CN101949749A

CN101949749A - 力检测装置

Info

Publication number: CN101949749A
Application number: CN201010145239XA
Authority: CN
Inventors: 冈田和广
Original assignee: Wako KK
Current assignee: Ho Guang Technology Co., Ltd.
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: CN101949749B; US8408075B2; JP2011017595A; US20110005338A1; JP5439068B2

Abstract

本发明提供力检测装置。在平行于XY平面的上基板(10)和下基板(20)之间，设置有第一柱状件P1和第二柱状件P2。每个柱状件P1或P2的上端经由上膜部(11或12)连接至上基板(10)，并且下端经由导电下膜部(21或22)连接至下基板(20)。柱状件P1和P2相对于竖直参考轴线R1和R2相互相对地倾斜。当对上基板(10)施加向右的力+Fx且上基板(10)向右滑动时，柱状件P1在放下方向上倾斜，且下膜部(21)向上变形，并且柱状件P2在上升方向上倾斜，且下膜部(22)向下变形。基于由下膜部(21)和电极E5构成的电容元件与由下膜部(22)和电极E6构成的电容元件之间的电容值的差，检测在X轴方向上的力Fx。通过将电容值加和，还可检测在Z轴方向上的力Fz。

Description

力检测装置

技术领域

本发明涉及一种力检测装置(force detection)，尤其涉及一种适于检测在预定坐标轴方向上施加的力和围绕预定坐标轴施加的力矩的力检测装置。

背景技术

利用各种类型的力检测装置来控制机器人和工业机器的运动。紧凑型力检测装置也组成为用于电子设备的输入装置的人机接口。为了实现紧凑尺寸并降低成本，要求应用于这种场合的力检测装置在结构上尽可能地简单并且能够彼此独立地检测三维空间中的各个坐标轴上的力。

通常，力检测装置的检测目标是预定坐标轴方向上的分力和围绕预定坐标轴的分力矩。当在三维空间中限定XYZ三维坐标系时，检测目标是以下六个分量：各个坐标轴方向上的分力Fx、Fy和Fz，以及围绕各个坐标轴的分力矩Mx、My和Mz。

关于能够彼此独立地检测这六个力分量的力检测装置，例如，美国专利No.6915709中公开了一种具有相对简单结构的装置。在此装置中，制备了一种包含两个基板的构件，上述两个基板由多个柱状件连接，并且在固定一个基板的状态下，当对另一个基板施加力时，通过单独测量各柱状件的位移，检测所施加力的分量。

美国专利No.7219561公开了一种简化算术运算的技术：通过利用电容元件作为传感器来单独测量各柱状件的位移，从而通过在电容元件的特定电极之间提供接线(wiring，配线)来检测所施加力的分量。

在上述专利文献所公开的力检测装置中，彼此独立地获得各个柱状件的倾斜，并且基于多个柱状件的倾斜形式，彼此独立地检测六个力分量。因此，用于彼此独立地测量各个柱状件的倾斜角度的传感器是必需的。特别地，在具有检测六个力分量功能的装置中，在平行于XY平面的基板上设置有多个平行于Z轴方向的柱状件，并且彼此独立地测量各个柱状件的相对于X轴方向的倾斜角度和相对于Y轴方向的倾斜角度的传感器是必需的，因而，整个装置的结构不可避免地变得复杂。

例如，如上述专利文献所示，当将使用电容元件的传感器用作用于测量倾斜角度的传感器时，为了测量一个柱状件的相对于X轴方向的倾斜角度和相对于Y轴方向的倾斜角度，必须将电容元件设置在X轴的正方向和负方向中以及Y轴的正方向和负方向中。在由此需要多个电容元件的装置中，接线也不可避免地复杂，因而整个装置的结构变得复杂，且制造成本增加。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有更简单结构的力检测装置。

(1)本发明的第一特征在于检测在XYZ三维坐标系中的预定方向上施加的力的力检测装置，其包括：

上基板，具有平行于XY平面的基板表面；

下基板，具有平行于XY平面的基板表面并且设置在上基板的下方；

第一柱状件，具有直接或间接接合至上基板的下表面的上端，和直接或间接接合至下基板的上表面的下端；

第二柱状件，具有直接或间接接合至上基板的下表面的上端，和直接或间接接合至下基板的上表面的下端；以及

检测器，基于第一柱状件和第二柱状件的位移而输出表示所施加力的电信号，其中，

第一柱状件的下端与下基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性(flexibility)的第一下膜部(film portion)；

第二柱状件的下端与下基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第二下膜部；

通过向XZ平面上正交投影第一柱状件的中心轴线而获得的投影图像相对于Z轴在第一方向上倾斜，并且通过向XZ平面上正交投影第二柱状件的中心轴线而获得的投影图像相对于Z轴在与第一方向相对的第二方向上倾斜；并且

检测器包括检测第一下膜部在Z轴方向上的位移的第一传感器和检测第二下膜部在Z轴方向上的位移的第二传感器，并且检测器输出表示第一传感器的检测值与第二传感器的检测值之间的差的电信号作为在下基板固定的状态下在X轴方向上施加至上基板的力Fx的检测值。

(2)本发明的第二特征在于第一特征的力检测装置，其中，

检测器进一步输出表示第一传感器的检测值和第二传感器的检测值之和的电信号作为在下基板固定的状态下在Z轴方向上施加至上基板的力Fz的检测值。

(3)本发明的第三特征在于第一或第二特征的力检测装置，其中，

在下基板的上表面或下表面上形成有第一下凹槽和第二下凹槽，由第一下凹槽的底部形成第一下膜部，并且由第二下凹槽的底部形成第二下膜部。

(4)本发明的第四特征在于第三特征的力检测装置，其中，

每个下凹槽形成在下基板的上表面上，在下凹槽内部设置凸起，凸起从每个下凹槽的底面向上延伸至基板表面位置，并且每个柱状件的下端经由凸起接合至下膜部。

(5)本发明的第五特征在于第一或第二特征的力检测装置，其中，

下基板由挠性基板形成，第一下膜部由挠性基板的一部分形成，并且第二下膜部由挠性基板的另一部分形成。

(6)本发明的第六特征在于第一至第五特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

第一柱状件的上端与上基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第一上膜部，并且

第二柱状件的上端与上基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第二上膜部。

(7)本发明的第七特征在于第六特征的力检测装置，其中，

在上基板的上表面或下表面上形成有第一上凹槽和第二上凹槽，并且由第一上凹槽的底部形成第一上膜部，且由第二上凹槽的底部形成第二上膜部。

(8)本发明的第八特征在于第七特征的力检测装置，其中，

每个上凹槽形成在上基板的下表面上，在上凹槽内部设置有凸起，凸起从每个上凹槽的底面向下延伸至基板表面位置，并且每个柱状件的上端经由凸起接合至上膜部。

(9)本发明的第九特征在于第六特征的力检测装置，其中，

上基板由挠性基板形成，第一上膜部由挠性基板的一部分形成，并且第二上膜部由挠性基板的另一部分形成。

(10)本发明的第十特征在于第一至第九特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

第一柱状件的中心轴线和第二柱状件的中心轴线设置在XZ平面或平行于XZ平面的平面上，并且第一柱状件和第二柱状件关于YZ平面对称。

(11)本发明的第十一特征在于第一至第十特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

第一传感器由第一电容元件构成，第一电容元件包括：形成于第一下膜部上的第一位移电极；以及固定至与第一位移电极相对的位置处的第一固定电极，并且

第二传感器由第二电容元件构成，第二电容元件包括：形成于第二下膜部上的第二位移电极；以及固定至与第二位移电极相对的位置处的第二固定电极。

(12)本发明的第十二特征在于第十一特征的力检测装置，其中，

下基板由导电材料制成，第一下膜部本身用作第一位移电极，并且第二下膜部本身用作第二位移电极。

(13)本发明的第十三特征在于第十一或第十二特征的力检测装置，进一步包括：

固定至下基板的下表面的辅助基板，其中，

在辅助基板的上表面上位于第一下膜部下方的位置处形成有第一辅助凹槽，

在辅助基板的上表面上位于第二下膜部下方的位置处形成有第二辅助凹槽，并且

在第一辅助凹槽的底面上形成有第一固定电极，且在第二辅助凹槽的底面上形成有第二固定电极。

(14)本发明的第十四特征在于检测在XYZ三维坐标系中的预定方向上施加的力的力检测装置，其包括：

第一柱状件和第二柱状件，被设置为相对于沿上下方向限定的Z轴在预定方向上倾斜；

上结构体，设置在第一柱状件和第二柱状件的上方；

下结构体，设置在第一柱状件和第二柱状件的下方；以及

第一柱状件的上端直接或间接接合至上结构体的下表面，并且第一柱状件的下端直接或间接接合至下结构体的上表面；

第二柱状件的上端直接或间接接合至上结构体的下表面，并且第二柱状件的下端直接或间接接合至下结构体的上表面；

通过向XZ平面上正交投影第一柱状件的中心轴线而获得的投影图像相对于Z轴在第一方向上倾斜，并且通过向XZ平面上正交投影第二柱状件的中心轴线而获得的投影图像相对于Z轴在与第一方向相对的第二方向上倾斜；

“下结构体”的至少一部分和“上结构体、第一柱状件、第二柱状件、以及它们的相互连接部分”的至少一部分具有挠性，以改变第一柱状件和第二柱状件的倾斜状态，并且在下结构体固定至预定位置的状态下，当对上结构体施加外力时，允许上结构体位移；并且

检测器包括检测第一柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第一传感器和检测第二柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第二传感器，并且检测器输出表示第一传感器的检测值与第二传感器的检测值之间的差的电信号作为在下结构体固定至预定位置的状态下在X轴方向上施加至上结构体的力Fx的检测值。

(15)本发明的第十五特征在于第十四特征的力检测装置，其中，

检测器进一步输出表示第一传感器的检测值和第二传感器的检测值之和的电信号作为在下结构体固定至预定位置的状态下在Z轴方向上施加至上结构体的力Fz的检测值。

(16)本发明的第十六特征在于第十四或第十五特征的力检测装置，其中，

第一柱状件的中心轴线和第二柱状件的中心轴线设置在XZ平面上或平行于XZ平面的平面上，并且第一柱状件和第二柱状件关于YZ平面对称。

(17)本发明的第十七特征在于第十四特征至第十六特征中的任何一个特征的力检测装置，进一步包括：

固定在下结构体下方预定距离的辅助基板，其中，

第一传感器由第一电容元件构成，第一电容元件包括：形成于第一柱状件的下端与下结构体接合的位置处的第一位移电极；以及在辅助基板的上表面上固定至与第一位移电极相对的位置处的第一固定电极，并且

第二传感器由第二电容元件构成，第二电容元件包括：形成于第二柱状件的下端与下结构体接合的位置处的第二位移电极；以及在辅助基板的上表面上固定至与第二位移电极相对的位置处的第二固定电极。

(18)本发明的第十八特征在于第十七特征的力检测装置，其中，

下结构体由导电材料制成，第一柱状件的下端与下结构体接合所在的部分用作第一位移电极，并且第二柱状件的下端与下结构体接合所在的部分用作第二位移电极。

(19)本发明的第十九特征在于检测在XYZ三维坐标系中的预定方向上施加的力的力检测装置，其包括：

上基板，具有平行于XY平面的基板表面；

第一至第四X轴柱状件，具有直接或间接接合至上基板的下表面的上端，和直接或间接接合至下基板的上表面的下端；

第一至第四Y轴柱状件，具有直接或间接接合至上基板的下表面的上端，和直接或间接接合至下基板的上表面的下端；以及

检测器，基于第一至第四X轴柱状件和第一至第四Y轴柱状件的位移而输出表示所施加力的电信号，其中，

第一至第四X轴柱状件的下端与下基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第一至第四X轴下膜部；

第一至第四Y轴柱状件的下端与下基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第一至第四Y轴下膜部；

第一X轴柱状件的中心轴线和第二X轴柱状件的中心轴线包含于在X轴正区域中正交于X轴的X轴正侧正交平面中，并且相对于XZ平面互相相对地倾斜；

第三X轴柱状件的中心轴线和第四X轴柱状件的中心轴线包含于在X轴负区域中正交于X轴的X轴负侧正交平面中，并且相对于XZ平面互相相对地倾斜；

第一Y轴柱状件的中心轴线和第二Y轴柱状件的中心轴线包含于在Y轴正区域中正交于Y轴的Y轴正侧正交平面中，并且相对于YZ平面互相相对地倾斜；

第三Y轴柱状件的中心轴线和第四Y轴柱状件的中心轴线包含于在Y轴负区域中正交于Y轴的Y轴负侧正交平面中，并且相对于YZ平面互相相对地倾斜；并且

检测器包括：检测第一X轴下膜部在Z轴方向上的位移的第一X轴传感器；检测第二X轴下膜部在Z轴方向上的位移的第二X轴传感器；检测第三X轴下膜部在Z轴方向上的位移的第三X轴传感器；检测第四X轴下膜部在Z轴方向上的位移的第四X轴传感器；检测第一Y轴下膜部在Z轴方向上的位移的第一Y轴传感器；检测第二Y轴下膜部在Z轴方向上的位移的第二Y轴传感器；检测第三Y轴下膜部在Z轴方向上的位移的第三Y轴传感器；以及检测第四Y轴下膜部在Z轴方向上的位移的第四Y轴传感器，并且检测器输出基于传感器的检测值而获得的电信号作为在下基板固定的状态下施加至上基板的力的检测值。

(20)本发明的第二十特征在于第十九特征的力检测装置，其中，

在下基板的上表面或下表面上形成有第一至第四X轴下凹槽和第一至第四Y轴下凹槽，第一至第四X轴下凹槽的底部形成第一至第四X轴下膜部，并且第一至第四Y轴下凹槽的底部形成第一至第四Y轴下膜部。

(21)本发明的第二十一特征在于第十九特征的力检测装置，其中，

在下基板的上表面或下表面上形成有下环形凹槽，并且下环形凹槽的底部的各部分形成第一至第四X轴下膜部和第一至第四Y轴下膜部。

(22)本发明的第二十二特征在于第二十特征或第二十一特征的力检测装置，其中，

每个下凹槽或下环形凹槽形成在下基板的上表面上，在每个下凹槽或下环形凹槽内部设置有凸起，凸起从每个下凹槽或下环形凹槽的底面向上延伸至基板表面位置，并且每个柱状件的下端经由凸起接合至下膜部。

(23)本发明的第二十三特征在于第十九特征的力检测装置，其中，

下基板由挠性基板形成，并且挠性基板的各部分形成第一至第四X轴下膜部和第一至第四Y轴下膜部。

(24)本发明的第二十四特征在于第十九特征至第二十三特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

第一至第四X轴柱状件的上端与上基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第一至第四X轴上膜部，并且

第一至第四Y轴柱状件的上端与上基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第一至第四Y轴上膜部。

(25)本发明的第二十五特征在于第二十四特征的力检测装置，其中，

在上基板的上表面或下表面上形成有第一至第四X轴上凹槽和第一至第四Y轴上凹槽，第一至第四X轴上凹槽的底部形成第一至第四X轴上膜部，并且第一至第四Y轴上凹槽的底部形成第一至第四Y轴上膜部。

(26)本发明的第二十六特征在于第二十四特征的力检测装置，其中，

在上基板的上表面或下表面上形成有上环形凹槽，并且上环形凹槽的底部的各部分形成第一至第四X轴上膜部和第一至第四Y轴上膜部。

(27)本发明的第二十七特征在于第二十五特征或第二十六特征的力检测装置，其中，

每个上凹槽或上环形凹槽形成在上基板的下表面上，在每个上凹槽或上环形凹槽内部设置有凸起，凸起从每个上凹槽或上环形凹槽的底面向下延伸至基板表面位置，并且每个柱状件的上端经由凸接合至与上膜部。

(28)本发明的第二十八特征在于第二十四特征的力检测装置，其中，

上基板由挠性基板形成，并且挠性基板的各部分形成第一至第四X轴上膜部和第一至第四Y轴上膜部。

(29)本发明的第二十九特征在于第二十八特征的力检测装置，其中，一连结件(coupling member)牢固地固定于上基板的上表面上的除了第一至第四X轴上膜部和第一至第四Y轴上膜部以外的预定位置，并且在连结件上方接合有用于接收作为检测目标的力的力接收器。

(30)本发明的第三十特征在于第二十三特征、第二十八特征或第二十九特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

当在挠性基板上限定四个区域时：包括第一X轴上/下膜部和第二X轴上/下膜部的区域、包括第三X轴上/下膜部和第四X轴上/下膜部的区域、包括第一Y轴上/下膜部和第二Y轴上/下膜部的区域、以及包括第三Y轴上/下膜部和第四Y轴上/下膜部的区域，沿着这四个区域的边界，从挠性基板的外围朝着中心部分形成有狭缝。

(31)本发明的第三十一特征在于检测在XYZ三维坐标系中的预定方向上施加的力的力检测装置，其包括：

上结构体，在平行于XY平面的平面上扩展；

下结构体，在平行于XY平面的平面上扩展并且设置在上结构体的下方；

第一至第四X轴柱状件，具有直接或间接接合至上结构体的下表面的上端，和直接或间接接合至下结构体的上表面的下端；

第一至第四Y轴柱状件，具有直接或间接接合至上结构体的下表面的上端，和直接或间接接合至下结构体的上表面的下端；以及

检测器包括：检测第一X轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第一X轴传感器；检测第二X轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第二X轴传感器；检测第三X轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第三X轴传感器；检测第四X轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第四X轴传感器；检测第一Y轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第一Y轴传感器；检测第二Y轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第二Y轴传感器；检测第三Y轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第三Y轴传感器；以及检测第四Y轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第四Y轴传感器，并且检测器输出基于传感器的检测值而获得的电信号作为在下结构体固定至预定位置的状态下施加至上结构体的力的检测值。

(32)本发明的第三十二特征在于第三十一特征的力检测装置，其中，

下结构体包括位于Z轴上的中心部，以及分别从中心部延伸至与第一至第四X轴柱状件的下端连接的连接位置和与第一至第四Y轴柱状件的下端连接的连接位置的具有挠性的八个分支部。

(33)本发明的第三十三特征在于第十九特征至第三十二特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

第一X轴柱状件在XY平面上的正交投影图像和第一Y轴柱状件在XY平面上的正交投影图像位于XY坐标系的第一象限中，

第三X轴柱状件在XY平面上的正交投影图像和第二Y轴柱状件在XY平面上的正交投影图像位于XY坐标系的第二象限中，

第四X轴柱状件在XY平面上的正交投影图像和第四Y轴柱状件在XY平面上的正交投影图像位于XY坐标系的第三象限中，并且

第二X轴柱状件在XY平面上的正交投影图像和第三Y轴柱状件在XY平面上的正交投影图像位于XY坐标系的第四象限中。

(34)本发明的第三十四特征在于第三十三特征的力检测装置，其中，

由“第一至第四X轴柱状件”、“第一至第四Y轴柱状件”、“上基板或上结构体”、以及“下基板或下结构体”构成的主结构体关于XZ平面对称，并且关于YZ平面也对称。

(35)本发明的第三十五特征在于第三十四特征的力检测装置，其中，

检测器输出：

信号值V(Fx)^*，其与“第一Y轴传感器的检测值与第二Y轴传感器的检测值之间的差”和“第三Y轴传感器的检测值与第四Y轴传感器的检测值之间的差”之和相对应，作为在X轴方向上施加的力Fx的检测值；以及

信号值V(Fy)^*，其与“第一X轴传感器的检测值与第二X轴传感器的检测值之间的差”和“第三X轴传感器的检测值与第四X轴传感器的检测值之间的差”之和相对应，作为在Y轴方向上施加的力Fy的检测值。

(36)本发明的第三十六特征在于第三十五特征的力检测装置，其中，

检测器进一步输出：

信号值V(Mx)，其与“第三Y轴传感器的检测值和第四Y轴传感器的检测值之和”和“第一Y轴传感器的检测值和第二Y轴传感器的检测值之和”之间的差相对应，作为围绕X轴施加的力矩Mx的检测值；以及

信号值V(My)，其与“第一X轴传感器的检测值和第二X轴传感器的检测值之和”与“第三X轴传感器的检测值和第四X轴传感器的检测值之和”之间的差相对应，作为围绕Y轴施加的力矩My的检测值。

(37)本发明的第三十七特征在于第三十四特征的力检测装置，其中，

检测器输出：

信号值V(My)，其与“第一X轴传感器的检测值和第二X轴传感器的检测值之和”和“第三X轴传感器的检测值和第四X轴传感器的检测值之和”之间的差相对应，作为围绕Y轴施加的力矩My的检测值。

(38)本发明的第三十八特征在于第三十七特征的力检测装置，其中，

检测器进一步计算：

信号值V(Fx)^*，其与“第一Y轴传感器的检测值与第二Y轴传感器的检测值之间的差”和“第三Y轴传感器的检测值与第四Y轴传感器的检测值之间的差”之和相对应；以及

信号值V(Fy)^*，其与“第一X轴传感器的检测值与第二X轴传感器的检测值之间的差”和“第三X轴传感器的检测值与第四X轴传感器的检测值之间的差”之和相对应，并且

通过使用预定系数k1至k4，输出：

信号值V(Fx)，其与根据表达式“V(Fx)^*-k2/k1·V(My)”获得的值相对应，作为在X轴方向上施加的力Fx的检测值；以及

信号值V(Fy)，其与根据表达式“V(Fy)^*-k4/k3·V(Mx)”获得的值相对应，作为在Y轴方向上施加的力Fy的检测值。

(39)本发明的第三十九特征在于第三十五特征至第三十八特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

检测器进一步输出：

信号值V(Fz)，其与“第一至第四X轴传感器的检测值之和”、“第一至第四Y轴传感器的检测值之和”、或“第一至第四X轴传感器的检测值之和与第一至第四Y轴传感器的检测值之和的总和”相对应，作为在Z轴方向上施加的力Fz的检测值。

(40)本发明的第四十特征在于第三十五特征至第三十九特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

检测器进一步输出：

信号值V(Mz)，与“第一X轴传感器的检测值与第二X轴传感器的检测值之间的差”、“第四X轴传感器的检测值与第三X轴传感器的检测值之间的差”、“第二Y轴传感器的检测值与第一Y轴传感器的检测值之间的差”、以及“第三Y轴传感器的检测值与第四Y轴传感器的检测值之间的差”之和相对应，作为围绕Z轴施加的力矩Mz的检测值。

(41)本发明的第四十一特征在于第十九特征至第四十特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

每个传感器由电容元件构成，电容元件包括：形成于下膜部或下结构体上的位移电极、以及固定至与位移电极相对的位置处的固定电极。

(42)本发明的第四十二特征在于第十九特征至第三十特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

第一X轴传感器由第一X轴电容元件构成，第一X轴电容元件包括：形成于第一X轴下膜部上的第一X轴位移电极；以及固定至与第一X轴位移电极相对的位置处的第一X轴固定电极，

第二X轴传感器由第二X轴电容元件构成，第二X轴电容元件包括：形成于第二X轴下膜部上的第二X轴位移电极；以及固定至与第二X轴位移电极相对的位置处的第二X轴固定电极，

第三X轴传感器由第三X轴电容元件构成，第三X轴电容元件包括：形成于第三X轴下膜部上的第三X轴位移电极；以及固定至与第三X轴位移电极相对的位置处的第三X轴固定电极，

第四X轴传感器由第四X轴电容元件构成，第四X轴电容元件包括：形成于第四X轴下膜部上的第四X轴位移电极；以及固定至与第四X轴位移电极相对的位置处的第四X轴固定电极，

第一Y轴传感器由第一Y轴电容元件构成，第一Y轴电容元件包括：形成于第一Y轴下膜部上的第一Y轴位移电极；以及固定至与第一Y轴位移电极相对的位置处的第一Y轴固定电极，

第二Y轴传感器由第二Y轴电容元件构成，第二Y轴电容元件包括：形成于第二Y轴下膜部上的第二Y轴位移电极；以及固定至与第二Y轴位移电极相对的位置处的第二Y轴固定电极，

第三Y轴传感器由第三Y轴电容元件构成，第三Y轴电容元件包括：形成于第三Y轴下膜部上的第三Y轴位移电极；以及固定至与第三Y轴位移电极相对的位置处的第三Y轴固定电极，

第四Y轴传感器由第四Y轴电容元件构成，第四Y轴电容元件包括：形成于第四Y轴下膜部上的第四Y轴位移电极；以及固定至与第四Y轴位移电极相对的位置处的第四Y轴固定电极，并且

检测器输出基于以下值而获得的电信号作为检测值：第一X轴电容元件的静态电容波动值Cx1、第二X轴电容元件的静态电容波动值Cx2、第三X轴电容元件的静态电容波动值Cx3、第四X轴电容元件的静态电容波动值Cx4、第一Y轴电容元件的静态电容波动值Cy1、第二Y轴电容元件的静态电容波动值Cy2、第三Y轴电容元件的静态电容波动值Cy3、第四Y轴电容元件的静态电容波动值Cy4。

(43)本发明的第四十三特征在于第四十二特征的力检测装置，其中，

下基板由导电材料制成，并且第一至第四X轴下膜部本身分别用作第一至第四X轴位移电极，且第一至第四Y轴下膜部本身分别用作第一至第四Y轴位移电极。

(44)本发明的第四十四特征在于第四十二特征或第四十三特征的力检测装置，进一步包括：

牢固地固定至下基板的下表面的辅助基板，其中，

在辅助基板的上表面上位于第一至第四X轴下膜部下方的位置形成有第一至第四X轴辅助凹槽，并且在辅助基板的上表面上位于第一至第四Y轴下膜部下方的位置形成有第一至第四Y轴辅助凹槽，并且

在第一至第四X轴辅助凹槽的底面上形成有第一至第四X轴固定电极，并且在第一至第四Y轴辅助凹槽的底面上形成有第一至第四Y轴固定电极。

(45)本发明的第四十五特征在于第四十二特征或第四十三特征的力检测装置，进一步包括：

牢固地固定至下基板的下表面的辅助基板，其中，

在辅助基板的上表面上形成有环形辅助凹槽，该环形辅助凹槽将第一至第四X轴下膜部下方的位置与第一至第四Y轴下膜部下方的位置连结，并且在环形辅助凹槽的底面上形成第一至第四X轴固定电极和第一至第四Y轴固定电极。

(46)本发明的第四十六特征在于第四十二特征或第四十三特征的力检测装置，其中，

一间隔件牢固地固定于下基板的下表面上的除了第一至第四X轴下膜部和第一至第四Y轴下膜部以外的预定位置，一辅助基板牢固地固定在间隔件的下方，并且在辅助基板的上表面上形成第一至第四X轴固定电极和第一至第四Y轴固定电极。

(47)本发明的第四十七特征在于第三十二特征的力检测装置，进一步包括：

固定在下结构体下方预定距离的辅助基板，其中，

第一X轴传感器由第一X轴电容元件构成，第一X轴电容元件包括：形成于延伸至与第一X轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上的第一X轴位移电极、以及在辅助基板的上表面上固定至与第一X轴位移电极相对的位置处的第一X轴固定电极，

第二X轴传感器由第二X轴电容元件构成，第二X轴电容元件包括：形成于延伸至与第二X轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上的第二X轴位移电极、以及在辅助基板的上表面上固定至与第二X轴位移电极相对的位置处的第二X轴固定电极，

第三X轴传感器由第三X轴电容元件构成，第三X轴电容元件包括：形成于延伸至与第三X轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上的第三X轴位移电极、以及在辅助基板的上表面上固定至与第三X轴位移电极相对的位置处的第三X轴固定电极，

第四X轴传感器由第四X轴电容元件构成，第四X轴电容元件包括：形成于延伸至与第四X轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上的第四X轴位移电极、以及在辅助基板的上表面上固定至与第四X轴位移电极相对的位置处的第四X轴固定电极，

第一Y轴传感器由第一Y轴电容元件构成，第一Y轴电容元件包括：形成于延伸至与第一Y轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上的第一Y轴位移电极、以及在辅助基板的上表面上固定至与第一Y轴位移电极相对的位置处的第一Y轴固定电极，

第二Y轴传感器由第二Y轴电容元件构成，第二Y轴电容元件包括：形成于延伸至与第二Y轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上的第二Y轴位移电极、以及在辅助基板的上表面上固定至与第二Y轴位移电极相对的位置处的第二Y轴固定电极，

第三Y轴传感器由第三Y轴电容元件构成，第三Y轴电容元件包括：形成于延伸至与第三Y轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上的第三Y轴位移电极、以及在辅助基板的上表面上固定至与第三Y轴位移电极相对的位置处的第三Y轴固定电极，

第四Y轴传感器由第四Y轴电容元件构成，第四Y轴电容元件包括：形成于延伸至与第四Y轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上的第四Y轴位移电极、以及在辅助基板的上表面上固定至与第四Y轴位移电极相对的位置处的第四Y轴固定电极，并且

(48)本发明的第四十八特征在于第四十七特征的力检测装置，其中，

下结构体由导电材料制成，并且分支部本身分别用作第一至第四X轴位移电极和第一至第四Y轴位移电极。

(49)本发明的第四十九特征在于第四十八特征的力检测装置，其中，

在辅助表面的上表面上与分支部的末端部(tip end portions)相对的位置处设置与固定电极电绝缘的接触判定电极，以基于分支部的末端部与接触判定电极之间的电连续状态判定分支部的末端部与接触判定电极是否彼此物理接触。

(50)本发明的第五十特征在于第四十九特征的力检测装置，其中，

在与一分支部的端部相对的位置处设置有彼此绝缘的一对接触判定电极，以基于这对接触判定电极之间的电连续状态判定分支部的末端部与这对接触判定电极是否彼此物理接触。

(51)本发明的第五十一特征在于第四十八特征的力检测装置，其中，

在辅助基板的上表面上连结与各分支部的末端部相对的位置接合的环形区域中，设置有与固定电极电绝缘的接触判定环形电极，以基于分支部的末端部与接触判定环形电极之间的电连续状态判定分支部的末端部与接触判定环形电极是否彼此物理接触。

(52)本发明的第五十二特征在于第五十一特征的力检测装置，其中，

在环形区域中，设置有彼此绝缘且彼此同心的一对接触判定环形电极，以基于这对接触判定环形电极之间的电连续状态判定分支部的末端部与这对接触判定环形电极是否彼此物理接触。

(53)本发明的第五十三特征在于第四十九特征至第五十二特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

由接触判定电极或接触判定环形电极与分支部之间的物理接触形成的导电路径构成将每个位移电极与检测器电连接的接线路径。

(54)本发明的第五十四特征在于第四十二特征至第五十三特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

第二X轴柱状件在XY平面上的正交投影图像和第三Y轴柱状件在XY平面上的正交投影图像位于XY坐标系的第四象限中，

第一至第四X轴柱状件倾斜，从而上端变得比下端更靠近XZ平面，

第一至第四Y轴柱状件倾斜，从而上端变得比下端更靠近YZ平面，并且

(55)本发明的第五十五特征在于第五十四特征的力检测装置，其中，

检测器输出：

信号值V(Fx)^*，其与根据表达式“(Cy1-Cy2)+(Cy3-Cy4)”获得的值相对应，作为在X轴方向上施加的力Fx的检测值；以及

信号值V(Fy)^*，其与根据表达式“(Cx 1-Cx2)+(Cx3-Cx4)”获得的值相对应，作为在Y轴方向上施加的力Fy的检测值。

(56)本发明的第五十六特征在于第五十五特征的力检测装置，其中，

检测器进一步输出：

信号值V(Mx)，其与根据表达式“(Cy3+Cy4)-(Cy1+Cy2)”获得的值相对应，作为围绕X轴施加的力矩Mx的检测值；以及

信号值V(My)，其与根据表达式“(Cx1+Cx2)-(Cx3+Cx4)”获得的值相对应，作为围绕Y轴施加的力矩My的检测值。

(57)本发明的第五十七特征在于第五十四特征的力检测装置，其中，

检测器输出：

(58)本发明的第五十八特征在于第五十七特征的力检测装置，其中，

通过使用预定系数k1至k4，检测器进一步输出：

信号值V(Fx)，其与根据表达式“(Cy1-Cy2)+(Cy3-Cy4)-k2/k1·V(My)”获得的值相对应，作为在X轴方向上施加的力Fx的检测值；以及

信号值V(Fy)，其与根据表达式“(Cx1-Cx2)+(Cx3-Cx4)-k4/k3·V(Mx)”获得的值相对应，作为在Y轴方向上施加的力Fy的检测值。

(59)本发明的第五十九特征第五十五特征至第五十八特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

检测器进一步输出信号值V(Fz)，其与根据表达式：

“-(Cx1+Cx2+Cx3+Cx4+Cy1+Cy2+Cy3+Cy4)”或

“-(Cx1+Cx2+Cx3+Cx4)”或

“-(Cy1+Cy2+Cy3+Cy4)”获得的值相对应，作为在Z轴方向上施加的力Fz的检测值。

(60)本发明的第六十特征在于第五十五特征至第五十九特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

检测器进一步输出：

信号值V(Mz)，其与根据表达式“(Cx1-Cx2)+(Cx4-Cx3)+(Cy2-Cy1)+(Cy3-Cy4)”获得的值相对应，作为围绕Z轴方向施加的力矩Mz的检测值。

(61)本发明的第六十一特征在于第一特征至第六十特征中的任何一个特征的力检测装置，其中，

将柱状件的一部分或整体设置成具有挠性，从而当施加外力时，柱状件变形。

(62)本发明的第六十二特征在于第六十一特征的力检测装置，其中，

在柱状件的一部分上形成具有挠性的收缩部，从而当施加外力时，柱状件根据收缩部的变形而弯曲。

(63)本发明的第六十三特征在于第六十一特征的力检测装置，其中，

整个柱状件由具有挠性的材料制成，从而当施加外力时，整个柱状件变形。

构造本发明的力检测装置，从而跨过上基板(上结构体)与下基板(下结构体)之间设置一对柱状件，并且这对柱状件相对于垂直轴线互相相对地倾斜，因此，可测量“柱状件的倾斜状态”作为“在垂直方向上施加的力”。因此，作为用于测量柱状件的倾斜状态的传感器，准备能够检测“在垂直方向上施加的力”的传感器。例如，当利用使用电容元件的传感器时，对一个柱状件设置一个电容元件。因此，可实现具有非常简单的结构的力检测装置。

附图说明

图1是示出了使用传统提出的柱状件的力检测装置的基本结构的分解透视图。

图2A是示出了由图1所示的力检测装置检测X轴方向上的力Fx的检测原理的纵向截面图，示出了沿着XZ平面切开的截面中的此装置。

图2B是示出了由图1所示的力检测装置检测X轴方向上的力Fx的检测原理的另一纵向截面图，示出了沿着XZ平面切开的截面中的此装置。

图3A是示出了由本发明基本实施方式的力检测装置检测X轴方向上的力Fx的检测原理的纵向截面图。

图3B是示出了由本发明基本实施方式的力检测装置检测X轴方向上的力Fx的检测原理的另一纵向截面图。

图4A是示出了由本发明基本实施方式的力检测装置检测Z轴方向上的力Fz的检测原理的纵向截面图。

图4B是示出了由本发明基本实施方式的力检测装置检测Z轴方向上的力Fz的检测原理的另一纵向截面图。

图5是示出了这样一种状态的纵向截面图：当在本发明基本实施方式的力检测装置中的柱状件与膜部之间插入凸起时，各零件未装配。

图6是示出了通过使用图5所示的零件来装配的力检测装置的纵向截面图(检测电路部分以方框示出)。

图7是示出了这样一种状态的正视图：本发明的实践实施方式的力检测装置的各构成元件未装配。

图8是示出了本发明的实践实施方式的力检测装置的正视图(检测电路部分以方框示出)。

图9是图8所示的力检测装置的俯视图(阴影部分示出了为了描述方便而定义的八个区域)。

图10是作为图8所示的力检测装置的构成元件的上基板100的俯视图。

图11是纵向截面图。图11的(A)、(B)和(C)分别是图10所示的上基板100的沿着切割线A-A、B-B和C-C切开的纵向截面图。

图12是作为图8所示的力检测装置的构成元件的下基板200的俯视图。

图13是纵向截面图。图13的(A)、(B)和(C)分别是图12所示的下基板200的沿着切割线A-A、B-B和C-C切开的纵向截面图。

图14是作为图8所示的力检测装置的构成元件的辅助基板300的俯视图。

图15是纵向截面图。图15的(A)、(B)和(C)分别是图14所示的辅助基板300的沿着切割线A-A、B-B和C-C切开的纵向截面图。

图16是图8所示的力检测装置的沿着XZ平面切开的纵向截面图。

图17是图8所示的力检测装置的沿着图10、图12和图14所示的切割线A-A切开的纵向截面图。

图18是图8所示的力检测装置的沿着图10、图12和图14所示的切割线B-B切开的纵向截面图。

图19是图8所示的力检测装置的沿着图10、图12和图14所示的切割线C-C切开的纵向截面图。

图20是示出了图8所示的力检测装置中的上膜部与下膜部的位置关系的平面图。

图21是示出了图8所示的力检测装置中的下基板200和附接至下基板200上表面的八个柱状件的平面图(阴影部分示出了柱状件的上端面)。

图22是示出了仅由力+Fx导致图8所示的力检测装置变形的结构实例的正视图。

图23是示出了仅由力+Fz导致图8所示的力检测装置变形的结构实例的正视图(在截面中示出了引导件450)。

图24是示出了仅由力矩+My导致图8所示的力检测装置变形的方式的正视图。

图25是示出了仅由力矩+Mz导致变形的图8所示的力检测装置的俯视图。

图26是示出了当对图8所示的力检测装置施加六个分量(在相应坐标轴方向上的分力Fx、Fy和Fz，以及围绕相应坐标轴的分力矩Mx、My和Mz)时电容元件的电容值变化的表。

图27是示出了用来检测图8所示的力检测装置中的六个力分量Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz的表达式的视图。

图28是示出了在图8所示的力检测装置中出现的其他轴干涉的图。

图29是示出了用来通过补偿图28所示的其他轴干涉而获得精确检测值的表达式的视图。

图30是示出了图10的上基板的示例性变型的俯视图。

图31是示出了图12的下基板的示例性变型的俯视图。

图32是示出了图14的辅助基板的示例性变型的俯视图。

图33是示出了本发明示例性变型的使用挠性基板的力检测装置的正视图。

图34是图33所示的力检测装置中的上基板(挠性基板)150和下基板(挠性基板)250的透视图。

图35是示出了图33所示的力检测装置中的下基板250和附接至下基板250上表面的八个柱状件的平面图(阴影部分示出了柱状件的上端面)。

图36是示出了代替图34所示的上基板(挠性基板)150和下基板(挠性基板)250而使用的上基板(挠性基板)160和下基板(挠性基板)260的俯视图。

图37是示出了在本发明中使用的柱状件的示例性变型的透视图。

图38是示出了本发明示例性变型的使用图37所示柱状件的力检测装置的纵向截面图。

图39是示出了本发明示例性变型的使用由具有挠性的材料制成的柱状件的力检测装置的纵向截面图。

图40是示出了本发明另一示例性变型的使用由具有挠性的材料制成的柱状件的力检测装置的正视图。

图41是代替图33所示力检测装置中的下基板250而使用的下结构体280的俯视图。

图42是示出了代替图33所示力检测装置中的辅助基板340而使用的辅助基板380的俯视图(阴影部分并非示出横截面，而是示出了电极形状)。

图43是示出了使用图41所示的下结构体280和图42所示的辅助基板380的示例性变型的纵向截面图(沿着XZ平面切开的截面图)。

图44是示出了图43所示的示例性变型容纳于装置壳体中的状态的纵向截面图。

图45是示出了图42所示辅助基板380的第一示例性变型的俯视图(阴影部分并非示出横截面，而是示出了电极形状)。

图46是示出了图42所示辅助基板380的第二示例性变型的俯视图(阴影部分并非示出横截面，而是示出了电极形状)。

图47是示出了图42所示辅助基板380的第三示例性变型的俯视图(阴影部分并非示出横截面，而是示出了电极形状)。

图48是示出了图42所示辅助基板380的第四示例性变型的俯视图(阴影部分并非示出横截面，而是示出了电极形状)。

图49是和图41所示下结构体280的示例性变型有关的下基板290的俯视图。

图50是和图42所示辅助基板380的示例性变型有关的辅助基板390的俯视图(阴影部分并非示出横截面，而是示出了电极形状)。

具体实施方式

在下文中，将基于图中所示的实施方式描述本发明。《第一部分》使用传统提出的柱状件的力检测装置

首先，将简要描述在每篇上述专利文献中公开的使用柱状件的力检测装置的基本结构和基本检测原理。

图1是示出了这种传统力检测装置的基本结构的分解透视图。如所示出的，此装置包括上基板10、下基板20、辅助基板30、第一柱状件41和第二柱状件42。在上基板10的下表面上，形成有第一上凹槽G1和第二上凹槽G2(两个凹槽均是圆形的)，并且这些凹槽的底部形成第一上膜部11和第二上膜部12，这两部分由于其薄度而具有挠性。另一方面，在下基板20的上表面上，形成有第一下凹槽H1和第二下凹槽H2(两个凹槽均是圆形的)，并且这些凹槽的底部形成第一下膜部21和第二下膜部22，这两部分由于其薄度而具有挠性。

这里提到的术语“挠性”表示“弹性变形的性质”，该性质响应于外力作用而导致变形然后在去除外力之后导致恢复。在本发明的应用中，“具有挠性”表示“导致充分变形以获得所施加外力的有效检测值”。因此，严格地说，通过施加外力，图1所示的上基板10和下基板20的没有凹槽的部分也可能变形，然而，与凹槽底部的变形相比，此变形非常小。因此，在本发明的应用中所描述的具有“挠性”的部分是薄的上膜部11和12以及下膜部21和22。

图1是示出了此装置的各零件未装配的状态的分解透视图，然而，实际上，第一柱状件41的上端接合至第一上膜部11的中心，且下端接合至第一下膜部21的中心。类似地，第二柱状件42的上端接合至第二上膜部12的中心，且下端接合至第二下膜部22的中心。在图1中，柱状件41和42与基板10和20的接合位置由交替的长短虚线表示。柱状件41和42是圆柱形的柱状件，并且这些柱状件布置成使得它们的中心轴线变得垂直于基板10和20。

最终，上基板10和下基板20通过两个柱状件41和42彼此接合。然而，接合部分形成由于其薄度而具有挠性的膜部(隔膜)，并且根据膜部的翘曲(warping)，允许柱状件41和42位移。因此，在下基板20被固定的状态下，当对上基板10施加外力时，柱状件41和42位移，并且上基板10相对于下基板20位移。在力检测装置的此检测原理中，基于柱状件41和42的位移来检测所施加的外力。

辅助基板30是固定在下基板20下方预定距离的绝缘基板，并且在辅助基板30的上表面上，形成有四个半圆形固定电极E1至E4。这里，一对固定电极E1和E2与第一下膜部21相对，而一对固定电极E3和E4与第二下膜部22相对。通过用导电材料制造下基板20，第一下膜部21和第二下膜部22用作盘形位移电极。

因此，由第一下膜部21的左半部和与此左半部相对的固定电极E1形成第一电容元件C1，并且由第一下膜部21的右半部和与此右半部相对的固定电极E2形成第二电容元件C2。类似地，由第二下膜部22的左半部和与此左半部相对的固定电极E3形成第三电容元件C3，并且由第二下膜部22的右半部和与此右半部相对的固定电极E4形成第四电容元件C4。这些电容元件C1至C4用作检测柱状件41和42的位移的传感器。

这里，为了方便起见，如所示出的定义XYZ三维坐标系。在穿过三个基板10、20和30的中心位置的位置处定义Z轴，Z轴与上基板10的上表面形成交点Q10，与下基板20的上表面形成交点Q20，且与辅助基板30的上表面形成交点Q30。另一方面，X轴和Y轴是平行于基板表面的坐标轴。

例如，可在交点Q10、Q20和Q30的位置处定义坐标系的原点O的位置，然而，这里为了与后面描述的实施方式一致，将原点O设置在下基板20的下表面与辅助基板30的上表面之间的中间位置处且位于Z轴上。三个基板10、20和30的基板表面(除了凹槽形成部分以外的上表面和下表面)均平行于XY平面。

图2A和图2B是示出了由图1所示的力检测装置检测X轴方向上的力Fx的检测原理的纵向截面图(沿着此装置的XZ平面切开的截面图)。图2A是当从前面观察通过组合图1所示零件而构造的装置时的纵向截面图，并且示出了不对装置施加外力的状态。通过未示出的支撑件将下基板20和辅助基板30固定至所示位置。另一方面，如不施加外力的状态下所示出的，上基板10位于下基板20的正上方。此时，柱状件41和42的中心轴线平行于Z轴。

然而，当施加外力时，膜部11、12、21和22翘曲，柱状件41和42位移，并且上基板10本身也位移。图2B示出了当对设置在上基板10重心位置处的施力点Q施加沿X轴正方向的力+Fx时的位移状态。如所示出的，两个柱状件41和42在X轴正方向(图中向右的方向)上倾斜，并且上基板10向右位移。所施加的力+Fx越大，柱状件41和42的倾斜角度越大。当施加沿X轴负方向的力-Fx时，柱状件41和42在X轴负方向(图中向左的方向)上倾斜，并且上基板10向左位移，与图中相反。

这里，当将柱状件41和42的中心轴线分别定义为A1和A2时，如图2A所示，在不施加外力的状态下，中心轴线A1和A2与竖直参考轴线R1和R2(平行于Z轴的轴)一致。因此，当将中心轴线A1相对于竖直参考轴线R1的倾斜角度定义为θ1且将中心轴线A2相对于竖直参考轴线R2的倾斜角度定义为θ2时，θ1＝θ2＝0。

然而如图2B所示，当对施力点Q施加外力+Fx时，中心轴线A1和A2在X轴正方向(图中向右的方向)上倾斜，倾斜角度θ1和θ2增大。例如，在图中，当相对于竖直参考轴线R1和R2沿顺时针方向定义倾斜角度θ1和θ2时，如果施加外力+Fx，那么倾斜角度θ1和θ2变成正值。相反，当施加外力-Fx时，中心轴线A1和A2在X轴负方向(图中向左的方向)上倾斜，从而倾斜角度θ1和θ2变成负值。因此，当可测量倾斜角度θ1和θ2时，那么可检测在X轴方向上施加的外力Fx的方向和大小。

在所示装置中，可从四个电容元件C1至C4的静态电容值(由与电容元件C1至C4的参考标号相同的参考标记表示)掌握倾斜角度θ1和θ2的变化。例如，当将图2B所示的状态与图2A所示的状态相比时，固定电极E1与下膜部21的左半部(位移电极)之间的距离增大，从而静态电容值C1减小，并且固定电极E2与下膜部21的右半部(位移电极)之间的距离减小，从而静态电容值C2增大。因此，可获得柱状件41的倾斜角度θ1作为电容值差“C2-C1”。类似地，固定电极E3与下膜部22的左半部(位移电极)之间的距离增大，从而静态电容值C3减小，并且固定电极E4与下膜部22的右半部(位移电极)之间的距离减小，从而静态电容值C4增大。因此，能够以电容值差“C4-C3”获得柱状件42的倾斜角度θ2。因此，与倾斜角度θ1和θ2之和对应的值“(C2-C1)+(C4-C3)”可用作在X轴方向上施加的外力Fx的检测值。

这里，为了便于描述，示出了利用两个柱状件41和42检测X轴方向上的力Fx的简单实例，然而，上述专利文献公开了一种提供大量柱状件的方法，并且，通过测量各个柱状件在X轴正负方向上的倾斜和在Y轴正负方向上的倾斜，可检测六个分量(相应坐标轴方向上的分力Fx、Fy和Fz以及围绕坐标轴的分力矩Mx、My和Mz)。

然而，在此传统力检测装置中，为了测量柱状件的特定方向上的倾斜角度，彼此独立的传感器是必需的，因而如上所述，整个装置的结构变得复杂。例如，当使用电容元件作为传感器时，为了测量一个柱状件在X轴方向上的倾斜角度，两个电容元件是必需的，并且为了测量在X和Y轴方向上的倾斜角度，四个电容元件是必需的。

《第二部分》本发明基本实施方式的力检测装置

本发明最重要的点是“使连接上基板和下基板的一对柱状件互相相对地倾斜”的理念。具体地，在上述专利文献中公开的技术中，假设在不施加外力的标准状态下，柱状件垂直于下基板的基板表面。例如，在图2A所示的实例中，上基板10和下基板20设置成使得它们的基板表面变得平行于XY平面，并且第一柱状件41和第二柱状件42设置成使得它们的中心轴线变得平行于Z轴。

换句话说，在传统装置的情况下，将柱状件41和42垂直地位于下表面20上的状态定义为参照物，并且通过测量柱状件41和42如何从垂直状态倾斜以及倾斜于什么方向，来检测所施加的外力。另一方面，在本发明中，假设在不施加外力的标准状态下柱状件相对于下基板的基板表面倾斜，并且还假设一对柱状件互相相对地倾斜。

图3A和图3B是示出了由本发明基本实施方式的力检测装置检测X轴方向上的力Fx的检测原理的纵向截面图(在沿着XZ平面切开的截面中)。与图2A和图2B所示的传统装置相似，图3A和图3B所示基本实施方式的装置包括上基板10、下基板20、辅助基板30、第一柱状件P1和第二柱状件P2。这里，图3A示出了不施加外力的标准状态。

如所示出的，在上基板10的下表面上，形成有第一上凹槽G1和第二上凹槽G2(两个凹槽均是圆形的)，并且这些凹槽的底部形成第一上膜部11和第二上膜部12，这两部分由于其薄度而具有挠性。另一方面，在下基板20的上表面上，形成有第一下凹槽H1和第二下凹槽H2(两个凹槽均是圆形的)，并且这些凹槽的底部形成第一下膜部21和第二下膜部22，这两部分由于其薄度而具有挠性。第一柱状件P1的上端接合至第一上膜部11的中心，且下端接合至第一下膜部21的中心。类似地，第二柱状件P2的上端接合至第二上膜部12的中心，且下端接合至第二下膜部22的中心。

最终，上基板10和下基板20通过两个圆柱形柱状件P1和P2彼此接合。然而，接合部分形成由于其薄度而具有挠性的膜部(隔膜)，并且由于膜部的翘曲，允许柱状件P1和P2位移。因此，在下基板20被固定的状态下，当对上基板10施加外力时，柱状件P1和P2位移，并且上基板10相对于下基板20位移。此基本特征与第一部分中描述的传统装置的基本特征完全相同，并且在本发明的装置中，也基于柱状件P1和P2的位移来检测所施加的外力。

然而，如从图3A的结构与图2A的结构之间的比较所理解的，在本发明装置的情况下，两个柱状件P1和P2在不施加外力的标准状态下是倾斜的。具体地，与第一部分中描述的实例的情况一样，当定义所示XYZ三维坐标系(其中，在穿过三个基板10、20和30的中心位置的位置处设置Z轴，并且在下基板20的下表面与辅助基板30的上表面之间的中间位置处且位于Z轴上设置原点O)时，三个基板10、20和30的基板表面变得平行于XY平面。然而，两个柱状件P1和P2的中心轴线A1和A2相对于竖直参考轴线R1和R2倾斜。

辅助基板30是固定在下基板20下方预定距离的绝缘基板，并且在辅助基板30的上表面上，形成有两个固定电极E5和E6。这里，固定电极E5是与第一下膜部21相对的盘形电极，且固定电极E6是与第二下膜部22相对的盘形电极。通过用导电材料制造下基板20，第一下膜部21和第二下膜部22用作盘形位移电极。因此，通过第一下膜部21和与第一下膜部21相对的固定电极E5形成电容元件C5，并且通过第二下膜部22和与第二下膜部22相对的固定电极E6形成电容元件C6。

在此装置中，在不施加外力的标准状态下，两个柱状件P1和P2是倾斜的，从而柱状件P1和P2的上端倾斜地连接至上膜部11和12，且下端倾斜地连接至下膜部21和22。因此，在不施加外力的标准状态下，膜部11、12、21、22保持水平膜状态，并且没有导致翘曲的应力作用在这些膜上。因此，在此标准状态下，静态电容值C5＝C6。

这里，重要的是，在图3A所示的标准状态下，第一柱状件P1和第二柱状件P2相对于Z轴互相相对地倾斜。在所示实例中，第一柱状件P1相对于Z轴向右(在X轴正方向上)倾斜，而另一方面，第二柱状件P2相对于Z轴向左(在X轴负方向上)倾斜。具体地，关注中心轴线A1和A2相对于竖直参考轴线R1和R2的倾斜角度θ1和θ2，倾斜角度θ1和θ2的符号彼此相反。在图中，当相对于竖直参考轴线R1和R2沿顺时针方向定义倾斜角度θ1和θ2时，θ1变成正值，而θ2变成负值。在所示实例中，装置的结构设计成变得关于YZ平面对称，因此θ1和θ2的绝对值彼此相等。

在所示实例中，两个柱状件P1和P2是倾斜的，从而这两个柱状件之间的距离向上变得更小(以倒V形倾斜)，然而，两个柱状件P1和P2可以倾斜成使得这两个柱状件之间的距离向上变得更大(以V形倾斜)。这里的要求是，当上基板10在图中向右或向左移动时，增大两个柱状件P1和P2中的一个柱状件的倾斜角度(沿放下方向位移)，并且减小另一个柱状件的倾斜角度(沿上升方向位移)。

图3B示出了当通过未示出的支撑件将此力检测装置的下基板20和辅助基板30固定在所示位置，并且对设置在上基板10重心位置处的施力点Q施加沿X轴正方向的力+Fx时的位移状态。如所示出的，两个柱状件P1和P2的上端沿X轴正方向(图中向右的方向)移动。因此，第一柱状件P1沿放下方向位移，并且倾斜角度θ1的绝对值增大。然而，第二柱状件P2沿上升方向位移，并且倾斜角度θ2的绝对值减小。图3B示出了θ2＝0并且第二柱状件P2的中心轴线A2与竖直参考轴线R2一致的状态。

这里，在图3B中，关注与第一柱状件P1的上部和下部接合的膜部11和21的变形形式，这些部分变形，从而第一上膜部11被向下拉，且第一下膜部21被向上拉。这是由第一柱状件P1沿放下方向的位移和沿竖直方向的有效尺寸的减小所导致的变形。另一方面，关注与第二柱状件P2的上部和下部接合的膜部12和22的变形形式，这些部分变形，从而第二上膜部12被向上推，且第二下膜部22被向下推。这是由第二柱状件P2沿上升方向的位移和沿竖直方向的有效尺寸的增大所导致的变形。

实际上，当在下基板20和辅助基板30被固定且将上基板10设置为自由(仅由两个柱状件P1和P2支撑)的情况下对施力点Q施加沿X轴方向的力+Fx时，如上所述，对第一上膜部11施加力以将其向下拉，并且对第二上膜部12施加力以将其向上推，从而上基板10产生逆时针旋转位移。然而，即使当出现该旋转位移时，膜部11、12、21、22的基本变形形式仍如图3B所示。

在所示装置中，可从两个电容元件C5和C6的静态电容值(由与电容元件C5和C6的参考标号相同的参考标号C5和C6表示)来掌握两个柱状件P1和P2的位移状态。例如，当将图3B所示的状态与图3A所示的状态相比时，固定电极E5与下膜部21(位移电极)之间的距离增大，从而静态电容值C5减小，并且固定电极E6与下膜部22(位移电极)之间的距离减小，从而静态电容值C6增大。因此，能够以电容值差“C6-C5”获得对施力点Q施加的沿X轴正方向的力+Fx。当施加沿X轴负方向的力-Fx时，获得与图3B成镜像关系的状态，从而也能够以电容值差“C6-C5”获得力-Fx(在此情况下，获得负值)。结果，通过考虑符号，电容值差“C6-C5”可用作沿X轴方向施加的外力Fx的检测值。

当施加大于图3B所示状态下的力+Fx时，第二柱状件P2沿放下方向位移，并且电容值C6开始减小，从而电容值差“C6-C5”不表示正确的检测值。因此，在图3B所示状态下施加的力+Fx是通过此装置检测的沿X轴正方向的力的额定检测值。类似地，使第一柱状件P1位移直到其垂直竖立的力-Fx是通过此装置检测的沿X轴负方向的力的额定检测值。因此，在实际应用中，当施加超过额定值的力时，为了避免错误检测，优选地采取限制上基板10位移的措施，例如，提供控制件。这种控制件对于防止膜部被施加超过额定值的力损坏也是有用的。

因此，在本发明中，采用这样一种结构：在不施加外力的标准状态下，一对柱状件P1和P2相互相对地倾斜，从而能够测量“柱状件P1和P2的倾斜状态”作为“沿垂直于基板表面的方向施加的力”。这意味着可简化用于测量柱状件倾斜状态的传感器的构造。实际上，在图2A和图2B所示传统装置的情况下，为了检测力Fx，必须利用四个电容元件C 1至C4来测量，然而，在图3A和图3B所示的本发明装置的情况下，可通过利用两个电容元件C5和C6的测量来检测力Fx。这样做的原因是，因为可仅通过测量下膜部21和22在Z轴方向上的位移(在垂直于基板表面的方向上的位移)来识别柱状件P1和P2的倾斜状态从图3A所示的状态到图3B所示的状态的变化。

此第二部分中描述的基本实施方式的力检测装置不仅可检测X轴方向上的力Fx，而且可检测施加至施力点Q的在Z轴方向上的力Fz。图4A是示出了当对此装置的施力点Q施加沿Z轴正方向的力+Fz的状态的纵向截面图，且图4B是示出了当施加沿Z轴负方向的力-Fx的状态的纵向截面图。

与图3A所示的标准状态相比，如图4A所示，当施加力+Fz时，上基板10向上移动，并且下膜部21和22被向上拉。因此，电容元件C5和C6的电极-电极距离增大，因而它们的电容值减小。另一方面，如图4B所示，当施加力-Fz时，上基板10向下移动，并且下膜部21和22被向下拉。因此，电容元件C5和C6的电极-电极距离减小，因而它们的电容值增大。

因此，两个电容元件C5和C6的电容值之和“(C5+C6)”与Z轴方向上的力Fz的检测值相对应。具体地，将图3A所示标准状态下的值“(C5+C6)”定义为参考值，并且当此值变得更小时，这表示施加了沿Z轴正方向的力+Fz，并且当此值变得更大时，这表示施加了沿Z轴负方向的力-Fz。

在图3A至图4B所示的装置中，柱状件P1和P2的上端和下端直接接合至膜部11、12、21和22，然而可通过在它们之间插入不同构件来将其间接接合。

图5是示出了这样一种状态的纵向截面图：当在本发明基本实施方式的力检测装置中的柱状件与膜部之间插入凸起时各零件未装配的状态。如所示出的，此装置包括上基板15、第一柱状件P1、第二柱状件P2、下基板25和辅助基板35。

这里，在上基板15的下表面上，形成有第一上凹槽G1和第二上凹槽G2(两个凹槽均是圆形的)，并且与上述实施方式的情况一样，这些凹槽的底部形成由于其薄度而具有挠性的第一上膜部11和第二上膜部12。在下基板25的上表面上，形成有第一下凹槽H1和第二下凹槽H2(两个凹槽均是圆形的)，并且与上述实施方式的情况一样，这些凹槽的底部形成由于其薄度而具有挠性的第一下膜部21和第二下膜部22。

然而，在第一上凹槽G1内部，设置有圆柱形柱状凸起13，其从凹槽底面(即，第一上膜部11的下表面)向下延伸至基板表面位置，并且在第二上凹槽G2内部，设置有圆柱形柱状凸起14，其从凹槽底面(即，第二上膜部12的下表面)向下延伸至基板表面位置。第一柱状件P1的上端经由凸起13间接接合至第一上膜部11，且第二柱状件P2的上端经由凸起14间接接合至第二上膜部12。

类似地，在第一下凹槽H1内部，设置有圆柱形柱状凸起23，其从凹槽底面(即，第一下膜部21的上表面)向上延伸至基板表面位置，并且在第二下凹槽H2内部，设置有圆柱形柱状凸起24，其从凹槽底面(即，第二下膜部22的上表面)向上延伸至基板表面位置。第一柱状件P1的下端经由凸起23间接接合至第一下膜部21，且第二柱状件P2的下端经由凸起24间接接合至第二下膜部22。

此外，在由绝缘材料制成的辅助基板35的上表面上，在第一下膜部21下方的位置处形成有第一辅助凹槽K1(圆形凹槽)，并且在第二下膜部22下方的位置处形成有第二辅助凹槽K2(圆形凹槽)。在第一辅助凹槽K1的底面上，形成有盘形第一固定电极E5，且在第二辅助凹槽K2的底面上，形成有盘形第二固定电极E6。

通过装配这些零件，获得图6所示的力检测装置。柱状件P1和P2的上端分别接合至凸起13和14的下表面，柱状件P1和P2的下端分别接合至凸起23和24的上表面，此外，辅助基板35牢固地固定至下基板25的下表面。这里，下基板25由导电材料(例如，金属)制成，并且在下基板25的一个位置处，设置到检测电路50的接线。固定电极E5和E6也设置有到检测电路50的接线。

因此，通过采用在上基板15和下基板25的凹槽中提前形成凸起13、14、23、24的结构，仅通过将柱状件P1和P2的上端和下端接合至凸起13、14、23、24的暴露表面，可构造主结构部分，从而装配变得容易。如图3A至图4B所示，当采用将柱状件P1和P2的上端和下端设置在凹槽内且将其直接接合至膜部的结构时，当柱状件P1和P2过度倾斜时其可能与凹槽的边缘接触，然而，如图5和图6所示，通过采用将上端和下端经由凸起13、14、23、24间接接合的结构，柱状件P1和P2设置在凹槽外面，从而可防止与凹槽边缘的接触。

最终，本发明基本实施方式的力检测装置的主要构成元件是：具有平行于XY平面的基板表面的上基板10或15、具有平行于XY平面的基板表面且设置在上基板下方的下基板20或25、具有直接或间接接合至上基板的下表面的上端和直接或间接接合至下基板的上表面的下端的第一柱状件P1、具有直接或间接接合至上基板的下表面的上端和直接或间接接合至下基板的上表面的下端的第二柱状件P2、以及基于第一柱状件和第二柱状件的位移而输出表示所施加力的电信号的检测器50。

这里，上基板10或15的第一柱状件P1上端所接合的接合部分附近构成具有挠性的第一上膜部11，第二柱状件P2上端所接合的接合部分附近构成具有挠性的第二上膜部12，下基板20或25的第一柱状件P1下端所接合的接合部分附近构成具有挠性的第一下膜部21，并且第二柱状件P2下端所接合的接合部分附近构成具有挠性的第二下膜部22。

设置在上基板10或15上的上凹槽G1和G2并非必须设置在上基板的下表面侧上，而是可设置在上表面侧上。当在上表面侧上设置上凹槽G1和G2时，由位于上基板10或15下表面上的凹槽底部形成上膜部11和12。也就是说，也允许在上基板的上表面侧或下表面侧上设置第一上凹槽G1和第二上凹槽G2，由第一上凹槽G1的底部形成第一上膜部11，并且由第二上凹槽G2的底部形成第二上膜部12。

类似地，设置在下基板20或25上的下凹槽H1和H2并非必须设置在下基板的上表面侧上，而是可设置在下表面侧上。当在下表面侧上设置下凹槽H1和H2时，由位于下基板20或25上表面上的凹槽底部形成下膜部21和22。也就是说，也允许在下基板的上表面侧或下表面侧上设置第一下凹槽H1和第二下凹槽H2，由第一下凹槽H1的底部形成第一下膜部21，并且由第二下凹槽H2的底部形成第二下膜部22。

另一方面，为了实现本发明，第一柱状件P1和第二柱状件P2的布置条件很重要。在上述图3A至图6所示的实例中，第一柱状件P1的中心轴线A1和第二柱状件P2的中心轴线A2位于XZ平面(与图3A至图6的纸张表面相对应的平面)上，并且相对于Z轴相互相对地倾斜。

然而，中心轴线A1和A2并非必须在同一平面上。基于上述基本原理，只要通过向XZ平面上正交投影第一柱状件P1的中心轴线A1而获得的投影图像相对于Z轴在第一方向上倾斜且通过向XZ平面上正交投影第二柱状件P2的中心轴线A2而获得的投影图像相对于Z轴在与第一方向相对的第二方向上倾斜，便能够基于一对电容元件C5和C6的电容值差“C6-C5”来检测沿X轴方向的力Fx并基于一对电容元件C5和C6的电容值之和“C5+C6”来检测沿Z轴方向的力Fz。

在满足这些倾斜条件的结构中，准备了用于检测第一下膜部21在Z轴方向上的位移的第一传感器和用于检测第二下膜部22在Z轴方向上的位移的第二传感器，在下基板20被固定的状态下，可输出表示第一传感器的检测值与第二传感器的检测值之间的差的电信号作为施加至上基板10的沿X轴方向的力Fx的检测值，并且可输出表示第一传感器的检测值和第二传感器的检测值之和的电信号作为沿Z轴方向的力Fz的检测值。

当然，在实际应用中，优选地，将第一柱状件P1的中心轴线A1和第二柱状件P2的中心轴线A2设置在“XZ平面”上或“平行于XZ平面的同一平面”上，从而第一柱状件P1和第二柱状件P2变得关于YZ平面对称。在此情况下，整个装置可形成为对称结构，设计和装配变得容易，并且当施加沿X轴正方向的力+Fx且当施加沿X轴负方向的力-Fx时，可确保变形形式的对称性，并且可获得正输出值与负输出值之间的对称关系。

作为测量柱状件的倾斜状态的传感器，可使用任何传感器，只要该传感器能够以电信号测量由每个柱状件的下端在垂直于下基板的基板表面的方向(即，向上的方向和向下的方向)上施加的力。然而，利用所示实施方式中示出的电容元件的传感器是具有非常简单结构的传感器，并且非常适用于本发明。

因此，在实际应用中，优选地，第一传感器由第一电容元件C5构成，第一电容元件括形成于第一下膜部21上的第一位移电极(在所示实例中，是下膜部21本身)和固定至与第一位移电极相对的位置处的第一固定电极E5，且第二传感器由第二电容元件构成，第二电容元件包括形成于第二下膜部22上的第二位移电极(在所示实例中，是下膜部22本身)和固定至与第二位移电极相对的位置处的第二固定电极E6。

特别地，与所示实例的情况一样，通过用导电材料制造下基板20或25，第一下膜部21本身用作第一位移电极，并且第二下膜部22本身用作第二位移电极，从而不必单独设置位移电极，并且可简化结构。当然，当下基板20或25不由导电材料制成时，由导电材料制成的第一位移电极可形成于第一下膜部21的下表面上，且由导电材料制成的第二位移电极可形成于第二下膜部22的下表面上。

如上所述，在此第二部分中，描述了具有如下功能的基本实施方式的力检测装置：通过使用两个柱状件P1和P2，可检测沿X轴方向的力Fx和沿Z轴方向的力Fz，并且通过利用“设置一对柱状件以使之相对于参考轴线相互相对地倾斜”的基本原理，如第三部分和第四部分所述，可设计能够检测更多力分量的力检测装置。可以各种形式改变在此第二部分中描述的基本实施方式的力检测装置。

例如，还允许：整个上基板10由挠性基板形成，第一上膜部11由该挠性基板的一部分形成，且第二上膜部12由该挠性基板的另一部分形成。类似地，还允许：整个下基板20由挠性基板形成，第一下膜部21由该挠性基板的一部分形成，且第二下膜部22由该挠性基板的另一部分形成。替代地，可用具有任意形状的结构体代替上基板10和下基板20。将在第五部分中描述这些示例性变型。

《第三部分》本发明实际实施方式的力检测装置的结构

这里，将描述通过利用第二部分所述的基本原理而具有检测六个分量(沿相应坐标轴方向的分力Fx、Fy和Fz以及围绕相应坐标轴的分力矩Mx、My和Mz)的功能的实际实施方式的力检测装置的结构。

图7是示出了实际实施方式的力检测装置的各构成元件未装配的状态的正视图。如所示出的，此装置的主要构成零件是上基板100、下基板200、辅助基板300、以及八个柱状件Px1至Px4和Py1至Py4。图8是示出了通过装配这些零件来构造的力检测装置的正视图(检测电路部分以方框示出)。如所示出的，八个柱状件的上端接合至上基板100的下表面，且下端接合至下基板200的上表面。辅助基板300接合至下基板200的下表面。辅助基板300执行支撑构成传感器的固定电极的功能。

这里，将图6所示的力检测装置的构成元件与图8所示的力检测装置的构成元件相比，前一力检测装置的上基板15、下基板25、辅助基板35、柱状件P1和P2以及检测电路50对应于后一力检测装置的上基板100、下基板200、辅助基板300、柱状件Px1至Px4和Py1至Py4以及检测电路500。这些力检测装置之间的最大差异是柱状件的数量。前一力检测装置是具有利用两个柱状件来检测力Fx和Fz的功能的装置，而另一方面，后一力检测装置是具有利用八个柱状件来检测力Fx、Fy和Fz以及力矩Mx、My和Mz的功能的装置。

在图7和图8中，仅示出了四个柱状件，然而，实际上，将另外四个柱状件设置在所示柱状件的后面(在图中，在括号中示出了隐藏的柱状件的参考标号)。在此装置中，八个柱状件的布置，具体地说，柱状件的中心轴线的倾斜方向对于六个力分量的正确检测非常重要。因此，下面将根据基板100、200和300详细描述此装置的结构。

图9是此力检测装置的俯视图。在这里示出的实施方式中，三个基板100、200和300是具有相同半径的盘形。因此，在俯视图中仅示出了上基板100，然而，下基板200和辅助基板300隐藏在上基板100后面。这里，将穿过这三个圆形基板中心的轴线设置为Z轴。如所示出的，在俯视图中，将图中向右的方向设置为X轴正方向，并将图中向上的方向设置为Y轴正方向。因此，三个基板100、200和300具有平行于XY平面的基板表面，并且穿过基板中心的Z轴变成其正方向在图8中是向上的方向的坐标轴。

如图8的正视图所示，此坐标系的原点O设置在靠近辅助基板300上表面的位置处(将在后面描述这样做的原因)。因此，XY平面是穿过图8的原点O的水平面，然而，在下文描述的每个平面图(俯视图)中，为了方便，在平面图中绘制出X轴和Y轴。严格地说，在下文描述的平面图中绘制的X轴和Y轴是X轴和Y轴在这些视图上的投影图像，然而，只要不明确地出现混淆，将基于在视图上定义二维XY坐标系的假设而进行描述。

图9中的八个椭圆形阴影区域示出了八个柱状件设置的区域(阴影部分并非示出横截面，而是示出了区域)。区域为什么是椭圆形的原因是因为柱状件是倾斜的。这里，这八个区域指的是区域Ax1至Ax4和区域Ay1至Ay4。区域Ax1至Ax4是设置在X轴的两侧上的区域，且区域Ay1至Ay4是设置在Y轴的两侧上的区域。在下文中，在表示每个区域的三个参考标号字符中，后两个参考标号字符用作表示区域位置的位置参考标号。例如，区域参考标号“Ax1”的后两个字符“x1”用作表示所示区域Ax1的位置的位置参考标号。

图10是作为图8所示力检测装置的构成元件的上基板100的俯视图。在图中，在八个位置用虚线绘制双圆，并且这些双圆表示形成于上基板100下表面上的凹槽和凸起。这些凹槽和凸起形成于基板下表面上，从而在图中用虚线绘制这些凹槽和凸起。这八个双圆与图9所示的八个区域中的任一个相对应。

双圆的外圆表示所形成的环形凹槽的外围，且内圆表示所形成的圆柱形柱状凸起的外围。在外圆与内圆之间的区域中，形成垫圈形状的膜部。这里，用“包括作为首字符的G的三个字符的参考标号”表示凹槽，用“包括作为首字符的B的三个字符的参考标号”表示膜部，并且用“包括作为首字符的b的三个字符的参考标号”表示凸起。每个参考标号的后两个字符构成上述的位置参考标号。例如，在图10的右端由参考标号“Gx2”表示的部分表示位于区域Ax2中的凹槽，由参考标号“Bx2”表示的部分表示位于区域Ax2中的膜部，并且由参考标号“bx2”表示的部分表示位于区域Ax2中的凸起。

在图11的纵向截面图(A)中清楚地示出了凹槽Gx2、膜部Bx2和凸起bx2的结构。图11的视图(A)是图10所示上基板100的沿着切割线A-A切开的纵向截面图。如所示出的，凹槽Gx2和Gx4是在上基板100的下表面中挖出的环形凹槽，并且这里，将其称为“上凹槽”。膜部Bx2和Bx4是由于凹槽Gx2和Gx4的形成而具有减小的厚度的部分，并且是形成凹槽底部的垫圈形状膜状部分。这里，这些膜状部分被称为“上膜部”。另一方面，凸起bx2和bx4是在凹槽Gx2和Gx4内向下伸出的圆柱形柱状结构体，并且用来连接柱状部分的上端，如后面所描述。

类似地，图11的视图(B)和(C)分别是图10所示上基板100的沿着切割线B-B和C-C切开的纵向截面图。在切割线B-B的位置处，没有形成凹槽，然而，在切割线C-C的位置处，形成有上凹槽Gy3和Gy4，结果，形成有上膜部By3和By4以及凸起by3和by4。这里，上凹槽Gy3、上膜部By3和凸起by3是位于图9所示区域Ay3中的构成元件，且上凹槽Gy4、上膜部By4和凸起by4是位于图9所示区域Ay4中的构成元件。

另一方面，图12是作为图8所示力检测装置的构成元件的下基板200的俯视图。同样，在此图中，在八个位置绘制出双圆，并且这些双圆表示形成于下基板200上表面上的凹槽和凸起。这八个双圆也与图9所示八个区域中的任一个的位置相对应。图12所示八个双圆的位置和图10中用虚线表示的八个双圆的位置在平面图上彼此不重叠。这是因为柱状件倾斜地布置，如后面所述。

同样，在此图中，双圆的外圆表示所形成的环形凹槽的外围，且内圆表示所形成的圆柱形柱状凸起的外围。在外圆与内圆之间的区域中，形成垫圈形状的膜部。在此下基板200上，用“包括作为首字符的H的三个字符的参考标号”表示凹槽，用“包括作为首字符的D的三个字符的参考标号”表示膜部，并且用“包括作为首字符的d的三个字符的参考标号”表示凸起。每个参考标号的后两个字符仍构成上述的位置参考标号。例如，在图12的右端由参考标号“Hx2”表示的部分表示位于区域Ax2中的凹槽，由参考标号“Dx2”表示的部分表示位于区域Ax2中的膜部，并且由参考标号“dx2”表示的部分表示位于区域Ax2中的凸起。

在图13的纵向截面图(B)中清楚地示出了凹槽Hx2、膜部Dx2和凸起dx2的结构。图13的视图(B)是图12所示下基板200的沿着切割线B-B切开的纵向截面图。如所示出的，凹槽Hx2和Hx4是在下基板200的上表面中挖出的环形凹槽，并且这里，将其称为“下凹槽”。膜部Dx2和Dx4是由于凹槽Hx2和Hx4的形成而具有减小的厚度的部分，并且是形成凹槽底部的垫圈形状薄状部分。这里，这些膜状部分被称为“下膜部”。另一方面，凸起dx2和dx4是在凹槽Hx2和Hx4内向上伸出的圆柱形柱状结构体，并且用来连接柱状部分的下端，如后面所描述。

类似地，图13的视图(A)和(C)分别是图12所示下基板200的沿着切割线A-A和C-C切开的纵向截面图。在切割线A-A的位置处，没有形成凹槽，然而，在切割线C-C的位置处，形成有下凹槽Hy3和Hy4，结果，形成有下膜部Dy3和Dy4以及凸起dy3和dy4。这里，下凹槽Hy3、下膜部Dy3和凸起dy3是位于图9所示区域Ay3中的构成元件，且下凹槽Hy4、下膜部Dy4和凸起dy4是位于图9所示区域Ay4中的构成元件。

图14是作为图8所示力检测装置的构成元件的辅助基板300的俯视图。在此图中，也在八个位置绘制出双圆，并且这些双圆表示形成于辅助基板300的上表面上的凹槽和电极。这八个双圆也与图9所示八个区域中的任一个的位置相对应。图14所示八个双圆的位置和图12所示八个双圆的位置在平面图中彼此重合。这是因为，辅助基板300上的八个电极分别位于下基板200的八个下膜部的正下方。

在图14中，双圆的外圆表示所形成的圆柱形柱状凹槽的外围，且内圆表示形成于凹槽底面上的盘形电极的外围。在此辅助基板300上，用“包括作为首字符的K的三个字符的参考标号”表示凹槽，并且用“包括作为首字符的E的三个字符的参考标号”表示电极。每个参考标号的后两个字符仍构成上述的位置参考标号。例如，在图14的右端由参考标号“Kx2”表示的部分表示位于区域Ax2中的凹槽，并且由参考标号“Ex2”表示的部分表示位于区域Ax2中的电极。

在图15的纵向截面图(B)中清楚地示出了凹槽Kx2和电极Ex2的结构。图15的视图(B)是图14所示辅助基板300的沿着切割线B-B切开的纵向截面图。如所示出的，凹槽Kx2和Kx4是在辅助基板300的上表面中挖出的圆柱形柱状凹槽，这里，将其称为“辅助凹槽”。上基板100上的上凹槽和下基板200上的下凹槽执行形成具有挠性的上膜部和下膜部的作用，并且辅助基板300上的辅助凹槽执行形成电极的作用，该电极支撑于下基板200下方的预定距离处。如图15的视图(B)所示，电极Ex2是固定至辅助凹槽Kx2底面的盘形电极，且电极Ex4是固定至辅助凹槽Kx4底面的盘形电极。这里，固定至辅助基板300的八个电极被称为“固定电极”。

类似地，图15的视图(A)和(C)分别是图14所示辅助基板300的沿着切割线A-A和C-C切开的纵向截面图。在切割线A-A的位置处，没有形成凹槽，然而，在切割线C-C的位置处，形成有辅助凹槽Ky3和Ky4，并且，固定电极Ey3和Ey4固定至这些凹槽的底面。这里，辅助凹槽Ky3和固定电极Ey3是位于图9所示区域Ay3中的构成元件，且辅助凹槽Ky4和固定电极Ey4是位于图9所示区域Ay4中的构成元件。

在上面单独描述了上基板100、下基板200和辅助基板300的构造，接下来，将描述由这些基板和八个柱状件装配的装置的整体构造。在这里示出的实例中，八个圆柱形柱状件是基本柱状的构件。

图16是图8所示力检测装置的沿着XZ平面切开的纵向截面图。示出了这样一种状态：位于XZ平面纵深侧的四个柱状件Px1、Px3、Py1和Py2夹在上基板100与下基板200之间。这里，右端的柱状件Px1和左端的柱状件Px3看起来在图中是垂直竖立的，然而，实际上，其在图中的深度方向上是倾斜的。

图17是图8所示力检测装置的沿着图10、图12和图14所示的切割线A-A切开的纵向截面图。如图10所示，在切割线A-A上，布置有上凹槽Gx2和Gx4、上膜部Bx2和Bx4、以及凸起bx2和bx4，并且在图17中，示出了它们的横截面。示出了这样一种状态：柱状件Px2和Px4连接至相应凸起bx2和bx4的下表面。例如，位于凸起bx2下方的柱状件Px2是在图中从凸起bx2的下表面向前延伸的构件，并且仅示出了沿着切割线A-A切开的表面。位于柱状件Px2后面的柱状件Px1的上端不是接合至凸起bx2，而是接合至位于凸起bx2后面的凸起bx1的下表面。

图18是图8所示力检测装置的沿着图10、图12和图14所示的切割线B-B切开的纵向截面图。如图12和图14所示，在切割线B-B上，布置有下凹槽Hx2和Hx4、下膜部Dx2和Dx4、凸起dx2和dx4、辅助凹槽Kx2和Kx4、以及固定电极Ex2和Ex4，并且在图18中示出了它们的横截面。示出了这样一种状态：柱状件Px2和Px4连接至凸起dx2和dx4的上表面。例如，位于凸起dx2上方的柱状件Px2是在图中从凸起dx2的上表面沿深度方向延伸的构件，并且在图中，示出了沿着切割线B-B切开的表面和比此表面更深的部分。位于更深侧上的另一柱状件Px1隐藏在柱状件Px2的后面，并且在图中未示出。

图19是图8所示力检测装置的沿着图10、图12和图14所示的切割线C-C切开的纵向截面图。在切割线C-C上，如图10所示，布置有上凹槽Gy3和Gy4、上膜部By3和By4、以及凸起by3和by4，并且如图12所示，布置有下凹槽Hy3和Hy4、下膜部Dy3和Dy4、以及凸起dy3和dy4，此外，如图14所示，布置有辅助凹槽Ky3和Ky4以及固定电极Ey3和Ey4。在图19中，示出了它们的横截面。

柱状件Py3和Py4的中心轴线位于沿着切割线C-C的纵向截面上，从而在图19中，清楚地示出了两个柱状件Py3和Py4的上端和下端的连接状态。具体地，柱状件Py3和Py4的上端接合至上基板100上的凸起by3和by4的下表面，并且下端接合至下基板200上的凸起dy3和dy4的上表面。此外，柱状件Py3是倾斜的，从而其上端向左倾斜，且另一方面，柱状件Py4是倾斜的，从而其上端向右倾斜，并且这些柱状件Py3和Py4相互相对地倾斜。

如图18所示，在下膜部Dx2的正下方的预定距离处设置有固定电极Ex2，并且在下膜部Dx4的正下方的预定距离处设置有固定电极Ex4。如图19所示，在下膜部Dy3的正下方的预定距离处设置有固定电极Ey3，并且在下膜部Dy4的正下方的预定距离处设置有固定电极Ey4。因此，在这里示出的实施方式的情况下，在八个下膜部Dx1至Dx4和Dy1至Dy4的正下方的预定距离处设置有固定电极Ex1至Ex4和Ey1至Ey4。下基板200由导电材料制成，从而八个下膜部Dx1至Dx4和Dy1至Dy4用作位移电极，并且与相对的固定电极Ex1至Ex4和Ey 1至Ey4一起构成电容元件Cx1至Cx4和Cy1至Cy4。每个电容元件用作检测每个下膜部在上下方向(Z轴方向)上的位移的传感器。

图20是示出了图8所示力检测装置中的上膜部与下膜部的位置关系的平面图。具体地，图10所示的八个双圆(上基板100的构成元件)和图12所示的八个双圆(下基板200的构成元件)以在同一平面上重叠的方式被示出。如图中交替的长短虚线所示，当定义了穿过X轴正侧上的点Q(+x)且平行于Y轴的参考线L1、穿过X轴负侧上的点Q(-x)且平行于Y轴的参考线L2、穿过Y轴正侧上的点Q(+y)且平行于X轴的参考线L3和穿过Y轴负侧上的点Q(-y)且平行于X轴的参考线L4时，则总共16个双圆的中心布置在参考线L1至L4上。

这里，考虑图9所示的八个区域，属于图20中同一区域的双圆的内圆(凸起)表示同一柱状件的上端和下端的连接位置。例如，区域Ax1中的凸起dx1和bx1是同一柱状件Px1的下端和上端所连接的连接对象，并且区域Ax2中的凸起dx2和bx2是同一柱状件Px2的下端和上端所连接的连接对象。类似地，区域Ay1中的凸起dy1和by1是同一柱状件Py1的下端和上端所连接的连接对象，并且区域Ay2中的凸起dy2和by2是同一柱状件Py2的下端和上端所连接的连接对象。

图21是示出了图8所示力检测装置中的下基板200和附接至下基板200上表面的八个柱状件的平面图。换句话说，此图与在图8所示力检测装置中去除上基板100的俯视图相对应，并且从上方观察其余的结构体。这里，阴影部分并非示出横截面，而是示出了柱状件的上端面。仅供参考，形成于上基板100上的上凹槽的位置用虚线表示。用交替的长短虚线表示的表面S(+x)、S(-x)、S(+y)和S(-y)，表示竖立在图20所示参考线L1、L2、L3和L4上的垂直表面。具体地，S(+x)表示在正侧上正交于X轴的X轴正侧正交平面，S(-x)表示在负侧上正交于X轴的X轴负侧正交平面，S(+y)表示在正侧上正交于Y轴的Y轴正侧正交平面，并且S(-y)表示在负侧上正交于Y轴的Y轴负侧正交平面。

如所示出的，柱状件Px1和Px2的中心轴线位于X轴正侧正交平面S(+x)上，柱状件Px3和Px4的中心轴线位于X轴负侧正交平面S(-x)上，柱状件Py1和Py2的中心轴线位于Y轴正侧正交平面S(+y)上，而柱状件Py3和Py4的中心轴线位于Y轴负侧正交平面S(-y)上。

这意味着，柱状件Px1、Px2、Px3和Px4(在下文中，称为X轴柱状件)相对于Y轴方向倾斜，但是相对于X轴方向不倾斜，并且柱状件Py1、Py2、Py3和Py4(在下文中，称为Y轴柱状件)相对于X轴方向倾斜，但是相对于Y轴方向不倾斜。X轴柱状件Px1和Px2相对于XZ平面的倾斜是彼此相对的，且X轴柱状件Px3和Px4相对于XZ平面的倾斜也是彼此相对的。类似地，Y轴柱状件Py1和Py2相对于YZ平面的倾斜是彼此相对的，且Y轴柱状件Py3和Py4相对于YZ平面的倾斜也是彼此相对的。八个柱状件的这些倾斜特征对于检测在第四部分中描述的力的六个轴向分量是非常重要的。

图8所示实施方式的力检测装置具有检测在XYZ三维坐标系中沿预定方向施加的力的功能，并且包括具有平行于XY平面的基板表面的上基板100、具有平行于XY平面的基板表面且设置在上基板100下方的下基板200、具有接合至上基板100下表面的上端和接合至下基板200上表面的下端的第一至第四X轴柱状件Px1至Px4和第一至第四Y轴柱状件Py1至Py4、以及基于八个柱状件的位移而输出表示所施加力的电信号的检测器(八个电容元件Cx1至Cx4和Cy1至Cy4在图8中未示出，且检测电路500在图8中以方框示出)。

这里，在上基板100上，第一至第四X轴柱状件Px1至Px4的上端所接合的接合部分附近构成具有挠性的第一至第四X轴上膜部Bx1至Bx4，并且第一至第四Y轴柱状件Py1至Py4的上端所接合的接合部分附近构成具有挠性的第一至第四Y轴上膜部By1至By4。类似地，在下基板200上，第一至第四X轴柱状件Px1至Px4的下端所接合的接合部分附近构成具有挠性的第一至第四X轴下膜部Dx1至Dx4，并且第一至第四Y轴柱状件Py1至Py4的下端所接合的接合部分附近构成具有挠性的第一至第四Y轴下膜部Dy1至Dy4。

适当设定膜部的厚度以便获得力检测所必需的挠性。膜部用作所谓的隔膜。由凹槽的深度确定膜部的厚度，并且在制造此装置的过程中，通过在作为材料的基板上形成具有预定深度的凹槽的处理来形成膜部。在通过本发明的发明人进行的试验来制造装置的情况下，当上基板100和下基板200由具有10mm厚度的铝或不锈钢制成的基板形成时，且将凹槽的直径设置为20mm，并将凸起的直径设置为10mm，则通过将膜部的厚度设置为不超过1.0mm，可形成具有足够用于通用目的的挠性的膜部。

在每个柱状件的上端与上膜部之间以及在每个柱状件的下端与下膜部之间，可以实现直接连接或者可以通过一些构件实现间接连接。在这里示出的实施方式的情况下，每个柱状件通过凸起间接连接至每个膜部。例如，图19示出了这样一种状态：柱状件Py3的上端经由凸起by3连接至上膜部By3，柱状件Py3的下端经由凸起dy3连接至下膜部Dy3，柱状件Py4的上端经由凸起by4连接至上膜部By4，并且柱状件Py4的下端经由凸起dy4连接至下膜部Dy4。

当然，也可采用不插入凸起而将柱状件的端部直接接合至膜部的结构。然而，根据凸起的插入，可仅通过将每个柱状件的上端和下端接合至凸起的暴露表面来构造主结构部分，从而装配变得更容易。如果将柱状件的上端和下端设置在凹槽内且直接接合至膜部，那么当柱状件过度倾斜时它们可能与凹槽边缘接触，因而在实际使用中，如所示实例一样，优选地采用通过凸起间接接合的结构。

具体地，优选地，上凹槽Gx1至Gx4和Gy1至Gy4形成于上基板100的下表面上，从凹槽底面向下延伸至基板表面位置的凸起bx1至bx4和by1至by4设置在凹槽内部，并且柱状件Px1至Px4和Py1至Py4的上端通过这些凸起接合至上膜部Bx1至Bx4和By1至By4。类似地，优选地，下凹槽Hx1至Hx4和Hy1至Hy4形成于下基板200的上表面上，从凹槽底面向上延伸至基板表面位置的凸起dx1至dx4和dy1至dy4设置在凹槽内部，并且柱状件Px1至Px4和Py1至Py4的下端通过这些凸起接合至下膜部Dx1至Dx4和Dy1至Dy4。

在所示实施方式中，上凹槽Gx1至Gx4和Gy1至Gy4形成于上基板100的下表面上，并且这些凹槽的底部形成上膜部Bx1至Bx4和By1至By4，然而，也允许在上基板100的上表面上形成上凹槽，并且在上基板100的下表面附近的其余凹槽底部形成上膜部。在此情况下，不使用凸起而将柱状件的上端直接接合至上膜部就足够了。类似地，在所示实施方式中，下凹槽Hx1至Hx4和Hy1至Hy4形成于下基板200的上表面上，并且这些凹槽的底部形成下膜部Dx1至Dx4和Dy1至Dy4，然而，也允许在下基板200的下表面上形成下凹槽，并且在下基板200的上表面附近的其余凹槽底部形成下膜部。在此情况下，不使用凸起而将柱状件的下端直接接合至下膜部就足够了。

在此第三部分描述的实施方式中，柱状件的倾斜状态仍很重要。如上所述，在不施加作为检测对象的外力的状态下，八个柱状件设置为相对于Z轴倾斜。这里，为了基于第二部分描述的基本原理执行测量，需要满足条件“连接上基板和下基板的一对柱状件相互相对地倾斜”的布置。

具体地，如图21所示，第一X轴柱状件Px1和第二X轴柱状件Px2布置成使得它们的中心轴线包含于在X轴的正区域中正交于X轴的X轴正侧正交平面S(+x)中，且这些柱状件相对于XZ平面相互相对地倾斜，并且第三X轴柱状件Px3和第四X轴柱状件Px4布置成使得它们的中心轴线包含于在X轴的负区域中正交于X轴的X轴负侧正交平面S(-x)中，且这些柱状件相对于XZ平面相互相对地倾斜。类似地，第一Y轴柱状件Py1和第二Y轴柱状件Py2布置成使得它们的中心轴线包含于在Y轴的正区域中正交于Y轴的Y轴正侧正交平面S(+y)中，且这些柱状件相对于YZ平面相互相对地倾斜，并且第三Y轴柱状件Py3和第四Y轴柱状件Py4布置成使得它们的中心轴线包含于在Y轴的负区域中正交于Y轴的Y轴负侧正交平面S(-y)中，且这些柱状件相对于YZ平面相互相对地倾斜。

这里，在下基板200被固定的状态下，当对上基板100施加外力时，八个柱状件位移。检测器是具有基于这些位移而输出表示所施加力的电信号的功能的构成元件，并且包括：传感器，检测连接至柱状件下端的下膜部在Z轴方向上位移；和检测电路500，输出基于这些传感器的检测值获得的电信号作为在下基板200被固定的状态下施加至上基板100的力的检测值。

类似地，在这里描述的实施方式中，使用以下传感器：检测第一X轴下膜部Dx1的Z轴方向上的位移的第一X轴传感器、检测第二X轴下膜部的Z轴方向上的位移的第二X轴传感器、检测第三X轴下膜部的Z轴方向上的位移的第三X轴传感器、检测第四X轴下膜部的Z轴方向上的位移的第四X轴传感器、检测第一Y轴下膜部的Z轴方向上的位移的第一Y轴传感器、检测第二Y轴下膜部的Z轴方向上的位移的第二Y轴传感器、检测第三Y轴下膜部的Z轴方向上的位移的第三Y轴传感器、以及检测第四Y轴下膜部的Z轴方向上的位移的第四Y轴传感器。

此外，在这里描述的实施方式中，每个传感器由电容元件构成，电容元件包括形成于下膜部上的位移电极和固定至与位移电极相对的位置处的固定电极。由电容元件构成的传感器可基于静态电容值变化而掌握位移电极与固定电极之间的电极-电极距离的变化，从而能够以静态电容值变化检测每个下膜部在Z轴方向上的位移。

在这里描述的实施方式的情况下，下基板200由导电材料制成，从而每个下膜部用作具有导电性的位移电极。因此，第一X轴传感器由第一X轴电容元件Cx1构成，第一X轴电容元件Cx1包括：由第一X轴下膜部Dx1构成的第一X轴位移电极、以及固定至与第一X轴位移电极相对的位置处的第一X轴固定电极Ex1；第二X轴传感器由第二X轴电容元件Cx2构成，第二X轴电容元件Cx2包括：由第二X轴下膜部Dx2构成的第二X轴位移电极、以及固定至与第二X轴位移电极相对的位置处的第二X轴固定电极Ex2；第三X轴传感器由第三X轴电容元件Cx3构成，第三X轴电容元件Cx3包括：由第三X轴下膜部Dx3构成的第三X轴位移电极、以及固定至与第三X轴位移电极相对的位置处的第三X轴固定电极Ex3；并且第四X轴传感器由第四X轴电容元件Cx4构成，第四X轴电容元件Cx4包括：由第四X轴下膜部Dx4构成的第四X轴位移电极、以及固定至与第四X轴位移电极相对的位置处的第四X轴固定电极Ex4。

类似地，第一Y轴传感器由第一Y轴电容元件Cy1构成，第一Y轴电容元件Cy1包括：由第一Y轴下膜部Dy1构成的第一Y轴位移电极、以及固定至与第一Y轴位移电极相对的位置处的第一Y轴固定电极Ey1；第二Y轴传感器由第二Y轴电容元件Cy2构成，第二Y轴电容元件Cy2包括：由第二Y轴下膜部Dy2构成的第二Y轴位移电极、以及固定至与第二Y轴位移电极相对的位置处的第二Y轴固定电极Ey2；第三Y轴传感器由第三Y轴电容元件Cy3构成，第三Y轴电容元件Cy3包括：由第三Y轴下膜部Dy3构成的第三Y轴位移电极、以及固定至与第三Y轴位移电极相对的位置处的第三Y轴固定电极Ey3；并且第四Y轴传感器由第四Y轴电容元件Cy4构成，第四Y轴电容元件Cy4包括：由第四Y轴下膜部Dy4构成的第四Y轴位移电极、以及固定至与第四Y轴位移电极相对的位置处的第四Y轴固定电极Ey4。

检测电路500输出电信号作为检测值，基于第一X轴电容元件Cx1的静态电容波动值Cx1、第二X轴电容元件Cx2的静态电容波动值Cx2、第三X轴电容元件Cx3的静态电容波动值Cx3、第四X轴电容元件Cx4的静态电容波动值Cx4、第一Y轴电容元件Cy1的静态电容波动值Cy1、第二Y轴电容元件Cy2的静态电容波动值Cy2、第三Y轴电容元件Cy3的静态电容波动值Cy3、以及第四Y轴电容元件Cy4的静态电容波动值Cy4而获得上述电信号(这里，为了方便，电容元件和此电容元件的静态电容波动值用相同的参考标号表示)。将在第四部分中详细描述获得具体检测值的方法。

当下基板200由不导电材料制成时，下膜部不具有导电性，从而下膜部本身不能用作位移电极。在此情况下，允许在每个下膜部的下表面上形成单独的导电膜并将该导电膜用作位移电极。当然，在实际使用中，与这里示出的实施方式一样，为了简化结构，优选地，下基板200由导电材料制成且每个下膜部本身用作位移电极。当下基板200由导电材料制成时，则位移电极处于导电状态下，然而，只要与位移电极相对的固定电极在电力上彼此独立，那么电容元件也变得在电力上彼此独立，并且导电状态不会影响检测操作。

可根据任何方法附接固定电极，只要将其固定至与位移电极相对的位置处即可，然而，在实际使用中，与这里描述的实施方式一样，优选地，将辅助基板300牢固地固定至下基板200的下表面，并且将固定电极附接至辅助基板300的上表面。特别地，与所示实例一样，当在辅助基板300的上表面上且位于下膜部(位移电极)下方的位置处分别形成辅助凹槽Kx1至Kx4和Ky1至Ky4时，并且在这些辅助凹槽的底面上分别形成固定电极Ex1至Ex4和Ey1至Ey4，则结构变得更简单，而且装配也变得更容易。

当构造本发明的力检测装置时，虽然不特别限制各零件的材料，但是，上基板、下基板和柱状件可由诸如铝或不锈钢的金属制成。具体地，下基板由导电材料制成能够使下膜部本身用作位移电极。另一方面，辅助基板优选地由绝缘材料(例如，用于保持固定电极彼此绝缘的玻璃纤维环氧树脂或陶瓷)制成。当然，还允许包括上基板、下基板、柱状件和辅助基板的整体由诸如合成树脂的绝缘材料制成。在此情况下，可形成金属镀层等作为位移电极和固定电极。《第四部分》本发明实际实施方式的力检测装置的操作

这里，将详细描述本发明实际实施方式的力检测装置的操作，在第三部分中描述了其结构。此装置具有检测XYZ三维坐标系中的六个力(沿坐标轴方向的力Fx、Fy和Fz，以及围绕坐标轴的力矩Mx、My和Mz)的功能。例如，当此装置用来检测相对于机器人的上臂施加至下臂的力时，允许将辅助基板300固定至上臂侧，将上基板100固定至下臂侧，并且此装置本身用作肘部处的关节。因此，在上臂被固定的状态下可检测施加至下臂的六个力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz。

在本发明的应用中，术语“力”适当地用作不同的意义，即，沿特定坐标轴方向的力，以及包括分力矩的合力。例如，上述沿坐标轴方向的力Fx、Fy和Fz表示沿坐标轴方向的分力而不是力矩，然而，六个力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz的说法表示包括沿坐标轴方向的分力和围绕坐标轴的分力矩的合力。

在第二部分中，在仅包括两个柱状件的基本实施方式的装置中，参照图3B描述了当施加沿X轴方向的力时的状态。具体地，示出了在下基板20被固定的状态下当在图中向右的方向上对上基板10的重心Q施加力+Fx时的变形形式，并且上基板10处于平行于水平方向移动的状态下。然而，实际上，难以施加力以使上基板10仅在如上所述的水平方向上移动。上基板10通过两个柱状件P1和P2连接至下基板20，从而，例如，当对上基板10的左侧表面水平地施加向右的压力时，上基板10在图中作为整体向右移动，然而，上基板10的运动不仅是水平运动，而且包括旋转运动。

特别地，当在所示位置处定义原点O时，向右挤压上基板10的左侧表面的力作为相对于原点O的力矩。换句话说，可将向右挤压上基板10的左侧表面的力认为是在X轴方向上对此力检测装置施加的力+Fx，并且也可将其认为是围绕Y轴的力矩+My。另外，力矩的绝对值根据定义原点O的位置而改变。因此，只要将围绕相应坐标轴的力矩Mx、My和Mz作为检测目标，就不可避免地要确定坐标系中变成此分力矩的旋转轴的位置，并且必须将原点O定义在适当的位置。

在图3A所示的实例中，Z轴设置在垂直于基板的方向上以穿过基板的中心，并且原点O定义在位移基板20的下表面与辅助基板30的上表面之间的中间位置处且位于Z轴上。这是因为，采用构成电容元件(待用作传感器)的一对电极之间的中间位置作为确定Z轴上的原点O的参照点(相对于上下方向的位置参考)。确定此位置为原点O的参照点的原因是因为，如图3B所示，当通过施加外力而使两个柱状件P1和P2位移时，以电容元件的静态电容值变化来检测该位移，从而将相对于Z轴方向设置在电容元件(是直接检测位移的传感器)中心位置的原点位置被认为是最适当的(更严格地说，是固定电极E5和E6的上表面与下膜部21和22的下表面之间的中间位置)。

当然，在图3A和图3B所示的装置中，不能清楚地检测力Fx和力矩My，并且这对电容元件之间的静态电容值之差包括力Fx和力矩My两者的检测值。因此，为了测量，在不需要严格区分力和力矩的环境下使用图3A和图3B所示基本实施方式的装置。另一方面，实际实施方式(第三部分中描述了其结构)的装置(图8所示的装置)具有清楚地测量力和力矩的功能。在下文中，将描述此测量功能。

同样，在此实施方式的情况下，通过在穿过基板中心点的位置处定义Z轴并通过将构成传感器的电容元件的中心位置定义为相对于Z轴方向的参考位置，来定义XYZ三维坐标系的原点O的位置。基于此假设，定义图8所示的原点O。

在图8所示的装置中，例如，当对上基板100的左侧表面水平地施加向右的压力时，上基板100在图中作为整体向右移动，并且上基板100的运动仍不仅是水平运动，而且包括旋转运动。当希望对此装置仅施加沿X轴方向的分力+Fx时，例如，可设置图22所示的引导件410至440。引导件410和420是支撑上基板100左部的上下表面的构件，而引导件430和440是支撑上基板100右部的上下表面的构件。

如所示出的，通过固定辅助基板300和引导件410至440，将上基板100的运动方向限制为仅沿水平方向，从而当对上基板100的左侧表面施加向右的压力时，上基板100在图中仅水平地向右移动。此时，该装置的变形状态是仅对装置施加力+Fx时的变形状态。相反，对上基板100的右侧表面施加向左的压力时的状态是仅对装置施加力-Fx时的变形状态。对此装置施加力+Fy或-Fy时的变形状态也是相同的。

接下来，考虑图23所示的此装置设置有引导件450的情况。引导件450是内周基本上等于基板100、200和300的外围的圆柱形构件，并且可将整个装置容纳在其中。这里，在基板200和300固定至引导件450的情况下，当对上基板100施加向上拉的力时，此时装置的变形状态是仅对装置施加力+Fz时的变形状态。相反，当对上基板100施加向下推的力时，此时装置的变形状态是仅对装置施加力-Fz时的变形状态。

然后，考虑仅对此装置施加力矩的状态。图24是示出了导致图8所示的力检测装置仅由力矩+My确定的方式的正视图。在图24中，Y轴是朝着纸张的后表面侧延伸的垂直轴，从而在下基板200被固定的情况下，力矩+My与围绕原点O顺时针旋转上基板100的施力点Q的力相对应。当施加此力矩+My时，施力点Q沿着具有半径R的弧形轨迹T(由交替的长短虚线表示)移动。在本发明的应用中，当右旋螺钉(right screw)沿着预定坐标轴的正方向旋转前进时，将右旋螺钉的旋转方向定义为围绕坐标轴的正力矩。负力矩-My对应于围绕原点O逆时针旋转施力点Q的力。

当然，为了沿着弧形轨迹T移动施力点Q，必须用适当的方法对上基板100施加外力，并且通过用某种方法施加这种外力，可获得施加围绕Y轴的力矩My时的变形状态。同样适用于施加围绕X轴的力矩Mx时的变形状态。

最后，考虑施加围绕Z轴的力矩Mz的情况。图25是示出了仅通过力矩+Mz变形的图8所示力检测装置的俯视图。如所示出的，力矩+Mz对应于在下基板200被固定的情况下从上方观察的围绕Z轴逆时针旋转上基板100的力。类似地，力矩-Mz对应于从上方观察的围绕Z轴顺时针旋转上基板100的力。因此，为了获得仅施加力矩Mz时的变形状态，例如，如图23所示，允许将整个装置容纳在圆柱形引导件450中，将基板200和300固定至引导件450，并且对上基板100施加围绕Z轴的旋转力。

上面描述了这样一种获得变形状态的方法：在下基板200被固定的情况下，对上基板100上的施力点Q仅施加六个力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz中的任何一个。当然，当在实际中使用此装置时，提供上述引导件410至450并不总是必须的。提供引导件410至450的上述使用实例只是为了描述仅施加一个力分量时的变形状态，并且实际上，不使用这种引导件的利用形式更普遍。因此，在实际使用中，混合并施加六个力分量中的多个力分量。

即使在混合并施加多个力分量的环境下，这里示出的力检测装置也可彼此独立地检测六个力分量。首先，考虑当单独施加六个力时八个电容元件Cx1至Cx4和Cy1至Cy4的静态电容值的变化。图26是示出了电容元件在六个变形状态下的电容值变化的表。

表的各列中的标号表示相对于不施加外力的参考状态的电容值变化，并且“0”表示没变化，“+Δ”或“+δ”表示增大，且“-Δ”或“-δ”表示减小。这里，“+Δ”和“+δ”表示电容值增大，并且

“+Δ”表示比“+δ”大的变化。类似地，“-Δ”和“-δ”表示电容值减小，并且“-Δ”表示比“-δ”大的变化。

当然，“Δ”和“δ”不表示具体的绝对值，而是表示变化的程度，从而，例如，具有“+Δ”的多个列中的实际电容值波动量不总是彼此相等。图26示出了当施加正力+Fx、+Fy、+Fz、+Mx、+My和+Mz时的电容值变化，并且，当施加负力-Fx、-Fy、-Fz、-Mx、-My和-Mz时的电容值变化是具有与列中所示的符号相反的符号的值。

通过参考第二部分所述的仅包括两个柱状件的装置的变形状态，可很容易理解当单独施加六个力时八个电容元件Cx1至Cx4和Cy1至Cy4的静态电容值如图26中的表所示地变化的原因。

例如，当仅施加力+Fx时，如图22所示，在设置引导件410至440的环境下，考虑上基板100水平向右移动的状态。此时，一对Y轴柱状件Py3和Py4的倾斜形式和一对Y轴柱状件Py1和Py2的倾斜形式与图3A和图3B所示的一对柱状件P1和P2的倾斜形式相同。因此，电容元件Cy3的电容值增大，且电容元件Cy4的电容值减小。电容元件Cy1的电容值增大，且电容元件Cy2的电容值减小。图26的表的行“+Fx”中的且在“Cy1至Cy4列”中的标记“+Δ、-Δ、+Δ、-Δ”就基于这些电容变化的结果。

另一方面，如图22所示，在不施加外力的标准状态下，四个X轴柱状件Px1至Px4相对于Y轴方向倾斜，但是不在X轴方向上倾斜。因此，当通过施加外力+Fx来向右水平移动上基板100时，四个X轴柱状件Px1至Px4在图中向右倾斜，并且这些柱状件的倾斜形式与图2B所示的一对柱状件41和42的倾斜形式相同。

然而，在图2B所示的传统装置的情况下，以一对电容元件C1与C2之间的电容值差“C2-C1”测量柱状件41的倾斜角度，并且以一对电容元件C3与C4之间的电容值差“C4-C3”测量柱状件42的倾斜角度。另一方面，在本发明中，如图18所示，为了检测柱状件Px2的位移，仅提供一个电容元件Cx2(下膜部Dx2和固定电极Ex2)，并且为了检测柱状件Px4的位移，仅提供一个电容元件Cx4(下膜部Dx4和固定电极Ex4)。因此，即使当柱状件Px2和Px4在图中向右倾斜且下膜部Dx2和Dx4变形时，电容元件Cx2和Cx4的电极-电极距离在图的右半部中减小，并在图的左半部中增大，从而对于电容元件Cx2和Cx4而言，总体的静态电容值没有变化。图26的表的行“+Fx”中的且在“Cx1至Cx4列”中的标记“0”就基于这些结果。

通过将仅施加力+Fx时的变形状态围绕Z轴旋转45度，可获得仅施加力+Fy时的变形状态，从而获得这样的结果：电容元件Cx1至Cx4的电容值变化与电容元件Cy1至Cy4的电容值变化彼此替换。图26的表的行“+Fy”就基于这些结果。

接下来，考虑仅施加力+Fz的情况。在此情况下，对于所有八个柱状件，获得如图4A所示的变形形式。因此，八个电容元件Cx1至Cx4和Cy1至Cy4的所有电容值都减小。图26的表的行“+Fz”就基于这些结果。

然后，考虑仅施加力矩的情况。这里，为了便于描述，首先，如图24所示，考虑仅施加围绕Y轴的力矩+My时的变形状态。在此情况下，上基板100的右半部向下移动，而左半部向上移动。因此，对于设置在右半部中的四个柱状件Px1、Px2、Py1和Py3的下端，施加了一向下的力，并且用于这些柱状件的下膜部向下翘曲。结果，电容元件Cx1、Cx2、Cy1和Cy3的电极-电极距离减小，因而电容值增大。另一方面，对于设置在左半部中的四个柱状件Px3、Px4、Py2和Py4的下端，施加了一向上的力，并且下膜部向上翘曲。结果，电容元件Cx3、Cx4、Cy2和Cy4的电极-电极距离增大，因而电容值减小。

因此，设置在图的右半部中的电容元件Cx1、Cx2、Cy1和Cy3的电容值增大，而设置在图的左半部中的电容元件Cx3、Cx4、Cy2和Cy4的电容值减小，并且各电容元件中增大或减小的程度不同。例如，当图24所示的柱状件Px2与柱状件Py3相比时，柱状件Px2相对于X轴方向设置在上基板100的外侧，并且相对于X轴方向不倾斜，从而根据力矩+My在上下方向上的位移量相对大。另一方面，柱状件Py3相对于X轴方向设置在上基板100的内侧，并且相对于X轴方向倾斜，从而根据力矩+My在上下方向上的位移量相对小。

图26的表的行“+My”就基于这些结果。具体地，对于设置在图的右半部中的电容元件Cx1、Cx2、Cy1和Cy3而言，示出了结果“+”，而对于设置在图的左半部中的电容元件Cx3、Cx4、Cy2和Cy4而言，示出了结果“-”。对于根据力矩+My在上下方向上具有相对大位移量的电容元件Cx1至Cx4，示出了表示大电容值波动量的“Δ”，并且对于根据力矩+My在上下方向上具有相对小位移量的电容元件Cy1至Cy4，示出了表示小电容值波动量的“δ”。括号中的标记“δ”是为了表明，如后面所述，当获得具有相对低准确性的检测值就足够时，可将“δ”大致认为是δ＝0。

仅施加力矩+Mx时的变形状态与通过将仅施加力矩+My时的变形状态围绕Z轴旋转45度而获得的状态相等，因此，基于上述相同的概念，获得电容元件的电容值变化。图26的表中的行“+Mx”就基于这些结果。

最后，考虑仅施加力矩+Mz的情况。在此情况下，如图25所示，上基板100旋转，从而所有八个柱状件在根据上基板100旋转方向的方向上倾斜。通过参考图21的平面图可容易地理解各柱状件的具体倾斜形式。图21所示的阴影圆圈表示柱状件的上端面。当施加力矩+Mz时，这些上端面逆时针旋转。结果，四个柱状件Px1、Py2、Px4和Py3在上升方向上倾斜，从而对柱状件的下端施加一向下的力，并且用于这些柱状件的下膜部向下翘曲。结果，电容元件Cx1、Cy2、Cx4和Cy3的电极-电极距离减小，因而它们的电容值增大。另一方面，其余四个柱状件Px2、Py1、Px3和Py4在放下方向上倾斜，而对这些柱状件的下端施加一向上的力，并且用于这些柱状件的下膜部向上翘曲。结果，电容元件Cx2、Cy1、Cx3和Cy4的电极-电极距离增大，因而它们的电容值减小。图26的表中的行“+Mz”就基于这些结果。

这里，不再必须描述的是：当施加负力-Fx、-Fy、-Fz、-Mx、-My和-Mz时的电容值变化是具有与图26的表的各列中所示的符号相反的符号的电容值变化。图26的表中所示的结果基于这样的假设：如图21的平面图所示，第一X轴柱状件Px1在XY平面上的正正交投影图像(positive orthogonal projection image)和第一Y轴柱状件Py1在XY平面上的正正交投影图像位于XY坐标系的第一象限中，第三X轴柱状件Px3在XY平面上的正正交投影图像和第二Y轴柱状件Py2在XY平面上的正正交投影图像位于XY坐标系的第二象限中，第四X轴柱状件Px4在XY平面上的正正交投影图像和第四Y轴柱状件Py4在XY平面上的正正交投影图像位于XY坐标系的第三象限中，并且第二X轴柱状件Px2在XY平面上的正正交投影图像和第三Y轴柱状件Py3在XY平面上的正正交投影图像位于XY坐标系的第四象限中。

图26的表所示的结果基于采用如下结构的假设：第一至第四X轴柱状件Px1至Px4倾斜，使得它们的上端变得比下端更靠近XZ平面，且第一至第四Y轴柱状件Py1至Py4倾斜，使得它们的上端变得比下端更靠近YZ平面(换句话说，当从前侧或横向侧观察时，一对柱状件以倒V形倾斜)。当然，也可采用与上述结构相反的结构，即，在该结构中，第一至第四X轴柱状件Px1至Px4倾斜，使得它们的下端变得比上端更靠近XZ平面，且第一至第四Y轴柱状件Py1至Py4倾斜，使得它们的下端变得比上端更靠近YZ平面(换句话说，当从前侧或横向侧观察时，一对柱状件以V形倾斜)。在此情况下，在图26的表中的某些列中示出的符号是相反的。

从图26的表中所示的结果，可以理解，基于八个电容元件Cx1至Cx4和Cy1至Cy4的静态电容值(即，八个下膜部在Z轴方向上的位移)，可彼此独立地检测六个力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz。换句话说，可通过基于八个静态电容值Cx1至Cx4和Cy1至Cy4的算术运算来计算六个力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz。

然而，为了简化算术运算，在装置的机械结构部分优选地是确保几何对称性。实际上，在所示装置中，保持这种对称性。具体地，在图8所示装置的情况下，包括上基板100、下基板200和八个柱状件Px1至Px4和Py1至Py4的主结构体关于XZ平面对称，且关于YZ平面也对称。换句话说，这意味着，包括八个柱状件、八个上膜部和八个下膜部的结构体关于XZ平面对称，且关于YZ平面也对称，并且当施加彼此几何对称的两个外力时，在结构体中导致的变形形式也是几何对称的。

例如，施加力+Fx时的变形状态和施加力-Fx时的变形状态是关于YZ平面彼此镜像的关系。施加力+Fx时的变形状态与通过将施加力+Fy时的变形状态围绕Z轴旋转90度而获得的状态相等。在所示装置中，对于辅助基板300也确保相同的几何对称性，然而，辅助基板300是执行支撑固定电极的角色的结构体，并且只要八个固定电极具有对称性，那么辅助基板300本身也可不具有对称性。

当确保这种几何对称性时，在图26的表中，至少属于相同行的“Δ”和“δ”的绝对值变成彼此相等。此外，属于“+Fx”行的各列中的“Δ”的绝对值与属于“+Fy”行的各列中的“Δ”的绝对值变成彼此相等，并且属于行“+Mx”的各列中的“Δ”和“δ”的绝对值与属于行“+My”的各列中的这些绝对值变成彼此相等。因此，通过图27所示的算术运算，可获得六个力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz的检测值V(Fx)^*、V(Fy)^*、V(Fz)、V(Mx)、V(My)和V(Mz)。这里，具有“*”标记的检测值V(Fx)^*和V(Fy)^*是当δ＝0时的近似值。

在下文中，描述了根据图27所示的算术表达式，可获得六个力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz的检测值。首先，通过基于表达式“(Cy1-Cy2)+(Cy3-Cy4)”的算术运算可获得力Fx的检测值(近似值)V(Fx)^*。具体地，在图26的表中，通过对属于行“+Fx”的各列基于表达式执行算术运算，获得值“4Δ”，并且这表示所施加的力Fx。当运算值为正时，这表示已经施加了力+Fx，而当运算值为负时，这表示已经施加了力-Fx。这里，当δ＝0时，对属于除了“+Fx”以外的五行的各列基于上述表达式执行算术运算的所有结果变成零。这表示，当假设δ＝0时，根据算术表达式获得的检测值V(Fx)^*变成仅包含所施加力的分量Fx的值。

类似地，通过基于表达式“(Cx1-Cx2)+(Cx3-Cx4)”的算术运算，可获得力Fy的检测值(近似值)V(Fy)^*。从对属于图26的表中的行“+Fy”的各列基于表达式执行算术运算的结果可容易理解其原因。当假设δ＝0时，运算值也变成仅包含所施加力的分量Fy的值。

另一方面，基于以下表达式的算术运算可获得力Fz的检测值：算术表达式No.1“-(Cx1+Cx2+Cx3+Cx4+Cy1+Cy2+Cy3+Cy4)”，或算术表达式No.2“-(Cx1+Cx2+Cx3+Cx4)”，或算术表达式No.3“-(Cy1+Cy2+Cy3+Cy4)”。算术表达式No.1表示这样的算术运算：将所有八个电容元件的电容波动值加和，然后将符号反过来。属于图26的表中的行“+Fz”的所有列显示“-Δ”，从而，通过将它们加和且使符号反过来，获得值“8Δ”。此值表示所施加的力Fz，并且当运算值为正时，这表示已经施加了力+Fz，当运算值为负时，这表示已经施加了力-Fz。

这里，对属于除了“+Fz”以外的五行的各列基于上述表达式执行算术运算的所有结果变成零(在此情况下，并不总是需要δ＝0)。这表示，根据算术表达式获得的检测值V(Fz)仅包含所施加力的分量Fz。即使通过使用算术表达式No.2或3而不是算术表达式No.1来执行算术运算，也可获得相同的结果。然而，当使用算术表达式No.1时，算术运算的结果看起来精确度变得最高，从而，在实际使用中优选地使用算术表达式No.1。

接下来，通过基于表达式“(Cy3+Cy4)-(Cy1+Cy2)”的算术运算，可获得力矩Mx的检测值。具体地，在图26的表中，通过对属于行“+Mx”的各列基于表达式来执行算术运算，获得值“4Δ”，并且这表示所施加的力矩Mx。当运算值为正时，这表示已经施加了力+Mx，当运算值为负时，这表示已经施加了力-Mx。这里，对属于除了“+Mx”以外的五行的各列基于上述算术表达式执行算术运算的所有结果变成零(在此情况下，并不总是需要δ＝0)。这表示，根据上述表达式获得的检测值V(Mx)变成仅包含所施加力的分量Fx的值。

类似地，通过基于表达式“(Cx1+Cx2)-(Cx3+Cx4)”的算术运算，可获得力矩My的检测值V(My)。通过参考对属于图26的表中的行“+My”的各列基于表达式执行算术运算的结果可容易理解其原因。此运算值也仅包含所施加力的分量My。

最后，通过基于表达式“(Cx1-Cx2)+(Cx4-Cx3)+(Cy2-Cy1)+(Cy3-Cy4)”的算术运算，可获得力矩Mz的检测值。具体地，在图26的表中，通过对属于行“+Mz”的各列基于表达式执行算术运算，获得值“8Δ”，并且这表示所施加的力矩Mz。当运算值为正时，这表示已经施加了力+Mz，而当运算值为负时，这表示已经施加了力-Mz。这里，对属于除了“+Mz”以外的五行的各列基于上述表达式执行算术运算的所有结果变成零(在此情况下，并不总是需要δ＝0)。这表示，根据算术表达式获得的检测值V(Mz)变成仅包含所施加力的分量Mz的值。

最终，在图8所示的力检测装置中，通过提供具有检测八个电容元件Cx1至Cx4和Cy1至Cy4的静态电容波动值作为电信号的功能的检测电路500、利用这些电信号基于上面描述的上述算术表达式执行算术运算、以及获得与作为算术运算结果而获得的值相对应的信号值作为六个力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz的检测值，可从检测电路500输出所述检测值。具体地，例如，检测电路500可包括将电容元件的静态电容值转换成电压值的C/V转换器和执行对这些电压值进行加减运算的模拟算术单元。当然，也可用数字算术单元或微处理器代替模拟算术单元。

如上所述，图26的表中的“δ”表示小于“Δ”的波动量，从而可将δ近似地处理为δ＝0。在图27所示的算术表达式中，V(Fx)^*和V(Fy)^*是基于此处理而获得的近似值。然而，当需要更高精度的检测时，可根据以下方法获得精确的检测值。

首先，通过使用实际装置，执行仅对施力点Q施加力矩My的实验。具体地，如图24所示，施加沿着弧形轨迹T移动施力点Q的力。例如，允许制备一些围绕作为中心轴线的Y轴施加旋转力的驱动装置，并且对施力点Q施加该旋转力。此时，测量电容元件的静态电容值，并且根据图27的算术表达式，获得检测值V(My)和V(Fx)^*。图28的图示出了此实验的结果。该图的水平轴表示用实验方法施加的力矩My的实际值，并且该图的竖直轴表示此时获得的检测值(基于图27表达式的运算值)。由实线示出的向右上方倾斜的图形表示运算值V(My)，并且由虚线示出的向右下方倾斜的图形表示运算值V(Fx)^*。

在此实验中，仅施加力矩My，从而原则上，仅输出由实线图形所示的检测值My，并且不应输出由虚线图形所示的检测值Fx。虽然原理这样但输出检测值Fx的原因是因为在实际中“δ＝0”并不是真的。换句话说，运算值V(Fx)^*不仅包含所检测的分力Fx，而且包含所检测的分力矩My，并且这表示其他轴的干涉。通过实验获得的图28的虚线图形表示所检测的分力矩My。

因此，为了精确地仅获得分力Fx，允许执行从运算值V(Fx)^*排除所检测的分力矩My(即，由图28的虚线图形所示的分量)的算术运算。

如图28所示，在本发明力检测装置的情况下，除非施加特别大的力并导致特别大的变形，否则获得六个力检测值的基本线性的输出。这表示，通过用图28所示的实线图形来获得虚线图形。具体地，将施加特定力矩My时获得的由图28中的交替长短虚线表示的运算值V(My)和V(Fx)^*分别定义为k1和k2(在图28实例的情况下，k1为正，k2为负)，当施加任意力矩My时，运算值V(My)与V(Fx)^*的比值变成k1∶k2。因此，通过实验提前获得k1和k2作为系数，当施加任意力矩My时，根据k2/k1·V(My)获得包含在所获得的V(Fx)^*中的所检测的分力矩My(由力矩My导致的其他轴干涉分量)的绝对值。

因此，根据图29所示算术表达式：V(Fx)＝V(Fx)^*-k2/k1·V(My)，可获得力Fx的去除了此其他轴干涉分量的精确检测值V(Fx)。类似地，当通过实验施加任意力矩Mx时，通过获得运算值V(Mx)与V(Fy)^*的比值“k3∶k4”，根据以下算术表达式V(Fy)＝V(Fy)^*-k4/k3·V(Mx)，可获得力Fy的去除了此其他轴干涉分量的精确检测值V(Fy)。通过使用如上所述实际装置的实验可获得系数k1至k4，然而，除此之外，也可通过使用有限元方法的计算机模拟等来获得系数k1至k4。

最终，为了获得力Fx和力Fy的精确值，允许通过实验或计算机模拟提前获得系数k1至k4，并且通过基于以下算术表达式利用这些系数来使检测电路500执行算术运算：

V(Fx)＝(Cy1-Cy2)+(Cy3-Cy4)-k2/k1·V(My)

V(Fy)＝(Cx1-Cx2)+(Cx3-Cx4)-k4/k3·V(Mx)并且输出对应于这些运算结果的信号值作为力Fx和力Fy的精确检测值。

当提供本发明的装置作为工业产品时，如果在产品规格中必须描述原点O的精确位置，那么可通过利用实际装置进行实际测量来获得原点O的精确位置。具体地，例如，在图3A和图3B所示的装置中，将一施力杆(application bar)接合至上基板10的上表面中心位置，以垂直竖立。然后，将施力点定义在施力杆的高度h的位置处(将上基板10的上表面的高度定义为参考h＝0时)，并且通过对施力点施加沿X轴方向的固定力(例如，10N的力)来执行实验。在此情况下，不管施力点的高度h是多少，X轴方向的力Fx的检测值固定，然而，围绕Y轴的力矩My的检测值根据施力点的高度h而线性地变化(随着h变高，检测值的绝对值也变高)。因此，对于多个高度h，获得力矩My的检测值，制备示出h和My之间的线性关系的图形，并且通过从此图形外推使My＝0的高度h(该高度低于上基板10，并且变成负值)，则与Z轴上的高度h相对应的位置是此装置的原点O。

《第五部分》本发明力检测装置的示例性变型

在下文中，将描述第二部分至第四部分中所述的本发明力检测装置的各种示例性变型。

<5-1：使用环形凹槽的示例性变型>

在第三部分描述的实际实施方式中，在上基板100和下基板200与柱状件的连接位置处，形成有上凹槽Gx1至Gx4和Gy1至Gy4与下凹槽Hx1至Hx4和Hy1至Hy4，各个上凹槽的底部形成上膜部Bx1至Bx4和By1至By4，并且各个下凹槽的底部形成下膜部Dx1至Dx4和Dy1至Dy4。在这里描述的示例性变型中，通过将各个凹槽彼此连结(coupling)来形成环形凹槽。

图30是示出了作为图10的上基板100的示例性变型的上基板110的俯视图。如所示出的，在上基板110的下表面上，形成有上环形凹槽GG以便连结八个柱状件的连接位置。此上环形凹槽GG是连结图10所示的八个上凹槽Gx1至Gx4和Gy1至Gy4的环形凹槽。在凹槽的底部，形成有凸起bx1至bx4和by1至by4，并且与第三部分描述的实施方式的情况一样，柱状件的上端接合至这些凸起。在此示例性变型中，在其中形成上环形凹槽GG的整个环形区域形成具有挠性的上膜部，并且特别地，凸起bx1至bx4和by1至by4的外围部分用作上膜部Bx1至Bx4和By1至By4。

当然，可在上基板110的上表面上形成上环形凹槽GG。也就是说，在此示例性变型中，允许在上基板110的上表面侧或下表面侧上，形成连结柱状件的连接位置的上环形凹槽GG，并且此上环形凹槽GG的底部的各部分形成第一至第四X轴上膜部Bx1至Bx4和第一至第四Y轴上膜部By1至By4。

另一方面，图31是示出了作为图12的下基板200的示例性变型的下基板210的俯视图。如所示出的，在下基板210的上表面上，形成有下环形凹槽HH以便连结八个柱状件的连接位置。此下环形凹槽HH是连结图12所示的八个下凹槽Hx1至Hx4和Hy1至Hy4的环形凹槽。在凹槽的底部上，形成有凸起dx1至dx4和dy1至dy4，并且与第三部分描述的实施方式的情况一样，柱状件的下端接合至这些凸起。在此示例性变型中，在其中形成下环形凹槽HH的整个环形区域形成具有挠性的下膜部，并且特别地，凸起dx1至dx4和dy1至dy4的外围部分用作下膜部Dx1至Dx4和Dy1至Dy4。

当然，可在下基板210的下表面上形成下环形凹槽HH。也就是说，在此示例性变型中，允许在下基板210的上表面上或下表面上，形成连结柱状件的连接位置的下环形凹槽HH，并且该下环形凹槽HH的底部的各部分形成第一至第四X轴下膜部Dx1至Dx4和第一至第四Y轴下膜部Dy1至Dy4。

图32是示出了作为图14的辅助基板300的示例性变型的辅助基板310的俯视图。如所示出的，在辅助基板310的上表面上，形成有辅助环形凹槽KK以连结八个柱状件的连接位置。此辅助环形凹槽KK是连结图14所示的八个辅助凹槽Kx1至Kx4和Ky1至Ky4的环形凹槽。与第三部分描述的实施方式的情况一样，在凹槽的底面上，形成有固定电极Ex1至Ex4和Ey1至Ey4。

也就是说，在此示例性变型中，允许在辅助基板310的上表面上形成环形辅助凹槽KK，其连结第一至第四X轴下膜部Dx1至Dx4下方的位置并连结第一至第四Y轴下膜部Dy1至Dy4下方的位置，并且在此环形辅助凹槽KK的底面上，形成有第一至第四X轴固定电极Ex1至Ex4和第一至第四Y轴固定电极Ey1至Ey4。

<5-2：使用挠性基板的示例性变型>

在上述实施方式中，在上基板和下基板中挖出凹槽，并且作为这些凹槽的底部，形成具有挠性的上膜部和下膜部。在这里描述的示例性变型中，上基板和下基板形成为整体具有挠性的基板，并且该挠性基板部分地用作上述实施方式的上膜部和下膜部。

图33是示出了使用这种挠性基板的本发明示例性变型的力检测装置的正视图。此示例性变型的装置的基本操作与图8所示实际实施方式的装置的基本操作完全相同，并且基于八个柱状件的位移，可检测六个力分量。

然而，八个柱状件Px1至Px4和Py1至Py4的上端直接连接至由挠性基板形成的上基板150的下表面，并且下端直接连接至由挠性基板形成的下基板250的上表面。这里，上基板150和下基板250是如图34的透视图中所示的盘形基板，并且它们的厚度设置成使得基板整体是挠性的。例如，当上基板150和下基板250由铝或不锈钢制成时，通过将其厚度设置为不大于3.0mm，可确保不妨碍力检测装置的普通操作的挠性。

图35是示出了图33所示力检测装置中的下基板250和附接至下基板250的上表面的八个柱状件Px1至Px4和Py1至Py4的平面图。这里，图中的阴影部分并非示出截面，而是示出了柱状件的上端面。

在图35中，下基板250是整体具有挠性的基板，并且当柱状件Px1至Px4和Py1至Py4位移时，下基板250的与柱状件下端连接的各部分通常被大幅翘曲。因此，挠性基板250(下基板)的分别与柱状件Px1至Px4和Py1至Py4的下端连接的各部分附近用作第一至第四X轴下膜部Dx1至Dx4和第一至第四Y轴下膜部Dy1至Dy4。类似地，挠性基板150(上基板)的分别与柱状件Px1至Px4和Py1至Py4的上端连接的各部分附近用作第一至第四X轴上膜部Bx1至Bx4和第一至第四Y轴上膜部By1至By4。

如图33的正视图所示，在此示例性变型的装置的情况下，一连结件130牢固地固定至上基板150的上表面的中心部分，并且用于接收作为检测目标的力的力接收器120被接合在连结件130上方。这样设置的原因是因为上基板150是挠性基板，并且当作为检测目标的外力直接施加至上基板150时，外力直接影响上基板150本身的翘曲，并且这可能阻碍精确测量。通过采用在其中设置所示力接收器120的结构，使得作为检测目标的外力施加至力接收器120，然后使得该力通过连结件130传递至上基板150，更精确测量变得可行。

连结件130并非必须设置在上基板150的中心部分。也就是说，允许将连结件130牢固地固定至上基板150的上表面的除了基本上用作第一至第四X轴上膜部Bx1至Bx4的部分和基本上用作第一至第四Y轴上膜部By1至By4的部分以外的预定位置，并且用于接收作为检测目标的力的力接收器120被接合在连结件130上方。

类似地，在此示例性变型的装置的情况下，一间隔件330牢固地固定至下基板250的下表面的中心部分，并且在间隔件330的下方接合有用于支撑固定电极Ex1至Ex4和Ey 1至Ey4的辅助基板340。这也是为了防止由于下基板250的挠性而导致的下基板250的翘曲受辅助基板340阻碍。如所示出的，通过采用辅助基板340通过间隔件330接合至下基板250的结构，更精确测量变得可能。

间隔件330并非必须设置在下基板250的中心部分。也就是说，允许间隔件330牢固地固定至下基板250的下表面的除了基本上用作第一至第四X轴下膜部Dx1至Dx4的部分和基本上用作第一至第四Y轴下膜部Dy1至Dy4的部分以外的预定位置，并且在间隔件330的下方牢固地固定有辅助基板340，且第一至第四X轴固定电极Ex1至Ex4和第一至第四Y轴固定电极Ey1至Ey形成于辅助基板340的上表面上。

在图33所示的示例性变型中，当一个柱状件的上端或下端沿Z轴方向位移时，如果上基板150和下基板250具有足够的挠性，那么，仅在此柱状件的连接部分附近出现由沿Z轴方向的此位移导致的基板翘曲。然而，在实际中，当上基板150和下基板250由金属等制成时，由一个柱状件的位移导致的翘曲可能扩展至相邻柱状件的连接部分附近。如果出现此现象，一个传感器检测相邻柱状件的位移，因而精确测量变得不可能。

为了防止此负面效果，在挠性基板中形成狭缝，以防止由一个柱状件的位移导致的翘曲扩展至相邻柱状件的连接部分附近。

图36是示出了用于代替图34所示的上基板(挠性基板)150和下基板(挠性基板)250的上基板(挠性基板)160和下基板(挠性基板)260的俯视图。如所示出的，上基板160和下基板260具有近似正方形的外部形状，然而，此外形差异不是重要的差异。上基板160和下基板260的重要特征是具有形成于其中的狭缝S 1至S4。狭缝S1和S3是沿着布置轴线W1从基板的外围侧朝着中心部分形成的狭缝，而狭缝S2和S4是沿着布置轴线W2从基板的外围侧朝着中心部分形成的狭缝。这里，布置轴线W1和W2是相对于X轴或Y轴成45度角的轴线。

图36所示的粗虚线圆表示八个柱状件的与上基板160的连接位置，而细虚线圆表示八个柱状件的与下基板260的连接位置。如所示出的，每个上基板160和下基板260由四个翼形部J1至J4和在中心位置将翼形部J1至J4接合在一起的中心部J9构成，并且狭缝S1至S4用作翼形部J1至J4的轮廓。

这里，第一X轴柱状件Px1和第二X轴柱状件Px2布置在翼形部J1上，且第三X轴柱状件Px3和第四X轴柱状件Px4布置在翼形部J2上。类似地，第一Y轴柱状件Py1和第二Y轴柱状件Py2布置在翼形部J3上，且第三Y轴柱状件Py3和第四Y轴柱状件Py4布置在翼形部J4上。翼形部J1至J4被狭缝S1至S4彼此物理地隔开，从而可防止一个翼形部的翘曲传递至相邻翼形部。因此，可防止由一个传感器检测相邻柱状件的位移所导致的误差。

也就是说，在此示例性变型中，允许当在挠性基板160和260上定义四个区域时：包括第一X轴上/下膜部和第二X轴上/下膜部的区域(翼形部J1)、包括第三X轴上/下膜部和第四X轴上/下膜部的区域(翼形部J2)、包括第一Y轴上/下膜部和第二Y轴上/下膜部的区域(翼形部J3)和包括第三Y轴上/下膜部和第四Y轴上/下膜部的区域(翼形部J4)，沿着这四个区域的边界从挠性基板的外围侧朝着中心部分形成狭缝S1至S4。

例如，第一X轴柱状件Px1和第二X轴柱状件Px2布置在翼形部J1上，并且这对柱状件关于XZ平面保持几何对称性，从而即使当一个柱状件上导致的翘曲扩展至另一个柱状件的布置区域时，这也不会导致较大的误差。当然，如果需要的话，还允许沿着X轴和Y轴形成另外四个狭缝并且八个柱状件连接至八个翼形部。

<5-3：使用挠性柱状件的示例性变型>

在上述实施方式中，基于每个柱状件本身不翘曲的假设给出了描述，然而，当执行本发明时，还允许将每个柱状件制成挠性的。在这里描述的示例性变型中，通过使用挠性柱状件来构造装置。

图37是示出了具有挠性的柱状件PP的实例的透视图。如所示出的，此柱状件PP由上部PP1、收缩部PP2和下部PP3构成。收缩部PP2是通过使得直径小于上部PP1和下部PP3来构造以具有挠性的部分。当对柱状件PP的上端和下端施加使柱状件PP变形的外力时，仅收缩部PP2变形且柱状件PP弯曲。

因此，通过使用具有挠性的柱状件PP，可省略上膜部。图38是示出了使用此柱状件PP的示例性变型的力检测装置的纵向截面图。图38所示的示例性变型是图8所示实际实施方式的示例性变型，并且图38的纵向截面图与图19的纵向截面图(沿着C-C的截面图)相对应。将图19与图38彼此对比，可理解，用后一个图中的具有如图37所示的收缩部的八个柱状件PPx1至PPx4和PPy1至PPy4代替前一个图中的八个柱状件Px1至Px4和Py1至Py4。还可理解，后一个图中不形成前一个图中的上凹槽Gx1至Gx4和Gy1至Gy4。

具体地，图38所示示例性变型中的上基板105是没有凹槽的圆盘，并且八个柱状件PPx1至PPx4和PPy1至PPy4的上端直接连接至此圆盘的下表面。换句话说，在图38所示的示例性变型中，不提供上膜部Bx1至Bx4和By1至By4。这是因为具有挠性的八个柱状件PPx1至PPx4和PPy1至PPy4可分别用作上膜部Bx1至Bx4和By1至By4。另一方面，对于下基板200，传感器必须由电容元件构成，因而下膜部Dx1至Dx4和Dy1至Dy4是必需的。

通过提供柱状件PP的一部分(收缩部PP2)使之具有挠性，使得当施加外力时，图37所示的柱状件PP是可变形的，然而，还允许将柱状件的整体设置为具有挠性。具体地，通过用具有挠性的材料制造整个柱状件，当施加外力时，允许整个柱状件变形。例如，当使用由诸如弹性塑料的材料制成的柱状件T时，可将柱状件本身设置为具有挠性，无需设置收缩部。

图39示出了代替图38的八个柱状件PPx1至PPx4和PPy1至PPy4的由诸如弹性塑料的材料制成的柱状件Tx1至Tx4和Ty1至Ty4。同样，在此情况下，柱状件Tx1至Tx4和Ty1至Ty4本身具有挠性，从而它们可用作上膜部Bx1至Bx4和By1至By4。因此，可用没有凹槽的圆盘作为上基板105。

图40示出了代替图33所示的示例性变型的八个柱状件Px1至Px4和Py1至Py4的由诸如弹性塑料的材料制成的柱状件Tx1至Tx4和Ty1至Ty4(当然，用图37所示的柱状件PP代替也是可行的)。比较图33和图40，可以理解，用后一个图中的一个上基板170代替前一个图中的上基板150、连结件130和力接收器120。这里，上基板170并非必须具有挠性，并可直接承受外力。这是因为具有挠性的柱状件Tx1至Tx4和Ty1至Ty4用作上基板150。

<5-4：使用具有任意形状的结构体的示例性变型>

上述实施方式采用这样的结构：在该结构中，将多个柱状件跨过上基板和下基板布置。然而，当执行本发明时，支撑柱状件的上部或下部的结构体并非必须是基板状的结构体，并且可能是具有任意形状的结构体。

例如，在第二部分中描述的本发明基本实施方式的力检测装置中，采用将两个柱状件P1和P2夹在上基板10与下基板20之间的结构，然而，上基板10和下基板20并非必须是基板状的结构体，并且可用具有任意形状的结构体代替。

也就是说，足够的情况是：基本实施方式的力检测装置包括相对于在上下方向上定义的Z轴在预定方向上倾斜设置的第一柱状件和第二柱状件、设置在第一柱状件和第二柱状件上方的上结构体、设置在第一柱状件和第二柱状件下方的下结构体、以及基于第一柱状件和第二柱状件的位移输出表示所施加力的电信号的检测器。

此外，足够的情况是：柱状件的上端直接或间接接合至上结构体的下表面，柱状件的下端直接或间接接合至下结构体的上表面，通过将第一柱状件的中心轴线正交投影到XZ平面上获得的投影图像相对于Z轴在第一方向上倾斜，并且通过将第二柱状件的中心轴线投影到XZ平面上获得的投影图像相对于Z轴在与第一方向相对的第二方向上倾斜。

在上述结构中，通过将“下结构体”的至少一部分和“上结构体、第一柱状件、第二柱状件及其相互连接部分”的至少一部分设置为具有挠性，在下结构体固定至预定位置的状态下，当对上结构体施加外力时，柱状件的倾斜状态可能改变并且上结构体可能位移。然后，通过提供具有检测第一柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第一传感器和检测第二柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第二传感器的检测器，可输出表示第一传感器的检测值与第二传感器的检测值之间的差的电信号作为在下结构体固定至预定位置的状态下对上结构体所施加的沿X轴方向的力Fx的检测值。此外，可输出表示第一传感器的检测值和第二传感器的检测值之和的电信号作为在下结构体固定至预定位置的状态下对上结构体所施加的沿Z轴方向的力Fz的检测值。

当用电容元件作为每个传感器时，足够的情况是：进一步提供固定在下结构体下方预定距离处的辅助基板，并且第一传感器由第一电容元件构成，第一电容元件包括形成于第一柱状件的下端与下结构体接合的位置处的第一位移电极和在辅助基板的上表面上固定至与第一位移电极相对的位置处的第一固定电极，并且第二传感器由第二电容元件构成，第二电容元件包括形成于第二柱状件的下端与下结构体接合的位置处的第二位移电极和在辅助基板的上表面上固定至与第二位移电极相对的位置处的第二固定电极。在此情况下，通过用导电材料制造下结构体，第一柱状件的下端与下结构体接合的部分可用作第一位移电极，并且第二柱状件的下端与下结构体接合的部分可用作第二位移电极。

另一方面，在第三部分描述的本发明实际实施方式的力检测装置中，采用八个柱状件Px1至Px4和Py1至Py4夹在上基板100和下基板200之间的结构，然而，同样在此情况下，上基板100和下基板200并非必须是基板状的结构体，并且可以用具有任意形状的结构体代替。

也就是说，足够的情况是：此实际实施方式的力检测装置包括在平行于XY平面的平面上延伸的上结构体、在平行于XY平面的平面上延伸且设置在上结构体下方的下结构体、具有直接或间接接合至上结构体下表面的上端和直接或间接接合至下结构体上表面的下端的第一至第四X轴柱状件和第一至第四Y轴柱状件、以及基于这八个柱状件的位移输出表示所施加力的电信号的检测器。

足够的情况是：第一X轴柱状件的中心轴线和第二X轴柱状件的中心轴线包含于在X轴的正区域中正交于X轴的X轴正侧正交平面中，并且相对于XZ平面相互相对地倾斜；且第三X轴柱状件的中心轴线和第四X轴柱状件的中心轴线包含于在X轴的负区域中正交于X轴的X轴负侧正交平面中，并且相对于XZ平面相互相对地倾斜；第一Y轴柱状件的中心轴线和第二Y轴柱状件的中心轴线包含于在Y轴的正区域中正交于Y轴的Y轴正侧正交平面中，并且相对于YZ平面相互相对地倾斜；且第三Y轴柱状件的中心轴线和第四Y轴柱状件的中心轴线包含于在Y轴的负区域中正交于Y轴的Y轴负侧正交平面中，并且相对于YZ平面相互相对地倾斜。

这里，通过提供如下检测器：包括检测第一X轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第一X轴传感器、检测第二X轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第二X轴传感器、检测第三X轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第三X轴传感器、检测第四X轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第四X轴传感器、检测第一Y轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第一Y轴传感器、检测第二Y轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第二Y轴传感器、检测第三Y轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第三Y轴传感器、以及检测第四Y轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第四Y轴传感器，在下结构体固定至预定位置的状态下，可输出基于传感器的检测值而获得的电信号作为施加至上结构体的力的检测值。

图41是代替图33所示力检测装置中的下基板250使用的下结构体280的俯视图。图中所示的下结构体280包括位于Z轴上的中心部289和从此中心部289分别延伸至与第一至第四X轴柱状件的下端连接的连接位置和与第一至第四Y轴柱状件的下端连接的连接位置的具有挠性的八个分支部281至288。这里，分支部281至288沿着相对于X轴或Y轴成45度的布置轴线W1或W2延伸。图中所示的虚线圆表示与柱状件Px1至Px4和Py1至Py4的下端连接的部分。

例如，通过切割铝板或不锈钢板，可获得此下结构体280。八个分支部281至288具有挠性，从而在固定中心部289的状态下，当柱状件Px1至Px4和Py1至Py4分别沿Z轴方向位移时，分支部281至288根据各个相应柱状件的位移而独立地翘曲。

图42是示出了代替图33所示力检测装置中的辅助基板340使用的辅助基板380的俯视图。如所示出的，在此辅助基板380的上表面上，形成有八个固定电极Ex1至Ex4和Ey1至Ey4(阴影部分示出了电极形状)。辅助基板380上的八个固定电极具有的形状与图33所示的辅助基板340上的八个固定电极的形状不同，但是执行相同的功能，从而为了方便，用相同的参考标号Ex1至Ex4和Ey1至Ey4表示这八个固定电极。

图42所示的八个固定电极Ex1至Ex4和Ey1至Ey4具有与图41所示的八个分支部281至288相对的形状，并且布置在与八个分支部281至288相对的位置处。在此实施方式的情况下，下结构体280由导电材料制成，从而分支部281至288本身用作位移电极，并形成与相对的固定电极Ex1至Ex4和Ey1至Ey4配合的八个电容元件。这里，与上述实施方式中一样，这些电容元件也称为电容元件Cx1至Cx4和Cy1至Cy4。

图43是示出了使用图41所示的下结构体280和图42所示的辅助基板380的示例性变型的纵向截面图(沿着XZ平面切开的截面图)。此示例性变型的基本操作原理与图33所示实施方式的操作原理相同。具体地，施加至力接收器125的外力通过连结件135传递至上基板155。在此实例的情况下，上基板155是具有挠性的圆盘，并且在此上基板155下方设置下结构体280，并且在它们之间，连接有八个柱状件Px1至Px4和Py1至Py4。这八个柱状件的布置和倾斜状态与第三部分中描述的实际实施方式的装置中的布置和倾斜状态相同。间隔件335接合至下结构体280的中心部下表面，并且辅助基板380接合至间隔件335的下表面。

这里，下结构体280是包括从图41的俯视图中所示的中心部289向外延伸的八个分支部280至288的结构体，并且在辅助基板380的上表面上，如图42的俯视图所示，形成有与分支部281至288相对的固定电极Ex1至Ex4和Ey1至Ey4。对于此构造，八个电容元件Cx1至Cx4和Cy1至Cy4用作检测柱状件Px1至Px4和Py1至Py4的下端在Z轴方向上的位移的传感器。能够基于上面第四部分中描述的这八个电容元件的静态电容值来检测所施加外力的六个分量。

具体地，在图43所示的力检测装置中，第一X轴传感器由第一X轴电容元件Cx1构成，第一X轴电容元件Cx1包括由延伸至与第一X轴柱状件Px1的下端连接的连接位置的分支部281形成的第一X轴位移电极、以及在辅助基板380的上表面上固定至与第一X轴位移电极相对的位置处的第一X轴固定电极Ex1；第二X轴传感器由第二X轴电容元件Cx2构成，第二X轴电容元件Cx2包括由延伸至与第二X轴柱状件Px2的下端连接的连接位置的分支部288形成的第二X轴位移电极、以及在辅助基板380的上表面上固定至与第二X轴位移电极相对的位置处的第二X轴固定电极Ex2；第三X轴传感器由第三X轴电容元件Cx3构成，第三X轴电容元件Cx3包括由延伸至与第三X轴柱状件Px3的下端连接的连接位置的分支部284形成的第三X轴位移电极、以及在辅助基板380的上表面上固定至与第三X轴位移电极相对的位置处的第三X轴固定电极Ex3；并且第四X轴传感器由第四X轴电容元件Cx4构成，第四X轴电容元件Cx4包括由延伸至与第四X轴柱状件Px4的下端连接的连接位置的分支部285形成的第四X轴位移电极、以及在辅助基板380的上表面上固定至与第四X轴位移电极相对的位置处的第四X轴固定电极Ex4。

此外，第一Y轴传感器由第一Y轴电容元件Cy1构成，第一Y轴电容元件Cy1包括由延伸至与第一Y轴柱状件Py1的下端连接的连接位置的分支部282形成的第一Y轴位移电极、以及在辅助基板380的上表面上固定至与第一Y轴位移电极相对的位置处的第一Y轴固定电极Ey1；第二Y轴传感器由第二Y轴电容元件Cy2构成，第二Y轴电容元件Cy2包括由延伸至与第二Y轴柱状件Py2的下端连接的连接位置的分支部283形成的第二Y轴位移电极、以及在辅助基板380的上表面上固定至与第二Y轴位移电极相对的位置处的第二Y轴固定电极Ey2；第三Y轴传感器由第三Y轴电容元件Cy3构成，第三Y轴电容元件Cy3包括由延伸至与第三Y轴柱状件Py3的下端连接的连接位置的分支部287形成的第三Y轴位移电极、以及在辅助基板380的上表面上固定至与第三Y轴位移电极相对的位置处的第三Y轴固定电极Ey3；并且第四Y轴传感器由第四Y轴电容元件Cy4构成，第四Y轴电容元件Cy4包括由延伸至与第四Y轴柱状件Py4的下端连接的连接位置的分支部286形成的第四Y轴位移电极、以及在辅助基板380的上表面上固定至与第四Y轴位移电极相对的位置处的第四Y轴固定电极Ey4。

检测器输出基于以下值获得的电信号作为检测值：第一X轴电容元件的静态电容波动值Cx1、第二X轴电容元件的静态电容波动值Cx2、第三X轴电容元件的静态电容波动值Cx3、第四X轴电容元件的静态电容波动值Cx4、第一Y轴电容元件的静态电容波动值Cy1、第二Y轴电容元件的静态电容波动值Cy2、第三Y轴电容元件的静态电容波动值Cy3、以及第四Y轴电容元件的静态电容波动值Cy4。

这里，描述了这样一个实例，其中，下结构体280由导电材料制成，并且分支部281至288本身用作位移电极，然而，当下结构体280由非导电材料制成时，在分支部281至288的下表面上形成用作位移电极的导电层就足够了。

当使用如图41所示的包括八个分支部的下结构体280时，支撑柱状件下端的分支部281至288用作彼此独立的悬臂梁，从而提高整个装置的位移自由度，并且上基板155的位移量可能变得非常大。这么大的位移状态可能导致检测误差，并导致各零件损坏。因此，在实际应用中，优选地提供用于控制上基板155位移的控制件。

图44是示出了图43所示装置容纳于装置壳体460中的状态的纵向截面图。控制上基板155位移的控制件附接至此装置壳体460，并且该控制件可防止上基板155过度地位移。具体地，图43所示的装置容纳于装置壳体460中，并且辅助基板380固定至装置壳体460的底面。用具有稍微不同形状的力接收器126代替图43所示装置中的力接收器125。此力接收器126基本上是盘形件，并且在其周围提供轴环部127。

另一方面，环形控制件470通过螺钉471附接至装置壳体460的上表面。此控制件470通过与轴环部127的上表面和侧表面接触来执行限制力接收器126向上和横向过度位移的功能。装置壳体460的上边缘表面通过与轴环部127的下表面接触来限制防止力接收器126向下过度位移的功能。因此，通过这样限制力接收器126过度位移，可限制上表面155过度位移。

在图43和图44所示的实例中，用包括八个分支部的下结构体280代替下基板，当然，也允许用包括八个分支部的上结构体代替上基板。此外，可用图41和图42所示的下结构体280和辅助基板380代替图38和图39所示实例中的下基板200和辅助基板300，并且也可用图41和图42所示的下结构体280和辅助基板380代替图40所示实例中的下基板250和辅助基板340。除此之外，在不背离本发明的基本概念的前提下，任意组合都是可能的。

<5-5：使用包括分支部的下结构体时的附加功能>

在图41至图44中，示出了使用包括八个分支部281至288的下结构体280的示例性变型，并且在这种使用包括分支部的结构体的示例性变型中，除了上述正常的力检测功能以外，可提供附加功能。附加功能是电检测分支部的导致分支部与辅助基板380接触的大位移的功能。

例如，将考虑代替图42所示的辅助基板380而使用图45所示的辅助基板380A的情况。作为这二者之间的差异，后一种情况下的固定电极Ex1至Ex4和Ey1至Ey4的长度稍短，并且在此空间中，提供接触判定电极ex1至ex4和ey1至ey4。在图45中，固定电极Ex1至Ex4和Ey1至Ey4是斜线阴影部分，并且接触判定电极ex1至ex4和ey1至ey4是灰色阴影部分(这些阴影部分并非示出横截面，而是示出了电极形状)。这里，接触判定电极ex1至ex4和ey1至ey4设置在当分支部281至288向下翘曲时它们的末端部所接触的位置处。

也就是说，在辅助基板380A的上表面上的与分支部281至288的末端部相对的位置处，提供与固定电极Ex1至Ex4和Ey 1至Ey4电绝缘的接触判定电极ex1至ex4和ey1至ey4。通过采用此构造，基于分支部的末端部与接触判定电极之间的电连续状态，可以判定它们之间是否彼此物理接触。

在此装置中，为了用检测电路500分别测量八个电容元件的静态电容值，必须在固定电极Ex1至Ex4和Ey1至Ey4与检测电路500之间提供接线，并且也必须在用作公共位移电极的下结构体280与检测电路500之间提供接线，另外，还在接触判定电极ex1至ex4和ey1至ey4与检测电路500之间提供接线。因此，通过检查下结构体280与接触判定电极ex1至ex4和ey1至ey4之间的电连续状态，检测电路500可判定分支部281至288的末端部与接触判定电极ex1至ex4和ey1至ey4是否彼此物理接触。

例如，当可检测接触判定电极ex1与下结构体280之间的电连续状态时，可识别分支部281的末端部与接触判定电极ex1的物理接触。这表示，第一X轴柱状件Px1的下端已经向下大幅位移，并且已经施加了导致此位移的很大的外力。当施加这种很大的外力时，不会输出正确的检测值，从而，例如，输出错误信号，或者如果必须的话，采取这样的措施：发出表示由于过度的外力而具有损坏风险的警告。

图46所示的辅助基板380B是图45所示辅助基板380A的示例性变型。在此示例性变型中，用单个接触判定环形电极e(灰色阴影部分表示此接触判定环形电极e的形状)代替八个接触判定电极ex1至ex4和ey1至ey4。具体地，在辅助基板380B的上表面上连结与分支部281至288末端部相对的一些位置的环形区域中，提供与固定电极Ex1至Ex4和Ey1至Ey4电绝缘的接触判定环形电极e。在此情况下，可检测到八个分支部281至288中的任一个的末端部与接触判定环形电极e物理接触。无法获得用于确定八个分支部281至288中的哪一个接触的信息，从而无法识别哪一个分支部大幅位移，然而，只要采取输出错误信号或发出警告的措施，图46的此构造就是足够的。

图47所示的辅助基板380C是图45所示辅助基板380A的另一示例性变型。在此示例性变型中，代替八个接触判定电极ex1至ex4和ey1至ey4，提供十六个接触判定电极ex1a至ex4b和ey1a至ey4b。也就是说，将辅助基板380A上的每个接触判定电极分成两个。

此示例性变型的优点是不使用连接至下结构体280的接线便可电检测很大外力的施加。例如，假设第一X轴柱状件Px1的下端向下大幅位移，并且分支部281的末端部与接触判定电极ex1a和ex1b接触，那么，这对接触判定电极ex1a和ex1b通过分支部281的末端部彼此电连续。因此，仅通过检查这对接触判定电极ex1a和ex1b之间的电连续状态，便可检测分支部281的物理接触。这同样适用于其他对接触判定电极。

也就是说，通过在与一个分支部的末端部相对的位置处提供一对彼此绝缘的接触判定电极，可以基于这对接触判定电极之间的电连续状态而确定分支部的末端部与这对接触判定电极是否彼此物理接触。

图48所示的辅助基板380D是图46所示辅助基板380B的示例性变型。在此示例性变型中，提供一对接触判定环形电极ea和eb来代替单个接触判定环形电极e。也就是说，彼此绝缘且彼此同心的这对接触判定电极ea和eb设置在辅助基板380B上的接触判定环形电极e的环形区域中。在此情况下，也可基于这对接触判定环形电极ea和eb之间的电连续状态而确定分支部的末端部与这对接触判定环形电极ea和eb是否彼此物理接触，从而即使不使用连接至下结构体280的接线，也可电检测很大外力的施加。

上面描述了这样的实例，其中提供接触判定电极以便能够电检测很大外力的施加，并且在此情况下采取通过输出错误信号或发出警告的措施，相反，仅在施加这种很大外力的情况下才输出检测值也是可能的。

例如，考虑这样一种情况：用图43所示的力检测装置作为数字设备的输入装置。具体地，当某人将此装置放在他/她的手掌中时，将他/她的拇指放在力接收器125的上表面上，并执行一些输入操作，从拇指连续地施加非常小的力，从而，即使此人并非有意执行一些输入操作，此装置也会检测从拇指施加的力。然而，输出这种非常小的力作为表示由人执行的输入操作的信号不是优选的。换句话说，当用力检测装置作为数字设备的输入装置时，仅当施加大到允许确定有人有意执行一些输入操作(具体来说，例如，使力接收器125在X轴正方向或负方向上倾斜的操作，或使力接收器125在Y轴正方向或负方向上倾斜的操作)的外力时，应输出对应于输入操作的检测值。

在这种类型的应用的情况下，仅当可电检测到分支部的末端与接触判定电极的接触时，才输出检测值。当假设此应用形式时，与下结构体280的接线根本不是必需的。这是因为可以利用接触判定电极(接触判定环形电极)与分支部之间的物理接触形成的导电路径作为电连接每个位移电极和检测器的接线路径。

例如，在使用图47所示辅助基板380C的示例性变型的情况下，当第一X轴柱状件Px1的下端向下大幅位移且分支部281的末端部与接触判定电极ex1a和ex1b接触时，如上所述，这对接触判定电极ex1a和ex1b通过分支部281的末端部而电连续。因此，仅通过检查这对接触判定电极ex1a和ex1b之间的电连续状态，可检测分支部281的物理接触。另外，在分支部281的末端部与接触判定电极ex1a和ex1b接触的状态下，整个下结构体280与接触判定电极ex1a和ex1b电连续，从而设置在接触判定电极ex1a和ex1b与检测电路500之间的接线可直接用作与下结构体280的接线。因此，不直接提供与下结构体280的接线，也可检测电容元件的静态电容值。

当然，当八个分支部281至288中的任一个与接触判定电极均不接触时，没有直接连线的下结构体280处于电浮动状态下，并且检测电路500无法检测电容元件的静态电容值。然而，基于如上所述的将力检测装置用作数字设备的输入装置的假设，在此状态下，检测值输出不是必需的，并且不会出现阻碍。

<5-6：包括分支部的下结构体的示例性变型>

这里，示出了图41所示的包括分支部的下结构体280的示例性变型。图49是此示例性变型的下结构体290的俯视图。在图中，虚直线表示此结构体各部分的边界，并且虚线圆表示与柱状件Px1至Px4和Py1至Py4的下端连接的部分。

如所示出的，此下结构体290包括：中心位置与Z轴交叉的十字形中心部299；和具有挠性的八个分支部291至298，它们从中心部299延伸至与第一至第四X轴柱状件的下端连接的连接位置和与第一至第四Y轴柱状件的下端连接的连接位置。在此示例性变型中，分支部291至298用作在平行于X轴或Y轴的方向上延伸的悬臂梁。

例如，也可通过切割铝板或不锈钢板来获得此下结构体290。八个分支部291至298具有挠性，从而在中心部299固定的状态下，当柱状件Px1至Px4和Py1至Py4分别沿Z轴方向位移时，分支部291至298根据各个相应柱状件的位移而独立地翘曲。与图41所示的下结构体280相比，图49所示的下结构体290具有更容易制造的优点。

当用图49所示的下结构体290代替图41所示的下结构体280时，则用图50所示的辅助基板390代替图42所示的辅助基板380。在此辅助基板390的上表面上，形成有八个固定电极Ex1至Ex4和Ey1至Ey4(阴影部分示出了电极形状)。辅助基板390上的这八个固定电极具有与图49所示的八个分支部291至298相对的形状，并且设置在与分支部291至298相对的位置处，从而虽然形状和布置不同，但是这些固定电极执行与图42所示的八个固定电极的功能相同的功能，从而为了方便，用相同的参考标号Ex1至Ex4和Ey1至Ey4表示固定电极。

<5-7：使用除了电容元件以外的传感器的示例性变型>

上面描述了一种详细的算术运算方法，该方法在实施方式中利用电容元件作为“检测柱状件的下端在Z轴方向上的位移的传感器”获得六个力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz的检测值。然而，当执行本发明时，“检测柱状件的下端在Z轴方向上的位移的传感器”并非必须是使用电容元件的传感器，而是可以是任何传感器，只要该传感器能够通过某种方法电检测特定部分的位移。例如，当利用通过使用超声波测量距离的传感器或利用通过使用光测量距离的传感器来测量到特定部分的距离变化时，可检测特定部分的位移。

因此，即使用“检测柱状件的下端在Z轴方向上的位移的传感器”代替电容传感器时，也可通过第四部分中描述的检测操作来检测六个力Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz。

具体地，检测器可输出与“第一Y轴传感器的检测值与第二Y轴传感器的检测值之间的差”和“第三Y轴传感器的检测值与第四Y轴传感器的检测值之间的差”之和相对应的信号值V(Fx)^*作为在X轴方向上施加的力Fx的检测值(近似值)，并且可输出与“第一X轴传感器的检测值与第二X轴传感器的检测值之间的差”和“第三X轴传感器的检测值与第四X轴传感器的检测值之间的差”之和相对应的信号值V(Fy)^*作为在Y轴方向上施加的力Fy的检测值(近似值)。

检测器可输出与“第一至第四X轴传感器的检测值之和”或“第一至第四Y轴传感器的检测值之和”，或“第一至第四X轴传感器的检测值之和与第一至第四Y轴传感器的检测值之和的总和”相对应的信号值V(Fz)作为在Z轴方向上施加的力Fz的检测值。

另一方面，关于力矩，检测器可输出与“第三Y轴传感器的检测值和第四Y轴传感器的检测值之和”与“第一Y轴传感器的检测值和第二Y轴传感器的检测值之和”之间的差相对应的信号值V(Mx)作为围绕X轴施加的力矩Mx的检测值，并且可输出与“第一X轴传感器的检测值和第二X轴传感器的检测值之和”与“第三X轴传感器的检测值和第四X轴传感器的检测值之和”之间的差相对应的信号值V(My)作为围绕Y轴施加的力矩My的检测值。

检测器可输出与“第一X轴传感器的检测值与第二X轴传感器的检测值之间的差”，“第四X轴传感器的检测值与第三X轴传感器的检测值之间的差”，“第二Y轴传感器的检测值与第一Y轴传感器的检测值之间的差”，以及“第三Y轴传感器的检测值与第四Y轴传感器的检测值之间的差”的和相对应的信号值V(Mz)作为围绕Z轴施加的力矩Mz的检测值。

此外，当必须获得更精确的检测值时，检测器获得与“第一Y轴传感器的检测值与第二Y轴传感器的检测值之间的差”和“第三Y轴传感器的检测值与第四Y轴传感器的检测值之间的差”之和相对应的信号值V(Fx)^*，以及与“第一X轴传感器的检测值与第二X轴传感器的检测值之间的差”和“第三X轴传感器的检测值与第四X轴传感器的检测值之间的差”之和相对应的信号值V(Fy)^*，并且，可通过使用预定系数k1至k4，输出与根据表达式“V(Fx)^*-k2/k1·V(My)”获得的值相对应的信号值V(Fx)作为在X轴方向上施加的力Fx的检测值，并输出与根据表达式“V(Fy)^*-k4/k3·V(Mx)”获得的值相对应的信号值V(Fy)作为在Y轴方向上施加的力Fy的检测值。

Claims

1.一种检测在XYZ三维坐标系中的预定方向上施加的力的力检测装置，包括：

上基板，具有平行于XY平面的基板表面；

下基板，具有平行于XY平面的基板表面并且设置在所述上基板的下方；

第一柱状件，具有直接或间接接合至所述上基板的下表面的上端，和直接或间接接合至所述下基板的上表面的下端；

第二柱状件，具有直接或间接接合至所述上基板的下表面的上端，和直接或间接接合至所述下基板的上表面的下端；以及

检测器，基于所述第一柱状件和所述第二柱状件的位移而输出表示所施加力的电信号，其中

所述第一柱状件的下端与所述下基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第一下膜部；

所述第二柱状件的下端与所述下基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第二下膜部；

通过向XZ平面上正交投影所述第一柱状件的中心轴线而获得的投影图像相对于Z轴在第一方向上倾斜，并且通过向XZ平面上正交投影所述第二柱状件的中心轴线而获得的投影图像相对于Z轴在与所述第一方向相对的第二方向上倾斜；并且

所述检测器包括检测所述第一下膜部在Z轴方向上的位移的第一传感器和检测所述第二下膜部在Z轴方向上的位移的第二传感器，并且所述检测器输出表示所述第一传感器的检测值与所述第二传感器的检测值之间的差的电信号作为在所述下基板固定的状态下在X轴方向上施加至所述上基板的力Fx的检测值。

2.根据权利要求1所述的力检测装置，其中，

所述检测器进一步输出表示所述第一传感器的检测值和所述第二传感器的检测值之和的电信号作为在所述下基板固定的状态下在Z轴方向上施加至上基板的力Fz的检测值。

3.根据权利要求1或2所述的力检测装置，其中，

在所述下基板的上表面或下表面上形成有第一下凹槽和第二下凹槽，由所述第一下凹槽的底部形成第一下膜部，并且由所述第二下凹槽的底部形成第二下膜部。

4.根据权利要求3所述的力检测装置，其中，

每个下凹槽形成在所述下基板的上表面上，在所述下凹槽内部设置有凸起，所述凸起从每个下凹槽的底面向上延伸至基板表面位置，并且每个柱状件的下端经由所述凸起接合至所述下膜部。

5.根据权利要求1或2所述的力检测装置，其中，

所述下基板由挠性基板形成，所述第一下膜部由所述挠性基板的一部分形成，并且所述第二下膜部由所述挠性基板的另一部分形成。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的力检测装置，其中，

所述第一柱状件的上端与所述上基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第一上膜部，并且

所述第二柱状件的上端与所述上基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第二上膜部。

7.根据权利要求6所述的力检测装置，其中，

在所述上基板的上表面或下表面上形成有第一上凹槽和第二上凹槽，并且由所述第一上凹槽的底部形成第一上膜部，且由所述第二上凹槽的底部形成第二上膜部。

8.根据权利要求7所述的力检测装置，其中，

每个上凹槽形成在所述上基板的下表面上，在所述上凹槽内部设置有凸起，所述凸起从每个所述上凹槽的底面向下延伸至基板表面位置，并且每个柱状件的上端经由所述凸起接合至所述上膜部。

9.根据权利要求6所述的力检测装置，其中，

所述上基板由挠性基板形成，第一上膜部由所述挠性基板的一部分形成，并且第二上膜部由所述挠性基板的另一部分形成。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的力检测装置，其中，

所述第一柱状件的中心轴线和所述第二柱状件的中心轴线设置在XZ平面上或平行于XZ平面的平面上，并且所述第一柱状件和所述第二柱状件关于YZ平面对称。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的力检测装置，其中，

第一传感器由第一电容元件构成，所述第一电容元件包括：形成于所述第一下膜部上的第一位移电极；以及固定至与所述第一位移电极相对的位置处的第一固定电极，并且

第二传感器由第二电容元件构成，所述第二电容元件包括：形成于所述第二下膜部上的第二位移电极；以及固定至与所述第二位移电极相对的位置处的第二固定电极。

12.根据权利要求11所述的力检测装置，其中，

所述下基板由导电材料制成，所述第一下膜部本身用作第一位移电极，并且所述第二下膜部本身用作第二位移电极。

13.根据权利要求11或12所述的力检测装置，进一步包括：

固定至所述下基板的下表面的辅助基板，其中，

在所述辅助基板的上表面上位于所述第一下膜部下方的位置处形成有第一辅助凹槽，

在所述辅助基板的上表面上位于所述第二下膜部下方的位置处形成有第二辅助凹槽，并且

在所述第一辅助凹槽的底面上形成有第一固定电极，且在所述第二辅助凹槽的底面上形成有第二固定电极。

14.一种检测在XYZ三维坐标系中的预定方向上施加的力的力检测装置，包括：

第一柱状件和第二柱状件，设置为相对于在上下方向上限定的Z轴在预定方向上倾斜；

上结构体，设置在所述第一柱状件和所述第二柱状件的上方；

下结构体，设置在所述第一柱状件和所述第二柱状件的下方；以及

检测器，基于所述第一柱状件和所述第二柱状件的位移而输出表示所施加力的电信号，其中，

所述第一柱状件的上端直接或间接接合至所述上结构体的下表面，并且所述第一柱状件的下端直接或间接接合至所述下结构体的上表面；

所述第二柱状件的上端直接或间接接合至所述上结构体的下表面，并且所述第二柱状件的下端直接或间接接合至所述下结构体的上表面；

通过向XZ平面上正交投影所述第一柱状件的中心轴线而获得的投影图像相对于Z轴在第一方向上倾斜，并且通过向XZ平面上正交投影所述第二柱状件的中心轴线而获得的投影图像相对于Z轴在与所述第一方向相对的第二方向上倾斜；

“所述下结构体”的至少一部分和“所述上结构体、所述第一柱状件、所述第二柱状件、以及它们的相互连接部分”的至少一部分具有挠性，以改变所述第一柱状件和所述第二柱状件的倾斜状态，并且在所述下结构体固定至预定位置的状态下，当对所述上结构体施加外力时，允许所述上结构体位移；并且

所述检测器包括检测所述第一柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第一传感器和检测所述第二柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第二传感器，并且所述检测器输出表示所述第一传感器的检测值与所述第二传感器的检测值之间的差的电信号作为在所述下结构体固定至预定位置的状态下在X轴方向上施加至所述上结构体的力Fx的检测值。

15.根据权利要求14所述的力检测装置，其中，

所述检测器进一步输出表示所述第一传感器的检测值和所述第二传感器的检测值之和的电信号作为在所述下结构体固定至预定位置的状态下在Z轴方向上施加至所述上结构体的力Fz的检测值。

16.根据权利要求14或15所述的力检测装置，其中，

17.根据权利要求14至16中的任一项所述的力检测装置，进一步包括：

固定在所述下结构体下方预定距离的辅助基板，其中，

所述第一传感器由第一电容元件构成，所述第一电容元件包括：形成于所述第一柱状件的下端与所述下结构体接合的位置处的第一位移电极；以及在所述辅助基板的上表面上固定至与所述第一位移电极相对的位置处的第一固定电极，并且

所述第二传感器由第二电容元件构成，所述第二电容元件包括：形成于所述第二柱状件的下端与所述下结构体接合的位置处的第二位移电极；以及在所述辅助基板的上表面上固定至与所述第二位移电极相对的位置处的第二固定电极。

18.根据权利要求17所述的力检测装置，其中，

所述下结构体由导电材料制成，所述第一柱状件的下端与所述下结构体接合所在的部分用作第一位移电极，并且所述第二柱状件的下端与所述下结构体接合所在的部分用作第二位移电极。

19.一种检测在XYZ三维坐标系中的预定方向上施加的力的力检测装置，包括：

上基板，具有平行于XY平面的基板表面；

第一至第四X轴柱状件，具有直接或间接接合至所述上基板的下表面的上端，和直接或间接接合至所述下基板的上表面的下端；

第一至第四Y轴柱状件，具有直接或间接接合至所述上基板的下表面的上端，和直接或间接接合至所述下基板的上表面的下端；以及

检测器，基于所述第一至第四X轴柱状件和所述第一至第四Y轴柱状件的位移而输出表示所施加力的电信号，其中，

所述第一至第四X轴柱状件的下端与所述下基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第一至第四X轴下膜部；

所述第一至第四Y轴柱状件的下端与所述下基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第一至第四Y轴下膜部；

所述检测器包括：检测第一X轴下膜部在Z轴方向上的位移的第一X轴传感器；检测第二X轴下膜部在Z轴方向上的位移的第二X轴传感器；检测第三X轴下膜部在Z轴方向上的位移的第三X轴传感器；检测第四X轴下膜部在Z轴方向上的位移的第四X轴传感器；检测第一Y轴下膜部在Z轴方向上的位移的第一Y轴传感器；检测第二Y轴下膜部在Z轴方向上的位移的第二Y轴传感器；检测第三Y轴下膜部在Z轴方向上的位移的第三Y轴传感器；以及检测第四Y轴下膜部在Z轴方向上的位移的第四Y轴传感器，并且所述检测器输出基于传感器的检测值而获得的电信号作为在所述下基板固定的状态下施加至所述上基板的力的检测值。

20.根据权利要求19所述的力检测装置，其中，

在所述下基板的上表面或下表面上形成有第一至第四X轴下凹槽和第一至第四Y轴下凹槽，所述第一至第四X轴下凹槽的底部形成第一至第四X轴下膜部，并且所述第一至第四Y轴下凹槽的底部形成第一至第四Y轴下膜部。

21.根据权利要求19所述的力检测装置，其中，

在所述下基板的上表面或下表面上形成有下环形凹槽，并且所述下环形凹槽的底部的各部分形成第一至第四X轴下膜部和第一至第四Y轴下膜部。

22.根据权利要求20或21所述的力检测装置，其中，

每个下凹槽或所述下环形凹槽形成在所述下基板的上表面上，在每个下凹槽或所述下环形凹槽内部设置有凸起，所述凸起从每个下凹槽或所述下环形凹槽的底面向上延伸至基板表面位置，并且每个柱状件的下端经由所述凸起接合至所述下膜部。

23.根据权利要求19所述的力检测装置，其中，

所述下基板由挠性基板形成，并且所述挠性基板的各部分形成第一至第四X轴下膜部和第一至第四Y轴下膜部。

24.根据权利要求19至23中的任一项所述的力检测装置，其中，

所述第一至第四X轴柱状件的上端与所述上基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第一至第四X轴上膜部，并且

所述第一至第四Y轴柱状件的上端与所述上基板接合所在的接合部分的附近构成具有挠性的第一至第四Y轴上膜部。

25.根据权利要求24所述的力检测装置，其中，

在所述上基板的上表面或下表面上形成有第一至第四X轴上凹槽和第一至第四Y轴上凹槽，所述第一至第四X轴上凹槽的底部形成第一至第四X轴上膜部，并且所述第一至第四Y轴上凹槽的底部形成第一至第四Y轴上膜部。

26.根据权利要求24所述的力检测装置，其中，

在所述上基板的上表面或下表面上形成有上环形凹槽，并且所述上环形凹槽的底部的各部分形成第一至第四X轴上膜部和第一至第四Y轴上膜部。

27.根据权利要求25或26所述的力检测装置，其中，

每个上凹槽或所述上环形凹槽形成在所述上基板的下表面上，在每个上凹槽或所述上环形凹槽内部设置有凸起，所述凸起从每个上凹槽或所述上环形凹槽的底面向下延伸至基板表面位置，并且每个柱状件的上端经由所述凸起接合至所述上膜部。

28.根据权利要求24所述的力检测装置，其中，

所述上基板由挠性基板形成，并且所述挠性基板的各部分形成第一至第四X轴上膜部和第一至第四Y轴上膜部。

29.根据权利要求28所述的力检测装置，其中，一连结件牢固地固定于所述上基板的上表面上的除了所述第一至第四X轴上膜部和所述第一至第四Y轴上膜部以外的预定位置，并且在所述连结件上方接合有用于接收作为检测目标的力的力接收器。

30.根据权利要求23、28或29所述的力检测装置，其中，

当在所述挠性基板上限定以下四个区域时：包括第一X轴上/下膜部和第二X轴上/下膜部的区域、包括第三X轴上/下膜部和第四X轴上/下膜部的区域、包括第一Y轴上/下膜部和第二Y轴上/下膜部的区域、以及包括第三Y轴上/下膜部和第四Y轴上/下膜部的区域，沿着这四个区域的边界，从所述挠性基板的外围朝着中心部分形成有狭缝。

31.一种检测在XYZ三维坐标系中的预定方向上施加的力的力检测装置，包括：

上结构体，在平行于XY平面的平面上扩展；

下结构体，在平行于XY平面的平面上扩展并且设置在所述上结构体的下方；

第一至第四X轴柱状件，具有直接或间接接合至所述上结构体的下表面的上端，和直接或间接接合至所述下结构体的上表面的下端；

第一至第四Y轴柱状件，具有直接或间接接合至所述上结构体的下表面的上端，和直接或间接接合至所述下结构体的上表面的下端；以及

所述检测器包括：检测所述第一X轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第一X轴传感器；检测所述第二X轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第二X轴传感器；检测所述第三X轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第三X轴传感器；检测所述第四X轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第四X轴传感器；检测所述第一Y轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第一Y轴传感器；检测所述第二Y轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第二Y轴传感器；检测所述第三Y轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第三Y轴传感器；以及检测所述第四Y轴柱状件的下端在Z轴方向上的位移的第四Y轴传感器，并且所述检测器输出基于传感器的检测值而获得的电信号作为在所述下结构体固定至预定位置的状态下施加至所述上结构体的力的检测值。

32.根据权利要求31所述的力检测装置，其中，

所述下结构体包括位于Z轴上的中心部、以及具有挠性的八个分支部，这些分支部分别从中心部延伸至与所述第一至第四X轴柱状件的下端连接的连接位置和与所述第一至第四Y轴柱状件的下端连接的连接位置。

33.根据权利要求19至32中的任一项所述的力检测装置，其中，

第一X轴柱状件向XY平面上的正交投影图像和第一Y轴柱状件向XY平面上的正交投影图像均位于XY坐标系的第一象限中，

第三X轴柱状件向XY平面上的正交投影图像和第二Y轴柱状件向XY平面上的正交投影图像均位于XY坐标系的第二象限中，

第四X轴柱状件向XY平面上的正交投影图像和第四Y轴柱状件向XY平面上的正交投影图像均位于XY坐标系的第三象限中，并且

第二X轴柱状件向XY平面上的正交投影图像和第三Y轴柱状件向XY平面上的正交投影图像均位于XY坐标系的第四象限中。

34.根据权利要求33所述的力检测装置，其中，

35.根据权利要求34所述的力检测装置，其中，

所述检测器输出：

信号值V(Fx)^*，与“所述第一Y轴传感器的检测值与所述第二Y轴传感器的检测值之间的差”和“所述第三Y轴传感器的检测值与所述第四Y轴传感器的检测值之间的差”之和相对应，作为在X轴方向上施加的力Fx的检测值；以及

信号值V(Fy)^*，与“所述第一X轴传感器的检测值与所述第二X轴传感器的检测值之间的差”和“所述第三X轴传感器的检测值与所述第四X轴传感器的检测值之间的差”之和相对应，作为在Y轴方向上施加的力Fy的检测值。

36.根据权利要求35所述的力检测装置，其中，

所述检测器进一步输出：

信号值V(Mx)，与“所述第三Y轴传感器的检测值和所述第四Y轴传感器的检测值之和”和“所述第一Y轴传感器的检测值和所述第二Y轴传感器的检测值之和”之间的差相对应，作为围绕X轴施加的力矩Mx的检测值；以及

信号值V(My)，与“所述第一X轴传感器的检测值和所述第二X轴传感器的检测值之和”和“所述第三X轴传感器的检测值和所述第四X轴传感器的检测值之和”之间的差相对应，作为围绕Y轴施加的力矩My的检测值。

37.根据权利要求34所述的力检测装置，其中，

所述检测器输出：

信号值V(My)，与“所述第一X轴传感器的检测值和所述第二X轴传感器的检测值之和”与“所述第三X轴传感器的检测值和所述第四X轴传感器的检测值之和”之间的差相对应，作为围绕Y轴施加的力矩My的检测值。

38.根据权利要求37所述的力检测装置，其中，

所述检测器进一步计算：

信号值V(Fx)^*，与“所述第一Y轴传感器的检测值与所述第二Y轴传感器的检测值之间的差”和“所述第三Y轴传感器的检测值与所述第四Y轴传感器的检测值之间的差”之和相对应；以及

信号值V(Fy)^*，与“所述第一X轴传感器的检测值与所述第二X轴传感器的检测值之间的差”和“所述第三X轴传感器的检测值与所述第四X轴传感器的检测值之间的差”之和相对应，并且

通过使用预定系数k1至k4，输出：

信号值V(Fx)，与根据表达式“V(Fx)^*-k2/k1·V(My)”获得的值相对应，作为在X轴方向上施加的力Fx的检测值；以及

信号值V(Fy)，与根据表达式“V(Fy)^*-k4/k3·V(Mx)”获得的值相对应，作为在Y轴方向上施加的力Fy的检测值。

39.根据权利要求35至38中的任一项所述的力检测装置，其中，所述检测器进一步输出：

信号值V(Fz)，与“第一至第四X轴传感器的检测值之和”、“第一至第四Y轴传感器的检测值之和”、或“第一至第四X轴传感器的检测值之和与第一至第四Y轴传感器的检测值之和的总和”相对应，作为在Z轴方向上施加的力Fz的检测值。

40.根据权利要求35至39中的任一项所述的力检测装置，其中，

所述检测器进一步输出：

信号值V(Mz)，与“所述第一X轴传感器的检测值与所述第二X轴传感器的检测值之间的差”、“所述第四X轴传感器的检测值与所述第三X轴传感器的检测值之间的差”、“所述第二Y轴传感器的检测值与所述第一Y轴传感器的检测值之间的差”、和“所述第三Y轴传感器的检测值与所述第四Y轴传感器的检测值之间的差”之和相对应，作为围绕Z轴施加的力矩Mz的检测值。

41.根据权利要求19至40中的任一项所述的力检测装置，其中，

每个传感器由电容元件构成，所述电容元件包括：形成于所述下膜部或所述下结构体上的位移电极；以及固定至与所述位移电极相对的位置处的固定电极。

42.根据权利要求19至30中的任一项所述的力检测装置，其中，

所述第一X轴传感器由第一X轴电容元件构成，所述第一X轴电容元件包括：形成于所述第一X轴下膜部上的第一X轴位移电极；以及固定至与所述第一X轴位移电极相对的位置处的第一X轴固定电极，

所述第二X轴传感器由第二X轴电容元件构成，所述第二X轴电容元件包括：形成于所述第二X轴下膜部上的第二X轴位移电极；以及固定至与所述第二X轴位移电极相对的位置处的第二X轴固定电极，

所述第三X轴传感器由第三X轴电容元件构成，所述第三X轴电容元件包括：形成于所述第三X轴下膜部上的第三X轴位移电极；以及固定至与所述第三X轴位移电极相对的位置处的第三X轴固定电极，

所述第四X轴传感器由第四X轴电容元件构成，所述第四X轴电容元件包括：形成于所述第四X轴下膜部上的第四X轴位移电极；以及固定至与所述第四X轴位移电极相对的位置处的第四X轴固定电极，

所述第一Y轴传感器由第一Y轴电容元件构成，所述第一Y轴电容元件包括：形成于所述第一Y轴下膜部上的第一Y轴位移电极；以及固定至与所述第一Y轴位移电极相对的位置处的第一Y轴固定电极，

所述第二Y轴传感器由第二Y轴电容元件构成，所述第二Y轴电容元件包括：形成于所述第二Y轴下膜部上的第二Y轴位移电极；以及固定至与所述第二Y轴位移电极相对的位置处的第二Y轴固定电极，

所述第三Y轴传感器由第三Y轴电容元件构成，所述第三Y轴电容元件包括：形成于所述第三Y轴下膜部上的第三Y轴位移电极；以及固定至与所述第三Y轴位移电极相对的位置处的第三Y轴固定电极，

所述第四Y轴传感器由第四Y轴电容元件构成，所述第四Y轴电容元件包括：形成于所述第四Y轴下膜部上的第四Y轴位移电极；以及固定至与所述第四Y轴位移电极相对的位置处的第四Y轴固定电极，并且

所述检测器输出基于以下值而获得的电信号作为检测值：所述第一X轴电容元件的静态电容波动值Cx1、所述第二X轴电容元件的静态电容波动值Cx2、所述第三X轴电容元件的静态电容波动值Cx3、所述第四X轴电容元件的静态电容波动值Cx4、所述第一Y轴电容元件的静态电容波动值Cy1、所述第二Y轴电容元件的静态电容波动值Cy2、所述第三Y轴电容元件的静态电容波动值Cy3、所述第四Y轴电容元件的静态电容波动值Cy4。

43.根据权利要求42所述的力检测装置，其中，

所述下基板由导电材料制成，并且所述第一至第四X轴下膜部本身分别用作第一至第四X轴位移电极，且所述第一至第四Y轴下膜部本身分别用作第一至第四Y轴位移电极。

44.根据权利要求42或43所述的力检测装置，进一步包括：

牢固地固定至所述下基板的下表面的辅助基板，其中，

在所述辅助基板的上表面上位于所述第一至第四X轴下膜部下方的位置形成有第一至第四X轴辅助凹槽，并且在所述辅助基板的上表面上位于所述第一至第四Y轴下膜部下方的位置形成有第一至第四Y轴辅助凹槽，并且

在所述第一至第四X轴辅助凹槽的底面上形成有第一至第四X轴固定电极，并且在所述第一至第四Y轴辅助凹槽的底面上形成有第一至第四Y轴固定电极。

45.根据权利要求42或43所述的力检测装置，进一步包括：

牢固地固定至所述下基板的下表面的辅助基板，其中，

在所述辅助基板的上表面上形成有环形辅助凹槽，所述环形辅助凹槽将所述第一至第四X轴下膜部下方的位置和所述第一至第四Y轴下膜部下方的位置连结，并且在所述环形辅助凹槽的底面上形成第一至第四X轴固定电极和第一至第四Y轴固定电极。

46.根据权利要求42或43所述的力检测装置，其中，

一间隔件牢固地固定于所述下基板的下表面上的除了所述第一至第四X轴下膜部和所述第一至第四Y轴下膜部以外的预定位置，一辅助基板牢固地固定在所述间隔件的下方，并且在所述辅助基板的上表面上形成第一至第四X轴固定电极和第一至第四Y轴固定电极。

47.根据权利要求32所述的力检测装置，进一步包括：

固定在所述下结构体下方预定距离的辅助基板，其中，

所述第一X轴传感器由第一X轴电容元件构成，所述第一X轴电容元件包括：第一X轴位移电极，形成于延伸至与所述第一X轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上；以及第一X轴固定电极，在所述辅助基板的上表面上固定至与所述第一X轴位移电极相对的位置处，

所述第二X轴传感器由第二X轴电容元件构成，所述第二X轴电容元件包括：第二X轴位移电极，形成于延伸至与所述第二X轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上；以及第二X轴固定电极，在所述辅助基板的上表面上固定至与所述第二X轴位移电极相对的位置处，

所述第三X轴传感器由第三X轴电容元件构成，所述第三X轴电容元件包括：第三X轴位移电极，形成于延伸至与所述第三X轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上；以及第三X轴固定电极，在所述辅助基板的上表面上固定至与所述第三X轴位移电极相对的位置处，

所述第四X轴传感器由第四X轴电容元件构成，所述第四X轴电容元件包括：第四X轴位移电极，形成于延伸至与所述第四X轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上；以及第四X轴固定电极，在所述辅助基板的上表面上固定至与所述第四X轴位移电极相对的位置处，

所述第一Y轴传感器由第一Y轴电容元件构成，所述第一Y轴电容元件包括：第一Y轴位移电极，形成于延伸至与所述第一Y轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上；以及第一Y轴固定电极，在所述辅助基板的上表面上固定至与所述第一Y轴位移电极相对的位置处，

所述第二Y轴传感器由第二Y轴电容元件构成，所述第二Y轴电容元件包括：第二Y轴位移电极，形成于延伸至与所述第二Y轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上；以及第二Y轴固定电极，在所述辅助基板的上表面上固定至与所述第二Y轴位移电极相对的位置处，

所述第三Y轴传感器由第三Y轴电容元件构成，所述第三Y轴电容元件包括：第三Y轴位移电极，形成于延伸至与所述第三Y轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上；以及第三Y轴固定电极，在所述辅助基板的上表面上固定至与所述第三Y轴位移电极相对的位置处，

所述第四Y轴传感器由第四Y轴电容元件构成，所述第四Y轴电容元件包括：第四Y轴位移电极，形成于延伸至与所述第四Y轴柱状件的下端连接的连接位置的分支部上；以及第四Y轴固定电极，在所述辅助基板的上表面上固定至与所述第四Y轴位移电极相对的位置处，并且

48.根据权利要求47所述的力检测装置，其中，

所述下结构体由导电材料制成，并且所述分支部本身分别用作第一至第四X轴位移电极和第一至第四Y轴位移电极。

49.根据权利要求48所述的力检测装置，其中，

在所述辅助基板的上表面上与所述分支部的末端部相对的位置处设置与所述固定电极电绝缘的接触判定电极，以基于所述分支部的末端部与所述接触判定电极之间的电连续状态判定所述分支部的末端部与所述接触判定电极是否彼此物理接触。

50.根据权利要求49所述的力检测装置，其中，

在与一分支部的末端部相对的位置处设置有彼此绝缘的一对接触判定电极，以基于这对接触判定电极之间的电连续状态判定所述分支部的末端部与这对接触判定电极是否彼此物理接触。

51.根据权利要求48所述的力检测装置，其中，

在所述辅助基板的上表面上连结与各分支部的末端部相对的位置的一环形区域中，设置有与所述固定电极电绝缘的接触判定环形电极，以基于分支部的末端部与所述接触判定环形电极之间的电连续状态判定分支部的末端部与所述接触判定环形电极是否彼此物理接触。

52.根据权利要求51所述的力检测装置，其中，

在所述环形区域中，设置有彼此绝缘且彼此同心的一对接触判定环形电极，以基于这对接触判定环形电极之间的电连续状态判定所述分支部的末端部与这对接触判定环形电极是否彼此物理接触。

53.根据权利要求49至52中的任一项所述的力检测装置，其中，

由所述接触判定电极或所述接触判定环形电极与所述分支部之间的物理接触形成的导电路径构成将每个位移电极与所述检测器电连接的接线路径。

54.根据权利要求42至53中的任一项所述的力检测装置，其中，

第二X轴柱状件向XY平面上的正交投影图像和第三Y轴柱状件向XY平面上的正交投影图像均位于XY坐标系的第四象限中，

由“第一至第四X轴柱状件”、“第一至第四Y轴柱状件”、“所述上基板或所述上结构体”、以及“所述下基板或所述下结构体”构成的主结构体关于XZ平面对称，并且关于YZ平面也对称。

55.根据权利要求54所述的力检测装置，其中，

所述检测器输出：

信号值V(Fx)^*，与根据表达式“(Cy1-Cy2)+(Cy3-Cy4)”获得的值相对应，作为在X轴方向上施加的力Fx的检测值；以及

信号值V(Fy)^*，与根据表达式“(Cx1-Cx2)+(Cx3-Cx4)”获得的值相对应，作为在Y轴方向上施加的力Fy的检测值。

56.根据权利要求55所述的力检测装置，其中，

所述检测器进一步输出：

信号值V(Mx)，与根据表达式“(Cy3+Cy4)-(Cy1+Cy2)”获得的值相对应，作为围绕X轴施加的力矩Mx的检测值；以及

信号值V(My)，与根据表达式“(Cx1+Cx2)-(Cx3+Cx4)”获得的值相对应，作为围绕Y轴施加的力矩My的检测值。

57.根据权利要求54所述的力检测装置，其中，

所述检测器输出：

信号值V(My)，与根据表达式“(Cx 1+Cx2)-(Cx3+Cx4)”获得的值相对应，作为围绕Y轴施加的力矩My的检测值。

58.根据权利要求57所述的力检测装置，其中，

通过使用预定系数k1至k4，所述检测器进一步输出：

信号值V(Fx)，与根据表达式“(Cy1-Cy2)+(Cy3-Cy4)-k2/k1·V(My)”获得的值相对应，作为在X轴方向上施加的力Fx的检测值；以及

信号值V(Fy)，与根据表达式“(Cx1-Cx2)+(Cx3-Cx4)-k4/k3·V(Mx)”获得的值相对应，作为在Y轴方向上施加的力Fy的检测值。

59.根据权利要求55至58中的任一项所述的力检测装置，其中，

检测器进一步输出信号值V(Fz)，其与根据表达式：

“-(Cx1+Cx2+Cx3+Cx4+Cy1+Cy2+Cy3+Cy4)”或

“-(Cx1+Cx2+Cx3+Cx4)”或

60.根据权利要求55至59中的任一项所述的力检测装置，其中，

所述检测器进一步输出：

信号值V(Mz)，与根据表达式“(Cx1-Cx2)+(Cx4-Cx3)+(Cy2-Cy1)+(Cy3-Cy4)”获得的值相对应，作为围绕Z轴方向施加的力矩Mz的检测值。

61.根据权利要求1至60中的一项所述的力检测装置，其中，

62.根据权利要求61所述的力检测装置，其中，

在柱状件的一部分上形成具有挠性的收缩部，从而当施加外力时，柱状件根据所述收缩部的变形而弯曲。

63.根据权利要求61所述的力检测装置，其中，