JP2021144060A - 力覚センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】構造が単純で、高い生産効率が実現可能な力覚センサを提供する。【解決手段】支持体３００の上方に配置された検出リング６００には、左側の連結部Ｌと右側の連結部Ｌとに挟まれた検出部Ｄが設けられている。左側の連結部Ｌは、支持体３００に接続され、右側の連結部Ｌは、図示されていない受力体に接続されている。支持体３００を固定した状態で、受力体に力・モーメントが加わると、検出部Ｄが弾性変形する。検出部Ｄは、第１の板状片６１，第２の板状片６２，第３の板状片６３によって構成され、弾性変形によって、第３の板状片６３が支持体３００に対して変位する。第３の板状片６３の下面には変位電極Ｅ２が設けられ、支持体３００の上面には固定電極Ｅ１が設けられる。第３の板状片６３の変位は、両電極Ｅ１，Ｅ２からなる容量素子の静電容量値として検出され、作用した力・モーメントを示す電気信号が出力される。【選択図】図１８

Description

本発明は、本発明は、力覚センサに関し、特に、三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを検出するのに適したセンサに関する。
ロボットや産業機械の動作制御を行うために、種々のタイプの力覚センサが利用されている。また、電子機器の入力装置のマン・マシンインターフェイスとしても、小型の力覚センサが組み込まれている。このような用途に用いる力覚センサには、小型化およびコストダウンを図るために、できるだけ構造を単純にするとともに、三次元空間内での各座標軸に関する力をそれぞれ独立して検出できるようにすることが要求される。
現在、一般に利用されている多軸力覚センサは、機械的構造部に作用した力の特定の方向成分を、特定の部分に生じた変位として検出するタイプのものと、特定の部分に生じた機械的な歪みとして検出するタイプのものに分類される。前者の変位検出タイプの代表格は、静電容量素子式の力覚センサであり、一対の電極により容量素子を構成しておき、作用した力によって一方の電極に生じた変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出するものである。たとえば、下記の特許文献１（その英語版が特許文献２）や特許文献３（その英語版が特許文献４）には、この静電容量式の多軸力覚センサが開示されている。
一方、後者の機械的な歪み検出タイプの代表格は、歪みゲージ式の力覚センサであり、作用した力によって生じた機械的な歪みを、ストレインゲージなどの電気抵抗の変化として検出するものである。たとえば、下記の特許文献５（その英語版が特許文献６）には、この歪みゲージ式の多軸力覚センサが開示されている。
しかしながら、上述した各特許文献に開示されている多軸力覚センサは、いずれも機械的構造部の厚みが大きくならざるを得ず、装置全体を薄型化することが困難である。その一方で、ロボット、産業機械、電子機器用入力装置などの分野では、より薄型の力覚センサの登場が望まれている。そこで、特許文献７には、力の作用により環状部材の形状を変形させ、この変形に起因して生じる各部の変位を容量素子によって検出する力覚センサが提案されている。この特許文献７に開示されている力覚センサ（本願では、先願力覚センサと呼ぶ）は、構造を単純化して薄型化するのに適した構造を有している。
特開２００４−３２５３６７号公報 米国特許第７２１９５６１号公報 特開２００４−３５４０４９号公報 米国特許第６９１５７０９号公報 特開平８−１２２１７８号公報 米国特許第５４９０４２７号公報 国際公開第ＷＯ２０１３／０１４８０３号公報
しかしながら、上述した先願力覚センサでは、環状部材の様々な変形態様を検出するために、様々な箇所に容量素子を配置する必要があるため、容量素子を構成する電極構成が複雑にならざるを得ない。しかも、容量素子を構成する一対の電極の相対位置は、検出精度に影響を与える重大な要因になるため、個々の電極の位置調整に多大な作業負担が必要になる。特に、複数の容量素子を対称性をもたせて配置し、これらを用いて差分検出を行う場合、個々の容量素子ごとに対向電極が平行になるようにするとともに、複数の容量素子についての電極間隔が互いに等しくなるような調整が必要になる。このため、商業的に利用する上では、生産効率が低下し、コストが高騰するという問題がある。
そこで本発明は、構造が単純で、しかも検出素子の配置の自由度を向上させることにより、高い生産効率が実現可能な力覚センサを提供することを目的とする。
(1) 本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサにおいて、
検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力体と、
所定の基本環状路に沿って伸びる環状構造を有し、基本環状路上に定義された検出点に位置する検出部と、この検出部の両側に位置する連結部と、を有する検出リングと、
検出リングを支持する支持体と、
受力体を、検出リングの所定の作用点の位置に接続する接続部材と、
検出リングの所定の固定点の位置を、支持体に固定する固定部材と、
検出部に生じた弾性変形を検出する検出素子と、
検出素子の検出結果に基づいて、受力体および支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力もしくはモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、
を設け、
作用点および固定点は、連結部の互いに異なる位置に配置されており、
検出部は、作用点と固定点との間に力が作用したときに、作用した力に基づいて少なくとも一部が弾性変形を生じる構造を有するようにしたものである。
(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出部の所定位置に固定された変位電極と、支持体もしくは受力体の変位電極に対向する位置に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成され、
変位電極は、検出部に生じた弾性変形に基づいて固定電極に対して変位を生じる位置に配置されており、
検出回路が、容量素子の静電容量値の変動に基づいて、作用した力もしくはモーメントを示す電気信号を出力するようにしたものである。
(3) 本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸を垂直上方に向かう軸としたときに、
検出リングが、Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面に位置する基本環状路に沿って伸びる環状構造を有し、
支持体が、検出リングの下方に所定間隔をおいて配置された支持基板によって構成され、
変位電極が検出部の下面に固定され、固定電極が支持基板の上面に固定されているようにしたものである。
(4) 本発明の第４の態様は、上述した第３の態様に係る力覚センサにおいて、
検出部が、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる第１の変形部と、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる第２の変形部と、第１の変形部および第２の変形部の弾性変形により変位を生じる変位部と、を有し、
第１の変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、第１の変形部の内側端は変位部に接続され、第２の変形部の外側端はこれに隣接する連結部に接続され、第２の変形部の内側端は変位部に接続され、
変位電極は、変位部の支持基板に対向する位置に固定されているようにしたものである。
(5) 本発明の第５の態様は、上述した第４の態様に係る力覚センサにおいて、
基本環状路上に複数ｎ個（ｎ≧２）の検出点が定義され、各検出点にそれぞれ検出部が位置しており、検出リングが、ｎ個の検出部とｎ個の連結部とを、基本環状路に沿って交互に配置することにより構成されているようにしたものである。
(6) 本発明の第６の態様は、上述した第５の態様に係る力覚センサにおいて、
基本環状路上に偶数ｎ個（ｎ≧２）の検出点が定義され、各検出点にそれぞれ検出部が位置しており、検出リングが、ｎ個の検出部とｎ個の連結部とを、基本環状路に沿って交互に配置することにより構成されているようにしたものである。
(7) 本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
偶数ｎ個の連結部に対して、基本環状路に沿って順に番号を付与したときに、作用点が奇数番目の連結部に配置され、固定点が偶数番目の連結部に配置されているようにしたものである。
(8) 本発明の第８の態様は、上述した第７の態様に係る力覚センサにおいて、
ｎ＝２に設定することにより、基本環状路に沿って、第１の連結部、第１の検出部、第２の連結部、第２の検出部を、この順序で配置することにより検出リングが構成されており、作用点が第１の連結部に配置され、固定点が第２の連結部に配置されているようにしたものである。
(9) 本発明の第９の態様は、上述した第７の態様に係る力覚センサにおいて、
ｎ＝４に設定することにより、基本環状路に沿って、第１の連結部、第１の検出部、第２の連結部、第２の検出部、第３の連結部、第３の検出部、第４の連結部、第４の検出部を、この順序で配置することにより検出リングが構成されており、第１の作用点が第１の連結部に配置され、第１の固定点が第２の連結部に配置され、第２の作用点が第３の連結部に配置され、第２の固定点が第４の連結部に配置され、
接続部材が、検出リングの第１の作用点の位置を受力体に接続する第１の接続部材と、検出リングの第２の作用点の位置を受力体に接続する第２の接続部材とを有し、
固定部材が、検出リングの第１の固定点の位置を支持基板に固定する第１の固定部材と、検出リングの第２の固定点の位置を支持基板に固定する第２の固定部材とを有するようにしたものである。
(10) 本発明の第１０の態様は、上述した第９の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の作用点が正のＸ軸上に配置され、第２の作用点が負のＸ軸上に配置され、第１の固定点が正のＹ軸上に配置され、第２の固定点が負のＹ軸上に配置されているようにしたものである。
(11) 本発明の第１１の態様は、上述した第１０の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹ平面において、原点Ｏを中心としてＸ軸を反時計まわりに４５°回転させた座標軸としてＶ軸を定義し、原点Ｏを中心としてＹ軸を反時計まわりに４５°回転させた座標軸としてＷ軸を定義した場合に、第１の検出点が正のＶ軸上、第２の検出点が正のＷ軸上、第３の検出点が負のＶ軸上、第４の検出点が負のＷ軸上に配置されているようにしたものである。
(12) 本発明の第１２の態様は、上述した第１１の態様に係る力覚センサにおいて、
個々の検出部には、基本環状路に沿って圧縮応力が作用したときと伸張応力が作用したときとでは、静電容量値の増減が逆転する容量素子が形成されており、
第１の検出点に位置する第１の検出部に固定された変位電極を有する第１の容量素子の静電容量値をＣ１、第２の検出点に位置する第２の検出部に固定された変位電極を有する第２の容量素子の静電容量値をＣ２、第３の検出点に位置する第３の検出部に固定された変位電極を有する第３の容量素子の静電容量値をＣ３、第４の検出点に位置する第４の検出部に固定された変位電極を有する第４の容量素子の静電容量値をＣ４、としたときに、 検出回路が、
Ｆｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）
Ｍｘ＝−Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４
Ｍｙ＝＋Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４
Ｍｚ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４
なる演算式に基づく演算を行うことにより、Ｚ軸方向に作用した力Ｆｚ、Ｘ軸まわりに作用したモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりに作用したモーメントＭｙ、およびＺ軸まわりに作用したモーメントＭｚを示す電気信号を出力するようにしたものである。
(13) 本発明の第１３の態様は、上述した第７の態様に係る力覚センサにおいて、
ｎ＝８に設定することにより、基本環状路に沿って、第１の連結部、第１の検出部、第２の連結部、第２の検出部、第３の連結部、第３の検出部、第４の連結部、第４の検出部、第５の連結部、第５の検出部、第６の連結部、第６の検出部、第７の連結部、第７の検出部、第８の連結部、第８の検出部を、この順序で配置することにより検出リングが構成されており、
第１の作用点が第１の連結部に配置され、第１の固定点が第２の連結部に配置され、第２の作用点が第３の連結部に配置され、第２の固定点が第４の連結部に配置され、第３の作用点が第５の連結部に配置され、第３の固定点が第６の連結部に配置され、第４の作用点が第７の連結部に配置され、第４の固定点が第８の連結部に配置され、
接続部材が、検出リングの第１の作用点の位置を受力体に接続する第１の接続部材と、検出リングの第２の作用点の位置を受力体に接続する第２の接続部材と、検出リングの第３の作用点の位置を受力体に接続する第３の接続部材と、検出リングの第４の作用点の位置を受力体に接続する第４の接続部材と、を有し、
固定部材が、検出リングの第１の固定点の位置を支持基板に固定する第１の固定部材と、検出リングの第２の固定点の位置を支持基板に固定する第２の固定部材と、検出リングの第３の固定点の位置を支持基板に固定する第３の固定部材と、検出リングの第４の固定点の位置を支持基板に固定する第４の固定部材と、を有するようにしたものである。
(14) 本発明の第１４の態様は、上述した第１３の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹ平面において、原点Ｏを中心としてＸ軸を反時計まわりに４５°回転させた座標軸としてＶ軸を定義し、原点Ｏを中心としてＹ軸を反時計まわりに４５°回転させた座標軸としてＷ軸を定義した場合に、
第１の作用点が正のＸ軸上、第２の作用点が正のＹ軸上、第３の作用点が負のＸ軸上、第４の作用点が負のＹ軸上、第１の固定点が正のＶ軸上、第２の固定点が正のＷ軸上、第３の固定点が負のＶ軸上、第４の固定点が負のＷ軸上に配置されているようにしたものである。
(15) 本発明の第１５の態様は、上述した第１４の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹ平面において、原点Ｏを起点として、Ｘ軸正方向に対して反時計まわりに角度θをなす方位ベクトルＶec（θ）を定義したときに、第ｉ番目（但し、１≦ｉ≦８）の検出点が、方位ベクトルＶec（π／８＋（ｉ−１）・π／４）と基本環状路との交点位置に配置されているようにしたものである。
(16) 本発明の第１６の態様は、上述した第１５の態様に係る力覚センサにおいて、
個々の検出部には、基本環状路に沿って圧縮応力が作用したときと伸張応力が作用したときとでは、静電容量値の増減が逆転する容量素子が形成されており、
第ｉ番目の検出点に位置する第ｉ番目の検出部に固定された変位電極を有する第ｉ番目の容量素子の静電容量値をＣ１ｉとしたときに、
検出回路が、
Ｘ軸方向に作用した力Ｆｘに関しては、
Ｆｘ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５−Ｃ１６＋Ｃ１７−Ｃ１８
もしくは、Ｆｘ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１７−Ｃ１８
もしくは、Ｆｘ＝＋Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１６＋Ｃ１７
なる演算式、
Ｙ軸方向に作用した力Ｆｙに関しては、
Ｆｙ＝＋Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ１３＋Ｃ１４−Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７−Ｃ１８
もしくは、Ｆｙ＝＋Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ１３＋Ｃ１４
もしくは、Ｆｙ＝−Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７−Ｃ１８
なる演算式、
Ｚ軸方向に作用した力Ｆｚに関しては、
Ｆｚ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８） もしくは、Ｆｚ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１８）
もしくは、Ｆｚ＝−（Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１６＋Ｃ１７）
なる演算式、
Ｘ軸まわりに作用したモーメントＭｘに関しては、
Ｍｘ＝−Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８
もしくは、Ｍｘ＝−Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ１７＋Ｃ１８
もしくは、Ｍｘ＝−Ｃ１３−Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１６
なる演算式、
Ｙ軸まわりに作用したモーメントＭｙに関しては、
Ｍｙ＝＋Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１４−Ｃ１５−Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８
もしくは、Ｍｙ＝＋Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１４
もしくは、Ｍｙ＝−Ｃ１５−Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８
なる演算式、
Ｚ軸まわりに作用したモーメントＭｚに関しては、
Ｍｚ＝＋Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ１３−Ｃ１４＋Ｃ１５−Ｃ１６＋Ｃ１７−Ｃ１８
もしくは、Ｍｚ＝＋Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ１５−Ｃ１６
もしくは、Ｍｚ＝＋Ｃ１３−Ｃ１４＋Ｃ１７−Ｃ１８
もしくは、Ｍｚ＝＋Ｃ１１−Ｃ１４＋Ｃ１５−Ｃ１８
なる演算式、
に基づく演算を行うことにより、力Ｆｘ、力Ｆｙ、力Ｆｚ、モーメントＭｘ、モーメントＭｙ、およびモーメントＭｚを示す電気信号を出力するようにしたものである。
(17) 本発明の第１７の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
偶数ｎ個の連結部に対して、基本環状路に沿って順に番号を付与したときに、作用点および固定点が、いずれも奇数番目の連結部に、かつ、作用点と固定点とが基本環状路に沿って交互になるように配置されているようにしたものである。
(18) 本発明の第１８の態様は、上述した第１７の態様に係る力覚センサにおいて、
ｎ＝８に設定することにより、基本環状路に沿って、第１の連結部、第１の検出部、第２の連結部、第２の検出部、第３の連結部、第３の検出部、第４の連結部、第４の検出部、第５の連結部、第５の検出部、第６の連結部、第６の検出部、第７の連結部、第７の検出部、第８の連結部、第８の検出部を、この順序で配置することにより検出リングが構成されており、
第１の固定点が第１の連結部に配置され、第１の作用点が第３の連結部に配置され、第２の固定点が第５の連結部に配置され、第２の作用点が第７の連結部に配置され、
接続部材が、検出リングの第１の作用点の位置を受力体に接続する第１の接続部材と、検出リングの第２の作用点の位置を受力体に接続する第２の接続部材と、を有し、
固定部材が、検出リングの第１の固定点の位置を支持基板に固定する第１の固定部材と、検出リングの第２の固定点の位置を支持基板に固定する第２の固定部材と、を有するようにしたものである。
(19) 本発明の第１９の態様は、上述した第１８の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の固定点が正のＸ軸上に配置され、第２の固定点が負のＸ軸上に配置され、第１の作用点が正のＹ軸上に配置され、第２の作用点が負のＹ軸上に配置されているようにしたものである。
(20) 本発明の第２０の態様は、上述した第１９の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、原点Ｏを中心としてＸＹ平面に配置された正方形の環状構造体であり、Ｙ軸に平行な方向に伸び正のＸ軸と交差する第１の辺と、Ｘ軸に平行な方向に伸び正のＹ軸と交差する第２の辺と、Ｙ軸に平行な方向に伸び負のＸ軸と交差する第３の辺と、Ｘ軸に平行な方向に伸び負のＹ軸と交差する第４の辺と、を有し、
第１の検出点が、第１の辺の正のＹ座標をもつ位置に配置され、第２の検出点が、第２の辺の正のＸ座標をもつ位置に配置され、第３の検出点が、第２の辺の負のＸ座標をもつ位置に配置され、第４の検出点が、第３の辺の正のＹ座標をもつ位置に配置され、第５の検出点が、第３の辺の負のＹ座標をもつ位置に配置され、第６の検出点が、第４の辺の負のＸ座標をもつ位置に配置され、第７の検出点が、第４の辺の正のＸ座標をもつ位置に配置され、第８の検出点が、第１の辺の負のＹ座標をもつ位置に配置されているようにしたものである。
(21) 本発明の第２１の態様は、上述した第２０の態様に係る力覚センサにおいて、
個々の検出部には、基本環状路に沿って圧縮応力が作用したときと伸張応力が作用したときとでは、静電容量値の増減が逆転する容量素子が形成されており、
第ｉ番目の検出点に位置する第ｉ番目の検出部に固定された変位電極を有する第ｉ番目の容量素子の静電容量値をＣ１ｉとしたときに、
検出回路が、
Ｘ軸方向に作用した力Ｆｘに関しては、
Ｆｘ＝＋Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１６＋Ｃ１７
なる演算式、
Ｙ軸方向に作用した力Ｆｙに関しては、
Ｆｙ＝−Ｃ１１−Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１８
なる演算式、
Ｚ軸方向に作用した力Ｆｚに関しては、
Ｆｚ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８） もしくは、Ｆｚ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１３＋Ｃ１５＋Ｃ１７）
もしくは、Ｆｚ＝−（Ｃ１２＋Ｃ１４＋Ｃ１６＋Ｃ１８）
なる演算式、
Ｘ軸まわりに作用したモーメントＭｘに関しては、
Ｍｘ＝−Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８
もしくは、Ｍｘ＝−Ｃ１２−Ｃ１３＋Ｃ１６＋Ｃ１７
なる演算式、
Ｙ軸まわりに作用したモーメントＭｙに関しては、
Ｍｙ＝＋Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１４−Ｃ１５−Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８
もしくは、Ｍｙ＝＋Ｃ１１−Ｃ１４−Ｃ１５＋Ｃ１８
なる演算式、
Ｚ軸まわりに作用したモーメントＭｚに関しては、
Ｍｚ＝−Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４−Ｃ１５−Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８
もしくは、Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１３−Ｃ１５＋Ｃ１７
もしくは、Ｍｚ＝−Ｃ１２＋Ｃ１４−Ｃ１６＋Ｃ１８
なる演算式、
に基づく演算を行うことにより、力Ｆｘ、力Ｆｙ、力Ｆｚ、モーメントＭｘ、モーメントＭｙ、およびモーメントＭｚを示す電気信号を出力するようにしたものである。
(22) 本発明の第２２の態様は、上述した第１９の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、原点Ｏを中心としてＸＹ平面に配置された円形の環状構造体であり、
ＸＹ平面において、原点Ｏを起点として、Ｘ軸正方向に対して反時計まわりに角度θをなす方位ベクトルＶec（θ）を定義したときに、第ｉ番目（但し、１≦ｉ≦８）の検出点が、方位ベクトルＶec（π／８＋（ｉ−１）・π／４）と基本環状路との交点位置に配置されているようにしたものである。
(23) 本発明の第２３の態様は、上述した第５〜第２２の態様に係る力覚センサにおいて、
検出対象となる特定の軸についての力もしくはモーメントに関して、複数ｎ個の検出部のうち、一部は第１属性の検出部として振る舞い、他の一部は第２属性の検出部として振る舞い、
第１属性の検出部を構成する第１属性変位部は、上記特定の軸についての正の成分が作用したときに支持基板に近づく方向に変位し、上記特定の軸についての負の成分が作用したときに支持基板から遠ざかる方向に変位し、
第２属性の検出部を構成する第２属性変位部は、上記特定の軸についての正の成分が作用したときに支持基板から遠ざかる方向に変位し、上記特定の軸についての負の成分が作用したときに支持基板に近づく方向に変位し、
第１属性変位部に固定された第１属性変位電極と、支持基板の第１属性変位電極に対向する位置に固定された第１属性固定電極と、によって第１属性容量素子が構成され、
第２属性変位部に固定された第２属性変位電極と、支持基板の第２属性変位電極に対向する位置に固定された第２属性固定電極と、によって第２属性容量素子が構成され、
検出回路が、第１属性容量素子の静電容量値と、第２属性容量素子の静電容量値と、の差に相当する電気信号を、検出対象となる力もしくはモーメントの上記特定の軸についての成分を示す電気信号として出力するようにしたものである。
(24) 本発明の第２４の態様は、上述した第４〜第２３の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、Ｚ軸を中心軸として配置された板状部材の中央部に、貫通開口部を形成することにより得られる環状の部材に対して、部分的な材料除去加工を施すことにより得られた部材であり、この材料除去加工を施した部分によって検出部が構成されているようにしたものである。
(25) 本発明の第２５の態様は、上述した第４〜第２４の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の変形部、第２の変形部、変位部を有する検出部が、一方の連結部端部と他方の連結部端部との間に配置されており、
第１の変形部は、可撓性を有する第１の板状片によって構成され、第２の変形部は、可撓性を有する第２の板状片によって構成され、変位部は、第３の板状片によって構成され、
第１の板状片の外側端は、一方の連結部端部に接続され、第１の板状片の内側端は、第３の板状片の一端に接続され、第２の板状片の外側端は、他方の連結部端部に接続され、第２の板状片の内側端は、第３の板状片の他端に接続されているようにしたものである。
(26) 本発明の第２６の態様は、上述した第２５の態様に係る力覚センサにおいて、
力もしくはモーメントが作用していない状態において、第３の板状片の対向面と支持基板の対向面とが平行を維持するようにしたものである。
(27) 本発明の第２７の態様は、上述した第２６の態様に係る力覚センサにおいて、
検出点の位置にＸＹ平面に直交する法線を立てたときに、当該検出点に位置する検出部を構成する第１の板状片および第２の板状片が、法線に対して傾斜しており、かつ、第１の板状片の傾斜方向と第２の板状片の傾斜方向とが逆向きとなっているようにしたものである。
(28) 本発明の第２８の態様は、上述した第３〜第２７の態様に係る力覚センサにおいて、
作用点、もしくは、座標系の原点Ｏと作用点とを結ぶ線に沿って作用点を移動させた移動点、を通りＺ軸に平行な接続参照線を定義したときに、接続参照線もしくはその近傍に沿って、検出リングもしくは受力体の下面と支持基板の上面とを接続する補助接続部材を更に設けるようにしたものである。
(29) 本発明の第２９の態様は、上述した第２８の態様に係る力覚センサにおいて、
補助接続部材として、接続参照線に沿った方向に力が作用したときに比べて、接続参照線に直交する方向に力が作用したときの方が、弾性変形を生じ易い部材を用いるようにしたものである。
(30) 本発明の第３０の態様は、上述した第２８または第２９の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングもしくは受力体の補助接続部材に対する接続部分、もしくは、支持基板の補助接続部材に対する接続部分、または、これら接続部分の双方を、ダイアフラム部によって構成し、力もしくはモーメントの作用に基づくダイアフラム部の変形によって補助接続部材が接続参照線に対して傾斜するようにしたものである。
(31) 本発明の第３１の態様は、上述した第２〜第３０の態様に係る力覚センサにおいて、
力もしくはモーメントが作用した結果、固定電極に対して変位電極が平行移動した場合にも、容量素子を構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、固定電極および変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定するようにしたものである。
(32) 本発明の第３２の態様は、上述した第２〜第３１の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リング、支持体、受力体が導電性材料により構成されており、変位電極が検出リングの表面に絶縁層を介して形成されており、固定電極が支持体もしくは受力体の表面に絶縁層を介して形成されているようにしたものである。
(33) 本発明の第３３の態様は、上述した第２〜第３２の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リング、支持体、受力体が導電性材料により構成されており、検出リングの表面の一部の領域によって変位電極を構成するか、もしくは、支持体もしくは受力体の表面の一部の領域によって固定電極を構成したものである。
(34) 本発明の第３４の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、検出部の弾性変形を生じる位置に固定されたストレインゲージによって構成されており、
検出回路が、ストレインゲージの電気抵抗の変動に基づいて、作用した力もしくはモーメントを示す電気信号を出力するようにしたものである。
(35) 本発明の第３５の態様は、上述した第３４の態様に係る力覚センサにおいて、
検出部が、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる板状変形部を有し、板状変形部はその板面が基本環状路に対して傾斜するように配置されているようにしたものである。
(36) 本発明の第３６の態様は、上述した第３５の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、板状変形部の連結部に対する接続端近傍の両面に配置されたストレインゲージによって構成されているようにしたものである。
(37) 本発明の第３７の態様は、上述した第３６の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、連結部に対する第１の接続端近傍の表側の面および裏側の面にそれぞれ配置された第１のストレインゲージおよび第２のストレインゲージと、連結部に対する第２の接続端近傍の表側の面および裏側の面にそれぞれ配置された第３のストレインゲージおよび第４のストレインゲージと、を有し、
検出回路が、第１のストレインゲージと第４のストレインゲージとを第１の対辺とし、第２のストレインゲージと第３のストレインゲージとを第２の対辺とするブリッジ回路のブリッジ電圧を検出するようにしたものである。
(38) 本発明の第３８の態様は、上述した第１〜第１９、第３４〜第３７の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面に配置された円を基本環状路とする環状構造体であり、
支持体が、Ｚ軸を中心軸としてＺ軸負領域に配置された円形の板状構造体もしくは環状構造体であり、
受力体が、Ｚ軸を中心軸としてＺ軸正領域に配置された円形の板状構造体もしくは環状構造体、またはＺ軸を中心軸としてＸＹ平面に配置された円形の板状構造体もしくは環状構造体であるようにしたものである。
(39) 本発明の第３９の態様は、上述した第１〜第１９、第３４〜第３７の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面に配置された正方形を基本環状路とする環状構造体であり、
支持体が、Ｚ軸を中心軸としてＺ軸負領域に配置された正方形の板状構造体もしくは環状構造体であり、
受力体が、Ｚ軸を中心軸としてＺ軸正領域に配置された正方形の板状構造体もしくは環状構造体、またはＺ軸を中心軸としてＸＹ平面に配置された正方形の板状構造体もしくは環状構造体であるようにしたものである。
(40) 本発明の第４０の態様は、上述した第１〜第３９の態様に係る力覚センサにおいて、
受力体が、内部に検出リングを収容可能な環状構造体であり、受力体が検出リングの外側に配置されているようにしたものである。
(41) 本発明の第４１の態様は、上述した第１〜第３９の態様に係る力覚センサにおいて、
検出リングが、内部に受力体を収容可能な環状構造体であり、受力体が検出リングの内側に配置されているようにしたものである。
(42) 本発明の第４２の態様は、上述した第１〜第３９の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸を垂直上方に向かう軸としたときに、検出リングがＸＹ平面に配置され、支持体が検出リングの下方に所定間隔をおいて配置され、受力体が検出リングの上方に所定間隔をおいて配置されているようにしたものである。
本発明に係る力覚センサでは、環状構造を有する検出リングの変形態様に基づいて、作用した力やモーメントの検出が行われる。この検出リングは、弾性変形を生じる検出部と、この検出部の両側に位置する連結部と、を有しており、検出対象となる力もしくはモーメントが作用すると、検出部に集中的に弾性変形が生じることになる。ここで、検出部に生じる弾性変形の態様は、検出部の形状や構造を工夫することにより自由に設定可能である。このため、構造が単純でありながら、検出素子の配置の自由度を向上させることができ、高い生産効率が実現可能な力覚センサを提供することが可能になる。
検出部の弾性変形に基づく変位を電気的に検出する場合、検出素子として容量素子を採用することができる。この場合、検出部の形状や構造を工夫することにより、容量素子の配置を自由に設定することができる。具体的には、検出リング側の変位電極の形成面の位置や向きを自由に設定できるため、生産効率を高める上で効果的な設計が可能になる。また、特定の座標軸方向の力や特定の座標軸まわりのモーメントが作用したときに、検出部の一部が特定方向に変位を生じるような設計が可能になるため、検出対象となる力やモーメントの任意の方向成分を効率的に検出する力覚センサを設計することができる。
また、検出部の弾性変形に基づく応力歪みを電気的に検出する場合、検出素子としてストレインゲージを採用することができる。この場合も、検出部の形状や構造を工夫することにより、ストレインゲージの配置を自由に設定することができるので、生産効率を高める上で効果的な設計が可能になる。したがって、検出素子としてストレインゲージを採用した場合も、検出対象となる力やモーメントの任意の方向成分を効率的に検出する力覚センサを設計することができる。
先願力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）および側面図（下段の図）である。 図１に示す基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＸＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。 図１に示す基本構造部の支持基板３００および固定部材５１０，５２０の上面図（上段の図）、ならびに、この基本構造部をＹＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。 図１に示す基本構造部の受力体１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図（上段の図）およびＸＺ平面における縦断面図（下段の図）である。 図１に示す基本構造部の受力体１００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。 図１に示す基本構造部の受力体１００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。 図１に示す基本構造部の受力体１００にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図である。 図１に示す基本構造部に、変位検出用の固定補助体３５０を付加した実施形態を示す上面図（上段の図）および側面図（下段の図）である。 図８に示す基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。 図８に示す基本構造部における距離測定箇所を示す上面図である。 図１０に示す基本構造部に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの距離ｄ１〜ｄ８の変化を示すテーブルである。 図９に示す基本構造部に容量素子を付加して構成される力覚センサを、ＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。 本発明の第１の実施形態に係る力覚センサに用いる検出リング６００の斜視図（図(a) ）、側面図（図(b) ）、下面図（図(c) ）である。 図１３に示す検出リング６００の領域分布を示す上面図である（網目状のハッチングは、検出部Ｄ１〜Ｄ４の領域を示すためのものであり、断面を示すものではない）。 図１３に示す検出リング６００について、ＸＹ平面上に定義された基本環状路Ｂおよびこの基本環状路Ｂ上に定義された各点を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）およびこれをＸＺ平面で切断した側断面図（下段の図）である。 図１３に示す検出リング６００の検出部Ｄ１〜Ｄ４（代表して符号Ｄで示す）の詳細構造を示す部分断面図である。 図１３に示す検出リング６００の検出部Ｄ１〜Ｄ４（代表して符号Ｄで示す）およびこれに対向する支持基板３００の所定部分に電極を設けた詳細構造を示す部分断面図である。 固定電極に対する変位電極の相対位置が変化した場合にも、容量素子の実効面積を一定に維持する原理を示す図である。 図１６に示す第１の実施形態における受力体１００に、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量（増減の程度）を示すテーブルである。 図２０に示すテーブルにおける（−）および（＋）の欄を近似的に零に置き換えることにより得られるテーブルである。 図２１に示すテーブルに基づいて、図１６に示す第１の実施形態における受力体１００に作用した力ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの４軸成分を算出する演算式を示す図である。 図２２に示す演算式に基づいて、力ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの４軸成分を示す電気信号を出力する検出回路の一例を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る力覚センサに用いる検出リング７００の下面図である。 図２４に示す検出リング７００の領域分布を示す上面図である（網目状のハッチングは、検出部Ｄ１１〜Ｄ１８の領域を示すためのものであり、断面を示すものではない）。 図２４に示す検出リング７００のＸＹ平面上の位置に定義された基本環状路Ｂおよびこの基本環状路Ｂ上に定義された各点を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図である。 図２７に示す第２の実施形態における受力体１００に、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量（増減の程度）を示すテーブルである。 図２８に示すテーブルに基づいて、図２７に示す第２の実施形態における受力体１００に作用した力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６軸成分を算出する演算式を示す図である。 図２９に示す演算式のバリエーションを示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の下面図（上段の図）およびこれをＸＺ平面で切断した側断面図（下段の図）である。 図３１に示す第３の実施形態における受力体１００に、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量（増減の程度）を示すテーブルである。 図３１に示す第３の実施形態における補助接続部材５３２の取り付け部分に関する変形例を示す部分側断面図である。 図２４に示す第２の実施形態と図３１に示す第３の実施形態との組み合わせに係る実施形態の受力体１００に、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量（増減の程度）を示すテーブルである。 本発明の第４の実施形態に係る力覚センサに用いる正方形状の検出リング７００Ｓの上面図である。 図３５に示す検出リング７００Ｓの領域分布を示す上面図である（網目状のハッチングは、検出部Ｄ１１Ｓ〜Ｄ１８Ｓの領域を示すためのものであり、断面を示すものではない）。 図３５に示す検出リング７００ＳのＸＹ平面上の位置に定義された基本環状路ＢＳおよびこの基本環状路ＢＳ上に定義された各点を示す平面図である。 図３５に示す第４の実施形態における受力体に、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量（増減の程度）を示すテーブルである。 図３８に示すテーブルに基づいて、図３５に示す第４の実施形態における受力体に作用した力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６軸成分を算出する演算式を示す図である。 図３９に示す演算式のバリエーションを示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図である。 本発明の第６の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）およびこれをＸＺ平面で切断した側断面図（下段の図）である。 本発明の第７の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）およびこれをＸＺ平面で切断した側断面図（下段の図）である。 本発明における検出部の構造のバリエーションを示す部分断面図である。 図１６に示す第１の実施形態における検出リング６００の代わりに、検出部の向きを変えた検出リング８００を用いた変形例に係る力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）およびこれをＸＺ平面で切断した側断面図（下段の図）である。 図４４(c) 示す検出部ＤＤを構成する板状変形部８０の弾性変形の態様を示す部分断面図である。 図４４(c) 示す検出部ＤＤに生じた弾性変形を検出する検出素子としてストレインゲージを用いた例を示す側面図（図(a) ）および上面図（図(b) ）である。 図４７に示す４組のストレインゲージの検出結果に基づいて電気信号を出力するブリッジ回路を示す回路図である。
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。なお、本発明は、前掲の特許文献７（国際公開第ＷＯ２０１３／０１４８０３号公報）に開示されている先願力覚センサを改良した発明である。そこで、説明の便宜上、まず、以下の§１，§２において、先願力覚センサについての説明を行い、本発明の特徴については、§３以降で述べることにする。
＜＜＜ §１． 先願力覚センサの基本構造部の特徴 ＞＞＞
図１は、先願力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）および側面図（下段の図）である。上面図では、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＹ軸が配置されており、紙面に垂直な手前方向がＺ軸方向になる。一方、側面図では、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸が配置されており、紙面に垂直な奥行き方向がＹ軸方向になる。図示のとおり、この基本構造部は、受力体１００、検出リング２００、支持基板３００、接続部材４１０，４２０、固定部材５１０，５２０によって構成されている。
受力体１００は、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形平板状（ワッシャ状）のリングであり、外周面も内周面も円柱面を構成する。受力体１００の役割は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受け、これを検出リング２００に伝達することにある。
一方、検出リング２００は、受力体１００と同様に、Ｚ軸が中心軸となるようにＸＹ平面上に配置された円形平板状（ワッシャ状）のリングであり、外周面も内周面も円柱面を構成する。ここに示す例の場合、検出リング２００は、受力体１００の内側に配置されている。すなわち、受力体１００はＸＹ平面上に配置された外側リング、検出リング２００はＸＹ平面上に配置された内側リングということになる。ここで、検出リング２００の特徴は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる点である。
接続部材４１０，４２０は、受力体１００と検出リング２００とを接続するための部材である。図示の例の場合、接続部材４１０は、Ｘ軸正領域に沿った位置において、受力体１００の内周面と検出リング２００の外周面とを接続し、接続部材４２０は、Ｘ軸負領域に沿った位置において、受力体１００の内周面と検出リング２００の外周面とを接続している。したがって、受力体１００と検出リング２００との間には、図示のとおり空隙部Ｈ１が確保されており、検出リング２００の内側には、図示のとおり空隙部Ｈ２が確保されている。
図１の下段に示す側面図を見れば明らかなように、この例の場合、受力体１００と検出リング２００の厚み（Ｚ軸方向の寸法）は同じであり、側面図では、検出リング２００は受力体１００の内側に完全に隠れた状態になっている。両リングの厚みは、必ずしも同じにする必要はないが、薄型センサ（Ｚ軸方向の寸法ができるだけ小さいセンサ）を実現する上では、両リングを同じ厚みにするのが好ましい。
支持基板３００は、径が受力体１００の外径と等しい円盤状の基板であり、ＸＹ平面に平行な上面をもち、受力体１００および検出リング２００の下方に所定間隔をおいて配置される。固定部材５１０，５２０は、検出リング２００を支持基板３００に固定するための部材である。側面図では、固定部材５１０は固定部材５２０の奥に隠れて現れていないが、固定部材５１０，５２０は、検出リング２００の下面と支持基板３００の上面とを接続する役割を果たす。上面図に破線で示されているとおり、固定部材５１０，５２０は、Ｙ軸に沿った位置に配置されている。
図２は、図１に示す基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＸＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。ＸＹ平面で切断した横断面図の中心には、ＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｏが示されている。この図２では、検出リング２００が、左右２カ所において、Ｘ軸に沿って配置された接続部材４１０，４２０を介して受力体１００に接続されている状態が明瞭に示されている。
図３は、図１に示す基本構造部の支持基板３００および固定部材５１０，５２０の上面図（上段の図）、ならびに、この基本構造部をＹＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。図３の上面図は、図１の上面図を反時計まわりに９０°回転させた状態に相当し、Ｙ軸が左方向にとられている。また、図３の上面図では、検出リング２００の位置が破線で示されている。一方、図３の縦断面図には、固定部材５１０，５２０によって、支持基板３００の上方に検出リング２００が固定されている状態が明瞭に示されている。
後述するように、支持基板３００を固定した状態において、受力体１００に様々な方向の力が作用すると、検出リング２００が、作用した力に応じた態様で変形を生じることになる。先願力覚センサは、この変形態様を電気的に検出することにより、作用した力の検出を行う。したがって、検出リング２００の弾性変形のしやすさは、センサの検出感度を左右するパラメータになる。弾性変形しやすい検出リング２００を用いれば、微小な力が作用した場合でも検出可能な感度の高いセンサを実現することができるが、検出可能な力の最大値は抑制されることになる。逆に、弾性変形しにくい検出リング２００を用いれば、検出可能な力の最大値を大きくとることができるが、感度は低下するため、微小な力の検出はできなくなる。
検出リング２００の弾性変形のしやすさは、Ｚ軸方向の厚みおよび径方向の厚み（いずれも薄くするほど弾性変形しやすい）に依存して決まり、更に、その材質にも依存して決まる。したがって、実用上は、力覚センサの用途に応じて、検出リング２００の各部の寸法や材質を選択する必要がある。後述するように、本発明で用いる検出リングでは、この点における改善がなされており、産業上の要望に応じて、設計の自由度をより向上させることができる。
一方、受力体１００および支持基板３００は、力を検出する原理上、弾性変形を生じる部材である必要はない。むしろ、作用した力が検出リング２００の変形に１００％寄与するようにするためには、受力体１００および支持基板３００は、完全な剛体である方が好ましい。図示の例において、受力体１００として、中心に空隙部Ｈ１を有するリング状構造体を用いた理由は、弾性変形しやすくするためではなく、内部に検出リング２００を収容するためである。図示の例のように、検出リング２００の外側にリング状の受力体１００を配置する構成を採れば、基本構造部の厚みを小さくすることができ、より薄型の力覚センサが実現できる。
実用上、受力体１００、検出リング２００、支持基板３００の材料としては、絶縁材料を利用するのであれば、プラスチックなどの合成樹脂を用いれば十分であり、導電材料を利用するのであれば、ステンレス、アルミニウムなどの金属を用いれば十分である。もちろん、絶縁材料と導電材料とを組み合わせて利用してもかまわない。
続いて、支持基板３００を固定した状態において、受力体１００に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用した場合に、この基本構造部にどのような現象が生じるかを考えてみる。
上述したとおり、受力体１００および支持基板３００は、作用した力が検出リング２００の変形に１００％寄与するようにするため、本来は、完全な剛体である方が好ましい。しかしながら、実際には、基本構造部を樹脂や金属で構成した場合、受力体１００や支持基板３００は完全な剛体にはならず、受力体１００に力やモーメントが加わると、厳密に言えば、受力体１００や支持基板３００にも若干の弾性変形が生じることになる。ただ、受力体１００や支持基板３００に生じる弾性変形が、検出リング２００に生じる弾性変形に比べてわずかな弾性変形であれば無視することができ、実質的に剛体と考えて支障はない。そこで、本願では、受力体１００および支持基板３００が剛体であり、力やモーメントによる弾性変形は、専ら検出リング２００においてのみ生じるものとして説明を行うことにする。
まず、支持基板３００を固定した状態において、受力体１００に対して、Ｘ軸方向の力が作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図４は、図１に示す基本構造部の受力体１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図（上段の図）およびＸＺ平面における縦断面図（下段の図）である。支持基板３００は固定されているため不動であるが、受力体１００は、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘにより図の右方向へと移動する。その結果、検出リング２００は図示のとおり変形する。なお、図に示す破線は、移動もしくは変形前の各リングの位置を示している。
ここでは、この変形態様を説明する便宜上、２つの固定点Ｐ１，Ｐ２（黒丸で示す）と、２つの作用点Ｑ１，Ｑ２（白丸で示す）を考える。固定点Ｐ１，Ｐ２は、Ｙ軸上に定義された点であり、図１に示す固定部材５１０，５２０の位置に対応するものである。すなわち、検出リング２００は、この固定点Ｐ１，Ｐ２の位置において、固定部材５１０，５２０によって支持基板３００に固定されている。一方、作用点Ｑ１，Ｑ２は、Ｘ軸上に定義される点であり、検出リング２００は、この作用点Ｑ１，Ｑ２の位置において、接続部材４１０，４２０によって受力体１００に接続されている。
このように、先願力覚センサにおいて、作用点は接続部材が接続される位置であり、固定点は固定部材が接続される位置である。そして、重要な点は、作用点と固定点とが異なる位置に配置される点である。図４に示す例の場合、固定点Ｐ１，Ｐ２と作用点Ｑ１，Ｑ２とはＸＹ平面上の異なる位置に配置されている。これは、作用点と固定点とが同一位置を占めると、検出リング２００に弾性変形が生じなくなるためである。
さて、受力体１００に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、図４に示すように、検出リング２００の作用点Ｑ１，Ｑ２（白丸）には、図の右方向への力が加わることになる。ところが、検出リング２００の固定点Ｐ１，Ｐ２（黒丸）の位置は固定されているため、可撓性をもった検出リング２００は、基準の円形状態から、図示のような歪んだ状態へと変形することになる（なお、本願における変形状態を示す図は、変形状態を強調して示すため多少デフォルメされた図になっており、必ずしも正確な変形態様を示す図ではない）。具体的には、図示のとおり、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ１間では、検出リング２００の四分円弧の両端に引っ張り力が作用して四分円弧は内側に縮み、点Ｐ１−Ｑ２間および点Ｐ２−Ｑ２間では、検出リング２００の四分円弧の両端に押圧力が作用して四分円弧は外側に膨らんでいる。
受力体１００に対してＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合は、図４とは左右逆の現象が起きる。また、受力体１００に対してＹ軸正方向の力＋ＦｙおよびＹ軸負方向の力−Ｆｙが作用した場合は、図４上段における変形状態を９０°回転させた現象が起きる。
次に、支持基板３００を固定した状態において、受力体１００に対して、Ｚ軸方向の力が作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図５は、図１に示す基本構造部の受力体１００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。支持基板３００は固定されているため不動であるが、受力体１００は、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚにより図の上方向へと移動する。その結果、検出リング２００は図示のとおり変形する。なお、図に示す破線は、移動もしくは変形前の各リングの位置を示している。
ここでも、変形態様の基本は、２つの固定点Ｐ１，Ｐ２の位置（固定部材５１０，５２０で固定された位置）は不動であり、２つの作用点Ｑ１，Ｑ２の位置が上方へ移動する、という点である。検出リング２００は、固定点Ｐ１，Ｐ２の位置から作用点Ｑ１，Ｑ２の位置へ向けて緩やかに変形することになる。また、受力体１００に対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合は、受力体１００は、図の下方向へと移動する。その結果、検出リング２００の変形態様は、図５とは上下逆になる。
続いて、支持基板３００を固定した状態において、受力体１００に対して、Ｙ軸まわりのモーメントが作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図６は、図１に示す基本構造部の受力体１００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形状態を示すＸＺ平面における縦断面図である。なお、本願では、所定の座標軸まわりに作用するモーメントの符号を、当該座標軸の正方向に右ネジを進めるための当該右ネジの回転方向を正にとることにする。たとえば、図６に示すモーメント＋Ｍｙの回転方向は、右ネジをＹ軸正方向に進めるための回転方向になる。
この場合も、支持基板３００は固定されているため不動であるが、受力体１００は、Ｙ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙを受けて、図の原点Ｏを中心として時計まわりに回転する。その結果、作用点Ｑ１は下方に移動し、作用点Ｑ２は上方に移動する。検出リング２００は、固定点Ｐ１，Ｐ２の位置（固定部材５１０，５２０で固定された位置）から作用点Ｑ１，Ｑ２の位置へ向けて緩やかに変形することになる。受力体１００に対してＹ軸負まわりのモーメント−Ｍｙが作用した場合は、図６とは左右逆の現象が起きる。また、受力体１００に対してＸ軸正まわりのモーメント＋ＭｘおよびＸ軸負まわりのモーメント−Ｍｘが作用した場合は、上面図において変形状態を９０°回転させた現象が起きる。
最後に、支持基板３００を固定した状態において、受力体１００に対して、Ｚ軸まわりのモーメントが作用したときに、この基本構造部にどのような変化が生じるかを考えてみる。図７は、図１に示す基本構造部の受力体１００にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの変形状態を示すＸＹ平面における横断面図である。この場合も、支持基板３００は固定されているため不動であるが、受力体１００は、Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚを受けて、図の原点Ｏを中心として反時計まわりに回転する。
その結果、検出リング２００の作用点Ｑ１，Ｑ２には、図において反時計回りの力が加わることになる。ところが、検出リング２００の固定点Ｐ１，Ｐ２の位置は固定されているため、可撓性をもった検出リング２００は、基準の円形状態から、図示のような歪んだ状態へと変形することになる。具体的には、図示のとおり、点Ｐ２−Ｑ１間および点Ｐ１−Ｑ２間では、検出リング２００の四分円弧の両端に引っ張り力が作用して四分円弧は内側に縮み、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ２間では、検出リング２００の四分円弧の両端に押圧力が作用して四分円弧は外側に膨らんでおり、全体的に楕円状に変形している。一方、受力体１００に対してＺ軸負まわりのモーメント−Ｍｚが作用した場合は、受力体１００は、図の原点Ｏを中心として時計まわりに回転するため、図７を裏返しにした変形状態が起きる。
以上、図１に示す基本構造部の支持基板３００を固定した状態において、受力体１００に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用した場合に、検出リング２００に生じる変形態様を説明したが、これらの変形態様は互いに異なり、また、作用した力やモーメントの大きさにより変形量も異なる。そこで、検出リング２００の弾性変形を検出し、その態様や大きさに関する情報を収集すれば、各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントをそれぞれ別個独立して検出することができる。これが、先願力覚センサにおける検出動作の基本原理である。先願力覚センサでは、このような原理に基づく検出を行うために、これまで述べてきた基本構造部に、更に、容量素子と検出回路とを付加することになる。
＜＜＜ §２． 先願力覚センサの検出原理 ＞＞＞
先願力覚センサでは、図１に示す基本構造部の特定箇所の変位を測定することにより、作用した力およびモーメントの向きと大きさを検出することになる。この変位検出のために、固定補助体３５０が付加される。
図８は、図１に示す基本構造部に、変位検出用の固定補助体３５０を付加した例を示す上面図（上段の図）および側面図（下段の図）である。図示のとおり、この基本構造部では、受力体１００の内側に検出リング２００が配置されており、更にその内側に固定補助体３５０が配置されている。この固定補助体３５０は、Ｚ軸を中心軸とする円柱状の物体であり、下面が支持基板３００の上面に固定されている。固定補助体３５０の外周面は、空隙部Ｈ２を挟んで、検出リング２００の内周面に対向している。
図９は、図８に示す基本構造部をＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。ここで、Ｖ軸は、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第１象限、負の領域がＸＹ平面の第３象限に位置し、Ｘ軸に対して４５°をなす軸である。また、Ｗ軸は、ＸＹＺ三次元直交座標系における原点Ｏを通り、正の領域がＸＹ平面の第２象限、負の領域がＸＹ平面の第４象限に位置し、Ｖ軸に対して直交する軸である。図９の上段に示す横断面図は、Ｖ軸正方向を右方向、Ｗ軸正方向を上方向にとった図であり、図２の上段に示す基本構造部に固定補助体３５０を付加し、これを時計まわりに４５°回転させた図に対応する。また、図９の下段の縦断面図は、ＶＺ平面で切断した縦断面図であるため、右方向はＶ軸正方向になっている。
§１で述べたとおり、検出リング２００上には、Ｙ軸上に２つの固定点Ｐ１，Ｐ２が配置され、Ｘ軸上に２つの作用点Ｑ１，Ｑ２が配置されている。ここでは、更に、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４（×印で示す）を定義する。図示のとおり、第１の測定点Ｒ１はＶ軸正領域に、第２の測定点Ｒ２はＷ軸正領域に、第３の測定点Ｒ３はＶ軸負領域に、第４の測定点Ｒ４はＷ軸負領域に、それぞれ配置されている。結局、図９の上段の横断面図において、検出リング２００の外周輪郭円と内周輪郭円との中間に位置する円として基本環状路Ｂ（図には、太い一点鎖線で示す）を定義した場合、各点Ｑ１，Ｒ１，Ｐ１，Ｒ２，Ｑ２，Ｒ３，Ｐ２，Ｒ４は、この順番どおりに、円形の基本環状路Ｂ上に等間隔に配置されていることになる。４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４をこのような位置に定義するのは、検出リング２００の弾性変形に起因して生じる変位が最も顕著になるためである。
この４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の半径方向の変位を検出するには、図９の上段の横断面図に矢印で示す距離ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４を測定すればよい。これらの距離ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４は、検出リング２００の内周面の、各測定点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４近傍に位置する測定対象面と、固定補助体３５０の外周に位置し、測定対象面に対向する対向基準面との距離であり、当該距離が大きくなれば、測定点近傍部分が半径方向に膨らんでいることを示し、当該距離が小さくなれば、測定点近傍部分が半径方向に縮んでいることを示すことになる。したがって、これらの距離を電気的に検出する容量素子を用意しておけば、各測定点近傍部分の半径方向に関する変形量を測定することができる。
一方、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の上下方向（Ｚ軸方向）の変位を検出するには、図９の下段の縦断面図に矢印で示す距離ｄ５，ｄ７および図示されていない距離ｄ６，ｄ８（距離ｄ６は、固定補助体３５０の奥に位置する測定点Ｒ２の直下の距離、距離ｄ８は、固定補助体３５０の手前に位置する測定点Ｒ４の直下の距離）を測定すればよい。これらの距離ｄ５，ｄ６，ｄ７，ｄ８は、検出リング２００の下面の、各測定点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４近傍に位置する測定対象面と、支持基板３００の上面に位置し、測定対象面に対向する対向基準面との距離であり、当該距離が大きくなれば、測定点近傍部分が上方向に変位していることを示し、当該距離が小さくなれば、測定点近傍部分が下方向に変位していることを示すことになる。したがって、これらの距離を電気的に検出する検出素子を用意しておけば、各測定点近傍部分の上下方向に関する変形量を測定することができる。
このように、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の半径方向の変位と上下方向の変位とを測定することができれば、検出リング２００の全体的な変形態様および変形量を把握することができ、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントの６軸成分を検出することが可能になる。図１０は、この６軸成分を検出するために必要な距離測定箇所を示す上面図である。すなわち、この例では、前述したとおり、第１の測定点Ｒ１について、距離ｄ１（半径方向の変位）と距離ｄ５（上下方向の変位）とが測定され、第２の測定点Ｒ２について、距離ｄ２（半径方向の変位）と距離ｄ６（上下方向の変位）とが測定され、第３の測定点Ｒ３について、距離ｄ３（半径方向の変位）と距離ｄ７（上下方向の変位）とが測定され、第４の測定点Ｒ４について、距離ｄ４（半径方向の変位）と距離ｄ８（上下方向の変位）とが測定されることになる。
図１１は、図１０に示す基本構造部において、支持基板３００を固定した状態で受力体１００に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの距離ｄ１〜ｄ８の変化を示すテーブルである。このテーブルで「＋」は距離が大きくなることを示し、「−」は距離が小さくなることを示し、「０」は距離が変動しないことを示している。このような結果が得られることは、§１で説明した検出リング２００の具体的な変形態様を考えれば、容易に理解できよう。
たとえば、受力体１００に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、検出リング２００は、図４に示すように、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ１間の四分円弧は内側に縮み、点Ｐ１−Ｑ２間および点Ｐ２−Ｑ２間の四分円弧は外側に膨らむように変形する。したがって、距離ｄ１，ｄ４は小さくなり、距離ｄ２，ｄ３は大きくなる。このとき、検出リング２００に上下方向の変形は生じないので、距離ｄ５〜ｄ８は変動しない。図１１のテーブルの＋Ｆｘの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合は、図１１のテーブルの＋Ｆｙの行に示す結果が得られる。
また、受力体１００に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、検出リング２００は、図５に示すように変形するので、距離ｄ５〜ｄ８は大きくなる。このとき、検出リング２００に半径方向の変形は生じないので、距離ｄ１〜ｄ４は変動しない。図１１のテーブルの＋Ｆｚの行は、このような結果を示している。
そして、受力体１００に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、検出リング２００は、図６に示すように変形し、図の右半分は下方へ変位し、図の左半分は上方へ変位するので、距離ｄ５，ｄ８は小さくなり、距離ｄ６，ｄ７は大きくなる。このとき、検出リング２００に半径方向の変形は生じないので、距離ｄ１〜ｄ４は変動しない。図１１のテーブルの＋Ｍｙの行は、このような結果を示している。同様の理由により、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、図１１のテーブルの＋Ｍｘの行に示す結果が得られる。
最後に、受力体１００に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用した場合、検出リング２００は、図７に示すように変形し、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ２間の四分円弧は外側に膨らみ、点Ｐ１−Ｑ２間および点Ｐ２−Ｑ１間の四分円弧は内側に縮むように変形する。したがって、距離ｄ１，ｄ３は大きくなり、距離ｄ２，ｄ４は小さくなる。このとき、検出リング２００に上下方向の変形は生じないので、距離ｄ５〜ｄ８は変動しない。図１１のテーブルの＋Ｍｚの行は、このような結果を示している。
なお、図１１のテーブルは、正方向の力および正まわりのモーメントが作用した場合の結果を示しているが、負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、「＋」と「−」が逆転した結果が得られることになる。結局、距離ｄ１〜ｄ８の変化パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、距離の変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら距離ｄ１〜ｄ８の測定値に基づく所定の演算を施せば、６軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。
先願力覚センサは、図８に示す基本構造部に、更に、容量素子と検出回路を付加したものであり、各部に配置した容量素子の静電容量値の変化を電気的に検出することにより、特定箇所の変位を測定し、作用した力およびモーメントの向きと大きさを検出するものである。
図１２は、図９に示す基本構造部に容量素子を付加して構成される力覚センサを、ＸＹ平面で切断した横断面図（上段の図）およびＶＺ平面で切断した縦断面図（下段の図）である。図９に示す基本構造部と図１２に示す力覚センサとを比較すると、後者では、１６枚の電極Ｅ１１〜Ｅ１８，Ｅ２１〜Ｅ２８が付加されていることがわかる。これら１６枚の電極により構成される８組の容量素子は、前述した８通りの距離ｄ１〜ｄ８を測定する検出素子として機能する。
図１２上段の横断面図に示されているとおり、検出リング２００の内周面の、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍部分（測定対象面）には、それぞれ変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４が設けられている。また、検出リング２００の下面の、４つの測定点Ｒ１〜Ｒ４の近傍部分（測定対象面）には、それぞれ変位電極Ｅ２５〜Ｅ２８（図では、破線で示されている）が設けられている。これら８枚の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８は、文字通り、検出リング２００の変形によって変位を生じる電極である。
一方、これら８枚の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８に対向する位置（対向基準面）に、８枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８が設けられている。これら８枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８は、文字通り、支持基板３００に直接もしくは間接的に固定された電極であり、検出リング２００の変形にかかわらず、常に定位置を維持する。具体的には、円柱状の固定補助体３５０の外周面には、変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４に対向する位置に固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４が設けられており、これらの電極は固定補助体３５０を介して支持基板３００上に間接的に固定されている。また、支持基板３００の上面には、変位電極Ｅ２５〜Ｅ２８に対向する位置に固定電極Ｅ１５〜Ｅ１８が直接固定されている（図１２下段の縦断面図には、変位電極Ｅ１５，Ｅ１７のみが現れているが、変位電極Ｅ１６は、固定補助体３５０の奥に位置し、変位電極Ｅ１８は、固定補助体３５０の手前に位置する）。
なお、本願図面では、図示の便宜上、各変位電極および各固定電極の厚みの実寸を無視して描いてある。たとえば、各電極を蒸着層やメッキ層によって構成した場合、その厚みは数μｍ程度であり、図１２に示された各電極Ｅ１１〜Ｅ２８の図面上の厚みは、実寸比上は、正しい厚みにはなっていない。
結局、図１２に示す例の場合、検出リング２００の内周面および下面の、各測定点Ｒ１〜Ｒ４近傍に位置する測定対象面に設けられた８組の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２８と、固定補助体３５０の外周面および支持基板３００の上面の、各測定対象面に対向する位置に定義された対向基準面に設けられた８組の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１８と、によって、８組の容量素子が構成されることになる。そして、先願力覚センサは、これら８組の容量素子の静電容量値を電気的に検出することにより、各測定点Ｒ１〜Ｒ４の変位を測定し、図１１に示すテーブルに基づいて、受力体１００に作用した力およびモーメントの向きと大きさを検出することになる。
このように、先願力覚センサは、図１２に示すような単純な基本構造部を利用して構成することができるが、様々な箇所に容量素子を配置する必要があるため、容量素子を構成する電極の構成が複雑にならざるを得ない。具体的には、基本構造部に容量素子を付加するためには、固定電極Ｅ１５〜Ｅ１８や変位電極Ｅ２５〜Ｅ２８のように、基板面（ＸＹ平面）に対して平行な電極層を形成する工程と、固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４や変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４のように、基板面（ＸＹ平面）に対して垂直な電極層を形成する工程と、を行う必要がある。一般に、前者の工程は、半導体製造プロセスなどで広く利用されている方法を利用することができるため比較的容易であるが、後者の工程は、複雑な手法を取り入れる必要があり、量産化を行う上で問題が生じやすい。
しかも、個々の容量素子を構成する一対の電極の相対位置は、検出精度に影響を与える重大な要因になる。特に、図１２に示す例のように、複数の容量素子を対称性をもたせて配置し、これらを用いて差分検出を行う場合、個々の容量素子ごとに対向電極が平行になるようにするとともに、複数の容量素子についての電極間隔が互いに等しくなるような調整が必要になる。このため、先願力覚センサには、商業的に利用する場合に、生産効率が低下し、コストが高騰するという問題がある。
本発明は、先願力覚センサにおけるこのような問題を解決するため、検出リングの特定箇所に弾性変形を生じる検出部を設ける構造を採用することにより、設計の自由度を向上させ、生産効率を高めることができる新たな工夫を提案するものである。以下、本発明を具体的な実施形態に基づいて詳述する。
＜＜＜ §３． 本発明の基本的実施形態 ＞＞＞
＜３−１．検出リングの構造＞
図１３は、本発明の基本的実施形態（第１の実施形態）に係る力覚センサに用いる検出リング６００の斜視図（図(a) ）、側面図（図(b) ）、下面図（図(c) ）である。図１に示す先願力覚センサに用いられていた検出リング２００が、単純な円環状の構造体であるのに対して、図１３に示す本願力覚センサに用いる検出リング６００は、この単純な円環状の構造体の４箇所に、弾性変形する板状片を組み合わせて構成された検出部Ｄ１〜Ｄ４が設けられている。
別言すれば、図１３に示す検出リング６００は、図１に示す検出リング２００に対して、部分的な材料除去加工を施すことにより得られた部材であり、この材料除去加工を施した部分によって、図示のような検出部Ｄ１〜Ｄ４が形成される。図１に示す検出リング２００は、Ｚ軸を中心軸として配置された板状部材の中央部に、貫通開口部を形成することにより得られる。図１３に示す検出リング６００は、こうして得られた検出リング２００に対して、更に、部分的な材料除去加工を施すことにより得られる。４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４は、このような材料除去加工によって得られた部分ということになる。もっとも、実際に検出リング６００を量産する場合は、必ずしも材料除去加工を行う必要はなく、たとえば、鋳型を用いた鋳造、樹脂の成形、プレス加工等によって製造してもかまわない。
ここでは、説明の便宜上、図示のようにＸＹＺ三次元座標系を定義し、検出リング６００をＺ軸を中心軸としてＸＹ平面に配置した状態を示す。図１３(a) は、この検出リング６００を斜め下方から見た斜視図である。図示のとおり、この検出リング６００は、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４と、これら検出部Ｄ１〜Ｄ４を相互に連結する４組の連結部Ｌ１〜Ｌ４と、を有している。すなわち、検出リング６００は、各検出部Ｄ１〜Ｄ４の間にそれぞれ各連結部Ｌ１〜Ｌ４を介挿した構造を有している。
図１３(b) の側面図（図が繁雑になるのを避けるため、外周面の部分のみを示す）の検出部Ｄ４に示されているように、この実施形態における検出部Ｄ４は、第１の変形部６１、第２の変形部６２、変位部６３という３枚の板状片（板バネ）によって構成されている。他の検出部Ｄ１〜Ｄ３も同様の構造を有する。このように、各検出部Ｄ１〜Ｄ４は、各連結部Ｌ１〜Ｌ４に比べて肉厚の薄い板状片によって構成されているため、各連結部Ｌ１〜Ｌ４に比べて弾性変形しやすいという性質を有している。したがって、後述するように、検出リング６００に外力が作用した場合、当該外力に基づく検出リング６００の弾性変形は、検出部Ｄ１〜Ｄ４に集中して生じ、連結部Ｌ１〜Ｌ４の弾性変形は、実用上、無視し得る程度である。
このように、先願力覚センサに用いられていた検出リング２００は、均一な円環状構造を有していたため、外力が作用するとリング全体にわたって弾性変形が生じるのに対して、本願力覚センサに用いる検出リング６００では、弾性変形が生じやすい検出部Ｄ１〜Ｄ４に変形が集中することになる。このため、より効率的な変形を生じさせることが可能になり、より効率的な検出が可能になる。具体的には、検出感度を高めるだけでなく、検出部の形状や構造を工夫することにより、弾性変形の態様を自由に設定することができるようになる。なお、図示の検出部Ｄ１〜Ｄ４についての具体的な弾性変形の態様については後に詳述する。
図１３(c) は、図１３(a) に示す検出リング６００を下方から見上げた下面図であり、Ｘ軸を右方向にとると、Ｙ軸は下方向を向いた軸になる。図示のとおり、Ｘ軸上に配置されている連結部Ｌ１を始点として時計まわりに、連結部Ｌ１，検出部Ｄ１，連結部Ｌ２，検出部Ｄ２，連結部Ｌ３，検出部Ｄ３，連結部Ｌ４，検出部Ｄ４の順に配置されている。後述するように、Ｙ軸上の固定点Ｐ１，Ｐ２（黒丸で示す）は支持基板に固定され、Ｘ軸上の作用点Ｑ１，Ｑ２（白丸で示す）には受力体から加えられた外力が作用する。その結果、各検出部Ｄ１〜Ｄ４には、当該外力に応じた弾性変形が生じる。
図１４は、図１３に示す検出リング６００の領域分布を示す上面図である（網目状のハッチングは、検出部Ｄ１〜Ｄ４の領域を示すためのものであり、断面を示すものではない）。上面図であるため、図１３(c) とは逆に、検出リング６００上には反時計まわりに、Ｌ１，Ｄ１，Ｌ２，Ｄ２，Ｌ３，Ｄ３，Ｌ４，Ｄ４がこの順に配置されている。図示のとおり、ＸＹ平面上において、原点Ｏを中心としてＸ軸を反時計まわりに４５°回転させた座標軸としてＶ軸が定義され、原点Ｏを中心としてＹ軸を反時計まわりに４５°回転させた座標軸としてＷ軸が定義されている。図の＜Ｉ＞，＜II＞，＜III＞，＜IV＞は、ＸＹ二次元座標系における第１象限〜第４象限を示している。４組の検出部Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、それぞれ第１象限，第２象限，第３象限，第４象限に配置されている。
図１５は、図１３に示す検出リング６００について、ＸＹ平面上に定義された基本環状路Ｂおよびこの基本環状路Ｂ上に定義された各点を示す平面図である。図に太い一点鎖線で示す基本環状路Ｂは、ＸＹ平面上に配置された原点Ｏを中心とする円であり、検出リング６００は、この基本環状路Ｂに沿って伸びる環状構造体になる。図には、検出リング６００の内側輪郭線と外側輪郭線の位置が実線で示されている。図示の実施例の場合、基本環状路Ｂは、検出リング６００の内側輪郭線と外側輪郭線との中間位置を通るＸＹ平面上の円であり、検出リング６００の環状肉厚部分（連結部Ｌ１〜Ｌ４）の中心線になる。
４組の検出点Ｒ１〜Ｒ４は、この基本環状路Ｂ上の点として定義される。具体的には、第１の検出点Ｒ１は、正のＶ軸と基本環状路Ｂとの交点位置に定義され、第２の検出点Ｒ２は、正のＷ軸と基本環状路Ｂとの交点位置に定義され、第３の検出点Ｒ３は、負のＶ軸と基本環状路Ｂとの交点位置に定義され、第４の検出点Ｒ４は、負のＷ軸と基本環状路Ｂとの交点位置に定義されている。これら検出点Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ検出部Ｄ１〜Ｄ４の配置を示すものである。すなわち、図１４に網目状のハッチング領域として示すように、第１の検出部Ｄ１は第１の検出点Ｒ１の位置に配置され、第２の検出部Ｄ２は第２の検出点Ｒ２の位置に配置され、第３の検出部Ｄ３は第３の検出点Ｒ３の位置に配置され、第４の検出部Ｄ４は第４の検出点Ｒ４の位置に配置されている。
一方、図１５に黒丸で示されている点Ｐ１，Ｐ２は固定点、白丸で示されている点Ｑ１，Ｑ２は作用点である。後述するように、固定点Ｐ１，Ｐ２は支持基板３００に対して固定される点になり、作用点Ｑ１，Ｑ２は受力体１００からの力が作用する点になる。図示の例の場合、固定点Ｐ１，Ｐ２は、Ｙ軸と基本環状路Ｂとの交点位置に定義され、作用点Ｑ１，Ｑ２は、Ｘ軸と基本環状路Ｂとの交点位置に定義されている。したがって、この検出リング６００を用いた力覚センサでは、Ｙ軸上の２点Ｐ１，Ｐ２を固定した状態において、Ｘ軸上の２点Ｑ１，Ｑ２に作用した力もしくはモーメントを、Ｖ軸およびＷ軸上の検出点Ｒ１〜Ｒ４に配置された４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４の弾性変形に基づいて検出することになる。
図１５に示すとおり、固定点Ｐ１，Ｐ２と作用点Ｑ１，Ｑ２とは、基本環状路Ｂに沿って交互に配置されている。このような交互配置は、後述するように、検出対象となる外力が作用したときに、検出リング６００に効果的な変形を生じさせる上で重要である。また、４組の検出点Ｒ１〜Ｒ４は、隣接する固定点と作用点との間に配置されている。このような配置も、検出対象となる外力が作用したときに、各検出部Ｄ１〜Ｄ４に効果的な変位を生じさせる上で重要である。
＜３−２．基本的実施形態の構造＞
続いて、本発明の基本的実施形態（第１の実施形態）に係る力覚センサの構造を説明する。図１６は、当該実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）およびこれをＸＺ平面で切断した側断面図（下段の図）である。図示のとおり、この基本構造部は、受力体１００と、検出リング６００と、支持基板３００とを備えている。
検出リング６００は、§３−１で詳述したとおり、図１３に示す構造を有する円環状の部材であり、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４を有している。受力体１００は、この検出リング６００の外側を取り囲むように配置された円環状の部材である。一方、支持基板３００は、下段の側断面図に示されているとおり、検出リング６００および受力体１００の下方に配置された円盤状の部材である。受力体１００の内周面と検出リング６００の外周面との間は、Ｘ軸に沿った位置に配置された２本の接続部材４１０，４２０によって接続され、検出リング６００の下面と支持基板３００の上面との間は、Ｙ軸に沿った位置に配置された固定部材５１０，５２０によって接続されている。
図２に示す先願発明の基本構造部と図１６に示す本発明の基本構造部とを比較すると、両者の本質的な相違点は、前者における検出リング２００が、後者では検出リング６００に置き換えられている点だけである。その他の各構成要素については、寸法や形状に若干の違いがあるが、本質的な機能に相違はないため、図１６では、両者間で対応する構成要素について、検出リングを除いて同一符号を用いて示してある。図２に示す検出リング２００が、単なるワッシャ状の円環状構造体であるのに対して、図１６に示す検出リング６００は、４箇所に検出部Ｄ１〜Ｄ４を有する円環状構造体である。このため、検出リング６００に外力（力もしくはモーメント）が作用すると、前述したとおり、専ら、検出部Ｄ１〜Ｄ４に変形が集中することになる。
そこで、以下、各検出部Ｄ１〜Ｄ４の構造とその変形態様についての説明を行う。図１７は、図１３に示す検出リング６００の検出部Ｄ１〜Ｄ４の詳細構造を示す部分断面図である。４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４は、いずれも同一の構造を有している。図１７に示す検出部Ｄは、これら４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４を代表するものであり、検出リング６００を、基本環状路Ｂを含む円柱面で切断したときの断面部分を示している。図１７(a) は、外力が作用していない状態、図１７(b) は、外力の作用により検出部Ｄに圧縮力ｆ１が作用した状態、図１７(c) は、外力の作用により検出部Ｄに伸張力ｆ２が作用した状態をそれぞれ示している。
図１７(a) に示すとおり、検出部Ｄの左右両脇には、連結部Ｌが位置している。この連結部Ｌは、４組の連結部Ｌ１〜Ｌ４のいずれかに相当する。たとえば、図１７(a) に示す検出部Ｄが、図１３に示されている第４の検出部Ｄ４の場合、その右脇に配置されている連結部Ｌは、図１３に示す連結部Ｌ１に相当し、その左脇に配置されている連結部Ｌは、図１３に示す連結部Ｌ４に相当する。
図示のとおり、検出部Ｄは、検出対象となる外力の作用により弾性変形を生じる第１の変形部６１と、検出対象となる外力の作用により弾性変形を生じる第２の変形部６２と、第１の変形部６１および第２の変形部６２の弾性変形により変位を生じる変位部６３と、を有しており、左脇に配置された連結部Ｌの端部と右脇に配置された連結部Ｌの端部との間に配置されている。
ここに示す例の場合、第１の変形部６１は、可撓性を有する第１の板状片によって構成され、第２の変形部６２は、可撓性を有する第２の板状片によって構成され、変位部６３は、第３の板状片によって構成されている。実際には、検出リング６００は、金属（ステンレス、アルミニウムなど）や合成樹脂（プラスチックなど）といった同一材料からなる構造体によって構成される。第１の板状片６１、第２の板状片６２、変位部６３は、連結部Ｌに比べて肉厚の薄い板状の部材であるため可撓性を有することになる。
なお、ここに示す例の場合、変位部６３も肉厚の薄い板状の部材であるため可撓性を有しているが、変位部６３は必ずしも可撓性をもった部材である必要はない（もちろん、可撓性があってもよい）。変位部６３の役割は、外力が作用したときに変位を生じることであり、そのような変位を生じさせるには、第１の変形部６１および第２の変形部６２が可撓性を有していれば足りる。したがって、変位部６３は、必ずしも肉厚の薄い板状の部材によって構成する必要はなく、より肉厚の厚い部材であってもかまわない。一方、連結部Ｌは、ある程度の可撓性を有していてもかまわないが、作用した外力によって、第１の変形部６１および第２の変形部６２に効果的な変形を生じさせる上では、連結部Ｌはなるべく変形しない方が好ましい。
第１の変形部６１の外側端はこれに隣接する連結部Ｌに接続され、第１の変形部６１の内側端は変位部６３に接続されている。また、第２の変形部６２の外側端はこれに隣接する連結部Ｌに接続され、第２の変形部６２の内側端は変位部６３に接続されている。図１７(a) に示す例の場合、第１の変形部、第２の変形部、変位部は、それぞれ第１の板状片６１、第２の板状片６２、第３の板状片６３によって構成されており、第１の板状片６１の外側端（左端）は、左脇に配置された連結部Ｌの右端部に接続され、第１の板状片６１の内側端（右端）は、第３の板状片６３の左端に接続され、第２の板状片６２の外側端（右端）は、右脇に配置された連結部Ｌの左端部に接続され、第２の板状片６２の内側端は、第３の板状片６３の右端に接続されている。
前述したとおり、検出部Ｄは、基本環状路Ｂ上に定義された検出点Ｒの位置に配置される。図１７(a) に示す法線Ｎは、検出点Ｒの位置に立てた、基本環状路Ｂを含む基本平面（ＸＹ平面）に直交する法線であり、検出部Ｄは、この法線Ｎが中心にくるように配置されている。また、図１７(a) の断面図において、第１の板状片６１および第２の板状片６２は、法線Ｎに対して傾斜しており、かつ、第１の板状片６１の傾斜方向（右下がり）と第２の板状片６２の傾斜方向（右上がり）とが逆向きとなっている。特に、図示の例の場合、検出部Ｄの断面形状は法線Ｎに関して線対称となっており、第３の板状片６３の上下両面は、ＸＹ平面に平行な面を構成している。
このように、基本環状路Ｂを含む断面に関して、法線Ｎに対する第１の板状片６１の傾斜方向と第２の板状片６２の傾斜方向とが逆向きとなっているため、基本環状路Ｂに沿った方向に圧縮力ｆ１が作用した場合と、伸張力ｆ２が作用した場合とでは、第３の板状片６３（変位部）の変位方向が逆になる。これは、後述するように、複数の容量素子を用いた差分検出を行う上で好都合である。
すなわち、図１７(b) に示すとおり、検出部Ｄに対して基本環状路Ｂに沿った方向に圧縮力ｆ１（図の白矢印）が作用した場合は、検出部Ｄには、横幅を縮める方向に応力が加わることになるので、第１の板状片６１および第２の板状片６２の姿勢は、より垂直に立った状態に変化する。その結果、第３の板状片６３（変位部）は、図に黒矢印で示すとおり下方に変位する。一方、図１７(c) に示すとおり、検出部Ｄに対して基本環状路Ｂに沿った方向に伸張力ｆ２（図の白矢印）が作用した場合は、検出部Ｄには、横幅を広げる方向に応力が加わることになるので、第１の板状片６１および第２の板状片６２の姿勢は、より水平に寝た状態に変化する。その結果、第３の板状片６３（変位部）は、図に黒矢印で示すとおり上方に変位する。
以上、検出部Ｄに対して、基本環状路Ｂに沿った方向に圧縮力ｆ１もしくは伸張力ｆ２が作用した場合の変形態様を説明したが、もちろん、それ以外の方向に外力が作用した場合は、図１７とは異なる変形態様が生じることになる。たとえば、図１７(a) において、右脇の連結部Ｌに対して図の上方に移動させる力を作用させ、同時に、左脇の連結部Ｌに対して図の下方に移動させる力を作用させると、法線Ｎに関して非対称となる変形が生じる。ただ、後述するように、ここに示す基本的実施形態に係る力覚センサでは、実質的に、図１７に示す変形態様のみを考慮しておけば、その動作原理の把握には十分である。
＜３−３．容量素子による検出原理＞
本発明の基本的実施形態では、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４において生じる変位部６３の変位を利用して、作用した外力の向きおよび大きさを検出することになるが、変位部６３の変位を検出するための検出素子として容量素子を利用する。別言すれば、本発明の基本的実施形態に係る力覚センサは、図１６に示す基本構造部に、容量素子と検出回路とを付加することにより構成される。
図１８は、図１３に示す検出リング６００の検出部Ｄ１〜Ｄ４およびこれに対向する支持基板３００の所定部分に電極を設けた詳細構造を示す部分断面図である。この図１８においても、検出部Ｄは、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４を代表するものであり、検出リング６００を、基本環状路Ｂを含む円柱面で切断したときの断面部分を示している。すなわち、図１８の上段に示されている検出リング６００の一部分は、図１３(a) に示す検出リング６００の一部分に対応する。
前述したとおり、外力（力もしくはモーメント）が作用していない状態において、第３の板状片６３の両面は、基本環状路Ｂを含むＸＹ平面に平行な面を構成している。一方、支持基板３００は、その上下両面がＸＹ平面に平行になるように配置されている。したがって、図示のとおり、第３の板状片６３（変位部）と支持基板３００の対向面とは平行な状態になっている。しかも、ここに示す実施例の場合、検出部Ｄの断面形状は法線Ｎに関して線対称となっているため、図１７(b) ，(c) に示すような圧縮力ｆ１もしくは伸張力ｆ２が作用した場合、第３の板状片６３（変位部）は、図の上下方向に平行移動する形で変位を生じ、第３の板状片６３（変位部）と支持基板３００の対向面とは常に平行な状態に維持される。もちろん、第３の板状片６３が、外力（ｆ１，ｆ２）によって変形する場合は、上記平行状態は維持されなくなるが、それでも、後述する電極Ｅ１，Ｅ２間の距離が外力（ｆ１，ｆ２）に基づいて変化すれば、検出動作上、何ら支障は生じない。
変位部の変位を検出するため、図示のとおり、支持基板３００の上面には、絶縁層Ｉ１を介して固定電極Ｅ１が固定され、第３の板状片６３（変位部）の下面には、絶縁層Ｉ２を介して変位電極Ｅ２が固定される。支持基板３００を固定状態に維持すれば、固定電極Ｅ１の位置は固定されるが、変位電極Ｅ２の位置は第３の板状片６３（変位部）の変位に伴って変位する。図示のとおり、固定電極Ｅ１と変位電極Ｅ２とは互いに対向する位置に配置されており、両者によって容量素子Ｃが構成される。ここで、第３の板状片６３（変位部）が図の上下方向に移動すると、容量素子Ｃを構成する一対の電極間の距離が変動する。したがって、容量素子Ｃの静電容量値に基づいて、第３の板状片６３（変位部）の変位方向（図の上方もしくは下方）および変位量を検出することができる。
具体的には、図１７(b) に示すように、検出部Ｄに圧縮力ｆ１が作用すると、両電極間距離が縮み、容量素子Ｃの静電容量値は増加し、図１７(c) に示すように、検出部Ｄに伸張力ｆ２が作用すると、両電極間距離が広がり、容量素子Ｃの静電容量値は減少する。図１８には、検出部Ｄについて容量素子Ｃを形成した例が示されているが、もちろん、実際には、図１３に示す４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４について、それぞれ固定電極Ｅ１と変位電極Ｅ２とが設けられ、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４が形成されることになる。これら４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４を用いて、作用した個々の外力成分を検出する具体的な方法は、次の§３−４で述べることにする。
なお、図１８に示す実施例では、変位電極Ｅ２を絶縁層Ｉ２を介して第３の板状片６３（変位部）に固定しているが、これは、検出リング６００を金属などの導電性材料によって構成したためである。同様に、固定電極Ｅ１を絶縁層Ｉ１を介して支持基板３００に固定しているが、これは、支持基板３００を金属などの導電性材料によって構成したためである。すなわち、図１６に示す基本構造部の場合、受力体１００、検出リング６００、支持基板３００を、すべて金属などの導電性材料により構成しているため、変位電極Ｅ２を、変位部６３の表面に絶縁層Ｉ２を介して形成し、固定電極Ｅ１を、支持基板３００の表面に絶縁層Ｉ１を介して形成している。
したがって、検出リング６００（そのうち、少なくとも変位電極Ｅ２の形成面）を樹脂などの絶縁材料によって構成した場合は、絶縁層Ｉ２を設ける必要はない。同様に、支持基板３００（そのうち、少なくとも固定電極Ｅ１の形成面）を樹脂などの絶縁材料によって構成した場合は、絶縁層Ｉ１を設ける必要はない。
また、検出リング６００を金属などの導電性材料により構成した場合は、検出リング６００の下面の一部の領域を変位電極Ｅ２として利用することもできる。たとえば、図１８に示す実施例において、検出リング６００を導電性材料により構成すれば、第３の板状片６３（変位部）は導電性の板になるため、それ自身が変位電極としての機能を果たすことになる。このため、別途、変位電極Ｅ２を設ける必要はなくなる。この場合、電気的には、検出リング６００の表面全体が同電位になるが、実際に４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の変位電極Ｅ２としての機能を果たす部分は、個別に設けられた４組の固定電極Ｅ１に対向する領域のみということになる。したがって、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４はそれぞれ別個の容量素子として振る舞うことになり、原理的な支障は生じない。
逆に、支持基板３００を金属などの導電性材料により構成した場合は、支持基板３００の上面の一部の領域を固定電極Ｅ１として利用することもできる。たとえば、図１８に示す実施例において、支持基板３００を導電性材料により構成すれば、その上面の一部が固定電極としての機能を果たすことになる。このため、別途、固定電極Ｅ１を設ける必要はなくなる。この場合、電気的には、支持基板３００の表面全体が同電位になるが、実際に４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の固定電極Ｅ１としての機能を果たす部分は、個別に設けられた４組の変位電極Ｅ２に対向する領域のみということになる。したがって、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４はそれぞれ別個の容量素子として振る舞うことになり、原理的な支障は生じない。
このように、検出リング６００を金属などの導電性材料により構成したり、あるいは、支持基板３００を金属などの導電性材料により構成したりすれば、個別の変位電極Ｅ２や個別の固定電極Ｅ１を設ける工程を省略することができるので、生産効率を更に向上させることができる。
もっとも、このような省略構造を採ると、検出リング６００全体あるいは支持基板３００全体が共通の電極になり、意図していない様々な部分に浮遊容量が形成されることになる。このため、静電容量の検出値にノイズ成分が混入しやすくなり、検出精度が低下する可能性がある。したがって、高精度の検出が要求される力覚センサの場合には、検出リング６００や支持基板３００を導電性材料によって構成した場合であっても、図１８に示す実施例のように、それぞれ絶縁層を介して、個別の変位電極Ｅ２および個別の固定電極Ｅ１を設けるようにするのが好ましい。
なお、検出部Ｄの弾性変形のしやすさは、センサの検出感度を左右するパラメータになる。弾性変形しやすい検出部Ｄを用いれば、微小な外力でも検出可能な感度の高いセンサを実現することができるが、検出可能な外力の最大値は抑制されることになる。逆に、弾性変形しにくい検出部Ｄを用いれば、検出可能な外力の最大値を大きくとることができるが、感度は低下するため、微小な外力の検出はできなくなる。
検出部Ｄの弾性変形のしやすさは、第１の変形部６１（第１の板状片）および第２の変形部６２（第２の板状片）の厚み（薄くするほど弾性変形しやすい）、幅（狭くするほど弾性変形しやすい）、長さ（長くするほど弾性変形しやすい）などの形状に依存して決まり、更に、その材質にも依存して決まる。また、変位部６３（第３の板状片）を弾性変形させる構造で検出部Ｄを設計することもできる。したがって、実用上は、力覚センサの用途に応じて、検出部Ｄの各部の寸法や材質を適宜選択すればよい。
なお、前述したとおり、本願図面では、図示の便宜上、各部の実寸を無視して描いてある。たとえば、図１８では、固定電極Ｅ１，変位電極Ｅ２の厚みや、絶縁層Ｉ１，絶縁層Ｉ２の厚みが、各板状片６１，６２，６３の厚みとほぼ同じになるように描かれているが、これら各電極や絶縁層は、蒸着やメッキによって構成することができ、その厚みは、数μｍ程度に設定することができる。これに対して、各板状片６１，６２，６３の厚みは、実用的な強度を考慮してより厚く設計するのが好ましく、たとえば、金属により構成する場合であれば、１ｍｍ程度に設定するのが好ましい。
一方、図１６に示す受力体１００および支持基板３００は、外力を検出する原理上、弾性変形を生じる部材である必要はない。むしろ、作用した外力が検出リング６００の変形に１００％寄与するようにするためには、受力体１００および支持基板３００は、完全な剛体である方が好ましい。図示の例において、受力体１００として環状構造体を用いた理由は、弾性変形しやすくするためではなく、検出リング６００の外側に配置することにより、全体的に薄型の力覚センサを構成するためである。
すなわち、図１６に示す基本的実施形態の場合、受力体１００、検出リング６００、支持基板３００は、いずれもＺ軸方向の厚みが小さな扁平構造体によって構成することができ、しかも受力体１００を検出リング６００の外側に配置する構造を採用しているため、センサ全体の軸長（Ｚ軸方向の長さ）を短く設定することが可能になる。また、図１６に示す基本的実施形態の場合、変位電極Ｅ２は、すべて検出リング６００の下面（４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４の各変位部６３の下面）に配置すれば足りるので、生産効率を向上させる効果が期待できる。
この効果は、図１２に例示されている先願力覚センサの容量素子の構成と比較すると容易に理解できよう。図１２に例示されている先願力覚センサでは、検出リング２００の内周面に形成された変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４と、固定補助体３５０の外周面に形成された固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４とによって４組の容量素子が形成され、更に、検出リング２００の下面に形成された変位電極Ｅ２５〜Ｅ２８と、支持基板３００の上面に形成された固定電極Ｅ１５〜Ｅ１８とによって４組の容量素子が形成される。
このように、水平面に沿った電極と垂直面に沿った電極との双方を形成するためには、それなりに手間のかかる工程が必要になり、しかも、その位置調整に多大な作業負担が必要になり、生産効率の低下は免れない。たとえば、固定補助体３５０の中心軸がＺ軸からわずかにずれただけで、固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４の位置が変動し、容量素子の静電容量値に変動が生じることになる。もちろん、検出リング２００の中心軸がＺ軸からわずかにずれた場合も同様である。したがって、当該先願力覚センサの製造プロセスでは、固定補助体３５０および検出リング２００を取り付ける際に、中心軸の位置合わせを高い精度で行う必要がある。
これに対して、図１６に示す基本構造部を用いた力覚センサの場合、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４の各変位部６３の下面にそれぞれ変位電極Ｅ２を形成し、支持基板３００上の対向位置にそれぞれ固定電極Ｅ１を形成すればよい。いずれの電極も水平面に沿った電極となり、一般的な成膜工程を利用すれば正確な厚み制御が可能である。しかも、各電極は、水平方向に関しては、形成位置についての厳密な精度は要求されない。また、変位電極Ｅ２とこれに対向する固定電極Ｅ１との間の間隔は、固定部材５１０，５２０の高さ寸法によって規定されることになるので、各電極の垂直方向に関する位置精度は容易に確保できる。このため、商業的量産を行う場合であっても、個々の容量素子ごとに対向電極が平行になるようにするとともに、複数の容量素子についての電極間隔が互いに等しくなるような調整を行うことは容易である。このような理由により、ここで述べる基本的実施形態に係る力覚センサは、高い生産効率を確保することができる。
なお、図１８に示す実施例の場合、変位電極Ｅ２のサイズ（平面的なサイズ、すなわち、ＸＹ平面への投影像の占有面積）に比べて、固定電極Ｅ１のサイズ（平面的なサイズ、すなわち、ＸＹ平面への投影像の占有面積）の方が大きく設定されている。これは、変位電極Ｅ２が図の左右方向や図の紙面に垂直な方向（ＸＹ平面に沿った方向）に変位したとしても、固定電極Ｅ１に対する変位電極Ｅ２の対向面積に変化が生じないようにするための配慮である。別言すれば、変位電極Ｅ２が三次元のどの方向に変位したとしても、両電極の位置関係が平行に維持されている限り、容量素子Ｃの実効面積は、常に一定に維持される。
図１９は、このように、固定電極Ｅ１に対する変位電極Ｅ２の相対位置が変化した場合にも、容量素子Ｃの実効面積が一定に維持される原理を示す図である。いま、図１９(a) に示すように、一対の電極ＥＬ，ＥＳを互いに対向するように配置した場合を考える。両電極ＥＬ，ＥＳは、互いに所定間隔をおいて平行になるように配置されており、容量素子を構成している。ただ、電極ＥＬは電極ＥＳに比べて面積が大きくなっており、電極ＥＳの輪郭を電極ＥＬの表面に投影して正射影投影像を形成した場合、電極ＥＳの投影像は、電極ＥＬの表面内に完全に含まれる。この場合、容量素子としての実効面積は、電極ＥＳの面積になる。
図１９(b) は、図１９(a) に示す一対の電極ＥＳ，ＥＬの側面図である。図にハッチングを施した領域は、実質的な容量素子としての機能を果たす部分であり、容量素子としての実効面積は、このハッチングを施した電極の面積（すなわち、電極ＥＳの面積）ということになる。
いま、図に一点鎖線で示すような鉛直面Ｕを考える。電極ＥＳ，ＥＬは、いずれも鉛直面Ｕに平行になるように配置されている。ここで、電極ＥＳを鉛直面Ｕに沿って垂直上方に移動させたとすると、電極ＥＬ側の対向部分は上方に移動するものの、当該対向部分の面積に変わりはない。電極ＥＳを下方に移動させても、紙面の奥方向や手前方向に移動させても、やはり電極ＥＬ側の対向部分の面積は変わらない。
要するに、面積が小さい方の電極ＥＳの輪郭を、面積が大きい方の電極ＥＬの表面に投影して正射影投影像を形成した場合、電極ＥＳの投影像が、電極ＥＬの表面内に完全に含まれる状態を維持している限り、両電極によって構成される容量素子の実効面積は、電極ＥＳの面積に等しくなり、常に一定になる。
したがって、図１８に示す変位電極Ｅ２と固定電極Ｅ１との関係が、図１９に示す電極ＥＳと電極ＥＬとの関係と同様の関係になっていれば、外力の作用によって、変位電極Ｅ２がどの方向に変位したとしても、変位電極Ｅ２と固定電極Ｅ１との間に平行が保たれている限り、容量素子Ｃを構成する一対の電極の実効対向面積は一定になる。これは、容量素子Ｃの静電容量値の変化が、専ら、変位電極Ｅ２と固定電極Ｅ１との距離に応じて生じることを意味する。別言すれば、容量素子Ｃの静電容量値の変化は、変位部６３の法線Ｎに沿った方向への変位にのみ依存して生じることになり、法線Ｎに直交する方向への変位には依存しないことを意味する。これは、上述した原理に基づいて、作用した外力を正確に検出する上で役立つ。
このように、検出素子として容量素子を用いる実施形態では、検出リング６００に対して所定の外力が作用した結果、固定電極Ｅ１に対して変位電極Ｅ２が平行移動した場合にも、容量素子Ｃを構成する一対の電極の実効対向面積が変化しないように、固定電極Ｅ１および変位電極Ｅ２のうちの一方の面積を他方の面積よりも大きく設定しておくのが好ましい。なお、図１９には、２枚の電極ＥＬ，ＥＳとして、矩形状の電極を用いた例を示したが、本発明に係る力覚センサに用いる変位電極Ｅ２および固定電極Ｅ１の形状は任意であり、たとえば、円形の電極を用いるようにしてもかまわない。
＜３−４．個々の外力成分の具体的な検出方法＞
続いて、図１６に示す基本構造部を用いた力覚センサについて、支持基板３００を固定した状態において、受力体１００に各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚが作用した場合の動作を考えてみよう。図１８に例示したとおり、各検出部Ｄの下面（変位部６３の下面）には変位電極Ｅ２が配置され、支持基板３００の上面の対向部分には固定電極Ｅ１が配置される。そして、これら一対の電極Ｅ１，Ｅ２によって容量素子Ｃが形成される。そこで、ここでは、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４について形成された容量素子を、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ４と呼ぶことにし、これら各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値を、同じ符号Ｃ１〜Ｃ４で示すことにする。
受力体１００に外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚが加えられた場合の各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動量（増減の程度）は、図２０のテーブルに示すようになる。このテーブルにおいて、「＋」は静電容量値が増加する（容量素子Ｃの電極間隔が減少する）ことを示し、「−」は静電容量値が減少する（容量素子Ｃの電極間隔が増加する）ことを示している。また、「＋＋」は静電容量値の増加の程度が「＋」に比べて大きいことを示し、「（＋）」は静電容量値の増加の程度が「＋」に比べて小さいことを示す。同様に、「−−」は静電容量値の減少の程度が「−」に比べて大きいことを示し、「（−）」は静電容量値の減少の程度が「−」に比べて小さいことを示す。
もっとも、各静電容量値の増減の絶対値は、実際には、検出リング６００の各部の寸法や厚み、特に、検出部Ｄを構成する板状片６１，６２，６３の寸法や厚みに依存した量になるので、本願に示すテーブルにおける「（＋）」，「＋」，「＋＋」の相違や、「（−）」，「−」，「−−」の相違は、あくまでも相対的なものである。特に、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ（単位：Ｎ）とモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚ（単位：Ｎ・ｍ）とは、異なる物理量であり、直接比較することはできない。
図２０のテーブルは、受力体１００の外周部に、同じ大きさの力をそれぞれの方向（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの外力として作用する方向）に加えた場合の実測値に基づいて作成したものである。したがって、モーメントの値は、受力体１００の外周部に加えた力に、受力体１００の外周部の半径を乗じた値として換算されることになる。図２０のテーブルは、このような換算値に基づいて、絶対値が５未満である場合は「（＋）」，「（−）」で示し、絶対値が５以上５０未満である場合は「＋」，「−」で示し、絶対値が５０以上である場合は「＋＋」，「−−」で示したものである。
この図２０のテーブルに示すような結果が得られることは、図４〜図７に示す先願力覚センサにおける検出リング２００の変形態様を参照することにより、図１６に示す検出リング６００の検出部Ｄ１〜Ｄ４の各位置にどのような応力が作用するかを認識した上で、図１７に示す変位部６３の変位方向を考慮すれば理解できよう。検出リング２００と検出リング６００とは、検出部Ｄ１〜Ｄ４の構造部分において相違するが、いずれも円環状のリングであり、Ｙ軸上の固定点Ｐ１，Ｐ２を固定した状態において、Ｘ軸上の作用点Ｑ１，Ｑ２に外力の作用を受けて変形する点は共通する。したがって、検出リング６００の検出部Ｄ１〜Ｄ４の位置に加わる応力は、図４〜図７に示す検出リング２００の対応位置に加わる応力と同様になる。
たとえば、受力体１００に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、検出リング２００は、図４に示すように変形し、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ１間には伸張力ｆ２が作用し、点Ｐ１−Ｑ２間および点Ｐ２−Ｑ２間には圧縮力ｆ１が作用する。したがって、図１６に示す検出リング６００の場合、検出部Ｄ１，Ｄ４には伸張力ｆ２が作用し、図１７(c) に示すように変位部６３が上方に移動し、静電容量値Ｃ１，Ｃ４は減少する。一方、検出部Ｄ２，Ｄ３には圧縮力ｆ１が作用し、図１７(b) に示すように変位部６３が下方に移動し、静電容量値Ｃ２，Ｃ３は増加する。図２０のテーブルにおけるＦｘの行の各欄は、このような結果を示すものである。
同様に、受力体１００に対してＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ１−Ｑ２間には圧縮力ｆ１が作用し、点Ｐ２−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ２間には伸張力ｆ２が作用する。したがって、図１６に示す検出リング６００の場合、検出部Ｄ１，Ｄ２には圧縮力ｆ１が作用し、静電容量値Ｃ１，Ｃ２は増加する。一方、検出部Ｄ３，Ｄ４には伸張力ｆ２が作用し、静電容量値Ｃ３，Ｃ４は減少する。図２０のテーブルにおけるＦｙの行の各欄は、このような結果を示すものである。
また、受力体１００に対してＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、検出リング２００は、図５に示すように変形する。したがって、図１６に示す検出リング６００の場合、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４は、いずれも上方（Ｚ軸正方向）へと移動する。このため、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極間隔はいずれも広がり、静電容量値Ｃ１〜Ｃ４は減少する。図２０のテーブルにおけるＦｚの行の各欄は、このような結果を示すものである。なお、固定点Ｐ１，Ｐ２の位置は変動しないため、検出部Ｄ１〜Ｄ４はＸＹ平面に対して若干傾斜することになり、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４を形成する一対の電極は平行ではなくなる。このため、一対の電極の実効対向面積がわずかに変動することになるが、静電容量値Ｃ１〜Ｃ４は主として電極間距離の変動の影響を受ける。
一方、受力体１００に対してＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、検出リング２００は、図６に示すように変形し、図の右半分は下方へ変位し、図の左半分は上方へ変位する。したがって、図１６に示す検出リング６００の場合、図の右半分に位置する検出部Ｄ１，Ｄ４は下方へ変位し、図の左半分に位置する検出部Ｄ２，Ｄ３は上方へ変位する。このため、容量素子Ｃ１，Ｃ４の電極間隔は小さくなり、静電容量値Ｃ１，Ｃ４は増加する。また、容量素子Ｃ２，Ｃ３の電極間隔は大きくなり、静電容量値Ｃ２，Ｃ３は減少する。図２０のテーブルにおけるＭｙの行の各欄は、このような結果を示すものである。
同様に、受力体１００に対してＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、図１６に示す検出リング６００の場合、図の下半分に位置する検出部Ｄ３，Ｄ４は下方へ変位し、図の上半分に位置する検出部Ｄ１，Ｄ２は上方へ変位する。このため、容量素子Ｃ３，Ｃ４の電極間隔は小さくなり、静電容量値Ｃ３，Ｃ４は増加する。また、容量素子Ｃ１，Ｃ２の電極間隔は大きくなり、静電容量値Ｃ１，Ｃ２は減少する。図２０のテーブルにおけるＭｘの行の各欄は、このような結果を示すものである。
なお、モーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙが作用した場合も、検出部Ｄ１〜Ｄ４はＸＹ平面に対して若干傾斜することになるので、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４を形成する一対の電極は平行ではなくなる。このため、一対の電極の実効対向面積がわずかに変動することになるが、静電容量値Ｃ１〜Ｃ４は主として電極間距離の変動の影響を受ける。
最後に、受力体１００に対してＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、検出リング２００は、図７に示すように変形し、点Ｐ１−Ｑ１間および点Ｐ２−Ｑ２間には圧縮力ｆ１が作用し、点Ｐ１−Ｑ２間および点Ｐ２−Ｑ１間には伸張力ｆ２が作用する。したがって、図１６に示す検出リング６００の場合、検出部Ｄ１，Ｄ３には圧縮力ｆ１が作用し、静電容量値Ｃ１，Ｃ３は増加する。一方、検出部Ｄ２，Ｄ４には伸張力ｆ２が作用し、静電容量値Ｃ２，Ｃ４は減少する。図２０のテーブルにおけるＭｚの行の各欄は、このような結果を示すものである。
図２０のテーブルにおいて、Ｆｘの行およびＦｙの行の各欄が「（＋）」もしくは「（−）」になっているのは、Ｆｘ，Ｆｙが作用した場合はＦｚ，Ｍｚが作用した場合と比べて、各検出部Ｄ１〜Ｄ４の変位部６３に生じる変位量が小さいためである。一方、Ｍｘの行およびＭｙの行の各欄が「＋＋」もしくは「−−」になっているのは、Ｍｘ，Ｍｙが作用した場合は、図６に示すように検出リングが大きく傾斜し、変位電極Ｅ２が大きく変位するためである。
なお、図２０のテーブルは、正方向の力および正まわりのモーメントが作用した場合の結果を示しているが、負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、「＋」と「−」が逆転した結果が得られることになる。
本発明の基本的実施形態（第１の実施形態）に係る力覚センサは、図１６に示す基本構造部に、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４（４組の変位電極と４組の固定電極）と検出回路とを付加したものである。この力覚センサは、各検出部Ｄ１〜Ｄ４に配置した容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化を電気的に検出することにより、特定箇所の変位を測定し、作用した力およびモーメントの向きと大きさを検出する機能を有している。ここでは、この力覚センサによる各座標軸に関する力およびモーメントの検出原理と、具体的な検出回路の一例を示しておく。
前述したとおり、この力覚センサでは、受力体１００に外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚが加えられた場合、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値は、図２０のテーブルに示すような変動を生じる。ここで、「（＋）」および「（−）」は、「＋」および「−」に比べて変動量が小さいので、近似的に０と取り扱うことにしよう。すると、図２０のテーブルは、近似的に図２１のテーブルに置き換えられる。この図２１のテーブルを前提とすれば、受力体１００に作用した外力の４軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚは、図２２に示す演算式によって算出することができる。
まず、Ｚ軸方向の力Ｆｚについては、図２１のテーブルのＦｚの行の各欄を参照すれば、Ｆｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）なる演算によって得られることが理解できよう。しかも、この演算式を用いれば、Ｆｚ以外の他軸成分が存在しても、相互に相殺されてしまうことがわかる。たとえば、Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの行の各欄の結果をそれぞれ上記演算式に代入して計算すると、いずれもＦｚ＝０なる結果が得られる。したがって、上記演算式によって得られた値Ｆｚは、他軸成分を含まないＺ軸方向の力成分Ｆｚのみを示す値になる。これは、各検出部Ｄ１〜Ｄ４および各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の構造が、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称性を有しているためである。
次に、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘについては、図２１のテーブルのＭｘの行の各欄を参照すれば、Ｍｘ＝−Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４なる演算によって得られることが理解できよう。同様に、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙについては、図２１のテーブルのＭｙの行の各欄を参照すれば、Ｍｙ＝＋Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４なる演算によって得られることになり、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚについては、図２１のテーブルのＭｚの行の各欄を参照すれば、Ｍｚ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４なる演算によって得られることになる。いずれの演算式でも、他軸成分は相互に相殺されてしまうため、他軸成分を含まない成分のみが得られる。
結局、図２２に示す４本の演算式を用いれば、４軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの値を他軸成分の干渉なしに検出することが可能になる。もちろん、図２１のテーブルは、図２０のテーブルにおける「（＋）」および「（−）」の欄を０とする近似を行って得られたものなので、実際には、若干の他軸成分が検出誤差として混入する。しかしながら、当該誤差が許容範囲内となる用途に利用される力覚センサであれば、実用上、支障は生じない。
図２３は、図２２に示す演算式に基づいて、力ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの４軸成分を示す電気信号を出力する検出回路の一例を示す回路図である。この回路図に示す容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、各検出部Ｄ１〜Ｄ４に設けられた容量素子Ｃ１〜Ｃ４である。各容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、固定電極Ｅ１と変位電極Ｅ２とによって構成されている（図１８参照）。この回路では、４組の固定電極Ｅ１を相互に接続して共通の接地電位となるようにし、４組の変位電極Ｅ２をそれぞれ電気的に独立した電極としている。したがって、図２３の回路図では、固定電極については、いずれも同じ符号Ｅ１で示し、変位電極については、Ｅ２（Ｄ１），Ｅ２（Ｄ２），Ｅ２（Ｄ３），Ｅ２（Ｄ４）なる個別の符号で示してある。逆に、４組の変位電極Ｅ２を相互に接続し、４組の固定電極Ｅ１をそれぞれ電気的に独立した電極にしてもかまわない。
Ｃ／Ｖ変換回路１１〜１４は、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値Ｃ１〜Ｃ４を、電圧値Ｖ１〜Ｖ４に変換する回路であり、変換後の電圧値Ｖ１〜Ｖ４は、それぞれ各静電容量値Ｃ１〜Ｃ４に対応した値になる。加減算演算器１５〜１８は、それぞれ図２２に示す演算式に基づく演算を行い、その結果を出力端子Ｔ１〜Ｔ４に出力する機能を有する。かくして、出力端子Ｔ１〜Ｔ４には、４軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚに対応する電圧値が出力される。もちろん、加減算演算器１５〜１８の代わりにマイクロプロセッサを用いて演算を行うようにしてもよい。
結局、図１６に示す基本構造部の４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４の各位置に、図１８に示すような容量素子Ｃを付加し、更に、図２３に示す検出回路を用意すれば、４軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの値を検出可能な力覚センサを実現することができる。ここで、４組の容量素子（検出素子）は、いずれも検出リング６００の下面（変位部６３の下面）に形成された変位電極Ｅ２と、支持基板３００の上面に形成された固定電極Ｅ１と、によって構成できるため、製造プロセスが単純化される。
また、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する一対の電極（固定電極Ｅ１と変位電極Ｅ２）の電極間距離は、図１６に示す固定部材５１０，５２０の高さ寸法によって規定されるので、十分な精度を容易に確保できる。このため、電極間隔を調整するための複雑な作業は不要になり、商業的量産を行う場合であっても、高い生産効率を確保することができる。
もちろん、この力覚センサでは、Ｆｘ，Ｆｙの検出を行うことはできず、また、前述したとおり、図２１に示す近似テーブルに基く検出が行われるため、他軸成分の混入が若干生じることになる。しかしながら、４軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚもしくはその一部の成分が検出できれば十分であり、上記近似に基づく誤差が許容範囲内の用途であれば、この力覚センサは産業上十分に利用可能である。なお、６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚのすべてを検出可能な力覚センサや、より正確な検出値を得ることが可能な力覚センサについては、別な実施形態として§５以降で述べることにする。
＜＜＜ §４． 本発明に係る力覚センサの本質的特徴 ＞＞＞
本発明に係る力覚センサは、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサである。§３で述べた基本的実施形態に係る力覚センサは、その一例であり、４軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出する機能を有している。ここでは、§３で述べた力覚センサを参照しながら、本発明に係る力覚センサの本質的特徴を説明しておく。
本発明に係る力覚センサは、検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力体と、少なくとも一部が弾性変形を生じる構造を有する検出リングと、この検出リングを支持する支持体と、を有しており、受力体および支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力もしくはモーメントを検出する機能を有する。§３で述べた基本的実施形態の場合、支持基板３００を支持体として用いているが、支持体は必ずしも基板状の構造体である必要はなく、任意形状をした部材でかまわない。また、受力体１００も必ずしも円環状部材にする必要はなく、任意形状をした部材でかまわない。
ただ、板状の支持基板３００を支持体として用い、その他の部材を支持基板３００の上方に配置し、受力体１００を環状部材とし、検出リング６００の外側に配置する形態を採ると、全体的に薄型のセンサを実現することができるので、薄型化を図る上では、支持基板３００を支持体として用い、受力体１００を環状部材とするのが好ましい。
検出リング６００は、本発明において最も重要な役割を果たす構成要素であり、所定の基本環状路Ｂに沿って伸びる環状構造を有している。この基本環状路Ｂ上には、検出点Ｒが定義される。図１３に示す検出リング６００の場合、図１５に示すように、基本環状路Ｂ上に４つの検出点Ｒ１〜Ｒ４が定義されている。この検出リング６００は、図１４に示すように、各検出点Ｒ１〜Ｒ４に位置する検出部Ｄ１〜Ｄ４と、個々の検出部の両側に位置する連結部Ｌ１〜Ｌ４と、を有している。
図１６に示すとおり、受力体１００を検出リング６００の作用点Ｑ１，Ｑ２の位置に接続する接続部材４１０，４２０と、検出リング６００の固定点Ｐ１，Ｐ２の位置を支持体（支持基板３００）に固定する固定部材５１０，５２０と、が設けられる。ここで、各作用点Ｑ１，Ｑ２および各固定点Ｐ１，Ｐ２は、連結部Ｌ１〜Ｌ４の互いに異なる位置に配置される。
検出部Ｄ１〜Ｄ４は、作用点Ｑ１，Ｑ２と固定点Ｐ１，Ｐ２との間に力が作用したときに、作用した力に基づいて少なくとも一部が弾性変形を生じる構造を有している。図１７に例示した検出部Ｄは、３枚の板状片６１，６２，６３によって構成されているため、全体が弾性変形を生じる部材になるが、たとえば、変位部６３については厚みを増して、弾性変形が生じない部材にしてもかまわない。
本発明に係る力覚センサには、更に、検出部Ｄ１〜Ｄ４に生じた弾性変形を検出する検出素子とこの検出素子の検出結果に基づいて、受力体１００および支持体（支持基板３００）の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力もしくはモーメントを示す電気信号を出力する検出回路が備わっている。
§３で述べた基本的実施形態の場合、図１８に示すように、検出部Ｄの所定位置に固定された変位電極Ｅ２と、支持体（支持基板３００）の変位電極Ｅ２に対向する位置に固定された固定電極Ｅ１と、を有する容量素子Ｃによって検出素子を構成している。ここで、変位電極Ｅ２は、検出部Ｄに生じた弾性変形に基づいて固定電極Ｅ１に対して変位を生じる位置（具体的には、図１８に示す例の場合、変位部６３の下面）に配置されている。そして、検出回路は、図２３に例示するように、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動に基づいて、作用した力もしくはモーメントを示す電気信号を出力する。
なお、§３で述べた基本的実施形態では、便宜上、支持基板３００（支持体）を固定した状態において、受力体１００に作用した力もしくはモーメントを検出するという説明を行ったが、逆に、受力体１００を固定した状態において、支持基板３００（支持体）に作用した力もしくはモーメントを検出することにしても、その動作原理は作用反作用の法則により同じになる。
本願では、便宜上、一方を支持体（支持基板３００）、他方を受力体１００と呼び、支持体を固定した状態において受力体に加わった力もしくはモーメントを検出する検出動作についてのみ説明するが、支持体と受力体とを入れ替えても検出原理上の差は生じない。したがって、たとえば、図１６に示す基本構造部において、円環状の部材１００を支持体と解釈し、基板状の部材３００を受力体と解釈しても、力覚センサの動作原理に相違はない（この場合、点Ｐ１，Ｐ２が作用点、点Ｑ１，Ｑ２が固定点になる）。
図１６に示す例では、検出リング６００は、ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸を垂直上方に向かう軸としたときに、Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面に位置する基本環状路Ｂに沿って伸びる円環状構造を有している。そして、支持体は、この検出リング６００の下方に所定間隔をおいて配置された支持基板３００によって構成されている。このような配置を採用すると、個々の変位電極Ｅ２を検出部Ｄ１〜Ｄ４の下面に固定し、個々の固定電極Ｅ１を支持基板３００の上面に固定することにより、容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成することができるので、電極間隔の調整作業が容易になり、生産効率を向上させることができる。
また、この基本的実施形態では、図１７に示すとおり、検出部Ｄが、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる第１の変形部６１および第２の変形部６２と、第１の変形部６１および第２の変形部６２の弾性変形により変位を生じる変位部６３とを有している。ここで、第１の変形部６１の外側端はこれに隣接する連結部Ｌに接続され、内側端は変位部６３に接続されている。また、第２の変形部６２の外側端はこれに隣接する連結部Ｌに接続され、内側端は変位部６３に接続されている。このため、変位部６３の下面は、支持基板３００の上面に対して平行な面になり、図１８に示す例のように、変位部６３の下面に変位電極Ｅ２を形成し、支持基板３００の上面に固定基板Ｅ１を形成すれば、一対の平行電極からなる容量素子Ｃを構成することができる。
図１３に示す検出リング６００には、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４が設けられているため、前述したように、合計４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４（検出素子）が形成されることになる。ただ、本発明を実施する上で、検出部Ｄの数ｎは必ずしも４組に限定されるものではなく、少なくとも１組の検出部Ｄが設けられていれば足りる。
もっとも、１組の検出部Ｄだけでは、検出対象となる軸成分が限定され、十分な検出精度も得られないので、実用上は、検出部Ｄの数ｎ（検出点Ｒの数ｎ）をｎ≧２に設定し、複数の検出部Ｄを設けるのが好ましい。別言すれば、基本環状路Ｂ上に、複数ｎ個（ｎ≧２）の検出点Ｒ１，Ｒ２，... ，Ｒｎを定義し、各検出点にそれぞれ検出部を配置して、ｎ個の検出部Ｄ１，Ｄ２，... ，Ｄｎとｎ個の連結部Ｌ１，Ｌ２，... ，Ｌｎとを、基本環状路Ｂに沿って交互に配置することにより、検出リングを構成するのが好ましい。
また、実用上は、検出部Ｄの数ｎを偶数に設定し、基本環状路Ｂ上に偶数ｎ個の検出点を定義し、各検出点にそれぞれ検出部を配置し、偶数ｎ個の検出部と偶数ｎ個の連結部とを、基本環状路Ｂに沿って交互に配置することにより、検出リングを構成するのが好ましい。これは、偶数ｎ個の検出部を設けるようにすれば、ＸＹＺ三次元直交座標系において、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称性をもった基本構造部を構成することが可能になり、他軸成分の干渉を排除し、検出回路によって行う演算処理を単純化するメリットが得られるためである。
この場合、偶数ｎ個の連結部に対して、基本環状路Ｂに沿って所定の起点から順に番号を付与したときに、作用点Ｑ１，Ｑ２，... が奇数番目の連結部に配置され、固定点Ｐ１，Ｐ２，... が偶数番目の連結部に配置されているようにするのが好ましい。そうすれば、各固定点Ｐを固定した状態において、各作用点Ｑに作用した外力を各検出部Ｄに効率的に伝達させることができ、効率良い検出動作が実現できる。
たとえば、検出点Ｒの数ｎをｎ＝２に設定した場合、基本環状路Ｂに沿って、第１の連結部Ｌ１、第１の検出部Ｄ１、第２の連結部Ｌ２、第２の検出部Ｄ２を、この順序で配置することにより検出リングを構成することができる。この場合、作用点Ｑ１を第１の連結部Ｌ１に配置し、固定点Ｐ１を第２の連結部Ｌ２に配置すればよい。
§３で述べた基本的実施形態に係る力覚センサは、検出点Ｒの数ｎをｎ＝４に設定したより実用的な実施例である。すなわち、図１５に示すとおり、ＸＹ平面において、原点Ｏを中心としてＸ軸を反時計まわりに４５°回転させた座標軸としてＶ軸を定義し、原点Ｏを中心としてＹ軸を反時計まわりに４５°回転させた座標軸としてＷ軸を定義した場合に、第１の検出点Ｒ１が正のＶ軸上、第２の検出点Ｒ２が正のＷ軸上、第３の検出点Ｒ３が負のＶ軸上、第４の検出点Ｒ４が負のＷ軸上に配置されている。
その結果、図１４に示すとおり、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４は、Ｖ軸上もしくはＷ軸上に配置されることになる。そして、基本環状路Ｂに沿って反時計まわりに、第１の連結部Ｌ１、第１の検出部Ｄ１、第２の連結部Ｌ２、第２の検出部Ｄ２、第３の連結部Ｌ３、第３の検出部Ｄ３、第４の連結部Ｌ４、第４の検出部Ｄ４を、この順序で配置することにより検出リング６００が構成されている。
また、図１５に示すとおり、第１の作用点Ｑ１は正のＸ軸上（第１の連結部Ｌ１）に配置され、第２の作用点Ｑ２は負のＸ軸上（第３の連結部Ｌ３）に配置され、第１の固定点Ｐ１は正のＹ軸上（第２の連結部Ｌ２）に配置され、第２の固定点Ｐ２は負のＹ軸上（第４の連結部Ｌ４）に配置されている。別言すれば、作用点Ｑ１，Ｑ２は奇数番目の連結部に配置され、固定点Ｐ１，Ｐ２は偶数番目の連結部に配置されている。
そして、図１６に示す基本構造部では、検出リング６００の第１の作用点Ｑ１の位置を受力体１００に接続する第１の接続部材４１０と、検出リング６００の第２の作用点Ｑ２の位置を受力体１００に接続する第２の接続部材４２０と、検出リング６００の第１の固定点Ｐ１の位置を支持基板３００に固定する第１の固定部材５１０と、検出リング６００の第２の固定点Ｐ２の位置を支持基板３００に固定する第２の固定部材５２０とが設けられている。このような基本構造部では、支持基板３００を固定した状態において、受力体１００に作用した外力に基づいて生じる応力を、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４に効率的に伝達させることができる。
図１８に示すとおり、各検出部Ｄには、基本環状路Ｂに沿って圧縮応力が作用したときと伸張応力が作用したときとでは、静電容量値の増減が逆転する容量素子Ｃが形成されている。
したがって、第１の検出点Ｒ１に位置する第１の検出部Ｄ１に固定された変位電極Ｅ２（Ｄ１）を有する第１の容量素子Ｃ１の静電容量値をＣ１、第２の検出点Ｒ２に位置する第２の検出部Ｄ２に固定された変位電極Ｅ２（Ｄ２）を有する第２の容量素子Ｃ２の静電容量値をＣ２、第３の検出点Ｒ３に位置する第３の検出部Ｄ３に固定された変位電極Ｅ２（Ｄ３）を有する第３の容量素子Ｃ３の静電容量値をＣ３、第４の検出点Ｒ４に位置する第４の検出部Ｄ４に固定された変位電極Ｅ２（Ｄ４）を有する第４の容量素子Ｃ４の静電容量値をＣ４、とすれば、図２２に示すとおり、
Ｆｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）
Ｍｘ＝−Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４
Ｍｙ＝＋Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４
Ｍｚ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４
なる演算式に基づく演算を行うことにより、Ｚ軸方向に作用した力Ｆｚ、Ｘ軸まわりに作用したモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりに作用したモーメントＭｙ、およびＺ軸まわりに作用したモーメントＭｚを算出することができる。
このような演算に基づいて、検出値Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚに対応する電気信号を出力する検出回路として、たとえば、図２３に示す回路を用いることができる点は、既に述べたとおりである。
なお、検出素子として容量素子を利用する場合、複数の容量素子の静電容量値の差を求める演算を行って、検出値を出力するようにするのが好ましい。たとえば、上例の４つの演算式のうち、Ｆｚに関する演算式だけは、４つの静電容量値Ｃ１〜Ｃ４の和を求める演算式であるが、それ以外の演算式は、複数の容量素子の静電容量値の差を求める差分演算の式になっている。このような差分演算は、製造工程で発生する誤差（たとえば、部品の寸法誤差や取付位置の誤差）や、利用環境で発生する誤差（たとえば、温度による部材の膨張に起因する誤差）を取り除く上で効果的である。
たとえば、図１６に示す実施例の場合、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極間隔は、一対の固定部材５１０，５２０の高さ方向の寸法によって規定されることになるが、製造工程での寸法誤差や温度環境などによって、固定部材５１０，５２０の高さ方向の寸法に誤差が生じても、差分演算により当該寸法誤差を相殺することができるため、誤差を含まない正確な検出値を出力することが可能になる。
一般論として説明すれば、検出対象となる特定の軸についての力もしくはモーメントに関して、複数ｎ個の検出部のうち、一部は第１属性の検出部として振る舞い、他の一部は第２属性の検出部として振る舞うことになる。ここで、第１属性の検出部とは、特定の軸についての正の成分が作用したときに、変位部６３が、支持基板３００に近づく方向に変位し、特定の軸についての負の成分が作用したときに、変位部６３が、支持基板３００から遠ざかる方向に変位する性質をもった検出部である。逆に、第２属性の検出部とは、特定の軸についての正の成分が作用したときに、変位部６３が、支持基板３００から遠ざかる方向に変位し、特定の軸についての負の成分が作用したときに、変位部６３が、支持基板３００に近づく方向に変位する性質をもった検出部である。
そして、当該特定の軸についての成分を検出するに際して、第１属性の検出部の変位部６３に固定された第１属性変位電極Ｅ２と、支持基板３００の対向する位置に固定された第１属性固定電極Ｅ１と、によって構成される容量素子を第１属性容量素子と呼び、第２属性の検出部の変位部６３に固定された第２属性変位電極Ｅ２と、支持基板３００の対向する位置に固定された第２属性固定電極Ｅ１と、によって構成される容量素子を第２属性容量素子がと呼べば、検出回路によって、第１属性容量素子の静電容量値と、第２属性容量素子の静電容量値と、の差に相当する電気信号を求め、これを検出対象となる力もしくはモーメントの当該特定の軸についての検出成分を示す電気信号として出力すればよい。
もちろん、ある特定の容量素子が、第１属性容量素子として振る舞うのか、第２属性容量素子として振る舞うのかは、作用する特定の軸成分に依存して決まる事項であるので、６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚのいずれが作用するかに応じて、それぞれ属性が定義されることになる。具体的には、図２１に示すテーブルの特定の行に関して、「＋」もしくは「＋＋」が記載されている容量素子は、当該行に対応する特定の軸成分に関する限りにおいて第１属性容量素子になり、「−」もしくは「−−」が記載されている容量素子は、当該行に対応する特定の軸成分に関する限りにおいて第２属性容量素子になる。
図２３に示す加減算演算器１６，１７，１８は、このような属性を考慮して、特定の軸成分に関する第１属性容量素子の静電容量値と、第２属性容量素子の静電容量値と、の差を求める差分演算を行っていることになる。なお、加減算演算器１５については、和を求める演算しか行われていないため、上記差分演算に基づく誤差相殺機能は働かないことになる。
＜＜＜ §５． ８組の検出部を用いる実施形態 ＞＞＞
続いて、ここでは、検出点Ｒの数ｎをｎ＝８に設定し、合計８組の検出部を用いる実施形態（第２の実施形態）を説明する。§３で述べた基本的実施形態（第１の実施形態）では、検出点Ｒの数ｎをｎ＝４に設定し、合計４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４を用いていたが、力Ｆｘ，Ｆｙについては十分な検出を行うことができないため、図２１に示す近似テーブルを利用して、４軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出を行う例を述べた。ここで述べる８組の検出部を用いる実施形態では、検出部の数が増えただけ製造コストは嵩むことになるが、６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚのすべてについて、実用上十分な精度をもった検出動作が可能になる。
図２４は、この８組の検出部を用いる実施形態に係る力覚センサに用いる検出リング７００の下面図である。図１３(c) に示す検出リング６００と図２４に示す検出リング７００とを比較すればわかるとおり、両者の実質的な相違点は、検出部Ｄの数だけである。図２４は、検出リング７００を下方から見上げた下面図であり、８組の検出部Ｄ１１〜Ｄ１８が時計まわりの順序で配置されている。検出部Ｄ１１〜Ｄ１８の構造は、図１７に示す検出部Ｄの構造と同様である。図２４には、検出部Ｄ１８が、第１の変形部７１、第２の変形部７２、変位部７３という３枚の板状片によって構成されている例が示されている。他の検出部Ｄ１１〜Ｄ１７も同様の構造を有する。
図２５は、図２４に示す検出リング７００の領域分布を示す上面図である（網目状のハッチングは、検出部Ｄ１１〜Ｄ１８の領域を示すためのものであり、断面を示すものではない）。図示のとおり、検出リング７００は、８組の検出部Ｄ１１〜Ｄ１８を、８組の連結部Ｌ１１〜Ｌ１８で連結した構造を有する。検出部Ｄ１１〜Ｄ１８が３枚の板状片によって構成されているのに対し、連結部Ｌ１１〜Ｌ１８は肉厚の厚い部材から構成されており、検出リング７００に外力が作用した場合、当該外力に基づく検出リング７００の弾性変形は、検出部Ｄ１１〜Ｄ１８に集中して生じることになる。
図２５は上面図であるため、図に太い一点鎖線で示す基本環状路Ｂに沿って反時計まわりに、第１の連結部Ｌ１１、第１の検出部Ｄ１１、第２の連結部Ｌ１２、第２の検出部Ｄ１２、第３の連結部Ｌ１３、第３の検出部Ｄ１３、第４の連結部Ｌ１４、第４の検出部Ｄ１４、第５の連結部Ｌ１５、第５の検出部Ｄ１５、第６の連結部Ｌ１６、第６の検出部Ｄ１６、第７の連結部Ｌ１７、第７の検出部Ｄ１７、第８の連結部Ｌ１８、第８の検出部Ｄ１８を、この順序で配置することにより検出リング７００が構成されている。
この図でも、ＸＹ平面上において、原点Ｏを中心としてＸ軸を反時計まわりに４５°回転させた座標軸としてＶ軸が定義され、原点Ｏを中心としてＹ軸を反時計まわりに４５°回転させた座標軸としてＷ軸が定義されている。図の＜Ｉ＞，＜II＞，＜III＞，＜IV＞は、ＸＹ二次元座標系における第１象限〜第４象限を示している。８組の検出部Ｄ１１〜Ｄ１８は、各象限にそれぞれ２組ずつ配置されている。
図２６は、図２４に示す検出リング７００について、ＸＹ平面上に定義された基本環状路Ｂおよびこの基本環状路Ｂ上に定義された各点を示す平面図である。図に太い一点鎖線で示す基本環状路Ｂは、ＸＹ平面上に配置された原点Ｏを中心とする円であり、検出リング７００は、この基本環状路Ｂに沿って伸びる環状構造体になる。図には、検出リング７００の内側輪郭線と外側輪郭線の位置が実線で示されている。図示の実施例の場合、基本環状路Ｂは、検出リング７００の内側輪郭線と外側輪郭線との中間位置を通るＸＹ平面上の円であり、検出リング７００の環状肉厚部分（連結部Ｌ１１〜Ｌ１８）の中心線になる。
８組の検出点Ｒ１１〜Ｒ１８は、この基本環状路Ｂ上に等間隔に配置されている。この図２６に示す例のように、円からなる基本環状路Ｂ上に等間隔に８個の検出点Ｒ１１〜Ｒ１８を定義するには、ＸＹ平面において、原点Ｏを起点として、Ｘ軸正方向に対して反時計まわりに角度θをなす方位ベクトルＶec（θ）を定義し、第ｉ番目（但し、１≦ｉ≦８）の検出点Ｒ１ｉを、方位ベクトルＶec（π／８＋（ｉ−１）・π／４）と基本環状路Ｂとの交点位置に配置すればよい。たとえば、図２６に示す第１番目の検出点Ｒ１１は、θ＝π／８として、Ｘ軸正方向に対して反時計まわりに角度θをなす方位ベクトルＶec（θ）と基本環状路Ｂとの交点位置に配置されている。
図には、Ｘ軸とＶ軸との中間位置にＶＸ軸、Ｖ軸とＹ軸との中間位置にＶＹ軸、Ｙ軸とＷ軸との中間位置にＷＹ軸、Ｘ軸とＷ軸との中間位置にＷＸ軸が定義されている。８組の検出点Ｒ１１〜Ｒ１８は、結局、ＶＸ軸，ＶＹ軸，ＷＹ軸，ＷＸ軸の正および負の領域に配置されていることになる。これら検出点Ｒ１１〜Ｒ１８は、それぞれ検出部Ｄ１１〜Ｄ１８の配置を示すものであり、図２５に網目状のハッチング領域として示すように、８組の検出部Ｄ１１〜Ｄ１８は、それぞれ８組の検出点Ｒ１１〜Ｒ１８の位置に配置されている。
§３で述べた４組の検出部を有する検出リング６００では、２組の固定点Ｐ１，Ｐ２と２組の作用点Ｑ１，Ｑ２とを定義したが、ここに示す８組の検出部を有する検出リング７００では、図２６に示すように、４組の固定点Ｐ１１〜Ｐ１４（黒丸）と、４組の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４（白丸で）とが定義される。もちろん、４組の固定点Ｐ１１〜Ｐ１４は支持基板３００に対して固定される点になり、４組の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４は受力体１００からの力が作用する点になる。
図２６に示すとおり、第１の作用点Ｑ１１は正のＸ軸上、第２の作用点Ｑ１２は正のＹ軸上、第３の作用点Ｑ１３は負のＸ軸上、第４の作用点Ｑ１４は負のＹ軸上、第１の固定点Ｐ１１は正のＶ軸上、第２の固定点Ｐ１２は正のＷ軸上、第３の固定点Ｐ１３は負のＶ軸上、第４の固定点Ｐ１４は負のＷ軸上に配置されている。したがって、この検出リング７００を用いた力覚センサでは、Ｖ軸およびＷ軸上の４点Ｐ１１〜Ｐ１４を固定した状態において、Ｘ軸およびＹ軸上の４点Ｑ１１〜Ｑ１４に作用した力もしくはモーメントを、ＶＸ軸，ＶＹ軸，ＷＹ軸，ＷＸ軸上の検出点Ｒ１１〜Ｒ１８に配置された８組の検出部Ｄ１１〜Ｄ１８の弾性変形に基づいて検出することになる。
この実施形態においても、固定点Ｐ１１〜Ｐ１４と作用点Ｑ１１〜Ｑ１４とは、基本環状路Ｂに沿って交互に配置されている。このような交互配置は、検出対象となる外力が作用したときに、検出リング７００に効果的な変形を生じさせる上で重要である。また、８組の検出点Ｒ１１〜Ｒ１８は、隣接する固定点と作用点との間に配置されている。このような配置も、検出対象となる外力が作用したときに、各検出部Ｄ１１〜Ｄ１８に効果的な変位を生じさせる上で重要である。
図２５と図２６とを対比すればわかるように、第１の作用点Ｑ１１は第１の連結部Ｌ１１に配置され、第１の固定点Ｐ１１は第２の連結部Ｌ１２に配置され、第２の作用点Ｑ１２は第３の連結部Ｌ１３に配置され、第２の固定点Ｐ１２は第４の連結部Ｌ１４に配置され、第３の作用点Ｑ１３は第５の連結部Ｌ１５に配置され、第３の固定点Ｐ１３は第６の連結部Ｌ１６に配置され、第４の作用点Ｑ１４は第７の連結部Ｌ１７に配置され、第４の固定点Ｐ１４は第８の連結部Ｌ１８に配置されている。
ここで、検出リング７００の４組の固定点Ｐ１１〜Ｐ１４の位置は、固定部材によって支持基板３００に固定される。図２４には、これら固定点Ｐ１１〜Ｐ１４の位置を固定するための固定部材５６０，５７０，５８０，５９０の接続位置が破線で示されている。一方、図２４に白丸で示されている４組の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４の位置は、接続部材によって受力体１００に接続される。
図２７は、８組の検出部を用いる実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図である。この基本構造部は、受力体１００と、検出リング７００と、支持基板３００とを備えている。支持基板３００は、この上面図には現れていないが、受力体１００の外径と同じ径をもった円盤状の部材であり、受力体１００および検出リング７００の下方に配置されている。受力体１００は、図１６に示す実施形態と同様に円環状の部材であり、検出リング７００の外側を取り囲むように配置されている。支持基板３００は、図１６に示す実施形態と同様に円盤状の部材である。このように、図２７に示す受力体１００および支持基板３００は、図１６に示す実施形態における受力体および支持基板と本質的な違いはないため、同じ符号を用いて示すことにする。
図１６に示す基本構造部と図２７に示す基本構造部との主たる相違点は、前者では、４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４を有する検出リング６００が用いられているのに対して、後者では、８組の検出部Ｄ１１〜Ｄ１８を有する検出リング７００が用いられている点である。また、これに付随する相違点は、前者では、２組の接続部材４１０，４２０と２組の固定部材５１０，５２０とが設けられているのに対して、後者では、４組の接続部材４６０，４７０，４８０，４９０と４組の固定部材５６０，５７０，５８０，５９０とが設けられている点である。
すなわち、検出リング７００の第１の作用点Ｑ１１の近傍の外周面は、Ｘ軸の正の領域に沿って配置された第１の接続部材４６０によって受力体１００の内周面に接続されており、検出リング７００の第２の作用点Ｑ１２の近傍の外周面は、Ｙ軸の正の領域に沿って配置された第２の接続部材４７０によって受力体１００の内周面に接続されている。同様に、検出リング７００の第３の作用点Ｑ１３の近傍の外周面は、Ｘ軸の負の領域に沿って配置された第３の接続部材４８０によって受力体１００の内周面に接続されており、検出リング７００の第４の作用点Ｑ１４の近傍の外周面は、Ｙ軸の負の領域に沿って配置された第４の接続部材４９０によって受力体１００の内周面に接続されている。
一方、検出リング７００の第１の固定点Ｐ１１の位置（Ｖ軸正領域の位置）の下面は、第１の固定部材５６０によって支持基板３００の上面に固定され、検出リング７００の第２の固定点Ｐ１２の位置（Ｗ軸正領域の位置）の下面は、第２の固定部材５７０によって支持基板３００の上面に固定される。同様に、検出リング７００の第３の固定点Ｐ１３の位置（Ｖ軸負領域の位置）の下面は、第３の固定部材５８０によって支持基板３００の上面に固定され、検出リング７００の第４の固定点Ｐ１４の位置（Ｗ軸負領域の位置）の下面は、第４の固定部材５９０によって支持基板３００の上面に固定される。
本発明の第２の実施形態に係る力覚センサは、図２７に示す基本構造部に、容量素子と検出回路とを付加することにより構成される。ここで、容量素子は、図２４に示す８組の検出部Ｄ１１〜Ｄ１８の各変位部７３の下面に形成された変位電極Ｅ２と、支持基板３００の上面の対向位置に形成された固定電極Ｅ１と、によって形成される。このような容量素子Ｃの詳細構造は、既に§３において、図１８を用いて説明したとおりである。当該構造によれば、基本環状路Ｂに沿って圧縮応力が作用したときと伸張応力が作用したときとでは、静電容量値の増減が逆転する容量素子が形成される。ここでは、８組の検出部Ｄ１１〜Ｄ１８について形成される容量素子を、それぞれ容量素子Ｃ１１〜Ｃ１８と呼ぶことにし、これら各容量素子Ｃ１１〜Ｃ１８の静電容量値を、同じ符号Ｃ１１〜Ｃ１８で示すことにする。
すると、支持基板３００を固定した状態において、受力体１００に外力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚが加えられた場合の各容量素子Ｃ１１〜Ｃ１８の静電容量値の変動量（増減の程度）は、図２８のテーブルに示すようになる。このテーブルにおいても、「＋」は静電容量値が増加する（容量素子Ｃの電極間隔が減少する）ことを示し、「−」は静電容量値が減少する（容量素子Ｃの電極間隔が増加する）ことを示している。また、「＋＋」は静電容量値の増加の程度が「＋」に比べて大きいことを示し、「（＋）」は静電容量値の増加の程度が「＋」に比べて小さいことを示す。同様に、「−−」は静電容量値の減少の程度が「−」に比べて大きいことを示し、「（−）」は静電容量値の減少の程度が「−」に比べて小さいことを示す。
ここでは、この図２８のテーブルに示す結果が得られる理由についての詳細な説明は省略するが、図２７に示す４組の固定点Ｐ１１〜Ｐ１４（黒丸）の位置を固定した状態において、４組の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４（白丸）の位置に所定方向の外力が作用した場合の検出リング７００の変形態様を考慮して、各検出部Ｄ１１〜Ｄ１８の変位電極Ｅ２がどのように変位するかを検討すれば容易に理解できよう。
この図２８のテーブルにおいて、Ｆｘの行およびＦｙの行の結果が「（＋）」もしくは「（−）」（すなわち、増減の程度が小さい）になっているのは、図２７に示すとおり、各検出部Ｄ１１〜Ｄ１８の配置がＸ軸やＹ軸からずれているため、力ＦｘやＦｙの作用によっては、変位電極Ｅ２が大きく変位しないためである。これに対して、Ｍｘの行およびＭｙの行の結果が「＋＋」もしくは「−−」（すなわち、増減の程度が大きい）になっているのは、図６に示すとおり、モーメントＭｘやＭｙが作用すると、検出リングが大きく傾斜し、変位電極Ｅ２が大きく変位するためである。
この図２８のテーブルは、正方向の力および正まわりのモーメントが作用した場合の結果を示しているが、負方向の力および負まわりのモーメントが作用した場合は、「＋」と「−」が逆転した結果が得られることになる。この図２８のテーブルに示す結果を前提とすれば、受力体１００に作用した外力の６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚは、図２９に示す演算式によって算出することができる。
まず、Ｘ軸方向の力Ｆｘは、図２８のテーブルのＦｘの行の各欄を参照すれば、Ｆｘ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５−Ｃ１６＋Ｃ１７−Ｃ１８なる演算によって得られることになる。同様に、Ｙ軸方向の力Ｆｙは、図２８のテーブルのＦｙの行の各欄を参照すれば、Ｆｙ＝＋Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ１３＋Ｃ１４−Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７−Ｃ１８なる演算によって得られることになる。そして、Ｚ軸方向の力Ｆｚは、図２８のテーブルのＦｚの行の各欄を参照すれば、Ｆｚ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８）なる演算によって得られることになる。
一方、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘは、図２８のテーブルのＭｘの行の各欄を参照すれば、Ｍｘ＝−Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８なる演算によって得られることになる。同様に、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙは、図２８のテーブルのＭｙの行の各欄を参照すれば、Ｍｙ＝＋Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１４−Ｃ１５−Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８なる演算によって得られることになる。そして、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚは、図２８のテーブルのＭｚの行の各欄を参照すれば、Ｍｚ＝＋Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ１３−Ｃ１４＋Ｃ１５−Ｃ１６＋Ｃ１７−Ｃ１８なる演算によって得られることになる。
図２７に示す基本構造部は、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称性を有し、さらに、ＶＺ平面およびＷＺ平面に関しても対称性を有している。このため、図２９に示す各演算式を用いれば、他軸成分はほぼ相殺されてしまうため、他軸成分を含まない成分のみが得られる。もっとも、厳密に言えば、図２８の表に（＋）と（−）で示された変動量の絶対値、＋と−で示された変動量の絶対値、＋＋と−−で示された変動量の絶対値は、完全には一致しない。このため、他軸成分の干渉を完全になくすことは困難であるが、実用上は、問題のないレベルに抑えられる。また、必要があれば、マイクロコンピュータなどを用いた演算を行うことにより、混入した他軸成分を除去する補正を行うことも可能である。結局、図２９に示す演算式に基づく演算を行う検出回路（図示は省略）を用意しておけば、６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚに対応する電圧値を電気信号として出力することができる。
なお、図２９に示す演算式は、いずれも８組の静電容量値Ｃ１１〜Ｃ１８をすべて利用した演算を行うものであるが、演算式は必ずしもすべての静電容量値を利用したものにする必要はなく、その一部のみを利用したものでもかまわない。
たとえば、８組の静電容量値Ｃ１１〜Ｃ１８のうちの４組のみを利用するのであれば、力Ｆｘは、Ｆｘ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１７−Ｃ１８、もしくは、Ｆｘ＝＋Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１６＋Ｃ１７なる演算式で求めることが可能であり、力Ｆｙは、Ｆｙ＝＋Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ１３＋Ｃ１４、もしくは、Ｆｙ＝−Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７−Ｃ１８なる演算式で求めることが可能であり、力Ｆｚは、Ｆｚ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１８）、もしくは、Ｆｚ＝−（Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１６＋Ｃ１７）なる演算式で求めることが可能である。
同様に、モーメントＭｘは、Ｍｘ＝−Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ１７＋Ｃ１８、もしくは、Ｍｘ＝−Ｃ１３−Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１６なる演算式で求めることが可能であり、モーメントＭｙは、Ｍｙ＝＋Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１４、もしくは、Ｍｙ＝−Ｃ１５−Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８なる演算式で求めることが可能であり、モーメントＭｚは、Ｍｚ＝＋Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ１５−Ｃ１６、もしくは、Ｍｚ＝＋Ｃ１３−Ｃ１４＋Ｃ１７−Ｃ１８、もしくは、Ｍｚ＝＋Ｃ１１−Ｃ１４＋Ｃ１５−Ｃ１８なる演算式で求めることが可能である。
図３０は、このような演算式のバリエーションを示す図である。図２９に示す各演算式が、８組の静電容量値Ｃ１１〜Ｃ１８のすべてを利用する演算式であるのに対して、図３０に示すバリエーションでは、８組の静電容量値Ｃ１１〜Ｃ１８のうちの４組のみを利用した演算を行えば足りる。理論的には、８組の静電容量値Ｃ１１〜Ｃ１８のすべてを利用した演算を行った方がより精度の高い検出値を得ることができるが、実際には、図３０に示す各演算式に基づく演算を行えば、実用上、十分な精度をもった検出結果を得ることができる。したがって、検出回路の演算負担をできるだけ軽減したい場合には、図３０に示すバリエーションを採用すればよい。
＜＜＜ §６． 補助接続部材を付加した実施形態 ＞＞＞
ここでは、補助接続部材を付加した実施形態（第３の実施形態）を説明する。§３では、基本的実施形態（第１の実施形態）に係る力覚センサについて、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚという６軸成分の外力が加えられた場合、４組の静電容量値Ｃ１〜Ｃ４について、図２０のテーブルに示すような静電容量値の変動が生じることを述べた。このテーブルにおいて、「＋＋」および「−−」は、「＋」および「−」に比べて静電容量値の増加の程度が大きく、「（＋）」および「（−）」は、「＋」および「−」に比べて静電容量値の増加の程度が小さいことを示している。
このように、４組の静電容量値Ｃ１〜Ｃ４に生じる変動の大きさは、作用する外力成分によって異なり、各軸成分の検出感度に差が生じていることになる。したがって、たとえば、図２２に示す演算式に基づいて、４軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出しても、検出値Ｍｘ，Ｍｙの感度は検出値Ｆｚ，Ｍｚの感度に比べてかなり高くなる。一方、Ｆｘ，Ｆｙについては、検出感度がかなり低いため、実用上は、図２１の近似テーブルに示すとおり変動量を０にする取り扱いを行わざるを得ず、検出値を得ることができない。
もちろん、検出感度は、検出リング６００の各部の寸法を変えることにより調節可能であり、たとえば、検出部Ｄを構成する第１の変形部６１や第２の変形部６２の厚みを小さくして弾性変形しやすくすれば、検出感度を高めることができる。しかしながら、このような寸法変更は、力覚センサ全体の検出感度の調整には有効であるが、各軸成分の検出感度の差を是正することはできない。多軸成分の検出が可能な力覚センサを提供する上では、検出感度に差が生じていることは好ましくない。ここでは、このような検出感度の差を是正する工夫を述べる。
これまで述べてきた力覚センサでは、一般的な傾向として、成分Ｍｘ，Ｍｙの検出感度が他の成分の検出感度よりも高くなる。これは、本発明に用いる基本構造部が、たとえば図６に示すように、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合に比較的変形が生じやすい構造を有しているためである。Ｘ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合も、同様に変形が生じやすい。
図３１は、このような構造的な特徴に鑑みて、検出感度の差を是正する工夫を施した第３の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の下面図（上段の図）およびこれをＸＺ平面で切断した側断面図（下段の図）である。なお、上段に示す下面図では、便宜上、支持基板３００を取り外した状態が示されている。
図１６に示す第１の実施形態に係る基本構造部と、図３１に示す第３の実施形態に係る基本構造部との差は、後者では、補助接続部材５３１，５３２が付加されている点だけである。下段の側断面図に示されているように、補助接続部材５３１は、作用点Ｑ１を通りＺ軸に平行な接続参照線Ａ１が中心軸となる位置に配置された円柱状の部材であり、その上端は検出リング６００の下面に接続され、下端は支持基板３００の上面に接続されている。同様に、補助接続部材５３２は、作用点Ｑ２を通りＺ軸に平行な接続参照線Ａ２が中心軸となる位置に配置された円柱状の部材であり、その上端は検出リング６００の下面に接続され、下端は支持基板３００の上面に接続されている。
検出リング６００と支持基板３００とは、もともと一対の固定部材５１０，５２０によって接続されているが、ここに示す第３の実施形態では、両者間を接続する部材として、更に、補助接続部材５３１，５３２が加わることになる。ここで、固定部材５１０，５２０が固定点Ｐ１，Ｐ２の位置に接続されているのに対して、補助接続部材５３１，５３２は作用点Ｑ１，Ｑ２の位置に接続されている。この一対の補助接続部材５３１，５３２は、受力体１００にモーメントＭｙもしくはＭｘが作用した場合に生じる検出リング６００の変位を抑制する機能を果たす。
図６には、モーメントＭｙが作用したときの検出リング２００の変形態様が示されているが、作用点Ｑ１，Ｑ２の位置に補助接続部材５３１，５３２を付加すれば、このような変形が抑制されることが容易に理解できよう。このように、補助接続部材５３１，５３２は、モーメントＭｙが作用したときの変形を抑制する機能を果たすことになり、更に、モーメントＭｘが作用したときの変形を抑制する機能も果たす。もちろん、モーメントＭｚ，力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚが作用したときの変形を抑制する機能も果たす。
要するに、補助接続部材５３１，５３２は、接続参照線Ａ１，Ａ２の位置において、検出リング６００と支持基板３００との間隔を一定に維持するための「つっかえ棒」として機能する。なお、補助接続部材５３１，５３２は、いずれか一方のみを設けても、それなりの効果は得られるが、実用上は、両方を設けるようにするのが好ましい。
本願発明者が行った実験によると、補助接続部材５３１，５３２による変位抑制効果は、モーメントＭｙに対して最も顕著であり、モーメントＭｘに対してもある程度顕著であるが、力Ｆｘ，Ｆｙに対してはわずかである。これは、受力体１００に力Ｆｘ，Ｆｙが加わった場合、補助接続部材５３１，５３２が接続参照線Ａ１，Ａ２に対して傾斜することになるが、補助接続部材５３１，５３２を接続参照線Ａ１，Ａ２に沿った方向に伸縮させる変位に比べると、接続参照線Ａ１，Ａ２に対して傾斜させる変位の方が生じやすいためと考えられる。その結果、モーメントＭｘ，Ｍｙに対する検出感度と力Ｆｘ，Ｆｙに対する検出感度との差を是正する効果が得られる。
図３２は、図３１に示す第３の実施形態における受力体１００に、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量（増減の程度）を示すテーブルである。各欄の符号は「＋」もしくは「−」になっており、図２０に示すテーブルと比較すると、各軸成分の検出感度の差が大幅に是正されていることがわかる。
もちろん、これらのテーブルにおける各欄の符号は、相対的な検出感度を示すものなので、補助接続部材５３１，５３２を付加することによって、力Ｆｘ，Ｆｙの検出感度が向上したわけではない。上述したとおり、補助接続部材５３１，５３２を付加すると、いずれの軸方向成分についても検出感度が低下することになるが、モーメントＭｘ，Ｍｙに対する検出感度の低下は著しく、力Ｆｘ，Ｆｙに対する検出感度の低下はわずかであるため、各軸成分についての検出感度のバランスがとれたことになる。力覚センサ全体の検出感度を高めるには、前述したように、検出部Ｄを構成する第１の変形部６１や第２の変形部６２の厚みを小さくすればよい。
なお、図３１に示す実施形態では、補助接続部材５３１，５３２の配置位置を示す接続参照線Ａ１，Ａ２を、作用点Ｑ１，Ｑ２を通りＺ軸に平行な直線として設定しているが、接続参照線の位置は必ずしもこの位置に限定されるものではない。たとえば、図３１に示す接続参照線Ａ３が中心軸となるように補助接続部材５３１を配置してもよいし、図３１に示す接続参照線Ａ４が中心軸となるように補助接続部材５３２を配置してもよい。ここで、接続参照線Ａ３は、作用点Ｑ１をＸ軸正方向に移動させた移動点を通りＺ軸に平行な直線であり、接続参照線Ａ４は、作用点Ｑ２をＸ軸負方向に移動させた移動点を通りＺ軸に平行な直線である。接続参照線Ａ３，Ａ４の位置に配置された補助接続部材は、受力体１００の下面と接続部材３００の上面とを接続する役割を果たすことになる。
接続参照線Ａ１〜Ａ４は、いずれもＸ軸と直交する直線であるため、この位置に補助接続部材を配置すれば、６軸成分の中で最も検出感度が高くなるモーメントＭｙの検出感度を効果的に抑制することが可能である。もちろん、補助接続部材は、必ずしも接続参照線Ａ１〜Ａ４を中心軸とする正確な位置に配置する必要はなく、接続参照線Ａ１〜Ａ４から若干ずれた位置に配置しても、検出感度差を是正する効果は得られる。
結局、検出感度差を是正するには、作用点Ｑ１，Ｑ２、もしくは、原点Ｏと作用点Ｑ１，Ｑ２とを結ぶ線に沿って作用点Ｑ１，Ｑ２を移動させた移動点を通り、Ｚ軸に平行な接続参照線Ａ１〜Ａ４を定義し、当該接続参照線Ａ１〜Ａ４もしくはその近傍に沿って、検出リング６００もしくは受力体１００の下面と支持基板３００の上面とを接続する補助接続部材５３１，５３２を設けるようにすればよい。
なお、補助接続部材５３１，５３２の役割は、各軸成分についての検出感度のバランスをとることにあるので、力Ｆｘ，Ｆｙに対する検出感度はできるだけ維持させ、モーメントＭｙに対する検出感度を低下させる必要がある。そのためには、補助接続部材５３１，５３２として、接続参照線Ａ１〜Ａ４に沿った方向に力が作用したときに比べて、接続参照線Ａ１〜Ａ４に直交する方向に力が作用したときの方が、弾性変形を生じ易い部材を用いるのが好ましい。別言すれば、Ｚ軸に平行な方向への力が加わった場合には弾性変形が生じにくいが、Ｚ軸に垂直な方向への力が加わった場合には弾性変形を生じ易い部材を用いるのが好ましい。
図３１に示す補助接続部材５３１，５３２は、Ｚ軸方向に伸びる円柱状の部材であり、Ｚ軸方向への伸縮はしにくいが、Ｚ軸方向に対する傾斜はしやすいという性質を有しており、補助接続部材として適した材質になっている。実際には、補助接続部材の太さによって、弾性変形の度合いを調整すればよい。もちろん、補助接続部材の形状は円柱状に限定されるものではなく、任意の形状のものを採用してかまわない。
具体的には、金属や樹脂など、ある程度の弾性を有する素材からなる細長い棒状部材を補助接続部材５３１，５３２として用い、これを、所定の接続参照線に沿って配置すればよい。そうすれば、支持基板３００を固定状態にして、受力体１００に対して、接続参照線に沿った方向に力が作用したときには弾性変形は生じにくく、接続参照線に直交する方向に力が作用したときには弾性変形が生じ易くなる。別言すれば、細長い棒状部材からなる補助接続部材５３１，５３２は、長手方向に伸縮する変形は生じにくいが、全体を傾斜させるような変形は生じ易い。その結果、検出リング６００のＺ軸方向への変位は、Ｘ軸方向やＹ軸方向への変位に比べて効果的に抑制されることになり、各軸成分についての検出感度差を是正できる。
図３３は、図３１に示す補助接続部材５３２の近傍構造の変形例を示す部分断面図である。この変形例は、補助接続部材５３２をより傾斜しやすくする工夫を施したものであり、補助接続部材の両端の接続部分にダイアフラム構造を採用している。
図３３に示す補助接続部材５３２ｄは、図３１に示す補助接続部材５３２と同様に、作用点Ｑ２を通る接続参照線Ａ２が中心軸となるように配置された円柱状の構造体であり、検出リング６００と支持基板３００とを接続する役割を果たす。ただ、補助接続部材５３２ｄの上端はダイアフラム部６００ｄの下面に接続され、下端はダイアフラム部３００ｄの上面に接続されている。ここで、ダイアフラム部６００ｄは、検出リング６００の連結部Ｌに形成された肉厚の薄い部分であり、このダイアフラム部６００ｄを形成するため、検出リング６００の下面には溝部Ｇ１が形成されている。一方、ダイアフラム部３００ｄは、支持基板３００に形成された肉厚の薄い部分であり、このダイアフラム部３００ｄを形成するため、支持基板３００の上面には溝部Ｇ２が形成されている。
図３３には、接続参照線Ａ２を中心軸とする補助接続部材５３２ｄの近傍構造を示すが、接続参照線Ａ１を中心軸とする補助接続部材５３１ｄの上下の接続部分にも、同様のダイアフラム部６００ｄ，３００ｄが形成される。このようなダイアフラムを用いた接続構造を採用すると、補助接続部材５３１ｄ，５３２ｄは、ダイアフラム部６００ｄ，３００ｄの変形により変位するため、補助接続部材５３１ｄ，５３２ｄ自体は変形する必要がない。したがって、補助接続部材５３１ｄ，５３２ｄとしては、太い剛性をもった部材を用いてもかまわない。傾斜角度を十分に確保する上では、補助接続部材５３１ｄ，５３２ｄはなるべく長くするのが好ましい。
なお、図３３に示す例では、補助接続部材５３２ｄの上端をダイアフラム部６００ｄを介して検出リング６００に接続し、補助接続部材５３２ｄの下端をダイアフラム部３００ｄを介して支持基板３００に接続する構成を採っているが、上端のみ、もしくは、下端のみをダイアフラム部を介して接続する構成を採ってもかまわない。
結局、ダイアフラム部を介して補助接続部材を接続する構成を採る場合は、検出リングもしくは受力体の補助接続部材に対する接続部分、もしくは、支持基板の補助接続部材に対する接続部分、または、これら接続部分の双方を、ダイアフラム部によって構成し、力もしくはモーメントの作用に基づくダイアフラム部の変形によって補助接続部材が接続参照線に対して傾斜するようにすればよい。
図３１に示す第３の実施形態は、図１６に示す第１の実施形態に係る力覚センサに補助接続部材５３１，５３２を付加したものであり、この第３の実施形態によれば、図２０のテーブルに代えて、図３２のテーブルに示す結果が得られる。しかしながら、この図３２のテーブルに基づいて、６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚのすべてについて、他軸成分の干渉のない正確な検出値が得られるようになるわけではない。むしろ、力Ｆｘ，Ｆｙが作用したときの静電容量値の変動量を０とする近似を行うことができなくなるため、他軸成分の干渉の度合いは大きくなる。
６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚのすべてについて、他軸成分の干渉のない正確な検出値を得るには、§５で述べた第２の実施形態（８組の検出部を用いる実施形態）に、補助接続部材を付加する構成を採ればよい。具体的には、図２７に示す第２の実施形態に係る基本構造部について、４組の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４の位置（あるいは、これらを外側に移動させた移動点の位置でもよい）に、Ｚ軸に平行な接続参照線をそれぞれ定義し、各接続参照線上もしくはその近傍に、４組の補助接続部材を設けるようにすればよい。これら補助接続部材は、検出リング７００の連結部Ｌの下面と支持基板３００の上面とを接続する役割を果たす。もちろん、必要に応じて、補助接続部材の上端や下端を、図３３に示すようなダイアフラム部を介して接続するようにしてもかまわない。
図３４は、§５で述べた第２の実施形態に、４組の補助接続部材を付加した力覚センサについて、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子の静電容量値の変動量（増減の程度）を示すテーブルである。各欄の符号は「＋」もしくは「−」になっており、図２８に示すテーブルと比較すると、各軸成分の検出感度の差が大幅に是正されていることがわかる。第２の実施形態では、§５で述べたとおり、図２９に示す演算式に基づく演算により、６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚのすべてについて、他軸成分の干渉を排除した検出値を得ることができる。したがって、第２の実施形態に４組の補助接続部材を付加すれば、６軸成分の正確な検出を行うとともに、各軸成分の検出感度の差を是正することが可能になる。前述したように、他軸成分の干渉を完全になくすことは困難であるが、実用上は、問題のないレベルに抑えられ、必要があれば、マイクロコンピュータなどを用いた演算を行うことにより、他軸成分を除去する補正を行うことも可能である。
なお、補助接続部材は必ずしも４組すべてを用いる必要はなく、少なくとも１組を用いるようにすれば、検出感度の差を是正する効果は得られる。たとえば、図２７に示す第２の実施形態について、２組の作用点Ｑ１１，Ｑ１３の位置にそれぞれ補助接続部材を設けるようにすれば、モーメントＭｙが作用したときの変位を大幅に抑制することができ、少なくともモーメントＭｙに対する検出感度を低下させる是正を行うことができる。
＜＜＜ §７． 正方形状の検出リングを用いた実施形態 ＞＞＞
これまで述べてきた実施形態は、いずれも各部が円形形状をした力覚センサであった。たとえば、図１６に示す第１の実施形態に係る力覚センサの場合、検出リング６００は、Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面に配置された円を基本環状路Ｂとする環状構造体であり、支持体（支持基板）３００は、Ｚ軸を中心軸としてＺ軸負領域に配置された円形の板状構造体であり、受力体１００は、Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面に配置された円形の環状構造体である。
ここで述べる第４の実施形態は、各部を正方形状の部材によって構成したものである。たとえば、検出リングとしては、図３５に示すような正方形状の検出リング７００Ｓを用いることができる。この検出リング７００Ｓは、図２４に示す検出リング７００の形状を正方形に修正したものであり、基本的な構造は類似している。そこで、図３５に示す検出リング７００Ｓの各部の符号には、図２４に示す検出リング７００の対応部分の符号の末尾にＳ（Squareの頭文字）を付したものを用いることにする。なお、図２４が下面図であるのに対して、図３５は上面図であるため、Ｙ軸の向きが逆になっている。
図２４に示す検出リング７００の場合、８組の検出部Ｄ１１〜Ｄ１８が円形の検出リング７００上において時計まわりに配置されている。一方、図３５は上面図であるため、８組の検出部Ｄ１１Ｓ〜Ｄ１８Ｓが正方形の検出リング７００Ｓ上において反時計まわりに配置されている。第１の検出部Ｄ１１Ｓは、図示のとおり、第１の変形部７１Ｓおよび第２の変形部７２Ｓと、これらによって両端を支持された変位部７３Ｓと、を有している。第２〜第８の検出部Ｄ１２Ｓ〜Ｄ１８Ｓの構造も同様である。
この検出部Ｄ１１Ｓ〜Ｄ１８Ｓの基本構造および変形態様は、図１７に示す検出部Ｄの基本構造および変形態様と同じである。もちろん、円形の検出リング７００上に形成された検出部と正方形の検出リング７００Ｓ上に形成された検出部とは、形状が若干異なることになるが、本質的な構造および変形態様に変わりはない。したがって、各検出部Ｄ１１Ｓ〜Ｄ１８Ｓの変位部７３Ｓに形成された変位電極Ｅ２と、支持基板の対向位置に形成された固定電極Ｅ１とによって容量素子Ｃを形成した場合、基本環状路ＢＳに沿って圧縮応力が作用したときと伸張応力が作用したときとでは、当該容量素子Ｃの静電容量値の増減が逆転する。
ここでは図示は省略するが、この正方形の検出リング７００Ｓの形状に合わせて、その外側を取り囲むような正方形の環状構造体からなる受力体１００Ｓと、当該受力体１００Ｓの外側輪郭線と同じ正方形を有する板状構造体からなる支持体（支持基板）３００Ｓとが用意される。すなわち、ここで述べる第４の実施形態では、検出リング７００Ｓは、Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面に配置された正方形を基本環状路ＢＳとする環状構造体であり、支持体（支持基板）３００Ｓは、Ｚ軸を中心軸としてＺ軸負領域に配置された正方形の板状構造体であり、受力体１００Ｓは、Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面に配置された正方形の環状構造体ということになる。
もちろん、受力体１００Ｓと検出リング７００Ｓとの間には接続部材が接続され、検出リング７００Ｓと支持基板３００Ｓとの間には固定部材が接続される。ただ、これらの接続位置に関しては、§５で述べた第２の実施形態とは若干異なっている。この第４の実施形態の場合、図３５に示すとおり、検出リング７００ＳのＸ軸上に２組の固定点Ｐ１５，Ｐ１６が定義され、これら固定点Ｐ１５，Ｐ１６の位置が固定部材５１５，５２５によって支持基板３００Ｓに固定される。一方、検出リング７００ＳのＹ軸上に２組の作用点Ｑ１５，Ｑ１６が定義され、これら作用点Ｑ１５，Ｑ１６の位置が、図示されていない接続部材によって受力体１００Ｓに接続される。
図３６は、図３５に示す検出リング７００Ｓの領域分布を示す上面図である（網目状のハッチングは、検出部Ｄ１１Ｓ〜Ｄ１８Ｓの領域を示すためのものであり、断面を示すものではない）。図示のとおり、検出リング７００Ｓは、８組の検出部Ｄ１１Ｓ〜Ｄ１８Ｓを、８組の連結部Ｌ１１Ｓ〜Ｌ１８Ｓで連結した構造を有する。検出部Ｄ１１Ｓ〜Ｄ１８Ｓが３枚の板状片によって構成されているのに対し、連結部Ｌ１１Ｓ〜Ｌ１８Ｓは肉厚の厚い部材から構成されており、検出リング７００Ｓに外力が作用した場合、当該外力に基づく検出リング７００Ｓの弾性変形は、検出部Ｄ１１Ｓ〜Ｄ１８Ｓに集中して生じることになる。
図３６に太い一点鎖線で示すような正方形状の基本環状路ＢＳを定義すると、この基本環状路ＢＳに沿って反時計まわりに、第１の連結部Ｌ１１Ｓ、第１の検出部Ｄ１１Ｓ、第２の連結部Ｌ１２Ｓ、第２の検出部Ｄ１２Ｓ、第３の連結部Ｌ１３Ｓ、第３の検出部Ｄ１３Ｓ、第４の連結部Ｌ１４Ｓ、第４の検出部Ｄ１４Ｓ、第５の連結部Ｌ１５Ｓ、第５の検出部Ｄ１５Ｓ、第６の連結部Ｌ１６Ｓ、第６の検出部Ｄ１６Ｓ、第７の連結部Ｌ１７Ｓ、第７の検出部Ｄ１７Ｓ、第８の連結部Ｌ１８Ｓ、第８の検出部Ｄ１８Ｓを、この順序で配置することにより検出リング７００Ｓが構成されている。
図の＜Ｉ＞，＜II＞，＜III＞，＜IV＞は、ＸＹ二次元座標系における第１象限〜第４象限を示している。８組の検出部Ｄ１１Ｓ〜Ｄ１８Ｓは、各象限にそれぞれ２組ずつ配置されている。
図３７は、図３５に示す検出リング７００Ｓについて、ＸＹ平面上に定義された基本環状路ＢＳおよびこの基本環状路ＢＳ上に定義された各点を示す平面図である。図に太い一点鎖線で示す基本環状路ＢＳは、ＸＹ平面上に配置された原点Ｏを中心とする正方形であり、検出リング７００Ｓは、この基本環状路ＢＳに沿って伸びる方形の環状構造体になる。図には、検出リング７００Ｓの内側輪郭線と外側輪郭線の位置が実線で示されている。図示の実施例の場合、基本環状路ＢＳは、検出リング７００Ｓの内側輪郭線と外側輪郭線との中間位置を通るＸＹ平面上の正方形であり、検出リング７００Ｓの環状肉厚部分（連結部Ｌ１１Ｓ〜Ｌ１８Ｓ）の中心線になる。
図３７を見ればわかるとおり、この第４の実施形態では、検出点Ｒ１１とＲ１２の間には、固定点Ｐや作用点Ｑは設けられていない。同様に、検出点Ｒ１３とＲ１４の間、検出点Ｒ１５とＲ１６の間、検出点Ｒ１７とＲ１８の間にも、固定点Ｐや作用点Ｑは設けられていない。別言すれば、第４の実施形態では、偶数ｎ個の連結部に対して、基本環状路に沿って順に番号を付与したときに、作用点Ｑおよび固定点Ｐが、いずれも奇数番目の連結部に配置され、かつ、作用点Ｑと固定点Ｐとが基本環状路ＢＳに沿って交互に配置されるようにする、という方針を採用している。
具体的には、図３６と図３７とを対比すればわかるとおり、第１の固定点Ｐ１５は第１の連結部Ｌ１１Ｓに配置され、第１の作用点Ｑ１５は第３の連結部Ｌ１３Ｓに配置され、第２の固定点Ｐ１６は第５の連結部Ｌ１５Ｓに配置され、第２の作用点Ｑ１６は第７の連結部Ｌ１７Ｓに配置されている。すなわち、固定点Ｐ１５，Ｐ１６および作用点Ｑ１，Ｑ２は、いずれも奇数番目の連結部に、かつ、交互になるように配置されており、偶数番目の連結部には、固定点Ｐも作用点Ｑも配置されていない。
ここで、検出リング７００Ｓの第１の作用点Ｑ１５の位置は、第１の接続部材によって受力体１００Ｓに接続され、検出リング７００Ｓの第２の作用点Ｑ１６の位置は、第２の接続部材によって受力体１００Ｓに接続される（各接続部材の図示は省略する）。同様に、検出リング７００Ｓの第１の固定点Ｐ１５の位置は、第１の固定部材５１５によって支持基板３００Ｓに固定され、検出リング７００Ｓの第２の固定点Ｐ１６の位置は、第２の固定部材５２５によって支持基板３００Ｓに固定される（図３５参照）。
より具体的には、図示の例の場合、第１の固定点Ｐ１５は正のＸ軸上に配置され、第２の固定点Ｐ１６は負のＸ軸上に配置され、第１の作用点Ｑ１５は正のＹ軸上に配置され、第２の作用点Ｑ１６は負のＹ軸上に配置されていることになる。そして、検出リング７００Ｓは、原点Ｏを中心としてＸＹ平面に配置された正方形の環状構造体であり、Ｙ軸に平行な方向に伸び正のＸ軸と交差する第１の辺Ｓ１と、Ｘ軸に平行な方向に伸び正のＹ軸と交差する第２の辺Ｓ２と、Ｙ軸に平行な方向に伸び負のＸ軸と交差する第３の辺Ｓ３と、Ｘ軸に平行な方向に伸び負のＹ軸と交差する第４の辺Ｓ４と、を有している。
そして、第１の検出点Ｒ１１は、第１の辺Ｓ１の正のＹ座標をもつ位置に配置され、第２の検出点Ｒ１２は、第２の辺Ｓ２の正のＸ座標をもつ位置に配置され、第３の検出点Ｒ１３は、第２の辺Ｓ２の負のＸ座標をもつ位置に配置され、第４の検出点Ｒ１４は、第３の辺Ｓ３の正のＹ座標をもつ位置に配置され、第５の検出点Ｒ１５は、第３の辺Ｓ３の負のＹ座標をもつ位置に配置され、第６の検出点Ｒ１６は、第４の辺Ｓ４の負のＸ座標をもつ位置に配置され、第７の検出点Ｒ１７は、第４の辺Ｓ４の正のＸ座標をもつ位置に配置され、第８の検出点Ｒ１８は、第１の辺Ｓ１の負のＹ座標をもつ位置に配置されている。
ここで述べる第４の実施形態に係る力覚センサでは、このような８組の検出点Ｒ１１〜Ｒ１８の位置に配置された８組の検出部Ｄ１１Ｓ〜Ｄ１８Ｓについて、それぞれ容量素子Ｃ１１〜Ｃ１８が形成される。当該力覚センサについて、各軸方向の力もしくは各軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子Ｃ１１〜Ｃ１８の静電容量値Ｃ１１〜Ｃ１８の変動量（増減の程度）は、図３８のテーブルに示すようなものになる。ここで、「０」と記された欄は、有意な変動量が生じないことを示し、「＋」もしくは「−」と記された欄は、静電容量値が増加もしくは減少することを示す。また、「＋＋」もしくは「−−」と記された欄は、静電容量値の増加もしくは減少の程度がより大きいことを示す。
この図３８のテーブルに示す結果を前提とすれば、受力体１００Ｓに作用した外力の６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚは、図３９に示す演算式によって算出することができる。
まず、Ｘ軸方向の力Ｆｘは、図３８のテーブルのＦｘの行の各欄を参照すれば、Ｆｘ＝＋Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１６＋Ｃ１７なる演算によって得られることになる。同様に、Ｙ軸方向の力Ｆｙは、図３８のテーブルのＦｙの行の各欄を参照すれば、Ｆｙ＝−Ｃ１１−Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１８なる演算によって得られることになる。そして、Ｚ軸方向の力Ｆｚは、図３８のテーブルのＦｚの行の各欄を参照すれば、Ｆｚ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８）なる演算によって得られることになる。
一方、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘは、図３８のテーブルのＭｘの行の各欄を参照すれば、Ｍｘ＝−Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１４＋Ｃ１５＋Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８なる演算によって得られることになる。同様に、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙは、図３８のテーブルのＭｙの行の各欄を参照すれば、Ｍｙ＝＋Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ１３−Ｃ１４−Ｃ１５−Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８なる演算によって得られることになる。そして、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚは、図３８のテーブルのＭｚの行の各欄を参照すれば、Ｍｚ＝−Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４−Ｃ１５−Ｃ１６＋Ｃ１７＋Ｃ１８なる演算によって得られることになる。
図３５に示す検出リング７００Ｓを利用して構成される基本構造部は、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称性を有している。このため、図３９に示す各演算式を用いれば、他軸成分の干渉を排除した検出値を得ることができる。ここでは図示は省略するが、この図３９に示す演算式に基づく演算を行う検出回路を用意しておけば、６軸成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚに対応する電圧値を電気信号として出力することができる。前述したように、他軸成分の干渉を完全になくすことは困難であるが、実用上は、問題のないレベルに抑えられ、必要があれば、マイクロコンピュータなどを用いた演算を行うことにより、他軸成分を除去する補正を行うことも可能である。
なお、図３９に示す演算式は、各軸成分を算出するための演算式の一例を示すものであり、これとは別の演算式を用いて各軸成分を算出することも可能である。たとえば、力Ｆｚは、Ｆｚ＝−（Ｃ１１＋Ｃ１３＋Ｃ１５＋Ｃ１７）、もしくは、Ｆｚ＝−（Ｃ１２＋Ｃ１４＋Ｃ１６＋Ｃ１８）なる演算式で求めることが可能であり、モーメントＭｘは、Ｍｘ＝−Ｃ１２−Ｃ１３＋Ｃ１６＋Ｃ１７なる演算式で求めることが可能であり、モーメントＭｙは、Ｍｙ＝＋Ｃ１１−Ｃ１４−Ｃ１５＋Ｃ１８なる演算式で求めることが可能であり、モーメントＭｚは、Ｍｚ＝−Ｃ１１＋Ｃ１３−Ｃ１５＋Ｃ１７、もしくは、Ｍｚ＝−Ｃ１２＋Ｃ１４−Ｃ１６＋Ｃ１８なる演算式で求めることが可能である。
図４０は、このような演算式のバリエーションを示す図である。理論的には、８組の静電容量値Ｃ１１〜Ｃ１８のすべてを利用した演算を行った方がより精度の高い検出値を得ることができるが、実際には、図４０にバリエーションとして示す各演算式に基づく演算を行っても、実用上、十分な精度をもった検出結果を得ることができる。したがって、検出回路の演算負担をできるだけ軽減したい場合には、図４０に示すバリエーションを採用すればよい。
＜＜＜ §８． その他の変形例 ＞＞＞
これまで本発明に係る力覚センサをいくつかの実施形態について説明してきたが、ここでは、更にいくつかの変形例を述べておく。
＜８−１．作用点や固定点の位置を変えた変形例＞
図４１は、本願第５の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図である。この第５の実施形態は、図２７に示す第２の実施形態と同様、各部が円形形状をなし、８組の検出部Ｄ１１〜Ｄ１８を用いる力覚センサである。この図４１に示す第５の実施形態に係る力覚センサの基本構造部は、図２７に示す第２の実施形態に係る力覚センサの基本構造部とほとんど同じであり、実際、検出リング７００、受力体１００、支持基板３００については全く同一の部材が用いられている。したがって８組の検出部Ｄ１１〜Ｄ１８の構造や配置にも変わりはなく、８組の容量素子の構造や配置にも変わりはない。
すなわち、図４１に示す基本構造部において、検出リング７００は、原点Ｏを中心としてＸＹ平面に配置された円形の環状構造体であり、ＸＹ平面において、原点Ｏを起点として、Ｘ軸正方向に対して反時計まわりに角度θをなす方位ベクトルＶec（θ）を定義したときに、第ｉ番目（但し、１≦ｉ≦８）の検出点は、方位ベクトルＶec（π／８＋（ｉ−１）・π／４）と基本環状路Ｂとの交点位置に配置されている。これは、図２７に示す基本構造部と共通する構造である。両者の相違は、作用点Ｑおよび固定点Ｐの位置と、検出回路の構成（用いる演算式）である。
図２７に示す基本構造部の場合、４組の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４（白丸）がＸ軸もしくはＹ軸上に配置され、４組の固定点Ｐ１１〜Ｐ１４（黒丸）がＶ軸もしくはＷ軸上に配置されている。このため、検出リング７００は、４組の接続部材４６０，４７０，４８０，４９０によって受力体１００に接続され、４組の固定部材５６０，５７０，５８０，５９０によって支持基板３００に接続されている。
これに対して、図４１に示す基本構造部の場合、２組の作用点Ｑ１５，Ｑ１６（白丸）がＹ軸上に配置され、２組の固定点Ｐ１５，Ｐ１６（黒丸）がＸ軸上に配置されている。このため、検出リング７００は、２組の接続部材４７０，４９０によって受力体１００に接続され、２組の固定部材５１６，５２６によって支持基板３００に接続されている。
結局、図４１に示す第５の実施形態に係る力覚センサは、外形形状は図２７に示す第２の実施形態に係る力覚センサに類似しているものの、作用点Ｑおよび固定点Ｐの配置に関しては、図３５に示す正方形状の部材を用いた第４の実施形態に係る力覚センサと同じである。第４の実施形態では、偶数ｎ個の連結部に対して、基本環状路ＢＳに沿って順に番号を付与したときに、作用点Ｑおよび固定点Ｐが、いずれも奇数番目の連結部に配置され、かつ、作用点Ｑと固定点Ｐとが基本環状路ＢＳに沿って交互に配置されるようにする、という方針を採用している。図４１に示す第５の実施形態でも、上記方針に基づいて作用点Ｑおよび固定点Ｐの配置が行われているため、Ｖ軸上やＷ軸上には、作用点Ｑも固定点Ｐも配置されていない。
したがって、この第５の実施形態に係る力覚センサにおける８組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１８の静電容量値の変動態様は、図２８に示すテーブル（第２の実施形態についてのテーブル）とは異なるものになり、各軸成分を検出するために用いる演算式も、図２９に示す演算式（第２の実施形態についての演算式）とは異なるものになる。ここでは、第５の実施形態についての静電容量値の変動態様を示すテーブルや各軸成分を検出するために用いる演算式の説明は省略するが、実際には、図３８に示すテーブルや図３９に示す演算式に近いものが得られる。
このように、本発明を実施する際に、物理的な構造が全く同一の検出リングを用いた場合でも、作用点Ｑや固定点Ｐの位置に応じて、検出リングの変形態様は異なり、各軸成分を求めるための演算式も異なってくる点は留意しておくべき事項である。
＜８−２．受力体を内側に配置した変形例＞
これまで述べてきた実施形態では、受力体として、内部に検出リングを収容可能な環状構造体を用い、受力体を検出リングの外側に配置していたが、受力体は、必ずしも検出リングの外側に配置する必要はない。たとえば、検出リングが、内部に受力体を収容可能な環状構造体であれば、受力体を検出リングの内側に配置することも可能である。
図４２は、本発明の第６の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）およびこれをＸＺ平面で切断した側断面図（下段の図）である。この図４２に示す基本構造部における検出リング７００は、図２７に示す第２の実施形態に係る基本構造部における検出リング７００と全く同じものであり、８組の検出部Ｄ１１〜Ｄ１８の構造や配置、８組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１８の構造や配置、４組の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４の配置、４組の固定点Ｐ１１〜Ｐ１４の配置に関しては、何ら相違はない。ただ、図２７に示す受力体１００が、検出リング７００の外側に配置されている円環状構造体であるのに対して、図４２に示す受力体１５０は、検出リング７００の内側に配置されている円柱状構造体になっている。
このため、検出リング７００を支持基板３８０に固定するための４組の固定部材５６０，５７０，５８０，５９０の配置は第２の実施形態と同じであるが、検出リング７００を受力体１５０に接続するための４組の接続部材４６５，４７５，４８５，４９５は、検出リング７００の内側に設けられている。すなわち、４組の接続部材４６５，４７５，４８５，４９５は、検出リング７００の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４の位置を受力体１５０に接続するため、検出リング７００の内周面と受力体１５０の外周面とを接続する部材として設けられる。
図４２の下段の側断面図を見ればわかるとおり、受力体１５０が検出リング７００の内側に収容されているため、支持基板３８０は、検出リング７００の外径と等しい外径をもった円盤状の部材によって構成されている。このため、基本構造部の径方向のサイズを小さく設定することができる。なお、図示の例では、受力体１５０の厚みが検出リング７００の厚みより大きく設定されているため、受力体１５０の上端が上方へと突き出る構造になっているが、全体を薄型化したい場合には、受力体１５０の厚みが検出リング７００の厚みと等しくなるようにすればよい。
このように、受力体１５０を検出リング７００の内側に収容する構造を採用すると、検出リング７００の内側空洞部を有効利用することができ、装置の小型化を図ることができる。ただ、外力の作用を受けたときに変形を生じる検出リング７００が、外側にむき出しの状態になるので、この検出リング７００の部分が何らかの物体に接触すると、検出リング７００の本来の変形（上述した検出原理に必要な変形）が妨げられ、正しい検出結果を得ることができなくなる。したがって、第６の実施形態を採用する際には、検出リング７００の本来の変形が妨げられることがないよう、外側に保護カバーを設けるなどの配慮を行うのが好ましい。
この第６の実施形態に係る力覚センサにおける各軸成分の検出動作は、§５で述べた第２の実施形態に係る力覚センサの動作と同様であるため、ここでは説明は省略する。
＜８−３．受力体を上方に配置した変形例＞
§８−２では、受力体を検出リングの内側に配置した変形例を述べたが、受力体の配置は、検出リングの外側や内側に限定されるものではない。理論的には、受力体は、検出リングの本来の変形を妨げることなしに、検出対象となる力やモーメントを検出リングの作用点Ｑに伝達させることができる位置であれば、どのような位置に配置してもかまわない。ここでは、受力体を検出リングの上方に配置した変形例を述べる。
図４３は、本発明の第７の実施形態に係る力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）およびこれをＸＺ平面で切断した側断面図（下段の図）である。この図４３に示す基本構造部における検出リング７００および支持基板３８０は、図４２に示す第６の実施形態に係る基本構造部における検出リング７００および支持基板３８０と全く同じものであり、４組の固定部材５６０，５７０，５８０，５９０の配置も同じである。
ただ、図４２に示す受力体１５０が、検出リング７００の内側に配置されている円柱状構造体であるのに対して、図４３に示す受力体１８０は、検出リング７００の上方に配置されている円盤状構造体になっている。この例の場合、受力体１８０は、検出リング７００の外径と等しい外径をもった円盤状の部材、すなわち、支持基板３８０と全く同一の形状をもった部材によって構成されている。
このため、検出リング７００を支持基板３８０に固定するための４組の固定部材５６０，５７０，５８０，５９０の配置は第６の実施形態と同じであるが、検出リング７００を受力体１８０に接続するための４組の接続部材４９１，４９２，４９３，４９４は、検出リング７００の上方に設けられている。図４３の上段の図に破線で示されているように、４組の接続部材４９１，４９２，４９３，４９４は、円柱状の部材であり、検出リング７００の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４の位置を受力体１８０に接続するため、検出リング７００の上面と受力体１８０の下面とを接続する部材として設けられる。
結局、この第７の実施形態に係る力覚センサでは、ＸＹ平面を水平面にとり、Ｚ軸を垂直上方に向かう軸としたときに、検出リング７００をＸＹ平面に配置し、支持体（支持基板３８０）を検出リング７００の下方に所定間隔をおいて配置し、受力体１８０を検出リングの上方に所定間隔をおいて配置する構成が採用されていることになる。
このように、受力体１８０を検出リング７００の上方に配置した場合でも、検出リング７００の作用点Ｑ１１〜Ｑ１４に検出対象となる力やモーメントを伝達する機能に変わりはない。この第７の実施形態に係る力覚センサにおける各軸成分の検出動作も、§５で述べた第２の実施形態に係る力覚センサの動作と同様であるため、ここでは説明は省略する。
＜８−４．受力体や支持体の形状および配置に関するその他の変形例＞
これまで述べた第１〜第５の実施形態では、環状構造体からなる受力体１００を用いているが、これは受力体１００を検出リングの外側に配置するための便宜である。一方、§８−２で述べた第６の実施形態に用いる受力体１５０（図４２）は円柱状をなし、§８−３で述べた第７の実施形態に用いる受力体１８０（図４３）は円盤状をなしている。このように、受力体の形状は、個々の実施形態において適切な形状に設計すれば足り、環状構造体であっても、板状構造体であってもかまわない。もちろん、円形の構造体であっても、矩形の構造体であってもかまわない。
同様に、これまで述べた第１〜第７の実施形態では、板状構造体からなる支持基板３００，３８０を支持体として用いているが、本発明における支持体は、検出リングを支持する役割を果たす部材であれば足り、その形状は任意のものでかまわない。したがって、必ずしも板状構造体である必要はなく、環状構造体を支持体として用いることも可能である。
また、これまで述べた第１〜第７の実施形態では、支持体（支持基板３００，３８０）を検出リングの下方に配置しているが、支持体は必ずしも検出リングの下方（検出リングをＸＹ平面上に配置したときのＺ軸負領域）に配置する必要はなく、任意の位置に配置することが可能である。もっとも、支持体を、検出リングの下方に配置した支持基板によって構成すれば、その上面に固定電極を形成することができるので、製造工程を単純化する上では、検出リングの下方に配置した板状構造体によって支持体を構成するのが好ましい。
＜８−５．検出部のバリエーション＞
ここでは、検出部Ｄの構造に関するバリエーションを述べておく。これまで述べてきた実施形態では、いずれも図１７に例示する構造をもった検出部Ｄが利用されている。この検出部Ｄは、弾性変形を生じる第１の変形部６１および第２の変形部６２と、これら変形部６１，６２の弾性変形により変位を生じる変位部６３とを有している。
より具体的には、図１７(a) に示すとおり、検出点Ｒの位置に配置される検出部Ｄは、弾性変形を生じる第１の板状片６１および第２の板状片６２と、両端がこれらの板状片６１，６２によって支持された第３の板状片６３とによって構成されており、第３の板状片６３が変位部として機能する。ここで、検出点Ｒの位置にＸＹ平面に直交する法線Ｎを立てたときに、第１の板状片６１および第２の板状片６２は、法線Ｎに対して傾斜しており、かつ、第１の板状片６１の傾斜方向と第２の板状片６２の傾斜方向とは逆向きになっている。また、力もしくはモーメントが作用していない状態において、第３の板状片６３（変位部）の対向面と支持基板３００の対向面とは平行を維持する。
ここで、これまで述べてきた図１３，図１６，図２４，図２７，図３１，図４１，図４２に示す実施例における検出部の平面形状に着目すると、第１の板状片６１，７１および第２の板状片６２，７２、ならびに第３の板状片６３，７３のＸＹ平面への投影像はいずれも台形に近い扇形をしており、当該投影像の左右の輪郭線は原点Ｏに向かう半径に沿ったものになっている。たとえば、図１３(c) に示されている検出部Ｄ４を構成する板状片６１，６２，６３の平面形状は、いずれも台形に近い扇形をしている。これは、検出リング６００が円環状をしているため、この円環に合わせて各検出部Ｄ１〜Ｄ４を設計したためである。
これに対して、図３５に示す実施例では、たとえば、検出部Ｄ１１Ｓを構成する板状片７１Ｓ，７２Ｓ，７３Ｓの平面形状は、いずれも矩形をしている。これは、検出リング７００Ｓが方環状をしているため、この方環に合わせて各検出部Ｄ１１Ｓ〜Ｄ１８Ｓを設計したためである。
このように、これまで述べてきた実施例では、検出リングの形状に合わせて、検出部を構成する各板状片の平面形状を扇形もしくは矩形にする設計を行っているが、各板状片の平面形状は、必ずしも上例のような使い分けを行う必要はない。たとえば、図１３(c) に示すように、円環状の検出リング６００を採用した場合であっても、各板状片６１，６２，６３の平面形状がいずれも矩形となるような設計を行ってもかまわない。図１３(c) に示す実施例において、各板状片６１，６２，６３の平面形状を図３５の実施例に示す各板状片７１Ｓ，７２Ｓ，７３Ｓのような矩形にすれば、検出部Ｄの立体構造を切削加工やワイヤーカット加工によって形成する場合、加工器具を同一方向に駆動する単純な工程を採用することができるようになり、センサを量産する上では好ましい。
なお、図１７(a) に例示する断面構造をもった検出部Ｄは、本発明を実施するにあたり、最も好ましい構造をもった検出部の１つであるが、本発明に利用可能な検出部Ｄの構造は、この図１７(a) に例示する構造に限定されるものではない。図４４は、検出部Ｄの構造のバリエーションを示す部分断面図である。
図４４(a) に示す検出部ＤＢは、検出リング６００Ｂの一部に設けられた検出部であり、第１の板状片６１Ｂ，第２の板状片６２Ｂ，変位部６３Ｂ，第１の橋梁部６４Ｂ，第２の橋梁部６５Ｂを有している。図示のとおり、変位部６３Ｂ，第１の橋梁部６４Ｂ，第２の橋梁部６５Ｂは、いずれもＸＹ平面（基本環状路Ｂを含む平面）に対して平行になるように配置された板状の構成要素であり、第１の板状片６１Ｂ，第２の板状片６２Ｂは、いずれもＸＹ平面に対して直交するように（法線Ｎに対して平行になるように）配置された板状の構成要素である。
図１７(a) に示す検出部Ｄの場合、第１の板状片６１および第２の板状片６２が互いに逆向きになるように傾斜しているが、図４４(a) に示す検出部ＤＢの場合、第１の板状片６１Ｂ，第２の板状片６２Ｂは互いに平行な状態になっている。したがって、この検出部ＤＢでは、圧縮力ｆ１が作用した場合も、伸張力ｆ２が作用した場合も、第１の板状片６１Ｂおよび第２の板状片６２Ｂが法線Ｎに対して傾斜するので、いずれの場合も変位部６３Ｂは図の上方に移動することになる。したがって、容量素子Ｃの静電容量値の増減により、作用した力やモーメントの向きを検出することはできないが、作用する力やモーメントの方向が定まっている用途であれば、検出部ＤＢにより作用した力やモーメントの大きさを検出することが可能である。
図４４(b) に示す検出部ＤＣは、検出リング６００Ｃの一部に設けられた検出部であり、第１の板状片６１Ｃ，第２の板状片６２Ｃ，変位部６３Ｃ，第１の橋梁部６４Ｃ，第２の橋梁部６５Ｃを有している。図示のとおり、変位部６３Ｃ，第１の橋梁部６４Ｃ，第２の橋梁部６５Ｃは、いずれもＸＹ平面（基本環状路Ｂを含む平面）に対して平行になるように配置された板状の構成要素であり、第１の板状片６１Ｃ，第２の板状片６２Ｃは、法線Ｎに対して、互いに逆向きになるように傾斜して配置された板状の構成要素である。ただ、図１７(a) に示す検出部Ｄとは、傾斜の態様が異なっており、板状片６１Ｃ，６２Ｃ間の距離は、図の下方にゆくほど広がっている。
この検出部ＤＣでは、圧縮力ｆ１が作用した場合には、変位部６３Ｃは図の上方に移動し、伸張力ｆ２が作用した場合には、変位部６３Ｃは図の下方に移動することになり、図１７(a) に示す検出部Ｄとは変位の方向が逆になるものの、容量素子Ｃの静電容量値の増減により、作用した力やモーメントの向きおよび大きさを検出することができる。
図４４(c) に示す検出部ＤＤは、検出リング６００Ｄの一部に設けられた検出部であり、１枚の板状変形部８０からなる非常に単純な構造を有する。板状変形部８０は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる構成要素であり、その板面は、ＸＹ平面（基本環状路Ｂを含む平面）に対して傾斜するように配置されている。この検出部ＤＤでは、圧縮力ｆ１や伸張力ｆ２が作用すると、板状変形部８０に撓みが生じることになる。
これまで述べてきた各実施形態のように、検出素子として容量素子を用いる場合には、検出部ＤＤのような単純な構造はあまり好ましくないが、後述するように、検出素子としてストレインゲージを用いる場合には、この検出部ＤＤのような単純な構造も十分に利用価値がある。
もちろん、検出部Ｄとしては、この他にも様々な構造のものを採用することができる。本発明に用いる検出部としては、要するに、基本環状路Ｂに沿った方向に圧縮力ｆ１や伸張力ｆ２が作用したときに、変位や撓みが生じる構造であれば、どのような構造のものであってもかまわない。一方、連結部は、ある程度の可撓性を有していてもかまわないが、作用した外力によって、検出部に効果的な変形を生じさせる上では、連結部はなるべく変形しない方が好ましい。したがって、実用上は、検出部の少なくとも一部は、検出素子によって有意な検出が可能な弾性変形を生じる弾性変形体とし、連結部は、検出素子の検出感度においては有意な変形が検出されない剛体とするのが好ましい。
また、これまで述べてきた実施形態では、変位部６３がＺ軸方向に変位する構造をもった検出部Ｄが用いられているが、変位部６３の変位方向は必ずしもＺ軸方向である必要はない。
図４５は、図１６に示す第１の実施形態における検出リング６００の代わりに、検出部の向きを変えた検出リング８００を用いた変形例に係る力覚センサの基本構造部の上面図（上段の図）およびこれをＸＺ平面で切断した側断面図（下段の図）である。図１６に示す検出リング６００に設けられていた４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４は、図４５に示す検出リング８００では４組の検出部Ｄ１′〜Ｄ４′に置き換えられている。ここで、４組の検出部Ｄ１′〜Ｄ４′の基本構造は図１７(a) に示す検出部Ｄの構造に類似しているが、検出リング上での向きが異なっている。
図４５の検出部Ｄ１′を見るとわかるように、検出部Ｄ１′は、弾性変形を生じる第１の板状片９１および第２の板状片９２と、両端がこれらの板状片９１，９２によって支持された第３の板状片９３とによって構成されており、第３の板状片９３が変位部として機能する。ここで、各板状片９１，９２，９３は、それぞれ図１７(a) に示す各板状片６１，６２，６３に対応するものであるが、検出リングに対して配置される向きが異なっている。
すなわち、図１６に示す検出リング６００に設けられている４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４では、変位部６３が検出リング６００の下方に位置しており、変位部６３の下面が支持基板３００の上面に対向している。これに対して、図４５に示す検出リング８００に設けられている４組の検出部Ｄ１′〜Ｄ４′では、変位部９３が検出リング８００の外側に位置しており、変位部９３の外側面が受力体１００の内周面に対向している。
別言すれば、図４５に示す４組の検出部Ｄ１′〜Ｄ４′は、図１６に示す４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４を基本環状路Ｂを回転軸として９０°回転させたような構造を有している。したがって、基本環状路Ｂに沿って圧縮力ｆ１が作用すると、変位部９３は外側に変位し（図１７(b) 参照）、基本環状路Ｂに沿って伸張力ｆ２が作用すると、変位部９３は内側に変位する（図１７(c) 参照）。
このように、図１６に示す検出リング６００に設けられている４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４では、変位部６３がＺ軸方向に変位するのに対して、図４５に示す検出リング８００に設けられている４組の検出部Ｄ１′〜Ｄ４′では、変位部９３が原点Ｏを中心としてＸＹ平面上に描かれた円の半径方向に変位することになる。したがって、図４５に示すとおり、変位部９３の外側面に変位電極Ｅ２を形成し、これに対向する受力体１００の内周面に固定電極Ｅ１を形成しておけば、これら一対の電極Ｅ１，Ｅ２によって容量素子Ｃを構成することができる。そして、当該容量素子Ｃの静電容量値は、変位部９３の半径方向への変位を示すパラメータとして利用できる。
もちろん、この図４５に示す４組の検出部Ｄ１′〜Ｄ４′について形成された４組の容量素子Ｃ１′〜Ｃ４′の挙動は、図１６に示す４組の検出部Ｄ１〜Ｄ４について形成された４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の挙動とは異なるため、４組の容量素子Ｃ１′〜Ｃ４′の静電容量値の変動形態は、図２０のテーブルに示すものとは異なるものになる。しかしながら、４組の容量素子Ｃ１′〜Ｃ４′の静電容量値の変動形態を示すテーブルとして、図２０のテーブルのようなテーブルを作成すれば、検出対象となる力やモーメントの各軸成分を算出する演算式が導出できる。
ここでは、図４５に示す力覚センサについて、各軸成分を算出するための具体的な演算式の記載は省略するが、この図４５に示す変形例は、次の２つの重要な点を示している。第１の点は、検出素子として容量素子を用いる場合、当該容量素子の電極間隔の変化は、必ずしもＺ軸方向に関するものである必要はない、という点である。図示の例は、容量素子の電極間隔の変化が半径方向に生じる例であるが、もちろん、電極間隔の変化が他の任意の方向に生じるような容量素子を用いてもかまわない。
そして、第２の点は、検出素子として容量素子を用いる場合、変位電極Ｅ２は検出部（すなわち、検出リング）に設ける必要があるが、当該変位電極Ｅ２に対向する固定電極Ｅ１は、必ずしも支持体（支持基板３００）に設ける必要はなく、受力体１００に設けてもかまわない、という点である。§８−４までに述べてきた各実施形態では、固定電極Ｅ１はいずれも支持基板３００の上面に設けられているが、図４５に示す変形例の場合、固定電極Ｅ１は支持基板３００ではなく、円環状の受力体１００の内周面に設けられている。ここで、受力体１００は、外力の作用により変位を生じることになり、その結果、固定電極Ｅ１についても変位が生じる可能性があるが、当該変位は変位電極Ｅ２の変位に完全に連動したものではないので、各容量素子Ｃ１′〜Ｃ４′の静電容量値の変動形態に基づいて、受力体１００に作用した外力を検出することは可能である。
＜８−６．ストレインゲージを用いた変形例＞
これまで述べてきた実施形態では、検出部に生じた弾性変形を検出する検出素子として容量素子を用いているが、本発明を実施する上で、検出素子は必ずしも容量素子に限定されるものではない。ここでは、検出素子として、検出部の弾性変形を生じる位置に固定されたストレインゲージを用い、検出回路として、このストレインゲージの電気抵抗の変動に基づいて、作用した力もしくはモーメントを示す電気信号を出力する回路を用いた変形例を示しておく。
図４６は、図４４(c) 示す検出部ＤＤを構成する板状変形部８０の弾性変形の態様を示す部分断面図である。図４６(a) は、この検出部ＤＤに外力が作用していない状態を示している。図示のとおり、検出部ＤＤは、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる板状変形部８０によって構成されている。ここで、板状変形部８０は、その板面が基本環状路Ｂに対して傾斜するように配置されている。実際には、このような検出部ＤＤが、検出リング６００Ｄの複数箇所に配置される。別言すれば、検出リング６００Ｄは、複数の板状変形部８０と複数の連結部Ｌとを交互に配置してなる環状構造体ということになる。
いま、この検出リング６００Ｄの検出点Ｒの位置に、図４６(b) に示すような圧縮力ｆ１が作用した場合を考えてみる。この場合、板状変形部８０は撓みを生じることになるが、その表面各部には、図に「−」もしくは「＋」で示す応力が発生する。ここで、「＋」は圧縮応力（すなわち、基本環状路Ｂに沿って縮める方向の応力）を示し、「−」は伸張応力（すなわち、基本環状路Ｂに沿って図の左右に広げる方向の応力）を示している。板状変形部８０の表面に生じる応力は、図示のとおり、板状変形部８０の連結部Ｌに対する接続端近傍に集中する。一方、検出点Ｒの位置に伸張力ｆ２が作用した場合は、図４６(b) とは逆符号の応力分布が得られる。
これに対して、図４６(c) は、隣接する一対の連結部Ｌについて、縦方向の力が作用した場合に生じる応力分布を示している。具体的には、図示の例は、左側の連結部Ｌに対しては図の下方への力ｆ３が作用し、右側の連結部Ｌに対しては図の上方への力ｆ４が作用したときに生じる応力分布を示すものである。この場合も、やはり板状変形部８０の表面に生じる応力は、板状変形部８０の連結部Ｌに対する接続端近傍に集中する。
このような応力分布を考慮すれば、図示のような板状変形部８０からなる検出部ＤＤを用いて、ストレインゲージによって検出部ＤＤに生じた弾性変形を検出するには、板状変形部８０の連結部Ｌに対する接続端近傍の両面に、各ストレインゲージを配置すると効果的な検出が可能になることがわかる。
図４７は、このような考え方に基づき、図４４(c) 示す検出部ＤＤに生じた弾性変形を検出する検出素子としてストレインゲージを用いた例を示す側面図（図(a) ）および上面図（図(b) ）である。なお、検出リングが円形の場合、基本環状路Ｂは円を構成することになるが、図４７では、説明の便宜上、基本環状路Ｂの一部を直線で示している。
図示のとおり、検出部ＤＤを構成する板状変形部８０について、左側の連結部Ｌに対する第１の接続端近傍の表側の面に第１のストレインゲージｒ１が張り付けられ、裏側の面に第２のストレインゲージｒ２が張り付けられている。同様に、右側の連結部Ｌに対する第２の接続端近傍の表側の面に第３のストレインゲージｒ３が張り付けられ、裏側の面に第４のストレインゲージｒ４が張り付けられている。
図４８は、図４７に示す４組のストレインゲージｒ１〜ｒ４の検出結果に基づいて電気信号を出力するブリッジ回路１９を示す回路図である。具体的には、このブリッジ回路１９は、第１のストレインゲージｒ１と第４のストレインゲージｒ４とを第１の対辺とし、第２のストレインゲージｒ２と第３のストレインゲージｒ３とを第２の対辺とする回路になっており、ブリッジ電圧源ｅから所定の電圧を印加することにより動作する。このブリッジ回路１９について、両出力端子Ｔ５，Ｔ６間に発生するブリッジ電圧を検出する検出回路を設けておけば、当該ブリッジ電圧は、図４６(b) に示すような変形もしくは図４６(c) に示すような変形の程度を示すパラメータとして利用できる。
ここでは、検出素子としてストレインゲージを用いた力覚センサの具体的な構造や、各軸成分の具体的な検出原理についての説明は省略するが、検出部の表面に生じる応力分布を実測あるいはシミュレーションによって求めれば、ストレインゲージの効果的な配置を決定することができ、これらストレインゲージによって構成されたブリッジ回路のブリッジ電圧に基づく所定の演算処理を行うことにより、所望の軸方向成分の検出値を電気信号として得ることが可能である。
本発明に係る力覚センサは、ＸＹＺ三次元直交座標系における任意の座標軸方向の力もしくは任意の座標軸まわりのモーメントを検出する機能を有する。しかも、高い生産効率が実現可能であるため、様々な産業機器において力やモーメントを測定するために利用可能である。特に、ロボットアームを用いて自動組立を行う産業機器において、アームの関節部分に組み込み、アームの先端部に生じる力を監視し、これを制御する用途に最適である。
１１〜１４：Ｃ／Ｖ変換回路
１５〜１８：加減算演算器
１９：ブリッジ回路
６１，６１Ｂ，６１Ｃ：第１の変形部
６２，６２Ｂ，６２Ｃ：第２の変形部
６３，６３Ｂ，６３Ｃ：変位部
６４Ｂ，６４Ｃ：第１の橋梁部
６５Ｂ，６５Ｃ：第２の橋梁部
７１，７１Ｓ：第１の変形部
７２，７２Ｓ：第２の変形部
７３，７３Ｓ：変位部
８０：板状変形部
９１：第１の変形部
９２：第２の変形部
９３：変位部
１００：受力体
１５０：受力体
１８０：受力体
２００：検出リング
３００：支持基板
３００ｄ：ダイアフラム部
３５０：固定補助体
３８０：支持基板
４１０，４２０：接続部材
４６０，４６５：接続部材
４７０，４７５：接続部材
４８０，４８５：接続部材
４９０〜４９５：接続部材
５１０，５１５，５１６：固定部材
５２０，５２５，５２６：固定部材
５３１，５３２，５３２ｄ：補助接続部材
５６０，５７０，５８０，５９０：固定部材
６００，６００Ｂ，６００Ｃ，６００Ｄ：検出リング
６００ｄ：ダイアフラム部
７００，７００Ｓ：検出リング
８００：検出リング
Ａ１，Ａ２：接続参照線
Ｂ，ＢＳ：基本環状路
Ｃ，Ｃ１〜Ｃ４，C１１〜C１８：容量素子（その静電容量値）
Ｄ，Ｄ１〜Ｄ４，Ｄ１１〜Ｄ１８，Ｄ１１Ｓ〜Ｄ１８Ｓ，ＤＢ，ＤＣ，ＤＤ，Ｄ１′〜Ｄ４′：検出部
ｄ１〜ｄ８：対向面の距離
Ｅ１：固定電極
Ｅ１１〜Ｅ１８：固定電極
Ｅ２，Ｅ２（Ｄ１）〜Ｅ２（Ｄ４）：変位電極
Ｅ２１〜Ｅ２８：変位電極
ＥＬ：大面積電極
ＥＳ：小面積電極
ｅ：ブリッジ電圧源
Ｆｘ：Ｘ軸方向の力
Ｆｙ：Ｙ軸方向の力
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力
ｆ１：圧縮力
ｆ２：伸張力
ｆ３，ｆ４：図の上下方向への力
Ｇ１，Ｇ２：溝部
Ｈ１，Ｈ２：空隙部
Ｉ１，Ｉ２：絶縁層
Ｌ，Ｌ１〜Ｌ４，Ｌ１１〜Ｌ１８，Ｌ１１Ｓ〜Ｌ１８Ｓ：連結部
Ｍｘ：Ｘ軸まわりのモーメント
Ｍｙ：Ｙ軸まわりのモーメント
Ｍｚ：Ｚ軸まわりのモーメント
Ｎ：法線
Ｏ：ＸＹＺ三次元座標系の原点
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ１１〜Ｐ１６：固定点
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１〜Ｑ１６：作用点
Ｒ１〜Ｒ４，Ｒ１１〜Ｒ１８：検出点／測定点
ｒ１〜ｒ４：ストレインゲージ
Ｓ１〜Ｓ４：矩形状の検出リング７００Ｓの各辺
Ｔ１〜Ｔ６：出力端子
Ｕ：鉛直面
Ｖ：ＸＹ平面上でＸ軸を反時計まわりに４５°回転させた軸
ＶＸ：Ｖ軸とＸ軸との中間に位置する座標軸
ＶＹ：Ｖ軸とＹ軸との中間に位置する座標軸
Ｖ１〜Ｖ４：電圧
Ｗ：ＸＹ平面上でＹ軸を反時計まわりに４５°回転させた軸
ＷＸ：Ｗ軸とＸ軸との中間に位置する座標軸
ＷＹ：Ｗ軸とＹ軸との中間に位置する座標軸
Ｘ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
Ｙ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
Ｚ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸

Claims (4)

  1. ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
    検出対象となる力もしくはモーメントの作用を受ける受力体であって、Ｚ軸に沿うＺ軸方向から見たときにリング状に形成された受力体と、
    前記受力体を支持する支持体と、
    前記受力体と前記支持体との間に接続され、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により弾性変形を生じる部分を有する検出部であって、前記Ｚ軸方向から見たときに前記受力体の内側に位置する検出部と、
    前記検出部に生じた弾性変形を検出する検出素子と、
    前記検出素子の検出結果に基づいて、前記受力体および前記支持体の一方に負荷がかかった状態において他方に作用した力もしくはモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記検出部の一端は、前記支持体に接続され、前記検出部の他端は、前記受力体に接続され、
    前記検出部は、第１の変形部と、第２の変形部と、変位部と、を有し、
    前記第１の変形部および前記第２の変形部は、前記変位部を介して接続され、
    前記検出素子は、前記変位部に固定された変位電極と、前記受力体に固定され、前記変位電極に対向する位置に位置する固定電極と、を有する容量素子によって構成され、
    前記Ｚ軸方向から見たときに、前記変位電極は、前記変位部の外側に位置するとともに、前記固定電極は、前記受力体の内側に位置し、
    前記検出回路は、前記容量素子の静電容量値の変動に基づいて、作用した力もしくはモーメントを示す電気信号を出力することを特徴とする力覚センサ。
  2. 請求項１に記載の力覚センサにおいて、
    前記Ｚ軸方向から見たときに、前記変位部は、前記受力体の半径方向に変位可能であることを特徴とする力覚センサ。
  3. 請求項１または２に記載の力覚センサにおいて、
    前記第１の変形部および前記第２の変形部は、板状片によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
    前記変位電極が、前記変位部の平坦面に固定されていることを特徴とする力覚センサ。
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