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技術 力検出装置

出願人 株式会社ワコー
発明者 永井努岡田和廣
出願日 2008年4月18日 (12年8ヶ月経過) 出願番号 2008-108855
公開日 2009年11月5日 (11年1ヶ月経過) 公開番号 2009-257992
状態 特許登録済
技術分野 特定の目的に適した力の測定
主要キーワード 周囲輪郭 変化分δ 傾斜度θ 平底部 デジタル演算器 各柱状体 円柱突起 各静電容量値
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2009年11月5日)のものです。
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図面 (20)

課題

単純な構造で、他軸成分の干渉を排除し、各軸方向の力と各軸まわりモーメントを独立して検出する。

解決手段

検出対象となる力を受ける受力体10の下方に支持基板20を配置し、両者間に4本の柱状体11〜14を接続する。各柱状体11〜14の上下両端には、可撓性をもった接続部材を介挿し、受力体10が力を受けて変位したときに、柱状体11〜14が傾斜できるようにする。各柱状体11〜14のX軸もしくはY軸方向への傾斜度およびZ軸方向への変位をセンサ21〜24で検出する。この検出結果に基づき、検出回路30が、力Fx,Fy,Fz、モーメントMx,My,Mzを求める。力Fxは、各柱状体のX軸方向への傾斜度に基づいて算出されるが、柱状体11,12のZ軸方向への変位に基づいて算出されたモーメントMyの値に基づいて補正され、My成分の干渉は排除される。

概要

背景

ロボット産業機械動作制御を行うために、種々のタイプの力検出装置が利用されている。また、電子機器入力装置マンマシンインターフェイスとしても、小型の力検出装置が組み込まれている。このような用途に用いる力検出装置には、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。

一般に、力検出装置の検出対象には、所定の座標軸方向を向いた力成分と、所定の座標軸まわりのモーメント成分とがある。三次元空間内にXYZ三次元座標系を定義した場合、検出対象は、各座標軸方向の力成分Fx,Fy,Fzと、各座標軸まわりのモーメント成分Mx,My,Mzとの6つの成分になる。

このような6つの力成分をそれぞれ独立して検出することができる力検出装置として、たとえば、下記の特許文献1には、比較的単純な構造をもった装置が開示されている。この特許文献1に開示された技術は、既に米国特許第6915709号・米国特許第7121147号・欧州特許第1464939号が付与されている技術であり、受力体支持基板とを複数の柱状体で接続した構造物を用意し、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定することにより、受力体に加わった力の各成分を検出するものである。また、下記の特許文献2に開示されている技術も、既に米国特許第7219561号が付与されている技術である。この技術によれば、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定するセンサとして静電容量素子を用い、この静電容量素子を構成する特定の電極間配線を施すことにより、受力体に加わった力の各成分を検出するための演算単純化することが可能になる。
特開2004−354049号公報
特開2004−325367号公報

概要

単純な構造で、他軸成分の干渉を排除し、各軸方向の力と各軸まわりモーメントを独立して検出する。検出対象となる力を受ける受力体10の下方に支持基板20を配置し、両者間に4本の柱状体11〜14を接続する。各柱状体11〜14の上下両端には、可撓性をもった接続部材を介挿し、受力体10が力を受けて変位したときに、柱状体11〜14が傾斜できるようにする。各柱状体11〜14のX軸もしくはY軸方向への傾斜度およびZ軸方向への変位をセンサ21〜24で検出する。この検出結果に基づき、検出回路30が、力Fx,Fy,Fz、モーメントMx,My,Mzを求める。力Fxは、各柱状体のX軸方向への傾斜度に基づいて算出されるが、柱状体11,12のZ軸方向への変位に基づいて算出されたモーメントMyの値に基づいて補正され、My成分の干渉は排除される。

目的

上述したとおり、特許文献1および2に開示されている力検出装置は、比較的単純な構造により、各座標軸方向の力成分Fx,Fy,Fzと、各座標軸まわりのモーメント成分Mx,My,Mzとの6つの成分をそれぞれ独立して検出することが可能である。しかしながら、実用上は、他軸成分の干渉を完全に排除した状態で、必要な成分のみの正確な測定値を得ることは困難であり、他軸成分の干渉による測定精度の低下は避けられない。もちろん、このような他軸成分の干渉程度が、個々の用途に応じた許容誤差範囲内であれば支障はないが、最近は、様々な利用分野において、より測定精度の高い力検出装置が望まれている。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための第1の柱状体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための第2の柱状体と、を備え、前記支持基板を固定した状態において、前記受力体に作用した力を検出する力検出装置であって、前記第1の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続され、前記第1の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して前記支持基板に接続され、前記第2の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続され、前記第2の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して前記支持基板に接続され、XY平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、前記第1の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、前記第2の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、前記第1の柱状体の下端近傍に配置され、前記第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第1の柱状体全体から前記支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第1のセンサと、前記第2の柱状体の下端近傍に配置され、前記第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第2の柱状体全体から前記支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第2のセンサと、前記第1のセンサの検出結果と前記第2のセンサの検出結果とに基づいて、前記受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを求め、これを出力する処理を行う検出回路と、を更に備え、前記検出回路は、前記第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と前記第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx*を求める演算機能と、前記第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と前記第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との差Myを求める演算機能と、所定の係数αを用いた演算式「Fx=Fx*−α・My」に基づいて、前記受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを求める演算機能と、を有し、前記係数αが、Y軸まわりモーメントのみが作用した環境下で得られる前記和Fx*の値Fx*(0)および前記差Myの値My(0)を用いた式「α=Fx*(0)/My(0)」で与えられる値に設定されていることを特徴とする力検出装置。

請求項2

請求項1に記載の力検出装置において、検出回路が、求めた差Myを、受力体に作用した力のY軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うことを特徴とする力検出装置。

請求項3

請求項1または2に記載の力検出装置において、検出回路が、第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との和Fzを求める演算機能を更に有し、求めた和Fzを、受力体に作用した力のZ軸方向成分として出力する処理を行うことを特徴とする力検出装置。

請求項4

請求項1〜3のいずれかに記載の力検出装置において、第1のセンサが、第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子を更に有し、第2のセンサが、第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子を更に有し、検出回路が、第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との差Mzを求める演算機能を更に有し、求めた差Mzを、受力体に作用した力のZ軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うことを特徴とする力検出装置。

請求項5

請求項1〜4のいずれかに記載の力検出装置において、各柱状体の上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、前記上端側肉薄部は、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、各柱状体の下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、前記下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されていることを特徴とする力検出装置。

請求項6

請求項5に記載の力検出装置において、各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子として、支持基板の上面において、x座標値が正となる領域に形成された第1の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の電極に対向する位置に形成された第1の対向電極と、によって構成される第1の容量素子と、支持基板の上面において、x座標値が負となる領域に形成された第2の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の電極に対向する位置に形成された第2の対向電極と、によって構成される第2の容量素子と、を有し、前記第1の容量素子の静電容量値C1と前記第2の容量素子の静電容量値C2との差を柱状体のX軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子が必要な場合には、当該検出子として、支持基板の上面において、y座標値が正となる領域に形成された第3の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の電極に対向する位置に形成された第3の対向電極と、によって構成される第3の容量素子と、支持基板の上面において、y座標値が負となる領域に形成された第4の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の電極に対向する位置に形成された第4の対向電極と、によって構成される第4の容量素子と、を有し、前記第3の容量素子の静電容量値C3と前記第4の容量素子の静電容量値C4との差を柱状体のY軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子として、支持基板の上面に形成された第5の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第5の電極に対向する位置に形成された第5の対向電極と、によって構成される第5の容量素子を有し、前記第5の容量素子の静電容量値C5を柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力として求める検出子が用いられ、前記第1の電極自身および前記第2の電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、前記第1の電極と前記第2の電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、前記第3の電極自身および前記第4の電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、前記第3の電極と前記第4の電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、前記第5の電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしていることを特徴とする力検出装置。

請求項7

支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための第1の柱状体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための第2の柱状体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための第3の柱状体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための第4の柱状体と、を備え、前記支持基板を固定した状態において、前記受力体に作用した力を検出する力検出装置であって、前記第1の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続され、前記第1の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して前記支持基板に接続され、前記第2の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続され、前記第2の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して前記支持基板に接続され、前記第3の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続され、前記第3の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して前記支持基板に接続され、前記第4の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続され、前記第4の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して前記支持基板に接続され、XY平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、前記第1の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、前記第2の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、前記第3の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、前記第4の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、前記第1の柱状体の下端近傍に配置され、前記第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第1の柱状体全体から前記支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第1のセンサと、前記第2の柱状体の下端近傍に配置され、前記第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第2の柱状体全体から前記支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第2のセンサと、前記第3の柱状体の下端近傍に配置され、前記第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第3の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第3の柱状体全体から前記支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第3のセンサと、前記第4の柱状体の下端近傍に配置され、前記第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第4の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第4の柱状体全体から前記支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第4のセンサと、前記第1のセンサの検出結果、前記第2のセンサの検出結果、前記第3のセンサの検出結果、および前記第4のセンサの検出結果、に基づいて、前記受力体に作用した力のX軸方向成分FxおよびY軸方向成分Fyを求め、これらを出力する処理を行う検出回路と、を更に備え、前記検出回路は、「前記第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と前記第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と前記第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と前記第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx1*」もしくは「前記第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と前記第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx2*」もしくは「前記第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と前記第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx3*」のいずれかを和Fx*として求める演算機能と、「前記第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と前記第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と前記第3の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と前記第4の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との和Fy1*」もしくは「前記第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と前記第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との和Fy2*」もしくは「前記第3の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と前記第4の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との和Fy3*」のいずれかを和Fy*として求める演算機能と、前記第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と前記第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との差Myを求める演算機能と、前記第3の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と前記第4の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との差Mxを求める演算機能と、所定の係数αを用いた演算式「Fx=Fx*−α・My」に基づいて、前記受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを求める演算機能と、所定の係数βを用いた演算式「Fy=Fy*+β・Mx」に基づいて、前記受力体に作用した力のY軸方向成分Fyを求める演算機能と、を有し、前記係数αが、Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる前記和Fx*の値Fx*(0)および前記差Myの値My(0)を用いた式「α=Fx*(0)/My(0)」で与えられる値に設定され、前記係数βが、X軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる前記和Fy*の値Fy*(0)および前記差Mxの値Mx(0)を用いた式「β=−Fy*(0)/Mx(0)」で与えられる値に設定されていることを特徴とする力検出装置。

請求項8

請求項7に記載の力検出装置において、検出回路が、求めた差Myを、受力体に作用した力のY軸まわりのモーメント成分として出力し、求めた差Mxを、受力体に作用した力のX軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うことを特徴とする力検出装置。

請求項9

請求項7または8に記載の力検出装置において、検出回路が、第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第3の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第4の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との和Fzを求める演算機能を更に有し、求めた和Fzを、受力体に作用した力のZ軸方向成分Fzとして出力する処理を行うことを特徴とする力検出装置。

請求項10

請求項7〜9のいずれかに記載の力検出装置において、検出回路が、「第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和と、第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和と、の差Mz1」もしくは「第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との差Mz2」もしくは「第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との差Mz3」のいずれかを差Mzとして求める演算機能を更に有し、求めた差Mzを、受力体に作用した力のZ軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うことを特徴とする力検出装置。

請求項11

請求項7〜10のいずれかに記載の力検出装置において、各柱状体の上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、前記上端側肉薄部は、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、各柱状体の下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、前記下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されていることを特徴とする力検出装置。

請求項12

請求項11に記載の力検出装置において、各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子として、支持基板の上面において、x座標値が正となる領域に形成された第1の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の電極に対向する位置に形成された第1の対向電極と、によって構成される第1の容量素子と、支持基板の上面において、x座標値が負となる領域に形成された第2の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の電極に対向する位置に形成された第2の対向電極と、によって構成される第2の容量素子と、を有し、前記第1の容量素子の静電容量値C1と前記第2の容量素子の静電容量値C2との差を柱状体のX軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子として、支持基板の上面において、y座標値が正となる領域に形成された第3の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の電極に対向する位置に形成された第3の対向電極と、によって構成される第3の容量素子と、支持基板の上面において、y座標値が負となる領域に形成された第4の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の電極に対向する位置に形成された第4の対向電極と、によって構成される第4の容量素子と、を有し、前記第3の容量素子の静電容量値C3と前記第4の容量素子の静電容量値C4との差を柱状体のY軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子として、支持基板の上面に形成された第5の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第5の電極に対向する位置に形成された第5の対向電極と、によって構成される第5の容量素子を有し、前記第5の容量素子の静電容量値C5を柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力として求める検出子が用いられ、前記第1の電極自身および前記第2の電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、前記第1の電極と前記第2の電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、前記第3の電極自身および前記第4の電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、前記第3の電極と前記第4の電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、前記第5の電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしていることを特徴とする力検出装置。

請求項13

支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための4本の柱状体と、を備え、前記支持基板を固定した状態において、前記受力体に作用した力を検出する力検出装置であって、前記4本の柱状体の各上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、前記4本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、前記上端側肉薄部は、その周囲が前記受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、前記下端側肉薄部は、前記支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、XY平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、前記4本の柱状体は、その中心軸がいずれもZ軸に平行になるように配置されており、第1の柱状体は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、前記第1の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第1のセンサが構成され、前記第2の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第2のセンサが構成され、前記第3の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第3のセンサが構成され、前記第4の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第4のセンサが構成され、前記第1のセンサを構成する容量素子の候補として、前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C11と、前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C12と、前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C13と、前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C14と、前記第1の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C15と、の5種類の容量素子を定義し、前記第2のセンサを構成する容量素子の候補として、前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C21と、前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C22と、前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C23と、前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C24と、前記第2の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C25と、の5種類の容量素子を定義し、前記第3のセンサを構成する容量素子の候補として、前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C31と、前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C32と、前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C33と、前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C34と、前記第3の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C35と、の5種類の容量素子を定義し、前記第4のセンサを構成する容量素子の候補として、前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C41と、前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C42と、前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C43と、前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C44と、前記第4の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C45と、の5種類の容量素子を定義し、前記受力体に作用した力のX軸方向成分をFx、Y軸方向成分をFy、Z軸方向成分をFz、X軸まわりのモーメント成分をMx、Y軸まわりのモーメント成分をMy、Z軸まわりのモーメント成分をMzとし、Fx,Fyを求める過程で用いる中間段階の値をそれぞれFx*,Fy*とし、前記各容量素子の静電容量値をそれぞれ各容量素子の符号と同じ符号で示すこととし、Fx*を求める式として、Fx1*=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)Fx2*=(C11−C12)+(C21−C22)Fx3*=(C31−C32)+(C41−C42)なる3通りの式を定義し、Fy*を求める式として、Fy1*=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)Fy2*=(C13−C14)+(C23−C24)Fy3*=(C33−C34)+(C43−C44)なる3通りの式を定義し、Fzを求める式として、Fz1=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45))Fz2=−((C11+C12+C13+C14)+(C21+C22+C23+C24)+(C31+C32+C33+C34)+(C41+C42+C43+C44))Fz3=−(C15+C25+C35+C45)なる3通りの式を定義し、Mxを求める式として、Mx1=(C41+C42+C43+C44+C45)−(C31+C32+C33+C34+C35)Mx2=(C41+C42+C43+C44)−(C31+C32+C33+C34)Mx3=(C45−C35)なる3通りの式を定義し、Myを求める式として、My1=(C11+C12+C13+C14+C15)−(C21+C22+C23+C24+C25)My2=(C11+C12+C13+C14)−(C21+C22+C23+C24)My3=(C15−C25)なる3通りの式を定義し、Mzを求める式として、Mz1=((C13−C14)+(C41−C42))−((C23−C24)+(C31−C32))Mz2=(C13−C14)−(C23−C24)Mz3=(C41−C42)−(C31−C32)なる3通りの式を定義したときに、候補となる容量素子の中から、Fx=Fxi*−αij・Myj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)Fy=Fyi*+βij・Mxj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)Fz=Fzi(但し、i=1〜3のいずれか)Mx=Mxi(但し、i=1〜3のいずれか)My=Myi(但し、i=1〜3のいずれか)Mz=Mzi(但し、i=1〜3のいずれか)なる6つの式の中から選択された式(但し、Fxの式およびFyの式の選択は必須)に基づく演算を行うために必要な容量素子が実際に形成されており、かつ、当該演算を行う検出回路を備えており、前記係数αijが、Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる前記Fxi*の値Fxi*(0)および前記Myjの値Myj(0)を用いた式「αij=Fxi*(0)/Myj(0)」で与えられる値に設定されており、前記係数βijが、X軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる前記Fyi*の値Fyi*(0)および前記Mxjの値Mxj(0)を用いた式「βij=−Fyi*(0)/Mxj(0)」で与えられる値に設定されていることを特徴とする力検出装置。

請求項14

請求項13に記載の力検出装置において、請求項13に記載の容量素子の候補に代えて、各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、第1のセンサを構成する容量素子の候補として、支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C11と、支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C12と、支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C13と、支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C14と、支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第1の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C15と、の5種類の容量素子を定義し、第2のセンサを構成する容量素子の候補として、支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C21と、支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C22と、支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C23と、支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C24と、支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第2の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C25と、の5種類の容量素子を定義し、第3のセンサを構成する容量素子の候補として、支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C31と、支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C32と、支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C33と、支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C34と、支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第3の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C35と、の5種類の容量素子を定義し、第4のセンサを構成する容量素子の候補として、支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C41と、支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C42と、支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C43と、支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C44と、支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第4の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C45と、の5種類の容量素子を定義し、各柱状体用電極のそれぞれについて、x軸正側電極自身およびx軸負側電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、x軸正側電極とx軸負側電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、y軸正側電極自身およびy軸負側電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、y軸正側電極とy軸負側電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、Z軸変位検出用電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしていることを特徴とする力検出装置。

請求項15

請求項6,12〜14のいずれかに記載の力検出装置において、静電容量値の和を算出する対象となる複数の容量素子については、互いに電気的な並列接続がなされるような配線を施すことにより、検出回路における和を算出する演算を省略し、各容量素子を、係数α,β,αij,βijが1になるように設定することにより、検出回路における前記係数を用いた積を算出する演算を省略したことを特徴とする力検出装置。

請求項16

支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための4本の柱状体と、を備え、前記支持基板を固定した状態において、前記受力体に作用した力を検出する力検出装置であって、前記4本の柱状体の各上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、前記4本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、前記上端側肉薄部は、その周囲が前記受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、前記下端側肉薄部は、前記支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、XY平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、前記4本の柱状体は、その中心軸がいずれもZ軸に平行になるように配置されており、第1の柱状体は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、前記第1の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第1のセンサが構成され、前記第2の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第2のセンサが構成され、前記第3の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第3のセンサが構成され、前記第4の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第4のセンサが構成され、前記第1のセンサを構成する容量素子の候補として、前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C11と、前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C12と、前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C13と、前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C14と、前記第1の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C15と、の5種類の容量素子を定義し、前記第2のセンサを構成する容量素子の候補として、前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C21と、前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C22と、前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C23と、前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C24と、前記第2の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C25と、の5種類の容量素子を定義し、前記第3のセンサを構成する容量素子の候補として、前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C31と、前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C32と、前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C33と、前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C34と、前記第3の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C35と、の5種類の容量素子を定義し、前記第4のセンサを構成する容量素子の候補として、前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C41と、前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C42と、前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C43と、前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C44と、前記第4の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C45と、の5種類の容量素子を定義し、前記受力体に作用した力のX軸方向成分をFx、Y軸方向成分をFy、Z軸方向成分をFz、X軸まわりのモーメント成分をMx、Y軸まわりのモーメント成分をMy、Z軸まわりのモーメント成分をMzとし、Fx,Fyを求める過程で用いる中間段階の値をそれぞれFx*,Fy*とし、前記各容量素子の静電容量値をそれぞれ各容量素子の符号と同じ符号で示すこととし、Fx*を求める式として、Fx1*=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)Fx2*=(C11−C12)+(C21−C22)Fx3*=(C31−C32)+(C41−C42)なる3通りの式を定義し、Fy*を求める式として、Fy1*=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)Fy2*=(C13−C14)+(C23−C24)Fy3*=(C33−C34)+(C43−C44)なる3通りの式を定義し、Fzを求める式として、Fz1=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45))Fz2=−((C11+C12+C13+C14)+(C21+C22+C23+C24)+(C31+C32+C33+C34)+(C41+C42+C43+C44))Fz3=−(C15+C25+C35+C45)なる3通りの式を定義し、Mxを求める式として、Mx1=(C41+C42+C43+C44+C45)−(C31+C32+C33+C34+C35)Mx2=(C41+C42+C43+C44)−(C31+C32+C33+C34)Mx3=(C45−C35)なる3通りの式を定義し、Myを求める式として、My1=(C11+C12+C13+C14+C15)−(C21+C22+C23+C24+C25)My2=(C11+C12+C13+C14)−(C21+C22+C23+C24)My3=(C15−C25)なる3通りの式を定義し、Mzを求める式として、Mz1=((C13−C14)+(C41−C42))−((C23−C24)+(C31−C32))Mz2=(C13−C14)−(C23−C24)Mz3=(C41−C42)−(C31−C32)なる3通りの式を定義したときに、候補となる容量素子の中から、Fx=Fxi*−Myj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)Fy=Fyi*+Mxj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)Fz=Fzi(但し、i=1〜3のいずれか)Mx=Mxi(但し、i=1〜3のいずれか)My=Myi(但し、i=1〜3のいずれか)Mz=Mzi(但し、i=1〜3のいずれか)なる6つの式の中から選択された式(但し、Fxの式およびFyの式の選択は必須)に基づく演算を行うために必要な容量素子が実際に形成されており(同一符号の静電容量値が、異なる複数の式で用いられている場合には、物理的に別体の容量素子が形成されており)、かつ、当該演算を行う検出回路を備えており、実際に形成されている容量素子のうち、選択された式に基づく演算において静電容量値の和を算出する対象となる複数の容量素子については、互いに電気的な並列接続がなされるような配線が施されており、Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる前記Fxi*の値Fxi*(0)および前記Myjの値Myj(0)について、Fxi*(0)=Myj(0)が成り立つように、前記Fxi*の算出に用いられる容量素子と、前記Myjの算出に用いられる容量素子と、が設定されており、X軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる前記Fyi*の値Fyi*(0)および前記Mxjの値Mxj(0)について、−Fyi*(0)=Mxj(0)が成り立つように、前記Fyi*の算出に用いられる容量素子と、前記Mxjの算出に用いられる容量素子と、が設定されていることを特徴とする力検出装置。

請求項17

請求項16に記載の力検出装置において、請求項16に記載の容量素子の候補に代えて、各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、第1のセンサを構成する容量素子の候補として、支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C11と、支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C12と、支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C13と、支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C14と、支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第1の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C15と、の5種類の容量素子を定義し、第2のセンサを構成する容量素子の候補として、支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C21と、支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C22と、支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C23と、支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C24と、支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第2の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C25と、の5種類の容量素子を定義し、第3のセンサを構成する容量素子の候補として、支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C31と、支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C32と、支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C33と、支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C34と、支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第3の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C35と、の5種類の容量素子を定義し、第4のセンサを構成する容量素子の候補として、支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C41と、支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C42と、支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C43と、支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C44と、支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第4の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C45と、の5種類の容量素子を定義し、各柱状体用電極のそれぞれについて、x軸正側電極自身およびx軸負側電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、x軸正側電極とx軸負側電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、y軸正側電極自身およびy軸負側電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、y軸正側電極とy軸負側電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、Z軸変位検出用電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしていることを特徴とする力検出装置。

請求項18

請求項6,12〜17のいずれかに記載の力検出装置において、特定の一容量素子を構成する一方の電極が、離隔して配置された複数の部分電極集合体により構成されていることを特徴とする力検出装置。

請求項19

請求項6,12〜17のいずれかに記載の力検出装置において、複数の容量素子についての支持基板の上面側に形成される電極もしくは下端側肉薄部側に形成される電極が物理的に単一の共通電極によって構成されていることを特徴とする力検出装置。

請求項20

請求項19に記載の力検出装置において、各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が単一の共通電極として機能することを特徴とする力検出装置。

請求項21

請求項1〜20に記載の力検出装置において、各柱状体の形状および配置が、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっていることを特徴とする力検出装置。

技術分野

0001

本発明は力検出装置に関し、特に、力とモーメントとを独立して検出するのに適した力検出装置に関する。

背景技術

0002

ロボット産業機械動作制御を行うために、種々のタイプの力検出装置が利用されている。また、電子機器入力装置マンマシンインターフェイスとしても、小型の力検出装置が組み込まれている。このような用途に用いる力検出装置には、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

一般に、力検出装置の検出対象には、所定の座標軸方向を向いた力成分と、所定の座標軸まわりのモーメント成分とがある。三次元空間内にXYZ三次元座標系を定義した場合、検出対象は、各座標軸方向の力成分Fx,Fy,Fzと、各座標軸まわりのモーメント成分Mx,My,Mzとの6つの成分になる。

0004

このような6つの力成分をそれぞれ独立して検出することができる力検出装置として、たとえば、下記の特許文献1には、比較的単純な構造をもった装置が開示されている。この特許文献1に開示された技術は、既に米国特許第6915709号・米国特許第7121147号・欧州特許第1464939号が付与されている技術であり、受力体支持基板とを複数の柱状体で接続した構造物を用意し、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定することにより、受力体に加わった力の各成分を検出するものである。また、下記の特許文献2に開示されている技術も、既に米国特許第7219561号が付与されている技術である。この技術によれば、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定するセンサとして静電容量素子を用い、この静電容量素子を構成する特定の電極間配線を施すことにより、受力体に加わった力の各成分を検出するための演算単純化することが可能になる。
特開2004−354049号公報
特開2004−325367号公報

発明が解決しようとする課題

0005

上述したとおり、特許文献1および2に開示されている力検出装置は、比較的単純な構造により、各座標軸方向の力成分Fx,Fy,Fzと、各座標軸まわりのモーメント成分Mx,My,Mzとの6つの成分をそれぞれ独立して検出することが可能である。しかしながら、実用上は、他軸成分の干渉を完全に排除した状態で、必要な成分のみの正確な測定値を得ることは困難であり、他軸成分の干渉による測定精度の低下は避けられない。もちろん、このような他軸成分の干渉程度が、個々の用途に応じた許容誤差範囲内であれば支障はないが、最近は、様々な利用分野において、より測定精度の高い力検出装置が望まれている。

0006

そこで本発明は、できるたけ単純な構造をもち、しかも他軸成分の干渉を排除し、力とモーメントとを区別して検出することが可能な力検出装置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

0007

(1) 本発明の第1の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための第1の柱状体と、支持基板と受力体とを接続するための第2の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
第1の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続され、第1の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して支持基板に接続され、
第2の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続され、第2の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して支持基板に接続され、
XY平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
第1の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、
第2の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置されるようにし、
第1の柱状体の下端近傍に配置され、第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第1の柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第1のセンサと、
第2の柱状体の下端近傍に配置され、第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第2の柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第2のセンサと、
第1のセンサの検出結果と第2のセンサの検出結果とに基づいて、受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを求め、これを出力する処理を行う検出回路と、
を更に設け、
検出回路は、
第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx*を求める演算機能と、
第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との差Myを求める演算機能と、
所定の係数αを用いた演算式「Fx=Fx*−α・My」に基づいて、受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを求める演算機能と、
を有するようにし、
係数αが、Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる和Fx*の値Fx*(0)および差Myの値My(0)を用いた式「α=Fx*(0)/My(0)」で与えられる値に設定されているようにしたものである。

0008

(2) 本発明の第2の態様は、上述した第1の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、求めた差Myを、受力体に作用した力のY軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うようにしたものである。

0009

(3) 本発明の第3の態様は、上述した第1または第2の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との和Fzを求める演算機能を更に有し、求めた和Fzを、受力体に作用した力のZ軸方向成分として出力する処理を行うようにしたものである。

0010

(4) 本発明の第4の態様は、上述した第1〜第3の態様に係る力検出装置において、
第1のセンサが、第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子を更に有し、第2のセンサが、第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子を更に有し、
検出回路が、第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との差Mzを求める演算機能を更に有し、求めた差Mzを、受力体に作用した力のZ軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うようにしたものである。

0011

(5) 本発明の第5の態様は、上述した第1〜第4の態様に係る力検出装置において、
各柱状体の上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、上端側肉薄部は、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、
各柱状体の下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されているようにしたものである。

0012

(6) 本発明の第6の態様は、上述した第5の態様に係る力検出装置において、
各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、
柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子として、
支持基板の上面において、x座標値が正となる領域に形成された第1の電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の電極に対向する位置に形成された第1の対向電極と、によって構成される第1の容量素子と、
支持基板の上面において、x座標値が負となる領域に形成された第2の電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の電極に対向する位置に形成された第2の対向電極と、によって構成される第2の容量素子と、
を有し、第1の容量素子の静電容量値C1と第2の容量素子の静電容量値C2との差を柱状体のX軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、
柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子が必要な場合には、当該検出子として、
支持基板の上面において、y座標値が正となる領域に形成された第3の電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の電極に対向する位置に形成された第3の対向電極と、によって構成される第3の容量素子と、
支持基板の上面において、y座標値が負となる領域に形成された第4の電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の電極に対向する位置に形成された第4の対向電極と、によって構成される第4の容量素子と、
を有し、第3の容量素子の静電容量値C3と第4の容量素子の静電容量値C4との差を柱状体のY軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、
柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子として、
支持基板の上面に形成された第5の電極と、下端側肉薄部の下面において、第5の電極に対向する位置に形成された第5の対向電極と、によって構成される第5の容量素子を有し、第5の容量素子の静電容量値C5を柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力として求める検出子が用いられ、
第1の電極自身および第2の電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、第1の電極と第2の電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、
第3の電極自身および第4の電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、第3の電極と第4の電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、
第5の電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしているようにしたものである。

0013

(7) 本発明の第7の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための第1の柱状体と、支持基板と受力体とを接続するための第2の柱状体と、支持基板と受力体とを接続するための第3の柱状体と、支持基板と受力体とを接続するための第4の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
第1の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続され、第1の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して支持基板に接続され、
第2の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続され、第2の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して支持基板に接続され、
第3の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続され、第3の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して支持基板に接続され、
第4の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続され、第4の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して支持基板に接続されるようにし、
XY平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
第1の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、
第2の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、
第3の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、
第4の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置されるようにし、
第1の柱状体の下端近傍に配置され、第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第1の柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第1のセンサと、
第2の柱状体の下端近傍に配置され、第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第2の柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第2のセンサと、
第3の柱状体の下端近傍に配置され、第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第3の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第3の柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第3のセンサと、
第4の柱状体の下端近傍に配置され、第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第4の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第4の柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第4のセンサと、
第1のセンサの検出結果、第2のセンサの検出結果、第3のセンサの検出結果、および第4のセンサの検出結果、に基づいて、受力体に作用した力のX軸方向成分FxおよびY軸方向成分Fyを求め、これらを出力する処理を行う検出回路と、
を更に設け、
検出回路は、
「第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx1*」もしくは「第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx2*」もしくは「第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx3*」のいずれかを和Fx*として求める演算機能と、
「第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との和Fy1*」もしくは「第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との和Fy2*」もしくは「第3の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との和Fy3*」のいずれかを和Fy*として求める演算機能と、
第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との差Myを求める演算機能と、
第3の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第4の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との差Mxを求める演算機能と、
所定の係数αを用いた演算式「Fx=Fx*−α・My」に基づいて、受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを求める演算機能と、
所定の係数βを用いた演算式「Fy=Fy*+β・Mx」に基づいて、受力体に作用した力のY軸方向成分Fyを求める演算機能と、
を有し、
係数αが、Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる和Fx*の値Fx*(0)および差Myの値My(0)を用いた式「α=Fx*(0)/My(0)」で与えられる値に設定され、
係数βが、X軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる和Fy*の値Fy*(0)および差Mxの値Mx(0)を用いた式「β=−Fy*(0)/Mx(0)」で与えられる値に設定されているようにしたものである。

0014

(8) 本発明の第8の態様は、上述した第7の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、求めた差Myを、受力体に作用した力のY軸まわりのモーメント成分として出力し、求めた差Mxを、受力体に作用した力のX軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うようにしたものである。

0015

(9) 本発明の第9の態様は、上述した第7または第8の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第3の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第4の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との和Fzを求める演算機能を更に有し、求めた和Fzを、受力体に作用した力のZ軸方向成分Fzとして出力する処理を行うようにしたものである。

0016

(10) 本発明の第10の態様は、上述した第7〜第9の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、「第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和と、第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和と、の差Mz1」もしくは「第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との差Mz2」もしくは「第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との差Mz3」のいずれかを差Mzとして求める演算機能を更に有し、求めた差Mzを、受力体に作用した力のZ軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うようにしたものである。

0017

(11) 本発明の第11の態様は、上述した第7〜第10の態様に係る力検出装置において、
各柱状体の上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、上端側肉薄部は、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、
各柱状体の下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されているようにしたものである。

0018

(12) 本発明の第12の態様は、上述した第11の態様に係る力検出装置において、
各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、
柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子として、
支持基板の上面において、x座標値が正となる領域に形成された第1の電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の電極に対向する位置に形成された第1の対向電極と、によって構成される第1の容量素子と、
支持基板の上面において、x座標値が負となる領域に形成された第2の電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の電極に対向する位置に形成された第2の対向電極と、によって構成される第2の容量素子と、
を有し、第1の容量素子の静電容量値C1と第2の容量素子の静電容量値C2との差を柱状体のX軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、
柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子として、
支持基板の上面において、y座標値が正となる領域に形成された第3の電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の電極に対向する位置に形成された第3の対向電極と、によって構成される第3の容量素子と、
支持基板の上面において、y座標値が負となる領域に形成された第4の電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の電極に対向する位置に形成された第4の対向電極と、によって構成される第4の容量素子と、
を有し、第3の容量素子の静電容量値C3と第4の容量素子の静電容量値C4との差を柱状体のY軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、
柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子として、
支持基板の上面に形成された第5の電極と、下端側肉薄部の下面において、第5の電極に対向する位置に形成された第5の対向電極と、によって構成される第5の容量素子を有し、第5の容量素子の静電容量値C5を柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力として求める検出子が用いられ、
第1の電極自身および第2の電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、第1の電極と第2の電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、
第3の電極自身および第4の電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、第3の電極と第4の電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、
第5の電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしているようにしたものである。

0019

(13) 本発明の第13の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための4本の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
4本の柱状体の各上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、4本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
上端側肉薄部は、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、
下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、
XY平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
4本の柱状体は、その中心軸がいずれもZ軸に平行になるように配置されており、第1の柱状体は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、
第1の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第1のセンサが構成され、
第2の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第2のセンサが構成され、
第3の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第3のセンサが構成され、
第4の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第4のセンサが構成され、
第1のセンサを構成する容量素子の候補として、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C11と、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C12と、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C13と、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C14と、
第1の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C15と、
の5種類の容量素子を定義し、
第2のセンサを構成する容量素子の候補として、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C21と、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C22と、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C23と、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C24と、
第2の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C25と、
の5種類の容量素子を定義し、
第3のセンサを構成する容量素子の候補として、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C31と、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C32と、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C33と、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C34と、
第3の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C35と、
の5種類の容量素子を定義し、
第4のセンサを構成する容量素子の候補として、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C41と、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C42と、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C43と、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C44と、
第4の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C45と、
の5種類の容量素子を定義し、
受力体に作用した力のX軸方向成分をFx、Y軸方向成分をFy、Z軸方向成分をFz、X軸まわりのモーメント成分をMx、Y軸まわりのモーメント成分をMy、Z軸まわりのモーメント成分をMzとし、Fx,Fyを求める過程で用いる中間段階の値をそれぞれFx*,Fy*とし、各容量素子の静電容量値をそれぞれ各容量素子の符号と同じ符号で示すこととし、
Fx*を求める式として、
Fx1*=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)
Fx2*=(C11−C12)+(C21−C22)
Fx3*=(C31−C32)+(C41−C42)
なる3通りの式を定義し、
Fy*を求める式として、
Fy1*=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)
Fy2*=(C13−C14)+(C23−C24)
Fy3*=(C33−C34)+(C43−C44)
なる3通りの式を定義し、
Fzを求める式として、
Fz1=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45))
Fz2=−((C11+C12+C13+C14)+(C21+C22+C23+C24)+(C31+C32+C33+C34)+(C41+C42+C43+C44))
Fz3=−(C15+C25+C35+C45)
なる3通りの式を定義し、
Mxを求める式として、
Mx1=(C41+C42+C43+C44+C45)−(C31+C32+C33+C34+C35)
Mx2=(C41+C42+C43+C44)−(C31+C32+C33+C34)
Mx3=(C45−C35)
なる3通りの式を定義し、
Myを求める式として、
My1=(C11+C12+C13+C14+C15)−(C21+C22+C23+C24+C25)
My2=(C11+C12+C13+C14)−(C21+C22+C23+C24)
My3=(C15−C25)
なる3通りの式を定義し、
Mzを求める式として、
Mz1=((C13−C14)+(C41−C42))−((C23−C24)+(C31−C32))
Mz2=(C13−C14)−(C23−C24)
Mz3=(C41−C42)−(C31−C32)
なる3通りの式を定義したときに、
候補となる容量素子の中から、
Fx=Fxi*−αij・Myj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)
Fy=Fyi*+βij・Mxj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)
Fz=Fzi(但し、i=1〜3のいずれか)
Mx=Mxi(但し、i=1〜3のいずれか)
My=Myi(但し、i=1〜3のいずれか)
Mz=Mzi(但し、i=1〜3のいずれか)
なる6つの式の中から選択された式(但し、Fxの式およびFyの式の選択は必須)に基づく演算を行うために必要な容量素子が実際に形成されており、かつ、当該演算を行う検出回路が設けられており、
係数αijが、Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られるFxi*の値Fxi*(0)およびMyjの値Myj(0)を用いた式「αij=Fxi*(0)/Myj(0)」で与えられる値に設定されており、
係数βijが、X軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られるFyi*の値Fyi*(0)およびMxjの値Mxj(0)を用いた式「βij=−Fyi*(0)/Mxj(0)」で与えられる値に設定されているようにしたものである。

0020

(14) 本発明の第14の態様は、上述した第13の態様に係る力検出装置において、この第13の態様として記載された容量素子の候補に代えて、
各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、
第1のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C11と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C12と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C13と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C14と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第1の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C15と、
の5種類の容量素子を定義し、
第2のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C21と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C22と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C23と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C24と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第2の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C25と、
の5種類の容量素子を定義し、
第3のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C31と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C32と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C33と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C34と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第3の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C35と、
の5種類の容量素子を定義し、
第4のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C41と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C42と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C43と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C44と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第4の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C45と、
の5種類の容量素子を定義し、
各柱状体用電極のそれぞれについて、
x軸正側電極自身およびx軸負側電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、x軸正側電極とx軸負側電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、
y軸正側電極自身およびy軸負側電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、y軸正側電極とy軸負側電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、
Z軸変位検出用電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしているようにしたものである。

0021

(15) 本発明の第15の態様は、上述した第6、第12〜第14の態様に係る力検出装置において、
静電容量値の和を算出する対象となる複数の容量素子については、互いに電気的な並列接続がなされるような配線を施すことにより、検出回路における和を算出する演算を省略し、
各容量素子を、係数α,β,αij,βijが1になるように設定することにより、検出回路における係数を用いた積を算出する演算を省略するようにしたものである。

0022

(16) 本発明の第16の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための4本の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
4本の柱状体の各上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、4本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
上端側肉薄部は、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、
下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、
XY平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
4本の柱状体は、その中心軸がいずれもZ軸に平行になるように配置されており、第1の柱状体は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、
第1の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第1のセンサが構成され、
第2の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第2のセンサが構成され、
第3の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第3のセンサが構成され、
第4の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第4のセンサが構成され、
第1のセンサを構成する容量素子の候補として、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C11と、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C12と、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C13と、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C14と、
第1の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C15と、
の5種類の容量素子を定義し、
第2のセンサを構成する容量素子の候補として、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C21と、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C22と、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C23と、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C24と、
第2の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C25と、
の5種類の容量素子を定義し、
第3のセンサを構成する容量素子の候補として、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C31と、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C32と、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C33と、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C34と、
第3の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C35と、
の5種類の容量素子を定義し、
第4のセンサを構成する容量素子の候補として、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C41と、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C42と、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C43と、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C44と、
第4の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C45と、
の5種類の容量素子を定義し、
受力体に作用した力のX軸方向成分をFx、Y軸方向成分をFy、Z軸方向成分をFz、X軸まわりのモーメント成分をMx、Y軸まわりのモーメント成分をMy、Z軸まわりのモーメント成分をMzとし、Fx,Fyを求める過程で用いる中間段階の値をそれぞれFx*,Fy*とし、各容量素子の静電容量値をそれぞれ各容量素子の符号と同じ符号で示すこととし、
Fx*を求める式として、
Fx1*=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)
Fx2*=(C11−C12)+(C21−C22)
Fx3*=(C31−C32)+(C41−C42)
なる3通りの式を定義し、
Fy*を求める式として、
Fy1*=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)
Fy2*=(C13−C14)+(C23−C24)
Fy3*=(C33−C34)+(C43−C44)
なる3通りの式を定義し、
Fzを求める式として、
Fz1=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45))
Fz2=−((C11+C12+C13+C14)+(C21+C22+C23+C24)+(C31+C32+C33+C34)+(C41+C42+C43+C44))
Fz3=−(C15+C25+C35+C45)
なる3通りの式を定義し、
Mxを求める式として、
Mx1=(C41+C42+C43+C44+C45)−(C31+C32+C33+C34+C35)
Mx2=(C41+C42+C43+C44)−(C31+C32+C33+C34)
Mx3=(C45−C35)
なる3通りの式を定義し、
Myを求める式として、
My1=(C11+C12+C13+C14+C15)−(C21+C22+C23+C24+C25)
My2=(C11+C12+C13+C14)−(C21+C22+C23+C24)
My3=(C15−C25)
なる3通りの式を定義し、
Mzを求める式として、
Mz1=((C13−C14)+(C41−C42))−((C23−C24)+(C31−C32))
Mz2=(C13−C14)−(C23−C24)
Mz3=(C41−C42)−(C31−C32)
なる3通りの式を定義したときに、
候補となる容量素子の中から、
Fx=Fxi*−Myj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)
Fy=Fyi*+Mxj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)
Fz=Fzi(但し、i=1〜3のいずれか)
Mx=Mxi(但し、i=1〜3のいずれか)
My=Myi(但し、i=1〜3のいずれか)
Mz=Mzi(但し、i=1〜3のいずれか)
なる6つの式の中から選択された式(但し、Fxの式およびFyの式の選択は必須)に基づく演算を行うために必要な容量素子が実際に形成されており(同一符号の静電容量値が、異なる複数の式で用いられている場合には、物理的に別体の容量素子が形成されており)、かつ、当該演算を行う検出回路が設けられており、
実際に形成されている容量素子のうち、選択された式に基づく演算において静電容量値の和を算出する対象となる複数の容量素子については、互いに電気的な並列接続がなされるような配線が施されており、
Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られるFxi*の値Fxi*(0)およびMyjの値Myj(0)について、Fxi*(0)=Myj(0)が成り立つように、Fxi*の算出に用いられる容量素子と、Myjの算出に用いられる容量素子と、が設定されており、
X軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られるFyi*の値Fyi*(0)およびMxjの値Mxj(0)について、−Fyi*(0)=Mxj(0)が成り立つように、Fyi*の算出に用いられる容量素子と、Mxjの算出に用いられる容量素子と、が設定されているようにしたものである。

0023

(17) 本発明の第17の態様は、上述した第16の態様に係る力検出装置において、この第16の態様として記載した容量素子の候補に代えて、
各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、
第1のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C11と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C12と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C13と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C14と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第1の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C15と、
の5種類の容量素子を定義し、
第2のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C21と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C22と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C23と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C24と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第2の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C25と、
の5種類の容量素子を定義し、
第3のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C31と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C32と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C33と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C34と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第3の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C35と、
の5種類の容量素子を定義し、
第4のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C41と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C42と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C43と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C44と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第4の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C45と、
の5種類の容量素子を定義し、
各柱状体用電極のそれぞれについて、
x軸正側電極自身およびx軸負側電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、x軸正側電極とx軸負側電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、
y軸正側電極自身およびy軸負側電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、y軸正側電極とy軸負側電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、
Z軸変位検出用電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしているようにしたものである。

0024

(18) 本発明の第18の態様は、上述した第6、第12〜第17の態様に係る力検出装置において、
特定の一容量素子を構成する一方の電極が、離隔して配置された複数の部分電極集合体により構成されているようにしたものである。

0025

(19) 本発明の第19の態様は、上述した第6、第12〜第17の態様に係る力検出装置において、
複数の容量素子についての支持基板の上面側に形成される電極もしくは下端側肉薄部側に形成される電極が物理的に単一の共通電極によって構成されているようにしたものである。

0026

(20) 本発明の第20の態様は、上述した第19の態様に係る力検出装置において、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が単一の共通電極として機能するようにしたものである。

0027

(21) 本発明の第21の態様は、上述した第1〜第20の態様に係る力検出装置において、
各柱状体の形状および配置が、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっているようにしたものである。

発明の効果

0028

本発明に係る力検出装置によれば、受力体と支持基板とを複数の柱状体で接続し、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定することにより、受力体に加わった力の各成分を検出することができるため、構造が非常に単純な検出装置を実現することができる。しかも、柱状体の傾斜として検出されるモーメント成分による他軸干渉を、柱状体から支持基板に加わる力として検出されるモーメント成分によって相殺するようにしたため、受力体に作用した所定軸方向の力成分を、柱状体の傾斜として検出する場合にも、モーメント成分による他軸干渉を排除することが可能になる。かくして、非常に単純な構造をもち、しかも、他軸成分の干渉を排除し、力とモーメントとを区別して検出することが可能な力検出装置が実現できる。

発明を実施するための最良の形態

0029

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。

0030

<<< §1. 装置の基本構造>>>
はじめに、本発明に係る力検出装置の基本構造を説明する。なお、この基本構造それ自身は、前述した特許文献1,2において、既に開示されているものである。

0031

図1に示すとおり、本発明に係る力検出装置の基本構成要素は、受力体10、第1の柱状体11、第2の柱状体12、第3の柱状体13、第4の柱状体14、支持基板20、第1のセンサ21、第2のセンサ22、第3のセンサ23、第4のセンサ24、検出回路30である。

0032

ここでは、説明の便宜上、XYZ三次元座標系と、これを上方に平行移動させたX′Y′Z′補助座標系を定義する。図示の例の場合、XYZ三次元座標系の原点Oは、支持基板20の上面中心位置に定義されており、支持基板20の上面がXY平面に含まれるようになっている。図の右方がX軸正方向、図の斜め奥がY軸正方向、図の上方がZ軸正方向である。一方、X′Y′Z′補助座標系の原点O′は、原点OをZ軸正方向に所定距離移動させた位置にある。具体的には、原点O′は受力体10の中心部に位置している。したがって、X軸とX′軸とは平行であり、Y軸とY′軸とは平行であり、Z軸とZ′軸とは重なり合っている。

0033

受力体10は、検出対象となる力を受ける構成要素であり、X′Y′Z′補助座標系の原点O′を受力体10の中心部にとったのは、この受力体10に作用する力を説明するための便宜である。図には、受力体10に対して作用する、X軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fy、Z軸方向の力Fzを、それぞれX′軸、Y′軸、Z′軸に沿った矢印として示してあるが、もちろん、これらの力はそれぞれX軸、Y軸、Z軸にも平行な力であり、受力体10に対して加えられた力のX軸方向成分、Y軸方向成分、Z軸方向成分を示すものになる。

0034

このように、力Fx,Fy,Fzについては、X′Y′Z′補助座標系の各座標軸に沿った力と考えても、XYZ三次元座標系の各座標軸に沿った力と考えても、物理量としての本質に相違はないが、モーメントMx,My,Mzについては、座標系の原点位置をどこにとるかによって物理量としての本質は変わってくる。特に、本発明は、他軸成分の干渉を排除した高い測定精度をもつ力検出装置に係るものであるため、ここでは、XYZ三次元座標系とX′Y′Z′補助座標系とを明確に区別して取り扱うことにする。

0035

すなわち、本発明に係る力検出装置の検出対象となる力Fx,Fy,FzおよびモーメントMx,My,Mzは、あくまでもXYZ三次元座標系の各座標軸方向に作用する力および各座標軸まわりに作用するモーメントであり、図1において、モーメントMx,Myを示す矢印がそれぞれX軸およびY軸まわりに描かれているのはこのためである(Z軸とZ′軸とは重なるので、モーメントMzはZ′軸まわりのモーメントと考えても支障ない)。別言すれば、モーメントMxやMyが直接的に作用する物体は受力体10であるが、これらのモーメントは、受力体10を、その中心位置にある原点O′を中心として回転させる作用を果たすのではなく、受力体10を、XYZ三次元座標系の原点Oを中心として回転させる作用を果たすことになる。

0036

結局、この力検出装置は、XYZ三次元座標系において、受力体10に作用する力のX軸方向成分Fx、Y軸方向成分Fy、Z軸方向成分Fzと、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、Z軸まわりのモーメント成分Mzをそれぞれ独立して検出する機能を有することになる。

0037

なお、本願では、「力」という文言は、特定の座標軸方向の力成分を意味する場合と、モーメント成分を含めた集合的な力を意味する場合とを、適宜使い分けることにする。たとえば、図1において、力Fx,Fy,Fzと言った場合は、モーメントではない各座標軸方向の力成分を意味しているが、6つの力Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzと言った場合は、各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分とを含む集合的な力を意味することになる。

0038

支持基板20は、受力体10の下方に配置され、受力体10を支持する機能を果たす構成要素である。上述したように、ここに示す例の場合、支持基板20の上面は、XY平面に含まれる。この力検出装置は、この支持基板20を固定した状態において、受力体10に作用した力を検出することになる。

0039

第1の柱状体11〜第4の柱状体14は、受力体10と支持基板20とを接続する部材であり、いずれもその中心軸がZ軸に平行になるように配置されている。しかも、第1の柱状体11は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体12は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体13は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体14は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置されている。

0040

また、実用上は、第1の柱状体11〜第4の柱状体14は、全く同じ材質、全く同じサイズにするのが好ましい。これは、これらの材質やサイズを同一にしておけば、第1のセンサ21〜第4のセンサ24による検出感度を同一にすることができるためである。相互の材質やサイズが異なると、各センサの感度を同一にそろえることが困難になり、感度補正のための工夫が必要になる。同様の理由により、各柱状体の形状および配置は、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっているのが好ましい。

0041

なお、図1には示されていないが、各柱状体11〜14の上端は、受力体10に対して、可撓性をもった部材を介して接続されており、各柱状体11〜14の下端は、支持基板20に対して、可撓性をもった接続部材を介して接続されている。要するに、第1の柱状体11〜第4の柱状体14は、受力体10に対しても、支持基板20に対しても、可撓性をもって接続されていることになる。ここで、可撓性とは弾力性同義であり、受力体10に対して何ら力が作用していない状態では、受力体10は支持基板20に対して定位置をとるが、受力体10に何らかの力が作用すると、可撓性をもった接続部材が弾性変形を生じ、受力体10と支持基板20との相対位置に変化が生じることになる。もちろん、受力体10に作用する力がなくなると、受力体10はもとどおりの定位置に戻る。

0042

結局、図1に示す例の場合、第1の柱状体11〜第4の柱状体14の上端部および下端部が、それぞれ可撓性をもった接続部材によって構成されていることになる(もちろん、第1の柱状体11〜第4の柱状体14の全体が可撓性をもった材料により構成されていてもかまわない)。そして、この接続部材が、ある程度の弾性変形を生じるため、第1の柱状体11〜第4の柱状体14は、受力体10や支持基板20に対して傾斜することができる。また、この接続部材は、図の上下方向(Z軸方向)にも伸縮することが可能であり、受力体10を図の上方向(+Z軸方向)に動かすと、接続部材が伸縮し、受力体10と支持基板20との距離は広がり、逆に、受力体10を図の下方向(−Z軸方向)に動かすと、接続部材が伸縮し、受力体10と支持基板20との距離は狭まることになる。もちろん、このような変位や傾斜の度合いは、受力体10に作用した力の大きさに応じて大きくなる。

0043

第1のセンサ21〜第4のセンサ24は、それぞれ第1の柱状体11〜第4の柱状体14の傾斜を検出するとともに、第1の柱状体11〜第4の柱状体14から支持基板20に向かって加えられるZ軸方向に関する力を検出する力センサである。具体的には、後述するように、それぞれ複数の容量素子から構成されている。受力体10に力が作用すると、この力は、各柱状体11〜14を介して、支持基板20へと伝達されることになる。各センサ21〜24は、こうして伝達される力によって、各柱状体11〜14の下端部近傍に生じる力学的な現象を検出する機能を有している。より具体的には、後に詳述するように、柱状体が傾斜することにより生じる力を検出することにより、柱状体の傾斜度を検知する機能と、柱状体全体が、支持基板に対して加える押圧力(図の下方−Z軸方向の力)もしくは引っ張り力(図の上方+Z軸方向の力)を検知する機能と、を有している。

0044

検出回路30は、各センサ21〜24を構成する複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体10に作用した力もしくはモーメントを検出する処理を行う構成要素であり、XYZ三次元座標系における各座標軸方向の力成分Fx,Fy,Fzを示す信号と各座標軸まわりのモーメント成分Mx,My,Mzを示す信号を出力する。実際には、上述した柱状体の傾斜度や、支持基板に対して加えられる押圧力/引っ張り力に基づいて、力やモーメントの検出が行われる。

0045

<<< §2. 装置の動作原理>>>
続いて、図2の正面図を参照しながら、図1に示す力検出装置の基本的な動作原理を説明する。なお、ここでは、説明の便宜上、第1の柱状体11および第2の柱状体12に関連する動作のみを示すが、第3の柱状体13および第4の柱状体14に関連する動作も同様である。

0046

図2(a) は、この力検出装置に何ら力が作用していない状態を示しており、受力体10は、支持基板20に対して定位置を維持している。もちろん、この状態においても、受力体10などの重量が支持基板20上に加わっているので、支持基板20は、第1の柱状体11や第2の柱状体12から、何らかの力を受けているが、この状態で受けている力は定常状態での力であり、このような力が第1のセンサ21や第2のセンサ22によって検出されたとしても、検出回路30から出力される力やモーメントの検出値は0になるように調整されている。別言すれば、検出回路30は、このような定常状態における各センサ21〜24の検出結果を基準として、何らかの変化が生じた場合に、この変化を受力体10に作用した力もしくはモーメントとして検出する機能を有している。

0047

さて、ここでは、まず図2(b) に示すように、受力体10に対して、X軸正方向の力+Fxが作用した場合を考えてみる。ちょうど原点O′の位置を、図の右方向へと押すような力が加わった場合に相当する。この場合、図示のとおり、受力体10は図の右方向へとスライド運動することになり、第1の柱状体11および第2の柱状体12は、図の右方向へと傾斜することになる。ここでは、このときの第1の柱状体11の傾斜度をθ1、第2の柱状体12の傾斜度をθ2と呼ぶことにする。また、このようにXZ平面内におけるX軸に向かう方向への傾斜の程度を示す角度θ1,θ2を、「X軸方向に関する傾斜度」と呼ぶことにする。同様に、YZ平面内におけるY軸に向かう方向への傾斜の程度を示す角度を、「Y軸方向に関する傾斜度」と呼ぶ。図示の例の場合、2本の柱状体11,12は、X軸上に配置されているので、Y軸方向の傾斜度は0である。

0048

なお、各柱状体11,12が傾斜すると、受力体10と支持基板20との距離は若干縮まることになるので、厳密に言えば、受力体10はX軸方向に完全な平行移動を行うわけではなく、わずかながら−Z軸方向への移動も行うことになるが、傾斜度が比較的小さい場合、−Z軸方向への移動量は無視することができるので、ここでは説明の便宜上、受力体10がX軸方向のみに移動したものと考えることにする。

0049

一方、図2(c) に示すように、受力体10に対して、Y軸まわりのモーメント+Myが作用した場合を考えてみよう。図2(c) において、Y軸は原点Oの位置において紙面の裏側へと向かう垂直方向の軸であるから、図では、モーメント+Myは、原点Oを中心に、受力体10を時計まわりの方向に回転させるような力に相当する。なお、本願では、所定の座標軸の正方向に右ネジを進める場合の当該右ネジの回転方向を、当該座標軸まわりの正のモーメントと定義することにする。前述したとおり、モーメント+Myは、受力体10を原点O′を中心として回転させる力ではなく、原点Oを中心として回転させる力になる(両者の誤差許容範囲であれば、モーメントを原点O′を中心とする回転力として取り扱っても問題ない。)。

0050

さて、この場合、図示のとおり、第1の柱状体11については縮小力が作用し、第2の柱状体12については伸張力が作用することになる。その結果、第1の柱状体11から支持基板20に対しては、押圧力(−Z軸方向の力:ここでは、力−fzと示すことにする)が作用し、第2の柱状体12から支持基板20に対しては、引っ張り力(+Z軸方向の力:ここでは、力+fzと示すことにする)が作用する。

0051

このように、図2に示すような動的挙動をとる構造体を有する力検出装置では、受力体10にX軸方向の力Fxが作用した場合と、Y軸まわりのモーメントMyが作用した場合とでは、2本の柱状体11,12を介して支持基板20に伝達される力の態様が異なることになる。したがって、両者を区別して、それぞれ別個に検出することが可能である。

0052

すなわち、X軸方向の力Fxが作用した場合は、図2(b) に示すように、2本の柱状体11,12は、X軸方向に傾斜し、傾斜度θ1,θ2を生じることになり、このような傾斜に応じた力が支持基板20へと伝達される。ここで、第1の柱状体11および第2の柱状体12と、これらを支持基板20に接続するための可撓性をもった各接続部材とを、同一材料同一サイズにしておき、この力検出装置が、図のYZ平面に関して左右対称となる構造にしておけば、傾斜度θ1=θ2になる。よって両者の和(θ1+θ2)は、X軸方向の力Fxを示す値になる。傾斜度θに符号を付して取り扱えば(たとえば、X軸正方向への傾斜の場合を正、X軸負方向への傾斜の場合を負として取り扱えば)、作用したX軸方向の力Fxを符号を含めて検出することが可能である。

0053

もっとも、本発明では、後述するように、第1の柱状体11および第2の柱状体12の傾斜度は、第1のセンサ21および第2のセンサ22によって、支持基板20に加えられる力として検出されることになる。このような検出を行うには、各柱状体から支持基板20に対して加えられる力を、個々の部分ごとに検知すればよい。たとえば、図2(b) において、第1の柱状体11と支持基板20との接続部分に生じる応力を考えてみると、第1の柱状体11の底部の右側部分と左側部分とでは、生じる応力の向きが異なることがわかる。すなわち、図示の例では、第1の柱状体11は右側に傾斜しているので、第1の柱状体11の底部の右側部分については押圧力が生じ、支持基板20の上面を下方に押圧する力が生じているのに対し、左側部分については引っ張り力が生じ、支持基板20の上面を上方へ引っ張り上げる力が生じている。このように第1の柱状体11の底部の左右の各部における応力の相違を検出することにより、第1の柱状体11の傾斜度を得ることができる。その具体的な方法については、§3で詳述する。

0054

結局、この力検出装置によって、X軸方向の力Fxを検出するには、第1のセンサ21には、第1の柱状体11の支持基板20に対するX軸方向への傾斜状態を検知する機能をもたせておき、第2のセンサ22には、第2の柱状体12の支持基板20に対するX軸方向への傾斜状態を検知する機能をもたせておけばよい。第1のセンサ21が、第1の柱状体11のX軸方向に関する傾斜度θ1を検知する機能を有し、第2のセンサ22が、第2の柱状体12のX軸方向に関する傾斜度を検知する機能を有していれば、検出回路30は、第1のセンサ21によって検知されたX軸方向に関する傾斜度θ1と、第2のセンサ22によって検知されたX軸方向に関する傾斜度θ2と、の和に基づいて、受力体10に作用した力のX軸方向成分Fxを検出する処理を行うことができる。

0055

一方、Y軸まわりのモーメントMyが作用した場合は、図2(c) に示すように、2本の柱状体11,12から支持基板20に対して、押圧力−fzと引っ張り力+fzとが伝達される。このようにして伝達される力は、柱状体が傾斜した場合の力とは異なっている。すなわち、図2(b) に示すように柱状体が傾斜した場合は、その底部に生じる応力は、右側部分と左側部分とで異なるものとなった。ところが、図2(c) に示すようにモーメントMyが作用した場合は、第1の柱状体11全体により押圧力−fzが加えられ、第2の柱状体12全体により引っ張り力+fzが加えられることになる。

0056

このように、X軸方向の力Fxの作用に対しては、図2(b) に示すように、第1の柱状体11および第2の柱状体12に関して、同じ方向への傾斜という同等の事象が生じるのに対して、Y軸まわりのモーメントMyの作用に対しては、図2(c) に示すように、第1の柱状体11および第2の柱状体12に関して、一方は押圧力−fzを与え、他方は引っ張り力+fzを与えるという相反する事象が生じることになる。したがって、作用したモーメントMyは、引っ張り力+fzと押圧力−fzとの差、すなわち、(+fz)−(−fz)=2fzとして求めることができる。

0057

要するに、この力検出装置によって、Y軸まわりのモーメントMyを検出するには、第1のセンサ21には、第1の柱状体11全体から支持基板20に対して加えられる力を検知する機能をもたせ、第2のセンサ22には、第2の柱状体12全体から支持基板20に対して加えられる力を検知する機能をもたせておけばよい。第1のセンサ21が、第1の柱状体11全体から支持基板20に対して加えられるZ軸方向に関する力を検知する機能を有し、第2のセンサ22が、第2の柱状体12全体から支持基板20に対して加えられるZ軸方向に関する力を検知する機能を有していれば、検出回路30は、第1のセンサ21によって検知されたZ軸方向に関する力と、第2のセンサ22によって検知されたZ軸方向に関する力と、の差に基づいて、受力体10に作用した力のY軸まわりのモーメントMyを検出する処理を行うことができる。

0058

以上、図2を参照しながら、第1の柱状体11および第2の柱状体12に関連する動作のみを説明したが、第3の柱状体13および第4の柱状体14に関連する動作も同様である。すなわち、図2の動作説明におけるX軸をY軸におきかえれば、第3のセンサ23および第4のセンサ24の検知機能を利用して、受力体10に作用したY軸方向の力FyおよびX軸まわりのモーメントMxを検出することが可能である。

0059

また、受力体10に、Z軸負方向の力−Fzが作用した場合は、4本の柱状体11〜14のすべてから支持基板20に対して押圧力−fzが加わることになり、Z軸正方向の力+Fzが作用した場合は、4本の柱状体11〜14のすべてから支持基板20に対して引っ張り力+fzが加わることになる。したがって、作用したZ軸方向の力Fzは、4本の柱状体11〜14から加えられた押圧力−fzの和もしくは引っ張り力+fzの和として求めることができる。

0060

更に、受力体10に、Z軸まわりのモーメントMzが作用した場合は、4本の柱状体11〜14が、上方から観察したときに、時計まわりもしくは反時計まわりに傾斜することになるので、4本の柱状体11〜14それぞれの傾斜方向を検知することにより、モーメントMzの検出も可能である。

0061

<<< §3. 本発明に用いる力センサ>>>
図1に示す力検出装置には、第1のセンサ21〜第4のセンサ24が設けられている。これらのセンサは、それぞれ第1の柱状体11〜第4の柱状体14より、支持基板20に対して加えられる力を検出する力センサであるが、§2で説明した原理に基づいて、力Fx、Fy、Fz、モーメントMx、My、Mzを検出するためには、各柱状体11〜14の傾斜によりその下端部に生じる力と、各柱状体11〜14全体によって与えられる引っ張り力/押圧力と、をそれぞれ独立して検出する機能が必要になる。

0062

そこで本発明では、各センサ21〜24として、複数の容量素子を有する静電容量式の力センサを用いている。図3は、このような静電容量素子式の多軸力センサの一例を示す側断面図である。図示のとおり、この多軸力センサは、板状の支持基板40と、その上に配置された椀状接続部材50と、柱状体60と、支持基板40の上面に配置された固定電極E1〜E5と、によって構成されている。図4の上面図に示すとおり、椀状接続部材50は、円形平底状の椀を伏せた形状を有している。

0063

ここでは、説明の便宜上、支持基板40の上面中心部にローカル原点をとり、図示の方向にx,y,z軸をそれぞれ定義したxyz三次元座標系を定義する。この小文字で示すxyz三次元座標系は、個々の柱状体11〜14の下端部に定義されるローカルな座標系であり、大文字で示すXYZ三次元座標系に対して正則である。すなわち、x軸とX軸とは平行、y軸とY軸とは平行、z軸とZとは平行である。

0064

椀状接続部材50は、図3の側断面図に示されているとおり、椀の平底部分に相当する円板状の肉薄部51と、その周囲を支持する円筒状の側壁部52と、この側壁部52を支持基板40の上面に固定するための固定部53と、の各部から構成されており、肉薄部51の上面中央部には、円柱状の柱状体60が接続されている。この円柱状の柱状体60の中心軸の延長線と支持基板40の上面との交点位置にローカル原点が定義されていることになる。

0065

ここで、この例の場合、支持基板40および柱状体60は、十分な剛性をもっているが、椀状接続部材50は、可撓性(別言すれば、弾性変形を生じる性質)を有している。この例では、椀状接続部材50は、金属の薄板によって構成されており、支持基板40および柱状体60は絶縁体材料によって構成されている。

0066

図5の上面図に示されているとおり、板状の支持基板40の上面には、5枚の固定電極E1〜E5が形成されている。ここで、固定電極E1はx軸の正の部分に配置され、固定電極E2はx軸の負の部分に配置され、固定電極E3はy軸の正の部分に配置され、固定電極E4はy軸の負の部分に配置されており、いずれも各座標軸に関して線対称となる扇形をした同一形状、同一サイズの電極になっている。一方、固定電極E5はローカル原点の位置に配置された円形の電極である。

0067

図5破線で示すのは、支持基板40の上に固定される椀状接続部材50の各部の位置である。図示のとおり、肉薄部51は、各固定電極E1〜E5のすべてに対向するように、支持基板40の上方に配置されることになる。肉薄部51を金属板などの導電性材料で構成しておけば、肉薄部51は、可撓性および導電性を有することになり、それ自身が1枚の共通変位電極として機能し、対向する各固定電極E1〜E5との間で容量素子を形成することになる。ここでは、各固定電極E1〜E5と、共通変位電極として機能する肉薄部51とによって構成される5組の容量素子を、それぞれ容量素子C1〜C5と呼ぶことにする。

0068

続いて、柱状体60に種々の方向成分をもった力が作用した場合に、椀状接続部材50がどのように変形し、各容量素子C1〜C5の静電容量値にどのような変化が生じるかを考えてみる。

0069

まず、図6に示すように、柱状体60の上部に、x軸正方向への力+fxが加えられた場合を考える。これは、柱状体60を右側(x軸正方向)へと傾斜させる力が働いたことを意味する。この場合、可撓性をもった椀状接続部材50は、図のように変形し、肉薄部51は、右側部分が下方に、左側部分が上方に、それぞれ移動するように傾斜する。その結果、容量素子C1の両電極(固定電極E1と肉薄部51)の距離は狭まり、静電容量値は増加するが、容量素子C2の両電極(固定電極E2と肉薄部51)の距離は広まり、静電容量値は減少する。このとき、他の3組の容量素子C3〜C5については、右半分については電極間距離が狭まるが、左半分については電極間距離が広まるため、トータルでの静電容量値は変化しない。

0070

一方、図7に示すように、柱状体60の上部に、x軸負方向への力−fxが加えられた場合を考える。これは、柱状体60を左側(x軸負方向)へと傾斜させる力が働いたことを意味する。この場合、可撓性をもった椀状接続部材50は、図のように変形し、肉薄部51は、左側部分が下方に、右側部分が上方に、それぞれ移動するように傾斜する。その結果、容量素子C1の静電容量値は減少し、容量素子C2の静電容量値は増加する。

0071

結局、柱状体60に対して作用したx軸方向の力fxは、第1の容量素子C1の静電容量値と第2の容量素子C2の静電容量値との差として求めることができる。求めた差の大きさは作用した力の大きさを示し、求めた差の符号は作用した力の方向を示すものになる。全く同様の原理により、柱状体60に対して作用したy軸方向の力fyは、第3の容量素子C3の静電容量値と第4の容量素子C4の静電容量値との差として求めることができる。

0072

こうして求めた力fxは、柱状体60のx軸方向に関する傾斜度を示すものであり、力fyは、柱状体60のy軸方向に関する傾斜度を示すものになる。結局、柱状体60のx軸方向に関する傾斜度は、第1の容量素子C1の静電容量値と第2の容量素子C2の静電容量値との差として求めることができ、柱状体60のy軸方向に関する傾斜度は、第3の容量素子C3の静電容量値と第4の容量素子C4の静電容量値との差として求めることができる。別言すれば、柱状体60の下端の第1の部分から加えられる力と、柱状体60の下端の第2の部分から加えられる力と、の差に基づいて、柱状体60の支持基板40に対する傾斜度を検知することができる。

0073

続いて、図8に示すように、柱状体60に対して、z軸負方向への力−fzが加えられた場合を考える。この場合、柱状体60全体に対して、図の下方への力が加わることになるので、柱状体60は傾斜することなしに、柱状体60全体により、椀状接続部材50に対して下方への押圧力を作用させることになり、可撓性をもった椀状接続部材50は、図のように変形し、5組の容量素子C1〜C5のすべての電極間隔が狭まり、静電容量値が増加する。逆に、柱状体60を上方へと引き上げる力+fzが加えられた場合は、柱状体60全体により、椀状接続部材50に対して上方への引っ張り力が働くことになり、5組の容量素子C1〜C5のすべての電極間隔が広まり、静電容量値が減少する。

0074

結局、柱状体60に対してz軸方向の力fzのみが作用している環境下では、第1〜第5の容量素子C1〜C5のいずれかの静電容量値を検出すれば、作用した力fzを求めることができる。ただし、他の軸方向成分の力fx,fyが混在する環境下では、たとえば、容量素子C1の静電容量値を単独で求めたり、容量素子C3の静電容量値を単独で求めたりしても、これらは必ずしもz軸方向の力fzを示す値にはならない。どのような環境下においても、z軸方向の力fzを検出するためには、容量素子C5の静電容量値を利用すればよい。上述したように、x軸方向の力fxやy軸方向の力fyが作用した場合は、容量素子C5の静電容量値には変化は生じないので、容量素子C5の静電容量値を利用すれば、z軸方向の力fzのみを独立して検出することが可能になる。

0075

もっとも、z軸方向の力fzのみを独立して検出するためには、別な方法をとることも可能である。たとえば、容量素子C1の静電容量値と容量素子C2の静電容量値との和を求め、これをz軸方向の力fzの検出値として利用することも可能である。x軸方向の力fxの作用に対しては、容量素子C1の静電容量値の増減と容量素子C2の静電容量値の増減は相補的な関係にあるため、両者の和をとることにより、x軸方向の力fxの成分を相殺することができ、z軸方向の力fzの検出値のみを取り出すことができる。同様に、容量素子C3の静電容量値と容量素子C4の静電容量値との和を求め、これをz軸方向の力fzの検出値として利用することも可能である。更に、4組の容量素子C1〜C4の静電容量値の和や、5組の容量素子C1〜C5の静電容量値の和を求め、これをz軸方向の力fzの検出値として利用することも可能である。

0076

以上述べたとおり、図3に示す多軸力センサを用いれば、柱状体60のx軸方向に関する傾斜度(力fx)と、柱状体60のy軸方向に関する傾斜度(力fy)と、柱状体60全体から支持基板40に対して加えられる力(力fz)と、を検出することが可能である。これは、この図3に示す多軸力センサが、図1に示す力検出装置における各センサ21〜24として利用できることを意味している。

0077

結局、一般論として説明すれば、柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子としては、支持基板40の上面において、x座標値が正となる領域に形成された第1の電極E1(x軸正側電極)と、肉薄部の下面において、第1の電極E1に対向する位置に形成された第1の対向電極と、によって構成される第1の容量素子C1と、支持基板40の上面において、x座標値が負となる領域に形成された第2の電極E2(x軸負側電極)と、肉薄部の下面において、第2の電極E2に対向する位置に形成された第2の対向電極と、によって構成される第2の容量素子C2と、を有し、第1の容量素子の静電容量値C1と第2の容量素子の静電容量値C2との差を柱状体のX軸方向に関する傾斜度として求める検出子を用意すればよい。

0078

また、柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子としては、支持基板40の上面において、y座標値が正となる領域に形成された第3の電極E3(y軸正側電極)と、肉薄部の下面において、第3の電極E3に対向する位置に形成された第3の対向電極と、によって構成される第3の容量素子C3と、支持基板40の上面において、y座標値が負となる領域に形成された第4の電極E4(y軸負側電極)と、肉薄部の下面において、第4の電極E4に対向する位置に形成された第4の対向電極と、によって構成される第4の容量素子C4と、を有し、第3の容量素子の静電容量値C3と第4の容量素子の静電容量値C4との差を柱状体のY軸方向に関する傾斜度として求める検出子を用意すればよい。

0079

更に、柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子としては、支持基板40の上面に形成された第5の電極E5(Z軸変位検出用電極)と、肉薄部の下面において、第5の電極E5に対向する位置に形成された第5の対向電極と、によって構成される第5の容量素子C5を有し、この第5の容量素子の静電容量値C5を柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力として求める検出子を用意すればよい。

0080

なお、各検出子が、それぞれ受け持ちとなる検出対象のみを独立して検出できるようにするためには、実用上、各電極の形状および配置に、次のような対称性が維持されるようにするのが好ましい。まず、第1の電極E1自身および第2の電極E2自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、第1の電極E1と第2の電極E2とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしているようにする。また、第3の電極E3自身および第4の電極自身E4は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、第3の電極E3と第4の電極E4とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしているようにする。一方、第5の電極E5自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしているようにする。

0081

各電極の配置や形状に、このような対称性が維持されていなくても、各検出子に、それぞれ受け持ちとなる検出対象のみを検出させることは可能であるが、様々な補正項を用いた演算等が必要になるため実用上は好ましくない。したがって、実用上は、上記対称性を満たす電極構成を行うのが好ましい。

0082

<<< §4. 具体的な実施形態の構造 >>>
続いて、本発明の具体的な実施形態に係る力検出装置の主たる構造部分を、図9図16を用いて説明する。なお、ここで述べる具体的な実施形態も、前述した特許文献1,2において、既に開示されているものである。

0083

図9は、本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の上面図である。この装置を、XZ平面で切断した側断面図が図10に示されており、YZ平面で切断した側断面図が図11に示されている。図10もしくは図11に示されているとおり、この力検出装置の基本的な構成要素は、受力体100、中間体200、支持基板300であり、いずれも上面がXY平面に平行な正方形状をした板状の部材を基本形態としている。図10および図11は、互いに切断位置が異なる側断面図であるが、図面に現れている幾何学的な構造は全く同一である。両者の相違は、各部の符号だけである。これは、この装置の基本構造が、XZ平面に関して面対称であり、かつ、YZ平面に関しても面対称であるためである。

0084

§1で述べた例と同様に、この例でも、XYZ三次元座標系と、これをZ軸方向に平行移動したX′Y′Z′補助座標系とが定義されている。X′Y′Z′補助座標系は、受力体100の中心位置に原点O′をもった座標系である。一方、XYZ三次元座標系の原点Oは、支持基板300の上面中心点を、Z軸正方向に若干ずらした位置に定義されている。図10および図11において、原点Oが支持基板300の上面から若干上方にずれており、X軸およびY軸が支持基板300の上面位置から若干上方にずれているのはこのためである。

0085

そもそもXYZ三次元座標系は、概念的に定義された座標系であり、その原点Oをどの位置に定義しようが、この力検出装置の物理的構造に影響があるわけではない。しかしながら、この力検出装置を用いて、高精度の測定を行うことを意図している利用者に対しては、この検出装置によって正確に検出されるモーメントが、特定の原点Oをもつ座標軸まわりのモーメントであることを明確にしておく必要がある。そして、後述するように、本発明のポイントとなる他軸干渉を排除するための補正は、当該特定の原点Oをもつ座標軸まわりのモーメントについての干渉を相殺するような補正となる。したがって、本発明を実施する上では、このような補正が正確な意味をもつようにするために、特定の原点Oを設定しておく必要がある。

0086

この特定の原点Oは、§1で述べた例と同様に、支持基板300の上面中心点の位置に定義してもかまわない。ただ、本願発明者は、ここに図示する実施形態の場合は、この原点Oの位置を、若干上方に定義した方が、より好ましい結果が得られると考えている。これは、§3で述べたとおり、本発明では、図3に示すような静電容量式センサを用いて、各柱状体の下端に作用した力(傾斜度)の検出が行われるため、この静電容量式センサの中心位置、すなわち、容量素子を構成する一対の電極間の中間位置に、XY平面が位置するような座標系定義を定義するのが最も好ましいと考えられるからである。したがって、ここに示す実施形態の場合、原点Oの位置は、電極の厚みを無視した場合、支持基板300の上面の中心点を、容量素子を構成する一対の電極間距離の1/2だけ上方に移動させた位置ということになる。

0087

もっとも、原点Oの理想的な位置を理論的解析することは容易ではないので、実際の力検出装置の構造によっては、必ずしも上述の位置に原点Oを定義するのが最適であるとは限らない。原点Oの位置は、それほど厳密に定義する必要はなく、支持基板の中央付近の上面もしくはその上方の所定点に定義しておけば、実用上、本発明の効果は十分に得られる。

0088

さて、上面が正方形状をした板状の部材からなる受力体100、中間体200、支持基板300は、いずれも上下両面がXY平面に平行になるように、かつ、各辺がX軸もしくはY軸に平行になるように配置されている。

0089

受力体100は、図9に示すとおり、基本的には、上面が正方形状をした板状部材であるが、下面からは、4本の円柱突起部110,120,130,140が下方へと伸びている。図12は、この受力体100をX′Y′平面で切断した状態を示す横断面図である。

0090

図12に示されているとおり、4本の円柱突起部110,120,130,140の付け根部分の周囲には、円環状の溝部G11,G12,G13,G14が形成されており、この溝部G11,G12,G13,G14の形成により、板状の受力体100には、図9図10図11に示すように、可撓性をもった上端側肉薄部115,125,135,145が形成されている。結局、4本の円柱突起部110,120,130,140は、上端側肉薄部115,125,135,145を介して、板状の受力体100に接続されていることになる。

0091

一方、中間体200は、支持基板300の上面に接合された部材であり、基本的には、上面が正方形状をした板状部材である。図10図11に示すように、この中間体200の上面からは、4本の円柱突起部210,220,230,240が上方へと伸びている。これら4本の円柱突起部210,220,230,240の付け根部分の周囲には、円環状の溝部G21,G22,G23,G24が形成されており、更に、この中間体200の下面には、円柱状の溝部G31,G32,G33,G34が形成されている。中間体200の上面に設けられた溝部G21,G22,G23,G24と、下面に設けられた溝部G31,G32,G33,G34とは、いずれも円柱突起部210,220,230,240の中心軸の位置を中心とした同サイズの円形の輪郭を有している。

0092

図10に示すとおり、溝部G21とG31との間には、下端側肉薄部215が境界壁として存在し、溝部G22とG32との間には、下端側肉薄部225が境界壁として存在する。また、図11に示すとおり、溝部G23とG33との間には、下端側肉薄部235が境界壁として存在し、溝部G24とG34との間には、下端側肉薄部245が境界壁として存在する。

0093

図13は、この図10図11に示す中間体200を、切断線13−13に沿って切断した状態を示す横断面図である。4本の円柱突起部210,220,230,240の周囲に、溝部G21,G22,G23,G24が形成されている状態が明瞭に示されている。また、図14は、この図10図11に示す中間体200を、XY平面に沿って切断した状態を示す横断面図であり、溝部G31,G32,G33,G34の配置が明瞭に示されている。

0094

この中間体200の下面に接合された支持基板300は、図15に示すように、上面が正方形状をした完全な板状部材であり、その上面には、固定電極E11〜E15,E21〜E25,E31〜E35,E41〜E45が配置されている。

0095

受力体100側から下方に伸びた4本の円柱突起部110,120,130,140の下面は、中間体200側から上方に伸びた4本の円柱突起部210,220,230,240の上面に接合されている。ここでは、図10に示すように、円柱突起部110と円柱突起部210とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第1の柱状体T1と呼び、円柱突起部120と円柱突起部220とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第2の柱状体T2と呼ぶことにする。また、図11に示すように、円柱突起部130と円柱突起部230とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第3の柱状体T3と呼び、円柱突起部140と円柱突起部240とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第4の柱状体T4と呼ぶことにする。

0096

図9の上面図を見ればわかるように、この4本の柱状体T1〜T4のXY平面上への投影位置を考えると、第1の柱状体T1は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体T2は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体T3は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体T4は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置されている。

0097

また、図10に示すとおり、第1の柱状体T1の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部115を接続部材として受力体100に接続されており、第2の柱状体T2の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部125を接続部材として受力体100に接続されており、図11に示すとおり、第3の柱状体T3の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部135を接続部材として受力体100に接続されており、第4の柱状体T4の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部145を接続部材として受力体100に接続されている。このように、各上端側肉薄部115,125,135,145は、その周囲が受力体100に接続され、その下面中心部が各柱状体T1,T2,T3,T4の上端に接続されていることになる。。

0098

一方、図10に示すとおり、第1の柱状体T1の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部215の中央に接合されており、下端側肉薄部215の周囲は、中間体200を介して支持基板300に接続されており、第2の柱状体T2の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部225の中央に接合されており、下端側肉薄部225の周囲は、中間体200を介して支持基板300に接続されている。同様に、図11に示すとおり、第3の柱状体T3の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部235の中央に接合されており、下端側肉薄部235の周囲は、中間体200を介して支持基板300に接続されており、第4の柱状体T4の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部245の中央に接合されており、下端側肉薄部245の周囲は、中間体200を介して支持基板300に接続されている。

0099

下端側肉薄部215,225,235,245も、可撓性をもった円板状の部材であり、中間体200の一部が、この円板状の部材を支持基板300上に支持する台座として機能している。結局、下端側肉薄部215,225,235,245は、支持基板300の上面から所定距離をおいた上方位置に、支持基板300の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板300に接続されており、その上面中心部が各柱状体T1,T2,T3,T4の下端に接続されていることになる。

0100

図示の実施形態では、受力体100は絶縁性基板(たとえば、セラミック基板)、中間体200は導電性基板(たとえば、ステンレスアルミニウムチタンなどの金属基板)、支持基板300は絶縁性基板(たとえば、セラミック基板)によって構成されている。もちろん、各部の材質はこれらに限定されるものではなく、たとえば、受力体100を、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属基板で構成してもかまわない。上端側肉薄部115,125,135,145や下端側肉薄部215,225,235,245は、基板の他の部分に比べて肉厚を薄くすることにより可撓性をもつように構成された部分である。

0101

この実施形態では、下端側肉薄部215,225,235,245は、導電性材料から構成されているため、可撓性を有するとともに導電性を有しており、それ自身が共通変位電極としての機能を果たす。これは、図3に示す多軸力センサの構成と全く同様である。

0102

図15に示すように、支持基板300の上面には、第1の柱状体T1の下端近傍位置に固定電極E11〜E15が形成され、第2の柱状体T2の下端近傍位置に固定電極E21〜E25が形成され、第3の柱状体T3の下端近傍位置に固定電極E31〜E35が形成され、第4の柱状体T4の下端近傍位置に固定電極E41〜E45が形成されている。これらの各固定電極は、いずれも図5に示されている固定電極E1〜E5と等価な構成要素である。円形の固定電極E15,E25,E35,E45の中心には、それぞれ図5に示すローカル座標系xyの原点を定義することができる。

0103

また、図10に示す下端側肉薄部215,225、および図11に示す下端側肉薄部235,245は、いずれも図3に示されている肉薄部51と等価な構成要素である。したがって、図10に示す溝G31の周辺および溝G32の周辺には、それぞれ図3に示す多軸力センサと同等の機能をもったセンサS1,S2が構成されていることになり、図11に示す溝G33の周辺および溝G34の周辺にも、それぞれ図3に示す多軸力センサと同等の機能をもったセンサS3,S4が構成されていることになる。

0104

ここで、センサS1は、第1の柱状体T1のX軸方向に関する傾斜度と、Y軸方向に関する傾斜度と、第1の柱状体T1全体から支持基板300に対して加えられるZ軸方向に関する力と、を検知する機能を有しており、センサS2は、第2の柱状体T2のX軸方向に関する傾斜度と、Y軸方向に関する傾斜度と、第2の柱状体T2全体から支持基板300に対して加えられるZ軸方向に関する力と、を検知する機能を有している。同様に、センサS3は、第3の柱状体T3のX軸方向に関する傾斜度と、Y軸方向に関する傾斜度と、第3の柱状体T3全体から支持基板300に対して加えられるZ軸方向に関する力と、を検知する機能を有しており、センサS4は、第4の柱状体T4のX軸方向に関する傾斜度と、Y軸方向に関する傾斜度と、第4の柱状体T4全体から支持基板300に対して加えられるZ軸方向に関する力と、を検知する機能を有している。

0105

こうしてみると、結局、図9図15に示す力検出装置は、図1に示す力検出装置と同等の構成要素を備えていることがわかる。すなわち、板状の受力体100は受力体10に対応し、板状の支持基板300は支持基板20に対応し、各柱状体T1〜T4は各柱状体11〜14に対応し、各センサS1〜S4は各センサ21〜24に対応する。したがって、この図9図15に示す構造体に、検出回路30を付加すれば、図1に示した力検出装置を実現することができる。

0106

なお、実用上は、図16に示す例のように、中間体200の周囲輪郭部分を上方へと伸ばし、制御壁250および260を形成した構造にするのが好ましい。制御壁250は、受力体100の周囲を四方から囲む壁であり、制御壁260は、受力体100の上面の周囲を枠状に取り囲む壁である。このような構造体では、受力体100の下面と中間体200の上面との間に寸法d1の空隙部が形成され、受力体100の上面と制御壁260との間に寸法d2の空隙部が形成され、受力体100の側面と制御壁250との間に寸法d3の空隙部が形成される。したがって、受力体100に対して過度の力が加わったとしても、受力体100の下方、上方、側方への変位は、それぞれd1,d2,d3に制限されることになり、各柱状部T1〜T4等の構造部分が破損するのを防ぐことができる。

0107

<<< §5. 具体的な実施形態の動作原理>>>
続いて、§4で述べた力検出装置の基本的な動作原理を、図17図21を用いて説明する。§2で説明したとおり、この装置は、受力体100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、Z軸まわりのモーメントMzという力の6成分を独立して検出する機能を有している。

0108

いま、図15に示す20枚の固定電極E11〜E15,E21〜E25,E31〜E35,E41〜E45と、これに対向する共通変位電極(下端側肉薄部215,225,235,245)と、によって構成される20組の容量素子を、それぞれC11〜C15,C21〜C25,C31〜C35,C41〜C45と呼ぶことにする。図15括弧で示したC11〜C45は、各固定電極によって構成される個々の容量素子を示している。§3で述べた力センサの原理によれば、これら各容量素子C11〜C45は、次のような機能をもっていることになる。

0109

<容量素子C11>
第1の柱状体T1がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体T1がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体T1がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体T1がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。

0110

<容量素子C12>
第1の柱状体T1がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体T1がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体T1がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体T1がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。

0111

<容量素子C13>
第1の柱状体T1がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体T1がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体T1がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体T1がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少する。

0112

<容量素子C14>
第1の柱状体T1がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体T1がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体T1がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体T1がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加する。

0113

<容量素子C15>
第1の柱状体T1がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体T1がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体T1がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。

0114

<容量素子C21>
第2の柱状体T2がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体T2がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体T2がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体T2がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。

0115

<容量素子C22>
第2の柱状体T2がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体T2がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体T2がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体T2がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。

0116

<容量素子C23>
第2の柱状体T2がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体T2がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体T2がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体T2がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少する。

0117

<容量素子C24>
第2の柱状体T2がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体T2がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体T2がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体T2がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加する。

0118

<容量素子C25>
第2の柱状体T2がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体T2がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体T2がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。

0119

<容量素子C31>
第3の柱状体T3がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体T3がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体T3がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体T3がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。

0120

<容量素子C32>
第3の柱状体T3がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体T3がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体T3がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体T3がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。

0121

<容量素子C33>
第3の柱状体T3がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体T3がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体T3がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体T3がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少する。

0122

<容量素子C34>
第3の柱状体T3がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体T3がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体T3がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体T3がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加する。

0123

<容量素子C35>
第3の柱状体T3がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体T3がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体T3がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。

0124

<容量素子C41>
第4の柱状体T4がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体T4がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体T4がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体T4がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。

0125

<容量素子C42>
第4の柱状体T4がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体T4がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体T4がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体T4がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。

0126

<容量素子C43>
第4の柱状体T4がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体T4がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体T4がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体T4がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少する。

0127

<容量素子C44>
第4の柱状体T4がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体T4がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体T4がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体T4がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加する。

0128

<容量素子C45>
第4の柱状体T4がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体T4がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体T4がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。

0129

ここで、図10図11に示す位置に原点OをとったXYZ三次元座標系において、受力体100に対して、X軸正方向の力+Fx,Y軸正方向の力+Fy,Z軸正方向の力+Fz,X軸まわりの正方向のモーメント+Mx,Y軸まわりの正方向のモーメント+My,Z軸まわりの正方向のモーメント+Mzがそれぞれ作用した場合に、上述した機能をもった20組の各容量素子C11〜C45の静電容量値の変化を考えてみる。

0130

図17は、図16に示す力検出装置において、受力体100にX軸正方向の力+Fxが作用したときの構造体の変形態様を示す側断面図である。同様に、図18は、Z軸正方向の力+Fzが作用したときの変形態様を示し、図19は、Y軸まわりの正方向のモーメント+Myが作用したときの変形態様を示している。

0131

一方、図20は、このときの各容量素子C11〜C45の静電容量値の変化の態様を示すテーブルであり、「0」は変化なし、「+Δ」は増加、「−Δ」は減少を示している。なお、このテーブルにおける各欄のΔの絶対値は、たとえ作用する力の絶対値が同一であっても、必ずしもすべてが同一の値をとるわけではなく、それぞれ各容量素子の形状や配置によって決定される所定の固有値になる。

0132

より具体的に言えば、形状や配置に対称性が確保された容量素子についての同一行の欄に記載されたΔの絶対値は互いに等しくなるが、すべての欄についてのΔの絶対値が互いに等しいわけではない。たとえば、第3行目(+Fzの行)におけるC11〜C14,C21〜C24,C31〜C34,C41〜C44の各欄に示すΔの絶対値は、これらの容量素子の形状や配置に対称性が確保されているため互いに等しくなるが、同じ第3行目であっても、C11の欄のΔとC15の欄のΔとは、互いに絶対値が異なることになる。また、同じC11の欄のΔであっても、たとえば、第1行目と第3行目とでは、互いに絶対値が異なることになる。

0133

各容量素子の静電容量値が、このテーブルのように変化する理由は、図17図19に示す構造体の各変化態様と、図6図8に示す多軸力センサの変形態様を見れば理解できよう。

0134

たとえば、受力体100に対して、X軸正方向の力+Fxが作用すると、図17に示されているように、各柱状体T1〜T4は、いずれも図の右方向(X軸正方向)に傾斜することになるので、図15の平面図を参照すれば、容量素子C11,C21,C31,C41の電極間隔は狭まり、静電容量値が増加するのに対して、容量素子C12,C22,C32,C42の電極間隔は広がり、静電容量値が減少することがわかる。他の容量素子については、電極間隔は一部は広がり、一部は狭まるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図20(a) ,(b) のテーブルの第1行目(+Fxの行)は、各容量素子C11〜C45についてのこのような静電容量値の変化を示している。

0135

逆に、X軸負方向の力−Fxが作用すると、各柱状体T1〜T4は、いずれも図17に示す例とは反対の左方向(X軸負方向)に傾斜することになるので、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、図20(a) ,(b) のテーブルの第1行目(+Fxの行)とは「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。

0136

一方、受力体100に対して、Y軸正方向の力+Fyが作用した場合は、上述した力+Fxが作用した場合の変化態様を、上面からみて90°回転させた現象が起こることになる。すなわち、図15の平面図を参照すれば、容量素子C13,C23,C33,C43の電極間隔は狭まり、静電容量値が増加するのに対して、容量素子C14,C24,C34,C44の電極間隔は広がり、静電容量値が減少することがわかる。他の容量素子については、電極間隔は一部は広がり、一部は狭まるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図20(a) ,(b) のテーブルの第2行目(+Fyの行)は、各容量素子C11〜C45についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、Y軸負方向の力−Fyが作用した場合は、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。

0137

また、受力体100に対して、Z軸正方向の力+Fzが作用すると、図18に示されているように、各柱状体T1〜T4は、いずれも支持基板300の上面に対して引っ張り力を作用させることになるので、全容量素子C11〜C45の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図20(a) ,(b) のテーブルの第3行目(+Fzの行)は、このような変化を示している。逆に、受力体100に対して、Z軸負方向の力−Fzが作用すると、各柱状体T1〜T4は、いずれも支持基板300の上面に対して押圧力を作用させることになるので、全容量素子C11〜C45の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。したがって、図20(a) ,(b) のテーブルの第3行目(+Fzの行)に示された結果に対して、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。

0138

次に、受力体100に対して、モーメントが作用した場合を考えてみよう。図19には、受力体100にY軸まわりの正方向のモーメント+Myが作用した場合の変化態様が示されている。すなわち、柱状体T1から支持基板300に対しては下方への押圧力−fzが加わり、柱状体T2から支持基板300に対しては上方への引っ張り力+fzが加わっている。したがって、図15の平面図を参照すれば、容量素子C11〜C15の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。一方、容量素子C21〜C25の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図20(a) ,(b) のテーブルの第5行目(+Myの行)は、各容量素子C11〜C45についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、Y軸まわりの負方向のモーメント−Myが作用すると、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。

0139

また、受力体100にX軸まわりの正方向のモーメント+Mxが作用した場合は、上述したモーメント+Myが作用した場合の変化態様を、上面からみて90°回転させた現象が起こることになる。すなわち、柱状体T4から支持基板300に対しては下方への押圧力−fzが加わり、柱状体T3から支持基板300に対しては上方への引っ張り力+fzが加わっている。したがって、容量素子C41〜C45の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。一方、容量素子C31〜C35の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図20(a) ,(b) のテーブルの第4行目(+Mxの行)は、各容量素子C11〜C45についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、X軸まわりの負方向のモーメント−Mxが作用すると、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。

0140

最後に、受力体100に対して、Z軸まわりのモーメントMzが作用した場合を考えてみる。まず、図15を参照しながら、受力体100にZ軸まわりの正方向のモーメント+Mz(図15の平面図上では、反時計まわりのモーメントになる)が加わった場合、4本の柱状体T1〜T4がどの方向に傾斜するかを考えてみよう。

0141

この場合、第1の柱状体T1(図の固定電極E15の上に配置されている)は、図15における上方に傾斜し、容量素子C13の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C14の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。容量素子C11,C12,C15の静電容量値は変化しない。第2の柱状体T2(図の固定電極E25の上に配置されている)は、図15における下方に傾斜し、容量素子C24の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C23の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。容量素子C21,C22,C25の静電容量値は変化しない。第3の柱状体T3(図の固定電極E35の上に配置されている)は、図15における左方に傾斜し、容量素子C32の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C31の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。容量素子C33,C34,C35の静電容量値は変化しない。第4の柱状体T4(図の固定電極E45の上に配置されている)は、図15における右方に傾斜し、容量素子C41の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C42の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。容量素子C43,C44,C45の静電容量値は変化しない。

0142

結局、受力体100にZ軸まわりの正方向のモーメント+Mzが作用した場合は、図20の第6行目に示すような増減結果が得られることになる。また、受力体100にZ軸まわりの負方向のモーメント−Mzが作用した場合は、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。

0143

この図20(a) ,(b) のテーブルに示すような結果が得られることを踏まえると、検出回路30として、20組の容量素子C11〜C45の静電容量値(ここでは、静電容量の値自身も、同じ符号C11〜C45で示すことにする)に基づいて、図21に示す式に基づく演算を行う回路を用意しておけば、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分を得ることができる。

0144

たとえば、図21に示すFx=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)なる式は、図20(a) ,(b) のテーブルの第1行目(+Fxの行)の結果を踏まえたものであり、第1〜第4のセンサS1〜S4によって検知された各柱状体T1〜T4のX軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、受力体100に作用した力のX軸方向成分Fxが検出できることを意味している。これは、図2(b) に示す検出原理に基づくものである。

0145

また、図21に示すFy=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)なる式は、図20(a) ,(b) のテーブルの第2行目(+Fyの行)の結果を踏まえたものであり、第1〜第4のセンサS1〜S4によって検知された各柱状体T1〜T4のY軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、受力体100に作用した力のY軸方向成分Fyが検出できることを意味している。これも、図2(b) に示す検出原理に基づくものである。

0146

更に、図21に示すFz=−(C15+C25+C35+C45)なる式は、図20(a) ,(b) のテーブルの第3行目(+Fzの行)の結果を踏まえたものであり、第1〜第4のセンサS1〜S4によって検知された各柱状体T1〜T4のZ軸方向に関する力の和に基づいて、受力体100に作用した力のZ軸方向成分Fzが検出できることを意味している。先頭マイナス符号は、Z軸方向のとり方によるものである。

0147

一方、図21に示すMx=(C41+C42+C43+C44+C45)−(C31+C32+C33+C34+C35)なる式は、図20(a) ,(b) のテーブルの第4行目(+Mxの行)の結果を踏まえたものであり、第4のセンサS4によって検知された第4の柱状体T4のZ軸方向に関する力の和と、第3のセンサS3によって検知された第3の柱状体T3のZ軸方向に関する力の和と、の差に基づいて、受力体100に作用した力のX軸まわりのモーメントMxが検出できることを意味している。これは、図2(c) に示す検出原理に基づくものである。

0148

また、図21に示すMy=(C11+C12+C13+C14+C15)−(C21+C22+C23+C24+C25)なる式は、図20(a) ,(b) のテーブルの第5行目(+Myの行)の結果を踏まえたものであり、第1のセンサS1によって検知された第1の柱状体T1のZ軸方向に関する力の和と、第2のセンサS2によって検知された第2の柱状体T2のZ軸方向に関する力の和と、の差に基づいて、受力体100に作用した力のY軸まわりのモーメントMyが検出できることを意味している。これは、図2(c) に示す検出原理に基づくものである。

0149

最後に、図15に示すMz=((C13−C14)+(C41−C42))−((C23−C24)+(C31−C32))なる式は、図20(a) ,(b) のテーブルの第6行目(+Mzの行)の結果を踏まえたものであり、第1のセンサS1によって検知された第1の柱状体T1のY軸方向に関する傾斜度と、第4のセンサS4によって検知された第4の柱状体T4のX軸方向に関する傾斜度と、の和と、第2のセンサS2によって検知された第2の柱状体T2のY軸方向に関する傾斜度と、第3のセンサS3によって検知された第3の柱状体T3のX軸方向に関する傾斜度と、の和と、の差に基づいて、受力体100に作用した力のZ軸まわりのモーメントMzが検出できることを意味している。

0150

なお、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分を得るための式は、図21に示す式に限定されるものではなく、後述するように、それぞれいくつかのバリエーションが存在する。たとえば、図21に示す第3の式(Fzの式)では、第1のセンサS1によって検知された第1の柱状体T1のZ軸方向に関する力として、C15なる1つの容量素子の静電容量値を用いているのに対し、第5の式(Myの式)では、同じく、第1のセンサS1によって検知された第1の柱状体T1のZ軸方向に関する力として、(C11+C12+C13+C14+C15)なる5つの容量素子の静電容量値の総和を用いている。これは、§3で述べたとおり、図3に示すタイプの多軸力センサを用いて、Z軸方向に関する力を求める方法に複数通りのバリエーションがあるためである。

0151

したがって、たとえば、図21の第3の式は、Fz=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45))としてもかまわない。同様に、第5の式は、My=(C15−C25)としてもかまわない。これらのバリエーションについては、後に一覧表として提示して説明する。

0152

このように、1つの力検出装置でありながら、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分を得ることができる装置は、産業上、極めて有用である。ロボットや産業機械の動作制御などへの用途では、力とモーメントとをはっきり区別して検出することが可能な力検出装置の需要が決して少なくない。ここに示す力検出装置は、正に、このような用途に適した装置ということができる。たとえば、図16に示す力検出装置を、ロボットの腕と手首との関節部分として利用するのであれば、支持基板300を腕側に取り付け、受力体100を手首側に取り付ければよい。そうすれば、腕に対して手首側に加えられた力およびモーメントを検出することが可能である。

0153

<<< §6. 高精度の検出を行う上での問題点 >>>
さて、§5では、§4で説明した具体的な構造をもつ実施形態について、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分を得るための動作原理を述べた。この動作原理は、これら6成分の力が単独で作用した場合に、各容量素子C11〜C45の静電容量値の変化の態様が、図20(a) ,(b) のテーブルに示すようになる、という前提に立つものである。そして、この前提が成り立つ限り、6成分の検出値は他の成分の干渉を受けることがないので、6成分の検出値をそれぞれ独立して得ることができる。

0154

しかしながら、実際には、§4で説明した具体的な構造をもつ実施形態の場合、他軸成分の干渉を完全に排除した状態で、必要な成分のみの正確な測定値を得ることはできない。もちろん、測定値に含まれる他軸干渉成分の割合が、許容誤差範囲内であれば、図20(a) ,(b) に示すテーブルを前提として、§5で説明した動作原理に基づく検出を行っても支障はない。ただ、最近は、様々な利用分野において、より測定精度の高い力検出装置が望まれており、他軸成分の干渉をより低減する工夫が求められている。本発明は、このような要求に応じてなされたものであり、他軸成分の干渉を排除したより正確な検出値を得るための新技術を提案するものである。

0155

本願発明者が、§4で述べた実施形態に係る装置を、§5で述べた原理で動作させたときに得られる6成分の検出値を詳細に解析したところ、モーメント成分が所定軸方向の力成分の一部として検出されている事実が確認できた。具体的には、§5で述べた動作原理では、Y軸まわりのモーメント成分Myが、力のX軸方向成分Fxの検出結果に干渉し、X軸まわりのモーメント成分Mxが、力のY軸方向成分Fyの検出結果に干渉していることが確認できた。このような他軸干渉が生じる原因は、次のような理由で説明できる。

0156

まず、図2を再び参照しながら、力FxとモーメントMyの検出原理の相違を考えてみよう。この図2を用いた説明では、図2(b) に示すように、受力体10に力+Fxが作用すると、2本の柱状体11,12がX軸正方向に傾斜するので、この傾斜度をセンサで検知すれば、力+Fxの値が得られると述べた。また、図2(c) に示すように、受力体10にモーメント+Myが作用すると、支持基板20に対して、第1の柱状体11からは押圧力−fzが加わり、第2の柱状体12からは引っ張り力+fzが加わるので、このZ軸方向に関する力をセンサで検知すれば、モーメント+Myの値が得られると述べた。

0157

この説明は、受力体10にモーメント+Myが作用した場合、2本の柱状体11,12は傾斜しないという前提に立つものであり、実際、図2(c) には、2本の柱状体11,12が全く傾斜していない状態が示されている。しかしながら、§4に示すような具体的な構造をもつ実施形態では、受力体10にモーメント+Myが作用した場合、2本の柱状体11,12に傾斜が生じることは避けられない。もちろん、モーメントMyが作用した場合に生じる傾斜の程度は、力Fxが作用した場合に生じる傾斜の程度に比べれば小さいので、それが許容誤差範囲内であれば、図2(c) に示すように、生じる傾斜を無視しても支障はない。しかしながら、より厳密な精度が要求される場合は、このような傾斜を無視することはできない。

0158

もちろん、モーメントMyが作用した場合に、2本の柱状体11,12の傾斜度をできるだけ小さくするように、構造を工夫を施すことも可能である。たとえば、柱状体11,12と受力体10との間の接続部分に、リンク機構カム構造など、機械的な構造体を組み込むようにすれば、図2(c) に示すような理想的な状態に近づけることができるかもしれない。しかしながら、そのような機械的な構造体を組み込めば、それだけ構造が複雑になり、コストも高騰することになるので、商業的な観点からは好ましくない。構造をできるだけ単純化して、コストを低減する、という産業界の要望応えるためには、肉薄部などの可撓性部材を介して、柱状体11,12を受力体10に接続するのが最良である。ところが、このような可撓性部材を介して両者を接続する構造をとれば、モーメントMyが作用した場合に、2本の柱状体11,12が傾斜を生じることは避けられない。

0159

§5の動作原理の説明で用いた図19には、受力体100にモーメント+Myが作用した場合、支持基板300に対して、第1の柱状体T1から下方への押圧力−fzが作用し、第2の柱状体T2から上方への引っ張り力+fzが作用する様子が示されている。ここで、図示された第1の柱状体T1および第2の柱状体T2には、全く傾斜が生じていない。これは、図2(c) の原理図に対応させたものであり、第1の柱状体T1および第2の柱状体T2に生じる傾斜を無視した状態が描かれている。

0160

しかしながら、第1の柱状体T1および第2の柱状体T2を、可撓性をもった肉薄部を介して受力体100に接続する構造を採る限り、受力体100にモーメント+Myが作用すると、第1の柱状体T1および第2の柱状体T2がX軸正方向に傾斜することは避けられない。すなわち、モーメント+Myが作用した場合の変形態様は、実際には、図19ではなく、図22に示すような形態になる。

0161

この図22に示す変形態様が生じた場合も、支持基板300に対して、第1の柱状体T1から下方への押圧力−fzが作用し、第2の柱状体T2から上方への引っ張り力+fzが作用する点に変わりはなく、このような力の作用が主たる現象であることに変わりはない。しかしながら、第1の柱状体T1および第2の柱状体T2には、X軸正方向への傾斜も若干加わるため、図20(a) の第5行目(+Myの行)の結果は、厳密には不正確なものになる。

0162

すなわち、図20(a) の第5行目(+Myの行)を見ると、C11〜C15の変化態様はいずれも「+Δ」となっており、C21〜C25の変化態様はいずれも「−Δ」となっている。これは、図19に示すような変形態様が生じたために、容量素子C11〜C15の電極間隔が一様に狭まり、容量素子C21〜C25の電極間隔が一様に広まる、という現象が生じることを前提とした結果を示すものであり、このような前提では、形状および配置に対称性をもったC11〜C14およびC21〜C24の欄のΔの絶対値は互いに等しくなる。

0163

しかしながら、実際には、図22に示すとおり、第1のセンサS1を構成する容量素子C11〜C15の電極間隔は一様に狭まるわけではない。もちろん、全体的な傾向としては、何の力も作用していない状態に比べて、容量素子C11〜C15の電極間隔はいずれも狭まるが、第1の柱状体T1がX軸正方向へ傾斜するため、容量素子C11の狭まり方はより顕著になり、容量素子C12の狭まり方は緩慢になる。同様に、第2のセンサS2を構成する容量素子C21〜C25の電極間隔も一様に広がるわけではない。もちろん、全体的な傾向としては、何の力も作用していない状態に比べて、容量素子C21〜C25の電極間隔はいずれも広がるが、第2の柱状体T2がX軸正方向へ傾斜するため、容量素子C22の広がり方はより顕著になり、容量素子C21の広がり方は緩慢になる。

0164

したがって、受力体100にモーメントMyが作用したときに、第1の柱状体T1および第2の柱状体T2の傾斜を無視した場合に生じる静電容量値の変化分をΔとし、第1の柱状体T1および第2の柱状体T2の傾斜によって生じる静電容量値の変化分をδとすれば、図20(a) の第5行目(+Myの行)のC11の欄は実際には「+Δ+δ」となり、C12の欄は実際には「+Δ−δ」となる。C13〜C15の欄については、第1の柱状体T1の傾斜の影響は部分部分で相殺されると考えられるので、「+Δ」のままでよい。同様に、図20(a) の第5行目(+Myの行)のC21の欄は実際には「−Δ+δ」となり、C22の欄は実際には「−Δ−δ」となる。C23〜C25の欄については、第1の柱状体T1の傾斜の影響は部分部分で相殺されると考えられるので、「−Δ」のままでよい。

0165

全く同様の現象が、第3の柱状体T3および第4の柱状体T4に関しても生じることになる。すなわち、図20(b) の第5行目(+Myの行)の行の各欄はいずれも「0」となっており、モーメントMyが作用したときに、容量素子C31〜C35,C41〜C45については、静電容量値に変化は生じない、という結果が示されているが、これはモーメントMyが作用しても、第3の柱状体T3および第4の柱状体T4は傾斜しない、という前提に基づく結果である。しかしながら、実際には、モーメントMyの作用により、第3の柱状体T3および第4の柱状体T4はX軸正方向への傾斜を生じることになる。

0166

したがって、受力体100にモーメントMyが作用したときに、第3の柱状体T3および第4の柱状体T4の傾斜によって生じる静電容量値の変化分をδとすれば、図20(b) の第5行目(+Myの行)のC31の欄は実際には「0+δ」となり、C32の欄は実際には「0−δ」となる。C33〜C35の欄については、第3の柱状体T3の傾斜の影響は部分部分で相殺されると考えられるので、「0」のままでよい。同様に、図20(b) の第5行目(+Myの行)のC41の欄は実際には「0+δ」となり、C42の欄は実際には「0−δ」となる。C43〜C45の欄については、第4の柱状体T4の傾斜の影響は部分部分で相殺されると考えられるので、「0」のままでよい。

0167

以上、受力体100にモーメントMyが作用したときの厳密な取り扱いを述べたが、受力体100にモーメントMxが作用したときの厳密な取り扱いも全く同様であり、図20(a) ,(b) に示すテーブルにおける第4行目(+Mxの行)の各欄のうち、各柱状体T1〜T4の傾斜が影響する欄については、傾斜によって生じる静電容量値の変化分δ修正項として付加する必要がある。

0168

図23(a) ,(b) に示すテーブルは、図20(a) ,(b) に示すテーブルに、このような変化分δの修正項を付加したものである。枠を太線で囲った欄が、変化分δの修正項が付加された欄である。結局、§4で説明した具体的な構造をもった実施形態の場合、6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzが作用した場合の各容量素子C11〜C45の静電容量値の本来の変化態様は、図23(a) ,(b) のテーブルに示すようなものになり、このような変化態様を前提として、6成分の検出値を得る必要がある。ただ、変化分δが許容誤差範囲内であれば、図23(a) ,(b) のテーブルにおいて、δ=0としても支障はなく、図20(a) ,(b) のテーブルを代用しても問題は生じないことになる。

0169

逆に言えば、変化分δを許容誤差範囲として取り扱うことができない高精度な測定が必要になる場合には、図23(a) ,(b) のテーブルを前提とした取り扱いが必要になる。そこで、図20(a) ,(b) のテーブルに代わりに、図23(a) ,(b) のテーブルを用いた場合、§5で述べた6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの検出原理にどのような影響が及ぶかを考えてみよう。

0170

図23(a) ,(b) のテーブルにおいて、変化分δの修正項が記載されている欄に対応する容量素子C11〜C14、C21〜C24、C31〜C34、C41〜C44は、いずれも形状および配置に対称性が確保されている素子であるので、このテーブルに記載されているδの絶対値はすべて等しいと考えてよい。そうすると、このような修正項が付加されたとしても、+δおよび−δを含めた演算によって、変化分δが相殺されてしまうような演算式は、修正項の付加による影響を全く受けない。

0171

このような観点から、図21に示す6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの演算式をチェックすれば、修正項の付加によって影響を受ける演算式は、Fx,Fyを算出する演算式のみであることがわかる。図24は、変化分δの修正項を考慮して、図12に示す6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの演算式を新たに書き直したものである。図24の第1の式は、図21の第1の式における左辺FxをFx*に置き換えたものであり、図24の第2の式は、図21の第2の式における左辺FyをFy*に置き換えたものである(各式の右辺の内容には変わりはない)。また、図24の第3〜第6の式は、図21の第3〜第6の式と全く同一の式である。

0172

図24の第1の式の左辺がFx*になっているのは、この式の右辺の値が正しい力Fxを示すものにはなっていないためである。たとえば、この力検出装置の受力体に、6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzのすべてを含む合成力が作用した場合を考えてみる。この場合、各容量素子C11〜C45には、図23(a) ,(b) の各欄に示す静電容量値の変化が生じることになる。図24の第1の式の右辺は、図23(a) ,(b) の第1行目(+Fxの行)の各欄に示す静電容量値の変化に基づいて、X軸方向の力成分Fxを検出することを意図した式になっている。この例の場合、第1行目(+Fxの行)の各欄に示す静電容量値を考慮して右辺を演算すると、右辺の演算値=8Δになるので、この値8Δが、本来意図した検出値として出力されるべき値になる。

0173

この場合、他軸成分の干渉が全く生じなければ、力Fxの検出値は、他の5成分Fy,Fz,Mx,My,Mzの影響を全く受けないはずである。実際、図24の第1の式の右辺の値は、他の4成分Fy,Fz,Mx,Mzには左右されない。すなわち、図23(a) ,(b) の第2行目(+Fyの行)の各欄に示す静電容量値の変化に基づいて図24の第1の式の右辺を演算した結果は0になり、図23(a) ,(b) の第3行目(+Fzの行)の各欄、第4行目(+Mxの行)の各欄、もしくは第6行目(+Mzの行)の各欄に示す静電容量値の変化に基づいて図24の第1の式の右辺を演算した結果も0になる。ところが、第5行目(+Myの行)の各欄に示す静電容量値の変化に基づいて図24の第1の式の右辺を演算した結果は8δとなってしまう。

0174

結局、図24の第1の式の右辺の演算値=8Δ+8δとなり、本来得られるべきFx=8Δに対して、誤差8δを生じる結果となる。図24の第1の式の左辺を、Fx*としたのは、この値が正確なFxの値ではなく、誤差を含んだFx+8δなる値になっているためである。このような誤差が生じるのは、図24の第1の式の右辺各項の下方に「+δ」,「−δ」という吹き出しで示したように、各静電容量値の変化分に、本来のΔだけでなく、モーメントMyの作用で生じる柱状体のX軸方向に関する傾斜に起因する変化分δが含まれているためである。

0175

全く同様の理由により、図24の第2の式の右辺の演算値=8Δ−8δとなり、本来得られるべきFy=8Δに対して、誤差8δを生じる結果となる。図24の第2の式の左辺を、Fy*としたのは、この値が正確なFyの値ではなく、誤差を含んだFy−8δなる値になっているためである。このような誤差が生じるのは、図24の第2の式の右辺各項の下方に「+δ」,「−δ」という吹き出しで示したように、各静電容量値の変化分に、本来のΔだけでなく、モーメントMxの作用で生じる柱状体のY軸方向に関する傾斜に起因する変化分δが含まれているためである。

0176

このように、検出対象となる力の6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzのうち、Fz,Mx,My,Mzについては、図24の第3〜第6の式に基づく演算を行うことにより、他軸干渉のない正確な値を得ることができるが、Fx,Fyについては、図24の第1の式で示されている近似値Fx*、第2の式で示されている近似値Fy*しか得ることができない。誤差となる値8δが許容範囲内であれば、近似的にFx=Fx*、Fy=Fy*とする取り扱いを行うことができるが、高精度な測定が必要になる場合には、このような誤差を排除する工夫が必要になる。

0177

<<< §7. 本発明に係る各力成分検出処理>>>
さて、§6では、図24に示す各式によって、6成分Fx*,Fy*,Fz,Mx,My,Mzを算出できることを述べた。ここで、Fx*,Fy*は、他軸干渉成分を含むFx,Fyの不正確な値である。§6で述べたとおり、Fx*に含まれる他軸成分は、モーメント成分Myであり、Fy*に含まれる他軸成分は、モーメント成分Mxである。本発明の基本的な考え方は、このFx*,Fy*に含まれている他軸成分My,Mxを、別な方法で求めたモーメント成分My,Mxに基づいて補正する、というものである。

0178

そこで、まず、この図24に示す6成分Fx*,Fy*,Fz,Mx,My,Mzを算出する式のバリエーションの一覧を図25に示しておく。この図25に示す各式は、§4で述べた具体的な実施形態で用いられている20組の容量素子C11〜C45(図15に示す20枚の固定電極E11〜E45と、これらに対向する導電性をもった下端側肉薄部とによって構成される容量素子)の静電容量値C11〜C45によって、6成分Fx*,Fy*,Fz,Mx,My,Mzを算出する演算を示すものである。

0179

ここで、容量素子C11〜C15は、第1の柱状体T1についての検出を行う第1のセンサS1を構成し、容量素子C21〜C25は、第2の柱状体T2についての検出を行う第2のセンサS2を構成し、容量素子C31〜C35は、第3の柱状体T3についての検出を行う第3のセンサS3を構成し、容量素子C41〜C45は、第4の柱状体T4についての検出を行う第4のセンサS4を構成する。

0180

より具体的に説明すれば、第1のセンサS1は、第1の柱状体T1の下端側肉薄部215とこれに対向する支持基板300の上面とによって挟まれた空間内に形成された複数の容量素子C11〜C15によって構成されている。これらの容量素子は、一方の電極が下端側肉薄部215の下面に形成され、他方の電極E11〜E15が支持基板300の上面に形成されている。

0181

第2のセンサS2は、第2の柱状体T2の下端側肉薄部225とこれに対向する支持基板300の上面とによって挟まれた空間内に形成された複数の容量素子C21〜C25によって構成されている。これらの容量素子は、一方の電極が下端側肉薄部225の下面に形成され、他方の電極E21〜E25が支持基板300の上面に形成されている。

0182

第3のセンサS3は、第3の柱状体T3の下端側肉薄部235とこれに対向する支持基板300の上面とによって挟まれた空間内に形成された複数の容量素子C31〜C35によって構成されている。これらの容量素子は、一方の電極が下端側肉薄部235の下面に形成され、他方の電極E31〜E35が支持基板300の上面に形成されている。

0183

第4のセンサS4は、第4の柱状体T4の下端側肉薄部245とこれに対向する支持基板300の上面とによって挟まれた空間内に形成された複数の容量素子C41〜C45によって構成されている。これらの容量素子は、一方の電極が下端側肉薄部245の下面に形成され、他方の電極E41〜E45が支持基板300の上面に形成されている。

0184

なお、各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されている場合は、この下端側肉薄部自身を単一の共通電極として機能させることができるので、下端側肉薄部の下面に別体の電極を形成する必要はない。前述した具体的な実施形態の場合、下端側肉薄部215,225,235,245が導電性材料から構成されているため、これら肉薄部自身が共通電極として機能することになる。

0185

もちろん、ここに示す実施形態とは逆に、下端側肉薄部を絶縁性材料によって構成し、下端側肉薄部の下面に個別の電極を形成し、支持基板の上面側に形成される固定電極を物理的に単一の共通電極としてもかまわない。

0186

図25には、各センサS1〜S4を構成する20個の容量素子C11〜C45の静電容量値C11〜C45(各容量素子と同じ符号を用いて示す)によって、6成分Fx*,Fy*,Fz,Mx,My,Mzを算出する演算として、それぞれ3とおりのバリエーションが示されている。

0187

まず、Fx*を求める式として、Fx1*=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)、Fx2*=(C11−C12)+(C21−C22)、Fx3*=(C31−C32)+(C41−C42)なる3通りの式が定義されている。図24に示されているFx*の式は、上記Fx1*の式に対応するものであり、4本の柱状体T1〜T4すべてのX軸傾斜度の和を求めるものである。これに対して、上記Fx2*の式は、2本の柱状体T1,T2のX軸傾斜度の和を求めるものであり、上記Fx3*の式は、2本の柱状体T3,T4のX軸傾斜度の和を求めるものである。

0188

また、Fy*を求める式として、Fy1*=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)、Fy2*=(C13−C14)+(C23−C24)、Fy3*=(C33−C34)+(C43−C44)なる3通りの式が定義されている。図24に示されているFy*の式は、上記Fy1*の式に対応するものであり、4本の柱状体T1〜T4すべてのY軸傾斜度の和を求めるものである。これに対して、上記Fy2*の式は、2本の柱状体T1,T2のY軸傾斜度の和を求めるものであり、上記Fy3*の式は、2本の柱状体T3,T4のY軸傾斜度の和を求めるものである。

0189

次に、Fzを求める式として、Fz1=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45))、Fz2=−((C11+C12+C13+C14)+(C21+C22+C23+C24)+(C31+C32+C33+C34)+(C41+C42+C43+C44))、Fz3=−(C15+C25+C35+C45)なる3通りの式が定義されている。図24に示されているFzの式は、上記Fz3の式に対応するものである。上記Fz1の式は、各センサを構成する5組の容量素子すべてを利用してZ軸方向に関する力を検出する式である。これに対して、上記Fz2の式は、各センサを構成する4組の容量素子を利用してZ軸方向に関する力を検出する式であり、上記Fz3の式は、各センサを構成する中央の1組の容量素子を利用してZ軸方向に関する力を検出する式である。

0190

なお、Fzを求める別な式として、2本の柱状体のみを利用して、たとえば、Fz1′=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25))、Fz2′=−((C11+C12+C13+C14)+(C21+C22+C23+C24))、Fz3′=−(C15+C25)なる式を用いることも可能であるが、実用上は、安定した検出を行うために、上述したFz1,Fz2,Fz3の式を用いるのが好ましい。

0191

一方、Mxを求める式として、Mx1=(C41+C42+C43+C44+C45)−(C31+C32+C33+C34+C35)、Mx2=(C41+C42+C43+C44)−(C31+C32+C33+C34)、Mx3=(C45−C35)なる3通りの式が定義されている。図24に示されているMxの式は、上記Mx1の式に対応するものであり、センサS3,S4のそれぞれを構成する5組の容量素子すべてを利用してZ軸方向に関する力を検出する式である。これに対して、上記Mx2の式は、センサS3,S4のそれぞれを構成する4組の容量素子を利用してZ軸方向に関する力を検出する式であり、上記Mx3の式は、各センサS3,S4のそれぞれを構成する中央の1組の容量素子を利用してZ軸方向に関する力を検出する式である。

0192

また、Myを求める式として、My1=(C11+C12+C13+C14+C15)−(C21+C22+C23+C24+C25)、My2=(C11+C12+C13+C14)−(C21+C22+C23+C24)、My3=(C15−C25)なる3通りの式が定義されている。図24に示されているMyの式は、上記My1の式に対応するものであり、センサS1,S2のそれぞれを構成する5組の容量素子すべてを利用してZ軸方向に関する力を検出する式である。これに対して、上記My2の式は、センサS1,S2のそれぞれを構成する4組の容量素子を利用してZ軸方向に関する力を検出する式であり、上記My3の式は、各センサS1,S2のそれぞれを構成する中央の1組の容量素子を利用してZ軸方向に関する力を検出する式である。

0193

更に、Mzを求める式として、Mz1=((C13−C14)+(C41−C42))−((C23−C24)+(C31−C32))、Mz2=(C13−C14)−(C23−C24)、Mz3=(C41−C42)−(C31−C32)なる3通りの式が定義されている。図24に示されているMzの式は、上記Mz1の式に対応するものであり、4本の柱状体T1〜T4すべてのX軸もしくはY軸傾斜度を考慮した式になっている。これに対して、上記Mz2の式は、2本の柱状体T1,T2のX軸もしくはY軸傾斜度のみを考慮した式になっており、上記Mz3の式は、2本の柱状体T3,T4のX軸もしくはY軸傾斜度のみを考慮した式になっている。

0194

さて、静電容量値C11〜C45によって、6成分Fx*,Fy*,Fz,Mx,My,Mzを算出する演算式は、図25に示すようなバリエーションがあるので、必要に応じて、これらのバリエーションの中から任意の演算式を選択することにより、所望の成分を算出することができる。図24に示す式は、図25に示すバリエーションの中から、Fx1*,Fy1*,Fz3,Mx1,My1,Mz1なる特定の式を選択して組み合わせたものである。もちろん、本発明を実施する上では、この他にも様々な組み合わせが可能である。

0195

また、6成分すべてを求める必要がない場合には、必要な式のみを選択して組み合わせればよい。たとえば、モーメントMx,Myの2成分のみを検出すれば足りる場合には、Mx3=(C45−C35)なる式と、My3=(C15−C25)なる式と、を組み合わせるだけで、要件が満たされることになる。この場合、20組の静電容量素子C11〜C45をすべて実際に設ける必要はなく、4つの容量素子C15,C25,C35,C45を設けるだけで足りる。

0196

ただ、誤差を含まない力成分Fxを検出する必要がある場合には、モーメント成分Myの他軸干渉の影響を排除する補正が必要になるので、成分Fx*とともに成分Myを検出する必要がある。同様に、誤差を含まない力成分Fyを検出する必要がある場合には、モーメント成分Mxの他軸干渉の影響を排除する補正が必要になるので、成分Fy*とともに成分Mxを検出する必要がある。この場合、成分Fx*や成分Myの検出、あるいは成分Fy*や成分Mxの検出にも、図25に示すバリエーションの中から、特定の式を選択して組み合わせることができる。

0197

誤差の補正は、基本的には、誤差成分を除外する減算によって行うことができる。たとえば、図24の第1の式Fx*の右辺の値は、前述したとおり、「8Δ+8δ」となるので、誤差「8δ」を除外する演算を行えば、誤差を含まない正確な値Fx(=8Δ)を求めることができる。したがって、誤差補正に必要な演算は、「Fx=Fx*−8δ」ということになる。ここで、δは、Y軸まわりのモーメントMyに起因して生じた誤差であるので、成分Myの検出値に所定の係数を生じることにより求めることができる。したがって、誤差補正に必要な演算式は「Fx=Fx*−α・My」で与えられる。

0198

ここで、係数αは、成分Fx*や成分Myを求めるために用いた式や、実際の容量素子を構成する電極の面積などに依存した量になる。図25に示すように、同一の成分を求める演算式にはいくつかのバリエーションが存在し、これらバリエーションから選択したいずれの式を採用しても、正しい値を得ることが可能であるが、ここで言う「正しい値」とは、物理量の単位まで規定した絶対値を意味するものではない。したがって、いずれの式を採用したとしても、最終的には、それぞれ固有スケーリングを行う必要がある。上記誤差補正の演算式「Fx=Fx*−α・My」は、成分Fx*と成分Myとの差をとる式であるので、両者のスケーリングが正しく行われていないと意味がない。係数αは、このスケーリングの整合性をとるための比例係数ということになる。

0199

一方、図24の第2の式Fy*の右辺の値は、前述したとおり、「8Δ−8δ」となるので、誤差「8δ」を補填する演算を行えば、誤差を含まない正確な値Fy(=8Δ)を求めることができる。したがって、誤差補正に必要な演算は、「Fy=Fy*+8δ」ということになる。ここで、δは、X軸まわりのモーメントMxに起因して生じた誤差であるので、成分Mxの検出値に所定の係数を生じることにより求めることができる。したがって、誤差補正に必要な演算式は「Fy=Fy*−β・Mx」で与えられる。ここで、係数βは、成分Fy*や成分Mxを求めるために用いた式や、実際の容量素子を構成する電極の面積などに依存した量になり、やはりスケーリングの整合性をとるための比例係数である。

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