JP6617251B1 - 力覚センサ - Google Patents

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Abstract

力覚センサは、受力部と固定部とを有する変形体と、変形体に生じる弾性変形により変位を生じる変位体と、変位体に生じる変位に基づいて、作用した力を検出する検出回路と、を備え、変形体は、受力部と固定部との間に配置された傾動部と、受力部と傾動部とを接続する第１変形部と、固定部と傾動部とを接続する第２変形部と、を有し、変位体は、傾動部に接続されているが固定部から離間した変位部を有し、検出回路は、変位部に配置された第１変位センサ及び第２変位センサを有し、検出回路は、第１変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第１電気信号を出力し、且つ、第２変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第２電気信号を出力し、当該第１電気信号及び当該第２電気信号に基づいて、力の検出が正常に行われ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モーメント（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。
従来、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が知られている（例えば特許文献１）。このような力覚センサは、産業用ロボットの力制御に広く利用されている他、近年では生活支援ロボットにも採用されており、高い安全性が求められている。しかしながら、例えば、従来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、あるいは容量素子を構成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、例えば特許文献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うため問題である。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しても良い。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と作業コストが増大してしまうため、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。
ところで、本出願人は、静電容量型の力覚センサにおいて、低価格かつ高感度であり、使用環境の温度変化や同相ノイズによる影響を受けにくい力覚センサを発明し、特願２０１７−１８５１８４を出願した。このような力覚センサにおいても、より簡便に故障診断を行うことができれば、極めて有用である。
本発明は、以上のような事情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、低価格かつ高感度でありながら、単一の力覚センサによってそれ自身の故障診断が可能な力覚センサを提供することである。
本発明の第１の態様による力覚センサは、
受力部と固定部とを有し、前記受力部に作用した力により弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に接続され、当該変形体に生じる弾性変形により変位を生じる変位体と、
前記変位体に生じる変位に基づいて、作用した力を検出する検出回路と、を備え、
前記変形体は、
長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に配置された傾動部と、
前記受力部と前記傾動部とを接続する第１変形部と、
前記固定部と前記傾動部とを接続する第２変形部と、を有し、
各変形部は、前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第１変形部と前記傾動部との接続部位と、前記第２変形部と前記傾動部との接続部位とは、当該傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
前記変位体は、前記傾動部に接続されているが前記固定部から離間した変位部を有し、
前記検出回路は、前記変位部に配置された第１変位センサ及び第２変位センサを有し、
前記検出回路は、前記第１変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第１電気信号を出力し、且つ、前記第２変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第２電気信号を出力し、当該第１電気信号及び当該第２電気信号に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定する。
前記検出回路は、前記第１電気信号と前記第２電気信号との和である合算電気信号を出力し、
前記検出回路は、前記合算電気信号と、前記第１電気信号及び前記第２電気信号の少なくとも一方と、に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定して良い。
以上の力覚センサは、前記変位体に対向配置され、前記固定部に接続された支持体を更に備え、
各変位センサは、前記変位体の前記変位部に配置された変位電極と、この変位電極に対向して前記支持体上に配置された固定電極と、を有する容量素子であって良い。
前記変位部は、前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する梁を有していて良い。
前記梁には、第１計測部位が規定され、
前記検出回路は、前記第１計測部位の変位を計測する、第１−１変位センサ及び第１−２変位センサを有し、
前記検出回路は、前記第１−１変位センサの検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第１−２変位センサの検出値に基づいて前記第２電気信号を出力して良い。
あるいは、前記梁には、第１計測部位及び第２計測部位が規定され、
前記検出回路は、前記第１計測部位の変位を計測する、第１−１変位センサ及び第１−２変位センサと、前記第２計測部位の変位を計測する、第２−１変位センサ及び第２−２変位センサと、を有し、
前記検出回路は、前記第１−１変位センサ及び前記第１−２変位センサの各検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第２−１変位センサ及び前記第２−２変位センサの各検出値に基づいて前記第２電気信号を出力して良い。
前記変位部は、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する接続体を有し、
前記変位体の前記第１計測部位及び前記第２計測部位は、前記接続体と前記梁との接続部位に関して対称的に規定され、
前記検出回路は、前記第１−１変位センサの検出値と前記第２−２変位センサの検出値との差に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第１−２変位センサの検出値と前記第２−１変位センサの検出値との差に基づいて前記第２電気信号を出力して良い。
前記検出回路は、前記第１電気信号、または、前記第１電気信号と前記第２電気信号との和である合算電気信号、に基づいて作用した力を検出して良い。
本発明の第２の態様による力覚センサは、
閉ループ状の変形体であって、２つの受力部と、閉ループ状の経路に沿って前記２つの受力部と交互に配置された２つの固定部と、前記閉ループ状の経路に沿って隣接する前記受力部及び前記固定部を接続し前記受力部に作用した力ないしモーメントにより弾性変形を生じる４つの変形要素と、を有する変形体と、
各変形要素に接続され、当該変形要素に生じる弾性変形により変位を生じる４つの変位体と、
前記４つの変位体に生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出する検出回路と、を備え、
前記４つの変形要素は、それぞれ、
長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に配置された傾動部と、
対応する前記受力部と前記傾動部とを接続する第１変形部と、
対応する前記固定部と前記傾動部とを接続する第２変形部と、を有し、
前記第１変形部及び前記第２変形部は、前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第１変形部と前記傾動部との接続部位と、前記第２変形部と前記傾動部との接続部位とは、当該傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
前記４つの変位体は、それぞれ、対応する前記傾動部に接続されているが対応する前記固定部から離間した変位部を有し、
前記検出回路は、少なくとも４つの第１変位センサと少なくとも４つの第２変位センサとを有し、
前記少なくとも４つの第１変位センサ及び前記少なくとも４つの第２変位センサは、各変位部に少なくとも１つずつ配置されており、
前記検出回路は、各第１変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第１電気信号を出力し、且つ、各第２変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第２電気信号を出力し、当該第１電気信号及び当該前記第２電気信号に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定する。
前記検出回路は、前記第１電気信号と前記第２電気信号との和である合算電気信号を出力し、
前記検出回路は、前記合算電気信号と、前記第１電気信号及び前記第２電気信号の少なくとも一方と、に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定して良い。
このような力覚センサは、前記４つの変位体に対向配置され、前記固定部に接続された支持体を更に備え、
各変位センサは、各変位体の前記変位部に配置された変位電極と、各変位電極に対向して前記支持体上に配置された固定電極と、を有する容量素子であって良い。
前記４つの変位体は、それぞれ、対応する前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する梁を有して良い。
各梁には、第１計測部位が規定され、
前記検出回路は、各第１計測部位の変位を計測する、第１−１変位センサ及び第１−２変位センサを有し、
前記検出回路は、各第１−１変位センサの検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、各第１−２変位センサの検出値に基づいて前記第２電気信号を出力して良い。
あるいは、各梁には、第１計測部位及び第２計測部位が規定され、
前記検出回路は、各第１計測部位の変位を計測する、第１−１変位センサ及び第１−２変位センサと、各第２計測部位の変位を計測する、第２−１変位センサ及び第２−２変位センサと、を有し、
前記検出回路は、各第１−１変位センサ及び各第２−１変位センサの各検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、各第１−２変位センサ及び各第２−２変位センサの各検出値に基づいて前記第２電気信号を出力して良い。
各変位部は、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する接続体を有し、
各変位体の前記第１計測部位及び前記第２計測部位は、前記接続体と前記梁との接続部位に関して対称的に規定され、
各第１−１変位センサ、各第１−２変位センサ、各第２−２変位センサ及び各第２−１変位センサは、対応する前記梁の長さ方向に沿ってこの順序で配置され、
前記検出回路は、前記第１−１変位センサの検出値と前記第２−１変位センサの検出値との差に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第１−２変位センサの検出値と前記第２−２変位センサ検出値との差に基づいて前記第２電気信号を出力して良い。
前記検出回路は、前記第１電気信号、または、前記第１電気信号と前記第２電気信号との和である合算電気信号に基づいて、作用した力を検出して良い。
また、前記検出回路は、前記合算電気信号と、前記第１電気信号及び前記第２電気信号の少なくとも一方と、の差または比に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定して良い。
本発明の第３の態様による力覚センサは、
受力部と固定部とを有し、前記受力部に作用した力により弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に接続され、当該変形体に生じる弾性変形により変位を生じる変位体と、
前記変位体に生じる変位に基づいて、作用した力を検出する検出回路と、を備え、
前記変形体は、
長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に当該受力部から当該固定部に向かって順次配置された第１傾動部及び第２傾動部と、
前記第１傾動部と前記第２傾動部との間に配置された力伝達部と、
前記受力部と前記第１傾動部とを接続する第１−１変形部、前記力伝達部と前記第１傾動部とを接続する第１−２変形部、前記力伝達部と前記第２傾動部とを接続する第２−１変形部、及び、前記固定部と前記第２傾動部とを接続する第２−２変形部と、を有し、
各変形部は、それぞれ、各傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第１−１変形部と前記第１傾動部との接続部位と、前記第１−２変形部と前記第１傾動部との接続部位とは、当該第１傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
前記第２−１変形部と前記第２傾動部との接続部位と、前記第２−２変形部と前記第２傾動部との接続部位とは、当該第２傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
前記第１−１変形部及び第１−２変形部のバネ定数と、前記第２−１変形部及び第２−２変形部のバネ定数とが、異なっており、
前記変位体は、前記第１傾動部に接続されているが前記固定部から離間した第１変位部と、前記第２傾動部に接続されているが前記固定部から離間した第２変位部と、を有し、
前記検出回路は、前記第１変位部の変位を計測する第１変位センサと、前記第２変位部の変位を計測する第２変位センサと、を有し、
前記検出回路は、前記第１変位センサの検出値に基づいて作用した力を示す第１電気信号を出力し、且つ、前記第２変位センサの検出値に基づいて作用した力を示す第２電気信号を出力し、当該第１電気信号と当該第２電気信号との比率の変化に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定する。
このような力覚センサは、前記変位体に対向配置され、前記固定部に接続された支持体を更に備え、
各変位センサは、前記変位体の各変位部に配置された変位電極と、この変位電極に対向して前記支持体上に配置された固定電極と、を有する容量素子であって良い。
前記第１変位部は、前記第１傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する第１梁を有し、
前記第２変位部は、前記第２傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する第２梁を有して良い。
前記第１梁には、第１−１計測部位が規定され、
前記第２梁には、第２−１計測部位が規定され、
前記検出回路は、前記第１−１計測部位の変位を計測する第１−１変位センサと、前記第２−１計測部位の変位を計測する第２−１変位センサと、を有し、
前記検出回路は、前記第１−１変位センサの検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第２−１変位センサの検出値に基づいて前記第２電気信号を出力して良い。
あるいは、前記第１梁には、第１−１計測部位及び第１−２計測部位が規定され、
前記第２梁には、第２−１計測部位及び第２−２計測部位が規定され、
前記検出回路は、前記第１−１計測部位の変位を計測する第１−１変位センサ、前記第１−２計測部位の変位を計測する第１−２変位センサ、前記第２−１計測部位の変位を計測する第２−１変位センサ、及び、前記第２−２計測部位の変位を計測する第２−２変位センサを有し、
前記検出回路は、前記第１−１変位センサ及び前記第１−２変位センサの各検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第２−１変位センサ及び前記第２−２変位センサの各検出値に基づいて前記第２電気信号を出力して良い。
前記第１変位部は、前記第１傾動部と前記第１梁とを接続する第１接続体を有し、
前記第２変位部は、前記第２傾動部と前記第２梁とを接続する第２接続体を有し、
前記第１変位部の前記第１−１計測部位及び前記第１−２計測部位は、前記第１接続体と前記第１梁との接続部位に関して対称的に規定され、
前記第２変位部の前記第２−１計測部位及び前記第２−２計測部位は、前記第２接続体と前記第２梁との接続部位に関して対称的に規定され、
前記検出回路は、前記第１−１変位センサの検出値と前記第１−２変位センサの検出値との差に基づいて前記第１電気信号を出力し、前記第２−１変位センサの検出値と前記第２−２変位センサの検出値との差に基づいて前記第２電気信号を出力して良い。
本発明の第４の態様による力覚センサは、
閉ループ状の変形体であって、２つの受力部と、閉ループ状の経路に沿って前記２つの受力部と交互に配置された２つの固定部と、前記閉ループ状の経路に沿って隣接する前記受力部及び前記固定部を接続し前記受力部に作用した力ないしモーメントにより弾性変形を生じる４つの変形要素と、を有する変形体と、
各変形要素に接続され、当該変形要素に生じる弾性変形により変位を生じる変位体と、
前記変位体に生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出する検出回路と、を備え、
前記４つの変形要素は、それぞれ、
長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に当該受力部から当該固定部に向かって順次配置された第１傾動部及び第２傾動部と、
前記第１傾動部と前記第２傾動部との間に配置された力伝達部と、
前記第１傾動部と対応する前記受力部とを接続する第１−１変形部、前記力伝達部と前記第１傾動部とを接続する第１−２変形部、前記力伝達部と前記第２傾動部とを接続する第２−１変形部、及び、前記第２傾動部と対応する前記固定部とを接続する第２−２変形部と、を有し、
前記第１−１変形部、前記第１−２変形部、前記第２−１変形部、及び前記第２−２変形部は、各傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第１−１変形部と前記第１傾動部との接続部位と、前記第１−２変形部と前記第１傾動部との接続部位とは、当該第１傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
前記第２−１変形部と前記第２傾動部との接続部位と、前記第２−２変形部と前記第２傾動部との接続部位とは、当該第２傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
前記第１−１変形部及び第１−２変形部のバネ定数と、前記第２−１変形部及び第２−２変形部のバネ定数とが、異なっており、
各変位体は、対応する前記第１傾動部に接続されているが各固定部から離間した第１変位部と、対応する第２傾動部に接続されているが各固定部から離間した第２変位部と、を有し、
前記検出回路は、各第１変位部の変位を計測する少なくとも４つの第１変位センサと、各第２変位部の変位を計測する少なくとも４つの第２変位センサと、を有し、
前記検出回路は、各第１変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第１電気信号を出力し、且つ、各第２変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第２電気信号を出力し、当該第１電気信号と当該第２電気信号との比率の変化に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定する。
このような力覚センサは、
前記第１変位部及び前記第２変位部に対向配置され、前記固定部に接続された支持体を更に備え、
各変位センサは、前記変位体の各変位部に配置された変位電極と、この変位電極に対向して前記支持体上に配置された固定電極と、を有する容量素子であって良い。
各第１変位部は、対応する前記第１傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する第１梁を有し、
各第２変位部は、対応する前記第２傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する第２梁を有して良い。
各第１梁には、第１−１計測部位が規定され、
各第２梁には、第２−１計測部位が規定され、
前記検出回路は、各第１−１計測部位の変位を計測する第１−１変位センサと、各第２−１計測部位の変位を計測する第２−１変位センサと、を有し、
前記検出回路は、各第１−１変位センサの検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、各第２−１変位センサの検出値に基づいて前記第２電気信号を出力して良い。
あるいは、各第１梁には、第１−１計測部位及び第１−２計測部位が規定され、
各第２梁には、第２−１計測部位及び第２−２計測部位が規定され、
前記検出回路は、各第１−１計測部位の変位を計測する第１−１変位センサ、各第１−２計測部位の変位を計測する第１−２変位センサ、各第２−１計測部位の変位を計測する第２−１変位センサ、及び、各第２−２計測部位の変位を計測する第２−２変位センサを有し、
前記検出回路は、各第１−１変位センサ及び各第１−２変位センサの各検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、各第２−１変位センサ及び各第２−２変位センサの各検出値に基づいて前記第２電気信号を出力して良い。
各第１変位部は、前記第１傾動部と前記第１梁とを接続する第１接続体を有し、
各第２変位部は、前記第２傾動部と前記第２梁とを接続する第２接続体を有し、
前記第１変位部の前記第１−１計測部位及び前記第１−２計測部位は、前記第１接続体と前記第１梁との接続部位に関して対称的に規定され、
前記第２変位部の前記第２−１計測部位及び前記第２−２計測部位は、前記第２接続体と前記第２梁との接続部位に関して対称的に規定され、
前記検出回路は、前記第１−１変位センサの検出値と前記第１−２変位センサの検出値との差に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第２−１変位センサの検出値と前記第２−２変位センサの検出値との差に基づいて前記第２電気信号を出力して良い。
前記検出回路は、力の検出が正常に行われているときの前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率を基準比率として記憶しており、
前記検出回路は、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、に基づいて力の検出が正常に行われているか否かを判定して良い。
以上の各力覚センサにおいて、前記受力部は、前記固定部に対する相対移動が所定の範囲内に制限されて良い。
あるいは、前記受力部は、前記固定部及び前記支持体の少なくとも一方に対する相対移動が所定の範囲内に制限されていて良い。
本発明の第５の態様による力覚センサは、
受力部と固定部とを有し、前記受力部に作用した力により弾性変形を生じる変形体と、
前記変形体に接続され、当該変形体に生じる弾性変形により変位を生じる変位体と、
前記変位体に生じる変位に基づいて、作用した力を検出する検出回路と、
前記固定部に接続された支持体と、を備え、
前記変形体は、
長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に配置された傾動部と、
前記受力部と前記傾動部とを接続する第１変形部と、
前記固定部と前記傾動部とを接続する第２変形部と、を有し、
各変形部は、前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在し、
前記第１変形部と前記傾動部との接続部位と、前記第２変形部と前記傾動部との接続部位とは、当該傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
前記変位体は、前記傾動部に接続されているが前記固定部から離間した変位部を有し、
前記受力部は、前記固定部及び前記支持体の少なくとも一方に対する相対移動が所定の範囲内に制限される。
以上の力覚センサは、前記固定部に接続された支持体を更に備え、
前記支持体と前記受力部との離間距離により、前記所定の範囲が画定されて良い。
以上の力覚センサは、前記変形体の前記固定部及び前記支持体の少なくとも一方に接続され、当該固定部及び当該支持体の少なくとも一方に対する前記受力部の相対移動を前記所定の範囲に制限するストッパを更に備えて良い。
前記受力部は、凹部または貫通孔を有し、
前記ストッパの少なくとも一部は、前記凹部または前記貫通孔の内部に位置して良い。
本発明の第１の実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略正面図である。 図１の概略上面図である。 受力部にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの基本構造の変形状態を示す概略正面図である。 受力部にＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの基本構造の変形状態を示す概略正面図である。 受力部にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの基本構造の変形状態を示す概略正面図である。 受力部にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの基本構造の変形状態を示す概略正面図である。 図１に示す基本構造を採用した力覚センサの例を示す概略正面図である。 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。 図７の力覚センサに力＋Ｆｘ及び−Ｆｚが作用した際の、各容量素子の静電容量値の変動を示す図表である。 本発明の第２の実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略正面図である。 受力部にＸ軸正方向の力＋Ｆｘ及びＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した際に、各計測部位に生じるＺ軸方向の変位を纏めて示す図表である。 図１０の基本構造を採用した力覚センサの例を示す概略正面図である。 図１２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。 図１２の力覚センサに力＋Ｆｘ及び−Ｆｚが作用した際の、各容量素子の静電容量値の変動を示す図表である。 図１２の力覚センサの変形体に金属疲労が生じていないときの、受力部に作用するＸ軸正方向の力＋Ｆｘと電気信号Ｔ１、Ｔ２との関係を示すグラフである。 図１２の力覚センサの変形体に金属疲労が生じているときの、受力部に作用するＸ軸正方向の力＋Ｆｘと電気信号Ｔ１、Ｔ２との関係を示すグラフである。 本発明の第３の実施の形態による力覚センサの基本構造を示す概略上面図である。 図１７のＹ軸正側から見た基本構造を示す概略正面図である。 図１７のＸ軸正側から見た基本構造を示す概略側面図である。 受力部にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときに、図１７の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。 受力部にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときに、図１７の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。 受力部にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、図１７の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。 受力部にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときに、図１７の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。 受力部にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときに、図１７の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。 受力部にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときに、図１７の基本構造の各変位体に生じる変位を説明するための図である。 受力部にＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力及び各軸方向のモーメントが作用したときに図１７の基本構造の各計測部位に生じる変位を一覧で示す図表である。 図１７に示す基本構造を採用した力覚センサの例を示す概略上面図である。 Ｙ軸正側から見たときの、図２７に示す力覚センサを示す概略正面図である。 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ときの、図２７に示す力覚センサの各容量素子の静電容量値の増減を一覧で示す図表である。 図２７に示す力覚センサについて、各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントの他軸感度を一覧で示す図表である。 本発明の第４の実施の形態による力覚センサを示す概略上面図である。 図３１に示す力覚センサに力及びモーメントの４つの成分が作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動を一覧で示す図表である。 図３１に示す力覚センサについて、各軸方向の力及び各軸まわりのモーメントの他軸感度を一覧で示す図表である。 図３１の変形例による力覚センサを示す概略上面図である。 本発明の第５の実施の形態による力覚センサを示す概略上面図である。 図３５に示す力覚センサに力及びモーメントの４つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｚが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動を一覧で示す図表である。 第５の実施の形態の変形例による力覚センサを示す概略上面図である。 本発明の第６の実施の形態による力覚センサを示す概略上面図である。 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ときの、図３８に示す力覚センサの各容量素子の静電容量値の増減を一覧で示す図表である。 図２７の変形例による力覚センサを示す概略上面図である。 図２７の更なる変形例による力覚センサを示す概略上面図である。 受力部にＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸方向のモーメントＦｘ〜Ｍｚが作用したときに、図４１の力覚センサの各傾動部に生じる傾動の向きと、各変位部に生じる変位とを、一覧で示す図表である。 過負荷を防止するためのストッパ機構を備えた基本構造を示す概略正面図である。 受力部に過大なＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの、図４３に示す基本構造の変形状態を示す概略正面図である。 他の例による過負荷を防止するためのストッパ機構を備えた基本構造を示す概略正面図である。 図４５の概略平面図である。 受力部に過大なＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの、図４５に示す基本構造の変形状態を示す概略正面図である。 受力部に過大なＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの、図４５に示す基本構造の変形状態を示す概略正面図である。 受力部に過大なＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの、図４５に示す基本構造の変形状態を示す概略正面図である。 受力部に過大なＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの、図４５に示す基本構造の変形状態を示す概略正面図である。 更に他の例による過負荷を防止するためのストッパ機構を備えた基本構造を示す概略正面図である。 図５１の概略平面図である。 受力部に過大なＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの、図５１に示す基本構造の変形状態を示す概略正面図である。 受力部に過大なＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの、図５１に示す基本構造の変形状態を示す概略正面図である。 受力部に過大なＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの、図５１に示す基本構造の変形状態を示す概略正面図である。 受力部に過大なＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの、図５１に示す基本構造の変形状態を示す概略正面図である。 図４３の変形例による基本構造を示す概略正面図である。 変位体が片持ち梁の構造を有する、図７の変形例による力覚センサの概略正面図である。 変位体が片持ち梁の構造を有する、図１２の変形例による力覚センサの概略正面図である。
＜＜＜ §１． 本発明の第１の実施の形態による力覚センサ ＞＞＞
＜ １−１． 基本構造の構成 ＞
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、本発明の一実施の形態による力覚センサの基本構造１００を示す概略正面図であり、図２は、その概略上面図である。ここでは、図１及び図２に示すようにＸＹＺ三次元座標系を定義して以下の説明を行うこととする。
図１及び図２に示すように、基本構造１００は、受力部１４と固定部１５とを有し、受力部１４に作用した力により弾性変形を生じる変形体１０と、変形体１０に接続され、当該変形体１０に生じる弾性変形により変位を生じる変位体２０と、を備えている。受力部１４は、検出対象となる力を受ける部位であり、固定部１５は、受力部１４に力が作用してもＸＹＺ三次元座標系において変位しない部位である。
本実施の形態において、図１及び図２に示すように、変形体１０は、Ｚ軸と平行な長手方向ｌを有し受力部１４と固定部１５との間に配置された傾動部１３と、受力部Ｐと傾動部１３とを接続する第１変形部１１と、固定部１５と傾動部１３とを接続する第２変形部１２と、を有している。図示されるように、第１変形部１１は、傾動部１３の一方の側（図１及び図２における左方）で長手方向ｌと交差する方向に延在している。一方、第２変形部１２は、傾動部１３の他方の側（図１及び図２における右方）で長手方向ｌと交差する方向に延在している。図示される例では、長手方向ｌと交差する方向とは、Ｘ軸方向である。
更に、第１変形部１１と傾動部１３との接続部位Ｒ１と、第２変形部１２と傾動部１３との接続部位Ｒ２とは、傾動部１３の長手方向ｌにおいて位置が異なっている。具体的には、接続部位Ｒ１は、傾動部１３のＺ軸負側の端部（図１における下端部）の近傍に位置しており、接続部位Ｒ２は、傾動部１３のＺ軸正側の端部（図１における上端部）の近傍に位置している。
図１及び図２に示すように、受力部１４及び固定部１５は、共にＺ軸と平行に延在している。受力部１４、傾動部１３及び固定部１５の各上端部は、Ｚ座標が互いに同一である。また、受力部１４及び傾動部１３の各下端部も、Ｚ座標が互いに同一である。そして、受力部１４の下端と傾動部１３の下端とが、Ｘ軸と平行に延在する第１変形部１１によって接続され、傾動部１３の上端と固定部１５の上端とが、Ｘ軸と平行に延在する第２変形部１２によって接続されている。更に、固定部１５は、その下端が、所定の間隔を空けて傾動部１３に対向配置された支持体５０に接続されている。
変位体２０は、図１及び図２に示すように、傾動部１３の下端に取り付けられた接続体２２を介して当該傾動部１３に接続された梁２１を有している。この梁２１は、傾動部１３の長手方向ｌと直交する方向に延在しており、Ｙ軸方向から見て、左右対称の形状を有している。梁２１は、変形体１０の固定部１５及び受力部１４から離間しており、当該梁２１の傾動（回動）が固定部１５及び受力部１４によって妨げられないようになっている。梁２１には、当該梁２１と接続体２２との接続部位に関して対称的に、第１計測部位Ｄ１及び第２計測部位Ｄ２が規定されている。後述されるように、これら第１計測部位Ｄ１及び第２計測部位Ｄ２にそれぞれ容量素子が配置され、受力部１４に作用した力が検出されることになる。
＜ １−２． 基本構造の作用 ＞
次に、以上のような基本構造１００の作用について説明する。
図３は、受力部１４にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの基本構造１００の変形状態を示す概略正面図であり、図４は、受力部１４にＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの基本構造１００の変形状態を示す概略正面図であり、図５は、受力部１４にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの基本構造１００の変形状態を示す概略正面図であり、図６は、受力部１４にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの基本構造１００の変形状態を示す概略正面図である。
（１−２−１．力＋Ｆｘが作用した場合）
受力部１４にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、傾動部１３の下端近傍の接続部位Ｒ１にはＸ軸正方向（図３における右方向）に力が作用し、傾動部１３の上端近傍の接続部位Ｒ２には、作用した力＋Ｆｘの反作用として、Ｘ軸負方向（図３における左方向）に力が作用する。これらの力の作用によって、図３に示すように、傾動部１３は、反時計回りに傾動する。更に、作用した力＋Ｆｘの作用によって、第１変形部１１及び第２変形部１２は共に圧縮変形されるため、傾動部１３は、全体として、わずかにＸ軸正方向に変位する。
このような傾動部１３の傾動によって、図３に示すように、傾動部１３の下端に接続された梁２１も反時計回りに傾動する。これにより、梁２１の第１計測部位Ｄ１は、支持体５０との間の離間距離が減少する方向（図３における下方）に変位し、第２計測部位Ｄ２は、支持体５０との間の離間距離が増大する方向（図３における上方）に変位する。
（１−２−２．力−Ｆｘが作用した場合）
次に、受力部１４にＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用すると、傾動部１３の下端近傍の接続部位Ｒ１にはＸ軸負方向（図４における左方向）に力が作用し、傾動部１３の上端近傍の接続部位Ｒ２には、作用した力−Ｆｘの反作用として、Ｘ軸正方向（図４における右方向）に力が作用する。これらの力の作用によって、図４に示すように、傾動部１３は、時計回りに傾動する。更に、作用した力−Ｆｘの作用によって、第１変形部１１及び第２変形部１２は共に引張変形されるため、傾動部１３は、全体として、わずかにＸ軸負方向に変位する。
このような傾動部１３の傾動によって、図４に示すように、傾動部１３の下端に接続された梁２１も、時計回りに傾動する。これにより、梁２１の第１計測部位Ｄ１は、支持体５０との間の離間距離が増大する方向（図４における上方）に変位し、第２計測部位Ｄ２は、支持体５０との間の離間距離が減少する方向（図４における下方）に変位する。
（１−２−３．力−Ｆｚが作用した場合）
次に、受力部１４にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、傾動部１３の左下端の接続部位Ｒ１にはＺ軸負方向（図５における下方向）に力が作用し、傾動部１３の右上端の接続部位Ｒ２には、作用した力−Ｆｚの反作用として、Ｚ軸正方向（図５における上方向）に力が作用する。これらの力の作用によって、図５に示すように、傾動部１３は、反時計回りに傾動する。更に、作用した力−Ｆｚの作用によって、第１変形部１１を介して傾動部１３がＺ軸負方向へ引き下げられるため、当該傾動部１３は、全体として、わずかにＺ軸負方向に変位する。
傾動部１３の傾動によって、図５に示すように、傾動部１３の下端に接続された梁２１も、反時計回りに傾動する。これにより、梁２１の第１計測部位Ｄ１は、支持体５０との間の離間距離が減少する方向（図５における下方）に変位し、第２計測部位Ｄ２は、支持体５０との間の離間距離が増大する方向（図５における上方）に変位する。
なお、梁２１の長さによっては、第２計測部位Ｄ２のＺ軸正方向への変位が梁２１全体のＺ軸負方向への変位よりも小さくなり、第２計測部位Ｄ２も、支持体５０との間の離間距離が減少する、ということも想定される。しかしながら、ここでは、梁２１は十分な長さを有しており、そのような状況は生じないものとする。
（１−２−４．力＋Ｆｚが作用した場合）
次に、受力部１４にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、傾動部１３の左下端の接続部位Ｒ１にはＺ軸正方向（図６における上方向）に力が作用し、傾動部１３の右上端の接続部位Ｒ２には、作用した力＋Ｆｚの反作用として、Ｚ軸負向（図６における下方向）に力が作用する。これらの力の作用によって、図６に示すように、傾動部１３は、時計回りに傾動する。もちろん、作用した力＋Ｆｚの作用によって、第１変形部１１を介して傾動部１３がＺ軸正方向へ引き上げられるため、当該傾動部１３は、全体として、わずかにＺ軸正方向に変位する。
このような傾動部１３の傾動によって、図６に示すように、傾動部１３の下端に接続された梁２１も、時計回りに傾動する。これにより、梁２１の第１計測部位Ｄ１は、支持体５０との間の離間距離が増大する方向（図６における上方）に変位し、第２計測部位Ｄ２は、支持体５０との間の離間距離が減少する方向（図６おける下方）に変位する。
なお、梁２１の長さによっては、第２計測部位Ｄ２のＺ軸負方向への変位が梁２１全体のＺ軸正方向への変位よりも小さくなり、第２計測部位Ｄ２も、支持体５０との間の離間距離が増大する、ということも想定される。しかしながら、ここでは、梁２１は十分な長さを有しており、そのような状況は生じないものとする。
以上のいずれの場合においても、第１計測部位Ｄ１及び第２計測部位Ｄ２に生じる変位は、傾動部１３の下端に生じる変位よりも大きい。すなわち、梁２１の存在によって、傾動部１３の下端部に生じる変位が、梁２１の各計測部位Ｄ１、Ｄ２においてＺ軸方向の変位として増幅されて取り出されることになる。
＜ １−３． 力覚センサの構成 ＞
次に、１−１、１−２において説明した基本構造１００を有する力覚センサ１００ｃの構成について説明する。
図７は、図１に示す基本構造１００を採用した力覚センサ１００ｃの例を示す概略正面図であり、図８は、本実施の形態の力覚センサ１００ｃに採用されている検出回路４０のブロック図である。
図７に示すように、力覚センサ１００ｃは、上述した基本構造１００と、基本構造１００の梁２１の第１計測部位Ｄ１及び第２計測部位Ｄ２に生じる変位に基づいて、作用した力を検出する検出回路４０と、を有している。本実施の形態の検出回路４０は、図７に示すように、第１計測部位Ｄ１に配置された第１−１容量素子Ｃ１１及び第１−２容量素子Ｃ１２と、第２計測部位Ｄ２に配置された第２−１容量素子Ｃ２１及び第２−２容量素子Ｃ２２と、容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２に接続され、当該容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動量に基づいて作用した力を計測し出力する機能を有している。図示されるように、第１−１容量素子Ｃ１１及び第２−１容量素子Ｃ２１は、梁２１と接続体２２との接続部位に関して対称的に配置されており、第１−２容量素子Ｃ１２及び第２−２容量素子Ｃ２２は、第１−１容量素子Ｃ１１と第２−１容量素子Ｃ２１との間に、当該接続部位に関して対称的に配置されている。
図７に示すように、第１−１容量素子Ｃ１１は、梁２１の第１計測部位Ｄ１に絶縁体を介して配置された第１−１変位電極Ｅｍ１１と、支持体５０上に絶縁体を介して第１−１変位電極Ｅｍ１１に対向して配置された第１−１固定電極Ｅｆ１１と、を有している。第１−２容量素子Ｃ１２は、梁２１の第１計測部位Ｄ１に、第１−１容量素子Ｃ１１に隣接して、絶縁体を介して配置された第１−２変位電極Ｅｍ１２と、支持体５０上に絶縁体を介して第１−２変位電極Ｅｍ１２に対向して配置された第１−２固定電極Ｅｆ１２と、を有している。なお、第１−１変位電極Ｅｍ１１及び第１−２変位電極Ｅｍ１２と、１−１固定電極Ｅｆ１１及び１−２固定電極Ｅｆ１２と、の一方が共通の電極で構成されていても良い。
更に、図７に示すように、第２−１容量素子Ｃ２１は、梁２１の第２計測部位Ｄ２に絶縁体を介して配置された第２−１変位電極Ｅｍ２１と、支持体５０上に絶縁体を介して第２−１変位電極Ｅｍ２１に対向して配置された第２−１固定電極Ｅｆ２１と、を有している。第２−２容量素子Ｃ２２は、梁２１の第２計測部位Ｄ２に、第２−１容量素子Ｃ２１に隣接して、絶縁体を介して配置された第２−２変位電極Ｅｍ２２と、支持体５０上に絶縁体を介して第２−２変位電極Ｅｍ２２に対向して配置された第２−２固定電極Ｅｆ２２と、を有している。なお、第２−１変位電極Ｅｍ２１及び第２−２変位電極Ｅｍ２２と、２−１固定電極Ｅｆ２１及び２−２固定電極Ｅｆ２２と、の一方が共通の電極で構成されていても良い。
また、図８に示すように、検出回路４０は、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値に対応する電気信号、をそれぞれ対応する電圧値に変換するＣ／Ｖ変換器４２と、Ｃ／Ｖ変換器４２から提供される電圧値に基づいて力覚センサ１００ｃに作用している力Ｆｘ、Ｆｚを算出するマイコン４４と、を有している。マイコン４４は、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の特性（面積、極板間距離、配置されている位置など）に基づいて、Ｃ／Ｖ変換器４２から提供される電圧値を補正する補正回路、Ｃ／Ｖ変換器４２から提供される電圧値に所定の差分演算を行い、力Ｆｘ、Ｆｚに対応する複数の電気信号（後述されるＦｘ１〜Ｆｘ３、Ｆｚ１〜Ｆｚ３に対応する電気信号）を生成する生成回路、これらの電気信号を互いに比較する比較回路、及び、比較回路による比較結果に基づいて力覚センサ１００ｃが正常に機能しているか否かを診断する診断回路、を有している。
容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２は、図７には明確には図示されていないが、所定の回路によってＣ／Ｖ変換器４２に接続されており、このＣ／Ｖ変換器４２に接続されたマイコン４４によって、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動量に基づき作用した力が計測されるようになっている。
＜ １−４． 力覚センサの作用 ＞
次に、１−３．で説明した力覚センサ１００ｃの作用について説明する。図９は、力覚センサ１００ｃに力Ｆｘ及びＦｚが作用した際の、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動を示す図表である。この図表において、「＋」は、静電容量値が増大することを示しており、「＋＋」は、静電容量値が大きく増大することを示している。また、「−」は、静電容量値が減少することを示しており、「−−」は、静電容量値が大きく減少することを示している。
（１−４−１．力Ｆｘが作用した場合）
力覚センサ１００ｃの受力部１４にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、１−２．において図３を参照して説明した梁２１の挙動から理解されるように、第１−１容量素子Ｃ１１及び第１−２容量素子Ｃ１２においては、変位電極Ｅｍ１１、Ｅｍ１２と対応する固定電極Ｅｆ１１、Ｅｆ１２との離間距離がそれぞれ減少する。一方、第２−１容量素子Ｃ２１及び第２−２容量素子Ｃ２２においては、変位電極Ｅｍ２１、Ｅｍ２２と対応する固定電極Ｅｆ２１、Ｅｆ２２との離間距離がそれぞれ増大する。したがって、第１−１容量素子Ｃ１１及び第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値は増大し、第２−１容量素子Ｃ２１及び第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値は減少する。また、傾動部１３と梁２１との接続部位から、すなわち梁２１の傾動の中心から、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２までの距離を考慮すると、第１−１容量素子Ｃ１１及び第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値の変動量は、第１−２容量素子Ｃ１２及び第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値の変動量よりも大きい。以上の結果は、図９のＦｚの欄に纏めて示してある。
また、本実施の形態では、第１−１容量素子Ｃ１１と第２−１容量素子Ｃ２１とが梁２１の傾動の中心から互いに等距離に配置され、第１−２容量素子Ｃ１２と第２−２容量素子Ｃ２２とが梁２１の傾動の中心から互いに等距離に配置されている。このため、第１−１容量素子Ｃ１１の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ１１｜）と、第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ２１｜）とが、互いに等しい。更に、第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ１２｜）と、第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値の変動の大きさ（｜ΔＣ２２｜）とが、互いに等しい。このため、｜ΔＣ１１｜＝｜ΔＣ２１｜＝ΔＣ１、｜ΔＣ１２｜＝｜ΔＣ２２｜＝ΔＣ２とすると、力＋Ｆｘが作用したときの第１−１〜第２−２容量素子Ｃ１１〜Ｃ１１〜Ｃ２２各静電容量値Ｃ１１ａ〜Ｃ２２ａは、次の［式１］で表される。［式１］において、Ｃ１１〜Ｃ２２は、力が作用していないときの各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値をそれぞれ示している。なお、このような表記方法は、後続する各式において同様である。
［式１］
Ｃ１１ａ＝Ｃ１１＋ΔＣ１
Ｃ１２ａ＝Ｃ１２＋ΔＣ２
Ｃ２１ａ＝Ｃ２１−ΔＣ１
Ｃ２２ａ＝Ｃ２２−ΔＣ２
このような静電容量値の変動に基づいて、マイコン４４は、作用した力＋Ｆｘを次の［式２］に示す＋Ｆｘ１〜＋Ｆｘ３のいずれかにより計測する。末尾の数字「１」〜「３」は、＋Ｆｘの値がいずれの容量素子に基づいて計測されたかを区別するための符号である。もちろん、力覚センサ１００ｃが正常に機能しているならば、＋Ｆｘ１〜＋Ｆｘ３は実質的に等しい値となる。また、［式２］において、力と静電容量値とが「＝」で結ばれているが、これらは互いに異なる物理量であるため、実際には所定の変換がなされた上で力＋Ｆｘが計測される。この表記法については、［式２］に限らず、これ以降の各式において共通している。
［式２］
＋Ｆｘ１＝Ｃ１１−Ｃ２１
＋Ｆｘ２＝Ｃ１２−Ｃ２２
＋Ｆｘ３＝＝Ｆｘ１＋Ｆｘ２＝（Ｃ１１＋Ｃ１２）−（Ｃ２１＋Ｃ２２）
なお、力覚センサ１００ｃの受力部１４にＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合は、１−２．において図４を参照して説明した梁２１の挙動から理解されるように、第１−１容量素子Ｃ１１及び第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値は減少し、第２−１容量素子Ｃ２１及び第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値は増大する。このため、作用した力−Ｆｘを計測するには［式２］において符号を全て逆にすればよい。結局、Ｘ軸方向の力Ｆｘの向きが正であれ負であれ、［式２］と同じ式で力Ｆｘを計測することができる。
力Ｆｘを計測するに当たっては、Ｓ／Ｎの観点から、傾動部１３の長手方向ｌから遠位にあり静電容量値の変動量が相対的に大きい容量素子Ｃ１１、Ｃ２１に基づくＦｘ１の式、または、全ての容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２に基づくＦｘ３の式、を用いることが好ましい。
（１−４−２．力Ｆｚが作用した場合）
次に、力覚センサ１００ｃの受力部１４にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、１−２において図５を参照して説明した梁２１の挙動から理解されるように、第１−１容量素子Ｃ１１及び第１−２容量素子Ｃ１２においては、変位電極Ｅｍ１１、Ｅｍ１２と対応する固定電極Ｅｆ１１、Ｅｆ１２との離間距離がそれぞれ減少し、第２−１容量素子Ｃ２１及び第２−２容量素子Ｃ２２においては、変位電極Ｅｍ２１、Ｅｍ２２と対応する固定電極Ｅｆ２１、Ｅｆ２２との離間距離がそれぞれ増大する。したがって、第１−１容量素子Ｃ１１及び第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値は増大し、第２−１容量素子Ｃ２１及び第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値は減少する。また、力Ｆｘが作用した場合と同様に、第１−１容量素子Ｃ１１及び第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値の変動量は、第１−２容量素子Ｃ１２及び第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値の変動量よりも大きい。以上の結果は、図９のＦｚの欄に纏めて示してある。
より詳細には、力−Ｆｚが作用したときに第１計測部位Ｄ１に生じる変位は、前述した傾動部１３の全体的なＺ軸負方向への変位と、梁２１の傾動によるＺ軸負方向への変位と、の和であり、第２計測部位Ｄ２に生じる変位は、傾動部１３の当該変位と、梁２１の傾動によるＺ軸正方向への変位と、の和である。つまり、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動についてより正確に記述すれば、第１−１容量素子Ｃ１１及び第１−２容量素子Ｃ１２においては、梁２１の傾動により第１計測部位Ｄ１に生じる変位に傾動部１３の全体的なＺ軸負方向への変位が加わるため、変位電極Ｅｍ１１、Ｅｍ１２と固定電極Ｅｆ１１、Ｅｆ１２との離間距離はそれぞれ大きく減少する。一方、第２−１容量素子Ｃ２１及び第２−２容量素子Ｃ２２においては、梁２１の傾動により第２計測部位Ｄ２に生じる変位が傾動部１３の全体的なＺ軸負方向への変位によって相殺されるため、変位電極Ｅｍ２１、Ｅｍ２２と固定電極Ｅｆ２１、Ｅｆ２２との離間距離はそれぞれ僅かに増大する。
但し、ここでは、簡単のため梁２１の長さが十分に大きいものとしているため、傾動部１３の全体的なＺ軸方向への変位を無視して考えることができる。このため、マイコン４４は、作用した力−Ｆｚを次の［式３］により計測する。
［式３］
−Ｆｚ１＝Ｃ１１−Ｃ２１
−Ｆｚ２＝Ｃ１２−Ｃ２２
−Ｆｚ３＝（−Ｆｚ１）＋（−Ｆｚ２）＝（Ｃ１１＋Ｃ１２）−（Ｃ２１＋Ｃ２２）
なお、力覚センサ１００ｃの受力部１４にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した場合は、１−２．において図６を参照して説明した梁２１の挙動から理解されるように、第１−１容量素子Ｃ１１及び第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値は減少し、第２−１容量素子Ｃ２１及び第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値は増大する。このため、作用した力＋Ｆｚを計測するには［式３］において符号を全て逆にすればよい。結局、Ｚ軸方向の力Ｆｚの向きが正であれ負であれ、［式３］と同じ式で力Ｆｚを計測することができる。
ここで、［式２］と［式３］とを比較すると、＋Ｆｘと−Ｆｚの右辺が同一であることが分かる。したがって、本実施の形態による力覚センサ１００ｃは、作用した力が＋Ｆｘであるのか−Ｆｚであるのかを識別することができない。すなわち、力覚センサ１００ｃは、作用した力の方向を識別することができない。このため、力覚センサ１００ｃは、作用する力がＸ軸方向またはＺ軸方向の一方向のみに限定されている環境において好適に利用され得る。
力Ｆｚを計測するに当たっては、Ｓ／Ｎの観点から、傾動部１３の長手方向ｌから遠位にあり静電容量値の変動量が相対的に大きい容量素子Ｃ１１、Ｃ２１に基づくＦｚ１の式、または、全ての容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２に基づくＦｚ３の式、を用いることが好ましい。
＜ １−５． 故障診断 ＞
本実施の形態の検出回路４０は、力覚センサ１００ｃが正常に機能しているか否かを判定する機能を有している。ここでは、この故障診断の機能について説明を行う。
本実施の形態の検出回路４０のマイコン４４は、第１−１容量素子Ｃ１１の静電容量値の変動量と第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値の変動量との差に基づく第１電気信号Ｔ１と、第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値の変動量と第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値の変動量との差に基づく第２電気信号Ｔ２と、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との和である合算電気信号Ｔ３を出力するようになっている。すなわち、第１電気信号Ｔ１は、上述した力Ｆｘ１及びＦｚ１を示す電気信号であり、第２電気信号Ｔ２は、上述したＦｘ２及びＦｚ２を示す電気信号であり、合算電気信号は、上述した力Ｆｘ３及びＦｚ３を示す電気信号である。第１電気信号Ｔ１、第２電気信号Ｔ２及び合算電気信号Ｔ３を書き下すと、次の［式４］の通りである。
［式４］
Ｔ１＝Ｃ１１−Ｃ２１
Ｔ２＝Ｃ１２−Ｃ２２
Ｔ３＝Ｔ１＋Ｔ２＝（Ｃ１１＋Ｃ１２）−（Ｃ２１＋Ｃ２２）
ところで、図９に示すように、第１−１容量素子Ｃ１１及び第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値の変動量は、第１−２容量素子Ｃ１２及び第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値の変動量よりも大きい。このため、例えばマイコン４４の補正回路によって、第２電気信号Ｔ２に所定の補正係数ｋを乗じることによって、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２の出力レベルを揃えることができる。
そして、マイコン４４に含まれる比較回路がこれら２つの電気信号Ｔ１、ｋ・Ｔ２を比較する。この比較は、差各信号Ｔ１、ｋ・Ｔ２の差（例：Ｔ１−ｋ・Ｔ２）、あるいは、各信号Ｔ１、ｋ・Ｔ２の比（例：Ｔ１／（ｋ・Ｔ２））に基づいて行われる。そして、２つの電気信号Ｔ１、ｋ・Ｔ２の比較の結果、Ｔ１とｋ・Ｔ２との差または比が所定の範囲に含まれていれば、マイコン４４の診断回路は、力覚センサ１００ｃが正常に機能していると判定する。一方、Ｔ１とｋ・Ｔ２との差または比が所定の範囲に含まれていなければ、マイコン４４の診断回路は、力覚センサ１００ｃが正常に機能していない（故障している）と判定し、その判定結果を故障診断信号として出力する。このような検出回路４０を有していれば、容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２を構成する電極の破損、短絡、異物の混入などの異常を単一の力覚センサ１００ｃによって検知することができる。
もちろん、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動量をＡＤ変換し、マイコン４４によって各静電容量値を比較することによって、力覚センサ１００ｃの故障を診断しても良い。
以上のような本実施の形態によれば、第１−１容量素子Ｃ１１及び第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値の変動量に基づく第１電気信号Ｔ１と、第１−２容量素子Ｃ１２及び第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値の変動量に基づく第２電気信号Ｔ２と、を比較することにより、力覚センサ１００ｃの故障を診断することができる。もちろん、これに代えて上述した合算電気信号Ｔ３と、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２の一方と、を比較しても、力覚センサ１００ｃの故障を診断することができる。更に、力覚センサ１００ｃにおいては、傾動部１３の傾動によって各計測部位Ｄ１、Ｄ２が変位することにより、傾動部１３に生じる傾動を効果的に増幅させることができる。以上のことから、本実施の形態によれば、低価格且つ高感度でありながら、単一の力覚センサ１００ｃによってそれ自身の故障診断が可能である、という力覚センサ１００ｃを提供することができる。
また、本実施の形態によれば、［式２］及び［式３］に示すように、検出回路４０が静電容量値の差分によって作用した力Ｆｘ、Ｆｚを計測するため、使用環境の温度変化や同相ノイズの影響を受けにくい力覚センサ１００ｃを提供することができる。
また、変位体２０の第１計測部位Ｄ１及び第２計測部位Ｄ２は、梁２１に接続体２２と梁２１との接続部位に関して対称的に配置されている。このため、第１計測部位Ｄ１に生じる変位と第２計測部位Ｄ２に生じる変位とが、同じ大きさで互いに異符号となるため、作用した力が簡易な演算によって検出され得る。
また、検出回路４０は、第１電気信号Ｔ１または合算電気信号Ｔ３に基づいて、作用した力を検出するため、Ｓ／Ｎに優れた力の検出が可能である。
＜ １−６． 変形例 ＞
なお、以上の力覚センサ１００ｃは、変位体２０が両持ち梁の構造を有していたが、これに代えて片持ち梁の構造を有していても良い。そのような例が図５８に示されている。図５８は、変位体２０が片持ち梁の構造を有する、図７の変形例による力覚センサ１０５ｃの概略正面図である。図５８に示す例では、変位体２０ｐが、上述した力覚センサ１００ｃの梁２１のうち、第２計測部位Ｄ２が規定されている側の部分が欠落した片持ち梁の構造（符号２１ｐ）を有している。この他の構成は、図７に示す力覚センサ１００ｃと同じであるため、図５８において、力覚センサ１００ｃと共通する構成に図７と同じ符号を付し、ここではその詳細な説明を省略する。
このような力覚センサ１０５ｃでは、上述した［式２］〜［式４］においてＣ２１＝Ｃ２２＝０とすることにより、力覚センサ１０５ｃに作用した力を検出でき、更には、力覚センサ１０５ｃの故障診断を行うことが可能である。但し、図５８に示す力覚センサ１０５ｃは、作用した力Ｆｘ、Ｆｚを容量素子の静電容量値の差によって検出することができない。このため、力覚センサ１０５ｃは、使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。
＜＜＜ §２． 本発明の第２の実施の形態による力覚センサ ＞＞＞
＜ ２−１． 基本構造の構成 ＞
図１０は、本発明の第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃの基本構造２００を示す概略正面図である。ここでも、図１と同様にＸＹＺ三次元座標系を定義して以下の説明を行う。
図１０に示すように、本実施の形態の基本構造２００は、受力部２１４と固定部２１５とを有し、受力部２１４に作用した力により弾性変形を生じる変形体２１０を備えている。変形体２１０は、長手方向ｌａ、ｌｂを有し、受力部２１４と固定部２１５との間に受力部２１４から固定部２１５に向かって順次配置された第１傾動部２１３ａ及び第２傾動部２１３ｂと、第１傾動部２１３ａと前記第２傾動部２１３ｂとの間に配置された力伝達部２１６と、を有している。そして、受力部２１４と第１傾動部２１３ａとは、第１−１変形部２１１ａによって接続されており、力伝達部２１６と第１傾動部２１３ａは、第１−２変形部２１２ａによって接続されている。更に、力伝達部２１６と第２傾動部２１３ｂとは、第２−１変形部２１１ｂによって接続されており、固定部２１５と第２傾動部２１３ｂとは、第２−２変形部２１２ｂによって接続されている。
各変形部２１１ａ〜２１２ｂは、それぞれ、各傾動部２１３ａ、２１３ｂの長手方向ｌａ、ｌｂと交差する方向に延在し、第１−１変形部２１１ａと第１傾動部２１３ａとの接続部位Ｒ１ａと、第１−２変形部２１２ａと第１傾動部２１３ａとの接続部位Ｒ２ａとは、第１傾動部２１３ａの長手方向ｌａにおいて位置が異なっている。更に、第２−１変形部２１１ｂと第２傾動部２１３ｂとの接続部位Ｒ１ｂと、第２−２変形部２１２ｂと第２傾動部２１３ｂの接続部位Ｒ２ｂとは、当該第２傾動部２１３ｂの長手方向ｌｂにおいて位置が異なっている。
また、変形体２１０は、第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａのバネ定数と、第２−１変形部２１１ｂ及び第２−２変形部２１２ｂのバネ定数とが、異なっている。本実施の形態では、図１０に示すように、第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａが、第２−１変形部２１１ｂ及び第２−２変形部２１２ｂよりも薄く形成されている。これにより、第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａのバネ定数が、第２−１変形部２１１ｂ及び第２−２変形部２１２ｂのバネ定数よりも小さくなっている。
図１０に示すように、変位体２２０ａ、２２０ｂは、固定部２１５から離間し第１傾動部２１３ａの傾動により変位する第１変位部と、固定部２１５から離間し第２傾動部２１３ｂの傾動により変位する第２変位部と、を有している。本実施の形態では、第１変位部は、第１傾動部２１３ａの長手方向ｌａと交差する方向に延在する第１梁２２１ａとして構成され、第２変位部は、第２傾動部２１３ｂの長手方向ｌｂと交差する方向に延在する第２梁２２１ｂとして構成されている。そして、図１０に示すように、第１梁２２１ａには第１−１計測部位Ｄ１１及び第１−２計測部位Ｄ１２が規定され、第２梁２２１ｂには、第２−１計測部位Ｄ２１及び第２−２計測部位Ｄ２２が規定されている。
具体的には、第１変位体２２０ａは、変形体２１０の第１傾動部２１３ａと第１梁２２１ａとを接続する第１接続体２２２ａを有し、第２変位体２２０ｂは、変形体２１０の第２傾動部２１３ｂと第２梁２２１ｂとを接続する第２接続体２２２ｂを有している。そして、第１梁２２１ａの第１−１計測部位Ｄ１１及び第１−２計測部位Ｄ１２は、第１接続体２２２ａと第１梁２２１ａとの接続部位に関して対称的に配置されている。更に、第２梁２２１ｂの第２−１計測部位Ｄ１２及び第２−２計測部位Ｄ２２は、第２接続体２２２ｂと第２梁２２１ｂとの接続部位に関して対称的に配置されている。後述されるように、これらの計測部位Ｄ１１〜Ｄ２２に変位センサが配置され、この変位センサを用いて受力部２１４に作用した力が検出されることになる。
別言すると、本実施の形態の基本構造２００は、図１に示す基本構造１００を２つ用意し、一方の基本構造１００の固定部１５と他方の基本構造１００の受力部１４とが重なるようにして直列に配置した構造を有している。
＜ ２−２． 基本構造の作用 ＞
次に、図１０に示す基本構造２００の作用について説明する。
受力部２１４にＸ軸方向の力Ｆｘが作用すると、この力Ｆｘは、第１−１変形部２１１ａ、第１傾動部２１３ａ及び第１−２変形部２１２ａを介して力伝達部２１６に伝達される。すなわち、力伝達部２１６にも、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用する。また、受力部２１４にＺ軸方向の力Ｆｚが作用すると、この力Ｆｚは、同様にして力伝達部２１６に伝達される。すなわち、力伝達部２１６にも、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用する。
このため、受力部２１４にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した際に第１−１計測部位Ｄ１１及び第２−１計測部位Ｄ１２に生じるＺ軸方向の変位は、第１の実施の形態の受力部１４にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した際に第１計測部位Ｄ１及び第２計測部位Ｄ２に生じるＺ軸方向の変位と、それぞれ同じ方向である。このことは、第２−１計測部位Ｄ２１及び第２−２計測部位Ｄ２２に生じるＺ軸方向の変位についても成立する。但し、前述したように第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａのバネ定数が第２−１変形部２１１ｂ及び第２−２変形部２１２ｂのバネ定数よりも小さいため、第１−１計測部位Ｄ１１及び第２−１計測部位Ｄ１２に生じるＺ軸方向の変位は、第２−１計測部位Ｄ２１及び第２−２計測部位Ｄ２２に生じるＺ軸方向の変位より大きい。
更に、受力部２１４にＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した際に第１−１計測部位Ｄ１１及び第２−１計測部位Ｄ１２に生じるＺ軸方向の変位は、第１の実施の形態の受力部１４にＺ軸負方向の力−Ｆｘが作用した際に第１計測部位Ｄ１及び第２計測部位Ｄ２に生じるＺ軸方向の変位と、それぞれ同じ方向である。このことは、第２−１計測部位Ｄ２１及び第２−２計測部位Ｄ２２に生じるＺ軸方向の変位についても成立する。なお、図１０から理解されるように、受力部２１４にＺ軸方向の力Ｆｚが作用した際に、第１傾動部２１３ａは、第１−２変形部２１２ａ、第２−１変形部２１１ｂ及び第２−２変形部２１２ｂにそれぞれ生じる撓み変形によってＺ軸方向に変位する。一方、第１の実施の形態では、受力部１４にＺ軸方向の力Ｆｚが作用した際に、傾動部１３は、第２変形部１２に生じる撓み変形によってのみ、Ｚ軸方向に変位する。したがって、本実施の形態による基本構造２００では、受力部２１４にＺ軸方向の力Ｆｚが作用した際に、第１傾動部２１３ａのＺ軸方向への変位が第１−１計測部位Ｄ１１及び第２−１計測部位Ｄ１２のＺ軸方向への変位に与える影響は、第１の実施の形態より大きい。但し、ここでも、簡単のため各梁２２１ａ、２２１ｂが十分に長く、各傾動部１３ａ、２１３ｂの全体的なＺ軸方向への変位を無視して考えることとする。
以上の考察の結果は、図１１に纏めて示されている。図１１は、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘ及びＺ軸負方向の力−Ｆｚが受力部２１４に作用したときに、各計測部位Ｄ１１〜Ｄ２２に生じるＺ軸方向の変位を纏めて示す図表である。図１１において、「＋」は、Ｚ軸正方向に変位することを示しており、「＋＋」は、Ｚ軸方向に大きく変位することを示している。また、「−」は、Ｚ軸負方向に変位することを示しており、「−−」は、Ｚ軸負方向に大きく変位することを示している。なお、作用する力の向きが逆になった場合には、それぞれの正負が逆になる。
＜ ２−３． 力覚センサの構成 ＞
次に、１−２、１−３において説明した基本構造２００を有する力覚センサ２００ｃの構成について説明する。図１２は、図１０の基本構造２００を採用した力覚センサ２００ｃの例を示す概略正面図であり、図１３は図１２の力覚センサ２００ｃに採用されている検出回路２４０のブロック図である。
図１２に示すように、力覚センサ２００ｃは、上述した基本構造２００と、基本構造２００の各梁２２１ａ、２２１ｂに規定された４つの計測部位Ｄ１１〜Ｄ２２に生じるそれぞれの変位に基づいて、作用した力を検出する検出回路２４０と、を有している。本実施の形態の検出回路２４０は、図１２に示すように、変位センサとして、第１−１計測部位Ｄ１１に配置された第１−１容量素子Ｃ１１、第１−２計測部位Ｄ１２に配置された第１−２容量素子Ｃ１２、第２−１計測部位Ｄ２１に配置された第２−１容量素子Ｃ２１、及び、第２−２計測部位Ｄ２２に配置された第２−２容量素子Ｃ２２を有している。
更に、検出回路２４０は、後述されるように、容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２に接続され、当該容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を計測し出力する機能を有している。図示されるように、第１−１容量素子Ｃ１１及び第１−２容量素子Ｃ１２は、第１梁２２１ａと第１接続体２２２ａとの接続部位に関して対称的に配置されており、第２−１容量素子Ｃ２１及び第２−２容量素子Ｃ２２は、第２梁２２１ｂと第２接続体２２２ｂとの接続部位に関して対称的に配置されている。
図１２に示すように、第１−１容量素子Ｃ１１は、第１梁２２１ａの第１−１計測部位Ｄ１１に絶縁体を介して配置された第１−１変位電極Ｅｍ１１と、支持体２５０上に絶縁体を介して第１−１変位電極Ｅｍ１１に対向して配置された第１−１固定電極Ｅｆ１１と、を有している。第１−２容量素子Ｃ１２は、第１梁２２１ａの第１−２計測部位Ｄ１２に絶縁体を介して配置された第１−２変位電極Ｅｍ１２と、支持体２５０上に絶縁体を介して第１−２変位電極Ｅｍ１２に対向して配置された第１−２固定電極Ｅｆ１２と、を有している。なお、第１−１変位電極Ｅｍ１１及び第１−２変位電極Ｅｍ１２と、１−１固定電極Ｅｆ１１及び１−２固定電極Ｅｆ１２と、の一方が共通の電極で構成されていても良い。
更に、図１２に示すように、第２−１容量素子Ｃ２１は、第２梁２２１ｂの第２−１計測部位Ｄ２１に絶縁体を介して配置された第２−１変位電極Ｅｍ２１と、支持体２５０上に絶縁体を介して第２−１変位電極Ｅｍ２１に対向して配置された第２−１固定電極Ｅｆ２１と、を有している。第２−２容量素子Ｃ２２は、第２梁２２１ｂの第２−２計測部位Ｄ２２に絶縁体を介して配置された第２−２変位電極Ｅｍ２２と、支持体２５０上に絶縁体を介して第２−２変位電極Ｅｍ２２に対向して配置された第２−２固定電極Ｅｆ２２と、を有している。なお、第２−１変位電極Ｅｍ２１及び第２−２変位電極Ｅ２２と、２−１固定電極Ｅｆ２１及び２−２固定電極Ｅｆ２２と、の一方が共通の電極で構成されていても良い。
また、図１３に示すように、検出回路２４０は、第１の実施の形態の検出回路４０と同様に、Ｃ／Ｖ変換器４２及びマイコン４４を有している。但し、本実施の形態のマイコン４４は、力の検出が正常に行われているときの第１−１容量素子Ｃ１１及び第１−２容量素子Ｃ１２の静電容量値の差である第１電気信号Ｔ１（＝Ｃ１１−Ｃ１２）と、第２−１容量素子Ｃ２１及び第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値の差である第２電気信号Ｔ２（＝Ｃ２１−Ｃ２２）と、の比率を基準比率Ｒｓとして記憶する記憶回路を有している点で、第１の実施の形態と異なる。
容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２は、図１２には明確には図示されていないが、所定の回路によってＣ／Ｖ変換器４２に接続されており、このＣ／Ｖ変換器４２に接続されたマイコン４４によって、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動量に基づき作用した力が計測されるようになっている。
＜ ２−４． 力覚センサの作用 ＞
次に、図１４は、図１２の力覚センサ２００ｃに力＋Ｆｘ及び−Ｆｚが作用した際の、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動を示す図表である。図１４に示された各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動は、図１１の図表から明らかである。なお、図１４において、「＋」は、静電容量値が増大することを示しており、「＋＋」は、静電容量値が大きく増大することを示している。また、「−」は、静電容量値が減少することを示しており、「−−」は、静電容量値が大きく減少することを示している。
力覚センサ２００の受力部２１４に力＋Ｆｘ、−Ｆｚが作用した際の各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の静電容量値の変動の符号（増大か減少か）について見ると、第１の実施の形態による力覚センサ１００ｃの受力部１４に力＋Ｆｘ、−Ｆｚが作用した際の各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の符号と同じである（図９参照）。もちろん、逆向きの力−Ｆｘ、＋Ｆｚが作用した場合についても、同様のことが成り立つ。このため、力覚センサ２００ｃに作用した力＋Ｆｘ、−Ｆｚは、上述した［式２］及び［式３］によって、それぞれ算出され得る。
なお、力Ｆｘ、Ｆｚを計測するに当たっては、Ｓ／Ｎの観点から、静電容量値が相対的に大きく変動する容量素子Ｃ１１、Ｃ２１に基づく第１電気信号Ｔ１（［式４参照］）、または、全ての容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２に基づく合算電気信号Ｔ３（［式４参照］）、を用いることが好ましい。
＜ ２−５． 故障診断 ＞
本実施の形態の検出回路２４０は、力覚センサ２００ｃが正常に機能しているか否かを判定する機能を有している。ここでは、この故障診断の機能について説明を行う。
力覚センサ２００ｃの受力部２１４に力Ｆｘ、Ｆｚが繰り返し作用すると、変形体２１０に金属疲労が生じる。金属疲労は、力Ｆｘ、Ｆｚによる弾性変形が相対的に大きい第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａで顕著に発現する。この金属疲労が蓄積されると、第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１１ｂの強度が低下し、最終的に変形体２１０が破断することになる。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。このため、第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａのバネ定数が小さくなる。すなわち、本実施の形態の変形部２１０では、第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａに金属疲労が蓄積すると、当該変形部２１１ａ、２１２ａ力Ｆｘ、Ｆｚによって大きく変形されるようになる。このため、第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａの影響を受ける第１−１容量素子Ｃ１１及び第１−２容量素子Ｃ１２によって与えられる第１電気信号Ｔ１の感度が上昇する。
もちろん、金属疲労は、第２−１変形部２１１ｂ及び第２−２変形部２１２ｂにも発現する。しかしながら、第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａのバネ定数と、第２−１変形部２１１ｂ及び第２−２変形部２１２ｂのバネ定数と、の相違から、第２−１変形部２１１ｂ及び第２−２変形部２１２ｂに生じる金属疲労は、第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａより小さいと考えられる。
ここで、図１５は、図１２の力覚センサ２００ｃの変形体２１０に金属疲労が生じていないときの、受力部２１４に作用するＸ軸正方向の力＋Ｆｘと電気信号Ｔ１、Ｔ２との関係を示すグラフである。図１５において、符号Ｔ１ａは、第１電気信号Ｔ１のグラフを示し、符号Ｔ２ａは、第２電気信号Ｔ２のグラフを示している。したがって、各図において、電気信号Ｔ１ａ、Ｔ２ａを示す直線の傾きは、力覚センサ２００ｃの検出感度を示すことになる。各グラフの傾き（感度）の相違は、第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａのバネ定数と、第２−１変形部２１１ｂ及び第２−２変形部２１２ｂのバネ定数と、の相違に起因している。
図１５に示すように、力覚センサ２００ｃの変形体２１０に金属疲労が生じていないとき、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２は、力＋Ｆｘに比例する。第１電気信号Ｔ１を示すグラフの傾きｍ１ａは２であり、第２電気信号Ｔ２を示すグラフの傾きｍ２ａは０．５である。すなわち、傾きの比（ｍ１ａ／ｍ２ａ）は、４である。この値が、基準比率Ｒｓ（＝Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）である。
次に、図１６は、図１２の力覚センサ２００ｃの変形体２１０に金属疲労が生じているときの、受力部２１４に作用するＸ軸正方向の力＋Ｆｘと電気信号Ｔ１、Ｔ２との関係を示すグラフである。図１６において、符号Ｔ１ｂは、第１電気信号Ｔ１のグラフを示し、符号Ｔ２ｂは、第２電気信号Ｔ２のグラフを示している。
図１６に示すように、力覚センサ２００ｃの変形体２１０に金属疲労が生じると、第１電気信号Ｔ１を示すグラフの傾きｍ１ｂは３に増大し（感度が５０％増大し）、第２電気信号Ｔ２を示すグラフの傾きｍ２ｂは０．６に増大した（感度が２０％増大した）。したがって、確かに、第２−１変形部２１１ｂ及び第２−２変形部２１２ｂに生じる金属疲労は、第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａよりも小さい。図１６において、各グラフの傾きの比（ｍ１ｂ／ｍ２ｂ）は、５である。
ここで着目すべきは、第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａと第２−１変形部２１１ｂ及び第２−２変形部２１２ｂ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、金属疲労が発現する前には、第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａとの比（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ＝基準比率Ｒｓ）は、４であるのに対し、金属疲労が発現した後では、第１電気信号Ｔ１ｂと第２電気信号Ｔ２ｂとの比率（Ｔ１ｂ／Ｔ２ｂ）は、５に上昇しているということである。本実施の形態では、このことを利用して力覚センサ２００ｃの故障診断を行う。
換言すれば、第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａと第２−１変形部２１１ｂ及び第２−２変形部２１２ｂとで金属疲労の蓄積及び発現の特性が異なるため、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２００ｃに繰り返しの負荷が更に作用すると、変形体２１０は最終的に第１−１変形部２１１ａ及び第１−２変形部２１２ａのいずれかにおいて破断し、適正な力の検出を行うことができなくなる。
以上のことから、力Ｆｘ、Ｆｚを、相対的にバネ定数が大きい変形部２１１ｂ、２１２ｂに関連付けられた第２電気信号Ｔ２を用いて計測しつつ、その計測時における第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率と、金属疲労が発現していない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２００ｃ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、力Ｆｘ、Ｆｚを、第１電気信号Ｔ１に基づいて計測しても良い。この場合、第１電気信号Ｔ１を提供する容量素子Ｃ１１、Ｃ１２はバネ定数が相対的に小さい変形部２１１ａ、２１２ａに関連付けられているため、作用する力Ｆｘ、Ｆｚ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。あるいは、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との和で、作用する力Ｆｘ、Ｆｚを計測しても良い。
故障診断を行う手順は、次の通りである。すなわち、マイコン４４の比較回路が、記憶回路に記憶された初期状態の第１電気信号Ｔ１ａと第２電気信号Ｔ２ａ比率（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）と、現在の第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率と、を比較する。この比較結果は、マイコン４４の診断回路に提供される。この診断回路は、提供された比較結果が所定の範囲内にあるか否かを判定する。診断の結果、初期状態の比率（Ｔ１ａ／Ｔ２ａ）と現在の比率（Ｔ１／Ｔ２）との差が所定の範囲内にあれば、マイコン４７は、力覚センサ２００ｃが正常に機能していると判定し、計測された力Ｆｘ、Ｆｚの値を出力する。一方、当該差が所定の範囲内に無ければ、マイコン４７は、力覚センサ２００ｃ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、第１−１容量素子Ｃ１１及び第２−１容量素子Ｃ２１の静電容量値の変動量に基づく第１電気信号Ｔ１と、第１−２容量素子Ｃ１２及び第２−２容量素子Ｃ２２の静電容量値の変動量に基づく第２電気信号Ｔ２と、の比率の変化に基づいて、力覚センサ２００ｃの故障診断が行われる。この故障診断では、容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２の電極に生じた異常のみならず、変形体２１０に生じた金属疲労に起因する力覚センサ２００ｃの故障をも診断することができる。さらに、力覚センサ２００ｃにおいては、傾動部２１３ａ、２１３ｂの傾動によって各計測部位Ｄ１１〜Ｄ２２が変位するため、傾動部２１３ａ、２１３ｂに生じる傾動を効果的に増幅させることができる。すなわち、本実施の形態によれば、低価格且つ高感度でありながら、単一の力覚センサ２００ｃによってそれ自身の故障診断が可能である、という力覚センサ２００ｃを提供することができる。
また、本実施の形態においても、検出回路２４０は、静電容量値の差分によって作用した力Ｆｘ、Ｆｚを計測するため、使用環境の温度変化や同相ノイズの影響を受けにくい力覚センサ２００ｃが提供され得る。
また、変位体２０の第１−１計測部位Ｄ１１及び第１−２計測部位Ｄ１２は第１梁２２１ａに第１接続体２２２ａと第１梁２２１ａとの接続部位に関して対称的に配置され、第２−１計測部位Ｄ２１及び第２−２計測部位Ｄ２２は第２梁２２１ｂに第２接続体２２２ｂと第２梁２２１ｂとの接続部位に関して対称的に配置されている。このような対称的な配置により、作用した力が簡易な演算によって検出され得る。
＜ ２−６． 変形例 ＞
なお、以上の力覚センサ２００ｃは、変位体２２０が両持ち梁の構造を有していたが、これに代えて片持ち梁の構造を有していても良い。そのような例が図５９に示されている。図５９は、変位体２２０が片持ち梁の構造を有する、図１２の変形例による力覚センサ２０１ｃの概略正面図である。図５９に示す例では、第１変位体２２０ｐａが、上述した力覚センサ２００ｃの第１梁２２１ａのうち、第１−２計測部位Ｄ１２が規定されている側の部分が欠落した片持ち梁の構造（符号２２１ｐａ）を有している。更に、第２変位体２２０ｐｂが、力覚センサ２００ｃの第２梁２２１ｂのうち、第２−２計測部位Ｄ２２が規定されている側の部分が欠落した片持ち梁の構造（符号２２１ｐｂ）を有している。この他の構成は、図１２に示す力覚センサ２００ｃと同じであるため、図５９において、力覚センサ２００ｃと共通する構成に図１２と同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
このような力覚センサ２０１ｃでは、上述した［式２］〜［式４］においてＣ２１＝Ｃ２２＝０とすれば、２−４．及び２−５．の説明に基づいて、力覚センサ２０１ｃに作用した力を検出でき、更には、力覚センサ２０１ｃの故障診断を行うことが可能である。但し、図５９に示す力覚センサ２０１ｃは、作用した力Ｆｘ、Ｆｚを容量素子の静電容量値の差によって検出することができない。このため、力覚センサ２０１ｃは、使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。
＜＜＜ §３． 本発明の第３の実施の形態による力覚センサ ＞＞＞
次に、本発明の第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃについて説明する。
＜ ３−１． 基本構造の構成 ＞
図１７は、本発明の第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃの基本構造３００を示す概略上面図である。図１８は、図１７のＹ軸正側から見た基本構造３００を示す概略正面図であり、図１９は、図１７のＸ軸正側から見た基本構造３００を示す概略側面図である。ここでは、図１７乃至図１９に示すようにＸＹＺ三次元座標系を定義して以下の説明を行うこととする。なお、図１７では、説明の便宜上、受力体３６０の図示が省略されている。
図１７乃至図１９に示すように、基本構造３００は、閉ループ状の変形体であって、２つの受力部３１８、３１９と、閉ループ状の経路に沿って当該２つの受力部３１８、３１９と交互に配置された２つの固定部３１６、３１７と、閉ループ状の経路に沿って隣接する受力部３１８、３１９及び固定部３１６、３１７によって挟まれた４つの間隙に１つずつ配置され、受力部３１８、３１９に作用した力ないしモーメントにより弾性変形を生じる４つの変形要素３１０Ａ〜３１０Ｄと、を有する変形体と、を備えている。基本構造３００は、更に、各変形要素３１０Ａ〜３１０Ｄに接続され、当該変形要素３１０Ａ〜３１０Ｄに生じる弾性変形により変位を生じる４つの変位体３２０Ａ〜３２０Ｄを備えている。
本実施の形態では、図１７に示すように、一方の受力部３１８は正のＸ軸上に、他方の受力部３１９は負のＸ軸上に、互いに原点Ｏに関して対称的に配置されている。また、一方の固定部３１６は正のＹ軸上に、他方の固定部３１７は負のＹ軸上に、互いに原点Ｏに関して対称的に配置されている。これら受力部３１８、３１９及び固定部３１６、３１７を含む閉ループ状の変形体は、本実施の形態では、原点Ｏを中心とする円形の環状変形体３１０として構成されている。
図１７乃至図１９に示すように、Ｚ軸方向から見てＸＹ平面の第２象限に配置された第１変形要素３１０Ａは、Ｘ軸負側に配置された受力部３１９とＹ軸正側に配置された固定部３１６との間に弧状に配置されており、Ｚ軸方向（図１７における奥行き方向）を長手方向とする第１傾動部３１３Ａと、受力部３１９と第１傾動部３１３Ａとを接続する第１−１変形部３１１Ａと、固定部３１６と第１傾動部３１３Ａとを接続する第１−２変形部３１２Ａと、を有している。図１８に示すように、第１−１変形部３１１Ａは、ＸＹ平面と平行に延在し、第１傾動部３１３ＡのＺ軸負側の端部（下端）にて、当該第１傾動部３１３Ａに接続されている。第１−２変形部３１２Ａは、ＸＹ平面と平行に延在し、第１傾動部３１３ＡのＺ軸正側の端部（上端）にて、当該第１傾動部３１３Ａに接続されている。
Ｚ軸方向から見てＸＹ平面の第１象限に配置された第２変形要素３１０Ｂは、Ｘ軸正側に配置された受力部３１８とＹ軸正側に配置された固定部３１６との間に弧状に配置され、Ｚ軸方向（図１７における奥行き方向）を長手方向とする第２傾動部３１３Ｂと、受力部３１８と第２傾動部３１３Ｂとを接続する第２−１変形部３１１Ｂと、固定部３１６と第２傾動部３１３Ｂとを接続する第２−２変形部３１２Ｂと、を有している。図１８に示すように、第２−１変形部３１１Ｂは、ＸＹ平面と平行に延在し、第２傾動部３１３ＢのＺ軸負側の端部（下端）にて、当該第２傾動部３１３Ｂに接続されている。第２−２変形部３１２Ｂは、ＸＹ平面と平行に延在し、第２傾動部３１３ＢのＺ軸正側の端部（上端）にて、当該第２傾動部３１３Ｂに接続されている。
更に、詳細には図示されていないが、ＸＹ平面の第３象限及び第４象限に配置された第４変形要素３１０Ｄ及び第３変形要素３１０Ｃは、環状変形体３１０のＹ軸正側（図１７の環状変形体３１０の上半分）の部分を原点まわりに１８０°回転させたときの、上述した第２変形要素３１０Ｂ及び第１変形要素３１０Ａの構成に、それぞれ対応している。このため、ここでは、その詳細な説明を省略する。図１７乃至図１９において、第３変形要素３１０Ｃの構成要素には符号の末尾に「Ｃ」が付され、第４変形要素３１０Ｄの構成要素には符号の末尾に「Ｄ」が付されている。更に、基本構造３００の各固定部３１６、３１７は、その下端部が、後述される第１〜第４梁３２１Ａ〜３２１Ｄに所定の間隔を空けて対向配置された支持体３５０に接続されている。
図１７乃至図１９に示すように、前述した４つの変位体３２０Ａ〜３２０Ｄは、第１〜第４変形要素３１０Ａ〜３１０Ｄの各傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄの下端（Ｚ軸負側の端部）に１つずつ接続されている。各変位体３２０Ａ〜３２０Ｄは、それぞれ、対応する傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄの傾動によって変位する変位部を有している。この変位部は、図１７乃至図１９に示すように、各傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄの下端に接続体３２２Ａ〜３２２Ｄを介してそれぞれ取り付けられた第１〜第４梁３２１Ａ〜３２１Ｄである。
これらの梁３２１Ａ〜３２２Ｄは、対応する傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄの長手方向（Ｚ軸方向）と直交する方向に延在しており、環状変形体３１０の径方向から見て、いずれも、左右対称の形状を有している。いずれの梁３２１Ａ〜３２２Ｄも、固定部３１６、３１７及び受力部３１８、３１９から離間しており、当該梁３２１Ａ〜３２２Ｄの傾動（回動）が妨げられないようになっている。そして、第１梁３２１Ａには、当該第１梁３２１Ａと第１接続体３２２Ａとの接続部位に関して対称的に、第１計測部位Ｄ１及び第２計測部位Ｄ２が規定されている。同様に、第２梁３２１Ｂには、当該第２梁３２１Ｂと第２接続体３２２Ｂとの接続部位に関して対称的に、第３計測部位Ｄ３及び第４計測部位Ｄ４が規定されており、第３梁３２１Ｃには、当該第３梁３２１Ｃと第３接続体３２２Ｃとの接続部位に関して対称的に、第５計測部位Ｄ５及び第６計測部位Ｄ６が規定されており、第４梁３２１Ｄには、当該第４梁３２１Ｄと第４接続体３２２Ｄとの接続部位に関して対称的に、第７計測部位Ｄ７及び第８計測部位Ｄ８が規定されている。後述されるように、これら第１〜第８計測部位Ｄ１〜Ｄ８のそれぞれに容量素子が２つずつ配置され、受力部３１８、３１９に作用した力及びモーメントが検出されることになる。結局、基本構造３００は、第１〜第４変形要素３１０Ａ〜３１０Ｄとして、§１で説明した基本構造１００を４つ、円環状に配置して構成されている。
更に、図１８及び図１９に示すように、環状変形体３１０のＺ軸正側には、検出対象の力を受けるための受力体３６０が配置されている。受力体３６０は、Ｚ軸方向から見て、環状変形体３１０と重なる円環の形状を有する受力体本体３６１と、受力体本体３６１のうち、環状変形体３１０の受力部３１８、３１９に面する部位に設けられた受力部接続体３６２、３６３と、を有している。これらの受力部接続体３６２、３６３が、対応する受力部３１８、３１９に接続され、受力体本体３６１に作用した力及びモーメントが、各受力部３１８、３１９に伝達されるようになっている。
＜ ３−２． 基本構造の作用 ＞
次に、以上のような基本構造３００の作用について説明する。
（３−２−１．力＋Ｆｘが作用した場合）
図２０は、受力部３１８、３１９にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときに、図１７の基本構造３００の各変位体３２０Ａ〜３２０Ｄに生じる変位を説明するための図である。図２０において、受力部３１８、３１９に作用する力は、黒塗りの太い矢印で示されている。また、力が作用したときに、各変形要素３１０Ａ〜３１０Ｄの傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄに生じる傾動は、弧状の細い矢印で示されている。この矢印は、原点Ｏから観測したときの、各傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄの傾動の向き（時計回りか、反時計回りか）を表している。更に、各傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄの傾動によって変位体３２０Ａ〜３２０Ｄの梁３２１Ａ〜３２１Ｄの各計測部位Ｄ１〜Ｄ８に生じるＺ軸方向の変位は、ドットを丸で囲んだ記号と、×印を丸で囲んだ記号と、によって示されている。ドットを丸で囲んだ記号は、奥側から手前側への変位（Ｚ軸正方向への変位）を示しており、×印を丸で囲んだ記号は、手前側から奥側への変位（Ｚ軸負方向への変位）を示している。なお、このような図示の方法は、後述される各実施の形態においても共通である。なお、受力部３１８、３１９に作用する力は、その向きによっては、ドットを丸で囲んだ記号と、×印を丸で囲んだ記号と、によって示してある。これらの記号の意味は、前述した通りである。
受力体３６０を介して受力部３１８、３１９にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、図２０に示すように、受力部３１８、３１９がＸ軸正方向へ変位する。このことにより、第１変形要素３１０Ａは、図３に示すような圧縮力の作用を受ける。この場合、第１傾動部３１３Ａが反時計回りに傾動するため、第１梁３２１Ａも反時計回りに傾動する。この結果、第１計測部位Ｄ１はＺ軸負方向に変位し、第２計測部位Ｄ２はＺ軸正方向に変位する。
第２変形要素３１０Ｂは、受力部３１８のＸ軸正方向への変位によって、図４に示すような引張力の作用を受ける。この場合、第２傾動部３１３Ｂが反時計回りに傾動するため、第２梁３２１Ｂも反時計回りに傾動する。この結果、第３計測部位Ｄ３はＺ軸負方向に変位し、第４計測部位Ｄ４はＺ軸正方向に変位する。
第３変形要素３１０Ｃは、受力部３１８のＸ軸正方向への変位によって、図４に示すような引張力の作用を受ける。この場合、第３傾動部３１３Ｃが時計回りに傾動するため、第３梁３２１Ｃも時計回りに傾動する。この結果、第５計測部位Ｄ５はＺ軸正方向に変位し、第６計測部位Ｄ６はＺ軸負方向に変位する。
更に、第４変形要素３１０Ｄは、受力部３１９のＸ軸正方向への変位によって、図３に示すような圧縮力の作用を受ける。この場合、第４傾動部３１３Ｄが時計回りに傾動するため、第４梁３２１Ｄも時計回りに傾動する。この結果、第７計測部位Ｄ７はＺ軸正方向に変位し、第８計測部位Ｄ８はＺ軸負方向に変位する。
（３−２−２．力＋Ｆｙが作用した場合）
次に、図２１は、受力部３１８、３１９にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときに、図１７の基本構造３００の各変位体３２０Ａ〜３２０Ｄに生じる変位を説明するための図である。
受力体３６０を介して受力部３１８、３１９にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、図２１に示すように、受力部３１８、３１９がＹ軸正方向へ変位する。このことにより、第１変形要素３１０Ａは、図３に示すような圧縮力の作用を受ける。この場合、前述したように、第１傾動部３１３Ａ及び第１梁３２１Ａが反時計回りに傾動するため、第１計測部位Ｄ１はＺ軸負方向に変位し、第２計測部位Ｄ２はＺ軸正方向に変位する。
第２変形要素３１０Ｂは、受力部３１８のＹ軸正方向への変位によって、図３に示すような圧縮力の作用を受ける。この場合、第２傾動部３１３Ｂ及び第２梁３２１Ｂが時計回りに傾動するため、第３計測部位Ｄ３はＺ軸正方向に変位し、第４計測部位Ｄ４はＺ軸負方向に変位する。
第３変形要素３１０Ｃは、受力部３１８のＹ軸正方向への変位によって、図４に示すような引張力の作用を受ける。この場合、第３傾動部３１３Ｃ及び第３梁３２１Ｃが時計回りに傾動するため、第５計測部位Ｄ５はＺ軸正方向に変位し、第６計測部位Ｄ６はＺ軸負方向に変位する。
第４変形要素３１０Ｄは、受力部３１９のＹ軸正方向への変位によって、図４に示すような引張力の作用を受ける。この場合、第４傾動部３１３Ｄ及び第４梁３２１Ｄが反時計回りに傾動するため、第７計測部位Ｄ７はＺ軸負方向に変位し、第８計測部位Ｄ８はＺ軸正方向に変位する。
（３−２−３．力＋Ｆｚが作用した場合）
次に、図２２は、受力部３１８、３１９にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに、図１７の基本構造３００の各変位体３２０Ａ〜３２０Ｄに生じる変位を説明するための図である。
受力体３６０を介して受力部３１８、３１９にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、図２２に示すように、受力部３１８、３１９がＺ軸正方向へ変位する。このことにより、第１〜第４変形要素３１０Ａ〜３１０Ｄは、いずれも、図６に示すような上向きの力の作用を受ける。この場合、第１傾動部３１３Ａ及び第３傾動部３１３Ｃが時計回りに傾動するため、第１梁３２１Ａ及び第３梁３２１Ｃも時計回りに傾動する。この結果、第１計測部位Ｄ１及び第５計測部位Ｄ５はＺ軸正方向に変位し、第２計測部位Ｄ２及び第６計測部位Ｄ６はＺ軸負方向に変位する。
一方、第２傾動部３１３Ｂ及び第４傾動部３１３Ｄは、反時計回りに傾動するため、第２梁３２１Ｂ及び第４梁３２１Ｄも反時計回りに傾動する。この結果、第３計測部位Ｄ３及び第７計測部位Ｄ７はＺ軸負方向に変位し、第４計測部位Ｄ４及び第８計測部位Ｄ８はＺ軸正方向に変位する。
（３−２−４．モーメント＋Ｍｘが作用した場合）
次に、図２３は、受力部３１８、３１９にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときに、図１７の基本構造３００の各変位体３２０Ａ〜３２０Ｄに生じる変位を説明するための図である。なお、本願では、所定の座標軸の正方向に右ネジを進める場合の当該右ネジの回転方向を、当該座標軸まわりの正のモーメントと定義することにする。
受力体３６０を介して受力部３１８、３１９にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、各受力部３１８、３１９のうち、Ｙ軸正側（図２３における上側）の部位がＺ軸正方向（手前側）に変位し、Ｙ軸負側（図２３における下側）の部位がＺ軸負方向（奥側）に変位する。すなわち、第１変形要素３１０Ａ及び第２変形要素３１０Ｂには、図２２と同じ方向に力が作用する。したがって、３−２−３．で説明したように、第１計測部位Ｄ１はＺ軸正方向に変位し、第２計測部位Ｄ２はＺ軸負方向に変位し、第３計測部位Ｄ３はＺ軸負方向に変位し、第４計測部位Ｄ４はＺ軸正方向に変位する。
一方、第３変形要素３１０Ｃは、受力部３１９から、図５に示すような下向きの力の作用を受ける。この場合、第３傾動部３１３Ｃが反時計回りに傾動するため、第３梁３２１Ｃも反時計回りに傾動する。この結果、第５計測部位Ｄ５はＺ軸負方向に変位し、第６計測部位Ｄ６はＺ軸正方向に変位する。
第４変形要素３１０Ｄは、受力部３１８から、図５に示すような下向きの力の作用を受ける。この場合、第４傾動部３１３Ｄが時計回りに傾動するため、第４梁３２１Ｄも時計回りに傾動する。この結果、第７計測部位Ｄ７はＺ軸正方向に変位し、第８計測部位Ｄ８はＺ軸正方向に変位する。
（３−２−５．モーメント＋Ｍｙが作用した場合）
次に、図２４は、受力部３１８、３１９にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときに、図１７の基本構造３００の各変位体３２０Ａ〜３２０Ｄに生じる変位を説明するための図である。
受力体３６０を介して受力部３１８、３１９にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、Ｘ軸負側に位置する受力部３１９は、Ｚ軸正方向（図２４における奥から手前に向かう方向）に変位し、Ｘ軸正側に位置する受力部３１８は、Ｚ軸負方向（図２４における手前から奥に向かう方向）に変位する。すなわち、第１変形要素３１０Ａ及び第４変形要素３１０Ｄには、図２２と同じ方向に力が作用する。したがって、３−２−３．で説明したように、第１計測部位Ｄ１はＺ軸正方向に変位し、第２計測部位Ｄ２はＺ軸負方向に変位し、第７計測部位Ｄ７はＺ軸負方向に変位し、第８計測部位Ｄ８はＺ軸正方向に変位する。
一方、図２４に示すように、第２変形要素３１０Ｂ及び第３変形要素３１０Ｃは、Ｚ軸負方向の力の作用を受ける（図５参照）。このような力の作用により、第２変形要素３１０Ｂでは、第２傾動部３１３Ｂが時計回りに傾動するため、第２梁３２１Ｂも時計回りに傾動する。この結果、第３計測部位Ｄ３はＺ軸正方向に変位し、第４計測部位Ｄ４はＺ軸負方向に変位する。第３変形要素３１０Ｃでは、図２３と同様に、第３傾動部３１３Ｃが反時計回りに傾動することにより、第５計測部位Ｄ５はＺ軸負方向に変位し、第６計測部位Ｄ６はＺ軸正方向に変位する。
（３−２−６．モーメント＋Ｍｚが作用した場合）
次に、図２５は、受力部３１８、３１９にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときに、図１７の基本構造３００の各変位体３２０Ａ〜３２０Ｄに生じる変位を説明するための図である。
受力体３６０を介して受力部３１８、３１９にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、Ｘ軸負側に位置する受力部３１９がＹ軸負方向へ変位し、Ｘ軸正側に位置する受力部３１８がＹ軸正方向へ変位する。Ｘ軸正側に位置する受力部３１８の変位は、力＋Ｆｙが作用した場合と同じ向きであるため（図２１参照）、Ｘ軸正側に配置された第２変形要素３１０Ｂ及び第３変形要素３１０Ｃには、図２１と同じ弾性変形が生じる。すなわち、第３計測部位Ｄ３はＺ軸正方向に変位し、第４計測部位Ｄ４はＺ軸負方向に変位し、第５計測部位Ｄ５はＺ軸正方向に変位し、第６計測部位Ｄ６はＺ軸負方向に変位する。
一方、第１変形要素３１０Ａは、受力部３１９のＹ軸負方向への変位によって、図４に示すような引張力の作用を受ける。この場合、第１傾動部３１３Ａ及び第１梁３２１Ａが時計回りに傾動するため、第１計測部位Ｄ１はＺ軸正方向に変位し、第２計測部位Ｄ２はＺ軸負方向に変位する。
また、第４変形要素３１０Ｄは、受力部３１９のＹ軸負方向への変位によって、図３に示すような圧縮力の作用を受ける。この場合、第４傾動部３１３Ｄ及び第４梁３２１Ｄが時計回りに傾動するため、第７計測部位Ｄ７はＺ軸正方向に変位し、第８計測部位Ｄ８はＺ軸負方向に変位する。
以上のまとめとして、図２６には、受力部３１８、３１９にＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力＋Ｆｘ、＋Ｆｙ、＋Ｆｚ及び各軸まわりのモーメント＋Ｍｘ、＋Ｍｙ、＋Ｍｚが作用したときに図１７の基本構造３００の各傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄに生じる傾動の向きと、各変位体３２０Ａ〜３２０Ｂの各計測部位Ｄ１〜Ｄ８に生じる変位とが、一覧で示されている。図２６において、各傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄの欄に記された回動の向き（時計回り／反時計回り）は、原点Ｏから観測したときの向きである。また、各計測部位Ｄ１〜Ｄ８の欄に記された「＋」の記号は、対応する変位部と支持体３５０との離間距離が増大することを意味し、「−」の記号は、対応する変位部と支持体３５０との離間距離が減少することを意味している。
なお、受力体３６０に作用する力及びモーメントが負方向及び負まわりである場合には、上述した各場合において、傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄの傾動の向きが全て逆になる。この結果、各変位体３２０Ａ〜３２０Ｄの計測部位Ｄ１〜Ｄ８に生じる変位の向きも逆になり、図２６に一覧で示した傾動の向き、及び、各計測部位Ｄ１〜Ｄ８と支持体３５０との離間距離の増減（＋／−）が、全て逆になる。
＜ ３−３． 力覚センサの構成 ＞
次に、３−１、３−２において説明した基本構造３００を有する力覚センサ３００ｃの構成について説明する。
図２７は、図１７に示す基本構造３００を採用した力覚センサ３００ｃの一例を示す概略上面図であり、図２８は、Ｙ軸正側から見た、図２７に示す力覚センサ３００ｃを示す概略正面図である。
図２７及び図２８に示すように、力覚センサ３００ｃは、上述した基本構造３００と、基本構造３００の変位体３２０Ａ〜３２０Ｄの各計測部位Ｄ１〜Ｄ８に生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントを検出する検出回路３４０と、を有している。本実施の形態の検出回路３４０は、図２７及び図２８に示すように、各変位体３２０Ａ〜３２０Ｄの各計測部位Ｄ１〜Ｄ８に２つずつ配置された、合計１６個の容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２と、これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２に接続され、当該容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動量に基づいて、作用した力を計測するマイコン３４４と、を有している。
容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の具体的な配置は次の通りである。すなわち、図２７及び図２８に示すように、第１−１容量素子Ｃ１１及び第２−１容量素子Ｃ２１は、第１梁３２１Ａと第１接続体３２２Ａとの接続部位に関して対称的に配置されており、第１−２容量素子Ｃ１２及び第２−２容量素子Ｃ２２は、第１−１容量素子Ｃ１１と第２−１容量素子Ｃ２１との間に、当該接続部位に関して対称的に配置されている。この他の容量素子も同様に配置されている。すなわち、第３−１容量素子Ｃ３１及び第４−１容量素子Ｃ４１は、第２梁３２１Ｂと第２接続体３２２Ｂとの接続部位に関して対称的に配置されており、第３−２容量素子Ｃ３２及び第４−２容量素子Ｃ４２は、第３−１容量素子Ｃ３１と第４−１容量素子Ｃ４１との間に、当該接続部位に関して対称的に配置されている。第５−１容量素子Ｃ５１及び第６−１容量素子Ｃ６１は、第３梁３２１Ｃと第３接続体３２２Ｃとの接続部位に関して対称的に配置されており、第５−２容量素子Ｃ５２及び第６−２容量素子Ｃ６２は、第５−１容量素子Ｃ５１と第６−１容量素子Ｃ６１との間に、当該接続部位に関して対称的に配置されている。更に、第７−１容量素子Ｃ７１及び第８−１容量素子Ｃ８１は、第４梁３２１Ｄと第４接続体３２２Ｄとの接続部位に関して対称的に配置されており、第７−２容量素子Ｃ７２及び第８−２容量素子Ｃ８２は、第７−１容量素子Ｃ７１と第８−１容量素子Ｃ８１との間に、当該接続部位に関して対称的に配置されている。
後述されるように、各梁３２１Ａ〜３２１Ｄの外側に配置された８つの容量素子Ｃｎ１（ｎ＝１、２、・・・８）が、第１変位センサとして作用した力及びモーメントを示す第１電気信号Ｔ１を出力するために用いられ、各梁３２１Ａ〜３２１Ｄの内側に配置された８つの容量素子Ｃｎ２（ｎ＝１、２、・・・８）が、第２変位センサとして作用した力及びモーメントを示す第２電気信号Ｔ２を計測するために用いられる。
各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の具体的な構成は、図７に示す力覚センサ１００ｃの各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２と同様である。すなわち、第ｎ計測部位Ｄｎ（ｎ＝１、２、・・・、８）に配置されている第ｎ−１容量素子Ｃｎ１（ｎ＝１、２、・・・、８）は、第ｎ計測部位Ｄｎに絶縁体（不図示）を介して配置された第ｎ−１変位電極Ｅｍｎ１（ｎ＝１、２、・・・、８）と、支持体３５０上に絶縁体（不図示）を介し第ｎ−１変位電極Ｅｍｎ１と対向配置された第ｎ−１固定電極Ｅｆｎ１（ｎ＝１、２、・・・、８）と、を有している。また、第ｎ−２容量素子Ｃｎ２（ｎ＝１、２、・・・、８）は、第ｎ計測部位Ｄｎ（ｎ＝１、２、・・・、８）に第ｎ−１変位電極Ｅｍｎ１に隣接して絶縁体（不図示）を介して配置された第ｎ−２変位電極Ｅｍｎ２（ｎ＝１、２、・・・、８）と、支持体２５０上に絶縁体（不図示）を介し第ｎ−２変位電極Ｅｍｎ２と対向配置された第ｎ−２固定電極Ｅｆｎ２（ｎ＝１、２、・・・、８）と、を有している。
これらの容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２は、図２７及び図２８には明確には図示されていないが、所定の回路によってマイコン３４４に接続されており、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値が当該マイコン３４４に提供されるようになっている。
＜ ２−４． 力覚センサの作用 ＞
次に、図２９を参照して、２−３．で説明した力覚センサ２００ｃの作用について説明する。
図２９は、受力部３１８，３１９にＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用したときの、図２７に示す力覚センサの各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の増減を一覧で示す図表である。この図表において、「＋」は、静電容量値が増大することを示しており、「＋＋」は、静電容量値が大きく増大することを示している。また、「−」は、静電容量値が減少することを示しており、「−−」は、静電容量値が大きく減少することを示している。
図２９に示されている各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の符号（正か負か）については、図２６に示す基本構造３００の各計測部位Ｄ１〜Ｄ８に生じる変位から明らかである。また、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動の大きさは、傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄと梁３２１Ａ〜３２１Ｄとの接続部位から、すなわち各梁３２１Ａ〜３２１Ｄの傾動の中心から、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２２までの距離を考慮することにより理解される。すなわち、各梁３２１Ａ〜３２１Ｄの傾動の中心から相対的に遠位に配置された８つの容量素子Ｃｎ１（ｎ＝１、２、・・・８）（第１変位センサ）では、静電容量値の変動が相対的に大きく、相対的に当該傾動の中心の近位に配置された８つの容量素子Ｃｎ２（ｎ＝１、２、・・・８）（第２変位センサ）では、静電容量値の変動が相対的に小さい。
以上から、上記１−４．と同様に考えることにより、受力部３１８，３１９に作用した各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸まわりのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚは、次の［式６］及び［式７］のいずれかにより計測される。各式の左辺の末尾の数字「１」及び「２」は、力及びモーメントが、容量素子Ｃｎ１（ｎ＝１、２、・・・８）（第１変位センサ）から計測されたのか、あるいは容量素子Ｃｎ２（ｎ＝１、２、・・・８）（第２変位センサ）から計測されたのか、を区別するための符号である。
［式６］
＋Ｆｘ１＝Ｃ１１−Ｃ２１＋Ｃ３１−Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ６１−Ｃ７１＋Ｃ８１
＋Ｆｙ１＝Ｃ１１−Ｃ２１−Ｃ３１＋Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ６１＋Ｃ７１−Ｃ８１
＋Ｆｚ１＝−Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３１−Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ６１＋Ｃ７１−Ｃ８１
＋Ｍｘ１＝−Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３１−Ｃ４１＋Ｃ５１−Ｃ６１−Ｃ７１＋Ｃ８１
＋Ｍｙ１＝−Ｃ１１＋Ｃ２１−Ｃ３１＋Ｃ４１＋Ｃ５１−Ｃ６１＋Ｃ７１−Ｃ８１
＋Ｍｚ１＝−Ｃ１１＋Ｃ２１−Ｃ３１＋Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ６１−Ｃ７１＋Ｃ８１
［式７］
＋Ｆｘ２＝Ｃ１２−Ｃ２２＋Ｃ３２−Ｃ４２−Ｃ５２＋Ｃ６２−Ｃ７２＋Ｃ８２
＋Ｆｙ２＝Ｃ１２−Ｃ２２−Ｃ３２＋Ｃ４２−Ｃ５２＋Ｃ６２＋Ｃ７２−Ｃ８２
＋Ｆｚ２＝−Ｃ１２＋Ｃ２２＋Ｃ３２−Ｃ４２−Ｃ５２＋Ｃ６２＋Ｃ７２−Ｃ８２
＋Ｍｘ２＝−Ｃ１２＋Ｃ２２＋Ｃ３２−Ｃ４２＋Ｃ５２−Ｃ６２−Ｃ７２＋Ｃ８２
＋Ｍｙ２＝−Ｃ１２＋Ｃ２２−Ｃ３２＋Ｃ４２＋Ｃ５２−Ｃ６２＋Ｃ７２−Ｃ８２
＋Ｍｚ２＝−Ｃ１２＋Ｃ２２−Ｃ３２＋Ｃ４２−Ｃ５２＋Ｃ６２−Ｃ７２＋Ｃ８２
もちろん、次の［式８］に示す［式６］と［式７］との和によって、各力Ｆｘ〜Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを計測しても良い。［式６］と［式７］との和による式の末尾には「３」を付して、［式６］及び［式７］と区別している。ここでは、検出回路３４０からの、［式６］に対応する電気信号を第１電気信号Ｔ１と呼び、［式７］に対応する電気信号を第２電気信号Ｔ２と呼び、［式８］に対応する電気信号を合算電気信号Ｔ３と呼ぶことにする。
［式８］
＋Ｆｘ３＝Ｆｘ１＋Ｆｘ２
＋Ｆｙ３＝Ｆｙ１＋Ｆｙ２
＋Ｆｚ３＝Ｆｚ１＋Ｆｚ２
＋Ｍｘ３＝Ｍｘ１＋Ｍｘ２
＋Ｍｙ３＝Ｍｙ１＋Ｍｙ２
＋Ｍｚ３＝Ｍｚ１＋Ｍｚ２
なお、力覚センサ３００ｃの受力体３６０に負方向の力−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚまたは負まわりのモーメント−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚが作用した場合は、前述したように、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の電極間の離間距離の増減が図２９とは逆になる。このため、力−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚまたはモーメント−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚを検出するには、［式６］〜［式８］の右辺及び左辺の符号を全て逆にすればよい。結局、負の力及び負のモーメントが作用しても、［式６］〜［式８］によって力及びモーメントが計測されることになる。
力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを計測するに当たっては、Ｓ／Ｎの観点から、各梁３２１Ａ〜３２１Ｄの傾動の中心から遠位にあり静電容量値の変動量が相対的に大きい容量素子Ｃ１ｎ（ｎ＝１，２，・・・，８）（第１変位センサ）に基づく第１電気信号Ｔ１（［式６］に対応）、または、全ての容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２に基づく合算電気信号Ｔ３（［式８］に対応）、を用いることが好ましい。
＜ ３−５． 力覚センサの他軸感度 ＞
次に、図３０を参照して、本実施の形態による力覚センサ３００ｃの他軸感度について説明する。図３０は、図２７に示す力覚センサ３００ｃにおける、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の他軸感度ＶＦｘ〜ＶＭｚを一覧で示す図表である。
図３０の図表中に配された数字は、図２９に示す図表の各力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各モーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚについて、「＋」の記号が付された容量素子を＋１とし、「−」の記号が付された容量素子を−１として、上述した［式６］または［式７］の右辺に代入して得られた値である。すなわち、列Ｆｘと行ＶＦｘとが交わるマス目に記された「８」という数字は、［式６］のＦｘの式において、図２９のＦｘの行に基づき、Ｃ１１＝Ｃ３１＝Ｃ６１＝Ｃ８１＝＋１とし、Ｃ２１＝Ｃ４１＝Ｃ５１＝Ｃ７１＝−１として得られた値である。また、列ＦｘとＶＦｙとが交わるマス目に記された「０」という数字は、［式６］のＦｘを示す式において、図２９のＦｙの行に基づき、Ｃ１１＝Ｃ４１＝Ｃ６１＝Ｃ７１＝＋１とし、Ｃ２１＝Ｃ３１＝Ｃ５１＝Ｃ８２＝−１として得られた値である。その他のマス目の数字についても同様である。
図３０によれば、ＦｘとＭｙの他軸感度、及び、ＦｙとＭｘの他軸感度が１００％となっている。すなわち、力覚センサ２００ｃは、ＦｘとＭｙとを区別することができず、ＦｙとＭｘとを区別することもできない。このことは、［式６］及び［式７］の＋Ｆｘの式と＋Ｍｙの式とが互いに異符号の関係にあり、＋Ｆｙの式と＋Ｍｘの式とが互いに異符号の関係にあることからも、理解できる。このため、力覚センサ３００ｃは、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の全てを検出することはできない。しかしながら、Ｆｘ及びＦｙが作用しない用途、あるいは、Ｍｘ及びＭｙが作用しない用途に限定して用いることにより、力覚センサ３００ｃを有用に活用することができる。
＜ ３−６． 故障診断 ＞
本実施の形態の検出回路３４０も、力覚センサ３００ｃが正常に機能しているか否かを判定する機能を有している。
前述したように、本実施の形態の検出回路３４０のマイコン３４４は、［式６］の右辺に基づく第１電気信号Ｔ１と、［式７］の右辺に基づく第２電気信号Ｔ２と、を出力する。例えば、力Ｆｘに着目して第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を書き下すと、次の［式９］の通りである。
［式９］
Ｔ１＝Ｃ１１−Ｃ２１＋Ｃ３１−Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ６１−Ｃ７１＋Ｃ８１
Ｔ２＝Ｃ１２−Ｃ２２＋Ｃ３２−Ｃ４２−Ｃ５２＋Ｃ６２−Ｃ７２＋Ｃ８２
ところで、図２９に示すように、［式９］の第１電気信号Ｔ１の右辺を構成する容量素子Ｃ１ｎ（ｎ＝１，２，・・・，８）（第１変位センサ）の静電容量値の変動量は、第２電気信号Ｔ２の右辺を構成する容量素子Ｃ２ｎ（ｎ＝１，２，・・・，８）（第２変位センサ）の静電容量値の変動量よりも大きい。このため、例えばマイコン３４４の補正回路によって、第２電気信号Ｔ２に所定の補正係数ｋを乗じることによって、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２の出力レベルを揃えることができる。
そして、マイコン３４４に含まれる比較回路がこれら２つの電気信号Ｔ１、ｋ・Ｔ２を比較する。この比較は、差各信号Ｔ１、ｋ・Ｔ２の差（例：Ｔ１−ｋ・Ｔ２）、あるいは、各信号Ｔ１、ｋ・Ｔ２の比（例：Ｔ１／（ｋ・Ｔ２））に基づいて行われる。そして、２つの電気信号Ｔ１、ｋ・Ｔ２の比較の結果、Ｔ１とｋ・Ｔ２との差または比が所定の範囲に含まれていれば、マイコン３４４の診断回路は、力覚センサ３００ｃが正常に機能していると判定する。一方、Ｔ１とＴ２との差が所定の範囲に含まれていなければ、マイコン３４４の診断回路は、力覚センサ３００ｃが正常に機能していない（故障している）と判定し、その判定結果を故障診断信号として出力する。このような検出回路によれば、容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２を構成する電極の破損、短絡、異物の混入などの異常を単一の力覚センサ３００ｃによって検知することができる。
もちろん、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動量をＡＤ変換し、マイコン３４４によって各静電容量値を比較することによって、力覚センサ３００ｃの故障を診断しても良い。
なお、以上の説明においては、力Ｆｘに着目して第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を規定したが、この他の力Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの１つまたは２つ以上に着目して第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を規定しても良い。
以上のような本実施の形態によれば、容量素子Ｃ１ｎ（ｎ＝１，２，・・・，８）（第１変位センサ）の静電容量値の変動量に基づく第１電気信号Ｔ１と、容量素子Ｃ２ｎ（ｎ＝１，２，・・・，８）（第２変位センサ）の静電容量値の変動量に基づく第２電気信号Ｔ２と、を比較することにより、力覚センサ３００ｃの故障を診断することができる。更に、力覚センサ３００ｃにおいては、各傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄの傾動によって各計測部位Ｄ１〜Ｄ８が変位することにより、各傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄに生じる傾動を効果的に増幅させることができる。すなわち、本実施の形態によれば、低価格且つ高感度でありながら、単一の力覚センサ３００ｃによってそれ自身の故障診断が可能である、という力覚センサ３００ｃを提供することができる。
また、［式６］及び［式７］に示すように、検出回路３４０は、静電容量値の差分によって作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを計測するため、使用環境の温度変化や同相ノイズの影響を受けにくい力覚センサ３００ｃを提供することができる。
また、各変位体３２０Ａ〜３２０Ｄの一方の計測部位Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ７と、他方の計測部位Ｄ２、Ｄ４、Ｄ６、Ｄ７とは、傾動部３１３Ａ〜３１３Ｄと梁３２１Ａ〜３２１Ｄとの接続部位に関して対称的に配置されている。このため、一方の計測部位Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ７に生じる変位と他方の計測部位Ｄ２、Ｄ４、Ｄ６、Ｄ７に生じる変位とが、同じ大きさで互いに異符号となるため、作用した力及びモーメントを簡易な演算によって検出することができる。
また、検出回路３４０は、［式６］に対応する第１電気信号Ｔ１または［式８］に対応する合算電気信号Ｔ３に基づいて、作用した力及びモーメントを検出するため、Ｓ／Ｎに優れた計測が可能である。
＜＜＜ §４． 本発明の第４の実施の形態による力覚センサ及びその変形例 ＞＞＞
＜ ４−１． 本発明の第４の実施の形態による力覚センサ ＞
§３で説明した力覚センサ３００ｃは、各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち４つの成分を検出し、且つ、それらの少なくとも１つの成分に着目して力覚センサ３００ｃの故障を診断することが可能であった。ところで、これら４つの成分を検出するためには、力覚センサ３００ｃに必ずしも１６個の容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２を設ける必要は無い。ここでは、上述した力覚センサ３００ｃの変形例として、より少ない容量素子によって４つの成分を検出可能な第４の実施の形態による力覚センサ４００ｃについて説明する。
図３１は、本発明の第４の実施の形態による力覚センサ４００ｃを示す概略上面図である。
図３１に示すように、力覚センサ４００ｃは、梁４２１Ａ〜４２１Ｄが片持ち梁で構成されている点において、第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃとは異なっている。具体的には、力覚センサ４００ｃの各梁４２１Ａ〜４２１Ｄは、力覚センサ３００ｃの各梁３２１Ａ〜３２１Ｄのうち、図２７の時計回りに進んだ方に位置する部位を削除した片持ち梁の構造となっている。したがって、力覚センサ４００ｃでは、各梁４２１Ａ〜４２１Ｄに各１つの計測部位Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ７が規定されている。そして、これら４つの計測部位Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ７に各２つ、合計８つの容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ５１、Ｃ５２、Ｃ７１、Ｃ７２が配置されている。各容量素子の構成は、第３の実施の形態と同じである。
これらの８つの容量素子は、図３１には図示されていないが、所定の回路によって検出回路４４０のマイコン４４４に接続されており、各容量素子の静電容量値が当該マイコン４４４に提供されるようになっている。そして、後述するように、マイコン４４４は、各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、力覚センサ４００ｃに作用した力を検出するようになっている。
力覚センサ４００ｃのその他の構成については、第３の実施の形態と同様である。このため、第３の実施の形態と共通する構成要素に略同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、本実施の形態による力覚センサ４００ｃの作用について説明する。ここでは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚの４つの成分を検出する場合について説明を行う。なお、これら４つの成分は、第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃが検出可能な４つの成分でもある。
上述したように、本実施の形態による力覚センサ４００ｃは、梁４２１Ａ〜４２１Ｄが片持ち梁で構成されている点を除き、第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃと共通している。したがって、受力体４６０を介して受力部４１８、４１９に力またはモーメントが作用すると、各梁４２１Ａ〜４２１Ｄの各計測部位Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ７には、第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃの対応する計測部位Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ７と同じ変位が生じる。
以上から、力覚センサ４００ｃに力及びモーメントの４つの成分Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用すると、各容量素子の静電容量値は、図３２に一覧で示すように変動する。図中の「＋／＋＋」及び「−／−−」の記号の意味は、図２９と同様である。なお、図３２の図表は、図２９における、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用したときの８つの容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ５１、Ｃ５２、Ｃ７１、Ｃ７２の静電容量値の増減と、同一である。
このような静電容量値の変動に基づいて、マイコン４４４は、作用した力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを次の［式１０］及び［式１１］により計測する。各式は、［式６］及び［式７］のＦｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚの式から、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ６１、Ｃ６２、Ｃ８１及びＣ８２を削除したものである。各式の左辺の末尾の数字「１」及び「２」は、力及びモーメントが、容量素子Ｃｎ１（ｎ＝１、３、５、７）（第１変位センサ）から計測されたのか、あるいは容量素子Ｃｎ２（ｎ＝１、３、５、７）（第２変位センサ）から計測されたのか、を区別するための符号である。
［式１０］
＋Ｆｚ１＝−Ｃ１１＋Ｃ３１−Ｃ５１＋Ｃ７１
＋Ｍｘ１＝−Ｃ１１＋Ｃ３１＋Ｃ５１−Ｃ７１
＋Ｍｙ１＝−Ｃ１１−Ｃ３１＋Ｃ５１＋Ｃ７１
＋Ｍｚ１＝−Ｃ１１−Ｃ３１−Ｃ５１−Ｃ７１
［式１１］
＋Ｆｚ２＝−Ｃ１２＋Ｃ３２−Ｃ５２＋Ｃ７２
＋Ｍｘ２＝−Ｃ１２＋Ｃ３２＋Ｃ５２−Ｃ７２
＋Ｍｙ２＝−Ｃ１２−Ｃ３２＋Ｃ５２＋Ｃ７２
＋Ｍｚ２＝−Ｃ１２−Ｃ３２−Ｃ５２−Ｃ７２
もちろん、第３の実施の形態と同様に、［式１０］と［式１１］との和による合算電気信号によって、各力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを計測しても良い。更に、第３の実施の形態で説明したとおり、［式１０］及び［式１１］は、力覚センサ４００ｃの受力体４６０に負方向の力−Ｆｚまたは負まわりのモーメント−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚが作用した場合においても成立する。
［式１０］または［式１１］に基づき、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度を求めると、図３３に一覧で示す通りとなる。他軸感度は、図３０と同様に、図３２に示す図表の力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚについて、「＋」の記号が付された容量素子を＋１とし、「−」の記号が付された容量素子を−１として、上述した［式１５］のそれぞれの右辺に代入して得られた値である。図３３に示すように、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度は、ゼロである。但し、［式１０］及び［式１１］によれば、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが静電容量値の和によって求められる。このため、モーメントＭｚについては、力覚センサ４００ｃの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。
このような力覚センサ４００は、当該力覚センサ４００ｃが正常に機能しているか否かを、次のようにして判定する。
検出回路４４０のマイコン４４４は、［式１０］の右辺に基づく第１電気信号Ｔ１と、［式１１］の右辺に基づく第２電気信号Ｔ２と、を出力するようになっている。すなわち、力Ｆｚに着目して第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を書き下すと、次の［式１２］の通りである。
［式１２］
Ｔ１＝−Ｃ１１＋Ｃ３１−Ｃ５１＋Ｃ７１
Ｔ２＝−Ｃ１２＋Ｃ３２−Ｃ５２＋Ｃ７２
ところで、図３２に示すように、式Ｔ１の右辺を構成する容量素子Ｃ１ｎ（ｎ＝１、３、５、７）（第１変位センサ）の静電容量値の変動量は、式Ｔ２の右辺を構成する容量素子Ｃ２ｎ（ｎ＝１、３、５、７）（第２変位センサ）の静電容量値の変動量よりも大きい。このため、第３の実施の形態と同様に、例えばマイコン４４４の補正回路によって、第２電気信号Ｔ２に所定の補正係数ｋを乗じることによって、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２の出力レベルを揃えることができる。
そして、マイコン４４４に含まれる比較回路がこれら２つの電気信号Ｔ１、ｋ・Ｔ２を比較する。この比較は、各信号Ｔ１、ｋ・Ｔ２の差（例：Ｔ１−ｋ・Ｔ２）、あるいは、各信号Ｔ１、ｋ・Ｔ２の比（例：Ｔ１／（ｋ・Ｔ２））に基づいて行われる。そして、２つの電気信号Ｔ１、ｋ・Ｔ２の比較の結果、Ｔ１とｋ・Ｔ２との差または比が所定の範囲に含まれていれば、マイコン４４４の診断回路は、力覚センサ４００ｃが正常に機能していると判定する。一方、Ｔ１とｋ・Ｔ２との差または比が所定の範囲に含まれていなければ、マイコン４４４の診断回路は、力覚センサ４００ｃが正常に機能していない（故障している）と判定し、その判定結果を故障診断信号として出力する。このような検出回路４４０によれば、各容量素子を構成する電極の破損、短絡、異物の混入などの異常を単一の力覚センサ４００ｃによって検知することができる。
もちろん、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動量をＡＤ変換し、マイコン３４４によって各静電容量値を比較することによって、力覚センサ３００ｃの故障を診断しても良い。
なお、以上の説明においては、力Ｆｘに着目して第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を規定したが、この他の力Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの１つまたは２つ以上に着目して第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２を規定しても良い。
以上のような本実施の形態によっても、第３の実施の形態と同様の効果を提供することができる。なお、以上の説明においては、特定の梁が片持ち梁に構成されていることを想定したが、もちろん、図２７に示す両持ち梁の構造を有する力覚センサ３００ｃを用いて、特定の容量素子のみを用いて当該力覚センサ３００ｃに作用した力及びモーメントを計測しても良い。
＜ ４−２． 変形例による力覚センサ ＞
上述したように、力覚センサ４００ｃは、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを計測する際に、使用環境における温度変化の影響や同相ノイズの影響を受けやすいものであった。このため、当該モーメントＭｚを計測する際に、それらの影響を受けにくくできればより好ましい。ここでは、そのような力覚センサとして、６つの容量素子を備えた変形例について説明する。
図３４は、第４の実施の形態の変形例による力覚センサ４０１ｃを示す概略上面図である。
図３４に示すように、力覚センサ４０１ｃは、第１及び第２梁４２１Ａ、４２１Ｂが片持ち梁で構成されている点において、第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃと異なっている。具体的には、本変形例による力覚センサ４０１ｃの第１及び第２梁４２１Ａ、４２１Ｂは、第４の実施の形態による力覚センサ４００ｃの第１及び第２梁４２１Ａ、４２１Ｂと同様であり、力覚センサ４０１ｃの第３及び第４梁４２１Ｃ、４２１Ｄは、図２７に示す第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃの第３及び第４梁３２１Ｃ、３２１Ｄと同様である。したがって、力覚センサ４０１ｃでは、第１梁４２１Ａに第１計測部位Ｄ１が、第２梁４２１Ｂに第３計測部位Ｄ３が、それぞれ規定されており、第３梁４２１Ｃに第５計測部位Ｄ５及び第６計測部位Ｄ６が、第４梁４２１Ｄに第７計測部位Ｄ７及び第８計測部位Ｄ８が、それぞれ規定されている。第５計測部位Ｄ５、第６計測部位Ｄ６、第７計測部位Ｄ７及び第８計測部位Ｄ８の配置は、第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃの対応する計測部位Ｄ５１〜Ｄ８の配置と同一である。そして、これら６つの計測部位に容量素子Ｃ１ｎ（ｎ＝１、３、５、６、７、８）（第１変位センサ）及び容量素子Ｃ２ｎ（ｎ＝１、３、５、６、７、８）（第２変位センサ）が各１つずつ配置されている。各容量素子の構成は、第３の実施の形態と同じである。
図３４には明確には図示されていないが、これらの６つの容量素子は、所定の回路によってマイコン４４４に接続されており、各容量素子の静電容量値が当該マイコン４４４に提供されるようになっている。そして、後述するように、マイコン４４４は、各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、力覚センサ４０１ｃに作用した力を検出するようになっている。
力覚センサ４０１ｃのその他の構成については、第３の実施の形態と同様である。このため、第３の実施の形態と共通する構成要素に略同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、本実施の形態による力覚センサ４０１ｃの作用について説明する。ここでは、第４の実施の形態と同様に、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚの４つの成分を検出する場合について説明を行う。
本実施の形態による力覚センサ４０１ｃは、受力体４６０を介して受力部４１８、４１９に力またはモーメントが作用すると、６つの検出部Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５〜Ｄ８には、それぞれ、第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃの対応する検出部Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５〜Ｄ８と同じ変位が生じる。
したがって、力覚センサ４０１ｃに力及びモーメントが作用すると、各容量素子の静電容量値は、図２９のうち対応する容量素子と同様に変動する。このような静電容量値の変動に基づいて、マイコン４４４は、作用した力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを次の［式１３］または［式１４］により計測する。［式１３］及び［式１４］に示す４つの式のうち、Ｆｚ、Ｍｘ及びＭｙの式は、［式１０］及び［式１１］の対応する式とそれぞれ同一である。もちろん、［式１３］及び［式１４］において、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度は、いずれもゼロである。
［式１３］
＋Ｆｚ１＝−Ｃ１１＋Ｃ３１−Ｃ５１＋Ｃ７１
＋Ｍｘ１＝−Ｃ１１＋Ｃ３１＋Ｃ５１−Ｃ７１
＋Ｍｙ１＝−Ｃ１１−Ｃ３１＋Ｃ５１＋Ｃ７１
＋Ｍｚ１＝−Ｃ１１−Ｃ３１＋Ｃ６１＋Ｃ８１
［式１４］
＋Ｆｚ２＝−Ｃ１２＋Ｃ３２−Ｃ５２＋Ｃ７２
＋Ｍｘ２＝−Ｃ１２＋Ｃ３２＋Ｃ５２−Ｃ７２
＋Ｍｙ２＝−Ｃ１２−Ｃ３２＋Ｃ５２＋Ｃ７２
＋Ｍｚ２＝−Ｃ１２−Ｃ３２＋Ｃ６２＋Ｃ８２
以上のような力覚センサ４０１ｃによっても、第３の実施の形態と同様の効果が提供され得る。更に、力覚センサ４０１ｃによれば、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを差分によって演算することができるため、力覚センサ４０１ｃの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を排除して、高精度に当該モーメントＭｚを計測することができる。
なお、力覚センサ４０１ｃにおける故障診断の方法は、４−１．で説明した第４の実施の形態による力覚センサ４００ｃと同様であるため、ここでは、その説明は省略する。
＜ ４−３． 更なる変形例による力覚センサ ＞
（４−３−１．変形例１）
力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出するための力覚センサとして、図３１では、図２７に示す力覚センサ３００ｃから、８つの容量素子Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ６１、Ｃ６２、Ｃ８１、Ｃ８２を削除したものを示したが、このような態様には限定されない。他の例による力覚センサ（不図示）としては、図２７に示す力覚センサ３００ｃから、８つの容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ５１、Ｃ５２、Ｃ８１、Ｃ８２を削除したものが考えられる。すなわち、この力覚センサは、８つの容量素子Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ６１、Ｃ６２、Ｃ７１、Ｃ７２を有している。
この力覚センサに対し、力及びモーメントが作用したときの各容量素子の増減は、図２９に示す対応する容量素子の増減と同一である。したがって、この力覚センサの検出回路４４０のマイコン４４４は、作用した力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを次の［式１５］及び［式１６］により計測する。［式１５］及び［式１６］は、それぞれ、［式６］及び［式７］のＦｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚの式から、対応する容量素子のみを抜き出したものである。
［式１５］
＋Ｆｚ１＝Ｃ２１＋Ｃ３１＋Ｃ６１＋Ｃ７１
＋Ｍｘ１＝Ｃ２１＋Ｃ３１−Ｃ６１−Ｃ７１
＋Ｍｙ１＝Ｃ２１−Ｃ３１−Ｃ６１＋Ｃ７１
＋Ｍｚ１＝Ｃ２１−Ｃ３１＋Ｃ６１−Ｃ７１
［式１６］
＋Ｆｚ２＝Ｃ２２＋Ｃ３２＋Ｃ６２＋Ｃ７２
＋Ｍｘ２＝Ｃ２２＋Ｃ３２−Ｃ６２−Ｃ７２
＋Ｍｙ２＝Ｃ２２−Ｃ３２−Ｃ６２＋Ｃ７２
＋Ｍｚ２＝Ｃ２２−Ｃ３２＋Ｃ６２−Ｃ７２
図２９に示す、対応する容量素子の静電容量値の増減と［式１５］または［式１６］とに基づき、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度を求めると、図３３と同一になる。したがって、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度は、ゼロである。但し、［式１５］及び［式１６］によれば、Ｚ軸方向の力Ｆｚは、静電容量値の和によって求められる。このため、力Ｆｚについては、力覚センサの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。
（４−３−２．変形例２）
あるいは、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを検出するための力覚センサとして図２７に示す力覚センサ３００ｃから、８つの容量素子Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ６１、Ｃ６２、Ｃ７１、Ｃ７２を削除したものも考えられる。すなわち、この力覚センサは、８つの容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ５１、Ｃ５２、Ｃ８１、Ｃ８２を有している。
この力覚センサに対し、力及びモーメントが作用したときの各容量素子の増減は、図２９に示す対応する容量素子の増減と同一である。したがって、この力覚センサの検出回路４４０のマイコン４４４は、作用した力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを次の［式１７］及び［式１８］により計測する。［式１７］及び［式１８］は、それぞれ、［式６］及び［式７］のＦｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚの式から、対応する容量素子のみを抜き出したものである。
［式１７］
＋Ｆｚ１＝−Ｃ１１−Ｃ４１−Ｃ５１−Ｃ８１
＋Ｍｘ１＝−Ｃ１１−Ｃ４１＋Ｃ５１＋Ｃ８１
＋Ｍｙ１＝−Ｃ１１＋Ｃ４１＋Ｃ５１−Ｃ８１
＋Ｍｚ１＝−Ｃ１１＋Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ８１
［式１８］
＋Ｆｚ２＝−Ｃ１２−Ｃ４２−Ｃ５２−Ｃ８２
＋Ｍｘ２＝−Ｃ１２−Ｃ４２＋Ｃ５２＋Ｃ８２
＋Ｍｙ２＝−Ｃ１２＋Ｃ４２＋Ｃ５２−Ｃ８２
＋Ｍｚ２＝−Ｃ１２＋Ｃ４２−Ｃ５２＋Ｃ８２
図２９に示す、対応する容量素子の静電容量値の増減と［式１７］または［式１８］とに基づき、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度を求めると、図３３と同一になる。したがって、力Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚの他軸感度は、ゼロである。但し、［式１７］及び［式１８］によれば、Ｚ軸方向の力Ｆｚは、静電容量値の和によって求められる。このため、力Ｆｚについては、力覚センサの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。
なお、Ｓ／Ｎの観点から、相対的に静電容量値の変動が大きい容量素子に基づく式を用いて、すなわち変形例１においては［式１５］を用いて、変形例２においては［式１７］を用いて、作用した力及びモーメントを計測するか、あるいは、各変形例において［式８］のＦｚ３、Ｍｘ３、Ｍｙ３及びＭｚ３に対応する合算電気信号を算出し、この合算電気信号によって、作用した力及びモーメントを計測することが好ましい。
以上に示す変形例１及び２のいずれの場合も、故障診断の方法は、第４の実施の形態による力覚センサ４００ｃと同様である。このため、ここではその詳細な説明については省略する。
＜＜＜ §５． 本発明の第５の実施の形態による力覚センサ及びその変形例 ＞＞＞
＜ ５−１． 本発明の第５の実施の形態による力覚センサ ＞
§４では、第４の実施の形態及びその変形例として、特にモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを重点的に計測するのに適した力覚センサについて説明を行った。ここでは、力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを重点的に計測するのに適した力覚センサについて説明する。
図３５は、本発明の第５の実施の形態による力覚センサ５００ｃを示す概略上面図である。図５に示すように、力覚センサ５００ｃは、第４の実施の形態と同様に８つの容量素子を有しているが、それらの配置が第４の実施の形態とは異なっている。具体的には、力覚センサ５００ｃの各梁５２１Ａ〜５２１Ｄは、力覚センサ３００ｃの各梁３２１Ａ〜３２１Ｄのうち、固定部３１６、３１７側の部位をそれぞれ削除した片持ち梁の構造を有している。したがって、力覚センサ５００ｃでは、各梁５２１Ａ〜５２１Ｄに各１つの計測部位Ｄ１、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ８が規定されている。そして、これら４つの計測部位Ｄ１、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ８に各２つの容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ５１、Ｃ５２、Ｃ８１、Ｃ８２が配置されている。各容量素子の構成は、第２の実施の形態と同じである。
これらの８つの容量素子は、図３１には図示されていないが、所定の回路によって検出回路５４０のマイコン５４４に接続されており、各容量素子の静電容量値が当該マイコン５４４に提供されるようになっている。そして、後述するように、マイコン５４４は、各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、力覚センサ５００ｃに作用した力を検出するようになっている。
力覚センサ５００ｃのその他の構成については、第３及び第４の実施の形態と同様である。このため、第３及び第４の実施の形態と共通する構成要素に略同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
次に、本実施の形態による力覚センサ５００ｃの作用について説明する。ここでは、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及び各軸周りのモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚのうち、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びＭｚの４つの成分を検出する場合について説明を行う。なお、これら４つの成分は、第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃが検出可能な４つの成分でもある。
図３６は、図３５に示す力覚センサ５００ｃに力及びモーメントの４つの成分Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｚが作用したときの、各容量素子の静電容量値の変動を一覧で示す図表である。上述したように、本実施の形態による力覚センサ５００ｃは、梁５２１Ａ〜５２１Ｄが片持ち梁で構成されている点を除いて、第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃと同様の構造を有している。したがって、受力体５６０を介して受力部５１８、５１９に力またはモーメントが作用すると、各梁５２１Ａ〜５２１Ｄの各検出部Ｄ１、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ８には、それぞれ、第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃにおける対応する検出部と同じ変位が生じる。
したがって、力覚センサ５００ｃに力及びモーメントが作用したときの各容量素子の増減は、図２９に示す対応する容量素子の増減と同一である。図２９と同様に、図中の「＋」の記号は、静電容量値が増大することを示しており、「−」の記号は、静電容量値が減少することを示している。
このような静電容量値の変動に基づいて、マイコン５４４は、作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｚを次の［式１９］または［式２０］により計測する。［式１９］及び［式２０］は、［式６］及び［式７］のＦｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚの式から、対応する容量素子のみを抜き出したものである。
［式１９］
＋Ｆｘ１＝Ｃ１１−Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ８１
＋Ｆｙ１＝Ｃ１１＋Ｃ４１−Ｃ５１−Ｃ８１
＋Ｆｚ１＝−Ｃ１１−Ｃ４１−Ｃ５１−Ｃ８１
＋Ｍｚ１＝−Ｃ１１＋Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ８１
［式２０］
＋Ｆｘ２＝Ｃ１２−Ｃ４２−Ｃ５２＋Ｃ８２
＋Ｆｙ２＝Ｃ１２＋Ｃ４２−Ｃ５２−Ｃ８２
＋Ｆｚ２＝−Ｃ１２−Ｃ４２−Ｃ５２−Ｃ８２
＋Ｍｚ２＝−Ｃ１２＋Ｃ４２−Ｃ５２＋Ｃ８２
図３６に示す、対応する容量素子の静電容量値の増減と［式１９］または［式２０］とに基づき、力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｚの他軸感度を求めると、いずれもゼロである。他軸感度の算出方法は、他の実施の形態と同様である。但し、［式１９］及び［式２０］によれば、Ｚ軸方向の力Ｆｚは、静電容量値の和によって求められる。このため、力Ｆｚについては、力覚センサ５００ｃの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を受けやすい点に注意が必要である。
本実施の形態においても、Ｓ／Ｎの観点から、相対的に静電容量値の変動が大きい容量素子に基づく［式１９］によって作用した力及びモーメントを計測するか、あるいは、［式１９］及び［式２０］に基づき、［式８］のＦｘ３、Ｆｙ３、Ｆｚ３及びＭｚ３に対応する合算電気信号を算出し、この合算電気信号によって、作用した力及びモーメントを計測することが好ましい。
以上のような本実施の形態における故障診断の方法は、第４の実施の形態による力覚センサ４００ｃと同様である。このため、ここではその詳細な説明については省略する。
このような力覚センサ５００ｃによっても、第３の実施の形態と同様の効果を提供することができる。とりわけ、本実施の形態では、各軸方向の力を検出することが可能であり、且つ、故障診断が可能な、力覚センサ５００ｃを提供することができる。
＜ ５−２． 変形例による力覚センサ ＞
上述したように、力覚センサ５００ｃは、Ｚ軸方向の力Ｆｚを計測する際に、使用環境における温度変化の影響や同相ノイズの影響を受けやすいものであった。このため、当該力Ｆｚを計測する際に、それらの影響を受けにくくできればより好ましい。ここでは、そのような力覚センサ５０１ｃについて説明する。
図３７は、第５の実施の形態の変形例による力覚センサ５０１ｃを示す概略上面図である。図３７に示すように、力覚センサ５０１ｃの基本構造５０１及び容量素子の配置は、Ｙ座標が正（図３７の上半分）の部分が図３５の力覚センサ５００ｃと同じであり、Ｙ座標が負（図３７の下半分）の部分が図２７に示す力覚センサ３００ｃと同じである。図３７には明確には図示されていないが、各容量素子は、所定の回路によってマイコン５４４に接続されており、各容量素子の静電容量値がマイコン５４４に提供されるようになっている。そして、後述するように、マイコン５４４は、各容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、力覚センサ５０１ｃに作用した力を検出するようになっている。
力覚センサ５０１ｃのその他の構成については、第３の実施の形態と同様である。このため、第３の実施の形態と共通する構成要素に略同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
力覚センサ５０１ｃに力及びモーメントが作用したときの各容量素子の増減は、図２９に示す対応する容量素子の増減と同一である。このような静電容量値の変動に基づいて、マイコン５４４は、作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｚを次の［式２１］または［式２２］により計測する。［式２１］及び［式２１］は、［式６］及び［式７］のＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びＭｚの式から、対応する容量素子のみを抜き出したものである。なお、［式２１］及び［式２２］に示す４つの式のうち、Ｆｘ、Ｆｙ及びＭｚの式は、［式１９］及び「式２０］の対応する式とそれぞれ同一である。もちろん、［式２１］及び［式２１］において、力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｚの他軸感度は、いずれもゼロである。
［式２１］
＋Ｆｘ１＝Ｃ１１−Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ８１
＋Ｆｙ１＝Ｃ１１＋Ｃ４１−Ｃ５１−Ｃ８１
＋Ｆｚ１＝−Ｃ１１−Ｃ４１＋Ｃ６１＋Ｃ７１
＋Ｍｚ１＝−Ｃ１１＋Ｃ４１−Ｃ５１＋Ｃ８１
［式２２］
＋Ｆｘ２＝Ｃ１２−Ｃ４２−Ｃ５２＋Ｃ８２
＋Ｆｙ２＝Ｃ１２＋Ｃ４２−Ｃ５２−Ｃ８２
＋Ｆｚ２＝−Ｃ１２−Ｃ４２＋Ｃ６２＋Ｃ７２
＋Ｍｚ２＝−Ｃ１２＋Ｃ４２−Ｃ５２＋Ｃ８２
本実施の形態においても、Ｓ／Ｎの観点から、相対的に静電容量値の変動が大きい容量素子に基づく［式２１］によって作用した力及びモーメントを計測するか、あるいは、［式２１］及び［式２２］に基づき、［式８］のＦｘ３、Ｆｙ３、Ｆｚ３及びＭｚ３に対応する合算電気信号を算出し、この合算電気信号によって作用した力及びモーメントを計測することが、好ましい。
本変形例における故障診断の方法は、第５の実施の形態による力覚センサ５００ｃと同様である。このため、ここではその詳細な説明については省略する。
このような力覚センサ５０１ｃによっても、第５の実施の形態による力覚センサ５００ｃと同様の効果を提供することができる。とりわけ、本実施の形態では、４つの成分の全てを差分によって演算することができるため、力覚センサ５０１ｃの使用環境における温度変化や同相ノイズの影響を排除して、高精度に当該モーメントＭｚを計測することができる。
以上から、§４及び§５で説明したように、図１に示す力覚センサ１００ｃを４つ、閉ループ状に並べることで、力の４成分（Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚの組、またはＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚ、Ｍｚの組）を検出することができる。もちろん、これらの４成分のうち任意の成分のみを検出しても良い。
なお、§４及び§５で説明した各実施の形態及びそれらの変形例による各力覚センサ４００ｃ、４０１ｃ、５００ｃ、５０１ｃは、特定の梁を片持ち梁の構造に置換したモデルとして説明を行った。しかしながら、このような例には限られず、図２７に示す両持ち梁の構造を維持したままで、各力覚センサに採用されている特定の容量素子のみに着目することにより、作用した力及びモーメントを計測しても良い。
＜＜＜ §６． 本発明の第６の実施の形態による力覚センサ ＞＞＞
＜ ６−１． 力覚センサの構成 ＞
§１で説明したように、図７の力覚センサ１００ｃは、変形体１０の金属疲労によって当該力覚センサ１００ｃが故障してしまうことを検知することができなかった。このため、図７に示す力覚センサ１００ｃを４つ、閉ループ状に連結して構成された§３の力覚センサ３００ｃについても、同様のことが言える。
一方、§２の力覚センサ２００ｃは、変形体２２０に金属疲労が生じているか否かを検知することができるため、この力覚センサ２００ｃを４つ、閉ループ状に連結して新たな力覚センサを構成すれば、力及びモーメントの４成分の検出と、金属疲労による力覚センサの故障とを、検知することができる。ここでは、第６の実施の形態として、そのような力覚センサ６００ｃについて、図３８及び図３９を参照して説明する。
図３８は、本発明の第６の実施の形態による力覚センサ６００ｃを示す概略上面図であり、図３９は、ＸＹＺ三次元座標系における各軸正方向の力＋Ｆｘ、＋Ｆｙ、＋Ｆｚ及び各軸正まわりのモーメント＋Ｍｘ、＋Ｍｙ、＋Ｍｚが作用したときの、図３８に示す力覚センサ６００ｃの各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の増減を一覧で示す図表である。
図３８に示すように、力覚センサ６００ｃは、閉ループ状の変形体であって、２つの受力部６１８、６１９と、閉ループ状の経路に沿って２つの受力部６１８、６１９と交互に配置された２つの固定部６１６、６１７と、閉ループ状の経路に沿って隣接する受力部６１８、６１９及び固定部６１６、６１７を接続し、受力部６１８、６１９に作用した力ないしモーメントにより弾性変形を生じる４つの変形要素６１０Ａ〜６１０Ｄと、を有する変形体６１０を備えている。
４つの変形要素６１０Ａ〜６１０Ｄは、それぞれ、長手方向（図３８における紙面に垂直な方向）を有し、受力部６１８、６１９と固定部６１６、６１７との間に、受力部６１８、６１９から固定部６１６、６１７に向かって順次配置された第１傾動部６１３Ａａ〜６１３Ｄａ及び第２傾動部６１３Ａｂ〜６１３Ｄｂと、第１傾動部６１３Ａａ〜６１３Ｄａと第２傾動部６１３Ａｂ〜６１３Ｄｂとの間に配置された力伝達部６１６Ａ〜６１６Ｄと、を有している。そして、第１傾動部６１３Ａａ〜６１３Ｄａと対応する受力部６１８、６１９とが、第１−１変形部６１１Ａａ〜６１１Ｄａによって接続され、力伝達部６１６Ａ〜６１６Ｄと第１傾動部６１３Ａａ〜６１３Ｄａとが第１−２変形部６１２Ａａ〜６１２Ｄａによって接続されている。更に、力伝達部６１６Ａ〜６１６Ｄと第２傾動部６１３Ａｂ〜６１３Ｄｂとを接続する第２−１変形部６１１Ａｂ〜６１１Ｄｂによって接続され、第２傾動部６１３Ａｂ〜６１３Ｄｂと対応する固定部６１６、６１７とが第２−２変形部６１２Ａｂ〜６１２Ｄｂによって接続されている。
各変形部は、傾動部６１３Ａａ〜６１３Ｄａ、６１３Ａｂ〜６１３Ｄｂの長手方向と交差する方向（図３８における紙面の面内方向）に延在している。そして、図１０に示す力覚センサ２００ｃと同様に、第１−１変形部６１１Ａａ〜６１１Ｄａと第１傾動部６１３Ａａ〜６１３Ｄａとの接続部位と、第１−２変形部６１２Ａａ〜６１２Ｄａと第１傾動部６１３Ａａ〜６１３Ｄａとの接続部位とは、当該第１傾動部６１３Ａａ〜６１３Ｄａの長手方向において位置が異なっている。同様に、第２−１変形部６１１Ａｂ〜６１１Ｄｂと第２傾動部６１３Ａｂ〜６１３Ｄｂとの接続部位と、第２−２変形部６１２Ａｂ〜６１２Ｄｂと第２傾動部６１３Ａｂ〜６１３Ｄｂとの接続部位とは、当該第２傾動部６１３Ａｂ〜６１３Ｄｂの長手方向において位置が異なっている。
更に、変形体６１０は、第１−１変形部６１１Ａａ〜６１１Ｄａ及び第１−２変形部６１２Ａａ〜６１２Ｄａのバネ定数と、第２−１変形部６１１Ａｂ〜６１１Ｄｂ及び第２−２変形部６１２Ａｂ〜６１２Ｄｂのバネ定数とが、異なっている。具体的には、本実施の形態では、第１−１変形部６１１Ａａ〜６１１Ｄａ及び第１−２変形部６１２Ａａ〜６１２Ｄａのバネ定数が、第２−１変形部６１１Ａｂ〜６１１Ｄｂ及び第２−２変形部６１２Ａｂ〜６１２Ｄｂのバネ定数よりも、小さい。
図３８に示すように、各変形要素６１０Ａ〜６１０Ｄには、当該変形要素６１０Ａ〜６１０Ｄに生じる弾性変形により変位を生じる変位体６２０Ａａ〜６２０Ｄａ及び６２０Ａｂ〜６２０Ｄｂが接続されている。本実施の形態では、各傾動部に変位体が接続されている。具体的には、変位体は、各固定部６１６、６１７から離間し各第１傾動部６１３Ａａ〜６１３Ｄの傾動により変位する第１変位部６４０Ａａ〜６２０Ｄａと、各固定部６１６、６１７から離間し各第２傾動部６１３Ａｂ〜６１３Ｄｂの傾動により変位する第２変位部６４０Ａｂ〜６２０Ｄｂと、を有している。
力覚センサ６００ｃは、これらの変位体に生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出する検出回路６４０と、を更に備えている。
検出回路６４０は、各第１変位部６４０Ａａ〜６２０Ｄａに配置された第１変位センサと、各第２変位部６４０Ａｂ〜６２０Ｄｂに配置された第２変位センサと、を有している。図３８に示す例では、第１変位センサ及び第２変位センサは、後述されるように、容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２である。検出回路６４０は、第１変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第１電気信号Ｔ１を出力し、且つ、各第２変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第２電気信号Ｔ２を出力し、当該第１電気信号Ｔ１と当該第２電気信号Ｔ２との比率の変化に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定するようになっている。
図３８に示すように、第１変位部６４０Ａａ〜６２０Ｄａは、第１傾動部６１３Ａａ〜６１３Ｄａの長手方向と交差する方向に延在する第１梁６２１Ａａ〜６２１Ｄａを有し、第２変位部６４０Ａｂ〜６２０Ｄｂは、第２傾動部６１３Ａｂ〜６１３Ｄｂの長手方向と交差する方向に延在する第２梁６２１Ａｂ〜６２１Ｄｂを有している。
第１梁６２１Ａａ〜６２１Ｄａには、それぞれ、当該第１梁６２１Ａａ〜６２１Ｄａの一方の端部（受力部６１８、６１９側の端部）から他方の端部（固定部６１６、６１７側の端部）に向かって、第１−１計測部位Ｄ１１、Ｄ４２、Ｄ５１、Ｄ８２及び第１−２計測部位Ｄ１２、Ｄ４１、Ｄ５２、Ｄ８１がこの順序で規定されている。同様に、第２梁６２１Ａｂ〜６２１Ｄｂには、それぞれ、当該第２梁６２１Ａｂ〜６２１Ｄｂの一方の端部（受力部６１８、６１９側の端部）から他方の端部（固定部６１６、６１７側の端部）に向かって第２−１計測部位Ｄ２１、Ｄ３２、Ｄ６１、Ｄ７２及び第２−２計測部位Ｄ２２、Ｄ３１、Ｄ６２、Ｄ７１がこの順序で規定されている。
図３８に示すように、各第１変位部６２０Ａａ〜６２０Ｄａは、変形体６１０の第１傾動部６１３Ａａ〜６１３Ｄａと第１梁６２１Ａａ〜６２１Ｄａとを接続する第１接続体６２２Ａａ〜６２２Ｄａを有し、各第２変位部６２０Ａｂ〜６２０Ｄｂは、変形体６１０の第２傾動部６１３Ａｂ〜６１３Ｄｂと第２梁６２１Ａｂ〜６２１Ｄｂとを接続する第２接続体６２２Ａｂ〜６２２Ｄｂを有している。そして、各計測部位Ｄ１１〜Ｄ８２は、対応する接続体６２２Ａａ〜６２２Ｄａ、６２２Ａｂ〜６２２Ｄｂと梁６２１Ａａ〜６２１Ｄａ、６２１Ａｂ〜６２１Ｄｂとの接続部位に関して対称的に配置されている。
検出回路６４０は、第１−１変位センサ及び第１−２変位センサ、すなわち８つの容量素子Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ４１、Ｃ４２、Ｃ５１、Ｃ５２、Ｃ８１、Ｃ８２の各検出値（静電容量値）に基づいて第１電気信号Ｔ１を出力し、且つ、第２−１変位センサ及び第２−２変位センサ、すなわち残り８つの容量素子Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２、Ｃ６１、Ｃ６２、Ｃ７１、Ｃ７２の各検出値（静電容量値）に基づいて第２電気信号Ｔ２を出力するようになっている。各電気信号Ｔ１、Ｔ２を示す式は、後述される。
本実施の形態では、図２７に示す力覚センサ３００ｃと同様に、変位体に対向配置され、固定部６１６、６１７に対して移動しない支持体６５０を更に備えている。そして、前記第１及び第２変位センサは、変位体の各変位部４２０Ａａ〜４２０Ｄｂに配置された変位電極Ｅｍ１１〜Ｅｍ８２と、この変位電極Ｅｍ１１〜Ｅｍ８２に対向して支持体６５０上に配置された固定電極Ｅｆ１１〜Ｅｆ８２（不図示）と、を有する容量素子である。
また、本実施の形態の検出回路６４０の構成は、入力される静電容量値がＣ１１〜Ｃ８２に増加している点を除き、図１３に示すブロック図と同様である。したがって、検出回路６４０は、力の検出が正常に行われているときの、すなわち変形体６１０に金属疲労が生じていないときの、第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率を基準比率Ｒｓとして記憶する記憶部を有している。そして、検出回路６４０は、第１電気信号Ｔ２と第２電気信号Ｔ２との比率と、基準比率Ｒｓと、の差、に基づいて、力の検出が正常に行われているか否か、とりわけ変形体６１０に金属疲労が生じているか否か、を判定するようになっている。
＜ ６−２． 力覚センサの作用 ＞
以上の力覚センサ６００ｃにおいて、受力部６１８、６１９にある方向の力が作用した際、第２象限に位置する第１変形要素６１０Ａの第１傾動部６１３Ａａ及び第２傾動部６１３Ａｂに生じる傾動（回動）の向きは、同じ方向の力が第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃ（図２７参照）に作用した際に第１変形要素３１０Ａの傾動部３１３Ａに生じる傾動（回動）の向きと同じである。すなわち、力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚが作用した際に、第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃの第１計測部位Ｄ１のＺ軸方向に沿った変位の向きと、本実施の形態による力覚センサ６００ｃの第１−１計測部位Ｄ１１及び第１−２計測部位Ｄ１２のＺ軸方向に沿った変位の向きとは、同じである。同様に、第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃの第２計測部位Ｄ２のＺ軸方向に沿った変位の向きと、本実施の形態による力覚センサ６００ｃの第２−１計測部位Ｄ２１及び第２−２計測部位Ｄ２２のＺ軸方向に沿った変位の向きとは、同じである。
このような対応関係は、第２〜第４変形要素６１０Ｂ〜６１０Ｄにおいても、同様に成立する。すなわち、受力部６１８、６１９に力が作用した際、第３−１計測部位Ｄ３１及び第４−１計測部位Ｄ４１の挙動と図２７に示す力覚センサ３００の第３計測部位Ｄ３の挙動とが対応し、第３−２計測部位Ｄ３２及び第４−２計測部位Ｄ４２の挙動と図２７に示す力覚センサ３００の第４計測部位Ｄ４の挙動とが対応し、第５−１計測部位Ｄ５１及び第６−１計測部位Ｄ６１の挙動と図２７に示す力覚センサ３００の第５計測部位Ｄ５の挙動とが対応し、第５−２測部位Ｄ５２及び第６−２計測部位Ｄ６２の挙動と図２７に示す力覚センサ３００の第６計測部位Ｄ６の挙動とが対応し、第７−１計測部位Ｄ７１及び第８−１計測部位Ｄ８１の挙動と図２７に示す力覚センサ３００の第７計測部位Ｄ７の挙動とが対応し、第７−２計測部位Ｄ７２及び第８−２計測部位Ｄ８２の挙動と図２７に示す力覚センサ３００の第８計測部位Ｄ８の挙動とが対応する。
更に、各変形部６１１Ａａ〜６１１Ｄａ、６１２Ａａ〜６１２Ｄａ、６１１Ａｂ〜６１１Ｄｂ、６１２Ａｂ〜６１２Ｄｂのバネ定数の相違から、各変形要素６１０Ａ〜６１０Ｄに含まれる各２つの変位部６２０Ａａ〜６２０Ｄａ、６２０Ａｂ〜６２０Ａｂのうち、受力部６１８、６１９に近位の変位部６２０Ａａ〜６２０Ｄａに規定された計測部位Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ４１、Ｄ４２、Ｄ５１、Ｄ５２、Ｄ８１、Ｄ８２の方が、Ｚ軸方向の変位が相対的に大きい。
以上の対応関係及び計測部位Ｄ１１〜Ｄ８２の変位の大小関係と、図２９の図表と、を踏まえると、力覚センサ６００ｃの各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の増減は、図３９に示す通りである。この図表においても、「＋」は、静電容量値が増大することを示しており、「＋＋」は、静電容量値が大きく増大することを示している。また、「−」は、静電容量値が減少することを示しており、「−−」は、静電容量値が大きく減少することを示している。
このような力覚センサ６００ｃでは、図３９に基づき、以下の［式２３］及び［式２４］に基づいて受力部６１８、６１９に作用した力を計測することができる。各式の左辺の末尾の数字が「１」である［式２３］は、相対的にバネ定数が小さい変形部によって支持された第１、第４、第５及び第８傾動部６１３Ａ、６１３Ｄ、６１３Ｅ、６１３Ｈに関連付けられた容量素子を用いて計測された力である。また、各式の左辺の末尾の数字が「２」である［式２４］は、相対的にバネ定数が大きい変形部によって支持された第２、第３、第６及び第７傾動部６１３Ｂ、６１３Ｃ、６１３Ｆ、６１３Ｇに関連付けられた容量素子を用いて計測された力である。
［式２３］
Ｆｘ１＝Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ４１−Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２−Ｃ８１＋Ｃ８２
Ｆｙ１＝Ｃ１１−Ｃ１２−Ｃ４１＋Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２＋Ｃ８１−Ｃ８２
Ｆｚ１＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ４１−Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２＋Ｃ８１−Ｃ８２
Ｍｘ１＝−Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ４１−Ｃ４２＋Ｃ５１−Ｃ５２−Ｃ８１＋Ｃ８２
Ｍｙ１＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ５１−Ｃ５２＋Ｃ８１−Ｃ８２
Ｍｚ１＝−Ｃ１１＋Ｃ１２−Ｃ４１＋Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２−Ｃ８１＋Ｃ８２
［式２４］
Ｆｘ２＝Ｃ２１−Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ３２−Ｃ６１＋Ｃ６２−Ｃ７１＋Ｃ７２
Ｆｙ２＝Ｃ２１−Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ６１＋Ｃ６２＋Ｃ７１−Ｃ７２
Ｆｚ２＝−Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ３２−Ｃ６１＋Ｃ６２＋Ｃ７１−Ｃ７２
Ｍｘ２＝−Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ３２＋Ｃ６１−Ｃ６２−Ｃ７１＋Ｃ７２
Ｍｙ２＝−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ６１−Ｃ６２＋Ｃ７１−Ｃ７２
Ｍｚ２＝−Ｃ２１＋Ｃ２２−Ｃ３１＋Ｃ３２−Ｃ６１＋Ｃ６２−Ｃ７１＋Ｃ７２
ところで、本実施の形態による力覚センサ６００ｃは、Ｆｘ１＝Ｍｙ１、Ｆｙ１＝Ｍｘ１、Ｆｘ２＝Ｍｙ２、Ｆｙ２＝Ｍｘ２という関係が成立している。このため、力覚センサ６００ｃは、力の６つの成分のすべてを検出することはできない。すなわち、この力覚センサ６００ｃは、Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙ及びＭｚの４つの成分、または、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びＭｚの４つの成分、のいずれかであれば、各成分を計測することができる。なお、このことは、力覚センサ６００ｃと第３の実施の形態による力覚センサ３００ｃとの対応関係からも明らかである。
＜ ６−３． 故障診断 ＞
上述したように、本実施の形態の検出回路６４０も、力覚センサ６００ｃが正常に機能しているか否かを判定する機能を有している。ここでは、この故障診断の機能について説明を行う。
この故障診断の手法は、２−５．で説明した故障診断の手法と同様である。すなわち、例えば力Ｆｘに着目した場合、第１電気信号Ｔ１及び第２電気信号Ｔ２は次の［式２５］の通りである。
［式２５］
Ｔ１＝Ｃ１１−Ｃ１２＋Ｃ４１−Ｃ４２−Ｃ５１＋Ｃ５２−Ｃ８１＋Ｃ８２
Ｔ２＝Ｃ２１−Ｃ２２＋Ｃ３１−Ｃ３２−Ｃ６１＋Ｃ６２−Ｃ７１＋Ｃ７２
ここで、力覚センサ６００ｃの変形体６１０に金属疲労が生じていないときの、受力部６１８、６１９に作用するＸ軸正方向の力＋Ｆｘと電気信号Ｔ１、Ｔ２との関係は、図１５に示す通りであった。更に、力覚センサ６００ｃの変形体６１０に金属疲労が生じているときの、受力部６１８、６１９に作用するＸ軸正方向の力＋Ｆｘと電気信号Ｔ１、Ｔ２との関係は、図１６に示す通りであった。すなわち、力覚センサ６００ｃの変形体６１０に金属疲労が生じていないときには、第１電気信号Ｔ１を示すグラフＴ１ａの傾きと、第２電気信号Ｔ２を示すグラフＴ２ａの傾きと、の比は、４である。また、力覚センサ６００ｃの変形体６１０に金属疲労が生じているときには、第１電気信号Ｔ１を示すグラフＴ１ｂの傾きと、第２電気信号Ｔ２を示すグラフＴ２ｂの傾きと、の比は、５である。
したがって、第２の実施の形態による力覚センサ２００ｃと同様に、本実施の形態でも、各グラフの傾きの比（Ｔ１／Ｔ２）の変化を利用して力覚センサ６００ｃの故障診断を行う。すなわち、検出回路６４０のマイコン６４４は、作用した力を、相対的にバネ定数が大きい変形部に関連付けられた第２電気信号Ｔ２を用いて計測しつつ、現在の第１電気信号Ｔ１と第２電気信号Ｔ２との比率と、金属疲労が発現していない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６００ｃ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、作用した力を、第１電気信号Ｔ１に基づいて計測しても良い。この場合、第１電気信号Ｔ１を提供する容量素子はバネ定数が相対的に小さい変形部に関連付けられているため、作用する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。また、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値の変動量をＡＤ変換し、マイコン６４４によって各静電容量値を比較することによって、力覚センサ６００ｃの故障を診断しても良い。
故障診断を行う手順は、２−５．で説明した手順と同様であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
以上のような本実施の形態によれば、相対的に静電容量値の変動が大きい容量素子に基づく第１電気信号Ｔ１と、相対的に静電容量値の変動が小さい容量素子に基づく第２電気信号Ｔ２と、の比率の変化に基づいて、力覚センサ６００ｃの故障診断が行われる。この故障診断では、容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の電極に生じた異常のみならず、変形体６１０に生じた金属疲労に起因する力覚センサ６００ｃの故障をも自ら診断することができる。さらに、力覚センサ６００ｃにおいては、傾動部２１３Ａ、２１３ｂの傾動によって各計測部位Ｄ１１〜Ｄ８２が変位するため、傾動部１３に生じる傾動を効果的に増幅させることができる。すなわち、本実施の形態によれば、低価格且つ高感度でありながら、単一の力覚センサ６００ｃによってそれ自身の故障診断が可能である、という力覚センサ６００ｃを提供することができる。
また、本実施の形態においても、検出回路６４０は、静電容量値の差分によって作用した力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ及びモーメントＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚを計測するため、使用環境の温度変化や同相ノイズの影響を受けにくい力覚センサ６００ｃを提供することができる。
また、各計測部位Ｄ１１〜Ｄ８２は、対応する接続体と梁との接続部位に関して対称的に配置されているため、作用した力を簡易な演算によって検出することができる。
＜＜＜ §７． 本発明の変形例による力覚センサ ＞＞＞
＜ ７−１． 変形例１ ＞
図４０は、図２７の変形例による力覚センサ３０２ｃを示す概略上面図である。本図においても、説明の便宜上、受力体の図示が省略されている。
図４０に示すように、力覚センサ３０２ｃは、変形体３１０ｂが矩形の形状を有している点で、図２７に示す力覚センサ３００ｃとは異なっている。変形体３１０ｂは、Ｘ軸上に原点Ｏを挟んで対称的に配置された２つの受力部３１８ｂ、３１９ｂと、Ｙ軸上に原点Ｏを挟んで対称的に配置された３つの固定部３１６ｂ、３１７ｂとを有している。そして、閉ループ状の経路に沿って隣接する受力部と固定部とが、直線状の４つの変形要素３１０Ａｂ〜２１０Ｄｂによって連結されている。したがって、力覚センサ３０２ｃの基本構造３０２は、２つの受力部３１８ｂ、３１９ｂ及び２つの固定部３１６ｂ、３１７ｂを４つの頂点とする矩形の形状を有しており、この矩形の４つの辺上に、変形要素２１０Ａｂ〜２１０Ｄｂが１つずつ配置されている。
その他の構成については、図２７に示す力覚センサ２００ｃと略同様である。このため、図４０において、図２７に示す力覚センサ３００ｃと対応する構成要素に略同様の符号（末尾に「ｂ」を付加）を付し、その詳細な説明を省略する。
以上の力覚センサ３０２ｃは、結局、図２７に示す力覚センサ３００ｃの各変形要素３１０Ａ〜３１０Ｄを弧状ではなく直線状に構成したものである。従って、図４０に示す力覚センサ３０２ｃに力及びモーメントが作用したときに、各変形要素３１０Ａｂ〜３１０Ｄｂに生じる弾性変形は、実質的に図２７に示す力覚センサ３００ｃと同様である。すなわち、作用する力及びモーメントに対して、本変形例による力覚センサ３０２ｃの各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２の静電容量値は、図２９に記載された通りに変動する。
したがって、以上のような本変形例による力覚センサ３０２ｃによっても、図２７に示す力覚センサ３００ｃと同様の作用効果が提供され得る。
＜ ７−２． 変形例２ ＞
次に、図４１は、図２７の更なる変形例による力覚センサ７００ｃを示す概略上面図である。ここでも、図４１に示すようにＸＹＺ三次元座標系を定義して以下の説明を行うこととする。なお、図４１でも、説明の便宜上、受力体７６０の図示が省略されている。
図４１に示すように、力覚センサ７００ｃは、ＸＹ平面上に配置された、原点Ｏを中心とする閉ループ状の環状変形体７１０を備えている。環状変形体７１０は、４つの受力部７１４Ａ、７１４Ｂ、７１４Ｄ、７１４Ｆと、閉ループ状の経路に沿って前記４つの受力部７１４Ａ、７１４Ｂ、７１４Ｄ、７１４Ｆと交互に配置された４つの固定部７１５Ｂ、７１５Ｃ、７１５Ｅ、７１５Ｈと、閉ループ状の経路に沿って隣接する受力部及び固定部によって挟まれた８つの間隙に１つずつ配置され、受力部７１４Ａ、７１４Ｂ、７１４Ｄ、７１４Ｆに作用した力またはモーメントにより弾性変形を生じる８つの変形要素７１０Ａ〜７１０Ｈと、を有している。更に、力覚センサ７００ｃは、各変形要素７１０Ａ〜７１０Ｈに接続され、当該変形要素７１０Ａ〜７１０Ｈに生じる弾性変形により変位を生じる８つの変位体７２０Ａ〜７２０Ｈと、を備えている。
図４１に示すように、４つの受力部７１４Ａ、７１４Ｂ、７１４Ｄ、７１４Ｆは、Ｘ軸上及びＹ軸上に原点Ｏから等距離で配置されている。また、４つの固定部７１５Ｂ、７１５Ｃ、７１５Ｅ、７１５Ｈは、原点Ｏを通り正のＸ軸に対して反時計回りに４５°の角度を成す直線上、及び、原点Ｏを通り正のＹ軸に対して反時計回りに４５°の角度を成す直線上、にそれぞれ原点Ｏに関して対称的に１つずつ配置されている。
本実施の形態の各変形要素７１０Ａ〜７１０Ｈの構成は、上述した第３の実施の形態による基本構造３００の変形要素３１０Ａ〜３１０Ｄの構成と実質的に同様である。具体的には、図４１に示す第１変形要素７１０Ａ、第４変形要素７１０Ｄ、第５変形要素７１０Ｅ及び第８変形要素７１０Ｈは、図１７に示す第１変形要素３１０Ａ、第２変形要素３１０Ｂ、第３変形要素７１０Ｃ及び第４変形要素７１０Ｄと、それぞれ同様の構成を有している。残りの第２変形要素７１０Ｂ、第３変形要素７１０Ｃ、第６変形要素７１０Ｆ及び第７変形要素７１０Ｇは、それぞれ、第１変形要素７１０Ａ、第４変形要素７１０Ｄ、第５変形要素７１０Ｅ及び第８変形要素７１０ＨをＺ軸周りに９０°回転させたものである。以上の対応関係は、本実施の形態の８つの変位体７２０Ａ〜７２０Ｈについても、同様に成立する。結局、基本構造７００は、第１〜第８変形要素７１０Ａ〜７１０Ｈとして、§１で説明した基本構造１００を８つ、環状の閉ループ状に配置されて構成されている。
基本構造７００の各固定部７１５Ｂ、７１５Ｃ、７１５Ｅ、７１５Ｈは、その下端部が、第１〜第８梁７２１Ａ〜７２１Ｈに所定の間隔を空けて対向配置された支持体７５０に接続されている。更に、環状変形体７１０のＺ軸正側には、検出対象の力を受けるための受力体７６０（不図示）が配置されている。支持体７５０及び受力体７６０と各固定部７１５Ｂ、７１５Ｃ、７１５Ｅ、７１５Ｈ及び各受力部７１４Ａ、７１４Ｂ、７１４Ｄ、７１４Ｆとの関係は、第３の実施の形態（図１８、図１９等参照）と実質的に同様であるため、ここではその詳細な説明を省略する。
更に、本変形例による力覚センサ７００ｃは、基本構造７００の各計測部位Ｄ１１〜Ｄ８２に各２つずつ配置された合計３２個の容量素子Ｃ１１ａ〜Ｃ８２ｂを含む検出回路７４０を有している。各梁７２１Ａ〜７２１Ｈにおける容量素子Ｃ１１ａ〜Ｃ８１ｂの配置は、第３の実施の形態（図２７参照）と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
次に、図４２は、受力部７６０にＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸方向のモーメントＦｘ〜Ｍｚが作用したときに、図４１の力覚センサの各傾動部７１３Ａ〜７１３Ｈに生じる傾動の向きと、各変位部Ｄ１１〜Ｄ８２に生じる変位とを、一覧で示す図表である。
図４２に示す図表では、変形要素が相対的に小さい弾性変形を呈することによって、相対的に小さい傾動を示す傾動部、及び、相対的に小さい変位を示す変位部、に対応する欄には、括弧付きで傾動の向き及び変位の符号を示してある。図示しないが、ＸＹＺ三次元座標系における各軸方向の力及び各軸方向のモーメントＦｘ〜Ｍｚが作用したときに各容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２に生じる静電容量値の変動は、図４２の表において、当該容量素子Ｃ１１〜Ｃ８２に対応する変位部Ｄ１１〜Ｄ８２の欄に示す変位の符号を反転させればよい。この場合、「＋」の符号は静電容量値の増大を表し、「−」の符号は静電容量値の減少を表す。
そして、検出回路７４０のマイコン７４４は、作用した力及びモーメントＦｘ〜Ｍｚを次の［式２６］及び［式２７］により計測する。各式の左辺の末尾の数字が「１」である［式２６］は、相対的に梁の端部側に位置する、末尾に「ａ」が付された容量素子に基づいている。一方、各式の左辺の末尾の数字が「２」である［式２７］は、相対的に梁の内側に位置する、末尾に「ｂ」が付された容量素子に基づいている。
［式２６］
＋Ｆｘ１＝Ｃ１１ａ−Ｃ１２ａ＋Ｃ２１ａ−Ｃ２２ａ＋Ｃ３１ａ−Ｃ３２ａ＋Ｃ４１ａ−Ｃ４２ａ−Ｃ５１ａ＋Ｃ５２ａ−Ｃ６１ａ＋Ｃ６２ａ−Ｃ７１ａ＋Ｃ７２ａ−Ｃ８１ａ＋Ｃ８２ａ
＋Ｆｙ１＝Ｃ１１ａ−Ｃ１２ａ＋Ｃ２１ａ−Ｃ２２ａ−Ｃ３１ａ＋Ｃ３２ａ−Ｃ４１ａ＋Ｃ４２ａ−Ｃ５１ａ＋Ｃ５２ａ−Ｃ６１ａ＋Ｃ６２ａ＋Ｃ７１ａ−Ｃ７２ａ＋Ｃ８１ａ−Ｃ８２ａ
＋Ｆｚ１＝−Ｃ１１ａ＋Ｃ１２ａ＋Ｃ２１ａ−Ｃ２２ａ−Ｃ３１ａ＋Ｃ３２ａ＋Ｃ４１ａ−Ｃ４２ａ−Ｃ５１ａ＋Ｃ５２ａ＋Ｃ６１ａ−Ｃ６２ａ−Ｃ７１ａ＋Ｃ７２ａ＋Ｃ８１ａ−Ｃ８２ａ
＋Ｍｘ１＝Ｃ２１ａ−Ｃ２２ａ−Ｃ３１ａ＋Ｃ３２ａ−Ｃ６１ａ＋Ｃ６２ａ＋Ｃ７１ａ−Ｃ７２ａ
＋Ｍｙ１＝−Ｃ１１ａ＋Ｃ１２ａ−Ｃ４１ａ＋Ｃ４２ａ＋Ｃ５１ａ−Ｃ５２ａ＋Ｃ８１ａ−Ｃ８２ａ
＋Ｍｚ１＝−Ｃ１１ａ＋Ｃ１２ａ−Ｃ２１ａ＋Ｃ２２ａ−Ｃ３１ａ＋Ｃ３２ａ−Ｃ４１ａ＋Ｃ４２ａ−Ｃ５１ａ＋Ｃ５２ａ−Ｃ６１ａ＋Ｃ６２ａ−Ｃ７１ａ＋Ｃ７２ａ−Ｃ８１ａ＋Ｃ８２ａ
［式２７］
＋Ｆｘ２＝Ｃ１１ｂ−Ｃ１２ｂ＋Ｃ２１ｂ−Ｃ２２ｂ＋Ｃ３１ｂ−Ｃ３２ｂ＋Ｃ４１ｂ−Ｃ４２ｂ−Ｃ５１ｂ＋Ｃ５２ｂ−Ｃ６１ｂ＋Ｃ６２ｂ−Ｃ７１ｂ＋Ｃ７２ｂ−Ｃ８１ｂ＋Ｃ８２ｂ
＋Ｆｙ２＝Ｃ１１ｂ−Ｃ１２ｂ＋Ｃ２１ｂ−Ｃ２２ｂ−Ｃ３１ｂ＋Ｃ３２ｂ−Ｃ４１ｂ＋Ｃ４２ｂ−Ｃ５１ｂ＋Ｃ５２ｂ−Ｃ６１ｂ＋Ｃ６２ｂ＋Ｃ７１ｂ−Ｃ７２ｂ＋Ｃ８１ｂ−Ｃ８２ｂ
＋Ｆｚ２＝−Ｃ１１ｂ＋Ｃ１２ｂ＋Ｃ２１ｂ−Ｃ２２ｂ−Ｃ３１ｂ＋Ｃ３２ｂ＋Ｃ４１ｂ−Ｃ４２ｂ−Ｃ５１ｂ＋Ｃ５２ｂ＋Ｃ６１ｂ−Ｃ６２ｂ−Ｃ７１ｂ＋Ｃ７２ｂ＋Ｃ８１ｂ−Ｃ８２ｂ
＋Ｍｘ２＝Ｃ２１ｂ−Ｃ２２ｂ−Ｃ３１ｂ＋Ｃ３２ｂ−Ｃ６１ｂ＋Ｃ６２ｂ＋Ｃ７１ｂ−Ｃ７２ｂ
＋Ｍｙ２＝−Ｃ１１ｂ＋Ｃ１２ｂ−Ｃ４１ｂ＋Ｃ４２ｂ＋Ｃ５１ｂ−Ｃ５２ｂ＋Ｃ８１ｂ−Ｃ８２ｂ
＋Ｍｚ２＝−Ｃ１１ｂ＋Ｃ１２ｂ−Ｃ２１ｂ＋Ｃ２２ｂ−Ｃ３１ｂ＋Ｃ３２ｂ−Ｃ４１ｂ＋Ｃ４２ｂ−Ｃ５１ｂ＋Ｃ５２ｂ−Ｃ６１ｂ＋Ｃ６２ｂ−Ｃ７１ｂ＋Ｃ７２ｂ−Ｃ８１ｂ＋Ｃ８２ｂ
なお、力覚センサ７００ｃの受力体７６０に各軸の負方向の力−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚまたは各軸の負まわりのモーメント−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚが作用した場合は、前述したように、各変位部Ｄ１１〜Ｄ８２のＺ軸方向の変位が図４２とは逆方向になる。このため、力−Ｆｘ、−Ｆｙ、−Ｆｚまたはモーメント−Ｍｘ、−Ｍｙ、−Ｍｚを検出するには、［式２９］の右辺のＣ１１〜Ｃ８２の符号を全て逆にすればよい。
また、本実施の形態による力覚センサ７００ｃは、上記３−５．と同様にして他軸感度を求めると、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の全ての他軸感度がゼロであることが分かる。従って、図４１に示す力覚センサ７００ｃは、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の全てを検出することができる。
更に、力覚センサ７００ｃの検出回路７４０は、力覚センサ７００ｃが正常に機能しているか否かを判定する機能を有している。この判定のプロセスは、上記３−６．で説明した通りである。この場合も、このような検出回路７４０によれば、容量素子Ｃ１１ａ〜Ｃ８２ｂを構成する電極の破損、短絡、異物の混入などの異常を単一の力覚センサ７００ｃによって検知することができる。
＜＜＜ §８． ストッパ機構を有する力覚センサ ＞＞＞
＜ ８−１．実施例１ ＞
次に、§１〜§７で説明した力覚センサが、過負荷によって故障してしまうことを回避するための工夫について説明する。
図４３は、過負荷を防止するためのストッパ機構を備えた基本構造１０１を示す概略正面図である。基本構造１０１は、全体として、図１に示す基本構造１００と同様の構成を有している。図４３において、図１と共通する構成には同じ符号を付してある。
一方、基本構造１０１は、受力部１４の下端に当接部１４ｐが設けられ、この当接部１４ｐと対面する支持体５０の部分が、当接部１４ｐに当接される被当接部５０ｐとなっている点で、図１に示す基本構造１００と異なる。受力部１４に力が作用していないとき、当接部１４ｐと被当接部５０ｐとは離間している。この離間距離は、基本構造１０１が正常に機能する範囲を超えて、あるいは故障や破損しない範囲を超えて、受力部１４がＺ軸負方向に変位することを回避し得る寸法に、設定されている。
次に、図４４は、受力部１４に過大なＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの、図４３に示す基本構造１０１の変形状態を示す概略正面図である。上述した構成により、基本構造１０１が正常に機能する範囲を超えた過大なＺ軸負方向の力−Ｆｘが受力部１４に作用すると、当接部１４ｐを含む受力部１４はＺ軸負方向に変位し、やがて当接部１４ｐが被当接部５０ｐに当接する。これにより、当接部１４ｐの更なるＺ軸負方向への変位が規制される。この結果、変形体１０に過大な負荷が伝達されないため、基本構造１０１が故障（破損）してしまうことが回避される。なお、受力部１４に作用する力によって変形体１０に生じる弾性変形、及びこの弾性変形によって変位体２０に生じる変位については、§１で説明した通りである。このため、ここではその詳細な説明を省略する。
以上のような基本構造１０１によれば、Ｚ軸負方向に過大な力−Ｆｚが作用しても、当接部１４ｐと被当接部５０ｐとの離間距離が所定の値以下であるため、受力部１４のＺ軸負方向への変位が所定の範囲内に制限される。このため、過負荷によって故障しにくい基本構造１０１を実現することができる。更に、この基本構造１０１を採用して力覚センサを構成すれば、過負荷によって故障しにくい力覚センサを実現することができる。
なお、図４３では、当接部１４ｐと被当接部５０ｐとの離間距離を所定の値以下とするため、図１に示す基本構造１００において、受力部１４の下端を下方に延長することによって当接部１４ｐを構成した。しかしながら、これとは逆に、支持体５０のうち受力部１４に対面する部分を上方に突出させて被当接部５０ｐを構成することで、当接部１４ｐと被当接部５０ｐとの離間距離を所定の値以下として良い。この場合も、過負荷によって故障しにくい基本構造を実現することができる。
このようなストッパ機構を備えた基本構造１０１は、もちろん、上述した故障診断機能を有する力覚センサとして構成することも可能である。この場合、故障診断の方法は、§１で説明した通りであるため、ここでは繰り返しの説明は省略する。このことは、後述する各実施例においても同様である。
＜ ８−２．実施例２ ＞
次に、図４５〜図５０を参照して、ストッパ機構の他の実施例について説明する。
図４５は、他の例による過負荷を防止するためのストッパ機構を備えた基本構造１０２を示す概略正面図であり、図４６は、図４５の概略平面図である。
図４５及び図４６に示すように、基本構造１０２は、全体として、図１及び図２に示す基本構造１００と同様の構成を有している。図４５及び図４６において、図１と共通する構成には同じ符号を付してある。
但し、基本構造１０２は、受力部１４のＸ軸正側の側面及びＸ軸負側の側面に、Ｙ軸方向に沿って延在する一対の凹部１４ａが形成されている。更に、基本構造１０２は、変形体１０の固定部１５、または支持体５０に接続された一対のストッパ７０を有している。詳細には図示されていないが、このストッパ７０は、変形体１０及び変位体２０に干渉することなく、受力部１４の近位まで延びている支持部により支持されている。一対のストッパ７０は、Ｙ軸方向から見て同一の形状を有しており、互いに同一のＺ座標を有している。
図４６に示すように、ストッパ７０は、少なくとも一部が一対の凹部１４ａ内に位置している。ストッパ７０は、固定部１５及び支持体５０に対して変位しない。このため、当該ストッパ７０と凹部１４ａの上面（Ｚ軸負方向を向いた面）との離間距離は、受力部１４に許容されるＺ軸負方向への変位を規定し、当該ストッパ７０と凹部１４ａの下面（Ｚ軸正方向を向いた面）との離間距離は、受力部１４に許容されるＺ軸正方向への変位を規定している。更に、一対のストッパ７０のうちＸ軸負側のストッパを７０Ｌ、Ｘ軸正側のストッパを７０Ｒとする。このとき、ストッパ７０Ｌと凹部１４ａの側面（Ｘ軸負方向を向いた面）との離間距離は、受力部１４に許容されるＸ軸負方向への変位を規定し、ストッパ７０Ｒと凹部１４ａの側面（Ｘ軸正方向を向いた面）との離間距離は、受力部１４に許容されるＸ軸正方向への変位を規定している。このように、一対のストッパ７０は、受力部１４の固定部１５に対するＸ軸方向及びＺ軸方向への相対移動を、所定の範囲に制限するようになっている。
次に、図４７は、受力部１４に過大なＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの、基本構造１０２の変形状態を示す概略正面図であり、図４８は、受力部１４に過大なＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの、基本構造１０２の変形状態を示す概略正面図である。また、図４９は、受力部１４に過大なＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの基本構造１０２の変形状態を示す概略正面図であり、図５０は、受力部１４に過大なＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの、基本構造１０２の変形状態を示す概略正面図である。
上述した構成により、基本構造１０２が正常に機能する範囲を超えた過大なＸ軸正方向の力＋Ｆｘが受力部１４に作用すると、受力部１４はＸ軸正方向に変位し、やがて受力部１４がストッパ７０Ｒに当接する。これにより、受力部１４の更なるＸ軸正方向への変位が規制される（図４７参照）。更に、基本構造１０２が正常に機能する範囲を超えた過大なＸ軸負方向の力−Ｆｘが受力部１４に作用すると、受力部１４はＸ軸負方向に変位し、やがて受力部１４がストッパ７０Ｌに当接する。これにより、受力部１４の更なるＸ軸負方向への変位が規制される（図４８参照）。以上から、過大な力が受力部１４にＸ軸正方向に作用してもＸ軸負方向に作用しても、基本構造１０２の故障（破損）が回避される。
更に、基本構造１０２が正常に機能する範囲を超えた過大なＺ軸正方向の力＋Ｆｚが受力部１４に作用すると、受力部１４はＺ軸正方向に変位し、やがて受力部１４が一対のストッパ７０に当接する。これにより、受力部１４の更なるＺ軸正方向への変位が規制される（図５０参照）。更に、基本構造１０２が正常に機能する範囲を超えた過大なＺ軸負方向の力−Ｆｚが受力部１４に作用すると、受力部１４はＺ軸負方向に変位し、やがて受力部１４が一対のストッパ７０に当接する。これにより、受力部１４の更なるＺ軸負方向への変位が規制される（図４９参照）。以上から、過大な力が受力部１４にＺ軸正方向に作用してもＺ軸負方向に作用しても、基本構造１０２の故障（破損）が回避される。なお、受力部１４に作用する力によって変形体１０に生じる弾性変形、及びこの弾性変形によって変位体２０に生じる変位については、§１で説明した通りである。このため、ここではその詳細な説明を省略する。
以上のような基本構造１０２によれば、Ｘ軸方向及びＺ軸負方向に過大な力Ｆｘ、Ｆｚが作用しても、一対のストッパ７０の存在によって、受力部１４のＺ軸及びＺ軸負方向への変位が所定の範囲内に制限される。このため、過負荷によって故障しにくい基本構造１０２を実現することができる。更に、この基本構造１０２を採用して力覚センサを構成すれば、過負荷によって故障しにくい力覚センサを実現することができる。
＜ ８−３．実施例３ ＞
次に、図５１〜図５７を参照して、ストッパ機構の更に他の実施例について説明する。
図５１は、更に他の例による過負荷を防止するためのストッパ機構を備えた基本構造１０３を示す概略正面図であり、図５２はその概略平面図である。
図５１及び図５２に示すように、基本構造１０３は、全体として、図１に示す基本構造１００と同様の構成を有している。図５１及び図５２において、図１及び図２と共通する構成には同じ符号を付してある。
図５１及び図５２に示すように、基本構造１０３は、受力部１４にＹ軸方向と平行に延在する貫通孔１４ｂが設けられている。貫通孔１４ｂは、Ｙ軸と平行な中心軸線を有する円筒の形状を有している。更に、基本構造１０３は、変形体１０の固定部１５に接続されたストッパ７１を有している。詳細には図示されていないが、このストッパ７１は、変形体１０及び変位体２０に干渉することなく、受力部１４の近位まで延びている支持部により支持されている。ストッパ７１は、Ｙ軸と平行に延びる中心軸線を有する円柱の形状を有している。
図５１および図５２に示すように、ストッパ７１は、少なくとも一部が受力部１４の貫通孔１４ｂ内に同心に位置している。ストッパ７１は、固定部１５及び支持体５０に対して変位しない。このため、当該ストッパ７１の半径と貫通孔１４ｂの半径との差は、受力部１４に許容されるＸＺ平面内における変位を規定している。このような構成により、ストッパ７１は、受力部１４の固定部１５に対するＸ軸方向及びＺ軸方向への相対移動を、所定の範囲に制限するようになっている。
次に、図５３は、受力部１４に過大なＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの、基本構造１０３の変形状態を示す概略正面図であり、図５４は、受力部１４に過大なＸ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときの、基本構造１０３の変形状態を示す概略正面図である。また、図５５は、受力部１４に過大なＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの基本構造１０３の変形状態を示す概略正面図であり、図５６は、受力部１４に過大なＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの、基本構造１０３の変形状態を示す概略正面図である。
上述した構成により、図５３〜図５６に示すように、基本構造１０３が正常に機能する範囲を超えた過大なＸ軸及びＺ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｚが受力部１４に作用すると、受力部１４はＸＺ平面内で変位し、やがて受力部１４がストッパ７１に当接する。これにより、受力部１４の更なるＸＺ平面内における変位が規制される。このように、過大なＸ軸及びＺ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｚが受力部１４に作用しても、基本構造１０３の故障（破損）が回避される。なお、受力部１４に作用する力によって変形体１０に生じる弾性変形、及びこの弾性変形によって変位体２０に生じる変位については、§１で説明した通りである。このため、ここではその詳細な説明を省略する。
以上のような基本構造１０３によれば、Ｘ軸方向及びＺ軸負方向に過大な力Ｆｘ、Ｆｚが作用しても、ストッパ７１の存在によって、受力部１４のＸ軸及びＺ軸負方向への変位が所定の範囲内に制限される。このため、過負荷によって故障しにくい基本構造１０３を実現することができる。更に、この基本構造１０３を採用して力覚センサを構成すれば、過負荷によって故障しにくい力覚センサを実現することができる。
＜ ８−４．変形例 ＞
次に、図５７は、図４３の変形例による基本構造１０４を示す概略正面図である。図４３に示す基本構造１０１では、当接部１４ｐ及び被当接部５０ｐが共にＸＹ平面と平行な面として規定されていた。このため、受力部１４に過大なＸ軸方向の力Ｆｘが作用した際には、受力部１４の変位が所定の範囲内に制限されない。これに対し、図５７に示す基本構造１０４では、受力部１４の当接部１４ｇが凹部を有し、当接部１４ｐに当接される被当接部５０ｇが凸部を有している。当接部１４ｇの凹部と被当接部５０ｇの凸部とのＸ軸方向及びＺ軸方向の各離間距離は、基本構造１０４が正常に機能する範囲を超えて、あるいは故障や破損しない範囲を超えて、受力部１４がＸ軸方向及びＺ軸負方向に変位することを回避し得る寸法に、設定されている。なお、図５７では、当接部１４ｇの凹部及び被当接部５０ｇの凸部が、Ｚ軸正方向に湾曲した湾曲面として示されているが、このような態様には限定されない。他の例としては、当接部１４ｇの凹部及び被当接部５０ｇの凸部として、Ｙ軸方向から観察して矩形の断面形状を有する凹部及び凸部が採用され得る。
このような構成によれば、過大なＺ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合のみならず、過大なＸ軸方向の力Ｆｘが作用した場合にも、受力部１４のＸ軸方向の変位を所定の範囲内に制限することができる。これにより、過負荷によって故障しにくい基本構造１０４を実現することができる。更に、この基本構造１０４を採用して力覚センサを構成すれば、過負荷によって故障しにくい力覚センサを実現することができる。
更に、図示は省略するが、被当接部５０ｇを、例えばＸ軸方向に延在するロッド部を有するＬ字またはＴ字の形状に構成し、当接部１４ｇを、当該Ｌ字またはＴ字の形状のロッド部によって貫通されるように構成することも考えられる。要するに、支持体５０がストッパの機能をも提供するように構成されている。この場合、過大なＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用しても故障が生じにくい基本構造１０４を実現することができる。
なお、以上の８−１〜８−４で示したストッパ機構は、§１に示す基本構造１００及び力覚センサ１００ｃに限らず、§２〜§７に示す各基本構造２００〜７００及び力覚センサ２００ｃ〜７００ｃにも採用され得る。すなわち、§２〜§７に示す各基本構造２００〜７００は、§１に示す基本構造１００を２つ、４つあるいは８つ組み合わせて構成されていると捉えることができる。このため、各基本構造２００〜７００のうち、§１に示す基本構造１００に対応する構成部分の少なくとも１つに、好ましくは全てに、上述したストッパ機構のいずれかを採用すればよい。この場合、§２〜§７に示す各基本構造２００〜７００及び力覚センサ２００ｃ〜７００ｃに過大な力及び／またはモーメントが作用しても、当該基本構造２００〜７００及び力覚センサ２００ｃ〜７００ｃに故障や破損が生じることを抑制することができる。

Claims (36)

  1. 受力部と固定部とを有し、前記受力部に作用した力により弾性変形を生じる変形体と、
    前記変形体に接続され、当該変形体に生じる弾性変形により変位を生じる変位体と、
    前記変位体に生じる変位に基づいて、作用した力を検出する検出回路と、を備え、
    前記変形体は、
    長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に配置された傾動部と、
    前記受力部と前記傾動部とを接続する第１変形部と、
    前記固定部と前記傾動部とを接続する第２変形部と、を有し、
    各変形部は、前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在し、
    前記第１変形部と前記傾動部との接続部位と、前記第２変形部と前記傾動部との接続部位とは、当該傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
    前記変位体は、前記傾動部に接続されているが前記固定部から離間した変位部を有し、
    前記検出回路は、前記変位部に配置された第１変位センサ及び第２変位センサを有し、
    前記検出回路は、前記第１変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第１電気信号を出力し、且つ、前記第２変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第２電気信号を出力し、当該第１電気信号及び当該第２電気信号に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定する、力覚センサ。
  2. 前記検出回路は、前記第１電気信号と前記第２電気信号との和である合算電気信号を出力し、
    前記検出回路は、前記合算電気信号と、前記第１電気信号及び前記第２電気信号の少なくとも一方と、に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定する、請求項１に記載の力覚センサ。
  3. 前記変位体に対向配置され、前記固定部に接続された支持体を更に備え、
    各変位センサは、前記変位体の前記変位部に配置された変位電極と、この変位電極に対向して前記支持体上に配置された固定電極と、を有する容量素子である、請求項１または２に記載の力覚センサ。
  4. 前記変位部は、前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する梁を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の力覚センサ。
  5. 前記梁には、第１計測部位が規定され、
    前記検出回路は、前記第１計測部位の変位を計測する、第１−１変位センサ及び第１−２変位センサを有し、
    前記検出回路は、前記第１−１変位センサの検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第１−２変位センサの検出値に基づいて前記第２電気信号を出力する、請求項４に記載の力覚センサ。
  6. 前記梁には、第１計測部位及び第２計測部位が規定され、
    前記検出回路は、前記第１計測部位の変位を計測する、第１−１変位センサ及び第１−２変位センサと、前記第２計測部位の変位を計測する、第２−１変位センサ及び第２−２変位センサと、を有し、
    前記検出回路は、前記第１−１変位センサ及び前記第１−２変位センサの各検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第２−１変位センサ及び前記第２−２変位センサの各検出値に基づいて前記第２電気信号を出力する、請求項４に記載の力覚センサ。
  7. 前記変位部は、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する接続体を有し、
    前記変位体の前記第１計測部位及び前記第２計測部位は、前記接続体と前記梁との接続部位に関して対称的に規定され、
    前記検出回路は、前記第１−１変位センサの検出値と前記第２−２変位センサの検出値との差に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第１−２変位センサの検出値と前記第２−１変位センサの検出値との差に基づいて前記第２電気信号を出力する、請求項６に記載の力覚センサ。
  8. 前記検出回路は、前記第１電気信号、または、前記第１電気信号と前記第２電気信号との和である合算電気信号、に基づいて作用した力を検出する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の力覚センサ。
  9. 閉ループ状の変形体であって、２つの受力部と、閉ループ状の経路に沿って前記２つの受力部と交互に配置された２つの固定部と、前記閉ループ状の経路に沿って隣接する前記受力部及び前記固定部を接続し前記受力部に作用した力ないしモーメントにより弾性変形を生じる４つの変形要素と、を有する変形体と、
    各変形要素に接続され、当該変形要素に生じる弾性変形により変位を生じる４つの変位体と、
    前記４つの変位体に生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出する検出回路と、を備え、
    前記４つの変形要素は、それぞれ、
    長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に配置された傾動部と、
    対応する前記受力部と前記傾動部とを接続する第１変形部と、
    対応する前記固定部と前記傾動部とを接続する第２変形部と、を有し、
    前記第１変形部及び前記第２変形部は、前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在し、
    前記第１変形部と前記傾動部との接続部位と、前記第２変形部と前記傾動部との接続部位とは、当該傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
    前記４つの変位体は、それぞれ、対応する前記傾動部に接続されているが対応する前記固定部から離間した変位部を有し、
    前記検出回路は、少なくとも４つの第１変位センサと少なくとも４つの第２変位センサとを有し、
    前記少なくとも４つの第１変位センサ及び前記少なくとも４つの第２変位センサは、各変位部に少なくとも１つずつ配置されており、
    前記検出回路は、各第１変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第１電気信号を出力し、且つ、各第２変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第２電気信号を出力し、当該第１電気信号及び当該前記第２電気信号に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定する、力覚センサ。
  10. 前記検出回路は、前記第１電気信号と前記第２電気信号との和である合算電気信号を出力し、
    前記検出回路は、前記合算電気信号と、前記第１電気信号及び前記第２電気信号の少なくとも一方と、に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定する、請求項９に記載の力覚センサ。
  11. 前記４つの変位体に対向配置され、前記固定部に接続された支持体を更に備え、
    各変位センサは、各変位体の前記変位部に配置された変位電極と、各変位電極に対向して前記支持体上に配置された固定電極と、を有する容量素子である、請求項９または１０に記載の力覚センサ。
  12. 前記４つの変位体は、それぞれ、対応する前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する梁を有する、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の力覚センサ。
  13. 各梁には、第１計測部位が規定され、
    前記検出回路は、各第１計測部位の変位を計測する、第１−１変位センサ及び第１−２変位センサを有し、
    前記検出回路は、各第１−１変位センサの検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、各第１−２変位センサの検出値に基づいて前記第２電気信号を出力する、請求項１２に記載の力覚センサ。
  14. 各梁には、第１計測部位及び第２計測部位が規定され、
    前記検出回路は、各第１計測部位の変位を計測する、第１−１変位センサ及び第１−２変位センサと、各第２計測部位の変位を計測する、第２−１変位センサ及び第２−２変位センサと、を有し、
    前記検出回路は、各第１−１変位センサ及び各第２−１変位センサの各検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、各第１−２変位センサ及び各第２−２変位センサの各検出値に基づいて前記第２電気信号を出力する、請求項１２に記載の力覚センサ。
  15. 各変位部は、前記変形体の前記傾動部と前記梁とを接続する接続体を有し、
    各変位体の前記第１計測部位及び前記第２計測部位は、前記接続体と前記梁との接続部位に関して対称的に規定され、
    各第１−１変位センサ、各第１−２変位センサ、各第２−２変位センサ及び各第２−１変位センサは、対応する前記梁の長さ方向に沿ってこの順序で配置され、
    前記検出回路は、前記第１−１変位センサの検出値と前記第２−１変位センサの検出値との差に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第１−２変位センサの検出値と前記第２−２変位センサ検出値との差に基づいて前記第２電気信号を出力する、請求項１４に記載の力覚センサ。
  16. 前記検出回路は、前記第１電気信号、または、前記第１電気信号と前記第２電気信号との和である合算電気信号に基づいて、作用した力を検出する、請求項９〜１５のいずれか一項に記載の力覚センサ。
  17. 前記検出回路は、前記合算電気信号と、前記第１電気信号及び前記第２電気信号の少なくとも一方と、の差または比に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定する、請求項２または１０に記載の力覚センサ。
  18. 受力部と固定部とを有し、前記受力部に作用した力により弾性変形を生じる変形体と、
    前記変形体に接続され、当該変形体に生じる弾性変形により変位を生じる変位体と、
    前記変位体に生じる変位に基づいて、作用した力を検出する検出回路と、を備え、
    前記変形体は、
    長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に当該受力部から当該固定部に向かって順次配置された第１傾動部及び第２傾動部と、
    前記第１傾動部と前記第２傾動部との間に配置された力伝達部と、
    前記受力部と前記第１傾動部とを接続する第１−１変形部、前記力伝達部と前記第１傾動部とを接続する第１−２変形部、前記力伝達部と前記第２傾動部とを接続する第２−１変形部、及び、前記固定部と前記第２傾動部とを接続する第２−２変形部と、を有し、
    各変形部は、それぞれ、各傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在し、
    前記第１−１変形部と前記第１傾動部との接続部位と、前記第１−２変形部と前記第１傾動部との接続部位とは、当該第１傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
    前記第２−１変形部と前記第２傾動部との接続部位と、前記第２−２変形部と前記第２傾動部との接続部位とは、当該第２傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
    前記第１−１変形部及び第１−２変形部のバネ定数と、前記第２−１変形部及び第２−２変形部のバネ定数とが、異なっており、
    前記変位体は、前記第１傾動部に接続されているが前記固定部から離間した第１変位部と、前記第２傾動部に接続されているが前記固定部から離間した第２変位部と、を有し、
    前記検出回路は、前記第１変位部の変位を計測する第１変位センサと、前記第２変位部の変位を計測する第２変位センサと、を有し、
    前記検出回路は、前記第１変位センサの検出値に基づいて作用した力を示す第１電気信号を出力し、且つ、前記第２変位センサの検出値に基づいて作用した力を示す第２電気信号を出力し、当該第１電気信号と当該第２電気信号との比率の変化に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定する、力覚センサ。
  19. 前記変位体に対向配置され、前記固定部に接続された支持体を更に備え、
    各変位センサは、前記変位体の各変位部に配置された変位電極と、この変位電極に対向して前記支持体上に配置された固定電極と、を有する容量素子である、請求項１８に記載の力覚センサ。
  20. 前記第１変位部は、前記第１傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する第１梁を有し、
    前記第２変位部は、前記第２傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する第２梁を有する、請求項１８または１９に記載の力覚センサ。
  21. 前記第１梁には、第１−１計測部位が規定され、
    前記第２梁には、第２−１計測部位が規定され、
    前記検出回路は、前記第１−１計測部位の変位を計測する第１−１変位センサと、前記第２−１計測部位の変位を計測する第２−１変位センサと、を有し、
    前記検出回路は、前記第１−１変位センサの検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第２−１変位センサの検出値に基づいて前記第２電気信号を出力する、請求項２０に記載の力覚センサ。
  22. 前記第１梁には、第１−１計測部位及び第１−２計測部位が規定され、
    前記第２梁には、第２−１計測部位及び第２−２計測部位が規定され、
    前記検出回路は、前記第１−１計測部位の変位を計測する第１−１変位センサ、前記第１−２計測部位の変位を計測する第１−２変位センサ、前記第２−１計測部位の変位を計測する第２−１変位センサ、及び、前記第２−２計測部位の変位を計測する第２−２変位センサを有し、
    前記検出回路は、前記第１−１変位センサ及び前記第１−２変位センサの各検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第２−１変位センサ及び前記第２−２変位センサの各検出値に基づいて前記第２電気信号を出力する、請求項２０に記載の力覚センサ。
  23. 前記第１変位部は、前記第１傾動部と前記第１梁とを接続する第１接続体を有し、
    前記第２変位部は、前記第２傾動部と前記第２梁とを接続する第２接続体を有し、
    前記第１変位部の前記第１−１計測部位及び前記第１−２計測部位は、前記第１接続体と前記第１梁との接続部位に関して対称的に規定され、
    前記第２変位部の前記第２−１計測部位及び前記第２−２計測部位は、前記第２接続体と前記第２梁との接続部位に関して対称的に規定され、
    前記検出回路は、前記第１−１変位センサの検出値と前記第１−２変位センサの検出値との差に基づいて前記第１電気信号を出力し、前記第２−１変位センサの検出値と前記第２−２変位センサの検出値との差に基づいて前記第２電気信号を出力する、請求項２２に記載の力覚センサ。
  24. 閉ループ状の変形体であって、２つの受力部と、閉ループ状の経路に沿って前記２つの受力部と交互に配置された２つの固定部と、前記閉ループ状の経路に沿って隣接する前記受力部及び前記固定部を接続し前記受力部に作用した力ないしモーメントにより弾性変形を生じる４つの変形要素と、を有する変形体と、
    各変形要素に接続され、当該変形要素に生じる弾性変形により変位を生じる変位体と、
    前記変位体に生じる変位に基づいて、作用した力及びモーメントの少なくとも一方を検出する検出回路と、を備え、
    前記４つの変形要素は、それぞれ、
    長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に当該受力部から当該固定部に向かって順次配置された第１傾動部及び第２傾動部と、
    前記第１傾動部と前記第２傾動部との間に配置された力伝達部と、
    前記第１傾動部と対応する前記受力部とを接続する第１−１変形部、前記力伝達部と前記第１傾動部とを接続する第１−２変形部、前記力伝達部と前記第２傾動部とを接続する第２−１変形部、及び、前記第２傾動部と対応する前記固定部とを接続する第２−２変形部と、を有し、
    前記第１−１変形部、前記第１−２変形部、前記第２−１変形部、及び前記第２−２変形部は、各傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在し、
    前記第１−１変形部と前記第１傾動部との接続部位と、前記第１−２変形部と前記第１傾動部との接続部位とは、当該第１傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
    前記第２−１変形部と前記第２傾動部との接続部位と、前記第２−２変形部と前記第２傾動部との接続部位とは、当該第２傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
    前記第１−１変形部及び第１−２変形部のバネ定数と、前記第２−１変形部及び第２−２変形部のバネ定数とが、異なっており、
    各変位体は、対応する前記第１傾動部に接続されているが各固定部から離間した第１変位部と、対応する第２傾動部に接続されているが各固定部から離間した第２変位部と、を有し、
    前記検出回路は、各第１変位部の変位を計測する少なくとも４つの第１変位センサと、各第２変位部の変位を計測する少なくとも４つの第２変位センサと、を有し、
    前記検出回路は、各第１変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第１電気信号を出力し、且つ、各第２変位センサの検出値に基づいて、作用した力を示す第２電気信号を出力し、当該第１電気信号と当該第２電気信号との比率の変化に基づいて、力の検出が正常に行われているか否かを判定する、力覚センサ。
  25. 前記第１変位部及び前記第２変位部に対向配置され、前記固定部に接続された支持体を更に備え、
    各変位センサは、前記変位体の各変位部に配置された変位電極と、この変位電極に対向して前記支持体上に配置された固定電極と、を有する容量素子である、請求項２４に記載の力覚センサ。
  26. 各第１変位部は、対応する前記第１傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する第１梁を有し、
    各第２変位部は、対応する前記第２傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在する第２梁を有する、請求項２４または２５に記載の力覚センサ。
  27. 各第１梁には、第１−１計測部位が規定され、
    各第２梁には、第２−１計測部位が規定され、
    前記検出回路は、各第１−１計測部位の変位を計測する第１−１変位センサと、各第２−１計測部位の変位を計測する第２−１変位センサと、を有し、
    前記検出回路は、各第１−１変位センサの検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、各第２−１変位センサの検出値に基づいて前記第２電気信号を出力する、請求項２６に記載の力覚センサ。
  28. 各第１梁には、第１−１計測部位及び第１−２計測部位が規定され、
    各第２梁には、第２−１計測部位及び第２−２計測部位が規定され、
    前記検出回路は、各第１−１計測部位の変位を計測する第１−１変位センサ、各第１−２計測部位の変位を計測する第１−２変位センサ、各第２−１計測部位の変位を計測する第２−１変位センサ、及び、各第２−２計測部位の変位を計測する第２−２変位センサを有し、
    前記検出回路は、各第１−１変位センサ及び各第１−２変位センサの各検出値に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、各第２−１変位センサ及び各第２−２変位センサの各検出値に基づいて前記第２電気信号を出力する、請求項２６に記載の力覚センサ。
  29. 各第１変位部は、前記第１傾動部と前記第１梁とを接続する第１接続体を有し、
    各第２変位部は、前記第２傾動部と前記第２梁とを接続する第２接続体を有し、
    前記第１変位部の前記第１−１計測部位及び前記第１−２計測部位は、前記第１接続体と前記第１梁との接続部位に関して対称的に規定され、
    前記第２変位部の前記第２−１計測部位及び前記第２−２計測部位は、前記第２接続体と前記第２梁との接続部位に関して対称的に規定され、
    前記検出回路は、前記第１−１変位センサの検出値と前記第１−２変位センサの検出値との差に基づいて前記第１電気信号を出力し、且つ、前記第２−１変位センサの検出値と前記第２−２変位センサの検出値との差に基づいて前記第２電気信号を出力する、請求項２８に記載の力覚センサ。
  30. 前記検出回路は、力の検出が正常に行われているときの前記第１電気信号と前記第２電気信号との比率を基準比率として記憶しており、
    前記検出回路は、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、に基づいて力の検出が正常に行われているか否かを判定する、請求項１８〜２９のいずれか一項に記載の力覚センサ。
  31. 前記受力部は、前記固定部に対する相対移動が所定の範囲内に制限される、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の力覚センサ。
  32. 前記受力部は、前記固定部及び前記支持体の少なくとも一方に対する相対移動が所定の範囲内に制限される、請求項３、１１、１９または２５に記載の力覚センサ。
  33. 受力部と固定部とを有し、前記受力部に作用した力により弾性変形を生じる変形体と、
    前記変形体に接続され、当該変形体に生じる弾性変形により変位を生じる変位体と、
    前記変位体に生じる変位に基づいて、作用した力を検出する検出回路と、
    前記固定部に接続された支持体と、を備え、
    前記変形体は、
    長手方向を有し、前記受力部と前記固定部との間に配置された傾動部と、
    前記受力部と前記傾動部とを接続する第１変形部と、
    前記固定部と前記傾動部とを接続する第２変形部と、を有し、
    各変形部は、前記傾動部の前記長手方向と交差する方向に延在し、
    前記第１変形部と前記傾動部との接続部位と、前記第２変形部と前記傾動部との接続部位とは、当該傾動部の前記長手方向において位置が異なっており、
    前記変位体は、前記傾動部に接続されているが前記固定部から離間した変位部を有し、
    前記受力部は、前記固定部及び前記支持体の少なくとも一方に対する相対移動が所定の範囲内に制限される、力覚センサ。
  34. 前記支持体と前記受力部との離間距離により、前記所定の範囲が画定される、請求項３２または３３に記載の力覚センサ。
  35. 前記変形体の前記固定部及び前記支持体の少なくとも一方に接続され、当該固定部及び当該支持体の少なくとも一方に対する前記受力部の相対移動を前記所定の範囲に制限するストッパを更に備えた、請求項３２または３３に記載の力覚センサ。
  36. 前記受力部は、凹部または貫通孔を有し、
    前記ストッパの少なくとも一部は、前記凹部または前記貫通孔の内部に位置する、請求項３５に記載の力覚センサ。
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