JP5853121B1 - 力覚センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】異常が生じた場合にこれを外部に報知する。【解決手段】円環状の支持部１１０の内側にダイアフラム部１２０が設けられる。受力部２１０に作用した外力は、力伝達部２２０を介してダイアフラム部１２０の中央に加えられる。ダイアフラム部１２０の下面の検出基準円Ｇ１上には、４つの検出点Ｐ２１〜Ｐ２４が定義される。検出点Ｐ２１〜Ｐ２４の外側にはＡ系統変位電極Ｅ２１Ａ〜Ｅ２４Ａが配置され、内側にはＢ系統変位電極Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２４Ｂが配置される。Ａ系統変位電極Ｅ２１Ａ〜Ｅ２４Ａとこれに対向する固定電極Ｅ１１Ａ〜Ｅ１４ＡによってＡ系統容量素子が形成され、Ｂ系統変位電極Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２４Ｂとこれに対向する固定電極Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１４ＢによってＢ系統容量素子が形成される。Ａ系統容量素子から得た検出値とＢ系統容量素子から得た検出値との差分が許容値を超えていた場合には、差分エラーを出力する。【選択図】図１６

Description

本発明は、外力を検出する力覚センサに関し、特に、弾性変形部に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出することにより、作用した外力の所定方向成分を検出する力覚センサに関する。
ロボットや産業機械の動作制御を行うために、種々のタイプの力覚センサが利用されている。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望まれている。
このような要求に応えるため、一部分に弾性変形部が設けられた検出用構造体を用意し、この弾性変形部に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出することにより、作用した外力の所定方向成分を検出する力覚センサが提案されている。たとえば、下記の特許文献１，２には、ダイアフラム部に生じた撓みをピエゾ抵抗素子を用いて検出する力覚センサが開示されており、特許文献３には、ダイアフラム部に生じた変位を容量素子を用いて検出する力覚センサが開示されている。また、特許文献４には、ダイアフラム部の代わりにビーム構造を有する４本の橋梁部に生じた撓みをピエゾ抵抗素子を用いて検出する力覚センサが開示されている。
一方、同様の原理に基づいて、作用した外力を各座標軸方向の並進力と各座標軸まわりのモーメントとに分け、合計６軸成分をそれぞれ独立して検出可能な力覚センサも提案されている。たとえば、特許文献５には、外力を４本の柱状力伝達体を介して４組の局在ダイアフラムに伝達し、各局在ダイアフラムの変位態様を容量素子によって検出することにより、外力の６軸成分を独立して検出可能な力覚センサが開示されている。また、特許文献６には、１軸まわりのモーメントの検出に特化することにより、トルクセンサとして利用可能な力覚センサが開示されている。
特開平３−２０２７７８号公報 特開平４−０８４７２５号公報 特開２０１０−００８３４３号公報 特開２００４−０６９４０５号公報 特開２００４−３２５３６７号公報 特開２０１２−０３７３００号公報
近年、急激な高齢化社会に向け、生活支援ロボットや医療支援ロボットの需要が高まってきており、産業界のみならず、一般市民生活へもロボットの普及が進んでゆくものと予想される。このように、人とロボットとが共存する社会では、ロボットが人に危害を加えることがないように、ロボットの安全性を十分に確保しておくことが極めて重要である。
一方、ロボットの動作制御を行うためには力覚センサが不可欠であり、力覚センサの動作不良はロボットの安全性を損なう要因になる。特に、生活支援ロボットや医療支援ロボットに組み込まれている力覚センサに異常が発生すると、ロボットが正常に動作することができなくなり、要介護者や患者に対して危害を及ぼす可能性がある。
ところが、前掲の各特許文献に開示されている従来の力覚センサは、上述したとおり、弾性変形部に生じた撓みや変位をピエゾ抵抗素子や容量素子などの検出素子によって電気的に検出するものであるため、検出素子の破損、信号線の断線、信号処理回路の不調などの不良要因を皆無にすることは困難である。しかも、これらの力覚センサは、異常が発生している場合にも、何らかの検出値を出力し続けるため、ロボットの制御部が異常発生を認識できなかった場合には、ロボットが誤動作することになり、人に危害が及ぶ可能性がある。
そこで本発明は、異常が生じた場合にこれを外部に報知することができる力覚センサを提供することを目的とする。
(1) 本発明の第１の態様は、作用した外力の所定方向成分を検出する力覚センサにおいて、
力の作用により弾性変形を生じる弾性変形部と、この弾性変形部を支持する支持部と、検出対象となる外力を受ける受力部と、この受力部に加えられた外力を弾性変形部の所定箇所に伝達する力伝達部と、を有する検出用構造体と、
弾性変形部の所定位置に定義された複数ｎ個の各検出点の第１の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出するｎ個のＡ系統検出素子と、
ｎ個の各検出点の第１の近傍部分とは異なる第２の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出するｎ個のＢ系統検出素子と、
を設け、
任意のｉ（１≦ｉ≦ｎ）について、第ｉ番目のＡ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第１の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第ｉ番目のＢ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第２の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出するようにし、
更に、
ｎ個のＡ系統検出素子によって検出された電気的な検出信号に基づいて、受力部に加えられた外力の所定方向成分を示すＡ系統検出値を出力するＡ系統信号処理手段と、
ｎ個のＢ系統検出素子によって検出された電気的な検出信号に基づいて、受力部に加えられた外力の所定方向成分を示すＢ系統検出値を出力するＢ系統信号処理手段と、
Ａ系統検出値とＢ系統検出値とを比較し、両者の差分ｄを求め、Ａ系統検出値もしくはＢ系統検出値またはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値を最終検出値として出力するとともに、差分ｄが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力する比較手段と、
を設けるようにしたものである。
(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、検出用構造体が、
Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面に沿って延びる薄板状のダイアフラム部によって構成された弾性変形部と、この弾性変形部の周囲を支持固定する環状構造体によって構成された支持部と、を有する下部構造体と、
弾性変形部の上方に所定距離をおいてＺ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、受力部の下面中央と弾性変形部の上面中央とをＺ軸に沿って接続する力伝達部と、を有する上部構造体と、
を備えるようにしたものである。
(3) 本発明の第３の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、検出用構造体が、
Ｚ軸上に位置する中央部と、中央部からＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面に沿って放射状に延びる複数本の薄板状の橋梁部と、を有する弾性変形部と、この弾性変形部の周囲を支持固定する環状構造体によって構成された支持部と、を有する下部構造体と、
弾性変形部の上方に所定距離をおいてＺ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、受力部の下面中央と中央部の上面とをＺ軸に沿って接続する力伝達部と、を有する上部構造体と、
を備えるようにしたものである。
(4) 本発明の第４の態様は、上述した第３の態様に係る力覚センサにおいて、
弾性変形部が、中央部からＸ軸正方向に向かって延びる薄板状の第１橋梁部と、中央部からＸ軸負方向に向かって延びる薄板状の第２橋梁部と、中央部からＹ軸正方向に向かって延びる薄板状の第３橋梁部と、中央部からＹ軸負方向に向かって延びる薄板状の第４橋梁部と、を有するようにしたものである。
(5) 本発明の第５の態様は、上述した第１の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、検出用構造体が、Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面に沿って延びる基板によって構成された下部構造体と、この下部構造体の上方に配置された上部構造体と、を備えており、
下部構造体を構成する基板には、複数ｍ箇所にＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面に沿った方向に延びる薄板状の局在ダイアフラム部が形成されており、下部構造体のうち、これらｍ組の局在ダイアフラム部の部分が弾性変形部を構成し、それ以外の部分が支持部を構成しており、
上部構造体は、下部構造体を構成する基板の上方に所定距離をおいてＺ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、受力部の下面の所定箇所とｍ組のダイアフラム部の上面中央とを接続するｍ組の力伝達部と、を有しているようにしたものである。
(6) 本発明の第６の態様は、上述した第５の態様に係る力覚センサにおいて、
ｍ＝４に設定することにより、下部構造体を構成する基板には、４箇所にＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面に沿った方向に延びる薄板状の局在ダイアフラム部が形成されており、各局在ダイアフラム部の下面は共通の検出基準面に含まれ、
上部構造体は、下部構造体を構成する基板の上方に所定距離をおいてＺ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、受力部の下面と４組の局在ダイアフラム部の上面とを接続する４組の力伝達部と、を有しており、
４組の力伝達部のうち、第１の力伝達部は、正のＸ軸と交差するＺ軸に平行な直線に沿って、受力部の下面の所定位置と第１の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続し、第２の力伝達部は、負のＸ軸と交差するＺ軸に平行な直線に沿って、受力部の下面の所定位置と第２の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続し、第３の力伝達部は、正のＹ軸と交差するＺ軸に平行な直線に沿って、受力部の下面の所定位置と第３の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続し、第４の力伝達部は、負のＹ軸と交差するＺ軸に平行な直線に沿って、受力部の下面の所定位置と第４の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続しているようにしたものである。
(7) 本発明の第７の態様は、上述した第２〜第６の態様に係る力覚センサにおいて、
ＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面上に検出基準面を定義し、この検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、ｎ個の検出点がすべて検出基準円上に配置されているようにしたものである。
(8) 本発明の第８の態様は、上述した第７の態様に係る力覚センサにおいて、
各検出点について、Ｚ軸から遠い側を外側、Ｚ軸に近い側を内側と呼んだときに、任意のｉ（１≦ｉ≦ｎ）について、
第ｉ番目のＡ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、
第ｉ番目のＢ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出するようにしたものである。
(9) 本発明の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る力覚センサにおいて、
ｎ個のＡ系統検出素子の一部もしくは全部によって検出された電気的な検出信号と、ｎ個のＢ系統検出素子の一部もしくは全部によって検出された電気的な検出信号と、の双方に基づいて、受力部に加えられた外力の所定方向成分を示す補助系統検出値を出力する補助系統信号処理手段を更に設け、
比較手段が、Ａ系統検出値とＢ系統検出値との差分ｄに加えて、更に、Ａ系統検出値と補助系統検出値との差分ｄＡおよびＢ系統検出値と補助系統検出値との差分ｄＢを求め、差分ｄ，ｄＡ，ｄＢのいずれかが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力するようにしたものである。
(10) 本発明の第１０の態様は、上述した第９の態様に係る力覚センサにおいて、
比較手段が、ｄＡ＜ｄＢの場合はＡ系統検出値を最終検出値として出力し、ｄＡ＞ｄＢの場合はＢ系統検出値を最終検出値として出力し、ｄＡ＝ｄＢの場合はＡ系統検出値またはＢ系統検出値を最終検出値として出力するようにしたものである。
(11) 本発明の第１１の態様は、上述した第９または第１０の態様に係る力覚センサにおいて、
比較手段が、差分ｄ，ｄＡ，ｄＢのうちの２つが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、当該２つの差分の算出にともに関与した検出値を誤検出値と推定し、この誤検出値を除く２つの検出値の一方またはこれら両方に基づいて算出された所定の算出値を最終検出値として出力する例外処理を行うようにしたものである。
(12) 本発明の第１２の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る力覚センサにおいて、
比較手段が、Ａ系統検出値およびＢ系統検出値について、所定の許容レンジ内であるか否かを判定し、当該許容レンジを超えていた場合は、レンジアウトエラーを出力するようにしたものである。
(13) 本発明の第１３の態様は、上述した第１２の態様に係る力覚センサにおいて、
比較手段が、Ａ系統検出値のみが許容レンジを超えていた場合は、Ｂ系統検出値を最終検出値として出力し、Ｂ系統検出値のみが許容レンジを超えていた場合は、Ａ系統検出値を最終検出値として出力し、Ａ系統検出値およびＢ系統検出値の双方が許容レンジを超えていた場合は、許容レンジ内の所定のダミー値を最終検出値として出力するようにしたものである。
(14) 本発明の第１４の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る力覚センサにおいて、
比較手段が、Ａ系統検出値およびＢ系統検出値の平均値を算出し、当該平均値を最終検出値として出力するようにしたものである。
(15) 本発明の第１５の態様は、上述した第１〜第１４の態様に係る力覚センサにおいて、
任意のｉ（１≦ｉ≦ｎ）について、
第ｉ番目のＡ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第１の近傍部分に配置されたピエゾ抵抗素子によって構成され、当該近傍部分に生じた撓みを電気抵抗値の変化として示す検出信号を出力し、
第ｉ番目のＢ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第２の近傍部分に配置されたピエゾ抵抗素子によって構成され、当該近傍部分に生じた撓みを電気抵抗値の変化として示す検出信号を出力するようにしたものである。
(16) 本発明の第１６の態様は、上述した第１〜第１４の態様に係る力覚センサにおいて、
任意のｉ（１≦ｉ≦ｎ）について、
第ｉ番目のＡ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第１の近傍部分に配置された第ｉ番目のＡ系統変位電極と、この第ｉ番目のＡ系統変位電極に対向するように支持部に固定された第ｉ番目のＡ系統固定電極と、を有する第ｉ番目のＡ系統容量素子によって構成され、当該第１の近傍部分に生じた変位を静電容量値の変化として示す検出信号を出力し、
第ｉ番目のＢ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第２の近傍部分に配置された第ｉ番目のＢ系統変位電極と、この第ｉ番目のＢ系統変位電極に対向するように支持部に固定された第ｉ番目のＢ系統固定電極と、を有する第ｉ番目のＢ系統容量素子によって構成され、当該第２の近傍部分に生じた変位を静電容量値の変化として示す検出信号を出力するようにしたものである。
(17) 本発明の第１７の態様は、上述した第２または第４の態様に係る力覚センサにおいて、
ダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に検出基準面を定義し、Ｘ軸およびＹ軸を検出基準面に投影して得られるＸ軸投影像およびＹ軸投影像を定義したときに、
ｎ＝４に設定することにより検出基準面上に４個の検出点が定義されており、検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、第１番目の検出点は正のＸ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第２番目の検出点は負のＸ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第３番目の検出点は正のＹ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第４番目の検出点は負のＹ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、
各検出点について、Ｚ軸から遠い側を外側、Ｚ軸に近い側を内側と呼んだときに、
第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、
第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、
第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、
第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出するようにしたものである。
(18) 本発明の第１８の態様は、上述した第１７の態様に係る力覚センサにおいて、
各検出素子はダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に埋め込まれたピエゾ抵抗素子によって構成されており、各ピエゾ抵抗素子は、埋め込まれた位置に生じた撓みを電気抵抗値の変化として出力する機能を有し、
第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の外側にＸ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ１Ａからなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の内側にＸ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ１Ｂからなり、
第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の外側にＸ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ２Ａからなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の内側にＸ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ２Ｂからなり、
第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の外側にＹ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ３Ａからなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の内側にＹ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ３Ｂからなり、
第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の外側にＹ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ４Ａからなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の内側にＹ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ４Ｂからなるようにしたものである。
(19) 本発明の第１９の態様は、上述した第１８の態様に係る力覚センサにおいて、
８組のピエゾ抵抗素子Ｒ１Ａ〜Ｒ４Ａ，Ｒ１Ｂ〜Ｒ４Ｂの抵抗値をそれぞれ同じ符号を用いてＲ１Ａ〜Ｒ４Ａ，Ｒ１Ｂ〜Ｒ４Ｂと表したときに、
Ａ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｒ１Ａ＋Ｒ２Ａ＋Ｒ３Ａ＋Ｒ４Ａ）
ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｒ３Ａ−Ｒ４Ａ）
ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｒ１Ａ−Ｒ２Ａ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＡ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＡ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＡを示すＡ系統検出値を出力し、
Ｂ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｒ１Ｂ＋Ｒ２Ｂ＋Ｒ３Ｂ＋Ｒ４Ｂ）
ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｒ３Ｂ−Ｒ４Ｂ）
ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｒ１Ｂ−Ｒ２Ｂ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＢ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＢ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＢを示すＢ系統検出値を出力するようにしたものである。
(20) 本発明の第２０の態様は、上述した第１７の態様に係る力覚センサにおいて、
各検出素子はダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ１Ａからなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ１Ｂからなり、
第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ２Ａからなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ２Ｂからなり、
第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ３Ａからなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ３Ｂからなり、
第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ４Ａからなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ４Ｂからなるようにしたものである。
(21) 本発明の第２１の態様は、上述した第２０の態様に係る力覚センサにおいて、
８組の容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂと表したときに、
Ａ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ＋Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ）
ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｃ３Ａ−Ｃ４Ａ）
ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｃ１Ａ−Ｃ２Ａ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＡ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＡ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＡを示すＡ系統検出値を出力し、
Ｂ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ＋Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）
ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｃ３Ｂ−Ｃ４Ｂ）
ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｃ１Ｂ−Ｃ２Ｂ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＢ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＢ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＢを示すＢ系統検出値を出力するようにしたものである。
(22) 本発明の第２２の態様は、上述した第２または第４の態様に係る力覚センサにおいて、
ダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に検出基準面を定義し、Ｘ軸およびＹ軸を検出基準面に投影して得られるＸ軸投影像およびＹ軸投影像を定義したときに、
ｎ＝４に設定することにより検出基準面上に４個の検出点が定義されており、検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、第１番目の検出点は正のＸ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第２番目の検出点は負のＸ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第３番目の検出点は正のＹ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第４番目の検出点は負のＹ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、
第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出するようにしたものである。
(23) 本発明の第２３の態様は、上述した第２２の態様に係る力覚センサにおいて、
各検出素子はダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ１Ａからなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ１Ｂからなり、
第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ２Ａからなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ２Ｂからなり、
第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ３Ａからなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ３Ｂからなり、
第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ４Ａからなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ４Ｂからなるようにしたものである。
(24) 本発明の第２４の態様は、上述した第２３の態様に係る力覚センサにおいて、
８組の容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂと表したときに、
Ａ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ＋Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ）
ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｃ３Ａ−Ｃ４Ａ）
ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｃ１Ａ−Ｃ２Ａ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＡ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＡ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＡを示すＡ系統検出値を出力し、
Ｂ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ＋Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）
ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｃ３Ｂ−Ｃ４Ｂ）
ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｃ１Ｂ−Ｃ２Ｂ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＢ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＢ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＢを示すＢ系統検出値を出力するようにしたものである。
(25) 本発明の第２５の態様は、上述した第２４の態様に係る力覚センサにおいて、
所定の符号付き比例係数Ｋ２Ｃ，Ｋ３Ｃを用いて、
ＭｘＣ＝Ｋ２Ｃ×（（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ）−（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ））
ＭｙＣ＝Ｋ３Ｃ×（（Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）−（Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ））
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘＣおよびＹ軸まわりのモーメント成分ＭｙＣを示す補助系統検出値を出力する補助系統信号処理手段を更に有し、
比較手段が、Ａ系統検出値とＢ系統検出値との差分ｄに加えて、更に、Ａ系統検出値と補助系統検出値との差分ｄＡおよびＢ系統検出値と補助系統検出値との差分ｄＢを求め、差分ｄ，ｄＡ，ｄＢのいずれかが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力するようにしたものである。
(26) 本発明の第２６の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
Ｘ軸およびＹ軸を検出基準面に投影して得られるＸ軸投影像およびＹ軸投影像を定義し、検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、
ｎ＝４に設定することにより、各局在ダイアフラム部の下面中央にそれぞれ１つの検出点が定義されており、第１番目の検出点は正のＸ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第２番目の検出点は負のＸ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第３番目の検出点は正のＹ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第４番目の検出点は負のＹ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、
各検出点について、Ｚ軸から遠い側を外側、Ｚ軸に近い側を内側と呼んだときに、
第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出するようにしたものである。
(27) 本発明の第２７の態様は、上述した第２６の態様に係る力覚センサにおいて、
各検出素子は各局在ダイアフラム部の下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ１Ａからなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ１Ｂからなり、
第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ２Ａからなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ２Ｂからなり、
第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ３Ａからなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ３Ｂからなり、
第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ４Ａからなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ４Ｂからなるようにしたものである。
(28) 本発明の第２８の態様は、上述した第２７の態様に係る力覚センサにおいて、
８組の容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂと表したときに、
Ａ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ＋Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ）
ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｃ３Ａ−Ｃ４Ａ）
ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｃ１Ａ−Ｃ２Ａ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＡ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＡ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＡを示すＡ系統検出値を出力し、
Ｂ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ＋Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）
ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｃ３Ｂ−Ｃ４Ｂ）
ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｃ１Ｂ−Ｃ２Ｂ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＢ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＢ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＢを示すＢ系統検出値を出力するようにしたものである。
(29) 本発明の第２９の態様は、上述した第６の態様に係る力覚センサにおいて、
Ｘ軸およびＹ軸を検出基準面に投影して得られるＸ軸投影像およびＹ軸投影像を定義し、検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、
ｎ＝４に設定することにより、各局在ダイアフラム部の下面中央にそれぞれ１つの検出点が定義されており、第１番目の検出点は正のＸ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第２番目の検出点は負のＸ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第３番目の検出点は正のＹ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、第４番目の検出点は負のＹ軸投影像と検出基準円との交点に位置し、
第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出するようにしたものである。
(30) 本発明の第３０の態様は、上述した第２９の態様に係る力覚センサにおいて、
各検出素子は各局在ダイアフラム部の下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ１Ａからなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ１Ｂからなり、
第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ２Ａからなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ２Ｂからなり、
第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ３Ａからなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ３Ｂからなり、
第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ４Ａからなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ４Ｂからなるようにしたものである。
(31) 本発明の第３１の態様は、上述した第３０の態様に係る力覚センサにおいて、
８組の容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂと表したときに、
Ａ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ＋Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ）
ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｃ３Ａ−Ｃ４Ａ）
ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｃ１Ａ−Ｃ２Ａ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＡ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＡ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＡを示すＡ系統検出値を出力し、
Ｂ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ＋Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）
ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｃ３Ｂ−Ｃ４Ｂ）
ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｃ１Ｂ−Ｃ２Ｂ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＢ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＢ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＢを示すＢ系統検出値を出力するようにしたものである。
(32) 本発明の第３２の態様は、上述した第３１の態様に係る力覚センサにおいて、
所定の符号付き比例係数Ｋ２Ｃ，Ｋ３Ｃを用いて、
ＭｘＣ＝Ｋ２Ｃ×（（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ）−（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ））
ＭｙＣ＝Ｋ３Ｃ×（（Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）−（Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ））
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘＣおよびＹ軸まわりのモーメント成分ＭｙＣを示す補助系統検出値を出力する補助系統信号処理手段を更に有し、
比較手段が、Ａ系統検出値とＢ系統検出値との差分ｄに加えて、更に、Ａ系統検出値と補助系統検出値との差分ｄＡおよびＢ系統検出値と補助系統検出値との差分ｄＢを求め、差分ｄ，ｄＡ，ｄＢのいずれかが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力するようにしたものである。
本発明に係る力覚センサでは、検出用構造体の弾性変形部の所定位置に複数ｎ個の検出点が定義され、これら個々の検出点の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を検出するために、Ａ系統検出素子とＢ系統検出素子との２通りの検出素子が設けられ、２通りの検出値が求められる。そして、両検出値の差分が所定の許容値を超えていた場合には、差分エラーが出力される。したがって、何らかの異常が生じた場合には、差分エラーとして異常を報知することができる。
力覚センサに用いられる一般的な検出用構造体の側断面図（図(a) ）および下部構造体１００の上面図（図(b) ）である。 図１に示す検出用構造体の受力部２１０に対して、力−Ｆｚおよびモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形状態を示す側断面図である。 力覚センサに用いられる別な検出用構造体の側断面図（図(a) ）および下部構造体１００′の上面図（図(b) ）である。 図１に示す検出用構造体に検出素子としてピエゾ抵抗素子を組み込んだ従来の力覚センサを示す側断面図（図(a) ）および下部構造体１００の上面図（図(b) ）である。 図４に示す力覚センサによる力−Ｆｚおよびモーメント＋Ｍｙの検出原理を示す側断面図である。 図１に示す検出用構造体に検出素子として容量素子を組み込んだ従来の力覚センサを示す側断面図（図(a) ）および下部構造体１００の下面図（図(b) ）である。 図６に示す力覚センサによる力−Ｆｚおよびモーメント＋Ｍｙの検出原理を示す側断面図である。 図４に示す力覚センサにおける各ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値の変化を示す表および作用した外力の所定方向成分を求める演算式を示す図である。 図６に示す力覚センサにおける各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化を示す表および作用した外力の所定方向成分を求める演算式を示す図である。 図４および図６に示す力覚センサにおける各検出素子Ｄ１〜Ｄ４の配置を示す上面図である。 図１０に示す検出素子Ｄ１〜Ｄ４から得られる検出信号の値Ｄ１〜Ｄ４を用いて、作用した外力の所定方向成分を求める演算式を示す図である。 従来の力覚センサと本発明に係る力覚センサとの基本構成の相違を示すブロック図である。 本発明に係る力覚センサにおける各検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ，Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂの配置を示す上面図である。 図１３に示す検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ，Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂから得られる検出信号の変化を示す表および作用した外力の所定方向成分を求める演算式を示す図である。 図１に示す検出用構造体に検出素子としてピエゾ抵抗素子を組み込んだ本発明に係る力覚センサを示す側断面図（図(a) ）および下部構造体１００の上面図（図(b) ）である。 図１に示す検出用構造体に検出素子として容量素子を組み込んだ本発明に係る力覚センサを示す側断面図（図(a) ）および下部構造体１００の下面図（図(b) ）である。 図１６に示す力覚センサの基本構成を示すブロック図である。 図１７に示す比較手段４５の具体的な処理手順を示す流れ図である。 図１６に示す力覚センサの変形例を示す側断面図（図(a) ）および下部構造体１００の下面図（図(b) ）である。 図１９に示す力覚センサにおいて、補助系統信号処理を加えた場合の基本構成を示すブロック図である。 本発明に係る力覚センサの別な実施形態に用いられる検出用構造体の側断面図（図(a) ）および下部構造体４００の下面図（図(b) ）である。 図２１に示す検出用構造体の受力部５１０に対して、力−Ｆｚおよびモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形状態を示す側断面図である。 図２１に示す検出用構造体に検出素子として容量素子を組み込んだ本発明の別な実施形態に係る力覚センサを示す側断面図（図(a) ）および下部構造体１００の下面図（図(b) ）である。 図２３に示す力覚センサにおける容量素子の配置パターンを変更した変形例を示す側断面図（図(a) ）および下部構造体１００の下面図（図(b) ）である。
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
＜＜＜ §１． 従来の一般的な力覚センサの構成 ＞＞＞
まず§１では、説明の便宜上、前掲の各特許文献等に開示されている従来の一般的な力覚センサの構造および動作を述べておく。
＜１−１．ダイアフラム部を有する検出用構造体＞
図１は、従来の一般的な力覚センサに用いられているダイアフラム部を有する検出用構造体の一例を示す図である。たとえば、前掲の特許文献１〜３に開示されている力覚センサには、図１に示す検出用構造体に類似した構造体が用いられている。
図１(a) は、この検出用構造体の側断面図である。図示の例の場合、検出用構造体は、下部構造体１００と上部構造体２００によって構成されている。図１(b) は、下部構造体１００の上面図である。下部構造体１００は、円盤の下面側に円柱状の溝Ｈを形成した構造をなし、円筒状の支持部１１０と、円形薄板状のダイアフラム部１２０とを有している。ダイアフラム部１２０の周囲は支持部１１０によって支持固定され、中央部１２５には外力が伝達される。一方、上部構造体２００は、円盤状の受力部２１０と、円柱状の力伝達部２２０とを有している。力伝達部２２０は、受力部２１０の下面の中央部とダイアフラム部１２０の上面の中央部１２５とを接続している。
下部構造体１００と上部構造体２００は、金属や樹脂などの一般的な材料によって構成することができるが、ダイアフラム部１２０は、外力の作用により弾性変形を生じる必要があるので、検出対象となる外力が作用したときに可撓性を呈する厚みに設定する。他の部分は、できるだけ剛体として作用するのが好ましいので、ダイアフラム部１２０に比べて十分に肉厚の材料によって構成すればよい。
ここで説明の便宜上、図示のとおり、ダイアフラム部１２０の中心に原点Ｏをとり、図１(a) の右方向にＸ軸、図１(a) の上方向にＺ軸、図１(b) の上方向にＹ軸をとり、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、当該座標系を用いて以下の動作説明を行うことにする。図１(a) に示されている下部構造体１００は、図１(b) に示されている下部構造体１００をＸＺ平面で切断した断面図に相当する。
結局、図示のような座標系を定義した場合、下部構造体１００は、Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面に沿って延びる薄板状のダイアフラム部によって構成された弾性変形部１２０と、この弾性変形部１２０の周囲を支持固定する環状構造体によって構成された支持部１１０と、を有する基板状の構成要素であり、上部構造体２００は、弾性変形部１２０の上方に所定距離をおいてＺ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部２１０と、この受力部２１０の下面中央と弾性変形部１２０の上面中央とをＺ軸に沿って接続する力伝達部２２０と、を有する構成要素である。
なお、図示の例は、円盤状の部材の下面側に溝Ｈを掘ることにより、下部構造体１００の上層の残存層としてダイアフラム部１２０が形成されているため、ダイアフラム部１２０はＸＹ平面に沿って延びる薄板状構造体によって構成されているが、溝Ｈは、必ずしも下面側に形成する必要はなく、上面側に形成してもよいし（この場合は、下層の残存層としてダイアフラム部が形成される）、上面側と下面側との両方に形成してもよい（この場合は、中間の残存層としてダイアフラム部が形成される）。要するに、弾性変形部１２０は、Ｚ軸を中心軸として、ＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面に沿って延びる薄板状のダイアフラム部によって構成すればよい。
また、図示の例は、下部構造体１００と上部構造体２００とを接合することにより検出用構造体を構成した例であるが、検出用構造体は、全体が一体構造をなすような構造にしてもかまわない。要するに、この力覚センサに用いる検出用構造体は、力の作用により弾性変形を生じる弾性変形部１２０と、この弾性変形部１２０を支持する支持部１１０と、検出対象となる外力を受ける受力部２１０と、この受力部２１０に加えられた外力を弾性変形部１２０の所定箇所に伝達する力伝達部２２０と、を有していればよい。
続いて、この図１に示す検出用構造体に外力が作用した場合の変形態様を説明する。ここでは、支持部１１０を固定した状態において、受力部２１０に具体的な外力成分が加わった場合の変形態様を示す。たとえば、この検出用構造体をロボットアームの関節部として用い、支持部１１０をロボットアームの上腕部に取り付け、受力部２１０を下腕部に取り付けた場合、上腕部を固定した状態において下腕部に作用した外力により、弾性変形部１２０に変形が生じることになる。
図２(a) は、受力部２１０にＺ軸負方向の並進力−Ｆｚ（図の下方への力）が加わったときの検出用構造体の変形態様を示す側断面図である。図示のとおり、力−Ｆｚが力伝達部２２０を介して弾性変形部１２０（ダイアフラム部）の中央部１２５に伝わり、弾性変形部１２０は下に凸となるように弾性変形する。逆に、Ｚ軸正方向の並進力＋Ｆｚ（図の上方への力）が加わった場合は、弾性変形部１２０は上に凸となるように弾性変形する。
一方、図２(b) は、受力部２１０にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙ（図では時計まわりのモーメント：なお、本願では、右ねじを所定の座標軸正方向に進めるための回転方向を、当該座標軸についての正まわりと定義している）が加わったときの検出用構造体の変形態様を示す側断面図である。図示のとおり、モーメント＋Ｍｙが力伝達部２２０を介して弾性変形部１２０（ダイアフラム部）の中央部１２５に伝わり、弾性変形部１２０は図示のように、右半分が下に凸、左半分が上に凸となるように弾性変形する。逆に、Ｙ軸負まわりのモーメント−Ｍｙ（図では反時計まわりのモーメント）が加わった場合は、弾性変形部１２０は、右半分が上に凸、左半分が下に凸となるように弾性変形する。なお、Ｘ軸まわりのモーメント±Ｍｘが加わったときの変形態様は、図２(b) をＹＺ平面で切断した側断面図と考えればよい。
このように、受力部２１０に様々な方向成分をもった外力が作用すると、当該外力に応じて、弾性変形部１２０には固有の変形が生じ、各部に撓みや変位が生じることになる。こうして生じた各部の撓みや変位を、検出素子によって電気信号として取り出すことにより、作用した外力を個々の方向成分ごとに検出することができる。
＜１−２．橋梁部を有する検出用構造体＞
図３は、ダイアフラム部の代わりに橋梁部を有する検出用構造体の一例を示す図である。たとえば、前掲の特許文献４に開示されている力覚センサには、図３に示す検出用構造体に類似した構造体が用いられている。
図３(a) は、この検出用構造体の側断面図である。この例の場合も、検出用構造体は、下部構造体１００′と上部構造体２００によって構成されている。ここで、図３(a) に示す上部構造体２００は、§１−１で述べた図１(a) に示す検出用構造体に用いられている上部構造体２００と全く同じ構造をもった部材である。これに対して、図３(a) に示す下部構造体１００′は、図１(a) に示す上部構造体１００とは若干異なる構造を有している。
図３(b) は、下部構造体１００′の上面図である。この下部構造体１００′は、支持部１１０と、４本の橋梁部１２１〜１２４と、中央部１２５とを有している。支持部１１０は、図１に示す支持部１１０と同様に円筒状の構成要素であり、４本の橋梁部１２１〜１２４の外側端部を支持固定する役割を果たす。中央部１２５は、図１に示す中央部１１５と同様に、中心にＺ軸が挿通する部材であり、その上面には力伝達部２２０の下端が接続されている。４本の橋梁部１２１〜１２４は、中央部１２５からＸＹ平面に沿って放射状に延びる薄板状の部材である。
図３(a) に示すように、円筒状の支持部１１０の内部には、円柱状の溝Ｈが形成されているが、図３(b) に示す４箇所の扇形開口部を通して、溝Ｈは下部構造体１００′の上方空間へと連なっている。
下部構造体１００′と上部構造体２００は、金属や樹脂などの一般的な材料によって構成することができるが、４本の橋梁部１２１〜１２４は、外力の作用により弾性変形を生じる必要があるので、検出対象となる外力が作用したときに可撓性を呈する厚みに設定する。他の部分は、できるだけ剛体として作用するのが好ましいので、４本の橋梁部１２１〜１２４に比べて十分に肉厚の材料によって構成すればよい。
ここでも説明の便宜上、図示のとおり、中央部１２５の中心に原点Ｏをとり、図３(a) の右方向にＸ軸、図３(a) の上方向にＺ軸、図３(b) の上方向にＹ軸をとり、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義し、当該座標系を用いて以下の動作説明を行うことにする。図３(a) に示されている下部構造体１００′は、図３(b) に示されている下部構造体１００′をＸＺ平面で切断した断面図に相当する。
結局、図３に示す検出用構造体は、図１に示す検出用構造体の弾性変形部１２０（ダイアフラム部）を、４本の橋梁部１２１〜１２４に置き換えたものということができ、４本の橋梁部１２１〜１２４および中央部１２５が弾性変形部１２０として機能することになる。図示の例の場合、４本の橋梁部１２１〜１２４は、ＸＹ平面の位置に配置されているが、もちろん、４本の橋梁部１２１〜１２４の位置はＸＹ平面に沿って延びる位置に限定されるものではなく、ＸＹ平面に平行な別な平面に沿って延びる位置に配置してもかまわない。また、図示の例では、４本の橋梁部１２１〜１２４が設けられているが、橋梁部は４本に限定されるものではなく、複数本であれば任意の本数にしてかまわない。各部の材質は、図１に示す検出用構造体と同様でよい。
このように、この§１−２で述べる検出用構造体の特徴は、下部構造体１００′と上部構造体２００によって構成されており、下部構造体１００′が、複数本の橋梁部からなる弾性変形部と、この弾性変形部の周囲を支持固定する環状構造体によって構成された支持部１１０と、を備えている点である。より具体的には、弾性変形部は、Ｚ軸上に位置する中央部１２５と、この中央部１２５からＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面に沿って放射状に延びる複数本の薄板状の橋梁部（この例では４本の橋梁部１２１〜１２４）と、によって構成されている。
一方、上部構造体２００は、弾性変形部（１２１〜１２５）の上方に所定距離をおいてＺ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部２１０と、この受力部２１０の下面中央と弾性変形部の中央部１２５の上面とをＺ軸に沿って接続する力伝達部２２０と、を有している。
特に、図３(b) に例示した検出用構造体の場合、弾性変形部は、中央部１２５からＸ軸正方向に向かって延びる薄板状の第１橋梁部１２１と、中央部１２５からＸ軸負方向に向かって延びる薄板状の第２橋梁部１２２と、中央部１２５からＹ軸正方向に向かって延びる薄板状の第３橋梁部１２３と、中央部１２５からＹ軸負方向に向かって延びる薄板状の第４橋梁部１２４と、を有している。このため、後述するような具体的な検出素子の配置を採用する場合に適した構造になっている。
このように、図１に示す例では、弾性変形部をダイアフラム部１２０によって構成しているのに対し、図３に示す例では、弾性変形部を複数本の橋梁部１２１〜１２４によって構成している。ダイアフラム部１２０も複数本の橋梁部１２１〜１２４も、外力の作用によって撓みを生じる点は同じであり、検出用構造体用の弾性変形部は、ダイアフラム部によって構成してもよいし、複数本の橋梁部によって構成してもよい。
本願では、便宜上、以下の説明において、検出用構造体用の弾性変形部をダイアフラム部によって構成した例を代表例として示すことにするが、これらの例におけるダイアフラム部は、適宜、複数本の橋梁部に置き換えることが可能である。
なお、図３に示す検出用構造体に外力が作用した場合の変形態様は、図２に示す変形態様と同様であるため、ここでは説明は省略する。
＜１−３．ピエゾ抵抗素子を用いた例＞
図４は、図１に示す検出用構造体に検出素子としてピエゾ抵抗素子を組み込んだ従来の力覚センサを示す図である。図４(a) は、この力覚センサをＸＺ平面で切断した状態を示す側断面図、図４(b) は、この力覚センサの下部構造体１００の上面図である。
図４(b) に示すとおり、この例の場合、弾性変形部１２０（ダイアフラム部）の上面に、４組のピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４（黒塗りの小さな長方形で示す）が配置されている。具体的には、抵抗素子Ｒ１，Ｒ２はＸ軸に沿った位置に配置され、抵抗素子Ｒ３，Ｒ４はＹ軸に沿った位置に配置されている。図４(a) の側断面図に示されているとおり、各抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、弾性変形部１２０の上面に埋め込まれているため、外力の作用により弾性変形部１２０が変形した場合、その上面の各位置に生じる撓みを電気抵抗の変化として検出することが可能である。
ここでは、説明の便宜上、図４(b) に×印で示すように、弾性変形部１２０の上面の各位置に検出点Ｐ１１〜Ｐ１４を定義する。４組の抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ検出点Ｐ１１〜Ｐ１４の位置に配置されており、検出点Ｐ１１〜Ｐ１４の位置に生じた撓みを電気抵抗の変化として検出することができる。図示の例の場合、抵抗素子Ｒ１は検出点Ｐ１１の位置に長手方向がＸ軸方向を向くように配置され、抵抗素子Ｒ２は検出点Ｐ１２の位置に長手方向がＸ軸方向を向くように配置され、抵抗素子Ｒ３は検出点Ｐ１３の位置に長手方向がＹ軸方向を向くように配置され、抵抗素子Ｒ４は検出点Ｐ１４の位置に長手方向がＹ軸方向を向くように配置されている。
図５は、図４に示す力覚センサによる力−Ｆｚおよびモーメント＋Ｍｙの検出原理を示す側断面図である。この力覚センサの場合、図５(a) に示すとおり、受力部２１０に下方への力−Ｆｚが加わると、弾性変形部１２０は下に凸となるように弾性変形する。このとき、弾性変形部１２０の上面に位置する検出点Ｐ１１，Ｐ１２には、図に白矢印で示すとおり、Ｘ軸方向に関して縮む応力が加わる。同様に、弾性変形部１２０の上面に位置する検出点Ｐ１３，Ｐ１４には、Ｙ軸方向に関して縮む応力が加わる。このため、４組の抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は減少する。逆に、上方への力＋Ｆｚが加わると、弾性変形部１２０は上に凸となるように弾性変形するので、弾性変形部１２０の上面に位置する検出点Ｐ１１〜Ｐ１４には、Ｘ軸もしくはＹ軸方向に関して伸びる応力が加わり、４組の抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は増加する。
一方、受力部２１０にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが加わると、図５(b) に示すとおり、弾性変形部１２０は、右半分が下に凸、左半分が上に凸となるように弾性変形するので、図に白矢印で示すとおり、検出点Ｐ１１にはＸ軸方向に関して縮む応力が加わり、検出点Ｐ１２にはＸ軸方向に関して伸びる応力が加わる。このため、抵抗素子Ｒ１の抵抗値は減少し、抵抗素子Ｒ２の抵抗値は増加する。このとき、抵抗素子Ｒ３，Ｒ４の抵抗値に有意な変化は生じない。
Ｙ軸負まわりのモーメント−Ｍｙが加わった場合の抵抗値の増減の態様は上記と逆になる。また、Ｘ軸まわりのモーメント±Ｍｘが加わった場合は、抵抗素子Ｒ３，Ｒ４の抵抗値が増減し、抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の抵抗値に有意な変化は生じない。以上、弾性変形部１２０の上面に各検出点Ｐ１１〜Ｐ１４を定義した場合の動作であるが、弾性変形部１２０の下面に各検出点を定義し、各ピエゾ抵抗素子を弾性変形部１２０の下面に配置した場合は、伸縮の形態が逆になるため、抵抗素子の増減も逆になる。これら各抵抗素子の増減を電気的に検出すれば、作用した外力を個々の方向成分ごとに検出することができる。
＜１−４．容量素子を用いた例＞
図６は、図１に示す検出用構造体に検出素子として容量素子を組み込んだ従来の力覚センサを示す図である。図６(a) は、この力覚センサをＸＺ平面で切断した状態を示す側断面図、図６(b) は、この力覚センサの下部構造体１００の下面図である。図１(b) や図４(b) が上面図であったのに対して、図６(b) は下部構造体１００を下方から見上げた下面図であるため、図面上、Ｙ軸の向きが逆転している。
ここに示す例の場合、図６(b) に示すとおり、弾性変形部１２０（ダイアフラム部）の下面の各位置に検出点Ｐ２１〜Ｐ２４が定義されており、これら各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４の変位を検出するために、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４が設けられている。すなわち、図６(b) に示すとおり、弾性変形部１２０の下面には、各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４の位置に、それぞれ小さな円盤状の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４が固定されている。具体的には、変位電極Ｅ２１，Ｅ２２はＸ軸に沿った位置に配置され、変位電極Ｅ２３，Ｅ２４はＹ軸に沿った位置に配置されている。
一方、図６(a) に示すとおり、円筒状の支持部１１０の内部には、円盤状の電極支持基板３００が配置されており、この電極支持基板３００の上面には、４枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４が配置されている。電極支持基板３００は、固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４を支持するための構成要素であり、その外周面は支持部１１０の内周面に接続されている。固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４と同じサイズの円盤状の電極であり、それぞれ変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４に対向する位置に配置されている。すなわち、固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４の平面的な配置は、図６(b) に示す変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４の平面的な配置と同じになる。
こうして、４枚の変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４とこれに対向する４枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４とによって、合計４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４が構成される。すなわち、容量素子Ｃ１は変位電極Ｅ２１と固定電極Ｅ１１とによって構成され、検出点Ｐ２１の変位を検出するために利用され、容量素子Ｃ２は変位電極Ｅ２２と固定電極Ｅ１２とによって構成され、検出点Ｐ２２の変位を検出するために利用され、容量素子Ｃ３は変位電極Ｅ２３と固定電極Ｅ１３とによって構成され、検出点Ｐ２３の変位を検出するために利用され、容量素子Ｃ４は変位電極Ｅ２４と固定電極Ｅ１４とによって構成され、検出点Ｐ２４の変位を検出するために利用される。図では、これら容量素子Ｃ１〜Ｃ４の符号を、各変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４の符号の近くに括弧書きで示してある。
図示の便宜上、図６(a) では、ダイアフラム部１２０の厚みと電極支持基板３００の厚みとの差があまりないように描かれているが、実際には、ダイアフラム部１２０は弾性変形部として機能するために十分に薄く、電極支持基板３００は剛体として機能するために十分に厚い。したがって、各変位電極Ｅ２１〜Ｅ２４は、ダイアフラム部１２０の変形に応じて変位するが、各固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、電極支持基板３００が変形しないため変位しない。このため、外力が作用してダイアフラム部１２０が撓むと、各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４が変位を生じ、当該変位を、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の変化として電気的に検出することができる。
図７は、図６に示す力覚センサによる力−Ｆｚおよびモーメント＋Ｍｙの検出原理を示す側断面図である。この力覚センサの場合、図７(a) に示すとおり、受力部２１０に下方への力−Ｆｚが加わると、弾性変形部１２０は下に凸となるように弾性変形する。このとき、弾性変形部１２０の下面に位置する検出点Ｐ２１，Ｐ２２は、図の下方へ変位するため、これら検出点Ｐ２１，Ｐ２２の位置に配置されている容量素子Ｃ１，Ｃ２の電極間距離は減少し、静電容量値は増加する。検出点Ｐ２３，Ｐ２４も同様に下方へ変位するため、容量素子Ｃ３，Ｃ４の電極間距離も減少し、静電容量値は増加する。すなわち、下方への力−Ｆｚの作用により、全容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極間距離が減少し、静電容量値は増加する。逆に、上方への力＋Ｆｚが加わると、全容量素子Ｃ１〜Ｃ４の電極間距離が増加し、静電容量値は減少する。
一方、受力部２１０にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが加わると、図７(b) に示すとおり、弾性変形部１２０は、右半分が下に凸、左半分が上に凸となるように弾性変形するので、容量素子Ｃ１の電極間距離は減少して静電容量値は増加するが、容量素子Ｃ２の電極間距離は増加して静電容量値は減少する。このとき、容量素子Ｃ３，Ｃ４の電極間距離は、一部では増加するが、他の一部では減少するため、静電容量値に有意な変化は生じない。
Ｙ軸負まわりのモーメント−Ｍｙが加わった場合の静電容量値の増減の態様は上記と逆になる。また、Ｘ軸まわりのモーメント±Ｍｘが加わった場合は、容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容量値が増減し、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値に有意な変化は生じない。これら各容量素子の増減を電気的に検出すれば、作用した外力を個々の方向成分ごとに検出することができる。
＜１−５．信号処理＞
これまで、§１−３においてピエゾ抵抗素子を用いた従来の力覚センサの構成を例示し、§１−４において容量素子を用いた従来の力覚センサの構成を例示した。ここでは、これらの力覚センサについて、受力部２１０に加えられた外力のＺ軸方向の力成分Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを示す検出値を出力するための信号処理を簡単に述べておく。
図８は、§１−３で述べた図４に示す力覚センサにおいて、３種類の外力成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙが作用したときの各ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値の変化を示す表および作用した外力の所定方向成分を求める演算式を示す図である。上段の表において、「＋」は抵抗値の増加を示し、「−」は抵抗値の減少を示し、「０」は抵抗値に有意な変化が生じないことを示している。各抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４について、このような抵抗値変化が生じることは、既に§１−３で述べたとおりである。
したがって、各抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値をそれぞれ同じ符号を用いてＲ１〜Ｒ４と表せば、下段に示す演算式：
Ｆｚ＝Ｋ１×（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）
Ｍｘ＝Ｋ２×（Ｒ３−Ｒ４）
Ｍｙ＝Ｋ３×（Ｒ２−Ｒ１）
に基づく演算を行うことにより、３種類の外力成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙを算出することができる。ここで、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は所定の比例係数であり、Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙを正確な力の検出値として出力するためのスケーリングファクターになる。また、用いるピエゾ抵抗素子の電気的特性が上例とは異なる場合（たとえば、縮む応力に対して抵抗値が増加し、伸びる応力に対して抵抗値が減少するような特性をもっている場合）は、必要に応じて、比例係数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３に負の値をもたせるようにすればよい。
なお、図示の演算式で算出した検出値Ｆｚは、零点が正しく設定されていないため、実際には、何ら外力が作用していないときの算出値Ｆｚが検出値０として出力されるよう零点補正を行う必要がある。検出値ＭｘやＭｙについては、差分演算値になっているので、理論上は、何ら外力が作用していないときの算出値Ｍｘ，Ｍｙは０になるはずである。
また、実用上は、上記演算処理を行う代わりに、当該演算処理に相当する信号処理を行うことも可能である。たとえば、ＭｘやＭｙの値は差分演算値として与えられるので、各抵抗素子を用いてブリッジ回路を構成し、当該ブリッジ回路のブリッジ電圧として、差分演算値に相当するアナログ信号を出力することも可能である。このような具体的な信号処理の手法は、既に公知の技術であるため、ここでは説明は省略する。
一方、図９は、§１−４で述べた図６に示す力覚センサにおいて、３種類の外力成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ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表および作用した外力の所定方向成分を求める演算式を示す図である。上段の表において、「＋」は静電容量値の増加を示し、「−」は静電容量値の減少を示し、「０」は静電容量値に有意な変化が生じないことを示している。各容量素子Ｃ１〜Ｃ４について、このような抵抗値変化が生じることは、既に§１−４で述べたとおりである。
したがって、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１〜Ｃ４と表せば、下段に示す演算式：
Ｆｚ＝−Ｋ１×（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）
Ｍｘ＝Ｋ２×（Ｃ４−Ｃ３）
Ｍｙ＝Ｋ３×（Ｃ１−Ｃ２）
に基づく演算を行うことにより、３種類の外力成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙを算出することができる。ここで、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は所定の比例係数であり、Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙを正確な力の検出値として出力するためのスケーリングファクターになる。
なお、図示の演算式で算出した検出値Ｆｚも、零点が正しく設定されていないため、実際には、何ら外力が作用していないときの算出値Ｆｚが検出値０として出力されるよう零点補正を行う必要がある。検出値ＭｘやＭｙについては、差分演算値になっているので、理論上は、何ら外力が作用していないときの算出値Ｍｘ，Ｍｙは０になるはずである。
また、実際には、各容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値Ｃ１〜Ｃ４を電気信号として取り出すには、Ｃ／Ｖ変換回路などを用いる必要があるが、そのような具体的な信号処理回路は公知であるため、ここでは説明は省略する。
結局、§１−３で述べた図４に示す力覚センサの場合は、各検出素子としてピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４を用いているため、図８の下段に示す演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行う手段を用意しておく必要があり、§１−４で述べた図６に示す力覚センサの場合は、各検出素子として容量素子Ｃ１〜Ｃ４を用いているため、図９の下段に示す演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行う手段を用意しておく必要がある。
図１０は、図４および図６に示す力覚センサにおける各検出素子Ｄ１〜Ｄ４のダイアフラム部１２０に対する配置を示す上面図である。図４に示す力覚センサの場合、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４は、ダイアフラム部１２０の上面に埋め込まれたピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４であり、図６に示す力覚センサの場合、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４は、ダイアフラム部１２０の下面に固定された変位電極とこれに対向する固定電極とによって構成される容量素子Ｃ１〜Ｃ４ということになる。図１０は、ピエゾ抵抗素子や容量素子といった素子を、一般概念としての検出素子Ｄ１〜Ｄ４として示したものであり、図に符号Ｄ１〜Ｄ４が付された４組の正方形は、このような一般概念としての検出素子Ｄ１〜Ｄ４の配置を示すものである。
ここで、第１番目の検出素子Ｄ１は第１番目の検出点Ｐ１の撓みもしくは変位を電気的に検出する素子であり、第２番目の検出素子Ｄ２は第２番目の検出点Ｐ２の撓みもしくは変位を電気的に検出する素子であり、第３番目の検出素子Ｄ３は第３番目の検出点Ｐ３の撓みもしくは変位を電気的に検出する素子であり、第４番目の検出素子Ｄ４は第４番目の検出点Ｐ４の撓みもしくは変位を電気的に検出する素子である。
この図１０に示す例のように、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４を、検出点Ｐ１〜Ｐ４の撓みもしくは変位を電気的に検出する機能をもった一般的な素子として把握した場合、作用した外力の所定方向成分を求める演算式は、図１１に示すような一般式で表現することができる。この式において、変数Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙは、受力部２１０に加えられた外力のＺ軸方向の力成分Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを示す検出値であり、変数Ｄ１〜Ｄ４は、図１０に示す各検出素子Ｄ１〜Ｄ４から得られる検出信号の値であり、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は所定の符号付き比例係数である。
ここで、比例係数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３の符号は、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４として実際にどのような検出素子を用いるか（たとえば、ピエゾ抵抗素子か容量素子か）、各検出素子Ｄ１〜Ｄ４をどこに配置するか（たとえば、ダイアフラム部の上面か下面か）、といった事情により決定される。たとえば、§１−３で述べた図４に示す力覚センサの場合は、実際には、図８の下段に示す演算式が用いられることになるが、当該演算式は、図１１に示す一般式において、変数Ｄ１〜Ｄ４を抵抗値Ｒ１〜Ｒ４に置き換え、比例係数Ｋ３を負の値に設定した式に他ならない。同様に、§１−４で述べた図６に示す力覚センサの場合は、実際には、図９の下段に示す演算式が用いられることになるが、当該演算式は、図１１に示す一般式において、変数Ｄ１〜Ｄ４を静電容量値Ｃ１〜Ｃ４に置き換え、比例係数Ｋ１，Ｋ２を負の値に設定した式に他ならない。
このように、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３を符号付きの比例係数として扱うようにすれば、いずれのケースにも図１１の一般式を適用することが可能である。そこで、以下の各実施例では、この図１１の一般式を用いた説明を行うことにするが、比例係数Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３には、個々の実施例ごとに、それぞれ適切な符号が設定されているものとする。
＜＜＜ §２． 本発明の基本的な実施形態 ＞＞＞
続いて、この§２では、本発明に係る力覚センサの基本的な実施形態を説明する。
＜２−１．本発明の基本概念＞
はじめに、従来の力覚センサの問題点とともに、本発明の基本概念を説明する。図１２は、従来の力覚センサと本発明に係る力覚センサとの基本構成の相違を示すブロック図である。
図１２(a) には、§１で述べた従来の力覚センサの基本構成がブロック図として示されている。図示のとおり、この力覚センサは、検出用構造体１０と、検出素子２０と、信号処理手段３０とを有している。検出用構造体１０は、図１や図３に例示した機械的な構造体であり、力の作用により弾性変形を生じる弾性変形部を含んでいる。既に述べたとおり、この検出用構造体１０に検出対象となる外力が作用すると、弾性変形部に変形が生じる。
検出用構造体１０内の弾性変形部には複数の検出点が定義されており、検出素子２０は、各検出点近傍の変形を電気信号として検出する機能を有する。§１では、検出素子２０として、各検出点近傍の撓みを電気信号として検出するピエゾ抵抗素子を用いた例や、各検出点近傍の変位を電気信号として検出する容量素子を用いた例を述べた。
各検出素子２０によって得られた検出信号は信号処理手段３０に与えられる。この信号処理手段３０は、各素子からの電気的な検出信号に基づいて、検出用構造体１０に作用した外力の所定方向成分を示す検出値を求め、これを最終検出値として出力する機能を有する。図１１には、４組の検出素子Ｄ１〜Ｄ４から得られる検出信号の値Ｄ１〜Ｄ４に基づいて、３種類の外力成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの検出値を算出する演算式が示されている。信号処理手段３０は、このような演算式に基づいて、外力成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ等を算出し、これを最終検出値として出力する機能を果たす。
しかしながら、このような構成をもった従来の力覚センサには、様々な要因によって異常が発生する問題があることは、既に述べたとおりである。たとえば、検出用構造体は物理的な構造体であるため、各部が機械的な損傷を受けると、正常に機能しなくなる。同様に、検出素子２０も、ピエゾ抵抗素子や容量素子といった繊細な部品を含む部品であり損傷を受けやすい。たとえば、容量素子の場合、電極間に不純物が侵入すると正常に動作しなくなってしまう。また、検出素子２０と信号処理手段３０との間には信号線の配線が不可欠であるが、この信号線が断線すると、正常な検出信号を得ることができなくなる。もちろん、信号処理手段３０を構成する電子回路に不調が生じることもある。
前述したとおり、生活支援ロボットや医療支援ロボットに利用されている力覚センサに異常が生じると、当該ロボットが誤動作することになり、人に危害が及ぶ可能性がある。特に、医療支援ロボットの制御が破綻して暴走を招くと、人命にかかわる重大事に至る可能性もある。
一般に、システムの安全性を確保する方法として、検出系や制御系を多重化して冗長性をもたせ、一方に異常が発生しても他方に正常な機能を維持させるというフォールトレランス（耐障害性）という考え方が普及している。
このような考え方に鑑みれば、図１２(b) に示すような力覚センサを構成することが可能である。この図１２(b) に示す力覚センサは、図１２(a) に示す力覚センサ２組に、更に、比較手段４０を付加することにより構成されている。すなわち、図の上段に一点鎖線で囲って示す第１のセンサＳＡおよび図の下段に一点鎖線で囲って示す第２のセンサＳＢは、いずれも図１２(a) に示す力覚センサと同じものである。検出対象となる外力は、第１のセンサＳＡの検出用構造体１０Ａに加えられるとともに、第２のセンサＳＢの検出用構造体１０Ｂにも加えられる。第１のセンサＳＡと第２のセンサＳＢとは、別個独立したセンサであり、それぞれ独立した検出値を出力する。
具体的には、第１のセンサＳＡでは、外力に基づいて検出用構造体１０Ａの各検出点近傍に生じた変形が検出素子２０Ａによって検出され、得られた検出信号を信号処理手段３０Ａによって処理することにより第１のセンサの検出値ＶＡが出力される。同様に、第２のセンサＳＢでは、同じ外力に基づいて検出用構造体１０Ｂの各検出点近傍に生じた変形が検出素子２０Ｂによって検出され、得られた検出信号を信号処理手段３０Ｂによって処理することにより第２のセンサの検出値ＶＢが出力される。
こうして、２つの独立した検出値ＶＡ，ＶＢが得られたら、比較手段４０において、これらを比較し、両者の差が所定の許容範囲内であれば、いずれか一方の検出値もしくは両者の平均値等を最終検出値として出力すればよい。もし、両者の差が所定の許容範囲を超えていた場合には、何らかのエラー出力を行うようにする。そうすれば、エラー出力がない限り、センサＳＡ，ＳＢの双方において近似した検出値が得られていることになり、最終検出値は、一応、信頼できる値として取り扱うことができる。そして万一、エラー出力がなされた場合には、ロボットの制御系は、ロボットの駆動を緊急停止するなどの非常措置をとることにより、人に危害が及ぶことを回避することができる。
しかしながら、図１２(b) に示す力覚センサには、２組の独立したセンサが含まれているため、装置全体が大型化し、製造コストが高騰することは避けられない。また、図１２(b) のブロック図には、同一の外力が２組の検出用構造体１０Ａ，１０Ｂのそれぞれに加えられている状態が示されているが、実際には、検出用構造体１０Ａ，１０Ｂはそれぞれ別個独立した物理的な構造体であるため、両者を直近に隣接配置したとしても、両センサＳＡ，ＳＢの検出対象とする外力は同一にはならない。このため、２つの独立した検出値ＶＡ，ＶＢの間には、潜在的に誤差が含まれていることになる。
そこで、本発明に係る力覚センサでは、図１２(c) のブロック図に示すような基本構成を採用している。この力覚センサの特徴は、検出用構造体については、図１２(a) に示す例と同様に単一の構造体によって構成しつつ、検出素子および信号処理手段については、図１２(b) に示す例と同様に２組設けて冗長性を確保するようにした点にある。
すなわち、検出対象となる外力は、単一の検出用構造体１０に加えられるが、この検出用構造体１０の各検出点近傍に生じた変形は、Ａ系統検出素子２５ＡとＢ系統検出素子２５Ｂとによってそれぞれ検出される。実際には、検出用構造体１０には複数ｎ個の検出点が定義され、これらｎ個の検出点近傍の撓みもしくは変位を検出するためにｎ個のＡ系統検出素子２５Ａとｎ個のＢ系統検出素子２５Ｂとが設けられる。そして、ｎ個のＡ系統検出素子２５Ａからの検出信号は、Ａ系統信号処理手段３５Ａによって処理されてＡ系統検出値Ａとして出力され、ｎ個のＢ系統検出素子２５Ｂからの検出信号は、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂによって処理されてＢ系統検出値Ｂとして出力される。
こうして、２つの独立した検出値Ａ，Ｂが得られたら、比較手段４５において、これらを比較し、両者の差が所定の許容範囲内であれば、いずれか一方の検出値もしくは両者の平均値等を最終検出値として出力すればよい。もし、両者の差が所定の許容範囲を超えていた場合には、何らかのエラー出力を行うようにする。そうすれば、エラー出力がない限り、Ａ系統とＢ系統との双方において近似した検出値が得られていることになり、最終検出値は、一応、信頼できる値として取り扱うことができる。そして万一、エラー出力がなされた場合には、ロボットの制御系は、ロボットの駆動を緊急停止するなどの非常措置をとることにより、人に危害が及ぶことを回避することができる。
このように、図１２(c) に示す本発明に係る力覚センサでは、Ａ系統とＢ系統との２つの系統を経ることにより、Ａ系統検出値ＡおよびＢ系統検出値Ｂという２通りの検出値を得ることができるので、比較手段４５において両者を比較することにより、両者の差分が所定の許容値を超えていた場合にエラーを出力して、何らかの異常が生じていることを外部に報知することができる。
しかも、検出用構造体１０の部分は単一の構造体によって構成されているため、装置全体の大きさは、図１２(a) に示す力覚センサとほぼ同じになる。検出素子および信号処理手段の部分は２系統を用意する必要があるが、製造プロセスは１系統分でも２系統分でも大差はなく、製造コストも図１２(a) に示す力覚センサの製造コストを若干上回る程度に抑えることができる。もちろん、検出用構造体１０の部分は単一であるため、Ａ系統検出値ＡおよびＢ系統検出値Ｂは、同一の外力を検出対象とした検出値ということになる。
結局、本発明に係る力覚センサは、図１２(c) にブロック図として示すとおり、検出用構造体１０と、ｎ個のＡ系統検出素子２５Ａと、ｎ個のＢ系統検出素子２５Ｂと、Ａ系統信号処理手段３５Ａと、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂと、比較手段４５と、を備え、検出用構造体１０に作用した外力の所定方向成分を最終検出値として出力するとともに、比較手段４５によって異常が生じていると認識された場合には、エラーを出力して外部に報知する機能を有している。
ここで、検出用構造体１０は、§１で述べた従来の力覚センサに用いられていた検出用構造体と同様に、力の作用により弾性変形を生じる弾性変形部１２０と、この弾性変形部１２０を支持する支持部１１０と、検出対象となる外力を受ける受力部２１０と、この受力部２１０に加えられた外力を弾性変形部１２０の所定箇所に伝達する力伝達部２２０と、を有している。そして、弾性変形部１２０の所定位置には、複数ｎ個の検出点が定義される。
ｎ個のＡ系統検出素子２５Ａは、この複数ｎ個の検出点の、第１の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出する検出素子であり、ｎ個のＢ系統検出素子２５Ｂは、この複数ｎ個の検出点の、第１の近傍部分とは異なる第２の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出する検出素子である。
ここで、任意のｉ（１≦ｉ≦ｎ）に着目すると、第ｉ番目のＡ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第１の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第ｉ番目のＢ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第２の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する役割を果たす。たとえば、第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の第１の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の第２の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する。
一方、Ａ系統信号処理手段３５Ａは、ｎ個のＡ系統検出素子２５Ａによって検出された電気的な検出信号に基づいて、受力部２１０に加えられた外力の所定方向成分を示すＡ系統検出値Ａを出力する。同様に、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂは、ｎ個のＢ系統検出素子２５Ｂによって検出された電気的な検出信号に基づいて、受力部２１０に加えられた外力の所定方向成分を示すＢ系統検出値Ｂを出力する。
そして、比較手段４５は、Ａ系統検出値ＡとＢ系統検出値Ｂとを比較し、両者の差分ｄを求め、Ａ系統検出値ＡもしくはＢ系統検出値Ｂまたはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値（たとえば、両者の平均値）を最終検出値として出力するとともに、当該差分ｄが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力する機能を有している。
この差分エラーは、Ａ系統検出値ＡとＢ系統検出値Ｂとの間に、所定の許容値Ｔを超える齟齬が生じていることを示すものであり、力覚センサに何らかの異常が生じていることを示す信号になる。このように、本発明に係る力覚センサには、上記異常が生じた場合に、これを差分エラーとして外部に報知する機能が備わっているため、ロボットなどに組み込んで利用した場合、ロボットの制御装置に異常発生を認識させることができ、ロボットの誤動作により人に危害が及ぶことを防止することができる。
図１２(c) に示す本発明の構成を、図１２(b) に示す構成と比べると、検出用構造体１０について冗長性をもたせる対策が省かれているため、検出用構造体１０に物理的な損傷が生じてしまうと、正しい検出値を出力することができなくなってしまう。しかしながら、一般に、検出用構造体１０の耐久性は、検出素子２０や信号処理手段３０の耐久性よりも高いため、図１２(c) に示すように、検出素子２０や信号処理手段３０の部分について冗長性をもたせる対策をとっても、力覚センサの信頼性を十分に向上させることができる。
後の実施例で述べるとおり、比較手段４５には、Ａ系統検出値ＡとＢ系統検出値Ｂのうち、より適切な方（信頼性の高い方）を選択的に出力する機能をもたせることが可能である。したがって、図１２(c) に示すように、検出素子や信号処理手段の部分について冗長性をもたせ、Ａ系統とＢ系統とを別個独立させておくようにすれば、一方の系統に故障が生じても、他方の系統の検出値を最終検出値として出力することができ、信頼性を向上させることができる。
特に、検出素子については、実環境での使用により、信号線の断線や異物の混入による不良が生じやすい、たとえば、容量素子を用いた場合、各電極への配線の損傷や、対向する電極間への不純物の混入があると、正常に動作することができなくなる。また、高湿度環境で使用した場合は、結露や微浸水により静電容量値は大きく変動してしまうため、出力される静電容量値は、正しい電極間距離に対応したものにはならなくなる。本発明に係る力覚センサでは、検出素子および信号処理手段の部分を多重化しているため、このような問題を解決し、一方の系統に故障が生じても、他方の系統の検出値を最終検出値として出力することにより信頼性を向上させることができる。
＜２−２．具体的な検出素子の配置および信号処理＞
続いて、本発明に係る力覚センサにおける検出素子の具体的な配置例と当該検出素子から得られる検出信号についての具体的な信号処理の方法を示す。
前述した§１では、図１０を参照して、従来の一般的な力覚センサにおける各検出素子Ｄ１〜Ｄ４のダイアフラム部１２０に対する配置を説明した。図１３は、この図１０に示す従来例と対比させて、本発明に係る力覚センサにおける各検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ，Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂの配置例を示す上面図である。
図１０に示す従来例の場合、ダイアフラム部１２０の所定箇所に４個の検出点Ｐ１〜Ｐ４が定義され、当該検出点Ｐ１〜Ｐ４の位置におけるダイアフラム部１２０の撓みもしくは変位を検出するために、４組の検出素子Ｄ１〜Ｄ４（実際には、ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４や容量素子Ｃ１〜Ｃ４）が配置されている。前述したように、図に符号Ｄ１〜Ｄ４が付された４組の正方形は、一般概念としての検出素子Ｄ１〜Ｄ４の配置を示すものである。
これに対して、図１３に示す本発明に係る例の場合、ダイアフラム部１２０の所定箇所に４個の検出点Ｐ１〜Ｐ４が定義されている点は同じであるが、４組の検出素子Ｄ１〜Ｄ４の代わりに８組の検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ，Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂが配置されている。ここでも、図に符号Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ，Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂが付された８組の矩形は、一般概念としての検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ，Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂの配置を図形のシンボルを用いて示すものであり、実際の物理的形状を示しているわけではない。実際には、これら８組の検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ，Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂは、所定の形状をもったピエゾ抵抗素子や容量素子によって構成される。
この図１３に示す例の場合、ＸＹ平面（もしくはＸＹ平面に平行な任意の平面でもよい）上に検出基準面を定義し、この検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円Ｇ１（図では一点鎖線の円で示す）を描くと、４個の検出点Ｐ１〜Ｐ４は、いずれも検出基準円Ｇ１上に位置している。別言すれば、４個の検出点Ｐ１〜Ｐ４は、いずれもＺ軸から等距離の位置に配置されている。
もちろん、本発明を実施する上で、ｎ個の検出点は任意の位置に定義してかまわないが、実用上は、図示のように、ｎ個の検出点がいずれもＺ軸から等距離の位置にくるように、別言すれば、ＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面上に検出基準面を定義し、この検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円Ｇ１を描いたときに、ｎ個の検出点がすべてこの検出基準円Ｇ１上に配置されているようにするのが好ましい。これは、そのような対称性をもった配置を採用することにより、各検出素子から得られる検出信号の値にも対称性が見られるようになり、信号処理手段による信号処理（演算処理）を単純化できるためである。
いま、検出点Ｐ１〜Ｐ４について、Ｚ軸から遠い側を外側、Ｚ軸に近い側を内側と呼ぶことにすると、図１３に示されている８組の検出素子のうち、符号末尾にＡが付されている４組の検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａは、検出点Ｐ１〜Ｐ４の外側に配置されており、符号末尾にＢが付されている４組の検出素子Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂは、検出点Ｐ１〜Ｐ４の内側に配置されていることがわかる。ここで、外側に配置されている４組の検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａは、図１２(c) に示すＡ系統検出素子に相当し、内側に配置されている４組の検出素子Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂは、図１２(c) に示すＢ系統検出素子に相当する。
第１番目のＡ系統検出素子Ｄ１Ａは、第１番目の検出点Ｐ１の外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第１番目のＢ系統検出素子Ｄ１Ｂは、第１番目の検出点Ｐ１の内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する。
図１０に示す従来例の場合、検出点Ｐ１の位置の撓みもしくは変位を検出する役割を果たす素子は、検出素子Ｄ１のみであるため、検出素子Ｄ１を検出点Ｐ１の直上に配置することが可能である。これに対して、図１３に示す本発明に係る例の場合、検出点Ｐ１の位置の撓みもしくは変位を検出する役割を果たす素子として、Ａ系統検出素子Ｄ１ＡとＢ系統検出素子Ｄ１Ｂとを設ける必要がある。このため、図１３に示す実施例の場合、Ａ系統検出素子Ｄ１Ａについては、検出点Ｐ１から若干外れるが、その外側近傍位置に配置し、Ｂ系統検出素子Ｄ１Ｂについては、やはり検出点Ｐ１から若干外れるが、その内側近傍位置に配置する、という配置方法を採用している。
したがって、Ａ系統検出素子Ｄ１ＡおよびＢ系統検出素子Ｄ１Ｂは、いずれも検出点Ｐ１の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する素子として機能することになるが、厳密に言えば、Ａ系統検出素子Ｄ１Ａは検出点Ｐ１の外側近傍部分、Ｂ系統検出素子Ｄ１Ｂは検出点Ｐ１の内側近傍部分についての検出を行うため、両者から得られる検出信号の値は完全には一致しない。
同様に、第２番目のＡ系統検出素子Ｄ２Ａは、第２番目の検出点Ｐ２の外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第２番目のＢ系統検出素子Ｄ２Ｂは、第２番目の検出点Ｐ２の内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する。また、第３番目のＡ系統検出素子Ｄ３Ａは、第３番目の検出点Ｐ３の外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第３番目のＢ系統検出素子Ｄ３Ｂは、第３番目の検出点Ｐ３の内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する。そして、第４番目のＡ系統検出素子Ｄ４Ａは、第４番目の検出点Ｐ４の外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第４番目のＢ系統検出素子Ｄ４Ｂは、第４番目の検出点Ｐ４の内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出する。
なお、図１３では、ｎ＝４に設定することにより、４個の検出点Ｐ１〜Ｐ４を定義し、各検出点Ｐ１〜Ｐ４の外側に４組のＡ系統検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａを配置し、各検出点Ｐ１〜Ｐ４の内側に４組のＢ系統検出素子Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂを配置した例を示してあるが、一般論として、複数ｎ個の検出点を定義した場合、任意のｉ（１≦ｉ≦ｎ）について、第ｉ番目のＡ系統検出素子ＤｉＡは、第ｉ番目の検出点Ｐｉの外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第ｉ番目のＢ系統検出素子ＤｉＢは、第ｉ番目の検出点Ｐｉの内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出するようにすればよい。そうするには、第ｉ番目のＡ系統検出素子ＤｉＡを、第ｉ番目の検出点Ｐｉの外側に配置し、第ｉ番目のＢ系統検出素子ＤｉＢを、第ｉ番目の検出点Ｐｉの内側に配置すればよい。
ここで、Ｘ軸上に配置された検出素子Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂ，Ｄ２Ｂ，Ｄ２Ａが、それぞれＸ軸方向に伸びるピエゾ抵抗素子であり、Ｙ軸上に配置された検出素子Ｄ３Ａ，Ｄ３Ｂ，Ｄ４Ｂ，Ｄ４Ａが、それぞれＹ軸方向に伸びるピエゾ抵抗素子であるとすると、これら各検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ，Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂから得られる検出信号の変化を示す表は、図１４(a) ，(b) に示すようになる。
図１４(a) は、３種類の外力成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙが作用したときの各Ａ系統検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａの抵抗値の変化を示し、図１４(b) は、各Ｂ系統検出素子Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂの抵抗値の変化を示す。具体的には、「＋」は抵抗値の増加を示し、「−」は抵抗値の減少を示し、「０」は抵抗値に有意な変化が生じないことを示している。図１４(a) ，(b) に示す表は、図８に示す表と全く同じであり、各検出素子がピエゾ抵抗素子である場合に、このような結果が得られることは、既に§１で説明したとおりである。
ここで、Ａ系統検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａによって検出された抵抗値を、同じ符号を用いてＤ１Ａ〜Ｄ４Ａと表し、これらの抵抗値から算出された３種類の外力成分をＦｚＡ，ＭｘＡ，ＭｙＡと表すことにすれば、各外力成分は、図１４(a) の下段に示すように、所定の比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｄ１Ａ＋Ｄ２Ａ＋Ｄ３Ａ＋Ｄ４Ａ）
ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｄ３Ａ−Ｄ４Ａ）
ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｄ１Ａ−Ｄ２Ａ）
なる演算式に基づく演算によって算出することができる（Ｋ３Ａは負の係数になる）。
同様に、Ｂ系統検出素子Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂによって検出された抵抗値を、同じ符号を用いてＤ１Ｂ〜Ｄ４Ｂと表し、これらの抵抗値から算出された３種類の外力成分をＦｚＢ，ＭｘＢ，ＭｙＢと表すことにすれば、各外力成分は、図１４(b) の下段に示すように、所定の比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｄ１Ｂ＋Ｄ２Ｂ＋Ｄ３Ｂ＋Ｄ４Ｂ）
ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｄ３Ｂ−Ｄ４Ｂ）
ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｄ１Ｂ−Ｄ２Ｂ）
なる演算式に基づく演算によって算出することができる（Ｋ３Ｂは負の係数になる）。
上記各演算式は、図１１に示す一般式に対応するものであり、各比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａ，Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂは、いずれも符号付きの比例係数であり、各検出値についてのスケーリングファクターとしての役割を果たすとともに、各検出値の正負の符号を正しいものにする役割も果たす。
もちろん、各検出素子をダイアフラム部１２０の上面に配置するか下面に配置するかといった条件や、各検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いるか容量素子を用いるかといった条件により、各比例係数の符号は変わることになる。
また、Ａ系統検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａは各検出点Ｐ１〜Ｐ４の外側に配置されており、Ｂ系統検出素子Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂは各検出点Ｐ１〜Ｐ４の内側に配置されているため、各検出素子から得られる検出信号の値の絶対値は、Ａ系統とＢ系統とで異なることになるが、スケーリングファクターとしての役割を果たす比例係数の値を適切に設定すれば、Ａ系統検出値ＡとＢ系統検出値Ｂとを等しくすることができる。
たとえば、検出構造体にＺ軸負方向への外力−Ｆｚが加わった場合、ダイアフラム部１２０は図５(a) に示すように変形するので、各検出点Ｐ１〜Ｐ４をダイアフラム部１２０の上面に定義した場合、各検出点Ｐ１〜Ｐ４の近傍には、いずれも半径方向への圧縮力が作用し、図１４(a) ，(b) の表の「−Ｆｚ」欄に「−」が示されているとおり、ピエゾ抵抗素子からなる８組の検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ，Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂの抵抗値はいずれも減少する。しかしながら、各検出点Ｐ１〜Ｐ４の外側に配置されたＡ系統検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａと、内側に配置されたＢ系統検出素子Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂとでは、減少量の絶対値は異なってくる。
すなわち、外力が何ら作用しない状態において、８組の検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ，Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂの抵抗値がすべて同一になるようにしておいても、外力−Ｆｚが加わった時点において、Ａ系統検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａの抵抗値とＢ系統検出素子Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂとの間には差が生じることになる。その結果、Ａ系統検出素子の抵抗値の和「Ｄ１Ａ＋Ｄ２Ａ＋Ｄ３Ａ＋Ｄ４Ａ」とＢ系統検出素子の抵抗値の和「Ｄ１Ｂ＋Ｄ２Ｂ＋Ｄ３Ｂ＋Ｄ４Ｂ」とは等しくならない。
それでも、比例係数Ｋ１ＡとＫ１Ｂとをそれぞれ適切な値に設定しておけば、
ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｄ１Ａ＋Ｄ２Ａ＋Ｄ３Ａ＋Ｄ４Ａ）
ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｄ１Ｂ＋Ｄ２Ｂ＋Ｄ３Ｂ＋Ｄ４Ｂ）
なる２つの演算式によって算出される検出値ＦｚＡ，ＦｚＢが、互いに等しくなるような調整が可能である。
各比例定数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａ，Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂの適切な値は、用いる検出用構造体１０の形状、材質、各部の寸法、各検出素子の位置、各検出素子の検出特性などに応じて決定されるため、具体的な力覚センサを用いた試験を経て、最適値を設定すればよい。
各比例定数を最適値に設定しておけば、図１２(c) に示すＡ系統信号処理手段３５Ａから出力されるＡ系統検出値Ａ（具体的には、上述した演算式で算出されたＦｚＡ，ＭｘＡ，ＭｙＡ）と、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂから出力されるＢ系統検出値Ｂ（具体的には、上述した演算式で算出されたＦｚＢ，ＭｘＢ，ＭｙＢ）とは、理論的には等しくなる。
そこで、比較手段４５において、Ａ系統検出値ＡとＢ系統検出値Ｂとを比較し、両者の差分ｄを求め、Ａ系統検出値ＡもしくはＢ系統検出値Ｂまたはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値（たとえば、両者の平均値）を最終検出値（上例の場合、Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの３軸成分の検出値）として出力するとともに、当該差分ｄが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力するようにする。この力覚センサが正常に動作していれば、差分ｄは許容値Ｔ内に収まると考えられるので、比較手段４５から差分エラーが出力されない限り、最終検出値は信頼性の高い値として取り扱うことができる。
なお、上例のように、３軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙを検出する機能をもった力覚センサの場合、差分ｄは、これら３軸成分のそれぞれについて求めるようにする。すなわち、
ｄ（Ｆｚ）＝絶対値（ＦｚＡ−ＦｚＢ）
ｄ（Ｍｘ）＝絶対値（ＭｘＡ−ＭｘＢ）
ｄ（Ｍｙ）＝絶対値（ＭｙＡ−ＭｙＢ）
なる式に基づいて、各軸成分の差分ｄ（Ｆｚ），ｄ（Ｍｘ），ｄ（Ｍｙ）を求め、これらが許容値Ｔを超えているか否かを判定する。許容値Ｔとしては、３軸共通の値を用いてもよいし、必要であれば、差分ｄ（Ｆｚ）用の許容値Ｔ（Ｆｚ）、差分ｄ（Ｍｘ）用の許容値Ｔ（Ｍｘ）、差分ｄ（Ｍｙ）用の許容値Ｔ（Ｍｙ）をそれぞれ設定しておいてもよい。
３軸成分のそれぞれについて別個に差分を求めるようにすると、たとえば、Error（Ｆｚ），Error（Ｍｘ），Error（Ｍｙ）のように、３軸成分のそれぞれについて別個に差分エラーを出力することができる。この場合、差分エラーが出力された場合の各検出値の取り扱いについては、当該力覚センサが組み込まれたロボット等の制御装置の運用方針に委ねるようにすればよい。たとえば、３軸成分の最終検出値Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙとともに、Error（Ｆｚ）のみが出力された場合、差分エラーが出力されていないＭｘ，Ｍｙについては正常と認識した取り扱いを行うようにしてもよいが、Ｆｚについて差分エラーが出力された以上、安全を期して、すべての検出値を異常とする取り扱いを行うようにしてもよい。
もちろん、比較手段４５からは単一の差分エラーのみを出力するようにしてもよい。この場合、各軸成分の差分ｄ（Ｆｚ），ｄ（Ｍｘ），ｄ（Ｍｙ）のいずれか１つでも許容値を超えていた場合には、共通の差分エラーが出力されることになる。
なお、ここに示す実施例の場合、比較手段４５は、差分エラーの出力と最終検出値の出力とを別個独立して行う運用を採用しているため、差分エラーの出力の有無にかかわらず、常に何らかの最終検出値（３軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの検出値）が出力される。別言すれば、差分エラーが出力されている場合にも、信頼性に劣る最終検出値の出力がそのまま継続して行われることになる。これは、信頼性に劣る最終検出値であっても、その取り扱い方法については、ロボット等の制御装置側の方針に委ねるという設計思想に基づくものである。もちろん、必要に応じて、差分エラーが出力された場合には、最終検出値の出力を控える（たとえば、０を示す検出値を出力する）という設計を行うことも可能である。
＜２−３．ピエゾ抵抗素子を用いた実施例＞
続いて、検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いた実施例を述べる。図１５は、図１に示す検出用構造体に検出素子としてピエゾ抵抗素子を組み込んだ本発明に係る力覚センサを示す図である。ここで、図１５(a) は、この力覚センサをＸＺ平面で切断した側断面図であり、図１５(b) は、この力覚センサの下部構造体１００の上面図である。
§１−３では、図４を参照しながら、検出素子としてピエゾ抵抗素子を用いた従来の力覚センサの一例の構造および動作を説明した。図１５に示す本発明に係る力覚センサの基本構造および基本的動作は、図４に示す従来の力覚センサの基本構造および基本的動作に準じたものになる。そこで、以下、図４に示す従来の力覚センサと対比しながら、図１５に示す本発明に係る力覚センサについての説明を行う。
まず、検出用構造体の部分については、両者間に相違はない。すなわち、図１５に示す力覚センサに用いられている検出用構造体は、下部構造体１００と上部構造体２００とによって構成され、弾性変形部１２０として、薄板状のダイアフラム部が用いられている。また、この図１５においても、説明の便宜上、ダイアフラム部１２０の中心を原点Ｏとして、図示のようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。そして、下部構造体１００の上面（ダイアフラム部１２０の上面）を検出基準面と呼ぶことにする。この検出基準面は、複数ｎ個の検出点を配置するための平面であり、ＸＹ平面を検出基準面としてもよいが、図示の実施例の場合は、各ピエゾ抵抗素子がダイアフラム部１２０の上面に埋め込まれているため、便宜上、ダイアフラム部１２０の上面（ＸＹ平面に平行な平面）を検出基準面に設定することにする。
図１５(b) に示すように、この検出基準面上に、Ｚ軸を中心とした検出基準円Ｇ１（図では一点鎖線の円で示す）を描くと、４個の検出点Ｐ１１〜Ｐ１４は、いずれも検出基準円Ｇ１上に位置している。別言すれば、４個の検出点Ｐ１１〜Ｐ１４は、いずれも下部構造体１００の上面におけるＺ軸から等距離（検出基準円Ｇ１の半径）の位置に配置されている。しかも、検出点Ｐ１１，Ｐ１２はＸ軸に沿った直線上に配置され、検出点Ｐ１３，Ｐ１４はＹ軸に沿った直線上に配置されている。このような幾何学的な構成は、各検出素子の配置に対称性を生み、検出信号の値にも対称性が得られることになるので、信号処理手段による信号処理を単純化できるメリットがある。
ここで述べるピエゾ抵抗素子を用いた実施例の特徴は、ダイアフラム部１２０に複数ｎ個の検出点を定義し、このうちの第ｉ番目の検出点Ｐｉ（ｉは、１≦ｉ≦ｎを満足する任意の整数）の近傍に、第ｉ番目のＡ系統検出素子ＤｉＡを構成するピエゾ抵抗素子と、第ｉ番目のＢ系統検出素子ＤｉＢを構成するピエゾ抵抗素子という２組のピエゾ抵抗素子を配置した点にある。ここで、第ｉ番目のＡ系統検出素子ＤｉＡは、第ｉ番目の検出点Ｐｉの第１の近傍部分に配置されたピエゾ抵抗素子によって構成され、当該近傍部分に生じた撓みを電気抵抗値の変化として示す検出信号を出力し、第ｉ番目のＢ系統検出素子ＤｉＢは、第ｉ番目の検出点Ｐｉの第２の近傍部分に配置されたピエゾ抵抗素子によって構成され、当該近傍部分に生じた撓みを電気抵抗値の変化として示す検出信号を出力する。
図１５に示す具体的な実施例は、ｎ＝４に設定した例であり、説明の便宜上、上述したように、ダイアフラム部１２０の上面に検出基準面を定義し、Ｘ軸およびＹ軸をこの検出基準面に投影して得られるＸ軸投影像およびＹ軸投影像を定義すれば、次のような構成を有している。まず、ｎ＝４に設定しているため、検出基準面上には４個の検出点が定義されている。ここで、図１５(b) に示すように、検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円Ｇ１を描けば、第１番目の検出点Ｐ１１は正のＸ軸投影像と検出基準円Ｇ１との交点に位置し、第２番目の検出点Ｐ１２は負のＸ軸投影像と検出基準円Ｇ１との交点に位置し、第３番目の検出点Ｐ１３は正のＹ軸投影像と検出基準円Ｇ１との交点に位置し、第４番目の検出点Ｐ１４は負のＹ軸投影像と検出基準円Ｇ１との交点に位置している。
そして、各検出点Ｐ１１〜Ｐ１４について、Ｚ軸から遠い側を外側、Ｚ軸に近い側を内側と呼べば、各検出点Ｐ１１〜Ｐ１４の遠近両側の近傍部分の撓みを検出するために、４組のＡ系統検出素子と４組のＢ系統検出素子とが設けられており、これら全８組の検出素子からの検出信号に基づいて、３軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの検出が行われることになる。
具体的には、まず、第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ１１の外側にＸ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ１Ａからなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ１１の内側にＸ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ１Ｂからなる。同様に、第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ１２の外側にＸ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ２Ａからなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ１２の内側にＸ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ２Ｂからなる。これらの各ピエゾ抵抗素子Ｒ１Ａ，Ｒ１Ｂ，Ｒ２Ｂ，Ｒ２Ａは、いずれもその長手方向（抵抗素子としての方向）がＸ軸に沿った向きなるように配置されている。
また、第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ１３の外側にＹ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ３Ａからなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ１３の内側にＹ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ３Ｂからなる。更に、第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ１４の外側にＹ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ４Ａからなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ１４の内側にＹ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ４Ｂからなる。これらの各ピエゾ抵抗素子Ｒ３Ａ，Ｒ３Ｂ，Ｒ４Ｂ，Ｒ４Ａは、いずれもその長手方向（抵抗素子としての方向）がＹ軸に沿った向きなるように配置されている。
なお、図１５に示す実施例の場合、ダイアフラム部１２０の上面を検出基準面とし、各検出点Ｐ１１〜Ｐ１４をダイアフラム部１２０の上面に配置し、各ピエゾ抵抗素子をダイアフラム部１２０の上面に埋め込むようにしているが、ダイアフラム部１２０の下面を検出基準面とし、各検出点Ｐ１１〜Ｐ１４をダイアフラム部１２０の下面に配置し、各ピエゾ抵抗素子をダイアフラム部１２０の下面に埋め込むようにしてもかまわない。いずれの場合も、各ピエゾ抵抗素子は、埋め込まれた位置に生じた撓みを電気抵抗値の変化として出力する。具体的には、図１５に示す実施例の場合、３軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの作用により、図１４(a) ，(b) の表に示すような抵抗値変化が生じることになる。
そこで、図１２(c) に示すように、Ａ系統信号処理手段３５ＡとＢ系統信号処理手段３５Ｂとを設けておけば、８組の検出素子からの検出信号に基づく演算により、３軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙを最終検出値として出力することができる。
具体的には、８組のピエゾ抵抗素子Ｒ１Ａ〜Ｒ４Ａ，Ｒ１Ｂ〜Ｒ４Ｂの抵抗値をそれぞれ同じ符号を用いてＲ１Ａ〜Ｒ４Ａ，Ｒ１Ｂ〜Ｒ４Ｂと表せば、
Ａ系統信号処理手段３５Ａは、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｒ１Ａ＋Ｒ２Ａ＋Ｒ３Ａ＋Ｒ４Ａ）
ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｒ３Ａ−Ｒ４Ａ）
ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｒ１Ａ−Ｒ２Ａ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＡ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＡ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＡを示すＡ系統検出値Ａを出力することができる。
一方、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂは、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｒ１Ｂ＋Ｒ２Ｂ＋Ｒ３Ｂ＋Ｒ４Ｂ）
ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｒ３Ｂ−Ｒ４Ｂ）
ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｒ１Ｂ−Ｒ２Ｂ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＢ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＢ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＢを示すＢ系統検出値Ｂを出力することができる。
そこで比較手段４５は、既に述べたとおり、Ａ系統検出値ＡとＢ系統検出値Ｂとを比較し、両者の差分ｄを求め、Ａ系統検出値ＡもしくはＢ系統検出値Ｂまたはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値（たとえば、両者の平均値）を最終検出値Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙとして出力するとともに、当該差分ｄが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力する。
前述したとおり、本発明を実施する上では、すべての検出点が検出基準円Ｇ１上に配置されているようにするのが好ましい。これは、すべての検出点を検出基準円Ｇ１上に配置することにより、各検出素子の配置に対称性が得られるようになり、検出信号の値にも対称性が得られ、信号処理手段による信号処理を単純化できるためである。
たとえば、上例の場合、ピエゾ抵抗素子Ｒ１Ａ，Ｒ２Ａは、ＹＺ平面に関して対称性を有しており、ピエゾ抵抗素子Ｒ３Ａ，Ｒ４Ａは、ＸＺ平面に関して対称性を有している。このため、何ら外力が作用していない状態では、
ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｒ３Ａ−Ｒ４Ａ）
ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｒ１Ａ−Ｒ２Ａ）
なる演算結果はいずれも０になるので、ＭｘＡおよびＭｙＡの出力についての零点補正処理を省略することができる。
同様に、上例の場合、ピエゾ抵抗素子Ｒ１Ｂ，Ｒ２Ｂは、ＹＺ平面に関して対称性を有しており、ピエゾ抵抗素子Ｒ３Ｂ，Ｒ４Ｂは、ＸＺ平面に関して対称性を有している。このため、何ら外力が作用していない状態では、
ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｒ３Ｂ−Ｒ４Ｂ）
ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｒ１Ｂ−Ｒ２Ｂ）
なる演算結果はいずれも０になるので、ＭｘＢおよびＭｙＢの出力についての零点補正処理も省略することができる。
＜２−４．容量素子を用いた実施例＞
続いて、検出素子として容量素子を用いた実施例を述べる。図１６は、図１に示す検出用構造体に検出素子として容量素子を組み込んだ本発明に係る力覚センサを示す図である。ここで、図１６(a) は、この力覚センサをＸＺ平面で切断した側断面図であり、図１６(b) は、この力覚センサの下部構造体１００の下面図である（下から見上げた図であるため、Ｙ軸は下方を向いている）。
§１−４では、図６を参照しながら、検出素子として容量素子を用いた従来の力覚センサの一例の構造および動作を説明した。図１６に示す本発明に係る力覚センサの基本構造および基本的動作は、図６に示す従来の力覚センサの基本構造および基本的動作に準じたものになる。そこで、以下、図６に示す従来の力覚センサと対比しながら、図１６に示す本発明に係る力覚センサについての説明を行う。
まず、検出用構造体の部分については、両者間に相違はない。すなわち、図１６に示す力覚センサに用いられている検出用構造体は、下部構造体１００と上部構造体２００とによって構成され、弾性変形部１２０として、薄板状のダイアフラム部が用いられている。また、この図１６においても、説明の便宜上、ダイアフラム部１２０の中心を原点Ｏとして、図示のようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。そして、ダイアフラム部１２０の下面を検出基準面と呼ぶことにする。この検出基準面は、複数ｎ個の検出点を配置するための平面であり、ダイアフラム部１２０の上面やＸＹ平面を検出基準面としてもよいが、ダイアフラム部１２０の下方に変位電極が配置される関係上、ここでは、ダイアフラム部１２０の下面（ＸＹ平面に平行な平面）を検出基準面に設定する。
図１６(b) に示すように、ここでも検出基準面上に、Ｚ軸を中心とした検出基準円Ｇ１（図では一点鎖線の円で示す）を描くと、４個の検出点Ｐ２１〜Ｐ２４は、いずれも検出基準円Ｇ１上に位置している。別言すれば、４個の検出点Ｐ２１〜Ｐ２４は、いずれもダイアフラム部１２０の下面におけるＺ軸から等距離（検出基準円Ｇ１の半径）の位置に配置されている。しかも、検出点Ｐ２１，Ｐ２２はＸ軸に沿った直線上に配置され、検出点Ｐ２３，Ｐ２４はＹ軸に沿った直線上に配置されている。このような幾何学的な構成は、前述したとおり、各検出素子の配置に対称性を生み、検出信号の値にも対称性が得られることになるので、信号処理手段による信号処理を単純化できるメリットがある。
ここで述べる容量素子を用いた実施例の特徴は、ダイアフラム部１２０に複数ｎ個の検出点を定義し、このうちの第ｉ番目の検出点Ｐｉ（ｉは、１≦ｉ≦ｎを満足する任意の整数）の近傍に、第ｉ番目のＡ系統検出素子ＤｉＡを構成する容量素子と、第ｉ番目のＢ系統検出素子ＤｉＢを構成する容量素子という２組の容量素子を配置した点にある。
図１６に示す具体的な実施例は、ｎ＝４に設定した例であり、上述したように、ダイアフラム部１２０の下面に検出基準面を定義し、Ｘ軸およびＹ軸をこの検出基準面に投影して得られるＸ軸投影像およびＹ軸投影像を定義し、検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円Ｇ１を描けば、第１番目の検出点Ｐ２１は正のＸ軸投影像と検出基準円Ｇ１との交点に位置し、第２番目の検出点Ｐ２２は負のＸ軸投影像と検出基準円Ｇ１との交点に位置し、第３番目の検出点Ｐ２３は正のＹ軸投影像と検出基準円Ｇ１との交点に位置し、第４番目の検出点Ｐ２４は負のＹ軸投影像と検出基準円Ｇ１との交点に位置している。
そして、ダイアフラム部１２０の下面には、図１６(b) に示すように、８枚の半円状の変位電極Ｅ２１Ａ，Ｅ２１Ｂ，Ｅ２２Ａ，Ｅ２２Ｂ，Ｅ２３Ａ，Ｅ２３Ｂ，Ｅ２４Ａ，Ｅ２４Ｂが配置されており、これら８枚の変位電極に対向するように、支持基板３００（外周部が支持部１１０の内周面に固定された円盤状の基板）上に、８枚の半円状の固定電極Ｅ１１Ａ，Ｅ１１Ｂ，Ｅ１２Ａ，Ｅ１２Ｂ，Ｅ１３Ａ，Ｅ１３Ｂ，Ｅ１４Ａ，Ｅ１４Ｂ（平面的な配置パターンは、図１６(b) に示す８枚の変位電極の配置パターンと同じ）が配置されている。そして、個々の変位電極と、これに対向する個々の固定電極とにより容量素子が形成されている。図１６(b) には、こうして形成される８組の容量素子を括弧付きの符号Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ，Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂ，Ｃ３Ａ，Ｃ３Ｂ，Ｃ４Ａ，Ｃ４Ｂで示してある。
なお、変位電極をダイアフラム部１２０の下面ではなく、上面に設けるようにし、その上方に固定電極を配置する構造（すなわち、容量素子をダイアフラム部１２０の上方に配置する構造）を採用することも可能であるが、図１６(a) に示すように、ダイアフラム部１２０の上方に受力部２１０が配置されている検出用構造体を用いる場合は、図示のように、変位電極をダイアフラム部１２０の下面に設ける構造（すなわち、容量素子をダイアフラム部１２０の下方に配置する構造）を採用する方が、全体的な構造を単純化することができる。
結局、任意のｉ（１≦ｉ≦ｎ）について、第ｉ番目のＡ系統検出素子ＤｉＡは、第ｉ番目の検出点Ｐｉの第１の近傍部分に配置された第ｉ番目のＡ系統変位電極と、この第ｉ番目のＡ系統変位電極に対向するように支持部１１０に固定された第ｉ番目のＡ系統固定電極と、を有する第ｉ番目のＡ系統容量素子ＣｉＡによって構成され、当該第１の近傍部分に生じた変位を静電容量値の変化として示す検出信号を出力することになる。また、第ｉ番目のＢ系統検出素子ＤｉＢは、第ｉ番目の検出点Ｐｉの第２の近傍部分に配置された第ｉ番目のＢ系統変位電極と、この第ｉ番目のＢ系統変位電極に対向するように支持部１１０に固定された第ｉ番目のＢ系統固定電極と、を有する第ｉ番目のＢ系統容量素子ＣｉＢによって構成され、当該第２の近傍部分に生じた変位を静電容量値の変化として示す検出信号を出力することになる。
ここで、各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４について、Ｚ軸から遠い側を外側、Ｚ軸に近い側を内側と呼べば、各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４の遠近両側の近傍部分の変位を検出するために、４組のＡ系統検出素子と４組のＢ系統検出素子とが設けられており、これら全８組の検出素子からの検出信号に基づいて、３軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの検出が行われることになる。
具体的には、まず、第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ２１の外側に配置された容量素子Ｃ１Ａ（変位電極Ｅ２１Ａと固定電極Ｅ１１Ａ）からなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ２１の内側に配置された容量素子Ｃ１Ｂ（変位電極Ｅ２１Ｂと固定電極Ｅ１１Ｂ）からなる。同様に、第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ２２の外側に配置された容量素子Ｃ２Ａ（変位電極Ｅ２２Ａと固定電極Ｅ１２Ａ）からなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ２２の内側に配置された容量素子Ｃ２Ｂ（変位電極Ｅ２２Ｂと固定電極Ｅ１２Ｂ）からなる。
また、第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ２３の外側に配置された容量素子Ｃ３Ａ（変位電極Ｅ２３Ａと固定電極Ｅ１３Ａ）からなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ２３の内側に配置された容量素子Ｃ３Ｂ（変位電極Ｅ２３Ｂと固定電極Ｅ１３Ｂ）からなる。そして、第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ２４の外側に配置された容量素子Ｃ４Ａ（変位電極Ｅ２４Ａと固定電極Ｅ１４Ａ）からなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ２４の内側に配置された容量素子Ｃ４Ｂ（変位電極Ｅ２４Ｂと固定電極Ｅ１４Ｂ）からなる。
これらの８組の容量素子は、それぞれの変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する。具体的には、図１６に示す実施例の場合、３軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの作用により、Ａ系統の容量素子についても、Ｂ系統の容量素子についても、図９の表に示すような静電容量値の変化が生じることになる。そこで、図１２(c) に示すように、Ａ系統信号処理手段３５ＡとＢ系統信号処理手段３５Ｂとを設けておけば、８組の検出素子からの検出信号に基づく演算により、３軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙを最終検出値として出力することができる。
具体的には、８組の容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂと表せば、
Ａ系統信号処理手段３５Ａは、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ＋Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ）
ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｃ３Ａ−Ｃ４Ａ）
ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｃ１Ａ−Ｃ２Ａ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＡ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＡ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＡを示すＡ系統検出値Ａを出力することができる。
一方、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂは、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ＋Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）
ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｃ３Ｂ−Ｃ４Ｂ）
ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｃ１Ｂ−Ｃ２Ｂ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＢ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＢ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＢを示すＢ系統検出値Ｂを出力することができる。
そこで比較手段４５は、既に述べたとおり、Ａ系統検出値ＡとＢ系統検出値Ｂとを比較し、両者の差分ｄを求め、Ａ系統検出値ＡもしくはＢ系統検出値Ｂまたはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値（たとえば、両者の平均値）を最終検出値Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙとして出力するとともに、当該差分ｄが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力する。
この図１６に示す実施例の場合も、すべての検出点Ｐ２１〜Ｐ２４が検出基準円Ｇ１上に配置されているため、各検出素子の配置に対称性が得られ、検出信号の値にも対称性が得られ、信号処理手段による信号処理を単純化できるメリットが得られる。
たとえば、容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ２Ａは、ＹＺ平面に関して対称性を有しており、容量素子Ｃ３Ａ，Ｃ４Ａは、ＸＺ平面に関して対称性を有している。このため、何ら外力が作用していない状態では、
ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｃ３Ａ−Ｃ４Ａ）
ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｃ１Ａ−Ｃ２Ａ）
なる演算結果はいずれも０になるので、ＭｘＡおよびＭｙＡの出力についての零点補正処理を省略することができる。
同様に、容量素子Ｃ１Ｂ，Ｃ２Ｂは、ＹＺ平面に関して対称性を有しており、容量素子Ｃ３Ｂ，Ｃ４Ｂは、ＸＺ平面に関して対称性を有している。このため、何ら外力が作用していない状態では、
ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｃ３Ｂ−Ｃ４Ｂ）
ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｃ１Ｂ−Ｃ２Ｂ）
なる演算結果はいずれも０になるので、ＭｘＢおよびＭｙＢの出力についての零点補正処理も省略することができる。
＜２−５．信号処理手段および比較手段＞
§２−１で説明したとおり、本発明に係る力覚センサの特徴は、図１２(c) のブロック図に示すように、単一の検出用構造体１０に加えられた外力を、ｎ個のＡ系統検出素子２５Ａとｎ個のＢ系統検出素子２５Ｂとによってそれぞれ検出し、これらから得られる検出信号を、Ａ系統信号処理手段３５ＡとＢ系統信号処理手段３５Ｂとによって処理することにより、Ａ系統検出値ＡとＢ系統検出値Ｂとを求め、比較手段４５においてこれらを比較する、というものである。
たとえば、§２−４で説明した図１６に示す実施例に係る力覚センサの基本構成を、図１２(c) にならってブロック図で示すと図１７のようになる。この場合、検出用構造体１０は、図１６(a) に示すように、下部構造体１００と上部構造体２００との積層構造体によって構成される。また、図１６(b) に示されているように、Ａ系統検出素子２５Ａは、４組のＡ系統容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａによって構成され、Ｂ系統検出素子２５Ｂは、４組のＢ系統容量素子Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂによって構成される。
そして、Ａ系統容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａからは、それぞれ同じ符号で示す静電容量値Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａを示す検出信号が出力され、Ａ系統信号処理手段３５Ａに与えられる。同様に、Ｂ系統容量素子Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂからは、それぞれ同じ符号で示す静電容量値Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂを示す検出信号が出力され、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂに与えられる。実際には、各信号処理手段３５Ａ，３５Ｂの入力段には、各容量素子を構成する一対の電極間の静電容量値を電気信号として取り込むための電気回路（たとえば、Ｃ／Ｖ変換回路）が備わっている。
Ａ系統信号処理手段３５Ａは、取り込んだ検出信号Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａに基づいて、図示のような演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことにより、３軸成分ＦｚＡ，ＭｘＡ，ＭｙＡをＡ系統検出値Ａとして出力する。同様に、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂは、取り込んだ検出信号Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂに基づいて、図示のような演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことにより、３軸成分ＦｚＢ，ＭｘＢ，ＭｙＢをＢ系統検出値Ｂとして出力する。
取り込んだ検出信号をデジタル信号に変換して処理する場合は、論理素子やマイクロプロセッサなどのデジタル回路を用いた演算処理によって、各検出値を求めることができる。実際には、所定のサンプリング周期で検出信号を取り込み、当該サンプリング周期ごとに、検出値Ａ，Ｂの出力が行われる。取り込んだ検出信号をアナログ信号のまま処理する場合は、必要な演算処理に相当する信号処理をアナログ回路によって実行すればよい。
こうして得られたＡ系統検出値Ａ（ＦｚＡ，ＭｘＡ，ＭｙＡ）およびＢ系統検出値Ｂ（ＦｚＢ，ＭｘＢ，ＭｙＢ）は、比較手段４５に与えられる。この比較手段４５も、論理素子やマイクロプロセッサを用いたデジタル回路によって構成してもよいし、同等の処理を実行可能なアナログ回路によって構成してもかまわない。なお、図１７のブロック図では、Ａ系統信号処理手段３５Ａ、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂ、比較手段４５がそれぞれ別なブロックとして描かれているが、これらの構成要素をマイクロプロセッサを用いたデジタル回路によって構成する場合は、同一のＩＣチップ内に組み込んでしまってかまわない。
要するに、Ａ系統信号処理手段３５ＡおよびＢ系統信号処理手段３５Ｂは、それぞれ別系統の信号を入力し、それぞれ別系統の信号を出力する構成になっていればよく、Ａ系統とＢ系統との信号処理が別個独立して実施されるようにすれば、本発明に必要な冗長性は確保できる。もちろん、冗長性を高めるため、Ａ系統信号処理手段３５Ａ、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂ、比較手段４５を、すべて別々のＩＣチップで構成してもかまわない。
比較手段４５の第１の役割は、検出値Ａもしくは検出値Ｂまたはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値を最終検出値として出力することである。たとえば、Ａ系統を主系統、Ｂ系統を副系統と定めておき、常に、Ａ系統検出値Ａを最終検出値Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙとして出力するようにしてもよい。この場合、Ｂ系統検出値Ｂは、Ａ系統検出値Ａとの比較を行うためだけに用いられることになる。もちろん、Ａ系統を副系統、Ｂ系統を主系統と定めてもかまわない。あるいは、Ａ系統検出値ＡおよびＢ系統検出値Ｂの平均値を算出し、当該平均値を最終検出値として出力するようにしてもよい。この場合、各最終検出値は、Ｆｚ＝（ＦｚＡ＋ＦｚＢ）／２，Ｍｘ＝（ＭｘＡ＋ＭｘＢ）／２，Ｍｙ＝（ＭｙＡ＋ＭｙＢ）／２なる演算によって求まる。
比較手段４５の第２の役割は、Ａ系統検出値ＡとＢ系統検出値Ｂとを比較し、両者の差分ｄを求め、当該差分ｄが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力することである。具体的には、§２−２で述べたように、
ｄ（Ｆｚ）＝絶対値（ＦｚＡ−ＦｚＢ）
ｄ（Ｍｘ）＝絶対値（ＭｘＡ−ＭｘＢ）
ｄ（Ｍｙ）＝絶対値（ＭｙＡ−ＭｙＢ）
なる式に基づいて、各軸成分の差分ｄ（Ｆｚ），ｄ（Ｍｘ），ｄ（Ｍｙ）を求め、これらが許容値Ｔを超えているか否かを判定する。許容値Ｔとしては、３軸共通の値を設定してもよいし、それぞれ別個の値を設定してもよい。また、差分エラーの出力方法も、３軸成分のそれぞれについて別個のエラーを出力するようにしてもよいし、少なくとも１軸成分についてエラーが生じた場合には共通の差分エラーを出力するようにしてもよい。
既に述べたとおり、比較手段４５から差分エラーを出力するようにすれば、当該力覚センサが組み込まれたロボット等の制御装置は、当該差分エラーに基づき、適切な制御を行うことができる。ただ、ここに示す実施例の場合、比較手段４５には、差分エラーの他に、レンジアウトエラーを出力する機能を併せもたせている。このレンジアウトエラーは、Ａ系統検出値ＡもしくはＢ系統検出値Ｂが、所定の許容レンジを超えていることを示すエラーである。
一般に、何らかの検出値を電気信号として出力するセンサの場合、出力する検出値には所定の許容レンジが設定され、当該許容レンジ内の検出値についてのみ、適正な検出値としての保証がなされる。通常、この許容レンジを多少超える出力がなされたとしても、直ちには、検出用構造体に損傷が生じる事態にはならないよう、余裕をもった設計がなされることが多いが、いずれにしても、許容レンジを超える検出値は、当該センサが保証する適正な検出値にはならない。
そこで、ここに示す実施例では、比較手段４５にレンジアウトエラーを出力する機能を付加している。すなわち、比較手段４５は、Ａ系統検出値ＡおよびＢ系統検出値Ｂのそれぞれについて、所定の許容レンジ内であるか否かを判定し、当該許容レンジを超えていた場合は、レンジアウトエラーを出力する処理を行う。結局、比較手段４５からは、最終出力値Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙに加えて、差分ｄが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーが出力され、検出値Ａ，Ｂが所定の許容レンジを超えていた場合には、レンジアウトエラーが出力されることになる。
図１８は、図１７に示す比較手段４５の具体的な処理手順を示す流れ図である。まず、ステップＳ１において、Ａ系統検出値ＡおよびＢ系統検出値Ｂが入力される。実際には、所定のサンプリング周期で検出値Ａ，Ｂの入力が行われることになる。上述した各実施例は、３軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの検出機能をもった力覚センサの例であるため、検出値Ａは、ＦｚＡ，ＭｘＡ，ＭｙＡの３軸成分であり、検出値Ｂは、ＦｚＢ，ＭｘＢ，ＭｙＢの３軸成分である。
続くステップＳ２では、入力した検出値Ａ，Ｂの中から、特定の軸成分が抽出される。上述したとおり、ステップＳ１では、３軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙについての検出値Ａ，Ｂが入力されているので、ステップＳ２では、まず、この３軸成分についての特定の軸成分が１つだけ抽出されることになる。ここでは、まず、成分Ｆｚが特定の軸成分として抽出されたものとしよう。具体的には、検出値ＡとしてＦｚＡが抽出され、検出値ＢとしてＦｚＢが抽出されることになる。
そして、ステップＳ３において、入力した検出値Ａ，Ｂが所定の許容レンジ内か否かの判定が行われる。ここに示す例の場合、ＦｚＡ，ＦｚＢについては許容レンジＲ（Ｆｚ）を設定し、ＭｘＡ，ＭｘＢについては許容レンジＲ（Ｍｘ）を設定し、ＭｙＡ，ＭｙＢについては許容レンジＲ（Ｍｙ）を設定しており、それぞれ設定された許容レンジ内か否かの判定を行うようにしている。したがって、ステップＳ２において、検出値ＡとしてＦｚＡが抽出され、検出値ＢとしてＦｚＢが抽出された場合、これら検出値Ａ，Ｂが許容レンジＲ（Ｆｚ）内であるか否かが判定される。もちろん、３軸成分に共通の許容レンジを設定するようにしてもかまわない。
このステップＳ３において、検出値Ａ，Ｂの双方が許容レンジ内であるとの判定がなされた場合は、ステップＳ４へと進み、検出値Ａ，Ｂの差の絶対値として差分ｄが算出される。上例の場合、ＦｚＡとＦｚＢとの差の絶対値が差分ｄ（Ｆｚ）として算出される。そして、ステップＳ５において、差分ｄが所定の許容値Ｔを超えているか否かの判定が行われ、許容値Ｔを超えていた場合には、ステップＳ７へ進み、差分エラーの出力が行われる。許容値Ｔは、前述したとおり、各軸成分ごとに別個に設定してもよいし、共通の許容値を設定してもよい。また、差分エラーには、必要に応じて、エラーが生じた特定の軸成分（上例の場合はＦｚ）を示す情報を含ませてもよい。
続いて、ステップＳ６において、検出値ＡもしくはＢ、またはその平均値を最終検出値として出力する処理が行われる。上述したように、Ａ系統を主系統、Ｂ系統を副系統と定めておいた場合、ステップＳ６では、常に、Ａ系統検出値だけが最終検出値として出力される（上例の場合は、ＦｚＡがそのまま最終検出値Ｆｚとして出力される）。一方、両者の平均値を採用する場合、ステップＳ６では、検出値Ａ，Ｂの平均値が最終検出値として出力される（上例の場合は、Ｆｚ＝（ＦｚＡ＋ＦｚＢ）／２なる演算によって得られた値が、最終検出値Ｆｚとして出力される）。
一方、ステップＳ３において、検出値Ａ，Ｂの一方は許容レンジ内であるものの、他方が許容レンジを超えているとの判定がなされた場合は、ステップＳ８へと進み、レンジアウトエラーの出力が行われる。このレンジアウトエラーには、必要に応じて、エラーが生じた特定の軸成分（上例の場合はＦｚ）を示す情報や、Ａ系統／Ｂ系統のいずれがレンジアウトになったかを示す情報を含ませてもよい。そして、ステップＳ９において、検出値Ａ，Ｂのうち、許容レンジ内の方を最終検出値として出力する。
また、ステップＳ３において、検出値Ａ，Ｂの両方が許容レンジを超えているとの判定がなされた場合は、ステップＳ１０へと進み、レンジアウトエラーの出力が行われる。このレンジアウトエラーには、必要に応じて、エラーが生じた特定の軸成分（上例の場合はＦｚ）を示す情報や、Ａ系統／Ｂ系統の両方がレンジアウトになったことを示す情報を含ませてもよい。そして、ステップＳ１１において、検出値Ａ，Ｂに代えて、所定のダミー値を最終検出値として出力する。
ステップＳ１１で出力するダミー値としては、許容レンジ内の所定の値を予め設定しておくようにする。たとえば、外力が全く作用していないときに出力される検出値（零点を示す値）をダミー値として設定しておけばよい。検出値Ａ，Ｂに代えて、許容レンジ内のダミー値を出力する理由は、許容レンジを超えた値を最終検出値として出力してしまうと、当該最終検出値を利用する機器（たとえば、ロボットの制御装置）に不測の障害が生じる可能性があるためである。
前述のとおり、許容レンジは、当該力覚センサが保証する適正な検出値の範囲であり、ロボットの制御装置などは、検出値が当該許容レンジ内の値になることを前提とした設計がなされることになる。このため、最終検出値として、許容レンジを超えた値を出力すると、当該最終検出値を受け取ったロボットの制御装置などでは、想定外の事態が生じるおそれがある。
そこで、比較手段４５内の処理において、検出値Ａ，Ｂが共に許容レンジを超えていた場合は、レンジアウトエラーを出力して異常を報知するとともに、最終検出値としては、許容レンジ内のダミー値を出力するようにしている。このダミー値は、もちろん正しい検出値ではないが、ロボットの制御装置などは、レンジアウトエラーの報知を受けることにより、当該ダミー値が正しい検出値ではないことを認識することができるので、問題は生じない。
こうして、ステップＳ２で抽出した特定の軸成分（上例の場合はＦｚ）についての処理が完了したら、ステップＳ１２を経て、再びステップＳ２へと戻り、別な特定の軸成分（たとえば、ＭｘやＭｙ）について、同様の処理が繰り返される。こうして、すべての軸成分（上例の場合は、３軸成分Ｆｘ，Ｍｘ，Ｍｙ）についての処理が完了したら、比較手段４５の処理（１サンプリング周期において入力された検出値Ａ，Ｂに対する処理）は終了する。
要するに、図１８の流れ図に示されている実施例の場合、比較手段４５は、Ａ系統検出値Ａのみが許容レンジを超えていた場合は、Ｂ系統検出値Ｂを最終検出値として出力し、Ｂ系統検出値Ｂのみが許容レンジを超えていた場合は、Ａ系統検出値Ａを最終検出値として出力し、Ａ系統検出値ＡおよびＢ系統検出値Ｂの双方が許容レンジを超えていた場合は、許容レンジ内の所定のダミー値を最終検出値として出力する処理を行うことになる。
＜＜＜ §３． 本発明の変形例 ＞＞＞
これまで、§２において、本発明に係る力覚センサの基本的な実施形態を説明した。ここでは、これら基本的な実施形態に対するいくつかの変形例を述べておく。
＜３−１．検出素子の配置を変えた変形例＞
図１９は、図１６に示す力覚センサの変形例を示す側断面図（図１９(a) ）および下部構造体１００の下面図（図１９(b) ）である。図１６に示す力覚センサと図１９に示す力覚センサとの相違は、８組の検出素子（容量素子）の配置だけである。したがって、図１９に示されている力覚センサの各構成要素の符号は、図１６に示されている力覚センサの対応する構成要素の符号と同じものを付して示してある。
図１９に示す力覚センサは、図１６に示す検出用構造体と全く同じ検出用構造体を有しており、ダイアフラム部１２０の下面に検出基準面が定義されており、この検出基準面上に４個の検出点Ｐ２１〜Ｐ２４が定義されている。各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４の位置も、図１６に示す実施例と全く同じである。そして、これら４個の検出点Ｐ２１〜Ｐ２４の近傍部分に生じた変位を検出するために、４組のＡ系統検出素子と４組のＢ系統検出素子とが形成されている点も、図１６に示す実施例と同じである。ただ、各検出素子の配置が若干異なっている。
図１６に示す実施例は、図１３に示す検出素子の基本的な配置方針に従って、容量素子を配置した例である。この図１３に示す基本的な配置方針は、Ａ系統検出素子を各検出点の外側の近傍部分に配置し、Ｂ系統検出素子を各検出点の内側の近傍部分に配置する、というものであった。このため、図１３には、４組のＡ系統検出素子Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａを検出点Ｐ１〜Ｐ４の外側に配置し、４組のＢ系統検出素子Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂを検出点Ｐ１〜Ｐ４の内側に配置した例が示されている。
これに対して、図１９に示す変形例における検出素子の基本的な配置方針は、Ｘ軸もしくはＹ軸を挟んだ両側に、それぞれＡ系統検出素子とＢ系統検出素子とを隣接配置する、というものである。
具体的には、図１９(b) に示すとおり、第１番目のＡ系統検出素子Ｃ１Ａは、第１番目の検出点Ｐ２１の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置され、第１番目のＢ系統検出素子Ｃ１Ｂは、第１番目の検出点Ｐ２１の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置されている。同様に、第２番目のＡ系統検出素子Ｃ２Ａは、第２番目の検出点Ｐ２２の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置され、第２番目のＢ系統検出素子Ｃ２Ｂは、第２番目の検出点Ｐ２２の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置されている。
また、第３番目のＡ系統検出素子Ｃ３Ａは、第３番目の検出点Ｐ２３の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置され、第３番目のＢ系統検出素子Ｃ３Ｂは、第３番目の検出点Ｐ２３の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置されている。更に、第４番目のＡ系統検出素子Ｃ４Ａは、第４番目の検出点Ｐ２４の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置され、第４番目のＢ系統検出素子Ｃ４Ｂは、第４番目の検出点Ｐ２４の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出できるような位置に配置されている。
図１９に示す変形例の場合、図１６に示す実施例と同様に、支持部１１０に固定された電極支持基板３００が設けられており、この電極支持基板３００上に固定した固定電極を利用することにより合計８組の容量素子が形成されており、これら容量素子を検出素子として用いている。
すなわち、各容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂは、ダイアフラム部１２０の下面に固定された半円状の変位電極Ｅ２１Ａ〜Ｅ２４Ａ，Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２４Ｂと、これら変位電極に対向するように電極支持基板３００上に固定された半円状の固定電極Ｅ１１Ａ〜Ｅ１４Ａ，Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１４Ｂと、によって構成されており、それぞれの変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有する。
具体的には、第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ２１の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ１Ａ（変位電極Ｅ２１Ａと固定電極Ｅ１１Ａ）からなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ２１の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ１Ｂ（変位電極Ｅ２１Ｂと固定電極Ｅ１１Ｂ）からなる。同様に、第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ２２の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ２Ａ（変位電極Ｅ２２Ａと固定電極Ｅ１２Ａ）からなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ２２の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ２Ｂ（変位電極Ｅ２２Ｂと固定電極Ｅ１２Ｂ）からなる。
また、第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ２３の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ３Ａ（変位電極Ｅ２３Ａと固定電極Ｅ１３Ａ）からなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ２３の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ３Ｂ（変位電極Ｅ２３Ｂと固定電極Ｅ１３Ｂ）からなる。更に、第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ２４の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ４Ａ（変位電極Ｅ２４Ａと固定電極Ｅ１４Ａ）からなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ２４の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ４Ｂ（変位電極Ｅ２４Ｂと固定電極Ｅ１４Ｂ）からなる。
このように、図１９に示す力覚センサの検出素子の配置は、図１６に示す力覚センサの検出素子の配置とは若干異なっているが、第１番目のＡ系統検出素子および第１番目のＢ系統検出素子は、いずれも第１番目の検出点Ｐ２１の近傍部分の変位を検出し、第２番目のＡ系統検出素子および第２番目のＢ系統検出素子は、いずれも第２番目の検出点Ｐ２２の近傍部分の変位を検出し、第３番目のＡ系統検出素子および第３番目のＢ系統検出素子は、いずれも第３番目の検出点Ｐ２３の近傍部分の変位を検出し、第４番目のＡ系統検出素子および第４番目のＢ系統検出素子は、いずれも第４番目の検出点Ｐ２４の近傍部分の変位を検出する、という本質的な特徴に変わりはない。
したがって、この図１９に示す力覚センサの場合も、図１６に示す力覚センサと同様の信号処理を行うことにより、３軸成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙを検出することが可能である。
すなわち、８組の容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂと表せば、Ａ系統信号処理手段３５Ａは、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ＋Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ）
ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｃ３Ａ−Ｃ４Ａ）
ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｃ１Ａ−Ｃ２Ａ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、ＦｚＡ，ＭｘＡ，ＭｙＡを示すＡ系統検出値Ａを出力することができる。
同様に、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂは、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ＋Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）
ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｃ３Ｂ−Ｃ４Ｂ）
ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｃ１Ｂ−Ｃ２Ｂ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、ＦｚＢ，ＭｘＢ，ＭｙＢを示すＢ系統検出値Ｂを出力することができる。
＜３−２．補助系統信号処理を加えた変形例＞
上述した§３−１では、図１９を参照しながら、検出素子の配置を変えた変形例を説明した。この変形例の特徴は、Ａ系統検出素子とＢ系統検出素子の配置パターンを、検出点の内側か外側かで分けるのではなく、座標軸の正側か負側かで分ける点にある。このように、座標軸の正側か負側かで分ける配置パターンを採用すると、Ａ系統信号処理およびＢ系統信号処理に加えて、更に、補助系統信号処理を加えることができるというメリットが得られる。ここでは、この補助系統信号処理を加えた変形例について述べることにする。
図２０は、図１９に示す力覚センサにおいて、補助系統信号処理を加えた場合の基本構成を示すブロック図である。§２−５では、図１７のブロック図を参照して、図１６に示す力覚センサについての信号処理を説明したが、ここでは、図２０のブロック図を参照して、図１９に示す力覚センサについての信号処理（補助系統信号処理を加えた例）を説明する。
図２０に示すブロック図は、図１７に示すブロック図に、補助系統信号処理手段３５Ｃを付加し、比較手段４５に、この補助系統信号処理手段３５Ｃから出力される補助系統検出値Ｃを考慮した処理を実行させるようにしたものである。Ａ系統検出素子２５ＡおよびＢ系統検出素子２５Ｂは、図１９に示す配置パターンを採用した容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂによって構成されているが、Ａ系統信号処理手段３５ＡおよびＢ系統信号処理手段３５Ｂにおいて実行される信号処理は、§２−５で述べた処理と変わりはない。
すなわち、Ａ系統信号処理手段３５Ａでは、図示のブロック内に記載された演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理が実行され、Ａ系統検出値Ａ（ＦｚＡ，ＭｘＡ，ＭｙＡ）が出力され、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂでは、図示のブロック内に記載された演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理が実行され、Ｂ系統検出値Ｂ（ＦｚＢ，ＭｘＢ，ＭｙＢ）が出力される。
一方、補助系統信号処理手段３５Ｃは、Ａ系統検出素子２５Ａからの検出信号（静電容量値Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ）と、Ｂ系統検出素子２５Ｂからの検出信号（静電容量値Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂ）と、の双方を取り込み、図示のブロック内に記載された演算式に基づく演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことにより、ＭｘＣ，ＭｙＣを補助系統検出値Ｃとして出力する。この補助系統検出値Ｃは、Ａ系統検出値ＡやＢ系統検出値Ｂとは異なる演算処理で得られた値であるが、全く独立した第３の系統の検出値ではなく、Ａ系統とＢ系統とを取り混ぜた演算処理により得られる値である。
具体的には、補助系統信号処理手段３５Ｃでは、所定の符号付き比例係数Ｋ２Ｃ，Ｋ３Ｃを用いて、
ＭｘＣ＝Ｋ２Ｃ×（（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ）−（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ））
ＭｙＣ＝Ｋ３Ｃ×（（Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）−（Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ））
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘＣおよびＹ軸まわりのモーメント成分ＭｙＣを示す補助系統検出値Ｃを出力する。
上記演算式に基づいて、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＣが得られる理由は、図７(b) の変形態様を参照すれば理解できるであろう。当該変形態様が生じた場合、検出点Ｐ２１は下方に変位し、検出点Ｐ２２は上方に変位するので、図１９(b) に示す容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂ，Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂの静電容量値は大きく変動する。一方、図１９(b) に示す検出点Ｐ２３およびＰ２４の近傍部分の変位に着目すると、検出点Ｐ２１およびＰ２２の近傍部分ほど大きな変位ではないものの、Ｙ軸を境にして、図の右側部分（Ｘ座標値が正となる部分）は下方に変位し、図の左側部分（Ｘ座標値が負となる部分）は上方に変位することがわかる。
したがって、Ｙ軸を境にして、図の右側に配置された容量素子Ｃ３Ｂ，Ｃ４Ｂの静電容量値は増加し、図の左側に配置された容量素子Ｃ３Ａ，Ｃ４Ａの静電容量値は減少することになる。上述の式ＭｙＣ＝Ｋ３Ｃ×（（Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）−（Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ））は、このような現象を踏まえた算出式である。Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＣが、上述の式ＭｘＣ＝Ｋ２Ｃ×（（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ）−（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ））によって得られる理由も同様である。
もちろん、補助系統検出値Ｃ（ＭｘＣ，ＭｙＣ）の算出に用いられる静電容量値の変動量は、Ａ系統検出値ＡやＢ系統検出値Ｂの算出に用いられる静電容量値の変動量に比べて小さいため、補助系統検出値Ｃの精度はＡ系統検出値ＡやＢ系統検出値Ｂの精度よりも低くなる。したがって、この補助系統検出値Ｃは、最終検出値として利用するにはあまり適切とは言えないが、後述するように、比較手段４５による差分エラーの判定に第３の値として利用するには有用である。
具体的には、図２０に示す実施例の場合、比較手段４５には、Ａ系統検出値ＡとＢ系統検出値Ｂに加えて、更に、補助系統検出値Ｃが与えられるので、Ａ系統検出値ＡとＢ系統検出値Ｂとの差分ｄに加えて、Ａ系統検出値Ａと補助系統検出値Ｃとの差分ｄＡ（検出値Ａと検出値Ｃの差の絶対値）およびＢ系統検出値Ｂと補助系統検出値Ｃとの差分ｄＢ（検出値Ｂと検出値Ｃの差の絶対値）を求めることができる。そこで、この３通りの差分ｄ，ｄＡ，ｄＢのいずれかが所定の許容値Ｔを超えていた場合に、差分エラーを出力する運用を行うことができる。
このように、３つの検出値を相互に比較して差分エラーを出力する運用を採れば、前述した２つの検出値の比較により差分エラーを出力する運用に比べて、より確実な異常報知を行うことが可能になる。
また、この３つの検出値を相互に比較した結果を利用すれば、比較手段４５は、より適切な値を最終検出値として出力することが可能になる。たとえば、Ａ系統検出値Ａか、Ｂ系統検出値Ｂか、のいずれか一方を選択的に最終検出値として出力することにしておき、上記差分ｄＡおよびｄＢを、選択の基準として利用することができる。具体的には、比較手段４５は、上述した３通りの差分ｄ，ｄＡ，ｄＢを求めた後、ｄＡ＜ｄＢの場合はＡ系統検出値Ａを最終検出値として出力し、ｄＡ＞ｄＢの場合はＢ系統検出値Ｂを最終検出値として出力すればよい。
別言すれば、検出値Ａ，Ｂのうち、第３の検出値Ｃに近い方を最終検出値として出力することになる。ｄＡ＝ｄＢの場合は、検出値Ａ，Ｂのいずれを最終検出値としてもかまわない。このような選択方法を採用すれば、検出値Ａ，Ｂに食い違いが生じていた場合、第３の検出値Ｃに近い方が最終的に選択されることになるので、より信頼性の高い値が最終検出値として出力されることになる。
あるいは、上述した３通りの差分ｄ，ｄＡ，ｄＢを求めた後、これらが所定の許容値Ｔを超えているか否かを判定し、もし、３つのうちの２つが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、当該２つの差分の算出にともに関与した検出値を誤検出値と推定し、この誤検出値を除く２つの検出値のいずれか一方（またはこれら２つの検出値に基づいて算出された平均値などの所定の算出値でもよい）を最終検出値として出力する例外処理を行うようにしてもよい。
たとえば、上例の場合、差分ｄは検出値ＡとＢの差、差分ｄＡは検出値ＡとＣの差、差分ｄＢは検出値ＢとＣの差であるから、もし、３通りの差分ｄ，ｄＡ，ｄＢのうち、差分ｄおよびｄＡの２つだけが許容値Ｔを超えていた場合は、「ＡとＢの差」および「ＡとＣの差」は大きく、「ＢとＣの差」は小さいことになる。この場合、「ＡとＢの差」および「ＡとＣの差」の算出にともに関与した検出値Ａだけが異常値を示している可能性が高い。よって、この場合は、検出値Ａを誤検出値と推定し、この誤検出値Ａを除く２つの検出値Ｂ，Ｃのいずれか一方（またはこれら２つの検出値に基づいて算出された平均値など）を最終検出値として出力する例外処理を行うようにすれば、より信頼性の高い値が最終検出値として出力されることになる。
以上、図１９に示す実施例、すなわち、ｎ＝４に設定して４箇所に検出点Ｐ２１〜Ｐ２４を定義し、これらの検出点近傍部分の変位を容量素子を用いて検出する実施例について、補助系統信号処理を加える変形例を説明したが、もちろん、当該変形例は、ｎ＝４に設定する実施例や、検出素子として容量素子を用いる実施例に限定されるものではない。
要するに、ここで述べた補助系統信号処理を加える変形例では、§２で述べた基本的実施形態に用いられているＡ系統信号処理手段３５ＡおよびＢ系統信号処理手段３５Ｂに加えて、ｎ個のＡ系統検出素子の一部もしくは全部によって検出された電気的な検出信号と、ｎ個のＢ系統検出素子の一部もしくは全部によって検出された電気的な検出信号と、の双方に基づいて、受力部に加えられた外力の所定方向成分を示す補助系統検出値Ｃを出力する補助系統信号処理手段３５Ｃを更に設け、比較手段４５によって、Ａ系統検出値Ａ，Ｂ系統検出値Ｂ，補助系統検出値Ｃを相互に比較して、差分エラーの出力処理や適切な最終検出値の出力処理を実行させるようにすればよい。
もちろん、比較手段４５によるこのような処理は、デジタル回路を用いた演算処理によって行ってもよいし、アナログ回路を用いた信号処理によって行ってもかまわない。
＜３−３．検出用構造体の変形例＞
これまで述べてきた実施例は、いずれも図１に示すように、下部構造体１００および上部構造体２００を積層してなる検出用構造体を用いたものであり、単一のダイアフラム部１２０の所定箇所に定義された複数ｎ個の検出点について、その近傍部分の撓みもしくは変位を検出するタイプのものであった。しかしながら、本発明に利用可能な検出用構造体は、図１に示すタイプに限定されるものではない。特に、弾性変形部は、力の作用により弾性変形を生じる性質を有していれば足り、必ずしも単一のダイアフラム部１２０によって構成する必要はない。
たとえば、図３には、ダイアフラム部１２０の代わりに、４本の橋梁部１２１〜１２４を弾性変形部として用いた下部構造体１００′と上部構造体２００とを積層してなる検出用構造体の例を示した。もちろん、本発明に係る力覚センサは、この図３に示すようなタイプの検出用構造体を用いて構成してもかまわない。その場合、これまでの説明におけるダイアフラム部１２０を、４本の橋梁部１２１〜１２４に置き換えればよい。この４本の橋梁部１２１〜１２４の変形態様は、基本的には、図２に示すダイアフラム部１２０の変形態様と同じであるので、各検出素子の配置や各信号処理手段の処理内容は、これまで述べた実施例と同じでよい。
ここでは、更に別な検出用構造体の変形例を、図２１を参照しながら述べる。図１に示す検出用構造体は、支持体１１０によって周囲から支持された単一のダイアフラム部１２０上に、複数ｎ個の検出点をすべて配置する形態をとるものであるのに対して、図２１に示す検出用構造体は、支持体によって周囲から支持された複数ｍ枚のダイアフラム部上に、複数ｎ個の検出点を分散させて配置する形態をとるものである。
ここに示す変形例の場合、図１２(b) に示す例のように、検出用構造体１０がそっくり多重化されるわけではない。ただ、複数ｍ枚のダイアフラム部を用いるため、ダイアフラム部（弾性変形部）については多重化がなされることになる。したがって、検出用構造体に損傷が生じた場合に対する信頼性は、これまで述べてきた基本的な実施形態よりも向上することになる。
図２１(a) は、この変形例に係る検出用構造体の側断面図である。この例の場合も、検出用構造体は、下部構造体４００と上部構造体５００によって構成されている。ここで、図２１(a) に示す上部構造体５００は、§１−１で述べた図１(a) に示す検出用構造体に用いられている上部構造体２００と同様に、円盤状の基板からなる受力部５１０と、この受力部５１０の下面と下部構造体４００の上面とを接続する円柱状の力伝達部５２１〜５２４とを有している。
図１(a) に示す検出用構造体の場合、力伝達部２２０は、受力部２１０の下面の中央部とダイアフラム部１２０の上面の中央部１２５とを接続する単一の円柱状部材であるが、図２１(a) に示す検出用構造体には、合計４本の力伝達部５２１〜５２４が設けられている。これは、図２１(a) に示す変形例の場合、下部構造体４００側には４枚の局在ダイアフラム部４２１〜４２４が設けられており、そのそれぞれの上面中央部と上部構造体５００の下面とを接続するためである。
下部構造体４００の構造は、図２１(b) の下面図に明瞭に示されている。図示のとおり、下部構造体４００は、全体的には円盤状の構造体であり、その下面の４箇所に円柱状の溝Ｈ１〜Ｈ４が掘られている。各溝Ｈ１〜Ｈ４の底部（下部構造体４００の上層部）は、肉厚が薄い円盤状のダイアフラム部を構成している。したがって、下部構造体４００には、４箇所にそれぞれ円盤状のダイアフラム部が形成されていることになる。ここでは、各ダイアフラム部を局在ダイアフラム部４２１〜４２４と呼ぶことにする。下部構造体４００のうち、局在ダイアフラム部４２１〜４２４を除く部分が支持部４１０になる。円盤状の各局在ダイアフラム部４２１〜４２４は、いずれも周囲を肉厚の支持部４１０によって支持された状態になっている。
この変形例においても、下部構造体４００と上部構造体５００は、金属や樹脂などの一般的な材料によって構成することができる。局在ダイアフラム部４２１〜４２４は、外力の作用により弾性変形を生じる必要があるので、検出対象となる外力が作用したときに可撓性を呈する厚みに設定する。他の部分は、できるだけ剛体として作用するのが好ましいので、十分な肉厚を確保するようにする。
図２１(b) には、破線の円によって、各局在ダイアフラム部４２１〜４２４の上面に接続される力伝達部５２１〜５２４の位置が示されている。前述したとおり、力伝達部５２１〜５２４は円柱状の部材であり、上部構造体５００の下面の所定箇所と、各局在ダイアフラム部４２１〜４２４の上面中央とを接続する。
図示の例は、４組の局在ダイアフラム部４２１〜４２４を設けた例であるが、局在ダイアフラム部の数は任意でよい。ここでも、図示のとおり、下部構造体４００の上層部分の中心位置に原点ＯをとってＸＹＺ三次元直交座標系を定義すると、図２１に示す変形例に係る検出用構造体の構造的特徴は、次のように言うことができる。
まず、この検出用構造体は、Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面（ＸＹ平面に平行な平面でもよい）に沿って延びる基板によって構成された下部構造体４００と、この下部構造体４００の上方に配置された上部構造体５００と、を備えている。そして、下部構造体４００を構成する基板には、複数ｍ箇所にＸＹ平面（ＸＹ平面に平行な平面でもよい）に沿った方向に延びる薄板状の局在ダイアフラム部４２１〜４２４が形成されており、下部構造体４００のうち、これらｍ組の局在ダイアフラム部４２１〜４２４の部分が弾性変形部を構成し、それ以外の部分が支持部４１０を構成している。
一方、上部構造体５１０は、受力部５１０とｍ組の力伝達部５２１〜５２４とを有している。ここで、受力部５１０は、下部構造体４００を構成する基板の上方に所定距離をおいてＺ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成されており、ｍ組の力伝達部５２１〜５２４は、受力部５１０の下面の所定箇所とｍ組のダイアフラム部４２１〜４２４の上面中央とを接続している。
図２１の例は、ｍ＝４に設定した例であるため、下部構造体４００を構成する基板には、４箇所にＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面に沿った方向に延びる薄板状の局在ダイアフラム部４２１〜４２４が形成されている。実用上は、この例のように、ｍ＝４に設定し、４組の局在ダイアフラム部４２１〜４２４を、図示する位置に配置するのが好ましい。
図２１(a) に示すとおり、４組の局在ダイアフラム部４２１〜４２４はいずれも同じ厚みを有しており、その下面は共通平面に含まれる。ここで、この共通平面上に共通の検出基準面を設定し、この検出基準面上に４個の検出点Ｐ２１〜Ｐ２４を配置すれば（図２１(b) 参照）、これら検出点Ｐ２１〜Ｐ２４の配置は、図１６や図１９に示す実施例と同等になる。円盤上の各局在ダイアフラム部４２１〜４２４は、各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４が中心位置となるように配置されている。
一方、上部構造体５００は、下部構造体４００を構成する基板の上方に所定距離をおいてＺ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部５１０と、この受力部５１０の下面と４組の局在ダイアフラム部４２１〜４２４の上面とを接続する４組の力伝達部５２１〜５２４と、を有している。
これら４組の力伝達部のうち、第１の力伝達部５２１は、正のＸ軸と交差するＺ軸に平行な直線に沿って、受力部５１０の下面の所定位置と第１の局在ダイアフラム部４２１の上面中央とを接続し、第２の力伝達部５２２は、負のＸ軸と交差するＺ軸に平行な直線に沿って、受力部５１０の下面の所定位置と第２の局在ダイアフラム部４２２の上面中央とを接続し、第３の力伝達部５２３は、正のＹ軸と交差するＺ軸に平行な直線に沿って、受力部５１０の下面の所定位置と第３の局在ダイアフラム部４２３の上面中央とを接続し、第４の力伝達部５２４は、負のＹ軸と交差するＺ軸に平行な直線に沿って、受力部５１０の下面の所定位置と第４の局在ダイアフラム部４２４の上面中央とを接続している。
結局、図２１に示す検出用構造体の例は、ｍ＝４に設定して下部構造体４００に４組の局在ダイアフラム部４２１〜４２４（弾性変形部）を設け、ｎ＝４に設定して、この弾性変形部上に４個の検出点Ｐ２１〜Ｐ２４を設定した例ということができる。ｍとｎをいずれも４に設定したため、局在ダイアフラム部と検出点とを１対１に対応させ、各局在ダイアフラム部４２１〜４２４の下面中心位置にそれぞれ検出点Ｐ２１〜Ｐ２４が定義されることになる。また、各力伝達部５２１〜５２４は、各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４の上方に接続されることになる。
図２２(a) は、図２１に示す検出用構造体の受力部５１０に対して、力−Ｆｚが作用したときの変形状態を示す側断面図であり、図２２(b) は、モーメント＋Ｍｙが作用したときの変形状態を示す側断面図である。下部構造体４００に対しては、４本の力伝達部５２１〜５２４から４組の局在ダイアフラム部４２１〜４２４の上面中央位置に外力が伝達されることになるので、変形態様は個々の局在ダイアフラム部４２１〜４２４ごとに異なるが、各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４の近傍部分の変位を検出することにより、作用した外力の所定方向成分を算出できる点に代わりはない。実際、図２２に示す検出用構造体の変形態様を、図２に示す検出用構造体の変形態様と比べてみると、各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４の近傍部分の変形態様の特徴は似通っていることがわかるであろう。
ただ、図２２に示す検出用構造体の場合、各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４の上方に各力伝達部５２１〜５２４が接続されているため、各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４の直近部分については、撓みはほとんど生じない。そこで、ここでは、検出素子として容量素子を用いた実施例を示すことにする。
図２３は、この図２１に示す検出用構造体に検出素子として８組の容量素子を組み込んだ実施形態に係る力覚センサを示す側断面図（図(a) ）および下部構造体４００の下面図（図(b) ）である。固定電極を配置するため、４組の局在ダイアフラム部４２１〜４２４の下方には、所定距離をおいて、４組の電極支持基板６０１〜６０４が付加されている。これら電極支持基板６０１〜６０４は、いずれも周囲が支持部４１０に固定された円盤状の部材である。８組の容量素子は、外側に配置された４組のＡ系統容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａと、内側に配置された４組のＢ系統容量素子Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂとによって構成される。
この図２３においても、説明の便宜上、下部構造体４００の上層部分の中心位置に原点Ｏをとって、図示のようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義することにする。そして、前述のように、各局在ダイアフラム部４２１〜４２４の下面を含む面を共通の検出基準面に設定し、図２３(b) に示すように、この検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円Ｇ２を描けば、各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４は、いずれもこの検出基準円Ｇ２上に配置されている。
図示の例は、局在ダイアフラム部の数ｍおよび検出点の数ｎをいずれも４に設定した例であり、各局在ダイアフラム部の下面中央にそれぞれ１つの検出点が定義されている。ここで、Ｘ軸およびＹ軸を検出基準面に投影して得られるＸ軸投影像およびＹ軸投影像を定義すれば、図２３(b) に示すように、第１番目の検出点Ｐ２１は正のＸ軸投影像と検出基準円Ｇ２との交点に位置し、第２番目の検出点Ｐ２２は負のＸ軸投影像と検出基準円Ｇ２との交点に位置し、第３番目の検出点Ｐ２３は正のＹ軸投影像と検出基準円Ｇ２との交点に位置し、第４番目の検出点Ｐ２４は負のＹ軸投影像と検出基準円Ｇ２との交点に位置する。
そして、各検出点Ｐ２１〜Ｐ２４について、Ｚ軸から遠い側を外側、Ｚ軸に近い側を内側と呼ぶことにすれば、第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ２１の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ２１の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。同様に、第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ２２の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ２２の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。
また、第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ２３の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ２３の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、更に、第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ２４の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ２４の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。
特に、図２３に示す実施例は、検出素子として容量素子を用いた例であり、各容量素子は、局在ダイアフラム部４２１〜４２４の下面に固定された変位電極Ｅ２１Ａ〜Ｅ２４Ａ，Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２４Ｂと、電極支持基板６０１〜６０４の上面に固定された固定電極Ｅ１１Ａ〜Ｅ１４Ａ，Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１４Ｂ（各変位電極Ｅ２１Ａ〜Ｅ２４Ａ，Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２４Ｂに対向するように配置された電極）とによって構成され、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有する。このような８組の容量素子の配置は、図１６に示す力覚センサにおける８組の容量素子の配置に対応するものである。
具体的には、第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ２１の外側に配置された容量素子Ｃ１Ａからなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ２１の内側に配置された容量素子Ｃ１Ｂからなり、同様に、第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ２２の外側に配置された容量素子Ｃ２Ａからなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ２２の内側に配置された容量素子Ｃ２Ｂからなる。
また、第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ２３の外側に配置された容量素子Ｃ３Ａからなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ２３の内側に配置された容量素子Ｃ３Ｂからなり、更に、第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ２４の外側に配置された容量素子Ｃ４Ａからなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ２４の内側に配置された容量素子Ｃ４Ｂからなる。
ここで、図２２に示す検出用構造体の変形態様の特徴は、図２に示す検出用構造体の変形態様の特徴と、実質的には同じであり、この図２３に示す力覚センサにおいても、図１７に示すＡ系統信号処理手段３５ＡおよびＢ系統信号処理手段３５Ｂを用いることにより、受力部５１０に加えられた外力のＺ軸方向の力成分Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを算出することができる。
すなわち、８組の容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂと表した場合、Ａ系統信号処理手段３５Ａは、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ＋Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ）
ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｃ３Ａ−Ｃ４Ａ）
ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｃ１Ａ−Ｃ２Ａ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、３軸成分ＦｚＡ，ＭｘＡ，ＭｙＡを示すＡ系統検出値を出力することができる。
同様に、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂは、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ＋Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）
ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｃ３Ｂ−Ｃ４Ｂ）
ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｃ１Ｂ−Ｃ２Ｂ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、３軸成分ＦｚＢ，ＭｘＢ，ＭｙＢを示すＢ系統検出値を出力することができる。なお、比較手段４５の処理動作は、これまで述べてきた実施例と同じである。
＜３−４．変形例の組み合わせ＞
これまで、§２−１〜§２−５において本発明の基本的な実施形態を述べ、§３−１〜§３−３においてその変形例を述べた。もちろん、これらの実施形態や変形例は、必要に応じて相互に組み合わせて適用することも可能である。
図２４に示す組み合わせ例は、§３−３で述べた変形例（図２３に示す力覚センサ）における容量素子の配置について、§３−１で述べた変形例を適用した例である。すなわち、図２３に示す力覚センサと図２４に示す力覚センサとの相違は、８組の容量素子の配置のみである。
具体的には、図２３に示す力覚センサでは、図１６に示す力覚センサと同様に、Ａ系統検出素子を各検出点の外側の近傍部分に配置し、Ｂ系統検出素子を各検出点の内側の近傍部分に配置する、という方針を採用したものであるのに対して、図２４に示す力覚センサでは、図１９に示す力覚センサと同様に、Ｘ軸もしくはＹ軸を挟んだ両側に、それぞれＡ系統検出素子とＢ系統検出素子とを隣接配置する、という方針を採用したものである。
図２３に示す力覚センサと図２４に示す力覚センサとは、用いる検出用構造体やｎ個の検出点の配置に関しては何ら変わりはない。いずれも、局在ダイアフラム部の数ｍおよび検出点の数ｎを４に設定した例であり、４組の局在ダイアフラム部４２１〜４２４の下面中央に、それぞれ１つずつ検出点Ｐ２１〜Ｐ２４が定義されている。また、検出素子を容量素子によって構成するために、４組の電極支持基板６０１〜６０４が設けられている点も変わりはない。
したがって、各局在ダイアフラム部４２１〜４２４の下面位置に共通の検出基準面を設定し、Ｘ軸およびＹ軸を当該検出基準面に投影して得られるＸ軸投影像およびＹ軸投影像を定義し、当該検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円Ｇ２を描けば、第１番目の検出点Ｐ２１は正のＸ軸投影像と検出基準円Ｇ２との交点に位置し、第２番目の検出点Ｐ２２は負のＸ軸投影像と検出基準円Ｇ２との交点に位置し、第３番目の検出点Ｐ２３は正のＹ軸投影像と検出基準円Ｇ２との交点に位置し、第４番目の検出点Ｐ２４は負のＹ軸投影像と検出基準円Ｇ２との交点に位置している。
そして、第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ２１の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ２１の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。同様に、第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ２２の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ２２の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。
また、第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ２３の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ２３の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。更に、第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ２４の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ２４の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出する。
特に、図２４に示す実施例は、検出素子として容量素子を用いた例であり、各容量素子は、局在ダイアフラム部４２１〜４２４の下面に固定された変位電極Ｅ２１Ａ〜Ｅ２４Ａ，Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２４Ｂと、電極支持基板６０１〜６０４の上面に固定された固定電極Ｅ１１Ａ〜Ｅ１４Ａ，Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１４Ｂ（各変位電極Ｅ２１Ａ〜Ｅ２４Ａ，Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２４Ｂに対向するように配置された電極）とによって構成され、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有する。このような８組の容量素子の配置は、図１９に示す力覚センサにおける８組の容量素子の配置に対応するものである。
具体的には、第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ２１の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ１Ａからなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点Ｐ２１の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ１Ｂからなる。同様に、第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ２２の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ２Ａからなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点Ｐ２２の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ２Ｂからなる。
また、第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ２３の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ３Ａからなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点Ｐ２３の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ３Ｂからなる。更に、第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ２４の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ４Ａからなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点Ｐ２４の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ４Ｂからなる。
この図２４に示す力覚センサにおいても、図１７に示すＡ系統信号処理手段３５ＡおよびＢ系統信号処理手段３５Ｂを用いることにより、受力部５１０に加えられた外力のＺ軸方向の力成分Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを算出することができる。
すなわち、８組の容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂと表した場合、Ａ系統信号処理手段３５Ａは、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ＋Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ）
ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｃ３Ａ−Ｃ４Ａ）
ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｃ１Ａ−Ｃ２Ａ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、３軸成分ＦｚＡ，ＭｘＡ，ＭｙＡを示すＡ系統検出値を出力することができる。
同様に、Ｂ系統信号処理手段３５Ｂは、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ＋Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）
ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｃ３Ｂ−Ｃ４Ｂ）
ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｃ１Ｂ−Ｃ２Ｂ）
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、３軸成分ＦｚＢ，ＭｘＢ，ＭｙＢを示すＢ系統検出値を出力することができる。なお、比較手段４５の処理動作は、これまで述べてきた実施例と同じである。
この図２４に示す力覚センサの場合、図１９に示す力覚センサと同様に、§３−２で説明した補助系統信号処理を加えた変形例を適用することも可能である。その場合は、図２０に示す例のように、Ａ系統信号処理手段３５ＡおよびＢ系統信号処理手段３５Ｂの他に、更に、補助系統信号処理手段３５Ｃを加えればよい。この補助系統信号処理手段３５Ｃは、§３−２で説明したとおり、所定の符号付き比例係数Ｋ２Ｃ，Ｋ３Ｃを用いて、
ＭｘＣ＝Ｋ２Ｃ×（（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ）−（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ））
ＭｙＣ＝Ｋ３Ｃ×（（Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）−（Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ））
なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘＣおよびＹ軸まわりのモーメント成分ＭｙＣを示す補助系統検出値Ｃを出力する構成要素である。
このように、補助系統検出値Ｃを算出するようにすれば、比較手段４５は、Ａ系統検出値ＡとＢ系統検出値Ｂとの差分ｄに加えて、更に、Ａ系統検出値Ａと補助系統検出値Ｃとの差分ｄＡおよびＢ系統検出値Ｂと補助系統検出値Ｃとの差分ｄＢを求め、差分ｄ，ｄＡ，ｄＢのいずれかが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力することができる。また、差分ｄ，ｄＡ，ｄＢを利用して、より適切な値を最終検出値として出力することも可能になる。このような処理の詳細は、既に§３−２で説明したとおりである。
以上、本発明に係る力覚センサを、作用した外力のＺ軸方向の力成分Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙの３軸成分を検出するセンサの実施例について説明したが、もちろん、本発明はこのような３軸検出用の力覚センサに限定されるものではなく、たとえば、前掲の特許文献５に開示されているような６軸検出用の力覚センサや、前掲の特許文献６に開示されているようなトルクセンサ（モーメント成分Ｍｚのみを検出する１軸検出用の力覚センサ）に適用することもできる。
なお、図２１に示すｍ組の局在ダイアフラム部を有する検出用構造体は、前掲の特許文献５に開示されている６軸検出用の力覚センサの検出用構造体としても利用可能である。したがって、実用上、当該６軸検出用の力覚センサの製造ラインを利用して、図２３や図２４に示す力覚センサを製造することが可能である。
１０，１０Ａ，１０Ｂ：検出用構造体
２０，２０Ａ，２０Ｂ：検出素子
２５Ａ：Ａ系統検出素子
２５Ｂ：Ｂ系統検出素子
３０，３０Ａ，３０Ｂ：信号処理手段
３５Ａ：Ａ系統信号処理手段
３５Ｂ：Ｂ系統信号処理手段
３５Ｃ：補助系統信号処理手段
４０：比較手段
４５：比較手段
１００，１００′：下部構造体
１１０：支持部
１２０：弾性変形部（ダイアフラム部）
１２１〜１２４：弾性変形部（橋梁部）
１２５：中央部
２００：上部構造体
２１０：受力部
２２０：力伝達部
３００：電極支持基板
４００：下部構造体
４１０：支持部
４２１〜４２４：弾性変形部（局在ダイアフラム部）
５００：上部構造体
５１０：受力部
５２１〜５２４：力伝達部
６０１〜６０４：電極支持基板
Ａ：Ａ系統検出値
Ｂ：Ｂ系統検出値
Ｃ：補助系統検出値
Ｃ１〜Ｃ４：容量素子（その静電容量値）
Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ：Ａ系統容量素子（その静電容量値）
Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂ：Ｂ系統容量素子（その静電容量値）
Ｄ１〜Ｄ４：検出素子（そこから得られる検出信号の値）
Ｄ１Ａ〜Ｄ４Ａ：Ａ系統検出素子（そこから得られる検出信号の値）
Ｄ１Ｂ〜Ｄ４Ｂ：Ｂ系統検出素子（そこから得られる検出信号の値）
ｄ，ｄＡ，ｄＢ：差分
Ｅ１１〜Ｅ１４：固定電極
Ｅ１１Ａ〜Ｅ１４Ａ：Ａ系統固定電極
Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１４Ｂ：Ｂ系統固定電極
Ｅ２１〜Ｅ２４：変位電極
Ｅ２１Ａ〜Ｅ２４Ａ：Ａ系統変位電極
Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２４Ｂ：Ｂ系統変位電極
Ｆｚ：外力のＺ軸方向の力成分
ＦｚＡ：外力のＺ軸方向の力成分のＡ系統検出値
ＦｚＢ：外力のＺ軸方向の力成分のＢ系統検出値
Ｇ１，Ｇ２：検出基準円
Ｈ，Ｈ１〜Ｈ４：溝
Ｋ１〜Ｋ３：比例係数
Ｋ１Ａ〜Ｋ３Ａ：Ａ系統用比例係数
Ｋ１Ｂ〜Ｋ３Ｂ：Ｂ系統用比例係数
Ｋ２Ｃ，Ｋ３Ｃ：補助系統用比例係数
Ｍｘ：外力のＸ軸まわりのモーメント成分
ＭｘＡ：外力のＸ軸まわりのモーメント成分のＡ系統検出値
ＭｘＢ：外力のＸ軸まわりのモーメント成分のＢ系統検出値
Ｍｙ：外力のＹ軸まわりのモーメント成分
ＭｙＡ：外力のＹ軸まわりのモーメント成分のＡ系統検出値
ＭｙＢ：外力のＹ軸まわりのモーメント成分のＢ系統検出値
Ｏ：ＸＹＺ三次元直交座標系の原点
Ｐ１〜Ｐ４：検出点
Ｐ１１〜Ｐ１４：検出点
Ｐ２１〜Ｐ２４：検出点
Ｒ１〜Ｒ４：ピエゾ抵抗素子（その抵抗値）
Ｒ１Ａ〜Ｒ４Ａ：Ａ系統ピエゾ抵抗素子
Ｒ１Ｂ〜Ｒ４Ｂ：Ｂ系統ピエゾ抵抗素子
Ｓ１〜Ｓ１０：流れ図の各ステップ
ＳＡ：第１のセンサ
ＳＢ：第２のセンサ
Ｔ：許容値
ＶＡ：第１のセンサの検出値
ＶＢ：第２のセンサの検出値
Ｘ：ＸＹＺ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
Ｚ：ＸＹＺ三次元直交座標系の座標軸

Claims (32)

  1. 作用した外力の所定方向成分を検出する力覚センサであって、
    力の作用により弾性変形を生じる弾性変形部と、この弾性変形部を支持する支持部と、検出対象となる外力を受ける受力部と、この受力部に加えられた外力を前記弾性変形部の所定箇所に伝達する力伝達部と、を有する検出用構造体と、
    前記弾性変形部の所定位置に定義された複数ｎ個の各検出点の第１の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出するｎ個のＡ系統検出素子と、
    前記ｎ個の各検出点の前記第１の近傍部分とは異なる第２の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出するｎ個のＢ系統検出素子と、
    を備え、
    任意のｉ（１≦ｉ≦ｎ）について、第ｉ番目のＡ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第１の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、第ｉ番目のＢ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第２の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、
    更に、
    前記ｎ個のＡ系統検出素子によって検出された電気的な検出信号に基づいて、前記受力部に加えられた外力の前記所定方向成分を示すＡ系統検出値を出力するＡ系統信号処理手段と、
    前記ｎ個のＢ系統検出素子によって検出された電気的な検出信号に基づいて、前記受力部に加えられた外力の前記所定方向成分を示すＢ系統検出値を出力するＢ系統信号処理手段と、
    前記Ａ系統検出値と前記Ｂ系統検出値とを比較し、両者の差分ｄを求め、前記Ａ系統検出値もしくは前記Ｂ系統検出値またはこれら両者に基づいて算出された所定の算出値を最終検出値として出力するとともに、前記差分ｄが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力する比較手段と、
    を備えることを特徴とする力覚センサ。
  2. 請求項１に記載の力覚センサにおいて、
    ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、検出用構造体が、
    Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面に沿って延びる薄板状のダイアフラム部によって構成された弾性変形部と、この弾性変形部の周囲を支持固定する環状構造体によって構成された支持部と、を有する下部構造体と、
    前記弾性変形部の上方に所定距離をおいてＺ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、前記受力部の下面中央と前記弾性変形部の上面中央とをＺ軸に沿って接続する力伝達部と、を有する上部構造体と、
    を備えることを特徴とする力覚センサ。
  3. 請求項１に記載の力覚センサにおいて、
    ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、検出用構造体が、
    Ｚ軸上に位置する中央部と、前記中央部からＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面に沿って放射状に延びる複数本の薄板状の橋梁部と、を有する弾性変形部と、この弾性変形部の周囲を支持固定する環状構造体によって構成された支持部と、を有する下部構造体と、
    前記弾性変形部の上方に所定距離をおいてＺ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、前記受力部の下面中央と前記中央部の上面とをＺ軸に沿って接続する力伝達部と、を有する上部構造体と、
    を備えることを特徴とする力覚センサ。
  4. 請求項３に記載の力覚センサにおいて、
    弾性変形部が、中央部からＸ軸正方向に向かって延びる薄板状の第１橋梁部と、中央部からＸ軸負方向に向かって延びる薄板状の第２橋梁部と、中央部からＹ軸正方向に向かって延びる薄板状の第３橋梁部と、中央部からＹ軸負方向に向かって延びる薄板状の第４橋梁部と、を有することを特徴とする力覚センサ。
  5. 請求項１に記載の力覚センサにおいて、
    ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、検出用構造体が、Ｚ軸を中心軸としてＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面に沿って延びる基板によって構成された下部構造体と、この下部構造体の上方に配置された上部構造体と、を備えており、
    前記下部構造体を構成する基板には、複数ｍ箇所にＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面に沿った方向に延びる薄板状の局在ダイアフラム部が形成されており、前記下部構造体のうち、これらｍ組の局在ダイアフラム部の部分が弾性変形部を構成し、それ以外の部分が支持部を構成しており、
    前記上部構造体は、前記下部構造体を構成する基板の上方に所定距離をおいてＺ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、前記受力部の下面の所定箇所と前記ｍ組のダイアフラム部の上面中央とを接続するｍ組の力伝達部と、を有していることを特徴とする力覚センサ。
  6. 請求項５に記載の力覚センサにおいて、
    ｍ＝４に設定することにより、下部構造体を構成する基板には、４箇所にＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面に沿った方向に延びる薄板状の局在ダイアフラム部が形成されており、各局在ダイアフラム部の下面は共通の検出基準面に含まれ、
    上部構造体は、下部構造体を構成する基板の上方に所定距離をおいてＺ軸が中心軸となるように配置された板状基板によって構成された受力部と、前記受力部の下面と前記４組の局在ダイアフラム部の上面とを接続する４組の力伝達部と、を有しており、
    前記４組の力伝達部のうち、第１の力伝達部は、正のＸ軸と交差するＺ軸に平行な直線に沿って、前記受力部の下面の所定位置と第１の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続し、第２の力伝達部は、負のＸ軸と交差するＺ軸に平行な直線に沿って、前記受力部の下面の所定位置と第２の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続し、第３の力伝達部は、正のＹ軸と交差するＺ軸に平行な直線に沿って、前記受力部の下面の所定位置と第３の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続し、第４の力伝達部は、負のＹ軸と交差するＺ軸に平行な直線に沿って、前記受力部の下面の所定位置と第４の局在ダイアフラム部の上面中央とを接続していることを特徴とする力覚センサ。
  7. 請求項２〜６のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
    ＸＹ平面もしくはＸＹ平面に平行な平面上に検出基準面を定義し、この検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、ｎ個の検出点がすべて前記検出基準円上に配置されていることを特徴とする力覚センサ。
  8. 請求項７に記載の力覚センサにおいて、
    各検出点について、Ｚ軸から遠い側を外側、Ｚ軸に近い側を内側と呼んだときに、任意のｉ（１≦ｉ≦ｎ）について、
    第ｉ番目のＡ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の外側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出し、
    第ｉ番目のＢ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の内側の近傍部分の撓みもしくは変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
  9. 請求項１〜８のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
    ｎ個のＡ系統検出素子の一部もしくは全部によって検出された電気的な検出信号と、ｎ個のＢ系統検出素子の一部もしくは全部によって検出された電気的な検出信号と、の双方に基づいて、受力部に加えられた外力の所定方向成分を示す補助系統検出値を出力する補助系統信号処理手段を更に備え、
    比較手段が、Ａ系統検出値とＢ系統検出値との差分ｄに加えて、更に、Ａ系統検出値と補助系統検出値との差分ｄＡおよびＢ系統検出値と補助系統検出値との差分ｄＢを求め、前記差分ｄ，ｄＡ，ｄＢのいずれかが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力することを特徴とする力覚センサ。
  10. 請求項９に記載の力覚センサにおいて、
    比較手段が、ｄＡ＜ｄＢの場合はＡ系統検出値を最終検出値として出力し、ｄＡ＞ｄＢの場合はＢ系統検出値を最終検出値として出力し、ｄＡ＝ｄＢの場合はＡ系統検出値またはＢ系統検出値を最終検出値として出力することを特徴とする力覚センサ。
  11. 請求項９または１０に記載の力覚センサにおいて、
    比較手段が、差分ｄ，ｄＡ，ｄＢのうちの２つが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、当該２つの差分の算出にともに関与した検出値を誤検出値と推定し、この誤検出値を除く２つの検出値の一方またはこれら両方に基づいて算出された所定の算出値を最終検出値として出力する例外処理を行うことを特徴とする力覚センサ。
  12. 請求項１〜８のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
    比較手段が、Ａ系統検出値およびＢ系統検出値について、所定の許容レンジ内であるか否かを判定し、当該許容レンジを超えていた場合は、レンジアウトエラーを出力することを特徴とする力覚センサ。
  13. 請求項１２に記載の力覚センサにおいて、
    比較手段が、Ａ系統検出値のみが許容レンジを超えていた場合は、Ｂ系統検出値を最終検出値として出力し、Ｂ系統検出値のみが許容レンジを超えていた場合は、Ａ系統検出値を最終検出値として出力し、Ａ系統検出値およびＢ系統検出値の双方が許容レンジを超えていた場合は、許容レンジ内の所定のダミー値を最終検出値として出力することを特徴とする力覚センサ。
  14. 請求項１〜８のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
    比較手段が、Ａ系統検出値およびＢ系統検出値の平均値を算出し、当該平均値を最終検出値として出力することを特徴とする力覚センサ。
  15. 請求項１〜１４のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
    任意のｉ（１≦ｉ≦ｎ）について、
    第ｉ番目のＡ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第１の近傍部分に配置されたピエゾ抵抗素子によって構成され、当該近傍部分に生じた撓みを電気抵抗値の変化として示す検出信号を出力し、
    第ｉ番目のＢ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第２の近傍部分に配置されたピエゾ抵抗素子によって構成され、当該近傍部分に生じた撓みを電気抵抗値の変化として示す検出信号を出力することを特徴とする力覚センサ。
  16. 請求項１〜１４のいずれかに記載の力覚センサにおいて、
    任意のｉ（１≦ｉ≦ｎ）について、
    第ｉ番目のＡ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第１の近傍部分に配置された第ｉ番目のＡ系統変位電極と、この第ｉ番目のＡ系統変位電極に対向するように支持部に固定された第ｉ番目のＡ系統固定電極と、を有する第ｉ番目のＡ系統容量素子によって構成され、当該第１の近傍部分に生じた変位を静電容量値の変化として示す検出信号を出力し、
    第ｉ番目のＢ系統検出素子は、第ｉ番目の検出点の第２の近傍部分に配置された第ｉ番目のＢ系統変位電極と、この第ｉ番目のＢ系統変位電極に対向するように支持部に固定された第ｉ番目のＢ系統固定電極と、を有する第ｉ番目のＢ系統容量素子によって構成され、当該第２の近傍部分に生じた変位を静電容量値の変化として示す検出信号を出力することを特徴とする力覚センサ。
  17. 請求項２または４に記載の力覚センサにおいて、
    ダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に検出基準面を定義し、Ｘ軸およびＹ軸を前記検出基準面に投影して得られるＸ軸投影像およびＹ軸投影像を定義したときに、
    ｎ＝４に設定することにより前記検出基準面上に４個の検出点が定義されており、前記検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、第１番目の検出点は正のＸ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第２番目の検出点は負のＸ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第３番目の検出点は正のＹ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第４番目の検出点は負のＹ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、
    各検出点について、Ｚ軸から遠い側を外側、Ｚ軸に近い側を内側と呼んだときに、
    第１番目のＡ系統検出素子は、前記第１番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第１番目のＢ系統検出素子は、前記第１番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、
    第２番目のＡ系統検出素子は、前記第２番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第２番目のＢ系統検出素子は、前記第２番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、
    第３番目のＡ系統検出素子は、前記第３番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第３番目のＢ系統検出素子は、前記第３番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、
    第４番目のＡ系統検出素子は、前記第４番目の検出点の外側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出し、第４番目のＢ系統検出素子は、前記第４番目の検出点の内側の近傍部分に生じた撓みもしくは変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
  18. 請求項１７に記載の力覚センサにおいて、
    各検出素子はダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に埋め込まれたピエゾ抵抗素子によって構成されており、各ピエゾ抵抗素子は、埋め込まれた位置に生じた撓みを電気抵抗値の変化として出力する機能を有し、
    第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の外側にＸ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ１Ａからなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の内側にＸ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ１Ｂからなり、
    第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の外側にＸ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ２Ａからなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の内側にＸ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ２Ｂからなり、
    第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の外側にＹ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ３Ａからなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の内側にＹ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ３Ｂからなり、
    第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の外側にＹ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ４Ａからなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の内側にＹ軸投影像に沿って配置されたピエゾ抵抗素子Ｒ４Ｂからなることを特徴とする力覚センサ。
  19. 請求項１８に記載の力覚センサにおいて、
    ８組のピエゾ抵抗素子Ｒ１Ａ〜Ｒ４Ａ，Ｒ１Ｂ〜Ｒ４Ｂの抵抗値をそれぞれ同じ符号を用いてＲ１Ａ〜Ｒ４Ａ，Ｒ１Ｂ〜Ｒ４Ｂと表したときに、
    Ａ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
    ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｒ１Ａ＋Ｒ２Ａ＋Ｒ３Ａ＋Ｒ４Ａ）
    ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｒ３Ａ−Ｒ４Ａ）
    ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｒ１Ａ−Ｒ２Ａ）
    なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＡ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＡ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＡを示すＡ系統検出値を出力し、
    Ｂ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
    ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｒ１Ｂ＋Ｒ２Ｂ＋Ｒ３Ｂ＋Ｒ４Ｂ）
    ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｒ３Ｂ−Ｒ４Ｂ）
    ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｒ１Ｂ−Ｒ２Ｂ）
    なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＢ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＢ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＢを示すＢ系統検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
  20. 請求項１７に記載の力覚センサにおいて、
    各検出素子はダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
    第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ１Ａからなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ１Ｂからなり、
    第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ２Ａからなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ２Ｂからなり、
    第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ３Ａからなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ３Ｂからなり、
    第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ４Ａからなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ４Ｂからなることを特徴とする力覚センサ。
  21. 請求項２０に記載の力覚センサにおいて、
    ８組の容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂと表したときに、
    Ａ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
    ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ＋Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ）
    ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｃ３Ａ−Ｃ４Ａ）
    ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｃ１Ａ−Ｃ２Ａ）
    なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＡ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＡ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＡを示すＡ系統検出値を出力し、
    Ｂ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
    ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ＋Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）
    ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｃ３Ｂ−Ｃ４Ｂ）
    ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｃ１Ｂ−Ｃ２Ｂ）
    なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＢ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＢ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＢを示すＢ系統検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
  22. 請求項２または４に記載の力覚センサにおいて、
    ダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に検出基準面を定義し、Ｘ軸およびＹ軸を前記検出基準面に投影して得られるＸ軸投影像およびＹ軸投影像を定義したときに、
    ｎ＝４に設定することにより前記検出基準面上に４個の検出点が定義されており、前記検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、第１番目の検出点は正のＸ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第２番目の検出点は負のＸ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第３番目の検出点は正のＹ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第４番目の検出点は負のＹ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、
    第１番目のＡ系統検出素子は、前記第１番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第１番目のＢ系統検出素子は、前記第１番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
    第２番目のＡ系統検出素子は、前記第２番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第２番目のＢ系統検出素子は、前記第２番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
    第３番目のＡ系統検出素子は、前記第３番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第３番目のＢ系統検出素子は、前記第３番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
    第４番目のＡ系統検出素子は、前記第４番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第４番目のＢ系統検出素子は、前記第４番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
  23. 請求項２２に記載の力覚センサにおいて、
    各検出素子はダイアフラム部または各橋梁部の上面もしくは下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
    第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ１Ａからなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ１Ｂからなり、
    第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ２Ａからなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ２Ｂからなり、
    第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ３Ａからなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ３Ｂからなり、
    第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ４Ａからなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ４Ｂからなることを特徴とする力覚センサ。
  24. 請求項２３に記載の力覚センサにおいて、
    ８組の容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂと表したときに、
    Ａ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
    ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ＋Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ）
    ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｃ３Ａ−Ｃ４Ａ）
    ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｃ１Ａ−Ｃ２Ａ）
    なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＡ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＡ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＡを示すＡ系統検出値を出力し、
    Ｂ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
    ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ＋Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）
    ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｃ３Ｂ−Ｃ４Ｂ）
    ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｃ１Ｂ−Ｃ２Ｂ）
    なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＢ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＢ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＢを示すＢ系統検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
  25. 請求項２４に記載の力覚センサにおいて、
    所定の符号付き比例係数Ｋ２Ｃ，Ｋ３Ｃを用いて、
    ＭｘＣ＝Ｋ２Ｃ×（（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ）−（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ））
    ＭｙＣ＝Ｋ３Ｃ×（（Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）−（Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ））
    なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘＣおよびＹ軸まわりのモーメント成分ＭｙＣを示す補助系統検出値を出力する補助系統信号処理手段を更に有し、
    比較手段が、Ａ系統検出値とＢ系統検出値との差分ｄに加えて、更に、Ａ系統検出値と補助系統検出値との差分ｄＡおよびＢ系統検出値と補助系統検出値との差分ｄＢを求め、前記差分ｄ，ｄＡ，ｄＢのいずれかが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力することを特徴とする力覚センサ。
  26. 請求項６に記載の力覚センサにおいて、
    Ｘ軸およびＹ軸を検出基準面に投影して得られるＸ軸投影像およびＹ軸投影像を定義し、前記検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、
    ｎ＝４に設定することにより、各局在ダイアフラム部の下面中央にそれぞれ１つの検出点が定義されており、第１番目の検出点は正のＸ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第２番目の検出点は負のＸ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第３番目の検出点は正のＹ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第４番目の検出点は負のＹ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、
    各検出点について、Ｚ軸から遠い側を外側、Ｚ軸に近い側を内側と呼んだときに、
    第１番目のＡ系統検出素子は、前記第１番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第１番目のＢ系統検出素子は、前記第１番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
    第２番目のＡ系統検出素子は、前記第２番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第２番目のＢ系統検出素子は、前記第２番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
    第３番目のＡ系統検出素子は、前記第３番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第３番目のＢ系統検出素子は、前記第３番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
    第４番目のＡ系統検出素子は、前記第４番目の検出点の外側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第４番目のＢ系統検出素子は、前記第４番目の検出点の内側の近傍部分に生じた変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
  27. 請求項２６に記載の力覚センサにおいて、
    各検出素子は各局在ダイアフラム部の下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
    第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ１Ａからなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ１Ｂからなり、
    第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ２Ａからなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ２Ｂからなり、
    第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ３Ａからなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ３Ｂからなり、
    第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の外側に配置された容量素子Ｃ４Ａからなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の内側に配置された容量素子Ｃ４Ｂからなることを特徴とする力覚センサ。
  28. 請求項２７に記載の力覚センサにおいて、
    ８組の容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂと表したときに、
    Ａ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
    ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ＋Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ）
    ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｃ３Ａ−Ｃ４Ａ）
    ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｃ１Ａ−Ｃ２Ａ）
    なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＡ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＡ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＡを示すＡ系統検出値を出力し、
    Ｂ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
    ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ＋Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）
    ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｃ３Ｂ−Ｃ４Ｂ）
    ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｃ１Ｂ−Ｃ２Ｂ）
    なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＢ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＢ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＢを示すＢ系統検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
  29. 請求項６に記載の力覚センサにおいて、
    Ｘ軸およびＹ軸を検出基準面に投影して得られるＸ軸投影像およびＹ軸投影像を定義し、前記検出基準面上にＺ軸を中心とした検出基準円を描いたときに、
    ｎ＝４に設定することにより、各局在ダイアフラム部の下面中央にそれぞれ１つの検出点が定義されており、第１番目の検出点は正のＸ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第２番目の検出点は負のＸ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第３番目の検出点は正のＹ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、第４番目の検出点は負のＹ軸投影像と前記検出基準円との交点に位置し、
    第１番目のＡ系統検出素子は、前記第１番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第１番目のＢ系統検出素子は、前記第１番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
    第２番目のＡ系統検出素子は、前記第２番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第２番目のＢ系統検出素子は、前記第２番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
    第３番目のＡ系統検出素子は、前記第３番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第３番目のＢ系統検出素子は、前記第３番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、
    第４番目のＡ系統検出素子は、前記第４番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出し、第４番目のＢ系統検出素子は、前記第４番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に生じた変位を電気的に検出することを特徴とする力覚センサ。
  30. 請求項２９に記載の力覚センサにおいて、
    各検出素子は各局在ダイアフラム部の下面に固定された変位電極と、この変位電極に対向するように支持部に固定された固定電極と、を有する容量素子によって構成されており、各容量素子は、変位電極が固定された位置に生じた変位を静電容量値の変化として出力する機能を有し、
    第１番目のＡ系統検出素子は、第１番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ１Ａからなり、第１番目のＢ系統検出素子は、第１番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ１Ｂからなり、
    第２番目のＡ系統検出素子は、第２番目の検出点の、Ｙ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ２Ａからなり、第２番目のＢ系統検出素子は、第２番目の検出点の、Ｙ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ２Ｂからなり、
    第３番目のＡ系統検出素子は、第３番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ３Ａからなり、第３番目のＢ系統検出素子は、第３番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ３Ｂからなり、
    第４番目のＡ系統検出素子は、第４番目の検出点の、Ｘ座標値が負となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ４Ａからなり、第４番目のＢ系統検出素子は、第４番目の検出点の、Ｘ座標値が正となる近傍部分に配置された容量素子Ｃ４Ｂからなることを特徴とする力覚センサ。
  31. 請求項３０に記載の力覚センサにおいて、
    ８組の容量素子Ｃ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂの静電容量値をそれぞれ同じ符号を用いてＣ１Ａ〜Ｃ４Ａ，Ｃ１Ｂ〜Ｃ４Ｂと表したときに、
    Ａ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ａ，Ｋ２Ａ，Ｋ３Ａを用いて、
    ＦｚＡ＝Ｋ１Ａ×（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ＋Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ）
    ＭｘＡ＝Ｋ２Ａ×（Ｃ３Ａ−Ｃ４Ａ）
    ＭｙＡ＝Ｋ３Ａ×（Ｃ１Ａ−Ｃ２Ａ）
    なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＡ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＡ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＡを示すＡ系統検出値を出力し、
    Ｂ系統信号処理手段が、所定の符号付き比例係数Ｋ１Ｂ，Ｋ２Ｂ，Ｋ３Ｂを用いて、
    ＦｚＢ＝Ｋ１Ｂ×（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ＋Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）
    ＭｘＢ＝Ｋ２Ｂ×（Ｃ３Ｂ−Ｃ４Ｂ）
    ＭｙＢ＝Ｋ３Ｂ×（Ｃ１Ｂ−Ｃ２Ｂ）
    なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＺ軸方向の力成分ＦｚＢ、Ｘ軸まわりのモーメント成分ＭｘＢ、Ｙ軸まわりのモーメント成分ＭｙＢを示すＢ系統検出値を出力することを特徴とする力覚センサ。
  32. 請求項３１に記載の力覚センサにおいて、
    所定の符号付き比例係数Ｋ２Ｃ，Ｋ３Ｃを用いて、
    ＭｘＣ＝Ｋ２Ｃ×（（Ｃ１Ａ＋Ｃ２Ａ）−（Ｃ１Ｂ＋Ｃ２Ｂ））
    ＭｙＣ＝Ｋ３Ｃ×（（Ｃ３Ｂ＋Ｃ４Ｂ）−（Ｃ３Ａ＋Ｃ４Ａ））
    なる演算処理もしくは当該演算処理に相当する信号処理を行うことによって、受力部に加えられた外力のＸ軸まわりのモーメント成分ＭｘＣおよびＹ軸まわりのモーメント成分ＭｙＣを示す補助系統検出値を出力する補助系統信号処理手段を更に有し、
    比較手段が、Ａ系統検出値とＢ系統検出値との差分ｄに加えて、更に、Ａ系統検出値と補助系統検出値との差分ｄＡおよびＢ系統検出値と補助系統検出値との差分ｄＢを求め、前記差分ｄ，ｄＡ，ｄＢのいずれかが所定の許容値Ｔを超えていた場合には、差分エラーを出力することを特徴とする力覚センサ。
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