JP2024013127A - 力覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】構造を簡素化することができる力覚センサを提供する。【解決手段】本発明による力覚センサは、受力体と、支持体と、受力体と支持体とを接続する起歪体と、起歪体の弾性変形により生じた変位を検出する検出素子と、検出素子の検出結果に基づいて、受力体に作用した力またはモーメントを示す電気信号を出力する検出回路と、を備えている。起歪体は、受力体に接続された受力体側端部から支持体に接続された支持体側端部にわたって第１方向に延びる弾性変形体と、弾性変形体から第１方向に直交する第２方向に突出する変位体と、を含んでいる。検出素子は、支持体に設けられた固定電極基板と、変位体に設けられた、固定電極基板に対向する変位電極基板と、を含んでいる。【選択図】図４

Description

本発明は、力覚センサに関する。

従来より、所定の軸方向に作用した力および所定の回転軸周りに作用したモーメント（トルク）を電気信号として出力する力覚センサが知られている。力覚センサは、産業用ロボットを初めとして、協働ロボット、生活支援ロボット、医療用ロボットおよびサービスロボット等、各種ロボットの力制御等に幅広く利用されている。このため、高性能および高感度の力覚センサが求められているが、力覚センサの低価格化も求められている。しかしながら、力覚センサは複雑な構造を有しているために、低価格化を図ることが困難であった。

特許第６２５７０１７号公報

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、構造を簡素化することができる力覚センサを提供することを目的とする。

本発明は、
検出対象となる力またはモーメントの作用を受ける受力体と、
第１方向において前記受力体の一方の側に配置され、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を接続し、前記受力体が受けた力またはモーメントの作用により弾性変形する起歪体と、
前記起歪体の弾性変形により生じた変位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、前記起歪体に作用した力また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、
前記起歪体は、前記受力体に接続された受力体側端部から前記支持体に接続された支持体側端部にわたって前記第１方向に延びる弾性変形体と、前記弾性変形体から前記第１方向に直交する第２方向に突出する変位体と、を含み、
前記検出素子は、前記支持体に設けられた固定電極基板と、前記変位体に設けられた、前記固定電極基板に対向する変位電極基板と、を含む、力覚センサ、
を提供する。

なお、上述した力覚センサにおいて、
前記第１方向および前記第２方向に直交する方向を第３方向とし、
前記弾性変形体の前記第３方向の寸法は、前記弾性変形体の前記第２方向の寸法よりも大きい、
ようにしてもよい。

また、上述した力覚センサにおいて、
前記起歪体は、前記弾性変形体の両側で前記第２方向に突出する２つの前記変位体を含み、
前記検出素子は、２つの前記固定電極基板と、対応する前記固定電極基板に対向する２つの前記変位電極基板と、を含み、
前記変位体の各々に前記変位電極基板が設けられている、ようにしてもよい。

また、上述した力覚センサにおいて、
前記受力体と前記支持体は、４つの前記起歪体で接続され、
４つの前記起歪体は、第１起歪体と、第２起歪体と、第３起歪体と、第４起歪体と、を含み、
第１方向をＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向とし、
前記Ｚ軸方向で見たときに、前記受力体の中心に対してＹ軸方向負側に前記第１起歪体が配置され、前記受力体の中心に対してＸ軸方向正側に前記第２起歪体が配置され、前記受力体の中心に対してＹ軸方向正側に前記第３起歪体が配置され、前記受力体の中心に対してＸ軸方向負側に前記第４起歪体が配置され、
前記第１起歪体および前記第３起歪体の前記第２方向をＸ軸方向とし、
前記第２起歪体および前記第４起歪体の前記第２方向をＹ軸方向としている、
ようにしてもよい。

また、上述した力覚センサにおいて、
前記変位体は、前記弾性変形体の一方の側で前記弾性変形体から前記第２方向に突出し、他方の側で突出していない、
ようにしてもよい。

また、上述した力覚センサにおいて、
前記変位体に、複数の前記変位電極基板が設けられ、
前記支持体に、前記変位電極基板の各々に対向する前記固定電極基板が設けられている、
ようにしてもよい。

また、上述した力覚センサにおいて、
前記受力体と前記支持体は、４つの前記起歪体で接続され、
４つの前記起歪体は、第１起歪体と、第２起歪体と、第３起歪体と、第４起歪体と、を含み、
第１方向をＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向とし、
前記Ｚ軸方向で見たときに、前記受力体の中心に対してＹ軸方向負側に前記第１起歪体が配置され、前記受力体の中心に対してＸ軸方向正側に前記第２起歪体が配置され、前記受力体の中心に対してＹ軸方向正側に前記第３起歪体が配置され、前記受力体の中心に対してＸ軸方向負側に前記第４起歪体が配置され、
前記第１起歪体および前記第３起歪体の前記第２方向をＸ軸方向とし、
前記第２起歪体および前記第４起歪体の前記第２方向をＹ軸方向とし、
前記第１起歪体の前記変位体と、前記第２起歪体の前記変位体は、互いに向き合い、
前記第３起歪体の前記変位体と前記第４起歪体の前記変位体は、互いに向き合っている、
ようにしてもよい。

また、上述した力覚センサにおいて、
前記受力体は、前記第１起歪体の前記受力体側端部と前記第２起歪体の前記受力体側端部を分断する第１受力体開口と、前記第３起歪体の前記受力体側端部と前記第４起歪体の前記受力体側端部を分断する第２受力体開口と、を含む、
ようにしてもよい。

また、上述した力覚センサにおいて、
前記支持体は、前記第２起歪体の前記支持体側端部と前記第３起歪体の前記支持体側端部を分断する第１支持体開口と、前記第４起歪体の前記支持体側端部と前記第１起歪体の前記支持体側端部を分断する第２支持体開口と、を含む、
ようにしてもよい。

また、上述した力覚センサにおいて、
前記受力体は、受力体本体部と、前記起歪体の前記受力体側端部に接続された、前記受力体本体部よりも薄い受力体薄肉部と、を含む、
ようにしてもよい。

また、上述した力覚センサにおいて、
前記支持体は、支持体本体部と、前記起歪体の前記支持体側端部に接続された、前記支持体本体部よりも薄い支持体薄肉部と、を含む、
ようにしてもよい。

また、上述した力覚センサにおいて、
前記受力体と前記支持体は、複数の前記起歪体で接続され、
前記検出素子は、前記変位体の個数よりも少ない偶数の前記変位電極基板で構成され、
いくつかの前記変位体の各々に、前記変位電極基板が設けられ、他の前記変位体に、前記変位電極基板は設けられておらず、
前記力覚センサに前記第１方向に沿う軸の周りのモーメントが作用した場合、一部の前記変位電極基板は、対向する前記固定電極基板から遠ざかり、残りの前記変位電極基板は、対向する前記固定電極基板に近づく、
ようにしてもよい。

また、上述した力覚センサにおいて、
前記起歪体は、前記弾性変形体の両側で前記第２方向に突出する２つの前記変位体を含む、
ようにしてもよい。

また、上述した力覚センサにおいて、
前記変位体は、前記弾性変形体の一方の側で前記弾性変形体から前記第２方向に突出し、他方の側で突出していない、
ようにしてもよい。

本発明によれば、構造を簡素化することができる。

図１は、第１の実施の形態による力覚センサを適用したロボットの一例を示す斜視図である。 図２は、第１の実施の形態による力覚センサを示す断面図である。 図３は、図２に示す覚センサを示す平面図である。 図４は、図２に示す起歪体を示す正面図である。 図５は、図３に示す起歪体を平面展開した図である。 図６は、受力体がＸ軸方向正側の力を受けた場合の起歪体の変形状態を模式的に示す正面図である。 図７は、図５に示す力覚センサにおける各容量素子の静電容量値の変化を示す表である。 図８は、第２の実施の形態による力覚センサを示す断面図である。 図９は、図８に示す力覚センサを示す平面図である。 図１０は、図９に示す力覚センサにおける各容量素子の静電容量値の変化を示す表である。 図１１は、第３の実施の形態による力覚センサを示す断面図である。 図１２は、図１１に示す力覚センサを示す平面図である。 図１３は、図１２に示す力覚センサにおける各容量素子の静電容量値の変化を示す表である。 図１４は、第４の実施の形態による力覚センサを示す斜視図である。 図１５は、第５の実施の形態による力覚センサを示す断面図である。 図１６は、図１５に示す力覚センサを示す平面図である。 図１７は、受力体がＺ軸方向正側の力を受けた場合の起歪体の変形状態を模式的に示す正面図である。 図１８は、受力体がＺ軸方向負側の力を受けた場合の起歪体の変形状態を模式的に示す正面図である。 図１９は、図１６に示す力覚センサにおける各容量素子の静電容量値の変化を示す表である。 図２０は、図１９に示す静電容量値の変化に基づく主軸感度および他軸感度を示す表である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺及び縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

なお、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件および物理的特性並びにそれらの程度を特定する、例えば、「平行」、「直交」、「等しい」等の用語や寸法、物理的特性の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

（第１の実施の形態）
まず、図１～図７を用いて、本発明の第１の実施の形態における力覚センサについて説明する。

まず、力覚センサ１０を取り付けるロボット１について、図１を参照して説明する。ロボット１の例としては、産業用ロボット、協働ロボット、生活支援ロボット、医療用ロボットおよびサービスロボット等の各種ロボットが挙げられる。以下では、産業用ロボットを例にとって説明する。図１は、本実施の形態における力覚センサが適用されるロボット１の一例を示す斜視図である。

図１に示すように、産業用ロボット１は、ロボット本体２と、ツール３と、力覚センサ１０と、コントローラ５と、を備えている。ロボット本体２は、ロボットアーム４を含んでいる。ロボットアーム４は、多関節アーム構造を有している。

ロボットアーム４の先端に、力覚センサ１０が取り付けられている。より具体的には、ロボットアーム４の先端に、ツール３が取り付けられている。ロボットアーム４とツール３との間に、力覚センサ１０が取り付けられている。力覚センサ１０は、図示しない電気ケーブルを介して、コントローラ５に電気的に接続されている。ツール３の例としては、グリッパーおよびツールチェンジャー（いずれも図示せず）等が挙げられる。

コントローラ５は、力覚センサ１０から出力された電気信号に基づいて、ロボット１の力制御を行う。このことにより、ロボット本体２およびツール３の動作が制御される。

以下、図２～図５を参照して本実施の形態による力覚センサについて説明する。図２は、第１の実施の形態による力覚センサ１０を示す断面図である。図３は、図２の力覚センサ１０を示す平面図である。図４は、図２の第１起歪体４０Ａを示す正面図である。図５は、図３に示す力覚センサ１０の各起歪体４０Ａ～４０Ｄを平面展開した図である。

以下の説明では、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、Ｚ軸方向（第１方向）を上下方向とし、受力体２０が上側に配置され、支持体３０が下側に配置されるように力覚センサ１０を配置した状態で説明を行う。このため、本実施の形態における力覚センサ１０は、Ｚ軸方向を上下方向とした姿勢で使用されることに限られることはない。また、受力体２０と支持体３０のいずれを上側または下側に配置するかは任意である。

力覚センサ１０は、所定の軸方向に作用した力および所定の回転軸まわりに作用したモーメント（トルク）を電気信号として出力する機能を有している。しかしながら、このことに限られることはなく、力およびモーメントの一方のみを電気信号として出力するように構成されていてもよく、更には、力またはモーメントの少なくとも１つの軸成分を電気信号として出力するように構成されていてもよい。

力覚センサ１０は、図２および図３に示すように、受力体２０と、支持体３０と、起歪体４０Ａ～４０Ｄと、検出素子６０と、検出回路７０と、外装体８０と、を備えている。以下、各構成要素についてより詳細に説明する。

受力体２０は、検出対象となる力またはモーメントの作用を受ける。この作用を受けることにより、受力体２０は支持体３０に対して相対移動する。上述した図１の例では、受力体２０は、ツール３にボルト等で固定されており、ツール３から力またはモーメントを受ける。

受力体２０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿って形成されている。図３に示すように、受力体２０は、受力体中心開口２０ａを含んでいてもよい。この場合、受力体２０の平面形状は、概略的に円形リング形状であってもよい。図２では、受力体中心開口２０ａを省略している。また、受力体２０は、平板状に形成されていてもよい。

図２に示すように、支持体３０は、受力体２０を支持している。支持体３０は、Ｚ軸方向において受力体２０の負側に配置されている。受力体２０と支持体３０は、Ｚ軸方向において互いに異なる位置に配置されており、支持体３０は、受力体２０から離れている。図１の例では、支持体３０は、ロボットアーム４の先端にボルト等で固定されており、ロボット本体２に支持される。

支持体３０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿って形成されている。図３に示すように、支持体３０は、支持体中心開口３０ａを含んでいてもよい。この場合、支持体３０の平面形状は、概略的に円形リング形状であってもよい。平面視で、支持体中心開口３０ａは、受力体中心開口２０ａと重なっていてもよい。図２では、支持体中心開口３０ａを省略している。また、支持体３０は、平板状に形成されていてもよい。

なお、受力体２０の平面形状および支持体３０の平面形状のうちの少なくとも一方は、円形リング形状以外の平面形状であってもよい。この場合、受力体２０の平面形状および支持体３０の平面形状のうちの一方が円形で、他方が円形以外の形状であってもよい。例えば、受力体２０の平面形状は、受力体中心開口２０ａを含まない円形形状であってもよい。あるいは、受力体２０の平面形状は、矩形状（例えば、長方形若しくは正方形）であってもよい。支持体３０の平面形状も同様である。

図２および図３に示すように、起歪体４０Ａ～４０Ｄは、受力体２０と支持体３０とを接続している。起歪体４０Ａ～４０Ｄは、受力体２０と支持体３０との間に配置されており、受力体２０に接続されるとともに支持体３０に接続されている。受力体２０は、起歪体４０Ａ～４０Ｄを介して支持体３０に支持されている。

本実施の形態においては、受力体２０と支持体３０とは、４つの起歪体４０Ａ～４０Ｄで接続されている。４つの起歪体４０Ａ～４０Ｄは、第１起歪体４０Ａと、第２起歪体４０Ｂと、第３起歪体４０Ｃと、第４起歪体４０Ｄと、を含んでいる。図３に示すように、Ｚ軸方向で見たときに、受力体２０の中心Ｏに対してＹ軸方向負側に第１起歪体４０Ａが配置されている。同様にＺ軸方向で見たときに、受力体２０の中心Ｏに対してＸ軸方向正側に第２起歪体４０Ｂが配置され、受力体２０の中心Ｏに対してＹ軸方向正側に第３起歪体４０Ｃが配置されている。受力体２０の中心Ｏに対してＸ軸方向負側に第４起歪体４０Ｄが配置されている。言い換えると、第１起歪体４０Ａと第３起歪体４０Ｃとの間に、受力体２０の中心Ｏが配置され、第２起歪体４０Ｂと第４起歪体４０Ｄとの間に、受力体２０の中心Ｏが配置されている。なお、受力体２０と支持体３０とを接続する起歪体の個数は、４つに限られることはなく、２つまたは３つでもよく、５つ以上でもよく、任意である。また、受力体２０と支持体３０とは、１つだけの起歪体で接続されていてもよく、この場合、検出素子６０を図４に示すように２つの容量素子で構成すると、力の２軸成分を検出することができる。詳細については後述する。あるいは、検出素子６０が１つだけの容量素子で構成されて、力の１軸成分を検出するようにしてもよい。

起歪体４０Ａ～４０Ｄについてより具体的に説明する。

本実施の形態による起歪体４０Ａ～４０Ｄは、受力体２０が受けた力またはモーメントの作用により弾性変形して歪みを生じさせ、変位するように構成されている。ここでは、上述した４つの起歪体４０Ａ～４０Ｄのうち、Ｘ軸方向を第２方向とする第１起歪体４０Ａを例にとって説明する。

図２および図４に示すように、第１起歪体４０Ａは、弾性変形体４１と、変位梁４２と、を含んでいる。

弾性変形体４１は、Ｚ軸方向に延びている。弾性変形体４１は、受力体２０に接続された受力体側端部４３と、支持体３０に接続された支持体側端部４４と、を含んでいる。弾性変形体４１は、受力体側端部４３から支持体側端部４４にわたって、Ｚ軸方向に沿って直線状に延びている。

本実施の形態による弾性変形体４１は、第２方向の力の作用により弾性変形可能であるとともに、第３方向の力の作用により弾性変形可能になっている。第２方向は、第１方向に直交する方向である。第３方向は、第１方向に直交するとともに第２方向に直交する方向である。第１起歪体４０Ａの第２方向はＸ軸方向であり、第３方向はＹ軸方向である。

本実施の形態による弾性変形体４１のＹ軸方向の寸法は、弾性変形体４１のＸ軸方向の寸法と等しい。この場合、弾性変形体４１のＹ軸方向の力の作用に対するばね定数は、Ｘ軸方向の力の作用に対するばね定数と等しい。弾性変形体４１のＸＹ平面に沿う断面形状は、概略的に正方形などの矩形でもよく、概略的に円形でもよく、任意である。

変位梁４２は、変位体の一例である。変位梁４２は、弾性変形体４１からＸ軸方向に突出している。本実施の形態による第１起歪体４０Ａは、弾性変形体４１の両側でＸ軸方向に突出する２つの変位梁４２を含んでいる。一方の変位梁４２は、弾性変形体４１からＸ軸方向負側に突出し、他方の変位梁４２は、弾性変形体４１からＸ軸方向正側に突出している。変位梁４２は、弾性変形体４１からＸ軸方向に延びていてもよい。変位梁４２は、弾性変形体４１に支持された片持ち梁として構成されていてもよい。変位梁４２は、Ｘ軸方向に沿って直線状に形成されていてもよい。変位梁４２は、Ｚ軸方向において、受力体２０から離れているとともに支持体３０から離れている。変位梁４２は、受力体側端部４３と支持体側端部４４との中間位置よりも支持体３０に近い位置に配置されていてもよい。変位梁４２は、支持体３０に対向している。

第２起歪体４０Ｂは、Ｙ軸方向を第２方向とするとともに、Ｘ軸方向を第３方向としている。第３起歪体４０Ｃは、Ｘ軸方向を第２方向とするとともに、Ｙ軸方向を第３方向としている。第４起歪体４０Ｄは、Ｙ軸方向を第２方向とするとともに、Ｘ軸方向を第３方向としている。第２起歪体４０Ｂ、第３起歪体４０Ｃおよび第４起歪体４０Ｄは、第１起歪体４０Ａと同様に構成されるため、第２起歪体４０Ｂ、第３起歪体４０Ｃおよび第４起歪体４０Ｄの個々の構成についての詳細な説明は省略する。

図３に示すように、本実施の形態による起歪体４０Ａ～４０Ｄの変位梁４２は、環状配置されている。上述したように、受力体２０および支持体３０がＺ軸方向で見たときに円形リング形状で形成されており、４つの起歪体４０Ａ～４０Ｄの変位梁４２が、矩形の環状をなすように配置されている。各起歪体４０Ａ～４０Ｄの変位梁４２は、Ｚ軸方向で見たときに、各々の第２方向に沿って直線状に形成されている。なお、４つの起歪体４０Ａ～４０Ｄの配置は、環状配置であることに限られることはなく、それぞれを任意の位置で不規則に配置していてもよい。

このように構成された第１起歪体４０Ａは、アルミ合金や鉄合金などの金属材料で作製された板材から機械加工で形成されていてもよく、または鋳造加工で形成されていてもよい。機械加工で形成される場合、弾性変形体４１および変位梁４２は、Ｙ軸方向（第３方向）が厚さ方向となるように板状に形成され、一体に連続状の板材から形成される。このことにより、第１起歪体４０Ａを容易に作製することができる。このように形成された第１起歪体４０Ａは、受力体２０および支持体３０にボルトまたは接着剤等でそれぞれ固定されていてもよい。第２起歪体４０Ｂ、第３起歪体４０Ｃおよび第４起歪体４０Ｄについても同様である。あるいは、受力体２０、支持体３０および起歪体４０Ａ～４０Ｄは、一体に連続状のブロック材から機械加工（例えば、切削加工）で形成されてもよく、または鋳造加工で形成されていてもよい。

検出素子６０について説明する。

検出素子６０は、上述した第１起歪体４０Ａの弾性変形により生じた変位を検出するように構成されている。本実施の形態による検出素子６０は、静電容量を検出する容量素子を含んでいる。図４に示すように、容量素子は、支持体３０に設けられた固定電極基板と、変位梁４２に設けられた変位電極基板と、含んでいる。変位電極基板は、固定電極基板に対向している。本実施の形態においては、検出素子６０は、第１容量素子Ｃ１～第８容量素子Ｃ８を含んでいる。検出素子６０は、各変位梁４２に設けられた変位電極基板と、これに対応する固定電極基板と、を含んでいる。

図４に示す例においては、検出素子６０は、第１起歪体４０Ａ用の電極として、２つの固定電極基板Ｅｆ１、Ｅｆ２と、２つの変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２と、を含んでいる。第１起歪体４０Ａの各変位梁４２に、変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２が配置されている。１つの変位梁４２に、１つの変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２が配置されている。各固定電極基板Ｅｆ１、Ｅｆ２は、対応する変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２に対向する位置で支持体３０に配置されている。

図４に示すように、２つの固定電極基板Ｅｆ１、Ｅｆ２は、第１固定電極基板Ｅｆ１と、第２固定電極基板Ｅｆ２と、を含んでいる。第１固定電極基板Ｅｆ１および第２固定電極基板Ｅｆ２は、Ｘ軸方向において互いに異なる位置に配置されている。本実施の形態においては、第１固定電極基板Ｅｆ１は、弾性変形体４１よりもＸ軸方向負側に配置され、第２固定電極基板Ｅｆ２は、弾性変形体４１よりもＸ軸方向正側に配置されている。

本実施の形態においては、固定電極基板Ｅｆ１、Ｅｆ２は、支持体３０のうちの受力体２０の側の面に配置されている。固定電極基板Ｅｆ１、Ｅｆ２は、支持体３０に接着剤で接合されていてもよく、またはボルト等で固定されていてもよい。固定電極基板Ｅｆ１、Ｅｆ２は、対応する変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２に対向する固定電極Ｅｆと、固定電極Ｅｆと支持体３０との間に介在された絶縁体ＩＢｆと、を含んでいる。

図４に示すように、２つの変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２は、第１変位電極基板Ｅｄ１と、第２変位電極基板Ｅｄ２と、を含んでいる。第１変位電極基板Ｅｄ１および第２変位電極基板Ｅｄ２は、Ｘ軸方向において互いに異なる位置に配置されている。本実施の形態においては、第１変位電極基板Ｅｄ１は、弾性変形体４１よりもＸ軸方向負側に配置され、弾性変形体４１からＸ軸方向負側に突出する変位梁４２に配置されている。第２変位電極基板Ｅｄ２は、弾性変形体４１よりもＸ軸方向正側に配置され、弾性変形体４１からＸ軸方向正側に突出する変位梁４２に配置されている。第１変位電極基板Ｅｄ１は、変位梁４２のＸ軸方向負側の端部に配置されていてもよい。第２変位電極基板Ｅｄ２は、変位梁４２のＸ軸方向正側の端部に配置されていてもよい。

本実施の形態においては、変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２は、変位梁４２のうちの支持体３０の側の面に設けられている。変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２は、変位梁４２に接着剤で接合されていてもよく、またはボルト等で固定されていてもよい。変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２は、対応する固定電極基板Ｅｆ１、Ｅｆ２に対向する変位電極Ｅｄと、変位電極Ｅｄと変位梁４２との間に介在された絶縁体ＩＢｄと、を含んでいる。

第１固定電極基板Ｅｆ１は、第１変位電極基板Ｅｄ１に対向している。第１固定電極基板Ｅｆ１と第１変位電極基板Ｅｄ１とで第１容量素子Ｃ１が構成されている。第２固定電極基板Ｅｆ２は、第２変位電極基板Ｅｄ２に対向している。第２固定電極基板Ｅｆ２と第２変位電極基板Ｅｄ２とで第２容量素子Ｃ２が構成されている。第１容量素子Ｃ１と第２容量素子Ｃ２とが、第１起歪体４０Ａ用の検出素子６０として構成されている。

第１容量素子Ｃ１および第２容量素子Ｃ２は、Ｙ軸方向において同じ位置に配置されている。すなわち、第１変位電極基板Ｅｄ１および第２変位電極基板Ｅｄ２は、Ｙ軸方向において同じ位置に配置されるとともに、第１固定電極基板Ｅｆ１および第２固定電極基板Ｅｆ２も、Ｙ軸方向において同じ位置に配置されている。

本実施の形態では、固定電極基板Ｅｆ１、Ｅｆ２の平面形状は、矩形になっている。変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２の平面形状も、矩形になっている。しかしながら、固定電極基板Ｅｆ１、Ｅｆ２の平面形状および変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２の平面形状は、矩形に限られることはなく、円形、多角形、楕円形等の他の形状であってもよい。

Ｚ軸方向で見たときに、第１固定電極基板Ｅｆ１は、第１変位電極基板Ｅｄ１よりも大きくなっていてもよい。例えば、第１固定電極基板Ｅｆ１の平面形状は、第１変位電極基板Ｅｄ１の平面形状よりも大きくなっていてもよい。そして、第１変位電極基板Ｅｄ１がＸ軸方向、Ｙ軸方向またはＺ軸方向に変位した場合であっても、Ｚ軸方向で見たときに第１変位電極基板Ｅｄ１が全体として、第１固定電極基板Ｅｆ１に重なっていてもよい。言い換えると、第１変位電極基板Ｅｄ１がＸ軸方向、Ｙ軸方向またはＺ軸方向に変位した場合であっても、変位電極Ｅｄと固定電極Ｅｆとが重なるように、変位電極Ｅｄの大きさと固定電極Ｅｆの大きさが設定されていてもよい。このようにして、第１変位電極基板Ｅｄ１が変位した場合であっても、変位電極Ｅｄと固定電極Ｅｆの対向面積が変化することを防止することができ、静電容量値の変化に、対向面積の変化が影響を及ぼすことを防止することができる。このため、変位電極Ｅｄと固定電極Ｅｆとの距離の変化に応じて静電容量値を変化させることができる。ここで、対向面積とは、Ｚ軸方向で見たときに変位電極Ｅｄと固定電極Ｅｆとが重なる面積を言う。変位梁４２が傾動した場合には、固定電極Ｅｆよりも小さい変位電極Ｅｄが傾斜して対向面積が変動し得るが、この場合の変位電極Ｅｄの傾斜角度は小さい。このことにより、静電容量値の変化には、変位電極Ｅｄと固定電極Ｅｆとの距離が支配的となる。このため、本明細書では、変位電極Ｅｄの傾斜による対向面積の変動は考慮せず、静電容量値の変化は、変位電極Ｅｄと固定電極Ｅｆとの距離の変化に起因すると考える。なお、後述する図６等では、 図面を明瞭にするために、変位梁４２の傾斜を誇張している。また、第１固定電極基板Ｅｆ１の平面形状が第１変位電極基板Ｅｄ１の平面形状よりも大きくなっていることに限られることはなく、第１変位電極基板Ｅｄ１の平面形状が、第１固定電極基板Ｅｆ１の平面形状よりも大きくなっていてもよい。

同様に、Ｚ軸方向で見たときに、第２固定電極基板Ｅｆ２の平面形状も、第２変位電極基板Ｅｄ２の平面形状よりも大きくなっていてもよい。なお、第２変位電極基板Ｅｄ２の平面形状が、第２固定電極基板Ｅｆ２の平面形状よりも大きくなっていてもよい。

固定電極基板Ｅｆ１、Ｅｆ２の固定電極Ｅｆの平面形状と絶縁体ＩＢｆの平面形状は、同一の大きさであってもよい。しかしながら、このことに限られることはなく、固定電極Ｅｆの平面形状と絶縁体ＩＢｆの平面形状は、互いに異なる大きさであってもよい。変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２の変位電極Ｅｄの平面形状と絶縁体ＩＢｄの平面形状も同様である。

第１固定電極基板Ｅｆ１と第２固定電極基板Ｅｆ２とは、図４に示すように、別体に形成されて互いに離れていてもよい。しかしながら、このことに限られることはなく、第１固定電極基板Ｅｆ１と第２固定電極基板Ｅｆ２とは、一体化されて、１つの共通の固定電極基板で構成されていてもよい。この場合、絶縁体ＩＢｆおよび固定電極Ｅｆがそれぞれ一体化されていてもよい。あるいは、固定電極Ｅｆが互いに離れて構成される場合であっても、絶縁体ＩＢｆは一体化されていてもよい。

上述した第１起歪体４０Ａとこれに対応する検出素子６０の構成は、第２起歪体４０Ｂ、第３起歪体４０Ｃおよび第４起歪体４０Ｄにも同様に適用できる。

すなわち、図５に示すように、検出素子６０は、第２起歪体４０Ｂ用の電極として、支持体３０に設けられた２つの固定電極基板Ｅｆ３、Ｅｆ４と、変位梁４２に設けられた２つの変位電極基板Ｅｄ３、Ｅｄ４と、を更に含んでいる。２つの固定電極基板Ｅｆ３、Ｅｆ４は、第３固定電極基板Ｅｆ３と第４固定電極基板Ｅｆ４とを含んでいる。２つの変位電極基板Ｅｄ３、Ｅｄ４は、第３変位電極基板Ｅｄ３と第４変位電極基板Ｅｄ４とを含んでいる。第３固定電極基板Ｅｆ３は、第３変位電極基板Ｅｄ３に対向し、第４固定電極基板Ｅｆ４は、第４変位電極基板Ｅｄ４に対向している。第３固定電極基板Ｅｆ３と第３変位電極基板Ｅｄ３とで第３容量素子Ｃ３が構成され、第４固定電極基板Ｅｆ４と第４変位電極基板Ｅｄ４とで第４容量素子Ｃ４が構成されている。

第３変位電極基板Ｅｄ３および第３固定電極基板Ｅｆ３は、弾性変形体４１よりもＹ軸方向負側に配置されている。第３変位電極基板Ｅｄ３は、弾性変形体４１からＹ軸方向負側に突出する変位梁４２に配置されている。第４変位電極基板Ｅｄ４および第４固定電極基板Ｅｆ４は、弾性変形体４１よりもＹ軸方向正側に配置されている。第４変位電極基板Ｅｄ４は、弾性変形体４１からＹ軸方向正側に突出する変位梁４２に配置されている。第３容量素子Ｃ３および第４容量素子Ｃ４は、Ｘ軸方向において同じ位置に配置されている。固定電極基板Ｅｆ３、Ｅｆ４は、上述した固定電極基板Ｅｆ１、Ｅｆ２と同様の構成を有している。変位電極基板Ｅｄ３、Ｅｄ４は、上述した変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２と同様の構成を有している。

また、検出素子６０は、第３起歪体４０Ｃ用の電極として、支持体３０に設けられた２つの固定電極基板Ｅｆ５、Ｅｆ６と、変位梁４２に設けられた２つの変位電極基板Ｅｄ５、Ｅｄ６と、を更に含んでいる。２つの固定電極基板Ｅｆ５、Ｅｆ６は、第５固定電極基板Ｅｆ５と第６固定電極基板Ｅｆ６とを含んでいる。２つの変位電極基板Ｅｄ５、Ｅｄ６は、第５変位電極基板Ｅｄ５と第６変位電極基板Ｅｄ６とを含んでいる。第５固定電極基板Ｅｆ５は、第５変位電極基板Ｅｄ５に対向し、第６固定電極基板Ｅｆ６は、第６変位電極基板Ｅｄ６に対向している。第５固定電極基板Ｅｆ５と第５変位電極基板Ｅｄ５とで第５容量素子Ｃ５が構成され、第６固定電極基板Ｅｆ６と第６変位電極基板Ｅｄ６とで第６容量素子Ｃ６が構成されている。

第５変位電極基板Ｅｄ５および第５固定電極基板Ｅｆ５は、弾性変形体４１よりもＸ軸方向正側に配置されている。第５変位電極基板Ｅｄ５は、弾性変形体４１からＸ軸方向正側に突出する変位梁４２に配置されている。第６変位電極基板Ｅｄ６および第６固定電極基板Ｅｆ６は、弾性変形体４１よりもＸ軸方向負側に配置されている。第６変位電極基板Ｅｄ６は、弾性変形体４１からＸ軸方向負側に突出する変位梁４２に配置されている。第５容量素子Ｃ５および第６容量素子Ｃ６は、Ｙ軸方向において同じ位置に配置されている。固定電極基板Ｅｆ５、Ｅｆ６は、上述した固定電極基板Ｅｆ１、Ｅｆ２と同様の構成を有している。変位電極基板Ｅｄ５、Ｅｄ６は、上述した変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２と同様の構成を有している。

また、検出素子６０は、第４起歪体４０Ｄ用の電極として、支持体３０に設けられた２つの固定電極基板Ｅｆ７、Ｅｆ８と、変位梁４２に設けられた２つの変位電極基板Ｅｄ７、Ｅｄ８と、を更に含んでいる。２つの固定電極基板Ｅｆ７、Ｅｆ８は、第７固定電極基板Ｅｆ７と第８固定電極基板Ｅｆ８とを含んでいる。２つの変位電極基板Ｅｄ７、Ｅｄ８は、第７変位電極基板Ｅｄ７と第８変位電極基板Ｅｄ８とを含んでいる。第７固定電極基板Ｅｆ７は、第７変位電極基板Ｅｄ７に対向し、第８固定電極基板Ｅｆ８は、第８変位電極基板Ｅｄ８に対向している。第７固定電極基板Ｅｆ７と第７変位電極基板Ｅｄ７とで第７容量素子Ｃ７が構成され、第８固定電極基板Ｅｆ８と第８変位電極基板Ｅｄ８とで第８容量素子Ｃ８が構成されている。

第７変位電極基板Ｅｄ７および第７固定電極基板Ｅｆ７は、弾性変形体４１よりもＹ軸方向正側に配置されている。第７変位電極基板Ｅｄ７は、弾性変形体４１からＹ軸方向正側に突出する変位梁４２に配置されている。第８変位電極基板Ｅｄ８および第８固定電極基板Ｅｆ８は、弾性変形体４１よりもＹ軸方向負側に配置されている。第８変位電極基板Ｅｄ８は、弾性変形体４１からＹ軸方向負側に突出する変位梁４２に配置されている。第７容量素子Ｃ７および第８容量素子Ｃ８は、Ｘ軸方向において同じ位置に配置されている。固定電極基板Ｅｆ７、Ｅｆ８は、上述した固定電極基板Ｅｆ１、Ｅｆ２と同様の構成を有している。変位電極基板Ｅｄ７、Ｅｄ８は、上述した変位電極基板Ｅｄ１、Ｅｄ２と同様の構成を有している。

上述した各固定電極基板Ｅｆ１～Ｅｆ８は、電極材料が積層されたセラミック基板、ガラスエポキシ基板またはＦＰＣ基板（フレキシブルプリント回路基板）で構成されていてもよい。ＦＰＣ基板は、薄いフィルム状に形成されておりフレキシブル性を有しているプリント基板であるが、支持体３０に全体的に接合させてもよい。各固定電極基板Ｅｆ１～Ｅｆ８は、支持体３０に接着剤で接着されていてもよい。各変位電極基板Ｅｄ１～Ｅｄ８についても同様である。各変位電極基板Ｅｄ１～Ｅｄ８は、変位梁４２に接着剤で接着されていてもよい。

図２に示すように、検出回路７０は、検出素子６０の検出結果に基づいて、起歪体４０Ａ～４０Ｄに作用した力またはモーメントを示す電気信号を出力する。この検出回路７０は、例えばマイクロプロセッサにより構成された演算機能を有していてもよい。また、検出回路７０は、上述した検出素子６０から受信したアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換機能や、信号を増幅する機能及び各種補正機能を有してもよい。検出回路７０は、電気信号を出力する端子を含んでいてもよく、この端子から電気ケーブルを介して上述したコントローラ５に電気信号が送信される。

図２および図３に示すように、外装体８０は、Ｚ軸方向で見たときに、４つの起歪体４０Ａ～４０Ｄを外側から覆うように構成されている。外装体８０は、力覚センサ１０を構成する筒状の筐体であってもよい。起歪体４０Ａ～４０Ｄは、外装体８０に収容されている。本実施の形態では外装体８０の平面断面形状（ＸＹ平面に沿う断面における形状）は円形枠形状になっている。

図２に示すように、外装体８０は、受力体２０に取り付けられた受力体側カバー８１と、支持体３０に取り付けられた支持体側カバー８２と、受力体側カバー８１と支持体側カバー８２との間に介在された緩衝部材８３と、を含んでいる。受力体側カバー８１は、受力体２０に密閉して取り付けられていてもよく、一体的に形成されていてもよい。支持体側カバー８２は、支持体３０に密閉して取り付けられていてもよく、一体的に形成されていてもよい。緩衝部材８３は、例えば、防塵および防水用のゴムパッキンで構成されていてもよい。この緩衝部材８３によって、受力体側カバー８１と支持体側カバー８２との間の隙間から塵埃などの異物が内部に侵入することを防止できる。また、受力体２０が、支持体３０に対して変位可能になっている。

次に、このような構成からなる本実施の形態による力覚センサにおいて、力またはモーメントを検出する方法について説明する。

受力体２０が力またはモーメントの作用を受けると、その力またはモーメントが、第１起歪体４０Ａ～第４起歪体４０Ｄに伝わる。より具体的には、その力またはモーメントが、弾性変形体４１に伝わり、弾性変形体４１に弾性変形が生じる。このことにより、変位梁４２が傾動し、変位する。このため、検出素子６０の各固定電極基板Ｅｆ１～Ｅｆ８と対応する変位電極基板Ｅｄ１～Ｅｄ８との間の距離が変化し、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値が変化する。この静電容量値の変化が、起歪体４０Ａ～４０Ｄに生じた変位として検出素子６０で検出される。この場合、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値の変化が異なり得る。このため、検出回路７０は、検出素子６０で検出された各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値の変化に基づいて、受力体２０に作用した力またはモーメントの向きと大きさを検出することができる。

ここでは、まず、一例として、第１起歪体４０Ａの単体にＸ軸方向の力Ｆｘが作用した場合の第１容量素子Ｃ１および第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変化について図６を用いて説明する。図６は、受力体２０がＸ軸方向正側の力Ｆｘを受けた場合の第１起歪体４０Ａの変形状態を模式的に示す正面図である。

第１起歪体４０ＡにＸ軸方向正側に力Ｆｘが作用した場合には、図６に示すように、第 １起歪体４０Ａの弾性変形体４１が弾性変形する。この場合、弾性変形体４１の受力体側端部４３がＸ軸方向正側に変位し、弾性変形体４１は、Ｘ軸方向正側に撓むように弾性変形する。図６では、図面を簡略化するために、弾性変形体４１が傾動している状態を示している。変位梁４２は傾動し、変位する。このことにより、第１変位電極基板Ｅｄ１が上昇して第１固定電極基板Ｅｆ１から遠ざかる。第１変位電極基板Ｅｄ１と第１固定電極基板Ｅｆ１との電極間距離（Ｚ軸方向の距離）が増大し、第１容量素子Ｃ１の静電容量値が減少する。一方、第２変位電極基板Ｅｄ２は下降して第２固定電極基板Ｅｆ２に近づく。第２変位電極基板Ｅｄ２と第２固定電極基板Ｅｆ２との電極間距離が減少し、第２容量素子Ｃ２の静電容量値が増大する。

第１起歪体４０Ａの単体に作用した力Ｆｘは、以下の式で算出することができる。なお、以下の式では、便宜上、力またはモーメントと静電容量値の変化量とを「＝」で結んでいる。しかしながら、力またはモーメントと、静電容量値とは互いに異なる物理量であるため、実際には、静電容量値の変化量を変換することにより、力Ｆｘが算出される。以下の式中のＣ１、Ｃ２は、各容量素子Ｃ１、Ｃ２における静電容量値の変化量を示す。
［式１］
Ｆｘ＝－Ｃ１＋Ｃ２

第１起歪体４０Ａの単体にＹ軸周りのモーメントＭｙが作用した場合にも、図６と同様に弾性変形体４１が弾性変形する。第１容量素子Ｃ１の静電容量値が減少し、第２容量素子Ｃ２の静電容量値が増大する。このため、上述した式１と同様にして、モーメントＭｙが算出される。
［式２］
Ｍｙ＝－Ｃ１＋Ｃ２

第１起歪体４０Ａの単体にＹ軸方向の力Ｆｙが作用した場合には、各容量素子Ｃ１、Ｃ２における静電容量値の変化は無いとみなせる。上述したように、第１容量素子Ｃ１および第２容量素子Ｃ２は、Ｙ軸方向において同じ位置に配置されているためである。この場合、各容量素子Ｃ１、Ｃ２のうちのＹ軸方向の正側部分における静電容量値の変化量と、負側部分における静電容量値の変化量が相殺される。第１起歪体４０Ａの単体にＸ軸周りのモーメントＭｘが作用した場合にも同様に、各容量素子Ｃ１、Ｃ２における静電容量値の変化は無いとみなせる。

第１起歪体４０Ａの単体にＺ軸方向の力Ｆｚが作用した場合には、各容量素子Ｃ１、Ｃ２における静電容量値の変化は無いとみなせる。上述したように、弾性変形体４１は、受力体側端部４３から支持体側端部４４にわたってＺ軸方向に延びているため、弾性変形体４１は、Ｚ軸方向の力に対する剛性が高まり、実質的に剛体として作用する。弾性変形体４１は、Ｚ軸方向に弾性変形せず、弾性変形体４１のＺ軸方向の伸縮は無いとみなせる。

このように、受力体２０と支持体３０とが第１起歪体４０Ａだけで接続されている力覚センサ１０は、力ＦｘとモーメントＭｙを検出することができる。この力覚センサ１０は、力ＦｘとモーメントＭｙの一方のみが作用する環境で用いられてもよい。

次に、図５に示す力覚センサ１０の受力体２０にＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力ＦｙおよびＺ軸周りのモーメントＭｚが作用した場合の各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値の変化について図７を用いて説明する。図７は、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値の変化を示す表である。

（＋Ｆｘが作用した場合）
まず、受力体２０にＸ軸方向正側に力Ｆｘが作用した場合について説明する。

この場合、第１起歪体４０Ａは、図６に示すように弾性変形し、第１容量素子Ｃ１の静電容量値が減少するとともに第２容量素子Ｃ２の静電容量値が増大する。このことが、図７に示す表中のＦｘの行のＣ１に「－（マイナス）」として示されており、Ｃ２に「＋（プラス）」として示されている。

第２起歪体４０Ｂは、Ｙ軸周り（Ｙ軸方向正側に向かって時計回り）に回動する。しかしながら、第３容量素子Ｃ３および第４容量素子Ｃ４が、Ｘ軸方向において同じ位置に配置されている。このため、第１起歪体４０ＡにＹ軸方向の力Ｆｙが作用した場合と同様に、第３容量素子Ｃ３全体として、および第４容量素子Ｃ４全体として、静電容量値の変化は現れない。このことが、図７に示す表中のＦｘの行のＣ３、Ｃ４に「０（ゼロ）」として示されている。

第３起歪体４０Ｃは、図６に示す第１起歪体４０Ａと同様に弾性変形する。このため、第５容量素子Ｃ５の静電容量値が増大するとともに第６容量素子Ｃ６の静電容量値が減少する。このことが、図７に示す表中のＦｘの行のＣ５に「＋」として示されており、Ｃ６に「－」として示されている。

第４起歪体４０Ｄは、第２起歪体４０Ｂと同様にＹ軸周りに回動する。しかしながら、上述したように、第７容量素子Ｃ７および第８容量素子Ｃ８が、Ｘ軸方向において同じ位置に配置されている。このため、第７容量素子Ｃ７全体として、および第８容量素子Ｃ８全体として、静電容量値の変化は現れない。このことが、図７に示す表中のＦｘの行のＣ７、Ｃ８に「０（ゼロ）」として示されている。

（＋Ｆｙが作用した場合）
次に、受力体２０にＹ軸方向正側に力Ｆｙが作用した場合について説明する。以下の説明においても、静電容量値の変化に応じて、上述したように図７の表中の符号が定められる。

この場合、第１起歪体４０Ａは、Ｘ軸周り（Ｘ軸方向正側に向かって反時計回り）に回動する。しかしながら、上述したように、第１容量素子Ｃ１および第２容量素子Ｃ２が、Ｙ軸方向において同じ位置に配置されている。このため、第１容量素子Ｃ１全体として、および第２容量素子Ｃ２全体として、静電容量値の変化は現れない。

第２起歪体４０Ｂは、図６に示す第１起歪体４０Ａと同様に弾性変形し、第３容量素子Ｃ３の静電容量値が減少するとともに第４容量素子Ｃ４の静電容量値が増大する。

第３起歪体４０Ｃは、第１起歪体４０Ａと同様にＸ軸周りに回動する。しかしながら、第５容量素子Ｃ５および第６容量素子Ｃ６が、Ｙ軸方向において同じ位置に配置されている。このため、第５容量素子Ｃ５全体として、および第６容量素子Ｃ６全体として、静電容量値の変化は現れない。

第４起歪体４０Ｄは、図６に示す第１起歪体４０Ａと同様に弾性変形し、第７容量素子Ｃ７の静電容量値が増大するとともに第８容量素子Ｃ８の静電容量値が減少する。

（＋Ｆｚが作用した場合）
次に、受力体２０にＺ軸方向正側に力Ｆｚが作用した場合について説明する。上述したように、各起歪体４０Ａ～４０Ｄの弾性変形体４１は、支持体側端部４４から受力体側端部４３にわたってＺ軸方向に延びている。このことにより、弾性変形体４１は、Ｚ軸方向の力に対する剛性が高まり、実質的に剛体として作用する。弾性変形体４１のＺ軸方向の伸縮は無いとみなすことができ、各弾性変形体４１は弾性変形しない。このため、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値は変化しない。このことが、図７に示す表中のＦｚの行に「０（ゼロ）」として示されている。

（＋Ｍｘが作用した場合）
次に、受力体２０にＸ軸周り（Ｘ軸方向正側に向かって時計回り）のモーメントＭｘ（図５参照）が作用した場合について説明する。この場合、第１起歪体４０Ａの弾性変形体４１には、Ｚ軸方向負側に力Ｆｚが作用するとともに、第３起歪体４０Ｃの弾性変形体４１には、Ｚ軸方向正側に力Ｆｚが作用する。上述したように、弾性変形体４１は、支持体側端部４４から受力体側端部４３にわたってＺ軸方向に延びている。このことにより、弾性変形体４１は、Ｚ軸方向の力に対する剛性が高まり、実質的に剛体として作用する。弾性変形体４１のＺ軸方向の伸縮は無く、受力体２０は変位しない。受力体２０が変位しないため、第２起歪体４０Ｂの弾性変形体４１も弾性変形せず、第４起歪体４０Ｄの弾性変形体４１も弾性変形しない。このため、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値は変化しない。このことが、図７に示す表中のＭｘの行に「０（ゼロ）」として示されている。

（＋Ｍｙが作用した場合）
次に、受力体２０にＹ軸周り（Ｙ軸方向正側に向かって時計回り）のモーメントＭｙ（図５参照）が作用した場合について説明する。この場合、第２起歪体４０Ｂの弾性変形体４１には、Ｚ軸方向負側に力Ｆｚが作用するとともに、第４起歪体４０Ｄの弾性変形体４１には、Ｚ軸方向正側に力Ｆｚが作用する。上述したように、弾性変形体４１は、支持体側端部４４から受力体側端部４３にわたってＺ軸方向に延びている。このことにより、弾性変形体４１は、Ｚ軸方向の力に対する剛性が高まり、実質的に剛体として作用する。弾性変形体４１のＺ軸方向の伸縮は無く、受力体２０は変位しない。第１起歪体４０Ａの弾性変形体４１も弾性変形せず、第３起歪体４０Ｃの弾性変形体４１も弾性変形しない。このため、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値は変化しない。このことが、図７に示す表中のＭｙの行に「０（ゼロ）」として示されている。

（＋Ｍｚが作用した場合）
次に、受力体２０に、Ｚ軸周り（Ｚ軸方向正側に向かって時計回り）のモーメントＭｚ（図５参照）が作用した場合について説明する。以下の説明においても、静電容量値の変化に応じて、上述したように図７の表中の符号が定められる。

この場合、第１起歪体４０Ａは、Ｘ軸方向正側の力Ｆｘが作用した場合と同様に弾性変形する。このことにより、第１起歪体４０Ａは、図６に示す第１起歪体４０Ａと同様に弾性変形し、第１容量素子Ｃ１の静電容量値が減少し、第２容量素子Ｃ２の静電容量値が増大する。

第２起歪体４０Ｂは、Ｙ軸方向正側の力Ｆｙが作用した場合と同様に弾性変形する。このことにより、第２起歪体４０Ｂは、図６に示す第１起歪体４０Ａと同様に弾性変形し、第３容量素子Ｃ３の静電容量値が減少し、第４容量素子Ｃ４の静電容量値が増大する。

第３起歪体４０Ｃにおいては、Ｘ軸方向負側の力Ｆｘが作用した場合と同様に弾性変形する。このことにより、第５容量素子Ｃ５の静電容量値が減少し、第６容量素子Ｃ６の静電容量値が増大する。

第４起歪体４０Ｄにおいては、Ｙ軸方向負側の力Ｆｙが作用した場合と同様に弾性変形する。このことにより、第７容量素子Ｃ７の静電容量値が減少し、第８容量素子Ｃ８の静電容量値が増大する。

このように、本実施の形態による力覚センサ１０は、力Ｆｘ、力ＦｙおよびモーメントＭｚを検出することができる。力Ｆｘ、力ＦｙおよびモーメントＭｚが受力体２０に作用した場合、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値の変化が検出され、受力体２０に作用した力またはモーメントの向きと大きさが検出される。そして、図７に示すように、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値が変化する。

図７に示す表から、受力体２０に作用した力Ｆｘ、ＦｙおよびモーメントＭｚは、以下の式で算出することができる。これにより、力の３軸成分を検出することができる。なお、以下の式では、便宜上、力またはモーメントと静電容量値の変化量とを「＝」で結んでいる。しかしながら、力またはモーメントと、静電容量値とは互いに異なる物理量であるため、実際には、静電容量値の変化量を変換することにより、力またはモーメントが算出される。以下の式中のＣ１～Ｃ８は、各容量素子Ｃ１～Ｃ８における静電容量値の変化量を示す。
［式３］
Ｆｘ＝－Ｃ１＋Ｃ２ ＋Ｃ５－Ｃ６
［式４］
Ｆｙ＝ －Ｃ３＋Ｃ４ ＋Ｃ７－Ｃ８
［式５］
Ｍｚ＝－Ｃ１＋Ｃ２－Ｃ３＋Ｃ４－Ｃ５＋Ｃ６－Ｃ７＋Ｃ８

上述したように、図５に示す力覚センサ１０は、上述した［式３］～［式５］で示したように、力Ｆｘ、ＦｙおよびモーメントＭｚを検出することができるため、力の３軸成分を検出することが可能になっている。

このように本実施の形態によれば、受力体２０と支持体３０を接続する起歪体４０Ａ～４０Ｄは、受力体２０に接続された受力体側端部４３から支持体３０に接続された支持体側端部４４にわたって、Ｚ軸方向に延びている。このことにより、起歪体４０Ａ～４０Ｄの構造を単純化し、簡素化することができる。この場合、力覚センサ１０の低価格化を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、受力体２０と支持体３０を接続する起歪体４０Ａ～４０Ｄは、受力体２０に接続された受力体側端部４３から支持体３０に接続された支持体側端部４４にわたって、Ｚ軸方向に延びている。このことにより、弾性変形体４１がＺ軸方向に弾性変形することを抑制できる。このため、受力体２０に、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸周りのモーメントＭｘまたはＹ軸周りのモーメントＭｙが作用した場合であっても弾性変形体４１が弾性変形することを抑制できる。このため、力Ｆｚ、モーメントＭｘおよびモーメントＭｙに対する剛性を高めることができ、力覚センサ１０の信頼性を向上できる。

また、本実施の形態によれば、起歪体４０Ａ～４０Ｄの変位梁４２は、弾性変形体４１からＺ軸方向に直交する第２方向に突出している。支持体３０に固定電極基板Ｅｆ１～Ｅｆ８が設けられ、変位梁４２に、変位電極基板Ｅｄ１～Ｅｄ８が設けられて固定電極基板Ｅｆ１～Ｅｆ８に対向している。このことにより、弾性変形体４１がＺ軸方向に直交する方向に弾性変形した場合、変位梁４２が傾動し、変位する。このため、各変位電極基板Ｅｄ１～Ｅｄ８と、対応する固定電極基板Ｅｆ１～Ｅｆ８との電極間距離を変化させることができ、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値を変化させることができる。この結果、力またはモーメントを検出することができる。

また、本実施の形態によれば、弾性変形体４１の両側で、変位梁４２が第２方向に弾性変形体４１から突出している。変位梁４２の各々に、変位電極基板Ｅｄ１～Ｅｄ８が配置され、支持体３０に、対応する変位電極基板Ｅｄ１～Ｅｄ８に対向する固定電極基板Ｅｆ１～Ｅｆ８が配置されている。このことにより、弾性変形体４１が第２方向に弾性変形した場合、一部の変位電極基板Ｅｄ１～Ｅｄ８を対応する固定電極基板Ｅｆ１～Ｅｆ８から遠ざけることができるとともに、他の変位電極基板Ｅｄ１～Ｅｄ８を対応する固定電極基板Ｅｆ１～Ｅｆ８に近づけることができる。このため、検出感度を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、起歪体４０Ａ～４０Ｄの変位梁４２は、Ｚ軸方向に直交する第２方向に延びている。すなわち、第１起歪体４０Ａおよび第３起歪体４０Ｃの変位梁４２はＸ軸方向に延び、第２起歪体４０Ｂおよび第４起歪体４０Ｄの変位梁４２は、Ｙ軸方向に延びている。このことにより、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力ＦｙおよびＺ軸周りのモーメントＭｚの作用を受けたときに、変位梁４２を変位させることができる。このため、変位電極基板Ｅｄ１～Ｅｄ８の変位を大きくさせることができ、力またはモーメントの検出感度を高めることができる。

（第２の実施の形態）
次に、図８～図１０を用いて、本発明の第２の実施の形態による力覚センサについて説明する。

図８～図１０に示す第２の実施の形態においては、弾性変形体の第３方向の寸法が、弾性変形体の第２方向の寸法よりも大きい点が主に異なり、他の構成は、図１～図７に示す第１の実施の形態と略同一である。なお 、図８～図１０において、図１～図７に示す第１の実施の形態と同一部分には同一 符号を付して詳細な説明は省略する。

図８および図９に示すように、本実施の形態による弾性変形体４１の第３方向の寸法は、弾性変形体４１の第２方向の寸法よりも大きい。図８は、第２の実施の形態による力覚センサ１０を示す断面図である。図９は、図８に示す力覚センサ１０を示す平面図である。

第１起歪体４０Ａの弾性変形体４１のＹ軸方向の寸法は、弾性変形体４１のＸ軸方向の寸法よりも大きい。第１起歪体４０Ａの第２方向はＸ軸方向に相当し、第３方向はＹ軸方向に相当している。本実施の形態においては、第１起歪体４０Ａの弾性変形体４１のＹ軸方向の力の作用に対するばね定数は、Ｘ軸方向の力の作用に対するばね定数よりも大きい。

同様に、第２起歪体４０Ｂの弾性変形体４１のＸ軸方向の寸法は、弾性変形体４１のＹ軸方向の寸法よりも大きい。第２起歪体４０Ｂの第２方向はＹ軸方向に相当し、第３方向はＸ軸方向に相当している。本実施の形態においては、第２起歪体４０Ｂの弾性変形体４１のＸ軸方向の力の作用に対するばね定数は、Ｙ軸方向の力の作用に対するばね定数よりも大きい。

同様に、第３起歪体４０Ｃの弾性変形体４１のＹ軸方向の寸法は、弾性変形体４１のＸ軸方向の寸法よりも大きい。第３起歪体４０Ｃの第２方向はＸ軸方向に相当し、第３方向はＹ軸方向に相当している。本実施の形態においては、第３起歪体４０Ｃの弾性変形体４１のＹ軸方向の力の作用に対するばね定数は、Ｘ軸方向の力の作用に対するばね定数よりも大きい。

同様に、第４起歪体４０Ｄの弾性変形体４１のＸ軸方向の寸法は、弾性変形体４１のＹ軸方向の寸法よりも大きい。第４起歪体４０Ｄの第２方向はＹ軸方向に相当し、第３方向はＸ軸方向に相当している。本実施の形態においては、第４起歪体４０Ｄの弾性変形体４１のＸ軸方向の力の作用に対するばね定数は、Ｙ軸方向の力の作用に対するばね定数よりも大きい。

各起歪体３０Ａ～４０Ｄの弾性変形体４１の断面形状は、第３方向を長手方向とする矩形であってもよく、第３方向に沿う長軸を有する楕円形状であってもよい。弾性変形体４１の断面形状は、第３方向の寸法が第２方向の寸法よりも大きければ、任意である。

本実施の形態において、受力体２０にＸ軸方向正側の力Ｆｘが作用した場合について説明する。

上述したように、第２起歪体４０Ｂの弾性変形体４１のＸ軸方向の寸法が、Ｙ軸方向の寸法よりも大きく、第４起歪体４０Ｄの弾性変形体４１のＸ軸方向の寸法が、Ｙ軸方向の寸法よりも大きい。このことにより、第２起歪体４０Ｂおよび第４起歪体４０Ｄは、力Ｆｘに対する剛性が高まり、実質的に剛体として作用する。このため、第２起歪体４０Ｂの弾性変形体４１および第４起歪体４０Ｄの弾性変形体４１は、弾性変形せず、受力体２０は変位しない。受力体２０が変位しないため、第１起歪体４０Ａの弾性変形体４１および第３起歪体４０Ｃの弾性変形体４１も弾性変形しない。このため、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値は変化しない。

本実施の形態において、受力体２０にＹ軸方向正側の力Ｆｙが作用した場合について説明する。

上述したように、第１起歪体４０Ａの弾性変形体４１のＹ軸方向の寸法が、Ｘ軸方向の寸法よりも大きく、第３起歪体４０Ｃの弾性変形体４１のＹ軸方向の寸法が、Ｘ軸方向の寸法よりも大きい。このことにより、第１起歪体４０Ａおよび第３起歪体４０Ｃは、力Ｆｙに対する剛性が高まり、実質的に剛体として作用する。このため、第１起歪体４０Ａの弾性変形体４１および第３起歪体４０Ｃの弾性変形体４１は、弾性変形せず、受力体２０は変位しない。受力体２０が変位しないため、第２起歪体４０Ｂの弾性変形体４１および第４起歪体４０Ｄの弾性変形体４１も弾性変形しない。このため、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値は変化しない。

本実施の形態において、受力体２０にＺ軸周りのモーメントＭｚが作用した場合の各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値の変化について図１０を用いて説明する。図１０は、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値の変化を示す表である。以下の説明においても、静電容量値の変化に応じて、図７と同様にして、図１０の表中の符号が定められる。

第１起歪体４０Ａの弾性変形体４１のＸ軸方向の寸法が、Ｙ軸方向の寸法よりも小さく、第３起歪体４０Ｃの弾性変形体４１のＸ軸方向の寸法が、Ｙ軸方向の寸法よりも小さい。このことにより、第１起歪体４０Ａの弾性変形体４１および第３起歪体４０Ｃの弾性変形体４１は、Ｘ軸方向に弾性変形することができる。

第２起歪体４０Ｂの弾性変形体４１のＹ軸方向の寸法が、Ｘ軸方向の寸法よりも小さく、第４起歪体４０Ｄの弾性変形体４１のＹ軸方向の寸法が、Ｘ軸方向の寸法よりも小さい。このことにより、第２起歪体４０Ｂの弾性変形体４１および第４起歪体４０Ｄの弾性変形体４１は、Ｙ軸方向に弾性変形することができる。

このため、図５に示す力覚センサ１０と同様にして、各起歪体４０Ａ～４０Ｄの変位梁４２が変位し、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値が変化する。

このように、本実施の形態による力覚センサ１０は、モーメントＭｚを検出することができる。モーメントＭｚが受力体２０に作用した場合、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値の変化が検出され、受力体２０に作用したモーメントＭｚの向きと大きさが検出される。そして、図１０に示すように、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値が変化する。

図１０に示す表から、受力体２０に作用したモーメントＭｚは、以下の式で算出することができる。以下の［式６］は、上述した［式５］と同じである。これにより、力の１軸成分、すなわちＺ軸周りのモーメントＭｚを算出することができる。
［式６］
Ｍｚ＝－Ｃ１＋Ｃ２－Ｃ３＋Ｃ４－Ｃ５＋Ｃ６－Ｃ７＋Ｃ８

上述の［式６］では、各変位梁４２に設けられた変位電極基板Ｅｄ１～Ｅｄ８に基づく静電容量値を用いて、モーメントＭｚを算出している。しかしながら、本実施の形態によるモーメントＭｚの算出の方法は、これに限られることはない。

例えば、検出素子６０は、変位梁４２の個数よりも少ない偶数の変位電極基板で構成されていてもよい。すなわち、各変位梁４２のうちの一部のみの変位梁４２に設けられた変位電極基板に基づいてモーメントＭｚを検出してもよい。この場合、いくつかの変位梁４２の各々に、変位電極基板が設けられ、他の変位梁４２に、変位電極基板が設けられていなくてもよい。固定電極基板は、対応する変位電極基板に対向する位置で支持体３０に設けられていてもよい。力覚センサ１０にＺ軸周りのモーメントが作用した場合、一部の変位電極基板は、対向する固定電極基板から遠ざかり、残りの変位電極基板は、対向する固定電極基板に近づくように構成されていてもよい。

より具体的には、モーメントＭｚを算出するための式は、上述の［式６］ではなく、以下のいずれかの式を用いてもよい。この場合、［式６］に示すように容量素子Ｃ１～Ｃ８の全てを用いなくても、モーメントＭｚを算出することができる。
［式７］
Ｍｚ＝－Ｃ１＋Ｃ２－Ｃ５＋Ｃ６
［式８］
Ｍｚ＝－Ｃ３＋Ｃ４－Ｃ７＋Ｃ８

［式７］および［式８］を用いる場合、検出素子６０は、４つの変位電極基板で構成することができ、これら４つの変位電極基板が設けられた変位梁４２以外の変位梁４２には、変位電極基板は設けられていなくてもよい。このことにより、変位電極基板の個数および固定電極基板の個数を削減できる。変位電極基板が設けられない変位梁４２は、省略することができ、変位梁４２の個数を削減できる。

［式７］においては、モーメントＭｚが作用した場合、第１容量素子Ｃ１を構成する第１変位電極基板Ｅｄ１は、対向する第１固定電極基板Ｅｆ１から遠ざかり、第２容量素子Ｃ２を構成する第２変位電極基板Ｅｄ２は、対向する第２固定電極基板Ｅｆ２に近づく。第５容量素子Ｃ５を構成する第５変位電極基板Ｅｄ５は、対向する第５固定電極基板Ｅｆ５から遠ざかり、第６容量素子Ｃ６を構成する第６変位電極基板Ｅｄ６は、対向する第６固定電極基板Ｅｆ６に近づく。このことにより、容量素子の温度変化による静電容量値の変動を防止することができるとともに、同相ノイズによる静電容量値の変動を防止することができる。

［式８］においては、モーメントＭｚが作用した場合、第３容量素子Ｃ３を構成する第３変位電極基板Ｅｄ３は、対向する第３固定電極基板Ｅｆ３から遠ざかり、第４容量素子Ｃ４を構成する第４変位電極基板Ｅｄ４は、対向する第４固定電極基板Ｅｆ４に近づく。第７容量素子Ｃ７を構成する第７変位電極基板Ｅｄ７は、対向する第７固定電極基板Ｅｆ７から遠ざかり、第８容量素子Ｃ８を構成する第８変位電極基板Ｅｄ８は、対向する第８固定電極基板Ｅｆ８に近づく。このことにより、容量素子の温度変化による静電容量値の変動を防止することができるとともに、同相ノイズによる静電容量値の変動を防止することができる。

上述の［式７］および［式８］の両方でモーメントＭｚを算出して、比較を行うことにより故障診断を行ってもよい。

上述の［式７］および［式８］以外に以下の式でも、モーメントＭｚを算出することができる。

［式９］
Ｍｚ＝－Ｃ１＋Ｃ４－Ｃ５＋Ｃ６
［式１０］
Ｍｚ＝Ｃ２－Ｃ３＋Ｃ６－Ｃ７

この場合においても、変位電極基板の個数および固定電極基板の個数を削減できる。変位電極基板が設けられない変位梁４２は、省略することができ、変位梁４２の個数を削減できる。［式９］および［式１０］においても、［式７］および［式８］と同様に、容量素子の温度変化による静電容量値の変動を防止することができるとともに、同相ノイズによる静電容量値の変動を防止することができる。上述の［式９］および［式１０］の両方でモーメントＭｚを算出して、比較を行うことにより故障診断を行ってもよい。

上述したように、図９に示す力覚センサ１の弾性変形体４１は、モーメントＭｚ以外の軸成分による力またはモーメントに対して弾性変形しない。このことにより、モーメントＭｚの算出には、第１容量素子Ｃ１～第８容量素子Ｃ８のうちのいずれか１つの容量素子のみを用いてもよい。あるいは、モーメントＭｚの算出には、第１容量素子Ｃ１～第８容量素子Ｃ８のうちのいずれか２つの容量素子を用いてもよい。

例えば、－Ｃ１＋Ｃ２、－Ｃ３＋Ｃ４、－Ｃ５＋Ｃ６、－Ｃ７＋Ｃ８または－Ｃ１＋Ｃ４、Ｃ２－Ｃ５、－Ｃ３＋Ｃ６、Ｃ４－Ｃ７、－Ｃ５＋Ｃ８、Ｃ６－Ｃ７等の容量素子の組み合わせを用いてモーメントＭｚを算出してもよい。

この場合、検出素子６０は、２つの変位電極基板で構成することができ、これら２つの変位電極基板が設けられた変位梁４２以外の変位梁４２には、変位電極基板は設けられていなくてもよい。このことにより、変位電極基板の個数および固定電極基板の個数を削減できる。変位電極基板が設けられない変位梁４２は、省略することができ、変位梁４２の個数を削減できる。また、［式７］および［式８］と同様に、容量素子の温度変化による静電容量値の変動を防止することができるとともに、同相ノイズによる静電容量値の変動を防止することができる。

このように本実施の形態によれば、起歪体４０Ａ～４０Ｄの弾性変形体４１の第３方向の寸法は、弾性変形体４１の第２方向の寸法よりも大きい。このことにより、第３方向の力に対する剛性を高めることができ、弾性変形体４１が、第３方向に弾性変形することを抑制できる。このため、受力体２０に、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙが作用した場合であっても、弾性変形体４１が弾性変形することを抑制できる。このため、力Ｆｘおよび力Ｆｙに対する剛性を高めることができ、力覚センサ１０の信頼性を向上できる。

（第３の実施の形態）
次に、図１１～図１３を用いて、本発明の第３の実施の形態による力覚センサについて説明する。

図１１～図１３に示す第３の実施の形態においては、変位体は、弾性変形体の一方の側で弾性変形体から第２方向に突出し、他方の側で突出していない点が主に異なり、他の構成は、図８～図１０に示す第２の実施の形態と略同一である。なお 、図１１～図１３において、図８～図１０に示す第２の実施の形態と同一部分には同一 符号を付して詳細な説明は省略する。

図１１および図１２に示すように、本実施の形態においては、各起歪体４０Ａ～４０Ｄの変位梁４２は、弾性変形体４１の一方の側で弾性変形体４１から第２方向に突出している。弾性変形体４１の他方の側には、変位梁４２は突出しておらず、存在していない。図１１は、第３の実施の形態による力覚センサ１０を示す断面図である。図１２は、図１１に示す力覚センサ１０を示す平面図である。

第１起歪体４０Ａの変位梁４２と、第２起歪体４０Ｂの変位梁４２は、互いに向き合っている。すなわち、第１起歪体４０Ａの変位梁４２は、第１起歪体４０Ａの弾性変形体４１に対して、第２起歪体４０Ｂの側に配置されている。第２起歪体４０Ｂの変位梁４２は、第２起歪体４０Ｂの弾性変形体４１に対して、第１起歪体４０Ａの側に配置されている。より具体的には、第１起歪体４０Ａの変位梁４２は、第１起歪体４０Ａの弾性変形体４１のＸ軸方向正側に配置されており、第２起歪体４０Ｂの変位梁４２は、第２起歪体４０Ｂの弾性変形体４１のＹ軸方向負側に配置されている。このことにより、第１起歪体４０Ａの変位梁４２と、第２起歪体４０Ｂの変位梁４２は、互いに向き合っている。

同様に、第３起歪体４０Ｃの変位梁４２と、第４起歪体４０Ｄの変位梁４２は、互いに向き合っている。すなわち、第３起歪体４０Ｃの変位梁４２は、第３起歪体４０Ｃの弾性変形体４１に対して、第４起歪体４０Ｄの側に配置されている。第４起歪体４０Ｄの変位梁４２は、第４起歪体４０Ｄの弾性変形体４１に対して、第３起歪体４０Ｃの側に配置されている。より具体的には、第３起歪体４０Ｃの変位梁４２は、第３起歪体４０Ｃの弾性変形体４１のＸ軸方向負側に配置されており、第４起歪体４０Ｄの変位梁４２は、第４起歪体４０Ｄの弾性変形体４１のＹ軸方向正側に配置されている。このことにより、第３起歪体４０Ｃの変位梁４２と、第４起歪体４０Ｄの変位梁４２は、互いに向き合っている。

各変位梁４２に、複数の変位電極基板が設けられている。複数の変位電極基板は、第２方向に直交する第３方向に並んでいる。支持体３０に、各変位電極基板に対向する固定電極基板が設けられている。

図１１および図１２に示すように、本実施の形態による検出素子６０は、第１起歪体４０Ａ用の電極として、２つの固定電極基板Ｅｆ２１、Ｅｆ２２と、２つの変位電極基板Ｅｄ２１、Ｅｄ２２と、を含んでいる。第１起歪体４０Ａの変位梁４２に、変位電極基板Ｅｄ２１、Ｅｄ２２が配置されている。２つの変位電極基板Ｅｄ２１、Ｅｄ２２は、変位梁４２のＸ軸方向正側の端部に配置されていてもよい。２つの変位電極基板Ｅｄ２１、Ｅｄ２２は、Ｘ軸方向において同じ位置に配置されているが、Ｙ軸方向において互いに異なる位置に配置されている。変位電極基板Ｅｄ２１が、変位電極基板Ｅｄ２２よりも、平面視で力覚センサ１０の内側に配置されている。より具体的には、変位電極基板Ｅｄ２１が、変位電極基板Ｅｄ２２よりもＹ軸方向正側に配置されている。変位電極基板Ｅｄ２１が、変位電極基板Ｅｄ２２よりもＹ軸方向負側に配置されている。

固定電極基板Ｅｆ２１は、変位電極基板Ｅｄ２１に対向している。固定電極基板Ｅｆ２１と変位電極基板Ｅｄ２１とで、第２１容量素子Ｃ２１が構成されている。固定電極基板Ｅｆ２２は、変位電極基板Ｅｄ２２に対向している。固定電極基板Ｅｆ２２と変位電極基板Ｅｄ２２とで、第２２容量素子Ｃ２２が構成されている。第２１容量素子Ｃ２１と第２２容量素子Ｃ２２とが、第１起歪体４０Ａ用の検出素子６０として構成されている。

上述した第１起歪体４０Ａとこれに対応する検出素子６０の構成は、第２起歪体４０Ｂ、第３起歪体４０Ｃおよび第４起歪体４０Ｄにも同様に適用できる。

図１１および図１２に示すように、検出素子６０は、第２起歪体４０Ｂ用の電極として、２つの固定電極基板Ｅｆ３１、Ｅｆ３２と、２つの変位電極基板Ｅｄ３１、Ｅｄ３２と、を含んでいる。第２起歪体４０Ｂの変位梁４２に、変位電極基板Ｅｄ３１、Ｅｄ３２が配置されている。２つの変位電極基板Ｅｄ３１、Ｅｄ３２は、変位梁４２のＹ軸方向負側の端部に配置されていてもよい。変位電極基板Ｅｄ３１が、変位電極基板Ｅｄ３２よりもＸ軸方向負側であって、平面視で力覚センサ１０の内側に配置されている。

固定電極基板Ｅｆ３１は、変位電極基板Ｅｄ３１に対向している。固定電極基板Ｅｆ３１と変位電極基板Ｅｄ３１とで、第３１容量素子Ｃ３１が構成されている。固定電極基板Ｅｆ３２は、変位電極基板Ｅｄ３２に対向している。固定電極基板Ｅｆ３２と変位電極基板Ｅｄ３２とで、第３２容量素子Ｃ３２が構成されている。第３１容量素子Ｃ３１と第３２容量素子Ｃ３２とが、第２起歪体４０Ｂ用の検出素子６０として構成されている。

図１１および図１２に示すように、検出素子６０は、第３起歪体４０Ｃ用の電極として、２つの固定電極基板Ｅｆ６１、Ｅｆ６２と、２つの変位電極基板Ｅｄ６１、Ｅｄ６２と、を含んでいる。第３起歪体４０Ｃの変位梁４２に、変位電極基板Ｅｄ６１、Ｅｄ６２が配置されている。２つの変位電極基板Ｅｄ６１、Ｅｄ６２は、変位梁４２のＸ軸方向負側の端部に配置されていてもよい。変位電極基板Ｅｄ６１が、変位電極基板Ｅｄ６２よりもＹ軸方向負側であって、平面視で力覚センサ１０の内側に配置されている。

固定電極基板Ｅｆ６１は、変位電極基板Ｅｄ６１に対向している。固定電極基板Ｅｆ６１と変位電極基板Ｅｄ６１とで、第６１容量素子Ｃ６１が構成されている。固定電極基板Ｅｆ６２は、変位電極基板Ｅｄ６２に対向している。固定電極基板Ｅｆ６２と変位電極基板Ｅｄ６２とで、第６２容量素子Ｃ６２が構成されている。第６１容量素子Ｃ６１と第６２容量素子Ｃ６２とが、第３起歪体４０Ｃ用の検出素子６０として構成されている。

図１１および図１２に示すように、検出素子６０は、第４起歪体４０Ｄ用の電極として、２つの固定電極基板Ｅｆ７１、Ｅｆ７２と、２つの変位電極基板Ｅｄ７１、Ｅｄ７２と、を含んでいる。第４起歪体４０Ｄの変位梁４２に、変位電極基板Ｅｄ７１、Ｅｄ７２が配置されている。２つの変位電極基板Ｅｄ７１、Ｅｄ７２は、変位梁４２のＹ軸方向正側の端部に配置されていてもよい。変位電極基板Ｅｄ７１が、変位電極基板Ｅｄ７２よりもＸ軸方向正側であって、平面視で力覚センサ１０の内側に配置されている。

固定電極基板Ｅｆ７１は、変位電極基板Ｅｄ７１に対向している。固定電極基板Ｅｆ７１と変位電極基板Ｅｄ７１とで、第７１容量素子Ｃ７１が構成されている。固定電極基板Ｅｆ７２は、変位電極基板Ｅｄ７２に対向している。固定電極基板Ｅｆ７２と変位電極基板Ｅｄ７２とで、第７２容量素子Ｃ７２が構成されている。第７１容量素子Ｃ７１と第７２容量素子Ｃ７２とが、第４起歪体４０Ｄ用の検出素子６０として構成されている。

本実施の形態による力覚センサ１０は、図８および図９に示す力覚センサ１０と同様に、モーメントＭｚを検出することができる。モーメントＭｚが受力体２０に作用した場合、各容量素子Ｃ２１～Ｃ７２の静電容量値の変化が検出され、受力体２０に作用したモーメントＭｚの向きと大きさが検出される。そして、図１３に示すように、各容量素子Ｃ２１～Ｃ７２の静電容量値が変化する。図１３は、各容量素子Ｃ２１～Ｃ７２の静電容量値の変化を示す表である。

図１３に示す表から、受力体２０に作用したモーメントＭｚは、上述した［式１０］と同様にして、以下の式で算出することができる。以下の［式１１］および［式１２］でモーメントＭｚを算出することができる。

［式１１］
Ｍｚ＝Ｃ２１－Ｃ３１＋Ｃ６１－Ｃ７１
［式１２］
Ｍｚ＝Ｃ２２－Ｃ３２＋Ｃ６２－Ｃ７２

上述の［式１１］および［式１２］の両方でモーメントＭｚを算出して、比較を行うことにより故障診断を行ってもよい。第２の実施の形態において述べたように、モーメントＭｚの算出には、各容量素子Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ６１およびＣ７１のうちのいずれか２つの容量素子、または各容量素子Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ６２およびＣ７２のうちのいずれか２つの容量素子を用いてもよい。例えば、＋Ｃ２１－Ｃ３１、＋Ｃ６１－Ｃ７１、－Ｃ３１＋Ｃ６１、＋Ｃ２１－Ｃ７１、＋Ｃ２２－Ｃ３２、＋Ｃ６２－Ｃ７２、－Ｃ３２＋Ｃ６２、＋Ｃ２２－Ｃ７２等の容量素子の組み合わせを用いてモーメントＭｚを算出してもよい。この場合、検出素子６０は、２つの変位電極基板で構成することができ、これら２つの変位電極基板が設けられた変位梁４２以外の変位梁４２には、変位電極基板は設けられていなくてもよい。このことにより、変位電極基板の個数および固定電極基板の個数を削減できる。変位電極基板が設けられない変位梁４２は、省略することができ、変位梁４２の個数を削減できる。また、容量素子の温度変化による静電容量値の変動を防止することができるとともに、同相ノイズによる静電容量値の変動を防止することができる。

このように本実施の形態によれば、各起歪体４０Ａ～４０Ｄの弾性変形体４１の一方の側で、変位梁４２が第２方向に突出し、他方の側で突出していない。変位梁４２の各々に、変位電極基板が配置され、支持体３０に、対応する変位電極基板に対向する固定電極基板が配置されている。このことにより、弾性変形体４１が第２方向に弾性変形した場合、変位電極基板と対応する固定電極基板との間の電極間距離を変化させることができる。このため、検出感度を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、起歪体４０Ａ～４０Ｄの変位梁４２の個数を削減できる。このことにより、起歪体４０Ａ～４０Ｄの構造を単純化し、簡素化することができる。この場合、力覚センサ１０の低価格化を図ることができる。

また、本実施の形態によれば、図８～図１０に示す力覚センサ１０と同様に、受力体２０に、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙが作用した場合であっても、弾性変形体４１が弾性変形することを抑制できる。このため、力Ｆｘおよび力Ｆｙに対する剛性を高めることができ、力覚センサ１０の信頼性を向上できる。

また、本実施の形態によれば、各変位梁４２に、複数の変位電極基板Ｅｄ２１～Ｅｄ７２が設けられ、支持体３０に、各変位電極基板Ｅｄ２１～Ｅｄ７２に対向する固定電極基板Ｅｆ２１～Ｅｆ７２が設けられている。このことにより、各変位梁４２に設けられた一方の変位電極基板Ｅｄ２１、Ｅｄ３１、Ｅｄ６１、Ｅｄ７１を含む容量素子Ｃ２１、Ｃ３１、Ｃ６１、Ｃ７１の静電容量値の変化から算出されたモーメントＭｚと、他方の変位電極基板Ｅｄ２２、Ｅｄ３２、Ｅｄ６２、Ｅｄ７２を含む容量素子Ｃ２２、Ｃ３２、Ｃ６２、Ｃ７２の静電容量値の変化から算出されたモーメントＭｚで、故障診断を行うことができる。このため、力覚センサ１０の信頼性を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、第１起歪体４０Ａの変位梁４２と、第２起歪体４０Ｂの変位梁４２は、互いに向き合っている。第３起歪体４０Ｃの変位梁４２と、第４起歪体４０Ｄの変位梁４２は、互いに向き合っている。このことにより、各変位電極基板Ｅｄ２１～Ｅｄ７２および各固定電極基板Ｅｆ２１～Ｅｆ７２への電気配線の接続作業性を向上させることができる。

なお、上述した本実施の形態においては、各変位梁４２に、２つの変位電極基板Ｅｄ２１～Ｅｄ７２が設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、上述したように、各変位梁４２に設けられる２つの変位電極基板は、一体化されて、１つの変位電極基板で構成されていてもよい。この場合、１つの変位電極基板に対向する２つの固定電極基板は、別体に形成されて互いに離れていてもよい。あるいは、各変位梁４２に対向する２つの固定電極基板は、一体化されて、１つの固定電極基板で構成されていてもよい。この場合、１つの固定電極基板に対向する２つの変位電極基板は、別体に形成されて互いに離れていてもよい。

（第４の実施の形態）
次に、図１４を用いて、本発明の第４の実施の形態による力覚センサについて説明する。

図１４に示す第４の実施の形態においては、受力体が、第１起歪体の受力体側端部と第２起歪体の受力体側端部を分断する第１受力体開口と、第３起歪体の受力体側端部と第４起歪体の受力体側端部を分断する第２受力体開口と、を含む点が主に異なり、他の構成は、図１１～図１３に示す第３の実施の形態と略同一である。なお 、図１４において、図１１～図１３に示す第３の実施の形態と同一部分には同一 符号を付して詳細な説明は省略する。

図１４に示すように、本実施の形態においては、受力体２０は、第１受力体開口２１と、第２受力体開口２２と、を含んでいてもよい。図１４は、第４の実施の形態による力覚センサ１０を示す斜視図である。

第１受力体開口２１は、第１起歪体４０Ａの受力体側端部４３と、第２起歪体４０Ｂの受力体側端部４３とを分断するように形成されている。このことにより、第１起歪体４０Ａの受力体側端部４３と、第２起歪体４０Ｂの受力体側端部４３とは、受力体２０を構成する部材で接続されておらず、互いに離れている。Ｚ軸方向正側から見たときに、第１受力体開口２１から、第１起歪体４０Ａの変位梁４２、第２起歪体４０Ｂの変位梁４２および後述する第１支持体接続部３３が露出されている。

第２受力体開口２２は、第３起歪体４０Ｃの受力体側端部４３と、第４起歪体４０Ｄの受力体側端部４３とを分断するように形成されている。このことにより、第３起歪体４０Ｃの受力体側端部４３と、第４起歪体４０Ｄの受力体側端部４３とは、受力体２０を構成する部材で接続されておらず、互いに離れている。Ｚ軸方向正側から見たときに、第２受力体開口２２から、第３起歪体４０Ｃの変位梁４２、第４起歪体４０Ｄの変位梁４２および後述する第２支持体接続部３４が露出されている。

受力体２０は、第１受力体接続部２３と、第２受力体接続部２４と、を含んでいてもよい。第１受力体接続部２３は、第２起歪体４０Ｂの受力体側端部４３と、第３起歪体４０Ｃの受力体側端部４３とを接続している。第２受力体接続部２４は、第４起歪体４０Ｄの受力体側端部４３と第１起歪体４０Ａの受力体側端部４３とを接続している。受力体２０が受力体中心開口２０ａを含んでいる場合、第１受力体接続部２３の平面形状および第２受力体接続部２４の平面形状は、概略的に、円形リング形状の１／４の形状であってもよい。

第１受力体接続部２３および第２受力体接続部２４に、ボルト穴２５が設けられていてもよい。ボルト穴２５は、図１に示すツール３または図示しないエンドエフェクタを取り付けるために用いられてもよい。

図１４に示すように、本実施の形態においては、支持体３０は、第１支持体開口３１と、第２支持体開口３２と、を含んでいてもよい。

第１支持体開口３１は、第２起歪体４０Ｂの支持体側端部４４と、第３起歪体４０Ｃの支持体側端部４４とを分断するように形成されている。このことにより、第２起歪体４０Ｂの支持体側端部４４と、第３起歪体４０Ｃの支持体側端部４４とは、支持体３０を構成する部材で接続されておらず、互いに離れている。Ｚ軸方向負側から見たときに、第１支持体開口３１から、上述した第１受力体接続部２３が露出されている。

第２支持体開口３２は、第４起歪体４０Ｄの支持体側端部４４と、第１起歪体４０Ａの支持体側端部４４とを分断するように形成されている。このことにより、第４起歪体４０Ｄの支持体側端部４４と、第１起歪体４０Ａの支持体側端部４４とは、支持体３０を構成する部材で接続されておらず、互いに離れている。Ｚ軸方向負側から見たときに、第２支持体開口３２から、上述した第２受力体接続部２４が露出されている。

図１４に示すように、本実施の形態においては、支持体３０は、第１支持体接続部３３と、第２支持体接続部３４と、を含んでいてもよい。第１支持体接続部３３は、第１起歪体４０Ａの支持体側端部４４と、第２起歪体４０Ｂの支持体側端部４４とを接続している。第２支持体接続部３４は、第３起歪体４０Ｃの支持体側端部４４と第４起歪体４０Ｄの支持体側端部４４とを接続している。支持体３０が支持体中心開口３０ａを含んでいる場合、第１支持体接続部３３の平面形状および第２支持体接続部３４の平面形状は、概略的に、円形リング形状の１／４の形状であってもよい。

第１支持体接続部３３および第２支持体接続部３４に、ボルト穴３５が設けられていてもよい。ボルト穴３５は、図１に示すロボットアーム４に取り付けるために用いられてもよい。

図１４に示す各起歪体４０Ａ～４０Ｄは、図１１および図１２に示す各起歪体４０Ａ～４０Ｄと同様に構成されていてもよい。検出素子６０も、図１１および図１２に示す検出素子６０と同様に構成されていてもよい。この場合、力覚センサ１０に作用したモーメントＭｚの向きと大きさを、同様にして検出することができ、検出感度を向上させることができる。図１４では、図面を明瞭にするために、各容量素子Ｃ１～Ｃ８は省略している。

このように本実施の形態によれば、受力体２０は、第１起歪体４０Ａの受力体側端部４３と、第２起歪体４０Ｂの受力体側端部４３とを分断する第１受力体開口２１と、第３起歪体４０Ｃの受力体側端部４３と、第４起歪体４０Ｄの受力体側端部４３とを分断する第２受力体開口２２と、を含んでいる。このことにより、受力体２０の質量を低減することができる。このため、力覚センサ１０の取扱性を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、支持体３０は、第２起歪体４０Ｂの支持体側端部４４と、第３起歪体４０Ｃの支持体側端部４４とを分断する第１支持体開口３１と、第４起歪体４０Ｄの支持体側端部４４と、第１起歪体４０Ａの支持体側端部４４とを分断する第２支持体開口３２と、を含んでいる。このことにより、支持体３０の質量を低減することができる。このため、力覚センサ１０の取扱性を向上させることができる。

（第５の実施の形態）
次に、図１５～図２０を用いて、本発明の第５の実施の形態による力覚センサについて説明する。

図１５～図２０に示す第５の実施の形態においては、受力体は、受力体本体部と、受力体本体部よりも薄い受力体薄肉部と、を含む点が主に異なり、他の構成は、図１～図７に示す第１の実施の形態と略同一である。なお 、図１５～図２０において、図１～図７に示す第１の実施の形態と同一部分には同一 符号を付して詳細な説明は省略する。

図１５および図１６に示すように、本実施の形態による受力体２０は、受力体本体部２６と、受力体薄肉部２７と、を含んでいる。受力体本体部２６は、受力体２０のうち比較的厚い部分である。受力体薄肉部２７は、受力体本体部２６よりも薄い部分である。受力体薄肉部２７は、可撓性を有しており、Ｚ軸方向の力の作用により弾性変形可能になっている。受力体薄肉部２７のＺ軸方向の力の作用に対するばね定数は、受力体本体部２６のＺ軸方向の力の作用に対するばね定数よりも小さい。受力体薄肉部２７の平面形状は、円形でもよく、または矩形でもよく、任意である。図１６に示すように、受力体薄肉部２７の平面形状は、概略的に円形であってもよい。図１５は、第５の実施の形態による力覚センサ１０を示す断面図である。図１６は、図１５に示す力覚センサ１０を示す平面図である。

Ｚ軸方向において、受力体薄肉部２７の支持体３０の側の面は、受力体本体部２６の支持体３０の側の面と、同じ位置に形成されていてもよい。この場合、受力体本体部２６の面と受力体薄肉部２７の面は、連続した面を構成していてもよい。受力体薄肉部２７の支持体３０とは反対側の面は、受力体本体部２６の支持体３０とは反対側の面よりも、支持体３０に近い位置に配置されている。このことにより、受力体２０の支持体３０とは反対側の面に、凹部２８が形成されている。

受力体薄肉部２７は、起歪体４０Ａ～４０Ｄの受力体側端部４３に接続されている。受力体２０は、４つの受力体薄肉部２７を含んでいる。各受力体薄肉部２７は、平面視で、対応する起歪体４０Ａ～４０Ｄの弾性変形体４１に重なる位置に配置されている。各受力体薄肉部２７の中心に、対応する弾性変形体４１の受力体側端部４３が配置されていてもよい。受力体薄肉部２７同士は、互いに離れており、接続されていない。受力体薄肉部２７に、１つまたは複数の貫通孔（図示せず）が形成されていてもよい。貫通孔は、受力体薄肉部２７を貫通する孔である。貫通孔は、平面視で、受力体側端部４３に重ならない位置に配置されていてもよい。貫通孔が形成されることにより、受力体薄肉部２７の可撓性を増大させることができる。

図１５および図１６に示すように、本実施の形態による支持体３０は、支持体本体部３６と、支持体薄肉部３７と、を含んでいる。支持体本体部３６は、支持体３０のうち比較的厚い部分である。支持体薄肉部３７は、支持体本体部３６よりも薄い部分である。支持体薄肉部３７は、可撓性を有しており、Ｚ軸方向の力の作用により弾性変形可能になっている。支持体薄肉部３７のＺ軸方向の力の作用に対するばね定数は、支持体本体部３６のＺ軸方向の力の作用に対するばね定数よりも小さい。支持体薄肉部３７の平面形状は、円形でもよく、または矩形でもよく、任意である。支持体薄肉部３７の平面形状は、上述した受力体薄肉部２７と同様に、概略的に円形であってもよい。

図１６においては、弾性変形体４１の平面形状は、概略的に円形になっているが、これに限られることはない。

Ｚ軸方向において、支持体薄肉部３７の受力体２０の側の面は、支持体本体部３６の受力体２０の側の面と、同じ位置に形成されていてもよい。この場合、支持体本体部３６の面と支持体薄肉部３７の面は、連続した面を構成していてもよい。支持体薄肉部３７の受力体２０とは反対側の面は、支持体本体部３６の受力体２０とは反対側の面よりも、受力体２０に近い位置に配置されている。このことにより、支持体３０の受力体２０とは反対側の面に、凹部３８が形成されている。

支持体薄肉部３７は、起歪体４０Ａ～４０Ｄの支持体側端部４４に接続されている。支持体３０は、４つの支持体薄肉部３７を含んでいる。各支持体薄肉部３７は、平面視で、対応する起歪体４０Ａ～４０Ｄの弾性変形体４１に重なる位置に配置されている。各支持体薄肉部３７の中心に、対応する弾性変形体４１の支持体側端部４４が配置されていてもよい。支持体薄肉部３７同士は、互いに離れており、接続されていない。支持体薄肉部３７に、１つまたは複数の貫通孔（図示せず）が形成されていてもよい。貫通孔は、支持体薄肉部３７を貫通する孔である。貫通孔は、平面視で、支持体側端部４４に重ならない位置に配置されていてもよい。貫通孔が形成されることにより、支持体薄肉部３７の可撓性を増大させることができる。

次に、このような構成からなる本実施の形態による力覚センサにおいて、力またはモーメントを検出する方法について説明する。

本実施の形態による第１起歪体４０Ａの単体にＸ軸方向の力Ｆｘが作用した場合には、図６に示す第１起歪体４０Ａと同様にして、第１容量素子Ｃ１の静電容量値が減少し、第２容量素子Ｃ２の静電容量値が増大する。この場合、力Ｆｘは、上述した［式１］で表される。

本実施の形態による第１起歪体４０Ａの単体にＹ軸周りのモーメントＭｙが作用した場合にも、図６に示す第１起歪体４０Ａと同様にして、第１容量素子Ｃ１の静電容量値が減少し、第２容量素子Ｃ２の静電容量値が増大する。この場合、モーメントＭｙは、上述した［式２］で表される。

本実施の形態による第１起歪体４０Ａの単体にＹ軸方向の力Ｆｙが作用した場合には、図６に示す第１起歪体４０Ａと同様に、各容量素子Ｃ１、Ｃ２における静電容量値の変化は無いとみなせる。Ｘ軸周りのモーメントＭｘが作用した場合にも同様に、各容量素子Ｃ１、Ｃ２における静電容量値の変化は無いとみなせる。

本実施の形態による第１起歪体４０Ａの単体にＺ軸方向の力Ｆｚが作用した場合について、図１７および図１８を用いて説明する。図１７は、受力体２０がＺ軸方向正側の力Ｆｚを受けた場合の第１起歪体４０Ａの変形状態を模式的に示す正面図である。図１８は、受力体２０がＺ軸方向負側の力Ｆｚを受けた場合の第１起歪体４０Ａの変形状態を模式的に示す正面図である。

第１起歪体４０ＡにＺ軸方向正側に力Ｆｚが作用した場合には、図１７に示すように、受力体薄肉部２７および支持体薄肉部３７が弾性変形する。この場合、受力体２０はＺ軸方向正側に変位し、第１起歪体４０Ａの弾性変形体４１および変位梁４２は、Ｚ軸方向正側に変位する。弾性変形体４１は、Ｚ軸方向に弾性変形しない。このことにより、第１変位電極基板Ｅｄ１が上昇して第１固定電極基板Ｅｆ１から遠ざかる。第１変位電極基板Ｅｄ１と第１固定電極基板Ｅｆ１との電極間距離（Ｚ軸方向の距離）が増大し、第１容量素子Ｃ１の静電容量値が減少する。同様に、第２変位電極基板Ｅｄ２も上昇して第２固定電極基板Ｅｆ２から遠ざかる。第２変位電極基板Ｅｄ２と第２固定電極基板Ｅｆ２との電極間距離が増大し、第２容量素子Ｃ２の静電容量値が減少する。

第１起歪体４０Ａの団体に作用した力Ｆｚは、以下の式で算出することができる。
［式１３］
Ｆｚ＝－Ｃ１－Ｃ２

一方、第１起歪体４０ＡにＺ軸方向負側に力Ｆｚが作用した場合には、図１８に示すように、受力体薄肉部２７および支持体薄肉部３７が弾性変形する。この場合、受力体２０はＺ軸方向負側に変位し、第１起歪体４０Ａの弾性変形体４１および変位梁４２は、Ｚ軸方向負側に変位する。弾性変形体４１は、Ｚ軸方向に弾性変形しない。このことにより、第１変位電極基板Ｅｄ１が下降して第１固定電極基板Ｅｆ１に近づく。第１変位電極基板Ｅｄ１と第１固定電極基板Ｅｆ１との電極間距離（Ｚ軸方向の距離）が減少し、第１容量素子Ｃ１の静電容量値が増大する。同様に、第２変位電極基板Ｅｄ２も下降して第２固定電極基板Ｅｆ２に近づく。第２変位電極基板Ｅｄ２と第２固定電極基板Ｅｆ２との電極間距離が減少し、第２容量素子Ｃ２の静電容量値が増大する。

このように、受力体２０と支持体３０とが第１起歪体４０Ａだけで接続されている力覚センサ１０は、力Ｆｘ、力ＦｚとモーメントＭｙを検出することができる。この力覚センサ１０は、力ＦｘとモーメントＭｙの一方のみが作用する環境で用いられてもよい。

次に、図１５および図１６に示す力覚センサ１０の受力体２０に、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸周りのモーメントＭｘおよびＹ軸周りのモーメントＭｙが作用した場合の各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値の変化について図１９を用いて説明する。Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力ＦｙおよびＺ軸周りのモーメントＭｚが作用した場合の各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値の変化は、図５に示す力覚センサ１０における静電容量値の変化と同様である。このため、力Ｆｘ、力ＦｙおよびモーメントＭｚについての詳細な説明は省略する。図１９は、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値の変化を示す表である。

（＋Ｆｚが作用した場合）
受力体２０にＺ軸方向正側に力Ｆｚが作用した場合について説明する。

この場合、第１起歪体４０Ａは、図１７に示すように弾性変形し、第１容量素子Ｃ１の静電容量値が減少するとともに、第２容量素子Ｃ２の静電容量値が減少する。このことが、図１９に示す表中のＦｚの行のＣ１およびＣ２に「－（マイナス）」として示されている。

第２起歪体４０Ｂは、図１７に示す第１起歪体４０Ａと同様に弾性変形する。このことにより、第３容量素子Ｃ３の静電容量値が減少するとともに、第４容量素子Ｃ４の静電容量値が減少する。第３起歪体４０Ｃおよび第４起歪体４０Ｄも同様に弾性変形し、第５容量素子Ｃ５～第８容量素子Ｃ８の静電容量値は減少する。

（＋Ｍｘが作用した場合）
受力体２０にＸ軸周りのモーメントＭｘが作用した場合について説明する。

この場合、第１起歪体４０Ａは、図１８に示す第１起歪体４０Ａと同様に弾性変形し、第１容量素子Ｃ１の静電容量値が増大するとともに第２容量素子Ｃ２の静電容量値が増大する。

第２起歪体４０Ｂにおいては、弾性変形体４１が、Ｙ軸方向において受力体２０の中心Ｏと同じ位置に位置しているため、第２起歪体４０Ｂの変位梁４２の変位は、第１起歪体４０Ａの変位梁４２の変位および第３起歪体４０Ｃの変位梁４２の変位に比べて小さい。ここでは、説明を簡略化するために、第２起歪体４０Ｂの変位梁４２は、変位しないと考える。このため、第３容量素子Ｃ３の静電容量値が変化せず、第４容量素子Ｃ４の静電容量値も変化しない。

第３起歪体４０Ｃは、図１７に示す第１起歪体４０Ａと同様に弾性変形し、第５容量素子Ｃ５の静電容量値が減少するとともに第６容量素子Ｃ６の静電容量値が減少する。

第４起歪体４０Ｄにおいては、弾性変形体４１が、Ｙ軸方向において受力体２０の中心Ｏと同じ位置に位置しているため、第４起歪体４０Ｄの変位梁４２の変位は、第１起歪体４０Ａの変位梁４２の変位および第３起歪体４０Ｃの変位梁４２の変位に比べて小さい。ここでは、説明を簡略化するために、第４起歪体４０Ｄの変位梁４２は、変位しないと考える。このため、第７容量素子Ｃ７の静電容量値が変化せず、第８容量素子Ｃ８の静電容量値も変化しない。

（＋Ｍｙが作用した場合）
受力体２０にＹ軸周りのモーメントＭｙが作用した場合について説明する。

この場合、第１起歪体４０Ａにおいては、弾性変形体４１が、Ｘ軸方向において受力体２０の中心Ｏと同じ位置に位置しているため、第１起歪体４０Ａの変位梁４２の変位は、第２起歪体４０Ｂの変位梁４２の変位および第４起歪体４０Ｄの変位梁４２の変位に比べて小さい。ここでは、説明を簡略化するために、第１起歪体４０Ａの変位梁４２は、変位しないと考える。このため、第１容量素子Ｃ１の静電容量値が変化せず、第２容量素子Ｃ２の静電容量値も変化しない。

第２起歪体４０Ｂは、図１８に示す第１起歪体４０Ａと同様に弾性変形し、第３容量素子Ｃ３の静電容量値が増大するとともに第４容量素子Ｃ４の静電容量値が増大する。

第３起歪体４０Ｃにおいては、弾性変形体４１が、Ｘ軸方向において受力体２０の中心Ｏと同じ位置に位置しているため、第３起歪体４０Ｃの変位梁４２の変位は、第２起歪体４０Ｂの変位梁４２の変位および第４起歪体４０Ｄの変位梁４２の変位に比べて小さい。ここでは、説明を簡略化するために、第３起歪体４０Ｃの変位梁４２は、変位しないと考える。このため、第５容量素子Ｃ５の静電容量値が変化せず、第６容量素子Ｃ６の静電容量値も変化しない。

第４起歪体４０Ｄは、図１７に示す第１起歪体４０Ａと同様に弾性変形し、第７容量素子Ｃ７の静電容量値が減少するとともに第８容量素子Ｃ８の静電容量値が減少する。

このように、本実施の形態による力覚センサ１０は、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を検出することができ、６軸成分を検出することができる。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が受力体２０に作用した場合、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値の変化が検出され、受力体２０に作用した力またはモーメントの向きと大きさが検出される。そして、図１９に示すように、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値が変化する。

図１９に示す表から、受力体２０に作用した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は、以下の式で算出することができる。これにより、力の６軸成分を検出することができる。
［式１４］
Ｆｘ＝－Ｃ１＋Ｃ２ ＋Ｃ５－Ｃ６
［式１５］
Ｆｙ＝ －Ｃ３＋Ｃ４ ＋Ｃ７－Ｃ８
［式１６］
Ｆｚ＝－Ｃ１－Ｃ２－Ｃ３－Ｃ４－Ｃ５－Ｃ６－Ｃ７－Ｃ８
［式１７］
Ｍｘ＝ Ｃ１＋Ｃ２ －Ｃ５－Ｃ６
［式１８］
Ｍｙ＝ Ｃ３＋Ｃ４ －Ｃ７－Ｃ８
［式１９］
Ｍｚ＝－Ｃ１＋Ｃ２－Ｃ３＋Ｃ４－Ｃ５＋Ｃ６－Ｃ７＋Ｃ８

上述したように、図１５および図１６に示す力覚センサ１０は、上述した［式１４］～［式１９］で示したように、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を検出することができるため、力の６軸成分を検出することが可能になっている。しかしながら、力覚センサ１０が検出することが可能な力の軸成分は６つであることに限られることはなく、起歪体の個数や構造、形状に応じて、検出可能な軸成分は任意である。詳細な説明は省略するが、例えば、３つの起歪体と用いることによっても力とモーメントの６軸成分を検出することができる。

図１９に示す各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値の変化を、上述の［式１４］～［式１９］に適用すると、図２０の主軸感度および他軸感度を示す表が得られる。図２０は、図１９に示す静電容量値の変化に基づく主軸感度および他軸感度を示す表である。図２０に示すＶＦｘはＸ軸方向の力Ｆｘが作用したときの出力であり、ＶＦｙはＹ軸方向の力Ｆｙが作用したときの出力であり、ＶＦｚはＺ軸方向の力Ｆｚが作用したときの出力である。また、ＶＭｘはＸ軸周りのモーメントＭｘが作用したときの出力であり、ＶＭｙはＹ軸周りのモーメントＭｙが作用したときの出力であり、ＶＭｚはＺ軸周りのモーメントＭｚが作用したときの出力である。

図２０の表中に示された数値は、図１９の表に記載の各力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚおよび各モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚについて、「＋」の符号が付された容量素子を「＋１」とし、「－」の符号が付された容量素子を「－１」として、上述の［式１４］～［式１９］の右辺に代入して得られた数値である。例えば、Ｆｘの列とＶＦｘの行とが交わるマス目に記載の「４」という数値は、Ｆｘを示す［式１４］において、図１９のＦｘの行に基づいて、Ｃ２およびＣ５に「＋１」を代入し、Ｃ１およびＣ６に「－１」を代入して得られた数値である。また、Ｆｘの列とＶＦｙの行とが交わるマス目に記載の「０」という数値は、Ｆｘを示す［式１４］において、図１９のＦｙの行に基づいてＣ１、Ｃ２、Ｃ５およびＣ６に０を代入して得られた数値である。

図２０に示されているように、力Ｆｘについては、ＶＦｘが「４」という数値になっているが、ＶＦｙ、ＶＦｚ、ＶＭｘ、ＶＭｙ、ＶＭｚは「０」という数値になっている。このことから、力Ｆｘについては、他軸感度が無く、主軸感度のみを検出することができる。力Ｆｙ、Ｆｚと、モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚについても同様に他軸感度はなく、主軸感度のみをそれぞれ検出することができる。すなわち、他軸感度の発生を抑制することができる力覚センサ１０を得ることができる。

なお、他軸感度が発生する場合も考えられる。例えば、第１起歪体４０ＡについてＺ軸方向正側に力Ｆｚが作用した場合、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変化量と、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変化量とは、異なる場合がある。この場合、力Ｆｚに対して他軸感度が発生し得る。また、力Ｆｚ、モーメントＭｘ、Ｍｙが受力体２０に作用した場合、第１起歪体４０Ａは、Ｚ軸方向に変位するため、図１９に示す表中のＦｚの行、Ｍｘの行、Ｍｙの行では、同じ符号が付されていたとしても静電容量値の変化量が異なる場合がある。この場合、力Ｆｚ、モーメントＭｘ、Ｍｙに対して他軸感度が発生し得る。力Ｆｘ、Ｆｙ、モーメントＭｚについても同様に他軸感度が発生し得る。例えば、モーメントＭｘが受力体２０に作用した場合、図１９に示すように、第３容量素子Ｃ３と第４容量素子Ｃ４と第７容量素子Ｃ７と第８容量素子Ｃ８では静電容量値が変化しないため、「０」という数値が記載されているが、静電容量値が変化して他軸感度が発生する場合がある。モーメントＭｙ、Ｍｚについても同様である。また、力Ｆｘ、Ｆｙの行で、「０」という数値が記載されている容量素子についても、静電容量値が変化して他軸感度が発生する場合がある。

しかしながら、他軸感度が発生した場合であっても、他軸感度のマトリックス（図２０に示す表に対応する６行６列の行列、特性行列とも言う）の逆行列を求め、この逆行列を力覚センサの出力（特性行列）に乗じることによって補正演算を行うことができる。この結果、他軸感度を低減することができ、他軸感度の発生を抑制することができる。

このように本実施の形態によれば、受力体２０は、受力体本体部２６と、受力体本体部２６よりも薄い受力体薄肉部２７と、を含み、受力体薄肉部２７は、起歪体４０Ａ～４０Ｄの受力体側端部４３に接続されている。このことにより、受力体薄肉部２７が、Ｚ軸方向の力の作用により弾性変形することができ、受力体２０にＺ軸方向の力が作用した場合に、受力体２０をＺ軸方向に変位させることができる。このため、起歪体４０Ａ～４０Ｄの変位梁４２を変位させることができ、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値を変化させることができる。この結果、力またはモーメントの６軸成分を検出することができる。

また、本実施の形態によれば、支持体３０は、支持体本体部３６と、支持体本体部３６よりも薄い支持体薄肉部３７と、を含み、支持体薄肉部３７は、起歪体４０Ａ～４０Ｄの支持体側端部４４に接続されている。このことにより、支持体薄肉部３７が、Ｚ軸方向の力の作用により弾性変形することができ、受力体２０にＺ軸方向の力が作用した場合に、受力体２０をＺ軸方向に変位させることができる。このため、起歪体４０Ａ～４０Ｄの変位梁４２を変位させることができ、各容量素子Ｃ１～Ｃ８の静電容量値を変化させることができる。この結果、力またはモーメントの６軸成分を検出することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、受力体薄肉部２７の平面形状が円形である例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、受力体薄肉部２７の平面形状は、円形リング形状であってもよい。この場合、受力体薄肉部２７は、平面視で、受力体側端部４３を囲んでいてもよい。平面視で、受力体薄肉部２７の内側部分が、受力体本体部２６と同じ厚さを有し、この内側部分を介して、受力体薄肉部２７に受力体側端部４３が接続されるようにしてもよい。この場合においても、受力体薄肉部２７に、上述した貫通孔が形成されていてもよい。受力体薄肉部２７の平面形状は、矩形の環状形状に形成されていてもよい。この場合、弾性変形体４１のＸＹ平面に沿う断面形状も、矩形であってもよい。

また、上述した本実施の形態においては、支持体薄肉部３７の平面形状が円形である例について説明した。しかしながら、このことに限られることはない。例えば、支持体薄肉部３７の平面形状は、円形リング形状であってもよい。この場合、支持体薄肉部３７は、平面視で、支持体側端部４４を囲んでいてもよい。平面視で、支持体薄肉部３７の内側部分が、支持体本体部３６と同じ厚さを有し、この内側部分を介して、支持体薄肉部３７に支持体側端部４４が接続されるようにしてもよい。この場合においても、支持体薄肉部３７に、上述した貫通孔が形成されていてもよい。支持体薄肉部３７の平面形状は、矩形の環状形状に形成されていてもよい。この場合、弾性変形体４１のＸＹ平面に沿う断面形状も、矩形であってもよい。

本発明は上記実施の形態および変形例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態および変形例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。実施の形態および変形例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態および変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ ロボット
１０ 力覚センサ
２０ 受力体
２１ 第１受力体開口
２２ 第２受力体開口
２６ 受力体本体部
２７ 受力体薄肉部
３０ 支持体
３１ 第１支持体開口
３２ 第２支持体開口
３６ 支持体本体部
３７ 支持体薄肉部
４０ 起歪体
４０Ａ 第１起歪体
４０Ｂ 第２起歪体
４０Ｃ 第３起歪体
４０Ｄ 第４起歪体
４１ 弾性変形体
４２ 変位梁
４３ 受力体側端部
４４ 支持体側端部
６０ 検出素子
７０ 検出回路
Ｅｄ１～Ｅｄ８、Ｅｄ２１、Ｅｄ２２、Ｅｄ３１、Ｅｄ３２、Ｅｄ６１、Ｅｄ６２、Ｅｄ７１、Ｅｄ７２ 変位電極基板
Ｅｆ１～Ｅｆ８、Ｅｆ２１、Ｅｆ２２、Ｅｆ３１、Ｅｆ３２、Ｅｆ６１、Ｅｆ６２、Ｅｆ７１、Ｅｆ７２ 固定電極基板

Claims (14)

1. 検出対象となる力またはモーメントの作用を受ける受力体と、
   第１方向において前記受力体の一方の側に配置され、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を接続し、前記受力体が受けた力またはモーメントの作用により弾性変形する起歪体と、
   前記起歪体の弾性変形により生じた変位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、前記受力体に作用した力また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、
   前記起歪体は、前記受力体に接続された受力体側端部から前記支持体に接続された支持体側端部にわたって前記第１方向に延びる弾性変形体と、前記弾性変形体から前記第１方向に直交する第２方向に突出する変位体と、を含み、
   前記検出素子は、前記支持体に設けられた固定電極基板と、前記変位体に設けられた、前記固定電極基板に対向する変位電極基板と、を含む、力覚センサ。
2. 前記第１方向および前記第２方向に直交する方向を第３方向とし、
   前記弾性変形体の前記第３方向の寸法は、前記弾性変形体の前記第２方向の寸法よりも大きい、請求項１に記載の力覚センサ。
3. 前記起歪体は、前記弾性変形体の両側で前記第２方向に突出する２つの前記変位体を含み、
   前記検出素子は、２つの前記固定電極基板と、対応する前記固定電極基板に対向する２つの前記変位電極基板と、を含み、
   前記変位体の各々に前記変位電極基板が設けられている、請求項１または２に記載の力覚センサ。
4. 前記受力体と前記支持体は、４つの前記起歪体で接続され、
   ４つの前記起歪体は、第１起歪体と、第２起歪体と、第３起歪体と、第４起歪体と、を含み、
   第１方向をＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向とし、
   前記Ｚ軸方向で見たときに、前記受力体の中心に対してＹ軸方向負側に前記第１起歪体が配置され、前記受力体の中心に対してＸ軸方向正側に前記第２起歪体が配置され、前記受力体の中心に対してＹ軸方向正側に前記第３起歪体が配置され、前記受力体の中心に対してＸ軸方向負側に前記第４起歪体が配置され、
   前記第１起歪体および前記第３起歪体の前記第２方向をＸ軸方向とし、
   前記第２起歪体および前記第４起歪体の前記第２方向をＹ軸方向としている、請求項１または２に記載の力覚センサ。
5. 前記変位体は、前記弾性変形体の一方の側で前記弾性変形体から前記第２方向に突出し、他方の側で突出していない、請求項１または２に記載の力覚センサ。
6. 前記変位体に、複数の前記変位電極基板が設けられ、
   前記支持体に、前記変位電極基板の各々に対向する前記固定電極基板が設けられている、請求項５に記載の力覚センサ。
7. 前記受力体と前記支持体は、４つの前記起歪体で接続され、
   ４つの前記起歪体は、第１起歪体と、第２起歪体と、第３起歪体と、第４起歪体と、を含み、
   第１方向をＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向とし、
   前記Ｚ軸方向で見たときに、前記受力体の中心に対してＹ軸方向負側に前記第１起歪体が配置され、前記受力体の中心に対してＸ軸方向正側に前記第２起歪体が配置され、前記受力体の中心に対してＹ軸方向正側に前記第３起歪体が配置され、前記受力体の中心に対してＸ軸方向負側に前記第４起歪体が配置され、
   前記第１起歪体および前記第３起歪体の前記第２方向をＸ軸方向とし、
   前記第２起歪体および前記第４起歪体の前記第２方向をＹ軸方向とし、
   前記第１起歪体の前記変位体と、前記第２起歪体の前記変位体は、互いに向き合い、
   前記第３起歪体の前記変位体と前記第４起歪体の前記変位体は、互いに向き合っている、請求項５に記載の力覚センサ。
8. 前記受力体は、前記第１起歪体の前記受力体側端部と前記第２起歪体の前記受力体側端部を分断する第１受力体開口と、前記第３起歪体の前記受力体側端部と前記第４起歪体の前記受力体側端部を分断する第２受力体開口と、を含む、請求項７に記載の力覚センサ。
9. 前記支持体は、前記第２起歪体の前記支持体側端部と前記第３起歪体の前記支持体側端部を分断する第１支持体開口と、前記第４起歪体の前記支持体側端部と前記第１起歪体の前記支持体側端部を分断する第２支持体開口と、を含む、請求項７に記載の力覚センサ。
10. 前記受力体は、受力体本体部と、前記起歪体の前記受力体側端部に接続された、前記受力体本体部よりも薄い受力体薄肉部と、を含む、請求項１に記載の力覚センサ。
11. 前記支持体は、支持体本体部と、前記起歪体の前記支持体側端部に接続された、前記支持体本体部よりも薄い支持体薄肉部と、を含む、請求項１に記載の力覚センサ。
12. 前記受力体と前記支持体は、複数の前記起歪体で接続され、
    前記検出素子は、前記変位体の個数よりも少ない偶数の前記変位電極基板で構成され、
    いくつかの前記変位体の各々に、前記変位電極基板が設けられ、他の前記変位体に、前記変位電極基板は設けられておらず、
    前記力覚センサに前記第１方向に沿う軸の周りのモーメントが作用した場合、一部の前記変位電極基板は、対向する前記固定電極基板から遠ざかり、残りの前記変位電極基板は、対向する前記固定電極基板に近づく、請求項１または２に記載の力覚センサ。
13. 前記起歪体は、前記弾性変形体の両側で前記第２方向に突出する２つの前記変位体を含む、請求項１２に記載の力覚センサ。
14. 前記変位体は、前記弾性変形体の一方の側で前記弾性変形体から前記第２方向に突出し、他方の側で突出していない、請求項１２に記載の力覚センサ。