于图29所示的基本构造部的受力体时的变形状态的XZ平面中的纵截面图。

图35为正绕Z轴的转矩+Mz作用于图29所示的基本构造部的受力体时的变形状态的、XY平面下的横截面图。

图36为具有波形的检测部的检测环的立体图(图中(a))、侧视图(图中(b))、仰视图(图中(c))。

图37为示出图36所示的检测环的区域分布的俯视图(网眼状的阴影用于示出检测部D1～D4的区域，并非示出截面)。

图38为示出图36所示的检测环的检测部D1～D4(代表性地以附图标记D表示)的详细构造的局部截面图。

图39为示出在图36所示的检测环的检测部D1～D4(代表性地以附图标记D表示)及与之对置的支承基板的预定部分设置电极的详细构造的局部截面图。

图40为示出在根据本实施方式的力觉传感器中使用的检测环的简要俯视图。

图41为示出各轴方向的力或各绕轴的转矩作用于采用了图40的检测环的力觉传感器的受力体时的各电容元件的静电电容值的变动量(增减程度)的图表。

图42为示出在图40的检测环上未产生金属疲劳的情况(初始状态)下作用于力觉传感器的力Fz的大小和从该力觉传感器输出的第一电信号T1a及第二电信号T2a的关系的图表。

图43为示出在图40的检测环上产生金属疲劳的情况下作用于力觉传感器的力Fz的大小和从该力觉传感器输出的第一电信号T1b及第二电信号T2b的关系的图表。

图44为示出图40的检测环的变形例的检测环的简要俯视图。

图45为示出根据图29所示的检测环的变形例的检测环的简要俯视图。

具体实施方式

<<<§1.单轴力觉传感器的实施例>>>

参照附图，对于根据本发明的第一实施方式的力觉传感器进行说明。

图1为示出根据本发明的第一实施方式的单轴力觉传感器的简要截面图。

图2为示出图1的力觉传感器的位移电极E30的简要俯视图。

如图1所示，根据本实施方式的力觉传感器为检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向(图1中的上下方向)的力Fz的力觉传感器。本实施方式的力觉传感器具备：平板状的支承体300，配置于XY平面上；变形体100，与所述支承体300对置配置，并具有用作变形部的隔板150d，该隔板150d通过成为检测对象的力Fz的作用而产生弹性变形；固定电极E20，隔着下部基板12配置于支承体300的上表面；以及位移电极E30，以与固定电极E20对置的方式隔着上部基板11设置于隔板150d，在与固定电极E20之间构成电容元件C。在此，方便说明起见，将支承体300的上表面与XY平面平行配置。

在本实施方式中，如图1所示，在隔板150d的上表面(图1中的上方的面)设置承受成为检测对象的力Fz的受力体160，力Fz经由该受力体160传递至隔板150d。另外，在隔板150d的周缘部形成向下方延伸的接续部151，该接续部151的下端接续于支承体300的上表面。也就是说，变形体100被支承体300支承，当成为检测对象的力Fz作用于受力体160时，隔板150d相对于支承体300产生弹性变形。本实施方式的支承体300及变形体100从上方(Z轴正方向)观察均具有圆形的外形，该圆形在Z轴上具有中心。并且，受力体160比后述的内侧变形部150l的直径小，具有与支承体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。

如图1所示，本实施方式的隔板150d具有内侧变形部150l和与该内侧变形部150l相比弹簧常数相对大的外侧变形部150h。如从图1可理解那样，内侧变形部150l设置于隔板150d的中央区域。另一方面，外侧变形部150h设置于包围内侧变形部150l外周的环状区域。具体而言，内侧变形部150l具有圆盘状的形状，外侧变形部150h具有圆环状的形状。如图所示，内侧变形部150l与外侧变形部150h相比，Z轴方向的壁厚小，从而，具有比该外侧变形部150h的弹簧常数小的弹簧常数。此外，本实施方式中所谓“弹簧常数”是意指Z轴方向的力Fz作用于设置于内侧变形部150l的受力体160时，力Fz的大小除以在内侧变形部150l及外侧变形部150h产生的Z轴方向的各个位移的值。

在对受力体160未作用有任何力的状态下，受力体160相对于支承体300处于固定位置，当力Fz作用于受力体160时，具有弹性(挠性)的隔板150d产生弹性变形，受力体160和支承体300的相对位置产生变化。此时，由于内侧变形部150l和外侧变形部150h的弹簧常数的差异，产生于内侧变形部150l的弹性变形比产生于外侧变形部150h的弹性变形大。当然，当作用于受力体160的力消失时，受力体160恢复为原先的固定位置。

如图2所示，本实施方式的位移电极E30包括在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的外周并在Z轴上具有中心的圆环状的第二位移电极E32。另外，如图1所示，本实施方式的固定电极E20包括在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的外周并在Z轴上具有中心的圆环状的第二固定电极E22。并且，第一位移电极E31和第一固定电极E21相互对置配置，构成第一电容元件C1，第二位移电极E32和第二固定电极E22相互对置配置，构成第二电容元件C2。在本实施方式中，第一位移电极E31和第一固定电极E21具有相同的形状，第二位移电极E32和第二固定电极E22具有相同的形状。当然，在其他实施方式中，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，将固定电极E20作为共用电极而构成，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，将位移电极E30作为共用电极而构成。

在本实施方式中，如图1所示，第一位移电极E31配置于内侧变形部150l的下表面，第二位移电极配置于外侧变形部150h的下表面。换言之，由第一位移电极E31和第一固定电极E21构成的第一电容元件C1从Z轴方向观察配置于与内侧变形部150l对应的位置，由第二位移电极E32和第二固定电极E22构成的第二电容元件C2从Z轴方向观察配置于与外侧变形部150h对应的位置。

此外，虽然没有图示，可考虑以在Z轴方向的力作用的结果导致位移电极相对于固定电极的相对位置变化的情况下也构成电容元件的一对电极的有效对置面积不发生变化的方式，将固定电极和位移电极中的一方面积设定得比另一方大。具体而言，这是如下状态：在将面积小的一方的电极(例如位移电极)的轮廓投影于面积大的一方的电极(例如固定电极)的表面而形成正射投影图像的情况下，面积小的一方的电极的投影图像完全包含于面积大的一方的电极的表面内。如果维持该状态的话，由两个电极构成的电容元件的有效面积与小的一方的电极的面积相等，始终恒定。也就是说，能够提高力的检测精度。

当Z轴负方向(朝下)的力-Fz作用于上述那样的力觉传感器的受力体160时，隔板150d向下方弯曲。与之伴随，第一位移电极E31及第二位移电极E32向下方位移。从而，第一及第二位移电极E31、E32和第一及第二固定电极E21、E22的分离距离分别减少，第一及第二电容元件C1、C2的静电电容值分别增大。在本实施方式的力觉传感器中，基于第一电容元件C1的静电电容值的变动量，能够检测出作用于受力体160的Z轴方向的力Fz。或者，基于第二电容元件C2的静电电容值的变动量，能够检测出作用于受力体160的Z轴方向的力Fz。

在本实施方式中，如前所述，内侧变形部150l的弹簧常数小于外侧变形部150h的弹簧常数。因此，与所作用的力Fz的朝向(符号)无关，由于该力Fz，在内侧变形部150l中产生相对大的弹性变形，在外侧变形部150h中产生相对小的弹性变形。因此，如果构成第一及第二电容元件C1、C2的各一对的固定电极及位移电极相互具有相同的分离距离，并且，相互具有相同的有效对置面积的话，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。换言之，对于力Fz，第一电容元件C1比第二电容元件C2具有更高的灵敏度。

在本实施方式的力觉传感器中，如以下的式1所示，基于相当于第一电容元件C1的静电电容值的变动量的第一电信号T1，能够检测出作用于受力体160的力Fz的方向及大小。进一步，基于相当于第二电容元件C2的静电电容值的变动量的第二电信号T2，能够检测出所作用的力Fz的方向及大小。此外，在以下的式1中，C1及C2分别示出电容元件C1、C2的静电电容值的变动量。

[式1]

T1＝C1

T2＝C2

在本实施方式中，第一电信号T1和第二电信号T2的比例随着金属疲劳在作为变形体的隔板150d中累积而发生变化，利用其进行力觉传感器的故障诊断。在以下的说明中，将在隔板150d上未产生金属疲劳的初始状态下的第一及第二电信号设为T1a、T2a，将在隔板150d上产生(累积)了金属疲劳的状态下的第一及第二电信号设为T1b、T2b，分别加以区别。

图3为示出在图1的隔板150d上未产生金属疲劳的状态(初始状态)下作用于力觉传感器的力的大小和从该力觉传感器输出的第一电信号T1a及第二电信号T2a的关系的图表，图4为示出在图1的隔板150d上产生(累积)了金属疲劳的情况下作用于力觉传感器的力的大小和从该力觉传感器输出的第一电信号T1b及第二电信号T2b的关系的图表。

在各图中，横轴表示作用于力觉传感器的力-Fz的绝对值，纵轴表示对应于该力-Fz从力觉传感器输出的电信号的大小。因此，在各图中，表示各电信号T1a～T2b的直线的斜率表示力觉传感器的检测灵敏度。

接着，对于判定力觉传感器是否正常工作的方法进行说明。当反复的负载作用于本实施方式的力觉传感器时，在隔板150d上产生金属疲劳。在力Fz导致的弹性变形相对大的内侧变形部150l中显著地发现金属疲劳。当该金属疲劳累积时，内侧变形部150l的强度下降，最终导致隔板150d断裂。一般而言，当金属疲劳累积于金属材料时，该金属材料软化，因此，内侧变形部150l的弹簧常数下降。也就是说，在本实施方式的隔板150d中，当在内侧变形部150l上累积金属疲劳时，该内侧变形部150l由于力Fz而大幅变形，与初始状态相比较，内侧变形部150l相对于力Fz的灵敏度上升。通过比较图3和图4便可理解这一点。

具体而言，参照图3，在初始状态下，表示与内侧变形部150l相对应的第一电信号T1a的直线的斜率(灵敏度)为2.0。另一方面，参照图4，在累积有金属疲劳的状态下，表示与内侧变形部150l相对应的第一电信号T1b的直线的斜率(灵敏度)为3.0，灵敏度上升50％。

当然，在外侧变形部150h也发现金属疲劳，其发现的程度小于内侧变形部150l中的金属疲劳的发现程度。实际上，参照图3，在初始状态下，表示与外侧变形部150h相对应的第二电信号T2a的直线的斜率(灵敏度)为0.5。另一方面，参照图4，在金属疲劳累积的状态下，表示与外侧变形部150h相对应的第二电信号T2b的直线的斜率(灵敏度)为0.6。因此，灵敏度上升停留于20％。

在此值得关注的是，在内侧变形部150l和外侧变形部150h中，金属疲劳的发现程度不同。也就是说，在初始状态下，第一电信号T1a和第二电信号T2a的比例(T1a/T2a)为4.0，与之对比，在累积有金属疲劳的状态下，第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例(T1b/T2b)上升至5.0。本发明利用这点进行力觉传感器的故障诊断。

换言之，由于在内侧变形部150l和外侧变形部150h中金属疲劳的累积特性不同，伴随着反复的负载，第一电信号T1和第二电信号T2的比例随之变化。并且，当向力觉传感器进一步作用反复的负载时，隔板150d最终在内侧变形部150l断裂，配置于该内侧变形部150l侧的电容元件C1无法正常工作。另一方面，在该时间点，配置于外侧变形部150h侧的电容元件C2正常工作的可能性高。

以上可知，能够在使用配置于外侧变形部150h侧的电容元件C2进行力Fz的计测的同时，评价第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例和初始状态下的第一电信号T1a和第二电信号T2a的比例之差是否在预定的范围内，从而判定力觉传感器是否正常工作。当然，也可以基于所述第一电信号T1计测所作用的转矩。这种情况下，由于提供第一电信号T1的电容元件C1被支承于弹簧常数相对小的内侧变形部150l，因此，能够进行对于所作用的力的灵敏度高、S/N优异的力的计测。

为了使以上的判定原理具体化，本实施方式的力觉传感器具有图5所示的检测电路。图5为本实施方式的力觉传感器所采用的检测电路的框图。该检测电路包括：将从包含隔板150d及电容元件C1、C2的机构部提供的与两个电容元件的静电电容值相关的信息即第一电信号T1及第二电信号T2转换为各自对应的电压值的C/V转换器41；基于从C/V转换器41提供的两个电压值算出作用于力觉传感器的力Fz的微机47；连接于微机47并存储第一电信号T1a和第二电信号T2a的初始状态的比例的存储部48。微机47具有比较存储于存储部48的所述初始状态的比例(T1a/T2a)和当前的第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例，判定该比较结果是否在预定的范围内的功能。

在比较的结果是当前的比例(T1b/T2b)在预定的范围内时，微机47判定为力觉传感器正常工作，输出计测的力Fz的值。在本实施方式中，使用基于设置于外侧变形部150h侧的第二电容元件C2所提供的第二电信号T2b计测力Fz(Fz2)。另一方面，在所述比例不在预定的范围内时，微机47判定为力觉传感器没有正常工作(故障)，输出故障诊断信号。

根据以上那样的本实施方式，能够提供如下的力觉传感器：当在隔板150d上产生了金属疲劳时，第一电信号T1和第二电信号T2的比例产生变化，基于该变化检测出产生了该金属疲劳，能够诊断变形体的故障。

具体而言，本实施方式的检测电路具有将力觉传感器正常工作状态下的第一电信号T1a和第二电信号T2a的比例作为基准比例而存储的存储部48，通过判定“第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例和基准比例之差”是否在预定的范围内，判定力觉传感器是否正常工作。因此，能够基于预先确定的基准比例，可靠地进行隔板150d的故障判定即力觉传感器的故障判定。

<<<§2.双轴力觉传感器的实施例>>>

接着，对于将以上的故障判定的原理应用于双轴力觉传感器的示例进行说明。

在此说明的双轴力觉传感器为能够检测出作用于受力体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6为示出根据本发明的第二实施方式的双轴力觉传感器的简要截面图，图7为示出图6的力觉传感器的位移电极E30的简要俯视图。

如图6及图7所示，本实施方式的力觉传感器为检测出XYZ三维坐标系中的Z轴方向(图6中的上下方向)及X轴方向(图6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(参照图1)大致相同的构造。因此，对于与根据第一实施方式的力觉传感器相对应的构成部分标注相同的附图标记，省略其详细的说明。

如图6所示，本实施方式的隔板150d也具有内侧变形部150l和与该内侧变形部150l相比弹簧常数相对大的外侧变形部150h。由于内侧变形部150l及外侧变形部150h的配置及构成与单轴力觉传感器(参照图1)相同，因此，省略其详细的说明。此外，本实施方式中的“弹簧常数”是指当Z轴方向的力Fz或者X轴方向的力Fx作用于设置于内侧变形部150l的受力体160时，所作用的力Fz或者力Fx的大小除以内侧变形部150l及外侧变形部150h产生的Z轴方向的位移的值。因此，本实施方式中的“弹簧常数”可以考虑对应于力Fz的弹簧常数和对应于力Fx的弹簧常数，无论哪个方向的力作用，内侧变形部150l产生的位移都大于外侧变形部150h产生的位移。

本实施方式的力觉传感器在电容元件的构造上与第1实施方式的力觉传感器不同。也就是说，本实施方式的电容元件从Z轴方向观察包括：隔着Y轴而配置的X轴负方向侧的第一电容元件C11及X轴正方向侧的第二电容元件C12；配置于该第一电容元件C11的X轴负方向侧的第三电容元件C21；及配置于该第二电容元件C12的X轴正方向侧的第四电容元件C22。

构成这些电容元件的一部分的位移电极示于图7。如图所示，该位移电极从Z轴方向观察包括：隔着Y轴而配置的X轴负方向侧的第一位移电极E31及X轴正方向侧的第二位移电极E32；配置于该第一位移电极E31的X轴负方向侧的第三位移电极E33；及配置于该第二位移电极E32的X轴正方向侧的第四位移电极E34。进一步，固定电极包括：与第一位移电极E31对置配置的第一固定电极E21；与第二位移电极E32对置配置的第二固定电极E22；与第三位移电极E33对置配置的第三固定电极E23；和与第四位移电极E34对置配置的第四固定电极E24。

在本实施方式中，如图6所示，第一位移电极E31及第二位移电极E32配置于内侧变形部150l的下表面，第三位移电极E33及第四位移电极E34配置于外侧变形部150h的下表面。换言之，由第一位移电极E31和第一固定电极E21构成的第一电容元件C11及由第二位移电极E32和第二固定电极E22构成的第二电容元件C12从Z轴方向观察配置于与内侧变形部150l对应的位置，由第三位移电极E33和第三固定电极E23构成的第三电容元件C21及由第四位移电极E34和第四固定电极E24构成的第四电容元件C22从Z轴方向观察配置于与外侧变形部150h对应的位置。

在本实施方式中，第一位移电极E31和第一固定电极E21具有相同的形状，第二位移电极E32和第二固定电极E22具有相同的形状，第三位移电极E33和第三固定电极E23具有相同的形状，第四位移电极E34和第四固定电极E24具有相同的形状。

当然，在其他实施方式中，可以将第一～第四位移电极的至少两个例如全部构成为共用电极，或者可以将第一～第四固定电极的至少两个例如全部构成为共用电极。

另外，虽然没有图示，可考虑以在X轴方向及Z轴方向的力作用的结果导致位移电极相对于固定电极的相对位置变化的情况下也构成电容元件的一对电极的有效对置面积不发生变化的方式，将固定电极及位移电极中的一方的面积设定得比另一方的面积大。这是如下状态：如前所述，在将面积小的一方的电极(例如位移电极)的轮廓投影于面积大的一方的电极(例如固定电极)的表面而形成正射投影图像的情况下，面积小的一方的电极的投影图像完全包含于面积大的一方的电极的表面内。如果维持该状态的话，由两个电极构成的电容元件的有效面积与小的一方的电极的面积相等，始终恒定。也就是说，能够提高力的检测精度。

对于从Z轴方向观察的各电极的构造进行详细说明，第一固定电极E21及第一位移电极E31为以与Y轴平行地延伸的弦为直径在该弦的X轴负方向侧形成有弧的半圆状的电极，第二固定电极E22及第二位移电极E32为以与Y轴平行地延伸的弦为直径在该弦的X轴正方向侧形成有弧的半圆状的电极，第三固定电极E23及第三位移电极E33为分别包围第一固定电极E21及第一位移电极E31的所述弧的半圆环状的电极，第四固定电极E24及第四位移电极E34为分别包围第二固定电极E22及第二位移电极E32的所述弧的半圆环状的电极。其结果是，本实施方式的电极E20、E30形成以Y轴为切割线分别将第一实施方式的力觉传感器中的电极二等分的形状。

<2-1.由Fx执行的故障判定>

当X轴正方向的力+Fx作用于上述那样的力觉传感器的受力体160时，隔板150d产生弹性变形。图8为示出通过X轴正方向的力+Fx而图7的力觉传感器的隔板150d产生变形的状态的简要截面图。如图8所示，当力+Fx从图的左侧朝向右侧作用于受力体160时，隔板150d产生图示那样的变形。通过该变形，与力+Fx未作用于受力体160的初始状态相比较，位于X轴负方向侧的第一位移电极E31及第三位移电极E33向上方位移，另一方面，第二位移电极E32及第四位移电极E34向下方位移。通过这种各位移电极E31～E34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，另一方面，第二电容元件C12及第四电容元件C22的各静电电容值增大。

在本实施方式中，如前所述，内侧变形部150l的弹簧常数小于外侧变形部150h的弹簧常数。因此，与力Fx的朝向(符号)无关，由于该力Fx，在内侧变形部150l中产生相对大的弹性变形，在外侧变形部150h中产生相对小的弹性变形。因此，如果构成第一～第四电容元件C11～C22的各一对的固定电极及位移电极相互具有相同的分离距离，并且，相互具有相同的有效对置面积的话，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。换言之，对于力Fz，第一电容元件C11及第二电容元件C12比第三电容元件C21及第四电容元件C22具有更高的灵敏度。

基于这样的各电容元件C11～C22的各静电电容值的变动量，如以下的式2所示，基于相当于“第一电容元件C11的静电电容值和第二电容元件C12的静电电容值之差”的第一电信号T1，能够检测出作用于受力体160的X轴方向的力Fx的方向及大小。进一步，基于相当于“第三电容元件C21的静电电容值和第四电容元件C22的静电电容值之差”的第二电信号T2，也能够检测出力Fx。此外，在以下的式2中，C11～C22分别表示电容元件C1～C4的静电电容值的变动量。

[式2]

T1＝C12-C11

T2＝C22-C21

在本实施方式中，第一电信号T1和第二电信号T2的比例随着金属疲劳累积于作为变形体的隔板150d而发生变化，利用其进行力觉传感器的故障诊断。因此，在以下的说明中，与§1同样地，将在隔板150d上未产生金属疲劳的初始状态下的第一及第二电信号设为T1a、T2a，将在隔板150d上产生(累积)了金属疲劳的状态下的第一及第二电信号设为T1b、T2b，分别加以区别。在本实施方式中，作用于力觉传感器的力Fx的大小和初始状态下的第一及第二电信号T1a、T2a的关系与图3所示的图表相同。另外，作用于力觉传感器的力Fx的大小和在隔板150d上产生了金属疲劳的状态下的第一及第二电信号T1b、T2b的关系与图4所示的图表相同。

用于判定根据以上那样的实施方式的力觉传感器是否正常工作的原理及方法与§1相同。也就是说，通过将§1中的第一电信号T1(T1a、T1b)及第二电信号T2(T2a、T2b)替换为式2，可以理解根据本实施方式的力觉传感器的故障判定的原理及方法。因此，在此省略该原理及方法的详细的说明。不过，在本实施方式中，检测电路的微机47通过对从C/V转换器41提供的两个电压值进行基于式2的差分检测，算出力Fx而代替力Fz。

根据以上那样的本实施方式，当在隔板150d上产生金属疲劳时，由于第一电信号T1和第二电信号T2的比例产生变化，因此，基于该变化检测出产生了该金属疲劳，能够提供能够进行变形体的故障诊断的力觉传感器。

具体而言，本实施方式的检测电路具有将力觉传感器正常工作状态下的第一电信号T1a和第二电信号T2a的比例作为基准比例而存储的存储部48，通过判定“第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例和基准比例之差”是否在预定的范围内，判定力觉传感器是否正常工作。因此，能够基于预先确定的基准比例，可靠地进行隔板150d的故障判定即力觉传感器的故障判定。

另外，在本实施方式中，由于各电容元件C11～C22关于Y轴对称配置，因此，用于基于该各电容元件C11～C22的静电电容值的变动计测检测对象的力Fx的处理容易。

<2-2.基于Fz的故障判定>

关于双轴力觉传感器，也可以代替X轴方向的力Fx，通过Z轴方向的力Fz进行该力觉传感器的故障判定。双轴力觉传感器的构造与2-1中说明的构造相同，因此，省略其详细说明。

当Z轴负方向的力-Fz作用于这样的力觉传感器的受力体160时，如§1所说明的那样，隔板150d向下方弯曲。与之伴随，第一～第四位移电极E31～E34向下方位移。从而，构成第一～第四电容元件C22的第一～第四位移电极E31～E34和第一～第四固定电极E21～E24的分离距离分别减少，各电容元件C11～C22的静电电容值增大。

因此，在本实施方式的力觉传感器中，如以下的式3所示，基于相当于第一电容元件C11的静电电容值的变动量和第二电容元件C12的静电电容值的变动量之和的第一电信号T1，能够检测出作用于受力体160的Z轴方向的力Fz。进一步，也能够基于相当于第三电容元件C21的静电电容值的变动量和第四电容元件C22的静电电容值的变动量之和的第二电信号T2，检测出力Fz。

[式3]

T1＝C11+C12

T2＝C21+C22

根据本实施方式的力觉传感器也利用第一电信号T1和第二电信号T2的比例随着金属疲劳累积于作为变形体的隔板150d而发生变化，进行力觉传感器的故障诊断。因此，与§1同样地，将在隔板150d上未产生金属疲劳的初始状态下的第一及第二电信号设为T1a、T2a，将在隔板150d上产生(累积)了金属疲劳的状态下的第一及第二电信号设为T1b、T2b，分别加以区别。在本实施方式中，在隔板150d上未产生金属疲劳的初始状态下的、所作用的力-Fz的绝对值和第一及第二电信号T1a、T2a的关系与图3所示的图表相同。另外，在隔板150d上产生了金属疲劳的状态下的、所作用的力-Fz的绝对值和第一及第二电信号T1b、T2b的关系与图4所示的图表相同。

用于判定根据以上那样的实施方式的力觉传感器是否正常工作的原理及方法与§1相同。也就是说，通过将§1中的第一电信号T1(T1a、T1b)及第二电信号T2(T2a、T2b)替换为式3，可以理解根据本实施方式的力觉传感器的故障判定的原理及方法。因此，在此省略该原理及方法的详细的说明。此外，当作用有反向的力即Z轴正方向的力+Fz时，各电容元件的静电电容值的增减相反。

根据以上那样的本实施方式的力觉传感器，当在隔板150d上产生金属疲劳时，由于第一电信号T1和第二电信号T2的比例产生变化，因此，基于该变化检测出产生了该金属疲劳，能够提供能够诊断变形体的故障的力觉传感器。

具体而言，本实施方式的检测电路具有将力觉传感器正常工作状态下的第一电信号T1a和第二电信号T2a的比例作为基准比例而存储的存储部48，通过判定“第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例和基准比例之差”是否在预定的范围内，判定力觉传感器是否正常工作。因此，能够基于预先确定的基准比例，可靠地进行隔板150d的故障判定即力觉传感器的故障判定。

另外，在本实施方式中，由于各电容元件C11～C22关于Y轴对称配置，因此，用于基于该各电容元件C11～C22的静电电容值的变动计测检测对象的力Fx的处理容易。

此外，在图6所示的双轴力觉传感器中，可以如之前2-1中说明的那样着眼于力Fx通过式2进行故障判定，或者也可以如在此说明的那样着眼于力Fz通过式3进行故障判定。

<<<§3.六轴力觉传感器的实施例>>>

接着，对于将§1中说明的故障判定的原理应用于六轴力觉传感器的示例进行说明。

在此说明的六轴力觉传感器是能够检测出X、Y、Z的各轴方向的力Fx、Fy、Fz和各绕轴的转矩Mx、My、Mz这六个分量的力觉传感器。

图9为示出根据本发明的第三实施方式的六轴力觉传感器的简要截面图，图10为图9的A-A线截面图，图11为图9的B-B线截面图。

如图9至图11所示，本实施方式的力觉传感器具备：配置于XY平面上的支承体300；与支承体300对置配置，并具有通过成为检测对象的力或转矩的作用而产生弹性变形的四个第一变形部111～114的第一变形体100；与第一变形体100的各变形部111～114对应地配置在支承体300上的固定电极；以与固定电极对置的方式分别设置于第一变形体100的四个第一变形部111～114，并在与固定电极之间构成四组电容元件的位移电极；在第一变形体100的上方对置配置的第二变形体200。本实施方式的第二变形体200具有与四个第一变形部111～114对置配置的四个第二变形部211～214。进一步，在本实施方式的力觉传感器中设置有连结第一变形部111～114和与各第一变形部111～114对应的第二变形部211～214的四个连结部件401～404。此外，在图9中，为了避免繁杂，省略两个第一变形部111、113、两个第二变形部211、213及连结部件401、403的图示。

第一变形体100例如在由金属构成的圆盘状的板材上以距离该圆盘的中心等距离并每隔90°的方式形成四个厚度薄的具有弹性(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例如在由金属构成并具有与第一变形体100相同直径的圆盘状的板材上以距离该圆盘的中心等距离并每隔90°的方式形成四个厚度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。

本实施方式的支承体300具有与第一变形体100及第二变形体200相同直径的圆盘形状，如图9所示，在除第一变形部111～114以外的区域支承第一变形体100。从Z轴方向观察，各第一变形部111～114、各第二变形部211～214在正的X轴上、正的Y轴上、负的X轴上及负的Y轴上分别距离原点O等距离地各配置一个(参照图10)。在本实施方式中，从Z轴方向观察，各第一变形部111～114、各第二变形部211～214均构成为具有相同直径的圆形的隔板。

在各第一变形部111～114的上表面(图9的上方的面)设置从该各第一变形部111～114的圆形的中心位置沿Z轴方向向上方延伸的第一连结部121～124。进一步，在各第二变形部211～214的下表面(图9的下方的面)设置从该各第二变形部211～214的圆形的中心位置沿Z轴方向向下方延伸的第二连结部221～224。并且，第一连结部121～124和与各第一连结部121～124对应的第二连结部221～224通过螺栓等适当的连接部件牢固地连接，从而构成沿Z轴方向延伸的四个连结部件401～404。

如图9所示，本实施方式的各第一变形部111～114由具有内侧变形部150l、与该内侧变形部150l相比弹簧常数相对大的外侧变形部150h的隔板构成。如从图9可理解那样，内侧变形部150l设置于各隔板的中央区域。另一方面，外侧变形部150h设置于包围内侧变形部150l的外周的环状的区域。如图所示，内侧变形部150l构成为Z轴方向的厚度比外侧变形部150h小，从而其弹簧常数比该外侧变形部150h的弹簧常数小。换言之，在本实施方式的第一变形体100中，在圆周方向上等间隔配置有四个§1中说明的单轴力觉传感器中所采用的隔板150d。

此外，本实施方式中的所谓“弹簧常数”是意指，X、Y、Z的各轴方向的力及/或各绕轴的转矩作用于图示的受力体60时，该力及/或转矩的大小除以各隔板的内侧变形部150l及外侧变形部150h产生的Z轴方向的各个位移的值。因此，严格来说，按照每个作用于受力体60的力及/或转矩决定“弹簧常数”，但无论作用哪个方向及大小的力及/或转矩，内侧变形部150l产生的位移都比外侧变形部150h产生的位移大。

根据这种构成，在未对第二变形体200作用任何力的状态下，第二变形体200相对于支承体300位于固定位置，当某个力作用于第二变形体200时，具有弹性(挠性)的四个第一变形部111～114产生弹性变形，第二变形体200和支承体300的相对位置产生变化。此时，由于内侧变形部150l和外侧变形部150h的弹簧常数的差异，产生于内侧变形部150l的弹性变形比产生于外侧变形部150h的弹性变形大。当然，当作用于第二变形体200的力消失时，该第二变形体200回到原先的固定位置。

如图9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与该位移电极对置配置的固定电极构成。首先，对于四组电容元件中的第一组电容元件进行说明。从Z轴方向观察，第一组电容元件设置于与Y轴正侧的第一变形部111对应的区域，由四个电容元件构成。

作为构成这些四个电容元件C11～C14的电极，在Y轴正方向侧的第一变形部111的下表面，隔着Y轴而配置的X轴负方向侧的第一位移电极E301及X轴正方向侧的第二位移电极E302，和配置于该第一位移电极E301的X轴负方向侧的第三位移电极E303及配置于该第二位移电极E302的X轴正方向侧的第四位移电极E304，关于Y轴对称设置。进一步，在支承体300上设置有与第一位移电极E301对置配置的第一固定电极E201、与第二位移电极E302对置配置的第二固定电极E202、与第三位移电极E303对置配置的第三固定电极E203和与第四位移电极E304对置配置的第四固定电极E204。

在本实施方式中，从Z轴方向观察，第一固定电极E201及第一位移电极E301为以与Y轴平行地延伸的弦为直径在该弦的X轴负方向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为以与Y轴平行地延伸的弦为直径在该弦的X轴正方向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为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为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。此外，在图9及后述的图12至图14中，没有图示支承各电极的基板。

根据这样的电极布局，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，第三电容元件C14由第四位移电极E304和第四固定电极E204构成。换言之，第一组电容元件具有与在§2中说明的双轴力觉传感器中采用的电容元件相同的构造。

在本实施方式的力觉传感器中，除此之外还设置有第二组～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C21～C24)构成。该第二组电容元件成为将前述的第一组电容元件即第一～第四电容元件C11～C14以原点为中心顺时针旋转90°的布局。也就是说，第五电容元件C21配置于将第一电容元件C11以原点为中心顺时针旋转90°的位置，第六电容元件C22配置于将第二电容元件C12以原点为中心顺时针旋转90°的位置，第七电容元件C23配置于将第三电容元件C13以原点为中心顺时针旋转90°的位置，第八电容元件C24配置于将第四电容元件C14以原点为中心顺时针旋转90°的位置。当然，对于构成第五～第八电容元件C21～C24的第五～第八固定电极E205～E208及第五～第八位移电极E305～E308也相同，配置于将第一～第四固定电极E201～E204及第一～第四位移电极E301～E304以原点为中心顺时针旋转90°的位置。

同样，第三组电容元件也由四个电容元件(第九～第十二电容元件C31～C34)构成，配置于将前述的第五～第八电容元件C21～C24以原点为中心顺时针旋转90°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C41～C44)构成，配置于将前述的第九～第十二电容元件C31～C34以原点为中心顺时针旋转90°的位置。

结果是，第一及第三电容元件C11、C13和第二及第四电容元件C12、C14以正Y轴为对称轴而轴对称配置，整体上构成大致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以正X轴为对称轴而轴对称配置，整体上构成大致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以负Y轴为对称轴而轴对称配置，整体上构成大致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以负X轴为对称轴而轴对称配置，整体上构成大致圆形的第四组电容元件。进一步，第一组～第四组电容元件以距原点等距离并且与对应的第一变形部111～114同心的方式配置。为了有助于对本实施方式中的电容元件的布局的理解，在图11中，与配置于第一变形体上的共计16个位移电极E301～E316的附图标记一起，一并记载了与该位移电极E301～E316的各个电极对应的电容元件C11～C14的附图标记。

如前所述，第一变形体100的第一变形部111～114经由各一个连结部件401～404而连结于第二变形体200的第二变形部211～214(参照图9及图10)。因此，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，该第一变形部111～114对应于该力的大小及方向而变形。伴随着该变形，配置于第一变形部111～114的第一～第十六位移电极E301～E316向Z轴方向位移。也就是说，第一～第十六位移电极E301～E316相对于配置于支承体300上的第一～第十六固定电极E201～E316的相对位置(分离距离)分别变化。这会使各电容元件C11～C44的静电电容值的各个值产生变动，因此通过检测出这些变动量，能够计测作用于第二变形体200的力的朝向及大小。

接着，说明计测X、Y、Z轴的各轴方向的力Fx、Fy、Fz及各绕轴转矩Mx、My、Mz的原理。在以下的说明中，设为在支承体300被固定的状态下力或转矩作用于第二变形体200。

图12为示出使X轴正方向的力+Fx作用于第二变形体200时的图9的力觉传感器的状态的简要截面图。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如图所示那样发生变形。也就是说，在第一变形部111～114的各个中，X轴正方向侧的半圆区域向下方变形，X轴负方向侧的半圆区域向上方变形。从而，在第一组及第三组电容元件中，配置于X轴负方向侧的第一、第三、第十及第十二电容元件C11、C13、C32、C34的静电电容值减少，另一方面，在第一组及第三组电容元件中，配置于X轴正方向侧的第二、第四、第九及第十一电容元件C12、C14、C31、C33的静电电容值增大。与之相对，关于剩余的第五～第八及第十三～第十六电容元件C21～C24、C41～C44，存在位移电极和固定电极之间的分离距离变小的区域和增大的区域，静电电容值的变化相互抵消，因此静电电容值不发生实质变化。

当然，在向左的X轴负方向的力-Fx作用于第二变形体200时，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。也就是说，在第一组及第三组电容元件中，配置于X轴负方向侧的第一、第三、第十及第十二电容元件C11、C13、C32、C34的静电电容值增大，另一方面，在第一组及第三组电容元件中，配置于X轴正方向侧的第二、第四、第九及第十一电容元件C12、C14、C31、C33的静电电容值减少。关于剩余的第五～第八及第十三～第十六电容元件C21～C24、C41～C44，与前述的情况同样，静电电容值不发生实质变化。

关于使Y轴正方向的力+Fy作用于第二变形体200的情况，将使X轴正方向的力+Fx作用于第二变形体200的状态错开90°来考虑即可，因此在此省略。

下面，讨论Z轴负方向的力-Fz作用于第二变形体200的情况。图13为示出使Z轴负方向的力-Fz作用于第二变形体200时的图9的力觉传感器的状态的简要截面图。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如图所示那样发生变形。也就是说，第一变形部111～114的各个向下方变形。从而，就第一～第十六电容元件C11～C44而言，由于其位移电极和固定电极之间的分离距离均变小，因此静电电容值增大。

另一方面，当Z轴正方向的力作用于第二变形体200时，与前述的情况相反，第一变形部111～114分别向上方变形。从而，就第一～第十六电容元件C11～C44而言，由于其位移电极和固定电极之间的分离距离均变大，因此静电电容值减少。

下面，讨论正绕Y轴的转矩+My作用于第二变形体200的情况。图14为示出使正绕Y轴的转矩+My作用于第二变形体200时的图9的力觉传感器的状态的简要截面图。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如图所示那样发生变形。也就是说，X轴正方向侧的第一变形部112向下方变形，X轴负方向侧的第一变形部114向上方变形。另一方面，虽未图示，在Y轴正方向侧及Y轴负方向侧的第一变形部111、113中，X轴正方向侧的半圆区域向下方变形，X轴负方向侧的半圆区域向上方变形。在本申请中，关于绕预定的坐标轴作用的转矩的附图标记，将用于向该坐标轴的正方向推进右旋螺栓的该右旋螺栓的旋转方向作为正。此外，在图14中，虽未图示，Y轴从纸张跟前侧向纵深侧延伸。

从而，与X轴正方向侧的第一变形部112对应的第五～第八电容元件C21～C24的静电电容值增大，与X轴负方向侧的第一变形部114对应的第十三～第十六电容元件C41～C44的静电电容值减少。另一方面，与Y轴正方向侧及Y轴负方向侧的第一变形部111、113对应的第一～第四电容元件C11～C14及第九～第十二电容元件C31～C34的静电电容值如在X轴方向的力Fx作用于第二变形体200的情况(参照图12)中所说明的那样不发生实质变化。

另一方面，当反绕Y轴的转矩-My作用于第二变形体200时，与前述的情况相反，与X轴正方向侧的第一变形部112对应的第五～第八电容元件C21～C24的静电电容值减少，与X轴负方向侧的第一变形部114对应的第十三～第十六电容元件C41～C44的静电电容值增大。这种情况下，与Y轴正方向侧及Y轴负方向侧的第一变形部111、113对应的第一～第四电容元件C11～C14及第九～第十二电容元件C31～C34的静电电容值也不发生实质变化。

关于使绕X轴的转矩Mx作用于第二变形体200的情况，将绕Y轴的转矩My作用于第二变形体200的状态错开90°来考虑即可，因此在此省略。

另外，在绕Z轴的转矩Mz作用于第二变形体200时，虽未图示，连结部件401～404均以沿着以Z轴为中心的圆周向同一旋转方向歪倒的方式位移。从而，例如，当反绕Z轴的转矩-Mz作用于第二变形体200时，在Y轴正方向侧的第一变形部111中，X轴正方向侧的半圆区域向下方变形，X轴负方向侧的半圆区域向上方变形。在X轴正方向侧的第一变形部112中，Y轴负方向侧的半圆区域向下方变形，Y轴正方向侧的半圆区域向上方变形。在Y轴负方向侧的第一变形部113中，X轴负方向侧的半圆区域向下方变形，X轴正方向侧的半圆区域向上方变形。在X轴负方向侧的第一变形部114中，Y轴正方向侧的半圆区域向下方变形，Y轴负方向侧的半圆区域向上方变形。

从而，在与Y轴正方向侧的第一变形部111对应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，在与X轴正方向侧的第二变形部112对应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。在与Y轴负方向侧的第一变形部113对应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。在与X轴负方向侧的第一变形部114对应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，当正绕Z轴的转矩+Mz作用于第二变形体200时，各第一变形部111～114产生相反的变形，其结果是，在第一～第六电容元件C11～C44中产生的静电电容值的变动也相反。

在本实施方式中，如前所述，内侧变形部150l的弹簧常数比外侧变形部150h的弹簧常数小。因此，由于所作用的力或转矩，内侧变形部150l产生相对大的弹性变形，外侧变形部150h产生相对小的弹性变形。因此，第一、第二、第五、第六、第九、第十、第十三及第十四电容元件C11、C12、C21、C22、C31、C32、C41、C42的静电电容值的变动量比第三、第四、第七、第八、第十一、第十二、第十五及第十六电容元件C13、C14、C23、C24、C33、C34、C43、C44的静电电容值的变动量大。换言之，对所作用的力或转矩，第一、第二、第五、第六、第九、第十、第十三及第十四电容元件C11、C12、C21、C22、C31、C32、C41、C42的灵敏度比第三、第四、第七、第八、第十一、第十二、第十五及第十六电容元件C13、C14、C23、C24、C33、C34、C43、C44的灵敏度高。

图15是用一览表示出在力或转矩+Fx、+Fy、+Fz、+Mx、+My、+Mz作用于第二变形体200的情况下在各电容元件C11～C44中产生的静电电容值的变化的图表。表中“+”表示静电电容值的增大，“++”表示静电电容值的进一步增大，“-”表示静电电容值的减少，“--”表示静电电容值的进一步减少。“0”表示静电电容值不发生实质变化。另外，如上所述，在各力Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz成为反向的情况下，表中的符号变为相反。这种静电电容值的增减在构成第一～第十六电容元件的各一对的固定电极及位移电极具有彼此相同的分离距离并且具有彼此相同的有效对置面积的情况下成立。

基于以上的各电容元件中与内侧变形部150I对应的电容元件的静电电容值的变化，用下式4表示力的六个分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。此外，各分量的末尾所标注的“1”及“2”的符号为用于区别后述的基于与外侧变形部150h对应的电容元件的静电电容值的变化而算出的分量(这些在末尾标注有“2”的符号)。

[式4]

F×1＝(C 1 2+C 3 1)-(C 1 1+C 3 2)

F y 1＝(C 21+C 4 2)-(C 2 2+C 4 1)

F z 1＝-(C 1 1+C 1 2+C 2 1+C 2 2+C 3 1+C 3 2+C 4 1+C42)

M x 1＝(C 3 1+C 3 2)-(C 1 1+C 1 2)

M y 1＝(C 2 1+C 2 2)-(C 4 1+C 4 2)

M z 1＝C 1 1-C 1 2+C 2 1-C 2 2+C 3 1-C 3 2+C 4 1-C 4 2

而且，基于以上的各电容元件中与内侧变形部150h对应的电容元件的静电电容值的变化，用下式5表示力的六个分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。

[式5]

F × 2＝(C 1 4+C 3 3)-(C 1 3+C 3 4)

F y 2＝(C 2 3+C 4 4)-(C 2 4+C 4 3)

F z 2＝-(C 1 3+C 1 4+C 2 3+C 2 4+C 3 3+C 3 4+C 4 3+C 4 4)

M×2＝(C 3 3+C 3 4)-(C 1 3+C 1 4)

M y 2＝(C 2 3+C 2 4)-(C 4 3+C 4 4)

M z 2＝C 1 3-C 1 4+C 2 3-C 2 4+C 3 3-C 3 4+C 4 3-C4 4

在本实施方式的力觉传感器中，着眼于以上的Fx～Mz这六个力和转矩中的任一个都能够进行该力觉传感器的故障判定，在此，对着眼于X轴方向的力Fx进行故障判定的方法进行说明。另外，在说明该故障判定时，将相当于上述的Fx1及Fx2的电信号设为第一电信号T1及第二电信号T2。即，当重新代入第一电信号T1及第二电信号T2时，成为下式6。

[式6]

T 1＝(C 1 2+C 3 1)-(C 1 1+C 3 2)

T 2＝(C 1 4+C 3 3)-(C 1 3+C 3 4)

在本实施方式中，也是利用这些第一电信号T1和第二电信号T2的比例随着金属疲劳累积于作为变形体的隔板150d而变化，能够进行力觉传感器的故障判断。在此，在以下的说明中，与§1同样，将在隔板150d上未产生金属疲劳的初始状态下的第一及第二电信号设为T1a、T2a，将在隔板150d上产生(累积)了金属疲劳的状态下的第一及第二电信号设为T1b、T2b，分别加以区别。

在本实施方式中，作用于力觉传感器的力Fx的大小和初始状态下的第一及第二电信号T1a、T2a的关系与图3所示的图表相同。另外，作用于力觉传感器的力Fx的大小和在隔板150d上产生了金属疲劳的状态下的第一及第二电信号T1b、T2b的关系与图4所示的图表相同。

用于判定根据以上那样的实施方式的力觉传感器是否正常工作的原理及方法与§1相同。也就是说，通过将§1中的第一电信号T1(T1a、T1b)及第二电信号T2(T2a、T2b)替换为式6，可以理解根据本实施方式的力觉传感器的故障判定的原理及方法。因此，在此省略该原理及方法的详细说明。不过，在本实施方式中，与2-1同样，检测电路的微机47通过对于从C/V转换器41提供的两个电压值进行基于式6的差分检测，能够算出力Fx。

根据以上那样的本实施方式，能够提供如下的六轴力觉传感器：当在隔板150d上产生了金属疲劳时，第一电信号T1和第二电信号T2的比例产生变化，因此根据该变化检测出产生了该金属疲劳，能够诊断变形体的故障。

具体而言，本实施方式的检测电路具有将力觉传感器正常工作状态下的第一电信号T1a和第二电信号T2a的比例作为基准比例而存储的存储部48，通过判定“第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例和基准比例之差”是否在预定的范围内，判定力觉传感器是否正常工作。因此，能够基于预先确定的基准比例，可靠地进行隔板150d的故障判定即力觉传感器的故障判定。

此外，在使用力Fx以外的五个分量的任一个进行故障判定时，代替式6中所示的第一电信号T1及第二电信号T2，将与所着眼的特定分量相关的式4的算式作为第一电信号T1，将与该特定分量相关的式5的算式作为第二电信号T2即可。

另外，在本实施方式中，由于各电容元件C11～C44在XY平面上对称配置，因此用于基于该各电容元件C11～C44的静电电容值的变动计测检测对象的力及转矩的处理容易。

此外，在以上的说明中，在四个第一变形部111～114上各设置四个位移电极，但不限于该示例。例如，也可以在四个第一变形部111～114上各设置一个位移电极作为共用电极。这种情况下，例如在第一变形部111上设置上述那样的关于Y轴对称配置的四个固定电极E201～E204，可通过这些固定电极E201～E204和共用电极构成四个电容元件C11～C14。这对于与剩余的三个第一变形部112～114对应的电容元件C21～C44也同样。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，使得该四个第一变形部111～114作为共用电极而发挥作用。

或者，也可以将固定电极构成为共用电极，如上所述，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位移电极，从而构成电容元件C11～C44。

进一步，虽未图示，可考虑以在各轴方向的力或各绕轴的转矩作用结果导致位移电极相对于固定电极的相对位置变化的情况下也构成电容元件的一对电极的有效对置面积不发生变化的方式，设定成构成各电容元件的固定电极及位移电极中的一方的面积比另一方大。如前所述，这是如下状态：在将面积小的一方的电极(例如位移电极)的轮廓投影于面积大的一方的电极(例如固定电极)的表面而形成正射投影图像的情况下，面积小的一方的电极的投影图像完全包含于面积大的一方的电极的表面内。如果维持该状态的话，由两个电极构成的电容元件的有效面积与小的一方的电极的面积相等，始终恒定。也就是说，能够提高力的检测精度。

此外，在图9中，将位移电极直接配置于变形部，将固定电极直接配置于支承体，在变形部及支承体为导体(金属)的情况下，如图6所示，将各电极隔着绝缘基板配置于变形部及支承体即可。

<<<§4.根据使用应变计测器的变形例的力觉传感器>>>

在§1～§3中对静电电容式的力觉传感器中的故障判定进行了说明，该故障判定的方法在代替电容元件而通过应变仪等应变计测器计测变形体(隔板150d)产生的应变类型的力觉传感器中也能够采用。

<4-1.单轴力觉传感器>

首先，参照图16至图19对使用应变仪的单轴力觉传感器中的故障判定进行说明。图16为示出应变仪式的单轴力觉传感器的一例的简要俯视图，图17为示出Z轴负方向的力-Fz作用于受力体160的状态下的、图16的力觉传感器的简要截面图，图18为示出X轴正方向的力+Fx作用于受力体160的状态下的、图16的力觉传感器的简要截面图。另外，图19为图16的力觉传感器中采用的检测电路的框图。

本实施方式的力觉传感器为检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向(图17中的上下方向)的力Fz的力觉传感器。本实施方式的力觉传感器具备：平板状的支承体300，配置于XY平面上；变形体100，与所述支承体300对置配置，并具有用作变形部的隔板150d，该隔板150d通过成为检测对象的力Fz的作用而产生弹性变形。在此，方便说明起见，将支承体300的上表面与XY平面平行配置。

根据本实施方式的力觉传感器的隔板150d的构造与§1所示的单轴力觉传感器的隔板150d相同。因此，在图16及图17中，对与§1的力觉传感器的构成对应的构成部分标注相同的附图标记，省略其详细的说明。

如图所示，在本实施方式的隔板150d的上表面，沿X轴配置有四个应变仪S1～S4。其中的两个应变仪S1、S2关于受力体160对称地配置于内侧变形部150l，剩余的两个应变仪S3、S4关于受力体160对称地配置于外侧变形部150h。其结果是，如图16所示，根据本实施方式的力觉传感器成为如下构成：在§1的力觉传感器(参照图1)中除去上部基板11、下部基板12及电容元件C1、C2，取而代之配置四个应变仪S1～S4。在本实施方式中，例如采用金属箔应变仪。在该金属箔应变仪中，当作用有压缩应力作用时电阻值减少，相反，当作用有拉伸应力作用时电阻值增大。

当Z轴负方向的力-Fz作用于上述那样的力觉传感器的受力体160时，隔板150d向下方弯曲。通过该弯曲，如图17所示那样，压缩方向的力作用于配置于内侧变形部150l的两个应变仪S1、S2，拉伸方向的力作用于配置于外侧变形部150h的两个应变仪S3、S4。另外，若讨论由各应变仪检测出的应变的大小的话，如下所述。也就是说，在本实施方式中，如前所述，内侧变形部150l的弹簧常数小于外侧变形部150h的弹簧常数。因此，由于所作用的力Fx，在内侧变形部150l中产生相对大的弹性变形，在外侧变形部150h中产生相对小的弹性变形。因此，由配置于内侧变形部150l的两个应变仪S1、S2检测出的应变比由配置于外侧变形部150h的两个应变仪S3、S4检测出的应变大。

在本实施方式的力觉传感器中，作为一例，如下式7所示，能够基于相当于配置于内侧变形部150l的两个应变仪S1、S2的计测值之和的第一电信号T1检测出作用于受力体160的Z轴负方向的力-Fz的大小及方向。进一步，也能够基于相当于配置于外侧变形部150h的两个应变仪S3、S4的计测值之和的第二电信号T2检测出。此外，在下式7中，S1～S4分别表示应变仪S1～S4的各个计测值。

[式7]

T1＝S1+S2

T2＝S3+S4

当然，如从应变仪S1～S4的配置位置可理解那样，力Fz作用于受力体160时的、第一电信号T1的大小和第二电信号T2的大小不同。因此，根据应变仪S1～S4的设置位置，当力Fz作用于受力体160时，以根据第一电信号T1算出的力和根据第二电信号T2算出的力相同的方式，在各信号的处理过程中进行适当的校正。

与§1的力觉传感器同样，本实施方式的力觉传感器也是利用这些第一电信号T1和第二电信号T2的比例随着金属疲劳累积于作为变形体的隔板150d的情况来进行力觉传感器的故障判断。所以，在此，将在隔板150d上未产生金属疲劳的初始状态下的第一及第二电信号设为T1a、T2a，将在隔板150d上产生(累积)了金属疲劳的状态下的第一及第二电信号设为T1b、T2b，分别加以区别。

在此，在Z轴负方向的力-Fz作用于受力体160时，在隔板150d上未产生金属疲劳的初始状态下的、力-Fz的绝对值和第一及第二电信号T1a、T2a的关系与图3所示的图表相同。另外，在隔板150d上产生了金属疲劳的状态下的、力-Fz的绝对值和第一及第二电信号T1b、T2b的关系与图4所示的图表相同。不过，在本实施方式中，对于图3及图4中的纵轴，可以代替静电电容值而替换为应变仪的电阻值。

用于判定根据以上那样的本实施方式的力觉传感器是否正常工作的原理及方法与§1相同。也就是说，通过将§1中的第一电信号T1(T1a、T1b)及第二电信号T2(T2a、T2b)替换为式7，可以理解根据本实施方式的力觉传感器的故障判定的原理及方法。因此，在此省略该原理及方法的详细说明。

不过，由于使用应变仪S1～S4而代替电容元件，本实施方式的检测电路具有与§1中说明的单轴力觉传感器的检测电路局部不同的电路构成。也就是说，如图19所示，§1中说明的单轴力觉传感器所采用的检测电路的C/V转换器41置换为A/V转换器42。通过该A/V转换器42，各应变传感器S1～S4的电阻值的变化转换为电压值。关于其他构成，由于与§1的检测电路(参照图5)相同，对于对应的构成部分标注相同的附图标记并省略其详细的说明。

根据以上那样的本实施方式，也能够提供如下的力觉传感器：当在隔板150d上产生金属疲劳时，第一电信号T1和第二电信号T2的比例产生变化，因此能够基于该变化检测出产生了该金属疲劳的情况，能够诊断变形体的故障。

具体而言，本实施方式的检测电路具有将力觉传感器正常工作状态下的第一电信号T1a和第二电信号T2a的比例作为基准比例而存储的存储部48，通过判定“第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例和基准比例之差”是否在预定的范围内，判定力觉传感器是否正常工作。因此，能够基于预先确定的基准比例，可靠地进行隔板150d的故障判定即力觉传感器的故障判定。

另外，在本实施方式中，由于四个应变传感器S1～S4关于Y轴对称地配置，因此用于基于该应变传感器S1～S4的计测值计测检测对象的力Fz的处理容易。

此外，在本实施方式中使用了四个应变仪S1～S4，但仅通过两个应变仪S1、S3也能够在计测作用于受力体160的Z轴方向的力Fz的同时进行力觉传感器的故障判断。这种情况下，如下式8所示，作用于受力体160的Z轴方向的力Fz的大小及方向能够基于相当于配置于内侧变形部150l的应变仪S1的计测值的第一电信号T1检测出。进一步，也能够基于相当于配置于外侧变形部150h的应变仪S3的计测值的第二电信号T2检测出。

[式8]

T1＝S1

T2＝S3

这种情况下，同样，可以利用第一电信号T1和第二电信号T2的比例随着金属疲劳累积于作为变形体的隔板150d而发生变化，进行力觉传感器的故障诊断。

<4-2.双轴力觉传感器>

在能够计测作用于Z轴方向的力Fz和作用于X轴方向的力Fx的力觉传感器中，也能够采用应变仪代替电容元件。这种力觉传感器能够通过§4中说明的图16所示的构造实现。

在故障判定中，如§2所说明的那样，可以使用作用于受力体160的力Fx和力Fz的任一个。例如，在基于作用于受力体160的X轴方向的力Fx进行力觉传感器的故障判定的情况下，可以如下式9所示那样确定第一电信号T1及第二电信号T2。

[式9]

T1＝S2-S1

T2＝S4-S3

或者，在基于作用于受力体160的Z轴方向的力Fz进行力觉传感器的故障判定的情况下，可以如前述的式7所示那样确定第一电信号T1及第二电信号T2。

在这些情况下，也利用这些第一电信号T1和第二电信号T2的比例随着金属疲劳累积于作为变形体的隔板150d而变化，能够进行力觉传感器的故障判断。在此，将在隔板150d上未产生金属疲劳的初始状态下的第一及第二电信号设为T1a、T2a，将在隔板150d上产生(累积)了金属疲劳的状态下的第一及第二电信号设为T1b、T2b，分别加以区别。

在X轴方向的力Fx或者Z轴方向的力Fz作用于受力体160的情况下，在隔板150d上未产生金属疲劳的初始状态下的、所作用的力Fx或者力Fz的绝对值和第一及第二电信号T1a、T2a的关系与图3所示的图表相同。另外，在隔板150d上产生了金属疲劳的状态下的、所作用的力Fx或者力Fz的绝对值和第一及第二电信号T1b、T2b的关系与图4所示的图表相同。不过，对于图3及图4中的纵轴，将静电电容值替换为应变仪的电阻值。

用于判定根据以上那样的实施方式的力觉传感器是否正常工作的原理及方法与§1相同。也就是说，通过将§1中的第一电信号T1(T1a、T1b)及第二电信号T2(T2a、T2b)替换为式7或者式9，可以理解根据本实施方式的力觉传感器的故障判定的原理及方法。因此，在此省略该原理及方法的详细说明。另外，在根据本实施方式的力觉传感器所采用的检测电路中，采用与4-1中所说明的检测电路(参照图19)相同的构成。

根据以上那样的本实施方式，能够提供如下的力觉传感器：当在隔板150d上产生了金属疲劳时，第一电信号T1和第二电信号T2的比例产生变化，因此基于该变化检测出产生了该金属疲劳，能够诊断变形体的故障。

具体而言，本实施方式的检测电路具有将力觉传感器正常工作状态下的第一电信号T1a和第二电信号T2a的比例作为基准比例而存储的存储部48，通过判定“第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例和基准比例之差”是否在预定的范围内，判定力觉传感器是否正常工作。因此，能够基于预先确定的基准比例，可靠地进行力觉传感器的故障判定。

另外，在本实施方式中，由于应变仪S1～S4关于Y轴对称地配置，因此用于基于该各应变仪S1～S4的计测值的变动计测检测对象的力的处理容易。

此外，根据式8，由于仅通过一个应变仪检测力Fz，因此在力Fz以外的力或转矩作用于受力体160的状况下，导致也检测出这些力或转矩。式7也在作用有力Fx、Fz以外的力或转矩的状况下相同。但是，在对于力觉传感器仅作用特定方向的力例如力Fz的情况下是有效的。

不过，在本实施方式中，当检测力Fz时，如式7或者式8所示，基于两个应变仪S1、S2或者两个应变仪S3、S4的计测值之和(式7)或者绝对值(式8)检测。因此，具有易于受到干扰、温度变化导致的影响的特性。当然，例如在恒温环境下使用的话，根据本实施方式也能够进行高精度的力Fz的检测，如下所说明的那样，根据图20及图21所示的变形例，不容易受到干扰、温度变化导致的影响，能够与使用环境无关地进行高精度的力Fz的检测。

图20为示出采用了半导体应变仪的力觉传感器的简要俯视图，图21为设置于图20的力觉传感器的检测电路的惠斯登电桥电路。如图20所示，根据本变形例的力觉传感器具有p型的半导体应变仪S1p～S4p和n型的半导体应变仪S1n～S4n合计八个应变仪。在这些应变仪中，p型的半导体应变仪和n型的半导体应变仪两个一组，在图16所示的配置有应变仪S1～S4的位置各配置一组。也就是说，代替图16的应变仪S1配置p型的半导体应变仪S1p及n型的半导体应变仪S1n，代替图16的应变仪S2配置p型的半导体应变仪S2p及n型的半导体应变仪S2n，代替图16的应变仪S3配置p型的半导体应变仪S3p及n型的半导体应变仪S3n，代替图16的应变仪S4配置p型的半导体应变仪S4p及n型的半导体应变仪S4n。

此外，所谓半导体应变仪是指利用压阻效应的应变仪，具有当对该半导体应变仪作用拉伸应力时，在p型的半导体应变仪中电阻值增大，在n型的半导体应变仪中电阻值减少的特性。另一方面，当对该半导体应变仪作用压缩应力时，在p型的半导体应变仪中电阻值减少，在n型的半导体应变仪中电阻值增大。

当对图20所示的力觉传感器作用有力Fz、Fx时，作用于各半导体应变仪S1p～S4p、S1n～S4n的应力的方向如图17及图18所示。不过，分别将图17及图18的S1替换为S1p、S1n，将S2替换为S2p、S2n，将S3替换为S3p、S3n，将S4替换为S4p、S4n。

若要基于这些八个半导体应变仪S1p～S4p、S1n～S4n计测作用于受力体160的力，可使用图21所示的惠斯登电桥电路。图21的(A)为由配置于内侧变形部150l的四个半导体应变仪S1p、S2p、S1n、S2n构成的惠斯登电桥电路，图21的(B)为由配置于外侧变形部150h的四个半导体应变仪S3p、S4p、S3n、S4n构成的惠斯登电桥电路。通过这些两个电路中的任一电路，均能够计测作用于受力体160的力Fz及力Fx。另外，通过惠斯登电桥电路的特性，能够排除温度变化的影响而高精度地计测该力Fz及力Fx。

进一步，将从图21的(A)所示的电路输出的电信号设为第一电信号T1、将从图21的(B)所示的电路输出的电信号设为第二电信号T2，基于这些两个电信号T1、T2的比例的变化，能够判定本变形例的力觉传感器是否正常工作。该判定原理如上所述，因此在此省略其详细的说明。

<4-3.六轴力觉传感器>

在§3说明的六轴力觉传感器中也能够适用应变仪代替电容元件。图22为示出应变仪式的六轴力觉传感器的一例的简要截面图。图23为示出设置于图22的力觉传感器的变形部之一的简要俯视图。

如图22所示，根据本实施方式的力觉传感器具有与§3说明的六轴力觉传感器大致相同的构造。不过，在四个变形部上未设置电容元件，取而代之，如图23所示，在各变形部的上表面(图22中的上方的面)设置四组应变仪。具体而言，如图所示，第一组应变仪在Y轴正方向侧的第一变形部111的上表面具有：隔着Y轴对称地配置在内侧变形部150l上的X轴负方向侧的第一应变仪S11及X轴正方向侧的第二应变仪S12；隔着Y轴对称地配置在外侧变形部150h上的X轴负方向侧的第三应变仪S13及X轴正方向侧的第四应变仪S14。

另外，在本实施方式的力觉传感器中，除此之外还设置有第二组～第四组这三组应变仪。第二组应变仪也由四个应变仪(第五～第八应变仪S21～S24)构成。该第二组应变仪成为将前述的第一组应变仪S11～S14以原点为中心顺时针旋转90°的布局。也就是说，第五应变仪S21配置于将第一应变仪S11以原点为中心顺时针旋转90°的位置，第六应变仪S22配置于将第二应变仪S12以原点为中心顺时针旋转90°的位置，第七应变仪S23配置于将第三应变仪S13以原点为中心顺时针旋转90°的位置，第八应变仪S24配置于将第四应变仪S14以原点为中心顺时针旋转90°的位置。

同样，第三组应变仪也由四个应变仪(第九～第十二应变仪S31～S34)构成，配置于将前述的第五～第八应变仪S21～S24以原点为中心顺时针旋转90°的位置。进一步，第四组应变仪也由四个应变仪(第十三～第十六应变仪S41～S44)构成，配置于将前述的第九～第十二应变仪S31～S34以原点为中心顺时针旋转90°的位置。

其结果是，第一组四个应变仪S11～S14和第三组四个应变仪S31～S34关于原点对称配置，第二组四个应变仪S21～S24和第四组四个应变仪S41～S44关于原点对称配置。进一步，各组的应变仪中的配置于内侧变形部150l的两个应变仪及配置于外侧变形部150h的两个应变仪关于连结部件401～404分别对称地配置。

接着，X、Y、Z轴的各轴方向的力Fx、Fy、Fz及各绕轴的转矩Mx、My、Mz作用于第二变形体200时的力觉传感器的状态如§3所说明的那样，因此在此省略其说明。

在本实施方式中，内侧变形部150l的弹簧常数比外侧变形部150h的弹簧常数小。因此，由于所作用的力或转矩，在内侧变形部150l中产生相对大的应变，在外侧变形部150h中产生相对小的应变。因此，配置于内侧变形部150I的应变仪的计测值比配置于外侧变形部150h的应变仪的计测值大。换言之，相对于作用于第二变形体200的力或转矩，配置于内侧变形部150I的应变仪相比配置于外侧变形部150h的应变仪S具有更高的灵敏度。

图24为用一览表示出正方向的力或转矩+Fx、+Fy、+Fz、+Mx、+My、+Mz作用于图22的力觉传感器的情况下的、各应变仪S11～S48的计测值的动向的图表。与图15所示的表相同，表中“+”表示计测值为正，“++”表示计测值为更大的正值，“-”表示计测值为负值，“--”表示计测值为更小的负值。另外，“0”表示不发生实质应变。本实施方式中的应变仪S11～S44的布局对应于§3中说明的实施方式(电容元件型的六轴力觉传感器)中的电容元件的布局。此外，在本实施方式中，在各力或转矩Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz变为反向(负方向)的情况下，表中的符号也变为相反。

基于以上的各应变仪中配置于内侧变形部1501的应变仪的计测值，以下式10表示力的六个分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。此外，与§3说明的式4及式5同样，各分量的末尾标注“1”及“2”的符号为用于区别后述的基于配置于外侧变形部150h的应变仪的计测值而算出的分量(这些在末尾标注有“2”的符号)。另外，在下式中，S11～S44表示应变仪S11～S44的计测值。

[式10]

F × 1＝-(S 1 2+S 3 1)+(S 1 1+S 3 2)

F y 1＝-(S 2 1+S 4 2)+(S 2 2+S 4 1)

F z 1＝S 1 1+S 1 2+S 2 1+S 2 2+S 3 1+S 3 2+S 41+S 4 2

M x 1＝-(S 3 1+S 3 2)+(S 1 1+S 1 2)

M y 1＝-(S 2 1+S 2 2)+(S 4 1+S 4 2)

M z 1＝(S 1 2+S 2 2+S 3 2+S 4 2)-(S 1 1+S 2 1+S 3 1+S 4.1)

进一步，基于配置于外侧变形部150h的应变仪的计测值，用下式11表示力的六个分量Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。

[式11]

F × 2＝(S 1 4+S 3 3)-(S 1 3+S 3 4)

F y 2＝(S 2 3+S 4 4)-(S 2 4+S 4 3)

F z 2＝S 1 3+S 1 4+S 2 3+S 2 4+S 3 3+S 3 4+S 4 3+S 4 4

M×2＝-(S 3 3+S 3 4)+(S 1 3+S 1 4)

M y 2＝(S 2 3+S 2 4)-(S 4 3+S 4 4)

M z 2＝(S 1 3+S 2 3+S 3 3+S 4 3-(S 1 4+S 2 4+S 3 4+S 4 4)

在本实施方式的力觉传感器中，着眼于以上的Fx～Mz这六个力或转矩中的任一个都能够进行该力觉传感器的故障判定。即，例如在着眼于力Fx进行故障判定的情况下，如§3所说明的那样，着眼于相当于上述的Fx1及Fx2的电信号的比例。即，如下式12所示，定义第一电信号T1及第二电信号T2，评价上述T1和T2的比例和预先确定的基准比例之差。并且，在该差不在预定的范围内的情况下，判定为力觉传感器没有正常工作(故障)。具体的故障判定方法与§3同样，因此省略其详细的说明。

[式12]

T 1＝-(S 1 2+S 3 1)+(S 1 1+S 3 2)

T 2＝(S 1 4+S 3 3)-(S 1 3+S 3 4)

根据以上的本实施方式，能够提供如下的六轴力觉传感器：当在第一变形部111～114上产生了金属疲劳时，第一电信号T1和第二电信号T2的比例产生变化，因此基于该变化检测出产生了该金属疲劳，能够诊断变形体的故障。

此外，在本实施方式中，在四个第一变形部111～114中配置有各四个应变仪，为了进一步提高计测精度，也可以配置各八个应变仪。也就是说，可以在Y轴正方向侧的第一变形部111的上表面，以隔着连结部件401沿X轴方向及Y轴方向各两个的方式在内侧变形部150l上呈十字状配置有四个应变仪，以隔着连结部件401沿X轴方向及Y轴方向各两个的方式在外侧变形部150h上呈十字状配置有四个应变仪，即配置合计八个应变仪。这种情况下，在剩余三个第一变形部112～114中，同样也配置各八个应变仪，其结果是，在上述的六轴型的力觉传感器中，进一步追加十六个应变仪。该方法的话，配置了三十二个应变仪，为了使用这些应变仪检测出各轴方向的力和各绕轴的转矩，可以构成惠斯登电桥电路。

<4-4.4-1～4-3的力觉传感器的变形例>

在4-1～4-3的任一实施方式中，作为配置有应变传感器的变形部，能够采用梁150b代替隔板150d。图25为示出采用了横梁形的变形部的变形体的一例的简要俯视图，图26为图25的简要截面图。如图25所示，在该横梁形的变形部中，以具有供配置应变传感器的足够宽度的横梁形成变形部直径的方式配置。该变形部具有整体上板状的形状，如图26所示，在位于与连结部401连接的连接部分附近的内侧区域150l中，厚度比位于该内侧区域150l外周的外侧区域150h薄。从而，内侧区域150l的弹簧常数比外侧区域150h的弹簧常数小。

当然，也可以代替使内侧区域150l的厚度不同，使内侧区域150l的宽度不同。也就是说，可以通过相对窄幅地构成内侧区域150l，相对宽幅地构成外侧区域150h，使内侧区域150l的弹簧常数小于外侧区域150h的弹簧常数。

另外，在4.1～4.3的任一实施方式中，也可以代替应变传感器，采用光学式的应变计测装置。作为一例，可考虑将4.1～4.3中配置有应变仪的位置作为计测对象部位，向该计测对象部位照射光(激光)，基于射出光和来自计测对象部位的反射光的相位差计测各计测对象部位的应变的方法。这种情况下，也能够根据与基于应变仪的计测值进行的故障判定同样的原理，进行力觉传感器的故障判定。

<<<5.其他变形例>>>

在以上的各力觉传感器中，说明了隔板150d由金属构成并在隔板150d的下表面(支承体300一侧的面)配置有基板及位移电极的结构，但并不限于此方式。例如，如果该隔板150d具有导电性的话，该隔板150d本身可以用作共用电极。不过，这种情况下，由于在设计外的各种各样部分形成有浮游电容，因此在静电电容的检测值中易于混入干扰分量，存在检测精度下降的可能性。从而，在要求高精度检测的力觉传感器的情况下，优选在每个电容元件独立设置位移电极。

或者，也能够通过塑料等具有挠性的绝缘体构成隔板150d。图27为具有塑料制的隔板150d的力觉传感器的简要截面图。如图27所示，在隔板150d的下表面(图27中的下方面)粘接有柔性基板(FPC：Flexible Print Circuit(柔性印刷基板))等，在其下表面设置位移电极即可。不过，FPC需要以不妨碍隔板150d的弹性变形的方式粘接于该隔板150d。如此，只要能够在每个电容元件上独立设置位移电极，前述那样的检测精度下降的可能性减小，并且电路的自由度增加，因此在电路设计上有利。由塑料构成的隔板150d也由于反复使用，前述的第一电信号T1和第二电信号T2的比例发送变化，因此在这种具有隔板150d的力觉传感器中，也能够采用目前为止所说明的故障判定的原理。当然，在隔板150d采用金属的情况下，可以使上部基板11a、下部基板11b形成为绝缘体，在其上表面配置电极。

另外，为了使隔板150d的内侧变形部150l和外侧变形部150h的弹簧常数不同，使该内侧变形部150l和外侧变形部150h的厚度不同，也可以通过在内侧变形部150l上呈放射状设置狭缝150s而使其与外侧变形部150h的弹簧常数不同(减小弹簧常数)。图28为示出具有在内侧变形部150l上设置有狭缝150s的隔板150d的变形体100的简要俯视图。由于该狭缝150s，内侧变形部150l比外侧变形部150h相对易于变形，能够使其产生前述的弹簧常数的差异。当然，对于具有横梁状的变形部类型的力觉传感器(参照图25)也能够采用通过如此设置狭缝150s而使弹簧常数降低的结构。

并且，在根据以上的各实施方式的力觉传感器中，对于内侧变形部150l的弹簧常数比外侧变形部150h的弹簧常数小的情况进行了说明，也可以相反地，以内侧变形部150l的弹簧常数比外侧变形部150h的弹簧常数大的方式构成。这种情况下，力觉传感器的故障判定的原理也能够采用上述的原理。不过，这种情况下，由于图3所示的T1a、T1b的斜率及图4所示的T2a、T2b的斜率改变，因此需要注意。

<<<§6.本申请人提出的具有波形的检测部的力觉传感器>>>

<6-1.基本构造部的整体构成>

下面，说明对于在由本申请人申请的国际专利申请PCT/JP2015/052784中提出的力觉传感器付与本发明的故障判定功能的新型力觉传感器。在该说明之前，首先参照图29至图37，说明在该国际专利申请中提出的力觉传感器的基本构造部(以下称为在先申请力觉传感器)的概要。

图29为在先申请力觉传感器的基本构造部的俯视图(上侧图)及侧视图(下侧图)。在俯视图中，在图的右方向配置有X轴，在图的上方向配置有Y轴，垂直于纸面的跟前方向为Z轴方向。另一方面，在侧视图中，在图的右方向配置有X轴，在图的上方向配置有Z轴，垂直于纸面的纵深方向为Y轴方向。如图所示，该基本构造部由受力体100、检测环200、支承基板300、连接部件410、420、固定部件510、520构成。

受力体100为以Z轴为中心轴的方式配置于XY平面上的圆形平板状(垫圈状)的环，外周面和内周面均构成圆柱面。受力体100的作用为接受成为检测对象的力或转矩的作用并将其传递至检测环200。

另一方面，检测环200为通过如下加工得到的部件：在以Z轴为中心轴配置的圆盘的中央部，对通过形成更小直径的同心圆盘形状的贯通开口部H2而得到的圆环状的部件局部实施材料去除加工而得到。该受力体100的外形如后述图36所示那样设置有四个波形的检测部D1～D4，在此为了方便说明仅以简单的圆盘示出。在此示出的例的情况下，检测环200配置于受力体100的内侧。也就是说，受力体100成为配置于XY平面上的外侧环，检测环200成为配置于XY平面上的内侧环。在此，检测环200的特征在于由于成为检测对象的力或转矩的作用而产生弹性变形。

连接部件410、420为用于连接受力体100和检测环200的部件。在图示示例的情况下，连接部件410在沿X轴正方向区域的位置连接受力体100的内周面和检测环200的外周面，连接部件420在沿X轴负方向区域的位置连接受力体100的内周面和检测环200的外周面。从而，在受力体100和检测环200之间如图所示那样确保有空隙部H1，在检测环200的内侧如图所示那样确保有空隙部H2。

如观察图29的下侧所示的侧视图可知那样，在该示例的情况下，受力体100和检测环200的厚度(Z轴方向的尺寸)相同，在侧视图中检测环200成为完全隐藏于受力体100内侧的状态。两环的厚度不一定必须相同，但在实现薄型传感器(Z轴方向的尺寸尽量小的传感器)方面优选使两环为相同厚度。

支承基板300为直径与受力体100的外径相等的圆盘状的基板，具有与XY平面平行的上表面，隔开预定间隔配置于受力体100及检测环200的下方。固定部件510、520为用于将检测环200固定于支承基板300的部件。在侧视图中，固定部件510隐藏于固定部件520的里侧，固定部件510、520发挥连接检测环200的下表面和支承基板300的上表面的作用。如俯视图中用虚线所示那样，固定部件510、520配置于沿Y轴的位置。

图30为以XY平面截取图29所示的基本构造部的横截面图(上侧图)及以XZ平面截取的纵截面图(下侧图)。在以XY平面截取的横截面图的中心示出XYZ三维正交坐标系的原点O。在该图30中明示出检测环200在左右两处借助沿X轴配置的连接部件410、420而连接于受力体100的状态。

图31为图29所示的基本构造部的支承基板300及固定部件510、520的俯视图(上侧图)以及以YZ平面截取该基本构造部的纵截面图(下侧图)。图31的俯视图相当于使图29的俯视图逆时针旋转90°的状态，Y轴为左方向。另外，在图31的俯视图中用虚线示出检测环200的位置。另一方面，在图31的纵截面图中，明示出检测环200通过固定部件510、520而固定于支承基板300的上方的状态。

如后所述，在固定有支承基板300的状态下，当向受力体100作用各种方向的力时，检测环200以响应所作用的力的方式产生变形。在先申请力觉传感器通过电测该变形方式，进行所作用的力的检测。从而，检测环200的弹性变形的容易程度成为左右传感器的检测灵敏度的参数。如果使用易于弹性变形的检测环200的话，能够实现即使在作用微小力的情况下也能够检测的灵敏度高的传感器，但能够检测的力的最大值受到抑制。相反，如果使用难以弹性变形的检测环200的话，虽然能够使得能够检测的力的最大值较大，但由于灵敏度下降，无法检测出微小的力。

另一方面，在检测力的原理上，受力体100及支承基板300并不必须为产生弹性变形的部件。更何况为了使得所作用的力100％贡献于检测环200的变形，受力体100及支承基板300优选为完全刚性体。在图示的示例中，作为受力体100使用中心具有空隙部H1的环状构造体的理由并非为了易于弹性变形，而是为了将检测环200收容于内部。如图示的示例所示，如果采用在检测环200的外侧配置环状的受力体100的构成的话，能够减小基本构造部的厚度，能够实现更薄型的力觉传感器。

在实用方面，使用绝缘材料作为受力体100、检测环200、支承基板300的材料的话，使用塑料等合成树脂足够，如果使用导电材料的话，使用不锈钢、铝等金属足够。当然，也可以组合绝缘材料和导电材料来使用。

接着，讨论在固定支承基板300的状态下，当对受力体100作用各坐标轴方向的力及各绕坐标轴的转矩时，在该基本构造部上会产生怎样的现象。

如上所述，为了使得所作用的力100％贡献于检测环200的变形，受力体100及支承基板300原本优选为完全刚性体。但是，实际上，以树脂或金属构成基本构造部的情况下，受力体100、支承基板300不会成为完全刚性体，当力或转矩施加于受力体100时，严格来讲，在受力体100、支承基板300上也会产生微小弹性变形。不过，当受力体100、支承基板300产生的弹性变形与检测环200产生的弹性变形相比仅为极小弹性变形的话可以忽视，可以考虑为实质上刚性体。因此，在本申请中说明受力体100及支承基板300为刚性体、由力、转矩产生的弹性变形主要仅在检测环200上产生的情况。

首先，说明在固定支承基板300的状态下，当对受力体100作用X轴方向的力时，在该基本构造部上会产生怎样的变化。图32为示出X轴正方向的力+Fx作用于图29所示的基本构造部的受力体100时的变形状态的、XY平面下的横截面图(上侧图)以及XZ平面下的纵截面图(下侧图)。支承基板300由于被固定而不动，受力体100由于X轴正方向的力+Fx而向图的右方向移动。其结果是，检测环200如图所示那样变形。此外，图示的虚线表示移动或变形前的各环位置。

在此，为了方便说明其变形方式，可考虑两个固定点P1、P2(用黑点表示)和两个作用点Q1、Q2(用白圈表示)。固定点P1、P2为定义在Y轴上的点，对应于图29所示的固定部件510、520的位置。也就是说，检测环200在该固定点P1、P2的位置被固定部件510、520固定于支承基板300。另一方面，作用点Q1、Q2为在X轴上定义的点，检测环200在该作用点Q1、Q2的位置被连接部件410、420连接于受力体100。

如此，在先申请力觉传感器中，作用点为连接部件所连接的位置，固定点为固定部件所连接的位置。并且，重要的点是在与作用点和固定点不同的位置配置的点。图32所示的示例的情况下，固定点P1、P2和作用点Q1、Q2配置于XY平面上的不同位置。这是由于如果作用点和固定点占据相同位置，则在检测环200上不会产生弹性变形。

然后，当X轴正方向的力+Fx作用于受力体100时，如图32所示，朝向图右方向的力施加于检测环200的作用点Q1、Q2(白圈)。不过，由于检测环200的固定点P1、P2(黑点)的位置固定，因此具有挠性的检测环200从基准的圆形状态向图示那样歪曲状态变形(此外，由于示出本申请中的变形状态的图强调示出变形状态，因此成为稍许变形的图，不一定为示出正确的变形方式的图)。具体而言，如图所示，在点P1-Q1之间以及点P2-Q1之间，在检测环200的四分之一圆弧的两端作用拉伸力而四分之一圆弧向内侧收缩，在点P1-Q2之间以及点P2-Q2之间，在检测环200的四分之一圆弧的两端作用按压力而四分之一圆弧向外侧鼓起。

在X轴负方向的力-Fx作用于受力体100的情况下，发生与图32左右相反的现象。另外，Y轴正方向的力+Fy及Y轴负方向的力-Fy作用于受力体100的情况下，发生使图32的上侧的变形状态旋转90°的现象。

接着，考虑在固定支承基板300的状态下，当对受力体100作用Z轴方向的力时，在该基本构造部上产生怎样的变化。图33为示出Z轴正方向的力+Fz作用于图29所示的基本构造部的受力体100时的变形状态的、XZ平面下的纵截面图。支承基板300由于被固定而不动，受力体100由于Z轴正方向的力+Fz而向图的上方向移动。其结果是，检测环200如图所示那样变形。此外，图示的虚线表示移动或变形前的各环位置。

在此，变形方式的基本在于，两个固定点P1、P2的位置(被固定部件510、520固定的位置)不动，两个作用点Q1、Q2的位置向上方移动。检测环200从固定点P1、P2的位置向作用点Q1、Q2的位置缓慢变形。另外，在对受力体100作用Z轴负方向的力Fz的情况下，受力体100向图的下方向移动。其结果是，检测环200的变形方式与图33上下相反。

接着，考虑在固定支承基板300的状态下，当对受力体100作用绕Y轴的转矩时，在该基本构造部上产生怎样的变化。图34为正绕Y轴的转矩+My作用于图29所示的基本构造部的受力体100时的变形状态的、XZ平面下的纵截面图。此外，如前所述，对绕预定的坐标轴作用的转矩的附图标记，将用于向该坐标轴的正方向推进右旋螺栓的该右旋螺栓的旋转方向作为正。

这种情况下，由于支承基板300被固定而不动，受力体100受到正绕Y轴的转矩+My，以图的原点O为中心顺时针旋转。其结果是，作用点Q1向下方移动，作用点Q2向上方移动。检测环200从固定点P1、P2的位置(被固定部件510、520固定的位置)向作用点Q1、Q2的位置缓慢变形。在反绕Y轴的转矩-My作用于受力体100的情况下，发生与图34左右相反的现象。另外，在正绕X轴的转矩+Mx及反绕X轴的转矩-Mx作用于受力体100的情况下，发生在俯视图中使变形状态旋转90°的现象。

最后，考虑在固定支承基板300的状态下，当对受力体100作用绕Z轴的转矩时，在该基本构造部上产生怎样的变化。图35为正绕Z轴的转矩+Mz作用于图29所示的基本构造部的受力体100时的变形状态的、XY平面下的横截面图。这种情况下，由于支承基板300被固定而不动，受力体100受到正绕Z轴的转矩+Mz，以图的原点O为中心逆时针旋转。

其结果是，图中逆时针旋转的力施加于检测环200的作用点Q1、Q2。不过，由于检测环200的固定点P1、P2的位置被固定，因此具有挠性的检测环200从基准的圆形状态向图示那样的歪曲状态变形。具体而言，如图所示，在点P2-Q1之间以及点P1-Q2之间，在检测环200的四分之一圆弧的两端作用拉伸力而四分之一圆弧向内侧收缩，在点P1-Q1之间以及点P2-Q2之间，在检测环200的四分之一圆弧的两端作用按压力而四分之一圆弧向外侧鼓起，整体上变形为椭圆状。另一方面，当绕Z轴的转矩-Mz作用于受力体100时，受力体100以图的原点O为中心顺时针旋转，因此产生将图35表里反转的变形状态。

以上说明了在固定图29所示的基本构造部的支承基板300的状态下，对受力体100作用各坐标轴方向的力及各绕坐标轴的转矩时，检测环200产生的变形方式，上述的变形方式互不相同，并且，变形量也根据所作用的力、转矩的大小而不同。因此，如果检测检测环200的弹性变形，收集与其方式、大小有关的信息的话，能够分别独立地检测各坐标轴方向的力及各绕坐标轴的转矩。这是在先申请力觉传感器中的检测动作的基本原理。在在先申请力觉传感器中，由于进行基于这种原理的检测，因此在目前为止所说明的基本构造部中进一步附加电容元件和检测电路。

<6-2.检测环的构造>

图36为在本发明的基本实施方式(第一实施方式)涉及的力觉传感器中使用的检测环200的立体图(图中(a))、侧视图(图中(b))、仰视图(图中(c))。用于图36所示的本申请力觉传感器的检测环200是在简单的圆环状构造体的四处设置有组合弹性变形的板状片而构成的检测部D1～D4。

换言之，图36所示的检测环200为通过对圆环状的构造体局部实施材料去除加工而得到的部件，通过实施了该材料去除加工的部分，形成图示那样的检测部D1～D4。当然，在实际量产检测环200的情况下，不一定必须进行材料去除加工，例如可以通过使用铸模的铸造、树脂的成形、冲压加工等而制造。

在此，为了方便说明，如图所示，定义XYZ三维坐标系，示出将检测环200以Z轴为中心轴配置于XY平面的状态。图36的(a)为斜下观察该检测环200的立体图。如图所示，该检测环200具有四组检测部D1～D4、将这些检测部D1～D4相互连结的四组连结部L1～L4。也就是说，检测环200具有在各检测部D1～D4之间分别夹插各连结部L1～L4的构造。

如图36的(b)的侧视图(为了避免附图变烦杂，仅示出外周面的部分)的检测部D4所示，该实施方式中的检测部D由第一变形部61、第二变形部62、位移部63这三张板状片(板簧)构成。其他检测部D1～D3也具有同样的构造。如此，各检测部D1～D4与各连结部L1～L4相比，由厚度薄的板状片构成，因此具有相比各连结部L1～L4更易于弹性变形的性质。从而，如后所述，当外力作用于检测环200时，基于该外力的检测环200的弹性变形集中产生于检测部D1～D4，连结部L1～L4的弹性变形为实际上能够忽视的程度。

如此，在具有均一的圆环状构造的检测环中，当外力作用时，环整体产生弹性变形，与之对比，在本实施方式的检测环200中，变形集中于易于产生弹性变形的检测部D1～D4。因此，能够产生更为有效的变形，能够进行更为有效的检测。具体而言，不仅提高了检测灵敏度，而且通过研究检测部的形状、构造，能够自由地设定弹性变形的方式。

图36的(c)为从下方仰视图36的(a)所示的检测环200的仰视图，当取X轴为右方向时，Y轴成为朝向下方向的轴。如图所示，以配置于X轴上的连结部L1为起点以顺时针依次配置连结部L1、检测部D1、连结部L2、检测部D2、连结部L3、检测部D3、连结部L4、检测部D4。如后所述，Y轴上的固定点P1、P2(用黑点表示)固定于支承基板，从受力体施加的外力作用于X轴上的作用点Q1、Q2(用白圈表示)。其结果是，各检测部D1～D4产生对应于该外力的弹性变形。

图37为示出图36所示的检测环200的区域分布的俯视图(网眼状的影线用于表示检测部D1～D4的区域，并非表示截面)。由于为俯视图，与图36的(c)相反，在检测环200上以逆时针依次配置L1、D1、L2、D2、L3、D3、L4、D4。如图所示，在XY平面上，将以原点O为中心将X轴逆时针旋转45°的坐标轴定义为V轴，将以原点O为中心将Y轴逆时针旋转45°的坐标轴定义为W轴。图中<I>、<II>、<III>、<IV>表示XY二维坐标系中的第一象限～第四象限。四组检测部D1、D2、D3、D4分别配置于第一象限、第二象限、第三象限、第四象限。

<6-3.检测部的变形方式>

接着，进行有关各检测部D1～D4的构造及其变形方式的说明。图38为示出图36所示的检测环200的检测部D1～D4的详细构造的局部截面图。四组检测部D1～D4均具有相同的构造。图38所示的检测部D代表这四组检测部D1～D4，示出沿着该检测环200的圆周方向以圆柱面截取时的截面部分。图38的(a)为未作用外力的状态，图38的(b)为由于外力作用而压缩力f1作用于检测部D的状态，图38的(c)为由于外力作用而拉伸力f2作用于检测部D的状态。

如图38的(a)所示，连结部L位于检测部D的左右两肋。该连结部L相当于四组连结部L1～L4的任一个。例如，图38的(a)所示的检测部D为图36所示的第四检测部D4的情况下，配置于其右肋的连结部L相当于图36所示的连结部L1，配置于其左肋的连结部L相当于图36所示的连结部L4。

如图所示，检测部D具有由于成为检测对象的外力的作用而产生弹性变形的第一变形部61、由于成为检测对象的外力的作用而产生弹性变形的第二变形部62、由于第一变形部61及第二变形部62的弹性变形而产生位移的位移部63，其在配置于左肋的连结部L的端部和配置于右肋的连结部L的端部之间配置。

在此示出的示例的情况下，第一变形部61由具有挠性的第一板状片构成，第二变形部62由具有挠性的第二板状片构成，位移部63由第三板状片构成。实际上，检测环200通过由金属(不锈钢、铝等)、合成树脂(塑料等)这样的相同材料构成的构造体构成。第一板状片61、第二板状片62、位移部63由于与连结部L相比为厚度薄的板状部件，因此具有挠性。

此外，在此所示的示例的情况下，位移部63也为厚度薄的板状部件而具有挠性，但位移部63不是必须为具有挠性的部件(当然可以具有挠性)。位移部63的作用为当外力作用时产生位移，要使得产生这种位移，第一变形部61及第二变形部62具有挠性足以。另一方面，连结部L可以具有一定程度的挠性，在使第一变形部61及第二变形部62产生有效变形方面，优选的是连结部L尽量不变形。

第一变形部61的外侧端连接于与之相邻的连结部L，第一变形部61的内侧端连接于位移部63。另外，第二变形部62的外侧端连接于与之相邻的连结部L，第二变形部62的内侧端连接于位移部63。在图38的(a)所示的示例的情况下，第一变形部、第二变形部、位移部分别由第一板状片61、第二板状片62、第三板状片63构成，第一板状片61的外侧端(左端)连接于配置于左肋的连结部L的右端部，第一板状片61的内侧端(右端)连接于第三板状片63的左端，第二板状片62的外侧端(右端)连接于配置于右肋的连结部L的左端部，第二板状片62的内侧端连接于第三板状片63的右端。

如前所述，检测部D配置于在基本环状路B上定义的检测点R的位置。图38的(a)所示的法线N为设于检测点R位置的XY平面的法线，检测部D以该法线N位于中心的方式配置。另外，在图38的(a)的截面图中，第一板状片61及第二板状片62相对于法线N倾斜，并且，第一板状片61的倾斜方向(右降)和第二板状片62的倾斜方向(右升)相反。特别是，图示示例的情况下，检测部D的截面形状关于法线N呈线对称，第三板状片63的上下两面构成平行于XY平面的面。

如此，关于包含基本环状路B的截面，第一板状片61相对于法线N的倾斜方向和第二板状片62相对于法线N的倾斜方向相反，因此，在沿基本环状路B的方向作用压缩力f1的情况和作用拉伸力f2的情况下，第三板状片63(位移部)的位移方向相反。如后所述，这在进行使用多个电容元件的差分检测方面是有利。

也就是说，如图38的(b)所示，当压缩力f1(图中白色箭头)在沿基本环状路B的方向上作用于检测部D的情况下，应力在缩短横向宽度的方向上施加于检测部D，因此第一板状片61及第二板状片62的姿势变化为更垂直立起的状态。其结果是，第三板状片63(位移部)如图中用黑色箭头所示那样向下方位移。另一方面，如图38的(c)所示，当拉伸力f2(图中白色箭头)在沿基本环状路B的方向上作用于检测部D的情况下，应力在扩展横向宽度的方向上施加于检测部D，因此第一板状片61及第二板状片62的姿势变化为更水平躺倒的状态。其结果是，第三板状片63(位移部)如图中用黑色箭头所示那样向上方位移。

根据本实施方式的力觉传感器的力或转矩的计测原理利用了这种位移。也就是说，通过位移部63的位移方向(图38中的上方或下方)能够检测出所作用的力或转矩的方向，能够通过其位移量检测所作用的转矩的大小。

<6-4.电容元件的构成>

在本实施方式中，为了检测位移部63的位移而使用电容元件。图39为示出在图36所示的检测环200的检测部D1～D4及与之对置的支承基板300的预定部分设置电极的详细构造的局部截面图。在该图39中，检测部D代表四组检测部D1～D4，示出沿该检测环200的圆周方向截取检测环200时的截面部分。也就是说，图39的上侧示出的检测环200的一部分对应于图36的(a)所示的检测环200的一部分。

如前所述，在未作用外力(力或转矩)的状态下，第三板状片63的两表面构成与包含基本环状路B的XY平面平行的面。另一方面，支承基板300以其上下表面平行于XY平面的方式配置。从而，如图所示，第三板状片63(位移部)和支承基板300的对置面成为平行的状态。并且，在此示出的实施例的情况下，检测部D的截面形状呈关于法线N而线对称，因此在作用图38的(b)、(c)所示的压缩力f1或拉伸力f2的情况下，第三板状片63(位移部)以沿图的上下方向平行移动的方式产生位移，第三板状片63(位移部)和支承基板300的对置面始终维持平行状态。当然，当第三板状片63由于外力(f1、f2)而变形时，不再维持上述的平行状态，即便如此，如果后述的电极E1、E2之间的距离基于外力(f1、f2)而变化的话，在检测动作上不会产生任何障碍。

为了检测位移部的位移，如图所示，固定电极E1经由绝缘层I1固定于支承基板300的上表面，位移电极E2经由绝缘层I2固定于第三板状片63(位移部)的下表面。如果将支承基板300维持为固定状态的话，固定电极E1的位置固定，位移电极E2的位置伴随第三板状片63(位移部)的位移而发生位移。如图所示，固定电极E1和位移电极E2配置于相互对置的位置，由二者构成电容元件C。在此，当第三板状片63(位移部)向图的上下方向移动时，构成电容元件C的一对电极间的距离发生变动。从而，基于电容元件C的静电电容值，能够检测出第三板状片63(位移部)的位移方向(图的上方或下方)及位移量。

具体而言，如图38的(b)所示，当压缩力f1作用于检测部D时，两电极间距离缩小，电容元件C的静电电容值增加，如图38的(c)所示，当拉伸力f2作用于检测部D时，两电极间距离扩大，电容元件C的静电电容值减少。图39中示出关于检测部D形成电容元件C的示例，当然，实际上关于图36所示的四组检测部D1～D4分别设置有固定电极E1和位移电极E2，形成四组电容元件C1～C4。使用这些四组电容元件C1～C4检测所作用的各个外力分量的具体方法在下面6-5.中叙述。

<6-5.各个外力分量的具体检测方法>

接着，图40为示出在本实施方式的力觉传感器的检测环200a的简要俯视图。该检测环200a以第一检测部D1及第四检测部D4与第二检测部D2及第三检测部D3具有不同弹簧常数的方式构成。具体而言，如图所示，构成为第一及第四检测部D1、D4中的第一变形部61及第二变形部62的径向的厚度(宽度)比第二及第三检测部D2、D3中的第一变形部61及第二变形部62的径向的厚度(宽度)大，从而第一及第四检测部D1、D4的弹簧常数比第二及第三检测部D2、D3的弹簧常数大。另外，在本实施方式中，第一检测部D1和第四检测部D4具有相同的弹簧常数，第二检测部D2及第三检测部D3具有相同的弹簧常数。并且，如前所述，在对应于各检测部的位置配置有合计四个电容元件。

在以上的力觉传感器中，在固定支承基板300的状态下，正方向的力或转矩+Fx、+Fy、+Fz、+Mx、+My、+Mz作用于受力体100情况下的各电容元件C1～C4的静电电容值的变动量(增减程度)示于图41的表中。在此，将关于四组检测部D1～D4形成的电容元件分别称为电容元件C1～C4，将这些各电容元件C1～C4的静电电容值以相同符号C1～C4表示。在该表中，“+”表示静电电容值增加(电容元件C的电极间隔减小)，“-”表示静电电容值减少(电容元件C的电极间隔增加)。另外，“++”表示静电电容值的增加程度比“+”大，“--”表示静电电容值的减少程度比“-”大。

不过，由于各静电电容值的增减大小实际上为依赖存于检测环200a的各部分的尺寸、厚度，尤其依赖于构成检测部D的板状片61、62、63的尺寸、厚度的量，因此本申请示出的表中的“+”与“++”的差异、“-”与“--”的差异只不过为相对来说的。由于该增减大小为Fx～Mz这六个分量中各个的相对大小，因此，例如在对应于Fx的“+”、“-”和对应于Fz的“+”、“-”之间大小关系不同。另外，力Fx、Fy、Fz(单位：N)和转矩Mx、My、Mz(单位：N·m)为不同的物理量，不能直接比较。

通过参照图32至图35所示的检测环200的变形方式，结合图38所示的变形方式考虑在图40所示的检测环200a的检测部D1～D4的各位置作用怎样的力的话，能够理解该图41的表所示的结果。

例如，当X轴正方向的力Fx作用于受力体100时，检测环200a如图32所示那样发生变形，拉伸力f2作用于点P1-Q1之间及点P2-Q1之间，压缩力f1作用于点P1-Q2之间及点P2-Q2之间。从而，拉伸力f2作用于检测部D1、D4，如图38的(c)所示，位移部63向上方移动，静电电容C1、C4减少。另一方面，压缩力f1作用于检测部D2、D3，如图38的(b)所示，位移部63向下方移动，静电电容C2、C3增加。

不过，在本实施方式中，如前所述，第一及第四检测部D1、D4的弹簧常数比第二及第三检测部D2、D3的弹簧常数小。因此，设置于第一及第四检测部D1、D4的第一及第四电容元件C1、C4的电容元件的变动量比设置于第二及第三检测部D2、D3的第二及第三电容元件C2、C3大。

同样，当Y轴正方向的力+Fy作用于受力体100时，压缩力f1作用于点P1-Q1之间及点P1-Q2之间，拉伸力f2作用于点P2-Q1之间及点P2-Q2之间。从而，压缩力f1作用于检测部D1、D2，静电电容值C1、C2增加。另一方面，拉伸力f2作用于检测部D3、D4，静电电容值C3、C4减少。

另外，当Z轴正方向的力+Fz作用于受力体100时，检测环200a如图33所示那样发生变形。从而，四组检测部D1～D4均向上方(Z轴正方向)移动。因此，四组电容元件C1～C4的电极间隔均扩大，静电电容值C1～C4减少。

另一方面，当正绕Y轴的转矩+My作用于受力体100时，检测环200a如图34所示那样发生变形，图的右半部分向下方位移，图的左半部分向上方位移。从而，位于图的右半部分的检测部D1、D4向下方位移，位于图的左半部分的检测部D2、D3向上方位移。因此，电容元件C1、C4的电极间隔变小，静电电容值C1、C4增加。另外，电容元件C2、C3的电极间隔变大，静电电容值C2、C3减少。

同样，当正绕X轴的转矩+Mx作用于受力体100时，位于图的下半部分的检测部D3、D4向下方位移，位于图的上半部分的检测部D1、D2向上方位移。从而，电容元件C3、C4的电极间隔变小，静电电容值C3、C4增加。另外，电容元件C1、C2的电极间隔变大，静电电容值C1、C2减少。

最后，当正绕Z轴的转矩+Mz作用于受力体100时，检测环200a如图35所示那样发生变形，压缩力f1作用于点P1-Q1之间及点P2-Q2之间，拉伸力f2作用于点P1-Q1之间及点P2-Q1之间。从而，压缩力f1作用于检测部D1、D3，静电电容值C1、C3增加。另一方面，拉伸力f2作用于检测部D2、D4，静电电容值C2、C4减少。

此外，图41的表示出正方向的力及正绕的转矩作用的情况下的结果，在负方向的力及负绕的转矩作用的情况下，得到“+”和“-”翻转的结果。

此外，在算出各分量时，考虑第一及第四电容元件C1、C4的静电电容值的变化量比第二及第三电容元件C2、C3大(灵敏度高)，以该灵敏度的差异不影响各分量的算出结果的方式进行适当的校正。

<6-6.本实施方式的力觉传感器的故障判定的原理>

下面，说明用于在以上那样的力觉传感器中进行故障判定的方法。在本实施方式中，随着金属疲劳累积于检测环200a的第一变形部61及第二变形部62，各电容元件C1～C4的静电电容值易于变动(灵敏度上升)，利用此进行力觉传感器的故障判断。金属疲劳尤其在构成弹簧常数小的第二及第三检测部D2、D3的第一变形部61及第二变形部62中显著体现。当金属疲劳显现及累积于金属材料时，该金属材料软化。因此，在对应于这些第二及第三检测部D2、D3的第二及第三电容元件C2、C3中，灵敏度显著上升。

利用此，将对受力体100作用一定大小的力Fx时的、在检测环200a上未产生有金属疲劳时的第一及第四电容元件C1、C4的静电电容值的变动量和第二及第三电容元件C2、C3的静电电容值的变动量的比例(基准比例)和在检测环200a上产生有金属疲劳时的该比例相比较，由此能够进行力觉传感器的故障判断。

在此，如下式13所示，将相当于第二及第三电容元件C2、C3的静电电容值的变动量之和的电信号设为第一电信号T1，将相当于第一及第四电容元件C1、C4的静电电容值的变动量之和的电信号设为第二电信号T2。

[式13]

T1＝C2+C3

T2＝C1+C4

在本实施方式中，第一电信号T1和第二电信号T2的比例随着金属疲劳累积于检测环200a而变化，利用此进行力觉传感器的故障判断。在以下的说明中，将在检测环200a上未产生有金属疲劳的初始状态下的第一及第二电信号设为T1a、T2a，将在检测环200a上产生(累积)有金属疲劳的状态下的第一及第二电信号设为T1b、T2b，分别加以区别。

图42为示出在图40的检测环200a上未产生有金属疲劳的状态(初始状态)下作用于力觉传感器的力的大小和从该力觉传感器输出的第一电信号T1a及第二电信号T2a的关系的图表，图43为示出在图40的检测环200a上产生(累积)有金属疲劳的状态下作用于力觉传感器的力的大小和从该力觉传感器输出的第一电信号T1b及第二电信号T2b的关系的图表。

在各图中，横轴表示作用于力觉传感器的力Fx，纵轴表示根据该力Fx从力觉传感器输出的电信号的大小。因此，在各图中，表示各电信号T1a、T1b、T2a、T2b的直线的斜率表示力觉传感器的检测灵敏度。

接着，说明判定力觉传感器是否正常工作的方法。当反复的负荷作用于本实施方式的力觉传感器时，在检测环200a上产生金属疲劳。如前所述，金属疲劳在力Fx导致的变形相对大的第二及第三检测部D2、D3中显著体现。该金属疲劳累积的话，第二及第三检测部D2、D3中的第一变形部61及第二变形部62的强度下降，最终在第二及第三检测部D2、D3中检测环200a断裂。金属疲劳累积于第二及第三检测部D2、D3的话，第二及第三检测部D2、D3由于该力Fx而大幅变形，与初始状态比较，第二及第三检测部D2、D3相对于力Fx的灵敏度上升。这一点可通过比较图42和图43来理解。

具体而言，参照图42，在初始状态下，表示第一电信号T1a的直线的斜率(灵敏度)为2.0。另一方面，参照图43，在累积有金属疲劳的状态下，表示第二电信号T2b的直线的斜率(灵敏度)为3.0，灵敏度上升了50％。

当然，金属疲劳在第一及第四检测部D1、D4中也有体现，其体现程度比金属疲劳在第二及第三检测部D2、D3中的体现程度小。实际上，参照图42，在初始状态下，表示第二电信号T2a的直线的斜率的绝对值(灵敏度)为0.5。另一方面，参照图43，在累积有金属疲劳的状态下，表示第二电信号T2b的直线的斜率的绝对值(灵敏度)为0.6。因此，虽然灵敏度上升，但其比例仅停留于20％。

这里值得关注的是，在第二及第三检测部D2、D3和第一及第四检测部D1、D4之间金属疲劳的体现程度不同。本发明利用此进行力觉传感器的故障诊断。也就是说，在初始状态下，第一电信号T1a和第二电信号T2a的比例(T2a/T1a)的绝对值为4.0，与此对比，在累积有金属疲劳的状态下，第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例(T2b/T1b)的绝对值上升至5.0。

换言之，由于金属疲劳的累积特性在第二及第三检测部D2、D3与第一及第四检测部D1、D4之间不同，伴随着反复的负荷，第一电信号T1和第二电信号T2的比例逐渐变化。并且，当反复的负荷进一步作用于力觉传感器时，检测环200a最终在第二检测部D2或者第三检测部D3断裂。另一方面，在该时间点，第一及第四检测部D4正常工作的可能性高。

以上可知，通过评价某一时间点的第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例和初始状态下的第一电信号T1a和第二电信号T2a的比例(基准比例)之差是否在预定的范围内，能够判定力觉传感器是否正常工作。

为了将以上的判定原理具体化，本实施方式的力觉传感器也具有前述的图5所示的检测电路。关于基于该检测电路的故障判断的方法，由于与§1大致相同，省略其详细的说明。

根据以上那样的本实施方式，能够提供如下的力觉传感器：当在检测环200a上产生了金属疲劳时，第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例产生变化，基于该变化检测出产生了该金属疲劳，能够诊断变形体的故障。

具体而言，本实施方式的检测电路具有将力觉传感器正常工作状态下的第一电信号T1a和第二电信号T2a的比例作为基准比例而存储的存储部48，通过判定“第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例和基准比例之差”是否在预定的范围内，判定力觉传感器是否正常工作。因此，能够基于预先确定的基准比例，可靠地进行检测环200a的故障判定即力觉传感器的故障判定。

<6-7.根据其他实施方式的力觉传感器的故障判定的原理>

在以上的说明中，说明了基于X轴方向的力Fx进行力觉传感器的故障判定的方法，但也能够基于Z轴方向的力Fz进行力觉传感器的故障判定。图44为示出图40的检测环200a的变形例的检测环200b的简要俯视图，其为示出基于力Fz进行故障判定时所使用的检测环200b的简要俯视图。由于该检测环200b的整体构成与图40所示的检测环200a大致相同，因此对所对应的构成部分标注相同的附图标记，省略其详细的说明。另一方面，本实施方式的检测环200b在第一检测部D1及第三检测部D3的弹簧常数比第二检测部D2及第四检测部D4的弹簧常数小这点上与图40的检测环200a不同。第一检测部D1和第三检测部D3具有相同的弹簧常数，第二检测部D2和第四检测部D4具有相同的弹簧常数。并且，在与各检测部对应的位置配置有合计共四个电容元件。

在具有以上那样的检测环200b的力觉传感器中，在固定支承基板300的状态下对受力体100作用各坐标轴方向的力Fx、Fy、Fz及各绕坐标轴的转矩Mx、My、Mz时的动作与6-5.中说明的动作相同。此外，在此，在计算力或转矩时，考虑到第一及第三电容元件C1、C3与第二及第四电容元件C2、C4相比静电电容值的变化量大(灵敏度高)，以该灵敏度的差异不影响各分量的算出结果的方式进行适当的校正。

接着，说明在以上那样的力觉传感器中用于进行故障判定的方法。在本实施方式中，随着金属疲劳累积于检测环200b的第一变形部61及第二变形部62，各电容元件C1～C4的静电电容值易于变动(灵敏度上升)，利用此进行力觉传感器的故障判断。金属疲劳在构成弹簧常数小的第一及第三检测部D1、D3的第一变形部61及第二变形部62中特别显著地体现。当金属疲劳显现及累积于金属材料时，该金属材料软化。因此，在与该第一及第三检测部D1、D3对应的第一及第三电容元件C1、C3中，灵敏度显著上升。

利用此，将对受力体100作用一定大小的力Fz时的、在检测环200b上未产生金属疲劳时的第一及第三电容元件C1、C3的静电电容值的变动量和第二及第四电容元件C2、C4的静电电容值的变动量的比例(基准比例)和在检测环200b上产生了金属疲劳时的该比例相比较，由此能够进行力觉传感器的故障判断。

在此，如下式14所示，将相当于第一及第三电容元件C1、C3的静电电容值的变动量之和的电信号设为第一电信号T1、将相当于第二及第四电容元件C2、C4的静电电容值的变动量之和的电信号设为第二电信号T2。

[式14]

T1＝C1+C3

T2＝C2+C4

在本变形例中，也利用第一电信号T1和第二电信号T2的比例随着金属疲劳累积于检测环200b而变化的情况，进行力觉传感器的故障判断。在此，也将在检测环200b上未产生金属疲劳的初始状态下的第一及第二电信号设为T1a、T2a，将在检测环200b上产生(累积)了金属疲劳的状态下的第一及第二电信号设为T1b、T2b，分别加以区别。

在本变形例中，在图44的检测环200b上未产生金属疲劳的状态(初始状态)下，作用于力觉传感器的力的大小和从该力觉传感器输出的第一电信号T1a及第二电信号T2a的关系与图42所示的图表相同。另外，在图44的检测环200b上产生(累积)了金属疲劳的状态下，作用于力觉传感器的力的大小和从该力觉传感器输出的第一电信号T2a及第二电信号T2b的关系与图43所示的图表相同。

用于基于以上那样实施方式判定力觉传感器是否正常工作的原理及方法与6-6.相同。也就是说，通过将6-6.中的第一电信号T1(T1a、T1b)及第二电信号T2(T2a、T2b)替换为式14，可以理解根据本实施方式的力觉传感器的故障判定的原理及方法。因此，在此省略该原理及方法的详细说明。

根据以上那样的本变形例，能够提供如下力觉传感器：当在检测环200b上产生金属疲劳时，由于第一电信号T1和第二电信号T2的比例产生变化，因此基于该变化检测出产生了该金属疲劳，能够诊断变形体的故障。

具体而言，本实施方式的检测电路具有将力觉传感器正常工作状态下的第一电信号T1a和第二电信号T2a的比例作为基准比例而存储的存储部48，判定“第一电信号T1b和第二电信号T2b的比例和基准比例之差”是否在预定的范围内，从而判定力觉传感器是否正常工作。因此，能够基于预先确定的基准比例，可靠地进行检测环200b的故障判定。

此外，虽未对图29所示的力觉传感器中的故障判定进行说明，但也能够与图36所示的力觉传感器同样地进行6-6.中所说明的故障判定。这种情况下，采用图45所示的检测环作为检测环即可。图45为示出图29所示的检测环200的变形例的检测环200c的简要俯视图。该检测环200c在图40所示的检测环200a的与第二及第三检测部D2、D3对应的位置具有使径向厚度比其他区域小而使弹簧常数相对降低的区域。另外，在图40所示的力觉传感器中，将配置在检测环200a上的位移电极配置于面向支承基板300的一侧(参照图39)，关于图45所示的检测环200c，配置于该检测环200c的侧面即可。

另外，图36～图40所示的力觉传感器仅具有四个用于检测力或转矩的电容元件，因此无法检测力或转矩的所有六个分量。从而，在此示出的故障判定的方法在特定的轴方向的力(例如Fx)作用于该力觉传感器时有效。

另外，在图16所示的力觉传感器中，以仅作用力Fz的力觉传感器为前提，对故障判定的原来进行了说明。

Claims (3)

1.一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的X轴方向的力，其特征在于，

所述力觉传感器包括：

支承体，配置于XY平面上；

变形体，与所述支承体对置配置并接合于所述支承体，并具有在成为检测对象的力的作用下产生弹性变形的变形部；

固定电极，配置于所述支承体上；

位移电极，以与所述固定电极对置的方式设置于所述变形体的所述变形部，在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来输出电信号，所述电信号表示作用于所述变形体的力，

所述变形体的所述变形部从Z轴方向观察包括：内侧变形部，包含所述Z轴并具有第一弹簧常数；以及外侧变形部，位于所述内侧变形部的外侧并具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数，

所述电容元件从Z轴方向观察包括：在与所述内侧变形部对应的位置而隔着Y轴配置的X轴负方向侧的第一电容元件和X轴正方向侧的第二电容元件；在与所述外侧变形部对应的位置而配置于所述第一电容元件近旁的第三电容元件及配置于所述第二电容元件近旁的第四电容元件，

所述检测电路输出第一电信号和第二电信号，所述第一电信号相当于对应所作用的力的、“所述第一电容元件的静电电容值和所述第二电容元件的静电电容值之差”，所述第二电信号相当于对应所作用的力的、“所述第三电容元件的静电电容值和所述第四电容元件的静电电容值之差”，

基于与所作用的X轴方向的力对应的、所述第一电信号和所述第二电信号的比例变化，判定所述力觉传感器是否正常工作。

2.一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向的力，其特征在于，

所述力觉传感器包括：

支承体，配置于XY平面上；

变形体，与所述支承体对置配置，并具有在成为检测对象的力的作用下产生弹性变形的变形部；

固定电极，配置于所述支承体上；

位移电极，以与所述固定电极对置的方式设置于所述变形体的所述变形部，在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来输出电信号，所述电信号表示在负荷加载于所述变形体和所述支承体的一方的状态下作用于另一方的力，

所述变形部从Z轴方向观察包括：内侧变形部，包含所述Z轴并具有第一弹簧常数；以及外侧变形部，位于所述内侧变形部的外侧并具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数，

所述电容元件具有：第一电容元件，配置于与所述内侧变形部对应的位置；以及第二电容元件，配置于与所述外侧变形部对应的位置，

所述检测电路输出第一电信号和第二电信号，所述第一电信号相当于所述第一电容元件的静电电容值，所述第二电信号相当于所述第二电容元件的静电电容值，

基于与所作用的力对应的所述第一电信号和所述第二电信号的比例变化，判定所述力觉传感器是否正常工作，

基于所述第一电信号或者所述第二电信号，检测作用于所述力觉传感器的分量。

3.一种力觉传感器，检测XYZ三维坐标系中的Z轴方向的力，其特征在于，

所述力觉传感器包括：

支承体，配置于XY平面上；

变形体，与所述支承体对置配置，并具有在成为检测对象的力的作用下产生弹性变形的变形部；

固定电极，配置于所述支承体上；

位移电极，以与所述固定电极对置的方式设置于所述变形体的所述变形部，在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来输出电信号，所述电信号表示在负荷加载于所述变形体和所述支承体的一方的状态下作用于另一方的力，

所述变形部从Z轴方向观察包括：内侧变形部，包含所述Z轴并具有第一弹簧常数；以及外侧变形部，位于所述内侧变形部的外侧并具有与所述第一弹簧常数不同的第二弹簧常数，

所述电容元件从Z轴方向观察包括：在与所述内侧变形部对应的位置而隔着Y轴配置的X轴负方向侧的第一电容元件和X轴正方向侧的第二电容元件；在与所述外侧变形部对应的位置而配置于所述第一电容元件近旁的第三电容元件及配置于所述第二电容元件近旁的第四电容元件，

所述第一电容元件及所述第二电容元件在对应于所述内侧变形部的位置分别配置，所述第三电容元件及所述第四电容元件在对应于所述外侧变形部的位置分别配置，

所述检测电路输出第一电信号和第二电信号，所述第一电信号相当于对应所作用的Z轴方向的力的、“所述第一电容元件的静电电容值和所述第二电容元件的静电电容值之和”，所述第二电信号相当于对应所作用的Z轴方向的力的、“所述第三电容元件的静电电容值和所述第四电容元件的静电电容值之和”，

基于与所作用的Z轴方向的力对应的所述第一电信号和所述第二电信号的比例变化，判定所述力觉传感器是否正常工作，

所述检测电路利用静电电容的变化来检测所作用的分量。

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