JP4271475B2 - 力検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットや産業機械の動作制御を行うために、種々のタイプの力検出装置が利用されている。また、電子機器の入力装置のマン・マシンインターフェイスとしても、小型の力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】
現在、一般に利用されている多軸力検出装置は、三次元構造体に作用した力の特定の方向成分を、特定の部分に生じた変位として検出するタイプのものと、特定の部分に生じた機械的な歪みとして検出するタイプのものに分類される。前者の変位検出タイプの代表格は、容量素子式の力検出装置であり、一対の電極により容量素子を構成しておき、作用した力によって一方の電極に生じた変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出するものである。たとえば、下記の特許文献１には、この静電容量式の力検出装置が開示されている。一方、後者の歪み検出タイプの代表格は、歪みゲージ式の力検出装置であり、作用した力によって生じた機械的な歪みを、ゲージ抵抗などの電気抵抗の変化として検出するものである。たとえば、下記の特許文献２には、この歪みゲージ式の力検出装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２１５６２７号公報
【特許文献２】
特開昭６１−２９２０２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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。しかしながら、これらの各成分をそれぞれ独立して検出するためには、従来は、変位検出タイプのものであれ、歪み検出タイプのものであれ、かなり複雑な三次元構造体をもった力検出装置を用いる必要があった。
【０００６】
そこで本発明は、できるたけ単純な構造により、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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明の第１の態様は、力検出装置において、
ＸＹＺ三次元座標系においてＸＹ平面に平行な上面を有する基板と、
Ｘ軸の正の部分と交差する平面に沿うように配置され、基板上に変位可能となるように支持された第１の変位板と、
Ｘ軸の負の部分と交差する平面に沿うように配置され、基板上に変位可能となるように支持された第２の変位板と、
Ｚ軸と第１の変位板との間に配置され、基板上に固定された第１の固定板と、
Ｚ軸と第２の変位板との間に配置され、基板上に固定された第２の固定板と、
第１の固定板の上辺付近と第２の固定板の上辺付近との間に架かる平面に沿うように配置され、基板上に固定された固定天板と、
固定天板の上方に配置され、基板に対して変位可能となるように支持され、第１の変位板の上辺および第２の変位板の上辺に対して、ＸＹ平面に沿った方向の力を伝達する変位天板と、
検出対象となる力を受けるために、変位天板の上方のＺ軸上に配置された受力体と、
受力体と変位天板とを接続するようにＺ軸に沿って配置された連結体と、
第１の変位板と第１の固定板との距離を検出する第１のＸ軸距離センサと、
第２の変位板と第２の固定板との距離を検出する第２のＸ軸距離センサと、
変位天板の固定天板に対する傾斜度を検出する傾斜度センサと、
変位天板の固定天板に対するＺ軸まわりの回転角を検出する回転角センサと、
第１のＸ軸距離センサの検出値と第２のＸ軸距離センサの検出値との差に基づいて、受力体に作用したＸ軸方向の力Ｆｘを検出し、傾斜度センサのＸ軸方向に関する傾斜度の検出値に基づいて、受力体に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙを検出し、回転角センサの検出値に基づいて、受力体に作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚを検出する検出処理部と、
を設けるようにしたものである。
【０００８】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る力検出装置において、
Ｙ軸の正の部分と交差する平面に沿うように配置され、基板上に変位可能となるように支持された第３の変位板と、
Ｙ軸の負の部分と交差する平面に沿うように配置され、基板上に変位可能となるように支持された第４の変位板と、
Ｚ軸と第３の変位板との間に配置され、基板上に固定された第３の固定板と、
Ｚ軸と第４の変位板との間に配置され、基板上に固定された第４の固定板と、
第３の変位板と第３の固定板との距離を検出する第１のＹ軸距離センサと、
第４の変位板と第４の固定板との距離を検出する第２のＹ軸距離センサと、
を更に設け、
検出処理部が、第１のＹ軸距離センサの検出値と第２のＹ軸距離センサの検出値との差に基づいて、受力体に作用したＹ軸方向の力Ｆｙを検出し、傾斜度センサのＹ軸方向に関する傾斜度の検出値に基づいて、受力体に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘを検出するようにしたものである。
【０００９】
(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る力検出装置において、
変位天板と固定天板との距離を検出するＺ軸距離センサを更に設け、
検出処理部が、Ｚ軸距離センサの検出値に基づいて、受力体に作用したＺ軸方向の力Ｆｚを検出するようにしたものである。
【００１１】
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１〜第３の態様に係る力検出装置において、
固定板の変位板に対する対向面に固定電極を形成し、変位板の固定板に対する対向面に変位電極を形成し、互いに対向する固定電極と変位電極とからなる容量素子によって、固定板と変位板との距離を検出する距離センサを構成し、容量素子の静電容量値に基づいて距離の検出ができるようにしたものである。
【００１２】
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１の態様に係る力検出装置において、
固定天板の上面にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に第１の固定電極を形成し、Ｘ軸の負の部分の投影像上に第２の固定電極を形成し、
変位天板の下面における、第１の固定電極に対向する位置に第１の変位電極を形成し、第２の固定電極に対向する位置に第２の変位電極を形成し、
第１の固定電極と第１の変位電極とによって第１の容量素子を構成し、第２の固定電極と第２の変位電極とによって第２の容量素子を構成し、これら２組の容量素子を傾斜度センサとして用い、第１の容量素子の静電容量値と第２の容量素子の静電容量値との差に基づいてＸ軸方向に関する傾斜度を検出するようにしたものである。
【００１３】
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第２の態様に係る力検出装置において、
固定天板の上面にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に第１の固定電極を形成し、Ｘ軸の負の部分の投影像上に第２の固定電極を形成し、Ｙ軸の正の部分の投影像上に第３の固定電極を形成し、Ｙ軸の負の部分の投影像上に第４の固定電極を形成し、
変位天板の下面における、第１の固定電極に対向する位置に第１の変位電極を形成し、第２の固定電極に対向する位置に第２の変位電極を形成し、第３の固定電極に対向する位置に第３の変位電極を形成し、第４の固定電極に対向する位置に第４の変位電極を形成し、
第１の固定電極と第１の変位電極とによって第１の容量素子を構成し、第２の固定電極と第２の変位電極とによって第２の容量素子を構成し、第３の固定電極と第３の変位電極とによって第３の容量素子を構成し、第４の固定電極と第４の変位電極とによって第４の容量素子を構成し、これら４組の容量素子を傾斜度センサとして用い、第１の容量素子の静電容量値と第２の容量素子の静電容量値との差に基づいてＸ軸方向に関する傾斜度を検出し、第３の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との差に基づいてＹ軸方向に関する傾斜度を検出するようにしたものである。
【００１４】
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第４〜第６の態様に係る力検出装置において、
一対の容量素子を構成する固定電極と変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも広く設定し、変位電極が面方向へ所定範囲内の変位を生じた場合にも、静電容量値が変化しないようにしたものである。
【００１５】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第７の態様に係る力検出装置において、
固定板／固定天板もしくは変位板／変位天板を導電性材料によって構成し、固定板／固定天板自身もしくは変位板／変位天板自身を固定電極もしくは変位電極として用いるようにしたものである。
【００１６】
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第７の態様に係る力検出装置において、
導電性材料からなる変位天板と複数の変位板とを互いに接続することにより箱状構造体を形成し、この箱状構造体を単一の共通変位電極として用いるようにしたものである。
【００１７】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第１の態様に係る力検出装置において、
固定天板の上面に固定電極を形成し、変位天板の下面に変位電極を形成し、互いに対向する固定電極と変位電極とからなる容量素子によって、変位天板の固定天板に対するＺ軸まわりの回転角を検出する回転角センサを構成し、容量素子の静電容量値に基づいて回転角の検出ができるようにしたものである。
【００１８】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第１０の態様に係る力検出装置において、
変位電極を、固定電極に対向する位置に対して所定の回転方向にオフセットした位置に配置し、容量素子の静電容量値の増減に基づいて、回転角とともに回転方向の検出ができるようにしたものである。
【００１９】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第１１の態様に係る力検出装置において、
固定天板の上面にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に第１の固定電極を形成し、Ｘ軸の負の部分の投影像上に第２の固定電極を形成し、Ｙ軸の正の部分の投影像上に第３の固定電極を形成し、Ｙ軸の負の部分の投影像上に第４の固定電極を形成し、
変位天板の下面における、第１の固定電極に対向する位置に対して所定の回転方向にオフセットした位置に第１の変位電極を形成し、第２の固定電極に対向する位置に対して回転方向にオフセットした位置に第２の変位電極を形成し、第３の固定電極に対向する位置に対して回転方向にオフセットした位置に第３の変位電極を形成し、第４の固定電極に対向する位置に対して回転方向にオフセットした位置に第４の変位電極を形成し、
第１の固定電極と第１の変位電極とによって第１の容量素子を構成し、第２の固定電極と第２の変位電極とによって第２の容量素子を構成し、第３の固定電極と第３の変位電極とによって第３の容量素子を構成し、第４の固定電極と第４の変位電極とによって第４の容量素子を構成し、これら４組の容量素子の静電容量値の和の増減に基づいて、回転角とともに回転方向の検出ができるようにしたものである。
【００２０】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１〜１２の態様に係る力検出装置において、
底面が開口部となった直方体をなし、外力の作用により弾性変形を生じる材料から構成される外側箱状構造体を、底面が基板上に載置されるように接合し、外側箱状構造体の側面板もしくはその一部を変位板として用い、外側箱状構造体の上面板もしくはその一部を変位天板として用いるようにしたものである。
【００２１】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第１３の態様に係る力検出装置において、
外側箱状構造体の側面板に、上方に開いたＵ字状のスリットを形成し、このスリットで囲まれた部分を変位板として用いるようにしたものである。
【００２２】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述の第１４の態様に係る力検出装置において、
外側箱状構造体の４つの側面板に、それぞれ上方に開いたＵ字状のスリットを形成し、互いに隣接する２つの側面板が交差する辺を支柱として、合計４本の支柱により外側箱状構造体の上面板を支持する構造とし、この４本の支柱部分の弾性変形により、外側箱状構造体が変形するようにしたものである。
【００２３】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述の第１３〜第１５の態様に係る力検出装置において、
外側箱状構造体より小さな直方体をなす内側箱状構造体を、外側箱状構造体に収容した状態で基板上に接合し、この内側箱状構造体の側面板および上面板を固定板および固定天板として用いるようにしたものである。
【００２４】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述の第１〜第１２の態様に係る力検出装置において、
外力の作用により弾性変形を生じる材料から構成され、基板上に立てて接合された４本の支柱と、
これら４本の支柱の上端に４隅が接合された上面板と、
を設け、
互いに隣接する一対の支柱の間に変位板を配置し、この変位板の上辺を上面板の一辺に接合して支持するようにし、上面板もしくはその一部を変位天板として用いるようにしたものである。
【００２５】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述の第１３〜第１７の態様に係る力検出装置において、
上面板にスリットを形成することにより、上面板を、中央に位置する変位天板と、その周囲に位置する周囲部と、変位天板と周囲部とを接続する可撓性をもったビームと、に分割し、ビームの撓みにより、変位天板が周囲部に対して変位するようにし、周囲部が外側箱状構造体の側面板もしくは支柱を介して基板に接続されるようにしたものである。
【００２６】
(19) 本発明の第１９の態様は、上述の第１８の態様に係る力検出装置において、
上面板にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に位置する第１の翼状部と、Ｘ軸の負の部分の投影像上に位置する第２の翼状部と、Ｙ軸の正の部分の投影像上に位置する第３の翼状部と、Ｙ軸の負の部分の投影像上に位置する第４の翼状部と、原点Ｏの投影像上に位置し第１〜第４の翼状部の内側部分に接続している中心部と、によって、扇風機の羽根状をした変位天板を構成し、
互いに隣接する２つの翼状部の間に１本のビームを配置することにより、中心部が４本のビームにより支持されるようにし、
４本のビームの内側端は中心部に接続され、外側端は周囲部に接続され、中心部の上面には連結体が接続されているようにしたものである。
【００２７】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述の第１９の態様に係る力検出装置において、
個々のビームを、主面が水平方向を向いた水平ビームと、主面が垂直方向を向いた垂直ビームと、水平ビームと垂直ビームとを連結する中間ジョイントと、によって構成し、水平方向への撓みと垂直方向への撓みの双方が生じやすい構造としたものである。
【００２８】
(21) 本発明の第２１の態様は、上述の第１〜第２０の態様に係る力検出装置において、
受力体の基板に対する変位を所定範囲内に制限するために、受力体が所定範囲を越えて変位しようとしたときに、受力体に接触して変位を妨げる制御面を有する制御部材を設けるようにしたものである。
【００２９】
(22) 本発明の第２２の態様は、上述の第２１の態様に係る力検出装置において、
受力体と制御部材との少なくとも接触に関与する部分を導電性材料により構成し、両者の接触状態を電気的な導通状態に基づいて検知する接触検知回路を更に設けるようにしたものである。
【００３０】
(23) 本発明の第２３の態様は、上述の第２２の態様に係る力検出装置において、
制御部材の制御面の近傍もしくは受力体の制御面に対向する対向面の近傍に空洞部を形成し、この空洞部が形成された表層部分が可撓性をもった肉薄部を構成するようにし、この肉薄部の表面に導電性の接触突起を設け、対向面と制御面との接触が生じる前に、接触突起と対向面もしくは制御面とが接触することにより電気的な導通状態の検知が行われるようにしたものである。
【００３１】
(24) 本発明の第２４の態様は、上述の第２２の態様に係る力検出装置において、
制御部材の制御面もしくは受力体の制御面に対する対向面に、先端部分が可塑変形を生じる導電性の錐状突起を設けるようにしたものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示するいくつかの実施形態に基づいて説明する。
＜＜＜ §１． 基本的な実施形態の構造 ＞＞＞
【００３３】
はじめに、本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の構造を、図１〜図７を参照して説明する。図１は、この力検出装置の側面図である。この力検出装置の外観における大きな構成要素は、図示のとおり、上から順に、受力体１１０、連結体１２０、上面板１３０、側面板１４０、台座１５０、基板２００である。以下、便宜上、上面板１３０、側面板１４０、台座１５０によって構成される箱形の構造体を外側箱状構造体１００と呼ぶことにする。なお、検出処理部２５０は、この図では、ブロック図として描かれているが、実際には、後述する検出原理に基づく検出を行うためのアナログもしくはデジタル演算回路によって構成されている。
【００３４】
ここでは、説明の便宜上、受力体１１０の中心部に原点Ｏ、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸、図の紙面に対して垂直で裏側へと向かう方向にＹ軸、をそれぞれとり、ＸＹＺ三次元座標系を定義する。基板２００の上面は、ＸＹ平面に平行な面になる。ここに示す力検出装置は、この座標系において、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの５成分を独立して検出することが可能である。§３では、更に、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを含めた６成分を検出可能な実施形態を説明する。
【００３５】
なお、本願では、「力」という文言は、特定の座標軸方向の力を意味する場合と、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。また、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。
【００３６】
図２は、この力検出装置をＸＺ平面で切断した側断面図である。受力体１１０の中心位置に座標系の原点Ｏが示されている。図示のとおり、外側箱状構造体１００は、底面が開口部となった中空の直方体の箱である。図１では、この外側箱状構造体１００を、上面板１３０、側面板１４０、台座１５０の３つの構成要素として示したが、実際には、側面板１４０は合計４枚存在する。以下、この４枚の側面板１４０を個別に参照するときには、第１の側面板１４１〜第４の側面板１４４と呼ぶことにする。台座１５０は、この外側箱状構造体１００を基板２００の上面に変位可能となるように支持するために設けたものであり、この力検出装置の動作に本質的な役割を果たすものではないが、実用上は設けるのが好ましい。外側箱状構造体１００の内部には、ひとまわり小さな内側箱状構造体３００が収容されている。この内側箱状構造体３００も、底面が開口部となった中空の直方体の箱となっており、１枚の上面板３３０と４枚の側面板３４１〜３４４とによって構成されている。
【００３７】
図３は、この力検出装置の上面図である。図示のとおり、この実施形態では、受力体１１０は円盤状の部材となっており、その下面中央部には、破線で示すとおり、円柱状の連結体１２０が接合されている。この円柱状の連結体１２０は、その中心にＺ軸が通っており、上端が受力体１１０の下面中央部に接続され、下端が上面板１３０の上面中央部に接続されている。上面板１３０は、正方形状の板であり、外側箱状構造体１００の上面を構成する。外側箱状構造体１００は、Ｚ軸を中心として配置されており、図に破線で示すとおり、Ｘ軸の正の領域上には第１の側面板１４１が位置し、Ｘ軸の負の領域上には第２の側面板１４２が位置し、Ｙ軸の正の領域上には第３の側面板１４３が位置し、Ｙ軸の負の領域上には第４の側面板１４４が位置している。第１の側面板１４１および第２の側面板１４２はＹＺ平面に平行であり、第３の側面板１４３および第４の側面板１４４はＸＺ平面に平行である。台座１５０は、各側面板１４１〜１４４の下辺の周囲を取り囲むフレーム構造をなし、底面が基板２００の上面に接合される。
【００３８】
図２の側断面図に示されているとおり、受力体１１０、連結体１２０、外側箱状構造体１００（上面板１３０、第１の側面板１４１〜第４の側面板１４４、台座１５０）は、同一の材質からなる一体構造をなし、この基本的な実施形態の場合、絶縁性材料によって構成されている。同様に、内側箱状構造体３００を構成する上面板３３０と第１の側面板３４１〜第４の側面板３４４も、同一の材質からなる一体構造をなし、この基本的な実施形態の場合、絶縁性材料によって構成されている。また、基板２００も絶縁性材料からなる基板である。もっとも、実用上は、§４で述べるとおり、受力体１１０、連結体１２０、外側箱状構造体１００は、金属などの導電性材料で構成するのが好ましい。
【００３９】
受力体１１０は、検出対象となる力を受けるために、上面板１３０の上方のＺ軸上に配置された構成要素である。この力検出装置は、この受力体１１０に作用した外力を検出する機能を有している。この受力体１１０に作用した力は、連結体１２０によって上面板１３０に伝達され、その結果、外側箱状構造体１００が変形を生じることになる。この力検出装置では、この外側箱状構造体１００の変形形態を認識することにより、受力体１１０に作用した外力の検出を行う。そのため、外側箱状構造体１００は、外力の作用により弾性変形を生じる可撓性をもった材質によって構成する必要がある。もっとも、側面板や上面板の厚みをある程度小さくすれば、多くの材料で弾性変形が生じるので、材料の選択に困難が生じることはない。
【００４０】
結局、外側箱状構造体１００を構成する上面板１３０および各側面板１４１〜１４４は、受力体１１０から伝達される外力により変位を生じることになる。そこで、以下、このような機能に着目して、各側面板１４１〜１４４を「変位板１４１〜１４４」と呼び、上面板１３０を「変位天板１３０」と呼ぶことにする。一方、内側箱状構造体３００を構成する上面板３３０および各側面板３４１〜３４４には、受力体１１０からの外力が作用しないので、基板２００に固定されたままの状態となる。そこで、以下、各側面板３４１〜３４４を「固定板３４１〜３４４」と呼び、上面板３３０を「固定天板３３０」と呼ぶことにする。
【００４１】
図２の側断面図にその一部分が示されているとおり、内側箱状構造体３００の外側面と外側箱状構造体１００の内側面には、複数の電極Ｅ１〜Ｅ９，Ｆ１〜Ｆ９が形成されている。ここでは、内側箱状構造体３００の外側面に形成された電極Ｅ１〜Ｅ９を固定電極と呼び、外側箱状構造体１００の内側面に形成された電極Ｆ１〜Ｆ９を変位電極と呼ぶ。文字どおり、固定電極Ｅ１〜Ｅ９は、内側箱状構造体３００を介して基板２００上に固定された電極であるが、変位電極Ｆ１〜Ｆ９は、外側箱状構造体１００の変形に伴って変位を生じる電極である。変位電極Ｆ１〜Ｆ９は、それぞれ固定電極Ｅ１〜Ｅ９に対向する位置に配置されている。
【００４２】
これらの各電極の形状および配置は、図４〜図７に明瞭に示されている。図４は、図２に示す力検出装置を切断線４−４で切った横断面図であり、断面状態で示す第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４に囲まれた外側箱状構造体１００の内部が現れている。特に、内側箱状構造体３００の上面を構成する固定天板３３０上に形成された５枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ５の形状および配置が明瞭に示されている。すなわち、固定天板３３０の上面にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に第１の固定電極Ｅ１が形成され、Ｘ軸の負の部分の投影像上に第２の固定電極Ｅ２が形成され、Ｙ軸の正の部分の投影像上に第３の固定電極Ｅ３が形成され、Ｙ軸の負の部分の投影像上に第４の固定電極が形成され、原点Ｏの投影像上に第５の固定電極Ｅ５が形成されている。ここで、第１の固定電極Ｅ１〜第４の固定電極Ｅ４は、同一サイズ、同一形状の電極となっており、ＸＺ平面もしくはＹＺ平面に関して対称となる位置に配置されている。一方、第５の固定電極Ｅ５は、Ｚ軸を中心軸とする円形の電極である。
【００４３】
一方、内側箱状構造体３００の４側面には、それぞれ固定電極Ｅ６〜Ｅ９が配置されており、これらに対向する位置に、それぞれ変位電極Ｆ６〜Ｆ９が配置されている。これらの電極配置は、図５に明瞭に示されている。図５は、図２に示す力検出装置を切断線５−５で切った横断面図であり、外側箱状構造体１００の各側面を構成する第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４と、内側箱状構造体３００の各側面を構成する第１の固定板３４１〜第４の固定板３４４と、がそれぞれ断面で示されており、各変位板１４１〜１４４の内側面に形成された変位電極Ｆ６〜Ｆ９と、各固定板３４１〜３４４の外側面に形成された固定電極Ｅ６〜Ｅ９も断面で示されている。
【００４４】
図６は、図２に示す力検出装置を切断線６−６で切った縦断面図であり、図２をちょうど右方向から覗いた状態が示されている。第１の固定板３４１上に形成された第６の固定電極Ｅ６は、図示のとおり長方形の板状電極である。ここでは、便宜上、４枚の固定電極Ｅ６〜Ｅ９および４枚の変位電極Ｆ６〜Ｆ９は、いずれも同一形状、同一サイズの板状電極として説明するが、後述するように、実用上は、互いに対向する一対の電極については、相互のサイズを若干変えるようにするのが好ましい。また、この図６では、電極Ｅ１／Ｆ１，電極Ｅ８／Ｆ８，電極Ｅ９／Ｆ９がそれぞれ所定間隔をおいて対向している様子も示されている。
【００４５】
図７は、図２に示す力検出装置から外側箱状構造体１００を取り外して示した外側箱状構造体１００自身の下面図である。フレーム状の台座１５０に囲まれた空間内に、この外側箱状構造体１００の内部の状態が示されている。奥に位置する変位天板１３０の下面には、図示のとおり、５枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ５が配置されているが、これは、図４に示す５枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ５にそれぞれ対向するものである。ここでは、便宜上、５枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ５は、それぞれ５枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ５と同一形状、同一サイズのものとして説明するが、後述するように、実用上は、サイズを若干変えるようにするのが好ましい。また、図７には、変位板１４１〜１４４の内側面に、それぞれ変位電極Ｆ６〜Ｆ９が形成されている状態も示されている。
【００４６】
結局、図２の側断面図に示されているように、外側箱状構造体１００と内側箱状構造体３００との間には空間が形成されており、この空間を利用して互いに向かい合うように、９組の電極対Ｅ１／Ｆ１〜Ｅ９／Ｆ９が形成されていることになる。ここで、内側箱状構造体３００の外側面に形成された電極Ｅ１〜Ｅ９は、いずれも内側箱状構造体３００を介して基板２００に固定された固定電極であるのに対し、外側箱状構造体１００の内側面に形成された電極Ｆ１〜Ｆ９は、いずれも外側箱状構造体１００の変形に伴って変位を生じる変位電極である。ここでは、説明の便宜上、９組の電極対Ｅ１／Ｆ１〜Ｅ９／Ｆ９によって構成される９組の静電容量素子を、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ９と呼ぶことにする。また、この容量素子Ｃ１〜Ｃ９の静電容量値についても、同じ符号Ｃ１〜Ｃ９を用いて表わすことにする。
【００４７】
容量素子Ｃ６〜Ｃ９の役割は、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４の変位を検出することにある。たとえば、図５の横断面図において、第１の変位板１４１がＸ軸正方向（図の右方向）に変位すると、第６の変位電極Ｆ６も同じ方向、すなわち、第６の固定電極Ｅ６から離れる方向に移動することになり、電極対Ｅ６／Ｆ６によって構成される容量素子Ｃ６の電極間距離が広がり、静電容量値Ｃ６は減少する。逆に、第１の変位板１４１がＸ軸負方向（図の左方向）に変位すると、容量素子Ｃ６の電極間距離が縮まり、静電容量値Ｃ６は増加する。
【００４８】
結局、容量素子Ｃ６の静電容量値Ｃ６は、第１の変位板１４１と第１の固定板３４１との距離を示すパラメータになる。同様に、電極対Ｅ７／Ｆ７によって構成される容量素子Ｃ７の静電容量値Ｃ７は、第２の変位板１４２と第２の固定板３４２との距離を示すパラメータになり、電極対Ｅ８／Ｆ８によって構成される容量素子Ｃ８の静電容量値Ｃ８は、第３の変位板１４３と第３の固定板３４３との距離を示すパラメータになり、電極対Ｅ９／Ｆ９によって構成される容量素子Ｃ９の静電容量値Ｃ９は、第４の変位板１４４と第４の固定板３４４との距離を示すパラメータになる。
【００４９】
また、容量素子Ｃ５の役割は、変位天板１３０のＺ軸方向に関する変位を検出することにある。たとえば、図２の側断面図において、変位天板１３０がＺ軸正方向（図の上方向）に変位すると、第５の変位電極Ｆ５も同じ方向、すなわち、第５の固定電極Ｅ５から離れる方向に移動することになり、電極対Ｅ５／Ｆ５によって構成される容量素子Ｃ５の電極間距離が広がり、静電容量値Ｃ５は減少する。逆に、変位天板１３０がＺ軸負方向（図の下方向）に変位すると、容量素子Ｃ５の電極間距離が縮まり、静電容量値Ｃ５は増加する。結局、容量素子Ｃ５の静電容量値Ｃ５は、変位天板１３０と固定天板３３０との距離を示すパラメータになる。
【００５０】
一方、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の役割は、変位天板１３０の固定天板３３０に対する傾斜度を検出することにある。たとえば、図２の側断面図において、受力体１１０に対して、Ｙ軸まわりの正のモーメント＋Ｍｙ（紙面に垂直な軸についての時計まわりのモーメント）が作用した場合を考える。この場合、受力体１１０に作用したモーメントは、連結体１２０を介して変位天板１３０へと伝達される。こうして伝達されたモーメントは、変位天板１３０に対して、図の右半分を下方へ変位させ、図の左半分を上方へ変位させる力を与える。その結果、変位天板１３０は、本来の水平状態に対して、図２における右側が下がり、左側が上がるように傾斜することになる。本明細書では、このような方向に関する傾斜度を、「Ｘ軸方向に関する傾斜度」と呼ぶことにする。
【００５１】
この「Ｘ軸方向に関する傾斜度」は、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の差として検出することが可能である。すなわち、変位天板１３０が上述のような傾斜状態になると、電極対Ｅ１／Ｆ１によって構成される容量素子Ｃ１の電極間距離は縮まり、静電容量値Ｃ１は増加する。一方、電極対Ｅ２／Ｆ２によって構成される容量素子Ｃ２の電極間距離は広がり、静電容量値Ｃ２は減少する。したがって、両者の差（Ｃ１−Ｃ２）は、変位天板１３０のＸ軸方向に関する傾斜度を示す値になる。また、変位天板１３０が、本来の水平状態に対して、図２における右側が上がり、左側が下がるような方向に傾斜すると、容量素子Ｃ１の電極間距離は広がり、静電容量値Ｃ１は減少し、容量素子Ｃ２の電極間距離は縮まり、静電容量値Ｃ２は増加する。したがって、その傾斜度は、やはり「Ｘ軸方向に関する傾斜度」として、両者の差（Ｃ１−Ｃ２）で求めることができる（ただし、このときの差（Ｃ１−Ｃ２）は負の値となる）。結局、Ｘ軸方向に関する傾斜の向きおよび大きさが、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の差として検出できることになる。
【００５２】
全く同様の原理により、Ｙ軸方向に関する傾斜の向きおよび大きさが、容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容量値の差（Ｃ３−Ｃ４）として検出できる。すなわち、変位天板１３０が、本来の水平状態に対して、図６（横がＹ軸方向となっている）における右側が下がり、左側が上がるような傾斜方向、もしくは逆に、右側が上がり、左側が下がるような傾斜方向に関する傾斜度を、「Ｙ軸方向に関する傾斜度」と呼ぶことにすれば、この「Ｙ軸方向に関する傾斜度」は、容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容量値の差として検出することが可能であり、その符号は、傾斜の向きを示すものになる。結局、容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、変位天板１３０の固定天板３３０に対する「Ｘ軸方向に関する傾斜度」と「Ｙ軸方向に関する傾斜度」とを検出する機能をもっていることになる。
【００５３】
＜＜＜ §２． 基本的な実施形態の検出動作 ＞＞＞
続いて、上述した基本的な実施形態に係る力検出装置による検出動作を説明する。既に述べたとおり、この力検出装置は、受力体１１０に加えられた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の５成分を検出することが可能である。
【００５４】
まず、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出原理を、図８の模式図を参照しながら説明する。図８(a) は、この力検出装置におけるＸ軸方向の力Ｆｘの検出およびＹ軸まわりのモーメントＭｙの検出に関与する構成要素を模式的に示すＸＺ平面図であり、何ら外力が作用していない状態を示している。§１で述べたとおり、基板２００は、ＸＹＺ三次元座標系においてＸＹ平面に平行な上面を有する基板であり、この基板２００の上に、第１の変位板１４１、第２の変位板１４２、第１の固定板３４１、第２の固定板３４２が配置されている。また、第１の変位板１４１の上端と第２の変位板１４２の上端との間に架かるように変位天板１３０が配置され、第１の固定板３４１の上端と第２の固定板３４２の上端との間に架かるように固定天板３３０が配置されている。
【００５５】
また、受力体１１０は、検出対象となる力を受けるために、変位天板１３０の上方のＺ軸上に配置された構成要素であり、連結体１２０は、受力体１１０と変位天板１３０とを接続するようにＺ軸に沿って配置された構成要素である。この例では、連結体１２０は、変位天板１３０の上面中央部に接続されており、受力体１１０に作用した外力は、連結体１２０を介して変位天板１３０へと伝達される。
【００５６】
図８(b) は、受力体１１０に対して、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの各部の変位状態を示す図である。図示のとおり、受力体１１０に作用した外力＋Ｆｘは、連結体１２０を介して変位天板１３０へと伝達され、変位天板１３０に対して、図の右方向へと移動させる力を作用させる。この力は、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２へも伝達され、第１の変位板１４１の上辺および第２の変位板１４２の上辺には、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用することになる。その結果、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２は、図示のとおり、Ｘ軸正方向に向かって角度θだけ傾斜する。§１で述べた構造では、第１の変位板１４１、第２の変位板１４２、変位天板１３０は、外側箱状構造体１００の一部によって構成されているので、この外側箱状構造体１００の側面が図示のような平行四辺形に変形することになる。
【００５７】
このような変形により、第１の変位板１４１と第１の固定板３４１との間の距離は広がり、第２の変位板１４２と第２の固定板３４２との距離は縮まる。これとは逆に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときは、各部の変位状態は図８(c) に示すようになる。すなわち、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２は、図示のとおり、Ｘ軸負方向に向かって角度θだけ傾斜する（ここでは、傾斜方向に符号を付して、このときの傾斜角度を−θと表している）。このような変形により、第１の変位板１４１と第１の固定板３４１との間の距離は縮まり、第２の変位板１４２と第２の固定板３４２との距離は広がる。
【００５８】
したがって、第１の変位板１４１と第１の固定板３４１との距離を検出する第１のＸ軸距離センサと、第２の変位板１４２と第２の固定板３４２との距離を検出する第２のＸ軸距離センサと、を設けておけば、これら両センサによる距離の検出値の差は、受力体１１０に作用したＸ軸方向の力Ｆｘを示すことになる。すなわち、この検出値の差の大きさは、力Ｆｘの絶対値を示し、この検出値の差の符号は、力Ｆｘの向きを示すものになる。
【００５９】
§１で述べた力検出装置では、図２の側断面図に示されているとおり、電極対Ｅ６／Ｆ６からなる第６の容量素子Ｃ６が第１のＸ軸距離センサとして機能し、電極対Ｅ７／Ｆ７からなる第７の容量素子Ｃ７が第２のＸ軸距離センサとして機能する。したがって、両容量素子Ｃ６，Ｃ７の静電容量値の差（Ｃ７−Ｃ６）を、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値として出力することができる。なお、差を求める式を（Ｃ６−Ｃ７）とせずに、（Ｃ７−Ｃ６）としているのは、容量素子を構成する電極対の距離の大小と静電容量値の大小の関係が逆になることを考慮し、正しい符号をもったＦｘを得るための配慮である。
【００６０】
以上、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出原理を述べたが、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出原理も全く同様である。受力体１１０にＹ軸方向の力Ｆｙが作用すると、第３の変位板１４３および第４の変位板１４４がＹ軸方向へ傾斜することになる。したがって、第３の変位板１４３と第３の固定板３４３との距離を検出する第１のＹ軸距離センサと、第４の変位板１４４と第４の固定板３４４との距離を検出する第２のＹ軸距離センサと、を設けておけば、これら両センサによる距離の検出値の差は、受力体１１０に作用したＹ軸方向の力Ｆｙを示すことになる。この場合も、検出値の差の大きさは、力Ｆｙの絶対値を示し、検出値の差の符号は、力Ｆｙの向きを示すものになる。
【００６１】
§１で述べた力検出装置では、図６の断面図に示されているとおり、電極対Ｅ８／Ｆ８からなる第８の容量素子Ｃ８が第１のＹ軸距離センサとして機能し、電極対Ｅ９／Ｆ９からなる第９の容量素子Ｃ９が第２のＹ軸距離センサとして機能する。したがって、両容量素子Ｃ８，Ｃ９の静電容量値の差（Ｃ９−Ｃ８）を、Ｘ軸方向の力Ｆｙの検出値として出力することができる。差を求める式を（Ｃ９−Ｃ８）としているのは、やはり正しい符号をもったＦｙを得るための配慮である。
【００６２】
次に、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出原理を、図９の模式図を参照しながら説明する。まず、何ら外力が作用していないときに、図９(a) に示す状態であるとしよう。この状態において、受力体１１０に対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したとすると、各部の変位状態は、図９(b) に示すようになり、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用したとすると、各部の変位状態は、図９(c) に示すようになる。なお、この模式図９(b) ，９(c) では、図示の便宜上、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２がＺ軸方向に伸縮することにより、変位天板１３０の位置が上下に変化した状態が示されているが、実際には、各部が互いに関わり合いを持ちながら、構造体全体として所定の変形が生じることになる。すなわち、実際には、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した場合、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２はＺ軸方向に伸縮するとともに、基板２００に対して多少傾斜することになり、また、変位天板１３０自体も、面方向に伸びるとともに、上方もしくは下方に凸となるような変形を生じることになる。
【００６３】
実際の変形態様がどのようなものになるにせよ、受力体１１０に対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すれば、変位天板１３０と固定天板３３０との距離は広がることになり、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用すれば、変位天板１３０と固定天板３３０との距離は縮まることになる。したがって、両天板の距離を検出するＺ軸距離センサを設けておけば、このセンサによる距離の検出値は、受力体１１０に作用したＺ軸方向の力Ｆｚを示すことになる。すなわち、図９(a) に示す状態におけるこのＺ軸距離センサの検出値を基準値として決めておけば、距離の検出値が基準値より増加した場合には、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが検出されたことになり、その増加量が作用した力の大きさを示すことになる。逆に、距離の検出値が基準値より減少した場合には、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが検出されたことになり、その減少量が作用した力の大きさを示すことになる。
【００６４】
§１で述べた力検出装置では、図２の側断面図に示されているとおり、電極対Ｅ５／Ｆ５からなる第５の容量素子Ｃ５がＺ軸距離センサとして機能する。したがって、容量素子Ｃ５を、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値として利用することができる。ただ、容量素子を構成する電極対の距離の大小と静電容量値の大小の関係は逆になるので、静電容量値Ｃ５が基準値より増加した場合には、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが検出されたことになり（図９(c) の状態）、静電容量値Ｃ５が基準値より減少した場合には、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが検出されたことになる（図９(b) の状態）。
【００６５】
続いて、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出原理を、図１０の模式図を参照しながら説明する。まず、何ら外力が作用していないときに、図１０(a) に示す状態であるとしよう。この状態において、受力体１１０に対して、Ｙ軸まわりの正のモーメント＋Ｍｙが作用したとする。このようなモーメント＋Ｍｙは、図３に示す受力体１１０に対して、作用点Ｐ１を紙面垂直下方へ押し下げ、作用点Ｐ２を紙面垂直上方へと押し上げる力として作用することになる。したがって、この力検出装置の各部は、図１０(a) に示す状態から、図１０(b) に示す状態へと変位することになる。一方、これとは逆に、Ｙ軸まわりの負のモーメント−Ｍｙが作用したとすると、各部の変位状態は、図１０(c) に示すようになる。なお、この模式図１０(b) ，１０(c) においても、図示の便宜上、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２がＺ軸方向に伸縮することにより、変位天板１３０の位置が上下に変化した状態が示されているが、実際には、各部が互いに関わり合いを持ちながら、構造体全体として所定の変形が生じることになる。このため、実際には、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２はＺ軸方向に伸縮するとともに、基板２００に対して多少傾斜することになり、また、変位天板１３０自体も撓みを生じることになる。
【００６６】
実際の変形態様がどのようなものになるにせよ、受力体１１０に対して、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙが作用すれば、変位天板１３０は固定天板３３０に対して、Ｘ軸方向に関する傾斜を生じることになる。したがって、変位天板１３０の固定天板３３０に対するＸ軸方向に関する傾斜度を検出する傾斜度センサを設けておけば、このセンサによる傾斜度の検出値は、受力体１１０に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙを示すことになる。すなわち、図１０(a) に示す状態における変位天板１３０の傾斜度を０とし、図１０(b) に示す方向へ傾斜したときの傾斜度を正の検出値として出力し、図１０(c) に示す方向へ傾斜したときの傾斜度を負の検出値として出力することができる傾斜度センサを用いれば、この傾斜度センサの出力は、受力体１１０に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙを示すものになる。
【００６７】
§１で述べた力検出装置では、既に述べたとおり、図４に示す４枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ４と、図７に示す４枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ４と、によって構成される４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４が、変位天板１３０の固定天板３３０に対する傾斜度を検出する傾斜度センサとして機能する。この傾斜度センサでは、Ｘ軸方向に関する傾斜度を、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（Ｃ１−Ｃ２）として検出することができるので、結局、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙは、（Ｃ１−Ｃ２）なる値として検出されることになる。
【００６８】
全く同様の原理により、受力体１１０に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘの検出も可能である。受力体１１０に対して作用するＸ軸まわりのモーメントＭｘは、図３に示す受力体１１０に対して、作用点Ｐ４を紙面垂直下方へ押し下げ、作用点Ｐ３を紙面垂直上方へと押し上げる力として作用することになる。したがって、変位天板１３０は固定天板３３０に対して、Ｙ軸方向に関する傾斜を生じることになる。§１で述べた力検出装置では、この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（Ｃ４−Ｃ３）として検出することができるので、結局、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘは、（Ｃ４−Ｃ３）なる値として検出されることになる。ここで、（Ｃ４−Ｃ３）としたのは、正しい符号をもったＭｘを得るための配慮である。
【００６９】
結局、§１で述べた基本的な実施形態に係る力検出装置を用いれば、受力体１１０に対して作用した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の５成分を、それぞれ符号を考慮して検出することが可能になる。図１１は、このような５成分の力がそれぞれ作用したときの各容量素子Ｃ１〜Ｃ９の静電容量値の変化の態様を、作用した力の符号を考慮して示すテーブルであり、「０」は変化なし、「＋」は増加、「−」は減少を示している。
【００７０】
この図１１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、図１にブロックとして示す検出処理部２５０として、９組の容量素子Ｃ１〜Ｃ９の静電容量値を測定する回路と、測定した各静電容量値を用いて、図１２に示す式に基づく演算を行う処理装置を用意しておけば、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの５成分を得ることができるようになる。
【００７１】
なお、この図１２に示す式は、得られる力の符号を考慮した式となっている。たとえば、Ｘ軸方向の力Ｆｘは、差（Ｃ７−Ｃ６）により求まり、Ｙ軸方向の力Ｆｙは、差（Ｃ９−Ｃ８）により求まるが、このときの差の符号は、各座標軸の正方向へ向かう力か、負方向へ向かう力か、を示している。同様に、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘは、差（Ｃ４−Ｃ３）により求まり、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙは、差（Ｃ１−Ｃ２）により求まるが、このときの差の符号は、各座標軸まわりの正方向のモーメント（右ネジを当該座標軸の正方向へ進めるための回転方向）か、負方向のモーメント（右ネジを当該座標軸の負方向へ進めるための回転方向）か、を示している。また、Ｚ軸方向の力Ｆｚについては、２組の容量素子の静電容量値の差ではなく、第５の容量素子Ｃ５の静電容量値Ｃ５単独で求めることになるので、前述したとおり、この容量値Ｃ５の所定の基準値に対する増加分もしくは減少分が、作用したＺ軸方向の力Ｆｚの大きさを示すものになる。なお、図１２の式では、Ｆｚ＝−Ｃ５となっており、先頭にマイナス符号を付加しているが、これは容量値Ｃ５の増減の関係と、力Ｆｚの符号とが逆であることを示すものである（Ｃ５の増加分は、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚを示し、Ｃ５の減少分は、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚを示す）。また、Ｚ軸方向の力Ｆｚは、図１１のテーブルからもわかるとおり、Ｆｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５）、またはＦｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）なる式でも求めることができる。
【００７２】
上述したとおり、図１１のテーブルにおいて、「＋」が記された欄は、該当する力の作用があると、該当する容量素子の静電容量値が増加することを示し、「−」が記された欄は、該当する力の作用があると、該当する容量素子の静電容量値が減少することを示している。このような静電容量値の増減変化が生じる理由は、既に図８〜図１０の模式図を用いて説明したとおりである。一方、図１１のテーブルにおいて、「０」が記された欄は、該当する力の作用があっても、該当する容量素子の静電容量値には変化が生じないことを示しているが、実際には、これらのすべての場合において、静電容量値の変化が完全に０になるわけではない。ここでは、この図１１のテーブルに「０」が記述されている各欄の妥当性について検証してみよう。
【００７３】
まず、図１１のテーブルにおける±Ｆｘの行や±Ｆｙの行を見ると、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の欄はいずれも「０」となっているが、これは、図８(b) ，図８(c) に示すような変形が生じた場合に、変位天板１３０と固定天板３３０との間の距離が全く変化しない、という前提に立ったものである。しかしながら、実際には、側面が図８(b) ，図８(c) に示すような平行四辺形に変形すると、変位天板１３０と固定天板３３０との間の距離は若干短くなるので、上述の各欄は「０」ではなく、「＋」になるはずである。また、受力体１１０にＸ軸方向の力Ｆｘのみが作用したとしても、変位天板１３０には、連結体１２０を介して力が伝達されるため、必ずしも変位天板１３０を図の右方向に平行移動させる力として伝達されるとは限らず、変位天板１３０が水平状態から若干傾斜する可能性もある。しかしながら、実際には、力±Ｆｘが作用したとき、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の変化は、容量素子Ｃ６，Ｃ７の静電容量値の変化に比べて小さく、力±Ｆｙが作用したとき、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の変化は、容量素子Ｃ８，Ｃ９の静電容量値の変化に比べて小さい。したがって、力ＦｘやＦｙが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の変化を無視しうる測定精度の範囲内では、これらの欄は実質的に「０」と考えることができる。
【００７４】
また、図１１のテーブルにおける±Ｆｘの行を見ると、容量素子Ｃ８，Ｃ９の欄も「０」となっているが、これは、図８(b) ，図８(c) に示すような変形が生じた場合に、第３の変位板１４３および第４の変位板１４４が垂直な状態を維持し、傾斜することはない、という前提に立ったものである。この前提も実際には必ずしも満足されるものではない。特に、§１で述べた基本的な実施形態では、外側箱状構造体１００が全体的に変形するため、上記前提が完全に満足されることはないと考えられる。ただ、こちらも「＋」や「−」を記した欄における静電容量値の変化に比べれば、通常は、無視しうる範囲内となるので、「０」と考えることができる。±Ｆｙの行の容量素子Ｃ６，Ｃ７の欄も同様である。
【００７５】
更に、図１１のテーブルにおける±Ｆｚの行において、容量素子Ｃ６〜Ｃ９の欄が「０」となっている理由も同様である。すなわち、図９(b) ，図９(c) に示すような変形が生じた場合に、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４は、必ずしも垂直な状態を維持するとは限らないので、容量素子Ｃ６〜Ｃ９の静電容量値は若干の変化を生じる可能性はあるが、通常は、無視しうる範囲と考えることができる。
【００７６】
次に、図１１のテーブルにおける±Ｍｘの行や±Ｍｙの行を見ると、容量素子Ｃ５の欄が「０」となっている。この容量素子Ｃ５の欄が「０」になっている理由は、図４に示す第５の固定電極Ｅ５および図７に示す第５の変位電極Ｆ５が、Ｘ軸およびＹ軸に関して対称な形状となっているため、図１０(b) ，図１０(c) に示すような変形が生じた場合でも、容量素子Ｃ５の電極間隔は、一部分は広がるが、別な一部分は縮まり、トータルとしては、静電容量値Ｃ５は変化しない、という考え方に基づくものである。したがって、容量素子Ｃ５の欄は、実際には、完全には０にならないかもしれないが、通常は「０」として取り扱っても問題はない。±Ｍｘの行の容量素子Ｃ１，Ｃ２の欄が「０」になっている理由や、±Ｍｙの行の容量素子Ｃ３，Ｃ４の欄が「０」になっている理由も同様であり、これらの場合の電極間隔は、一部分は広がるが、別な一部分は縮まり、トータルとしては変化しないと考えることができる。
【００７７】
また、図１１のテーブルにおける±Ｍｘの行や±Ｍｙの行の容量素子Ｃ６〜Ｃ９の欄が「０」になっている理由は、図１０(b) ，図１０(c) に示すような変形が生じた場合に、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４は、必ずしも垂直な状態を維持するとは限らないので、容量素子Ｃ６〜Ｃ９の静電容量値は若干の変化を生じる可能性はあるが、通常は、無視しうる範囲と考えることができるためである。
【００７８】
ところで、図１１に示すテーブルに「０」と記されているのに、厳密には「０」にはならない別な要因として、電極の有効面積も検討しておく必要がある。容量素子の静電容量値を決定するパラメータは、電極間の誘電率と、電極間隔と、電極面積である。これまでの説明では、容量素子の電極間隔にのみ着目して、静電容量値の変化を考えてきたが、容量素子の電極面積も、静電容量値を変えるパラメータになる。したがって、容量素子を構成する一対の対向電極に、平面的なずれが生じると、容量素子を構成する電極としての有効面積が減少することになり、静電容量値に変化が生じてしまう。
【００７９】
この点を考慮すると、たとえば、図１１のテーブルにおける±Ｆｘの行の容量素子Ｃ８，Ｃ９の欄は、電極の有効面積の変化の影響を受けることになり、この要因によっても、厳密には「０」にはならないことになる。たとえば、図５に示す構造において、外力＋Ｆｘの作用により、第１の変位板１４１や第２の変位板１４２が図の右方向に傾斜し、その結果、第３の変位板１４３や第４の変位板１４４の位置が若干でも図の右方向にずれたとすると、電極対Ｅ８／Ｆ８や電極対Ｅ９／Ｆ９の電極間隔に変化はなかったとしても、容量素子を構成する電極としての有効面積は減少することになり、静電容量値Ｃ８，Ｃ９に変化が生じることは避けられない。しかしながら、このような有効面積の変化に起因した静電容量値の変化が、「＋」や「−」を記した欄における静電容量値の変化に比べて無視しうる範囲内である限りは、上記各欄を「０」としても問題はない。
【００８０】
結局、図１１に示すテーブルにおいて「０」と記した欄は、厳密に言えば、静電容量値の変化が０になるわけではないが、「＋」や「−」と記した欄における変化の程度が、「０」と記した欄における変化の程度に対して十分に有意であれば、このテーブルに基づく検出原理により、５つの力成分をそれぞれ独立して検出することが可能になる。なお、図１１に示すテーブルにおいて「０」と記した欄に関する実際の静電容量値の変化を０に近付けるための工夫を、後の§４および§５で詳細に述べることにする。
【００８１】
ところで、§１で述べた力検出装置の場合、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４および変位天板１３０は、外側箱状構造体１００の側面および上面として用意され、第１の固定板３４１〜第４の固定板３４４および固定天板３３０は、内側箱状構造体３００の側面および上面として用意されているが、本発明を実施する上では、必ずしもこれらの箱状構造体を利用する必要はない。たとえば、Ｘ軸方向の力ＦｘとＹ軸まわりのモーメントＭｙを検出するのであれば、図８(a) に示す構造体のみを用意すれば十分である。
【００８２】
また、§１で述べた力検出装置の場合、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４、第１の固定板３４１〜第４の固定板３４４は、いずれも基板２００に対して垂直（ＹＺ平面またはＸＺ平面に平行）となるような配置をとっているが、原理的には、これらは必ずしも基板２００に対して垂直に配置する必要はない。
【００８３】
要するに、第１の変位板１４１は、Ｘ軸の正の部分と交差する平面に沿うように配置され、変位可能となるように基板２００上に直接もしくは弾性変形を生じる部材を介して間接的に支持されるようにし、第２の変位板１４２は、Ｘ軸の負の部分と交差する平面に沿うように配置され、変位可能となるように基板２００上に直接もしくは弾性変形を生じる部材を介して間接的に支持されるようにし、第３の変位板１４３は、Ｙ軸の正の部分と交差する平面に沿うように配置され、変位可能となるように基板２００上に直接もしくは弾性変形を生じる部材を介して間接的に支持されるようにし、第４の変位板１４４は、Ｙ軸の負の部分と交差する平面に沿うように配置され、変位可能となるように基板２００上に直接もしくは弾性変形を生じる部材を介して間接的に支持されるようにすればよい。
【００８４】
また、第１の固定板３４１は、Ｚ軸と第１の変位板１４１との間に配置され、基板２００上に何らかの形で固定されるようにし、第２の固定板３４２は、Ｚ軸と第２の変位板との間に配置され、基板２００上に何らかの形で固定されるようにし、第３の固定板３４３は、Ｚ軸と第３の変位板１４３との間に配置され、基板２００上に何らかの形で固定されるようにし、第４の固定板３４４は、Ｚ軸と第４の変位板との間に配置され、基板２００上に何らかの形で固定されるようにすればよい。
【００８５】
更に、固定天板３３０は、第１の固定板３４１の上辺付近と第２の固定板３４２の上辺付近との間に架かる平面に沿うように配置され、基板２００上に何らかの形で固定されるようにし、変位天板１３０は、固定天板３３０の上方に配置され、基板２００に対して変位可能となるように弾性変形を生じる部材を介して支持され、第１の変位板１４１の上辺および第２の変位板１４２の上辺に対して、ＸＹ平面に沿った方向の力を伝達できるように構成すればよい。
【００８６】
＜＜＜ §３． Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出 ＞＞＞
さて、§１で述べた基本的な実施形態に係る力検出装置について、§２において検出動作を説明し、図１２に示す式による演算を行うことにより、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙなる５つの力成分を別個独立して検出することができることを示した。ここでは、更に、第６の力成分、すなわち、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを検出するための工夫を述べる。
【００８７】
図１３は、この力検出装置の受力体１１０に対して、Ｚ軸まわりの正のモーメント＋Ｍｚが作用したときの状態を示す上面図である。このモーメント＋Ｍｚは、図示のとおり、受力体１１０を反時計まわりに回転させる力であり、受力体１１０上の作用点Ｐ１〜Ｐ４を、Ｚ軸を中心として反時計まわりに移動させる力ということになる。このような力は、連結体１２０を介して変位天板１３０に対して捩れの力として伝達されることになるので、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４は図示のように撓み、変位天板１３０も反時計まわりに回転することになる。もちろん、このときの回転角は、作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚの大きさに応じたものになる。したがって、変位天板１３０の固定天板３３０に対するＺ軸まわりの回転角を検出する回転角センサを設けておけば、この回転角センサの検出値に基づいて、受力体１１０に作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚを検出することが可能になる。
【００８８】
実は、この回転角の大きさは、第１の容量素子Ｃ１〜第４の容量素子Ｃ４を利用して検出することが可能である。その原理を、図１４の上面投影図を参照しながら説明する。図１４(a) は、§１で述べた基本的な実施形態に係る力検出装置において、何ら外力が作用していない状態における固定天板３３０の上面に形成された５枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ５と、変位天板１３０の下面に形成された５枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ５と、の位置関係を示す上面投影図である。ここで、ハッチングは、容量素子を構成する電極対の有効面積を示すためのものであり、断面を示すものではない。この状態では、図示のとおり、５枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ５の上に、５枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ５が完全に重なった状態となっており、実際の電極の全面積（ハッチング部分）に相当する領域が、容量素子として貢献する。
【００８９】
ところが、図１３に示すように、Ｚ軸まわりの正のモーメント＋Ｍｚが作用し、変位天板１３０が反時計まわりに回転すると、各電極の位置関係は、図１４(b) に示すように変化する。すなわち、中央に配置された円形の固定電極Ｅ５および変位電極Ｆ５の位置関係には変化ないものの、４枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ４（破線で示す）は、反時計まわりに移動するため、ハッチングを施して示した有効面積は減少することになる。したがって、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値はすべて減少する。このとき、電極対Ｅ５／Ｆ５からなる容量素子Ｃ５の静電容量値は変化しないので、Ｃ５に変化がないのに、Ｃ１〜Ｃ４に変化が生じた場合には、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが作用したものと判断することができる。
【００９０】
このような原理を利用すれば、§１で述べた基本的な実施形態に係る力検出装置によっても、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの大きさを検出することは可能である。しかしながら、モーメントＭｚの向きの検出を行うことはできない。すなわち、Ｚ軸まわりの負のモーメント−Ｍｚが作用し、変位天板１３０が時計まわりに回転した場合を考えると、各電極の位置関係は、図１４(c) に示すように変化するものの、静電容量値Ｃ１〜Ｃ４の値は、やはり減少することになる。したがって、Ｃ５に変化がないのに、Ｃ１〜Ｃ４に変化が生じた場合、その変化の程度は、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの大きさを示すものになるが、いずれの向きのモーメントが作用したか（すなわち、Ｍｚの符号）を特定することはできない。
【００９１】
Ｚ軸まわりのモーメントＭｚについて、その向き（符号）を考慮した検出を行うためには、変位電極Ｆ１〜Ｆ４を、固定電極Ｅ１〜Ｅ４に対向する位置に対して所定の回転方向にオフセットした位置に配置すればよい。そうすれば、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の増減に基づいて、回転角とともに回転方向の検出ができるようになる。これを具体例で示そう。
【００９２】
たとえば、固定天板３３０の上面には、図１５(a) に示すような５枚の固定電極ＥＥ１〜ＥＥ５を形成しておく。すなわち、固定天板３３０の上面にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に第１の固定電極ＥＥ１を形成し、Ｘ軸の負の部分の投影像上に第２の固定電極ＥＥ２を形成し、Ｙ軸の正の部分の投影像上に第３の固定電極ＥＥ３を形成し、Ｙ軸の負の部分の投影像上に第４の固定電極ＥＥ４を形成し、原点Ｏの投影像上に第５の固定電極ＥＥ５を形成する。この例では、固定電極ＥＥ１〜ＥＥ４を扇形にしているが、必ずしも扇形にする必要はない。また、第５の固定電極ＥＥ５は、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出に用いるものであり、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出に用いられるものではない。
【００９３】
一方、変位天板１３０の下面には、図１５(b) に示すような５枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５を形成しておく。なお、この図１５(b) は、変位天板１３０の下面を示すものではなく、固定天板３３０に対する５枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５の位置を示すものであり、いわば、変位天板１３０の下面に形成された５枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５を、固定天板３３０上面に投影したときの投影像を示すものである。したがって、この図１５(b) では、固定天板３３０および５枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５を破線で示してある。
【００９４】
図１５(a) および(b) には、いずれも参照軸Ｗ１，Ｗ２を破線で示してある。この参照軸Ｗ１，Ｗ２は、固定天板３３０の上面を構成する正方形の対角線に相当するものである。図１５(a) に示す各参照軸Ｗ１，Ｗ２と各固定電極ＥＥ１〜ＥＥ４との位置関係を、図１５(b) に示す各参照軸Ｗ１，Ｗ２と各変位電極ＦＦ１〜ＦＦ４との位置関係と比較すれば、変位電極ＦＦ１〜ＦＦ４が時計まわりの方向に所定の回転角だけオフセットした位置に配置されていることがわかる。たとえば、第１の変位電極ＦＦ１は、第１の固定電極ＥＥ１に対向する位置に対して時計まわりの方向に所定の回転角だけオフセットした位置に配置されている。
【００９５】
図１６は、このようなオフセット配置された電極構成をもつ力検出装置についての電極の有効面積の変化を示すための上面投影図である。この図においても、ハッチングは、容量素子を構成する電極対の有効面積を示すためのものであり、断面を示すものではない。まず、図１６(a) には、何ら外力が作用していない状態における固定天板３３０の上面に形成された５枚の固定電極ＥＥ１〜ＥＥ５（実線で示す）と、変位天板１３０の下面に形成された５枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５（破線で示す）と、の位置関係が示されている。この状態では、図示のとおり、４枚の固定電極ＥＥ１〜ＥＥ４に対して、４枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ４が、オフセット角度δ０だけずれた状態となっている。この状態での容量素子を構成する電極としての有効面積は、図にハッチングを施して示した領域の面積ということになる。
【００９６】
ここで、Ｚ軸まわりの正のモーメント＋Ｍｚが作用し、変位天板１３０が反時計まわりに回転すると、各電極の位置関係は、図１６(b) に示すように変化する。すなわち、オフセット角度がδ１に減少し、電極の有効面積は増加する。これは、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値が増加することを意味する。逆に、Ｚ軸まわりの負のモーメント−Ｍｚが作用し、変位天板１３０が時計まわりに回転すると、各電極の位置関係は、図１６(c) に示すように変化する。すなわち、オフセット角度がδ２に増加し、電極の有効面積は減少する。これは、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値が減少することを意味する。したがって、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の和を求めるようにすれば、この和の増減に基づいて、回転角とともに回転方向の検出ができるようになる。
【００９７】
図１７に示すテーブルは、図１１に示すテーブルに、Ｚ軸まわりのモーメント±Ｍｚの行を追加したものであり、図１８に示す式は、図１２に示す式に、Ｍｚについての式を追加したものである。結局、§１で述べた力検出装置における固定電極Ｅ１〜Ｅ５および変位電極Ｆ１〜Ｆ５の代わりに、図１５(a) に示す固定電極ＥＥ１〜ＥＥ５および図１５(b) に示す変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５を用いるようにすれば、図１７のテーブルに示す原理による検出が可能になり、図１８の式に示されているとおり、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６つの成分を独立して検出することが可能になる。
【００９８】
なお、図１７のテーブルからも明らかなように、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値がすべて増加もしくは減少したとしても、そのような増減の要因は、すべてがＺ軸まわりのモーメントＭｚの作用に基づくものであるとは限らない。これは、Ｚ軸方向の力Ｆｚの作用によっても、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の増減が生じるためである。これに対して、容量素子Ｃ５の静電容量値の増減は、専らＺ軸方向の力Ｆｚの作用によるものである。したがって、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用する環境下では、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の和に対して、Ｚ軸方向の力Ｆｚの作用に起因する分を除外する補正を行い、補正後の値をＺ軸まわりのモーメントＭｚとして用いるようにする必要がある。図１８のＭｚの式に示されている補正項ｆ（Ｆｚ）は、このような補正を行うための項である。
【００９９】
＜＜＜ §４． 電極構成を単純化した実施形態 ＞＞＞
§１で述べた実施形態では、合計９組の容量素子Ｃ１〜Ｃ９を構成するために、内側箱状構造体３００側に９枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ９を形成し、外側箱状構造体１００側に９枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ９を形成し、合計１８枚の電極を用いていた。しかしながら、９組の容量素子を構成するためには、必ずしも１８枚の電極は必要ない。たとえば、９枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ９を単一の共通固定電極とすることも可能であるし、９枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ９を単一の共通変位電極とすることも可能である。ここで述べる実施形態は、後者の例であり、内側箱状構造体３００側には、９枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ９を形成する必要があるものの、外側箱状構造体１００側には、単一の共通変位電極を構成することにより、電極構成を単純化したものである。
【０１００】
しかも、ここで述べる実施形態では、外側箱状構造体１００を導電性材料によって構成することにより、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４および変位天板１３０自身を変位電極として利用するようにしているため、実質的な電極構成は、内側箱状構造体３００側に９枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ９を用意するだけですむ。
【０１０１】
図１９は、この§４で述べる実施形態に係る力検出装置の基本構造を示す側断面図（ＸＺ平面で切断した図）であり、§１で述べた実施形態における図２に相当する図である。図２に示す力検出装置との相違は、受力体１１０、連結体１２０、外側箱状構造体１００（変位天板１３０、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４、台座１５０）が導電性材料によって構成されている点と、変位電極Ｆ１〜Ｆ９がすべて省略されている点だけである。外側箱状構造体１００全体が導電性材料から構成されているため、外側箱状構造体１００の各固定電極Ｅ１〜Ｅ９に対向する部分がそれぞれ変位電極Ｆ１〜Ｆ９としての機能を果たすことになる。別言すれば、外側箱状構造体１００自身が単一の共通変位電極として機能することになる。この図１９に示す力検出装置の検出動作は、図２に示す力検出装置の検出動作と全く同様であり、§２で述べたとおりである。
【０１０２】
このように、図１９に示す力検出装置は、図２に示す力検出装置に比べて、機械的な構造が単純になるという利点を有しているが、利点はそれだけではない。§２では、図１１に示すテーブルに「０」と記されているのに、厳密には「０」にはならない要因のひとつとして、電極の有効面積の変化を挙げた。たとえば、図２に示す力検出装置の場合、図５に示す構造において、外力＋Ｆｘの作用により、第１の変位板１４１や第２の変位板１４２が図の右方向に傾斜し、その結果、第３の変位板１４３や第４の変位板１４４の位置が若干でも図の右方向にずれると、電極対Ｅ８／Ｆ８や電極対Ｅ９／Ｆ９の有効面積が減少することになり、静電容量値Ｃ８，Ｃ９に変化が生じることは既に述べた。ところが、図１９に示す力検出装置では、このような要因による静電容量値の変化は生じることがない。
【０１０３】
具体的に説明すれば、図１９に示す力検出装置では、固定電極Ｅ６と、変位板１４１の一部分（固定電極Ｅ６に対向した領域）からなる変位電極とによって、容量素子Ｃ６が形成されることになるが、ここで変位板１４１がいかに変位しようとも、容量素子Ｃ６を構成する電極有効面積は一定である。要するに、一対の容量素子を構成する固定電極と変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも広く設定しておけば、変位電極が面方向へ所定範囲内の変位を生じた場合にも、静電容量値が変化しないようにすることができる。図１９に示す力検出装置の場合、外側箱状構造体１００が単一の共通変位電極となっているため、変位電極の面積は常に固定電極の面積よりも広く設定されることになり、変位電極が面方向へ変位しても、静電容量値は変化しないことになる。
【０１０４】
外側箱状構造体１００を構成するための導電性材料としては、金属が最も適している。この力検出装置による検出原理によれば、外側箱状構造体１００は、ある程度の自由度をもって弾性変形する必要がある。金属は、ある程度の弾性変形の性質をもち、導電性をもち、しかも堅牢性を兼ね備えている。この図１９に示す力検出装置の場合、たとえば、受力体１１０、連結体１２０、外側箱状構造体１００は、アルミニウムなどの金属によって構成することができる。また、基板２００や内側箱状構造体３００は、たとえば、セラミックなどの絶縁体によって構成することができる。ただ、温度環境の変化に起因する各部の熱膨張により、容量素子の電極間隔に変化が生じることをできるだけ避けるには、すべての部分をアルミニウムなどの同一金属で形成するのが好ましい。この場合、固定電極Ｅ１〜Ｅ９を電気的に分離状態にする必要があるので、たとえば、内側箱状構造体３００の外面に、セラミック基板を接着し、その上に各固定電極Ｅ１〜Ｅ９を形成するようにすればよい。セラミック基板は、絶縁性に優れ、熱膨張係数も小さいので、上記の用途には最適である。もちろん、本発明を実施するにあたって、各部の材質は何ら特定の材質に限定されるものではない。
【０１０５】
なお、図１９に示す構成では、§３で述べたように、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを検出する機能をもった力検出装置を実現することはできない。なぜなら、導電性をもった変位天板１３０自身が、固定電極Ｅ１〜Ｅ４に対する単一の共通変位電極として機能するため、変位天板１３０にＺ軸まわりの回転変位が生じたとしても、容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する電極としての有効面積に変化が生じないためである。
【０１０６】
そこで、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを検出する機能をもった力検出装置を実現するには、図２０に側断面図を示すような構成をとればよい。この力検出装置は、外側箱状構造体１００全体が導電性材料から構成されている点については、図１９に示す力検出装置と同様であるが、変位天板１３０の下面には絶縁層１６０を介して５枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５が形成されており、固定天板３３０の上面には、これらに対向するように、５枚の固定電極ＥＥ１〜ＥＥ５が形成されている。ここで、変位電極ＦＦ１〜ＦＦ４および固定電極ＥＥ１〜ＥＥ４は、図１５に示すように配置されており、所定の回転方向についてオフセットが生じるようになっている。
【０１０７】
図２１は、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを検出する機能をもった力検出装置を実現する上で、最も好ましいと考えられる固定電極および変位電極の電極構成の一例を示す平面図である。図に示す５枚の電極ＥＥ１′〜ＥＥ５′は、固定天板３３０の上面に配置されている固定電極であり、これらに対向する電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′は、変位天板１３０の下面に配置されている変位電極である。図２１は、固定電極ＥＥ１′〜ＥＥ５′の上方に変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′が配置されている状態を示す平面図であり、固定電極ＥＥ１′〜ＥＥ５′のうちの破線で示す部分は、変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′の下に隠れている部分である。図示のとおり、変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ４′と、固定電極ＥＥ１′〜ＥＥ４′との間には、所定の回転方向についてオフセットが生じている。
【０１０８】
なお、５枚の電極ＥＥ１′〜ＥＥ５′は、図示のとおり、それぞれが物理的に独立した電極であるのに対し、変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′は互いに融合した単一の共通変位電極を構成している。このように、変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′を単一の共通変位電極にしても、５組の容量素子Ｃ１〜Ｃ５が形成されることに変わりはなく、図１７のテーブルに示す原理に基づいて６つの力成分の検出が可能である。
【０１０９】
また、図２１に示す電極構成では、変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′を単一の共通変位電極にするとともに、個々の変位電極の面積が常に固定電極の面積よりも広くなるように設定されている。このため、変位電極が面方向（ＸＹ平面に平行な方向）へ変位しても、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚとして誤検出されることを防ぐことができる。たとえば、図２１に示す状態から、変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′全体が図の右方向に若干平行移動したとしても（力＋Ｆｘが加わると、そのような平行移動が生じる）、電極対ＥＥ１′／ＦＦ１′に関する有効面積や、電極対ＥＥ２′／ＦＦ２′に関する有効面積は変化することがない。このとき、電極対ＥＥ３′／ＦＦ３′に関する有効面積は増加するが、逆に、電極対ＥＥ４′／ＦＦ４′に関する有効面積は減少するので、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の総和に変化は生じない。図１８に示す式において、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の総和によって検出するようにしているのは、このような利点を配慮したものである。なお、図２１に示すような電極構成にすると、力＋Ｆｘが加わったときに、上述したように、静電容量値Ｃ３は増加し、Ｃ４は減少するため、図１７のテーブルにおける±Ｍｘの欄と同様の容量値変化が生じることになる。しかしながら、電極の有効面積の増減に起因する容量変化は、電極間隔の増減に起因する容量変化に比べれば十分小さいので、Ｘ軸方向の力Ｆｘが、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘとして有意に検出されることはない。同様にＹ軸方向の力Ｆｙが、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙとして有意に検出されることはない。
【０１１０】
＜＜＜ §５． 実用的な構造をもった実施形態 ＞＞＞
§１で述べた基本的な実施形態に係る力検出装置では、底面が開口部となった直方体をなし、外力の作用により弾性変形を生じる材料から構成される外側箱状構造体１００を、その底面が基板２００上に載置されるように接合し、この外側箱状構造体１００の４枚の側面板１４１〜１４４を変位板として用い、この外側箱状構造体１００の上面板１３０を変位天板として用いるようにしていた。また、この外側箱状構造体１００より小さな直方体をなす内側箱状構造体３００を、外側箱状構造体１００に収容した状態で基板２００上に接合し、この内側箱状構造体３００の４枚の側面板３４１〜３４４および上面板３３０を固定板および固定天板として用いるようにしていた。
【０１１１】
このように、外側箱状構造体１００や内側箱状構造体３００を用いると、比較的単純な構造により、本発明の実施に必要な構成要素を必要な位置に配置することができるので便利である。しかしながら、この§１で述べた基本的な実施形態に係る構造では、必ずしも十分な精度をもった測定を行うことはできない。その理由は、§２で述べたとおり、図１１あるいは図１７のテーブルにおいて、「０」が記された欄は、該当する力の作用があっても、該当する容量素子の静電容量値には変化が生じないことを示しているが、実際には、これらのすべての場合において、静電容量値の変化が完全に０になるわけではないためである。このテーブルに「０」が記された欄についても、有意な静電容量値の変化が検出されてしまうと、個々の力成分の検出結果に、他の力成分が干渉を及ぼすことになり、各力成分を独立して検出することができなくなる。
【０１１２】
このように、他の力成分の干渉をできるだけ排除し、精度の高い検出値を得るためには、次のような条件を満足する構造体を実現する必要がある。まず、第１の条件は、受力体１１０に対して、Ｘ軸方向の力ＦｘやＹ軸方向の力Ｆｙが作用した際には、変位板１４１〜１４４側に形成された変位電極Ｆ６〜Ｆ９については変位が生じるものの、変位天板１３０側に形成された変位電極Ｆ１〜Ｆ５については変位が生じないか、あるいは、変位が生じても、変位電極Ｆ６〜Ｆ９について生じる変位に比べて非常に小さくなるようにする、という条件である。そして、第２の条件は、受力体１１０に対して、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が作用した際には、変位天板１３０側に形成された変位電極Ｆ１〜Ｆ５については変位が生じるものの、変位板１４１〜１４４側に形成された変位電極Ｆ６〜Ｆ９については変位が生じないか、あるいは、変位が生じても、変位電極Ｆ１〜Ｆ５について生じる変位に比べて非常に小さくなるようにする、という条件である。
【０１１３】
ここでは、このような２つの条件を満足させるために有効な構造上の工夫を施した変形例をいくつか述べることにする。まず、図２２に示す変形例は、図１に示す基本的な実施形態に係る力検出装置の側面板１４０に、上方に開いたＵ字状のスリットＳを形成し、このスリットＳで囲まれた部分１４０Ａを変位板として用いるようにした例である。図示のとおり、Ｕ字状のスリットＳによって、側面板１４０は、スリットＳで囲まれた部分１４０Ａと、スリットＳの外側の脇板１４０Ｂとに別れることになる。そこで、このスリットＳで囲まれた部分１４０Ａを変位板として用いるようにすればよい。実際には、外側箱状構造体１００は、第１の側面板１４１〜第４の側面板１４４を有しているので、これら４枚の側面板にそれぞれ上方に開いたＵ字状のスリットＳ１〜Ｓ４を形成するようにし、第１の変位板１４１Ａ〜第４の変位板１４４Ａと、脇板１４１Ｂ〜１４４Ｂとを形成する。
【０１１４】
このように、各側面板にスリットＳが形成された外側箱状構造体１００に対して、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用すると、図２３に示すように、外側箱状構造体１００の全体的なフレーム構造は、平行四辺形に変形することになる。しかしながら、このフレーム構造を構成する部分は、脇板１４１Ｂ，１４２ＢといったスリットＳの外側の部分となるので、スリットＳの内側部分となる変位板１４１Ａ，１４２Ａは、変位天板１３０とともに、Ｘ軸正方向へ平行移動する。図２３を図８(b) と比べれば、このスリットＳの形成により、変位板１４１Ａ，１４２Ａの変位を増大させる効果が理解できよう。
【０１１５】
図２４は、外側箱状構造体１００を構成する４枚の側面板１４１〜１４４にそれぞれスリットＳ１〜Ｓ４を形成し、第１の変位板１４１Ａ〜第４の変位板１４４Ａと、脇板１４１Ｂ〜１４４Ｂとを形成した状態を示す上面図（受力体１１０および連結体１２０の図示は省略されている）である。ここで、互いに隣接する２つの側面板が交差するＺ軸に平行な辺を支柱と考えれば、図示のとおり、変位天板１３０の４隅の位置に存在する脇板１４１Ｂ〜１４４Ｂによって、合計４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４が形成されていることになる。そして、この４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４によって、変位天板１３０を支持する構造になっており、この４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４の弾性変形により、外側箱状構造体１００が変形することになる。
【０１１６】
別言すれば、図２２および図２４に示す外側箱状構造体１００は、外力の作用により弾性変形を生じる材料から構成された４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４を、基板２００上に垂直に立てた状態で接合し、これら４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４の上端に、変位天板として機能する上面板１３０の４隅を接合した構造なっている。しかも、互いに隣接する一対の支柱の間には、それぞれ変位板１４１Ａ〜１４４Ａが配置されており、これら変位板１４１Ａ〜１４４Ａの上辺は、上面板１３０の各一辺に接合されている。結局、各変位板１４１Ａ〜１４４Ａは、その上辺が上面板１３０の一辺に接合されることにより、基板２００上に支持されていることになる。
【０１１７】
このようなスリットＳを有する構造体を用いれば、受力体１１０に対して、Ｘ軸方向の力ＦｘやＹ軸方向の力Ｆｙが作用した際に、変位天板１３０側に形成された変位電極Ｆ１〜Ｆ５について生じる変位を、変位電極Ｆ６〜Ｆ９について生じる変位に比べて非常に小さくすることができるようになる。すなわち、前述した第１の条件が満足されることになる。
【０１１８】
図２５に上面図を示す変形例は、図２４に示す変形例に、更に改良を加えたものである（受力体１１０および連結体１２０の図示は省略されている）。図２４に示す変形例との相違点は、上面板１３０にも、４つの「Ｃ」字状のスリットＳＳ１〜ＳＳ４を形成した点である。この４つの「Ｃ」字状のスリットＳＳ１〜ＳＳ４は、いずれも「Ｃ」字の開口部が中央を向く形で形成されている。図２５はやや繁雑であるため、この上面板１３０のみを抽出した平面図を図２６に示す。この図でグレーで塗られた部分が、スリットＳＳ１〜ＳＳ４によって分割された各部である。
【０１１９】
すなわち、上面板１３０は、図示のとおり、中央に位置する変位天板１３１〜１３５と、その周囲に位置する周囲部１３６〜１３９と、これらを相互に接続する可撓性をもった４本のビームＢ１〜Ｂ４と、に分割されることになる。中央に位置する変位天板１３１〜１３５は、全体として、扇風機の羽根状をしており、この上面板１３０にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に位置する第１の翼状部１３１と、Ｘ軸の負の部分の投影像上に位置する第２の翼状部１３２と、Ｙ軸の正の部分の投影像上に位置する第３の翼状部１３３と、Ｙ軸の負の部分の投影像上に位置する第４の翼状部１３４と、原点Ｏの投影像上に位置し各翼状部１３１〜１３４の内側部分に接続している中心部１３５と、によって構成されている。要するに、変位天板は、上面板１３０の一部（すなわち、翼状部１３１〜１３４および中心部１３５の部分）から構成されることになる。
【０１２０】
また、互いに隣接する２つの翼状部の間にそれぞれ１本ずつのビームを配置することにより、中心部１３５は４本のビームＢ１〜Ｂ４により支持される構造になっている。すなわち、４本のビームＢ１〜Ｂ４の内側端は中心部１３５に接続され、外側端は周囲部１３６〜１３９に接続されている。したがって、中心部１３５に作用したＸＹ平面に沿った方向の力は、４本のビームＢ１〜Ｂ４により、周囲部１３６〜１３９へと伝達され、更に変位板１４１Ａ〜１４４Ａへと伝達される。なお、中心部１３５の上面の作用点Ｑには、連結体１２０が接続されており、受力体１１０に作用した外力が伝達されることになる。一方、４本のビームＢ１〜Ｂ４の外側端が接続されている作用点Ｑ１〜Ｑ４は、それぞれ支柱Ｌ１〜Ｌ４によって支えられている。結局、４本のビームＢ１〜Ｂ４の撓みにより、扇風機の羽根状をした変位天板全体が周囲部１３６〜１３９に対して変位することになる。しかも、周囲部１３６〜１３９は、作用点Ｑ１〜Ｑ４の位置において、支柱Ｌ１〜Ｌ４を介して基板２００に接続されている。
【０１２１】
上面板１３０をこのような構造にすれば、受力体１１０に対して、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が作用した際に、扇風機の羽根状の変位天板１３１〜１３５について大きな変位を生じさせることが可能になる。特に、翼状部１３１〜１３４の外周部分は、スリットＳＳ１〜ＳＳ４によって、周囲部１３６〜１３９と隔てられた自由端となっているため、比較的大きな変位を生じることができる。しかも、この翼状部１３１〜１３４の変位は、周囲部１３６〜１３９に直接伝達されることはない。連結体１２０から作用点Ｑへ伝達された力Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙは、翼状部１３１〜１３４には直接伝わることになるので、力Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙに基づいて、翼状部１３１〜１３４には効果的に変位が生じることになり、前述した原理に基づいて、これらの力の検出が効果的に行われる。一方、これらの力Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙは、４本のビームＢ１〜Ｂ４を介してのみ周囲部１３６〜１３９へと伝えられるので、周囲部１３６〜１３９に接続されている変位板１４１〜１４４までは、ほとんど伝わらないことになる。結局、前述した第２の条件、すなわち、受力体１１０に対して、力Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙが作用した際には、変位天板側に形成された変位電極Ｆ１〜Ｆ５については変位が生じるものの、変位板１４１〜１４４側に形成された変位電極Ｆ６〜Ｆ９について生じる変位は非常に小さくなる、という条件が満足される。
【０１２２】
図２７は、図２５に示す変形例に更に改良を加えた変形例を示す上面図である（受力体１１０および連結体１２０の図示は省略されている）。この変形例は、§３で述べたＺ軸まわりのモーメントＭｚを検出する機能をもった力検出装置の検出感度を向上させるメリットがある。図１３に示したように、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを検出する際には、外側箱状構造体１００全体が、Ｚ軸を中心として捩れるような変形を生じる必要がある。図２５に示す例のように、４本のビームＢ１〜Ｂ４により中心部１３５を支持する構造を採ると、この４本のビームＢ１〜Ｂ４が可撓性を有するようになるため、図１３に示すようなスリットなしの構造に比べれば、Ｚ軸を中心として捩れるような変形がはるかに生じやすくなっている。この図２７に示す変形例では、このＺ軸を中心とした捩れ変形を更に生じやすくするため、４本のビームの構造に工夫を凝らしている。
【０１２３】
すなわち、支柱Ｌ１〜Ｌ４と中心部１３５との間を接続する４本のビームは、図示のとおり、それぞれ外側に配置された水平ビームＢ１１，Ｂ２１，Ｂ３１，Ｂ４１と、中間に配置された中間ジョイントＢ１２，Ｂ２２，Ｂ３２，Ｂ４２と、内側に配置された垂直ビームＢ１３，Ｂ２３，Ｂ３３，Ｂ４３と、によって構成されている。図２７の左下に示されている第３のビームの拡大斜視図を図２８に示す。図示のとおり、水平ビームＢ３１は、主面が水平方向を向いたビームであり、垂直方向への撓みが生じやすい性質を有している。一方、垂直ビームＢ３３は、主面が垂直方向を向いたビームであり、水平方向への撓みが生じやすい性質を有している。中間ジョイントＢ３２は、これら２種類のビームを中間で接続する部材である。このようなビームを用いることにより、垂直方向への撓みと水平方向への撓みとの双方が生じやすい構造を実現することができ、Ｚ軸を中心とした捩れ変形を生じやすくすることができ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを効果的に検出することができるようになる。
【０１２４】
また、この図２７に示す変形例は、図２５に示す例と比べて、変位天板の形状も異なっている。すなわち、図２５に示す例では、二等辺三角形をした４枚の翼状部１３１〜１３４と中央に位置する円形状の中心部１３５とによって、扇風機の羽根状の変位天板が設けられていた。これに対して、この図２７に示す変形例では、円形状の中心部１３５に変わりはないが、４枚の翼状部１３１Ａ〜１３４Ａが、図示のような形に変更されている。この形状は、図２１に示す変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′に対応するものである。すなわち、この図２７に示す変形例では、上面板１３０全体が金属などの導電性材料で構成されており、図示の形状をした変位天板自身が、１枚の共通変位電極として機能することになる。なお、図２７では、図が繁雑になるのを避けるため、内側箱状構造体３００の図示は省略してあるが、実際には、固定天板３３０の上面の図２１に示すようなオフセットを生じた位置に、固定電極ＥＥ１′〜ＥＥ５′が配置されている。
【０１２５】
＜＜＜ §６． 制御部材を用いる実施形態 ＞＞＞
図２９は、図１９に示す実施形態に係る力検出装置に、制御部材４００を付加した変形例の構造を示す側断面図である。上述したように、図１９の実施形態に係る力検出装置では、受力体１１０に作用した外力を外側箱状構造体１００へと伝達させ、外側箱状構造体１００に生じた変形態様を認識することにより、作用した外力の検出が行われることになる。そのために、外側箱状構造体１００は、ある程度の可撓性を有しており、外力の作用により弾性変形を生じる構造となっている。しかしながら、受力体１１０に過度の外力が作用すると、外側箱状構造体１００に対して、弾性変形の領域を越えた力が加えられることになり、外力がなくなった後も、元の形状に復帰しなくなってしまったり、構造部に亀裂が発生したりするなど、機械的な損傷を被る可能性がある。
【０１２６】
この図２９に示す変形例は、このように、外側箱状構造体１００に過度の力が伝達されることにより、機械的な損傷が生じるのを防ぐために、受力体１１０の基板２００に対する変位を所定の範囲内に制限するための制御部材４００を設けた例である。この例では、図示のとおり、基板２００の外周部分から立ち上がるような制御部材４００を設けている。この制御部材４００には、図示のとおり、制御面４１１，４１２，４１３が形成されており、受力体１１０Ａが所定範囲を越えて変位しようとしたときに、この受力体１１０Ａに、制御面４１１，４１２，４１３が接触することにより、そのような過度の変位を妨げることができるようにしてある。この図２９に示す変形例における受力体１１０Ａは、図１９に示す受力体１１０よりも直径が大きな円盤からなり、その外周部分が、制御面４１１，４１２，４１３に対する対向面となっている。
【０１２７】
たとえば、この受力体１１０Ａの下方（−Ｚ軸方向）への変位は、制御面４１１によって、図示の寸法ｄ１以内となるように制御されている。もし、受力体１１０Ａに対して、下方への大きな力が作用したとしても、受力体１１０Ａの下方への変位が寸法ｄ１に達した段階で、受力体１１０Ａの底面が制御面４１１に接触することになり、それ以上の変位が生じないように制御される。
【０１２８】
また、受力体１１０Ａの上方（＋Ｚ軸方向）への変位は、制御面４１２によって、図示の寸法ｄ２以内となるように制御されている。もし、受力体１１０Ａに対して、上方への大きな力が作用したとしても、受力体１１０Ａの上方への変位が寸法ｄ２に達した段階で、受力体１１０Ａの上面が制御面４１２に接触することになり、それ以上の変位が生じないように制御される。
【０１２９】
更に、受力体１１０Ａの横方向（±Ｘ軸方向および±Ｙ軸方向）への変位は、制御面４１３によって、図示の寸法ｄ３以内となるように制限されている。もし、受力体１１０Ａに対して、横方向への大きな力が作用したとしても、受力体１１０Ａの横方向への変位が寸法ｄ３に達した段階で、受力体１１０Ａの側面が制御面４１３に接触することになり、それ以上の変位が生じないように制御される。
【０１３０】
なお、この図２９に示す力検出装置には、受力体１１０Ａがいずれかの制御面４１１，４１２，４１３に接触するような異常事態が生じた場合には、当該異常事態を電気的に検知することが可能な機能を備わっている。すなわち、この力検出装置では、受力体１１０Ａ、連結体１２０、変位天板１３０、変位板１４０、台座１５０が、金属などの導電性材料からなる一体構造体によって構成されており、また、制御部材４００も金属などの導電性材料によって構成されている。そして、台座１５０と制御部材４００との間には、絶縁層４２０が挿入されており、図示の状態では、台座１５０と制御部材４００とは、電気的に絶縁状態となるように構成されている。また、台座１５０に対しては、端子Ｔ１への配線がなされており、制御部材４００に対しては、端子Ｔ２への配線がなされている。
【０１３１】
ここで、両端子Ｔ１，Ｔ２間の電気的な導通状態を検知する回路を設けておけば、当該回路は、受力体１１０Ａと制御部材４００との接触状態を電気的な導通状態に基づいて検知する接触検知回路として機能する。すなわち、受力体１１０Ａと制御部材４００とが、いずれかの制御面４１１，４１２，４１３で接触すれば、この接触部分を介して、両端子Ｔ１，Ｔ２間が電気的な導通状態となるので、当該接触を電気的に検出することが可能になる。
【０１３２】
このような機能を利用すれば、この力検出装置に対して、所定の許容範囲を越える外力が加えられたときに、その事実を電気的に検知して何らかの警報を発したり、そのような事実の発生を記録したり、適切な処置を講じることができるようになる。
【０１３３】
図３０は、上述した図２９に示す力検出装置における制御面４１１に関する工夫を示す図であり、制御部材４００側の制御面４１１の構造例を示す拡大断面が示されている。図３０(a) に示すとおり、制御部材４００の制御面４１１の近傍に空洞部Ｖが形成されており、この空洞部Ｖが形成された表層部分によって、可撓性をもった肉薄部４３０が形成されている。しかも、この肉薄部４３０の表面には、導電性の接触突起４３１が設けられている。
【０１３４】
図３０(a) は、このような構造をもった制御面４１１と、受力体１１０Ａ側の対向面とが、所定間隔ｄ１を維持している状態を示している。ここで、受力体１１０Ａに対して、Ｚ軸負方向（図の下方向）に向けた外力−Ｆｚが作用した場合を考えると、図３０(b) に示すように、受力体１１０Ａは下方に移動し、その下面が接触突起４３１に接触することになる。この図３０(b) に示す状態になると、上述したように、両者が接触したことを電気的に検知することができるので、警報を発するなどの処置を講じることができる。そして、外力−Ｆｚが更に大きくなると、図３０(c) に示すように、肉薄部４３０に撓みが生じ、接触突起４３１は空洞部Ｖへ向けて潜り込むようになる。その結果、受力体１１０Ａの下面（制御面４１１に対する対向面）は、制御面４１１に完全に接触した状態になる。
【０１３５】
このような構成によるメリットは、受力体１１０Ａが制御面４１１に接触する直前の段階（すなわち、図３０(b) に示すように、接触突起４３１が受力体１１０Ａに接触した段階）において、電気的な接触検知が可能になり、警報を発するなどの処置をとることができる点である。別言すれば、図３０(c) に示す状態まで至ってしまうと、実際に受力体１１０Ａが制御面４１１に衝突してしまうため、この時点で警報を発するなどの処置を講じても、もはや手遅れであるが、図３０(b) の段階で警報を発するなどの処置を講じることができれば、図３０(c) の状態に至るのを防ぐことができる可能性がある。しかも、図３０(c) の状態に至ってしまったとしても、接触突起４３１は、空洞部Ｖへ向けて潜り込んだ状態となって保護されているため、破損することはない。
【０１３６】
なお、この図３０に示す例では、空洞部Ｖ、肉薄部４３０、接触突起４３１を、制御部材４００側の制御面４１１の近傍に形成しているが、逆に、受力体１１０Ａ側の対向面の近傍に形成するようにしてもかまわない。
【０１３７】
図３１は、制御面４１１に関する別な工夫を示す拡大断面図である。この例では、図３１(a) に示すように、制御面４１１に、先端部分が可塑変形を生じる導電性の錐状突起４４１が形成されている。もっとも、先端部分に可塑変形を生じさせるために、わざわざ錐状突起４４１の材質を、制御部材４００の材質と異ならせる必要はない。たとえば、制御部材４００として、アルミニウムなどの一般的な金属を使用し、錐状突起４４１も、同じ金属材料から構成するようにすれば、鋭利な先端部分は、ある程度の可塑変形を生じることになる。
【０１３８】
図３１(a) は、このような構造をもった制御面４１１と、受力体１１０Ａ側の対向面とが、所定間隔ｄ１を維持している状態を示している。ここで、受力体１１０Ａに対して、Ｚ軸負方向（図の下方向）に向けた外力−Ｆｚを作用させると、図３１(b) に示すように、受力体１１０Ａは下方に移動し、その下面が錐状突起４４１の先端部分に接触することになる。その結果、錐状突起４４１の先端部分は、図示のように押し潰され、錐状突起４４１は、先端が潰れた錐状突起４４１Ａへと変形する。この変形は可塑変形であるため、図３１(c) に示すように、外力−Ｆｚが取り除かれ、受力体１１０Ａと制御面４１１との間隔がもとの間隔ｄ１に復帰した後も、錐状突起４４１Ａの先端は潰れた状態のままになる。
【０１３９】
このような現象を踏まえると、図３１(a) に示すように、錐状突起４４１が設けられた制御面４１１は、正確な警報機能を実現する上で役立つことがわかる。これを具体例を挙げて説明しよう。たとえば、いま、受力体１１０Ａに対して、１ｋｇ以上の荷重が加わった場合には、何らかの異常警報を発することができる力検出装置を利用したい、という要望があったとする。このような要望に応じた力検出装置を製造するには、受力体１１０Ａと制御面４１１との間の寸法を正確に制御する必要がある。しかしながら、実際の量産プロセスを考えると、図示の寸法ｄ１が小さくなればなるほど、正確な寸法制御は困難になり、ロットごとに寸法値にばらつきが生じてしまう。したがって、あるロットについては、０．９ｋｇの荷重が加わった時点で警報が出てしまうが、別なロットについては、１．１ｋｇの荷重が加わるまでは警報が出なかった、というようなケースが生じることになり、正確に１ｋｇの荷重が加わった場合に警報を発することができる要望どおりの力検出装置を量産することは困難である。
【０１４０】
ところが、図３１(a) に示すような制御面４１１（錐状突起４４１が形成された制御面）を有する力検出装置を利用すれば、個々のロットごとの寸法精度が正確ではなくても、要望どおり、正確に１ｋｇの荷重が加わった場合に警報を発することができる装置を量産することが可能である。すなわち、図３１(a) に示す構造をもった装置を量産したら、次に、これらの装置の受力体１１０Ａに、それぞれ正確に１ｋｇの荷重を加える処理を行えばよい。この処理により、各ロットの錐状突起４４１は、図３１(b) に示すように、先端が潰れた錐状突起４４１Ａに変形することになり、その変形状態は、この１ｋｇの荷重を取り除いた後も、図３１(c) に示すように、可塑変形として維持されたままになる。このとき、もともとのロットの寸法精度が正確でなければ、この可塑変形の態様は、ロットごとに様々なものになる。しかしながら、いずれのロットも、受力体１１０Ａに再び１ｋｇの荷重を加えると、図３１(b) の状態になり、錐状突起４４１Ａの潰れた先端が、受力体１１０Ａの対向面に接触し、警報を発することができる、という点では共通した性質を有しており、いずれも要望どおりの仕様を満たすロットということになる。
【０１４１】
もちろん、このようなロットを使用中に、たとえば、１．２ｋｇの荷重が加えられてしまえば、錐状突起４４１Ａは更に変形してしまうため、もはや要望どおりの仕様を満たすロットにはならないが、少なくとも、１．２ｋｇの荷重が加えられた時点で、必ず警報が発せられることになるので、その時点で故障したロットとして取り扱うことができる。なお、錐状突起４４１は、必ずしも制御部材４００側の制御面４１１上に設ける必要はなく、受力体１１０Ａ側の対向面（制御面４１１に対する対向面）に設けるようにしてもかまわない。
【０１４２】
なお、錐状突起４４１Ａが形成された制御面４１１の下方に空洞部Ｖを形成し、表層部分に可撓性をもった肉薄部を形成しておけば（ちょうど、図３０(a)における接触突起４３１の代わりに錐状突起４４１Ａを形成した構造）、大きな荷重が加えられた場合に、錐状突起４４１Ａが空洞部Ｖ内に潜り込むことになるので、錐状突起４４１Ａの潰れた先端部の状態を維持することができる。この場合、図３１(a) に示す段階から錐状突起４４１の下方に空洞部Ｖを形成しておく必要があるので、図３１(b) に示す段階、すなわち、特定の荷重をかけて錐状突起４４１の先端を潰して錐状突起４４１Ａにする段階では、空洞部Ｖ内に一時的に何らかの詰め物をしておくようにして、力が空洞部Ｖへ逃げないようにすればよい。
【０１４３】
＜＜＜ §７． その他の変形例 ＞＞＞
以上、本発明を図示する実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。
【０１４４】
たとえば、上述の実施形態では、Ｘ軸距離センサ、Ｙ軸距離センサ、Ｚ軸距離センサ、傾斜度センサとして、いずれも静電容量式の力センサを用いているが、本発明に係る力検出装置を実現する上で、これらの各センサは、必ずしも静電容量式の力センサにする必要はなく、たとえば、ピエゾ抵抗式力センサ、圧電素子を用いた力センサなどを用いてもかまわない。ただ、構造を単純化する上では、上述の実施形態のように、静電容量式の力センサを用いるのが最も好ましい。
【０１４５】
また、最終的な力やモーメントの検出値を求める機能を果たす検出処理部２５０も、実際には種々の構成で実現できる。たとえば、個々の容量素子の静電容量値をアナログ電圧値として測定し、この測定値をデジタル信号に変換した後、ＣＰＵなどの演算装置を用いて、図１２や図１８の式に示す演算を実行する、という手法を採ることもできるし、個々の容量素子の静電容量値の測定値をアナログ電圧値のまま取り扱い、アナログ信号として最終的な検出値を出力する、という手法を採ることも可能である。後者の手法を採る場合は、各容量素子の電極を、必要に応じて、アナログ加算器やアナログ減算器からなるアナログ演算回路に接続するようにすればよい。
【０１４６】
それから、図２４に示す実施形態では、４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４により、上面板１３０を支持する構造を示したが、上面板１３０をＸＹ平面に沿ってスムーズに変位させることを考慮すると、この４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４は、可撓性をもった円柱状の支柱によって構成するのがより好ましい。また、内側箱状構造体３００の内部は中空にする必要はなく、何らかの材料が充填されていてもかまわない。
【０１４７】
最後に、図２９に示した制御部材４００の変形例を示しておく。図３２は、この変形例に係る制御部材４００および円盤状の受力体１１０Ａの上面図である。この例では、図示のとおり、制御面４１３の各座標軸上の位置に溝部４１５が形成されており、受力体１１０Ａの同位置に突起部１１１が形成されている。突起部１１１と溝部４１５との間には、ある程度の空隙が設けられているが、受力体１１０Ａに対して、過度のＺ軸まわりのモーメントＭｚが作用すると、突起部１１１が溝部４１５に接触し、それ以上の回転が制御される。結局、この図３２に示す変形例は、図２９に示す例の機能に加えて、更に、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚに起因する変位を制御する機能を有している。
【０１４８】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明に係る力検出装置によれば、できるたけ単純な構造により、力とモーメントとを区別して検出することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的実施形態に係る力検出装置の側面図であり（検出処理部２５０については、ブロックで示されている）、Ｚ軸が中心位置を通っている。
【図２】図１に示す力検出装置をＸＺ平面で切断した側断面図である。
【図３】図２に示す力検出装置の上面図である。
【図４】図２に示す力検出装置を切断線４−４で切った横断面図である。
【図５】図２に示す力検出装置を切断線５−５で切った横断面図である。
【図６】図２に示す力検出装置を切断線６−６で切った縦断面図である。
【図７】図２に示す力検出装置から外側箱状構造体１００を取り外して示した外側箱状構造体１００自身の下面図である。
【図８】図２に示す力検出装置におけるＸ軸方向の力Ｆｘの検出原理を示す模式図である。
【図９】図２に示す力検出装置におけるＺ軸方向の力Ｆｚの検出原理を示す模式図である。
【図１０】図２に示す力検出装置におけるＹ軸まわりのモーメントＭｙの検出原理を示す模式図である。
【図１１】図２に示す力検出装置における種々の力およびモーメント成分の検出原理を示す表である。
【図１２】図１１に示す表に基づいて、各力およびモーメント成分の検出を行うための演算式を示す図である。
【図１３】図２に示す力検出装置に、Ｚ軸まわりの正のモーメント＋Ｍｚが作用したときの状態を示す上面図である。
【図１４】図２に示す力検出装置におけるＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出原理を示す上面投影図である（ハッチングは、容量素子を構成する電極対の有効面積部分を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図１５】図２に示す力検出装置においてＺ軸まわりのモーメントＭｚの向きと大きさとの双方を検出する変形例の電極構成を示す上面投影図である。
【図１６】図１５に示す電極構成を有する力検出装置において、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出原理を示す上面投影図である（ハッチングは、容量素子を構成する電極対の有効面積部分を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図１７】図１５に示す電極構成を有する力検出装置における種々の力およびモーメント成分の検出原理を示す表である。
【図１８】図１７に示す表に基づいて、各力およびモーメント成分の検出を行うための演算式を示す図である。
【図１９】電極構成を単純化した実施形態に係る力検出装置の側断面図である。
【図２０】電極構成を単純化した別な実施形態に係る力検出装置の側断面図である。
【図２１】Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出に適した電極構成の一例を示す平面図である。
【図２２】本発明の実用的な実施形態に係る力検出装置の側面図である。
【図２３】図２２に示す力検出装置におけるＸ軸方向の力Ｆｘの検出原理を示す模式図である。
【図２４】図２２に示す力検出装置の上面図である（受力体１１０および連結体１２０の図示は省略されている）。
【図２５】図２２に示す力検出装置の変形例の上面図である（受力体１１０および連結体１２０の図示は省略されている）。
【図２６】図２５に示す変形例の上面板１３０の構造を示す図である。
【図２７】図２５に示す変形例に更に変形を加えた変形例を示す上面図である（受力体１１０および連結体１２０の図示は省略されている）。
【図２８】図２７に示す変形例に用いられているビームの拡大斜視図である。
【図２９】図１９に示す実施形態に変位を制御するための制御部材を付加した変形例を示す側断面図である。
【図３０】図２９に示す変形例における制御部材の構造例およびその動作を示す拡大断面図である。
【図３１】図２９に示す変形例における制御部材の別な構造例およびその動作を示す拡大断面図である。
【図３２】図２９に示す制御部材４００の変形例を示す上面図である。
【符号の説明】
１００…外側箱状構造体
１１０，１１０Ａ…受力体
１１１…突起部
１２０…連結体
１３０…変位天板（上面板）
１３１，１３１Ａ…第１の翼状部
１３２，１３２Ａ…第２の翼状部
１３３，１３３Ａ…第３の翼状部
１３４，１３４Ａ…第４の翼状部
１３５…中心部
１３６〜１３９…周囲部
１４０…変位板
１４０Ａ…変位板
１４０Ｂ…脇板
１４１…第１の変位板（側面板）
１４１Ａ…第１の変位板
１４１Ｂ…脇板
１４２…第２の変位板（側面板）
１４２Ａ…第２の変位板
１４２Ｂ…脇板
１４３…第３の変位板（側面板）
１４３Ａ…第３の変位板
１４３Ｂ…脇板
１４４…第４の変位板（側面板）
１４４Ａ…第４の変位板
１４４Ｂ…脇板
１５０…台座
１６０…絶縁層
２００…基板
２５０…検出処理部
３００…内側箱状構造体
３３０…固定天板（上面板）
３４１…第１の固定板（側面板）
３４２…第２の固定板（側面板）
３４３…第３の固定板（側面板）
３４４…第４の固定板（側面板）
４００…制御部材
４１１，４１２，４１３…制御面
４１５…溝部
４２０…絶縁層
４３０…肉薄部
４３１…接触突起
４４１…錐状突起
４４１Ａ…先端が潰れた錐状突起
Ｂ１〜Ｂ４…ビーム
Ｂ１１，Ｂ２１，Ｂ３１，Ｂ４１…水平ビーム
Ｂ１２，Ｂ２２，Ｂ３２，Ｂ４２…中間ジョイント
Ｂ１３，Ｂ２３，Ｂ３３，Ｂ４３…垂直ビーム
Ｃ１…第１の容量素子（Ｅ１およびＦ１）
Ｃ２…第２の容量素子（Ｅ２およびＦ２）
Ｃ３…第３の容量素子（Ｅ３およびＦ３）
Ｃ４…第４の容量素子（Ｅ４およびＦ４）
Ｃ５…第５の容量素子（Ｅ５およびＦ５）
Ｃ６…第６の容量素子（Ｅ６およびＦ６）
Ｃ７…第７の容量素子（Ｅ７およびＦ７）
Ｃ８…第８の容量素子（Ｅ８およびＦ８）
Ｃ９…第９の容量素子（Ｅ９およびＦ９）
ｄ１〜ｄ３…寸法値
Ｅ１…第１の固定電極
Ｅ２…第２の固定電極
Ｅ３…第３の固定電極
Ｅ４…第４の固定電極
Ｅ５…第５の固定電極
Ｅ６…第６の固定電極
Ｅ７…第７の固定電極
Ｅ８…第８の固定電極
Ｅ９…第９の固定電極
ＥＥ１，ＥＥ１′…第１の固定電極
ＥＥ２，ＥＥ２′…第２の固定電極
ＥＥ３，ＥＥ３′…第３の固定電極
ＥＥ４，ＥＥ４′…第４の固定電極
ＥＥ５′…第５の固定電極
Ｆ１…第１の変位電極
Ｆ２…第２の変位電極
Ｆ３…第３の変位電極
Ｆ４…第４の変位電極
Ｆ５…第５の変位電極
Ｆ６…第６の変位電極
Ｆ７…第７の変位電極
Ｆ８…第８の変位電極
Ｆ９…第９の変位電極
ＦＦ１，ＦＦ１′…第１の変位電極
ＦＦ２，ＦＦ２′…第２の変位電極
ＦＦ３，ＦＦ３′…第３の変位電極
ＦＦ４，ＦＦ４′…第４の変位電極
ＦＦ５′…第５の変位電極
Ｆｘ…Ｘ軸方向の力
Ｆｙ…Ｙ軸方向の力
Ｆｚ…Ｚ軸方向の力
Ｌ１〜Ｌ４…支柱
Ｍｘ…Ｘ軸まわりのモーメント
Ｍｙ…Ｙ軸まわりのモーメント
Ｍｚ…Ｚ軸まわりのモーメント
Ｐ１〜Ｐ４…作用点
Ｑ，Ｑ１〜Ｑ４…作用点
Ｓ，Ｓ１〜Ｓ４，ＳＳ１〜ＳＳ４…スリット
Ｔ１，Ｔ２…端子
Ｖ…空洞部
Ｗ１，Ｗ２…参照軸
Ｘ，Ｙ，Ｚ…座標軸
δ０，δ１，δ２…オフセット角度
θ…傾斜角
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットや産業機械の動作制御を行うために、種々のタイプの力検出装置が利用されている。また、電子機器の入力装置のマン・マシンインターフェイスとしても、小型の力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】
現在、一般に利用されている多軸力検出装置は、三次元構造体に作用した力の特定の方向成分を、特定の部分に生じた変位として検出するタイプのものと、特定の部分に生じた機械的な歪みとして検出するタイプのものに分類される。前者の変位検出タイプの代表格は、容量素子式の力検出装置であり、一対の電極により容量素子を構成しておき、作用した力によって一方の電極に生じた変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出するものである。たとえば、下記の特許文献１には、この静電容量式の力検出装置が開示されている。一方、後者の歪み検出タイプの代表格は、歪みゲージ式の力検出装置であり、作用した力によって生じた機械的な歪みを、ゲージ抵抗などの電気抵抗の変化として検出するものである。たとえば、下記の特許文献２には、この歪みゲージ式の力検出装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２１５６２７号公報
【特許文献２】
特開昭６１−２９２０２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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。しかしながら、これらの各成分をそれぞれ独立して検出するためには、従来は、変位検出タイプのものであれ、歪み検出タイプのものであれ、かなり複雑な三次元構造体をもった力検出装置を用いる必要があった。
【０００６】
そこで本発明は、できるたけ単純な構造により、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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明の第１の態様は、力検出装置において、
ＸＹＺ三次元座標系においてＸＹ平面に平行な上面を有する基板と、
Ｘ軸の正の部分と交差する平面に沿うように配置され、基板上に変位可能となるように支持された第１の変位板と、
Ｘ軸の負の部分と交差する平面に沿うように配置され、基板上に変位可能となるように支持された第２の変位板と、
Ｚ軸と第１の変位板との間に配置され、基板上に固定された第１の固定板と、
Ｚ軸と第２の変位板との間に配置され、基板上に固定された第２の固定板と、
第１の固定板の上辺付近と第２の固定板の上辺付近との間に架かる平面に沿うように配置され、基板上に固定された固定天板と、
固定天板の上方に配置され、基板に対して変位可能となるように支持され、第１の変位板の上辺および第２の変位板の上辺に対して、ＸＹ平面に沿った方向の力を伝達する変位天板と、
検出対象となる力を受けるために、変位天板の上方のＺ軸上に配置された受力体と、
受力体と変位天板とを接続するようにＺ軸に沿って配置された連結体と、
第１の変位板と第１の固定板との距離を検出する第１のＸ軸距離センサと、
第２の変位板と第２の固定板との距離を検出する第２のＸ軸距離センサと、
変位天板の固定天板に対する傾斜度を検出する傾斜度センサと、
変位天板の固定天板に対するＺ軸まわりの回転角を検出する回転角センサと、
第１のＸ軸距離センサの検出値と第２のＸ軸距離センサの検出値との差に基づいて、受力体に作用したＸ軸方向の力Ｆｘを検出し、傾斜度センサのＸ軸方向に関する傾斜度の検出値に基づいて、受力体に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙを検出し、回転角センサの検出値に基づいて、受力体に作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚを検出する検出処理部と、
を設けるようにしたものである。
【０００８】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る力検出装置において、
Ｙ軸の正の部分と交差する平面に沿うように配置され、基板上に変位可能となるように支持された第３の変位板と、
Ｙ軸の負の部分と交差する平面に沿うように配置され、基板上に変位可能となるように支持された第４の変位板と、
Ｚ軸と第３の変位板との間に配置され、基板上に固定された第３の固定板と、
Ｚ軸と第４の変位板との間に配置され、基板上に固定された第４の固定板と、
第３の変位板と第３の固定板との距離を検出する第１のＹ軸距離センサと、
第４の変位板と第４の固定板との距離を検出する第２のＹ軸距離センサと、
を更に設け、
検出処理部が、第１のＹ軸距離センサの検出値と第２のＹ軸距離センサの検出値との差に基づいて、受力体に作用したＹ軸方向の力Ｆｙを検出し、傾斜度センサのＹ軸方向に関する傾斜度の検出値に基づいて、受力体に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘを検出するようにしたものである。
【０００９】
(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る力検出装置において、
変位天板と固定天板との距離を検出するＺ軸距離センサを更に設け、
検出処理部が、Ｚ軸距離センサの検出値に基づいて、受力体に作用したＺ軸方向の力Ｆｚを検出するようにしたものである。
【００１１】
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１〜第３の態様に係る力検出装置において、
固定板の変位板に対する対向面に固定電極を形成し、変位板の固定板に対する対向面に変位電極を形成し、互いに対向する固定電極と変位電極とからなる容量素子によって、固定板と変位板との距離を検出する距離センサを構成し、容量素子の静電容量値に基づいて距離の検出ができるようにしたものである。
【００１２】
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１の態様に係る力検出装置において、
固定天板の上面にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に第１の固定電極を形成し、Ｘ軸の負の部分の投影像上に第２の固定電極を形成し、
変位天板の下面における、第１の固定電極に対向する位置に第１の変位電極を形成し、第２の固定電極に対向する位置に第２の変位電極を形成し、
第１の固定電極と第１の変位電極とによって第１の容量素子を構成し、第２の固定電極と第２の変位電極とによって第２の容量素子を構成し、これら２組の容量素子を傾斜度センサとして用い、第１の容量素子の静電容量値と第２の容量素子の静電容量値との差に基づいてＸ軸方向に関する傾斜度を検出するようにしたものである。
【００１３】
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第２の態様に係る力検出装置において、
固定天板の上面にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に第１の固定電極を形成し、Ｘ軸の負の部分の投影像上に第２の固定電極を形成し、Ｙ軸の正の部分の投影像上に第３の固定電極を形成し、Ｙ軸の負の部分の投影像上に第４の固定電極を形成し、
変位天板の下面における、第１の固定電極に対向する位置に第１の変位電極を形成し、第２の固定電極に対向する位置に第２の変位電極を形成し、第３の固定電極に対向する位置に第３の変位電極を形成し、第４の固定電極に対向する位置に第４の変位電極を形成し、
第１の固定電極と第１の変位電極とによって第１の容量素子を構成し、第２の固定電極と第２の変位電極とによって第２の容量素子を構成し、第３の固定電極と第３の変位電極とによって第３の容量素子を構成し、第４の固定電極と第４の変位電極とによって第４の容量素子を構成し、これら４組の容量素子を傾斜度センサとして用い、第１の容量素子の静電容量値と第２の容量素子の静電容量値との差に基づいてＸ軸方向に関する傾斜度を検出し、第３の容量素子の静電容量値と第４の容量素子の静電容量値との差に基づいてＹ軸方向に関する傾斜度を検出するようにしたものである。
【００１４】
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第４〜第６の態様に係る力検出装置において、
一対の容量素子を構成する固定電極と変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも広く設定し、変位電極が面方向へ所定範囲内の変位を生じた場合にも、静電容量値が変化しないようにしたものである。
【００１５】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第７の態様に係る力検出装置において、
固定板／固定天板もしくは変位板／変位天板を導電性材料によって構成し、固定板／固定天板自身もしくは変位板／変位天板自身を固定電極もしくは変位電極として用いるようにしたものである。
【００１６】
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第７の態様に係る力検出装置において、
導電性材料からなる変位天板と複数の変位板とを互いに接続することにより箱状構造体を形成し、この箱状構造体を単一の共通変位電極として用いるようにしたものである。
【００１７】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第１の態様に係る力検出装置において、
固定天板の上面に固定電極を形成し、変位天板の下面に変位電極を形成し、互いに対向する固定電極と変位電極とからなる容量素子によって、変位天板の固定天板に対するＺ軸まわりの回転角を検出する回転角センサを構成し、容量素子の静電容量値に基づいて回転角の検出ができるようにしたものである。
【００１８】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第１０の態様に係る力検出装置において、
変位電極を、固定電極に対向する位置に対して所定の回転方向にオフセットした位置に配置し、容量素子の静電容量値の増減に基づいて、回転角とともに回転方向の検出ができるようにしたものである。
【００１９】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第１１の態様に係る力検出装置において、
固定天板の上面にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に第１の固定電極を形成し、Ｘ軸の負の部分の投影像上に第２の固定電極を形成し、Ｙ軸の正の部分の投影像上に第３の固定電極を形成し、Ｙ軸の負の部分の投影像上に第４の固定電極を形成し、
変位天板の下面における、第１の固定電極に対向する位置に対して所定の回転方向にオフセットした位置に第１の変位電極を形成し、第２の固定電極に対向する位置に対して回転方向にオフセットした位置に第２の変位電極を形成し、第３の固定電極に対向する位置に対して回転方向にオフセットした位置に第３の変位電極を形成し、第４の固定電極に対向する位置に対して回転方向にオフセットした位置に第４の変位電極を形成し、
第１の固定電極と第１の変位電極とによって第１の容量素子を構成し、第２の固定電極と第２の変位電極とによって第２の容量素子を構成し、第３の固定電極と第３の変位電極とによって第３の容量素子を構成し、第４の固定電極と第４の変位電極とによって第４の容量素子を構成し、これら４組の容量素子の静電容量値の和の増減に基づいて、回転角とともに回転方向の検出ができるようにしたものである。
【００２０】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１〜１２の態様に係る力検出装置において、
底面が開口部となった直方体をなし、外力の作用により弾性変形を生じる材料から構成される外側箱状構造体を、底面が基板上に載置されるように接合し、外側箱状構造体の側面板もしくはその一部を変位板として用い、外側箱状構造体の上面板もしくはその一部を変位天板として用いるようにしたものである。
【００２１】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第１３の態様に係る力検出装置において、
外側箱状構造体の側面板に、上方に開いたＵ字状のスリットを形成し、このスリットで囲まれた部分を変位板として用いるようにしたものである。
【００２２】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述の第１４の態様に係る力検出装置において、
外側箱状構造体の４つの側面板に、それぞれ上方に開いたＵ字状のスリットを形成し、互いに隣接する２つの側面板が交差する辺を支柱として、合計４本の支柱により外側箱状構造体の上面板を支持する構造とし、この４本の支柱部分の弾性変形により、外側箱状構造体が変形するようにしたものである。
【００２３】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述の第１３〜第１５の態様に係る力検出装置において、
外側箱状構造体より小さな直方体をなす内側箱状構造体を、外側箱状構造体に収容した状態で基板上に接合し、この内側箱状構造体の側面板および上面板を固定板および固定天板として用いるようにしたものである。
【００２４】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述の第１〜第１２の態様に係る力検出装置において、
外力の作用により弾性変形を生じる材料から構成され、基板上に立てて接合された４本の支柱と、
これら４本の支柱の上端に４隅が接合された上面板と、
を設け、
互いに隣接する一対の支柱の間に変位板を配置し、この変位板の上辺を上面板の一辺に接合して支持するようにし、上面板もしくはその一部を変位天板として用いるようにしたものである。
【００２５】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述の第１３〜第１７の態様に係る力検出装置において、
上面板にスリットを形成することにより、上面板を、中央に位置する変位天板と、その周囲に位置する周囲部と、変位天板と周囲部とを接続する可撓性をもったビームと、に分割し、ビームの撓みにより、変位天板が周囲部に対して変位するようにし、周囲部が外側箱状構造体の側面板もしくは支柱を介して基板に接続されるようにしたものである。
【００２６】
(19) 本発明の第１９の態様は、上述の第１８の態様に係る力検出装置において、
上面板にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に位置する第１の翼状部と、Ｘ軸の負の部分の投影像上に位置する第２の翼状部と、Ｙ軸の正の部分の投影像上に位置する第３の翼状部と、Ｙ軸の負の部分の投影像上に位置する第４の翼状部と、原点Ｏの投影像上に位置し第１〜第４の翼状部の内側部分に接続している中心部と、によって、扇風機の羽根状をした変位天板を構成し、
互いに隣接する２つの翼状部の間に１本のビームを配置することにより、中心部が４本のビームにより支持されるようにし、
４本のビームの内側端は中心部に接続され、外側端は周囲部に接続され、中心部の上面には連結体が接続されているようにしたものである。
【００２７】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述の第１９の態様に係る力検出装置において、
個々のビームを、主面が水平方向を向いた水平ビームと、主面が垂直方向を向いた垂直ビームと、水平ビームと垂直ビームとを連結する中間ジョイントと、によって構成し、水平方向への撓みと垂直方向への撓みの双方が生じやすい構造としたものである。
【００２８】
(21) 本発明の第２１の態様は、上述の第１〜第２０の態様に係る力検出装置において、
受力体の基板に対する変位を所定範囲内に制限するために、受力体が所定範囲を越えて変位しようとしたときに、受力体に接触して変位を妨げる制御面を有する制御部材を設けるようにしたものである。
【００２９】
(22) 本発明の第２２の態様は、上述の第２１の態様に係る力検出装置において、
受力体と制御部材との少なくとも接触に関与する部分を導電性材料により構成し、両者の接触状態を電気的な導通状態に基づいて検知する接触検知回路を更に設けるようにしたものである。
【００３０】
(23) 本発明の第２３の態様は、上述の第２２の態様に係る力検出装置において、
制御部材の制御面の近傍もしくは受力体の制御面に対向する対向面の近傍に空洞部を形成し、この空洞部が形成された表層部分が可撓性をもった肉薄部を構成するようにし、この肉薄部の表面に導電性の接触突起を設け、対向面と制御面との接触が生じる前に、接触突起と対向面もしくは制御面とが接触することにより電気的な導通状態の検知が行われるようにしたものである。
【００３１】
(24) 本発明の第２４の態様は、上述の第２２の態様に係る力検出装置において、
制御部材の制御面もしくは受力体の制御面に対する対向面に、先端部分が可塑変形を生じる導電性の錐状突起を設けるようにしたものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示するいくつかの実施形態に基づいて説明する。
＜＜＜ §１． 基本的な実施形態の構造 ＞＞＞
【００３３】
はじめに、本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の構造を、図１〜図７を参照して説明する。図１は、この力検出装置の側面図である。この力検出装置の外観における大きな構成要素は、図示のとおり、上から順に、受力体１１０、連結体１２０、上面板１３０、側面板１４０、台座１５０、基板２００である。以下、便宜上、上面板１３０、側面板１４０、台座１５０によって構成される箱形の構造体を外側箱状構造体１００と呼ぶことにする。なお、検出処理部２５０は、この図では、ブロック図として描かれているが、実際には、後述する検出原理に基づく検出を行うためのアナログもしくはデジタル演算回路によって構成されている。
【００３４】
ここでは、説明の便宜上、受力体１１０の中心部に原点Ｏ、図の右方向にＸ軸、図の上方向にＺ軸、図の紙面に対して垂直で裏側へと向かう方向にＹ軸、をそれぞれとり、ＸＹＺ三次元座標系を定義する。基板２００の上面は、ＸＹ平面に平行な面になる。ここに示す力検出装置は、この座標系において、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの５成分を独立して検出することが可能である。§３では、更に、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを含めた６成分を検出可能な実施形態を説明する。
【００３５】
なお、本願では、「力」という文言は、特定の座標軸方向の力を意味する場合と、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。また、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。
【００３６】
図２は、この力検出装置をＸＺ平面で切断した側断面図である。受力体１１０の中心位置に座標系の原点Ｏが示されている。図示のとおり、外側箱状構造体１００は、底面が開口部となった中空の直方体の箱である。図１では、この外側箱状構造体１００を、上面板１３０、側面板１４０、台座１５０の３つの構成要素として示したが、実際には、側面板１４０は合計４枚存在する。以下、この４枚の側面板１４０を個別に参照するときには、第１の側面板１４１〜第４の側面板１４４と呼ぶことにする。台座１５０は、この外側箱状構造体１００を基板２００の上面に変位可能となるように支持するために設けたものであり、この力検出装置の動作に本質的な役割を果たすものではないが、実用上は設けるのが好ましい。外側箱状構造体１００の内部には、ひとまわり小さな内側箱状構造体３００が収容されている。この内側箱状構造体３００も、底面が開口部となった中空の直方体の箱となっており、１枚の上面板３３０と４枚の側面板３４１〜３４４とによって構成されている。
【００３７】
図３は、この力検出装置の上面図である。図示のとおり、この実施形態では、受力体１１０は円盤状の部材となっており、その下面中央部には、破線で示すとおり、円柱状の連結体１２０が接合されている。この円柱状の連結体１２０は、その中心にＺ軸が通っており、上端が受力体１１０の下面中央部に接続され、下端が上面板１３０の上面中央部に接続されている。上面板１３０は、正方形状の板であり、外側箱状構造体１００の上面を構成する。外側箱状構造体１００は、Ｚ軸を中心として配置されており、図に破線で示すとおり、Ｘ軸の正の領域上には第１の側面板１４１が位置し、Ｘ軸の負の領域上には第２の側面板１４２が位置し、Ｙ軸の正の領域上には第３の側面板１４３が位置し、Ｙ軸の負の領域上には第４の側面板１４４が位置している。第１の側面板１４１および第２の側面板１４２はＹＺ平面に平行であり、第３の側面板１４３および第４の側面板１４４はＸＺ平面に平行である。台座１５０は、各側面板１４１〜１４４の下辺の周囲を取り囲むフレーム構造をなし、底面が基板２００の上面に接合される。
【００３８】
図２の側断面図に示されているとおり、受力体１１０、連結体１２０、外側箱状構造体１００（上面板１３０、第１の側面板１４１〜第４の側面板１４４、台座１５０）は、同一の材質からなる一体構造をなし、この基本的な実施形態の場合、絶縁性材料によって構成されている。同様に、内側箱状構造体３００を構成する上面板３３０と第１の側面板３４１〜第４の側面板３４４も、同一の材質からなる一体構造をなし、この基本的な実施形態の場合、絶縁性材料によって構成されている。また、基板２００も絶縁性材料からなる基板である。もっとも、実用上は、§４で述べるとおり、受力体１１０、連結体１２０、外側箱状構造体１００は、金属などの導電性材料で構成するのが好ましい。
【００３９】
受力体１１０は、検出対象となる力を受けるために、上面板１３０の上方のＺ軸上に配置された構成要素である。この力検出装置は、この受力体１１０に作用した外力を検出する機能を有している。この受力体１１０に作用した力は、連結体１２０によって上面板１３０に伝達され、その結果、外側箱状構造体１００が変形を生じることになる。この力検出装置では、この外側箱状構造体１００の変形形態を認識することにより、受力体１１０に作用した外力の検出を行う。そのため、外側箱状構造体１００は、外力の作用により弾性変形を生じる可撓性をもった材質によって構成する必要がある。もっとも、側面板や上面板の厚みをある程度小さくすれば、多くの材料で弾性変形が生じるので、材料の選択に困難が生じることはない。
【００４０】
結局、外側箱状構造体１００を構成する上面板１３０および各側面板１４１〜１４４は、受力体１１０から伝達される外力により変位を生じることになる。そこで、以下、このような機能に着目して、各側面板１４１〜１４４を「変位板１４１〜１４４」と呼び、上面板１３０を「変位天板１３０」と呼ぶことにする。一方、内側箱状構造体３００を構成する上面板３３０および各側面板３４１〜３４４には、受力体１１０からの外力が作用しないので、基板２００に固定されたままの状態となる。そこで、以下、各側面板３４１〜３４４を「固定板３４１〜３４４」と呼び、上面板３３０を「固定天板３３０」と呼ぶことにする。
【００４１】
図２の側断面図にその一部分が示されているとおり、内側箱状構造体３００の外側面と外側箱状構造体１００の内側面には、複数の電極Ｅ１〜Ｅ９，Ｆ１〜Ｆ９が形成されている。ここでは、内側箱状構造体３００の外側面に形成された電極Ｅ１〜Ｅ９を固定電極と呼び、外側箱状構造体１００の内側面に形成された電極Ｆ１〜Ｆ９を変位電極と呼ぶ。文字どおり、固定電極Ｅ１〜Ｅ９は、内側箱状構造体３００を介して基板２００上に固定された電極であるが、変位電極Ｆ１〜Ｆ９は、外側箱状構造体１００の変形に伴って変位を生じる電極である。変位電極Ｆ１〜Ｆ９は、それぞれ固定電極Ｅ１〜Ｅ９に対向する位置に配置されている。
【００４２】
これらの各電極の形状および配置は、図４〜図７に明瞭に示されている。図４は、図２に示す力検出装置を切断線４−４で切った横断面図であり、断面状態で示す第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４に囲まれた外側箱状構造体１００の内部が現れている。特に、内側箱状構造体３００の上面を構成する固定天板３３０上に形成された５枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ５の形状および配置が明瞭に示されている。すなわち、固定天板３３０の上面にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に第１の固定電極Ｅ１が形成され、Ｘ軸の負の部分の投影像上に第２の固定電極Ｅ２が形成され、Ｙ軸の正の部分の投影像上に第３の固定電極Ｅ３が形成され、Ｙ軸の負の部分の投影像上に第４の固定電極が形成され、原点Ｏの投影像上に第５の固定電極Ｅ５が形成されている。ここで、第１の固定電極Ｅ１〜第４の固定電極Ｅ４は、同一サイズ、同一形状の電極となっており、ＸＺ平面もしくはＹＺ平面に関して対称となる位置に配置されている。一方、第５の固定電極Ｅ５は、Ｚ軸を中心軸とする円形の電極である。
【００４３】
一方、内側箱状構造体３００の４側面には、それぞれ固定電極Ｅ６〜Ｅ９が配置されており、これらに対向する位置に、それぞれ変位電極Ｆ６〜Ｆ９が配置されている。これらの電極配置は、図５に明瞭に示されている。図５は、図２に示す力検出装置を切断線５−５で切った横断面図であり、外側箱状構造体１００の各側面を構成する第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４と、内側箱状構造体３００の各側面を構成する第１の固定板３４１〜第４の固定板３４４と、がそれぞれ断面で示されており、各変位板１４１〜１４４の内側面に形成された変位電極Ｆ６〜Ｆ９と、各固定板３４１〜３４４の外側面に形成された固定電極Ｅ６〜Ｅ９も断面で示されている。
【００４４】
図６は、図２に示す力検出装置を切断線６−６で切った縦断面図であり、図２をちょうど右方向から覗いた状態が示されている。第１の固定板３４１上に形成された第６の固定電極Ｅ６は、図示のとおり長方形の板状電極である。ここでは、便宜上、４枚の固定電極Ｅ６〜Ｅ９および４枚の変位電極Ｆ６〜Ｆ９は、いずれも同一形状、同一サイズの板状電極として説明するが、後述するように、実用上は、互いに対向する一対の電極については、相互のサイズを若干変えるようにするのが好ましい。また、この図６では、電極Ｅ１／Ｆ１，電極Ｅ８／Ｆ８，電極Ｅ９／Ｆ９がそれぞれ所定間隔をおいて対向している様子も示されている。
【００４５】
図７は、図２に示す力検出装置から外側箱状構造体１００を取り外して示した外側箱状構造体１００自身の下面図である。フレーム状の台座１５０に囲まれた空間内に、この外側箱状構造体１００の内部の状態が示されている。奥に位置する変位天板１３０の下面には、図示のとおり、５枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ５が配置されているが、これは、図４に示す５枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ５にそれぞれ対向するものである。ここでは、便宜上、５枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ５は、それぞれ５枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ５と同一形状、同一サイズのものとして説明するが、後述するように、実用上は、サイズを若干変えるようにするのが好ましい。また、図７には、変位板１４１〜１４４の内側面に、それぞれ変位電極Ｆ６〜Ｆ９が形成されている状態も示されている。
【００４６】
結局、図２の側断面図に示されているように、外側箱状構造体１００と内側箱状構造体３００との間には空間が形成されており、この空間を利用して互いに向かい合うように、９組の電極対Ｅ１／Ｆ１〜Ｅ９／Ｆ９が形成されていることになる。ここで、内側箱状構造体３００の外側面に形成された電極Ｅ１〜Ｅ９は、いずれも内側箱状構造体３００を介して基板２００に固定された固定電極であるのに対し、外側箱状構造体１００の内側面に形成された電極Ｆ１〜Ｆ９は、いずれも外側箱状構造体１００の変形に伴って変位を生じる変位電極である。ここでは、説明の便宜上、９組の電極対Ｅ１／Ｆ１〜Ｅ９／Ｆ９によって構成される９組の静電容量素子を、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ９と呼ぶことにする。また、この容量素子Ｃ１〜Ｃ９の静電容量値についても、同じ符号Ｃ１〜Ｃ９を用いて表わすことにする。
【００４７】
容量素子Ｃ６〜Ｃ９の役割は、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４の変位を検出することにある。たとえば、図５の横断面図において、第１の変位板１４１がＸ軸正方向（図の右方向）に変位すると、第６の変位電極Ｆ６も同じ方向、すなわち、第６の固定電極Ｅ６から離れる方向に移動することになり、電極対Ｅ６／Ｆ６によって構成される容量素子Ｃ６の電極間距離が広がり、静電容量値Ｃ６は減少する。逆に、第１の変位板１４１がＸ軸負方向（図の左方向）に変位すると、容量素子Ｃ６の電極間距離が縮まり、静電容量値Ｃ６は増加する。
【００４８】
結局、容量素子Ｃ６の静電容量値Ｃ６は、第１の変位板１４１と第１の固定板３４１との距離を示すパラメータになる。同様に、電極対Ｅ７／Ｆ７によって構成される容量素子Ｃ７の静電容量値Ｃ７は、第２の変位板１４２と第２の固定板３４２との距離を示すパラメータになり、電極対Ｅ８／Ｆ８によって構成される容量素子Ｃ８の静電容量値Ｃ８は、第３の変位板１４３と第３の固定板３４３との距離を示すパラメータになり、電極対Ｅ９／Ｆ９によって構成される容量素子Ｃ９の静電容量値Ｃ９は、第４の変位板１４４と第４の固定板３４４との距離を示すパラメータになる。
【００４９】
また、容量素子Ｃ５の役割は、変位天板１３０のＺ軸方向に関する変位を検出することにある。たとえば、図２の側断面図において、変位天板１３０がＺ軸正方向（図の上方向）に変位すると、第５の変位電極Ｆ５も同じ方向、すなわち、第５の固定電極Ｅ５から離れる方向に移動することになり、電極対Ｅ５／Ｆ５によって構成される容量素子Ｃ５の電極間距離が広がり、静電容量値Ｃ５は減少する。逆に、変位天板１３０がＺ軸負方向（図の下方向）に変位すると、容量素子Ｃ５の電極間距離が縮まり、静電容量値Ｃ５は増加する。結局、容量素子Ｃ５の静電容量値Ｃ５は、変位天板１３０と固定天板３３０との距離を示すパラメータになる。
【００５０】
一方、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の役割は、変位天板１３０の固定天板３３０に対する傾斜度を検出することにある。たとえば、図２の側断面図において、受力体１１０に対して、Ｙ軸まわりの正のモーメント＋Ｍｙ（紙面に垂直な軸についての時計まわりのモーメント）が作用した場合を考える。この場合、受力体１１０に作用したモーメントは、連結体１２０を介して変位天板１３０へと伝達される。こうして伝達されたモーメントは、変位天板１３０に対して、図の右半分を下方へ変位させ、図の左半分を上方へ変位させる力を与える。その結果、変位天板１３０は、本来の水平状態に対して、図２における右側が下がり、左側が上がるように傾斜することになる。本明細書では、このような方向に関する傾斜度を、「Ｘ軸方向に関する傾斜度」と呼ぶことにする。
【００５１】
この「Ｘ軸方向に関する傾斜度」は、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の差として検出することが可能である。すなわち、変位天板１３０が上述のような傾斜状態になると、電極対Ｅ１／Ｆ１によって構成される容量素子Ｃ１の電極間距離は縮まり、静電容量値Ｃ１は増加する。一方、電極対Ｅ２／Ｆ２によって構成される容量素子Ｃ２の電極間距離は広がり、静電容量値Ｃ２は減少する。したがって、両者の差（Ｃ１−Ｃ２）は、変位天板１３０のＸ軸方向に関する傾斜度を示す値になる。また、変位天板１３０が、本来の水平状態に対して、図２における右側が上がり、左側が下がるような方向に傾斜すると、容量素子Ｃ１の電極間距離は広がり、静電容量値Ｃ１は減少し、容量素子Ｃ２の電極間距離は縮まり、静電容量値Ｃ２は増加する。したがって、その傾斜度は、やはり「Ｘ軸方向に関する傾斜度」として、両者の差（Ｃ１−Ｃ２）で求めることができる（ただし、このときの差（Ｃ１−Ｃ２）は負の値となる）。結局、Ｘ軸方向に関する傾斜の向きおよび大きさが、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の差として検出できることになる。
【００５２】
全く同様の原理により、Ｙ軸方向に関する傾斜の向きおよび大きさが、容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容量値の差（Ｃ３−Ｃ４）として検出できる。すなわち、変位天板１３０が、本来の水平状態に対して、図６（横がＹ軸方向となっている）における右側が下がり、左側が上がるような傾斜方向、もしくは逆に、右側が上がり、左側が下がるような傾斜方向に関する傾斜度を、「Ｙ軸方向に関する傾斜度」と呼ぶことにすれば、この「Ｙ軸方向に関する傾斜度」は、容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容量値の差として検出することが可能であり、その符号は、傾斜の向きを示すものになる。結局、容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、変位天板１３０の固定天板３３０に対する「Ｘ軸方向に関する傾斜度」と「Ｙ軸方向に関する傾斜度」とを検出する機能をもっていることになる。
【００５３】
＜＜＜ §２． 基本的な実施形態の検出動作 ＞＞＞
続いて、上述した基本的な実施形態に係る力検出装置による検出動作を説明する。既に述べたとおり、この力検出装置は、受力体１１０に加えられた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の５成分を検出することが可能である。
【００５４】
まず、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出原理を、図８の模式図を参照しながら説明する。図８(a) は、この力検出装置におけるＸ軸方向の力Ｆｘの検出およびＹ軸まわりのモーメントＭｙの検出に関与する構成要素を模式的に示すＸＺ平面図であり、何ら外力が作用していない状態を示している。§１で述べたとおり、基板２００は、ＸＹＺ三次元座標系においてＸＹ平面に平行な上面を有する基板であり、この基板２００の上に、第１の変位板１４１、第２の変位板１４２、第１の固定板３４１、第２の固定板３４２が配置されている。また、第１の変位板１４１の上端と第２の変位板１４２の上端との間に架かるように変位天板１３０が配置され、第１の固定板３４１の上端と第２の固定板３４２の上端との間に架かるように固定天板３３０が配置されている。
【００５５】
また、受力体１１０は、検出対象となる力を受けるために、変位天板１３０の上方のＺ軸上に配置された構成要素であり、連結体１２０は、受力体１１０と変位天板１３０とを接続するようにＺ軸に沿って配置された構成要素である。この例では、連結体１２０は、変位天板１３０の上面中央部に接続されており、受力体１１０に作用した外力は、連結体１２０を介して変位天板１３０へと伝達される。
【００５６】
図８(b) は、受力体１１０に対して、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの各部の変位状態を示す図である。図示のとおり、受力体１１０に作用した外力＋Ｆｘは、連結体１２０を介して変位天板１３０へと伝達され、変位天板１３０に対して、図の右方向へと移動させる力を作用させる。この力は、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２へも伝達され、第１の変位板１４１の上辺および第２の変位板１４２の上辺には、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用することになる。その結果、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２は、図示のとおり、Ｘ軸正方向に向かって角度θだけ傾斜する。§１で述べた構造では、第１の変位板１４１、第２の変位板１４２、変位天板１３０は、外側箱状構造体１００の一部によって構成されているので、この外側箱状構造体１００の側面が図示のような平行四辺形に変形することになる。
【００５７】
このような変形により、第１の変位板１４１と第１の固定板３４１との間の距離は広がり、第２の変位板１４２と第２の固定板３４２との距離は縮まる。これとは逆に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用したときは、各部の変位状態は図８(c) に示すようになる。すなわち、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２は、図示のとおり、Ｘ軸負方向に向かって角度θだけ傾斜する（ここでは、傾斜方向に符号を付して、このときの傾斜角度を−θと表している）。このような変形により、第１の変位板１４１と第１の固定板３４１との間の距離は縮まり、第２の変位板１４２と第２の固定板３４２との距離は広がる。
【００５８】
したがって、第１の変位板１４１と第１の固定板３４１との距離を検出する第１のＸ軸距離センサと、第２の変位板１４２と第２の固定板３４２との距離を検出する第２のＸ軸距離センサと、を設けておけば、これら両センサによる距離の検出値の差は、受力体１１０に作用したＸ軸方向の力Ｆｘを示すことになる。すなわち、この検出値の差の大きさは、力Ｆｘの絶対値を示し、この検出値の差の符号は、力Ｆｘの向きを示すものになる。
【００５９】
§１で述べた力検出装置では、図２の側断面図に示されているとおり、電極対Ｅ６／Ｆ６からなる第６の容量素子Ｃ６が第１のＸ軸距離センサとして機能し、電極対Ｅ７／Ｆ７からなる第７の容量素子Ｃ７が第２のＸ軸距離センサとして機能する。したがって、両容量素子Ｃ６，Ｃ７の静電容量値の差（Ｃ７−Ｃ６）を、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値として出力することができる。なお、差を求める式を（Ｃ６−Ｃ７）とせずに、（Ｃ７−Ｃ６）としているのは、容量素子を構成する電極対の距離の大小と静電容量値の大小の関係が逆になることを考慮し、正しい符号をもったＦｘを得るための配慮である。
【００６０】
以上、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出原理を述べたが、Ｙ軸方向の力Ｆｙの検出原理も全く同様である。受力体１１０にＹ軸方向の力Ｆｙが作用すると、第３の変位板１４３および第４の変位板１４４がＹ軸方向へ傾斜することになる。したがって、第３の変位板１４３と第３の固定板３４３との距離を検出する第１のＹ軸距離センサと、第４の変位板１４４と第４の固定板３４４との距離を検出する第２のＹ軸距離センサと、を設けておけば、これら両センサによる距離の検出値の差は、受力体１１０に作用したＹ軸方向の力Ｆｙを示すことになる。この場合も、検出値の差の大きさは、力Ｆｙの絶対値を示し、検出値の差の符号は、力Ｆｙの向きを示すものになる。
【００６１】
§１で述べた力検出装置では、図６の断面図に示されているとおり、電極対Ｅ８／Ｆ８からなる第８の容量素子Ｃ８が第１のＹ軸距離センサとして機能し、電極対Ｅ９／Ｆ９からなる第９の容量素子Ｃ９が第２のＹ軸距離センサとして機能する。したがって、両容量素子Ｃ８，Ｃ９の静電容量値の差（Ｃ９−Ｃ８）を、Ｘ軸方向の力Ｆｙの検出値として出力することができる。差を求める式を（Ｃ９−Ｃ８）としているのは、やはり正しい符号をもったＦｙを得るための配慮である。
【００６２】
次に、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出原理を、図９の模式図を参照しながら説明する。まず、何ら外力が作用していないときに、図９(a) に示す状態であるとしよう。この状態において、受力体１１０に対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したとすると、各部の変位状態は、図９(b) に示すようになり、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用したとすると、各部の変位状態は、図９(c) に示すようになる。なお、この模式図９(b) ，９(c) では、図示の便宜上、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２がＺ軸方向に伸縮することにより、変位天板１３０の位置が上下に変化した状態が示されているが、実際には、各部が互いに関わり合いを持ちながら、構造体全体として所定の変形が生じることになる。すなわち、実際には、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用した場合、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２はＺ軸方向に伸縮するとともに、基板２００に対して多少傾斜することになり、また、変位天板１３０自体も、面方向に伸びるとともに、上方もしくは下方に凸となるような変形を生じることになる。
【００６３】
実際の変形態様がどのようなものになるにせよ、受力体１１０に対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すれば、変位天板１３０と固定天板３３０との距離は広がることになり、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用すれば、変位天板１３０と固定天板３３０との距離は縮まることになる。したがって、両天板の距離を検出するＺ軸距離センサを設けておけば、このセンサによる距離の検出値は、受力体１１０に作用したＺ軸方向の力Ｆｚを示すことになる。すなわち、図９(a) に示す状態におけるこのＺ軸距離センサの検出値を基準値として決めておけば、距離の検出値が基準値より増加した場合には、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが検出されたことになり、その増加量が作用した力の大きさを示すことになる。逆に、距離の検出値が基準値より減少した場合には、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが検出されたことになり、その減少量が作用した力の大きさを示すことになる。
【００６４】
§１で述べた力検出装置では、図２の側断面図に示されているとおり、電極対Ｅ５／Ｆ５からなる第５の容量素子Ｃ５がＺ軸距離センサとして機能する。したがって、容量素子Ｃ５を、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値として利用することができる。ただ、容量素子を構成する電極対の距離の大小と静電容量値の大小の関係は逆になるので、静電容量値Ｃ５が基準値より増加した場合には、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが検出されたことになり（図９(c) の状態）、静電容量値Ｃ５が基準値より減少した場合には、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが検出されたことになる（図９(b) の状態）。
【００６５】
続いて、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出原理を、図１０の模式図を参照しながら説明する。まず、何ら外力が作用していないときに、図１０(a) に示す状態であるとしよう。この状態において、受力体１１０に対して、Ｙ軸まわりの正のモーメント＋Ｍｙが作用したとする。このようなモーメント＋Ｍｙは、図３に示す受力体１１０に対して、作用点Ｐ１を紙面垂直下方へ押し下げ、作用点Ｐ２を紙面垂直上方へと押し上げる力として作用することになる。したがって、この力検出装置の各部は、図１０(a) に示す状態から、図１０(b) に示す状態へと変位することになる。一方、これとは逆に、Ｙ軸まわりの負のモーメント−Ｍｙが作用したとすると、各部の変位状態は、図１０(c) に示すようになる。なお、この模式図１０(b) ，１０(c) においても、図示の便宜上、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２がＺ軸方向に伸縮することにより、変位天板１３０の位置が上下に変化した状態が示されているが、実際には、各部が互いに関わり合いを持ちながら、構造体全体として所定の変形が生じることになる。このため、実際には、第１の変位板１４１および第２の変位板１４２はＺ軸方向に伸縮するとともに、基板２００に対して多少傾斜することになり、また、変位天板１３０自体も撓みを生じることになる。
【００６６】
実際の変形態様がどのようなものになるにせよ、受力体１１０に対して、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙが作用すれば、変位天板１３０は固定天板３３０に対して、Ｘ軸方向に関する傾斜を生じることになる。したがって、変位天板１３０の固定天板３３０に対するＸ軸方向に関する傾斜度を検出する傾斜度センサを設けておけば、このセンサによる傾斜度の検出値は、受力体１１０に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙを示すことになる。すなわち、図１０(a) に示す状態における変位天板１３０の傾斜度を０とし、図１０(b) に示す方向へ傾斜したときの傾斜度を正の検出値として出力し、図１０(c) に示す方向へ傾斜したときの傾斜度を負の検出値として出力することができる傾斜度センサを用いれば、この傾斜度センサの出力は、受力体１１０に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙを示すものになる。
【００６７】
§１で述べた力検出装置では、既に述べたとおり、図４に示す４枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ４と、図７に示す４枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ４と、によって構成される４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４が、変位天板１３０の固定天板３３０に対する傾斜度を検出する傾斜度センサとして機能する。この傾斜度センサでは、Ｘ軸方向に関する傾斜度を、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（Ｃ１−Ｃ２）として検出することができるので、結局、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙは、（Ｃ１−Ｃ２）なる値として検出されることになる。
【００６８】
全く同様の原理により、受力体１１０に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘの検出も可能である。受力体１１０に対して作用するＸ軸まわりのモーメントＭｘは、図３に示す受力体１１０に対して、作用点Ｐ４を紙面垂直下方へ押し下げ、作用点Ｐ３を紙面垂直上方へと押し上げる力として作用することになる。したがって、変位天板１３０は固定天板３３０に対して、Ｙ軸方向に関する傾斜を生じることになる。§１で述べた力検出装置では、この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（Ｃ４−Ｃ３）として検出することができるので、結局、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘは、（Ｃ４−Ｃ３）なる値として検出されることになる。ここで、（Ｃ４−Ｃ３）としたのは、正しい符号をもったＭｘを得るための配慮である。
【００６９】
結局、§１で述べた基本的な実施形態に係る力検出装置を用いれば、受力体１１０に対して作用した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の５成分を、それぞれ符号を考慮して検出することが可能になる。図１１は、このような５成分の力がそれぞれ作用したときの各容量素子Ｃ１〜Ｃ９の静電容量値の変化の態様を、作用した力の符号を考慮して示すテーブルであり、「０」は変化なし、「＋」は増加、「−」は減少を示している。
【００７０】
この図１１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、図１にブロックとして示す検出処理部２５０として、９組の容量素子Ｃ１〜Ｃ９の静電容量値を測定する回路と、測定した各静電容量値を用いて、図１２に示す式に基づく演算を行う処理装置を用意しておけば、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの５成分を得ることができるようになる。
【００７１】
なお、この図１２に示す式は、得られる力の符号を考慮した式となっている。たとえば、Ｘ軸方向の力Ｆｘは、差（Ｃ７−Ｃ６）により求まり、Ｙ軸方向の力Ｆｙは、差（Ｃ９−Ｃ８）により求まるが、このときの差の符号は、各座標軸の正方向へ向かう力か、負方向へ向かう力か、を示している。同様に、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘは、差（Ｃ４−Ｃ３）により求まり、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙは、差（Ｃ１−Ｃ２）により求まるが、このときの差の符号は、各座標軸まわりの正方向のモーメント（右ネジを当該座標軸の正方向へ進めるための回転方向）か、負方向のモーメント（右ネジを当該座標軸の負方向へ進めるための回転方向）か、を示している。また、Ｚ軸方向の力Ｆｚについては、２組の容量素子の静電容量値の差ではなく、第５の容量素子Ｃ５の静電容量値Ｃ５単独で求めることになるので、前述したとおり、この容量値Ｃ５の所定の基準値に対する増加分もしくは減少分が、作用したＺ軸方向の力Ｆｚの大きさを示すものになる。なお、図１２の式では、Ｆｚ＝−Ｃ５となっており、先頭にマイナス符号を付加しているが、これは容量値Ｃ５の増減の関係と、力Ｆｚの符号とが逆であることを示すものである（Ｃ５の増加分は、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚを示し、Ｃ５の減少分は、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚを示す）。また、Ｚ軸方向の力Ｆｚは、図１１のテーブルからもわかるとおり、Ｆｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５）、またはＦｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）なる式でも求めることができる。
【００７２】
上述したとおり、図１１のテーブルにおいて、「＋」が記された欄は、該当する力の作用があると、該当する容量素子の静電容量値が増加することを示し、「−」が記された欄は、該当する力の作用があると、該当する容量素子の静電容量値が減少することを示している。このような静電容量値の増減変化が生じる理由は、既に図８〜図１０の模式図を用いて説明したとおりである。一方、図１１のテーブルにおいて、「０」が記された欄は、該当する力の作用があっても、該当する容量素子の静電容量値には変化が生じないことを示しているが、実際には、これらのすべての場合において、静電容量値の変化が完全に０になるわけではない。ここでは、この図１１のテーブルに「０」が記述されている各欄の妥当性について検証してみよう。
【００７３】
まず、図１１のテーブルにおける±Ｆｘの行や±Ｆｙの行を見ると、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の欄はいずれも「０」となっているが、これは、図８(b) ，図８(c) に示すような変形が生じた場合に、変位天板１３０と固定天板３３０との間の距離が全く変化しない、という前提に立ったものである。しかしながら、実際には、側面が図８(b) ，図８(c) に示すような平行四辺形に変形すると、変位天板１３０と固定天板３３０との間の距離は若干短くなるので、上述の各欄は「０」ではなく、「＋」になるはずである。また、受力体１１０にＸ軸方向の力Ｆｘのみが作用したとしても、変位天板１３０には、連結体１２０を介して力が伝達されるため、必ずしも変位天板１３０を図の右方向に平行移動させる力として伝達されるとは限らず、変位天板１３０が水平状態から若干傾斜する可能性もある。しかしながら、実際には、力±Ｆｘが作用したとき、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の変化は、容量素子Ｃ６，Ｃ７の静電容量値の変化に比べて小さく、力±Ｆｙが作用したとき、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の変化は、容量素子Ｃ８，Ｃ９の静電容量値の変化に比べて小さい。したがって、力ＦｘやＦｙが作用したときの容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の変化を無視しうる測定精度の範囲内では、これらの欄は実質的に「０」と考えることができる。
【００７４】
また、図１１のテーブルにおける±Ｆｘの行を見ると、容量素子Ｃ８，Ｃ９の欄も「０」となっているが、これは、図８(b) ，図８(c) に示すような変形が生じた場合に、第３の変位板１４３および第４の変位板１４４が垂直な状態を維持し、傾斜することはない、という前提に立ったものである。この前提も実際には必ずしも満足されるものではない。特に、§１で述べた基本的な実施形態では、外側箱状構造体１００が全体的に変形するため、上記前提が完全に満足されることはないと考えられる。ただ、こちらも「＋」や「−」を記した欄における静電容量値の変化に比べれば、通常は、無視しうる範囲内となるので、「０」と考えることができる。±Ｆｙの行の容量素子Ｃ６，Ｃ７の欄も同様である。
【００７５】
更に、図１１のテーブルにおける±Ｆｚの行において、容量素子Ｃ６〜Ｃ９の欄が「０」となっている理由も同様である。すなわち、図９(b) ，図９(c) に示すような変形が生じた場合に、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４は、必ずしも垂直な状態を維持するとは限らないので、容量素子Ｃ６〜Ｃ９の静電容量値は若干の変化を生じる可能性はあるが、通常は、無視しうる範囲と考えることができる。
【００７６】
次に、図１１のテーブルにおける±Ｍｘの行や±Ｍｙの行を見ると、容量素子Ｃ５の欄が「０」となっている。この容量素子Ｃ５の欄が「０」になっている理由は、図４に示す第５の固定電極Ｅ５および図７に示す第５の変位電極Ｆ５が、Ｘ軸およびＹ軸に関して対称な形状となっているため、図１０(b) ，図１０(c) に示すような変形が生じた場合でも、容量素子Ｃ５の電極間隔は、一部分は広がるが、別な一部分は縮まり、トータルとしては、静電容量値Ｃ５は変化しない、という考え方に基づくものである。したがって、容量素子Ｃ５の欄は、実際には、完全には０にならないかもしれないが、通常は「０」として取り扱っても問題はない。±Ｍｘの行の容量素子Ｃ１，Ｃ２の欄が「０」になっている理由や、±Ｍｙの行の容量素子Ｃ３，Ｃ４の欄が「０」になっている理由も同様であり、これらの場合の電極間隔は、一部分は広がるが、別な一部分は縮まり、トータルとしては変化しないと考えることができる。
【００７７】
また、図１１のテーブルにおける±Ｍｘの行や±Ｍｙの行の容量素子Ｃ６〜Ｃ９の欄が「０」になっている理由は、図１０(b) ，図１０(c) に示すような変形が生じた場合に、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４は、必ずしも垂直な状態を維持するとは限らないので、容量素子Ｃ６〜Ｃ９の静電容量値は若干の変化を生じる可能性はあるが、通常は、無視しうる範囲と考えることができるためである。
【００７８】
ところで、図１１に示すテーブルに「０」と記されているのに、厳密には「０」にはならない別な要因として、電極の有効面積も検討しておく必要がある。容量素子の静電容量値を決定するパラメータは、電極間の誘電率と、電極間隔と、電極面積である。これまでの説明では、容量素子の電極間隔にのみ着目して、静電容量値の変化を考えてきたが、容量素子の電極面積も、静電容量値を変えるパラメータになる。したがって、容量素子を構成する一対の対向電極に、平面的なずれが生じると、容量素子を構成する電極としての有効面積が減少することになり、静電容量値に変化が生じてしまう。
【００７９】
この点を考慮すると、たとえば、図１１のテーブルにおける±Ｆｘの行の容量素子Ｃ８，Ｃ９の欄は、電極の有効面積の変化の影響を受けることになり、この要因によっても、厳密には「０」にはならないことになる。たとえば、図５に示す構造において、外力＋Ｆｘの作用により、第１の変位板１４１や第２の変位板１４２が図の右方向に傾斜し、その結果、第３の変位板１４３や第４の変位板１４４の位置が若干でも図の右方向にずれたとすると、電極対Ｅ８／Ｆ８や電極対Ｅ９／Ｆ９の電極間隔に変化はなかったとしても、容量素子を構成する電極としての有効面積は減少することになり、静電容量値Ｃ８，Ｃ９に変化が生じることは避けられない。しかしながら、このような有効面積の変化に起因した静電容量値の変化が、「＋」や「−」を記した欄における静電容量値の変化に比べて無視しうる範囲内である限りは、上記各欄を「０」としても問題はない。
【００８０】
結局、図１１に示すテーブルにおいて「０」と記した欄は、厳密に言えば、静電容量値の変化が０になるわけではないが、「＋」や「−」と記した欄における変化の程度が、「０」と記した欄における変化の程度に対して十分に有意であれば、このテーブルに基づく検出原理により、５つの力成分をそれぞれ独立して検出することが可能になる。なお、図１１に示すテーブルにおいて「０」と記した欄に関する実際の静電容量値の変化を０に近付けるための工夫を、後の§４および§５で詳細に述べることにする。
【００８１】
ところで、§１で述べた力検出装置の場合、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４および変位天板１３０は、外側箱状構造体１００の側面および上面として用意され、第１の固定板３４１〜第４の固定板３４４および固定天板３３０は、内側箱状構造体３００の側面および上面として用意されているが、本発明を実施する上では、必ずしもこれらの箱状構造体を利用する必要はない。たとえば、Ｘ軸方向の力ＦｘとＹ軸まわりのモーメントＭｙを検出するのであれば、図８(a) に示す構造体のみを用意すれば十分である。
【００８２】
また、§１で述べた力検出装置の場合、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４、第１の固定板３４１〜第４の固定板３４４は、いずれも基板２００に対して垂直（ＹＺ平面またはＸＺ平面に平行）となるような配置をとっているが、原理的には、これらは必ずしも基板２００に対して垂直に配置する必要はない。
【００８３】
要するに、第１の変位板１４１は、Ｘ軸の正の部分と交差する平面に沿うように配置され、変位可能となるように基板２００上に直接もしくは弾性変形を生じる部材を介して間接的に支持されるようにし、第２の変位板１４２は、Ｘ軸の負の部分と交差する平面に沿うように配置され、変位可能となるように基板２００上に直接もしくは弾性変形を生じる部材を介して間接的に支持されるようにし、第３の変位板１４３は、Ｙ軸の正の部分と交差する平面に沿うように配置され、変位可能となるように基板２００上に直接もしくは弾性変形を生じる部材を介して間接的に支持されるようにし、第４の変位板１４４は、Ｙ軸の負の部分と交差する平面に沿うように配置され、変位可能となるように基板２００上に直接もしくは弾性変形を生じる部材を介して間接的に支持されるようにすればよい。
【００８４】
また、第１の固定板３４１は、Ｚ軸と第１の変位板１４１との間に配置され、基板２００上に何らかの形で固定されるようにし、第２の固定板３４２は、Ｚ軸と第２の変位板との間に配置され、基板２００上に何らかの形で固定されるようにし、第３の固定板３４３は、Ｚ軸と第３の変位板１４３との間に配置され、基板２００上に何らかの形で固定されるようにし、第４の固定板３４４は、Ｚ軸と第４の変位板との間に配置され、基板２００上に何らかの形で固定されるようにすればよい。
【００８５】
更に、固定天板３３０は、第１の固定板３４１の上辺付近と第２の固定板３４２の上辺付近との間に架かる平面に沿うように配置され、基板２００上に何らかの形で固定されるようにし、変位天板１３０は、固定天板３３０の上方に配置され、基板２００に対して変位可能となるように弾性変形を生じる部材を介して支持され、第１の変位板１４１の上辺および第２の変位板１４２の上辺に対して、ＸＹ平面に沿った方向の力を伝達できるように構成すればよい。
【００８６】
＜＜＜ §３． Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出 ＞＞＞
さて、§１で述べた基本的な実施形態に係る力検出装置について、§２において検出動作を説明し、図１２に示す式による演算を行うことにより、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙなる５つの力成分を別個独立して検出することができることを示した。ここでは、更に、第６の力成分、すなわち、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを検出するための工夫を述べる。
【００８７】
図１３は、この力検出装置の受力体１１０に対して、Ｚ軸まわりの正のモーメント＋Ｍｚが作用したときの状態を示す上面図である。このモーメント＋Ｍｚは、図示のとおり、受力体１１０を反時計まわりに回転させる力であり、受力体１１０上の作用点Ｐ１〜Ｐ４を、Ｚ軸を中心として反時計まわりに移動させる力ということになる。このような力は、連結体１２０を介して変位天板１３０に対して捩れの力として伝達されることになるので、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４は図示のように撓み、変位天板１３０も反時計まわりに回転することになる。もちろん、このときの回転角は、作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚの大きさに応じたものになる。したがって、変位天板１３０の固定天板３３０に対するＺ軸まわりの回転角を検出する回転角センサを設けておけば、この回転角センサの検出値に基づいて、受力体１１０に作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚを検出することが可能になる。
【００８８】
実は、この回転角の大きさは、第１の容量素子Ｃ１〜第４の容量素子Ｃ４を利用して検出することが可能である。その原理を、図１４の上面投影図を参照しながら説明する。図１４(a) は、§１で述べた基本的な実施形態に係る力検出装置において、何ら外力が作用していない状態における固定天板３３０の上面に形成された５枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ５と、変位天板１３０の下面に形成された５枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ５と、の位置関係を示す上面投影図である。ここで、ハッチングは、容量素子を構成する電極対の有効面積を示すためのものであり、断面を示すものではない。この状態では、図示のとおり、５枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ５の上に、５枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ５が完全に重なった状態となっており、実際の電極の全面積（ハッチング部分）に相当する領域が、容量素子として貢献する。
【００８９】
ところが、図１３に示すように、Ｚ軸まわりの正のモーメント＋Ｍｚが作用し、変位天板１３０が反時計まわりに回転すると、各電極の位置関係は、図１４(b) に示すように変化する。すなわち、中央に配置された円形の固定電極Ｅ５および変位電極Ｆ５の位置関係には変化ないものの、４枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ４（破線で示す）は、反時計まわりに移動するため、ハッチングを施して示した有効面積は減少することになる。したがって、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値はすべて減少する。このとき、電極対Ｅ５／Ｆ５からなる容量素子Ｃ５の静電容量値は変化しないので、Ｃ５に変化がないのに、Ｃ１〜Ｃ４に変化が生じた場合には、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが作用したものと判断することができる。
【００９０】
このような原理を利用すれば、§１で述べた基本的な実施形態に係る力検出装置によっても、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの大きさを検出することは可能である。しかしながら、モーメントＭｚの向きの検出を行うことはできない。すなわち、Ｚ軸まわりの負のモーメント−Ｍｚが作用し、変位天板１３０が時計まわりに回転した場合を考えると、各電極の位置関係は、図１４(c) に示すように変化するものの、静電容量値Ｃ１〜Ｃ４の値は、やはり減少することになる。したがって、Ｃ５に変化がないのに、Ｃ１〜Ｃ４に変化が生じた場合、その変化の程度は、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの大きさを示すものになるが、いずれの向きのモーメントが作用したか（すなわち、Ｍｚの符号）を特定することはできない。
【００９１】
Ｚ軸まわりのモーメントＭｚについて、その向き（符号）を考慮した検出を行うためには、変位電極Ｆ１〜Ｆ４を、固定電極Ｅ１〜Ｅ４に対向する位置に対して所定の回転方向にオフセットした位置に配置すればよい。そうすれば、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の増減に基づいて、回転角とともに回転方向の検出ができるようになる。これを具体例で示そう。
【００９２】
たとえば、固定天板３３０の上面には、図１５(a) に示すような５枚の固定電極ＥＥ１〜ＥＥ５を形成しておく。すなわち、固定天板３３０の上面にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に第１の固定電極ＥＥ１を形成し、Ｘ軸の負の部分の投影像上に第２の固定電極ＥＥ２を形成し、Ｙ軸の正の部分の投影像上に第３の固定電極ＥＥ３を形成し、Ｙ軸の負の部分の投影像上に第４の固定電極ＥＥ４を形成し、原点Ｏの投影像上に第５の固定電極ＥＥ５を形成する。この例では、固定電極ＥＥ１〜ＥＥ４を扇形にしているが、必ずしも扇形にする必要はない。また、第５の固定電極ＥＥ５は、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出に用いるものであり、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出に用いられるものではない。
【００９３】
一方、変位天板１３０の下面には、図１５(b) に示すような５枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５を形成しておく。なお、この図１５(b) は、変位天板１３０の下面を示すものではなく、固定天板３３０に対する５枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５の位置を示すものであり、いわば、変位天板１３０の下面に形成された５枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５を、固定天板３３０上面に投影したときの投影像を示すものである。したがって、この図１５(b) では、固定天板３３０および５枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５を破線で示してある。
【００９４】
図１５(a) および(b) には、いずれも参照軸Ｗ１，Ｗ２を破線で示してある。この参照軸Ｗ１，Ｗ２は、固定天板３３０の上面を構成する正方形の対角線に相当するものである。図１５(a) に示す各参照軸Ｗ１，Ｗ２と各固定電極ＥＥ１〜ＥＥ４との位置関係を、図１５(b) に示す各参照軸Ｗ１，Ｗ２と各変位電極ＦＦ１〜ＦＦ４との位置関係と比較すれば、変位電極ＦＦ１〜ＦＦ４が時計まわりの方向に所定の回転角だけオフセットした位置に配置されていることがわかる。たとえば、第１の変位電極ＦＦ１は、第１の固定電極ＥＥ１に対向する位置に対して時計まわりの方向に所定の回転角だけオフセットした位置に配置されている。
【００９５】
図１６は、このようなオフセット配置された電極構成をもつ力検出装置についての電極の有効面積の変化を示すための上面投影図である。この図においても、ハッチングは、容量素子を構成する電極対の有効面積を示すためのものであり、断面を示すものではない。まず、図１６(a) には、何ら外力が作用していない状態における固定天板３３０の上面に形成された５枚の固定電極ＥＥ１〜ＥＥ５（実線で示す）と、変位天板１３０の下面に形成された５枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５（破線で示す）と、の位置関係が示されている。この状態では、図示のとおり、４枚の固定電極ＥＥ１〜ＥＥ４に対して、４枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ４が、オフセット角度δ０だけずれた状態となっている。この状態での容量素子を構成する電極としての有効面積は、図にハッチングを施して示した領域の面積ということになる。
【００９６】
ここで、Ｚ軸まわりの正のモーメント＋Ｍｚが作用し、変位天板１３０が反時計まわりに回転すると、各電極の位置関係は、図１６(b) に示すように変化する。すなわち、オフセット角度がδ１に減少し、電極の有効面積は増加する。これは、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値が増加することを意味する。逆に、Ｚ軸まわりの負のモーメント−Ｍｚが作用し、変位天板１３０が時計まわりに回転すると、各電極の位置関係は、図１６(c) に示すように変化する。すなわち、オフセット角度がδ２に増加し、電極の有効面積は減少する。これは、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値が減少することを意味する。したがって、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の和を求めるようにすれば、この和の増減に基づいて、回転角とともに回転方向の検出ができるようになる。
【００９７】
図１７に示すテーブルは、図１１に示すテーブルに、Ｚ軸まわりのモーメント±Ｍｚの行を追加したものであり、図１８に示す式は、図１２に示す式に、Ｍｚについての式を追加したものである。結局、§１で述べた力検出装置における固定電極Ｅ１〜Ｅ５および変位電極Ｆ１〜Ｆ５の代わりに、図１５(a) に示す固定電極ＥＥ１〜ＥＥ５および図１５(b) に示す変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５を用いるようにすれば、図１７のテーブルに示す原理による検出が可能になり、図１８の式に示されているとおり、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６つの成分を独立して検出することが可能になる。
【００９８】
なお、図１７のテーブルからも明らかなように、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値がすべて増加もしくは減少したとしても、そのような増減の要因は、すべてがＺ軸まわりのモーメントＭｚの作用に基づくものであるとは限らない。これは、Ｚ軸方向の力Ｆｚの作用によっても、容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の増減が生じるためである。これに対して、容量素子Ｃ５の静電容量値の増減は、専らＺ軸方向の力Ｆｚの作用によるものである。したがって、Ｚ軸方向の力Ｆｚが作用する環境下では、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の和に対して、Ｚ軸方向の力Ｆｚの作用に起因する分を除外する補正を行い、補正後の値をＺ軸まわりのモーメントＭｚとして用いるようにする必要がある。図１８のＭｚの式に示されている補正項ｆ（Ｆｚ）は、このような補正を行うための項である。
【００９９】
＜＜＜ §４． 電極構成を単純化した実施形態 ＞＞＞
§１で述べた実施形態では、合計９組の容量素子Ｃ１〜Ｃ９を構成するために、内側箱状構造体３００側に９枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ９を形成し、外側箱状構造体１００側に９枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ９を形成し、合計１８枚の電極を用いていた。しかしながら、９組の容量素子を構成するためには、必ずしも１８枚の電極は必要ない。たとえば、９枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ９を単一の共通固定電極とすることも可能であるし、９枚の変位電極Ｆ１〜Ｆ９を単一の共通変位電極とすることも可能である。ここで述べる実施形態は、後者の例であり、内側箱状構造体３００側には、９枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ９を形成する必要があるものの、外側箱状構造体１００側には、単一の共通変位電極を構成することにより、電極構成を単純化したものである。
【０１００】
しかも、ここで述べる実施形態では、外側箱状構造体１００を導電性材料によって構成することにより、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４および変位天板１３０自身を変位電極として利用するようにしているため、実質的な電極構成は、内側箱状構造体３００側に９枚の固定電極Ｅ１〜Ｅ９を用意するだけですむ。
【０１０１】
図１９は、この§４で述べる実施形態に係る力検出装置の基本構造を示す側断面図（ＸＺ平面で切断した図）であり、§１で述べた実施形態における図２に相当する図である。図２に示す力検出装置との相違は、受力体１１０、連結体１２０、外側箱状構造体１００（変位天板１３０、第１の変位板１４１〜第４の変位板１４４、台座１５０）が導電性材料によって構成されている点と、変位電極Ｆ１〜Ｆ９がすべて省略されている点だけである。外側箱状構造体１００全体が導電性材料から構成されているため、外側箱状構造体１００の各固定電極Ｅ１〜Ｅ９に対向する部分がそれぞれ変位電極Ｆ１〜Ｆ９としての機能を果たすことになる。別言すれば、外側箱状構造体１００自身が単一の共通変位電極として機能することになる。この図１９に示す力検出装置の検出動作は、図２に示す力検出装置の検出動作と全く同様であり、§２で述べたとおりである。
【０１０２】
このように、図１９に示す力検出装置は、図２に示す力検出装置に比べて、機械的な構造が単純になるという利点を有しているが、利点はそれだけではない。§２では、図１１に示すテーブルに「０」と記されているのに、厳密には「０」にはならない要因のひとつとして、電極の有効面積の変化を挙げた。たとえば、図２に示す力検出装置の場合、図５に示す構造において、外力＋Ｆｘの作用により、第１の変位板１４１や第２の変位板１４２が図の右方向に傾斜し、その結果、第３の変位板１４３や第４の変位板１４４の位置が若干でも図の右方向にずれると、電極対Ｅ８／Ｆ８や電極対Ｅ９／Ｆ９の有効面積が減少することになり、静電容量値Ｃ８，Ｃ９に変化が生じることは既に述べた。ところが、図１９に示す力検出装置では、このような要因による静電容量値の変化は生じることがない。
【０１０３】
具体的に説明すれば、図１９に示す力検出装置では、固定電極Ｅ６と、変位板１４１の一部分（固定電極Ｅ６に対向した領域）からなる変位電極とによって、容量素子Ｃ６が形成されることになるが、ここで変位板１４１がいかに変位しようとも、容量素子Ｃ６を構成する電極有効面積は一定である。要するに、一対の容量素子を構成する固定電極と変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも広く設定しておけば、変位電極が面方向へ所定範囲内の変位を生じた場合にも、静電容量値が変化しないようにすることができる。図１９に示す力検出装置の場合、外側箱状構造体１００が単一の共通変位電極となっているため、変位電極の面積は常に固定電極の面積よりも広く設定されることになり、変位電極が面方向へ変位しても、静電容量値は変化しないことになる。
【０１０４】
外側箱状構造体１００を構成するための導電性材料としては、金属が最も適している。この力検出装置による検出原理によれば、外側箱状構造体１００は、ある程度の自由度をもって弾性変形する必要がある。金属は、ある程度の弾性変形の性質をもち、導電性をもち、しかも堅牢性を兼ね備えている。この図１９に示す力検出装置の場合、たとえば、受力体１１０、連結体１２０、外側箱状構造体１００は、アルミニウムなどの金属によって構成することができる。また、基板２００や内側箱状構造体３００は、たとえば、セラミックなどの絶縁体によって構成することができる。ただ、温度環境の変化に起因する各部の熱膨張により、容量素子の電極間隔に変化が生じることをできるだけ避けるには、すべての部分をアルミニウムなどの同一金属で形成するのが好ましい。この場合、固定電極Ｅ１〜Ｅ９を電気的に分離状態にする必要があるので、たとえば、内側箱状構造体３００の外面に、セラミック基板を接着し、その上に各固定電極Ｅ１〜Ｅ９を形成するようにすればよい。セラミック基板は、絶縁性に優れ、熱膨張係数も小さいので、上記の用途には最適である。もちろん、本発明を実施するにあたって、各部の材質は何ら特定の材質に限定されるものではない。
【０１０５】
なお、図１９に示す構成では、§３で述べたように、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを検出する機能をもった力検出装置を実現することはできない。なぜなら、導電性をもった変位天板１３０自身が、固定電極Ｅ１〜Ｅ４に対する単一の共通変位電極として機能するため、変位天板１３０にＺ軸まわりの回転変位が生じたとしても、容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する電極としての有効面積に変化が生じないためである。
【０１０６】
そこで、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを検出する機能をもった力検出装置を実現するには、図２０に側断面図を示すような構成をとればよい。この力検出装置は、外側箱状構造体１００全体が導電性材料から構成されている点については、図１９に示す力検出装置と同様であるが、変位天板１３０の下面には絶縁層１６０を介して５枚の変位電極ＦＦ１〜ＦＦ５が形成されており、固定天板３３０の上面には、これらに対向するように、５枚の固定電極ＥＥ１〜ＥＥ５が形成されている。ここで、変位電極ＦＦ１〜ＦＦ４および固定電極ＥＥ１〜ＥＥ４は、図１５に示すように配置されており、所定の回転方向についてオフセットが生じるようになっている。
【０１０７】
図２１は、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを検出する機能をもった力検出装置を実現する上で、最も好ましいと考えられる固定電極および変位電極の電極構成の一例を示す平面図である。図に示す５枚の電極ＥＥ１′〜ＥＥ５′は、固定天板３３０の上面に配置されている固定電極であり、これらに対向する電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′は、変位天板１３０の下面に配置されている変位電極である。図２１は、固定電極ＥＥ１′〜ＥＥ５′の上方に変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′が配置されている状態を示す平面図であり、固定電極ＥＥ１′〜ＥＥ５′のうちの破線で示す部分は、変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′の下に隠れている部分である。図示のとおり、変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ４′と、固定電極ＥＥ１′〜ＥＥ４′との間には、所定の回転方向についてオフセットが生じている。
【０１０８】
なお、５枚の電極ＥＥ１′〜ＥＥ５′は、図示のとおり、それぞれが物理的に独立した電極であるのに対し、変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′は互いに融合した単一の共通変位電極を構成している。このように、変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′を単一の共通変位電極にしても、５組の容量素子Ｃ１〜Ｃ５が形成されることに変わりはなく、図１７のテーブルに示す原理に基づいて６つの力成分の検出が可能である。
【０１０９】
また、図２１に示す電極構成では、変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′を単一の共通変位電極にするとともに、個々の変位電極の面積が常に固定電極の面積よりも広くなるように設定されている。このため、変位電極が面方向（ＸＹ平面に平行な方向）へ変位しても、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚとして誤検出されることを防ぐことができる。たとえば、図２１に示す状態から、変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′全体が図の右方向に若干平行移動したとしても（力＋Ｆｘが加わると、そのような平行移動が生じる）、電極対ＥＥ１′／ＦＦ１′に関する有効面積や、電極対ＥＥ２′／ＦＦ２′に関する有効面積は変化することがない。このとき、電極対ＥＥ３′／ＦＦ３′に関する有効面積は増加するが、逆に、電極対ＥＥ４′／ＦＦ４′に関する有効面積は減少するので、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の総和に変化は生じない。図１８に示す式において、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の総和によって検出するようにしているのは、このような利点を配慮したものである。なお、図２１に示すような電極構成にすると、力＋Ｆｘが加わったときに、上述したように、静電容量値Ｃ３は増加し、Ｃ４は減少するため、図１７のテーブルにおける±Ｍｘの欄と同様の容量値変化が生じることになる。しかしながら、電極の有効面積の増減に起因する容量変化は、電極間隔の増減に起因する容量変化に比べれば十分小さいので、Ｘ軸方向の力Ｆｘが、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘとして有意に検出されることはない。同様にＹ軸方向の力Ｆｙが、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙとして有意に検出されることはない。
【０１１０】
＜＜＜ §５． 実用的な構造をもった実施形態 ＞＞＞
§１で述べた基本的な実施形態に係る力検出装置では、底面が開口部となった直方体をなし、外力の作用により弾性変形を生じる材料から構成される外側箱状構造体１００を、その底面が基板２００上に載置されるように接合し、この外側箱状構造体１００の４枚の側面板１４１〜１４４を変位板として用い、この外側箱状構造体１００の上面板１３０を変位天板として用いるようにしていた。また、この外側箱状構造体１００より小さな直方体をなす内側箱状構造体３００を、外側箱状構造体１００に収容した状態で基板２００上に接合し、この内側箱状構造体３００の４枚の側面板３４１〜３４４および上面板３３０を固定板および固定天板として用いるようにしていた。
【０１１１】
このように、外側箱状構造体１００や内側箱状構造体３００を用いると、比較的単純な構造により、本発明の実施に必要な構成要素を必要な位置に配置することができるので便利である。しかしながら、この§１で述べた基本的な実施形態に係る構造では、必ずしも十分な精度をもった測定を行うことはできない。その理由は、§２で述べたとおり、図１１あるいは図１７のテーブルにおいて、「０」が記された欄は、該当する力の作用があっても、該当する容量素子の静電容量値には変化が生じないことを示しているが、実際には、これらのすべての場合において、静電容量値の変化が完全に０になるわけではないためである。このテーブルに「０」が記された欄についても、有意な静電容量値の変化が検出されてしまうと、個々の力成分の検出結果に、他の力成分が干渉を及ぼすことになり、各力成分を独立して検出することができなくなる。
【０１１２】
このように、他の力成分の干渉をできるだけ排除し、精度の高い検出値を得るためには、次のような条件を満足する構造体を実現する必要がある。まず、第１の条件は、受力体１１０に対して、Ｘ軸方向の力ＦｘやＹ軸方向の力Ｆｙが作用した際には、変位板１４１〜１４４側に形成された変位電極Ｆ６〜Ｆ９については変位が生じるものの、変位天板１３０側に形成された変位電極Ｆ１〜Ｆ５については変位が生じないか、あるいは、変位が生じても、変位電極Ｆ６〜Ｆ９について生じる変位に比べて非常に小さくなるようにする、という条件である。そして、第２の条件は、受力体１１０に対して、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が作用した際には、変位天板１３０側に形成された変位電極Ｆ１〜Ｆ５については変位が生じるものの、変位板１４１〜１４４側に形成された変位電極Ｆ６〜Ｆ９については変位が生じないか、あるいは、変位が生じても、変位電極Ｆ１〜Ｆ５について生じる変位に比べて非常に小さくなるようにする、という条件である。
【０１１３】
ここでは、このような２つの条件を満足させるために有効な構造上の工夫を施した変形例をいくつか述べることにする。まず、図２２に示す変形例は、図１に示す基本的な実施形態に係る力検出装置の側面板１４０に、上方に開いたＵ字状のスリットＳを形成し、このスリットＳで囲まれた部分１４０Ａを変位板として用いるようにした例である。図示のとおり、Ｕ字状のスリットＳによって、側面板１４０は、スリットＳで囲まれた部分１４０Ａと、スリットＳの外側の脇板１４０Ｂとに別れることになる。そこで、このスリットＳで囲まれた部分１４０Ａを変位板として用いるようにすればよい。実際には、外側箱状構造体１００は、第１の側面板１４１〜第４の側面板１４４を有しているので、これら４枚の側面板にそれぞれ上方に開いたＵ字状のスリットＳ１〜Ｓ４を形成するようにし、第１の変位板１４１Ａ〜第４の変位板１４４Ａと、脇板１４１Ｂ〜１４４Ｂとを形成する。
【０１１４】
このように、各側面板にスリットＳが形成された外側箱状構造体１００に対して、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用すると、図２３に示すように、外側箱状構造体１００の全体的なフレーム構造は、平行四辺形に変形することになる。しかしながら、このフレーム構造を構成する部分は、脇板１４１Ｂ，１４２ＢといったスリットＳの外側の部分となるので、スリットＳの内側部分となる変位板１４１Ａ，１４２Ａは、変位天板１３０とともに、Ｘ軸正方向へ平行移動する。図２３を図８(b) と比べれば、このスリットＳの形成により、変位板１４１Ａ，１４２Ａの変位を増大させる効果が理解できよう。
【０１１５】
図２４は、外側箱状構造体１００を構成する４枚の側面板１４１〜１４４にそれぞれスリットＳ１〜Ｓ４を形成し、第１の変位板１４１Ａ〜第４の変位板１４４Ａと、脇板１４１Ｂ〜１４４Ｂとを形成した状態を示す上面図（受力体１１０および連結体１２０の図示は省略されている）である。ここで、互いに隣接する２つの側面板が交差するＺ軸に平行な辺を支柱と考えれば、図示のとおり、変位天板１３０の４隅の位置に存在する脇板１４１Ｂ〜１４４Ｂによって、合計４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４が形成されていることになる。そして、この４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４によって、変位天板１３０を支持する構造になっており、この４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４の弾性変形により、外側箱状構造体１００が変形することになる。
【０１１６】
別言すれば、図２２および図２４に示す外側箱状構造体１００は、外力の作用により弾性変形を生じる材料から構成された４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４を、基板２００上に垂直に立てた状態で接合し、これら４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４の上端に、変位天板として機能する上面板１３０の４隅を接合した構造なっている。しかも、互いに隣接する一対の支柱の間には、それぞれ変位板１４１Ａ〜１４４Ａが配置されており、これら変位板１４１Ａ〜１４４Ａの上辺は、上面板１３０の各一辺に接合されている。結局、各変位板１４１Ａ〜１４４Ａは、その上辺が上面板１３０の一辺に接合されることにより、基板２００上に支持されていることになる。
【０１１７】
このようなスリットＳを有する構造体を用いれば、受力体１１０に対して、Ｘ軸方向の力ＦｘやＹ軸方向の力Ｆｙが作用した際に、変位天板１３０側に形成された変位電極Ｆ１〜Ｆ５について生じる変位を、変位電極Ｆ６〜Ｆ９について生じる変位に比べて非常に小さくすることができるようになる。すなわち、前述した第１の条件が満足されることになる。
【０１１８】
図２５に上面図を示す変形例は、図２４に示す変形例に、更に改良を加えたものである（受力体１１０および連結体１２０の図示は省略されている）。図２４に示す変形例との相違点は、上面板１３０にも、４つの「Ｃ」字状のスリットＳＳ１〜ＳＳ４を形成した点である。この４つの「Ｃ」字状のスリットＳＳ１〜ＳＳ４は、いずれも「Ｃ」字の開口部が中央を向く形で形成されている。図２５はやや繁雑であるため、この上面板１３０のみを抽出した平面図を図２６に示す。この図でグレーで塗られた部分が、スリットＳＳ１〜ＳＳ４によって分割された各部である。
【０１１９】
すなわち、上面板１３０は、図示のとおり、中央に位置する変位天板１３１〜１３５と、その周囲に位置する周囲部１３６〜１３９と、これらを相互に接続する可撓性をもった４本のビームＢ１〜Ｂ４と、に分割されることになる。中央に位置する変位天板１３１〜１３５は、全体として、扇風機の羽根状をしており、この上面板１３０にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に位置する第１の翼状部１３１と、Ｘ軸の負の部分の投影像上に位置する第２の翼状部１３２と、Ｙ軸の正の部分の投影像上に位置する第３の翼状部１３３と、Ｙ軸の負の部分の投影像上に位置する第４の翼状部１３４と、原点Ｏの投影像上に位置し各翼状部１３１〜１３４の内側部分に接続している中心部１３５と、によって構成されている。要するに、変位天板は、上面板１３０の一部（すなわち、翼状部１３１〜１３４および中心部１３５の部分）から構成されることになる。
【０１２０】
また、互いに隣接する２つの翼状部の間にそれぞれ１本ずつのビームを配置することにより、中心部１３５は４本のビームＢ１〜Ｂ４により支持される構造になっている。すなわち、４本のビームＢ１〜Ｂ４の内側端は中心部１３５に接続され、外側端は周囲部１３６〜１３９に接続されている。したがって、中心部１３５に作用したＸＹ平面に沿った方向の力は、４本のビームＢ１〜Ｂ４により、周囲部１３６〜１３９へと伝達され、更に変位板１４１Ａ〜１４４Ａへと伝達される。なお、中心部１３５の上面の作用点Ｑには、連結体１２０が接続されており、受力体１１０に作用した外力が伝達されることになる。一方、４本のビームＢ１〜Ｂ４の外側端が接続されている作用点Ｑ１〜Ｑ４は、それぞれ支柱Ｌ１〜Ｌ４によって支えられている。結局、４本のビームＢ１〜Ｂ４の撓みにより、扇風機の羽根状をした変位天板全体が周囲部１３６〜１３９に対して変位することになる。しかも、周囲部１３６〜１３９は、作用点Ｑ１〜Ｑ４の位置において、支柱Ｌ１〜Ｌ４を介して基板２００に接続されている。
【０１２１】
上面板１３０をこのような構造にすれば、受力体１１０に対して、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が作用した際に、扇風機の羽根状の変位天板１３１〜１３５について大きな変位を生じさせることが可能になる。特に、翼状部１３１〜１３４の外周部分は、スリットＳＳ１〜ＳＳ４によって、周囲部１３６〜１３９と隔てられた自由端となっているため、比較的大きな変位を生じることができる。しかも、この翼状部１３１〜１３４の変位は、周囲部１３６〜１３９に直接伝達されることはない。連結体１２０から作用点Ｑへ伝達された力Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙは、翼状部１３１〜１３４には直接伝わることになるので、力Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙに基づいて、翼状部１３１〜１３４には効果的に変位が生じることになり、前述した原理に基づいて、これらの力の検出が効果的に行われる。一方、これらの力Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙは、４本のビームＢ１〜Ｂ４を介してのみ周囲部１３６〜１３９へと伝えられるので、周囲部１３６〜１３９に接続されている変位板１４１〜１４４までは、ほとんど伝わらないことになる。結局、前述した第２の条件、すなわち、受力体１１０に対して、力Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙが作用した際には、変位天板側に形成された変位電極Ｆ１〜Ｆ５については変位が生じるものの、変位板１４１〜１４４側に形成された変位電極Ｆ６〜Ｆ９について生じる変位は非常に小さくなる、という条件が満足される。
【０１２２】
図２７は、図２５に示す変形例に更に改良を加えた変形例を示す上面図である（受力体１１０および連結体１２０の図示は省略されている）。この変形例は、§３で述べたＺ軸まわりのモーメントＭｚを検出する機能をもった力検出装置の検出感度を向上させるメリットがある。図１３に示したように、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを検出する際には、外側箱状構造体１００全体が、Ｚ軸を中心として捩れるような変形を生じる必要がある。図２５に示す例のように、４本のビームＢ１〜Ｂ４により中心部１３５を支持する構造を採ると、この４本のビームＢ１〜Ｂ４が可撓性を有するようになるため、図１３に示すようなスリットなしの構造に比べれば、Ｚ軸を中心として捩れるような変形がはるかに生じやすくなっている。この図２７に示す変形例では、このＺ軸を中心とした捩れ変形を更に生じやすくするため、４本のビームの構造に工夫を凝らしている。
【０１２３】
すなわち、支柱Ｌ１〜Ｌ４と中心部１３５との間を接続する４本のビームは、図示のとおり、それぞれ外側に配置された水平ビームＢ１１，Ｂ２１，Ｂ３１，Ｂ４１と、中間に配置された中間ジョイントＢ１２，Ｂ２２，Ｂ３２，Ｂ４２と、内側に配置された垂直ビームＢ１３，Ｂ２３，Ｂ３３，Ｂ４３と、によって構成されている。図２７の左下に示されている第３のビームの拡大斜視図を図２８に示す。図示のとおり、水平ビームＢ３１は、主面が水平方向を向いたビームであり、垂直方向への撓みが生じやすい性質を有している。一方、垂直ビームＢ３３は、主面が垂直方向を向いたビームであり、水平方向への撓みが生じやすい性質を有している。中間ジョイントＢ３２は、これら２種類のビームを中間で接続する部材である。このようなビームを用いることにより、垂直方向への撓みと水平方向への撓みとの双方が生じやすい構造を実現することができ、Ｚ軸を中心とした捩れ変形を生じやすくすることができ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚを効果的に検出することができるようになる。
【０１２４】
また、この図２７に示す変形例は、図２５に示す例と比べて、変位天板の形状も異なっている。すなわち、図２５に示す例では、二等辺三角形をした４枚の翼状部１３１〜１３４と中央に位置する円形状の中心部１３５とによって、扇風機の羽根状の変位天板が設けられていた。これに対して、この図２７に示す変形例では、円形状の中心部１３５に変わりはないが、４枚の翼状部１３１Ａ〜１３４Ａが、図示のような形に変更されている。この形状は、図２１に示す変位電極ＦＦ１′〜ＦＦ５′に対応するものである。すなわち、この図２７に示す変形例では、上面板１３０全体が金属などの導電性材料で構成されており、図示の形状をした変位天板自身が、１枚の共通変位電極として機能することになる。なお、図２７では、図が繁雑になるのを避けるため、内側箱状構造体３００の図示は省略してあるが、実際には、固定天板３３０の上面の図２１に示すようなオフセットを生じた位置に、固定電極ＥＥ１′〜ＥＥ５′が配置されている。
【０１２５】
＜＜＜ §６． 制御部材を用いる実施形態 ＞＞＞
図２９は、図１９に示す実施形態に係る力検出装置に、制御部材４００を付加した変形例の構造を示す側断面図である。上述したように、図１９の実施形態に係る力検出装置では、受力体１１０に作用した外力を外側箱状構造体１００へと伝達させ、外側箱状構造体１００に生じた変形態様を認識することにより、作用した外力の検出が行われることになる。そのために、外側箱状構造体１００は、ある程度の可撓性を有しており、外力の作用により弾性変形を生じる構造となっている。しかしながら、受力体１１０に過度の外力が作用すると、外側箱状構造体１００に対して、弾性変形の領域を越えた力が加えられることになり、外力がなくなった後も、元の形状に復帰しなくなってしまったり、構造部に亀裂が発生したりするなど、機械的な損傷を被る可能性がある。
【０１２６】
この図２９に示す変形例は、このように、外側箱状構造体１００に過度の力が伝達されることにより、機械的な損傷が生じるのを防ぐために、受力体１１０の基板２００に対する変位を所定の範囲内に制限するための制御部材４００を設けた例である。この例では、図示のとおり、基板２００の外周部分から立ち上がるような制御部材４００を設けている。この制御部材４００には、図示のとおり、制御面４１１，４１２，４１３が形成されており、受力体１１０Ａが所定範囲を越えて変位しようとしたときに、この受力体１１０Ａに、制御面４１１，４１２，４１３が接触することにより、そのような過度の変位を妨げることができるようにしてある。この図２９に示す変形例における受力体１１０Ａは、図１９に示す受力体１１０よりも直径が大きな円盤からなり、その外周部分が、制御面４１１，４１２，４１３に対する対向面となっている。
【０１２７】
たとえば、この受力体１１０Ａの下方（−Ｚ軸方向）への変位は、制御面４１１によって、図示の寸法ｄ１以内となるように制御されている。もし、受力体１１０Ａに対して、下方への大きな力が作用したとしても、受力体１１０Ａの下方への変位が寸法ｄ１に達した段階で、受力体１１０Ａの底面が制御面４１１に接触することになり、それ以上の変位が生じないように制御される。
【０１２８】
また、受力体１１０Ａの上方（＋Ｚ軸方向）への変位は、制御面４１２によって、図示の寸法ｄ２以内となるように制御されている。もし、受力体１１０Ａに対して、上方への大きな力が作用したとしても、受力体１１０Ａの上方への変位が寸法ｄ２に達した段階で、受力体１１０Ａの上面が制御面４１２に接触することになり、それ以上の変位が生じないように制御される。
【０１２９】
更に、受力体１１０Ａの横方向（±Ｘ軸方向および±Ｙ軸方向）への変位は、制御面４１３によって、図示の寸法ｄ３以内となるように制限されている。もし、受力体１１０Ａに対して、横方向への大きな力が作用したとしても、受力体１１０Ａの横方向への変位が寸法ｄ３に達した段階で、受力体１１０Ａの側面が制御面４１３に接触することになり、それ以上の変位が生じないように制御される。
【０１３０】
なお、この図２９に示す力検出装置には、受力体１１０Ａがいずれかの制御面４１１，４１２，４１３に接触するような異常事態が生じた場合には、当該異常事態を電気的に検知することが可能な機能を備わっている。すなわち、この力検出装置では、受力体１１０Ａ、連結体１２０、変位天板１３０、変位板１４０、台座１５０が、金属などの導電性材料からなる一体構造体によって構成されており、また、制御部材４００も金属などの導電性材料によって構成されている。そして、台座１５０と制御部材４００との間には、絶縁層４２０が挿入されており、図示の状態では、台座１５０と制御部材４００とは、電気的に絶縁状態となるように構成されている。また、台座１５０に対しては、端子Ｔ１への配線がなされており、制御部材４００に対しては、端子Ｔ２への配線がなされている。
【０１３１】
ここで、両端子Ｔ１，Ｔ２間の電気的な導通状態を検知する回路を設けておけば、当該回路は、受力体１１０Ａと制御部材４００との接触状態を電気的な導通状態に基づいて検知する接触検知回路として機能する。すなわち、受力体１１０Ａと制御部材４００とが、いずれかの制御面４１１，４１２，４１３で接触すれば、この接触部分を介して、両端子Ｔ１，Ｔ２間が電気的な導通状態となるので、当該接触を電気的に検出することが可能になる。
【０１３２】
このような機能を利用すれば、この力検出装置に対して、所定の許容範囲を越える外力が加えられたときに、その事実を電気的に検知して何らかの警報を発したり、そのような事実の発生を記録したり、適切な処置を講じることができるようになる。
【０１３３】
図３０は、上述した図２９に示す力検出装置における制御面４１１に関する工夫を示す図であり、制御部材４００側の制御面４１１の構造例を示す拡大断面が示されている。図３０(a) に示すとおり、制御部材４００の制御面４１１の近傍に空洞部Ｖが形成されており、この空洞部Ｖが形成された表層部分によって、可撓性をもった肉薄部４３０が形成されている。しかも、この肉薄部４３０の表面には、導電性の接触突起４３１が設けられている。
【０１３４】
図３０(a) は、このような構造をもった制御面４１１と、受力体１１０Ａ側の対向面とが、所定間隔ｄ１を維持している状態を示している。ここで、受力体１１０Ａに対して、Ｚ軸負方向（図の下方向）に向けた外力−Ｆｚが作用した場合を考えると、図３０(b) に示すように、受力体１１０Ａは下方に移動し、その下面が接触突起４３１に接触することになる。この図３０(b) に示す状態になると、上述したように、両者が接触したことを電気的に検知することができるので、警報を発するなどの処置を講じることができる。そして、外力−Ｆｚが更に大きくなると、図３０(c) に示すように、肉薄部４３０に撓みが生じ、接触突起４３１は空洞部Ｖへ向けて潜り込むようになる。その結果、受力体１１０Ａの下面（制御面４１１に対する対向面）は、制御面４１１に完全に接触した状態になる。
【０１３５】
このような構成によるメリットは、受力体１１０Ａが制御面４１１に接触する直前の段階（すなわち、図３０(b) に示すように、接触突起４３１が受力体１１０Ａに接触した段階）において、電気的な接触検知が可能になり、警報を発するなどの処置をとることができる点である。別言すれば、図３０(c) に示す状態まで至ってしまうと、実際に受力体１１０Ａが制御面４１１に衝突してしまうため、この時点で警報を発するなどの処置を講じても、もはや手遅れであるが、図３０(b) の段階で警報を発するなどの処置を講じることができれば、図３０(c) の状態に至るのを防ぐことができる可能性がある。しかも、図３０(c) の状態に至ってしまったとしても、接触突起４３１は、空洞部Ｖへ向けて潜り込んだ状態となって保護されているため、破損することはない。
【０１３６】
なお、この図３０に示す例では、空洞部Ｖ、肉薄部４３０、接触突起４３１を、制御部材４００側の制御面４１１の近傍に形成しているが、逆に、受力体１１０Ａ側の対向面の近傍に形成するようにしてもかまわない。
【０１３７】
図３１は、制御面４１１に関する別な工夫を示す拡大断面図である。この例では、図３１(a) に示すように、制御面４１１に、先端部分が可塑変形を生じる導電性の錐状突起４４１が形成されている。もっとも、先端部分に可塑変形を生じさせるために、わざわざ錐状突起４４１の材質を、制御部材４００の材質と異ならせる必要はない。たとえば、制御部材４００として、アルミニウムなどの一般的な金属を使用し、錐状突起４４１も、同じ金属材料から構成するようにすれば、鋭利な先端部分は、ある程度の可塑変形を生じることになる。
【０１３８】
図３１(a) は、このような構造をもった制御面４１１と、受力体１１０Ａ側の対向面とが、所定間隔ｄ１を維持している状態を示している。ここで、受力体１１０Ａに対して、Ｚ軸負方向（図の下方向）に向けた外力−Ｆｚを作用させると、図３１(b) に示すように、受力体１１０Ａは下方に移動し、その下面が錐状突起４４１の先端部分に接触することになる。その結果、錐状突起４４１の先端部分は、図示のように押し潰され、錐状突起４４１は、先端が潰れた錐状突起４４１Ａへと変形する。この変形は可塑変形であるため、図３１(c) に示すように、外力−Ｆｚが取り除かれ、受力体１１０Ａと制御面４１１との間隔がもとの間隔ｄ１に復帰した後も、錐状突起４４１Ａの先端は潰れた状態のままになる。
【０１３９】
このような現象を踏まえると、図３１(a) に示すように、錐状突起４４１が設けられた制御面４１１は、正確な警報機能を実現する上で役立つことがわかる。これを具体例を挙げて説明しよう。たとえば、いま、受力体１１０Ａに対して、１ｋｇ以上の荷重が加わった場合には、何らかの異常警報を発することができる力検出装置を利用したい、という要望があったとする。このような要望に応じた力検出装置を製造するには、受力体１１０Ａと制御面４１１との間の寸法を正確に制御する必要がある。しかしながら、実際の量産プロセスを考えると、図示の寸法ｄ１が小さくなればなるほど、正確な寸法制御は困難になり、ロットごとに寸法値にばらつきが生じてしまう。したがって、あるロットについては、０．９ｋｇの荷重が加わった時点で警報が出てしまうが、別なロットについては、１．１ｋｇの荷重が加わるまでは警報が出なかった、というようなケースが生じることになり、正確に１ｋｇの荷重が加わった場合に警報を発することができる要望どおりの力検出装置を量産することは困難である。
【０１４０】
ところが、図３１(a) に示すような制御面４１１（錐状突起４４１が形成された制御面）を有する力検出装置を利用すれば、個々のロットごとの寸法精度が正確ではなくても、要望どおり、正確に１ｋｇの荷重が加わった場合に警報を発することができる装置を量産することが可能である。すなわち、図３１(a) に示す構造をもった装置を量産したら、次に、これらの装置の受力体１１０Ａに、それぞれ正確に１ｋｇの荷重を加える処理を行えばよい。この処理により、各ロットの錐状突起４４１は、図３１(b) に示すように、先端が潰れた錐状突起４４１Ａに変形することになり、その変形状態は、この１ｋｇの荷重を取り除いた後も、図３１(c) に示すように、可塑変形として維持されたままになる。このとき、もともとのロットの寸法精度が正確でなければ、この可塑変形の態様は、ロットごとに様々なものになる。しかしながら、いずれのロットも、受力体１１０Ａに再び１ｋｇの荷重を加えると、図３１(b) の状態になり、錐状突起４４１Ａの潰れた先端が、受力体１１０Ａの対向面に接触し、警報を発することができる、という点では共通した性質を有しており、いずれも要望どおりの仕様を満たすロットということになる。
【０１４１】
もちろん、このようなロットを使用中に、たとえば、１．２ｋｇの荷重が加えられてしまえば、錐状突起４４１Ａは更に変形してしまうため、もはや要望どおりの仕様を満たすロットにはならないが、少なくとも、１．２ｋｇの荷重が加えられた時点で、必ず警報が発せられることになるので、その時点で故障したロットとして取り扱うことができる。なお、錐状突起４４１は、必ずしも制御部材４００側の制御面４１１上に設ける必要はなく、受力体１１０Ａ側の対向面（制御面４１１に対する対向面）に設けるようにしてもかまわない。
【０１４２】
なお、錐状突起４４１Ａが形成された制御面４１１の下方に空洞部Ｖを形成し、表層部分に可撓性をもった肉薄部を形成しておけば（ちょうど、図３０(a)における接触突起４３１の代わりに錐状突起４４１Ａを形成した構造）、大きな荷重が加えられた場合に、錐状突起４４１Ａが空洞部Ｖ内に潜り込むことになるので、錐状突起４４１Ａの潰れた先端部の状態を維持することができる。この場合、図３１(a) に示す段階から錐状突起４４１の下方に空洞部Ｖを形成しておく必要があるので、図３１(b) に示す段階、すなわち、特定の荷重をかけて錐状突起４４１の先端を潰して錐状突起４４１Ａにする段階では、空洞部Ｖ内に一時的に何らかの詰め物をしておくようにして、力が空洞部Ｖへ逃げないようにすればよい。
【０１４３】
＜＜＜ §７． その他の変形例 ＞＞＞
以上、本発明を図示する実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、この他にも種々の態様で実施可能である。
【０１４４】
たとえば、上述の実施形態では、Ｘ軸距離センサ、Ｙ軸距離センサ、Ｚ軸距離センサ、傾斜度センサとして、いずれも静電容量式の力センサを用いているが、本発明に係る力検出装置を実現する上で、これらの各センサは、必ずしも静電容量式の力センサにする必要はなく、たとえば、ピエゾ抵抗式力センサ、圧電素子を用いた力センサなどを用いてもかまわない。ただ、構造を単純化する上では、上述の実施形態のように、静電容量式の力センサを用いるのが最も好ましい。
【０１４５】
また、最終的な力やモーメントの検出値を求める機能を果たす検出処理部２５０も、実際には種々の構成で実現できる。たとえば、個々の容量素子の静電容量値をアナログ電圧値として測定し、この測定値をデジタル信号に変換した後、ＣＰＵなどの演算装置を用いて、図１２や図１８の式に示す演算を実行する、という手法を採ることもできるし、個々の容量素子の静電容量値の測定値をアナログ電圧値のまま取り扱い、アナログ信号として最終的な検出値を出力する、という手法を採ることも可能である。後者の手法を採る場合は、各容量素子の電極を、必要に応じて、アナログ加算器やアナログ減算器からなるアナログ演算回路に接続するようにすればよい。
【０１４６】
それから、図２４に示す実施形態では、４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４により、上面板１３０を支持する構造を示したが、上面板１３０をＸＹ平面に沿ってスムーズに変位させることを考慮すると、この４本の支柱Ｌ１〜Ｌ４は、可撓性をもった円柱状の支柱によって構成するのがより好ましい。また、内側箱状構造体３００の内部は中空にする必要はなく、何らかの材料が充填されていてもかまわない。
【０１４７】
最後に、図２９に示した制御部材４００の変形例を示しておく。図３２は、この変形例に係る制御部材４００および円盤状の受力体１１０Ａの上面図である。この例では、図示のとおり、制御面４１３の各座標軸上の位置に溝部４１５が形成されており、受力体１１０Ａの同位置に突起部１１１が形成されている。突起部１１１と溝部４１５との間には、ある程度の空隙が設けられているが、受力体１１０Ａに対して、過度のＺ軸まわりのモーメントＭｚが作用すると、突起部１１１が溝部４１５に接触し、それ以上の回転が制御される。結局、この図３２に示す変形例は、図２９に示す例の機能に加えて、更に、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚに起因する変位を制御する機能を有している。
【０１４８】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明に係る力検出装置によれば、できるたけ単純な構造により、力とモーメントとを区別して検出することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的実施形態に係る力検出装置の側面図であり（検出処理部２５０については、ブロックで示されている）、Ｚ軸が中心位置を通っている。
【図２】図１に示す力検出装置をＸＺ平面で切断した側断面図である。
【図３】図２に示す力検出装置の上面図である。
【図４】図２に示す力検出装置を切断線４−４で切った横断面図である。
【図５】図２に示す力検出装置を切断線５−５で切った横断面図である。
【図６】図２に示す力検出装置を切断線６−６で切った縦断面図である。
【図７】図２に示す力検出装置から外側箱状構造体１００を取り外して示した外側箱状構造体１００自身の下面図である。
【図８】図２に示す力検出装置におけるＸ軸方向の力Ｆｘの検出原理を示す模式図である。
【図９】図２に示す力検出装置におけるＺ軸方向の力Ｆｚの検出原理を示す模式図である。
【図１０】図２に示す力検出装置におけるＹ軸まわりのモーメントＭｙの検出原理を示す模式図である。
【図１１】図２に示す力検出装置における種々の力およびモーメント成分の検出原理を示す表である。
【図１２】図１１に示す表に基づいて、各力およびモーメント成分の検出を行うための演算式を示す図である。
【図１３】図２に示す力検出装置に、Ｚ軸まわりの正のモーメント＋Ｍｚが作用したときの状態を示す上面図である。
【図１４】図２に示す力検出装置におけるＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出原理を示す上面投影図である（ハッチングは、容量素子を構成する電極対の有効面積部分を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図１５】図２に示す力検出装置においてＺ軸まわりのモーメントＭｚの向きと大きさとの双方を検出する変形例の電極構成を示す上面投影図である。
【図１６】図１５に示す電極構成を有する力検出装置において、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出原理を示す上面投影図である（ハッチングは、容量素子を構成する電極対の有効面積部分を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図１７】図１５に示す電極構成を有する力検出装置における種々の力およびモーメント成分の検出原理を示す表である。
【図１８】図１７に示す表に基づいて、各力およびモーメント成分の検出を行うための演算式を示す図である。
【図１９】電極構成を単純化した実施形態に係る力検出装置の側断面図である。
【図２０】電極構成を単純化した別な実施形態に係る力検出装置の側断面図である。
【図２１】Ｚ軸まわりのモーメントＭｚの検出に適した電極構成の一例を示す平面図である。
【図２２】本発明の実用的な実施形態に係る力検出装置の側面図である。
【図２３】図２２に示す力検出装置におけるＸ軸方向の力Ｆｘの検出原理を示す模式図である。
【図２４】図２２に示す力検出装置の上面図である（受力体１１０および連結体１２０の図示は省略されている）。
【図２５】図２２に示す力検出装置の変形例の上面図である（受力体１１０および連結体１２０の図示は省略されている）。
【図２６】図２５に示す変形例の上面板１３０の構造を示す図である。
【図２７】図２５に示す変形例に更に変形を加えた変形例を示す上面図である（受力体１１０および連結体１２０の図示は省略されている）。
【図２８】図２７に示す変形例に用いられているビームの拡大斜視図である。
【図２９】図１９に示す実施形態に変位を制御するための制御部材を付加した変形例を示す側断面図である。
【図３０】図２９に示す変形例における制御部材の構造例およびその動作を示す拡大断面図である。
【図３１】図２９に示す変形例における制御部材の別な構造例およびその動作を示す拡大断面図である。
【図３２】図２９に示す制御部材４００の変形例を示す上面図である。
【符号の説明】
１００…外側箱状構造体
１１０，１１０Ａ…受力体
１１１…突起部
１２０…連結体
１３０…変位天板（上面板）
１３１，１３１Ａ…第１の翼状部
１３２，１３２Ａ…第２の翼状部
１３３，１３３Ａ…第３の翼状部
１３４，１３４Ａ…第４の翼状部
１３５…中心部
１３６〜１３９…周囲部
１４０…変位板
１４０Ａ…変位板
１４０Ｂ…脇板
１４１…第１の変位板（側面板）
１４１Ａ…第１の変位板
１４１Ｂ…脇板
１４２…第２の変位板（側面板）
１４２Ａ…第２の変位板
１４２Ｂ…脇板
１４３…第３の変位板（側面板）
１４３Ａ…第３の変位板
１４３Ｂ…脇板
１４４…第４の変位板（側面板）
１４４Ａ…第４の変位板
１４４Ｂ…脇板
１５０…台座
１６０…絶縁層
２００…基板
２５０…検出処理部
３００…内側箱状構造体
３３０…固定天板（上面板）
３４１…第１の固定板（側面板）
３４２…第２の固定板（側面板）
３４３…第３の固定板（側面板）
３４４…第４の固定板（側面板）
４００…制御部材
４１１，４１２，４１３…制御面
４１５…溝部
４２０…絶縁層
４３０…肉薄部
４３１…接触突起
４４１…錐状突起
４４１Ａ…先端が潰れた錐状突起
Ｂ１〜Ｂ４…ビーム
Ｂ１１，Ｂ２１，Ｂ３１，Ｂ４１…水平ビーム
Ｂ１２，Ｂ２２，Ｂ３２，Ｂ４２…中間ジョイント
Ｂ１３，Ｂ２３，Ｂ３３，Ｂ４３…垂直ビーム
Ｃ１…第１の容量素子（Ｅ１およびＦ１）
Ｃ２…第２の容量素子（Ｅ２およびＦ２）
Ｃ３…第３の容量素子（Ｅ３およびＦ３）
Ｃ４…第４の容量素子（Ｅ４およびＦ４）
Ｃ５…第５の容量素子（Ｅ５およびＦ５）
Ｃ６…第６の容量素子（Ｅ６およびＦ６）
Ｃ７…第７の容量素子（Ｅ７およびＦ７）
Ｃ８…第８の容量素子（Ｅ８およびＦ８）
Ｃ９…第９の容量素子（Ｅ９およびＦ９）
ｄ１〜ｄ３…寸法値
Ｅ１…第１の固定電極
Ｅ２…第２の固定電極
Ｅ３…第３の固定電極
Ｅ４…第４の固定電極
Ｅ５…第５の固定電極
Ｅ６…第６の固定電極
Ｅ７…第７の固定電極
Ｅ８…第８の固定電極
Ｅ９…第９の固定電極
ＥＥ１，ＥＥ１′…第１の固定電極
ＥＥ２，ＥＥ２′…第２の固定電極
ＥＥ３，ＥＥ３′…第３の固定電極
ＥＥ４，ＥＥ４′…第４の固定電極
ＥＥ５′…第５の固定電極
Ｆ１…第１の変位電極
Ｆ２…第２の変位電極
Ｆ３…第３の変位電極
Ｆ４…第４の変位電極
Ｆ５…第５の変位電極
Ｆ６…第６の変位電極
Ｆ７…第７の変位電極
Ｆ８…第８の変位電極
Ｆ９…第９の変位電極
ＦＦ１，ＦＦ１′…第１の変位電極
ＦＦ２，ＦＦ２′…第２の変位電極
ＦＦ３，ＦＦ３′…第３の変位電極
ＦＦ４，ＦＦ４′…第４の変位電極
ＦＦ５′…第５の変位電極
Ｆｘ…Ｘ軸方向の力
Ｆｙ…Ｙ軸方向の力
Ｆｚ…Ｚ軸方向の力
Ｌ１〜Ｌ４…支柱
Ｍｘ…Ｘ軸まわりのモーメント
Ｍｙ…Ｙ軸まわりのモーメント
Ｍｚ…Ｚ軸まわりのモーメント
Ｐ１〜Ｐ４…作用点
Ｑ，Ｑ１〜Ｑ４…作用点
Ｓ，Ｓ１〜Ｓ４，ＳＳ１〜ＳＳ４…スリット
Ｔ１，Ｔ２…端子
Ｖ…空洞部
Ｗ１，Ｗ２…参照軸
Ｘ，Ｙ，Ｚ…座標軸
δ０，δ１，δ２…オフセット角度
θ…傾斜角
Claims (24)
- ＸＹＺ三次元座標系においてＸＹ平面に平行な上面を有する基板と、
Ｘ軸の正の部分と交差する平面に沿うように配置され、前記基板上に変位可能となるように支持された第１の変位板と、
Ｘ軸の負の部分と交差する平面に沿うように配置され、前記基板上に変位可能となるように支持された第２の変位板と、
Ｚ軸と前記第１の変位板との間に配置され、前記基板上に固定された第１の固定板と、
Ｚ軸と前記第２の変位板との間に配置され、前記基板上に固定された第２の固定板と、
前記第１の固定板の上辺付近と前記第２の固定板の上辺付近との間に架かる平面に沿うように配置され、前記基板上に固定された固定天板と、
前記固定天板の上方に配置され、前記基板に対して変位可能となるように支持され、前記第１の変位板の上辺および前記第２の変位板の上辺に対して、ＸＹ平面に沿った方向の力を伝達する変位天板と、
検出対象となる力を受けるために、前記変位天板の上方のＺ軸上に配置された受力体と、
前記受力体と前記変位天板とを接続するようにＺ軸に沿って配置された連結体と、
前記第１の変位板と前記第１の固定板との距離を検出する第１のＸ軸距離センサと、
前記第２の変位板と前記第２の固定板との距離を検出する第２のＸ軸距離センサと、
前記変位天板の前記固定天板に対する傾斜度を検出する傾斜度センサと、
前記変位天板の前記固定天板に対するＺ軸まわりの回転角を検出する回転角センサと、
前記第１のＸ軸距離センサの検出値と前記第２のＸ軸距離センサの検出値との差に基づいて、前記受力体に作用したＸ軸方向の力Ｆｘを検出し、前記傾斜度センサのＸ軸方向に関する傾斜度の検出値に基づいて、前記受力体に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙを検出し、前記回転角センサの検出値に基づいて、前記受力体に作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚを検出する検出処理部と、
を備えることを特徴とする力検出装置。 - 請求項１に記載の力検出装置において、
Ｙ軸の正の部分と交差する平面に沿うように配置され、前記基板上に変位可能となるように支持された第３の変位板と、
Ｙ軸の負の部分と交差する平面に沿うように配置され、前記基板上に変位可能となるように支持された第４の変位板と、
Ｚ軸と前記第３の変位板との間に配置され、前記基板上に固定された第３の固定板と、
Ｚ軸と前記第４の変位板との間に配置され、前記基板上に固定された第４の固定板と、
前記第３の変位板と前記第３の固定板との距離を検出する第１のＹ軸距離センサと、
前記第４の変位板と前記第４の固定板との距離を検出する第２のＹ軸距離センサと、
を更に備え、
検出処理部が、前記第１のＹ軸距離センサの検出値と前記第２のＹ軸距離センサの検出値との差に基づいて、受力体に作用したＹ軸方向の力Ｆｙを検出し、前記傾斜度センサのＹ軸方向に関する傾斜度の検出値に基づいて、前記受力体に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘを検出することを特徴とする力検出装置。 - 請求項１または２に記載の力検出装置において、
変位天板と固定天板との距離を検出するＺ軸距離センサを更に設け、
検出処理部が、前記Ｚ軸距離センサの検出値に基づいて、受力体に作用したＺ軸方向の力Ｆｚを検出することを特徴とする力検出装置。 - 請求項１〜３のいずれかに記載の力検出装置において、
固定板の変位板に対する対向面に固定電極を形成し、変位板の固定板に対する対向面に変位電極を形成し、互いに対向する固定電極と変位電極とからなる容量素子によって、前記固定板と前記変位板との距離を検出する距離センサを構成し、前記容量素子の静電容量値に基づいて距離の検出ができるようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項１に記載の力検出装置において、
固定天板の上面にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に第１の固定電極を形成し、Ｘ軸の負の部分の投影像上に第２の固定電極を形成し、
変位天板の下面における、前記第１の固定電極に対向する位置に第１の変位電極を形成し、前記第２の固定電極に対向する位置に第２の変位電極を形成し、
前記第１の固定電極と前記第１の変位電極とによって第１の容量素子を構成し、前記第２の固定電極と前記第２の変位電極とによって第２の容量素子を構成し、これら２組の容量素子を傾斜度センサとして用い、前記第１の容量素子の静電容量値と前記第２の容量素子の静電容量値との差に基づいてＸ軸方向に関する傾斜度を検出するようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項２に記載の力検出装置において、
固定天板の上面にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に第１の固定電極を形成し、Ｘ軸の負の部分の投影像上に第２の固定電極を形成し、Ｙ軸の正の部分の投影像上に第３の固定電極を形成し、Ｙ軸の負の部分の投影像上に第４の固定電極を形成し、
変位天板の下面における、前記第１の固定電極に対向する位置に第１の変位電極を形成し、前記第２の固定電極に対向する位置に第２の変位電極を形成し、前記第３の固定電極に対向する位置に第３の変位電極を形成し、前記第４の固定電極に対向する位置に第４の変位電極を形成し、
前記第１の固定電極と前記第１の変位電極とによって第１の容量素子を構成し、前記第２の固定電極と前記第２の変位電極とによって第２の容量素子を構成し、前記第３の固定電極と前記第３の変位電極とによって第３の容量素子を構成し、前記第４の固定電極と前記第４の変位電極とによって第４の容量素子を構成し、これら４組の容量素子を傾斜度センサとして用い、前記第１の容量素子の静電容量値と前記第２の容量素子の静電容量値との差に基づいてＸ軸方向に関する傾斜度を検出し、前記第３の容量素子の静電容量値と前記第４の容量素子の静電容量値との差に基づいてＹ軸方向に関する傾斜度を検出するようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項４〜６のいずれかに記載の力検出装置において、
一対の容量素子を構成する固定電極と変位電極のうちの一方の面積を他方の面積よりも広く設定し、変位電極が面方向へ所定範囲内の変位を生じた場合にも、静電容量値が変化しないようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項７に記載の力検出装置において、
固定板／固定天板もしくは変位板／変位天板を導電性材料によって構成し、固定板／固定天板自身もしくは変位板／変位天板自身を固定電極もしくは変位電極として用いたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項７に記載の力検出装置において、
導電性材料からなる変位天板と複数の変位板とを互いに接続することにより箱状構造体を形成し、この箱状構造体を単一の共通変位電極として用いることを特徴とする力検出装置。 - 請求項１に記載の力検出装置において、
固定天板の上面に固定電極を形成し、変位天板の下面に変位電極を形成し、互いに対向する固定電極と変位電極とからなる容量素子によって、前記変位天板の前記固定天板に対するＺ軸まわりの回転角を検出する回転角センサを構成し、前記容量素子の静電容量値に基づいて回転角の検出ができるようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項１０に記載の力検出装置において、
変位電極を、固定電極に対向する位置に対して所定の回転方向にオフセットした位置に配置し、容量素子の静電容量値の増減に基づいて、回転角とともに回転方向の検出ができるようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項１１に記載の力検出装置において、
固定天板の上面にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に第１の固定電極を形成し、Ｘ軸の負の部分の投影像上に第２の固定電極を形成し、Ｙ軸の正の部分の投影像上に第３の固定電極を形成し、Ｙ軸の負の部分の投影像上に第４の固定電極を形成し、
変位天板の下面における、前記第１の固定電極に対向する位置に対して所定の回転方向にオフセットした位置に第１の変位電極を形成し、前記第２の固定電極に対向する位置に対して前記回転方向にオフセットした位置に第２の変位電極を形成し、前記第３の固定電極に対向する位置に対して前記回転方向にオフセットした位置に第３の変位電極を形成し、前記第４の固定電極に対向する位置に対して前記回転方向にオフセットした位置に第４の変位電極を形成し、
前記第１の固定電極と前記第１の変位電極とによって第１の容量素子を構成し、前記第２の固定電極と前記第２の変位電極とによって第２の容量素子を構成し、前記第３の固定電極と前記第３の変位電極とによって第３の容量素子を構成し、前記第４の固定電極と前記第４の変位電極とによって第４の容量素子を構成し、これら４組の容量素子の静電容量値の和の増減に基づいて、回転角とともに回転方向の検出ができるようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項１〜１２のいずれかに記載の力検出装置において、
底面が開口部となった直方体をなし、外力の作用により弾性変形を生じる材料から構成される外側箱状構造体を、前記底面が基板上に載置されるように接合し、前記外側箱状構造体の側面板もしくはその一部を変位板として用い、前記外側箱状構造体の上面板もしくはその一部を変位天板として用いるようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項１３に記載の力検出装置において、
外側箱状構造体の側面板に、上方に開いたＵ字状のスリットを形成し、このスリットで囲まれた部分を変位板として用いるようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項１４に記載の力検出装置において、
外側箱状構造体の４つの側面板に、それぞれ上方に開いたＵ字状のスリットを形成し、互いに隣接する２つの側面板が交差する辺を支柱として、合計４本の支柱により前記外側箱状構造体の上面板を支持する構造とし、この４本の支柱部分の弾性変形により、前記外側箱状構造体が変形するようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項１３〜１５のいずれかに記載の力検出装置において、
外側箱状構造体より小さな直方体をなす内側箱状構造体を、前記外側箱状構造体に収容した状態で基板上に接合し、この内側箱状構造体の側面板および上面板を固定板および固定天板として用いるようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項１〜１２のいずれかに記載の力検出装置において、
外力の作用により弾性変形を生じる材料から構成され、基板上に立てて接合された４本の支柱と、
これら４本の支柱の上端に４隅が接合された上面板と、
を設け、
互いに隣接する一対の支柱の間に変位板を配置し、この変位板の上辺を前記上面板の一辺に接合して支持するようにし、前記上面板もしくはその一部を変位天板として用いるようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項１３〜１７のいずれかに記載の力検出装置において、
上面板にスリットを形成することにより、前記上面板を、中央に位置する変位天板と、その周囲に位置する周囲部と、前記変位天板と前記周囲部とを接続する可撓性をもったビームと、に分割し、前記ビームの撓みにより、前記変位天板が前記周囲部に対して変位するようにし、前記周囲部が外側箱状構造体の側面板もしくは支柱を介して基板に接続されるようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項１８に記載の力検出装置において、
上面板にＸ軸およびＹ軸を投影したときに、Ｘ軸の正の部分の投影像上に位置する第１の翼状部と、Ｘ軸の負の部分の投影像上に位置する第２の翼状部と、Ｙ軸の正の部分の投影像上に位置する第３の翼状部と、Ｙ軸の負の部分の投影像上に位置する第４の翼状部と、原点Ｏの投影像上に位置し前記第１〜第４の翼状部の内側部分に接続している中心部と、によって、扇風機の羽根状をした変位天板を構成し、
互いに隣接する２つの翼状部の間に１本のビームを配置することにより、前記中心部が４本のビームにより支持されるようにし、
前記４本のビームの内側端は前記中心部に接続され、外側端は周囲部に接続され、前記中心部の上面には連結体が接続されていることを特徴とする力検出装置。 - 請求項１９に記載の力検出装置において、
個々のビームを、主面が水平方向を向いた水平ビームと、主面が垂直方向を向いた垂直ビームと、前記水平ビームと前記垂直ビームとを連結する中間ジョイントと、によって構成し、水平方向への撓みと垂直方向への撓みの双方が生じやすい構造としたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項１〜２０のいずれかに記載の力検出装置において、
受力体の基板に対する変位を所定範囲内に制限するために、前記受力体が前記所定範囲を越えて変位しようとしたときに、前記受力体に接触して変位を妨げる制御面を有する制御部材を設けたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項２１に記載の力検出装置において、
受力体と制御部材との少なくとも接触に関与する部分を導電性材料により構成し、両者の接触状態を電気的な導通状態に基づいて検知する接触検知回路を更に設けたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項２２に記載の力検出装置において、
制御部材の制御面の近傍もしくは受力体の前記制御面に対向する対向面の近傍に空洞部を形成し、この空洞部が形成された表層部分が可撓性をもった肉薄部を構成するようにし、この肉薄部の表面に導電性の接触突起を設け、前記対向面と前記制御面との接触が生じる前に、前記接触突起と前記対向面もしくは前記制御面とが接触することにより電気的な導通状態の検知が行われるようにしたことを特徴とする力検出装置。 - 請求項２２に記載の力検出装置において、
制御部材の制御面もしくは受力体の前記制御面に対する対向面に、先端部分が可塑変形を生じる導電性の錐状突起を設けたことを特徴とする力検出装置。
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