JP6214072B1 - 力覚センサ - Google Patents

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Abstract

本発明の力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントの各成分のうち少なくとも１つの成分を検出するものであって、ＸＹ平面上に配置された支持体と、支持体に接合された変形体と、変形体に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、を備えている。変形体は、第１バネ定数を有する第１変形部と、第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する第２変形部と、を有し、検出回路は、作用した力に対応する、第１変形部の変形に相当する第１電気信号と、第２変形部の変形に相当する第２電気信号と、を出力し、作用した力に対応する第１電気信号と第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。

Description

本発明は、力覚センサに関し、特に、所定の軸方向に作用した力及び所定の回転軸まわりに作用したトルクを電気信号として出力する機能をもったセンサに関する。
所定の軸方向に作用した力及び所定の回転軸まわりに作用したトルクを電気信号として出力する機能をもった力覚センサは、例えば特許文献１に記載されており、産業用ロボットの力制御に広く利用されている。近年では、生活支援ロボットへも採用されており、高い安全性が求められている。しかしながら、例えば、現状の静電容量タイプの力覚センサにおいては、機構部、静電容量の検出部（力の検出部）、マイコンを含む電子回路を備えているが、結露、衝撃、過負荷、あるいは当該静電容量を提供する一対の平行平板間に異物が混入することによって、故障してしまう可能性がある。特には、力覚センサの力検出部は、可撓性を有するため、過負荷や繰り返し荷重によって金属疲労を生じる。このことにより、当該力検出部を構成する弾性体にクラック等が生じ、最終的には破断してしまう恐れがある。
力覚センサが故障しているか否かを判断する簡便な方法としては、例えば引用文献１に記載されている力覚センサを複数（例えば３つ）並列に並べ、各力覚センサの出力信号の差を評価すればよい。この方法では、３つの出力信号を２つずつ比較し、各２つの力覚センサの出力信号の差が所定の範囲内に存在していれば当該力覚センサは正常に機能していると判断され、一方で当該差が所定の範囲内に存在していなければ、当該力覚センサは正常に機能していない（故障している）と判断される。
特開２００４−３５４０４９号公報
しかしながら、複数の力覚センサを用いて当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判断する方法を採用した場合、力覚センサの個数に応じてコストが増大してしまう。更に、力覚センサを設置するために必要なスペースも増大してしまい、問題である。もちろん、ロボット等に取り付けられた力覚センサを取り外して故障診断を行うことにより、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定することは可能ではある。しかしながら、一度取り付けられた力覚センサを取り外すことは面倒であるため、より簡便に故障診断を行うことができる力覚センサが望まれていた。
本発明は、以上のような問題に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、力検出部を構成する弾性体が破断する前に当該弾性体に金属疲労が生じていること検出し、当該力検出部の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することである。
本発明は、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントの各成分のうち少なくとも１つの成分を検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に接合された変形体と、
前記変形体に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形体は、第１バネ定数を有する第１変形部と、前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する第２変形部と、を有し、
前記検出回路は、作用した力に対応する、前記第１変形部の変形に相当する第１電気信号と、前記第２変形部の変形に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用した力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
本発明によれば、力検出部を構成する変形体に金属疲労が生じると、第１電気信号と第２電気信号との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
この力覚センサにおいて、好ましくは、前記第１電気信号または前記第２電気信号に基づいて、当該力覚センサに作用した成分を検出する。
この場合、相対的にバネ定数が大きい変形部に対応する電気信号に基づいて作用した成分（力）を検出すれば、金属疲労の影響をほとんど受けることなく当該成分の検出が可能である。一方、相対的にバネ定数が小さい変形部に対応する電気信号に基づいて作用した成分（力）を検出すれば、作用した成分に対する感度が相対的に高いため、Ｓ／Ｎに優れた計測が可能となる。
以上のような力覚センサにおいて、前記検出回路は、各種の手段によって当該力覚センサに作用した成分を検出することが可能である。一例として、前記検出回路は、静電容量の変化で作用した成分を検出しても良い。
あるいは、前記検出回路は、電気抵抗値の変化で作用した成分を検出しても良い。
あるいは、前記検出回路は、発光素子と受光素子とを用いて作用した成分を検出しても良い。
以上の発明の具体的な形態としては、次のものが想定され得る。
第１−１の発明によれば、本発明は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の力を検出する一軸の力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及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を示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形部は、Ｚ軸方向から見て、当該Ｚ軸を含み第１バネ定数を有する内側変形部と、この内側変形部の外側に位置し前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
前記容量素子は、前記内側変形部に対応する位置に配置された第１容量素子と、前記外側変形部に対応する位置に配置された第２容量素子と、を有し、
前記検出回路は、
作用した力に対応する、前記第１容量素子の静電容量値に相当する第１電気信号と、前記第２容量素子の静電容量値に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用した力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
第１−２の発明によれば、前記第２容量素子は、前記第１容量素子を取り囲むように配置されている。
第１−３の発明によれば、前記第１容量素子は、Ｚ軸方向から見て円盤状の形状を有し、前記第２容量素子は、Ｚ軸方向から見て円環状の形状を有している。
これらの場合、各容量素子が対称的な形状を有しているため、各容量素子の静電容量値の変動に基づいて検出対象の力を計測するための処理が容易である。
第１−４の発明によれば、以上の力覚センサにおいて、前記第１及び第２容量素子の各変位電極が共通の電極で構成されているか、または、前記第１及び第２容量素子の各固定電極が共通の電極で構成されている。
第１−５の発明によれば、Ｚ軸方向の力が作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１及び第２容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１及び第２容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうちの一方の面積をが方の面積よりも大きく設定されている。
第２−１の発明によれば、本発明は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向及びＸ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及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を示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形部は、Ｚ軸方向から見て、当該Ｚ軸を含み第１バネ定数を有する内側変形部と、この内側変形部の外側に位置し、前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
前記容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記内側変形部に対応する位置にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、前記外側変形部に対応する位置において、当該第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び当該第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
前記検出回路は、
作用したＸ軸方向の力に対応する、「前記第１容量素子の静電容量値と、前記第２容量素子の静電容量値と、の差」に相当する第１電気信号と、「前記第３容量素子の静電容量値と、前記第４容量素子の静電容量値と、の差」に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用したＸ軸方向の力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
第２−２の発明によれば、作用したＺ軸方向の力に対応する電気信号に基づいて、変形体の故障を診断することも可能である。すなわち、本発明は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向及びＸ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及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を示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形部は、Ｚ軸方向から見て、当該Ｚ軸を含み第１バネ定数を有する内側変形部と、この内側変形部の外側に位置し前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
前記容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記内側変形部に対応する位置にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、前記外側変形部に対応する位置において、当該第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び当該第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
前記第１及び第２容量素子は、前記内側変形部に対応する位置にそれぞれ配置され、前記第３及び第４容量素子は、前記外側変形部に対応する位置にそれぞれ配置され、
前記検出回路は、
作用したＺ軸方向の力に対応する、「前記第１容量素子の静電容量値と、前記第２容量素子の静電容量値と、の和」に相当する第１電気信号と、「前記第３容量素子の静電容量値と、前記第４容量素子の各静電容量値と、の和」に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用したＺ軸方向の力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
本発明によっても、力検出部を構成する変形体に金属疲労が生じると、第１電気信号と第２電気信号との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
第２−３の発明によれば、前記第３容量素子は、前記第１容量素子のＸ軸負側に配置され、
前記第４容量素子は、前記第２容量素子のＸ軸正側に配置される。
第２−４の発明によれば、前記第１容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の形状であり、
前記第２容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の形状であり、
前記第３容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記第１容量素子の前記弧を取り囲む半円環状の形状であり、
前記第４容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記第２容量素子の前記弧を取り囲む半円環状の形状である。
これらの場合、各容量素子が対称的な形状を有するため、各容量素子の静電容量値の変動に基づいて検出対象の力を計測するための処理が容易である。
第２−５の発明によれば、Ｘ軸方向及び／またはＺ軸方向の力が作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第４容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１〜第４容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうちの一方の面積が他方の面積よりも大きく設定されている。
第２−６の発明によれば、前記第１〜第４容量素子の各固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第４容量素子の各変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されている。
第２−７の発明によれば、前記第１電気信号または前記第２電気信号に基づいて、当該力覚センサに作用した成分が検出される。本発明は、第１−１〜１−５の発明に対しても適用され得る。
第３−１の発明によれば、本発明は、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントを検出する力覚センサ、すなわち６軸の力覚センサであって、
ＸＹ平面上に配置された支持体と、
前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる４つの第１変形部を有する第１変形体と、
前記４つの第１変形部に対応して前記支持体上に配置された固定電極と、
前記固定電極に対向するように前記４つの第１変形部にそれぞれ設けられ、固定電極との間で４組の容量素子を構成する変位電極と、
前記第１変形体に関して前記支持体とは反対側で当該第１変形体と対向し、前記４つの第１変形部の各々に対向するように配置された４つの第２変形部を有する第２変形体と、
各第１変形部とこの第１変形部に対応する第２変形部とをそれぞれ連結する連結部材と、
前記４組の容量素子の各静電容量値の変動量に基づいて、前記第２変形体及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ないし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、
各第１変形部は、それぞれ、当該第１変形部のうち前記連結部材に連結され第１バネ定数を有する内側変形部と、この内側変形部の外側に位置し前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
前記４組の容量素子のうち第１組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸正側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、前記第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び前記第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
前記４組の容量素子のうち第２組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸正側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸正側の第５容量素子及びＹ軸負側の第６容量素子と、前記第５容量素子の近傍に配置された第７容量素子及び前記第６容量素子の近傍に配置された第８容量素子と、を有し、
前記４組の容量素子のうち第３組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸負側にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸正側の第９容量素子及びＸ軸負側の第１０容量素子と、前記第９容量素子の近傍に配置された第１１容量素子及び前記第１０容量素子の近傍に配置された第１２容量素子と、を有し、
前記４組の容量素子のうち第４組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸負側にＸ軸を挟んで配置されたＹ軸負側の第１３容量素子及びＹ軸正側の第１４容量素子と、前記第１３容量素子の近傍に配置された第１５容量素子及び前記第１４容量素子の近傍に配置された第１６容量素子と、を有し、
前記第１、第２、第５、第６、第９、第１０、第１３及び第１４容量素子は、各第１変形部の内側変形部に対応する位置にそれぞれ配置され、前記第３、第４、第７、第８、第１１、第１２、第１５及び第１６容量素子は、各第１変形部の外側変形部に対応する位置にそれぞれ配置され、
前記検出回路は、
「前記第１、第２、第５、第６、第９、第１０、第１３及び第１４容量素子の各静電容量値の変動量」に基づいて、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力と各軸まわりのモーメントとに相当する、４つの第１変形部について合計６つの第１電気信号を出力し、
「前記第３、第４、第７、第８、第１１、第１２、第１５及び第１６容量素子の各静電容量値の変動量」に基づいて、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力と各軸まわりのモーメントとに相当する、４つの第１変形部について合計６つの第２電気信号を出力し、
ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つにおける前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
第３−２の発明によれば、前記検出回路は、前記第１電気信号または前記第２電気信号に基づいて、当該力覚センサに作用した各軸方向の力及びモーメントを検出する。
第３−３の発明によれば、前記第３容量素子は、前記第１容量素子のＸ軸負側に配置され、
前記第４容量素子は、前記第２容量素子のＸ軸正側に配置され、
前記第７容量素子は、前記第５容量素子のＹ軸正側に配置され、
前記第８容量素子は、前記第６容量素子のＹ軸負側に配置され、
前記第１１容量素子は、前記第９容量素子のＸ軸正側に配置され、
前記第１２容量素子は、前記第１０容量素子のＸ軸負側に配置され、
前記第１５容量素子は、前記第１３容量素子のＹ軸負側に配置され、
前記第１６容量素子は、前記第１４容量素子のＹ軸正側に配置されている。
第３−４の発明によれば、前記第１容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の形状であり、
前記第２容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の形状であり、
前記第３容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記第１容量素子の前記弧を取り囲む半円環状の形状であり、
前記第４容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記第２容量素子の前記弧を取り囲む半円環状の電極であり、
前記第５容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸正側に弧が形成された半円状の形状であり、
前記第６容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸負側に弧が形成された半円状の形状であり、
前記第７容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記第５容量素子の前記弧を取り囲む半円環状の形状であり、
前記第８容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記第６容量素子の前記弧を取り囲む半円環状の形状であり、
前記第９容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の形状であり、
前記第１０容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の形状であり、
前記第１１容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記第９容量素子の前記弧を取り囲む半円環状の形状であり、
前記第１２容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記第１０容量素子の前記弧を取り囲む半円環状の形状であり、
前記第１３容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸負側に弧が形成された半円状の形状であり、
前記第１４容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｘ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＹ軸正側に弧が形成された半円状の形状であり、
前記第１５容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記第１３容量素子の前記弧を取り囲む半円環状の形状であり、
前記第１６容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記第１４容量素子の前記弧を取り囲む半円環状の形状である。
この場合、各容量素子が対称的な形状を有するため、各容量素子の静電容量値の変動に基づいて検出対象の力を計測するための処理が容易である。
第３−５の発明によれば、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第１６容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１〜第１６容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうちの一方の面積が他方の面積よりも大きく設定されている。
第３−６の発明によれば、前記第１〜第１６容量素子の各固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第１６容量素子の各変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されている。
第３−７の発明によれば、前記４組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、原点から等距離に配置されている。この場合、各組の容量素子が対称的に配置されることになるため、各容量素子の静電容量値の変動に基づいて検出対象の力を計測するための処理が一層容易である。
第３−８の発明によれば、前記検出回路は、当該力覚センサが正常に機能している状態における前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率を基準比率として記憶する記憶部を有し、
「前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率と、前記基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
この場合、予め定められた基準比率に基づいて、変形体の故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。この構成は、第１−１〜第２−７の発明に対しても適用され得る。
第４−１の発明によれば、本発明は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記変形体の表面に配置され、前記弾性変形によって当該変形体に生じた歪を計測する歪計測器と、
前記歪計測器の計測結果に基づいて、前記変形体に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形部は、Ｚ軸方向から見て当該Ｚ軸を含み第１バネ定数を有する内側変形部と、この前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
前記歪計測器は、前記内側変形部に設けられた第１計測部位の歪と、前記外側変形部に設けられた第２計測部位の歪と、を計測し、
前記検出回路は、
作用した力に対応する、前記第１計測部位の計測値に相当する第１電気信号と、前記第２計測部位の計測値に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用した力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
第４−２の発明によれば、本発明は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向及びＸ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記変形体の表面に配置され、前記弾性変形によって当該変形体に生じた歪を計測する歪計測器と、
前記歪計測器の計測結果に基づいて、前記変形体に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形部は、Ｚ軸方向から見て、当該Ｚ軸を含み第１バネ定数を有する内側変形部と、この内側変形部の外側に位置し前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
前記歪計測器は、正のＸ軸上において前記内側変形部に設けられた第１計測部位の歪と、負のＸ軸上において前記内側変形部に設けられた第２計測部位の歪と、正のＸ軸上において前記外側変形部に設けられた第３計測部位の歪と、負のＸ軸上において前記外側変形部に設けられた第４計測部位の歪と、を計測し、
前記検出回路は、
作用したＸ軸方向の力に対応する、「前記第１計測部位の計測値と、前記第２計測部位の計測値と、の差」に相当する第１電気信号と、「前記第３計測部位の計測値と、前記第４計測部位の計測値と、の差」に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用したＸ軸方向の力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
第４−３の発明によれば、本発明は、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向及びＸ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
前記変形体の表面に配置され、前記弾性変形によって当該変形体に生じた歪を計測する歪計測器と、
前記歪計測器の計測結果に基づいて、前記変形体に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記変形部は、Ｚ軸方向から見て、当該Ｚ軸を含み第１バネ定数を有する内側変形部と、この内側変形部の外側に位置し前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
前記歪計測器は、正のＸ軸上において前記内側変形部に設けられた第１計測部位の歪と、負のＸ軸上において前記内側変形部に設けられた第２計測部位の歪と、正のＸ軸上において前記外側変形部に設けられた第３計測部位の歪と、負のＸ軸上において前記外側変形部に設けられた第４計測部位の歪と、を計測し、
前記検出回路は、
作用したＺ軸方向の力に対応する、「前記第１計測部位の計測値と、前記第２計測部位の計測値と、の和」に相当する第１電気信号と、「前記第３計測部位の計測値と、前記第４計測部位の計測値と、の和」、に相当する第２電気信号と、を出力し、
作用したＺ軸方向の力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
第４−４の発明によれば、作用した力が、前記内側変形部及び前記外側変形部のうち相対的に大きいバネ定数を有する変形部に設けられた計測部位の計測値に基づいて計測される。
第４−５の発明によれば、前記検出回路は、「当該力覚センサが正常に機能している状態における前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率」を基準比率として記憶する記憶部を有し、
「前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率と、前記基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
第４−６の発明によれば、本発明は、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントを検出する６軸の力覚センサであって、
検出対象となる力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる４つの第１変形部を有する第１変形体と、
前記第１変形体の表面に配置され、前記弾性変形によって前記４つの第１変形部に生じた歪を計測するための歪計測器と、
前記４つの第１変形部の各々に対向するように配置された４つの第２変形部を有する第２変形体と、
各第１変形部とこの第１変形部に対応する第２変形部とをそれぞれ連結する連結部材と、
前記歪計測器の計測結果に基づいて、前記第１変形体及び前記第２変形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ないし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、
各第１変形部は、それぞれ、当該第１変形部のうち前記連結部材に連結され第１バネ定数を有する内側変形部と、前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
前記歪計測器は、各第１変形部において、前記内側変形部に前記連結部材を挟んでＸ軸方向に沿って設けられた第１及び第２計測部位の歪と、前記内側変形部に前記連結部材を挟んでＹ方向に沿って設けられた第３及び第４計測部位の歪と、前記外側変形部に前記連結部材を挟んでＸ軸方向に沿って設けられた第５及び第６計測部位の歪と、前記外側変形部に前記連結部材を挟んでＹ軸方向に沿って設けられた第７及び第８計測部位の歪と、を検出し、
前記検出回路は、
各第１変形部の前記内側変形部に配置された前記第１〜第４計測部位の計測値に基づいて、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力と各軸まわりのモーメントとに相当する、４つの前記第１変形部について合計６つの第１電気信号を出力し、
各第１変形部の前記外側変形部に配置された前記各４つの第５〜第８計測部位の計測値に基づいて、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力と各軸まわりのモーメントとに相当する、４つの前記第１変形部について合計６つの第２電気信号を出力し、
ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つについての前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
第４−７の発明によれば、前記第１電気信号または前記第２電気信号に基づいて、当該力覚センサに作用した成分が検出される。
第４−８の発明によれば、前記検出回路は、各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つについて、「当該力覚センサが正常に機能している状態における前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率」を基準比率として記憶する記憶部を有し、
「各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントのうち少なくとも１つについての前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率と、前記基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
第４−９の発明によれば、前記歪計測器は、各計測部位に対応して設けられた歪ゲージを含む。
第４−１０の発明によれば、前記歪計測器は、発光素子と受光素子とを有する光学干渉式の計測器を含む。
第４−１１の発明によれば、前記内側変形部は、Ｘ軸方向に延びる一本の内側ビームであり、
前記外側変形部は、前記内側ビームの両端からそれぞれＸ軸方向に延びる外側ビームである。
第４−１２の発明によれば、前記内側変形部は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ延びる十字状の２本の内側ビームであり、
前記外側変形部は、前記２本の内側ビームの各両端からＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ延びる外側ビームである。
第４−１３の発明によれば、前記内側変形部は、円盤状の内側ダイアフラムであり、
前記外側変形部は、前記内側ダイアフラムの外周を取り囲む円環状の外側ダイアフラムである。
第４−１４の発明によれば、前記第１バネ定数は、前記第２バネ定数よりも小さい。
第４−１５の発明によれば、前記第１バネ定数は、前記第２バネ定数よりも大きい。
第４−１６の発明によれば、前記内側変形部と前記外側変形部とは、Ｚ軸方向の肉厚が互いに異なることによって、異なるバネ定数を有する。
なお、第４−１３〜４−１６の発明は、第１−１〜第３−８の発明に対しても適用され得る。
第４−１７の発明によれば、前記内側変形部及び前記外側変形部のうちの一方にスリットが設けられていることによって、当該内側変形部と当該外側変形部とが異なるバネ定数を有する。
第４−１８の発明によれば、前記内側ビームと前記外側ビームとは、Ｚ軸方向から見て、互いの幅方向の肉厚が異なることによって、異なるバネ定数を有する。
第５−１の発明によれば、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのトルクを検出する力覚センサであって、
検出対象となる力ないしトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
前記環状変形体の所定位置に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２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各軸方向の力及び各軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記環状変形体は、当該前記環状変形体上に定義された４つの検出点に位置する第１〜第４検出部と、これらの第１〜第４検出部の両端に接続された連結部と、を有し、
前記第１検出部と前記第４検出部とは、Ｘ軸正側においてＸ軸に関して対称的に配置され、前記第２検出部と前記第３検出部とは、Ｘ軸負側においてＸ軸に関して対称的に配置され、
前記第１〜第４検出部は、それぞれ、検出対象となる力ないしトルクの作用により弾性変形を生じる第１変形部と、検出対象となる力ないしトルクの作用により弾性変形を生じる第２変形部と、前記第１変形部および前記第２変形部の弾性変形により変位を生じる変位部と、を有し、
前記第１変形部の円周方向外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第１変形部の円周方向内側端は前記変位部に接続され、前記第２変形部の円周方向外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第２変形部の円周方向内側端は前記変位部に接続され、
前記第１及び第４検出部の前記第１及び第２変形部は、第１バネ定数を有し、
前記第２及び第３検出部の前記第１及び第２変形部は、前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有し、
前記容量素子は、第１容量素子、第２容量素子、第３容量素子及び第４容量素子を有し、各容量素子は、前記第１〜第４検出部のそれぞれの前記変位部に対応する位置に配置された変位電極及び固定電極から構成され、
前記検出回路は、「前記第１容量素子の静電容量値と前記第４容量素子の静電容量値との和に相当する第１電気信号と、前記第２容量素子の静電容量値と前記第３容量素子の静電容量値との和に相当する第２電気信号と、の差」を作用したＸ軸方向の力を示す電気信号として出力し、
「前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率」または「前記第１容量素子または前記第４容量素子の静電容量値に相当する電気信号と、前記第２容量素子または前記第３容量素子の静電容量値に相当する電気信号と、の比率」に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
第５−２の発明によれば、前記検出回路は、
当該力覚センサが正常に機能しているときの、「前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率」または「前記第１容量素子または前記第４容量素子の静電容量値に相当する電気信号と、前記第２容量素子または前記第３容量素子の静電容量値に相当する電気信号と、の比率」を基準比率として記憶する記憶部を有し、
「前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率」または「前記第１容量素子または前記第４容量素子の静電容量値に相当する電気信号と、前記第２容量素子または前記第３容量素子の静電容量値に相当する電気信号と、の比率」と、前記基準比率と、の差が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
第５−３の発明によれば、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなすＶ軸およびＷ軸を定義した場合に、Ｚ軸方向から見ると、前記第１検出部は、正のＶ軸上に配置され、前記第２検出部は、正のＷ軸上に配置され、前記第３検出部は、負のＶ軸上に配置され、前記第４検出部は、負のＷ軸上に配置される。
第５−４の発明によれば、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのトルクを検出する力覚センサであって、
検出対象となる力ないしトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対してＺ軸まわりに回転可能な第２支持体と、
前記環状変形体の所定位置に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２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各軸方向の力及び各軸まわりのトルクを示す電気信号を出力する検出回路と、を備え、
前記環状変形体は、当該前記環状変形体上に定義された４つの検出点に位置する第１〜第４検出部と、これらの第１〜第４検出部の両端に接続された連結部と、を有し、
前記第１〜第４検出部は、それぞれ、検出対象となる力ないしトルクの作用により弾性変形を生じる第１変形部と、検出対象となる力ないしトルクの作用により弾性変形を生じる第２変形部と、前記第１変形部および前記第２変形部の弾性変形により変位を生じる変位部と、を有し、
前記第１変形部の円周方向外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第１変形部の円周方向内側端は前記変位部に接続され、前記第２変形部の円周方向外側端はこれに隣接する連結部に接続され、前記第２変形部の円周方向内側端は前記変位部に接続され、
前記第１及び第２検出部の前記第１及び第２変形部は、第１バネ定数を有し、
前記第３及び第４検出部の前記第１及び第２変形部は、前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有し、
前記容量素子は、第１容量素子、第２容量素子、第３容量素子及び第４容量素子を有し、各容量素子は、前記第１〜第４検出部のそれぞれの前記変位部に対応する位置に配置された変位電極及び固定電極から構成され、
前記検出回路は、
「前記第１容量素子の静電容量値と、前記第２容量素子の静電容量値と、の和」に相当する第１電気信号と、「前記第３容量素子の静電容量値と、前記第４容量素子の静電容量値と、の和」に相当する第２電気信号と、を作用したＺ軸方向の力を示す電気信号として出力し、
前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
第５−５の発明によれば、前記検出回路は、「当該力覚センサが正常に機能している状態でＺ軸方向の力が作用したときの前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率」を基準比率として記憶する記憶部を有し、
「前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率と、前記基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する。
第５−６の発明によれば、前記第１〜第４検出部は、前記環状変形体上に当該環状変形体の周方向に沿って等間隔で配置されている。この場合、各検出部が原点の周りに対称的に配置されることになるため、力覚センサに作用した力ないしモーメントを検出するための計算が容易である。
第５−７の発明によれば、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのトルクが作用した結果、前記固定電極に対する前記変位電極の相対位置が変化した場合にも、前記第１〜第４容量素子を構成する各一対の電極の実効対向面積が変化しないように、前記第１〜第４容量素子のそれぞれの変位電極及び固定電極のうちの一方の面積が他方の面積よりも大きく設定されている。
第５−８の発明によれば、前記第１〜第４固定電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されているか、または、前記第１〜第４変位電極のうち少なくとも２つが共通の電極で構成されている。
第５−９の発明によれば、前記第１バネ定数は、前記第２バネ定数よりも小さい
第５−１０の発明によれば、前記第１バネ定数は、前記第２バネ定数よりも大きい。
本発明の一実施の形態による１軸の力覚センサを示す概略断面図である。 図１の力覚センサの変位電極を示す概略平面図である。 図１のダイアフラムに金属疲労が生じていない場合（初期状態）において、力覚センサに作用する力Ｆｚの大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフである。 図１のダイアフラムに金属疲労が生じている場合において、力覚センサに作用する力Ｆｚの大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ｂ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。 本実施の形態の力覚センサに採用されている検出回路のブロック図である。 本発明の第２の実施の形態による２軸の力覚センサを示す概略断面図である。 図６の力覚センサの変位電極を示す概略平面図である。 Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘによって図６の力覚センサのダイアフラムに変形が生じている状態を示す概略断面図である。 本発明の第３の実施の形態による６軸の力覚センサを示す概略断面図である。 図９のＡ−Ａ線断面図である。 図９のＢ−Ｂ線断面図である。 Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘを作用させたときの図９の力覚センサの状態を示す概略断面図である。 Ｚ軸負方向の力−Ｆｚを作用させたときの図９の力覚センサの状態を示す概略断面図である。 Ｙ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙを作用させたときの図９の力覚センサの状態を示す概略断面図である。 図９の力覚センサにＸ、Ｙ、Ｚの各軸正方向の力及び各軸正まわりのモーメントが作用した場合に容量素子に生じる静電容量値の変化を一覧で示した図表である。 歪ゲージ式の１軸の力覚センサの一例を示す概略平面図である。 受力体に対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した状態での、図１６の力覚センサを示す概略断面図である。 受力体に対してＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した状態での、図１６の力覚センサを示す概略断面図である。 図１６の力覚センサに採用されている検出回路のブロック図である。 半導体歪ゲージが採用された力覚センサを示す概略平面図である。 図２０の力覚センサの検出回路に設けられるホイートストンブリッジ回路である。 歪みゲージ式の６軸の力覚センサの一例を示す概略断面図である。 図２２の力覚センサに設けられた変形部の１つを示す概略平面図である。 図２２の力覚センサに対して正方向の力ないしモーメントが作用した場合の、各歪ゲージの計測値の動向を一覧で示した図表である。 ビーム形の変形部が採用された変形体の一例を示す概略平面図である。 ビーム形の変形部が採用された変形体の一例を示す概略断面図である。 プラスチック製のダイアフラムを有する力覚センサの概略断面図である。 内側変形部にスリットを設けたダイアフラム有する変形体１００を示す概略平面図である。 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２９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２９に示す基本構造部の支持基板および固定部材の上面図（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２９に示す基本構造部の受力体に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２９に示す基本構造部の受力体に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２９に示す基本構造部の受力体に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２９に示す基本構造部の受力体に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。 波形の検出部を有する検出リングの斜視図（図（ａ））、側面図（図（ｂ））、下面図（図（ｃ））である。 図３６に示す検出リング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３６に示す検出リングの検出部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３６に示す検出リング検出部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。 本実施の形態による力覚センサに用いられている検出リングを示す概略平面図である。 図４０の検出リングが採用された力覚センサの受力体に、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）を示す図表である。 図４０の検出リングに金属疲労が生じていない場合（初期状態）において、力覚センサに作用する力Ｆｚの大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフである。 図４０の検出リングに金属疲労が生じている場合において、力覚センサに作用する力Ｆｚの大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ｂ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。 図４０の検出リングの変形例を示す検出リングの概略平面図である。 図２９に示す検出リングの変形例による検出リングを示す概略平面図である。
＜＜＜ §１． １軸の力覚センサの実施例 ＞＞＞
添付の図面を参照して、本発明の第１の実施の形態による力覚センサについて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態による１軸の力覚センサを示す概略断面図であり、図２は、図１の力覚センサの変位電極Ｅ３０を示す概略平面図である。
図１に示すように、本実施の形態による力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向（図１における上下方向）の力Ｆｚを検出する力覚センサである。本実施の形態の力覚センサは、ＸＹ平面上に配置された平板状の支持体３００と、前記支持体３００に対向して配置され、検出対象となる力Ｆｚの作用により弾性変形を生じる変形部としてのダイアフラム１５０ｄを有する変形体１００と、支持体３００の上面に下部基板１２を介して配置された固定電極Ｅ２０と、固定電極Ｅ２０に対向するように上部基板１１を介してダイアフラム１５０ｄに設けられ、固定電極Ｅ２０との間で容量素子Ｃを構成する変位電極Ｅ３０と、を備えている。ここでは、説明の便宜上、支持体３００の上面はＸＹ平面に一致して配置されているものとする。
本実施の形態では、図１に示すように、ダイアフラム１５０ｄの上面（図１における上方の面）に、検出対象となる力Ｆｚを受ける受力体１６０が設けられており、当該受力体１６０を介して力Ｆｚがダイアフラム１５０ｄに伝達されるようになっている。また、ダイアフラム１５０ｄの周縁部には、下方に向かって延出した接続部１５１が形成されており、当該接続部１５１の下端が支持体３００の上面に接続されている。すなわち、変形体１００は、支持体３００によって支持されており、受力体１６０に検出対象となる力Ｆｚが作用すると、ダイアフラム１５０ｄが支持体３００に対して弾性変形するようになっている。本実施の形態の支持体３００及び変形体１００は、上方（Ｚ軸正方向）から見て共にＺ軸上に中心を有する円形の外形を有している。更に、受力体１６０は、後述される内側変形部１５０ｌよりも小径であり、支持体３００及び変形体１００と同心の円盤形状を有している。図１に示すように、力Ｆｚは、Ｚ軸と平行に受力体１６０の上面に作用するようになっている。
図１に示すように、本実施の形態のダイアフラム１５０ｄは、内側変形部１５０ｌと、この内側変形部１５０ｌよりもバネ定数が相対的に大きい外側変形部１５０ｈと、を有している。内側変形部１５０ｌは、図１から理解されるように、ダイアフラム１５０ｄの中央領域に設けられている。一方、外側変形部１５０ｈは、内側変形部１５０ｌの外周を取り囲む環状の領域に設けられている。具体的には、内側変形部１５０ｌは円盤状の形状を有しており、外側変形部１５０ｈは、円環状の形状を有している。図示されるように、内側変形部１５０ｌは、外側変形部１５０ｈよりもＺ軸方向の肉厚が小さくなっており、これによって、当該外側変形部１５０ｈのバネ定数よりも小さいバネ定数を有している。なお、本実施の形態における「バネ定数」とは、内側変形部１５０ｌに設けられた受力体１６０に対してＺ軸方向の力Ｆｚが作用したときに、内側変形部１５０ｌ及び外側変形部１５０ｈに生じるＺ軸方向のそれぞれの変位で力Ｆｚの大きさを除した値を意味している。
受力体１６０に対して何ら力が作用していない状態では、受力体１６０は支持体３００に対して定位置をとるが、受力体１６０に力Ｆｚが作用すると、弾性（可撓性）をもったダイアフラム１５０ｄが弾性変形を生じ、受力体１６０と支持体３００との相対位置に変化が生じることになる。このとき、内側変形部１５０ｌと外側変形部１５０ｈとのバネ定数の相違から、内側変形部１５０ｌに生じる弾性変形は、外側変形部１５０ｈに生じる弾性変形よりも大きい。もちろん、受力体１６０に作用する力がなくなると、受力体１６０は元通りの定位置に戻る。
図２に示すように、本実施の形態の変位電極Ｅ３０は、Ｚ軸上に中心を有する円盤状の第１変位電極Ｅ３１と、当該第１変位電極Ｅ３１の外周を取り囲む、Ｚ軸上に中心を有する円環状の第２変位電極Ｅ３２とを有している。また、図１に示すように、本実施の形態の固定電極Ｅ２０は、Ｚ軸上に中心を有する第１固定電極Ｅ２１と、当該第１固定電極Ｅ２１の外周を取り囲む、Ｚ軸上に中心を有する円環状の第２固定電極Ｅ２２とを有している。そして、第１変位電極Ｅ３１と第１固定電極Ｅ２１とは互いに対向して配置され、第１容量素子Ｃ１を構成しており、第２変位電極Ｅ３２と第２固定電極Ｅ２２とは互いに対向して配置され、第２容量素子Ｃ２を構成している。本実施の形態では、第１変位電極Ｅ３１と第１固定電極Ｅ２１とは同一の形状を有しており、第２変位電極Ｅ３２と第２固定電極Ｅ２２とは同一の形状を有している。もちろん、他の実施の形態においては、変位電極Ｅ３０を第１変位電極と当該第１変位電極を取り囲む第２変位電極とから構成し、固定電極Ｅ２０を共通電極として構成しても良く、あるいは、固定電極Ｅ２０を第１固定電極と当該第１固定電極を取り囲む第２固定電極とから構成し、変位電極Ｅ３０を共通電極として構成しても良い。
本実施の形態では、図１に示すように、第１変位電極Ｅ３１は、内側変形部１５０ｌの下面に配置されており、第２変位電極は、外側変形部１５０ｈの下面に配置されている。換言すれば、第１変位電極Ｅ３１と第１固定電極Ｅ２１とで構成される第１容量素子Ｃ１は、Ｚ軸方向から見て、内側変形部１５０ｌに対応する位置に配置されており、第２変位電極Ｅ３２と第２固定電極Ｅ２２とで構成される第２容量素子Ｃ２は、Ｚ軸方向から見て、外側変形部１５０ｈに対応する位置に配置されている。
なお、図示されていないが、Ｚ軸方向の力が作用した結果、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ことも考えられる。これは、具体的には、面積が小さい方の電極（例えば変位電極）の輪郭を、面積が大きい方の電極（例えば固定電極）の表面に投影して正射影投影像を形成した場合、面積が小さい方の電極の投影像が、面積が大きい方の電極の表面内に完全に含まれるような状態である。この状態が維持されれば、両電極によって構成される容量素子の実効面積は、小さい方の電極の面積に等しくなり、常に一定になる。すなわち、力の検出精度を向上させることができる。
以上のような力覚センサの受力体１６０にＺ軸負方向（下向き）の力−Ｆｚが作用すると、ダイアフラム１５０ｄは下方に湾曲する。これに伴って、第１変位電極Ｅ３１及び第２変位電極Ｅ３２が下方に変位する。このことにより、第１及び第２変位電極Ｅ３１、Ｅ３２と第１及び第２固定電極Ｅ２１、Ｅ２２との離間距離がそれぞれ減少し、第１及び第２容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値がそれぞれ増大する。本実施の形態の力覚センサにおいては、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動量に基づいて、受力体１６０に作用したＺ軸方向の力Ｆｚを検出することができる。あるいは、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量に基づき、受力体１６０に作用したＺ軸方向の力Ｆｚを検出することができる。
本実施の形態では、前述したように、内側変形部１５０ｌのバネ定数は、外側変形部１５０ｈのバネ定数よりも小さい。このため、作用した力Ｆｚの向き（符号）によらず、当該力Ｆｚによって、内側変形部１５０ｌにおいては相対的に大きな弾性変形が生じ、外側変形部１５０ｈにおいては相対的に小さな弾性変形が生じる。このため、第１及び第２容量素子Ｃ１、Ｃ２を構成する各一対の固定電極及び変位電極が、互いに同一の離間距離を有し、且つ、互いに同一の実効対向面積を有していれば、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動量の方が、第２容量素子Ｃ２の静電容量値の変動量よりも大きい。換言すれば、力Ｆｚに対して、第１容量素子Ｃ１は、第２容量素子Ｃ２よりも高感度である。
本実施の形態の力覚センサにおいては、以下の［式１］に示すように、第１容量素子Ｃ１の静電容量値の変動量に相当する第１電気信号Ｔ１に基づいて、受力体１６０に作用した力Ｆｚの方向及び大きさを検出することが可能になる。更に、第２容量素子の静電容量値の変動量に相当する第２電気信号Ｔ２に基づいて、作用した力Ｆｚの方向及び大きさを検出することも可能である。なお、以下の［式１］において、Ｃ１及びＣ２は、それぞれ容量素子Ｃ１、Ｃ２の静電容量値の変動量を示している。
［式１］
Ｔ１＝Ｃ１
Ｔ２＝Ｃ２
本実施の形態では、変形体としてのダイアフラム１５０ｄに金属疲労が蓄積することに伴って第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率が変化することを利用して、力覚センサの故障診断を行う。以下の説明においては、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。
図３は、図１のダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じていない状態（初期状態）において、力覚センサに作用する力の大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフであり、図４は、図１のダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じている（蓄積している）状態において、力覚センサに作用する力の大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ｂ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。
各図において、横軸は力覚センサに作用した力−Ｆｚの絶対値を示し、縦軸は当該力−Ｆｚに応じて力覚センサから出力される電気信号の大きさを示している。このため、各図において、各電気信号Ｔ１ａ〜Ｔ２ｂを示す直線の傾きは、力覚センサの検出感度を示すことになる。
次に、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する方法について説明する。本実施の形態の力覚センサに対して繰り返しの負荷が作用すると、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じる。金属疲労は、力Ｆｚによる弾性変形が相対的に大きい内側変形部１５０ｌにおいて顕著に発現する。この金属疲労が蓄積されると、内側変形部１５０ｌの強度が低下し、最終的にダイアフラム１５０ｄが破断することになる。一般的に、金属材料に金属疲労が蓄積すると、当該金属材料が軟化するため、内側変形部１５０ｌのバネ定数が低下することになる。すなわち、本実施の形態のダイアフラム１５０ｄにおいては、内側変形部１５０ｌに金属疲労が蓄積すると、当該内側変形部１５０ｌが力Ｆｚによって大きく変形されるようになり、初期状態と比較して、力Ｆｚに対する内側変形部１５０ｌの感度が上昇する。このことは、図３と図４とを比較することによって理解される。
具体的には、図３を参照すると、初期状態においては、内側変形部１５０ｌに対応する第１電気信号Ｔ１ａを示す直線の傾き（感度）は２．０である。一方、図４を参照すると、金属疲労が蓄積している状態においては、内側変形部１５０ｌに対応する第１電気信号Ｔ１ｂを示す直線の傾き（感度）は３．０であり、感度が５０％上昇している。
もちろん、金属疲労は、外側変形部１５０ｈにも発現するが、その発現の程度は、内側変形部１５０ｌにおける金属疲労の発現の程度よりも小さい。実際、図３を参照すると、初期状態においては、外側変形部１５０ｈに対応する第２電気信号Ｔ２ａを示す直線の傾き（感度）は０．５である。その一方、図４を参照すると、金属疲労が蓄積している状態においては、外側変形部１５０ｈに対応する第２電気信号Ｔ２ｂを示す直線の傾き（感度）は０．６である。従って、感度の上昇は２０％にとどまっている。
ここで着目すべきは、内側変形部１５０ｌと外側変形部１５０ｈとで、金属疲労の発現の程度が異なっているということである。すなわち、初期状態においては、第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）は、４．０であるのに対し、金属疲労が蓄積している状態においては、第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率（Ｔ１ｂ／Ｔ２ｂ）は、５．０に上昇しているということである。本発明は、このことを利用して力覚センサの故障診断を行うものである。
換言すれば、内側変形部１５０ｌと外側変形部１５０ｈとで金属疲労の蓄積の特性が異なることに起因して、繰り返しの負荷に伴って第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率が次第に変化する。そして、力覚センサに対して繰り返しの負荷が更に作用すると、ダイアフラム１５０ｄは最終的に内側変形部１５０ｌにおいて破断し、当該内側変形部１５０ｌ側に配置された容量素子Ｃ１が正常に機能しなくなる。一方、この時点では外側変形部１５０ｈ側に配置された容量素子Ｃ２は正常に機能している蓋然性が高い。
以上のことから、力Ｆｚの計測を外側変形部１５０ｈ側に配置された容量素子Ｃ２を用いて行いつつ、第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、初期状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率と、の差が所定の範囲内にあるか否かを評価することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定することができる。もちろん、作用したトルクが前記第１電気信号Ｔ１に基づいて計測されても良い。この場合、第１電気信号Ｔ１を提供する容量素子Ｃ１がバネ定数が相対的に小さい内側変形部１５０ｌに支持されているため、作用した力に対する感度が高く、Ｓ／Ｎに優れた力の計測が可能となる。
以上の判定原理を具現化するために、本実施の形態の力覚センサは、図５に示す検出回路を有している。図５は、本実施の形態の力覚センサに採用されている検出回路のブロック図である。この検出回路は、ダイアフラム１５０ｄ及び容量素子Ｃ１、Ｃ２を含む機構部から提供される２つの容量素子の静電容量値に関する情報、すなわち第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２、をそれぞれ対応する電圧値に変換するＣ／Ｖ変換器４１と、Ｃ／Ｖ変換器４１から提供される２つの電圧値に基づいて力覚センサに作用している力Ｆｚを算出するマイコン４７と、マイコン４７に接続され第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの初期状態の比率を記憶する記憶部４８と、を有している。マイコン４７は、記憶部４８に記憶された前記初期状態の比率（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）と、現在の第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、を比較して、その比較結果が所定の範囲内にあるか否かを判定する機能を有している。
比較の結果、現在の比率（Ｔ１ｂ／Ｔ２ｂ）が所定の範囲内にある場合、マイコン４７は、力覚センサが正常に機能していると判定し、計測された力Ｆｚの値を出力する。本実施の形態では、外側変形部１５０ｈ側に設けられた第２容量素子Ｃ２に基づいて提供される第２電気信号Ｔ２ｂを用いて力Ｆｚ（Ｆｚ２）が計測される。一方、前記比率が所定の範囲内に無い場合は、マイコン４７は、力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定し、故障診断信号を出力する。
以上のような本実施の形態によれば、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
具体的には、本実施の形態の検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、ダイアフラム１５０ｄの故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
＜＜＜ §２． ２軸の力覚センサの実施例＞＞＞
次に、以上の故障判定の原理を２軸の力覚センサに応用した例について説明する。
ここで説明する２軸の力覚センサは、受力体１６０に作用したＺ軸方向の力ＦｚとＸ軸方向の力Ｆｘとの２つの力を検出することが可能な力覚センサである。図６は、本発明の第２の実施の形態による２軸の力覚センサを示す概略断面図であり、図７は、図６の力覚センサの変位電極Ｅ３０を示す概略平面図である。
図６及び図７に示すように、本実施の形態の力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向（図６における上下方向）及びＸ軸方向（図６における左右方向）の力を検出する力覚センサである。この力覚センサは、第１の実施の形態による１軸の力覚センサ（図１参照）と略同様の構造を有している。このため、第１の実施の形態による力覚センサに対応する構成部分には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図６に示すように、本実施の形態のダイアフラム１５０ｄも、内側変形部１５０ｌと、この内側変形部１５０ｌよりもバネ定数が相対的に大きい外側変形部１５０ｈと、を有している。内側変形部１５０ｌ及び外側変形部１５０ｈの配置及び構成は１軸の力覚センサ（図１参照）と同様であるため、その詳細な説明は省略する。なお、本実施の形態における「バネ定数」とは、内側変形部１５０ｌに設けられた受力体１６０に対してＺ軸方向の力ＦｚまたはＸ軸方向の力Ｆｘが作用したときに、内側変形部１５０ｌ及び外側変形部１５０ｈに生じるＺ軸方向の変位で作用した力ＦｚまたはＦｘの大きさを除した値を意味している。従って、本実施の形態における「バネ定数」には、力Ｆｚに対応するバネ定数と、力Ｆｘに対応するバネ定数と、が考慮され得るが、いずれの方向の力が作用しても、内側変形部１５０ｌに生じる変位の方が外側変形部１５０ｈに生じる変位よりも大きくなる。
本実施の形態の力覚センサは、容量素子の構造において第１の実施の形態の力覚センサと異なっている。すなわち、本実施の形態の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子Ｃ１１及びＸ軸正側の第２容量素子Ｃ１２と、当該第１容量素子Ｃ１１のＸ軸負側に配置された第３容量素子Ｃ２１及び当該第２容量素子Ｃ１２のＸ軸正側に配置された第４容量素子Ｃ２２と、を有している。
これらの容量素子の一部を構成する変位電極が、図７に示されている。図示されるように、この変位電極は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１変位電極Ｅ３１及びＸ軸正側の第２変位電極Ｅ３２と、当該第１変位電極Ｅ３１のＸ軸負側に配置された第３変位電極Ｅ３３及び当該第２変位電極Ｅ３２のＸ軸正側に配置された第４変位電極Ｅ３４と、を有している。更に、固定電極は、第１変位電極Ｅ３１に対向して配置された第１固定電極Ｅ２１と、第２変位電極Ｅ３２に対向して配置された第２固定電極Ｅ２２と、第３変位電極Ｅ３３に対向して配置された第３固定電極Ｅ２３と、第４変位電極Ｅ３４に対向して配置された第４固定電極Ｅ２４と、を有している。
本実施の形態では、図６に示すように、第１変位電極Ｅ３１及び第２変位電極Ｅ３２は、内側変形部１５０ｌの下面に配置されており、第３変位電極Ｅ３３及び第４変位電極Ｅ３４は、外側変形部１５０ｈの下面に配置されている。換言すれば、第１変位電極Ｅ３１と第１固定電極Ｅ２１とで構成される第１容量素子Ｃ１１、及び、第２変位電極Ｅ３２と第２固定電極Ｅ２２とで構成される第２容量素子Ｃ１２は、Ｚ軸方向から見て、内側変形部１５０ｌに対応する位置に配置されており、第３変位電極Ｅ３３と第３固定電極Ｅ２３とで構成される第３容量素子Ｃ２１、及び、第４変位電極Ｅ３４と第４固定電極Ｅ２４とで構成される第４容量素子Ｃ２２は、Ｚ軸方向から見て、外側変形部１５０ｈに対応する位置に配置されている。
本実施の形態では、第１変位電極Ｅ３１と第１固定電極Ｅ２１とは同一の形状を有しており、第２変位電極Ｅ３２と第２固定電極Ｅ２２とは同一の形状を有しており、第３変位電極Ｅ３３と第３固定電極Ｅ２３とは同一の形状を有しており、第４変位電極Ｅ３４と第４固定電極Ｅ２４とは同一の形状を有している。
もちろん、他の実施の形態においては、第１〜第４変位電極の少なくとも２つ、例えば全て、を共通電極として構成しても良いし、あるいは、第１〜第４固定電極の少なくとも２つ、例えば全て、を共通電極として構成しても良い。
また、図示されていないが、Ｘ軸方向及びＺ軸方向の力が作用した結果、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ことも考えられる。これは、前述したように、面積が小さい方の電極（例えば変位電極）の輪郭を、面積が大きい方の電極（例えば固定電極）の表面に投影して正射影投影像を形成した場合、面積が小さい方の電極の投影像が、面積が大きい方の電極の表面内に完全に含まれるような状態である。この状態が維持されれば、両電極によって構成される容量素子の実効面積は、小さい方の電極の面積に等しくなり、常に一定になる。すなわち、力の検出精度を向上させることができる。
Ｚ軸方向から見た各電極の構造について詳述すると、第１固定電極Ｅ３１及び第１変位電極Ｅ２１は、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、第２固定電極Ｅ３２及び第２変位電極Ｅ２２は、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、第３固定電極Ｅ３３及び第３変位電極Ｅ２３は、第１固定電極Ｅ３１及び第１変位電極Ｅ２１の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、第４固定電極Ｅ３４及び第４変位電極Ｅ２４は、第２固定電極Ｅ３２及び第２変位電極Ｅ２２の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極である。結局、本実施の形態の電極Ｅ２０、Ｅ３０は、第１の実施の形態の力覚センサにおける電極を、Ｙ軸を切断線としてそれぞれ二等分した形状となっている。
＜２−１． Ｆｘによる故障判定＞
以上のような力覚センサの受力体１６０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、ダイアフラム１５０ｄには弾性変形が生じる。図８は、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘによって図７の力覚センサのダイアフラム１５０ｄに変形が生じている状態を示す概略断面図である。図８に示すように、図の左側から右側に向かって、受力体１６０に力＋Ｆｘがに作用すると、ダイアフラム１５０ｄには、図示するような変形が生じる。この変形により、受力体１６０に力＋Ｆｘが作用していない初期状態と比較して、Ｘ軸負側に位置する第１変位電極Ｅ３１及び第３変位電極Ｅ３３が上方に変位し、その一方で第２変位電極Ｅ３２及び第４変位電極Ｅ３４が下方に変位する。このような各変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４の変位により、第１容量素子Ｃ１１及び第３容量素子Ｃ２１の各静電容量値は減少し、その一方で第２容量素子Ｃ１２及び第４容量素子Ｃ２２の各静電容量値は増大する。
本実施の形態では、前述したように、内側変形部１５０ｌのバネ定数は、外側変形部１５０ｈのバネ定数よりも小さい。このため、力Ｆｘの向き（符号）によらず、当該力Ｆｘによって、内側変形部１５０ｌにおいては相対的に大きな弾性変形が生じ、外側変形部１５０ｈにおいては相対的に小さな弾性変形が生じる。このため、第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２を構成する各一対の固定電極及び変位電極が、互いに同一の離間距離を有し、且つ、互いに同一の実効対向面積を有していれば、第１容量素子Ｃ１１及び第２容量素子Ｃ１２の静電容量値の変動量の方が、第３容量素子Ｃ２１及び第４容量素子Ｃ２２の静電容量値の変動量よりも大きい。換言すれば、力Ｆｚに対して、第１容量素子Ｃ１１及び第２容量素子Ｃ１２は、第３容量素子Ｃ２１及び第４容量素子Ｃ２２よりも高感度である。
このような各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の各静電容量値の変動量に基づき、受力体１６０に作用したＸ軸方向の力Ｆｘの方向及び大きさは、以下の［式２］に示すように、「第１容量素子Ｃ１１の静電容量値と、第２容量素子Ｃ１２の静電容量値と、の差」に相当する第１電気信号Ｔ１に基づいて、検出することができる。更に、「第３容量素子Ｃ２１の静電容量値と、第４容量素子Ｃ２２の静電容量値と、の差」に相当する第２電気信号Ｔ２に基づいて、力Ｆｘを検出することもできる。なお、以下の［式２］において、Ｃ１１〜Ｃ２２は、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変動量を示している。
［式２］
Ｔ１＝Ｃ１２−Ｃ１１
Ｔ２＝Ｃ２２−Ｃ２１
本実施の形態でも、変形体としてのダイアフラム１５０ｄに金属疲労が蓄積することに伴ってこれら第１及び第２電気信号Ｔ１及びＴ２の比率が変化することを利用して、力覚センサの故障診断を行う。このため、以下の説明においては、§１と同様に、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。本実施の形態では、力覚センサに作用する力Ｆｘの大きさと、初期状態での第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図３に示すグラフと同じである。また、力覚センサに作用する力Ｆｘの大きさと、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じている状態での第１及び第２電気信号Ｔ１ｂ、Ｔ２ｂと、の関係は、図４に示すグラフと同じである。
以上のような本実施の形態による力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、§１と同じである。すなわち、§１における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式２］に読み替えることによって、本実施の形態による力覚センサの故障判定の原理及び方法が理解される。このため、ここでは当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。但し、本実施の形態では、検出回路のマイコン４７は、Ｃ／Ｖ変換器４１から提供される２つの電圧値に対して、［式２］に基づく差分検出を行うことによって、力Ｆｘに代えて力Ｆｘを算出する。
以上のような本実施の形態によれば、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障診断が可能な力覚センサを提供することができる。
具体的には、本実施の形態の検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、ダイアフラム１５０ｄの故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
また、本実施の形態では、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２がＹ軸に関して対称的に配置されているため、当該各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動に基づく検出対象の力Ｆｘを計測するための処理が容易である。
＜２−２． Ｆｚによる故障判定＞
２軸の力覚センサについては、Ｘ軸方向の力Ｆｘに代えて、Ｚ軸方向の力Ｆｚによって当該力覚センサの故障判定を行うことも可能である。２軸の力覚センサの構造は、２−１．において説明した構造と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
このような力覚センサの受力体１６０にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、§１で説明したように、ダイアフラム１５０ｄは下方に湾曲する。これに伴って、第１〜第４変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４が下方に変位する。このことにより、第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２を構成する第１〜第４変位電極Ｅ３１〜Ｅ３４と第１〜第４固定電極Ｅ２１〜Ｅ２４との離間距離がそれぞれ減少し、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値が増大する。
このことから、本実施の形態の力覚センサにおいては、以下の［式３］に示すように、第１容量素子Ｃ１１の静電容量値の変動量と第２容量素子Ｃ１２の静電容量値の変動量との和に相当する第１電気信号Ｔ１に基づいて、受力体１６０に作用したＺ軸方向の力Ｆｚを検出することができる。更に、第３容量素子Ｃ２１の静電容量値の変動量と第４容量素子のＣ２２の静電容量値の変動量との和に相当する第２電気信号Ｔ２に基づいて、力Ｆｚを検出することもできる。
［式３］
Ｔ１＝Ｃ１１＋Ｃ１２
Ｔ２＝Ｃ２１＋Ｃ２２
本実施の形態による力覚センサも、変形体としてのダイアフラム１５０ｄに金属疲労が蓄積することに伴ってこれら第１及び第２電気信号Ｔ１及びＴ２の比率が変化することを利用して、力覚センサの故障診断を行うようになっている。ここでも、§１と同様に、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。本実施の形態では、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じていない初期状態での、作用した力−Ｆｚの絶対値と第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａとの関係は、図３に示すグラフと同じである。また、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じている状態での、作用した力−Ｆｚ絶対値と第１及び第２電気信号Ｔ１ｂ、Ｔ２ｂとの関係は、図４に示すグラフと同じである。
以上のような本実施の形態による力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、§１と同じである。すなわち、§１における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式３］に読み替えることによって、本実施の形態による力覚センサの故障判定の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。なお、逆向きの力、すなわちＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、各容量素子の静電容量値の増減は逆になる。
以上のような本実施の形態の力覚センサによっても、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
具体的には、本実施の形態の検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、ダイアフラム１５０ｄの故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
また、本実施の形態では、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２がＹ軸に関して対称的に配置されているため、当該各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動に基づく検出対象の力Ｆｚを計測するための処理が容易である。
なお、図６に示す２軸の力覚センサにおいては、先の２−１．で説明したように力Ｆｘに着目して［式２］により故障判定を行っても良いし、あるいは、ここで説明したように力Ｆｚに着目して［式３］により故障判定を行っても良い。
＜＜＜ §３． ６軸の力覚センサの実施例 ＞＞＞
次に、§１で説明した故障判定の原理を６軸の力覚センサに応用した例について説明する。
ここで説明する６軸の力覚センサは、Ｘ、Ｙ、Ｚの各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚとの６つの成分を検出することが可能な力覚センサである。
図９は、本発明の第３の実施の形態による６軸の力覚センサを示す概略断面図であり、図１０は、図９のＡ−Ａ線断面図であり、図１１は、図９のＢ−Ｂ線断面図である。
図９乃至図１１に示すように、本実施の形態の力覚センサは、ＸＹ平面上に配置された支持体３００と、支持体３００に対向して配置され、検出対象となる力ないしモーメントの作用により弾性変形を生じる４つの第１変形部１１１〜１１４を有する第１変形体１００と、第１変形体１００の各変形部１１１〜１１４に対応して支持体３００上に配置された固定電極と、固定電極に対向するように第１変形体１００の４つの第１変形部１１１〜１１４にそれぞれ設けられ、固定電極との間で４組の容量素子を構成する変位電極と、第１変形体１００の上方に対向して配置された第２変形体２００と、を備えている。本実施の形態の第２変形体２００は、４つの第１変形部１１１〜１１４に対向するように配置された４つの第２変形部２１１〜２１４を有している。更に、本実施の形態の力覚センサには、第１変形部１１１〜１１４と各第１変形部１１１〜１１４に対応する第２変形部２１１〜２１４とを連結する４つの連結部材４０１〜４０４が設けられている。なお、図９では、煩雑さを避けるため、２つの第１変形部１１１、１１３、２つの第２変形部２１１，２１３及び連結部材４０１、４０３の図示は省略されている。
第１変形体１００は、例えば金属で構成された円盤状の板材に、肉厚が薄い弾性（可撓性）を有する領域を当該円盤の中心から等距離に９０°毎に４つ形成されて構成され得る。この弾性を有する４つの領域が、第１変形部１１１〜１１４として機能することになる。また、本実施の形態の第２変形体２００は、例えば金属で構成され第１変形体１００と同じ直径を有する円盤状の板材に、肉厚が薄い弾性を有する領域を当該円盤の中心から等距離に９０°毎に４つ形成することにより構成され得る。この弾性を有する４つの領域が、第２変形部２１１〜２１４として機能することになる。
本実施の形態の支持体３００は、第１変形体１００及び第２変形体２００と同じ直径の円盤形状を有しており、図９に示すように、第１変形体１００を第１変形部１１１〜１１４を除く領域において支持している。各第１変形部１１１〜１１４、各第２変形部２１１〜２１４は、Ｚ軸方向から見て、正のＸ軸上、正のＹ軸上、負のＸ軸上及び負のＹ軸上に、各１つずつ、原点Ｏから等距離で配置されている（図１０参照）。本実施の形態では、各第１変形部１１１〜１１４、各第２変形部２１１〜２１４は、いずれも、Ｚ軸方向から見て、同じ直径を有する円形のダイアフラムとして構成されている。
各第１変形部１１１〜１１４の上面（図９の上方の面）には、当該各第１変形部１１１〜１１４の円形の中心位置からＺ軸方向に沿って上方に延び出た第１連結部１２１〜１２４が設けられている。更に、各第２変形部２１１〜２１４の下面（図９の下方の面）には、当該各第２変形部２１１〜２１４の円形の中心位置からＺ軸方向に沿って下方に延び出た第２連結部２２１〜２２４が設けられている。そして、第１連結部１２１〜１２４とその各々に対応する第２連結部２２１〜２２４とがボルトなどの適切な接続手段によって強固に接続されることによって、Ｚ軸方向に延在する４つの連結部材４０１〜４０４が構成されている。
図９に示すように、本実施の形態の各第１変形部１１１〜１１４は、内側変形部１５０ｌと、この内側変形部１５０ｌよりもバネ定数が相対的に大きい外側変形部１５０ｈと、を有するダイアフラムから構成されている。内側変形部１５０ｌは、図９から理解されるように、各ダイアフラムの中央領域に設けられている。一方、外側変形部１５０ｈは、内側変形部１５０ｌの外周を取り囲む環状の領域に設けられている。図示されるように、内側変形部１５０ｌは、外側変形部１５０ｈよりもＺ軸方向の肉厚が小さく構成されることによって、当該外側変形部１５０ｈのバネ定数よりも小さいバネ定数とされている。換言すれば、本実施の形態の第１変形体１００には、§１で説明した１軸の力覚センサに採用されているダイアフラム１５０ｄが４つ、円周方向に等間隔で配置されている。
なお、本実施の形態における「バネ定数」とは、図示される受力体６０に対してＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向の力及び／または各軸まわりのモーメントが作用した時に各ダイアフラムの内側変形部１５０ｌ及び外側変形部１５０ｈに生じるＺ軸方向のそれぞれの変位で、当該力及び／またはモーメントの大きさを除した値を意味している。従って、厳密には、受力体６０に作用する力及び／またはモーメントごとに「バネ定数」が決定されることになるが、どのような方向及び大きさの力及び／またはモーメントが作用しても、内側変形部１５０ｌに生じる変位の方が外側変形部１５０ｈに生じる変位よりも大きくなる。
このような構成により、第２変形体２００に対して何ら力が作用していない状態では、第２変形体２００は支持体３００に対して定位置をとるが、第２変形体２００に何らかの力が作用すると、弾性（可撓性）をもった４つの第１変形部１１１〜１１４が弾性変形を生じ、第２変形体２００と支持体３００との相対位置に変化が生じることになる。このとき、内側変形部１５０ｌと外側変形部１５０ｈとのバネ定数の相違から、内側変形部１５０ｌに生じる弾性変形は、外側変形部１５０ｈに生じる弾性変形よりも大きい。もちろん、第２変形体２００に作用する力がなくなると、当該第２変形体２００は元通りの定位置に戻る。
図９に示すように、４組の容量素子は、４つの第１変形部１１１〜１１４の下面に配置された変位電極と、この変位電極に対向するように配置された固定電極とによって構成されている。まず、４組の容量素子のうち、第１組の容量素子について説明する。第１組の容量素子は、Ｚ軸方向から見て、Ｙ軸正側の第１変形部１１１に対応した領域に設けられており、４つの容量素子から構成されている。
これら４つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４を構成する電極として、Ｙ軸正側の第１変形部１１１の下面に、Ｙ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１変位電極Ｅ３０１及びＸ軸正側の第２変位電極Ｅ３０２と、第１変位電極Ｅ３０１のＸ軸負側に配置された第３変位電極Ｅ３０３及び第２変位電極Ｅ３０２のＸ軸正側に配置された第４変位電極Ｅ３０４と、がＹ軸に関して対称的に設けられている。更に、支持体３００上に、第１変位電極Ｅ３０１に対向して配置された第１固定電極Ｅ２０１と、第２変位電極Ｅ３０２に対向して配置された第２固定電極Ｅ２０２と、第３変位電極Ｅ３０３に対向して配置された第３固定電極Ｅ２０３と、第４変位電極Ｅ３０４に対向して配置された第４固定電極Ｅ２０４と、が設けられている。
本実施の形態では、Ｚ軸方向から見て、第１固定電極Ｅ２０１及び第１変位電極Ｅ３０１は、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸負側に弧が形成された半円状の電極であり、第２固定電極Ｅ２０２及び第２変位電極Ｅ３０２は、Ｙ軸と平行に延在する弦を直径とし当該弦のＸ軸正側に弧が形成された半円状の電極であり、第３固定電極Ｅ２０３及び第３変位電極Ｅ３０３は、第１固定電極Ｅ２０１及び第１変位電極Ｅ３０１の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極であり、第４固定電極Ｅ２０４及び第４変位電極Ｅ３０４は、第２固定電極Ｅ２０２及び第２変位電極Ｅ３０２の前記弧をそれぞれ取り囲む半円環状の電極である。なお、図９及び後述される図１２乃至図１４において、各電極を支持している基板は図示されていない。
このような電極の配置によって、第１容量素子Ｃ１１が第１変位電極Ｅ３０１と第１固定電極Ｅ２０１とによって構成され、第２容量素子Ｃ１２が第２変位電極Ｅ３０２と第２固定電極Ｅ２０２とによって構成され、第３容量素子Ｃ１３が第３変位電極Ｅ３０３と第３固定電極Ｅ２０３とによって構成され、第４容量素子Ｃ１４が第４変位電極Ｅ３０４と第４固定電極Ｅ２０４とによって構成されている。換言すれば、第１組の容量素子は、§２で説明した２軸の力覚センサに採用されている容量素子と同じ構造を有している。
本実施の形態の力覚センサには、このほかに第２組〜第４組の３組の容量素子が設けられている。第２組の容量素子も４つの容量素子（第５〜第８容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４）から構成されている。この第２組の容量素子は、前述の第１組の容量素子、すなわち第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４を原点を中心として時計回りに９０°回転させた配置となっている。すなわち、第５容量素子Ｃ２１は、第１容量素子Ｃ１１を原点を中心として時計回りに９０°回転させた位置に配置されており、第６容量素子Ｃ２２は、第２容量素子Ｃ１２を原点を中心として時計回りに９０°回転させた位置に配置されており、第７容量素子Ｃ２３は、第３容量素子Ｃ１３を原点を中心として時計回りに９０°回転させた位置に配置されており、第８容量素子Ｃ２４は、第４容量素子Ｃ１４を原点を中心として時計回りに９０°回転させた位置に配置されている。もちろん、第５〜第８容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４を構成する第５〜第８固定電極Ｅ２０５〜Ｅ２０８及び第５〜第８変位電極Ｅ３０５〜Ｅ３０８についても同様であり、第１〜第４固定電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４及び第１〜第４変位電極Ｅ３０１〜Ｅ３０４を原点を中心として９０°時計回りに回転させた位置に配置されている。
同様に、第３組の容量素子も４つの容量素子（第９〜第１２容量素子Ｃ３１〜Ｃ３４）から構成されており、前述の第５〜第８容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４を原点を中心として９０°時計回りに回転させた位置に配置されている。また、第４組の容量素子も４つの容量素子（第１３〜第１６容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４）から構成されており、前述の第９〜第１２容量素子Ｃ３１〜Ｃ３４を、原点を中心として９０°時計回りに回転させた位置に配置されている。
結局、第１及び第３容量素子Ｃ１１、Ｃ１３と、第２及び第４容量素子Ｃ１２、Ｃ１４とは、正のＹ軸を対称軸として軸対称に配置されて全体として略円形の第１組の容量素子を構成しており、第５及び第７容量素子Ｃ２１、Ｃ２３と、第６及び第８容量素子Ｃ２２、Ｃ２４とは、正のＸ軸を対称軸として軸対称に配置されて全体として略円形の第２組の容量素子を構成しており、第９及び第１１容量素子Ｃ３１、Ｃ３３と、第１０及び第１２容量素子Ｃ３２、Ｃ３４とは、負のＹ軸を対称軸として軸対称に配置されて全体として略円形の第３組の容量素子を構成しており、第１３及び第１５容量素子Ｃ４１、Ｃ４３と、第１４及び第１６容量素子Ｃ４２、Ｃ４４とは、負のＸ軸を対称軸として軸対称に配置されて全体として略円形の第４組の容量素子を構成している。更に、第１組〜第４組の容量素子は、原点Ｏから等距離に、且つ、対応する第１変形部１１１〜１１４と同心に配置されている。本実施の形態における容量素子の配置についての理解を助けるために、図１１には、第１変形体１００上に配置された計１６個の変位電極Ｅ３０１〜Ｅ３１６の参照符号と共に、当該変位電極Ｅ３０１〜Ｅ３１６の各々に対応する容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４の参照符号を併記してある。
前述したように、第１変形体１００の第１変形部１１１〜１１４は、各１つの連結部材４０１〜４０４を介して第２変形体２００の第２変形部２１１〜２１４に連結されている（図９及び図１０参照）。このため、第２変形体２００に力が作用すると、第２変形体２００及び連結部材４０１〜４０４を介して第１変形体１００の第１変形部１１１〜１１４に力が伝わり、当該力の大きさ及び方向に応じて、当該第１変形部１１１〜１１４が変形する。この変形に伴って、第１変形部１１１〜１１４上に配置された第１〜第１６変位電極Ｅ３０１〜Ｅ３１６がＺ軸方向に変位する。すなわち、支持体３００上に配置された第１〜第１６固定電極Ｅ２０１〜Ｅ２１６に対する第１〜第１６変位電極Ｅ３０１〜Ｅ３１６の相対位置（離間距離）がそれぞれ変化する。このことは、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４の静電容量値のそれぞれに変動を生じさせるため、これらの変動量を検出することによって、第２変形体２００に作用した力の向き及び大きさを計測することができる。
次に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、及び、各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを計測する原理を説明する。以下の説明においては、支持体３００が固定された状態で、第２変形体２００に力ないしモーメントが作用するものとする。
図１２は、第２変形体２００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘを作用させたときの図９の力覚センサの状態を示す概略断面図である。この場合、第１変形体の第１変形部１１１〜１１４及び第２変形体の第２変形部２１１〜２１４は、図示されているように変形する。すなわち、第１変形部１１１〜１１４の各々において、Ｘ軸正側の半円領域が下方に変形し、Ｘ軸負側の半円領域が上方に変形する。従って、第１組及び第３組の容量素子においてＸ軸負側に配置されている第１、第３、第１０及び第１２容量素子Ｃ１１、Ｃ１３、Ｃ３２、Ｃ３４の静電容量値が減少し、その一方、第１組及び第３組の容量素子においてＸ軸正側に配置されている第２、第４、第９及び第１１容量素子Ｃ１２、Ｃ１４、Ｃ３１、Ｃ３３の静電容量値が増大する。これに対し、残りの第５〜第８及び第１３〜第１６容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４、Ｃ４１〜Ｃ４４については、変位電極と固定電極との間の離間距離が小さくなる領域と大きくなる領域とが存在し、静電容量値の変化が打ち消されるため、静電容量値は実質的に変化しない。
もちろん、第２変形体２００に左向きのＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合には、第１組及び第３組の容量素子において上述した静電容量値の変動とは逆の変動が生じる。すなわち、第１組及び第３組の容量素子においてＸ軸負側に配置されている第１、第３、第１０及び第１２容量素子Ｃ１１、Ｃ１３、Ｃ３２、Ｃ３４の静電容量値が増大し、その一方、第１組及び第３組の容量素子においてＸ軸正側に配置されている第２、第４、第９及び第１１容量素子Ｃ１２、Ｃ１４、Ｃ３１、Ｃ３３の静電容量値が減少する。残りの第５〜第８及び第１３〜第１６容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４、Ｃ４１〜Ｃ４４については、前述した場合と同様に、静電容量値は実質的に変化しない。
第２変形体２００にＹ軸正方向の力＋Ｆｙを作用させた場合については、第２変形体２００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘを作用させた状態を９０°ずらして考えれば良いため、ここでは省略する。
次に、第２変形体２００にＺ軸負方向の力−Ｆｚ作用した場合について検討する。図１３は、第２変形体２００にＺ軸負方向の力−Ｆｚを作用させたときの図９の力覚センサの状態を示す概略断面図である。この場合、第１変形体の第１変形部１１１〜１１４及び第２変形体の第２変形部２１１〜２１４は、図示されているように変形する。すなわち、第１変形部１１１〜１１４の各々が下方に変形する。従って、第１〜第１６容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４は、いずれも変位電極と固定電極との間の離間距離が小さくなるため、静電容量値が増大する。
他方、第２変形体２００にＺ軸正方向の力が作用すると、前述した場合とは逆に、第１変形部１１１〜１１４は、それぞれ上方に変形する。従って、第１〜第１６容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４は、いずれも変位電極と固定電極との間の離間距離が大きくなるため、静電容量値が減少する。
次に、第２変形体２００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用した場合について検討する。図１４は、第２変形体２００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの図９の力覚センサの状態を示す概略断面図である。この場合、第１変形体の第１変形部１１１〜１１４及び第２変形体の第２変形部２１１〜２１４は、図示されているように変形する。すなわち、Ｘ軸正側の第１変形部１１２は下方に変形し、Ｘ軸負側の第１変形部１１４は上方に変形する。一方、図示されていないが、Ｙ軸正側及びＹ軸負側の第１変形部１１１、１１３は、Ｘ軸正側の半円領域が下方に向かって変形し、Ｘ軸負側の半円領域が上方に向かって変形する。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について、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。なお、図１４において、図示されていないが、Ｙ軸は紙面手前側から奥側に向かって延びている。
従って、Ｘ軸正側の第１変形部１１２に対応する第５〜第８容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の静電容量値が増大し、Ｘ軸負側の第１変形部１１４に対応する第１３〜第１６容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４の静電容量値が減少する。一方、Ｙ軸正側及びＹ軸負側の第１変形部１１１、１１３に対応する第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４及び第９〜第１２容量素子Ｃ３１〜Ｃ３４の静電容量値は、第２変形体２００にＸ軸方向の力Ｆｘが作用した場合（図１２参照）において説明したように、実質的に変化しない。
他方、第２変形体２００にＹ軸負まわりのモーメント−Ｍｙが作用すると、前述した場合とは逆に、Ｘ軸正側の第１変形部１１２に対応する第５〜第８容量素子Ｃ２１〜Ｃ２４の静電容量値が減少し、Ｘ軸負側の第１変形部１１４に対応する第１３〜第１６容量素子Ｃ４１〜Ｃ４４の静電容量値が増大する。この場合も、Ｙ軸正側及びＹ軸負側の第１変形部１１１、１１３に対応する第１〜第４容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４及び第９〜第１２容量素子Ｃ３１〜Ｃ３４の静電容量値は、実質的に変化しない。
第２変形体２００にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合については、第２変形体２００にＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した状態を９０°ずらして考えれば良いため、ここでは省略する。
また、第２変形体２００にＺ軸まわりのモーメントＭｚが作用した場合には、図示されていないが、連結部材４０１〜４０４はいずれもＺ軸を中心とする円周に沿って同じ回転方向に傾倒するように変位する。従って、例えば第２変形体２００にＺ軸負まわりのモーメント−Ｍｚが作用すると、Ｙ軸正側の第１変形部１１１においては、Ｘ軸正側の半円領域が下方に向かって変形し、Ｘ軸負側の半円領域が上方に向かって変形する。Ｘ軸正側の第１変形部１１２においては、Ｙ軸負側の半円領域が下方に向かって変形し、Ｙ軸正側の半円領域が上方に向かって変形する。Ｙ軸負側の第１変形部１１３においては、Ｘ軸負側の半円領域が下方に向かって変形し、Ｘ軸正側の半円領域が上方に向かって変形する。Ｘ軸負側の第１変形部１１４においては、Ｙ軸正側の半円領域が下方に向かって変形し、Ｙ軸負側の半円領域が上方に向かって変形する。
従って、Ｙ軸正側の第１変形部１１１に対応する第１組の容量素子においては、第１及び第３容量素子Ｃ１１、Ｃ１３の静電容量値が減少し、第２及び第４容量素子Ｃ１２、Ｃ２２の静電容量値が増大する。同様に、Ｘ軸正側の第２変形部１１２に対応する第２組の容量素子においては、第５及び第７容量素子Ｃ２１、Ｃ２３の静電容量値が減少し、第６及び第８容量素子Ｃ２２、Ｃ２４の静電容量値が増大する。Ｙ軸負側の第１変形部１１３に対応する第３組の容量素子においては、第９及び第１１容量素子Ｃ３１、Ｃ３３の静電容量値が減少し、第１０及び第１２容量素子Ｃ３２、Ｃ３４の静電容量値が増大する。Ｘ軸負側の第１変形部１１４に第４組の容量素子においては、第１３及び第１５容量素子Ｃ４１、Ｃ４３の静電容量値が減少し、第１４及び第１６容量素子Ｃ４２、Ｃ４４の静電容量値が増大する。
一方、第２変形体２００にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、各第１変形部１１１〜１１４には逆の変形が生じ、この結果、第１〜第１６容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４に生じる静電容量値の変動も逆になる。
本実施の形態では、前述したように、内側変形部１５０ｌのバネ定数は、外側変形部１５０ｈのバネ定数よりも小さい。このため、作用した力ないしモーメントによって、内側変形部１５０ｌにおいては相対的に大きな弾性変形が生じ、外側変形部１５０ｈにおいては相対的に小さな弾性変形が生じる。このため、第１、第２、第５、第６、第９、第１０、第１３及び第１４容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ４２の静電容量値の変動量の方が、第３、第４、第７、第８、第１１、第１２、第１５及び第１６容量素子Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ２３、Ｃ２４、Ｃ３３、Ｃ３４、Ｃ４３、Ｃ４４の静電容量値の変動量よりも大きい。換言すれば、作用した力ないしモーメントに対して、第１、第２、第５、第６、第９、第１０、第１３及び第１４容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ４１、Ｃ４２は、第３、第４、第７、第８、第１１、第１２、第１５及び第１６容量素子Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ２３、Ｃ２４、Ｃ３３、Ｃ３４、Ｃ４３、Ｃ４４よりも高感度である。
図１５は、第２変形体２００に力ないしモーメント＋Ｆｘ、＋Ｆｙ、＋Ｆｚ、＋Ｍｘ、＋Ｍｙ、＋Ｍｚが作用した場合に各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４に生じる静電容量値の変化を一覧で示した図表である。表中の「＋」は、静電容量値の増大を示し、「＋＋」は、静電容量値の更に大きな増大を示し、「−」は、静電容量値の減少を示し、「−−」は、静電容量値の更に大きな減少を示している。「０」は、静電容量値が実質的に変化しないことを示している。また、上述したように、各力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが逆向きになった場合には、表中の符号が逆になる。このような静電容量値の増減は、第１〜第１６容量素子を構成する各一対の固定電極及び変位電極が、互いに同一の離間距離を有し、且つ、互いに同一の実効対向面積を有している場合に、成立するものである。
以上の各容量素子のうち内側変形部１５０ｌに対応する容量素子の静電容量値の変化に基づいて、力の６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが次の［式４］で表される。なお、各成分の末尾に付してある「１」及び「２」の符号は、後述される、外側変形部１５０ｈに対応する容量素子の静電容量値の変化に基づいて算出される成分（これらは、末尾に「２」の符号を付してある）と区別するためのものである。
［式４］
Ｆｘ１＝（Ｃ１２＋Ｃ３１）−（Ｃ１１＋Ｃ３２）
Ｆｙ１＝（Ｃ２１＋Ｃ４２）−（Ｃ２２＋Ｃ４１）
Ｆｚ１＝−（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ４１＋Ｃ４２）
Ｍｘ１＝（Ｃ３１＋Ｃ３２）−（Ｃ１１＋Ｃ１２）
Ｍｙ１＝（Ｃ２１＋Ｃ２２）−（Ｃ４１＋Ｃ４２）
Ｍｚ１＝Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ２１−Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ３２＋Ｃ４１−Ｃ４２
更に、以上の各容量素子のうち外側変形部１５０ｈに対応する容量素子の静電容量値の変化に基づいて、力の６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが次の［式５］で表される。
［式５］
Ｆｘ２＝（Ｃ１４＋Ｃ３３）−（Ｃ１３＋Ｃ３４）
Ｆｙ２＝（Ｃ２３＋Ｃ４４）−（Ｃ２４＋Ｃ４３）
Ｆｚ２＝−（Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ２３＋Ｃ２４＋Ｃ３３＋Ｃ３４＋Ｃ４３＋Ｃ４４）
Ｍｘ２＝（Ｃ３３＋Ｃ３４）−（Ｃ１３＋Ｃ１４）
Ｍｙ２＝（Ｃ２３＋Ｃ２４）−（Ｃ４３＋Ｃ４４）
Ｍｚ２＝Ｃ１３−Ｃ１４＋Ｃ２３−Ｃ２４＋Ｃ３３−Ｃ３４＋Ｃ４３−Ｃ４４
本実施の形態の力覚センサにおいては、以上のＦｘ〜Ｍｚの６つの力ないしモーメントのいずれに着目しても当該力覚センサの故障判定を行うことができるが、ここでは、Ｘ軸方向の力Ｆｘに着目して故障判定を行う方法について説明する。また、この故障判定を説明するに当たり、上述したＦｘ１及びＦｘ２に相当する電気信号を、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２とおく。すなわち、改めて第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を書き下すと、次の［式６］のようになる。
［式６］
Ｔ１＝（Ｃ１２＋Ｃ３１）−（Ｃ１１＋Ｃ３２）
Ｔ２＝（Ｃ１４＋Ｃ３３）−（Ｃ１３＋Ｃ３４）
本実施の形態でも、変形体としてのダイアフラム１５０ｄに金属疲労が蓄積することに伴ってこれら第１及び第２電気信号Ｔ１及びＴ２の比率が変化することを利用して、力覚センサの故障診断を行う。ここでも、以下の説明においては、§１と同様に、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。
本実施の形態では、力覚センサに作用する力Ｆｘの大きさと、初期状態での第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａと、の関係は、図３に示すグラフと同じである。また、力覚センサに作用する力Ｆｘの大きさと、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じている状態での第１及び第２電気信号Ｔ１ｂ、Ｔ２ｂと、の関係は、図４に示すグラフと同じである。
以上のような本実施の形態による力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、§１と同じである。すなわち、§１における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式６］に読み替えることによって、本実施の形態による力覚センサの故障判定の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。但し、本実施の形態では、２−１．と同様に、検出回路のマイコン４７は、Ｃ／Ｖ変換器４１から提供される２つの電圧値に対して、［式６］に基づく差分検出を行うことによって、力Ｆｘを算出することができる。
以上のような本実施の形態によれば、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な６軸の力覚センサを提供することができる。
具体的には、本実施の形態の検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、ダイアフラム１５０ｄの故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
なお、力Ｆｘ以外の５つの成分のいずれかを用いて故障判定を行う場合には、［式６］に示した第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２に代えて、着目する特定の成分に関する［式４］の演算式を第１電気信号Ｔ１とし、当該特定の成分に関する［式５］の演算式を第２電気信号Ｔ２とすればよい。
また、本実施の形態では、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４がＸＹ平面において対称的に配置されているため、当該各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４の静電容量値の変動に基づく検出対象の力ないしモーメントを計測するための処理が容易である。
なお、以上の説明においては、変位電極が４つの第１変形部１１１〜１１４に各４つずつ設けられているが、このような例には限定されない。例えば、変位電極が４つの第１変形部１１１〜１１４に各１つずつ共通電極として設けられていても良い。この場合、例えば第１変形部１１１に、上述したようなＹ軸に関して対称的に配置された４つの固定電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４が設けられ、これらの固定電極Ｅ２０１〜Ｅ２０４と共通電極とによって４つの容量素子Ｃ１１〜Ｃ１４が構成され得る。このことは、残り３つの第１変形部１１２〜１１４に対応する容量素子Ｃ２１〜Ｃ４４についても同様である。もちろん、４つの第１変形部１１１〜１１４を導電性材料（たとえば、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属材料）から構成し、当該４つの第１変形部１１１〜１１４を共通電極として機能させても良い。
あるいは、固定電極を共通電極として構成し、上述のように変位電極を４つの第１変形部１１１〜１１４にＸ軸ないしＹ軸に関して対称に各４つ設けることによって、容量素子Ｃ１１〜Ｃ４４を構成しても良い。
更には、図示されていないが、各軸方向の力ないし各軸まわりのモーメントが作用した結果、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、各容量素子を構成する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ことも考えられる。これは、前述したように、面積が小さい方の電極（例えば変位電極）の輪郭を、面積が大きい方の電極（例えば固定電極）の表面に投影して正射影投影像を形成した場合、面積が小さい方の電極の投影像が、面積が大きい方の電極の表面内に完全に含まれるような状態である。この状態が維持されれば、両電極によって構成される容量素子の実効面積は、小さい方の電極の面積に等しくなり、常に一定になる。すなわち、力の検出精度を向上させることができる。
なお、図９では、変位電極を変形部に直接配置し、固定電極を支持体に直接配置したが、変形部及び支持体が導体の（金属）の場合には、図６に示すように、絶縁基板を介して変形部及び支持体に各電極を配置すればよい。
＜＜＜ §４． 歪計測器を用いた変形例による力覚センサ ＞＞＞
§１〜§３においては、静電容量式の力覚センサにおける故障判定について説明したが、この故障判定の方法は、容量素子に代えて歪みゲージなどの歪計測器によって変形体（ダイアフラム１５０ｄ）に生じる歪を計測するタイプの力覚センサにも、採用可能である。
＜４−１． １軸の力覚センサ＞
まず、図１６乃至図１９を参照して、歪ゲージを用いた１軸の力覚センサにおける故障判定について説明する。図１６は、歪ゲージ式の１軸の力覚センサの一例を示す概略断面図であり、図１７は、受力体１６０に対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した状態での、図１６の力覚センサの概略断面図であり、図１８は、受力体１６０に対してＸ軸正方向＋Ｆｘの力が作用した状態での、図１６の力覚センサを示す概略断面図である。また、図１９は、図１６の力覚センサに採用されている検出回路のブロック図である。
本実施の形態の力覚センサは、ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向（図１７における上下方向）の力Ｆｚを検出する力覚センサである。本実施の形態の力覚センサは、ＸＹ平面上に配置された平板状の支持体３００と、前記支持体３００に対向して配置され、検出対象となる力Ｆｚの作用により弾性変形を生じる変形部としてのダイアフラム１５０ｄを有する変形体１００と、を備えている。ここでは、説明の便宜上、支持体３００の上面はＸＹ平面に一致して配置されているものとする。
本実施の形態による力覚センサのダイアフラム１５０ｄの構造は、§１に示した１軸の力覚センサのダイアフラム１５０ｄと同様である。このため、図１６及び図１７において、§１の力覚センサの構成に対応する構成部分には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
本実施の形態のダイアフラム１５０ｄの上面には、図示されるように、４つの歪ゲージＳ１〜Ｓ４がＸ軸に沿って配置されている。これらのうち２つの歪ゲージＳ１、Ｓ２は、受力体１６０に関して対称的に内側変形部１５０ｌに配置されており、残り２つの歪みゲージＳ３、Ｓ４は、受力体１６０に関して対称的に外側変形部１５０ｈに配置されている。結局、図１６に示すように、本実施の形態による力覚センサは、§１の力覚センサ（図１参照）から上部基板１１、下部基板１２及び容量素子Ｃ１、Ｃ２を取り除き、これらに代えて４つの歪ゲージＳ１〜Ｓ４を配置した構成となっている。本実施の形態では、例えば金属箔歪ゲージが採用されている。この金属箔歪ゲージは、圧縮応力が作用すると抵抗値が減少し、逆に引張応力が作用すると抵抗値が増大する。
以上のような力覚センサの受力体１６０にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、ダイアフラム１５０ｄは下方に湾曲する。この湾曲によって、図１７に示すように、内側変形部１５０ｌに配置された２つの歪ゲージＳ１、Ｓ２には圧縮方向の力が作用し、外側変形部１５０ｈに配置された２つの歪ゲージＳ３、Ｓ４には引張方向の力が作用する。また、各歪ゲージにより検出される歪の大きさについて検討すると、次の通りである。すなわち、本実施の形態では、前述したように、内側変形部１５０ｌのバネ定数は、外側変形部１５０ｈのバネ定数よりも小さい。このため、作用した力Ｆｚによって、内側変形部１５０ｌにおいて相対的に大きな弾性変形が生じ、外側変形部１５０ｈにおいて相対的に小さな弾性変形が生じる。このため、内側変形部１５０ｌに配置された２つの歪ゲージＳ１、Ｓ２によって検出される歪の方が、外側変形部１５０ｈに配置された２つの歪ゲージＳ３、Ｓ４によって検出される歪よりも大きい。
本実施の形態の力覚センサにおいて、受力体１６０に作用したＺ軸負方向の力−Ｆｚの大きさ及び向きは、一例として、以下の［式７］に示すように、内側変形部１５０ｌに配置された２つの歪ゲージＳ１、Ｓ２の計測値の和に相当する第１電気信号Ｔ１に基づいて検出することが可能である。更に、外側変形部１５０ｈに配置された２つの歪ゲージＳ３、Ｓ４の計測値の和に相当する第２電気信号Ｔ２に基づいて検出することも可能である。なお、以下の［式７］において、Ｓ１〜Ｓ４は、歪ゲージＳ１〜Ｓ４のそれぞれの計測値を示している。
［式７］
Ｔ１＝Ｓ１＋Ｓ２
Ｔ２＝Ｓ３＋Ｓ４
もちろん、歪センサＳ１〜Ｓ４の配置位置から理解されるように、力Ｆｚが受力体１６０に作用した時の、第１電気信号Ｔ１の大きさと第２電気信号Ｔ２の大きさとは、異なっている。このため、歪センサＳ１〜Ｓ４の設置位置に応じて、力Ｆｚが受力体１６０に作用した時に、第１電気信号Ｔ１から算出される力と第２電気信号Ｔ２から算出される力とが同じになるように、各信号の処理過程において、適宜の補正が行われることになる。
本実施の形態による力覚センサも、§１の力覚センサと同様に、変形体としてのダイアフラム１５０ｄに金属疲労が蓄積することに伴ってこれら第１及び第２電気信号Ｔ１、Ｔ２の比率が変化することを利用して、力覚センサの故障診断を行うようになっている。このため、ここでも、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。
ここでは、受力体１６０に対してＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じていない初期状態での、力−Ｆｚの絶対値と第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａとの関係は、図３に示すグラフと同様である。また、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じている状態での、力−Ｆｚの絶対値と第１及び第２電気信号Ｔ１ｂ、Ｔ２ｂとの関係は、図４に示すグラフと同様である。但し、本実施の形態においては、図３及び図４における縦軸を、静電容量値に代えて歪ゲージの抵抗値に読み替えるものとする。
以上のような本実施の形態による力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、§１と同じである。すなわち、§１における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式７］に読み替えることによって、本実施の形態による力覚センサの故障判定の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。
但し、本実施の形態の検出回路は、容量素子に代えて歪ゲージＳ１〜Ｓ４が用いられているため、§１で説明した１軸の力覚センサの検出回路とは、部分的に異なる回路構成を有している。すなわち、図１９に示すように、§１で説明した１軸の力覚センサに採用されている検出回路のＣ／Ｖ変換器４１が、Ａ／Ｖ変換器４２に置き換えられている。このＡ／Ｖ変換器４２によって、各歪センサＳ１〜Ｓ４の抵抗値の変化が電圧値に変換されるようになっている。その他の構成は、§１の検出回路（図５参照）と同様であるため、対応する構成部分には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
以上のような本実施の形態によっても、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
具体的には、本実施の形態の検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、ダイアフラム１５０ｄの故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
また、本実施の形態では、４つの歪センサＳ１〜Ｓ４がＹ軸に関して対称的に配置されているため、当該歪センサＳ１〜Ｓ４の計測値に基づく検出対象の力Ｆｚを計測するための処理が容易である。
なお、本実施の形態では、４つの歪ゲージＳ１〜Ｓ４が用いられているが、２つの歪みゲージＳ１及びＳ３のみによっても、受力体１６０に作用したＺ軸方向の力Ｆｚを計測しつつ力覚センサの故障診断を行うことが可能である。この場合、受力体１６０に作用したＺ軸方向の力Ｆｚの大きさ及び向きは、以下の［式８］に示すように、内側変形部１５０ｌに配置された歪ゲージＳ１計測値に相当する第１電気信号Ｔ１に基づいて検出することが可能である。更に、外側変形部１５０ｈに配置された歪ゲージＳ３の計測値に相当する第２電気信号Ｔ２に基づいて検出することも可能である。
［式８］
Ｔ１＝Ｓ１
Ｔ２＝Ｓ３
この場合も、同様にして、変形体としてのダイアフラム１５０ｄに金属疲労が蓄積することに伴ってこれら第１及び第２電気信号Ｔ１及びＴ２の比率が変化することを利用して、力覚センサの故障診断を行えば良い。
＜４−２． ２軸の力覚センサ＞
Ｚ軸方向に作用した力Ｆｚと、Ｘ軸方向に作用した力Ｆｘと、を計測可能な２軸の力覚センサにおいても、容量素子に代えて歪ゲージを採用することが可能である。このような力覚センサは、§４において説明した、図１６に示す構造によって、実現可能である。
故障判定に当たっては、§２で説明したように、受力体１６０に作用した力Ｆｘと力Ｆｚとのいずれを用いてもよい。例えば、受力体１６０に作用したＸ軸方向の力Ｆｘに基づいて力覚センサの故障判定を行う場合には、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を以下の［式９］に示すように定めればよい。
［式９］
Ｔ１＝Ｓ２−Ｓ１
Ｔ２＝Ｓ４−Ｓ３
あるいは、受力体１６０に作用したＺ軸方向の力Ｆｚに基づいて力覚センサの故障判定を行う場合には、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を、前述の［式７］に示すように定めればよい。
これらの場合においても、変形体としてのダイアフラム１５０ｄに金属疲労が蓄積することに伴ってこれら第１及び第２電気信号Ｔ１及びＴ２の比率が変化することを利用して、力覚センサの故障診断を行うことができるのである。ここでも、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。
受力体１６０に対してＸ軸方向の力ＦｘまたはＺ軸方向の力Ｆｚが作用した場合、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じていない初期状態での、作用した力ＦｘまたはＦｚの絶対値と第１及び第２電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａとの関係は、図３に示すグラフと同様である。また、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じている状態での、作用した力ＦｘまたはＦｚの絶対値と第１及び第２電気信号Ｔ１ｂ、Ｔ２ｂとの関係は、図４に示すグラフと同様である。但し、図３及び図４における縦軸を、静電容量値に代えて歪ゲージの抵抗値に読み替えるものとする。
以上のような本実施の形態による力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、§１と同じである。すなわち、§１における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式７］または［式９］に読み替えることによって、本実施の形態による力覚センサの故障判定の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。また、本実施の形態による力覚センサに採用されている検出回路には、４−１．にて説明した検出回路（図１９参照）と同じものが採用されている。
以上のような本実施の形態によれば、ダイアフラム１５０ｄに金属疲労が生じると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
具体的には、本実施の形態の検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、ダイアフラム１５０ｄの故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
また、本実施の形態では、歪ゲージＳ１〜Ｓ４がＹ軸に関して対称的に配置されているため、当該歪ゲージＳ１〜Ｓ４の計測値に基づく検出対象の力を算出するための処理が容易である。
なお、［式８］によれば、１つの歪ゲージのみによって力Ｆｚを検出するため、受力体１６０に力Ｆｚ以外の力ないしモーメントも作用している状況では、これらの力ないしモーメントも検出してしまう。［式７］も、力Ｆｘ、Ｆｚ以外の力ないしモーメントも作用している状況では、同様である。しかし、力覚センサに対して特定方向の力、例えば力Ｆｚ、しか作用しない場合には、有効である。
ところで、本実施の形態では、力Ｆｚを検出するに当たって、［式７］または［式８］に示すように、２つの歪ゲージＳ１、Ｓ２または２つの歪ゲージＳ３、Ｓ４の計測値の和（式７）または絶対値（式８）に基づいて検出される。このため、ノイズや温度変化による影響を受けやすいという特性がある。もちろん、例えば恒温環境の下で使用すれば、本実施の形態によっても高精度な力Ｆｚの検出が可能であるが、次に説明されるように、図２０及び図２１に示す変形例によれば、ノイズや温度変化による影響を受け難くなり、使用環境によらず高精度な力Ｆｚの検出が可能となる。
図２０は、半導体歪ゲージが採用された力覚センサを示す概略平面図であり、図２１は、図２０の力覚センサの検出回路に設けられるホイートストンブリッジ回路である。図２０に示すように、本変形例による力覚センサは、ｐ型の半導体歪ゲージＳ１ｐ〜Ｓ４ｐとｎ型の半導体歪ゲージＳ１ｎ〜Ｓ４ｎとの合計８つの歪ゲージを有している。これらの歪ゲージは、ｐ型の半導体歪ゲージとｎ型の半導体歪ゲージとが２つ１組にされて、図１６に示す歪ゲージＳ１〜Ｓ４が配置されていた位置に１組ずつ配置されている。すなわち、図１６の歪ゲージＳ１に代えてｐ型の半導体歪ゲージＳ１ｐ及びｎ型の半導体歪ゲージＳ１ｎとが配置され、図１６の歪ゲージＳ２に代えてｐ型の半導体歪ゲージＳ２ｐ及びｎ型の半導体歪ゲージＳ２ｎとが配置され、図１６の歪ゲージＳ３に代えてｐ型の半導体歪ゲージＳ３ｐ及びｎ型の半導体歪ゲージＳ３ｎとが配置され、図１６の歪ゲージＳ４に代えてｐ型の半導体歪ゲージＳ４ｐ及びｎ型の半導体歪ゲージＳ４ｎとが配置されている。
なお、半導体歪ゲージとは、ピエゾ抵抗効果を利用した歪ゲージであり、この半導体歪ゲージに対して引張応力が作用すると、ｐ型の半導体歪ゲージにおいては抵抗値が増大し、ｎ型の半導体歪ゲージにおいては抵抗値が減少するという特性がある。一方、この半導体歪ゲージに対して圧縮応力が作用すると、ｐ型の半導体歪ゲージにおいては抵抗値が減少し、ｎ型の半導体歪ゲージにおいては抵抗値が増大する。
図２０に示す力覚センサに対して力Ｆｚ、Ｆｘが作用した時に、各半導体歪ゲージＳ１ｐ〜Ｓ４ｐ、Ｓ１ｎ〜Ｓ４ｎに作用する応力の方向は、図１７及び図１８に示す通りである。但し、図１７及び図１８のＳ１をＳ１ｐ、Ｓ１ｎに、Ｓ２をＳ２ｐ、Ｓ２ｎに、Ｓ３をＳ３ｐ、Ｓ３ｎに、Ｓ４をＳ４ｐ、Ｓ４ｎに、それぞれ読み替えるものとする。
これら８つの半導体歪ゲージＳ１ｐ〜Ｓ４ｐ、Ｓ１ｎ〜Ｓ４ｎに基づいて受力体１６０に作用した力を計測するためには、図２１に示すホイートストンブリッジ回路を用いることができる。図２１（Ａ）は、内側変形部１５０ｌに配置された４つの半導体歪ゲージＳ１ｐ、Ｓ２ｐ、Ｓ１ｎ、Ｓ２ｎによって構成されるホイートストンブリッジ回路であり、図２１（Ｂ）は、外側変形部１５０ｈに配置された４つの半導体歪ゲージＳ３ｐ、Ｓ４ｐ、Ｓ３ｎ、Ｓ４ｎによって構成されるホイートストンブリッジ回路である。これらの２つの回路のうちどちらの回路によっても、受力体１６０に作用した力Ｆｚ及びＦｘを計測することが可能である。また、ホイートストンブリッジ回路の特性により、当該力Ｆｚ及びＦｘを、温度変化の影響を排除して高精度に計測することが可能である。
更に、図２１（Ａ）に示す回路から出力される電気信号を第１電気信号Ｔ１、図２１（Ｂ）に示す回路から出力される電気信号を第２電気信号Ｔ２とし、これら２つの電気信号Ｔ１、Ｔ２の比率の変化に基づいて、本変形例による力覚センサが正常に機能しているか否かを判定することが可能である。この判定原理は上述した通りであるため、ここでは、その詳細な説明は省略する。
＜４−３． ６軸の力覚センサ＞
§３で説明された６軸の力覚センサにおいても、容量素子に代えて歪ゲージを適用することが可能である。図２２は、歪みゲージ式の６軸の力覚センサの一例を示す概略断面図であり、図２３は、図２２の力覚センサに設けられた変形部の１つを示す概略平面図である。
本実施の形態による力覚センサは、図２２に示すように、§３で説明した６軸の力覚センサと略同様の構造を有している。但し、４つの変形部には容量素子が設けられておらず、その代わりに、図２３に示すように、各変形部の上面（図２２における上方の面）に４組の歪ゲージが設けられている。具体的には、第１組の歪ゲージは、図示されるように、Ｙ軸正側の第１変形部１１１の上面に、Ｙ軸を挟んで内側変形部１５０ｌ上に対称的に配置されたＸ軸負側の第１歪ゲージＳ１１及びＸ軸正側の第２歪ゲージＳ１２と、Ｙ軸を挟んで外側変形部１５０ｈ上に対称的に配置されたＸ軸負側の第３歪ゲージＳ１３及びＸ軸正側の第４歪ゲージＳ１４と、を有している。
また、本実施の形態の力覚センサには、このほかに第２組〜第４組の３組の歪ゲージが設けられている。第２組の歪ゲージも４つの歪ゲージ（第５〜第８歪ゲージＳ２１〜Ｓ２４）から構成されている。この第２組の歪ゲージは、前述の第１組の歪ゲージＳ１１〜Ｓ１４を原点を中心として時計回りに９０°回転させた配置となっている。すなわち、第５歪ゲージＳ２１は、第１歪ゲージＳ１１を原点を中心として時計回りに９０°回転させた位置に配置されており、第６歪ゲージＳ２２は、第２歪ゲージＳ１２を原点を中心として時計回りに９０°回転させた位置に配置されており、第７歪ゲージＳ２３は、第３歪ゲージＳ１３を原点を中心として時計回りに９０°回転させた位置に配置されており、第８歪ゲージＳ２４は、第４歪ゲージＳ１４を原点を中心として時計回りに９０°回転させた位置に配置されている。
同様に、第３組の歪ゲージも４つの歪ゲージ（第９〜第１２歪ゲージＳ３１〜Ｓ３４）から構成されており、前述の第５〜第８歪ゲージＳ２１〜Ｓ２４を原点を中心として９０°時計回りに回転させた位置に配置されている。更に、第４組の歪ゲージも４つの歪ゲージ（第１３〜第１６歪ゲージＳ４１〜Ｓ４４）から構成されており、前述の第９〜第１２歪ゲージＳ３１〜Ｓ３４を原点を中心として９０°時計回りに回転させた位置に配置されている。
結局、第１組の４つの歪ゲージＳ１１〜Ｓ１４と第３組の４つの歪ゲージＳ３１〜Ｓ３４とは、原点に関して対称的に配置され、第２組の４つの歪ゲージＳ２１〜Ｓ２４と第４組の４つの歪ゲージＳ４１〜Ｓ４４とは、原点に関して対称的に配置されている。更に、各組の歪ゲージは、内側変形部１５０ｌに配置された２つの歪ゲージ、及び、外側変形部１５０ｈに配置された２つの歪ゲージ、が連結部材４０１〜４０４に関してそれぞれ対称的に配置されている。
次に、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、及び、各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚが第２変形体２００に作用した時の力覚センサの状態は、§３で説明した通りであるので、ここではその説明は省略する。
本実施の形態では、内側変形部１５０ｌのバネ定数は、外側変形部１５０ｈのバネ定数よりも小さい。このため、作用した力ないしモーメントによって、内側変形部１５０ｌにおいては相対的に大きな歪が生じ、外側変形部１５０ｈにおいては相対的に小さな歪が生じる。このため、内側変形部１５０ｌに配置された歪ゲージの計測値の方が、外側変形部１５０ｈに配置された歪ゲージの計測値よりも大きい。換言すれば、第２変形体２００に対して作用した力ないしモーメントに対して、内側変形部１５０ｌに配置された歪ゲージは、外側変形部１５０ｈに配置された歪ゲージよりも高感度である。
図２４は、図２２の力覚センサに対して正方向の力ないしモーメント＋Ｆｘ、＋Ｆｙ、＋Ｆｚ、＋Ｍｘ、＋Ｍｙ、＋Ｍｚが作用した場合の、各歪ゲージＳ１１〜Ｓ４８の計測値の動向を一覧で示した図表である。図１５に示す表と同様に、表中の「＋」は、計測値が正であることを示し、「＋＋」は、計測値が更に大きな正の値であることを示し、「−」は、計測値が負の値であること示し、「−−」は、計測値が更に大きな負の値であることを示している。また、「０」は、実質的に歪みが発生しないことを示している。本実施の形態における歪ゲージＳ１１〜Ｓ４４の配置は、§３にて説明した実施の形態（容量素子タイプの６軸の力覚センサ）における容量素子の配置に対応している。なお、本実施の形態においても、各力ないしモーメントＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが逆向き（負方向）になった場合には、表中の符号が逆になる。
以上の各歪ゲージのうち内側変形部１５０ｌに配置された歪ゲージの計測値に基づいて、力の６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが次の［式１０］で表される。なお、各成分の末尾に付してある「１」及び「２」の符号は、§３にて説明した［式４］及び［式５］と同様に、後述される、外側変形部１５０ｈに配置された歪ゲージの計測値に基づいて算出される成分（これらは、末尾に「２」の符号を付してある）と区別するためのものである。また、以下の式において、Ｓ１１〜Ｓ４４は、歪ゲージＳ１１〜Ｓ４４の計測値を示している。
［式１０］
Ｆｘ１＝−（Ｓ１２＋Ｓ３１）＋（Ｓ１１＋Ｓ３２）
Ｆｙ１＝−（Ｓ２１＋Ｓ４２）＋（Ｓ２２＋Ｓ４１）
Ｆｚ１＝Ｓ１１＋Ｓ１２＋Ｓ２１＋Ｓ２２＋Ｓ３１＋Ｓ３２＋Ｓ４１＋Ｓ４２
Ｍｘ１＝−（Ｓ３１＋Ｓ３２）＋（Ｓ１１＋Ｓ１２）
Ｍｙ１＝−（Ｓ２１＋Ｓ２２）＋（Ｓ４１＋Ｓ４２）
Ｍｚ１＝（Ｓ１２＋Ｓ２２＋Ｓ３２＋Ｓ４２）−（Ｓ１１＋Ｓ２１＋Ｓ３１＋Ｓ４１）
更に、外側変形部１５０ｈに配置された歪ゲージの計測値に基づいて、力の６つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが次の［式１１］で表される。
［式１１］
Ｆｘ２＝（Ｓ１４＋Ｓ３３）−（Ｓ１３＋Ｓ３４）
Ｆｙ２＝（Ｓ２３＋Ｓ４４）−（Ｓ２４＋Ｓ４３）
Ｆｚ２＝Ｓ１３＋Ｓ１４＋Ｓ２３＋Ｓ２４＋Ｓ３３＋Ｓ３４＋Ｓ４３＋Ｓ４４
Ｍｘ２＝−（Ｓ３３＋Ｓ３４）＋（Ｓ１３＋Ｓ１４）
Ｍｙ２＝（Ｓ２３＋Ｓ２４）−（Ｓ４３＋Ｓ４４）
Ｍｚ２＝（Ｓ１３＋Ｓ２３＋Ｓ３３＋Ｓ４３−（Ｓ１４＋Ｓ２４＋Ｓ３４＋Ｓ４４）
本実施の形態の力覚センサにおいては、以上のＦｘ〜Ｍｚの６つの力ないしモーメントのいずれに着目しても当該力覚センサの故障判定を行うことができる。すなわち、例えば力Ｆｘに着目して故障判定を行う場合、§３にて説明したように、上述したＦｘ１及びＦｘ２に相当する電気信号の比率に着目する。すなわち、以下の［式１２］に示すように、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を定義し、これらＴ１とＴ２との比率と、予め定められた基準比率と、の差が評価される。そして、この差が所定の範囲内に存在していない場合、力覚センサが正常に機能していない（故障している）と判定される。具体的な故障判定の方法は、§３と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
［式１２］
Ｔ１＝−（Ｓ１２＋Ｓ３１）＋（Ｓ１１＋Ｓ３２）
Ｔ２＝（Ｓ１４＋Ｓ３３）−（Ｓ１３＋Ｓ３４）
以上のような本実施の形態によれば、第１変形部１１１〜１１４に金属疲労が生じると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な６軸の力覚センサを提供することができる。
なお、本実施の形態では、４つの第１変形部１１１〜１１４に各４つの歪ゲージが配置されていたが、より計測精度を高めるために、各８つの歪みゲージが配置されても良い。すなわち、Ｙ軸正側の第１変形部１１１の上面に、連結部材４０１を挟んでＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って各２つずつ、内側変形部１５０ｌ上に十字状に配置された４つの歪ゲージと、連結部材４０１を挟んでＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って各２つずつ、外側変形部１５０ｈ上に十字状に配置された４つの歪ゲージと、の合計８つの歪みゲージが配置されても良い。この場合、残り３つの第１変形部１１２〜１１４においても、同様に各８つの歪ゲージが配置され、結局、上述した６軸タイプの力覚センサにおいて、更に１６個の歪ゲージが追加されることになる。この方法であれば、３２個の歪ゲージが配置されることになり、それらを用いて各軸方向の力と各軸まわりのモーメントとを検出するために、ホイートストンブリッジ回路を構成しても良い。
＜４−４． ４−１〜４−３の力覚センサの変形例 ＞
４．１〜４．３のいずれの実施の形態においても、歪センサが配置される変形部として、ダイアフラム１５０ｄに代えてビーム１５０ｂが採用され得る。図２５は、ビーム形の変形部が採用された変形体の一例を示す概略平面図であり、図２６は、図２５の概略断面図である。図２５に示すように、このビーム形の変形部においては、歪センサを配置するために十分な幅を有するビームが変形部の直径をなすように配置されている。この変形部は、全体的に板状の形状を有しているが、図２６に示すように、連結部４０１との接続部分の近傍に位置する内側領域１５０ｌにおいて、この内側領域１５０ｌの外周に位置する外側領域１５０ｈよりも肉厚が薄くなっている。このことにより、内側領域１５０ｌのバネ定数が、外側領域１５０ｈのバネ定数よりも小さくなっている。
もちろん、内側領域１５０ｌの肉厚を異ならせる代わりに、内側領域１５０ｌの幅を異ならせても良い。すなわち、内側領域１５０ｌを相対的に幅狭に構成し、外側領域１５０ｈを相対的に幅広に構成することによって、内側領域１５０ｌのバネ定数を外側領域１５０ｈのバネ定数より小さくしてもよい。
また、４．１〜４．３のいずれの実施の形態においても、歪センサに代えて、光学式の歪計測装置が採用され得る。一例としては、４．１〜４．３において歪ゲージが配置されていた位置を計測対象部位として、この計測対象部位に光（レーザー光）を照射し、出射光と計測対象部位からの反射光との位相差に基づいて各計測対象部位の歪を計測する方法が考えられる。この場合も、歪ゲージによる計測値に基づく故障判定と同様の原理によって、力覚センサの故障判定を行うことが可能である。
＜＜＜ §５． その他の変形例＞＞＞
以上の各力覚センサにおいては、ダイアフラム１５０ｄが金属で構成され、その下面（支持体３００側の面）に基板及び変位電極が配置されているものとして説明を行ったが、このような形態には限られない。例えば、このダイアフラム１５０ｄが導電性を有していれば、当該ダイアフラム１５０ｄ自体を共通電極として利用しても良い。但しこの場合、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、変位電極を容量素子毎に独立して設けることが好ましい。
あるいは、ダイアフラム１５０ｄをプラスチックなどの可撓性を有する絶縁体から構成することも可能である。図２７は、プラスチック製のダイアフラム１５０ｄを有する力覚センサの概略断面図である。図２７に示すように、ダイアフラム１５０ｄの下面（図２７における下方の面）にフレキシブル基板（ＦＰＣ：Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等を接着して、その下面に変位電極を設ければよい。ただし、ＦＰＣは、ダイアフラム１５０ｄの弾性変形を妨げないような態様で当該ダイアフラム１５０ｄに接着される必要がある。このように変位電極を容量素子毎に独立して設けることができれば、前述したような検出精度の低下の恐れが少なく、更に回路的な自由度が増すことから、回路設計上有利である。プラスチックから構成されたダイアフラム１５０ｄも、繰り返しの使用によって前述した第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率が変化するので、そのようなダイアフラム１５０ｄを有する力覚センサにおいても、これまで説明した故障判定の原理が採用され得る。もちろん、ダイアフラム１５０ｄを金属とした場合には、上部基板１１ａ、下部基板１１ｂを絶縁体として、その上面に電極を配置すればよい。
また、ダイアフラム１５０ｄの内側変形部１５０ｌと外側変形部１５０ｈとのバネ定数を異ならせるために、当該内側変形部１５０ｌと外側変形部１５０ｈとの厚みを異ならせていたが、内側変形部１５０ｌにスリット１５０ｓを放射状に設けることによって、外側変形部１５０ｈとバネ定数を異ならせる（バネ定数を小さくする）ことも可能である。図２８は、内側変形部１５０ｌにスリット１５０ｓを設けたダイアフラム１５０ｄを有する変形体１００を示す概略平面図である。このスリット１５０ｓによって内側変形部１５０ｌが相対的に外側変形部１５０ｈよりも変形し易くなり、前述したバネ定数の相違を生じさせることができるのである。もちろん、このようにスリット１５０ｓを設けてバネ定数を低下させることは、ビーム状の変形部を有するタイプの力覚センサ（図２５参照）に対しても採用可能である。
更に、以上の各実施の形態による力覚センサにおいては、内側変形部１５０ｌのバネ定数が外側変形部１５０ｈのバネ定数よりも小さい場合について説明したが、これとは逆に、内側変形部１５０ｌのバネ定数が外側変形部１５０ｈのバネ定数よりも大きく構成されていても良い。この場合も、力覚センサの故障判定の原理は、上述した原理が採用され得る。但し、この場合、図３に示すＴ１ａ、Ｔ１ｂの傾き、及び、図４に示すＴ２ａ、Ｔ２ｂの傾きが変わることになるので、注意を要する。
＜＜＜ §６． 本出願人により提案された波型の検出部を有する力覚センサ ＞＞＞
＜６−１．基本構造部の全体構成＞
次に、本出願人によって出願された国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１５／０５２７８４において提案されている力覚センサに対して本発明の故障判定の機能を付与した、新たな力覚センサについて説明する。この説明に先だち、まず、図２９乃至図３７を参照して、当該国際特許出願において提案された力覚センサの基本構造部（以下、先願力覚センサという）の概要について述べることとする。
図２９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、Ｚ軸を中心軸として配置された円盤の中央部に、より径の小さな同心円盤の形状をした貫通開口部Ｈ２を形成することにより得られる円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る。この受力体１００の外形は、後述される図３６に示されているように４つの波形の検出部Ｄ１〜Ｄ４が設けられているが、ここでは、説明の便宜上、単純な円盤として図示されている。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２９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３０は、図２９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３０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３１は、図２９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３１の上面図は、図２９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３１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３１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。
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検討する。
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について説明する。図３２は、図２９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２９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３２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３２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３２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３２の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３３は、図２９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３３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３４は、図２９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、前述の通り、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が正である。
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、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３４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３５は、図２９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３５を裏返しにした変形状態が生じる。
以上、図２９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。
＜６−２．検出リングの構造＞
図３６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２００の斜視図（図（ａ））、側面図（図（ｂ））、下面図（図（ｃ））である。図３６に示す本願力覚センサに用いる検出リング２００は、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３６に示す検出リング２００は、円環状の構造体に対して、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。もっとも、実際に検出リング２００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２００をＺ軸を中心軸としてＸＹ平面に配置した状態を示す。図３６（ａ）は、この検出リング２００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２００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２００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３６（ｂ）の側面図（図が煩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Ｄ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２００に外力が作用した場合、当該外力に基づく検出リング２００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、均一な円環状構造を有する検出リングでは、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、本実施の形態の検出リング２００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。
図３６（ｃ）は、図３６（ａ）に示す検出リング２００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３７は、図３６に示す検出リング２００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３６（ｃ）とは逆に、検出リング２００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。
＜６−３．検出部の変形態様＞
次に、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３８は、図３８に示す検出リング２００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３８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２００を、当該検出リング２００の周方向に沿って円柱面で切断したときの断面部分を示している。図３８（ａ）は、外力が作用していない状態、図３８（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３８（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３８（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３８（ａ）に示す検出部Ｄが、図３６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３６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３６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２００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。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３８（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３８（ａ）に示す法線Ｎは、検出点Ｒの位置に立てた、ＸＹ平面の法線であり、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３８（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３８（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３８（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。
本実施の形態による力覚センサの力ないしモーメントの計測原理は、このような変位を利用するものである。すなわち、作用した力ないしモーメントの向きは、変位部６３の変位方向（図３８における上方か下方か）によって検出することができ、作用したトルクの大きさは、その変位量によって検出することができる。
＜６−４．容量素子の構成＞
本実施の形態では、変位部６３の変位を検出するために容量素子を利用する。図３９は、図３６に示す検出リング２００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３９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２００を、当該検出リング２００の周方向に切断したときの断面部分を示している。すなわち、図３９の上段に示されている検出リング２００の一部分は、図３６（ａ）に示す検出リング２００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３８（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３８（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３８（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３９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３６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６−５．で述べることにする。
＜６−５．個々の外力成分の具体的な検出方法＞
次に、図４０は、本実施の形態による力覚センサの検出リング２００ａを示す概略平面図である。この検出リング２００ａは、第１検出部Ｄ１及び第４検出部Ｄ４と、第２検出部Ｄ２及び第３検出部Ｄ３と、が異なるバネ定数を有するように構成されている。具体的には、図示されるように、第１及び第４検出部Ｄ１、Ｄ４における第１の変形部６１及び第２の変形部６２の径方向の肉厚（幅）が、第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３における第１の変形部６１及び第２の変形部６２の径方向の肉厚（幅）よりも大きく構成されていることによって、第１及び第４検出部Ｄ１、Ｄ４のバネ定数が第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３のバネ定数よりも大きくなっている。また、本実施の形態では、第１検出部Ｄ１と第４検出部Ｄ４とは同じバネ定数を有しており、第２検出部Ｄ２と第３検出部Ｄ３とは同じバネ定数を有している。そして、前述したように、各検出部に対応する位置に合計４つの容量素子が配置されている。
以上のような力覚センサにおいて、支持基板３００を固定した状態において、受力体１００に正方向の力ないしモーメント＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚ，＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚが作用し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４１の表に示すようになる。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。この表において、「＋」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、「−−」は静電容量値の減少の程度が「−」に比べて大きいことを示す。
もっとも、各静電容量値の増減の大きさは、実際には、検出リング２００ａ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、本願に示す表における「＋」，「＋＋」の相違や、「−」，「−−」の相違は、あくまでも相対的なものである。この増減の大きさは、Ｆｘ〜Ｍｚの６つの成分ごとの相対的な大小であるため、例えば、Ｆｘに対応する「＋」、「−」とＦｚに対応する「＋」「−」とでは大小関係は異なっている。また、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。
この図４１の表に示すような結果が得られることは、図３２乃至図３５に示す検出リング２００の変形態様を参照することにより、図３８に示す変形態様を踏まえて図４０に示す検出リング２００ａの検出部Ｄ１〜Ｄ４の各位置にどのような力が作用するかを考慮すれば、理解され得る。
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２００ａは、図３２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、検出部Ｄ１，Ｄ４には伸張力ｆ２が作用し、図３８（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３８（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。
但し、本実施の形態では、前述したように、第１及び第４検出部Ｄ１、Ｄ４のバネ定数が第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３のバネ定数よりも小さくなっている。このため、第１及び第４検出部Ｄ１、Ｄ４に設けられた第１及び第４容量素子Ｃ１、Ｃ４の方が、第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３に設けられた第２及び第３容量素子Ｃ２、Ｃ３よりも、容量素子の変動量が大きい。
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、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。
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２００ａは、図３３に示すように変形する。したがって、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。
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２００ａは、図３４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。
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。
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２００ａは、図３５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、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。
なお、図４１の表は、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。
なお、各成分の算出に当たっては、第１及び第４容量素子Ｃ１、Ｃ４の方が、第２及び第３容量素子Ｃ２、Ｃ３よりも、静電容量値の変化量が大きい（感度が高い）ことが考慮され、この感度の相違が各成分の算出結果に影響を与えないように適宜の補正がなされる。
＜６−６．本実施の形態による力覚センサの故障判定の原理＞
次に、以上のような力覚センサにおいて、故障判定を行うための方法について説明する。本実施の形態では、検出リング２００ａの第１の変形部６１及び第２の変形部６２に金属疲労が蓄積することに伴って、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値が変動しやすくなる（感度が上昇する）ことを利用して、力覚センサの故障診断を行う。金属疲労は、特に、バネ定数が小さい第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３を構成する第１の変形部６１及び第２の変形部６２において顕著に発現する。金属材料に金属疲労が発現及び蓄積すると、当該金属材料は軟化する。このため、これら第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３に対応する第２及び第３容量素子Ｃ２、Ｃ３において、顕著に感度が上昇する。
このことを利用して、受力体１００に対して例えばある大きさの力Ｆｘが作用した際の、検出リング２００ａに金属疲労が生じていない時における第１及び第４容量素子Ｃ１、Ｃ４の静電容量値の変動量と第２及び第３容量素子Ｃ２、Ｃ３の静電容量値の変動量との比率（基準比率）と、検出リング２００ａに金属疲労が生じている時における当該比率と、を比較することにより、力覚センサの故障診断を行うことができる。
ここで、以下の［式１３］に示すように、第２及び第３容量素子Ｃ２、Ｃ３の静電容量値の変動量の和に相当する電気信号を第１電気信号Ｔ１とし、第１及び第４容量素子Ｃ１、Ｃ４の静電容量値の変動量の和に相当する電気信号を第２電気信号Ｔ２とする。
［式１３］
Ｔ１＝Ｃ２＋Ｃ３
Ｔ２＝Ｃ１＋Ｃ４
本実施の形態では、検出リング２００ａに金属疲労が蓄積することに伴って第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率が変化することを利用して、力覚センサの故障診断を行う。以下の説明においては、検出リング２００ａに金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、検出リング２００ａに金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。
図４２は、図４０の検出リング２００ａに金属疲労が生じていない状態（初期状態）において、力覚センサに作用する力の大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係を示すグラフであり、図４３は、図４０の検出リング２００ａに金属疲労が生じている（蓄積している）状態において、力覚センサに作用する力の大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ２ａ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係を示すグラフである。
各図において、横軸は力覚センサに作用した力Ｆｘを示し、縦軸は当該力Ｆｘに応じて力覚センサから出力される電気信号の大きさを示している。このため、各図において、各電気信号Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、Ｔ２ａ、Ｔ２ｂを示す直線の傾きは、力覚センサの検出感度を示すことになる。
次に、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する方法について説明する。本実施の形態の力覚センサに対して繰り返しの負荷が作用すると、検出リング２００ａに金属疲労が生じる。金属疲労は、前述したように、力Ｆｘによる変形が相対的に大きい第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３において顕著に発現する。この金属疲労が蓄積されると、第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３における第１の変形部６１及び第２の変形部６２の強度が低下し、最終的に当該第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３において検出リング２００ａが破断することになる。第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３に金属疲労が蓄積すると、第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３が力Ｆｘによって大きく変形されるようになり、初期状態と比較して、力Ｆｘに対する第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３の感度が上昇する。このことは、図４２と図４３とを比較することによって理解される。
具体的には、図４２を参照すると、初期状態においては、第１電気信号Ｔ１ａを示す直線の傾き（感度）は２．０である。一方、図４３を参照すると、金属疲労が蓄積している状態においては、第２電気信号Ｔ２ｂを示す直線の傾き（感度）は３．０であり、感度が５０％上昇している。
もちろん、金属疲労は、第１及び第４検出部Ｄ１、Ｄ４にも発現するが、その発現の程度は、第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３における金属疲労の発現の程度よりも小さい。実際、図４２を参照すると、初期状態においては、第２電気信号Ｔ２ａを示す直線の傾きの絶対値（感度）は０．５である。その一方、図４３を参照すると、金属疲労が蓄積している状態においては、第２電気信号Ｔ２ｂを示す直線の傾きの絶対値（感度）は０．６である。従って、感度は上昇しているもののその割合は２０％にとどまっている。
ここで着目すべきは、第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３と第１及び第４検出部Ｄ１、Ｄ４とで金属疲労の発現の程度が異なっているということである。本発明は、このことを利用して力覚センサの故障診断を行うものである。すなわち、初期状態においては、第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率（Ｔ２ａ／Ｔ１ａ）の絶対値は、４．０であるのに対し、金属疲労が蓄積している状態においては、第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率（Ｔ２ｂ／Ｔ１ｂ）の絶対値は、５．０に上昇している。
換言すれば、第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３と第１及び第４検出部Ｄ１、Ｄ４とで金属疲労の蓄積の特性が異なることに起因して、繰り返しの負荷に伴って第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率が次第に変化する。そして、力覚センサに対して繰り返しの負荷が更に作用すると、検出リング２００ａは最終的に第２検出部Ｄ２または第３検出部Ｄ３において破断する。一方、この時点では第１及び第４検出部Ｄ１、Ｄ４は正常に機能している蓋然性が高い。
以上のことから、ある時点における第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、初期状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率（基準比率）と、の差が所定の範囲内にあるか否かを評価することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定することができる。
以上の判定原理を具現化するために、本実施の形態の力覚センサも、前述した図５に示す検出回路を有している。この検出回路による故障診断の方法については、§１と略同様であるため、その詳細な説明は省略する。
以上のような本実施の形態によれば、検出リング２００ａに金属疲労が生じると、第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
具体的には、本実施の形態の検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、検出リング２００ａの故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
＜６−７．他の実施の形態による力覚センサの故障判定の原理＞
以上の説明においては、Ｘ軸方向の力Ｆｘに基づいて力覚センサの故障判定を行う方法について説明したが、Ｚ軸方向の力Ｆｚに基づいて力覚センサの故障判定を行うことも可能である。図４４は、図４０の検出リング２００ａの変形例を示す検出リング２００ｂの概略平面図であり、力Ｆｚに基づいて故障判定を行う場合に用いられるものを示す概略平面図である。この検出リング２００ｂは、全体的な構成は図４０に示す検出リング２００ａと略同様であるため、対応する構成部分には同様の符号を付し、その詳細な説明は省略する。一方、本実施の形態の検出リング２００ｂは、第１検出部Ｄ１及び第３検出部Ｄ３のバネ定数が第２検出部Ｄ２及び第４検出部Ｄ４のバネ定数よりも小さい、という点で図４０の検出リング２００ａとは異なっている。第１検出部Ｄ１と第３検出部Ｄ３とは同じバネ定数を有しており、第２検出部Ｄ２と第４検出部Ｄ４とは同じバネ定数を有している。そして、各検出部に対応する位置に合計４つの容量素子が配置されている。
以上のような検出リング２００ｂを有する力覚センサにおいて、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は、６−５．で説明した動作と同じである。なお、ここでも、力ないしモーメントの算出に当たっては、第１及び第３容量素子Ｃ１、Ｃ３の方が、第２及び第４容量素子Ｃ２、Ｃ４よりも、静電容量値の変化量が大きい（感度が高い）ことが考慮され、この感度の相違が各成分の算出結果に影響を与えないように適宜の補正がなされる。
次に、以上のような力覚センサにおいて、故障判定を行うための方法について説明する。本実施の形態では、検出リング２００ｂの第１の変形部６１及び第２の変形部６２に金属疲労が蓄積することに伴って、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値が変動しやすくなる（感度が上昇する）ことを利用して、力覚センサの故障診断を行う。金属疲労は、特に、バネ定数が小さい第１及び第３検出部Ｄ１、Ｄ３を構成する第１の変形部６１及び第２の変形部６２において顕著に発現する。金属材料に金属疲労が発現及び蓄積すると、当該金属材料は軟化する。このため、これら第１及び第３検出部Ｄ１、Ｄ３に対応する第１及び第３容量素子Ｃ１、Ｃ３において、顕著に感度が上昇する。
このことを利用して、受力体１００に対して例えばある大きさの力Ｆｚが作用した際の、検出リング２００ｂに金属疲労が生じていない時における第１及び第３容量素子Ｃ１、Ｃ３の静電容量値の変動量と第２及び第４容量素子Ｃ２、Ｃ４の静電容量値の変動量との比率（基準比率）と、検出リング２００ｂに金属疲労が生じている時における当該比率と、を比較することにより、力覚センサの故障診断を行うことができる。
ここで、以下の［式１４］に示すように、第１及び第３容量素子Ｃ１、Ｃ３の静電容量値の変動量の和に相当する電気信号を第１電気信号Ｔ１とし、第２及び第４容量素子Ｃ２、Ｃ４の静電容量値の変動量の和に相当する電気信号を第２電気信号Ｔ２とする。
［式１４］
Ｔ１＝Ｃ１＋Ｃ３
Ｔ２＝Ｃ２＋Ｃ４
本変形例でも、検出リング２００ｂに金属疲労が蓄積することに伴って第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率が変化することを利用して、力覚センサの故障診断を行う。ここでも、検出リング２００ｂに金属疲労が生じていない初期状態での第１及び第２電気信号をＴ１ａ、Ｔ２ａとし、検出リング２００ｂに金属疲労が生じている（蓄積している）状態での第１及び第２電気信号をＴ１ｂ、Ｔ２ｂとして、それぞれ区別することとする。
本変形例においては、図４４の検出リング２００ｂに金属疲労が生じていない状態（初期状態）において、力覚センサに作用する力の大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ１ａ及び第２電気信号Ｔ２ａと、の関係は、図４２に示すグラフと同じである。また、図４４の検出リング２００ｂに金属疲労が生じている（蓄積している）状態において、力覚センサに作用する力の大きさと、当該力覚センサから出力される第１電気信号Ｔ２ａ及び第２電気信号Ｔ２ｂと、の関係は、図４３に示すグラフと同じである。
以上のような本実施の形態による力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するための原理及び方法は、６−６．と同じである。すなわち、６−６．における第１電気信号Ｔ１（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）及び第２電気信号Ｔ２（Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ）を［式１４］に読み替えることによって、本実施の形態による力覚センサの故障判定の原理及び方法が理解される。このため、ここでは、当該原理及び方法の詳細な説明は省略する。
以上のような本変形例によれば、検出リング２００ｂに金属疲労が生じると、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率に変化が生じるため、この変化に基づいて当該金属疲労が生じていることを検出し、変形体の故障を診断することが可能な力覚センサを提供することができる。
具体的には、本実施の形態の検出回路は、力覚センサが正常に機能している状態における第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比率を基準比率として記憶する記憶部４８を有し、「第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率と、基準比率と、の差」が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、力覚センサが正常に機能しているか否かを判定するようになっている。このため、予め定められた基準比率に基づいて、検出リング２００ｂの故障判定、すなわち力覚センサの故障判定を、確実に行うことができる。
なお、図２９に示す力覚センサにおける故障判定について述べなかったが、図３６に示す力覚センサと同様に、６−６．で説明した故障判定を行うことができる。この場合、検出リングとして、図４５に示すものを採用すればよい。図４５は、図２９に示す検出リング２００の変形例による検出リング２００ｃを示す概略平面図である。この検出リング２００ｃは、図４０に示す検出リング２００ａの第２及び第３検出部Ｄ２、Ｄ３に対応する位置に、径方向の肉厚を他の領域よりも小さくして相対的にバネ定数を低下させた領域を有している。また、図４０に示す力覚センサにおいては、検出リング２００ａ上に配置される変位電極を支持基板３００に面する側に配置したが（図３９参照）、図４５に示す検出リング２００ｃに対しては、当該検出リング２００ｃの側面に配置すればよい。
また、図３６〜図４０に示す力覚センサは、力ないしモーメントを検出するための容量素子を４つしか有していないため、力ないしモーメントの６つの成分全てを検出することはできない。従って、ここで示した故障判定の方法は、当該力覚センサに対して特定の軸方向の力（例えばＦｘ）が作用した場合に有効である。
また、図１６に示す力覚センサでは、力Ｆｚのみが作用する力覚センサを前提に、故障判定の原理について述べた。

Claims (9)

  1. ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
    ＸＹ平面上に配置された支持体と、
    前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
    前記支持体上に配置された固定電極と、
    前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
    前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及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を示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記変形部は、Ｚ軸方向から見て、当該Ｚ軸を含み第１バネ定数を有する内側変形部と、この内側変形部の外側に位置し前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
    前記容量素子は、前記内側変形部に対応する位置に配置された第１容量素子と、前記外側変形部に対応する位置に配置された第２容量素子と、を有し、
    前記検出回路は、
    作用した力に対応する、前記第１容量素子の静電容量値に相当する第１電気信号と、前記第２容量素子の静電容量値に相当する第２電気信号と、を出力し、
    作用した力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とする力覚センサ。
  2. ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
    ＸＹ平面上に配置された支持体と、
    前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
    前記支持体上に配置された固定電極と、
    前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
    前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及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を示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記変形部は、Ｚ軸方向から見て、当該Ｚ軸を含み第１バネ定数を有する内側変形部と、この内側変形部の外側に位置し、前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
    前記容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記内側変形部に対応する位置にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、前記外側変形部に対応する位置において、当該第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び当該第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
    前記検出回路は、
    作用したＸ軸方向の力に対応する、「前記第１容量素子の静電容量値と、前記第２容量素子の静電容量値と、の差」に相当する第１電気信号と、「前記第３容量素子の静電容量値と、前記第４容量素子の静電容量値と、の差」に相当する第２電気信号と、を出力し、
    作用したＸ軸方向の力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とする力覚センサ。
  3. ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
    ＸＹ平面上に配置された支持体と、
    前記支持体に対向して配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
    前記支持体上に配置された固定電極と、
    前記固定電極に対向するように前記変形体の前記変形部に設けられ、前記固定電極との間で容量素子を構成する変位電極と、
    前記容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記変形体及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を示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記変形部は、Ｚ軸方向から見て、当該Ｚ軸を含み第１バネ定数を有する内側変形部と、この内側変形部の外側に位置し前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
    前記容量素子は、Ｚ軸方向から見て、前記内側変形部に対応する位置にＹ軸を挟んで配置されたＸ軸負側の第１容量素子及びＸ軸正側の第２容量素子と、前記外側変形部に対応する位置において、当該第１容量素子の近傍に配置された第３容量素子及び当該第２容量素子の近傍に配置された第４容量素子と、を有し、
    前記第１及び第２容量素子は、前記内側変形部に対応する位置にそれぞれ配置され、前記第３及び第４容量素子は、前記外側変形部に対応する位置にそれぞれ配置され、
    前記検出回路は、
    作用したＺ軸方向の力に対応する、「前記第１容量素子の静電容量値と、前記第２容量素子の静電容量値と、の和」に相当する第１電気信号と、「前記第３容量素子の静電容量値と、前記第４容量素子の各静電容量値と、の和」に相当する第２電気信号と、を出力し、
    作用したＺ軸方向の力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とする力覚センサ。
  4. ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
    ＸＹ平面に平行な面上に配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
    前記変形体の表面に配置され、前記弾性変形によって当該変形体に生じた歪を計測する歪計測器と、
    前記歪計測器の計測結果に基づいて、前記変形体に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記変形部は、Ｚ軸方向から見て当該Ｚ軸を含み第１バネ定数を有する内側変形部と、この前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
    前記歪計測器は、前記内側変形部に設けられた第１計測部位の歪と、前記外側変形部に設けられた第２計測部位の歪と、を計測し、
    前記検出回路は、
    作用した力に対応する、前記第１計測部位の計測値に相当する第１電気信号と、前記第２計測部位の計測値に相当する第２電気信号と、を出力し、
    作用した力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とする力覚センサ。
  5. ＸＹＺ三次元座標系におけるＸ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
    ＸＹ平面に平行な面上に配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
    前記変形体の表面に配置され、前記弾性変形によって当該変形体に生じた歪を計測する歪計測器と、
    前記歪計測器の計測結果に基づいて、前記変形体に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記変形部は、Ｚ軸方向から見て、当該Ｚ軸を含み第１バネ定数を有する内側変形部と、この内側変形部の外側に位置し前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
    前記歪計測器は、正のＸ軸上において前記内側変形部に設けられた第１計測部位の歪と、負のＸ軸上において前記内側変形部に設けられた第２計測部位の歪と、正のＸ軸上において前記外側変形部に設けられた第３計測部位の歪と、負のＸ軸上において前記外側変形部に設けられた第４計測部位の歪と、を計測し、
    前記検出回路は、
    作用したＸ軸方向の力に対応する、「前記第１計測部位の計測値と、前記第２計測部位の計測値と、の差」に相当する第１電気信号と、「前記第３計測部位の計測値と、前記第４計測部位の計測値と、の差」に相当する第２電気信号と、を出力し、
    作用したＸ軸方向の力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とする力覚センサ。
  6. ＸＹＺ三次元座標系におけるＺ軸方向の力を検出する力覚センサであって、
    ＸＹ平面に平行な面上に配置され、検出対象となる力の作用により弾性変形を生じる変形部を有する変形体と、
    前記変形体の表面に配置され、前記弾性変形によって当該変形体に生じた歪を計測する歪計測器と、
    前記歪計測器の計測結果に基づいて、前記変形体に作用した力を示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記変形部は、Ｚ軸方向から見て、当該Ｚ軸を含み第１バネ定数を有する内側変形部と、この内側変形部の外側に位置し前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有する外側変形部と、を有し、
    前記歪計測器は、正のＸ軸上において前記内側変形部に設けられた第１計測部位の歪と、負のＸ軸上において前記内側変形部に設けられた第２計測部位の歪と、正のＸ軸上において前記外側変形部に設けられた第３計測部位の歪と、負のＸ軸上において前記外側変形部に設けられた第４計測部位の歪と、を計測し、
    前記検出回路は、
    作用したＺ軸方向の力に対応する、「前記第１計測部位の計測値と、前記第２計測部位の計測値と、の和」に相当する第１電気信号と、「前記第３計測部位の計測値と、前記第４計測部位の計測値と、の和」、に相当する第２電気信号と、を出力し、
    作用したＺ軸方向の力に対応する前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率の変化に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とする力覚センサ。
  7. 前記歪計測器は、各計測部位に対応して設けられた歪ゲージを含む
    ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
  8. 前記歪計測器は、発光素子と受光素子とを有する光学干渉式の計測器を含む
    ことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の力覚センサ。
  9. ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸まわりのトルクの少なくとも１つを検出する力覚センサであって、
    検出対象となる力ないしトルクの作用により弾性変形を生じる材質からなり、Ｚ軸が挿通する貫通開口部を有する環状変形体と、
    前記環状変形体がＸＺ平面と交わる２つの第１部位において当該環状変形体に接続された第１支持体と、
    前記環状変形体がＺ軸を含みＸＺ平面とは異なる平面と交わる２つの第２部位において当該環状変形体に接続され、前記第１支持体に対して変位可能な第２支持体と、
    前記環状変形体の所定位置に配置され、当該環状変形体の弾性変形に起因した変位を生じる変位電極と、
    前記第１支持体のうち前記変位電極に対向する位置に配置された固定電極と、
    前記変位電極と前記固定電極とによって構成される容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、前記第１支持体及び前記第２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各軸方向の力及び各軸まわりのトルクの少なくとも１つを示す電気信号を出力する検出回路と、
    を備え、
    前記環状変形体は、当該前記環状変形体上に定義された４つの検出点に位置する第１〜第４検出部と、これらの第１〜第４検出部の両端に接続された連結部と、を有し、
    前記第１検出部と前記第４検出部とは、Ｘ軸正側においてＸ軸に関して対称的に配置され、前記第２検出部と前記第３検出部とは、Ｘ軸負側においてＸ軸に関して対称的に配置され、
    前記第１〜第４検出部は、それぞれ、検出対象となる力ないしトルクの作用により弾性変形を生じる第１変形部と、検出対象となる力ないしトルクの作用により弾性変形を生じる第２変形部と、前記第１変形部および前記第２変形部の弾性変形により変位を生じる変位部と、を有し、
    前記第１変形部は、隣接する連結部と前記変位部の一方の端部とを接続しており、前記第２変形部は、隣接する連結部と前記変位部の他方の端部とを接続しており、
    前記第１及び第４検出部の前記第１及び第２変形部は、第１バネ定数を有し、
    前記第２及び第３検出部の前記第１及び第２変形部は、前記第１バネ定数とは異なる第２バネ定数を有し、
    前記容量素子は、第１容量素子、第２容量素子、第３容量素子及び第４容量素子を有し、各容量素子は、前記第１〜第４検出部のそれぞれの前記変位部に対応する位置に配置された変位電極及び固定電極から構成され、
    前記検出回路は、前記第１容量素子の静電容量値に基づく第１電気信号と、前記第４容量素子の静電容量値に基づく第４電気信号と、の少なくとも一方、及び、前記第２容量素子の静電容量値に基づく第２電気信号と、前記第３容量素子の静電容量値に基づく第３電気信号と、の少なくとも一方を、各軸方向の力及び各軸まわりのトルクの少なくとも１つを示す電気信号として出力し、
    前記第１電気信号と前記第２電気信号または前記第３電気信号との比率の変化、及び、前記第４電気信号と前記第２電気信号または前記第３電気信号との比率の変化、の少なくとも一方に基づいて、当該力覚センサが正常に機能しているか否かを判定する
    ことを特徴とする力覚センサ。
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