特許 5687384 力覚センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5687384

(24)【登録日】2015年1月30日

(45)【発行日】2015年3月18日

(54)【発明の名称】力覚センサ

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/16 20060101AFI20150226BHJP

【ＦＩ】

   G01L5/16

【請求項の数】34

【全頁数】71

(21)【出願番号】特願2014-197695(P2014-197695)

(22)【出願日】2014年9月29日

【審査請求日】2014年10月15日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】307046187

【氏名又は名称】株式会社ワコーテック

(74)【代理人】

【識別番号】100091476

【弁理士】

【氏名又は名称】志村 浩

(72)【発明者】

【氏名】江良 聡

(72)【発明者】

【氏名】岡田 和廣

【審査官】 森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０２５９４１２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特許第４９６３１３８（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ ５／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
前記ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸上に配置された内側部材と、
前記Ｚ軸の周囲を取り囲むように配置され、前記内側部材を内部に収容した外側部材と、
前記内側部材と前記外側部材とを接続する役割を果たし、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる性質を有し、前記内側部材の周囲を部分的に取り囲むように配置された複数ｎ本（ｎ≧２）の弧状アームと、
を有する複数ｍ個（ｍ≧２）の基本構造体と、
前記弧状アームの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記内側部材および前記外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記複数ｎ本の弧状アームのうち、第ｉ（１≦ｉ≦ｎ）の弧状アームの内側端部は前記内側部材上の第ｉの内側接続点に接続され、外側端部は前記外側部材上の第ｉの外側接続点に接続されており、第１〜第ｎの内側接続点は、前記内側部材上で異なる位置にある点であり、第１〜第ｎの外側接続点は、前記外側部材上で異なる位置にある点であり、
前記複数ｍ個（ｍ≧２）の基本構造体は、互いに所定間隔をおいて上下に隣接するように配置され、
前記複数ｍ個の基本構造体を、Ｚ軸を垂直軸として上方から下方に向かって、第１〜第ｍの基本構造体と呼んだときに、第ｊ（１≦ｊ≦ｍ−１）の基本構造体の内側部材の下面と第（ｊ＋１）の基本構造体の内側部材の上面とは接続され、第ｊ（１≦ｊ≦ｍ−１）の基本構造体の外側部材の下面と第（ｊ＋１）の基本構造体の外側部材の上面とは接続され、
相互に接続されたｍ個の内側部材は、全体が積層内側部材として機能し、相互に接続されたｍ個の外側部材は、全体が積層外側部材として機能し、
前記検出素子は、前記複数ｍ個の基本構造体の全弧状アームもしくはその中から選択された一部の弧状アームの弾性変形を電気的に検出し、前記検出回路は、前記検出素子の検出結果に基づいて、前記積層内側部材および前記積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。

【請求項2】

請求項１に記載の力覚センサにおいて、
内側部材が、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有し、Ｚ軸が中心軸となるように配置された円盤状部材によって構成され、
外側部材が、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有し、Ｚ軸が中心軸となるように配置された円環状部材によって構成され、
前記円盤状部材が前記円環状部材の内部に収容されていることを特徴とする力覚センサ。

【請求項3】

請求項２に記載の力覚センサにおいて、
ｎ＝２に設定し、内側部材と外側部材とが第１の弧状アームと第２の弧状アームとによって接続されるようにし、
ＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な所定の平面を配置平面と定義し、この配置平面上に、第１の内側接続点、第２の内側接続点、第１の外側接続点、第２の外側接続点が配置され、第１の内側接続点と第２の内側接続点とを結ぶ連結直線および第１の外側接続点と第２の外側接続点とを結ぶ連結直線が、それぞれＺ軸と交差するようにしたことを特徴とする力覚センサ。

【請求項4】

請求項３に記載の力覚センサにおいて、
第１の弧状アームが、Ｚ軸を中心とした円弧に沿って伸びる第１の円弧状部と、前記第１の円弧状部の一端を第１の内側接続点に接続する第１の内側接続部と、前記第１の円弧状部の他端を第１の外側接続点に接続する第１の外側接続部と、を有し、
第２の弧状アームが、Ｚ軸を中心とした円弧に沿って伸びる第２の円弧状部と、前記第２の円弧状部の一端を第２の内側接続点に接続する第２の内側接続部と、前記第２の円弧状部の他端を第２の外側接続点に接続する第２の外側接続部と、を有することを特徴とする力覚センサ。

【請求項5】

請求項３または４に記載の力覚センサにおいて、
基本構造体が、Ｚ軸を回転軸として１８０°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、１８０°の回転対称構造を有することを特徴とする力覚センサ。

【請求項6】

請求項２に記載の力覚センサにおいて、
ｎ＝３に設定し、内側部材と外側部材とが、第１の弧状アーム、第２の弧状アーム、第３の弧状アームによって接続されるようにし、
ＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な所定の平面を配置平面と定義し、この配置平面上に、第１の内側接続点、第２の内側接続点、第３の内側接続点、第１の外側接続点、第２の外側接続点、第３の外側接続点が配置され、第１の内側接続点と第１の外側接続点とを結ぶ連結直線、第２の内側接続点と第２の外側接続点とを結ぶ連結直線、第３の内側接続点と第３の外側接続点とを結ぶ連結直線が、それぞれＺ軸と交差するようにしたことを特徴とする力覚センサ。

【請求項7】

請求項６に記載の力覚センサにおいて、
第１の弧状アームが、Ｚ軸の周囲を部分的に取り囲む第１の湾曲部と、前記第１の湾曲部の一端を第１の内側接続点に接続する第１の内側接続部と、前記第１の湾曲部の他端を第１の外側接続点に接続する第１の外側接続部と、を有し、
第２の弧状アームが、Ｚ軸の周囲を部分的に取り囲む第２の湾曲部と、前記第２の湾曲部の一端を第２の内側接続点に接続する第２の内側接続部と、前記第２の湾曲部の他端を第２の外側接続点に接続する第２の外側接続部と、を有し、
第３の弧状アームが、Ｚ軸の周囲を部分的に取り囲む第３の湾曲部と、前記第３の湾曲部の一端を第３の内側接続点に接続する第３の内側接続部と、前記第３の湾曲部の他端を第３の外側接続点に接続する第３の外側接続部と、を有することを特徴とする力覚センサ。

【請求項8】

請求項６または７に記載の力覚センサにおいて、
基本構造体が、Ｚ軸を回転軸として１２０°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、１２０°の回転対称構造を有することを特徴とする力覚センサ。

【請求項9】

請求項２に記載の力覚センサにおいて、
内側部材と外側部材とが、第１〜第ｎの弧状アームなる合計ｎ本の弧状アームによって接続されるようにし、
基本構造体が、Ｚ軸を回転軸として（３６０／ｎ）°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、（３６０／ｎ）°の回転対称構造を有することを特徴とする力覚センサ。

【請求項10】

請求項１〜９のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
内側部材および外側部材が、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。

【請求項11】

請求項１〜１０のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
第ｍの基本構造体の下方に配置された支持基板を更に備え、
前記支持基板は、前記第ｍの基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
前記第ｍの基本構造体の外側部材の下面は、前記縁周部の上面に固定されており、前記第ｍの基本構造体の内側部材の下面と前記底板部の上面との間に空洞部が形成されており、積層内側部材が、前記空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されていることを特徴とする力覚センサ。

【請求項12】

請求項１〜１１のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、弧状アームの所定の測定点の変位を電気的に検出することにより、当該弧状アームの弾性変形を検出することを特徴とする力覚センサ。

【請求項13】

請求項１２に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、弧状アームの所定の測定点近傍の測定対象面と、内側部材または外側部材に固定され、前記測定対象面に対向する対向基準面と、の距離を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。

【請求項14】

請求項１３に記載の力覚センサにおいて、
弧状アームの内側面もしくは外側面の測定点近傍に脇側測定対象面を定義し、
この脇側測定対象面に対向する脇側対向基準面を有し、内側部材または外側部材に固定された固定構造体を更に設け、
検出素子が、前記脇側測定対象面と前記脇側対向基準面との距離を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。

【請求項15】

請求項１４に記載の力覚センサにおいて、
内側部材もしくは弧状アームの所定箇所に付加的測定点を更に設け、内側部材もしくは弧状アームの下面における前記付加的測定点の近傍に下側測定対象面を定義し、
検出素子が、前記下側測定対象面と、外側部材に固定され前記下側測定対象面に対向する下側対向基準面と、の距離を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。

【請求項16】

請求項１３〜１５のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、測定対象面に設けられた変位電極と、対向基準面に設けられた固定電極と、を有する容量素子によって構成されていることを特徴とする力覚センサ。

【請求項17】

請求項１６に記載の力覚センサにおいて、
弧状アームおよび内側部材を導電性材料によって構成し、弧状アームもしくは内側部材の表面を変位電極として容量素子を構成したことを特徴とする力覚センサ。

【請求項18】

請求項１６に記載の力覚センサにおいて、
弧状アームもしくは内側部材の表面に絶縁層を介して変位電極を形成することにより、容量素子を構成したことを特徴とする力覚センサ。

【請求項19】

請求項１〜５のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
ｎ＝２に設定し、内側部材と外側部材とが第１の弧状アームと第２の弧状アームとによって接続されるようにし、
ＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な所定の平面を配置平面と定義し、この配置平面上に、第１の内側接続点、第２の内側接続点、第１の外側接続点、第２の外側接続点が配置されており、
第１の内側接続点が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の内側接続点が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第１の外側接続点が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の外側接続点が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、
右ネジをＺ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをＺ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第１の弧状アームは、前記第１の内側接続点から前記第１の外側接続点に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第２の弧状アームは、前記第２の内側接続点から前記第２の外側接続点に向かって、前記選択方向に伸びていることを特徴とする力覚センサ。

【請求項20】

請求項１９に記載の力覚センサにおいて、
各弧状アームの中心線が配置平面上に位置するようにし、
ＸＹ平面上において、Ｘ軸を左まわり方向に４５°回転させたＷ１軸と、Ｙ軸を左まわり方向に４５°回転させたＷ２軸と、を定義し、配置平面上への前記Ｗ１軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第１の測定点を定義し、配置平面上への前記Ｗ１軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第２の測定点を定義し、配置平面上への前記Ｗ２軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第３の測定点を定義し、配置平面上への前記Ｗ２軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第４の測定点を定義したときに、
検出素子が、前記第１〜第４の測定点の変位を電気的に検出することにより、各弧状アームの弾性変形を検出することを特徴とする力覚センサ。

【請求項21】

請求項２０に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、第１の測定点近傍に配置された第１の容量素子および第２の容量素子と、第２の測定点近傍に配置された第３の容量素子および第４の容量素子と、第３の測定点近傍に配置された第５の容量素子および第６の容量素子と、第４の測定点近傍に配置された第７の容量素子および第８の容量素子と、を有しており、
前記第１の容量素子は、弧状アームの外側の前記第１の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第１の固定電極と、弧状アームの表面における前記第１の固定電極に対向する領域に形成された第１の変位電極と、によって構成され、
前記第２の容量素子は、弧状アームの内側の前記第１の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第２の固定電極と、弧状アームの表面における前記第２の固定電極に対向する領域に形成された第２の変位電極と、によって構成され、
前記第３の容量素子は、弧状アームの内側の前記第２の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第３の固定電極と、弧状アームの表面における前記第３の固定電極に対向する領域に形成された第３の変位電極と、によって構成され、
前記第４の容量素子は、弧状アームの外側の前記第２の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第４の固定電極と、弧状アームの表面における前記第４の固定電極に対向する領域に形成された第４の変位電極と、によって構成され、
前記第５の容量素子は、弧状アームの外側の前記第３の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第５の固定電極と、弧状アームの表面における前記第５の固定電極に対向する領域に形成された第５の変位電極と、によって構成され、
前記第６の容量素子は、弧状アームの内側の前記第３の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第６の固定電極と、弧状アームの表面における前記第６の固定電極に対向する領域に形成された第６の変位電極と、によって構成され、
前記第７の容量素子は、弧状アームの内側の前記第４の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第７の固定電極と、弧状アームの表面における前記第７の固定電極に対向する領域に形成された第７の変位電極と、によって構成され、
前記第８の容量素子は、弧状アームの外側の前記第４の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第８の固定電極と、弧状アームの表面における前記第８の固定電極に対向する領域に形成された第８の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、前記検出素子の検出結果に基づいて、前記内側部材および前記外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力ＦｙおよびＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。

【請求項22】

請求項２１に記載の力覚センサにおいて、
第１〜第４の測定点に加えて、更に、弧状アームもしくは内側部材の所定箇所に第５〜第８の測定点を付加的に定義し、第５の測定点は、配置平面上へのＸ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第６の測定点は、配置平面上へのＸ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第７の測定点は、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第８の測定点は、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置されるようにし、
検出素子が、第５の測定点近傍に配置された第９の容量素子と、第６の測定点近傍に配置された第１０の容量素子と、第７の測定点近傍に配置された第１１の容量素子と、第８の測定点近傍に配置された第１２の容量素子と、を更に有しており、
Ｚ軸を垂直軸とした場合に、
前記第９の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第５の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第９の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第９の固定電極に対向する領域に形成された第９の変位電極と、によって構成され、
前記第１０の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第６の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第１０の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第１０の固定電極に対向する領域に形成された第１０の変位電極と、によって構成され、
前記第１１の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第７の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第１１の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第１１の固定電極に対向する領域に形成された第１１の変位電極と、によって構成され、
前記第１２の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第８の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第１２の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第１２の固定電極に対向する領域に形成された第１２の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、前記検出素子の検出結果に基づいて、前記内側部材および前記外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙおよびＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。

【請求項23】

請求項２２に記載の力覚センサにおいて、
第ｍの基本構造体の下方に配置された支持基板を更に備え、
前記支持基板は、前記第ｍの基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
前記第ｍの基本構造体の外側部材の下面は、前記縁周部の上面に固定されており、前記第ｍの基本構造体の内側部材の下面と前記底板部の上面との間に空洞部が形成されており、積層内側部材が、前記空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されており、
第１〜第１２の固定電極が、前記底板部の上面に固定されていることを特徴とする力覚センサ。

【請求項24】

請求項２２または２３に記載の力覚センサにおいて、
第１の弧状アームが、第１の内側接続点から第１の外側接続点に向かって左まわり方向に伸び、第２の弧状アームが、第２の内側接続点から第２の外側接続点に向かって左まわり方向に伸びており、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値をＣ１、第２の容量素子の静電容量値をＣ２、第３の容量素子の静電容量値をＣ３、第４の容量素子の静電容量値をＣ４、第５の容量素子の静電容量値をＣ５、第６の容量素子の静電容量値をＣ６、第７の容量素子の静電容量値をＣ７、第８の容量素子の静電容量値をＣ８、第９の容量素子の静電容量値をＣ９、第１０の容量素子の静電容量値をＣ１０、第１１の容量素子の静電容量値をＣ１１、第１２の容量素子の静電容量値をＣ１２、としたときに、
Ｆｘ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
Ｆｙ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４＋Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８
Ｆｚ＝−（Ｃ９＋Ｃ１０＋Ｃ１１＋Ｃ１２）
Ｍｘ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２
Ｍｙ＝＋Ｃ９−Ｃ１０
Ｍｚ＝＋Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５−Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。

【請求項25】

請求項２２または２３に記載の力覚センサにおいて、
第１の弧状アームが、第１の内側接続点から第１の外側接続点に向かって右まわり方向に伸び、第２の弧状アームが、第２の内側接続点から第２の外側接続点に向かって右まわり方向に伸びており、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値をＣ１、第２の容量素子の静電容量値をＣ２、第３の容量素子の静電容量値をＣ３、第４の容量素子の静電容量値をＣ４、第５の容量素子の静電容量値をＣ５、第６の容量素子の静電容量値をＣ６、第７の容量素子の静電容量値をＣ７、第８の容量素子の静電容量値をＣ８、第９の容量素子の静電容量値をＣ９、第１０の容量素子の静電容量値をＣ１０、第１１の容量素子の静電容量値をＣ１１、第１２の容量素子の静電容量値をＣ１２、としたときに、
Ｆｘ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
Ｆｙ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４＋Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８
Ｆｚ＝−（Ｃ９＋Ｃ１０＋Ｃ１１＋Ｃ１２）
Ｍｘ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２
Ｍｙ＝＋Ｃ９−Ｃ１０
Ｍｚ＝−Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。

【請求項26】

ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサであって、
前記ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸上に配置された内側部材と、
前記Ｚ軸の周囲を取り囲むように配置され、前記内側部材を内部に収容した外側部材と、
前記内側部材と前記外側部材とを接続する役割を果たし、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる性質を有し、前記内側部材の周囲を部分的に取り囲むように配置された２本の弧状アームと、
を有する２組の基本構造体と、
前記２組の基本構造体の弧状アームの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
前記検出素子の検出結果に基づいて、前記２組の基本構造体の内側部材および前記２組の基本構造体の外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を備え、
前記２組の基本構造体は、Ｚ軸を垂直軸として上下方向に隣接するように配置されており、いずれも内側部材と外側部材とが第１の弧状アームと第２の弧状アームとによって接続されており、かつ、ＸＹ平面に平行な所定の平面を配置平面と定義したときに、前記第１の弧状アームの内側端部は前記内側部材上の第１の内側接続点に接続され、前記第１の弧状アームの外側端部は前記外側部材上の第１の外側接続点に接続され、前記第２の弧状アームの内側端部は前記内側部材上の第２の内側接続点に接続され、前記第２の弧状アームの外側端部は前記外側部材上の第２の外側接続点に接続され、前記第１の内側接続点と前記第２の内側接続点とは前記配置平面上の異なる位置にある点であり、前記第１の外側接続点と前記第２の外側接続点とは前記配置平面上の異なる位置にある点であり
前記２組の基本構造体のうちの上方に配置された一方を上段基本構造体と呼び、下方に配置された他方を下段基本構造体と呼んだ場合に、前記上段基本構造体の内側部材の下面と前記下段基本構造体の内側部材の上面との間に両者を接続する内側中間部材が設けられており、前記上段基本構造体の外側部材の下面と前記下段基本構造体の外側部材の上面との間に両者を接続する外側中間部材が設けられており、
前記上段基本構造体の内側部材と、前記内側中間部材と、前記下段基本構造体の内側部材は、相互に接続され、全体が積層内側部材として機能し、前記上段基本構造体の外側部材と、前記外側中間部材と、前記下段基本構造体の外側部材は、相互に接続され、全体が積層外側部材として機能し、
前記検出素子は、前記上段基本構造体および前記下段基本構造体の弧状アームの弾性変形を電気的に検出し、前記検出回路は、前記検出素子の検出結果に基づいて、前記積層内側部材および前記積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。

【請求項27】

請求項２６に記載の力覚センサにおいて、
上段基本構造体および下段基本構造体は、幾何学的に合同となる構造体であり、両者は、Ｚ軸を共通の中心軸として配置され、かつ、下段基本構造体は上段基本構造体をＺ軸を回転軸として９０°回転させた向きに配置されていることを特徴とする力覚センサ。

【請求項28】

請求項２７に記載の力覚センサにおいて、
上段基本構造体として、
第１の内側接続点が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の内側接続点が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第１の外側接続点が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の外側接続点が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、
右ネジをＺ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをＺ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第１の弧状アームは、前記第１の内側接続点から前記第１の外側接続点に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第２の弧状アームは、前記第２の内側接続点から前記第２の外側接続点に向かって、前記選択方向に伸びている構造体を用い、
下段基本構造体として、
前記上段基本構造体と幾何学的に合同となる構造体を、Ｚ軸を回転軸として９０°回転させた向きに配置した構造体を用いることを特徴とする力覚センサ。

【請求項29】

請求項２６に記載の力覚センサにおいて、
上段基本構造体および下段基本構造体は、幾何学的に合同となる構造体であり、両者は、Ｚ軸を共通の中心軸として配置され、かつ、下段基本構造体は上段基本構造体をＸ軸もしくはＹ軸を回転軸として１８０°回転させ、更に、Ｚ軸を回転軸として９０°回転させた向きに配置されていることを特徴とする力覚センサ。

【請求項30】

請求項２９に記載の力覚センサにおいて、
上段基本構造体として、
第１の内側接続点が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の内側接続点が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第１の外側接続点が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の外側接続点が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、
右ネジをＺ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをＺ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第１の弧状アームは、前記第１の内側接続点から前記第１の外側接続点に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第２の弧状アームは、前記第２の内側接続点から前記第２の外側接続点に向かって、前記選択方向に伸びている構造体を用い、
下段基本構造体として、
前記上段基本構造体と幾何学的に合同となる構造体を、Ｘ軸もしくはＹ軸を回転軸として１８０°回転させ、更に、Ｚ軸を回転軸として９０°回転させた向きに配置した構造体を用いることを特徴とする力覚センサ。

【請求項31】

請求項２８または３０に記載の力覚センサにおいて、
上段基本構造体および下段基本構造体のそれぞれについて、各弧状アームの中心線が配置平面上に位置するようにし、
上段基本構造体について、配置平面上へのＸ軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第１の測定点を定義し、配置平面上へのＸ軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第２の測定点を定義し、
下段基本構造体について、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第３の測定点を定義し、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第４の測定点を定義し、
検出素子が、前記第１〜第４の測定点の変位を電気的に検出することにより、各弧状アームの弾性変形を検出することを特徴とする力覚センサ。

【請求項32】

請求項３１に記載の力覚センサにおいて、
検出素子が、第１の測定点近傍に配置された第１の容量素子と、第２の測定点近傍に配置された第２の容量素子と、第３の測定点近傍に配置された第３の容量素子と、第４の測定点近傍に配置された第４の容量素子と、を有しており、
前記第１の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の前記第１の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第１の固定電極と、弧状アームの表面における前記第１の固定電極に対向する領域に形成された第１の変位電極と、によって構成され、
前記第２の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の前記第２の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第２の固定電極と、弧状アームの表面における前記第２の固定電極に対向する領域に形成された第２の変位電極と、によって構成され、
前記第３の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の前記第３の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第３の固定電極と、弧状アームの表面における前記第３の固定電極に対向する領域に形成された第３の変位電極と、によって構成され、
前記第４の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の前記第４の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第４の固定電極と、弧状アームの表面における前記第４の固定電極に対向する領域に形成された第４の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、前記検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力ＦｙおよびＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。

【請求項33】

請求項３２に記載の力覚センサにおいて、
第１〜第４の測定点に加えて、更に、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の所定箇所に第５〜第８の測定点を定義し、第５の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのＸ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第６の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのＸ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第７の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第８の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置されるようにし、
検出素子が、第５の測定点近傍に配置された第５の容量素子と、第６の測定点近傍に配置された第６の容量素子と、第７の測定点近傍に配置された第７の容量素子と、第８の測定点近傍に配置された第８の容量素子と、を更に有しており、
前記第５の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第５の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第５の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第５の固定電極に対向する領域に形成された第５の変位電極と、によって構成され、
前記第６の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第６の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第６の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第６の固定電極に対向する領域に形成された第６の変位電極と、によって構成され、
前記第７の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第７の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第７の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第７の固定電極に対向する領域に形成された第７の変位電極と、によって構成され、
前記第８の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の前記第８の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第８の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における前記第８の固定電極に対向する領域に形成された第８の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、前記検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙおよびＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。

【請求項34】

請求項３３に記載の力覚センサにおいて、
下段基本構造体の下方に配置された支持基板を更に備え、
前記支持基板は、前記下段基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
前記下段基本構造体の外側部材の下面は、前記縁周部の上面に固定されており、前記下段基本構造体の内側部材の下面と前記底板部の上面との間に空洞部が形成されており、積層内側部材が、前記空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されており、
第１〜第８の固定電極が、前記底板部の上面に固定されていることを特徴とする力覚センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、力覚センサに関し、特に、三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを検出するのに適したセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

ロボットや産業機械の動作制御を行うために、種々のタイプの力覚センサが利用されている。また、電子機器の入力装置のマン・マシンインターフェイスとしても、小型の力覚センサが組み込まれている。このような用途に用いる力覚センサには、小型化およびコストダウンを図るために、できるだけ構造を単純にするとともに、三次元空間内での各座標軸に関する力をそれぞれ独立して検出できるようにすることが要求される。

【0003】

現在、一般に利用されている多軸力覚センサは、機械的構造部に作用した力の特定の方向成分を、特定の部分に生じた変位として検出するタイプのものと、特定の部分に生じた機械的な歪みとして検出するタイプのものに分類される。前者の変位検出タイプの代表格は、静電容量素子式の力覚センサであり、一対の電極により容量素子を構成しておき、作用した力によって一方の電極に生じた変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出するものである。たとえば、下記の特許文献１（対応米国公報が特許文献２）や特許文献３（対応米国公報が特許文献４）には、この静電容量式の多軸力覚センサが開示されている。

【0004】

一方、後者の機械的な歪み検出タイプの代表格は、歪みゲージ式の力覚センサであり、作用した力によって生じた機械的な歪みを、ストレインゲージなどの電気抵抗の変化として検出するものである。たとえば、下記の特許文献５（対応米国公報が特許文献６）には、この歪みゲージ式の多軸力覚センサが開示されている。

【0005】

また、機械的構造部の形態についても、小型化や薄型化を図るために様々な提案がなされている。たとえば、特許文献７には、円柱状の剛体部の外側に可撓性をもったリング状の荷重検出部を配置して両者間を連結し、モーメントの作用により生じるリング状の荷重検出部のひづみを検出するセンサが開示されている。また、特許文献８には、内側リングと外側リングという２組のリングを同心円状に配置して両者間を連結し、一方のリングに作用した力を他方のリングに伝達して変形させ、この変形態様を検出するセンサが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００４−３２５３６７号公報

【特許文献2】米国特許第７２１９５６１号公報

【特許文献3】特開２００４−３５４０４９号公報

【特許文献4】米国特許第６９１５７０９号公報

【特許文献5】特開平８−１２２１７８号公報

【特許文献6】米国特許第５４９０４２７号公報

【特許文献7】特開平６−０９４５４８号公報

【特許文献8】特許第４９６３１３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上述したように、力覚センサは様々な用途に利用されており、単純な構造をもった高感度のセンサの需要が見込まれている。しかしながら、従来提案されている力覚センサの場合、検出感度をより高めるためには、微小な力が作用した場合にも検出に必要な十分な撓みが得られるように、可撓性構造部分を細くあるいは薄くする必要がある。このため、過度の力の作用によって破損が生じ易く、堅牢性が低下するという問題がある。

【0008】

また、力の各軸成分とモーメントの各軸成分とを検出する機能をもった力覚センサの場合、実用上、各成分ごとの検出感度のバランスがとれていた方が好ましいが、これまで提案されている機械的構造部をもったセンサでは、これらのバランスを調整した設計を行うことが困難である。

【0009】

そこで本発明は、十分な堅牢性を確保しつつ、高い検出感度をもった力覚センサを提供することを目的とする。また、力やモーメントの各軸成分の検出感度のバランスを調整しやすい力覚センサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

(1) 本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する力覚センサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸上に配置された内側部材と、
Ｚ軸の周囲を取り囲むように配置され、内側部材を内部に収容した外側部材と、
内側部材と外側部材とを接続する役割を果たし、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる性質を有し、内側部材の周囲を部分的に取り囲むように配置された複数ｎ本（ｎ≧２）の弧状アームと、
を有する基本構造体と、
弧状アームの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
検出素子の検出結果に基づいて、内側部材および外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を設け、
複数ｎ本の弧状アームのうち、第ｉ（１≦ｉ≦ｎ）の弧状アームの内側端部は内側部材上の第ｉの内側接続点に接続され、外側端部は外側部材上の第ｉの外側接続点に接続されており、第１〜第ｎの内側接続点は、内側部材上で異なる位置にある点であり、第１〜第ｎの外側接続点は、外側部材上で異なる位置にある点であるようにしたものである。

【0011】

(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
内側部材が、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有し、Ｚ軸が中心軸となるように配置された円盤状部材によって構成され、
外側部材が、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有し、Ｚ軸が中心軸となるように配置された円環状部材によって構成され、
上記円盤状部材が上記円環状部材の内部に収容されているようにしたものである。

【0012】

(3) 本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係る力覚センサにおいて、
ｎ＝２に設定し、内側部材と外側部材とが第１の弧状アームと第２の弧状アームとによって接続されるようにし、
ＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な所定の平面を配置平面と定義し、この配置平面上に、第１の内側接続点、第２の内側接続点、第１の外側接続点、第２の外側接続点が配置され、第１の内側接続点と第２の内側接続点とを結ぶ連結直線および第１の外側接続点と第２の外側接続点とを結ぶ連結直線が、それぞれＺ軸と交差するようにしたものである。

【0013】

(4) 本発明の第４の態様は、上述した第３の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の弧状アームが、Ｚ軸を中心とした円弧に沿って伸びる第１の円弧状部と、第１の円弧状部の一端を第１の内側接続点に接続する第１の内側接続部と、第１の円弧状部の他端を第１の外側接続点に接続する第１の外側接続部と、を有し、
第２の弧状アームが、Ｚ軸を中心とした円弧に沿って伸びる第２の円弧状部と、第２の円弧状部の一端を第２の内側接続点に接続する第２の内側接続部と、第２の円弧状部の他端を第２の外側接続点に接続する第２の外側接続部と、を有するようにしたものである。

【0014】

(5) 本発明の第５の態様は、上述した第３または第４の態様に係る力覚センサにおいて、
基本構造体が、Ｚ軸を回転軸として１８０°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、１８０°の回転対称構造を有するようにしたものである。

【0015】

(6) 本発明の第６の態様は、上述した第２の態様に係る力覚センサにおいて、
ｎ＝３に設定し、内側部材と外側部材とが、第１の弧状アーム、第２の弧状アーム、第３の弧状アームによって接続されるようにし、
ＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な所定の平面を配置平面と定義し、この配置平面上に、第１の内側接続点、第２の内側接続点、第３の内側接続点、第１の外側接続点、第２の外側接続点、第３の外側接続点が配置され、第１の内側接続点と第１の外側接続点とを結ぶ連結直線、第２の内側接続点と第２の外側接続点とを結ぶ連結直線、第３の内側接続点と第３の外側接続点とを結ぶ連結直線が、それぞれＺ軸と交差するようにしたものである。

【0016】

(7) 本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の弧状アームが、Ｚ軸の周囲を部分的に取り囲む第１の湾曲部と、第１の湾曲部の一端を第１の内側接続点に接続する第１の内側接続部と、第１の湾曲部の他端を第１の外側接続点に接続する第１の外側接続部と、を有し、
第２の弧状アームが、Ｚ軸の周囲を部分的に取り囲む第２の湾曲部と、第２の湾曲部の一端を第２の内側接続点に接続する第２の内側接続部と、第２の湾曲部の他端を第２の外側接続点に接続する第２の外側接続部と、を有し、
第３の弧状アームが、Ｚ軸の周囲を部分的に取り囲む第３の湾曲部と、第３の湾曲部の一端を第３の内側接続点に接続する第３の内側接続部と、第３の湾曲部の他端を第３の外側接続点に接続する第３の外側接続部と、を有するようにしたものである。

【0017】

(8) 本発明の第８の態様は、上述した第６または第７の態様に係る力覚センサにおいて、
基本構造体が、Ｚ軸を回転軸として１２０°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、１２０°の回転対称構造を有するようにしたものである。

【0018】

(9) 本発明の第９の態様は、上述した第２の態様に係る力覚センサにおいて、
内側部材と外側部材とが、第１〜第ｎの弧状アームなる合計ｎ本の弧状アームによって接続されるようにし、
基本構造体が、Ｚ軸を回転軸として（３６０／ｎ）°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、（３６０／ｎ）°の回転対称構造を有するようにしたものである。

【0019】

(10) 本発明の第１０の態様は、上述した第１〜第９の態様に係る力覚センサにおいて、
内側部材および外側部材が、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成されているようにしたものである。

【0020】

(11) 本発明の第１１の態様は、上述した第１〜第１０の態様に係る力覚センサにおいて、
Ｚ軸を垂直軸として基本構造体の下方に配置された支持基板を更に設け、
この支持基板は、基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
基本構造体の外側部材の下面は、縁周部の上面に固定されており、基本構造体の内側部材の下面と底板部の上面との間に空洞部が形成されており、内側部材が、この空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されているようにしたものである。

【0021】

(12) 本発明の第１２の態様は、上述した第１〜第１０の態様に係る力覚センサにおいて、
互いに所定間隔をおいて上下に隣接するように配置された複数ｍ個（ｍ≧２）の基本構造体を用意し、
この複数ｍ個の基本構造体を、Ｚ軸を垂直軸として上方から下方に向かって、第１〜第ｍの基本構造体と呼んだときに、第ｊ（１≦ｊ≦ｍ−１）の基本構造体の内側部材の下面と第（ｊ＋１）の基本構造体の内側部材の上面とは接続され、第ｊ（１≦ｊ≦ｍ−１）の基本構造体の外側部材の下面と第（ｊ＋１）の基本構造体の外側部材の上面とは接続されるようにし、
相互に接続されたｍ個の内側部材の全体が積層内側部材として機能し、相互に接続されたｍ個の外側部材の全体が積層外側部材として機能するようにし、
検出素子が、複数ｍ個の基本構造体の全弧状アームもしくはその中から選択された一部の弧状アームの弾性変形を電気的に検出し、検出回路が、検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力するようにしたものである。

【0022】

(13) 本発明の第１３の態様は、上述した第１２の態様に係る力覚センサにおいて、
第ｍの基本構造体の下方に配置された支持基板を更に設け、
この支持基板は、第ｍの基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
第ｍの基本構造体の外側部材の下面は、縁周部の上面に固定されており、第ｍの基本構造体の内側部材の下面と底板部の上面との間に空洞部が形成されており、積層内側部材が、空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されているようにしたものである。

【0023】

(14) 本発明の第１４の態様は、上述した第１〜第１３の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、弧状アームの所定の測定点の変位を電気的に検出することにより、当該弧状アームの弾性変形を検出するようにしたものである。

【0024】

(15) 本発明の第１５の態様は、上述した第１４の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、弧状アームの所定の測定点近傍の測定対象面と、内側部材または外側部材に固定され、測定対象面に対向する対向基準面と、の距離を電気的に検出するようにしたものである。

【0025】

(16) 本発明の第１６の態様は、上述した第１５の態様に係る力覚センサにおいて、
弧状アームの内側面もしくは外側面の測定点近傍に脇側測定対象面を定義し、
この脇側測定対象面に対向する脇側対向基準面を有し、内側部材または外側部材に固定された固定構造体を更に設け、
検出素子が、脇側測定対象面と脇側対向基準面との距離を電気的に検出するようにしたものである。

【0026】

(17) 本発明の第１７の態様は、上述した第１６の態様に係る力覚センサにおいて、
内側部材もしくは弧状アームの所定箇所に付加的測定点を更に設け、内側部材もしくは弧状アームの下面における付加的測定点の近傍に下側測定対象面を定義し、
検出素子が、下側測定対象面と、外側部材に固定され下側測定対象面に対向する下側対向基準面と、の距離を電気的に検出するようにしたものである。

【0027】

(18) 本発明の第１８の態様は、上述した第１５〜第１７の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子を、測定対象面に設けられた変位電極と、対向基準面に設けられた固定電極と、を有する容量素子によって構成したものである。

【0028】

(19) 本発明の第１９の態様は、上述した第１８の態様に係る力覚センサにおいて、
弧状アームおよび内側部材を導電性材料によって構成し、弧状アームもしくは内側部材の表面を変位電極として容量素子を構成したものである。

【0029】

(20) 本発明の第２０の態様は、上述した第１８の態様に係る力覚センサにおいて、
弧状アームもしくは内側部材の表面に絶縁層を介して変位電極を形成することにより、容量素子を構成したものである。

【0030】

(21) 本発明の第２１の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る力覚センサにおいて、
ｎ＝２に設定し、内側部材と外側部材とが第１の弧状アームと第２の弧状アームとによって接続されるようにし、
ＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な所定の平面を配置平面と定義し、この配置平面上に、第１の内側接続点、第２の内側接続点、第１の外側接続点、第２の外側接続点が配置されているようにし、
第１の内側接続点が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の内側接続点が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第１の外側接続点が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の外側接続点が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、
右ネジをＺ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをＺ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第１の弧状アームは、第１の内側接続点から第１の外側接続点に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第２の弧状アームは、第２の内側接続点から第２の外側接続点に向かって、上記選択方向と同じ方向に伸びているようにしたものである。

【0031】

(22) 本発明の第２２の態様は、上述した第２１の態様に係る力覚センサにおいて、
各弧状アームの中心線が配置平面上に位置するようにし、
ＸＹ平面上において、Ｘ軸を左まわり方向に４５°回転させたＷ１軸と、Ｙ軸を左まわり方向に４５°回転させたＷ２軸と、を定義し、配置平面上へのＷ１軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第１の測定点を定義し、配置平面上へのＷ１軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第２の測定点を定義し、配置平面上へのＷ２軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第３の測定点を定義し、配置平面上へのＷ２軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第４の測定点を定義したときに、
検出素子が、第１〜第４の測定点の変位を電気的に検出することにより、各弧状アームの弾性変形を検出するようにしたものである。

【0032】

(23) 本発明の第２３の態様は、上述した第２２の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、第１の測定点近傍に配置された第１の容量素子および第２の容量素子と、第２の測定点近傍に配置された第３の容量素子および第４の容量素子と、第３の測定点近傍に配置された第５の容量素子および第６の容量素子と、第４の測定点近傍に配置された第７の容量素子および第８の容量素子と、を有しており、
第１の容量素子は、弧状アームの外側の第１の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第１の固定電極と、弧状アームの表面における第１の固定電極に対向する領域に形成された第１の変位電極と、によって構成され、
第２の容量素子は、弧状アームの内側の第１の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第２の固定電極と、弧状アームの表面における第２の固定電極に対向する領域に形成された第２の変位電極と、によって構成され、
第３の容量素子は、弧状アームの内側の第２の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第３の固定電極と、弧状アームの表面における第３の固定電極に対向する領域に形成された第３の変位電極と、によって構成され、
第４の容量素子は、弧状アームの外側の第２の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第４の固定電極と、弧状アームの表面における第４の固定電極に対向する領域に形成された第４の変位電極と、によって構成され、
第５の容量素子は、弧状アームの外側の第３の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第５の固定電極と、弧状アームの表面における第５の固定電極に対向する領域に形成された第５の変位電極と、によって構成され、
第６の容量素子は、弧状アームの内側の第３の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第６の固定電極と、弧状アームの表面における第６の固定電極に対向する領域に形成された第６の変位電極と、によって構成され、
第７の容量素子は、弧状アームの内側の第４の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第７の固定電極と、弧状アームの表面における第７の固定電極に対向する領域に形成された第７の変位電極と、によって構成され、
第８の容量素子は、弧状アームの外側の第４の測定点近傍に配置され内側部材または外側部材に固定された第８の固定電極と、弧状アームの表面における第８の固定電極に対向する領域に形成された第８の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、検出素子の検出結果に基づいて、内側部材および外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力ＦｙおよびＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。

【0033】

(24) 本発明の第２４の態様は、上述した第２３の態様に係る力覚センサにおいて、
第１〜第４の測定点に加えて、更に、弧状アームもしくは内側部材の所定箇所に第５〜第８の測定点を付加的に定義し、第５の測定点は、配置平面上へのＸ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第６の測定点は、配置平面上へのＸ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第７の測定点は、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第８の測定点は、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置されるようにし、
検出素子が、第５の測定点近傍に配置された第９の容量素子と、第６の測定点近傍に配置された第１０の容量素子と、第７の測定点近傍に配置された第１１の容量素子と、第８の測定点近傍に配置された第１２の容量素子と、を更に有しており、
Ｚ軸を垂直軸とした場合に、
第９の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の第５の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第９の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における第９の固定電極に対向する領域に形成された第９の変位電極と、によって構成され、
第１０の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の第６の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第１０の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における第１０の固定電極に対向する領域に形成された第１０の変位電極と、によって構成され、
第１１の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の第７の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第１１の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における第１１の固定電極に対向する領域に形成された第１１の変位電極と、によって構成され、
第１２の容量素子は、弧状アームもしくは内側部材の下方の第８の測定点近傍に配置され外側部材に固定された第１２の固定電極と、弧状アームもしくは内側部材の下面における第１２の固定電極に対向する領域に形成された第１２の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、検出素子の検出結果に基づいて、内側部材および外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙおよびＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。

【0034】

(25) 本発明の第２５の態様は、上述した第２４の態様に係る力覚センサにおいて、
基本構造体の下方に配置された支持基板を更に設け、
この支持基板は、基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
基本構造体の外側部材の下面は、縁周部の上面に固定されており、基本構造体の内側部材の下面と底板部の上面との間に空洞部が形成されており、内側部材が、空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されており、
第１〜第１２の固定電極が、底板部の上面に固定されているようにしたものである。

【0035】

(26) 本発明の第２６の態様は、上述した第２４または第２５の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の弧状アームが、第１の内側接続点から第１の外側接続点に向かって左まわり方向に伸び、第２の弧状アームが、第２の内側接続点から第２の外側接続点に向かって左まわり方向に伸びており、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値をＣ１、第２の容量素子の静電容量値をＣ２、第３の容量素子の静電容量値をＣ３、第４の容量素子の静電容量値をＣ４、第５の容量素子の静電容量値をＣ５、第６の容量素子の静電容量値をＣ６、第７の容量素子の静電容量値をＣ７、第８の容量素子の静電容量値をＣ８、第９の容量素子の静電容量値をＣ９、第１０の容量素子の静電容量値をＣ１０、第１１の容量素子の静電容量値をＣ１１、第１２の容量素子の静電容量値をＣ１２、としたときに、
Ｆｘ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
Ｆｙ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４＋Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８
Ｆｚ＝−（Ｃ９＋Ｃ１０＋Ｃ１１＋Ｃ１２）
Ｍｘ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２
Ｍｙ＝＋Ｃ９−Ｃ１０
Ｍｚ＝＋Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５−Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。

【0036】

(27) 本発明の第２７の態様は、上述した第２４または第２５の態様に係る力覚センサにおいて、
第１の弧状アームが、第１の内側接続点から第１の外側接続点に向かって右まわり方向に伸び、第２の弧状アームが、第２の内側接続点から第２の外側接続点に向かって右まわり方向に伸びており、
検出回路が、第１の容量素子の静電容量値をＣ１、第２の容量素子の静電容量値をＣ２、第３の容量素子の静電容量値をＣ３、第４の容量素子の静電容量値をＣ４、第５の容量素子の静電容量値をＣ５、第６の容量素子の静電容量値をＣ６、第７の容量素子の静電容量値をＣ７、第８の容量素子の静電容量値をＣ８、第９の容量素子の静電容量値をＣ９、第１０の容量素子の静電容量値をＣ１０、第１１の容量素子の静電容量値をＣ１１、第１２の容量素子の静電容量値をＣ１２、としたときに、
Ｆｘ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
Ｆｙ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４＋Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８
Ｆｚ＝−（Ｃ９＋Ｃ１０＋Ｃ１１＋Ｃ１２）
Ｍｘ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２
Ｍｙ＝＋Ｃ９−Ｃ１０
Ｍｚ＝−Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。

【0037】

(28) 本発明の第２８の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る力覚センサを構成する基本構造体を２組と、
この２組の基本構造体の弧状アームの弾性変形を電気的に検出する検出素子と、
この検出素子の検出結果に基づいて、上記２組の基本構造体の内側部材および上記２組の基本構造体の外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、
を設け、
上記２組の基本構造体は、Ｚ軸を垂直軸として上下方向に隣接するように配置されており、いずれもｎ＝２に設定することにより、内側部材と外側部材とが第１の弧状アームと第２の弧状アームとによって接続されており、かつ、ＸＹ平面に平行な所定の平面を配置平面と定義したときに、この配置平面上に、第１の内側接続点、第２の内側接続点、第１の外側接続点、第２の外側接続点が配置されており、
上記２組の基本構造体のうちの上方に配置された一方を上段基本構造体と呼び、下方に配置された他方を下段基本構造体と呼んだ場合に、上段基本構造体の内側部材の下面と下段基本構造体の内側部材の上面との間に両者を接続する内側中間部材が設けられており、上段基本構造体の外側部材の下面と下段基本構造体の外側部材の上面との間に両者を接続する外側中間部材が設けられており、
上段基本構造体の内側部材と、内側中間部材と、下段基本構造体の内側部材は、相互に接続され、全体が積層内側部材として機能し、上段基本構造体の外側部材と、外側中間部材と、下段基本構造体の外側部材は、相互に接続され、全体が積層外側部材として機能し、
検出素子は、上段基本構造体および下段基本構造体の弧状アームの弾性変形を電気的に検出し、検出回路は、検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力するようにしたものである。

【0038】

(29) 本発明の第２９の態様は、上述した第２８の態様に係る力覚センサにおいて、
上段基本構造体および下段基本構造体が、幾何学的に合同となる構造体であり、両者は、Ｚ軸を共通の中心軸として配置され、かつ、下段基本構造体は上段基本構造体をＺ軸を回転軸として９０°回転させた向きに配置されているようにしたものである。

【0039】

(30) 本発明の第３０の態様は、上述した第２９の態様に係る力覚センサにおいて、
上段基本構造体として、
第１の内側接続点が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の内側接続点が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第１の外側接続点が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の外側接続点が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、
右ネジをＺ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをＺ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第１の弧状アームは、第１の内側接続点から第１の外側接続点に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第２の弧状アームは、第２の内側接続点から第２の外側接続点に向かって、上記選択方向と同じ方向に伸びている構造体を用い、
下段基本構造体として、
上段基本構造体と幾何学的に合同となる構造体を、Ｚ軸を回転軸として９０°回転させた向きに配置した構造体を用いるようにしたものである。

【0040】

(31) 本発明の第３１の態様は、上述した第２８の態様に係る力覚センサにおいて、
上段基本構造体および下段基本構造体は、幾何学的に合同となる構造体であり、両者は、Ｚ軸を共通の中心軸として配置され、かつ、下段基本構造体は上段基本構造体をＸ軸もしくはＹ軸を回転軸として１８０°回転させ、更に、Ｚ軸を回転軸として９０°回転させた向きに配置されているようにしたものである。

【0041】

(32) 本発明の第３２の態様は、上述した第３１の態様に係る力覚センサにおいて、
上段基本構造体として、
第１の内側接続点が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の内側接続点が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第１の外側接続点が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の外側接続点が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、
右ネジをＺ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをＺ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第１の弧状アームは、第１の内側接続点から第１の外側接続点に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第２の弧状アームは、第２の内側接続点から第２の外側接続点に向かって、上記選択方向と同じ方向に伸びている構造体を用い、
下段基本構造体として、
上段基本構造体と幾何学的に合同となる構造体を、Ｘ軸もしくはＹ軸を回転軸として１８０°回転させ、更に、Ｚ軸を回転軸として９０°回転させた向きに配置した構造体を用いるようにしたものである。

【0042】

(33) 本発明の第３３の態様は、上述した第３０または第３２の態様に係る力覚センサにおいて、
上段基本構造体および下段基本構造体のそれぞれについて、各弧状アームの中心線が配置平面上に位置するようにし、
上段基本構造体について、配置平面上へのＸ軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第１の測定点を定義し、配置平面上へのＸ軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第２の測定点を定義し、
下段基本構造体について、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第３の測定点を定義し、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像と弧状アームの中心線との交点に第４の測定点を定義し、
検出素子が、第１〜第４の測定点の変位を電気的に検出することにより、各弧状アームの弾性変形を検出するようにしたものである。

【0043】

(34) 本発明の第３４の態様は、上述した第３３の態様に係る力覚センサにおいて、
検出素子が、第１の測定点近傍に配置された第１の容量素子と、第２の測定点近傍に配置された第２の容量素子と、第３の測定点近傍に配置された第３の容量素子と、第４の測定点近傍に配置された第４の容量素子と、を有しており、
第１の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の第１の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第１の固定電極と、弧状アームの表面における第１の固定電極に対向する領域に形成された第１の変位電極と、によって構成され、
第２の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の第２の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第２の固定電極と、弧状アームの表面における第２の固定電極に対向する領域に形成された第２の変位電極と、によって構成され、
第３の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の第３の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第３の固定電極と、弧状アームの表面における第３の固定電極に対向する領域に形成された第３の変位電極と、によって構成され、
第４の容量素子は、弧状アームの外側もしくは内側の第４の測定点近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第４の固定電極と、弧状アームの表面における第４の固定電極に対向する領域に形成された第４の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力ＦｙおよびＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。

【0044】

(35) 本発明の第３５の態様は、上述した第３４の態様に係る力覚センサにおいて、
第１〜第４の測定点に加えて、更に、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の所定箇所に第５〜第８の測定点を定義し、第５の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのＸ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第６の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのＸ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第７の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第８の測定点は、下段基本構造体の配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置されるようにし、
検出素子が、第５の測定点近傍に配置された第５の容量素子と、第６の測定点近傍に配置された第６の容量素子と、第７の測定点近傍に配置された第７の容量素子と、第８の測定点近傍に配置された第８の容量素子と、を更に有しており、
第５の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の第５の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第５の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における第５の固定電極に対向する領域に形成された第５の変位電極と、によって構成され、
第６の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の第６の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第６の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における第６の固定電極に対向する領域に形成された第６の変位電極と、によって構成され、
第７の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の第７の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第７の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における第７の固定電極に対向する領域に形成された第７の変位電極と、によって構成され、
第８の容量素子は、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下方の第８の測定点近傍に配置され下段基本構造体の外側部材に固定された第８の固定電極と、下段基本構造体の弧状アームもしくは内側部材の下面における第８の固定電極に対向する領域に形成された第８の変位電極と、によって構成され、
検出回路が、検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙおよびＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力するようにしたものである。

【0045】

(36) 本発明の第３６の態様は、上述した第３５の態様に係る力覚センサにおいて、
下段基本構造体の下方に配置された支持基板を更に設け、
この支持基板は、下段基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有し、
下段基本構造体の外側部材の下面は、縁周部の上面に固定されており、下段基本構造体の内側部材の下面と底板部の上面との間に空洞部が形成されており、積層内側部材が、空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されており、
第１〜第８の固定電極が、底板部の上面に固定されているようにしたものである。

【発明の効果】

【0046】

本発明に係る力覚センサでは、内側部材と外側部材とが、少なくとも一部に弾性変形を生じる性質を有する複数ｎ本の弧状アームによって接続される。このため、たとえば、外側部材を固定した状態において、内側部材に外力が作用すると、弧状アームに弾性変形が生じて、内側部材に変位が生じる。そして、この弧状アームの弾性変形を、検出素子によって電気的に検出することにより、作用した外力の検出が行われる。

【0047】

弧状アームは、内側部材上の接続点と外側部材上の接続点とを弧状に連結する部材であり、弧の曲がり具合を変えることにより容易に弾性変形を生じる性質を有しており、アーム部分を細くしたり薄くしたりしなくても、微小な外力に対しても十分な変形が生じる。このため、十分な堅牢性を確保しつつ、高い検出感度をもった力覚センサを提供することが可能になる。

【0048】

また、本発明に係る力覚センサを構成する基本構造体は、内側部材の周囲に外側部材を配置し、両者間に弧状アームを配置した構造を有しているため、このような基本構造体を上下に複数ｍ個だけ積層することができる。このように、複数の基本構造体を上下に積層する構造を採用すると、力やモーメントの各軸成分の検出感度のバランスを容易に調整することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0049】

【図1】本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造体１００の上面図（図(a) ）およびこれに支持基板２００を付加した全体構造体の側面図（図(b) ）である。

【図2】図１に示す全体構造体をＸＹ平面で切断した横断面図（図(a) ）およびＸＺ平面で切断した縦断面図（図(b) ）である。

【図3】図１に示す全体構造体をＹＺ平面で切断した縦断面図である。

【図4】図１に示す支持基板２００の上面図である。

【図5】図２に示す基本構造体１００の内側部材１１０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形態様を示す図であり、図(a) はＸＹ平面で切断した横断面図、図(b) はＸＺ平面で切断した縦断面図である。

【図6】図２に示す基本構造体１００の内側部材１１０にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの変形態様を示す図であり、図(a) はＸＹ平面で切断した横断面図、図(b) はＸＺ平面で切断した縦断面図である。

【図7】図２に示す基本構造体１００の内側部材１１０にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形態様を示す図であり、図(a) はＸＹ平面で切断した横断面図、図(b) はＸＺ平面で切断した縦断面図である（内側部材１１０内に記されている「丸に上」の記号は、紙面垂直手前方向への変位を示している）。

【図8】図２に示す基本構造体１００の内側部材１１０にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときの変形態様を示す図であり、図(a) はＸＹ平面で切断した横断面図、図(b) はＹＺ平面で切断した縦断面図である（内側部材１１０内に記されている「丸に上」の記号および「丸に下」の記号は、紙面垂直手前方向および垂直奥方向への変位を示している）。

【図9】図２に示す基本構造体１００の内側部材１１０にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形態様を示す図であり、図(a) はＸＹ平面で切断した横断面図、図(b) はＸＺ平面で切断した縦断面図である（内側部材１１０内に記されている「丸に上」の記号および「丸に下」の記号は、紙面垂直手前方向および垂直奥方向への変位を示している）。

【図10】図２に示す基本構造体１００の内側部材１１０にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの変形態様を示す図であり、図(a) はＸＹ平面で切断した横断面図、図(b) はＸＺ平面で切断した縦断面図である。

【図11】図４に示す支持基板２００の上面に、１２枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ１２を配置した状態を示す上面図である。

【図12】図２に示す全体構造体に、１２枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ１２を配置した状態を示す縦断面図である（Ｗ１−Ｚ平面で切断した断面を示す）。

【図13】図２に示す全体構造体に、１２枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ１２を配置することにより構成された本発明の基本的実施形態に係る力覚センサを示す横断面図（図(a) ：ＸＹ平面で切断した断面を示す）および縦断面図（図(b) ：ＸＺ平面で切断した断面を示す）である。

【図14】図１３に示す基本的な実施形態に係る力覚センサで用いられる各容量素子の対向電極のサイズの関係を示す斜視図である。

【図15】図１３に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ１２の静電容量値の変化を示すテーブルである。

【図16】図１３に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。

【図17】図１３に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに用いる検出回路および検出素子を示す図である。

【図18】図１７に示す検出回路３００の詳細構成を示す回路図である。

【図19】図１３に示す基本的な実施形態の変形例に係る力覚センサの横断面図（図(a) ：ＸＹ平面で切断した断面を示す）および縦断面図（図(b) ：ＸＺ平面で切断した断面を示す）である。

【図20】３本の弧状アームを有する基本構造体４００の横断面図（ＸＹ平面で切断した断面を示す）である。

【図21】本発明の二段積層式の実施形態に係る力覚センサに用いる基本構造体１００Ｌの横断面図（図(a) ：ＸＹ平面で切断した断面を示す）および側断面図（図(b) ：ＸＺ平面で切断した断面を示す）である。

【図22】本発明の二段積層式の実施形態に係る力覚センサに用いる基本構造体１００Ｌ，１００Ｒの横断面図（ＸＹ平面で切断した断面を示す）である。

【図23】本発明の二段積層式の実施形態に係る力覚センサに用いる基本構造体１００ＬＬ，１００ＲＲの横断面図（ＸＹ平面で切断した断面を示す）である。

【図24】図２２および図２３に示す基本構造体１００Ｌ，１００Ｒ，１００ＬＬ，１００ＲＲに対して力＋Ｆｘ，＋Ｆｙおよびモーメント＋Ｍｚが作用したときの各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化を示すテーブルである。

【図25】図２２および図２３に示す基本構造体１００Ｌ，１００Ｒ，１００ＬＬ，１００ＲＲの中から２組を選択して上下に組み合わせた積層構造体に対して、力＋Ｆｘ，＋Ｆｙおよびモーメント＋Ｍｚが作用したときの各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化を示すテーブルである。

【図26】図２５に示す番号１および番号３の組み合わせに係る積層構造体を用いた力覚センサに対して作用した力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚを求める演算式を示す図である。

【図27】図２５のテーブルにおいて、一部の「−」欄および一部の「＋」欄を近似的に「０」に置き換えたテーブルである。

【図28】図２７に示すテーブルを前提として、番号１〜番号４の各組み合わせに係る積層構造体を用いた力覚センサに対して作用した力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚを求める演算式を示す図である。

【図29】本発明の二段積層式の実施形態に係る力覚センサの積層構造体を構成する４つの構成要素を分離して示した側面図である。

【図30】図２９に示す４つの構成要素を積層して積層構造体を構成した状態を示す側面図である。

【図31】図３０に示す中間基板５００をＸＹ平面で切断した状態を示す横断面図である。

【図32】図３０に示す積層構造体をＸＺ平面で切断した状態を示す縦断面図である。

【図33】本発明の二段積層式の実施形態に係る力覚センサの支持基板２００の上面に、８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８を配置した状態を示す上面図である。

【図34】図３２に示す積層構造体に、８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８を配置した状態を示す縦断面図である（ＸＺ平面で切断した断面を示す）。

【図35】本発明の二段積層式の実施形態に係る力覚センサをＸａＹａ平面で切断した状態を示す横断面図（図(a) ）およびＸｂＹｂ平面で切断した状態を示す横断面図（図(b) ：破線の円で示すＥ５〜Ｅ８は、支持基板２００上に配置された各固定電極の位置を示している）である。

【図36】図３５に示す構造を有する力覚センサに対して、各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変化を示すテーブルである。

【図37】図３６に示すテーブルに基づいて、力覚センサに対して作用した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求める演算式を示す図である。

【図38】本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサ（１段重ね）と二段積層式の実施形態に係る力覚センサ（２段重ね）とについて、各軸成分の検出感度分布を示す表である。

【図39】本発明に係る力覚センサにおける電極構成の変形例を示す基本構造体の横断面図（ＸＹ平面で切断した断面を示す）である。

【発明を実施するための形態】

【0050】

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。

【0051】

＜＜＜ §１． 本発明に係る力覚センサの基本構造体 ＞＞＞
はじめに、本発明に係る力覚センサの物理的な構造部分をなす基本構造体の形状およびその変形態様を、図１〜図１０を参照しながら説明する。§２で詳述するように、本発明に係る力覚センサは、この基本構造体に、更に検出素子および検出回路を付加することにより構成される。

【0052】

図１(a) は、本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサの基本構造体１００の上面図であり、図１(b) は、この基本構造体１００の下面に支持基板２００を付加することにより構成される全体構造体の側面図である。ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、基本構造体１００の中心位置に点Ｏをとり、この点Ｏを原点とするＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。

【0053】

具体的には、図１(a) において、Ｘ軸は図の右方、Ｙ軸は図の上方、Ｚ軸は紙面垂直手前方向に向かう座標軸であり、図１(b) において、Ｘ軸は図の右方、Ｙ軸は紙面垂直奥方向、Ｚ軸は図の上方に向かう座標軸である。本発明に係る力覚センサは、このようなＸＹＺ三次元直交座標系における各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントのうち、少なくとも１軸に関する力もしくはモーメントを検出する機能を有している。

【0054】

図１(a) に示すとおり、この基本構造体１００は、ＸＹＺ三次元直交座標系のＺ軸上に配置された円盤状の内側部材１１０と、Ｚ軸の周囲を取り囲むように配置され、内側部材１１０を内部に収容した円環状（リング状）の外側部材１２０と、内側部材１１０と外側部材１２０とを接続する役割を果たす２本の弧状アーム１３０，１４０を有している。

【0055】

図１(b) の側面図に示すとおり、内側部材１１０は、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有し、Ｚ軸が中心軸となるように配置された円盤状部材によって構成され、外側部材１２０は、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有し、Ｚ軸が中心軸となるように配置された円環状部材（ワッシャ状の部材）によって構成されており、円盤状部材１１０が円環状部材１２０の内部に収容されている状態になっている。

【0056】

２本の弧状アーム１３０，１４０は、いずれも、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる性質を有し、内側部材１１０の周囲を部分的に取り囲むように配置されている。具体的には、図１(a) に示すとおり、第１の弧状アーム１３０は、内側部材１１０の右側の半周部分を取り囲むように配置されており、第２の弧状アーム１４０は、内側部材１１０の左側の半周部分を取り囲むように配置されている。なお、本願にいう「弧状」という文言は、必ずしも正確な「円弧」を意味するものではなく、「一般的な湾曲線」を広く含む意味で用いている。

【0057】

第１の弧状アーム１３０の内側端部は内側部材１１０上の第１の内側接続点Ｐ１に接続され、外側端部は外側部材１２０上の第１の外側接続点Ｑ１に接続されている。また、第２の弧状アーム１４０の内側端部は内側部材１１０上の第２の内側接続点Ｐ２に接続され、外側端部は外側部材１２０上の第２の外側接続点Ｑ２に接続されている。ここで、第１の内側接続点Ｐ１および第２の内側接続点Ｐ２は、円盤状の内側部材１１０の外周部の異なる位置にある点であり、第１の外側接続点Ｑ１および第２の内側接続点Ｑ２は、円環状の外側部材１２０の内周部の異なる位置にある点である。

【0058】

図１(a) に示すとおり、第１の弧状アーム１３０は、Ｚ軸を中心とした円弧に沿って伸びる第１の円弧状部１３１と、第１の円弧状部１３１の一端を第１の内側接続点Ｐ１に接続する第１の内側接続部１３２と、第１の円弧状部１３１の他端を第１の外側接続点Ｑ１に接続する第１の外側接続部１３３と、を有している。一方、第２の弧状アーム１４０は、Ｚ軸を中心とした円弧に沿って伸びる第２の円弧状部１４１と、第２の円弧状部１４１の一端を第２の内側接続点Ｐ２に接続する第２の内側接続部１４２と、第２の円弧状部１４１の他端を第２の外側接続点Ｑ２に接続する第２の外側接続部１４３と、を有している。

【0059】

図１(b) に示すとおり、Ｚ軸を垂直軸とした場合、基本構造体１００の下方には、支持基板２００が配置されている。なお、本願では、基本構造体１００に関しての「上下」という文言は、Ｚ軸を垂直軸として、Ｚ軸正方向を「上」、Ｚ軸負方向を「下」と呼んで用いることにする。支持基板２００は、基本構造体１００と同じ外径を有する円盤状の基板であり、Ｚ軸を中心軸として配置されている。支持基板２００は、基本構造体１００に対向する底板部２１０と、この底板部２１０の周囲から上方に隆起した縁周部２２０とを有している。

【0060】

この基本構造体１００および支持基板２００の構造は、図２および図３の断面図ならびに図４の上面図を参照すると、より容易に把握できよう。図２(a) は、図１(a) に示す基本構造体１００をＸＹ平面で切断した横断面図であり、円盤状の内側部材１１０が、円環状の外側部材１２０の内部に、第１の弧状アーム１３０および第２の弧状アーム１４０によって支持されている状態が明瞭に示されている。

【0061】

図２(b) は、図１(b) に示す全体構造体（基本構造体１００に支持基板２００を付加したもの）をＸＺ平面で切断した縦断面図であり、図３は、これをＹＺ平面で切断した縦断面図である。図示のとおり、基本構造体１００の外側部材１２０の下面は、支持基板２００の縁周部２２０の上面に固定されており、基本構造体１００の内側部材１１０の下面と底板部２１０の上面との間に空洞部２５０が形成されている。内側部材１１０は、この空洞部２５０を含む周囲空間内で変位可能となるように、２本の弧状アーム１３０，１４０によって支持されている。

【0062】

図４は、支持基板２００の上面図である。ここに示す実施例の場合、円盤状の絶縁性基板の上面中央部を円形に切削することにより円柱状の空洞部２５０を形成し、その周囲に円環状の縁周部２２０を残す加工を行っている。空洞部２５０の下方には、円盤状の底板部２１０が形成されている。内側部材１１０は、この底板部２１０の上方に浮いた状態となるように、２本の弧状アーム１３０，１４０によって支持される。

【0063】

上述したとおり、２本の弧状アーム１３０，１４０は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる性質を有している。このため、支持基板２００およびこの支持基板２００に接続された外側部材１２０を固定した状態において、内側部材１１０に外力が作用すると、２本の弧状アーム１３０，１４０に弾性変形（撓み）が生じ、内側部材１１０は変位することになる。もちろん、作用反作用の法則により、内側部材１１０を固定した状態において、支持基板２００およびこの支持基板２００に接続された外側部材１２０に外力が作用した場合も同様である。

【0064】

§２で詳述するように、本発明に係る力覚センサでは、この弧状アーム１３０，１４０に生じた弾性変形を電気的に検出する検出素子が設けられる。そして、検出回路によって、検出素子による検出結果に対して所定の演算を施すことにより、内側部材１１０および外側部材１２０の一方を固定した状態において、他方に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力することができる。

【0065】

なお、内側部材１１０および外側部材１２０は、作用する力もしくはモーメントが所定の許容範囲内である限り実質的な変形を生じない剛体によって構成しておくのが好ましい。そうすれば、作用した外力によって弧状アーム１３０，１４０に効率良く弾性変形を生じさせることができ、検出感度を高めることができる。

【0066】

実用上は、基本構造体１００全体を金属や樹脂などの同一材料による一体構造体として構成し、弧状アーム１３０，１４０の部分を細くすることにより、内側部材１１０および外側部材１２０に比べて、十分な弾性を有するようにすればよい。たとえば、１枚の金属円盤に対して切削加工を施して基本構造体１００を形成すれば、加工工程を単純化することができ、製造コストを低減させることができる。

【0067】

この場合、内側部材１１０および外側部材１２０ならびに弧状アーム１３０，１４０は、いずれも同一の金属材料によって構成されることになるが、弧状アーム１３０，１４０の部分を十分に細くすれば（検出感度に応じた寸法をもった太さに設計すればよい）、実質的に、内側部材１１０および外側部材１２０の部分を剛体として機能させ、弧状アーム１３０，１４０の部分を弾性体として機能させることができる。

【0068】

図１(a) に示す第１の内側接続点Ｐ１、第２の内側接続点Ｐ２、第１の外側接続点Ｑ１、第２の外側接続点Ｑ２は、いずれもＸＹ平面上の点である。本願では、これら各接続点が配置される平面を配置平面と呼ぶことにする。§１，§２で述べる基本的実施形態に係る基本構造体１００の場合、配置平面はＸＹ平面に一致するが、§４で述べる二段積層式の実施形態の場合、配置平面はそれぞれＸＹ平面に平行な所定平面になる。

【0069】

図１(a) に示す実施例の場合、第１の内側接続点Ｐ１と第２の内側接続点Ｐ２とを結ぶ連結直線はＺ軸と交差する（すなわち、原点Ｏを通る）。また、第１の外側接続点Ｑ１と第２の外側接続点Ｑ２とを結ぶ連結直線もＺ軸と交差する（すなわち、原点Ｏを通る）。別言すれば、第１の内側接続点Ｐ１と第２の内側接続点Ｐ２とは、原点Ｏに関して反対の位置にあり、第１の外側接続点Ｑ１と第２の内側接続点Ｑ２とは、原点Ｏに関して反対の位置にある。このような構成を採用することにより、図示の基本構造体１００は、Ｚ軸を回転軸として１８０°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる構造（ここでは、「１８０°の回転対称構造」と呼ぶ）を有していることになる。

【0070】

このように、基本構造体１００が１８０°の回転対称構造をなすように設計しておくと、外力が作用したときに弧状アーム１３０，１４０に生じる弾性変形の態様にも座標軸に関する所定の対称性が現れることになるので、各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを検出する際に必要な演算処理を単純化するメリットが得られる。したがって、実用上は、このような１８０°の回転対称構造をなすような設計を行うのが好ましい。

【0071】

続いて、図２に示す基本構造体１００について、外側部材１２０を固定した状態で、内側部材１１０に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の弧状アーム１３０，１４０の弾性変形の態様および内側部材１１０の傾斜の態様を、図５〜図１０を参照して説明する。なお、図５〜図１０は、変形状態の特徴を模式的に説明するための図であり、実際の変形態様を正確に示すものではない。

【0072】

図５は、図２に示す基本構造体１００の内側部材１１０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変形態様を示す図であり、上段の図(a) はＸＹ平面で切断した横断面図、下段の図(b) はＸＺ平面で切断した縦断面図である。内側部材１１０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、内側部材１１０は図の右方へと移動し、弧状アーム１３０，１４０には、これに応じた撓みが生じることになる。具体的には、図示のとおり、弧状アーム１３０，１４０は全体的に図の右方へと変位を生じる。

【0073】

図６は、図２に示す基本構造体１００の内側部材１１０にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの変形態様を示す図であり、上段の図(a) はＸＹ平面で切断した横断面図、下段の図(b) はＸＺ平面で切断した縦断面図である。内側部材１１０にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用すると、内側部材１１０は図の上方へと移動し、弧状アーム１３０，１４０には、これに応じた撓みが生じることになる。具体的には、図示のとおり、弧状アーム１３０，１４０は全体的に図の上方へと変位を生じる。

【0074】

このとき、第１の弧状アーム１３０に対しては、全長を縮める応力が加わるため、湾曲の程度が大きくなり、全体的に図の上方への変位を生じるとともに、Ｘ軸近傍部分が図の右方へと膨らむ変形（矢印Ｒ１参照）が生じる点は留意しておくべきである。一方、第２の弧状アーム１４０に対しては、全長を伸ばす応力が加わるため、湾曲の程度が小さくなり、全体的に図の上方への変位を生じるとともに、Ｘ軸近傍部分が図の右方へと逸れる変形（矢印Ｒ２参照）が生じる点も留意しておくべきである。

【0075】

図７は、図２に示す基本構造体１００の内側部材１１０にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形態様を示す図であり、上段の図(a) はＸＹ平面で切断した横断面図、下段の図(b) はＸＺ平面で切断した縦断面図である。内側部材１１０にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、内側部材１１０は図の紙面垂直手前方向へと移動し（内側部材１１０内に記されている「丸に上」の記号は、紙面垂直手前方向への変位を示している）、弧状アーム１３０，１４０には、これに応じた撓みが生じることになる。具体的には、図７(b) に示すとおり、弧状アーム１３０，１４０の内側部分は、内側部材１１０の図の上方への変位に引きづられて、図の上方へと変位を生じる。

【0076】

図８は、図２に示す基本構造体１００の内側部材１１０にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときの変形態様を示す図であり、上段の図(a) はＸＹ平面で切断した横断面図、下段の図(b) はＹＺ平面で切断した縦断面図である。なお、図８(b) はＸＺ平面で切断した断面図ではなく、ＹＺ平面で切断した断面図であるため、図８(a) では、右方向がＸ軸正方向になっているが、図８(b) では、右方向がＹ軸正方向になっている。本願では、特定の座標軸の正方向に右ネジを進める回転方向のモーメントを、当該特定の座標軸まわりの正方向のモーメントと定義している。したがって、図示の例の場合、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘは、図８(b) において（Ｘ軸正方向は、紙面垂直手前方向）、反時計まわりのモーメントということになる。

【0077】

図８(a) において、内側部材１１０内に記されている「丸に上」の記号および「丸に下」の記号は、紙面垂直手前方向および垂直奥方向への変位を示している。内側部材１１０に対して、Ｘ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用すると、図８(a) に示されている内側部材１１０の上半分については紙面垂直手前方向への力が加わり、下半分については紙面垂直奥方向への力が加わることになり、弧状アーム１３０，１４０には、これに応じた撓みが生じることになる。

【0078】

図９は、図２に示す基本構造体１００の内側部材１１０にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形態様を示す図であり、上段の図(a) はＸＹ平面で切断した横断面図、下段の図(b) はＸＺ平面で切断した縦断面図である。図９(b) に示すとおり、Ｙ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙは、図において時計まわりのモーメントということになる。

【0079】

図９(a) において、内側部材１１０内に記されている「丸に上」の記号および「丸に下」の記号は、紙面垂直手前方向および垂直奥方向への変位を示している。内側部材１１０に対して、Ｙ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、図９(a) に示されている内側部材１１０の左半分については紙面垂直手前方向への力が加わり、右半分については紙面垂直奥方向への力が加わることになり、弧状アーム１３０，１４０には、これに応じた撓みが生じることになる。

【0080】

図１０は、図２に示す基本構造体１００の内側部材１１０にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの変形態様を示す図であり、上段の図(a) はＸＹ平面で切断した横断面図、下段の図(b) はＸＺ平面で切断した縦断面図である。図１０(a) に示すとおり、Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚは、図において（Ｚ軸正方向は、紙面垂直手前方向）反時計まわりのモーメントということになる。

【0081】

内側部材１１０に対して、Ｚ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用すると、内側部材１１０が図１０(a) において反時計まわりに回転し、弧状アーム１３０，１４０には、これに応じた撓みが生じることになる。具体的には、第１の弧状アーム１３０に対しては、全長を縮める応力が加わるため、湾曲の程度が大きくなり、外側へ膨らむ変形が生じることになる。同様に、第２の弧状アーム１４０に対しても、全長を縮める応力が加わるため、湾曲の程度が大きくなり、外側へ膨らむ変形が生じることになる。

【0082】

以上、図２に示す基本構造体１００について、外側部材１２０を固定した状態で、内側部材１１０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が作用した場合の弧状アーム１３０，１４０の弾性変形の態様および内側部材１１０の傾斜の態様を説明した。本発明の基本的な実施形態に係る力覚センサは、弧状アーム１３０，１４０の弾性変形の態様および内側部材１１０の傾斜の態様を検出素子によって検出することにより、作用した力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚおよびモーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚの検出値を出力する機能を有している。この機能については、次の§２において詳述する。

【0083】

＜＜＜ §２． 基本的実施形態に係る力覚センサ ＞＞＞
本発明の基本的実施形態に係る力覚センサは、§１で述べた基本構造体１００に、弧状アーム１３０，１４０の弾性変形を電気的に検出する検出素子と、この検出素子の検出結果に基づいて、内側部材１１０および外側部材１２０の一方を固定した状態において、他方に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、を付加したものである。

【0084】

図５〜図１０を参照して説明したとおり、外力が作用したときの弧状アーム１３０，１４０の弾性変形の態様は、作用した外力の向きに応じて異なり、弾性変形の程度は、作用した外力の大きさに応じて異なる。したがって、弧状アーム１３０，１４０に生じた弾性変形を、検出素子によって電気的に検出した上で、この検出結果について検出回路による適切な処理を行えば、作用した力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚおよびモーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚの検出値を得ることができる。

【0085】

弧状アームに生じた弾性変形を電気的に検出する１つの方法として、弧状アーム表面に発生する応力を検出する方法を採ることができる。たとえば、弧状アーム表面の所定箇所にストレインゲージを貼り付けておき、このストレインゲージのゲージ抵抗を測定する方法を採れば、各部に生じた応力を電気的に検出することができ、弧状アームに生じた弾性変形の態様および大きさを把握することができる。

【0086】

ただ、ここで説明する基本的実施形態では、弧状アームの所定箇所の変位を検出する方法を採用している。すなわち、弧状アーム１３０，１４０に所定の測定点を設定し、検出素子によって、この測定点の変位を電気的に検出することにより、当該弧状アーム１３０，１４０の弾性変形を検出する方法を採っている。具体的には、検出素子によって、弧状アーム１３０，１４０の測定点近傍の測定対象面と、内側部材１１０または外側部材１２０に固定され、測定対象面に対向する対向基準面と、の距離を電気的に検出することになる。

【0087】

このように、変位を生じる測定対象面と、固定された対向基準面と、の間の距離を電気的に測定する方法としては、光学的な測定方法、磁気的な測定方法などが知られているが、最も単純な方法は、容量素子の静電容量値を利用した測定方法である。すなわち、測定対象面に設けられた変位電極と、対向基準面に設けられた固定電極と、を有する容量素子によって検出素子を構成しておけば、この容量素子の静電容量値に基づいて両電極間の距離（すなわち、測定対象面と対向基準面との間の距離）を検出することができる。これは、容量素子の静電容量値が、両電極間の距離に反比例するという物理的な性質を有しているためである。

【0088】

図１１は、図４に示す支持基板２００の上面に、１２枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ１２を配置した状態を示す上面図である。前述したとおり、支持基板２００は、円盤状の底板部２１０の周囲に円環状の縁周部２２０を設けた構造を有しており、内部に空洞部２５０が形成されている。１２枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ１２は、図示のとおり、底板部２１０の上面の所定位置に固定される。なお、ここに示す実施例の場合、支持基板２００は、絶縁性材料によって構成されているため、１２枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ１２を底板部２１０の上面に直接固定しているが、支持基板２００を金属などの導電性材料によって構成した場合には、何らかの絶縁層を介して、１２枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ１２を底板部２１０の上面に固定する必要がある。

【0089】

ここでは、固定電極Ｅ１〜Ｅ８の配置を説明する便宜上、図示のとおり、Ｗ１軸とＷ２軸とを定義する。これらの軸はいずれもＸＹ平面上の軸であり、Ｗ１軸は、ＸＹ平面上において、Ｘ軸を左まわり方向（図における反時計まわり）に４５°回転させた軸であり、Ｗ２軸は、ＸＹ平面上において、Ｙ軸を左まわり方向（図における反時計まわり）に４５°回転させた軸である。図示のとおり、固定電極Ｅ１，Ｅ２はＷ１軸の正領域に配置され、固定電極Ｅ３，Ｅ４はＷ１軸の負領域に配置され、固定電極Ｅ５，Ｅ６はＷ２軸の正領域に配置され、固定電極Ｅ７，Ｅ８はＷ２軸の正領域に配置されている。

【0090】

これら固定電極Ｅ１〜Ｅ８は、長方形の板をわずかに湾曲させた形状を有する同一サイズの電極であり、固定電極Ｅ１，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ８は弧状アーム１３０，１４０の外側面（Ｚ軸から遠い面）に対向する位置に配置され、固定電極Ｅ２，Ｅ３，Ｅ６，Ｅ７は弧状アーム１３０，１４０の内側面（Ｚ軸に近い面）に対向する位置に配置されている。ここに示す実施例の場合、固定電極Ｅ１，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ８は、Ｚ軸を中心軸として第１の径をもった円柱面に沿った位置に配置されており、固定電極Ｅ２，Ｅ３，Ｅ６，Ｅ７は、Ｚ軸を中心軸として第２の径をもった円柱面に沿った位置に配置されている。なお、固定電極Ｅ１〜Ｅ８としては、湾曲のない長方形の板をそのまま用いてもかまわない（他の実施例についても同様）。

【0091】

一方、固定電極Ｅ９〜Ｅ１２は、底板部２１０の上面に固定された同一サイズの円盤状の電極であり、Ｘ軸およびＹ軸を底板部２１０の上面に投影した場合、固定電極Ｅ９はＸ軸正領域の投影像上に配置され、固定電極Ｅ１０はＸ軸負領域の投影像上に配置され、固定電極Ｅ１１はＹ軸正領域の投影像上に配置され、固定電極Ｅ１２はＹ軸負領域の投影像上に配置されている。図１１において、破線の円は、内側部材１１０の位置を示している。固定電極Ｅ９〜Ｅ１２は、いずれもこの破線の円の内側に配置されている。これは、固定電極Ｅ９〜Ｅ１２が、内側部材１１０の下面に対向する位置に配置されていることを示している。この実施例では、各固定電極Ｅ９〜Ｅ１２の中心点とＺ軸との距離は同一に設定されており、各固定電極Ｅ９〜Ｅ１２は、Ｚ軸から等距離の位置に配置されている。

【0092】

図１２は、図２に示す全体構造体に、１２枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ１２を配置した状態を示す縦断面図である。この縦断面図は、全体構造体を、図１１に示すＷ１軸に沿ったＷ１−Ｚ平面で切断した断面図になっているため、４枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ４の断面が示されている（図示の便宜上、固定電極Ｅ１〜Ｅ４は断面部分のみを図示している）。

【0093】

図１２の中央奥には、固定電極Ｅ６の正面図が示されている（固定電極Ｅ５は、固定電極Ｅ６の奥に隠れている）。前述したとおり、８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８は、いずれも図示されている固定電極Ｅ６と同様に、長方形状の板状電極（たとえば、金属板）であり、弧状アーム１３０，１４０の内側面もしくは外側面に対向する位置に配置されている。

【0094】

具体的には、固定電極Ｅ１は、第１の弧状アーム１３０の外側面に対向する位置に配置され、固定電極Ｅ２は、第１の弧状アーム１３０の内側面に対向する位置に配置され、固定電極Ｅ３は、第２の弧状アーム１４０の内側面に対向する位置に配置され、固定電極Ｅ４は、第２の弧状アーム１４０の外側面に対向する位置に配置されている。

【0095】

ここに示す実施例の場合、支持基板２００は絶縁性材料によって構成されているが、基本構造体１００は金属などの導電性材料によって構成されている。したがって、第１の弧状アーム１３０の表面、第２の弧状アーム１４０の表面、内側部材１１０の表面は、いずれも変位電極Ｅ０として機能する。たとえば、第１の弧状アーム１３０および第２の弧状アーム１４０の表面の、各固定電極Ｅ１〜Ｅ４の対向部分は、それぞれが変位電極Ｅ０として機能する。本願の図では、説明の便宜上、必要に応じて、これら変位電極Ｅ０を太線で示すことにする。

【0096】

図１２において、第１の弧状アーム１３０の右側に描かれた太線は、固定電極Ｅ１に対向する変位電極Ｅ０を示しており、第１の弧状アーム１３０の左側に描かれた太線は、固定電極Ｅ２に対向する変位電極Ｅ０を示している。同様に、第２の弧状アーム１４０の右側に描かれた太線は、固定電極Ｅ３に対向する変位電極Ｅ０を示しており、第２の弧状アーム１４０の左側に描かれた太線は、固定電極Ｅ４に対向する変位電極Ｅ０を示している。これらの変位電極Ｅ０は、導電性材料からなる第１の弧状アーム１３０および第２の弧状アーム１４０の表面の部分領域であり、相互に導通している。したがって、各変位電極Ｅ０は電気的には単一の共通電極として機能することになる。

【0097】

図１２は、全体構造体をＷ１−Ｚ平面で切断した断面図であるが、Ｗ２−Ｚ平面で切断した断面図も同様の構造になる。すなわち、固定電極Ｅ５〜Ｅ８に対向した、第１の弧状アーム１３０および第２の弧状アーム１４０の表面の部分領域が、それぞれ変位電極Ｅ０として機能することになる。なお、図１２では、固定電極Ｅ１０，Ｅ１１は、切断面より奥に位置する電極になるため、内側部材１１０には、これら固定電極Ｅ１０，Ｅ１１に対向する変位電極Ｅ０を示す太線が描かれていないが、実際には、内側部材１１０の下面の図の奥の部分に、固定電極Ｅ１０，Ｅ１１に対向する変位電極Ｅ０が存在することになる。

【0098】

図１３(a) は、図２に示す全体構造体に、１２枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ１２を配置した状態を示す横断面図（ＸＹ平面で切断した断面図）であり、図１３(b) は、これをＸＺ平面で切断した縦断面図である。この図においても、各弧状アーム１３０，１４０や内側部材１１０の表面の、各固定電極Ｅ１〜Ｅ１２の対向部分によって構成される変位電極Ｅ０を太線で示してある。また、図１３(a) には、支持基板２００上に形成された４枚の固定電極Ｅ９〜Ｅ１２の位置を破線で示してある。

【0099】

なお、本願の各図は、センサの設計図ではなく、発明の原理を説明するための図であるため、各部の寸法比は実寸どおりの寸法比を示すものではない。特に、個々の電極の厚みや位置は、図面上、デフォルメされたものとなっており、実寸どおりのものにはなっていない。

【0100】

図１３(a) には、ＸＹ平面（配置平面）上の所定位置に、８個の測定点Ｈ１〜Ｈ８を定義した状態が示されている。具体的には、第１の測定点Ｈ１は、第１の弧状アーム１３０の中心線（アームの長手方向に沿って伸びる中心線）とＷ１軸の正領域との交点位置に定義され、第２の測定点Ｈ２は、第２の弧状アーム１４０の中心線とＷ１軸の負領域との交点位置に定義され、第３の測定点Ｈ３は、第２の弧状アーム１４０の中心線とＷ２軸の正領域との交点位置に定義され、第４の測定点Ｈ４は、第１の弧状アーム１３０の中心線とＷ２軸の負領域との交点位置に定義されている。なお、各弧状アームの中心線は、いずれも配置平面（ここに示す実施例では、ＸＹ平面）上に位置している。

【0101】

一方、第５の測定点Ｈ５は、内側部材１１０内のＸ軸の正領域上に定義され、第６の測定点Ｈ６は、内側部材１１０内のＸ軸の負領域上に定義され、第７の測定点Ｈ７は、内側部材１１０内のＹ軸の正領域上に定義され、第８の測定点Ｈ８は、内側部材１１０内のＸ軸の負領域上に定義されている。

【0102】

ここに示す実施例の場合、４個の測定点Ｈ１〜Ｈ４は、ＸＹ平面上における原点Ｏを中心とした同一の円の円周上の点として定義され、４個の測定点Ｈ５〜Ｈ８も、ＸＹ平面上における原点Ｏを中心とした同一の円の円周上の点として定義されている。各測定点を、このように対称性をもった位置に定義しておけば、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求めるための演算式が単純化される。

【0103】

このように、８個の測定点Ｈ１〜Ｈ８を基準にすると、まず、Ｗ１軸に沿った位置に関しては、固定電極Ｅ１とこれに対向する変位電極（太線部分）とによって第１の測定点Ｈ１の外側近傍に配置された第１の容量素子Ｃ１が形成され、固定電極Ｅ２とこれに対向する変位電極（太線部分）とによって第１の測定点Ｈ１の内側近傍に配置された第２の容量素子Ｃ２が形成され、固定電極Ｅ３とこれに対向する変位電極（太線部分）とによって第２の測定点Ｈ２の内側近傍に配置された第３の容量素子Ｃ３が形成され、固定電極Ｅ４とこれに対向する変位電極（太線部分）とによって第２の測定点Ｈ２の外側近傍に配置された第４の容量素子Ｃ４が形成されることになる。

【0104】

また、Ｗ２軸に沿った位置に関しては、固定電極Ｅ５とこれに対向する変位電極（太線部分）とによって第３の測定点Ｈ３の外側近傍に配置された第５の容量素子Ｃ５が形成され、固定電極Ｅ６とこれに対向する変位電極（太線部分）とによって第３の測定点Ｈ３の内側近傍に配置された第６の容量素子Ｃ６が形成され、固定電極Ｅ７とこれに対向する変位電極（太線部分）とによって第４の測定点Ｈ４の内側近傍に配置された第７の容量素子Ｃ７が形成され、固定電極Ｅ８とこれに対向する変位電極（太線部分）とによって第４の測定点Ｈ４の外側近傍に配置された第８の容量素子Ｃ８が形成されることになる。

【0105】

そして、Ｘ軸に沿った位置に関しては、固定電極Ｅ９とこれに対向する変位電極（太線部分）とによって第５の測定点Ｈ５の下方に配置された第９の容量素子Ｃ９が形成され、固定電極Ｅ１０とこれに対向する変位電極（太線部分）とによって第６の測定点Ｈ６の下方に配置された第１０の容量素子Ｃ１０が形成されることになる。また、Ｙ軸に沿った位置に関しては、固定電極Ｅ１１とこれに対向する変位電極とによって第７の測定点Ｈ７の下方に配置された第１１の容量素子Ｃ１１が形成され、固定電極Ｅ１２とこれに対向する変位電極とによって第８の測定点Ｈ８の下方に配置された第１２の容量素子Ｃ１２が形成されることになる。

【0106】

このように、ここに示す実施例の場合、内側部材１１０、外側部材１２０、弧状アーム１３０，１４０が導電性材料によって構成されているため、弧状アーム１３０，１４０もしくは内側部材１１０の表面の一部分を、１２枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ１２に対向する変位電極Ｅ０として利用することができ、１２組の容量素子Ｃ１〜Ｃ１２を構成することができる。

【0107】

結局、弧状アーム１３０，１４０の内側面もしくは外側面の測定点Ｈ１〜Ｈ４の近傍に脇側測定対象面（図１３(a) の太線部分）を定義すれば、８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８は、この脇側測定対象面に対向する脇側対向基準面を有し、外側部材１２０に固定された固定構造体として機能することになり（実際には、各固定電極Ｅ１〜Ｅ８は、支持基板２００を介して外側部材１２０に間接的に固定されている）、８組の容量素子Ｃ１〜Ｃ８は、脇側測定対象面と脇側対向基準面との距離を電気的に検出する検出素子としての役割を果たすことになる。

【0108】

また、内側部材１１０の所定箇所には、付加的測定点Ｈ５〜Ｈ８が定義されている。そして、内側部材１１０の下面における付加的測定点Ｈ５〜Ｈ８の近傍に下側測定対象面（図１３(b) の太線部分）を定義すれば、４枚の固定電極Ｅ９〜Ｅ１２は、この下側測定対象面に対向する下側対向基準面を有し、外側部材１２０に固定された固定構造体として機能することになり（実際には、各固定電極Ｅ９〜Ｅ１２は、支持基板２００を介して外側部材１２０に間接的に固定されている）、４組の容量素子Ｃ９〜Ｃ１２は、下側測定対象面と下側対向基準面との距離を電気的に検出する検出素子としての役割を果たすことになる。

【0109】

このように、８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８とこれらに対向する変位電極とによって構成される容量素子Ｃ１〜Ｃ８は、測定点Ｈ１〜Ｈ４の径方向（Ｗ１軸もしくはＷ２軸に沿った方向）の変位検出を行う機能を有しているが、当該検出結果は、測定点Ｈ１〜Ｈ４の上下方向（Ｚ軸方向）の変位の影響を受けることはない。同様に、４枚の固定電極Ｅ９〜Ｅ１２とこれらに対向する変位電極とによって構成される容量素子Ｃ９〜Ｃ１２は、測定点Ｈ５〜Ｈ８の上下方向（Ｚ軸方向）の変位検出を行う機能を有しているが、当該検出結果は、測定点Ｈ５〜Ｈ８の水平方向（ＸＹ平面に平行な方向）の変位の影響を受けることはない。その理由は、次のとおりである。

【0110】

いま、図１４に示すような一対の対向電極Ｅａ，Ｅｂから構成される容量素子の静電容量値を考えてみよう。この例の場合、両電極Ｅａ，Ｅｂは、いずれも矩形の板状電極であるが、電極Ｅａの縦および横のサイズは、電極Ｅｂの縦および横のサイズよりも大きくなっている。しかも、両電極Ｅａ，Ｅｂは、それぞれの中心点が向かい合う位置に配置されているので、電極Ｅｂを電極Ｅａの形成面に投影した投影像Ａ（正射影投影像）は、電極Ｅａの内部に包含されている。要するに、電極Ｅａは、電極Ｅｂよりも、ひとまわり大きなサイズになっている。

【0111】

この図１４に示す例の場合、破線で示す投影像Ａの内部の面積が、この容量素子の有効対向面積ということになるが、両電極Ｅａ，Ｅｂが電極面に平行な方向に変位しても、投影像Ａが電極Ｅａ内に包含されている限り、有効対向面積は一定であるので、静電容量値に変化は生じない。したがって、たとえば、電極Ｅｂが電極面に垂直な方向に変位した場合、電極間距離に変化が生じて静電容量値が変化することになるが、電極Ｅｂが電極面に平行な方向に変位した場合、電極間距離は変化せず、また、投影像Ａが電極Ｅａ内に包含されている限り、有効対向面積も変化しないので、静電容量値に変化は生じない。

【0112】

したがって、図１４に示す容量素子は、両電極Ｅａ，Ｅｂの、電極面に垂直な方向に関する変位検出を行う機能を有しているが、当該検出結果は、両電極Ｅａ，Ｅｂの、電極面に平行な方向に関する変位の影響を受けることはない。

【0113】

図１３に示す力覚センサにおける容量素子Ｃ９〜Ｃ１２も同様の特徴を有している。すなわち、固定電極Ｅ９〜Ｅ１２のサイズに比べて、変位電極Ｅ０（内側部材１１０の下面）のサイズの方が大きいため、測定点Ｈ５〜Ｈ８が水平方向（ＸＹ平面に平行な方向）に変位を生じたとしても、当該変位が所定の許容範囲（有効対向面積が一定に維持される範囲）である限り、静電容量値に変化は生じない。

【0114】

このように、容量素子Ｃ９〜Ｃ１２を構成する固定電極Ｅ９〜Ｅ１２を、対向する変位電極Ｅ０の形成面（内側部材１１０の下面）に投影した投影像は、当該変位電極Ｅ０の内部に包含される関係になっている。このため、容量素子Ｃ９〜Ｃ１２は、測定点Ｈ５〜Ｈ８の上下方向（Ｚ軸方向）の変位検出を行う機能を有しているが、測定点Ｈ５〜Ｈ８が水平方向に変位を生じたとしても、当該変位が所定の許容範囲内である限り、容量素子Ｃ９〜Ｃ１２によって水平方向の変位が検出されることはない。別言すれば、容量素子Ｃ９〜Ｃ１２の静電容量値の変化は、専ら、測定点Ｈ５〜Ｈ８の上下方向（Ｚ軸方向）の変位を示す情報として取り扱うことが可能になる。

【0115】

続いて、容量素子Ｃ１〜Ｃ８について考えてみる。図１３(a) の横断面図に示されているように、容量素子Ｃ１〜Ｃ８は、固定電極Ｅ１〜Ｅ８と、弧状アーム１３０，１４０の表面の対向部分（太線部分）からなる変位電極Ｅ０と、によって構成される素子である。ここで、固定電極Ｅ１〜Ｅ８は、図１２の縦断面図に示されているように、支持基板２００の底板部２１０の上面から上方へと伸びる電極である。実際には、この固定電極Ｅ１〜Ｅ８の高さは、その上端が基本構造体１００の上面よりも更に上に突き出るように設定されている。したがって、基本構造体１００を支持基板２００の上面に接合すると、基本構造体１００の上面より更に上方に、固定電極Ｅ１〜Ｅ８の上端が所定量δだけ食み出した状態になる。

【0116】

このような構成を採れば、弧状アーム１３０，１４０の測定点Ｈ１〜Ｈ４が上下方向（Ｚ軸方向）に変位したとしても、当該変位量が上記所定量δの範囲内である限り、固定電極Ｅ１〜Ｅ８と対向電極Ｅ０（太線部分）との有効対向面積に変化は生じない。

【0117】

たとえば、図１２に太線で示した４箇所の部分を、それぞれ固定電極Ｅ１〜Ｅ４に対向する変位電極として把握すれば、これら変位電極を、対向する固定電極Ｅ１〜Ｅ４に投影した投影像は、それぞれ当該固定電極Ｅ１〜Ｅ４の内部に包含される関係になっている（固定電極Ｅ１〜Ｅ４の方が上下に広がっている）。固定電極Ｅ５〜Ｅ８についても同様である。このため、容量素子Ｃ１〜Ｃ８は、測定点Ｈ１〜Ｈ４の径方向の変位検出を行う機能を有しているが、測定点Ｈ１〜Ｈ４が上下方向（Ｚ軸方向）に変位を生じたとしても、当該変位が所定の許容範囲内である限り、容量素子Ｃ１〜Ｃ８によって上下方向の変位が検出されることはない。同様の理由により、周方向の変位が検出されることもない。別言すれば、容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変化は、専ら、測定点Ｈ１〜Ｈ４の径方向の変位を示す情報として取り扱うことが可能になる。

【0118】

図１５(a) ，(b) は、このような前提において、図１３に示す力覚センサの支持基板２００（外側部材１２０）を固定した状態で、内側部材１１０に対して各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ１２の静電容量値の変化を示すテーブルである。このテーブルで「＋」は静電容量値が増加すること（両電極間距離が狭くなること）を示し、「−」は静電容量値が減少すること（両電極間距離が広くなること）を示し、「０」は静電容量値が変動しないことを示している。

【0119】

なお、テーブルの「Ｃ１〜Ｃ１２」欄に付記された括弧書きは、各容量素子を構成する一対の対向電極を示している。たとえば、Ｃ１欄の（Ｅ１＆Ｅ０）は、容量素子Ｃ１が一対の対向電極Ｅ１，Ｅ０で構成されることを示している。ここで、電極Ｅ１は固定電極、電極Ｅ０（弧状アームもしくは内側部材の表面の一部の領域）は変位電極である。

【0120】

前述したように、容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変化は、専ら、測定点Ｈ１〜Ｈ４の径方向の変位を示し、容量素子Ｃ９〜Ｃ１２の静電容量値の変化は、専ら、測定点Ｈ５〜Ｈ８の上下方向（Ｚ軸方向）の変位を示すことになる。そして、内側部材１１０に対して、力＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚ，モーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚの６軸成分が加わったときの各弧状アーム１３０，１４０の弾性変形の態様は、図５〜図１０に示したとおりである。これらの事実を踏まえれば、図１５のテーブルに示すような結果が得られることは容易に理解できよう。

【0121】

たとえば、力＋Ｆｘが作用した場合、各弧状アーム１３０，１４０は図５に示すような弾性変形を生じることになり、全体的に図の右方に変位する。このため、図１３(a) に示す測定点Ｈ１〜Ｈ４も図の右方に変位し、固定電極Ｅ１，Ｅ８，Ｅ６，Ｅ３には近づくが、固定電極Ｅ２，Ｅ７，Ｅ５，Ｅ４からは遠ざかる。このため、容量素子Ｃ１，Ｃ８，Ｃ６，Ｃ３の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ２，Ｃ７，Ｃ５，Ｃ４の静電容量値は減少する。このとき、測定点Ｈ１〜Ｈ４はＺ軸方向には変位しないので、容量素子Ｃ９〜Ｃ１２の静電容量値に変化は生じない。図１５(a) ，(b) のテーブルの「＋Ｆｘ」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。

【0122】

一方、力＋Ｆｙが作用した場合、各弧状アーム１３０，１４０は図６に示すような弾性変形を生じることになり、全体的に図の上方に変位する。このため、図１３(a) に示す測定点Ｈ１〜Ｈ４も図の上方に変位し、固定電極Ｅ１，Ｅ５，Ｅ７，Ｅ３には近づくが、固定電極Ｅ２，Ｅ６，Ｅ８，Ｅ４からは遠ざかる。このため、容量素子Ｃ１，Ｃ５，Ｃ７，Ｃ３の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ２，Ｃ６，Ｃ８，Ｃ４の静電容量値は減少する。このとき、測定点Ｈ１〜Ｈ４はＺ軸方向には変位しないので、容量素子Ｃ９〜Ｃ１２の静電容量値に変化は生じない。図１５(a) ，(b) のテーブルの「＋Ｆｙ」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。

【0123】

そして、力＋Ｆｚが作用した場合、各弧状アーム１３０，１４０は図７に示すような弾性変形を生じることになる。すなわち、内側部材１１０はＺ軸正方向に変位するが、弧状アーム１３０，１４０は若干傾斜するものの、測定点Ｈ１〜Ｈ４の径方向の変位は生じない。このため、容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値に変化は生じない。ところが、内側部材１１０はＺ軸正方向に変位するため、容量素子Ｃ９〜Ｃ１２の電極間隔は広くなり、静電容量値は減少する。図１５(a) ，(b) のテーブルの「＋Ｆｚ」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。

【0124】

一方、モーメント＋Ｍｘが作用した場合、各弧状アーム１３０，１４０は図８に示すような弾性変形を生じることになる。すなわち、内側部材１１０はＸ軸まわりに傾斜するが、測定点Ｈ１〜Ｈ４の径方向の変位は生じない（厳密に言えば、微小な変位が生じるが、実質的に無視しうる量である）。このため、容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値に変化は生じない。ところが、内側部材１１０がＸ軸まわりに傾斜するため、容量素子Ｃ１１の電極間隔は広くなり、その静電容量値は減少し、容量素子Ｃ１２の電極間隔は狭くなり、その静電容量値は増加する。このとき、容量素子Ｃ９，Ｃ１０については、一部の電極間隔は広くなり、一部の電極間隔は狭くなるため、全体的には、静電容量値に変化は生じない。図１５(a) ，(b) のテーブルの「＋Ｍｘ」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。

【0125】

また、モーメント＋Ｍｙが作用した場合、各弧状アーム１３０，１４０は図９に示すような弾性変形を生じることになる。すなわち、内側部材１１０はＹ軸まわりに傾斜するが、測定点Ｈ１〜Ｈ４の径方向の変位は生じない（厳密に言えば、微小な変位が生じるが、実質的に無視しうる量である）。このため、容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値に変化は生じない。ところが、内側部材１１０がＹ軸まわりに傾斜するため、容量素子Ｃ９の電極間隔は狭くなり、その静電容量値は増加し、容量素子Ｃ１０の電極間隔は広くなり、その静電容量値は減少する。このとき、容量素子Ｃ１１，Ｃ１２については、一部の電極間隔は広くなり、一部の電極間隔は狭くなるため、全体的には、静電容量値に変化は生じない。図１５(a) ，(b) のテーブルの「＋Ｍｙ」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。

【0126】

最後に、モーメント＋Ｍｚが作用した場合、各弧状アーム１３０，１４０は図１０に示すような弾性変形を生じることになる。すなわち、各弧状アーム１３０，１４０はいずれも外側に膨らむので、測定点Ｈ１〜Ｈ４は外側に変位する。したがって、外側に配置された固定電極Ｅ１，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ８には近づくが、内側に配置された固定電極Ｅ２，Ｅ３，Ｅ６，Ｅ７からは遠ざかる。このため、容量素子Ｃ１，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ８の静電容量値は増加し、容量素子Ｃ２，Ｃ３，Ｃ６，Ｃ７の静電容量値は減少する。このとき、測定点Ｈ１〜Ｈ４はＺ軸方向には変位しないので、容量素子Ｃ９〜Ｃ１２の静電容量値に変化は生じない。図１５(a) ，(b) のテーブルの「＋Ｍｚ」の欄の結果は、このような現象に基づいて得られた結果である。

【0127】

図１５のテーブルに示すとおり、１２組の容量素子Ｃ１〜Ｃ１２の静電容量値（ここでは、便宜上、静電容量値も同じ符号Ｃ１〜Ｃ１２で示す）の変化パターンは、６軸成分が作用した個々の場合のそれぞれで異なり、しかも作用した力やモーメントが大きくなればなるほど、静電容量値の変動量も大きくなる。そこで、検出回路により、これら静電容量値Ｃ１〜Ｃ１２の測定値に基づく所定の演算を施せば、６軸成分の検出値を独立して出力することが可能になる。

【0128】

図１６は、図１３に示す力覚センサに対して作用する各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを求める具体的な演算式を示す図である。このような演算式によって、個々の検出値が得られる理由は、図１５に示すテーブルを参照すれば理解できる。たとえば、図１５のテーブルの＋Ｆｘの行を参照すれば、「＋」が記されたＣ１，Ｃ３，Ｃ６，Ｃ８の和と、「−」が記されたＣ２，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ７の和と、の差により、＋Ｆｘの検出値が得られることがわかる。他の検出値についても同様である。

【0129】

また、負方向の力−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚおよび負まわりのモーメント−Ｍｘ，−Ｍｙ，−Ｍｚが作用した場合は、図１５のテーブルにおける「＋」と「−」とが逆転するので、図１６に示す演算式をそのまま利用すれば、各検出値を負の値として得ることができる。この図１６に示す６軸成分の演算式は、他軸成分の干渉を受けないので、６軸成分についての各検出値を独立して得ることができる。たとえば、＋Ｆｙが作用した場合、Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７は増加し、Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８は減少するが、ＦｘやＭｚについての演算式では、これらの増加および減少成分は互いにキャンセルされるので、ＦｘやＭｚについての検出値にＦｙの成分が含まれることはない。その他の軸成分についても、同様に、干渉が生じることはない。

【0130】

図１６に示すとおり、力Ｆｚ以外の演算式は、２組の容量値についての差分を求める形式になっている。このような差分検出は、温度環境の変化により基本構造部が膨張もしくは収縮し、対向電極間距離が変動する誤差が生じたとしても、生じた誤差を相互にキャンセルすることができるので、外乱成分を含まない正確な検出結果を得る上で好ましい。なお、Ｆｚについても差分検出を行いたい場合は、基本構造体１００の上方に天蓋基板を設け、この天蓋基板の下面に固定電極を追加し（たとえば、図１１において、ＸＹ平面を対称面として固定電極Ｅ９〜Ｅ１２と対称となるような電極を形成すればよい）、内側部材１１０の上面の対向部分を変位電極とする容量素子を形成すればよい。当該容量素子は、測定点Ｈ５〜Ｈ８と天蓋基板の下面との距離を測定する役割を果たすので、これらの容量素子の容量値と容量素子Ｃ９〜Ｃ１２の容量値との間で差分をとるようにすればよい。

【0131】

図１７は、図１３に示す基本的な実施形態に係る力覚センサに用いる検出回路３００および検出素子（容量素子Ｃ１〜Ｃ１２）を示す図である。検出回路３００は、１２組の容量素子Ｃ１〜Ｃ１２の静電容量値に基づく所定の演算処理（図１６の演算式に基づく演算処理）を行うことにより、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚなる検出値を出力する機能を果たす。なお、ここで述べる実施例の場合、基本構造体１００を金属などの導電性材料によって構成しているため、各容量素子Ｃ１〜Ｃ１２の一方の電極（変位電極Ｅ０）は、基本構造体１００の表面の一部によって構成される。したがって、検出回路３００に対する配線は、基本構造体１００の所定の配線箇所に対する１本の配線のみで十分である。

【0132】

図１８は、図１３に示す力覚センサに用いる検出回路３００の詳細構成を示す回路図である。この検出回路は、図１６に示す演算式に基づいて、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出値を電圧値として出力する回路である。まず、１２組の容量素子Ｃ１〜Ｃ１２の静電容量値Ｃ１〜Ｃ１２は、Ｃ／Ｖ変換器３０１〜３１２によって、それぞれ電圧値Ｖ１〜Ｖ１２に変換される。続いて、加減算回路３２１〜３２６によって、それぞれ図１６に示す演算式に基づく加減算が行われ、演算結果がそれぞれＦｘ，Ｆｙ，Ｍｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｆｚの検出値として出力される。

【0133】

もちろん、この図１８に示す検出回路は一例を示すものであり、原理的に図１６の演算式に基づく検出結果が出力できれば、どのような回路を用いてもかまわない。たとえば、一対の容量素子を並列接続すれば、接続後の容量素子対の静電容量値は、個々の容量素子の静電容量値の和になるので、図１８に示す回路図において、たとえば、容量素子Ｃ１とＣ３とを並列接続すれば、接続後の容量素子対の静電容量値は「Ｃ１＋Ｃ３」になるので、加減算回路３２１における「Ｖ１＋Ｖ３」の演算は省略することができる。

【0134】

また、図１８は、アナログ演算器を用いた検出回路を示すものであるが、図１６に示す演算は、もちろん、デジタル演算によって行うことも可能である。たとえば、Ｃ／Ｖ変換器３０１〜３１２の後段にＡ／Ｄ変換器を接続すれば、静電容量値Ｃ１〜Ｃ１２をそれぞれデジタル値として取り込むことができるので、マイクロコンピュータなどのデジタル回路により、図１６に示す演算を行い、各検出値をデジタル値として出力することができる。

【0135】

＜＜＜ §３． 基本的実施形態の変形例および基本技術概念 ＞＞＞
ここでは、§２で述べた本発明の基本的実施形態に係る力覚センサについて、いくつかの変形例を述べるとともに、当該実施形態の基本技術概念をまとめることにする。

【0136】

＜３−１．基本的実施形態の変形例＞
図１９(a) は、図１３に示す基本的な実施形態の変形例に係る力覚センサの横断面図（ＸＹ平面で切断した断面図）であり、図１９(b) はこれをＸＺ平面で切断した断面を示す縦断面図である。図１３に示す基本的な実施形態との相違は、固定電極Ｅ９〜Ｅ１２の代わりに、固定電極Ｅ９′〜Ｅ１２′を設けた点だけである。図１３に示す基本的な実施形態の場合、固定電極Ｅ９〜Ｅ１２を、支持基板２００の底板部２１０上面における内側部材１１０の下方に配置する構成を採用していた。別言すれば、図１３に示す基本的な実施形態の場合、測定点Ｈ５〜Ｈ８（ここでは、測定点Ｈ１〜Ｈ４と区別するために、測定点Ｈ５〜Ｈ８を付加的測定点と呼ぶことにする）を、内側部材１１０内の所定箇所に設定していた。

【0137】

これに対して、図１９に示す変形例では、内側部材１１０内の付加的測定点Ｈ５〜Ｈ８の代わりに、弧状アーム１３０，１４０内に付加的測定点Ｈ５′〜Ｈ８′を設定しており、これら付加的測定点Ｈ５′〜Ｈ８′の下方位置に固定電極Ｅ９′〜Ｅ１２′を設けている。すなわち、図１９(a) に示すとおり、第１の測定点Ｈ１〜第４の測定点Ｈ４については、図１３に示す基本的な実施形態と同じ位置に定義されているが、第５の測定点Ｈ５′は、第１の弧状アーム１３０の円弧状部１３１の中心線とＸ軸の正領域との交点位置に定義され、第６の測定点Ｈ６′は、第２の弧状アーム１４０の円弧状部１４１の中心線とＸ軸の負領域との交点位置に定義されている。一方、第７の測定点Ｈ７′は、第２の弧状アーム１４０の内側接続部１４２の外側端の位置に定義され、第８の測定点Ｈ８′は、第１の弧状アーム１３０の内側接続部１３２の外側端の位置に定義されている。

【0138】

そして、固定電極Ｅ９′〜Ｅ１２′は、支持基板２００の底板部２１０上面における、各付加的測定点Ｈ５′〜Ｈ８′の下方位置に配置されている。図１９(a) には、４枚の固定電極Ｅ９′〜Ｅ１２′の位置が破線の円で描かれている。これらの各円は、図面上、各付加的測定点Ｈ５′〜Ｈ８′を中心点とした円になる。

【0139】

図１９(b) には、付加的測定点Ｈ５′の下方に円盤状の固定電極Ｅ９′が配置され、付加的測定点Ｈ６′の下方に円盤状の固定電極Ｅ１０′が配置されている状態が示されている。第１の弧状アーム１３０の下面における固定電極Ｅ９′の対向部分（太線部分）は変位電極として機能し、相互に対向する一対の電極により第９の容量素子Ｃ９′が形成される。また、第２の弧状アーム１４０の下面における固定電極Ｅ１０′の対向部分（太線部分）は変位電極として機能し、相互に対向する一対の電極により第１０の容量素子Ｃ１０′が形成される。同様に、固定電極Ｅ１１′とこれに対向する変位電極によって第１１の容量素子Ｃ１１′が形成され、固定電極Ｅ１２′とこれに対向する変位電極によって第１２の容量素子Ｃ１２′が形成される。

【0140】

この図１９に示す変形例における容量素子Ｃ９′〜Ｃ１２′の機能は、図１３に示す基本的な実施形態における容量素子Ｃ９〜Ｃ１２の機能と全く同じであり、静電容量値の増減態様は、図１５(b) に示す容量素子Ｃ９〜Ｃ１２の態様と変わりはない。したがって、容量素子Ｃ９〜Ｃ１２の代わりに、容量素子Ｃ９′〜Ｃ１２′を用いた変形例でも、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６軸成分を独立して検出することができる。

【0141】

なお、図１９(a) に示す変形例の場合、付加的測定点Ｈ５′およびＨ６′は正確にＸ軸上の点になっているが、付加的測定点Ｈ７′およびＨ８′はＹ軸から若干外れた位置の点になっている。このため、たとえば、図１９(b) に示す固定電極Ｅ１１′は、中心から若干左方向にずれた位置に配置されている。もちろん、検出感度をできるだけ高めるという観点では、付加的測定点Ｈ５′およびＨ６′をＸ軸上の点として定義し、付加的測定点Ｈ７′およびＨ８′をＹ軸上の点として定義するのが好ましいが、実用上は、図示の例のように、各軸の近傍位置であれば、各軸から若干外れた位置に定義しても、補正演算を行うことにより補正が可能であるため問題はない。

【0142】

図１３に示す基本的な実施形態における容量素子Ｃ９〜Ｃ１２の役割は、図１５(b) のテーブルに示されているとおり、力ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙを検出することにある。このような役割を果たす上では、容量素子Ｃ９〜Ｃ１２は、必ずしも内側部材１１０の下方に設ける必要はなく、弧状アーム１３０，１４０の下方に設けてもかまわない。図１９に示す変形例は、このような観点から、内側部材１１０の下方に設けられている容量素子Ｃ９〜Ｃ１２の代わりに、弧状アーム１３０，１４０の下方に設けられている容量素子Ｃ９′〜Ｃ１２′を用いるようにした例である。

【0143】

なお、これまでの実施例では、固定電極Ｅ１〜Ｅ８を支持基板２００の底板部２１０上に固定した例を示した。支持基板２００は外側部材１２０に固定されているので、結局、これまでの実施例は、固定電極Ｅ１〜Ｅ８を外側部材１２０に固定した例ということができる。

【0144】

これに対して、固定電極Ｅ１〜Ｅ８を内側部材１１０に固定した変形例も可能である。弧状アーム１３０，１４０は、内側部材１１０と外側部材１２０とを接続する部材であり、弧状アーム１３０，１４０が弾性変形を生じた場合、内側部材１１０に対しても変位するし、外側部材１２０に対しても変位することになる。したがって、固定電極Ｅ１〜Ｅ８を内側部材１１０に固定した場合でも、弧状アーム１３０，１４０の弾性変形を容量素子Ｅ１〜Ｅ８の静電容量値の変化として検出することが可能である。

【0145】

以上、図１に示すように、特定の構造をもった基本構造体１００をＸＹＺ三次元直交座標系に対して特定の向きに配置した実施例を述べてきたが、もちろん、基本構造体１００の配置は、必ずしも図１に示す向きに限定されるものではない。たとえば、図１に示す基本構造体１００をＺ軸を回転軸として時計まわり、あるいは反時計まわりに９０°回転させた配置を採用することも可能である。この場合、Ｘ軸とＹ軸が入れ替わったり、座標軸の正負の方向が入れ替わったりするため、静電容量値の変化態様は、図１５のテーブルに示すものとは若干異なったものになる。

【0146】

また、図１に示す基本構造体１００をＸ軸もしくはＹ軸を回転軸として１８０°回転させた配置を採用することも可能である。別言すれば、基本構造体１００を裏返して配置した変形例ということになる。このような変形例では、Ｚ軸の正負の向きが逆転するため、図１５(a) のテーブルの「＋Ｍｚ」の欄の符号が逆転することになり、図１６のＭｚの式の右辺の各項の符号も逆転することになる。

【0147】

更に、弧状アームの本数を３本以上にする変形例も可能である。図２０は、３本の弧状アームを有する基本構造体４００の横断面図（ＸＹ平面で切断した断面を示す）である。この変形例に係る基本構造体４００は、内側部材４１０と外側部材４２０との間を、３本の弧状アーム４３０，４４０，４５０で接続した形態を採るものである。

【0148】

内側部材４１０は、これまで述べてきた実施例における内側部材１１０と同じくＺ軸を中心軸として配置された円盤状の部材であり、その外周部には、図示のとおり、第１の内側接続点Ｐ１、第２の内側接続点Ｐ２、第３の内側接続点Ｐ３が定義されている。一方、外側部材４２０は、これまで述べてきた実施例における外側部材１２０と同じくＺ軸を中心軸として配置された円環状の部材であり、その内周部には、図示のとおり、第１の外側接続点Ｑ１、第２の外側接続点Ｑ２、第３の外側接続点Ｑ３が定義されている。

【0149】

これら各接続点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は、いずれもＸＹ平面上の点であり、第１の弧状アーム４３０は、第１の内側接続点Ｐ１と第１の外側接続点Ｑ１とを接続し、第２の弧状アーム４４０は、第２の内側接続点Ｐ２と第２の外側接続点Ｑ２とを接続し、第３の弧状アーム４５０は、第３の内側接続点Ｐ３と第３の外側接続点Ｑ３とを接続している。もちろん、これら３本の弧状アーム４３０，４４０，４５０は、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる性質を有しており、図示のとおり、内側部材４１０の周囲を部分的に取り囲むように配置されている。

【0150】

なお、図１に示す基本構造体１００を構成する第１の弧状アーム１３０および第２の弧状アーム１４０の円弧状部１３１，１４１は、Ｚ軸を中心とした正確な円弧に沿って伸びる構造物であるのに対して、図２０に示す基本構造体４００を構成する３本の弧状アーム４３０，４４０，４５０は、Ｚ軸を中心とした円弧ではなく、当該円弧の近傍に沿って伸びる渦巻状の湾曲部によって構成されている。このように、本発明に用いる「弧状アーム」とは、必ずしも正確な円弧に沿ったアームである必要はなく、内側部材の周囲を部分的に取り囲むように湾曲したアームであれば足りる。

【0151】

結局、図２０に示す基本構造体４００の場合、第１の弧状アーム４３０が、Ｚ軸の周囲を部分的に取り囲む第１の湾曲部と、この第１の湾曲部の一端を第１の内側接続点Ｐ１に接続する第１の内側接続部と、第１の湾曲部の他端を第１の外側接続点Ｑ１に接続する第１の外側接続部と、を有しており、第２の弧状アーム４４０が、Ｚ軸の周囲を部分的に取り囲む第２の湾曲部と、この第２の湾曲部の一端を第２の内側接続点Ｐ２に接続する第２の内側接続部と、第２の湾曲部の他端を第２の外側接続点Ｑ２に接続する第２の外側接続部と、を有しており、第３の弧状アーム４５０が、Ｚ軸の周囲を部分的に取り囲む第３の湾曲部と、この第３の湾曲部の一端を第３の内側接続点Ｐ３に接続する第３の内側接続部と、第３の湾曲部の他端を第３の外側接続点Ｑ３に接続する第３の外側接続部と、を有している。

【0152】

もちろん、弧状アームの数は、４本以上であってもかまわない。一般論としては、内側部材と外側部材とを接続する役割を果たす複数ｎ本（ｎ≧２）の弧状アームが設けられており、各弧状アームが、検出対象となる力もしくはモーメントの作用により少なくとも一部に弾性変形を生じる性質を有し、内側部材の周囲を部分的に取り囲むように配置されていればよい。

【0153】

なお、これら複数ｎ本の弧状アームによって、外側部材の内部に内側部材を安定して支持するため、個々の内側接続点は互いに異なる点となるようにし、個々の外側接続点も互いに異なる点となるようにする。すなわち、複数ｎ本の弧状アームのうち、第ｉ（１≦ｉ≦ｎ）の弧状アームの内側端部は内側部材上の第ｉの内側接続点に接続され、外側端部は外側部材上の第ｉの外側接続点に接続されており、第１〜第ｎの内側接続点は、内側部材上で異なる位置にある点となり、第１〜第ｎの外側接続点は、外側部材上で異なる位置にある点となるようにする。

【0154】

図１(a) に示す基本構造体１００は、ｎ＝２に設定することにより、内側部材１１０と外側部材１２０とが第１の弧状アーム１３０と第２の弧状アーム１４０とによって接続されるようにした例である。この例の場合、ＸＹ平面を配置平面と定義すれば、この配置平面上に、第１の内側接続点Ｐ１、第２の内側接続点Ｐ２、第１の外側接続点Ｑ１、第２の外側接続点Ｑ２が配置されており、第１の内側接続点Ｐ１と第２の内側接続点Ｐ２とを結ぶ連結直線および第１の外側接続点Ｑ１と第２の外側接続点Ｑ２とを結ぶ連結直線が、それぞれＺ軸と交差するようにしている。

【0155】

このような構成を採れば、基本構造体１００が、Ｚ軸を回転軸として１８０°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、１８０°の回転対称構造になり、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算出するための演算式を単純化するメリットが得られることは、既に述べたとおりである。また、１８０°の回転対称構造を採用すると、内側部材１１０を正反対に位置する２箇所の内側接続点Ｐ１，Ｐ２で支持することができるので、堅牢性をもった構造が実現できる。なお、§４で述べる二段積層式の実施形態の場合、ＸＹ平面の代わりに、ＸＹ平面に平行な所定の平面が配置平面になる（この点については、§４で詳述する）。

【0156】

これに対して、図２０に示す基本構造体４００は、ｎ＝３に設定することにより、内側部材４１０と外側部材４２０とが、第１の弧状アーム４３０、第２の弧状アーム４４０、第３の弧状アーム４５０によって接続されるようにした例である。この例の場合も、ＸＹ平面を配置平面と定義すれば、この配置平面上に、第１の内側接続点Ｐ１、第２の内側接続点Ｐ２、第３の内側接続点Ｐ３、第１の外側接続点Ｑ１、第２の外側接続点Ｑ２、第３の外側接続点Ｑ３が配置されている（§４で述べる二段積層式の実施形態の場合、ＸＹ平面の代わりに、ＸＹ平面に平行な所定の平面が配置平面になる）。そして、第１の内側接続点Ｐ１と第１の外側接続点Ｑ１とを結ぶ連結直線、第２の内側接続点Ｐ２と第２の外側接続点Ｑ２とを結ぶ連結直線、第３の内側接続点Ｐ３と第３の外側接続点Ｑ３とを結ぶ連結直線が、それぞれＺ軸と交差するようにしている。

【0157】

このような構成を採れば、基本構造体４００が、Ｚ軸を回転軸として１２０°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、１２０°の回転対称構造になり、やはり、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算出するための演算式を単純化することができ、また、内側部材１１０に対して、堅牢性をもった支持構造が実現できる。

【0158】

一般論として述べれば、内側部材と外側部材とを、第１〜第ｎの弧状アームなる合計ｎ本（ｎ≧２）の弧状アームによって接続する構成を採用する場合、基本構造体が、Ｚ軸を回転軸として（３６０／ｎ）°回転させたときの形状が回転前の形状と同一となる、（３６０／ｎ）°の回転対称構造を有するようにすればよい。

【0159】

このように、本発明に係る力覚センサを構成する基本構造体において、内側部材と外側部材とを接続する弧状アームの本数ｎは、２以上の任意の数でかまわないが、実用上は、§１，§２で述べたように、ｎ＝２に設定して、内側部材１１０と外側部材１２０との間を、第１の弧状アーム１３０および第２の弧状アーム１４０によって接続する構成を採るのが好ましい。これは、２箇所の内側接続点Ｐ１，Ｐ２において内側部材１１０を支持すれば、実用上、十分堅牢な支持構造を実現することができ、構造を単純化することができるためである。しかも、§２で述べたように、検出素子（容量素子）を特定箇所に配置すれば、力およびモーメントの６軸成分を独立して検出することが可能になる。

【0160】

＜３−２．基本的実施形態の基本技術概念＞
ここでは、§２で述べた基本的実施形態に係る力覚センサの基本技術概念をまとめておく。なお、本願では、説明の便宜上、右ネジをＺ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをＺ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義することにする。たとえば、図１(a) の上面図の場合、反時計まわりの方向が左まわり方向、時計まわりの方向が右まわり方向ということになる。

【0161】

このような定義を行った場合、図１(a) に示す基本構造体１００の第１の弧状アーム１３０は、第１の内側接続点Ｐ１から第１の外側接続点Ｑ１に向かって、左まわり方向に伸び、第２の弧状アーム１４０は、第２の内側接続点Ｐ２から第２の外側接続点Ｑ２に向かって、左まわり方向に伸びている。別言すれば、第１の弧状アーム１３０も第２の弧状アーム１４０も、同一の左まわり方向に伸びていることになる。

【0162】

一方、この図１(a) に示す基本構造体１００を、Ｘ軸もしくはＹ軸を回転軸として１８０°回転させて裏返しにした場合、物理的には同一の基本構造体１００でありながら、上方から見たときの弧状アームの伸びる方向は逆まわりになる。すなわち、第１の弧状アーム１３０も第２の弧状アーム１４０も、右まわり方向に伸びていることになる。

【0163】

このように、第１の弧状アーム１３０および第２の弧状アーム１４０が、右まわりになるか、左まわりになるかは、ＸＹＺ三次元直交座標系に基本構造体１００を表向きに配置するか、裏向きに配置するか、によって異なることになるが、どのような向きに配置したとしても、第１の弧状アーム１３０および第２の弧状アーム１４０が、同一の回転方向に伸びていることに変わりはない。もちろん、一方の弧状アームが右まわりに伸び、他方の弧状アームが左まわりに伸びているような基本構造体を用いることも可能であるが、実用上は、両弧状アームが同一の回転方向に伸びているような構造を採用した方が、狭い空間を有効利用して両弧状アームを効率的に配置することができるので好ましい。

【0164】

要するに、一般論としては、第１の弧状アーム１３０は、第１の内側接続点Ｐ１から第１の外側接続点Ｑ２に向かって、左まわり方向および右まわり方向のうちのいずれか一方の選択方向に伸び、第２の弧状アーム１４０は、第２の内側接続点Ｐ２から第２の外側接続点Ｑ２に向かって、上記選択方向と同じ方向に伸びているような構造を採用すればよい。

【0165】

なお、図１(a) に示すとおり、第１の内側接続点Ｐ１は、配置平面（各接続点Ｐ１，Ｐ２，Ｑ１，Ｑ２が配置されている平面、これまでの実施例の場合はＸＹ平面自身になるが、§４で述べる二段積層式の実施形態の場合、ＸＹ平面に平行な所定の平面が配置平面になる）上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の内側接続点Ｐ２は、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第１の外側接続点Ｑ１は、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の外側接続点Ｑ２は、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置されている。

【0166】

このような基本構造体１００を用いて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚという３軸成分の検出を行うには、図１３(a) に示す４個の測定点Ｈ１〜Ｈ４を定義し、その変位を電気的に検出すればよい。

【0167】

具体的には、図１３(a) に示すように、ＸＹ平面上において、Ｘ軸を左まわり方向に４５°回転させたＷ１軸と、Ｙ軸を左まわり方向に４５°回転させたＷ２軸と、を定義し、配置平面上へのＷ１軸の正領域の投影像と弧状アーム１３０の中心線との交点に第１の測定点Ｈ１を定義し、配置平面上へのＷ１軸の負領域の投影像と弧状アーム１４０の中心線との交点に第２の測定点Ｈ２を定義し、配置平面上へのＷ２軸の正領域の投影像と弧状アーム１４０の中心線との交点に第３の測定点Ｈ３を定義し、配置平面上へのＷ２軸の負領域の投影像と弧状アーム１３０の中心線との交点に第４の測定点Ｈ４を定義し、検出素子によって、各測定点Ｈ１〜Ｈ４の変位を電気的に検出することにより、各弧状アーム１３０，１４０の弾性変形を検出すればよい。

【0168】

図１３に示す実施形態の場合、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚ検出用の検出素子として８組の容量素子Ｃ１〜Ｃ８が用いられている。すなわち、第１の測定点Ｈ１近傍に配置された第１の容量素子Ｃ１および第２の容量素子Ｃ２と、第２の測定点Ｈ２近傍に配置された第３の容量素子Ｃ３および第４の容量素子Ｃ４と、第３の測定点Ｈ３近傍に配置された第５の容量素子Ｃ５および第６の容量素子Ｃ６と、第４の測定点Ｈ４近傍に配置された第７の容量素子Ｃ７および第８の容量素子Ｃ８と、が設けられている。

【0169】

ここで、第１の容量素子Ｃ１は、弧状アーム１３０の外側の第１の測定点Ｈ１近傍に配置され外側部材１２０（あるいは内側部材１１０でもよい）に固定された第１の固定電極Ｅ１と、弧状アーム１３０の表面における第１の固定電極Ｅ１に対向する領域に形成された第１の変位電極Ｅ０と、によって構成され、第２の容量素子Ｃ２は、弧状アーム１３０の内側の第１の測定点Ｈ１近傍に配置され外側部材１２０（あるいは内側部材１１０でもよい）に固定された第２の固定電極Ｅ２と、弧状アーム１３０の表面における第２の固定電極Ｅ２に対向する領域に形成された第２の変位電極Ｅ０と、によって構成される。

【0170】

また、第３の容量素子Ｃ３は、弧状アーム１４０の内側の第２の測定点Ｈ２近傍に配置され外側部材１２０（あるいは内側部材１１０でもよい）に固定された第３の固定電極Ｅ３と、弧状アーム１４０の表面における第３の固定電極Ｅ３に対向する領域に形成された第３の変位電極Ｅ０と、によって構成され、第４の容量素子Ｃ４は、弧状アーム１４０の外側の第２の測定点Ｈ２近傍に配置され外側部材１２０（あるいは内側部材１１０でもよい）に固定された第４の固定電極Ｅ４と、弧状アーム１４０の表面における第４の固定電極Ｅ４に対向する領域に形成された第４の変位電極Ｅ０と、によって構成される。

【0171】

そして、第５の容量素子Ｃ５は、弧状アーム１４０の外側の第３の測定点Ｈ３近傍に配置され外側部材１２０（あるいは内側部材１１０でもよい）に固定された第５の固定電極Ｅ５と、弧状アーム１４０の表面における第５の固定電極Ｅ５に対向する領域に形成された第５の変位電極Ｅ０と、によって構成され、第６の容量素子Ｃ６は、弧状アーム１４０の内側の第３の測定点Ｈ３近傍に配置され外側部材１２０（あるいは内側部材１１０でもよい）に固定された第６の固定電極Ｅ６と、弧状アーム１４０の表面における第６の固定電極Ｅ６に対向する領域に形成された第６の変位電極Ｅ０と、によって構成される。

【0172】

最後に、第７の容量素子Ｃ７は、弧状アーム１３０の内側の第４の測定点Ｈ４近傍に配置され外側部材１２０（あるいは内側部材１１０でもよい）に固定された第７の固定電極Ｅ７と、弧状アーム１３０の表面における第７の固定電極Ｅ７に対向する領域に形成された第７の変位電極Ｅ０と、によって構成され、第８の容量素子Ｃ８は、弧状アーム１３０の外側の第４の測定点Ｈ４近傍に配置され外側部材１２０（あるいは内側部材１１０でもよい）に固定された第８の固定電極Ｅ８と、弧状アーム１３０の表面における第８の固定電極Ｅ８に対向する領域に形成された第８の変位電極Ｅ０と、によって構成される。

【0173】

検出回路３００は、これら検出素子（容量素子Ｃ１〜Ｃ８）の検出結果に基づいて、内側部材１１０および外側部材１２０の一方を固定した状態において、他方に作用したＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力ＦｙおよびＺ軸まわりのモーメントＭｚの３軸に関する検出値を出力することができる（図１６の式Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚ参照）。

【0174】

一方、上記３軸成分に加えて、更に、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの３軸に関する検出値を含む合計６軸の検出値を出力するには、更に、図１３(a) に示す４個の付加的測定点Ｈ５〜Ｈ８（あるいは、図１９に示す４個の付加的測定点Ｈ５′〜Ｈ８′でもよい）を定義し、その変位を電気的に検出すればよい。

【0175】

図１３に示す実施形態の場合、測定点Ｈ１〜Ｈ４に加えて、更に、内側部材１１０の所定箇所に第５〜第８の測定点Ｈ５〜Ｈ８を付加的に定義している。また、図１９に示す実施形態の場合、測定点Ｈ１〜Ｈ４に加えて、更に、弧状アーム１３０，１４０の所定箇所に第５〜第８の測定点Ｈ５′〜Ｈ８′を付加的に定義している。

【0176】

ここで、第５の測定点Ｈ５，Ｈ５′は、配置平面上へのＸ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第６の測定点Ｈ６，Ｈ６′は、配置平面上へのＸ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第７の測定点Ｈ７，Ｈ７′は、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第８の測定点Ｈ８，Ｈ８′は、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍位置に配置されるようにする。

【0177】

そして、検出素子として、第５の測定点Ｈ５，Ｈ５′近傍に配置された第９の容量素子Ｃ９，Ｃ９′と、第６の測定点Ｈ６，Ｈ６′近傍に配置された第１０の容量素子Ｃ１０，Ｃ１０′と、第７の測定点Ｈ７，Ｈ７′近傍に配置された第１１の容量素子Ｃ１１，Ｃ１１′と、第８の測定点Ｈ８，Ｈ８′近傍に配置された第１２の容量素子Ｃ１２，Ｃ１２′と、を更に設ければよい。

【0178】

ここで、第９の容量素子Ｃ９，Ｃ９′は、内側部材１１０もしくは弧状アーム１３０の下方の第５の測定点Ｈ５，Ｈ５′近傍に配置され外側部材１２０に固定された第９の固定電極Ｅ９，Ｅ９′と、内側部材１１０もしくは弧状アーム１３０の下面における第９の固定電極Ｅ９，Ｅ９′に対向する領域に形成された第９の変位電極Ｅ０と、によって構成され、第１０の容量素子Ｃ１０，Ｃ１０′は、内側部材１１０もしくは弧状アーム１４０の下方の第６の測定点Ｈ６，Ｈ６′近傍に配置され外側部材１２０に固定された第１０の固定電極Ｅ１０，Ｅ１０′と、内側部材１１０もしくは弧状アーム１４０の下面における第１０の固定電極Ｅ１０，Ｅ１０′に対向する領域に形成された第１０の変位電極Ｅ０と、によって構成される。

【0179】

同様に、第１１の容量素子Ｃ１１，Ｃ１１′は、内側部材１１０もしくは弧状アーム１４０の下方の第７の測定点Ｈ７，Ｈ７′近傍に配置され外側部材１２０に固定された第１１の固定電極Ｅ１１，Ｅ１１′と、内側部材１１０もしくは弧状アーム１４０の下面における第１１の固定電極Ｅ１１，Ｅ１１′に対向する領域に形成された第１１の変位電極Ｅ０と、によって構成され、第１２の容量素子Ｃ１２，Ｃ１２′は、内側部材１１０もしくは弧状アーム１３０の下方の第８の測定点Ｈ８，Ｈ８′近傍に配置され外側部材１２０に固定された第１２の固定電極Ｅ１２，Ｅ１２′と、内側部材１１０もしくは弧状アーム１３０の下面における第１２の固定電極Ｅ１２，Ｅ１２′に対向する領域に形成された第１２の変位電極Ｅ０と、によって構成される。

【0180】

検出回路３００は、これら検出素子（容量素子Ｃ１〜Ｃ１２）の検出結果に基づいて、内側部材１１０および外側部材１２０の一方を固定した状態において、他方に作用したＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙおよびＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することができる。

【0181】

図１(a) に示すように、第１の弧状アーム１３０が、第１の内側接続点Ｐ１から第１の外側接続点Ｑ２に向かって左まわり方向に伸び、第２の弧状アーム１４０が、第２の内側接続点Ｐ２から第２の外側接続点Ｑ２に向かって左まわり方向に伸びている基本構造体１００を用いている場合、検出回路３００は、図１６に示すとおり、
Ｆｘ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
Ｆｙ＝＋Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４＋Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８
Ｆｚ＝−（Ｃ９＋Ｃ１０＋Ｃ１１＋Ｃ１２）
Ｍｘ＝−Ｃ１１＋Ｃ１２
Ｍｙ＝＋Ｃ９−Ｃ１０
Ｍｚ＝＋Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５−Ｃ６−Ｃ７＋Ｃ８
なる演算式に基づいて、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することができる。

【0182】

これに対して、第１の弧状アーム１３０が、第１の内側接続点Ｐ１から第１の外側接続点Ｑ２に向かって右まわり方向に伸び、第２の弧状アーム１４０が、第２の内側接続点Ｐ２から第２の外側接続点Ｑ２に向かって右まわり方向に伸びている基本構造体（図１(a) に示す基本構造体１００を裏返しにした構造体）を用いている場合、Ｚ軸方向の正負が逆転するため、上記式におけるＭｚの式を、
Ｍｚ＝−Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８
と反転させればよい。

【0183】

＜＜＜ §４． 二段積層式の実施形態 ＞＞＞
ここでは、基本構造体を２組用いた二段積層式の実施形態を説明する。

【0184】

＜４−１．基本構造体の４つのバリエーション＞
図２１(a) は、この二段積層式の実施形態に係る力覚センサに用いる基本構造体１００Ｌの横断面図（ＸＹ平面で切断した断面を示す）であり、図２１(b) は、これをＸＺ平面で切断した側断面図である。

【0185】

この基本構造体１００Ｌは、基本的には、図１に示されている基本構造体１００と同じ機能を果たす構成要素であり、両者の相違は、２本の弧状アームの接続位置が若干異なっている点だけである。そこで、両者の対応関係が明確になるように、図２１に示す基本構造体１００Ｌの各構成要素には、図１に示されている基本構造体１００の対応する構成要素の符号の末尾にＬを付した符号を用いている。

【0186】

具体的には、基本構造体１００Ｌは、Ｚ軸を中心軸として配置された円盤状部材によって構成される内側部材１１０Ｌと、Ｚ軸を中心軸として配置された円環状部材によって構成される外側部材１２０Ｌと、これら両者を接続する第１の弧状アーム部１３０Ｌおよび第２の弧状アーム部１４０Ｌと、を有している。

【0187】

ここで、ＸＹ平面を配置平面と定義すると、この配置平面上に、第１の内側接続点Ｐ１、第２の内側接続点Ｐ２、第１の外側接続点Ｑ１、第２の外側接続点Ｑ２が配置されており、第１の内側接続点Ｐ１と第２の内側接続点Ｐ２と結ぶ連結直線（この例の場合はＹ軸に一致する）および第１の外側接続点Ｑ１と第２の外側接続点Ｑ２とを結ぶ連結直線は、それぞれＺ軸と交差する。図１に示す基本構造体１００と比較すると、図２１に示す基本構造体１００Ｌでは、第１の内側接続点Ｐ１および第２の内側接続点Ｐ２がＹ軸上に配置され、第１の外側接続点Ｑ１および第２の外側接続点Ｑ２は、Ｙ軸から若干離れた位置に配置されている。

【0188】

第１の弧状アーム１３０Ｌは、第１の内側接続点Ｐ１と第１の外側接続点Ｑ１とを接続する役割を果たし、Ｚ軸を中心とした円弧に沿って伸びる第１の円弧状部１３１Ｌと、第１の円弧状部１３１Ｌの一端を第１の内側接続点Ｐ１に接続する第１の内側接続部１３２Ｌと、第１の円弧状部１３１Ｌの他端を第１の外側接続点Ｑ１に接続する第１の外側接続部１３３Ｌと、を有している。同様に、第２の弧状アーム１４０Ｌは、第２の内側接続点Ｐ２と第２の外側接続点Ｑ２とを接続する役割を果たし、Ｚ軸を中心とした円弧に沿って伸びる第２の円弧状部１４１Ｌと、第２の円弧状部１４１Ｌの一端を第２の内側接続点Ｐ２に接続する第２の内側接続部１４２Ｌと、第２の円弧状部１４１Ｌの他端を第２の外側接続点Ｑ２に接続する第２の外側接続部１４３Ｌと、を有している。

【0189】

また、点Ｇ１はＸ軸正領域上の点、点Ｇ２はＸ軸負領域上の点、点Ｇ３はＹ軸正領域上の点、点Ｇ４はＹ軸負領域上の点であり、ここでは、これら４点Ｇ１〜Ｇ４を軸上点と呼ぶことにする。図示のとおり、この軸上点Ｇ１〜Ｇ４の近傍は空隙部になっており、後述するように、固定電極を配置するスペースが確保されている。この§４で述べる実施形態も、§２で述べた基本的実施形態と同様に、各弧状アームの弾性変形を電気的に検出する検出素子として容量素子を利用しており、軸上点Ｇ１〜Ｇ４に配置される固定電極Ｅ１〜Ｅ４が、容量素子の一方の電極を形成することになる。

【0190】

続いて、この図２１に示す基本構造体１００Ｌを、ＸＹＺ三次元直交座標系に配置するいくつかのバリエーションを、図２２および図２３を用いて説明する。図２２(a) には、基本構造体１００Ｌの横断面図が示され、図２２(b) には、基本構造体１００Ｒの横断面図が示され、図２３(a) には、基本構造体１００ＬＬの横断面図が示され、図２３(b) には、基本構造体１００ＲＲの横断面図が示されている。いずれの図も、基本構造体をＸＹ平面で切断した断面を示している。なお、いずれの図においても、ＸＹＺ三次元直交座標系の各座標軸の向きは同一であり、図の右方がＸ軸正方向、図の上方がＹ軸正方向、紙面垂直手前方向がＺ軸正方向になる。

【0191】

ここに図示されている４つのバリエーション係る基本構造体１００Ｌ，１００Ｒ，１００ＬＬ，１００ＲＲは、物理的には全く同一の構造体である。ただ、ＸＹＺ三次元直交座標系への配置態様が異なっているため、便宜上、異なる符号を付して示してある。図２２(a) に示す基本構造体１００Ｌは、図２１(a) に示す構造体を、図２１(a) に示す態様と同一の態様で配置したものである。これに対して、図２２(b) に示す基本構造体１００Ｒは、図２１(a) に示す構造体を裏返しにした状態（Ｘ軸もしくはＹ軸を回転軸として、１８０°回転させた状態）で配置したものである。

【0192】

既に述べたとおり、本願では、説明の便宜上、右ネジをＺ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをＺ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義している。したがって、図２２(a) に示す基本構造体１００Ｌの２本の弧状アーム１３０Ｌ，１４０Ｌは、いずれも内側から外側に向かって左まわり方向に伸びている。基本構造体１００Ｌの符号末尾のＬは、「左まわり（Left）」の頭文字をとったものである。一方、図２２(b) に示す基本構造体１００Ｒの２本の弧状アーム１３０Ｒ，１４０Ｒは、いずれも内側から外側に向かって右まわり方向に伸びている。基本構造体１００Ｒの符号末尾のＲは、「右まわり（Right）」の頭文字をとったものである。

【0193】

ここでは、図２２(a) に示すように、基本構造体１００Ｌの第１の弧状アーム１３０Ｌの中心線とＸ軸の正領域との交点に第１の測定点Ｈ１１を定義し、基本構造体１００Ｌの第２の弧状アーム１４０Ｌの中心線とＸ軸の負領域との交点に第２の測定点Ｈ１２を定義する。そして、第１の測定点Ｈ１１の外側近傍に第１の固定電極Ｅ１を配置し、第２の測定点Ｈ１２の外側近傍に第２の固定電極Ｅ２を配置し、これら各固定電極Ｅ１，Ｅ２と、各弧状アーム１３０Ｌ，１４０Ｌの外側表面の対向領域に形成された変位電極（太線部分）とによって、第１の容量素子Ｃ１および第２の容量素子Ｃ２を形成する。

【0194】

同様に、図２２(b) に示すように、基本構造体１００Ｒの第１の弧状アーム１３０Ｒの中心線とＸ軸の正領域との交点に第１の測定点Ｈ１１を定義し、基本構造体１００Ｒの第２の弧状アーム１４０Ｒの中心線とＸ軸の負領域との交点に第２の測定点Ｈ１２を定義する。そして、第１の測定点Ｈ１１の外側近傍に第１の固定電極Ｅ１を配置し、第２の測定点Ｈ１２の外側近傍に第２の固定電極Ｅ２を配置し、これら各固定電極Ｅ１，Ｅ２と、各弧状アーム１３０Ｒ，１４０Ｒの外側表面の対向領域に形成された変位電極（太線部分）とによって、第１の容量素子Ｃ１および第２の容量素子Ｃ２を形成する。

【0195】

一方、図２３(a) に示す基本構造体１００ＬＬは、図２２(a) に示す基本構造体１００Ｌを左まわり（右まわりでも実質的には同じ）に９０°回転させて配置したものであり、図２３(b) に示す基本構造体１００ＲＲは、図２２(b) に示す基本構造体１００Ｒを左まわり（右まわりでも実質的には同じ）に９０°回転させて配置したものである。

【0196】

ここでは、図２３(a) に示すように、基本構造体１００ＬＬの第１の弧状アーム１３０Ｌの中心線とＹ軸の正領域との交点に第３の測定点Ｈ１３を定義し、基本構造体１００ＬＬの第２の弧状アーム１４０Ｌの中心線とＹ軸の負領域との交点に第４の測定点Ｈ１４を定義する。そして、第３の測定点Ｈ１３の外側近傍に第３の固定電極Ｅ３を配置し、第４の測定点Ｈ１４の外側近傍に第４の固定電極Ｅ４を配置し、これら各固定電極Ｅ３，Ｅ４と、各弧状アーム１３０Ｌ，１４０Ｌの外側表面の対向領域に形成された変位電極（太線部分）とによって、第３の容量素子Ｃ３および第４の容量素子Ｃ４を形成する。

【0197】

同様に、図２３(b) に示すように、基本構造体１００ＲＲの第１の弧状アーム１３０Ｒの中心線とＹ軸の正領域との交点に第３の測定点Ｈ１３を定義し、基本構造体１００ＲＲの第２の弧状アーム１４０Ｒの中心線とＹ軸の負領域との交点に第４の測定点Ｈ１４を定義する。そして、第３の測定点Ｈ１３の外側近傍に第３の固定電極Ｅ３を配置し、第４の測定点Ｈ１４の外側近傍に第４の固定電極Ｅ４を配置し、これら各固定電極Ｅ３，Ｅ４と、各弧状アーム１３０Ｒ，１４０Ｒの外側表面の対向領域に形成された変位電極（太線部分）とによって、第３の容量素子Ｃ３および第４の容量素子Ｃ４を形成する。

【0198】

なお、上例の場合、各固定電極Ｅ１〜Ｅ４を、各測定点Ｈ１１〜Ｈ１４の外側近傍に設けているが、各固定電極Ｅ１〜Ｅ４を、各測定点Ｈ１１〜Ｈ１４の内側近傍（各弧状アームの内側）に設けることも可能である。ただ、各固定電極Ｅ１〜Ｅ４を内側に設ける場合は、内側接続部１３２Ｌ，１４２Ｌの位置をずらして、相互に干渉しないように配慮することが必要になる。

【0199】

図２４は、図２２および図２３に示す基本構造体１００Ｌ，１００Ｒ，１００ＬＬ，１００ＲＲに対して力＋Ｆｘ，＋Ｆｙおよびモーメント＋Ｍｚが作用したときの各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化を示すテーブルである。いずれも外側部材１２０Ｌ，１２０Ｒを固定した状態において、内側部材１１０Ｌ，１１０Ｒに外力が作用した場合を示している。

【0200】

このテーブルで「＋」もしくは「＋＋」は静電容量値が増加すること（両電極間距離が狭くなること）を示し、「−」もしくは「−−」は静電容量値が減少すること（両電極間距離が広くなること）を示し、「０」は静電容量値が変動しないことを示している。また、「＋＋」は「＋」に比べて増加量が大きく、「−−」は「−」に比べて減少量が大きいことを示している。

【0201】

図１５(a) のテーブルは、図１３(a) に示すように、Ｗ１軸およびＷ２軸上に配置した８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８によって構成される８組の容量素子Ｃ１〜Ｃ８についての静電容量値の変化を示すものであるのに対して、図２４のテーブルは、図２１に示す軸上点Ｇ１〜Ｇ４に配置した４枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ４によって構成される４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４についての静電容量値の変化を示すものである。よって、両テーブルの内容は大きく異なっているが、図２４のテーブルに示すような結果が得られることは、やはり図５〜図１０に示す変形態様を参照すれば容易に理解できる。

【0202】

たとえば、図２２(a) に示す基本構造体１００Ｌについて、内側部材１１０Ｌに力＋Ｆｘが作用した場合、各弧状アーム１３０Ｌ，１４０Ｌは図５に示すような弾性変形を生じることになり、全体的に図の右方に変位する。したがって、図２２(a) に示す測定点Ｈ１１，Ｈ１２も図の右方に変位し、測定点Ｈ１１は固定電極Ｅ１に近づき、測定点Ｈ１２は固定電極Ｅ２から遠ざかる。このため、容量素子Ｃ１の静電容量値は大きく増加して「＋＋」となり、容量素子Ｃ２の静電容量値は大きく減少して「−−」となる。

【0203】

一方、図２２(a) に示す基本構造体１００Ｌについて、内側部材１１０Ｌに力＋Ｆｙが作用した場合、各弧状アーム１３０Ｌ，１４０Ｌは図６に示すような弾性変形を生じることになる。すなわち、第１の弧状アーム１３０Ｌに対しては、全長を縮める応力が加わるため、湾曲の程度が大きくなり、全体的には、図の上方への変位が生じるものの、Ｘ軸近傍部分が図の右方へと若干膨らむ変形（矢印Ｒ１参照）が生じる。一方、第２の弧状アーム１４０Ｌに対しては、全長を伸ばす応力が加わるため、湾曲の程度が小さくなり、全体的には、図の上方への変位が生じるものの、Ｘ軸近傍部分が図の右方へと若干逸れる変形（矢印Ｒ２参照）が生じる。したがって、図２２(a) に示す測定点Ｈ１１は固定電極Ｅ１に若干だけ近づき、測定点Ｈ１２は固定電極Ｅ２から若干だけ遠ざかる。このため、容量素子Ｃ１の静電容量値は若干増加して「＋」となり、容量素子Ｃ２の静電容量値は若干減少して「−」となる。

【0204】

また、図２２(a) に示す基本構造体１００Ｌについて、内側部材１１０Ｌにモーメント＋Ｍｚが作用した場合、各弧状アーム１３０Ｌ，１４０Ｌは図１０に示すような弾性変形を生じることになる。すなわち、各弧状アーム１３０Ｌ，１４０Ｌは、若干外側へと膨らむ変形を生じる。したがって、図２２(a) に示す測定点Ｈ１１は固定電極Ｅ１に若干だけ近づき、測定点Ｈ１２は固定電極Ｅ２に若干だけ近づく。このため、容量素子Ｃ１の静電容量値は若干増加して「＋」となり、容量素子Ｃ２の静電容量値も若干増加して「＋」となる。

【0205】

以上、図２４のテーブルの「１００Ｌ」の欄の結果が得られる理由を説明したが、「１００Ｒ」の欄の結果が得られる理由も同様である。基本構造体１００Ｒでは、各弧状アームの伸びる回転方向が基本構造体１００Ｌとは逆になっているため、力＋Ｆｙが作用した場合およびモーメント＋Ｍｚが作用した場合の結果が逆転することになる。また、基本構造体１００Ｌを９０°回転させたものが基本構造体１００ＬＬであり、基本構造体１００Ｒを９０°回転させたものが基本構造体１００ＲＲであることを踏まえれば、図２４のテーブルの「１００ＬＬ」の欄の結果が得られる理由や「１００ＲＲ」の欄の結果が得られる理由も容易に理解できよう。

【0206】

なお、力＋Ｆｚ、モーメント＋Ｍｘ，＋Ｍｙが作用した場合は、図７〜図９に示すような弾性変形が生じることになるが、各測定点Ｈ１１〜Ｈ１４に有意な変位は生じない。したがって、図２４の「共通」の欄に示すとおり、＋Ｆｚ，＋Ｍｘ，＋Ｍｙの作用に対して静電容量値Ｃ１〜Ｃ４は変化しない。また、図２４のテーブルは、＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｍｚが作用したときの各静電容量値の増減を示すものであるが、もちろん、−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｍｚが作用したときの各静電容量値の増減の結果は、このテーブルに示されている符号を逆転させたものになる。

【0207】

＜４−２．２組の基本構造体の組み合わせ＞
図２４のテーブルに示す結果を踏まえると、基本構造体１００Ｌ，１００Ｒ，１００ＬＬ，１００ＲＲという４通りのバリエーション（前述したように、これらは物理的には同一の構造体であるが、ＸＹＺ三次元直交座標系における配置態様が異なっている）の中から、特定の２組を選択して組み合わせれば、力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚという３軸成分を独立して検出できる。以下、その理由を説明する。

【0208】

一般に４種類の品物の中から任意の２品を選択する組み合わせは合計６通りある。したがって、１００Ｌ，１００Ｒ，１００ＬＬ，１００ＲＲという４通りのバリエーションの中から任意の２組を選択する組み合わせは６通り存在する。ただ、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４を利用することが可能な組み合わせに限定すると、４通りのみになる。

【0209】

図２５は、そのような４通りの組み合わせについて、力＋Ｆｘ，＋Ｆｙおよびモーメント＋Ｍｚが作用したときの各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化を示すテーブルである。すなわち、番号１は、基本構造体１００Ｌと１００ＬＬとの組み合わせを示し、番号２は、基本構造体１００Ｌと１００ＲＲとの組み合わせを示し、番号３は、基本構造体１００Ｒと１００ＲＲとの組み合わせを示し、番号４は、基本構造体１００Ｒと１００ＬＬとの組み合わせを示している。番号１〜４のいずれも、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４を利用することが可能な組み合わせである。このテーブルにおいて、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化を示す各符号欄は、図２４のテーブルの対応する符号欄の内容を嵌め込んだものである。

【0210】

この図２５に示すテーブルの内容を踏まえると、番号１および番号３の組み合わせについては、図２６に示す演算式による演算を行うことにより、力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚの値をそれぞれ独立して求めることができることがわかる。

【0211】

たとえば、番号１は、基本構造体１００Ｌと１００ＬＬとの組み合わせであるが、図２６上段に示すとおり、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ１＋Ｃ３）−（Ｃ２＋Ｃ４）
Ｍｚ＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４
なる演算式により、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚの検出値を得ることができる。ここで、Ｃ１〜Ｃ４は、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値である。

【0212】

たとえば、力＋Ｆｘのみが作用した場合、図２５のテーブルの番号１の欄の＋Ｆｘの符号欄を見ると、Ｃ１は「＋＋」，Ｃ２は「−−」，Ｃ３は「−」，Ｃ４は「＋」であるから、上掲のＦｘの演算式により、作用した力＋Ｆｘが検出できることがわかる。一方、力＋Ｆｙのみが作用した場合、＋Ｆｙの符号欄を見ると、Ｃ１は「＋」，Ｃ２は「−」，Ｃ３は「＋＋」，Ｃ４は「−−」であるから、上掲のＦｘの演算式の演算結果は０になる。また、モーメント＋Ｍｚのみが作用した場合、＋Ｍｚの符号欄を見ると、いずれも「＋」であるから、上掲のＦｘの演算式の演算結果は０になる。

【0213】

結局、上掲のＦｘの演算式の演算結果は、力Ｆｘの成分のみを含む検出値になり、検出結果に他軸成分が混入することはない。同様の理由により、上掲のＦｙの演算式の演算結果は、力Ｆｙの成分のみを含む検出値になり、上掲のＭｚの演算式の演算結果は、モーメントＭｚの成分のみを含む検出値になる。このように、番号１の組み合わせであれば、図２６上段の演算式を用いた演算を行うことにより、力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚの値をそれぞれ独立して検出できる。

【0214】

なお、ここで述べる実施例の場合、前述したとおり、基本構造体が１８０°の回転対称構造を有しているため、上掲の各演算式による演算によって、他軸成分が相殺されることになるが、基本構造体が対称性を有していない場合には、適宜、各静電容量値に補正係数を乗じる補正を行うようにすればよい。

【0215】

一方、番号３は、基本構造体１００Ｒと１００ＲＲとの組み合わせであるが、図２６下段に示すとおり、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ３）−（Ｃ２＋Ｃ４）
Ｆｙ＝（Ｃ２＋Ｃ３）−（Ｃ１＋Ｃ４）
Ｍｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）
なる演算式を用いた演算を行うことにより、力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚの値をそれぞれ独立して検出できる。その理由は、図２５のテーブルの番号３の欄を参照すれば、容易に理解できよう。

【0216】

これに対して、番号２および番号４の組み合わせについては、他軸成分を排除した独立検出を行うことはできない。たとえば、番号２の組み合わせについて、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ３）−（Ｃ２＋Ｃ４）
なる演算式を適用して力Ｆｘを検出しようとした場合、力＋Ｆｘのみが作用しているのであれば、図２５のテーブルの番号２の欄の＋Ｆｘの符号欄を見ると、Ｃ１は「＋＋」，Ｃ２は「−−」，Ｃ３は「＋」，Ｃ４は「−」であるから、上掲の演算式によって、力Ｆｘの値を得ることができる。しかしながら、力＋Ｆｙが作用している場合、図２５のテーブルの番号２の欄の＋Ｆｙの符号欄を見ると、Ｃ１は「＋」，Ｃ２は「−」，Ｃ３は「＋＋」，Ｃ４は「−−」であるから、上掲の演算式によって、力Ｆｘの値として誤検出されてしまうことになる。

【0217】

以上のことから、この§４で述べる二段積層式の実施形態に用いる２組の基本構造体としては、番号１の組み合わせ（基本構造体１００Ｌと１００ＬＬ）もしくは番号３の組み合わせ（基本構造体１００Ｒと１００ＲＲ）が適していることになる。

【0218】

もっとも、厳密な検出精度が要求されない用途に利用される力覚センサの場合は、番号１〜４のいずれの組み合わせを用いてもかまわない。これは、図２５のテーブルにおいて、「＋」または「−」が記載されている特定の符号欄を「０」と近似した取扱いが可能になるためである。もちろん、図２５のテーブルにおける「＋」は静電容量値が若干増加することを示しており、「−」は静電容量値が若干減少することを示している。しかしながら、「＋」が示されている欄の増加量の絶対値や「−」が示されている欄の減少量の絶対値は、「＋＋」が示されている欄の増加量の絶対値や「−−」が示されている欄の減少量の絶対値に比べると小さい。したがって、厳密な検出精度が要求されない場合には、「＋」や「−」を近似的に「０」として取り扱っても支障はない。

【0219】

図２７に示すテーブルは、このような考え方に基づいて、図２５のテーブルにおいて、一部の「＋」欄および一部の「−」欄を近似的に「０」に置き換えたものである。この図２７に示すテーブルを前提とすれば、番号１〜４のいずれの組み合わせについても、力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚの値をそれぞれ独立して検出することができる。図２８は、そのような検出を行う際に用いる演算式を示す図である。

【0220】

たとえば、番号１の組み合わせ（基本構造体１００Ｌと１００ＬＬ）については、図２７に示すテーブルを前提とすれば、
Ｆｘ＝Ｃ１−Ｃ２
Ｆｙ＝Ｃ３−Ｃ４
Ｍｚ＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４
なる演算式を用いた演算を行うことにより、力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚの値をそれぞれ独立して検出できる。

【0221】

また、番号２の組み合わせ（基本構造体１００Ｌと１００ＲＲ）については、図２７に示すテーブルを前提とすれば、
Ｆｘ＝Ｃ１−Ｃ２
Ｆｙ＝Ｃ３−Ｃ４
Ｍｚ＝Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４
なる演算式を用いた演算を行うことにより、力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚの値をそれぞれ独立して検出できる。

【0222】

一方、番号３の組み合わせ（基本構造体１００Ｒと１００ＲＲ）については、図２７に示すテーブルを前提とすれば、
Ｆｘ＝Ｃ１−Ｃ２
Ｆｙ＝Ｃ３−Ｃ４
Ｍｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）
なる演算式を用いた演算を行うことにより、力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚの値をそれぞれ独立して検出できる。

【0223】

そして、番号４の組み合わせ（基本構造体１００Ｒと１００ＬＬ）については、図２７に示すテーブルを前提とすれば、
Ｆｘ＝Ｃ１−Ｃ２
Ｆｙ＝Ｃ３−Ｃ４
Ｍｚ＝−Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４
なる演算式を用いた演算を行うことにより、力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚの値をそれぞれ独立して検出できる。

【0224】

図２７のテーブルを前提とすれば、図２８に示す各演算式によって得られる力Ｆｘ，ＦｙおよびモーメントＭｚの値は、他軸成分の混入のない正しい値になる。ただ、前述したとおり、この図２７のテーブルは、本来は、「＋」もしくは「−」とすべき欄を近似的に「０」に置き換えたものであるので、実際には、図２８に示す各演算式によって得られる検出値は、他軸成分の混入が生じているため、誤差を含むものになる。

【0225】

このように、図２８に示す演算式を採用して各検出値を求める方法は、図２６に示す演算式を採用して各検出値を求める方法（番号１および３の組み合わせに限定される）に比べて、他軸成分の混入に基づく誤差が生じるというデメリットがある。しかしながら、図２８に示す演算式を採用して各検出値を求める方法のうち、番号２および４の組み合わせについては、モーメントＭｚを差分検出できるというメリットがある。

【0226】

すなわち、図２６に示す演算式では、モーメントＭｚの絶対値は、「Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４」なる和によって決まるため、温度や実装時に加わる応力の影響などのノイズ成分が混入してしまう可能性がある。これに対して、図２８の番号２および４の組み合わせについては、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚのすべての演算式が差分演算、すなわち、複数の静電容量値の差を求める演算を含んでいるため、温度や実装時に加わる応力の影響は相殺され、ノイズ成分の混入を排除できるというメリットが得られる。

【0227】

したがって、実用上は、他軸成分の混入というデメリットと、温度や実装時に加わる応力に起因したノイズ成分の混入というデメリット（モーメントＭｚ検出に関するデメリット）とを比較して、前者のデメリットが受け入れ難い用途の場合は、番号１および３の組み合わせを採用して、図２６の演算式に基づく演算を行うようにし、後者のデメリットが受け入れ難い用途の場合は、番号２および４の組み合わせを採用して、図２８の演算式に基づく演算を行うようにすればよい。

【0228】

また、他軸成分の混入というデメリットは、必要に応じて、所定の補正演算を行うことにより排除することも可能である。したがって、他軸成分の混入の程度が、補正演算で是正可能な範囲であれば、番号２および４の組み合わせを採用して、図２８の演算式に基づく演算および補正演算を行うようにすれば、他軸成分の混入というデメリットと、温度や実装時に加わる応力に起因したノイズ成分の混入というデメリットとの双方を排除した力覚センサを実現することも可能である。

【0229】

なお、これまでの説明は、検出値に他軸成分が混入することは、検出精度を低下させるデメリットである、との前提の説明であったが、用途によっては、他軸成分の混入が問題にならないケースもある。たとえば、地震の振動エネルギーを検出する用途の場合、水平方向の力の合力のみが検出できれば十分なケースもある。このようなケースでは、力Ｆｘと力Ｆｙとを区別して検出する必要はないので、力Ｆｘの検出成分に力Ｆｙの検出成分が混入しても何ら支障は生じない。このような用途まで視野に入れた場合、利用可能な演算式は、図２６や図２８に示す演算式に限定されるものではない。

【0230】

＜４−３．二段積層式の実施形態の具体的構造＞
続いて、二段積層式の実施形態に係る力覚センサの具体的な構造を説明する。図２９は、この力覚センサの積層構造体を構成する４つの構成要素を分離して示した側面図である。図示のとおり、この積層構造体は、上段基本構造体１００ａ、中間基板５００、下段基本構造体１００ｂ、支持基板２００という４つの構成要素を上下に積層することによって構成される。

【0231】

ここで、上段基本構造体１００ａおよび下段基本構造体１００ｂは、図２２および図２３に示す４つのバリエーション係る基本構造体１００Ｌ，１００Ｒ，１００ＬＬ，１００ＲＲの中から選択された２組の基本構造体である。４つのバリエーションの中から２組を選択する組み合わせは、図２５，図２７，図２８のテーブルに番号１〜４として示したとおりである。

【0232】

たとえば、番号１の組み合わせを採用することにすれば、基本構造体１００Ｌと１００ＬＬとが選択されることになるので、上段基本構造体１００ａとして基本構造体１００Ｌを用い、下段基本構造体１００ｂとして基本構造体１００ＬＬを用いればよい。あるいは、上下を逆にして、上段基本構造体１００ａとして基本構造体１００ＬＬを用い、下段基本構造体１００ｂとして基本構造体１００Ｌを用いてもよい。ここでは、便宜上、上段基本構造体１００ａとして基本構造体１００Ｌを用い、下段基本構造体１００ｂとして基本構造体１００ＬＬを用いた例を代表例として、以下の説明を行うことにする。

【0233】

§４−１で述べたとおり、基本構造体１００Ｌ，１００Ｒ，１００ＬＬ，１００ＲＲは、物理的には全く同一の構造体であり、ＸＹＺ三次元直交座標系への配置態様が異なっているだけである。したがって、図２９に示す上段基本構造体１００ａおよび下段基本構造体１００ｂは、実際には、全く同一の構造体になる。別言すれば、全く同一の部品を２個用意し、向きを変えて配置すれば足りる。たとえば、番号１の組み合わせを採用した場合、図２２(a) に示す基本構造体１００Ｌを部品として２個用意し、１個目を、図２２(a) に示す向きのまま上段基本構造体１００ａとして配置し、２個目は、これをＺ軸まわりに９０°回転させて図２３(a) に示す向きに修正し、下段基本構造体１００ｂとして配置すればよい。

【0234】

なお、この二段積層式の実施形態を示す図では、便宜上、上段基本構造体１００ａの構造を説明するための座標系として、原点ＯａをもつＸａＹａＺ三次元直交座標系を用い、下段基本構造体１００ｂの構造を説明するための座標系として、原点ＯｂをもつＸｂＹｂＺ三次元直交座標系を用い、積層構造体の全体構造を説明するための座標系として、原点ＯをもつＸＹＺ三次元直交座標系を用いることにする。なお、Ｚ軸は積層構造体の中心軸であるため、原点の位置は異なるものの、便宜上、いずれの座標系でも共通の軸として取り扱う。

【0235】

ここで述べる代表例の場合、上段基本構造体１００ａとして基本構造体１００Ｌを用い、下段基本構造体１００ｂとして基本構造体１００ＬＬを用いているので、基本構造体１００Ｌについては、図２２(a) に示す原点Ｏ，Ｘ軸，Ｙ軸を、それぞれ原点Ｏａ，Ｘａ軸，Ｙａ軸と読み替え、基本構造体１００ＬＬについては、図２３(a) に示す原点Ｏ，Ｘ軸，Ｙ軸を、それぞれ原点Ｏｂ，Ｘｂ軸，Ｙｂ軸と読み替える必要がある。

【0236】

図２９に示すとおり、上段基本構造体１００ａについてのＸａＹａＺ三次元直交座標系、積層構造体全体についてのＸＹＺ三次元直交座標系、下段基本構造体１００ｂについてのＸｂＹｂＺ三次元直交座標系は、いずれもＺ軸を共通軸としているため、原点Ｏａ，Ｏ，Ｏｂは、いずれもこの共通Ｚ軸上に位置することになり、ＸａＹａ平面、ＸＹ平面、ＸｂＹｂ平面は、互いに平行な平面になる。

【0237】

図３０は、図２９に示す４つの構成要素１００ａ，５００，１００ｂ，２００を積層して積層構造体を構成した状態を示す側面図である。この状態においても、Ｚ軸が共通軸となり、ＸａＹａ平面、ＸＹ平面、ＸｂＹｂ平面が、互いに平行な平面になる点に変わりはない。なお、積層構造体全体についてのＸＹＺ三次元直交座標系の原点Ｏは、中間基板５００の中心点に定義される。

【0238】

図３１は、図３０に示す中間基板５００をＸＹ平面で切断した状態を示す横断面図である。図示のとおり、中間基板５００は、内側中間部材５１０と外側中間部材５２０と、によって構成されている。内側中間部材５１０は、その上下に配置された内側部材を相互に接続するための部材であり、内側部材と同サイズの円盤状の部材である。一方、外側中間部材５２０は、その上下に配置された外側部材を相互に接続するための部材であり、外側部材と同サイズの円環状の部材である。なお、支持基板２００は、§１で述べた支持基板２００と全く同一の構造体であり、その上面図は、図４に示したとおりである。

【0239】

図３２は、図３０に示す積層構造体をＸＺ平面で切断した状態を示す縦断面図である。図示のとおり、上段基本構造体１００ａの内側部材１１０ａの下面に内側中間部材５１０の上面が接合され、下段基本構造体１００ｂの内側部材１１０ｂ（左右は、弧状アーム１３０ｂ，１４０ｂに連なっている）の上面に内側中間部材５１０の下面が接合されている。また、上段基本構造体１００ａの外側部材１２０ａの下面に外側中間部材５２０の上面が接合され、下段基本構造体１００ｂの外側部材１２０ｂの上面に外側中間部材５２０の下面が接合されている。そして、下段基本構造体１００ｂの外側部材１２０ｂの下面は、支持基板２００の縁周部２２０の上面に接合されている。したがって、下段基本構造体１００ｂの内側部材１１０ｂの下面と底板部２１０の上面との間には、空洞部２５０が形成される。

【0240】

結局、図３２に示す積層構造体では、上段基本構造体１００ａの内側部材１１０ａ、内側中間部材５１０、下段基本構造体１００ｂの内側部材１１０ｂが上下方向に３層積層した状態で相互に接合され、全体が積層内側部材として機能することになる。同様に、上段基本構造体１００ａの外側部材１２０ａ、外側中間部材５２０、下段基本構造体１００ｂの外側部材１２０ｂが上下方向に３層積層した状態で相互に接合され、全体が積層外側部材として機能することになる。この積層外側部材は、支持基板２００に接合される。

【0241】

一方、上段基本構造体１００ａの弧状アーム１３０ａ，１４０ａおよび下段基本構造体１００ｂの弧状アーム１３０ｂ，１４０ｂは、それぞれ別個独立したアームとして機能する。したがって、積層内側部材と積層外側部材とは、少なくとも一部に弾性変形を生じる性質をもった４本の弧状アーム１３０ａ，１４０ａ，１３０ｂ，１４０ｂによって接続されることになる。図３２に示すとおり、積層内側部材と積層外側部材との間には、空洞部２５０を含めた周囲空間が形成されており、積層内側部材は、外力の作用を受けたときに、この周囲空間内で変位することができる。

【0242】

外力の作用を受けた積層内側部材が変位を生じると、４本の弧状アーム１３０ａ，１４０ａ，１３０ｂ，１４０ｂに弾性変形が生じることになる。そこで、この弾性変形を電気的に検出する検出素子を設けておき、この検出素子の検出結果に基づいて、外力として作用した力やモーメントを求める点は、これまで述べてきた基本的な実施形態と同様である。以下、検出素子として容量素子を用いた実施例について述べる。

【0243】

図３３は、二段積層式の実施形態に係る力覚センサの支持基板２００の上面に、８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８を配置した状態を示す上面図である。§２で述べた実施形態の場合、図１１に示すように、支持基板２００上に合計１２枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ１２を設けていたが、ここで述べる二段積層式の実施形態の場合、図３３に示すように、支持基板２００上に合計８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８を設ければ足りる。

【0244】

まず、図３３に示す固定電極Ｅ５〜Ｅ８は、図１１に示す固定電極Ｅ９〜Ｅ１２に対応する円盤状の電極であり、形状および配置は図１１に示す固定電極Ｅ９〜Ｅ１２と全く同じである。すなわち、Ｘ軸およびＹ軸を底板部２１０の上面に投影した場合、固定電極Ｅ５はＸ軸正領域の投影像上に配置され、固定電極Ｅ６はＸ軸負領域の投影像上に配置され、固定電極Ｅ７はＹ軸正領域の投影像上に配置され、固定電極Ｅ８はＹ軸負領域の投影像上に配置されている。

【0245】

図に破線で示す円は、下段基本構造体１００ｂの内側部材１１０ｂの位置を示すものであり、固定電極Ｅ５〜Ｅ８は、いずれもこの破線の円内に配置されている。これは、固定電極Ｅ５〜Ｅ８が、内側部材１１０ｂの下面に対向する位置に配置されていることを示している。この実施例では、各固定電極Ｅ５〜Ｅ８の中心点とＺ軸との距離は同一に設定されており、各固定電極Ｅ５〜Ｅ８は、Ｚ軸から等距離の位置に配置されている。

【0246】

一方、図３３に示す固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、図１１に示す固定電極Ｅ１，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ８と同様に、各弧状アームの外側に配置される電極であり、長方形の板をわずかに湾曲させた形状を有する同一サイズの電極である。ただ、図１１に示す固定電極Ｅ１，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ８が、Ｗ１軸もしくはＷ２軸上に配置されていたのに対し、図３３に示す固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、Ｘ軸もしくはＹ軸上に配置されている（正確に表現すれば、ＸＹ平面への投影像がＸ軸もしくはＹ軸上にくるような位置に配置されている）。また、図３３に示す固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、長方形の板をわずかに湾曲させた形状を有する同一サイズの支持部材Ｓ１〜Ｓ４によって支持されている。

【0247】

ここで、支持部材Ｓ１〜Ｓ４は、底板部２１０の上面に、上方に伸びるように固定された絶縁性の構造体であり、その上端は、いずれも上段基本構造体１００ａの上面から更に上方へと突き出している。支持部材Ｓ１〜Ｓ４の具体的な配置は、図３３に示されているとおり、支持部材Ｓ１がＸ軸正領域、支持部材Ｓ２がＸ軸負領域、支持部材Ｓ３がＹ軸正領域、支持部材Ｓ４がＹ軸負領域である。ここに示す実施例の場合、支持部材Ｓ１〜Ｓ４は、Ｚ軸を中心軸とした円柱面（各弧状アームを内包する円柱の表面）に沿った位置に配置されている。

【0248】

一方、固定電極Ｅ１〜Ｅ４は、それぞれ支持部材Ｓ１〜Ｓ４によって支持された電極であるが、その上下方向の寸法は、支持部材Ｓ１〜Ｓ４の上下方向の寸法に比べて短く設定されている。別言すれば、固定電極Ｅ１，Ｅ２は、上段基本構造体１００ａの弧状アーム１３０ａ，１４０ａの側面に対向する電極として必要十分な位置に形成され、固定電極Ｅ３，Ｅ４は、下段基本構造体１００ｂの弧状アーム１３０ｂ，１４０ｂの側面に対向する電極として必要十分な位置に形成されている。その様子は、図３４に明瞭に示されている。

【0249】

図３４は、図３２に示す積層構造体に、８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８を配置した状態を示す縦断面図であり、ＸＺ平面で切断した断面を示している。積層構造体が、１００ａ，５００，１００ｂ，２００なる４つの構成要素を上下に積層した構造体であることは、既に述べたとおりである。

【0250】

図の右端近傍には、支持部材Ｓ１の上方近くに固定電極Ｅ１が配置された状態が示されており、図の左端近傍には、支持部材Ｓ２の上方近くに固定電極Ｅ２が配置された状態が示されている。固定電極Ｅ１は、上段基本構造体１００ａの弧状アーム１３０ａの外側面に対向する位置に配置されており、弧状アーム１３０ａの表面の対向面（太線部分）は、固定電極Ｅ１に対向する変位電極Ｅ０として機能する。同様に、固定電極Ｅ２は、上段基本構造体１００ａの弧状アーム１４０ａの外側面に対向する位置に配置されており、弧状アーム１４０ａの表面の対向面（太線部分）は、固定電極Ｅ２に対向する変位電極Ｅ０として機能する。

【0251】

ここで、固定電極Ｅ１とこれに対向する変位電極Ｅ０（太線部分）との関係および固定電極Ｅ２とこれに対向する変位電極Ｅ０（太線部分）との関係は、図１４で説明した関係になっている。

【0252】

図３４の中央部の奥には、支持部材Ｓ３が描かれている。この支持部材Ｓ３は、固定電極Ｅ３を支持する部材である。固定電極Ｅ３は、下段基本構造体１００ｂの弧状アーム１３０ｂ（内側部材１１０ｂの奥に位置するアーム）の外側面に対向する位置に配置されており、図には、内側部材１１０ｂの下方に一部が覗いている状態が示されている。また、図３４には現れていないが、内側部材１１０ｂの手前側には、固定電極Ｅ４を支持するための支持部材Ｓ４が配置されている。ここで、固定電極Ｅ４は、下段基本構造体１００ｂの弧状アーム１４０ｂ（内側部材１１０ｂの手前に位置するアーム）の外側面に対向する位置に配置されている。

【0253】

弧状アーム１３０ｂの表面の固定電極Ｅ３に対向する部分は変位電極Ｅ０として機能し、弧状アーム１４０ｂの表面の固定電極Ｅ４に対向する部分も変位電極Ｅ０として機能する。ここで、固定電極Ｅ３とこれに対向する変位電極Ｅ０との関係および固定電極Ｅ４とこれに対向する変位電極Ｅ０との関係は、図１４で説明した関係になっている。

【0254】

図３４には、底板部２１０の上面に固定された固定電極Ｅ５，Ｅ６，Ｅ７も描かれている（固定電極Ｅ８は、図３４には現れていないが、紙面の手前側に位置する）。また、図３４では、内側部材１１０ｂの下面における、固定電極Ｅ５に対向する部分および固定電極Ｅ６に対向する部分が太線で示されている。この太線部分は、それぞれ固定電極Ｅ５に対向する変位電極Ｅ０および固定電極Ｅ６に対向する変位電極Ｅ０として機能する。

【0255】

ここに示す実施例の場合、上段基本構造体１００ａ、中間基板５００、下段基本構造体１００ｂは、いずれも金属などの導電性材料によって構成されているため、図に太線で示す変位電極Ｅ０は互いに電気的に導通しており、共通電極として機能することになる。これに対して、支持基板２００は、樹脂などの絶縁性材料によって構成されているため、固定電極Ｅ５〜Ｅ８は、それぞれ電気的に独立した個別電極として機能する。もちろん、支持基板２００を金属などの導電性材料によって構成することも可能であるが、その場合、固定電極Ｅ５〜Ｅ８は、底板部２１０の上面に絶縁層を介して固定する必要がある。

【0256】

図３５(a) は、図３４に示す二段積層式の実施形態に係る力覚センサをＸａＹａ平面で切断した状態を示す横断面図であり、図３５(b) は、これをＸｂＹｂ平面で切断した状態を示す横断面図である（破線の円で示すＥ５〜Ｅ８は、支持基板２００上に配置された各固定電極の位置を示している）。もちろん、これまで述べてきた実施例と同様に、各固定電極Ｅ１〜Ｅ８と、これらに対向する個々の変位電極Ｅ０とによって、容量素子Ｃ１〜Ｃ８が形成されることになる。

【0257】

前述したとおり、ここに示す実施例は、上段基本構造体１００ａとして基本構造体１００Ｌを用い、下段基本構造体１００ｂとして基本構造体１００ＬＬを用いた例（番号１の組み合わせ）であるため、図３５(a) に示す上段基本構造体１００ａは、図２２(a) に示す基本構造体１００Ｌと同じものであり、図３５(b) に示す下段基本構造体１００ｂは、図２３(a) に示す基本構造体１００ＬＬと同じものである。

【0258】

図３５(a) に示すとおり、各弧状アーム部の外側位置のＸａ軸およびＹａ軸上には、支持部材Ｓ１〜Ｓ４が配置されている。また、図３５(b) に示すとおり、各弧状アーム部の外側位置のＸｂ軸およびＹｂ軸上にも、支持部材Ｓ１〜Ｓ４が配置されている。上述したとおり、支持部材Ｓ１〜Ｓ４は、底板部２１０の上面から上方に向かって伸びる絶縁性の板状部材であり、下段基本構造体１００ｂと上段基本構造体１００ａとの双方の空隙部を貫通するように配置されている。

【0259】

これに対して、固定電極Ｅ１，Ｅ２は、支持部材Ｓ１，Ｓ２の上段基本構造体１００ａの位置近傍に配置された電極であり、固定電極Ｅ３，Ｅ４は、支持部材Ｓ３，Ｓ４の下段基本構造体１００ｂの位置近傍に配置された電極である。このため、図３５(a) には、測定点Ｈ１１，Ｈ１２の近傍に配置された固定電極Ｅ１，Ｅ２の断面と、これに対向する弧状アーム表面側の変位電極（太線部分）とが示されている（図３５(a) に現れている固定電極Ｅ３，Ｅ４は、ＸａＹａ平面ではなく、その下方に位置するＸｂＹｂ平面に配置されている電極である）。

【0260】

同様に、図３５(b) には、測定点Ｈ１３，Ｈ１４の近傍に配置された固定電極Ｅ３，Ｅ４の断面と、これに対向する弧状アーム表面側の変位電極（太線部分）とが示されている（ＸｂＹｂ平面の位置では、支持部材Ｓ１，Ｓ２に固定電極は形成されていない）。また、図３５(b) には、底板部２１０の上面に形成された４枚の円盤状の固定電極Ｅ５〜Ｅ８の位置が破線の円で示されている。これら固定電極Ｅ５〜Ｅ８は、図示する測定点Ｈ１５〜Ｈ１８の近傍に配置された電極である。ここで、測定点Ｈ１５はＸｂ軸正領域上の点、測定点Ｈ１６はＸｂ軸負領域上の点、測定点Ｈ１７はＹｂ軸正領域上の点、測定点Ｈ１８はＹｂ軸負領域上の点であり、いずれも原点Ｏｂから等距離の点として定義される。

【0261】

結局、図３５(a) に示す上段基本構造体１００ａおよび固定電極Ｅ１，Ｅ２は、図２２(a) に示す基本構造体１００Ｌおよび電極Ｅ１，Ｅ２と等価であり、図３５(b) に示す下段基本構造体１００ｂおよび固定電極Ｅ３，Ｅ４は、図２３(a) に示す基本構造体１００ＬＬおよび電極Ｅ３，Ｅ４と等価である。したがって、図２５のテーブルの番号１の組み合わせを適用することができる（もちろん、図２７のテーブルの番号１の組み合わせを適用してもよい）。一方、図３５(b) に示す下段基本構造体１００ｂおよび固定電極Ｅ５〜Ｅ８は、図１３(a) に示す基本構造体１００および固定電極Ｅ９〜Ｅ１２と等価になるので、図１５(b) のテーブルのＣ９〜Ｃ１２の欄をＣ５〜Ｃ８と読み替えて適用することができる。

【0262】

したがって、図３５に示す構造を有する力覚センサに対して、各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントが作用したときの各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変化を示すテーブルとして、図３６に示すテーブルが得られる（いずれも、正符号の外力を示すものであるが、負符号の外力が作用した場合は、各欄の符号を逆転させた結果が得られる）。ここで、図３６に示すテーブルのＣ１〜Ｃ４の＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｍｚ欄は、図２５のテーブルの番号１の対応欄を転記したものになっており、＋Ｆｚ，＋Ｍｘ，＋Ｍｙ欄は、図２４のテーブルの「共通」欄を転記したものになっており、Ｃ５〜Ｃ８の欄は、図１５(b) のＣ９〜Ｃ１２欄をＣ５〜Ｃ８欄と読み替えて転記したものになっている。

【0263】

この図３６のテーブルに示す結果を踏まえると、図３５に示す構造を有する力覚センサの場合、検出回路３００によって、図３７の演算式に基づく演算、すなわち、
Ｆｘ＝（Ｃ１＋Ｃ４）−（Ｃ２＋Ｃ３）
Ｆｙ＝（Ｃ１＋Ｃ３）−（Ｃ２＋Ｃ４）
Ｆｚ＝−（Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）
Ｍｘ＝−Ｃ７＋Ｃ８
Ｍｙ＝＋Ｃ５−Ｃ６
Ｍｚ＝Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４
なる演算を行えば、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出値をそれぞれ求めることができる。しかも、図３６のテーブルに示す結果を見ればわかるとおり、上記各演算式に基づいて算出された検出値には、他軸成分の混入はないので、６軸成分の検出値をそれぞれ独立して得ることができる。

【0264】

もちろん、上述の演算式は、上段基本構造体１００ａとして基本構造体１００Ｌを用い、下段基本構造体１００ｂとして基本構造体１００ＬＬを用いた例（番号１の組み合わせ）についてのものであるので、別な組み合わせを採用した場合には、当該組み合わせに応じた演算式を用いる必要がある。

【0265】

＜４−４．二段積層式の実施形態のメリット＞
§２では、図１３に例示するような基本的な実施形態に係る力覚センサを説明し、§４では、図３５に例示するような二段積層式の実施形態に係る力覚センサを説明した。両者は、いずれも力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ、モーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６軸成分の検出値をそれぞれ独立して求める機能を有している。ここで、前者では、単一の基本構造体１００のみを用いればよいのに対して、後者では、２組の基本構造体１００ａ，１００ｂを用いる必要があるため、基本構造体の数という点では、前者の方が構造が単純になる。

【0266】

しかしながら、前者では、図１３に示すように、合計１２枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ１２が必要になるのに対して、後者では、図３５に示すように、合計８枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ８のみを設ければよいので、電極構成という点では、後者の方が構造が単純になる。

【0267】

前者に対する後者の顕著なメリットは、力やモーメントの各軸成分の検出感度のバランスを調整しやすくなる、という点である。このメリットは、図３８の表を見るとよくわかる。この表は、図１３に示す基本的な実施形態に係る力覚センサ（基本構造体を１段重ねにしたもの）と、図３５に示す二段積層式の実施形態に係る力覚センサ（基本構造体を２段重ねにしたもの）と、について、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ、モーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６軸成分を作用させたとき、それぞれの検出値を求めるために利用される容量素子（各検出値の演算式に静電容量値が用いられる容量素子）の平均変位量Δ（単位：μｍ）を実験により求めた結果を示すものである。

【0268】

この実験では、外側部材（積層外側部材）を固定した状態において、内側部材（積層内側部材）に力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ、モーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６軸成分を作用させている。具体的には、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚとしては、いずれも２５Ｎの力を加え、モーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとしては、いずれも２５Ｎ・ｃｍのモーメントを加えている。

【0269】

この表において、平均変位量Δは、作用した外力成分についての検出感度を示すパラメータとなり、平均変位量Δが大きい結果が示されている外力成分ほど、検出感度が高いことになる。一般的な用途では、６軸成分の検出感度が、できるだけ同じになるのが好ましい。

【0270】

このような観点で、この表を見てみると、１段重ねの力覚センサの場合、力Ｆｘの検出感度「８０」と力Ｆｙの検出感度「１５」との間には、大きな差が生じていることがわかる。これは、図１３(a) を見ればわかるように、２本の弧状アーム１３０，１４０が、いずれもＹ軸近傍に端点を有するアームになっており、Ｘ軸方向には変位しやすいが、Ｙ軸方向には変位しにくい構造をもっているためである。

【0271】

これに対して、２段重ねの力覚センサの場合、力Ｆｘの検出感度と力Ｆｙの検出感度は、いずれも「１９」になっており、両者の感度に差は生じていない。これは、図３５に示すとおり、上段基本構造体１００ａと下段基本構造体１００ｂとが、９０°回転させた配置関係になっており、上下２段に重ねた積層構造体に関しては、Ｘ軸方向に関する変位のしやすさと、Ｙ軸方向に関する変位のしやすさと、の間に差が生じなくなっているためである。

【0272】

もちろん、モーメントの検出感度についても同様のことが言える。すなわち、１段重ねの力覚センサの場合、モーメントＭｘの検出感度「１４０」とモーメントＭｙの検出感度「７０」との間には、大きな差が生じているが、２段重ねの力覚センサの場合、モーメントＭｘの検出感度とモーメントＭｙの検出感度は、いずれも「３５」になっており、両者の感度に差は生じていない。

【0273】

また、２段重ねの力覚センサでは、力の検出感度とモーメントの検出感度との差を是正する効果も得られる。たとえば、１段重ねの力覚センサの場合、モーメントＭｘの検出感度「１４０」は、力Ｆｚの検出感度「１００」に対して１．４０倍になっているのに対して、２段重ねの力覚センサの場合、モーメントＭｘの検出感度「３５」は、力Ｆｚの検出感度「４５」に対して０．７８倍になっており、感度差は是正されている。

【0274】

このように、二段積層式の実施形態では、力やモーメントの各軸成分の検出感度のバランスが調整される点が大きな特徴である。

【0275】

＜４−５．二段積層式の実施形態の基本技術概念＞
最後に、§４で述べた二段積層式の実施形態に係る力覚センサの基本技術概念をまとめておく。この二段積層式の実施形態に係る力覚センサは、結局、§１で述べた基本構造体１００を２組と、この２組の基本構造体１００の弧状アーム１３０，１４０の弾性変形を電気的に検出する検出素子と、この検出素子の検出結果に基づいて、２組の基本構造体１００の内側部材１１０および２組の基本構造体１００の外側部材１２０の一方を固定した状態において、他方に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力する検出回路と、を備えたセンサということになる。

【0276】

上述した実施形態の場合、２組の基本構造体１００は、Ｚ軸を垂直軸として上下方向に隣接するように配置されており、いずれもｎ＝２に設定することにより、内側部材１１０と外側部材１２０とが第１の弧状アーム１３０と第２の弧状アーム１４０とによって接続されており、かつ、ＸＹ平面に平行な所定の平面（具体的には、図３５(a) に示すＸａＹａ平面もしくは図３５(b) に示すＸｂＹｂ平面）を配置平面と定義したときに、この配置平面上に、第１の内側接続点Ｐ１、第２の内側接続点Ｐ２、第１の外側接続点Ｑ１、第２の外側接続点Ｑ２が配置されている。

【0277】

上述した実施例の説明では、この２組の基本構造体１００のうち、上方に配置された一方を上段基本構造体１００ａと呼び、下方に配置された他方を下段基本構造体１００ｂと呼んでいる。

【0278】

そして、図３２に示すように、上段基本構造体１００ａの内側部材１１０ａの下面と下段基本構造体１００ｂの内側部材１１０ｂの上面との間には、両者を接続する内側中間部材５１０が設けられており、上段基本構造体１００ａの外側部材１２０ａの下面と下段基本構造体１００ｂの外側部材１２０ｂの上面との間には、両者を接続する外側中間部材５２０が設けられている。

【0279】

その結果、上段基本構造体１００ａの内側部材１１０ａと、内側中間部材５１０と、下段基本構造体１００ｂの内側部材１１０ｂは、相互に接続され、全体が積層内側部材として機能する。同様に、上段基本構造体１００ａの外側部材１２０ａと、外側中間部材５２０と、下段基本構造体１００ｂの外側部材１２０ｂは、相互に接続され、全体が積層外側部材として機能する。

【0280】

そして、上段基本構造体１００ａおよび下段基本構造体１００ｂの双方について、弧状アーム１３０ａ，１４０ａ，１３０ｂ，１４０ｂの弾性変形を電気的に検出する検出素子（上述した実施例の場合は容量素子Ｃ１〜Ｃ８）が設けられ、検出回路３００が、これら検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力することになる。

【0281】

実際には、上段基本構造体１００ａおよび下段基本構造体１００ｂは、幾何学的に合同となる構造体であり、両者は、Ｚ軸を共通の中心軸として配置される。そして、図２５のテーブルに番号１もしくは番号３として記載されている組み合わせを採用する場合、下段基本構造体１００ｂは、上段基本構造体１００ａをＺ軸を回転軸として９０°回転させた向きに配置した構造体になる。

【0282】

より具体的には、番号１もしくは番号３として記載されている組み合わせを採用する場合、上段基本構造体１００ａとして、第１の内側接続点Ｐ１が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の内側接続点Ｐ２が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第１の外側接続点Ｑ１が、配置平面上へのＹ軸の正領域の投影像上もしくはその近傍に配置され、第２の外側接続点Ｑ２が、配置平面上へのＹ軸の負領域の投影像上もしくはその近傍に配置された基本構造体を用いればよい。

【0283】

この場合、右ネジをＺ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをＺ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第１の弧状アームは、第１の内側接続点Ｐ１から第１の外側接続点Ｑ２に向かって、左まわり方向（基本構造体１００Ｌの場合）および右まわり方向（基本構造体１００Ｒの場合）のうちのいずれか一方の選択方向に伸びており、第２の弧状アームは、第２の内側接続点Ｐ２から第２の外側接続点Ｑ２に向かって、上記選択方向と同じ方向に伸びているようにする。

【0284】

また、下段基本構造体１００ｂとしては、上述した上段基本構造体１００ａと幾何学的に合同となる構造体を、Ｚ軸を回転軸として９０°回転させた向きに配置した構造体を用いるようにすればよい。

【0285】

一方、図２５のテーブルに番号２もしくは番号４として記載されている組み合わせを採用する場合については、やはり上段基本構造体１００ａおよび下段基本構造体１００ｂは、幾何学的に合同となる構造体でよく、両者を、Ｚ軸を共通の中心軸として配置すればよい。ただ、この場合、下段基本構造体１００ｂは、上段基本構造体１００ａをＸ軸もしくはＹ軸を回転軸として１８０°回転させ、更に、Ｚ軸を回転軸として９０°回転させた向きに配置した構造体になる。

【0286】

より具体的には、番号２もしくは番号４として記載されている組み合わせを採用する場合、上段基本構造体１００ａとして、第１の内側接続点Ｐ１が、配置平面（ＸａＹａ平面）上へのＹ軸の負領域の投影像（Ｙａ軸の負領域）上もしくはその近傍に配置され、第２の内側接続点Ｐ２が、配置平面（ＸａＹａ平面）上へのＹ軸の正領域の投影像（Ｙａ軸の正領域）上もしくはその近傍に配置され、第１の外側接続点Ｑ１が、配置平面（ＸａＹａ平面）上へのＹ軸の正領域の投影像（Ｙａ軸の正領域）上もしくはその近傍に配置され、第２の外側接続点Ｑ２が、配置平面（ＸａＹａ平面）上へのＹ軸の負領域の投影像（Ｙａ軸の負領域）上もしくはその近傍に配置された基本構造体を用いればよい。

【0287】

この場合、右ネジをＺ軸正方向に進める回転方向を左まわり方向、右ネジをＺ軸負方向に進める回転方向を右まわり方向、と定義したときに、第１の弧状アームは、第１の内側接続点Ｐ１から第１の外側接続点Ｑ１に向かって、左まわり方向（基本構造体１００Ｌの場合）および右まわり方向（基本構造体１００Ｒの場合）のうちのいずれか一方の選択方向に伸びており、第２の弧状アームは、第２の内側接続点Ｐ２から第２の外側接続点Ｑ２に向かって、上記選択方向と同じ方向に伸びているようにする。

【0288】

また、下段基本構造体１００ｂとしては、上述した上段基本構造体１００ａと幾何学的に合同となる構造体を、Ｘ軸もしくはＹ軸を回転軸として１８０°回転させ、更に、Ｚ軸を回転軸として９０°回転させた向きに配置した構造体を用いるようにすればよい。

【0289】

各検出素子の配置に関しては、次のようにすればよい。まず、上段基本構造体１００ａについては、配置平面（ＸａＹａ平面）上へのＸ軸の正領域の投影像（Ｘａ軸の正領域）と弧状アームの中心線との交点に第１の測定点Ｈ１１を定義し、配置平面（ＸａＹａ平面）上へのＸ軸の負領域の投影像（Ｘａ軸の負領域）と弧状アームの中心線との交点に第２の測定点Ｈ１２を定義する（図２２参照）。次に、下段基本構造体１００ｂについては、配置平面（ＸｂＹｂ平面）上へのＹ軸の正領域の投影像（Ｙｂ軸の正領域）と弧状アームの中心線との交点に第３の測定点Ｈ１３を定義し、配置平面（ＸｂＹｂ平面）上へのＹ軸の負領域の投影像（Ｙｂ軸の負領域）と弧状アームの中心線との交点に第４の測定点Ｈ１４を定義する（図２３参照）。そして、検出素子が、第１〜第４の測定点Ｈ１１〜Ｈ１４の変位を電気的に検出することにより、各弧状アームの弾性変形を検出するようにすればよい。

【0290】

検出素子として容量素子を用いる場合は、第１の測定点Ｈ１１の近傍に配置された第１の容量素子Ｃ１と、第２の測定点Ｈ１２の近傍に配置された第２の容量素子Ｃ２と、第３の測定点Ｈ１３の近傍に配置された第３の容量素子Ｃ３と、第４の測定点Ｈ１４の近傍に配置された第４の容量素子Ｃ４と、を設けるようにすればよい。

【0291】

ここで、第１の容量素子Ｃ１は、弧状アームの外側もしくは内側の第１の測定点Ｈ１１の近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第１の固定電極Ｅ１と、弧状アームの表面における第１の固定電極Ｅ１に対向する領域に形成された第１の変位電極Ｅ０と、によって構成された容量素子である。

【0292】

また、第２の容量素子Ｃ２は、弧状アームの外側もしくは内側の第２の測定点Ｈ１２の近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第２の固定電極Ｅ２と、弧状アームの表面における第２の固定電極Ｅ２に対向する領域に形成された第２の変位電極Ｅ０と、によって構成された容量素子である。

【0293】

そして、第３の容量素子Ｃ３は、弧状アームの外側もしくは内側の第３の測定点Ｈ１３の近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第３の固定電極Ｅ３と、弧状アームの表面における第３の固定電極Ｅ３に対向する領域に形成された第３の変位電極Ｅ０と、によって構成された容量素子である。

【0294】

最後の第４の容量素子Ｃ４は、弧状アームの外側もしくは内側の第４の測定点Ｈ１４の近傍に配置され積層内側部材または積層外側部材に固定された第４の固定電極Ｅ４と、弧状アームの表面における第４の固定電極Ｅ４に対向する領域に形成された第４の変位電極Ｅ０と、によって構成された容量素子である。

【0295】

検出回路は、これら容量素子Ｃ１〜Ｃ４によって構成される検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力ＦｙおよびＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することができる。

【0296】

６軸すべての検出値が得られるようにするには、上述した第１〜第４の測定点Ｈ１１〜Ｈ１４に加えて、更に、下段基本構造体１００ｂの弧状アームもしくは内側部材の所定箇所に第５〜第８の測定点Ｈ１５〜Ｈ１８を定義すればよい（図３５(b) 参照）。ここで、第５の測定点Ｈ１５は、下段基本構造体の配置平面（ＸｂＹｂ平面）上へのＸ軸の正領域の投影像（Ｘｂ軸の正領域）上もしくはその近傍位置に配置され、第６の測定点Ｈ１６は、下段基本構造体の配置平面（ＸｂＹｂ平面）上へのＸ軸の負領域の投影像（Ｘｂ軸の負領域）上もしくはその近傍位置に配置され、第７の測定点Ｈ１７は、下段基本構造体の配置平面（ＸｂＹｂ平面）上へのＹ軸の正領域（Ｙｂ軸の正領域）の投影像上もしくはその近傍位置に配置され、第８の測定点Ｈ１８は、下段基本構造体の配置平面（ＸｂＹｂ平面）上へのＹ軸の負領域の投影像（Ｙｂ軸の負領域）上もしくはその近傍位置に配置されるようにすればよい。

【0297】

そして、検出素子として、更に、第５の測定点Ｈ１５の近傍に配置された第５の容量素子Ｃ５と、第６の測定点Ｈ１６の近傍に配置された第６の容量素子Ｃ６と、第７の測定点Ｈ１７の近傍に配置された第７の容量素子Ｃ７と、第８の測定点Ｈ１８の近傍に配置された第８の容量素子Ｃ８と、を設けるようにする。

【0298】

ここで、第５の容量素子Ｃ５は、下段基本構造体１００ｂの弧状アームもしくは内側部材の下方の第５の測定点Ｈ１５の近傍に配置され下段基本構造体１００ｂの外側部材に固定された第５の固定電極Ｅ５と、下段基本構造体１００ｂの弧状アームもしくは内側部材の下面における第５の固定電極Ｅ５に対向する領域に形成された第５の変位電極Ｅ０と、によって構成された容量素子である。

【0299】

また、第６の容量素子Ｃ６は、下段基本構造体１００ｂの弧状アームもしくは内側部材の下方の第６の測定点Ｈ１６の近傍に配置され下段基本構造体１００ｂの外側部材に固定された第６の固定電極Ｅ６と、下段基本構造体１００ｂの弧状アームもしくは内側部材の下面における第６の固定電極Ｅ６に対向する領域に形成された第６の変位電極Ｅ０と、によって構成された容量素子である。

【0300】

そして、第７の容量素子Ｃ７は、下段基本構造体１００ｂの弧状アームもしくは内側部材の下方の第７の測定点Ｈ１７の近傍に配置され下段基本構造体１００ｂの外側部材に固定された第７の固定電極Ｅ７と、下段基本構造体１００ｂの弧状アームもしくは内側部材の下面における第７の固定電極Ｅ７に対向する領域に形成された第７の変位電極Ｅ０と、によって構成された容量素子である。

【0301】

最後の第８の容量素子Ｃ８は、下段基本構造体１００ｂの弧状アームもしくは内側部材の下方の第８の測定点Ｈ１８の近傍に配置され下段基本構造体１００ｂの外側部材に固定された第８の固定電極Ｅ８と、下段基本構造体１００ｂの弧状アームもしくは内側部材の下面における第８の固定電極Ｅ８に対向する領域に形成された第８の変位電極Ｅ０と、によって構成された容量素子である。

【0302】

検出回路は、これら容量素子Ｃ１〜Ｃ８によって構成される検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用したＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙおよびＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値を出力することができる。

【0303】

なお、図３４に示す実施例の場合、下段基本構造体１００ｂの下方に支持基板２００が配置されている。この支持基板２００は、下段基本構造体１００ｂに対向する底板部２１０と、この底板部２１０の周囲から上方に隆起した縁周部２２０とを有しており、下段基本構造体１００ｂの外側部材１２０ｂの下面は、縁周部２２０の上面に固定されており、下段基本構造体１００ｂの内側部材１１０ｂの下面と底板部２１０の上面との間に空洞部２５０が形成されており、積層内側部材（１１０ａ，５１０，１１０ｂ）が、この空洞部２５０を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されている。また、第１〜第８の固定電極Ｅ１〜Ｅ８は、底板部２１０の上面に固定されている。

【0304】

＜＜＜ §５． その他の変形例 ＞＞＞
最後に、これまで述べてきた様々な実施例に対する更なる変形例をいくつか列挙しておく。

【0305】

図３９は、本発明に係る力覚センサにおける電極構成の変形例を示す基本構造体１００Ｌの横断面図（ＸＹ平面で切断した断面を示す）である。図の右側の測定点Ｈ１１の近傍には、支持部材ＳＡに支持された固定電極ＥＡと、支持部材ＳＢに支持された固定電極ＥＢとが示されている。図１３には、支持基板２００の底板部２１０の上面に固定電極Ｅ１〜Ｅ１２を直接固定した例が示されているが、底板部２１０が金属などの導電性材料から構成されている場合は、図３９に示す例のように、絶縁性材料からなる支持部材ＳＡ，ＳＢを介して、固定電極ＥＡ，ＥＢを底板部２１０の上面に固定する必要がある。

【0306】

一方、図３９の左側の測定点Ｈ１２の近傍には、絶縁性材料からなる支持部材ＳＣを介して変位電極ＥＣを形成し、これに対向する位置に、支持部材ＳＤを介して、固定電極ＥＤを底板部２１０の上面に固定した状態が示されている。固定電極ＥＤに比べて、変位電極ＥＣの方が広い電極になっているのは、両電極間に、図１４で述べた関係が維持されるようにするためである。

【0307】

測定点Ｈ１２の近傍の測定対象面（弧状アーム１４０Ｌの外側面）と、これに対向する対向基準面（支持部材ＳＤの表面）との距離を測定するという基本原理によれば、図示のように、変位電極ＥＣと固定電極ＥＤとを個別に設けて容量素子を構成するのが基本的手法と言える。

【0308】

ただ、これまで述べてきた実施例では、基本構造体１００Ｌを金属などの導電性材料によって構成したため、基本構造体１００Ｌの表面の個々の部分領域を変位電極として代用している。たとえば、図３９の右側の測定点Ｈ１１の変位を検出するための容量素子の変位電極としては、図に太線で示すように、弧状アーム１３０Ｌの表面の一部が代用されている。このように、基本構造体１００Ｌを金属などの導電性材料によって構成すれば、その表面の部分領域を個別の変位電極として代用することができるため、電極構成は単純化され、また、配線も単純化される。

【0309】

しかしながら、基本構造体１００Ｌは、この力覚センサの主要な構造部を占める大きな構造体であるため、電気的なノイズの影響を受けることは否めない。また、本来は意図していない箇所に無用な容量素子が形成されてしまう懸念もある。

【0310】

たとえば、図３９に示す例において、固定電極ＥＡは、弧状アーム１３０Ｌの測定点Ｈ１１の近傍の外側面に形成された変位電極（太線部分）に対向しており、両電極によって容量素子ＣＡが形成されることになる。こうして形成された容量素子ＣＡは、意図どおりの検出素子ということになる。しかしながら、固定電極ＥＡは、導電性材料からなる外側部材１２０Ｌの内側面にも対向しているため、固定電極ＥＡと外側部材１２０Ｌの内側対向面との間にも、予期せぬ容量素子が形成されることになる。

【0311】

もちろん、実際には、固定電極ＥＡは、弧状アーム１３０Ｌの近傍に配置され、外側部材１２０Ｌから離れた位置に置かれるため（前述したとおり、本願の各図は、説明の便宜上、デフォルメされたものとなっており、実寸どおりのものにはなっていない）、上述した予期せぬ容量素子の影響は微小なものになるが、電気的なノイズ成分の要因になることは否めない。また、外側部材１２０Ｌをセンサの装置筐体などに固定して用いるような場合、装置筐体を伝わって電気的ノイズ成分が混入することになる。

【0312】

図３９の左側の測定点Ｈ１２の近傍に示す例のように、弧状アーム（もしくは内側部材）の表面に絶縁層を介して変位電極を形成することにより、容量素子を構成するようにすれば、電極形成や配線作業は複雑になるが、このような電気的ノイズ成分の混入を排除することができる。

【0313】

ところで、§４では、２組の基本構造体を上下方向に積層した二段積層式の実施形態を述べたが、もちろん、基本構造体を３組以上積層するようにしてもかまわない。このように、複数の基本構造体を上下方向に積層した実施形態に係る力覚センサを一般論として説明すれば、互いに所定間隔をおいて上下に隣接するように配置された複数ｍ個（ｍ≧２）の基本構造体を備えた力覚センサということになる。

【0314】

ここで、複数ｍ個の基本構造体を、Ｚ軸を垂直軸として上方から下方に向かって、第１〜第ｍの基本構造体と呼んだ場合、第ｊ（１≦ｊ≦ｍ−１）の基本構造体の内側部材の下面と第（ｊ＋１）の基本構造体の内側部材の上面とが接続され、第ｊ（１≦ｊ≦ｍ−１）の基本構造体の外側部材の下面と第（ｊ＋１）の基本構造体の外側部材の上面とが接続されるようにする。そうすれば、相互に接続されたｍ個の内側部材は、全体が積層内側部材として機能し、相互に接続されたｍ個の外側部材は、全体が積層外側部材として機能することになる。

【0315】

検出素子は、これら複数ｍ個の基本構造体の全弧状アームもしくはその中から選択された一部の弧状アームの弾性変形を電気的に検出するようにし、検出回路は、検出素子の検出結果に基づいて、積層内側部材および積層外側部材の一方を固定した状態において、他方に作用した所定の座標軸方向の力もしくは所定の座標軸まわりのモーメントの検出値を出力すればよい。

【0316】

一番下層に支持基板を設ける場合は、第ｍの基本構造体の下方に支持基板を配置すればよい。この支持基板は、第ｍの基本構造体に対向する底板部と、この底板部の周囲から上方に隆起した縁周部とを有した構造体になるようにする。そして、第ｍの基本構造体の外側部材の下面が、縁周部の上面に固定され、第ｍの基本構造体の内側部材の下面と底板部の上面との間に空洞部が形成され、積層内側部材が、この空洞部を含む周囲空間内で変位可能となるように弧状アームによって支持されているようにすればよい。

【符号の説明】

【0317】

１００，１００Ｌ，１００ＬＬ，１００Ｒ，１００ＲＲ：基本構造体
１００ａ：上段基本構造体
１００ｂ：下段基本構造体
１１０，１１０ａ，１１０ｂ，１１０Ｌ，１１０Ｒ：内側部材
１２０，１２０ａ，１２０ｂ，１２０Ｌ，１２０Ｒ：外側部材
１３０，１３０ａ，１３０Ｌ，１３０Ｒ：第１の弧状アーム
１３１，１３１Ｌ：第１の弧状アームの円弧状部
１３２，１３２Ｌ：第１の弧状アームの内側接続部
１３３，１３３Ｌ：第１の弧状アームの外側接続部
１４０，１４０ａ，１４０Ｌ，１４０Ｒ：第２の弧状アーム
１４１，１４１Ｌ：第２の弧状アームの円弧状部
１４２，１４２Ｌ：第２の弧状アームの内側接続部
１４３，１４３Ｌ：第２の弧状アームの外側接続部
２００：支持基板
２１０：底板部
２２０：縁周部
２５０：空洞部
３００：検出回路
３０１〜３１２：Ｃ／Ｖ変換回路
３２１〜３２６：加減算回路
４００：基本構造体
４１０：内側部材
４２０：外側部材
４３０：第１の弧状アーム
４４０：第２の弧状アーム
４５０：第３の弧状アーム
５００：中間基板
５１０：内側中間部材
５２０：外側中間部材
Ａ：対向領域（電極Ｅｂの投影像）
Ｃ１〜Ｃ１２：容量素子／容量素子の静電容量値
Ｅ０：共通変位電極（導電性材料からなる基本構造体の表面）
Ｅ１〜Ｅ１２，Ｅ９′〜Ｅ１２′：固定電極
ＥＡ，Ｅａ，ＥＢ，Ｅｂ，ＥＣ，ＥＤ：電極
Ｆｘ：Ｘ軸方向の力
Ｆｙ：Ｙ軸方向の力
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力
Ｇ１〜Ｇ４：軸上点
Ｈ１〜Ｈ１８，Ｈ５′〜Ｈ８′：測定点
Ｍｘ：Ｘ軸まわりのモーメント
Ｍｙ：Ｙ軸まわりのモーメント
Ｍｚ：Ｚ軸まわりのモーメント
Ｏ：ＸＹＺ三次元直交座標系の原点
Ｏａ：ＸａＹａＺ三次元直交座標系の原点
Ｏｂ：ＸｂＹｂＺ三次元直交座標系の原点
Ｐ１：第１の内側接続点
Ｐ２：第２の内側接続点
Ｐ３：第３の内側接続点
Ｑ１：第１の外側接続点
Ｑ２：第２の外側接続点
Ｑ３：第３の外側接続点
Ｒ１，Ｒ２：変位方向を示す矢印
Ｓ１〜Ｓ４：支持部材
ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤ：支持部材
Ｕ１：Ｙ軸に対して反時計まわりに１２０°をなす座標軸
Ｕ２：Ｙ軸に対して時計まわりに１２０°をなす座標軸
Ｖ１〜Ｖ１２：電圧信号
Ｗ１：Ｘ軸に対して反時計まわりに４５°をなす座標軸
Ｗ２：Ｙ軸に対して反時計まわりに４５°をなす座標軸
Ｘ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｘａ：ＸａＹａＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｘｂ：ＸｂＹｂＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｙ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｙａ：ＸａＹａＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｙｂ：ＸｂＹｂＺ三次元直交座標系の座標軸
Ｚ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸

【要約】

【課題】十分な堅牢性を確保しつつ、検出感度を高める。
【解決手段】原点Ｏを中心に配置された円盤状の内側部材１１０と、原点Ｏを中心に配置された円環状の外側部材１２０と、両者を接続する２本の弧状アーム１３０，１４０と、によって基本構造体１００が形成される。外側部材１２０の下面には、支持基板２００が接合され、底板部２１０の上面には、固定電極Ｅ１〜Ｅ１２が取り付けられる。弧状アーム１３０，１４０の所定位置に、測定点Ｈ１〜Ｈ４が定義され、固定電極Ｅ１〜Ｅ８は、その近傍に配置される。固定電極Ｅ９〜Ｅ１２は、内側部材１１０の下方に配置される。内側部材１１０に外力が作用すると、弧状アーム１３０，１４０が撓みを生じる。固定電極Ｅ１〜Ｅ１２とその対向面とによって容量素子が形成され、これら容量素子の容量値の変化に基づいて、内側部材１１０に作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを検出する。
【選択図】図１３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】