JP5277038B2 - Force detection device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify a structure, eliminate the interference of a component of other axis, and to detect a force and a moment separately. <P>SOLUTION: Electrodes E1 to E8 and F1 to F8 are formed in four circular areas, at positive and negative positions on an X-axis and positive and negative positions on a Y-axis on a support substrate 300. On the upper parts of the circular areas respectively, electrically conductive and flexible thin disks are arranged at prescribed distances provided to form capacity elements between facing electrodes and the electrodes. The lower end of a post shaped member is fixed at the center of an upper surface of each of the thin disks. To the upper end of each post-shaped member, a force-receiving member is attached. When a force is applied to the force-receiving member, the four post shaped members are inclined or vertically displaced to change electrostatic capacity values of the capacity elements, respectively. Based on the change in the electrostatic capacity values of the main capacity elements formed by the electrodes E1 to E8, forces Fx, Fy and Fz in the directions of coordinate axes and moments Mx, My and Mz on coordinate axes respectively are detected. At this time, based on the change of the electrostatic capacity values of sub-capacity elements formed by the electrodes F1 to F8, interference of components of other axes is canceled. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

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。   The present invention relates to a force detection device, and more particularly, to a force detection device suitable for detecting force and moment independently.

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。   Various types of force detection devices are used to control the operation of robots and industrial machines. Also, a small force detection device is incorporated as a man-machine interface of an input device of an electronic device. In order to reduce the size and reduce the cost, the force detection device used for such an application has a simple structure as much as possible and can independently detect forces related to each coordinate axis in a three-dimensional space. Is required.

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。   In general, the detection target of the force detection device includes a force component directed in a predetermined coordinate axis direction and a moment component around the predetermined coordinate axis. When the XYZ three-dimensional coordinate system is defined in the three-dimensional space, the detection target is six components including force components Fx, Fy, Fz in the respective coordinate axis directions and moment components Mx, My, Mz around the respective coordinate axes. .

このような6つの力成分をそれぞれ独立して検出することができる力検出装置として、たとえば、下記の特許文献1には、比較的単純な構造をもった装置が開示されている。この特許文献1に開示された技術は、既に米国特許第6915709号・米国特許第7121147号・欧州特許第1464939号が付与されている技術であり、受力体と支持基板とを複数の柱状体で接続した構造物を用意し、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定することにより、受力体に加わった力の各成分を検出するものである。   As a force detection device capable of detecting each of these six force components independently, for example, Patent Document 1 below discloses a device having a relatively simple structure. The technique disclosed in Patent Document 1 is a technique to which US Pat. No. 6,915,709, US Pat. No. 7,121,147, and European Patent No. 1464939 are already provided, and a force receiving body and a support substrate are provided with a plurality of columnar bodies. The components connected in the above are prepared, and each component of the force applied to the force receiving body is detected by individually measuring the pressing force applied to the support substrate from each columnar body and the inclination of each columnar body.

また、下記の特許文献2に開示されている技術も、既に米国特許第7219561号が付与されている技術である。この技術によれば、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定するセンサとして静電容量素子を用い、この静電容量素子を構成する特定の電極間に配線を施すことにより、受力体に加わった力の各成分を検出するための演算を単純化することが可能になる。   The technique disclosed in Patent Document 2 below is also a technique to which US Pat. No. 7,219,561 has already been granted. According to this technology, a capacitive element is used as a sensor for individually measuring the pressing force applied to the support substrate from each columnar body and the inclination of each columnar body, and wiring is performed between specific electrodes constituting this capacitive element. By applying the above, it is possible to simplify the calculation for detecting each component of the force applied to the force receiving body.

一方、下記の特許文献3には、8個の容量素子のみを用いて、6つの力成分をそれぞれ独立して検出する技術が開示されている。この技術によれば、容量素子の形成に必要な電極構造をより単純化することが可能になる。   On the other hand, Patent Document 3 below discloses a technique for detecting six force components independently using only eight capacitive elements. According to this technology, it is possible to further simplify the electrode structure necessary for forming the capacitive element.

特開2004−354049号公報JP 2004-354049 A 特開2004−325367号公報JP 2004-325367 A 特開2008−096229号公報JP 2008-096229 A

上述したとおり、特許文献1〜3に開示されている力検出装置は、比較的単純な構造により、各座標軸方向の力成分Fx,Fy,Fzと、各座標軸まわりのモーメント成分Mx,My,Mzとの6つの成分をそれぞれ独立して検出することが可能である。しかしながら、実用上は、他軸成分の干渉を完全に排除した状態で、必要な成分のみの正確な測定値を得ることは困難であり、他軸成分の干渉による測定精度の低下は避けられない。もちろん、このような他軸成分の干渉程度が、個々の用途に応じた許容誤差範囲内であれば支障はないが、最近は、様々な利用分野において、より測定精度の高い力検出装置が望まれている。   As described above, the force detection devices disclosed in Patent Documents 1 to 3 have force components Fx, Fy, and Fz in the coordinate axis directions and moment components Mx, My, and Mz around the coordinate axes with a relatively simple structure. 6 components can be detected independently of each other. However, in practice, it is difficult to obtain accurate measurement values of only the necessary components with the interference of other axis components completely eliminated, and a decrease in measurement accuracy due to interference of other axis components is inevitable. . Of course, there is no problem as long as the interference of other axis components is within an allowable error range according to each application, but recently, a force detection device with higher measurement accuracy is desired in various fields of use. It is rare.

そこで本発明は、できるたけ単純な構造をもち、しかも他軸成分の干渉を排除し、力とモーメントとを区別して検出することが可能な力検出装置を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a force detection device that has a simple structure as much as possible, eliminates interference of other axis components, and can detect force and moment separately.

(1) 本発明の第1の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための4本の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
4本の柱状体の各上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続されており、4本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、
XY平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
4本の柱状体は、その中心軸がいずれもZ軸に平行になるように配置されており、第1の柱状体は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、
第1の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第1のセンサが配置され、
第2の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第2のセンサが配置され、
第3の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第3のセンサが配置され、
第4の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第4のセンサが配置され、
第1のセンサは、XY座標系の第1象限に位置する第1の主容量素子と、XY座標系の第4象限に位置する第2の主容量素子と、を有し、
第2のセンサは、XY座標系の第2象限に位置する第3の主容量素子と、XY座標系の第3象限に位置する第4の主容量素子と、を有し、
第3のセンサは、第2の副容量素子と、第4の副容量素子と、を有し、
第4のセンサは、第1の副容量素子と、第3の副容量素子と、を有し、
各容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力の所定方向成分を検出する検出回路を更に備え、
受力体にX軸まわりのモーメントMxが作用した場合に、第1の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第1の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第2の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第2の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第3の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第3の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第4の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第4の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるように、各容量素子が構成され、
検出回路が、第1の主容量素子の静電容量値をC1、第1の副容量素子の静電容量値をD1、第2の主容量素子の静電容量値をC2、第2の副容量素子の静電容量値をD2、第3の主容量素子の静電容量値をC3、第3の副容量素子の静電容量値をD3、第4の主容量素子の静電容量値をC4、第4の副容量素子の静電容量値をD4としたときに、受力体に作用した力のY軸方向成分Fyを、
Fy=(C1+D1)−(C2+D2)+(C3+D3)−(C4+D4)
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention includes a support substrate, a force receiving body disposed above the support substrate, and four columnar bodies for connecting the support substrate and the power receiving body. In a state where the support substrate is fixed, a force detection device that detects the force acting on the force receiving body,
Each upper end of the four columnar bodies is connected to a force receiving body via a flexible member, and each lower end of the four columnar bodies has a flexible lower end side thin wall. Are connected,
The lower end side thin portion is connected to the support substrate via a pedestal so that the lower end side thin portion is arranged in parallel to the upper surface of the support substrate at an upper position with a predetermined distance from the upper surface of the support substrate. The part is connected to the lower end of the columnar body,
The XY plane is positioned on or above the upper surface of the support substrate so as to be parallel to the upper surface of the support substrate. Thus, when the XYZ three-dimensional coordinate system is defined,
The four columnar bodies are arranged so that their central axes are parallel to the Z axis, and the first columnar body is arranged at a position where the central axis intersects the positive part of the X axis. The second columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the negative portion of the X axis, and the third columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the positive portion of the Y axis. The fourth columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the negative part of the Y axis,
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion, and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the first columnar body and the upper surface of the support substrate facing the first columnar body. A first sensor comprising a plurality of capacitive elements formed in
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion, and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the second columnar body and the upper surface of the support substrate facing the second columnar body. A second sensor comprising a plurality of capacitive elements formed in
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion, and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the third columnar body and the upper surface of the support substrate facing the third columnar body. A third sensor comprising a plurality of capacitive elements formed in
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the fourth columnar body and the upper surface of the support substrate facing the fourth columnar body. A fourth sensor composed of a plurality of capacitive elements formed in
The first sensor has a first main capacitive element located in the first quadrant of the XY coordinate system, and a second main capacitive element located in the fourth quadrant of the XY coordinate system,
The second sensor has a third main capacitive element located in the second quadrant of the XY coordinate system, and a fourth main capacitive element located in the third quadrant of the XY coordinate system,
The third sensor has a second sub-capacitance element and a fourth sub-capacitance element,
The fourth sensor has a first sub-capacitance element and a third sub-capacitance element,
A detection circuit for detecting a predetermined direction component of the force acting on the force receiving body based on the capacitance value of each capacitive element;
When the moment Mx around the X axis acts on the force receiving body, the absolute value of the change in the capacitance value generated in the first main capacitive element and the change in the capacitance value generated in the first sub-capacitance element The absolute value of the change in the capacitance value generated in the second main capacitive element is equal to the absolute value of the change in the capacitance value generated in the second sub-capacitance element. Thus, the absolute value of the change in the capacitance value generated in the third main capacitance element is equal to the absolute value of the change in the capacitance value generated in the third subcapacitance element, and the fourth main capacitance. Each capacitive element is configured such that the absolute value of the change in capacitance value occurring in the element is equal to the absolute value of the change in capacitance value occurring in the fourth subcapacitance element,
The detection circuit is configured such that the capacitance value of the first main capacitance element is C1, the capacitance value of the first subcapacitance element is D1, the capacitance value of the second main capacitance element is C2, and the second sub capacitance element is C2. The capacitance value of the capacitance element is D2, the capacitance value of the third main capacitance element is C3, the capacitance value of the third sub-capacitance element is D3, and the capacitance value of the fourth main capacitance element is C4, when the capacitance value of the fourth sub-capacitance element is D4, the Y-axis direction component Fy of the force acting on the force receiving member is
Fy = (C1 + D1) − (C2 + D2) + (C3 + D3) − (C4 + D4)
This is obtained using the following arithmetic expression.

(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、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のY軸まわりのモーメント成分Myを、
My=(C1+D1)+(C2+D2)−(C3+D3)−(C4+D4)
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
(2) According to a second aspect of the present invention, in the force detection device according to the first aspect described above,
The detection circuit further detects a moment component My around the Y axis of the force acting on the power receiving body.
My = (C1 + D1) + (C2 + D2)-(C3 + D3)-(C4 + D4)
This is obtained using the following arithmetic expression.

(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、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のZ軸方向成分Fzを、
Fz=−((C1+D1)+(C2+D2)+(C3+D3)+(C4+D4))
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
(3) According to a third aspect of the present invention, in the force detection device according to the first or second aspect described above,
The detection circuit further includes a Z-axis direction component Fz of the force acting on the power receiving body,
Fz = − ((C1 + D1) + (C2 + D2) + (C3 + D3) + (C4 + D4))
This is obtained using the following arithmetic expression.

(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、
第1の主容量素子と第1の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第2の主容量素子と第2の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第3の主容量素子と第3の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第4の主容量素子と第4の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、を更に設け、
検出回路が、第1の主容量素子と第1の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C1+D1」の値として用い、第2の主容量素子と第2の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C2+D2」の値として用い、第3の主容量素子と第3の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C3+D3」の値として用い、第4の主容量素子と第4の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C4+D4」の値として用いるようにしたものである。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the force detection device according to the first to third aspects described above,
Wiring for connecting the first main capacitive element and the first sub-capacitor in parallel with each other; wiring for connecting the second main capacitive element and the second sub-capacitor in parallel with each other; Wiring for connecting the third main capacitive element and the third sub-capacitor in parallel with each other; wiring for connecting the fourth main capacitive element and the fourth sub-capacitor in parallel with each other; Further provided,
The detection circuit uses, as the value of “C1 + D1”, the capacitance value of the combined capacitance element configured by parallel connection of the first main capacitance element and the first subcapacitance element, and the second main capacitance element and the first The capacitance value of the composite capacitance element configured by parallel connection with the second sub-capacitance element is used as the value of “C2 + D2”, and is configured by parallel connection of the third main capacitance element and the third sub-capacitance element. Is used as the value of “C3 + D3”, and the capacitance value of the composite capacitive element configured by parallel connection of the fourth main capacitive element and the fourth sub-capacitance element is “C4 + D4”. "Is used as the value of". "

(5) 本発明の第5の態様は、上述の第1〜第4の態様に係る力検出装置において、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が、同一のセンサを構成する複数の容量素子についての共通電極として機能するようにしたものである。
(5) According to a fifth aspect of the present invention, in the force detection device according to the first to fourth aspects described above,
Each lower end side thin portion is made of a conductive material, and the lower end side thin portion itself functions as a common electrode for a plurality of capacitive elements constituting the same sensor.

(6) 本発明の第6の態様は、上述の第5の態様に係る力検出装置において、
第1〜第4の主容量素子を構成する支持基板側の4枚の電極が、同一形状および同一サイズの電極によって構成されており、かつ、これら4枚の電極配置パターンが、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっているようにしたものである。
(6) According to a sixth aspect of the present invention, in the force detection device according to the fifth aspect described above,
The four electrodes on the support substrate side constituting the first to fourth main capacitive elements are constituted by electrodes having the same shape and the same size, and these four electrode arrangement patterns are represented by an XZ plane and a YZ. Both planes are symmetrical with respect to the plane.

(7) 本発明の第7の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための4本の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
4本の柱状体の各上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続されており、4本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、
XY平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
4本の柱状体は、その中心軸がいずれもZ軸に平行になるように配置されており、第1の柱状体は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、
第1の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第1のセンサが配置され、
第2の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第2のセンサが配置され、
第3の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第3のセンサが配置され、
第4の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第4のセンサが配置され、
第1のセンサは、XY座標系の第1象限に位置する第1の主容量素子と、XY座標系の第4象限に位置する第2の主容量素子と、第6の副容量素子と、第8の副容量素子と、を有し、
第2のセンサは、XY座標系の第2象限に位置する第3の主容量素子と、XY座標系の第3象限に位置する第4の主容量素子と、第5の副容量素子と、第7の副容量素子と、を有し、
第3のセンサは、XY座標系の第1象限に位置する第5の主容量素子と、XY座標系の第2象限に位置する第6の主容量素子と、第2の副容量素子と、第4の副容量素子と、を有し、
第4のセンサは、XY座標系の第4象限に位置する第7の主容量素子と、XY座標系の第3象限に位置する第8の主容量素子と、第1の副容量素子と、第3の副容量素子と、を有し、
各容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力の所定方向成分を検出する検出回路を更に備え、
受力体にX軸まわりのモーメントMxが作用した場合に、第1の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第1の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第2の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第2の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第3の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第3の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第4の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第4の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、
受力体にY軸まわりのモーメントMyが作用した場合に、第5の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第5の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第6の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第6の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第7の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第7の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第8の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第8の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるように、各容量素子が構成され、
検出回路が、第1の主容量素子の静電容量値をC1、第1の副容量素子の静電容量値をD1、第2の主容量素子の静電容量値をC2、第2の副容量素子の静電容量値をD2、第3の主容量素子の静電容量値をC3、第3の副容量素子の静電容量値をD3、第4の主容量素子の静電容量値をC4、第4の副容量素子の静電容量値をD4、第5の主容量素子の静電容量値をC5、第5の副容量素子の静電容量値をD5、第6の主容量素子の静電容量値をC6、第6の副容量素子の静電容量値をD6、第7の主容量素子の静電容量値をC7、第7の副容量素子の静電容量値をD7、第8の主容量素子の静電容量値をC8、第8の副容量素子の静電容量値をD8、としたときに、
受力体に作用した力のY軸方向成分Fyを、
Fy=(C1+D1)−(C2+D2)+(C3+D3)−(C4+D4)
なる演算式を利用して求め、
受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを、
Fx=(C5+D5)−(C6+D6)+(C7+D7)−(C8+D8)
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
(7) According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a support substrate, a force receiving body disposed above the support substrate, and four columnar bodies for connecting the support substrate and the power receiving body. In a state where the support substrate is fixed, a force detection device that detects the force acting on the force receiving body,
Each upper end of the four columnar bodies is connected to a force receiving body via a flexible member, and each lower end of the four columnar bodies has a flexible lower end side thin wall. Are connected,
The lower end side thin portion is connected to the support substrate via a pedestal so that the lower end side thin portion is arranged in parallel to the upper surface of the support substrate at an upper position with a predetermined distance from the upper surface of the support substrate. The part is connected to the lower end of the columnar body,
The XY plane is positioned on or above the upper surface of the support substrate so as to be parallel to the upper surface of the support substrate. Thus, when the XYZ three-dimensional coordinate system is defined,
The four columnar bodies are arranged so that their central axes are parallel to the Z axis, and the first columnar body is arranged at a position where the central axis intersects the positive part of the X axis. The second columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the negative portion of the X axis, and the third columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the positive portion of the Y axis. The fourth columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the negative part of the Y axis,
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion, and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the first columnar body and the upper surface of the support substrate facing the first columnar body. A first sensor comprising a plurality of capacitive elements formed in
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion, and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the second columnar body and the upper surface of the support substrate facing the second columnar body. A second sensor comprising a plurality of capacitive elements formed in
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion, and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the third columnar body and the upper surface of the support substrate facing the third columnar body. A third sensor comprising a plurality of capacitive elements formed in
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the fourth columnar body and the upper surface of the support substrate facing the fourth columnar body. A fourth sensor composed of a plurality of capacitive elements formed in
The first sensor includes a first main capacitive element located in the first quadrant of the XY coordinate system, a second main capacitive element located in the fourth quadrant of the XY coordinate system, and a sixth sub-capacitive element. An eighth sub-capacitor element,
The second sensor includes a third main capacitive element located in the second quadrant of the XY coordinate system, a fourth main capacitive element located in the third quadrant of the XY coordinate system, and a fifth sub-capacitive element. A seventh sub-capacitor element,
The third sensor includes a fifth main capacitive element located in the first quadrant of the XY coordinate system, a sixth main capacitive element located in the second quadrant of the XY coordinate system, and a second sub-capacitive element. A fourth sub-capacitor element,
The fourth sensor includes a seventh main capacitive element located in the fourth quadrant of the XY coordinate system, an eighth main capacitive element located in the third quadrant of the XY coordinate system, and a first sub-capacitive element, A third sub-capacitor element,
A detection circuit for detecting a predetermined direction component of the force acting on the force receiving body based on the capacitance value of each capacitive element;
When the moment Mx around the X axis acts on the force receiving body, the absolute value of the change in the capacitance value generated in the first main capacitive element and the change in the capacitance value generated in the first sub-capacitance element The absolute value of the change in the capacitance value generated in the second main capacitive element is equal to the absolute value of the change in the capacitance value generated in the second sub-capacitance element. Thus, the absolute value of the change in the capacitance value generated in the third main capacitance element is equal to the absolute value of the change in the capacitance value generated in the third subcapacitance element, and the fourth main capacitance. The absolute value of the change in capacitance value occurring in the element is equal to the absolute value of the change in capacitance value occurring in the fourth sub-capacitance element,
When the moment My around the Y axis acts on the force receiving member, the absolute value of the change in the capacitance value generated in the fifth main capacitive element and the change in the capacitance value generated in the fifth sub-capacitance element The absolute value of the change in the capacitance value generated in the sixth main capacitive element is equal to the absolute value of the change in the capacitance value generated in the sixth sub-capacitance element. Thus, the absolute value of the change in the capacitance value generated in the seventh main capacitance element is equal to the absolute value of the change in the capacitance value generated in the seventh subcapacitance element, and the eighth main capacitance. Each capacitive element is configured such that the absolute value of the change in capacitance value occurring in the element is equal to the absolute value of the change in capacitance value occurring in the eighth subcapacitance element,
The detection circuit is configured such that the capacitance value of the first main capacitance element is C1, the capacitance value of the first subcapacitance element is D1, the capacitance value of the second main capacitance element is C2, and the second sub capacitance element is C2. The capacitance value of the capacitance element is D2, the capacitance value of the third main capacitance element is C3, the capacitance value of the third sub-capacitance element is D3, and the capacitance value of the fourth main capacitance element is C4, the capacitance value of the fourth sub-capacitance element is D4, the capacitance value of the fifth main capacitance element is C5, the capacitance value of the fifth sub-capacitance element is D5, and the sixth main capacitance element , The capacitance value of the sixth sub-capacitance element is D6, the capacitance value of the seventh main capacitance element is C7, the capacitance value of the seventh sub-capacitance element is D7, When the capacitance value of the eighth main capacitance element is C8 and the capacitance value of the eighth sub capacitance element is D8,
The Y-axis direction component Fy of the force acting on the force receiving body is
Fy = (C1 + D1) − (C2 + D2) + (C3 + D3) − (C4 + D4)
Using an arithmetic expression
The X-axis direction component Fx of the force acting on the force receiving body is
Fx = (C5 + D5)-(C6 + D6) + (C7 + D7)-(C8 + D8)
This is obtained using the following arithmetic expression.

(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、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のY軸まわりのモーメント成分Myを、
My=(C1+D1)+(C2+D2)−(C3+D3)−(C4+D4)
なる演算式を利用して求め、受力体に作用した力のX軸まわりのモーメント成分Mxを、
Mx=−(C5+D5)−(C6+D6)+(C7+D7)+(C8+D8)
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
(8) According to an eighth aspect of the present invention, in the force detection device according to the seventh aspect described above,
The detection circuit further detects a moment component My around the Y axis of the force acting on the power receiving body.
My = (C1 + D1) + (C2 + D2)-(C3 + D3)-(C4 + D4)
The moment component Mx around the X axis of the force acting on the force receiving body is calculated using the following equation:
Mx = − (C5 + D5) − (C6 + D6) + (C7 + D7) + (C8 + D8)
This is obtained using the following arithmetic expression.

(9) 本発明の第9の態様は、上述の第7または第8の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のZ軸方向成分Fzを、
Fz=−((C1+D1)+(C2+D2)+(C3+D3)+(C4+D4)+(C5+D5)+(C6+D6)+(C7+D7)+(C8+D8))
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
(9) According to a ninth aspect of the present invention, in the force detection device according to the seventh or eighth aspect described above,
The detection circuit further includes a Z-axis direction component Fz of the force acting on the power receiving body,
Fz = − ((C1 + D1) + (C2 + D2) + (C3 + D3) + (C4 + D4) + (C5 + D5) + (C6 + D6) + (C7 + D7) + (C8 + D8))
This is obtained using the following arithmetic expression.

(10) 本発明の第10の態様は、上述の第7〜第9の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のZ軸まわりのモーメント成分Mzを、
Mz=(C1+D1)−(C2+D2)−(C3+D3)+(C4+D4)−(C5+D5)+(C6+D6)+(C7+D7)−(C8+D8)
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the seventh to ninth aspects described above,
The detection circuit further detects a moment component Mz around the Z-axis of the force acting on the power receiving body.
Mz = (C1 + D1)-(C2 + D2)-(C3 + D3) + (C4 + D4)-(C5 + D5) + (C6 + D6) + (C7 + D7)-(C8 + D8)
This is obtained using the following arithmetic expression.

(11) 本発明の第11の態様は、上述の第7〜第10の態様に係る力検出装置において、
第1の主容量素子と第1の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第2の主容量素子と第2の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第3の主容量素子と第3の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第4の主容量素子と第4の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第5の主容量素子と第5の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第6の主容量素子と第6の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第7の主容量素子と第7の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第8の主容量素子と第8の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、を更に設け、
検出回路が、第1の主容量素子と第1の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C1+D1」の値として用い、第2の主容量素子と第2の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C2+D2」の値として用い、第3の主容量素子と第3の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C3+D3」の値として用い、第4の主容量素子と第4の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C4+D4」の値として用い、第5の主容量素子と第5の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C5+D5」の値として用い、第6の主容量素子と第6の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C6+D6」の値として用い、第7の主容量素子と第7の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C7+D7」の値として用い、第8の主容量素子と第8の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C8+D8」の値として用いるようにしたものである。
(11) An eleventh aspect of the present invention is the force detection device according to the seventh to tenth aspects described above,
Wiring for connecting the first main capacitive element and the first sub-capacitor in parallel with each other; wiring for connecting the second main capacitive element and the second sub-capacitor in parallel with each other; Wiring for connecting the third main capacitive element and the third sub-capacitor in parallel with each other; wiring for connecting the fourth main capacitive element and the fourth sub-capacitor in parallel with each other; Wiring for connecting the fifth main capacitive element and the fifth sub-capacitor in parallel with each other; wiring for connecting the sixth main capacitive element and the sixth sub-capacitor in parallel with each other; Wiring for connecting the seventh main capacitance element and the seventh subcapacitance element in parallel with each other; wiring for connecting the eighth main capacitance element and the eighth subcapacitance element in parallel with each other; Further provided,
The detection circuit uses, as the value of “C1 + D1”, the capacitance value of the combined capacitance element configured by parallel connection of the first main capacitance element and the first subcapacitance element, and the second main capacitance element and the first The capacitance value of the composite capacitance element configured by parallel connection with the second sub-capacitance element is used as the value of “C2 + D2”, and is configured by parallel connection of the third main capacitance element and the third sub-capacitance element. Is used as the value of “C3 + D3”, and the capacitance value of the composite capacitive element configured by parallel connection of the fourth main capacitive element and the fourth sub-capacitance element is “C4 + D4”. As the value of “C5 + D5”, and the capacitance value of the combined capacitive element constituted by the parallel connection of the fifth main capacitive element and the fifth sub-capacitor element is used as the sixth main capacitive element. And the sixth sub-capacitor in parallel connection The capacitance value of the combined capacitance element formed is used as the value of “C6 + D6”, and the capacitance value of the combined capacitance element configured by parallel connection of the seventh main capacitance element and the seventh subcapacitance element is This is used as the value of “C7 + D7”, and the capacitance value of the composite capacitive element formed by parallel connection of the eighth main capacitive element and the eighth sub-capacitance element is used as the value of “C8 + D8”. is there.

(12) 本発明の第12の態様は、上述の第7〜第11の態様に係る力検出装置において、
4本の柱状体が、同一形状および同一サイズの構造体によって構成されており、かつ、これら4本の柱状体の配置パターンが、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっているようにしたものである。
(12) A twelfth aspect of the present invention is the force detection device according to the seventh to eleventh aspects described above,
The four columnar bodies are constituted by structures of the same shape and the same size, and the arrangement pattern of the four columnar bodies is symmetrical with respect to both the XZ plane and the YZ plane. It is a thing.

(13) 本発明の第13の態様は、上述の第12の態様に係る力検出装置において、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が、同一のセンサを構成する複数の容量素子についての共通電極として機能するようにしたものである。
(13) According to a thirteenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the twelfth aspect described above,
Each lower end side thin portion is made of a conductive material, and the lower end side thin portion itself functions as a common electrode for a plurality of capacitive elements constituting the same sensor.

(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、
第1〜第8の主容量素子を構成する支持基板側の8枚の電極が、同一形状および同一サイズの電極によって構成されており、かつ、これら8枚の電極の配置パターンが、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっているようにしたものである。
(14) According to a fourteenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the thirteenth aspect described above,
The eight electrodes on the support substrate side constituting the first to eighth main capacitive elements are constituted by electrodes of the same shape and the same size, and the arrangement pattern of these eight electrodes is an XZ plane and The plane is symmetrical with respect to both YZ planes.

(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、
第1および第2の主容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第1の柱状体の中心軸を中心にして配置された第1の環状帯をX軸に沿って切断して得られる2枚の電極によって構成され、
第3および第4の主容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第2の柱状体の中心軸を中心にして配置された第2の環状帯をX軸に沿って切断して得られる2枚の電極によって構成され、
第5および第6の主容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第3の柱状体の中心軸を中心にして配置された第3の環状帯をY軸に沿って切断して得られる2枚の電極によって構成され、
第7および第8の主容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第4の柱状体の中心軸を中心にして配置された第4の環状帯をY軸に沿って切断して得られる2枚の電極によって構成され、
第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第1の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第2の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第3の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第4の環状帯によって囲まれた内側領域に配置されているようにしたものである。
(15) According to a fifteenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the fourteenth aspect described above,
The two electrodes on the support substrate side constituting the first and second main capacitive elements cut the first annular band disposed around the central axis of the first columnar body along the X axis. Composed of two electrodes obtained by
The two electrodes on the support substrate side constituting the third and fourth main capacitive elements cut the second annular band disposed around the central axis of the second columnar body along the X axis. Composed of two electrodes obtained by
Two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and sixth main capacitive elements cut the third annular band arranged around the central axis of the third columnar body along the Y axis. Composed of two electrodes obtained by
The four electrodes on the support substrate side constituting the seventh and eighth main capacitive elements cut the fourth annular band arranged around the central axis of the fourth columnar body along the Y axis. Composed of two electrodes obtained by
Two electrodes on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements are arranged in an inner region surrounded by the first annular band,
Two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements are arranged in an inner region surrounded by the second annular band,
Two electrodes on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements are arranged in an inner region surrounded by the third annular band,
Two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements are arranged in the inner region surrounded by the fourth annular band.

(16) 本発明の第16の態様は、上述の第15の態様に係る力検出装置において、
各柱状体が円柱状構造体からなり、各下端側肉薄部が円盤状構造体からなり、各環状帯が円環状構造体からなるようにしたものである。
(16) According to a sixteenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the fifteenth aspect described above,
Each columnar body is made of a cylindrical structure, each thin portion on the lower end side is made of a disk-like structure, and each annular band is made of an annular structure.

(17) 本発明の第17の態様は、上述の第16の態様に係る力検出装置において、
第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成されているようにしたものである。
(17) According to a seventeenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the sixteenth aspect described above,
Of the two electrodes on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements, one is constituted by an electrode having an annular shape, and the other is constituted by an electrode disposed in the inner region thereof,
Of the two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements, one is constituted by an electrode having an annular shape, and the other is constituted by an electrode arranged in the inner region thereof,
Of the two electrodes on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements, one is constituted by an electrode having an annular shape, and the other is constituted by an electrode arranged in the inner region thereof,
Of the two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements, one is constituted by an electrode having an annular shape, and the other is constituted by an electrode disposed in the inner region. It is what I did.

(18) 本発明の第18の態様は、上述の第16の態様に係る力検出装置において、
第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第1の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、X軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成され、
第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第2の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、X軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成され、
第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第3の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Y軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成され、
第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第4の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Y軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成されているようにしたものである。
(18) According to an eighteenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the sixteenth aspect described above,
2 obtained by cutting, along the X-axis, a disk in which two electrodes on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the first columnar body. Composed of a semicircular electrode,
2 obtained by cutting, along the X-axis, a disk in which two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the second columnar body. Composed of a semicircular electrode,
2 obtained by cutting, along the Y-axis, a disk in which two electrodes on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the third columnar body. Composed of a semicircular electrode,
2 obtained by cutting, along the Y-axis, a disk in which two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the fourth columnar body. It is configured by a single semicircular electrode.

(19) 本発明の第19の態様は、上述の第16の態様に係る力検出装置において、
第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第1の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りY軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成され、
第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第2の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りY軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成され、
第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第3の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りX軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成され、
第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第4の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りX軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成されているようにしたものである。
(19) According to a nineteenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the sixteenth aspect described above,
Reference is made to a disk in which the two electrodes on the supporting substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the first columnar body, passing through the central point and parallel to the Y axis It is composed of two semicircular electrodes obtained by cutting along the axis,
Reference is made to a disk in which the two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the second columnar body, passing through the central point and parallel to the Y axis It is composed of two semicircular electrodes obtained by cutting along the axis,
Reference is made to a disk in which the two electrodes on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the third columnar body, passing through the central point and parallel to the X axis It is composed of two semicircular electrodes obtained by cutting along the axis,
Reference is made to a disk in which the two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the fourth columnar body, passing through the central point and parallel to the X axis It is configured by two semicircular electrodes obtained by cutting along the axis.

(20) 本発明の第20の態様は、上述の第14〜第16の態様に係る力検出装置において、
第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第1の柱状体の中心軸を含みYZ平面に平行な参照面と、XZ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第2の柱状体の中心軸を含みYZ平面に平行な参照面と、XZ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第3の柱状体の中心軸を含みXZ平面に平行な参照面と、YZ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第4の柱状体の中心軸を含みXZ平面に平行な参照面と、YZ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなすようにしたものである。
(20) According to a twentieth aspect of the present invention, in the force detection device according to the fourteenth to sixteenth aspects described above,
Both the two electrodes on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements are both related to the reference plane including the central axis of the first columnar body and parallel to the YZ plane, and the XZ plane. A shape that is plane symmetric,
Both the two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements are both related to the reference plane including the central axis of the second columnar body and parallel to the YZ plane, and the XZ plane. A shape that is plane symmetric,
Both the two electrodes on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements are both related to the reference plane including the central axis of the third columnar body and parallel to the XZ plane, and the YZ plane. A shape that is plane symmetric,
Both the two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements are both related to the reference plane including the central axis of the fourth columnar body and parallel to the XZ plane, and the YZ plane. The shape is symmetrical with respect to the plane.

(21) 本発明の第21の態様は、上述の第14〜第16の態様に係る力検出装置において、
第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第1の柱状体の中心軸を含みYZ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第2の柱状体の中心軸を含みYZ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第3の柱状体の中心軸を含みXZ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第4の柱状体の中心軸を含みXZ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなすようにしたものである。
(21) According to a twenty-first aspect of the present invention, in the force detection device according to the fourteenth to sixteenth aspects described above,
Each of the two electrodes on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements has a shape that is plane-symmetric with respect to a reference plane that includes the central axis of the first columnar body and is parallel to the YZ plane. ,
Each of the two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements has a shape that is plane-symmetric with respect to a reference plane that includes the central axis of the second columnar body and is parallel to the YZ plane. ,
Each of the two electrodes on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements has a shape that is plane-symmetric with respect to a reference plane that includes the central axis of the third columnar body and is parallel to the XZ plane. ,
Both of the two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements have a shape that is plane-symmetric with respect to a reference plane that includes the central axis of the fourth columnar body and is parallel to the XZ plane. It is what I did.

(22) 本発明の第22の態様は、上述の第1〜第21の態様に係る力検出装置において、
主容量素子を構成する電極の面積と、これに対応する副容量素子を構成する電極の面積との比を、受力体にX軸まわりのモーメントMxもしくはY軸まわりのモーメントMyが作用した場合に、主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるような面積比に設定したものである。
(22) According to a twenty-second aspect of the present invention, in the force detection device according to the first to twenty-first aspects described above,
When the moment Mx around the X-axis or the moment My around the Y-axis acts on the force receiving body, the ratio of the area of the electrode constituting the main capacitive element to the area of the electrode constituting the sub-capacitor corresponding thereto In addition, the area ratio is set such that the absolute value of the change in capacitance value generated in the main capacitive element is equal to the absolute value of the change in capacitance value generated in the sub-capacitance element.

(23) 本発明の第23の態様は、上述の第1〜第22の態様に係る力検出装置において、
4本の柱状体の各上端を受力体に接続するための可撓性をもった部材として、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続された上端側肉薄部が設けられているようにしたものである。
(23) According to a twenty-third aspect of the present invention, in the force detection device according to the first to twenty-second aspects described above,
As a flexible member for connecting each upper end of the four columnar bodies to the power receiving body, the upper end of which the periphery is connected to the power receiving body and the center of the lower surface is connected to the upper end of the columnar body A side thin part is provided.

本発明に係る力検出装置によれば、受力体と支持基板とを4本の柱状体で接続し、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定することにより、受力体に加わった力の各成分を検出することができるため、構造が非常に単純な検出装置を実現することができる。しかも、基本的には、主容量素子を用いて各力成分をそれぞれ独立して検出する構成を採りつつ、個々の主容量素子にそれぞれ対応する副容量素子を設け、他軸成分の干渉要素をキャンセルできるようにしたため、他軸成分の干渉を排除し、力とモーメントとを区別して検出することが可能になる。   According to the force detection device of the present invention, the force receiving body and the support substrate are connected by the four columnar bodies, and the pressing force applied from each columnar body to the support substrate and the inclination of each columnar body are individually measured. Thus, each component of the force applied to the force receiving body can be detected, so that a detection device having a very simple structure can be realized. In addition, basically, while adopting a configuration in which each force component is independently detected using the main capacitive element, a sub-capacitance element corresponding to each main capacitive element is provided, and interference elements of other axis components are provided. Since cancellation can be performed, it is possible to eliminate the interference of other axis components and detect force and moment separately.

本発明に係る力検出装置の基本構成を示す斜視図(一部はブロック図)である。1 is a perspective view (partially a block diagram) showing a basic configuration of a force detection device according to the present invention. 図1に示す力検出装置の基本的な動作原理を示す正面図である。It is a front view which shows the fundamental operation | movement principle of the force detection apparatus shown in FIG. 本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の上面図である。1 is a top view of a force detection device according to a basic embodiment of the present invention. 本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の第1の側断面図であり、図3に示す装置をXZ平面に沿って切断した断面が示されている。FIG. 4 is a first side sectional view of the force detection device according to the basic embodiment of the present invention, and shows a cross section obtained by cutting the device shown in FIG. 3 along the XZ plane. 本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の第2の側断面図であり、図3に示す装置をYZ平面に沿って切断した断面が示されている。It is the 2nd sectional side view of the force detection apparatus which concerns on fundamental embodiment of this invention, and the cross section which cut | disconnected the apparatus shown in FIG. 3 along the YZ plane is shown. 図4,図5に示す力検出装置の受力体100を、X′Y′平面に沿って切断した状態を示す横断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state where the force receiving body 100 of the force detection device shown in FIGS. 4 and 5 is cut along the X′Y ′ plane. 図4,図5に示す力検出装置の中間体200を、切断線7−7に沿って切断した状態を示す横断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state where the intermediate body 200 of the force detection device shown in FIGS. 4 and 5 is cut along a cutting line 7-7. 図4,図5に示す力検出装置の中間体200を、XY平面に沿って切断した状態を示す横断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a state where the intermediate body 200 of the force detection device illustrated in FIGS. 4 and 5 is cut along an XY plane. 図4,図5に示す力検出装置の支持基板300の上面図である。FIG. 6 is a top view of a support substrate 300 of the force detection device shown in FIGS. 4 and 5. 本発明の実用的な実施形態に係る力検出装置のXZ側断面図である。It is XZ side sectional drawing of the force detection apparatus which concerns on practical embodiment of this invention. 図10に示す力検出装置にX軸正方向の力+Fxが作用したときの構造体の変形態様を示す側断面図である。FIG. 11 is a side sectional view showing a deformation mode of a structure when a force + Fx in the positive direction of the X axis is applied to the force detection device shown in FIG. 10. 図10に示す力検出装置にZ軸正方向の力+Fzが作用したときの構造体の変形態様を示す側断面図である。FIG. 11 is a side sectional view showing a deformation mode of the structure when a force + Fz in the positive direction of the Z-axis acts on the force detection device shown in FIG. 10. 図10に示す力検出装置にY軸まわりのモーメント+Myが作用したときの構造体の仮想的な変形態様を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the virtual deformation | transformation aspect of a structure when the moment + My around Y-axis acts on the force detection apparatus shown in FIG. 図10に示す力検出装置において、8個の主容量素子C1〜C8を用いた各力成分の基本的な検出原理を示すテーブルであり、受力体に各力成分が作用したときの各主容量素子の静電容量値の変化の態様を示している(モーメントの作用に関しては、図14に示す仮想的な変形態様を前提としており、他軸干渉成分を考慮しない態様を示している)。10 is a table showing the basic detection principle of each force component using eight main capacitive elements C1 to C8 in the force detection device shown in FIG. 10, and each main component when each force component acts on a force receiving body. 14 shows a mode of change of the capacitance value of the capacitive element (the action of the moment assumes the virtual deformation mode shown in FIG. 14 and shows a mode in which no other-axis interference component is considered). 図14に示すテーブルに基づいて、8個の主容量素子C1〜C8の静電容量値を用いて各力成分を検出する原理を数式を用いて示す図である。It is a figure which shows the principle which detects each force component using the electrostatic capacitance value of eight main capacitive elements C1-C8 based on the table shown in FIG. 14 using a numerical formula. 図14および図15に示す原理に基づく検出を行った場合に、X軸まわりのモーメントMxによるY軸方向の力Fyへの他軸干渉が生じる測定結果を示すグラフである。FIG. 16 is a graph showing measurement results in which other-axis interference occurs in the force Fy in the Y-axis direction due to the moment Mx around the X-axis when detection based on the principle shown in FIGS. 14 and 15 is performed. 他軸干渉成分を考慮して、図14に示すテーブルを補正したテーブルである(太線で囲った欄は、補正対象となった欄である)。FIG. 14 is a table obtained by correcting the table shown in FIG. 14 in consideration of the other-axis interference component (the column enclosed by a thick line is the column to be corrected). 図9に示されている16枚の電極の拡大平面図である。FIG. 10 is an enlarged plan view of 16 electrodes shown in FIG. 9. 図10に示す力検出装置において、受力体に各力成分が作用したときの各副容量素子の静電容量値の変化の態様を示すテーブルである(太線で囲った欄は、副容量素子の静電容量値に変化が生じる欄である)。In the force detection device shown in FIG. 10, it is a table showing the change of the capacitance value of each sub-capacitance element when each force component acts on the force receiving body (the column enclosed by the thick line is the sub-capacitance element) This is a column in which a change occurs in the electrostatic capacity value). 図17に示す8個の主容量素子C1〜C8についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図19に示す8個の副容量素子D1〜D8についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである(太線で囲った欄は、副容量素子の静電容量値に変化が生じる欄である)。Each column showing the change in capacitance value for the eight main capacitance elements C1 to C8 shown in FIG. 17, and the change in capacitance value for the eight sub capacitance elements D1 to D8 shown in FIG. Is a table showing the sum of each column (the column surrounded by a thick line is a column in which the capacitance value of the sub-capacitance element changes). 図20に示すテーブルに基づいて、8個の主容量素子C1〜C8および8個の副容量素子D1〜D8の静電容量値を用いて各力成分を検出する原理を数式を用いて示す図である。The figure which shows the principle which detects each force component using an electrostatic capacitance value of eight main capacitive elements C1-C8 and eight sub-capacitance elements D1-D8 based on the table shown in FIG. It is. 主容量素子を構成する電極と副容量素子を構成する電極との面積比を決定するための実験方法の一例を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows an example of the experimental method for determining the area ratio of the electrode which comprises a main capacitive element, and the electrode which comprises a subcapacitance element. 図18に示されている16枚の電極に対する配線例を示す拡大平面図である。It is an enlarged plan view which shows the example of wiring with respect to 16 electrodes shown by FIG. 図18に示されている16枚の電極の第1の変形例(副容量素子を構成する8枚の電極F1〜F8の形状および配置が異なる)を示す拡大平面図である。FIG. 19 is an enlarged plan view showing a first modification of the 16 electrodes shown in FIG. 18 (the shapes and arrangement of the eight electrodes F1 to F8 constituting the sub-capacitance element are different). 図24に示す第1の変形例において、受力体に各力成分が作用したときの各副容量素子D1〜D8の静電容量値の変化の態様を示すテーブルである。FIG. 25 is a table showing changes in electrostatic capacitance values of the sub-capacitance elements D1 to D8 when each force component acts on the force receiving body in the first modification shown in FIG. 24. FIG. 図17に示す8個の主容量素子C1〜C8についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図25に示す8個の副容量素子D1〜D8についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。Each column indicating the change in capacitance value for the eight main capacitance elements C1 to C8 shown in FIG. 17, and the change in capacitance value for the eight sub capacitance elements D1 to D8 shown in FIG. It is a table which shows the sum of each column which shows the aspect of this. 図18に示されている16枚の電極の第2の変形例(副容量素子を構成する8枚の電極F1〜F8の形状および配置が異なる)を示す拡大平面図である。FIG. 19 is an enlarged plan view showing a second modification of the 16 electrodes shown in FIG. 18 (the shapes and arrangement of the eight electrodes F1 to F8 constituting the sub-capacitance element are different). 図27に示す第2の変形例において、受力体に各力成分が作用したときの各副容量素子D1〜D8の静電容量値の変化の態様を示すテーブルである。In the 2nd modification shown in FIG. 27, it is a table which shows the aspect of the change of the electrostatic capacitance value of each subcapacitance element D1-D8 when each force component acts on a power receiving body. 図17に示す8個の主容量素子C1〜C8についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図28に示す8個の副容量素子D1〜D8についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。Each column showing the change in capacitance value for the eight main capacitance elements C1 to C8 shown in FIG. 17, and the change in capacitance value for the eight sub capacitance elements D1 to D8 shown in FIG. It is a table which shows the sum of each column which shows the aspect of this. 主容量素子C1を構成する電極E1に対して、副容量素子D1を構成する電極F1の配置を説明する平面図である。It is a top view explaining arrangement | positioning of the electrode F1 which comprises the subcapacitance element D1 with respect to the electrode E1 which comprises the main capacitive element C1. 主容量素子C1,C2を構成する電極E1,E2に対して、副容量素子D1,D2を構成する電極F1,F2の配置の一例(図18の実施例に対応する例)を説明する平面図である。The top view explaining an example (example corresponding to the example of Drawing 18) of arrangement of electrodes F1 and F2 which constitute subcapacitance elements D1 and D2 to electrodes E1 and E2 which constitute main capacity elements C1 and C2 It is. 主容量素子C1,C2を構成する電極E1,E2に対して、副容量素子D1,D2を構成する電極F1,F2の配置の別な一例(図24の第1の変形例に対応する例)を説明する平面図である。Another example of the arrangement of the electrodes F1, F2 constituting the sub-capacitance elements D1, D2 with respect to the electrodes E1, E2 constituting the main capacitance elements C1, C2 (an example corresponding to the first modification of FIG. 24) FIG. 主容量素子C1,C2を構成する電極E1,E2に対して、副容量素子D1,D2を構成する電極F1,F2の配置の更に別な一例(図27の第2の変形例に対応する例)を説明する平面図である。Another example of the arrangement of the electrodes F1, F2 constituting the sub-capacitance elements D1, D2 with respect to the electrodes E1, E2 constituting the main capacitance elements C1, C2 (an example corresponding to the second modification of FIG. 27) FIG.

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.

<<< §1. 装置の基本構造 >>>
はじめに、本発明に係る力検出装置の基本構造を説明する。なお、この基本構造それ自身は、前述した特許文献1〜3において、既に開示されているものである。
<<< §1. Basic structure of equipment >>
First, the basic structure of the force detection device according to the present invention will be described. This basic structure itself is already disclosed in Patent Documents 1 to 3 described above.

図1に示すとおり、本発明に係る力検出装置の基本構成要素は、受力体10、第1の柱状体11、第2の柱状体12、第3の柱状体13、第4の柱状体14、支持基板20、第1のセンサ21、第2のセンサ22、第3のセンサ23、第4のセンサ24、検出回路30である。   As shown in FIG. 1, the basic components of the force detection device according to the present invention include a force receiving body 10, a first columnar body 11, a second columnar body 12, a third columnar body 13, and a fourth columnar body. 14, support substrate 20, first sensor 21, second sensor 22, third sensor 23, fourth sensor 24, and detection circuit 30.

ここでは、説明の便宜上、XYZ三次元座標系と、これを上方に平行移動させたX′Y′Z′補助座標系を定義する。図示の例の場合、XYZ三次元座標系の原点Oは、支持基板20の上面中心位置に定義されており、支持基板20の上面がXY平面に含まれるようになっている。図の右方がX軸正方向、図の斜め奥がY軸正方向、図の上方がZ軸正方向である。一方、X′Y′Z′補助座標系の原点O′は、原点OをZ軸正方向に所定距離移動させた位置にある。具体的には、原点O′は受力体10の中心部に位置している。したがって、X軸とX′軸とは平行であり、Y軸とY′軸とは平行であり、Z軸とZ′軸とは重なり合っている。   Here, for convenience of explanation, an XYZ three-dimensional coordinate system and an X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system obtained by translating the coordinate system upward are defined. In the case of the illustrated example, the origin O of the XYZ three-dimensional coordinate system is defined at the center position of the upper surface of the support substrate 20, and the upper surface of the support substrate 20 is included in the XY plane. The right side of the figure is the X-axis positive direction, the diagonally back side of the figure is the Y-axis positive direction, and the upper side of the figure is the Z-axis positive direction. On the other hand, the origin O ′ of the X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system is at a position obtained by moving the origin O by a predetermined distance in the positive direction of the Z axis. Specifically, the origin O ′ is located at the center of the force receiving body 10. Therefore, the X axis and the X ′ axis are parallel, the Y axis and the Y ′ axis are parallel, and the Z axis and the Z ′ axis overlap each other.

受力体10は、検出対象となる力を受ける構成要素であり、X′Y′Z′補助座標系の原点O′を受力体10の中心部にとったのは、この受力体10に作用する力を説明するための便宜である。図には、受力体10に対して作用する、X軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fy、Z軸方向の力Fzを、それぞれX′軸、Y′軸、Z′軸に沿った矢印として示してあるが、もちろん、これらの力はそれぞれX軸、Y軸、Z軸にも平行な力であり、受力体10に対して加えられた力のX軸方向成分、Y軸方向成分、Z軸方向成分を示すものになる。   The force receiving body 10 is a component that receives a force to be detected, and the force receiving body 10 has the origin O ′ of the X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system at the center of the force receiving body 10. This is a convenience for explaining the force acting on the. In the figure, the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, and the force Fz in the Z-axis direction acting on the force receiving body 10 are respectively shown along the X ′ axis, the Y ′ axis, and the Z ′ axis. Of course, these forces are forces parallel to the X-axis, Y-axis, and Z-axis, respectively, and the X-axis direction component of the force applied to the force receiving member 10 is represented by the Y-axis. This indicates the direction component and the Z-axis direction component.

このように、力Fx,Fy,Fzについては、X′Y′Z′補助座標系の各座標軸に沿った力と考えても、XYZ三次元座標系の各座標軸に沿った力と考えても、物理量としての本質に相違はないが、モーメントMx,My,Mzについては、座標系の原点位置をどこにとるかによって物理量としての本質は変わってくる。特に、本発明は、他軸成分の干渉を排除した高い測定精度をもつ力検出装置に係るものであるため、ここでは、XYZ三次元座標系とX′Y′Z′補助座標系とを明確に区別して取り扱うことにする。   As described above, the forces Fx, Fy, and Fz may be considered as forces along the coordinate axes of the X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system or forces along the coordinate axes of the XYZ three-dimensional coordinate system. Although there is no difference in the essence as a physical quantity, the essence as a physical quantity varies depending on where the origin position of the coordinate system is taken for the moments Mx, My, and Mz. In particular, since the present invention relates to a force detection device having high measurement accuracy that eliminates interference of other axis components, here, an XYZ three-dimensional coordinate system and an X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system are clearly defined. We will treat them separately.

すなわち、本発明に係る力検出装置の検出対象となる力Fx,Fy,FzおよびモーメントMx,My,Mzは、あくまでもXYZ三次元座標系の各座標軸方向に作用する力および各座標軸まわりに作用するモーメントであり、図1において、モーメントMx,Myを示す矢印がそれぞれX軸およびY軸まわりに描かれているのはこのためである(Z軸とZ′軸とは重なるので、モーメントMzはZ′軸まわりのモーメントと考えても支障ない)。別言すれば、モーメントMxやMyが直接的に作用する物体は受力体10であるが、これらのモーメントは、受力体10を、その中心位置にある原点O′を中心として回転させる作用を果たすのではなく、受力体10を、XYZ三次元座標系の原点Oを中心として回転させる作用を果たすことになる。   That is, the forces Fx, Fy, Fz and moments Mx, My, Mz to be detected by the force detection device according to the present invention are applied to the forces acting around the coordinate axes in the XYZ three-dimensional coordinate system and around the coordinate axes. This is why the arrows indicating the moments Mx and My are drawn around the X axis and the Y axis in FIG. 1 (the Z axis and the Z ′ axis overlap each other, so the moment Mz is Z It can be considered as a moment around the 'axis). In other words, the object to which the moments Mx and My directly act is the force receiving body 10, but these moments act to rotate the force receiving body 10 about the origin O 'at the center position. Rather than fulfilling the above, the force receiving body 10 is rotated around the origin O of the XYZ three-dimensional coordinate system.

結局、この力検出装置は、XYZ三次元座標系において、受力体10に作用する力のX軸方向成分Fx、Y軸方向成分Fy、Z軸方向成分Fzと、X軸まわりのモーメント成分Mx、Y軸まわりのモーメント成分My、Z軸まわりのモーメント成分Mzをそれぞれ独立して検出する機能を有することになる。   Eventually, this force detection device has an X-axis direction component Fx, a Y-axis direction component Fy, a Z-axis direction component Fz, and a moment component Mx around the X-axis in the XYZ three-dimensional coordinate system. , The moment component My around the Y axis and the moment component Mz around the Z axis are independently detected.

なお、本願では、「力」という文言は、特定の座標軸方向の力成分を意味する場合と、モーメント成分を含めた集合的な力を意味する場合とを、適宜使い分けることにする。たとえば、図1において、力Fx,Fy,Fzと言った場合は、モーメントではない各座標軸方向の力成分を意味しているが、6つの力Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzと言った場合は、各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分とを含む集合的な力を意味することになる。   In the present application, the term “force” is appropriately used when it means a force component in a specific coordinate axis direction and when it means a collective force including a moment component. For example, in FIG. 1, the forces Fx, Fy, and Fz mean force components in the coordinate axis directions that are not moments, but six forces Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz. In this case, it means a collective force including a force component in each coordinate axis direction and a moment component around each coordinate axis.

支持基板20は、受力体10の下方に配置され、受力体10を支持する機能を果たす構成要素である。上述したように、ここに示す例の場合、支持基板20の上面は、XY平面に含まれる。この力検出装置は、この支持基板20を固定した状態において、受力体10に作用した力を検出することになる。   The support substrate 20 is a component that is disposed below the force receiving body 10 and fulfills the function of supporting the force receiving body 10. As described above, in the example shown here, the upper surface of the support substrate 20 is included in the XY plane. This force detection device detects a force acting on the force receiving body 10 in a state where the support substrate 20 is fixed.

第1の柱状体11〜第4の柱状体14は、受力体10と支持基板20とを接続する部材であり、いずれもその中心軸がZ軸に平行になるように配置されている。しかも、第1の柱状体11は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体12は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体13は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体14は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置されている。   The first columnar body 11 to the fourth columnar body 14 are members that connect the force receiving body 10 and the support substrate 20, and are all disposed so that the central axis thereof is parallel to the Z axis. Moreover, the first columnar body 11 is arranged at a position where the central axis intersects the positive part of the X axis, and the second columnar body 12 is a position where the central axis intersects the negative part of the X axis. The third columnar body 13 is disposed at a position where its central axis intersects the positive part of the Y axis, and the fourth columnar body 14 is disposed at a position where the central axis intersects the negative part of the Y axis. It is arranged at the position to do.

また、実用上は、第1の柱状体11〜第4の柱状体14は、全く同じ材質、全く同じ形状、全く同じサイズにするのが好ましい。これは、これらの材質・形状・サイズを同一にしておけば、第1のセンサ21〜第4のセンサ24による検出感度を同一にすることができるためである。相互の材質・形状・サイズが異なると、各センサの感度を同一にそろえることが困難になり、感度補正のための工夫が必要になる。同様の理由により、各柱状体の形状および配置のパターンは、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっているのが好ましい。   In practice, it is preferable that the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14 have the same material, the same shape, and the same size. This is because the detection sensitivities of the first sensor 21 to the fourth sensor 24 can be made the same if these materials, shapes, and sizes are made the same. If the materials, shapes, and sizes are different from each other, it is difficult to equalize the sensitivities of the sensors, and a device for correcting the sensitivity is required. For the same reason, the shape and arrangement pattern of each columnar body are preferably plane-symmetric with respect to both the XZ plane and the YZ plane.

なお、図1には示されていないが、各柱状体11〜14の上端は、受力体10に対して、可撓性をもった部材を介して接続されており、各柱状体11〜14の下端は、支持基板20に対して、可撓性をもった接続部材を介して接続されている。要するに、第1の柱状体11〜第4の柱状体14は、受力体10に対しても、支持基板20に対しても、可撓性をもって接続されていることになる。ここで、可撓性とは弾力性と同義であり、受力体10に対して何ら力が作用していない状態では、受力体10は支持基板20に対して定位置をとるが、受力体10に何らかの力が作用すると、可撓性をもった接続部材が弾性変形を生じ、受力体10と支持基板20との相対位置に変化が生じることになる。もちろん、受力体10に作用する力がなくなると、受力体10はもとどおりの定位置に戻る。   Although not shown in FIG. 1, the upper ends of the respective columnar bodies 11 to 14 are connected to the force receiving body 10 through flexible members, and the respective columnar bodies 11 to 11 are connected. The lower end of 14 is connected to the support substrate 20 via a flexible connection member. In short, the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14 are connected to the force receiving body 10 and the support substrate 20 with flexibility. Here, flexibility is synonymous with elasticity, and in a state where no force is applied to the force receiving body 10, the force receiving body 10 takes a fixed position with respect to the support substrate 20. When some force is applied to the force body 10, the flexible connecting member is elastically deformed, and the relative position between the force receiving body 10 and the support substrate 20 is changed. Of course, when the force acting on the force receiving body 10 disappears, the force receiving body 10 returns to the original fixed position.

結局、図1に示す例の場合、第1の柱状体11〜第4の柱状体14の上端部および下端部が、それぞれ可撓性をもった接続部材によって構成されていることになる(もちろん、第1の柱状体11〜第4の柱状体14の全体が可撓性をもった材料により構成されていてもかまわない)。そして、この接続部材が、ある程度の弾性変形を生じるため、第1の柱状体11〜第4の柱状体14は、受力体10や支持基板20に対して傾斜することができる。また、この接続部材は、図の上下方向(Z軸方向)にも伸縮することが可能であり、受力体10を図の上方向(+Z軸方向)に動かすと、接続部材が伸縮し、受力体10と支持基板20との距離は広がり、逆に、受力体10を図の下方向(−Z軸方向)に動かすと、接続部材が伸縮し、受力体10と支持基板20との距離は狭まることになる。もちろん、このような変位や傾斜の度合いは、受力体10に作用した力の大きさに応じて大きくなる。   After all, in the case of the example shown in FIG. 1, the upper end portion and the lower end portion of the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14 are each constituted by a flexible connecting member (of course. The whole of the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14 may be made of a flexible material). And since this connection member produces a certain amount of elastic deformation, the 1st columnar body 11-the 4th columnar body 14 can incline with respect to the force receiving body 10 and the support substrate 20. FIG. Further, this connecting member can be expanded and contracted in the vertical direction (Z-axis direction) in the figure, and when the force receiving body 10 is moved in the upward direction (+ Z-axis direction) in the figure, the connecting member expands and contracts, The distance between the force receiving body 10 and the support substrate 20 increases. Conversely, when the force receiving body 10 is moved in the downward direction (−Z-axis direction) in the figure, the connecting member expands and contracts, and the force receiving body 10 and the support substrate 20 are expanded. The distance to will be narrowed. Of course, the degree of such displacement and inclination increases according to the magnitude of the force acting on the force receiving body 10.

第1のセンサ21〜第4のセンサ24は、それぞれ第1の柱状体11〜第4の柱状体14の傾斜を検出するとともに、第1の柱状体11〜第4の柱状体14から支持基板20に向かって加えられるZ軸方向に関する力を検出する力センサである。具体的には、後述するように、これらのセンサはそれぞれ複数の容量素子から構成されている。受力体10に力が作用すると、この力は、各柱状体11〜14を介して、支持基板20へと伝達されることになる。各センサ21〜24は、こうして伝達される力によって、各柱状体11〜14の下端部近傍に生じる力学的な現象を検出する機能を有している。より具体的には、後に詳述するように、柱状体が傾斜することにより生じる力を検出することにより、柱状体の傾斜度を検知する機能と、柱状体全体が、支持基板に対して加える押圧力(図の下方−Z軸方向の力)もしくは引っ張り力(図の上方+Z軸方向の力)を検知する機能と、を有している。   The first sensor 21 to the fourth sensor 24 detect the inclination of the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14, respectively, and support substrates from the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14. 20 is a force sensor that detects a force in the Z-axis direction that is applied toward 20. Specifically, as will be described later, each of these sensors includes a plurality of capacitive elements. When a force is applied to the force receiving body 10, the force is transmitted to the support substrate 20 through the columnar bodies 11 to 14. Each of the sensors 21 to 24 has a function of detecting a dynamic phenomenon generated in the vicinity of the lower end portion of each of the columnar bodies 11 to 14 by the force transmitted in this way. More specifically, as described in detail later, the function of detecting the inclination of the columnar body by detecting the force generated by the tilting of the columnar body and the entire columnar body are applied to the support substrate. And a function of detecting a pressing force (downward in the figure-force in the Z-axis direction) or a pulling force (upward in the figure + force in the Z-axis direction).

検出回路30は、各センサ21〜24を構成する複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体10に作用した力もしくはモーメントを検出する処理を行う構成要素であり、XYZ三次元座標系における各座標軸方向の力成分Fx,Fy,Fzを示す信号と各座標軸まわりのモーメント成分Mx,My,Mzを示す信号を出力する。実際には、上述した柱状体の傾斜度や、支持基板に対して加えられる押圧力/引っ張り力に基づいて、力やモーメントの検出が行われる。   The detection circuit 30 is a component that performs processing for detecting a force or moment applied to the force receiving body 10 based on capacitance values of a plurality of capacitive elements constituting the sensors 21 to 24, and is an XYZ three-dimensional. A signal indicating force components Fx, Fy, Fz in each coordinate axis direction in the coordinate system and a signal indicating moment components Mx, My, Mz around each coordinate axis are output. Actually, detection of force or moment is performed based on the inclination of the columnar body and the pressing force / tensile force applied to the support substrate.

<<< §2. 力とモーメントを区別して検出する原理 >>>
続いて、図2の正面図を参照しながら、図1に示す力検出装置において、力とモーメントを区別して検出することが可能な原理を説明する。なお、図2では、説明の便宜上、第1の柱状体11および第2の柱状体12の変位形態のみを示すが、第3の柱状体13および第4の柱状体14についても所定の変位が生じることになる。
<<< §2. Principle of detecting force and moment separately >>>
Next, with reference to the front view of FIG. 2, the principle by which the force detection device shown in FIG. 1 can distinguish and detect force and moment will be described. In FIG. 2, only the displacement form of the first columnar body 11 and the second columnar body 12 is shown for convenience of explanation, but the predetermined displacement is also applied to the third columnar body 13 and the fourth columnar body 14. Will occur.

図2(a) は、この力検出装置に何ら力が作用していない状態を示しており、受力体10は、支持基板20に対して定位置を維持している。もちろん、この状態においても、受力体10などの重量が支持基板20上に加わっているので、支持基板20は、第1の柱状体11〜第4の柱状体14から、何らかの力を受けているが、この状態で受けている力は定常状態での力であり、このような力が第1のセンサ21〜第4のセンサ24によって検出されたとしても、検出回路30から出力される力やモーメントの検出値は0になるように調整されている。別言すれば、検出回路30は、このような定常状態における各センサ21〜24の検出結果を基準として、何らかの変化が生じた場合に、この変化を受力体10に作用した力もしくはモーメントとして検出する機能を有している。   FIG. 2A shows a state in which no force is applied to the force detection device, and the force receiving body 10 maintains a fixed position with respect to the support substrate 20. Of course, even in this state, since the weight of the force receiving member 10 and the like is applied to the support substrate 20, the support substrate 20 receives some force from the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14. However, the force received in this state is a force in a steady state, and even if such a force is detected by the first sensor 21 to the fourth sensor 24, the force output from the detection circuit 30 And the detected value of moment is adjusted to be zero. In other words, the detection circuit 30 is based on the detection results of the sensors 21 to 24 in such a steady state as a reference, and when any change occurs, the change is expressed as a force or moment acting on the force receiving body 10. It has a function to detect.

さて、ここでは、まず図2(b) に示すように、受力体10に対して、X軸正方向の力+Fxが作用した場合を考えてみる。ちょうど原点O′の位置を、図の右方向へと押すような力が加わった場合に相当する。この場合、図示のとおり、受力体10は図の右方向へとスライド運動することになり、第1の柱状体11および第2の柱状体12は、図の右方向へと傾斜することになる。ここでは、このときの第1の柱状体11の傾斜度をθ1、第2の柱状体12の傾斜度をθ2と呼ぶことにする。   Now, let us consider a case where a force + Fx in the positive direction of the X axis is applied to the force receiving member 10 as shown in FIG. 2 (b). This corresponds to the case where a force that pushes the position of the origin O ′ in the right direction in the figure is applied. In this case, as shown in the figure, the force receiving body 10 slides in the right direction in the figure, and the first columnar body 11 and the second columnar body 12 are inclined in the right direction in the figure. Become. Here, the inclination of the first columnar body 11 at this time is referred to as θ1, and the inclination of the second columnar body 12 is referred to as θ2.

なお、図には示されていないが、このとき、第3の柱状体13および第4の柱状体14も、同様に図の右方向へと傾斜することになる。ここでは、このときの第3の柱状体13のX軸方向に関する傾斜度をθ3、第4の柱状体14のX軸方向に関する傾斜度をθ4と呼ぶ。このようにXZ平面内もしくはXZ平面に平行な平面内におけるX軸に向かう方向への傾斜の程度を示す角度θ1〜θ4を、「X軸方向に関する傾斜度」と呼ぶことにする。   Although not shown in the figure, at this time, the third columnar body 13 and the fourth columnar body 14 are similarly inclined to the right in the figure. Here, the inclination of the third columnar body 13 in the X-axis direction at this time is referred to as θ3, and the inclination of the fourth columnar body 14 in the X-axis direction is referred to as θ4. The angles θ1 to θ4 indicating the degree of inclination in the direction toward the X axis in the XZ plane or in a plane parallel to the XZ plane are referred to as “inclination degree in the X axis direction”.

同様に、受力体10に対して、Y軸正方向の力+Fyが作用した場合は、第1の柱状体11〜第4の柱状体14は、いずれもY軸正方向(図の紙面奥行き方向)へと傾斜する。ここでは、このようにYZ平面内もしくはYZ平面に平行な平面内におけるY軸に向かう方向への傾斜の程度を示す角度を、「Y軸方向に関する傾斜度」と呼ぶことにする。図2(b) に示すように、受力体10に対して、X軸正方向の力+Fxが作用した場合、各柱状体のY軸方向の傾斜度は0である。   Similarly, when a force + Fy in the Y-axis positive direction is applied to the force receiving body 10, the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14 are all in the Y-axis positive direction (the depth of the drawing in the drawing). Direction). Here, the angle indicating the degree of inclination in the direction toward the Y axis in the YZ plane or in a plane parallel to the YZ plane will be referred to as “the inclination with respect to the Y axis direction”. As shown in FIG. 2 (b), when a force + Fx in the X-axis positive direction is applied to the force receiving body 10, the inclination of each columnar body in the Y-axis direction is zero.

なお、各柱状体11〜14が傾斜すると、受力体10と支持基板20との距離は若干縮まることになるので、厳密に言えば、受力体10はX軸方向に完全な平行移動を行うわけではなく、わずかながら−Z軸方向への移動も行うことになるが、傾斜度が比較的小さい場合、−Z軸方向への移動量は無視することができるので、ここでは説明の便宜上、受力体10がX軸方向のみに移動したものと考えることにする。   In addition, if each columnar body 11-14 inclines, since the distance of the power receiving body 10 and the support substrate 20 will shrink a little, strictly speaking, the power receiving body 10 does not move completely in the X-axis direction. However, if the inclination is relatively small, the amount of movement in the −Z-axis direction can be ignored, so here, for convenience of explanation. Suppose that the force receiving body 10 has moved only in the X-axis direction.

一方、図2(c) に示すように、受力体10に対して、Y軸まわりのモーメント+Myが作用した場合を考えてみよう。図2(c) において、Y軸は原点Oの位置において紙面の裏側へと向かう垂直方向の軸であるから、図では、モーメント+Myは、原点Oを中心に、受力体10を時計まわりの方向に回転させるような力に相当する。なお、本願では、所定の座標軸の正方向に右ネジを進める場合の当該右ネジの回転方向を、当該座標軸まわりの正のモーメントと定義することにする。前述したとおり、モーメント+Myは、受力体10を原点O′を中心として回転させる力ではなく、原点Oを中心として回転させる力になる(両者の誤差が許容範囲であれば、モーメントを原点O′を中心とする回転力として取り扱っても問題ない。)。   On the other hand, let us consider a case where a moment + My around the Y-axis acts on the force receiving member 10 as shown in FIG. In FIG. 2 (c), since the Y axis is a vertical axis toward the back side of the paper surface at the position of the origin O, in the figure, the moment + My is the clockwise rotation of the force receiving member 10 around the origin O. It corresponds to a force that rotates in the direction. In the present application, the rotation direction of the right screw when the right screw is advanced in the positive direction of a predetermined coordinate axis is defined as a positive moment around the coordinate axis. As described above, the moment + My is not a force that rotates the force receiving member 10 about the origin O ′ but a force that rotates the origin 10 about the origin O (if the error between the two is within an allowable range, the moment is converted to the origin O It can be handled as a rotational force centered on ′.)

さて、この場合、図示のとおり、第1の柱状体11については上下方向に縮小力が作用し、第2の柱状体12については上下方向に伸張力が作用することになる。その結果、第1の柱状体11から支持基板20に対しては、押圧力(−Z軸方向の力:ここでは、力−fzと示すことにする)が作用し、第2の柱状体12から支持基板20に対しては、引っ張り力(+Z軸方向の力:ここでは、力+fzと示すことにする)が作用する。このとき、第3の柱状体13および第4の柱状体14から支持基板20に対しては、部分的に押圧力や引っ張り力が加えられるものの、加えられる力はトータルでは相殺されて零になる。   In this case, as shown in the drawing, the first columnar body 11 has a contracting force acting in the vertical direction, and the second columnar body 12 has a stretching force acting in the vertical direction. As a result, a pressing force (force in the −Z axis direction: here, referred to as force −fz) acts on the support substrate 20 from the first columnar body 11, and the second columnar body 12. Therefore, a pulling force (+ Z-axis direction force: here, referred to as force + fz) is applied to the support substrate 20. At this time, although a pressing force and a pulling force are partially applied to the support substrate 20 from the third columnar body 13 and the fourth columnar body 14, the applied force is totally canceled and becomes zero. .

図1に矢印で示されているとおり、受力体10に作用するX軸方向の力Fxと、Y軸まわりのモーメントMyとは、受力体10に対して似たような変位作用を及ぼすことになるが、図2に示すような動的挙動をとる構造体を有する力検出装置では、受力体10にX軸方向の力Fxが作用した場合と、Y軸まわりのモーメントMyが作用した場合とでは、4本の柱状体11〜14を介して支持基板20に伝達される力の態様が異なることになる。したがって、両者を区別して、それぞれ別個に検出することが可能である。   As indicated by arrows in FIG. 1, the force Fx in the X-axis direction acting on the force receiving body 10 and the moment My around the Y axis exert a similar displacement action on the force receiving body 10. However, in the force detection device having a structure that takes a dynamic behavior as shown in FIG. 2, when the force Fx in the X-axis direction acts on the force receiving body 10 and the moment My around the Y-axis acts. In this case, the mode of the force transmitted to the support substrate 20 via the four columnar bodies 11 to 14 is different. Therefore, both can be distinguished and detected separately.

すなわち、X軸方向の力Fxが作用した場合は、図2(b) に示すように、4本の柱状体11〜14は、X軸方向に傾斜し、傾斜度θ1〜θ4を生じることになり(図には、柱状体11,12の変位態様のみが例示されている)、このような傾斜に応じた力が支持基板20へと伝達される。これらの傾斜度θ1,θ2,θ3,θ4は、いずれも、X軸方向の力Fxを示す値になる。傾斜度θに符号を付して取り扱えば(たとえば、X軸正方向への傾斜の場合を正、X軸負方向への傾斜の場合を負として取り扱えば)、作用したX軸方向の力Fxを符号を含めて検出することが可能である。   That is, when the force Fx in the X-axis direction is applied, as shown in FIG. 2 (b), the four columnar bodies 11 to 14 are inclined in the X-axis direction to generate the inclinations θ1 to θ4. (Only the displacement mode of the columnar bodies 11 and 12 is illustrated in the figure), and a force corresponding to such inclination is transmitted to the support substrate 20. These inclinations θ1, θ2, θ3, and θ4 are all values indicating the force Fx in the X-axis direction. If the inclination θ is handled with a sign (for example, if the inclination in the X-axis positive direction is treated as positive, and the inclination in the X-axis negative direction is treated as negative), the applied force X in the X-axis direction Fx Can be detected including the sign.

本発明では、後述するように、各柱状体11〜14の傾斜度は、各センサ21〜24によって、支持基板20に加えられる力として検出されることになる。このような検出を行うには、各柱状体から支持基板20に対して加えられる力を、個々の部分ごとに検知すればよい。たとえば、図2(b) において、第1の柱状体11と支持基板20との接続部分に生じる応力を考えてみると、第1の柱状体11の底部の右側部分と左側部分とでは、生じる応力の向きが異なることがわかる。すなわち、図示の例では、第1の柱状体11は右側に傾斜しているので、第1の柱状体11の底部の右側部分については押圧力が生じ、支持基板20の上面を下方に押圧する力が生じているのに対し、左側部分については引っ張り力が生じ、支持基板20の上面を上方へ引っ張り上げる力が生じている。このように第1の柱状体11の底部の左右の各部における応力の相違を検出することにより、第1の柱状体11の傾斜度を得ることができる。他の柱状体12,13,14の傾斜度検出も同様の方法で行うことができる。   In the present invention, as will be described later, the inclinations of the respective columnar bodies 11 to 14 are detected as forces applied to the support substrate 20 by the respective sensors 21 to 24. In order to perform such detection, the force applied from each columnar body to the support substrate 20 may be detected for each individual portion. For example, in FIG. 2B, when the stress generated in the connection portion between the first columnar body 11 and the support substrate 20 is considered, the stress is generated in the right side portion and the left side portion of the bottom portion of the first columnar body 11. It can be seen that the direction of the stress is different. That is, in the illustrated example, since the first columnar body 11 is inclined to the right side, a pressing force is generated on the right side portion of the bottom of the first columnar body 11 and presses the upper surface of the support substrate 20 downward. While a force is generated, a pulling force is generated in the left portion, and a force is generated that pulls the upper surface of the support substrate 20 upward. Thus, by detecting the difference in stress between the left and right portions of the bottom of the first columnar body 11, the inclination of the first columnar body 11 can be obtained. The inclination detection of the other columnar bodies 12, 13, and 14 can also be performed by the same method.

一方、Y軸まわりのモーメントMyが作用した場合は、図2(c) に示すように、2本の柱状体11,12から支持基板20に対して、押圧力−fzと引っ張り力+fzとが伝達される。このようにして伝達される力は、柱状体が傾斜した場合の力とは異なっている。すなわち、図2(b) に示すように柱状体が傾斜した場合は、その底部に生じる応力は、右側部分と左側部分とで異なるものとなった。ところが、図2(c) に示すようにモーメントMyが作用した場合は、第1の柱状体11全体により押圧力−fzが加えられ、第2の柱状体12全体により引っ張り力+fzが加えられることになる。   On the other hand, when the moment My around the Y-axis acts, as shown in FIG. 2C, the pressing force −fz and the pulling force + fz are applied to the support substrate 20 from the two columnar bodies 11 and 12. Communicated. The force transmitted in this way is different from the force when the columnar body is inclined. That is, when the columnar body is inclined as shown in FIG. 2 (b), the stress generated at the bottom of the columnar body is different between the right side portion and the left side portion. However, when the moment My is applied as shown in FIG. 2 (c), the pressing force -fz is applied by the entire first columnar body 11, and the tensile force + fz is applied by the entire second columnar body 12. become.

このように、X軸方向の力Fxの作用に対しては、第1の柱状体11〜第4の柱状体14に関して、同じ方向への傾斜という同等の事象が生じるのに対して、Y軸まわりのモーメントMyの作用に対しては、図2(c) に示すように、第1の柱状体11および第2の柱状体12に関して、一方は押圧力−fzを与え、他方は引っ張り力+fzを与えるという相反する事象が生じることになる。したがって、作用したモーメントMyは、引っ張り力+fzと押圧力−fzとの差、すなわち、(+fz)−(−fz)=2fzとして求めることができる。   As described above, with respect to the action of the force Fx in the X-axis direction, the equivalent phenomenon of the inclination in the same direction occurs with respect to the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14, whereas the Y-axis With respect to the action of the surrounding moment My, as shown in FIG. 2 (c), with respect to the first columnar body 11 and the second columnar body 12, one applies a pressing force -fz and the other a tensile force + fz. The contradictory event of giving Therefore, the applied moment My can be obtained as a difference between the pulling force + fz and the pressing force −fz, that is, (+ fz) − (− fz) = 2fz.

結局、この力検出装置によって、Y軸まわりのモーメントMyを検出するには、第1のセンサ21には、第1の柱状体11全体から支持基板20に対して加えられる力を検知する機能をもたせ、第2のセンサ22には、第2の柱状体12全体から支持基板20に対して加えられる力を検知する機能をもたせておけばよい。第1のセンサ21が、第1の柱状体11全体から支持基板20に対して加えられるZ軸方向に関する力を検知する機能を有し、第2のセンサ22が、第2の柱状体12全体から支持基板20に対して加えられるZ軸方向に関する力を検知する機能を有していれば、検出回路30は、第1のセンサ21によって検知されたZ軸方向に関する力と、第2のセンサ22によって検知されたZ軸方向に関する力と、の差に基づいて、受力体10に作用した力のY軸まわりのモーメントMyを検出する処理を行うことができる。   Eventually, in order to detect the moment My around the Y axis by this force detection device, the first sensor 21 has a function of detecting the force applied to the support substrate 20 from the entire first columnar body 11. Therefore, the second sensor 22 may have a function of detecting a force applied to the support substrate 20 from the entire second columnar body 12. The first sensor 21 has a function of detecting a force in the Z-axis direction applied to the support substrate 20 from the entire first columnar body 11, and the second sensor 22 is the entire second columnar body 12. If the detection circuit 30 has a function of detecting a force applied to the support substrate 20 from the Z-axis direction, the detection circuit 30 can detect the force detected by the first sensor 21 and the second sensor. Based on the difference between the force in the Z-axis direction detected by 22 and the moment My around the Y-axis of the force acting on the force receiving body 10 can be detected.

以上、図2を参照しながら、受力体10に作用するX軸方向の力Fxと、Y軸まわりのモーメントMyと、を区別して検出する原理を説明したが、この、図2の動作説明におけるX軸をY軸におきかえれば、同様の方法で、受力体10に作用するY軸方向の力Fyと、X軸まわりのモーメントMxと、を区別して検出することができる。   As described above, the principle of detecting the force Fx in the X-axis direction acting on the force receiving member 10 and the moment My around the Y-axis separately from each other has been described with reference to FIG. If the X axis is replaced with the Y axis, the force Fy in the Y axis direction acting on the force receiving member 10 and the moment Mx around the X axis can be distinguished and detected by the same method.

また、受力体10に、Z軸負方向の力−Fzが作用した場合は、4本の柱状体11〜14のすべてから支持基板20に対して押圧力−fzが加わることになり、Z軸正方向の力+Fzが作用した場合は、4本の柱状体11〜14のすべてから支持基板20に対して引っ張り力+fzが加わることになる。したがって、作用したZ軸方向の力Fzは、4本の柱状体11〜14から加えられた押圧力−fzの和もしくは引っ張り力+fzの和として求めることができる。   Further, when a force −Fz in the negative Z-axis direction is applied to the force receiving body 10, a pressing force −fz is applied to the support substrate 20 from all of the four columnar bodies 11 to 14. When the force + Fz in the positive axial direction is applied, the tensile force + fz is applied to the support substrate 20 from all of the four columnar bodies 11 to 14. Therefore, the applied force Fz in the Z-axis direction can be obtained as the sum of the pressing forces −fz applied from the four columnar bodies 11 to 14 or the sum of the pulling forces + fz.

更に、受力体10に、Z軸まわりのモーメントMzが作用した場合は、4本の柱状体11〜14が、上方から観察したときに、時計まわりもしくは反時計まわりに傾斜することになるので、4本の柱状体11〜14それぞれの傾斜方向を検知することにより、モーメントMzの検出も可能である。   Furthermore, when the moment Mz around the Z-axis is applied to the force receiving body 10, the four columnar bodies 11 to 14 are inclined clockwise or counterclockwise when observed from above. The moment Mz can also be detected by detecting the inclination directions of the four columnar bodies 11 to 14.

<<< §3. 具体的な実施形態の構造 >>>
続いて、本発明の具体的な実施形態に係る力検出装置の主たる構造部分を、図3〜図9を用いて説明する。
<<< §3. Structure of specific embodiment >>
Subsequently, main structural portions of the force detection device according to the specific embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図3は、本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の上面図である。この装置を、XZ平面で切断した側断面図が図4に示されており、YZ平面で切断した側断面図が図5に示されている。図4もしくは図5に示されているとおり、この力検出装置の基本的な構成要素は、受力体100、中間体200、支持基板300であり、いずれも上面がXY平面に平行な正方形状をした板状の部材を基本形態としている。図4および図5は、互いに切断位置が異なる側断面図であるが、図面に現れている幾何学的な構造は全く同一である。両者の相違は、各部の符号だけである。これは、この装置の基本構造が、XZ平面に関して面対称であり、かつ、YZ平面に関しても面対称であるためである。   FIG. 3 is a top view of the force detection device according to the basic embodiment of the present invention. FIG. 4 shows a side cross-sectional view of the device taken along the XZ plane, and FIG. 5 shows a side cross-sectional view taken along the YZ plane. As shown in FIG. 4 or FIG. 5, the basic components of this force detection device are a force receiving body 100, an intermediate body 200, and a support substrate 300, all of which have a square shape whose upper surface is parallel to the XY plane. The plate-shaped member which did is made into the basic form. 4 and 5 are side sectional views at different cutting positions, but the geometric structures appearing in the drawings are exactly the same. The difference between them is only the sign of each part. This is because the basic structure of this device is plane symmetric with respect to the XZ plane and also plane symmetric with respect to the YZ plane.

§1で述べた例と同様に、この例でも、XYZ三次元座標系と、これをZ軸方向に平行移動したX′Y′Z′補助座標系とが定義されている。X′Y′Z′補助座標系は、受力体100の中心位置に原点O′をもった座標系である。一方、XYZ三次元座標系の原点Oは、支持基板300の上面中心点を、Z軸正方向に若干ずらした位置に定義されている。図4および図5において、原点Oが支持基板300の上面から若干上方にずれており、X軸およびY軸が支持基板300の上面位置から若干上方にずれているのはこのためである。   Similar to the example described in §1, in this example, an XYZ three-dimensional coordinate system and an X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system obtained by translating the coordinate system in the Z-axis direction are defined. The X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system is a coordinate system having the origin O ′ at the center position of the force receiving body 100. On the other hand, the origin O of the XYZ three-dimensional coordinate system is defined at a position where the upper surface center point of the support substrate 300 is slightly shifted in the positive direction of the Z axis. 4 and 5, the origin O is slightly shifted from the upper surface of the support substrate 300, and the X axis and the Y axis are slightly shifted from the upper surface position of the support substrate 300 for this reason.

そもそもXYZ三次元座標系は、概念的に定義された座標系であり、その原点Oをどの位置に定義しようが、この力検出装置の物理的構造に影響があるわけではない。しかしながら、この力検出装置を用いて、高精度の測定を行うことを意図している利用者に対しては、この検出装置によって正確に検出されるモーメントが、特定の原点Oをもつ座標軸まわりのモーメントであることを明確にしておく必要がある。そして、後述するように、本発明のポイントとなる他軸干渉を排除するための補正は、当該特定の原点Oをもつ座標軸まわりのモーメントについての干渉を相殺するような補正となる。したがって、本発明を実施する上では、このような補正が正確な意味をもつようにするために、特定の原点Oを設定しておく必要がある。   In the first place, the XYZ three-dimensional coordinate system is a conceptually defined coordinate system, and no matter where the origin O is defined, the physical structure of the force detection device is not affected. However, for a user who intends to perform highly accurate measurement using this force detection device, the moment accurately detected by this detection device is about a coordinate axis having a specific origin O. It is necessary to clarify that it is a moment. As will be described later, the correction for eliminating the other-axis interference that is the point of the present invention is a correction that cancels out the interference with respect to the moment around the coordinate axis having the specific origin O. Therefore, in carrying out the present invention, it is necessary to set a specific origin O so that such correction has an accurate meaning.

この特定の原点Oは、§1で述べた例と同様に、支持基板300の上面中心点の位置に定義してもかまわない。ただ、本願発明者は、ここに図示する実施形態の場合は、この原点Oの位置を、若干上方に定義した方が、より好ましい結果が得られると考えている。これは、後述するとおり、本発明では、各センサ21〜24として、静電容量素子からなるセンサを用いて、各柱状体の下端に作用した力(傾斜度)の検出が行われるため、この容量素子の中心位置、すなわち、容量素子を構成する一対の電極間の中間位置に、XY平面が位置するような座標系を定義するのが最も好ましいと考えられるからである。したがって、ここに示す実施形態の場合、原点Oの位置は、電極の厚みを無視した場合、支持基板300の上面の中心点を、容量素子を構成する一対の電極間距離の1/2だけ上方に移動させた位置ということになる。   This specific origin O may be defined at the position of the upper surface center point of the support substrate 300 as in the example described in §1. However, in the case of the embodiment shown here, the present inventor believes that a more preferable result can be obtained if the position of the origin O is defined slightly upward. As will be described later, in the present invention, as each of the sensors 21 to 24, a sensor (capacitance element) is used to detect a force (inclination) applied to the lower end of each columnar body. This is because it is considered most preferable to define a coordinate system in which the XY plane is located at the center position of the capacitive element, that is, at an intermediate position between a pair of electrodes constituting the capacitive element. Therefore, in the case of the embodiment shown here, the position of the origin O is above the center point of the upper surface of the support substrate 300 by ½ of the distance between the pair of electrodes constituting the capacitive element, when the thickness of the electrode is ignored. It will be the position moved to.

もっとも、原点Oの理想的な位置を理論的に解析することは容易ではないので、実際の力検出装置の構造によっては、必ずしも上述の位置に原点Oを定義するのが最適であるとは限らない。原点Oの位置は、それほど厳密に定義する必要はなく、支持基板の中央付近の上面もしくはその上方の所定点に定義しておけば、実用上、本発明の効果は十分に得られる。   However, since it is not easy to theoretically analyze the ideal position of the origin O, it is not always optimal to define the origin O at the above-mentioned position depending on the structure of the actual force detection device. Absent. The position of the origin O does not need to be defined so strictly. If it is defined at the upper surface near the center of the support substrate or a predetermined point above it, the effect of the present invention can be obtained sufficiently in practice.

さて、上面が正方形状をした板状の部材からなる受力体100、中間体200、支持基板300は、いずれも上下両面がXY平面に平行になるように、かつ、各辺がX軸もしくはY軸に平行になるように配置されている。   Now, the force receiving body 100, the intermediate body 200, and the support substrate 300 made of a plate-like member having a square top surface are all parallel to the XY plane, and each side has an X axis or They are arranged so as to be parallel to the Y axis.

受力体100は、図3に示すとおり、基本的には、上面が正方形状をした板状部材であるが、下面からは、4本の円柱突起部110,120,130,140が下方へと伸びている。図6は、この受力体100をX′Y′平面で切断した状態を示す横断面図である。   As shown in FIG. 3, the force receiving body 100 is basically a plate-like member having a square upper surface, but four cylindrical protrusions 110, 120, 130, and 140 are directed downward from the lower surface. It is growing. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state where the force receiving body 100 is cut along the X′Y ′ plane.

図6に示されているとおり、4本の円柱突起部110,120,130,140の付け根部分の周囲には、円環状の溝部G11,G12,G13,G14が形成されており、この溝部G11,G12,G13,G14の形成により、板状の受力体100には、図3,図4,図5に示すように、可撓性をもった上端側肉薄部115,125,135,145が形成されている。結局、4本の円柱突起部110,120,130,140は、上端側肉薄部115,125,135,145を介して、板状の受力体100に接続されていることになる。   As shown in FIG. 6, annular grooves G11, G12, G13, and G14 are formed around the base portions of the four cylindrical protrusions 110, 120, 130, and 140, and the groove G11. , G12, G13, and G14, the plate-like force receiving member 100 is provided with flexible upper end side thin portions 115, 125, 135, and 145 as shown in FIGS. Is formed. Eventually, the four cylindrical protrusions 110, 120, 130, and 140 are connected to the plate-shaped force receiving body 100 through the upper-end-side thin portions 115, 125, 135, and 145.

一方、中間体200は、支持基板300の上面に接合された部材であり、基本的には、上面が正方形状をした板状部材である。図4,図5に示すように、この中間体200の上面からは、4本の円柱突起部210,220,230,240が上方へと伸びている。これら4本の円柱突起部210,220,230,240の付け根部分の周囲には、円環状の溝部G21,G22,G23,G24が形成されており、更に、この中間体200の下面には、円柱状の溝部G31,G32,G33,G34が形成されている。中間体200の上面に設けられた溝部G21,G22,G23,G24と、下面に設けられた溝部G31,G32,G33,G34とは、いずれも円柱突起部210,220,230,240の中心軸の位置を中心とした同サイズの円形の輪郭を有している。   On the other hand, the intermediate body 200 is a member bonded to the upper surface of the support substrate 300, and is basically a plate-shaped member having a square upper surface. As shown in FIGS. 4 and 5, four cylindrical protrusions 210, 220, 230, and 240 extend upward from the upper surface of the intermediate body 200. Annular grooves G21, G22, G23, and G24 are formed around the base portions of the four cylindrical protrusions 210, 220, 230, and 240. Further, on the lower surface of the intermediate body 200, Cylindrical grooves G31, G32, G33, and G34 are formed. The groove portions G21, G22, G23, G24 provided on the upper surface of the intermediate body 200 and the groove portions G31, G32, G33, G34 provided on the lower surface are all center axes of the cylindrical protrusion portions 210, 220, 230, 240. It has a circular outline of the same size around the position of.

図4に示すとおり、溝部G21とG31との間には、下端側肉薄部215が境界壁として存在し、溝部G22とG32との間には、下端側肉薄部225が境界壁として存在する。また、図5に示すとおり、溝部G23とG33との間には、下端側肉薄部235が境界壁として存在し、溝部G24とG34との間には、下端側肉薄部245が境界壁として存在する。   As shown in FIG. 4, the lower end side thin portion 215 exists as a boundary wall between the groove portions G21 and G31, and the lower end side thin portion 225 exists as a boundary wall between the groove portions G22 and G32. Further, as shown in FIG. 5, a lower end side thin portion 235 exists as a boundary wall between the groove portions G23 and G33, and a lower end side thin portion 245 exists as a boundary wall between the groove portions G24 and G34. To do.

図7は、この図4,図5に示す中間体200を、切断線7−7に沿って切断した状態を示す横断面図である。4本の円柱突起部210,220,230,240の周囲に、溝部G21,G22,G23,G24が形成されている状態が明瞭に示されている。また、図8は、この図4,図5に示す中間体200を、XY平面に沿って切断した状態を示す横断面図であり、溝部G31,G32,G33,G34の配置が明瞭に示されている。   FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state in which the intermediate body 200 shown in FIGS. 4 and 5 is cut along a cutting line 7-7. The state in which the groove portions G21, G22, G23, and G24 are formed around the four cylindrical protrusion portions 210, 220, 230, and 240 is clearly shown. 8 is a cross-sectional view showing a state in which the intermediate body 200 shown in FIGS. 4 and 5 is cut along the XY plane, and the arrangement of the grooves G31, G32, G33, and G34 is clearly shown. ing.

この中間体200の下面に接合された支持基板300は、図9に示すように、上面が正方形状をした完全な板状部材であり、その上面には、固定電極E1〜E8,F1〜F8が配置されている。後述するように、固定電極E1〜E8は、それぞれ主容量素子C1〜C8を構成するために支持基板300の上面に固定された電極であり、ここでは「主固定電極」と呼ぶことにする。一方、固定電極F1〜F8は、それぞれ副容量素子D1〜D8を構成するために支持基板300の上面に固定された電極であり、ここでは「副固定電極」と呼ぶことにする。図9では、これら16枚の固定電極の形状を明瞭に示すために、各電極の内部にハッチングを施して示してある(図9におけるハッチングは、断面を示すためのものではない)。   As shown in FIG. 9, the support substrate 300 bonded to the lower surface of the intermediate body 200 is a complete plate-like member having a square upper surface, and fixed electrodes E1 to E8 and F1 to F8 are formed on the upper surface. Is arranged. As will be described later, the fixed electrodes E1 to E8 are electrodes fixed to the upper surface of the support substrate 300 in order to form the main capacitive elements C1 to C8, respectively, and are referred to as “main fixed electrodes” herein. On the other hand, the fixed electrodes F1 to F8 are electrodes fixed to the upper surface of the support substrate 300 in order to form the sub-capacitance elements D1 to D8, respectively, and are referred to as “sub-fixed electrodes” here. In FIG. 9, in order to clearly show the shapes of these 16 fixed electrodes, the inside of each electrode is hatched (hatching in FIG. 9 is not for showing a cross section).

受力体100側から下方に伸びた4本の円柱突起部110,120,130,140の下面は、中間体200側から上方に伸びた4本の円柱突起部210,220,230,240の上面に接合されている。ここでは、図4に示すように、円柱突起部110と円柱突起部210とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第1の柱状体T1と呼び、円柱突起部120と円柱突起部220とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第2の柱状体T2と呼ぶことにする。また、図5に示すように、円柱突起部130と円柱突起部230とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第3の柱状体T3と呼び、円柱突起部140と円柱突起部240とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第4の柱状体T4と呼ぶことにする。   The bottom surfaces of the four cylindrical protrusions 110, 120, 130, 140 extending downward from the force receiving body 100 side are the four cylindrical protrusions 210, 220, 230, 240 extending upward from the intermediate body 200 side. Bonded to the top surface. Here, as shown in FIG. 4, a columnar structure formed by joining the columnar projection 110 and the columnar projection 210 is referred to as a first columnar body T1, and the columnar projection 120 and the columnar projection A columnar structure formed by joining the portion 220 will be referred to as a second columnar body T2. Further, as shown in FIG. 5, a columnar structure formed by joining the columnar projection 130 and the columnar projection 230 is referred to as a third columnar body T3, and the columnar projection 140 and the columnar projection A columnar structure formed by joining 240 is referred to as a fourth columnar body T4.

図3の上面図を見ればわかるように、この4本の柱状体T1〜T4のXY平面上への投影位置を考えると、第1の柱状体T1は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体T2は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体T3は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体T4は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置されている。   As can be seen from the top view of FIG. 3, when the projection positions of the four columnar bodies T1 to T4 on the XY plane are considered, the first columnar body T1 has a central axis parallel to the Z axis. And the central axis of the second columnar body T2 is parallel to the Z axis, and the central axis is the X axis of the X axis. The third columnar body T3 is disposed at a position intersecting with the negative portion, and the third columnar body T3 is disposed at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects with the positive portion of the Y axis. The fourth columnar body T4 is disposed at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects the negative portion of the Y axis.

また、図4に示すとおり、第1の柱状体T1の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部115を接続部材として受力体100に接続されており、第2の柱状体T2の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部125を接続部材として受力体100に接続されており、図5に示すとおり、第3の柱状体T3の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部135を接続部材として受力体100に接続されており、第4の柱状体T4の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部145を接続部材として受力体100に接続されている。このように、各上端側肉薄部115,125,135,145は、その周囲が受力体100に接続され、その下面中心部が各柱状体T1,T2,T3,T4の上端に接続されていることになる。。   Further, as shown in FIG. 4, the upper end of the first columnar body T1 is connected to the force receiving body 100 using the flexible upper end side thin portion 115 as a connecting member, and the second columnar body T2 The upper end is connected to the force receiving body 100 using the flexible upper end side thin portion 125 as a connecting member. As shown in FIG. 5, the upper end of the third columnar body T3 has flexibility. The upper end side thin portion 135 is connected to the force receiving body 100 as a connecting member, and the upper end of the fourth columnar body T4 is connected to the force receiving body 100 using the flexible upper end side thin portion 145 as a connecting member. Has been. Thus, each upper end side thin portion 115, 125, 135, 145 is connected to the power receiving body 100 at its periphery, and its lower surface central portion is connected to the upper end of each columnar body T1, T2, T3, T4. Will be. .

一方、図4に示すとおり、第1の柱状体T1の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部215の中央に接合されており、下端側肉薄部215の周囲は、中間体200を介して支持基板300に接続されており、第2の柱状体T2の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部225の中央に接合されており、下端側肉薄部225の周囲は、中間体200を介して支持基板300に接続されている。同様に、図5に示すとおり、第3の柱状体T3の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部235の中央に接合されており、下端側肉薄部235の周囲は、中間体200を介して支持基板300に接続されており、第4の柱状体T4の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部245の中央に接合されており、下端側肉薄部245の周囲は、中間体200を介して支持基板300に接続されている。   On the other hand, as shown in FIG. 4, the lower surface of the first columnar body T <b> 1 is joined to the center of the lower end side thin portion 215 that functions as a connecting member, and the periphery of the lower end side thin portion 215 is interposed via the intermediate body 200. Are connected to the support substrate 300, and the lower surface of the second columnar body T2 is joined to the center of the lower end side thin portion 225 functioning as a connecting member. And connected to the support substrate 300. Similarly, as shown in FIG. 5, the lower surface of the third columnar body T3 is joined to the center of the lower end side thin portion 235 that functions as a connecting member. The lower surface of the fourth columnar body T4 is joined to the center of the lower end side thin portion 245 functioning as a connecting member, and the periphery of the lower end side thin portion 245 is an intermediate body. It is connected to the support substrate 300 through 200.

下端側肉薄部215,225,235,245も、可撓性をもった円板状の部材であり、中間体200の一部が、この円板状の部材を支持基板300上に支持する台座として機能している。結局、下端側肉薄部215,225,235,245は、支持基板300の上面から所定距離をおいた上方位置に、支持基板300の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板300に接続されており、その上面中心部が各柱状体T1,T2,T3,T4の下端に接続されていることになる。   The lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are also disk-shaped members having flexibility, and a part of the intermediate body 200 supports the disk-shaped member on the support substrate 300. Is functioning as Eventually, the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are pedestal around so that the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are arranged parallel to the upper surface of the support substrate 300 at an upper position at a predetermined distance from the upper surface of the support substrate 300. The center of the upper surface is connected to the lower end of each columnar body T1, T2, T3, T4.

図示の実施形態では、受力体100は絶縁性基板(たとえば、セラミック基板)、中間体200は導電性基板(たとえば、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属基板)、支持基板300は絶縁性基板(たとえば、セラミック基板)によって構成されている。もちろん、各部の材質はこれらに限定されるものではなく、たとえば、受力体100を、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属基板で構成してもかまわない。上端側肉薄部115,125,135,145や下端側肉薄部215,225,235,245は、基板の他の部分に比べて肉厚を薄くすることにより可撓性をもつように構成された部分である。   In the illustrated embodiment, the power receiving body 100 is an insulating substrate (for example, a ceramic substrate), the intermediate body 200 is a conductive substrate (for example, a metal substrate such as stainless steel, aluminum, titanium, etc.), and the support substrate 300 is an insulating substrate (for example). For example, a ceramic substrate is used. Of course, the material of each part is not limited to these, For example, you may comprise the power receiving body 100 with metal substrates, such as stainless steel, aluminum, and titanium. The upper end side thin portions 115, 125, 135, and 145 and the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are configured to have flexibility by making the thickness thinner than other portions of the substrate. Part.

この実施形態では、下端側肉薄部215,225,235,245は、導電性材料から構成されているため、可撓性を有するとともに導電性を有している。受力体100に力が作用すると、下端側肉薄部215,225,235,245が変形して変位を生じることになり、その結果、各柱状体T1,T2,T3,T4にも変位が生じることになる。したがって、導電性をもった下端側肉薄部215,225,235,245は、それ自身が変位電極としての機能を果たす。   In this embodiment, since the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are made of a conductive material, they have flexibility and conductivity. When force is applied to the force receiving body 100, the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are deformed to cause displacement, and as a result, the columnar bodies T1, T2, T3, and T4 are also displaced. It will be. Therefore, the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 having conductivity serve as displacement electrodes themselves.

図9に示すように、支持基板300の上面には、第1の柱状体T1の下端近傍位置に主固定電極E1,E2および副固定電極F6,F8が形成されている。導電性材料からなる下端側肉薄部215は、図4に示すように、これら4枚の固定電極のすべてに対向する1枚の共通変位電極としての機能を果たすことになる。このため、個々の固定電極と、共通変位電極のこれに対向する部分と、によって、容量素子が形成される。ここでは、主固定電極E1,E2および副固定電極F6,F8と、共通変位電極(下端側肉薄部215)の対向部分とによって構成される容量素子を、それぞれ主容量素子C1,C2および副容量素子D6,D8と呼ぶことにする。   As shown in FIG. 9, on the upper surface of the support substrate 300, main fixed electrodes E1, E2 and sub fixed electrodes F6, F8 are formed in the vicinity of the lower end of the first columnar body T1. As shown in FIG. 4, the lower end thin portion 215 made of a conductive material functions as a single common displacement electrode facing all of the four fixed electrodes. For this reason, a capacitive element is formed by each fixed electrode and the portion of the common displacement electrode facing this. Here, the capacitive elements constituted by the main fixed electrodes E1 and E2 and the sub fixed electrodes F6 and F8 and the opposing portion of the common displacement electrode (the lower end side thin portion 215) are respectively represented as the main capacitive elements C1 and C2 and the subcapacitors. These will be referred to as elements D6 and D8.

結局、第1の柱状体T1の下端側肉薄部215とこれに対向する支持基板300の上面とによって挟まれた空間(溝部G31)内に、一方の電極(共通変位電極)が下端側肉薄部215の下面に形成され、他方の電極(主固定電極E1,E2および副固定電極F6,F8)が支持基板300の上面に形成された4個の容量素子C1,C2,D6,D8によって、第1のセンサS1が構成されている。この第1のセンサS1は、第1の柱状体T1の傾斜や、第1の柱状体T1から支持基板300に対して加えられる押圧力や引っ張り力を検出する機能を果たす。   Eventually, one electrode (common displacement electrode) is in the lower end side thin portion in the space (groove portion G31) sandwiched between the lower end side thin portion 215 of the first columnar body T1 and the upper surface of the support substrate 300 facing this. 215, the other electrodes (main fixed electrodes E1, E2 and auxiliary fixed electrodes F6, F8) are formed on the upper surface of the support substrate 300 by four capacitive elements C1, C2, D6, D8. One sensor S1 is configured. The first sensor S1 functions to detect the inclination of the first columnar body T1 and the pressing force and tensile force applied to the support substrate 300 from the first columnar body T1.

また、図9に示すように、支持基板300の上面には、第2の柱状体T2の下端近傍位置に主固定電極E3,E4および副固定電極F5,F7が形成されている。導電性材料からなる下端側肉薄部225は、図4に示すように、これら4枚の固定電極のすべてに対向する1枚の共通変位電極としての機能を果たすことになる。このため、個々の固定電極と、共通変位電極のこれに対向する部分と、によって、容量素子が形成される。ここでは、主固定電極E3,E4および副固定電極F5,F7と、共通変位電極(下端側肉薄部225)の対向部分とによって構成される容量素子を、それぞれ主容量素子C3,C4および副容量素子D5,D7と呼ぶことにする。   Further, as shown in FIG. 9, main fixed electrodes E3 and E4 and auxiliary fixed electrodes F5 and F7 are formed on the upper surface of the support substrate 300 in the vicinity of the lower end of the second columnar body T2. As shown in FIG. 4, the lower end side thin portion 225 made of a conductive material functions as one common displacement electrode facing all of the four fixed electrodes. For this reason, a capacitive element is formed by each fixed electrode and the portion of the common displacement electrode facing this. Here, the capacitive elements constituted by the main fixed electrodes E3 and E4 and the sub fixed electrodes F5 and F7 and the opposing portion of the common displacement electrode (the lower end side thin portion 225) are represented by the main capacitive elements C3 and C4 and the sub capacitors, respectively. These will be referred to as elements D5 and D7.

結局、第2の柱状体T2の下端側肉薄部225とこれに対向する支持基板300の上面とによって挟まれた空間(溝部G32)内に、一方の電極(共通変位電極)が下端側肉薄部225の下面に形成され、他方の電極(主固定電極E3,E4および副固定電極F5,F7)が支持基板300の上面に形成された4個の容量素子C3,C4,D5,D7によって、第2のセンサS2が構成されている。この第2のセンサS2は、第2の柱状体T2の傾斜や、第2の柱状体T2から支持基板300に対して加えられる押圧力や引っ張り力を検出する機能を果たす。   After all, one electrode (common displacement electrode) is in the lower end side thin portion in the space (groove portion G32) sandwiched between the lower end side thin portion 225 of the second columnar body T2 and the upper surface of the support substrate 300 facing this. The four capacitive elements C3, C4, D5, and D7 formed on the lower surface of 225 and the other electrodes (main fixed electrodes E3 and E4 and auxiliary fixed electrodes F5 and F7) formed on the upper surface of the support substrate 300 Two sensors S2 are configured. The second sensor S2 functions to detect the inclination of the second columnar body T2 and the pressing force and tensile force applied to the support substrate 300 from the second columnar body T2.

更に、図9に示すように、支持基板300の上面には、第3の柱状体T3の下端近傍位置に主固定電極E5,E6および副固定電極F2,F4が形成されている。導電性材料からなる下端側肉薄部235は、図5に示すように、これら4枚の固定電極のすべてに対向する1枚の共通変位電極としての機能を果たすことになる。このため、個々の固定電極と、共通変位電極のこれに対向する部分と、によって、容量素子が形成される。ここでは、主固定電極E5,E6および副固定電極F2,F4と、共通変位電極(下端側肉薄部235)の対向部分とによって構成される容量素子を、それぞれ主容量素子C5,C6および副容量素子D2,D4と呼ぶことにする。   Furthermore, as shown in FIG. 9, main fixed electrodes E5 and E6 and auxiliary fixed electrodes F2 and F4 are formed on the upper surface of the support substrate 300 at positions near the lower end of the third columnar body T3. As shown in FIG. 5, the lower-side thin portion 235 made of a conductive material functions as one common displacement electrode facing all of these four fixed electrodes. For this reason, a capacitive element is formed by each fixed electrode and the portion of the common displacement electrode facing this. Here, the capacitive elements constituted by the main fixed electrodes E5 and E6 and the sub fixed electrodes F2 and F4 and the opposing portion of the common displacement electrode (the lower end side thin portion 235) are the main capacitive elements C5 and C6 and the sub capacitors, respectively. These will be referred to as elements D2 and D4.

結局、第3の柱状体T3の下端側肉薄部235とこれに対向する支持基板300の上面とによって挟まれた空間(溝部G33)内に、一方の電極(共通変位電極)が下端側肉薄部235の下面に形成され、他方の電極(主固定電極E5,E6および副固定電極F2,F4)が支持基板300の上面に形成された4個の容量素子C5,C6,D2,D4によって、第3のセンサS3が構成されている。この第3のセンサS3は、第3の柱状体T3の傾斜や、第3の柱状体T3から支持基板300に対して加えられる押圧力や引っ張り力を検出する機能を果たす。   Eventually, one electrode (common displacement electrode) is in the lower end side thin portion in the space (groove portion G33) sandwiched between the lower end side thin portion 235 of the third columnar body T3 and the upper surface of the support substrate 300 facing this. 235, the other electrodes (main fixed electrodes E5, E6 and auxiliary fixed electrodes F2, F4) are formed on the upper surface of the support substrate 300 by four capacitive elements C5, C6, D2, D4. 3 sensors S3 are configured. The third sensor S3 functions to detect the inclination of the third columnar body T3 and the pressing force and tensile force applied to the support substrate 300 from the third columnar body T3.

同様に、図9に示すように、支持基板300の上面には、第4の柱状体T4の下端近傍位置に主固定電極E7,E8および副固定電極F1,F3が形成されている。導電性材料からなる下端側肉薄部245は、図5に示すように、これら4枚の固定電極のすべてに対向する1枚の共通変位電極としての機能を果たすことになる。このため、個々の固定電極と、共通変位電極のこれに対向する部分と、によって、容量素子が形成される。ここでは、主固定電極E7,E8および副固定電極F1,F3と、共通変位電極(下端側肉薄部245)の対向部分とによって構成される容量素子を、それぞれ主容量素子C7,C8および副容量素子D1,D3と呼ぶことにする。   Similarly, as shown in FIG. 9, main fixed electrodes E7 and E8 and auxiliary fixed electrodes F1 and F3 are formed on the upper surface of the support substrate 300 in the vicinity of the lower end of the fourth columnar body T4. As shown in FIG. 5, the lower-side thin portion 245 made of a conductive material functions as one common displacement electrode facing all of these four fixed electrodes. For this reason, a capacitive element is formed by each fixed electrode and the portion of the common displacement electrode facing this. Here, the capacitive elements constituted by the main fixed electrodes E7, E8 and the sub fixed electrodes F1, F3 and the opposing portion of the common displacement electrode (lower end thin portion 245) are respectively referred to as the main capacitive elements C7, C8 and the sub capacitance. These will be referred to as elements D1 and D3.

結局、第4の柱状体T4の下端側肉薄部245とこれに対向する支持基板300の上面とによって挟まれた空間(溝部G34)内に、一方の電極(共通変位電極)が下端側肉薄部245の下面に形成され、他方の電極(主固定電極E7,E8および副固定電極F1,F3)が支持基板300の上面に形成された4個の容量素子C7,C8,D1,D3によって、第4のセンサS4が構成されている。この第4のセンサS4は、第4の柱状体T4の傾斜や、第4の柱状体T4から支持基板300に対して加えられる押圧力や引っ張り力を検出する機能を果たす。   Eventually, one electrode (common displacement electrode) is in the lower end thin portion in the space (groove G34) sandwiched between the lower end thin portion 245 of the fourth columnar body T4 and the upper surface of the support substrate 300 facing this. The other electrodes (main fixed electrodes E7, E8 and sub fixed electrodes F1, F3) formed on the lower surface of H.245 are formed by four capacitive elements C7, C8, D1, D3 formed on the upper surface of the support substrate 300. Four sensors S4 are configured. The fourth sensor S4 functions to detect the inclination of the fourth columnar body T4 and the pressing force or tensile force applied to the support substrate 300 from the fourth columnar body T4.

なお、ここでは、下端側肉薄部215〜245を導電性材料によって構成し、下端側肉薄部215〜245自身を共通変位電極として用いる例を示したが、下端側肉薄部215〜245を絶縁性材料によって構成した場合には、その下面に、共通変位電極となる導電性電極層を形成すればよい。もちろん、変位電極は必ずしも共通の電極とする必要はないので、各下端側肉薄部の下面に、4枚の固定電極のそれぞれに対向する個別の変位電極を設けるようにしてもかまわない。また、下端側肉薄部に設ける変位電極を4枚の個別電極にし、支持基板300に設ける固定電極を1枚の共通電極にすることも可能である。ただ、実用上は、配線を単純化する上で、図示の実施例のように、下端側肉薄部215〜245を導電性材料によって構成し、下端側肉薄部215〜245自身を共通変位電極として用いるようにするのが好ましい。   Here, an example in which the lower end side thin portions 215 to 245 are made of a conductive material and the lower end side thin portions 215 to 245 themselves are used as the common displacement electrodes is shown. However, the lower end side thin portions 215 to 245 are insulative. In the case of using a material, a conductive electrode layer serving as a common displacement electrode may be formed on the lower surface. Of course, since the displacement electrodes do not necessarily have to be a common electrode, individual displacement electrodes facing each of the four fixed electrodes may be provided on the lower surface of each lower end side thin portion. It is also possible to use four individual electrodes as the displacement electrodes provided on the lower end side thin portion and one common electrode as the fixed electrode provided on the support substrate 300. However, practically, in order to simplify the wiring, as shown in the illustrated example, the lower end side thin portions 215 to 245 are made of a conductive material, and the lower end side thin portions 215 to 245 themselves are used as common displacement electrodes. It is preferable to use it.

さて、図3〜図9を用いて説明した実施例に係る力検出装置は、結局、図1に示す力検出装置と同等の構成要素を備えていることがわかる。すなわち、板状の受力体100は受力体10に対応し、板状の支持基板300は支持基板20に対応し、各柱状体T1〜T4は各柱状体11〜14に対応し、各センサS1〜S4は各センサ21〜24に対応する。したがって、この図3〜図9に示す構造体に、検出回路30を付加すれば、図1に示した力検出装置を実現することができる。   Now, it can be seen that the force detection device according to the embodiment described with reference to FIGS. 3 to 9 is provided with the same components as the force detection device shown in FIG. That is, the plate-shaped power receiving body 100 corresponds to the power receiving body 10, the plate-shaped support substrate 300 corresponds to the support substrate 20, the columnar bodies T1 to T4 correspond to the columnar bodies 11 to 14, Sensors S1 to S4 correspond to the sensors 21 to 24, respectively. Therefore, if the detection circuit 30 is added to the structure shown in FIGS. 3 to 9, the force detection device shown in FIG. 1 can be realized.

なお、実用上は、図10に示す例のように、中間体200の周囲輪郭部分を上方へと伸ばし、制御壁250および260を形成した構造にするのが好ましい。制御壁250は、受力体100の周囲を四方から囲む壁であり、制御壁260は、受力体100の上面の周囲を枠状に取り囲む壁である。このような構造体では、受力体100の下面と中間体200の上面との間に寸法d1の空隙部が形成され、受力体100の上面と制御壁260との間に寸法d2の空隙部が形成され、受力体100の側面と制御壁250との間に寸法d3の空隙部が形成される。したがって、受力体100に対して過度の力が加わったとしても、受力体100の下方、上方、側方への変位は、それぞれd1,d2,d3に制限されることになり、各柱状部T1〜T4等の構造部分が破損するのを防ぐことができる。   In practice, it is preferable that the peripheral contour portion of the intermediate body 200 is extended upward and the control walls 250 and 260 are formed as in the example shown in FIG. The control wall 250 is a wall that surrounds the periphery of the force receiving body 100 from four directions, and the control wall 260 is a wall that surrounds the periphery of the upper surface of the force receiving body 100 in a frame shape. In such a structure, a gap having a dimension d1 is formed between the lower surface of the force receiving body 100 and the upper surface of the intermediate body 200, and a gap having a dimension d2 is formed between the upper surface of the force receiving body 100 and the control wall 260. A gap is formed between the side surface of the force receiving body 100 and the control wall 250 with a dimension d3. Therefore, even if an excessive force is applied to the force receiving body 100, the downward, upward, and lateral displacements of the force receiving body 100 are limited to d1, d2, and d3, respectively. It is possible to prevent the structural parts such as the parts T1 to T4 from being damaged.

<<< §4. 主容量素子のみを用いた検出動作 >>>
続いて、図10に示す力検出装置の基本的な検出動作を、図11〜図13を用いて説明する。§2で説明したとおり、この装置は、支持基板300を固定した状態において、受力体100に作用したX軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fy、Z軸方向の力Fz、X軸まわりのモーメントMx、Y軸まわりのモーメントMy、Z軸まわりのモーメントMzという力の6成分を独立して検出する機能を有している。
<<< §4. Detection operation using only main capacitance element >>
Subsequently, a basic detection operation of the force detection device illustrated in FIG. 10 will be described with reference to FIGS. As described in §2, this apparatus is configured such that the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, the force Fz in the Z-axis direction, the force Fz in the Z-axis direction, and the X-axis when the support substrate 300 is fixed It has a function of independently detecting six components of force, that is, a moment Mx around the moment, a moment My around the Y axis, and a moment Mz around the Z axis.

図9に示すとおり、支持基板300上には、8枚の主固定電極E1〜E8が形成されており、これら主固定電極E1〜E8と、対向する共通変位電極(下端側肉薄部215〜245)とによって、8個の主容量素子C1〜C8が構成されている。この§4では、これら8個の主容量素子C1〜C8のみを用いて、上記6つの力成分を検出する動作を説明する。本発明の特徴は、更に8個の副容量素子D1〜D8を利用して、他軸成分の干渉を排除した正確な検出を行う点にあるが、この特徴については、§6で述べることにする。   As shown in FIG. 9, eight main fixed electrodes E <b> 1 to E <b> 8 are formed on the support substrate 300, and these main fixed electrodes E <b> 1 to E <b> 8 are opposed to common displacement electrodes (lower end thin portions 215 to 245). ) Constitute eight main capacitive elements C1 to C8. In §4, an operation for detecting the above six force components using only these eight main capacitive elements C1 to C8 will be described. A feature of the present invention is that accurate detection is performed by eliminating interference of other-axis components using eight sub-capacitance elements D1 to D8. This feature will be described in §6. To do.

さて、ここでは、図10に示す位置に原点OをとったXYZ三次元座標系において、受力体100に対して、X軸正方向の力+Fx,Y軸正方向の力+Fy,Z軸正方向の力+Fz,X軸まわりの正方向のモーメント+Mx,Y軸まわりの正方向のモーメント+My,Z軸まわりの正方向のモーメント+Mzがそれぞれ作用した場合に、8個の主容量素子C1〜C8の静電容量値の変化を考えてみる(8個の副容量素子D1〜D8の静電容量値の変化については、§6で述べる)。   Now, in the XYZ three-dimensional coordinate system having the origin O at the position shown in FIG. 10, the force X in the positive direction of the X axis + Fx, the force in the positive direction of the Y axis + Fy, and the positive value of the Z axis. When the force in the direction + Fz, the positive moment about the X axis + Mx, the positive moment about the Y axis + My, and the positive moment about the Z axis + Mz are respectively applied, the eight main capacitive elements C1 to C8 (Changes in the capacitance values of the eight sub-capacitance elements D1 to D8 will be described in §6).

図11は、図10に示す力検出装置において、受力体100にX軸正方向の力+Fxが作用したときの構造体の変形態様を示す側断面図である。同様に、図12は、Z軸正方向の力+Fzが作用したときの変形態様を示し、図13は、Y軸まわりの正方向のモーメント+Myが作用したときの変形態様を示している。   FIG. 11 is a side sectional view showing a deformation mode of the structure when a force + Fx in the positive direction of the X-axis acts on the force receiving body 100 in the force detection device shown in FIG. Similarly, FIG. 12 shows a deformation mode when a positive force + Fz in the Z axis acts, and FIG. 13 shows a deformation mode when a positive moment + My around the Y axis acts.

一方、図14は、6つの力成分が作用したときの各主容量素子C1〜C8(括弧内の符号E1〜E8は、対応する主固定電極を示す)の静電容量値の変化の態様を示すテーブルであり、「0」は変化なし、「+Δ」は増加、「−Δ」は減少を示している。なお、このテーブルにおける各欄のΔの絶対値は、たとえ作用する力の絶対値が同一であっても、必ずしもすべてが同一の値をとるわけではなく、それぞれ各容量素子の形状や配置によって決定される所定の固有値になる。   On the other hand, FIG. 14 shows how the capacitance values of the main capacitive elements C1 to C8 (the symbols E1 to E8 in parentheses indicate the corresponding main fixed electrodes) change when the six force components act. “0” indicates no change, “+ Δ” indicates an increase, and “−Δ” indicates a decrease. Note that the absolute value of Δ in each column in this table does not necessarily take the same value even if the absolute value of the acting force is the same, and is determined by the shape and arrangement of each capacitive element. To a predetermined eigenvalue.

より具体的に言えば、形状や配置に対称性が確保された容量素子についての同一行の欄に記載されたΔの絶対値は互いに等しくなるが、すべての欄についてのΔの絶対値が互いに等しいわけではない。たとえば、第3行目(+Fzの行)におけるC1〜C8の各欄に示すΔの絶対値は、これらの容量素子の形状や配置に対称性が確保されているため互いに等しくなるが、同じC1の欄のΔであっても、たとえば、第2行目の「+Δ」(力+Fyが作用したときの容量値変化分)と、第3行目の「−Δ」(力+Fzが作用したときの容量値変化分)とでは、作用した力+Fy,+Fzの絶対値が同一であったとしても、変化分Δの絶対値は異なる。   More specifically, the absolute values of Δ described in the column of the same row for the capacitive elements having symmetry in shape and arrangement are equal to each other, but the absolute values of Δ for all the columns are mutually Not equal. For example, the absolute values of Δ shown in the columns C1 to C8 in the third row (+ Fz row) are equal to each other because symmetry is ensured in the shape and arrangement of these capacitive elements. Even in the case of Δ in the column, for example, “+ Δ” in the second row (capacity change when force + Fy is applied) and “−Δ” (force + Fz is applied in the third row) The absolute value of the change Δ is different even if the applied force + Fy, + Fz has the same absolute value.

このように、本願のテーブルに示されている符号「Δ」は、特定の値を示すものではなく、「主容量素子に生じる容量値変化」を示す符号ということになる。もっとも、図9に示すように、各固定電極が、X軸およびY軸を対称軸とした幾何学的な対称性をもつ形状および配置を採る場合は、図14のテーブルの各欄における「Δ」の値は、幾何学的条件が同一となる他のいずれかの欄の「Δ」の値と等しくなる。   As described above, the symbol “Δ” shown in the table of the present application does not indicate a specific value, but indicates a “capacitance value change occurring in the main capacitance element”. However, as shown in FIG. 9, when each fixed electrode has a shape and arrangement having geometric symmetry with the X-axis and Y-axis as symmetry axes, “Δ” in each column of the table in FIG. The value of “” is equal to the value of “Δ” in any other column where the geometric conditions are the same.

続いて、受力体100に6つの力成分が作用した場合に、各主容量素子C1〜C8の静電容量値が、図14のテーブルに示すように変化する理由を説明しよう。   Next, the reason why the capacitance values of the main capacitive elements C1 to C8 change as shown in the table of FIG. 14 when six force components act on the force receiving member 100 will be described.

まず、受力体100に対して、X軸正方向の力+Fxが作用すると、図11に示されているように、各柱状体T1〜T4は、いずれも図の右方向(X軸正方向)に傾斜することになる(図2(b) に対応する変形態様)。このため、共通変位電極として機能する下端側肉薄部215,225,235,245は、いずれも、図における右側半分の部分は図の下方へと変形し、左側半分の部分は図の上方へと変形する。   First, when a force + Fx in the X-axis positive direction acts on the force receiving body 100, as shown in FIG. 11, each of the columnar bodies T1 to T4 is in the right direction (X-axis positive direction). ) (A deformation mode corresponding to FIG. 2 (b)). For this reason, in the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 that function as common displacement electrodes, the right half part in the figure is deformed downward in the figure, and the left half part is in the upper part in the figure. Deform.

したがって、図9の平面図を参照すれば、下端側肉薄部が接近してくる右側半分の部分に配置されている固定電極E5,E7については、対向電極との間の距離が縮まるが、下端側肉薄部が遠ざかる左側半分の部分に配置されている固定電極E6,E8については、対向電極との間の距離が広がる。すなわち、容量素子C5,C7の電極間隔は狭まり、静電容量値が増加するのに対して、容量素子C6,C8の電極間隔は広がり、静電容量値が減少することになる。よって、図14のテーブルの「+Fx」の行におけるC5,C7の欄は「+Δ」、C6,C8の欄は「−Δ」になる。   Therefore, referring to the plan view of FIG. 9, the distance between the fixed electrodes E5 and E7 arranged in the right half portion to which the lower end side thin portion approaches is reduced. About fixed electrode E6, E8 arrange | positioned in the left half part from which a side thin part goes away, the distance between counter electrodes spreads. That is, the electrode interval between the capacitive elements C5 and C7 is narrowed and the capacitance value is increased, whereas the electrode interval between the capacitive elements C6 and C8 is widened and the capacitance value is decreased. Therefore, the columns of C5 and C7 in the row of “+ Fx” in the table of FIG. 14 are “+ Δ”, and the columns of C6 and C8 are “−Δ”.

このとき、固定電極E1,E2,E3,E4と、その上方に位置する共通変位電極との間の距離は、その一部分(右側半分の部分)は縮まるが、別な一部分(左側半分の部分)は広がるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図14のテーブルの第1行目(+Fxの行)は、各容量素子C1〜C8についてのこのような静電容量値の変化を示している。   At this time, the distance between the fixed electrodes E1, E2, E3, E4 and the common displacement electrode located above the fixed electrode E1, E2, E3, E4 is reduced in part (right half part), but is separated in another part (left half part). Therefore, the total capacitance does not change. The first row (+ Fx row) in the table of FIG. 14 shows such a change in capacitance value for each of the capacitive elements C1 to C8.

逆に、X軸負方向の力−Fxが作用すると、各柱状体T1〜T4は、いずれも図11に示す例とは反対の左方向(X軸負方向)に傾斜することになるので、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、図14のテーブルの第1行目(+Fxの行)とは「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   Conversely, when the force -Fx in the negative X-axis direction is applied, each of the columnar bodies T1 to T4 is inclined in the left direction (X-axis negative direction) opposite to the example shown in FIG. The relationship of the increase / decrease change of the capacitance value is reversed, and the result of “+” and “−” being reversed with respect to the first row (+ Fx row) of the table of FIG. 14 is obtained.

一方、受力体100に対して、Y軸正方向の力+Fyが作用した場合は、上述した力+Fxが作用した場合の変化態様を、上面からみて90°回転させた現象が起こることになる。すなわち、容量素子C1,C3の電極間隔は狭まり、静電容量値が増加するのに対して、容量素子C2,C4の電極間隔は広がり、静電容量値が減少することがわかる。容量素子C5〜C8については、電極間隔は一部は広がり、一部は狭まるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図14のテーブルの第2行目(+Fyの行)は、各容量素子C1〜C8についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、Y軸負方向の力−Fyが作用した場合は、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   On the other hand, when a force + Fy in the Y-axis positive direction is applied to the force receiving body 100, a phenomenon occurs in which the change mode when the force + Fx is applied is rotated by 90 ° when viewed from the top. . That is, it can be seen that the electrode interval between the capacitive elements C1 and C3 is narrowed and the capacitance value is increased, whereas the electrode interval between the capacitive elements C2 and C4 is widened and the capacitance value is decreased. Regarding the capacitive elements C5 to C8, the electrode spacing is partially expanded and partially decreased, and therefore, the capacitance value does not change in total. The second row (+ Fy row) in the table of FIG. 14 shows such a change in capacitance value for each of the capacitive elements C1 to C8. On the contrary, when the force -Fy in the negative Y-axis direction is applied, the relationship between the increase and decrease of the capacitance value is reversed, and the result of reversing “+” and “−” is obtained.

また、受力体100に対して、Z軸正方向の力+Fzが作用すると、図12に示されているように、各柱状体T1〜T4は、いずれも支持基板300の上面に対して引っ張り力を作用させることになるので、各容量素子C1〜C8の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図14のテーブルの第3行目(+Fzの行)は、このような変化を示している。逆に、受力体100に対して、Z軸負方向の力−Fzが作用すると、各柱状体T1〜T4は、いずれも支持基板300の上面に対して押圧力を作用させることになるので、各容量素子C1〜C8の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。したがって、図14のテーブルの第3行目(+Fzの行)に示された結果に対して、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   Further, when a force + Fz in the positive direction of the Z-axis is applied to the force receiving body 100, each of the columnar bodies T1 to T4 is pulled against the upper surface of the support substrate 300 as shown in FIG. Since force is applied, the electrode interval of each of the capacitive elements C1 to C8 is widened, and the capacitance value is reduced. The third row (+ Fz row) in the table of FIG. 14 shows such a change. On the contrary, when the force −Fz in the negative Z-axis direction acts on the force receiving body 100, each of the columnar bodies T1 to T4 exerts a pressing force on the upper surface of the support substrate 300. The electrode intervals of the capacitive elements C1 to C8 are narrowed, and the capacitance value is increased. Accordingly, a result obtained by reversing “+” and “−” with respect to the result shown in the third row (+ Fz row) of the table of FIG. 14 is obtained.

次に、受力体100に対して、モーメントが作用した場合を考えてみよう。図13には、受力体100にY軸まわりの正方向のモーメント+Myが作用した場合の変化態様が示されている。すなわち、柱状体T1から支持基板300に対しては下方への押圧力−fzが加わり、柱状体T2から支持基板300に対しては上方への引っ張り力+fzが加わっている。したがって、図9の平面図を参照すれば、容量素子C1,C2の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。一方、容量素子C3,C4の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図14のテーブルの第5行目(+Myの行)は、各容量素子C1〜C8についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、Y軸まわりの負方向のモーメント−Myが作用すると、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   Next, let us consider a case where a moment acts on the force receiving member 100. FIG. 13 shows a change mode when a positive moment + My around the Y-axis acts on the force receiving body 100. That is, a downward pressing force −fz is applied to the support substrate 300 from the columnar body T1, and an upward pulling force + fz is applied to the support substrate 300 from the columnar body T2. Therefore, referring to the plan view of FIG. 9, the electrode interval between the capacitive elements C1 and C2 is narrowed, and the capacitance value is increased. On the other hand, the electrode interval between the capacitive elements C3 and C4 is increased, and the capacitance value is decreased. The fifth row (+ My row) of the table in FIG. 14 shows such a change in capacitance value for each of the capacitive elements C1 to C8. Conversely, when a negative moment -My around the Y axis acts, the relationship between the increase and decrease of the capacitance value is reversed, and the result of reversing "+" and "-" is obtained.

また、受力体100にX軸まわりの正方向のモーメント+Mxが作用した場合は、上述したモーメント+Myが作用した場合の変化態様を、上面からみて90°回転させた現象が起こることになる。すなわち、柱状体T4から支持基板300に対しては下方への押圧力−fzが加わり、柱状体T3から支持基板300に対しては上方への引っ張り力+fzが加わっている。したがって、容量素子C7,C8の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。一方、容量素子C5,C6の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図14のテーブルの第4行目(+Mxの行)は、各容量素子C1〜C8についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、X軸まわりの負方向のモーメント−Mxが作用すると、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   Further, when a positive moment + Mx around the X axis is applied to the force receiving member 100, a phenomenon occurs in which the change mode when the above-described moment + My is applied is rotated by 90 ° when viewed from the top. That is, a downward pressing force −fz is applied to the support substrate 300 from the columnar body T4, and an upward pulling force + fz is applied to the support substrate 300 from the columnar body T3. Therefore, the electrode interval between the capacitive elements C7 and C8 is narrowed, and the capacitance value is increased. On the other hand, the electrode interval of the capacitive elements C5 and C6 is widened, and the capacitance value is decreased. The fourth row (+ Mx row) in the table of FIG. 14 shows such a change in capacitance value for each of the capacitive elements C1 to C8. Conversely, when a negative moment -Mx around the X axis is applied, the relationship between the increase and decrease of the capacitance value is reversed, and the result of reversing "+" and "-" is obtained.

最後に、受力体100に対して、Z軸まわりのモーメントMzが作用した場合を考えてみる。まず、図9を参照しながら、受力体100にZ軸まわりの正方向のモーメント+Mz(図9の平面図上では、反時計まわりのモーメントになる)が加わった場合、4本の柱状体T1〜T4がどの方向に傾斜するかを考えてみよう。   Finally, let us consider a case where a moment Mz around the Z-axis acts on the force receiving body 100. First, referring to FIG. 9, when a positive moment + Mz (a counterclockwise moment on the plan view of FIG. 9) is applied to the force receiving member 100, four columnar bodies. Let us consider in which direction T1 to T4 are inclined.

この場合、第1の柱状体T1(図の固定電極E1,E2の上に配置されている)は、図9における上方に傾斜し、容量素子C1の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C2の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。第2の柱状体T2(図の固定電極E3,E4の上に配置されている)は、図9における下方に傾斜し、容量素子C4の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C3の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。第3の柱状体T3(図の固定電極E5,E6の上に配置されている)は、図9における左方に傾斜し、容量素子C6の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C5の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。第4の柱状体T4(図の固定電極E7,E8の上に配置されている)は、図9における右方に傾斜し、容量素子C7の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C8の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。   In this case, the first columnar body T1 (arranged on the fixed electrodes E1 and E2 in the drawing) is inclined upward in FIG. 9, and the capacitance between the electrodes of the capacitive element C1 is reduced and the capacitance value is increased. As a result, the distance between the electrodes of the capacitive element C2 increases, and the capacitance value decreases. The second columnar body T2 (arranged on the fixed electrodes E3 and E4 in the figure) is inclined downward in FIG. 9, the electrode interval of the capacitive element C4 is narrowed, and the capacitance value is increased. The electrode spacing of C3 is increased and the capacitance value is reduced. The third columnar body T3 (arranged on the fixed electrodes E5 and E6 in the figure) is inclined leftward in FIG. 9, and the electrode interval of the capacitive element C6 is narrowed to increase the capacitance value, thereby increasing the capacitance. The electrode interval of the element C5 is increased and the capacitance value is decreased. The fourth columnar body T4 (arranged on the fixed electrodes E7 and E8 in the figure) is inclined to the right in FIG. 9, the electrode interval of the capacitive element C7 is reduced, the capacitance value is increased, and the capacitance is increased. The electrode interval of the element C8 is increased and the capacitance value is decreased.

結局、受力体100にZ軸まわりの正方向のモーメント+Mzが作用した場合は、図14の第6行目に示すような増減結果が得られることになる。また、受力体100にZ軸まわりの負方向のモーメント−Mzが作用した場合は、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   Eventually, when a positive moment + Mz around the Z-axis acts on the force receiving member 100, an increase / decrease result as shown in the sixth line of FIG. 14 is obtained. Further, when a negative moment -Mz around the Z-axis acts on the force receiving member 100, the relationship between the increase and decrease of the capacitance value is reversed, and the result that "+" and "-" are reversed is obtained. Will be.

この図14のテーブルに示すような結果が得られることを踏まえると、検出回路30として、8組の主容量素子C1〜C8の静電容量値(ここでは、静電容量の値自身も、同じ符号C1〜C8で示すことにする)に基づいて、図15に示す式に基づく演算を行う回路を用意しておけば、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分を得ることができる。   Considering that the results shown in the table of FIG. 14 are obtained, the detection circuit 30 has the capacitance values of the eight sets of main capacitance elements C1 to C8 (here, the capacitance values themselves are the same). If a circuit that performs an operation based on the expression shown in FIG. 15 is prepared based on (denoted by reference symbols C1 to C8), six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz can be obtained. it can.

たとえば、図15に示すFx=C5−C6+C7−C8なる式は、図14のテーブルの第1行目(+Fxの行)の結果を踏まえたものである。ここで、差分(C5−C6)は、第3のセンサS3によって検知された柱状体T3のX軸方向に関する傾斜度を示し、差分(C7−C8)は、第4のセンサS4によって検知された柱状体T4のX軸方向に関する傾斜度を示している。したがって、上式は、第3および第4のセンサS3,S4によって検知された各柱状体T3,T4のX軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、受力体100に作用した力のX軸方向成分Fxが検出できることを意味している。これは、図2(b) に示す検出原理に基づくものである。   For example, the formula Fx = C5-C6 + C7-C8 shown in FIG. 15 is based on the result of the first row (+ Fx row) of the table of FIG. Here, the difference (C5-C6) indicates the degree of inclination in the X-axis direction of the columnar body T3 detected by the third sensor S3, and the difference (C7-C8) is detected by the fourth sensor S4. The inclination about the X-axis direction of columnar body T4 is shown. Therefore, the above equation is based on the sum of the inclinations of the columnar bodies T3 and T4 detected by the third and fourth sensors S3 and S4 with respect to the X-axis direction. This means that the direction component Fx can be detected. This is based on the detection principle shown in FIG.

また、図15に示すFy=C1−C2+C3−C4なる式は、図14のテーブルの第2行目(+Fyの行)の結果を踏まえたものである。ここで、差分(C1−C2)は、第1のセンサS1によって検知された柱状体T1のY軸方向に関する傾斜度を示し、差分(C3−C4)は、第2のセンサS2によって検知された柱状体T2のY軸方向に関する傾斜度を示している。したがって、上式は、第1および第2のセンサS1,S2によって検知された各柱状体T1,T2のY軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、受力体100に作用した力のY軸方向成分Fyが検出できることを意味している。これも、図2(b) に示す検出原理に基づくものである。   Further, the expression Fy = C1-C2 + C3-C4 shown in FIG. 15 is based on the result of the second row (+ Fy row) of the table of FIG. Here, the difference (C1-C2) indicates the degree of inclination in the Y-axis direction of the columnar body T1 detected by the first sensor S1, and the difference (C3-C4) is detected by the second sensor S2. The inclination about the Y-axis direction of columnar body T2 is shown. Therefore, the above equation is based on the sum of the slopes of the columnar bodies T1 and T2 detected by the first and second sensors S1 and S2 with respect to the Y-axis direction. This means that the direction component Fy can be detected. This is also based on the detection principle shown in FIG.

更に、図15に示すFz=−(C1+C2+C3+C4+C5+C6+C7+C8)なる式は、図14のテーブルの第3行目(+Fzの行)の結果を踏まえたものであり、第1〜第4のセンサS1〜S4によって検知された各柱状体T1〜T4のZ軸方向に関する力の和に基づいて、受力体100に作用した力のZ軸方向成分Fzが検出できることを意味している。先頭のマイナス符号は、Z軸方向のとり方によるものである。   Further, the formula Fz = − (C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 + C8) shown in FIG. 15 is based on the result of the third row (+ Fz row) of the table of FIG. 14, and is obtained by the first to fourth sensors S1 to S4. This means that the Z-axis direction component Fz of the force acting on the force receiving body 100 can be detected based on the detected sum of the forces in the Z-axis direction of the columnar bodies T1 to T4. The leading minus sign is based on the Z axis direction.

一方、図15に示すMx=−C5−C6+C7+C8なる式は、図14のテーブルの第4行目(+Mxの行)の結果を踏まえたものである。ここで、−C5−C6は、第3のセンサS3によって検知された、柱状体T3から加えられたZ軸方向に関する力を示し、C7+C8は、第4のセンサS4によって検知された、柱状体T4から加えられたZ軸方向に関する力を示す。したがって、上式は、第3のセンサS3によって検知された第3の柱状体T3のZ軸方向に関する力と、第4のセンサS4によって検知された第4の柱状体T4のZ軸方向に関する力と、の差に基づいて、受力体100に作用した力のX軸まわりのモーメントMxが検出できることを意味している。   On the other hand, the expression Mx = −C5−C6 + C7 + C8 shown in FIG. 15 is based on the result of the fourth row (+ Mx row) of the table of FIG. Here, -C5-C6 indicates the force in the Z-axis direction applied from the columnar body T3 detected by the third sensor S3, and C7 + C8 is the columnar body T4 detected by the fourth sensor S4. The force regarding Z-axis direction applied from is shown. Therefore, the above equation is obtained by the force related to the Z-axis direction of the third columnar body T3 detected by the third sensor S3 and the force related to the Z-axis direction of the fourth columnar body T4 detected by the fourth sensor S4. This means that the moment Mx around the X axis of the force acting on the force receiving body 100 can be detected based on the difference between the two.

また、図15に示すMy=C1+C2−C3−C4なる式は、図14のテーブルの第5行目(+Myの行)の結果を踏まえたものである。ここで、C1+C2は、第1のセンサS3によって検知された、柱状体T1から加えられたZ軸方向に関する力を示し、−C3−C4は、第2のセンサS2によって検知された、柱状体T2から加えられたZ軸方向に関する力を示す。したがって、上式は、第1のセンサS1によって検知された第1の柱状体T1のZ軸方向に関する力と、第2のセンサS2によって検知された第2の柱状体T2のZ軸方向に関する力と、の差に基づいて、受力体100に作用した力のY軸まわりのモーメントMyが検出できることを意味している。これは、図2(c) に示す検出原理に基づくものである。   Also, the equation My = C1 + C2-C3-C4 shown in FIG. 15 is based on the result of the fifth row (+ My row) of the table of FIG. Here, C1 + C2 represents the force in the Z-axis direction applied from the columnar body T1 detected by the first sensor S3, and −C3 to C4 represents the columnar body T2 detected by the second sensor S2. The force regarding Z-axis direction applied from is shown. Therefore, the above equation is expressed as follows. The force related to the Z-axis direction of the first columnar body T1 detected by the first sensor S1 and the force related to the Z-axis direction of the second columnar body T2 detected by the second sensor S2. This means that the moment My around the Y-axis of the force acting on the force receiving body 100 can be detected based on the difference between. This is based on the detection principle shown in FIG.

最後に、図15に示すMz=C1−C2−C3+C4−C5+C6+C7−C8なる式は、図14のテーブルの第6行目(+Mzの行)の結果を踏まえたものである。ここで、差分(C1−C2)は、第1のセンサS1によって検知された柱状体T1のY軸方向に関する傾斜度を示し、差分(−C3+C4)は、第2のセンサS2によって検知された柱状体T2のY軸方向に関する傾斜度を示し、差分(−C5+C6)は、第3のセンサS3によって検知された柱状体T3のX軸方向に関する傾斜度を示し、差分(C7−C8)は、第4のセンサS4によって検知された柱状体T4のX軸方向に関する傾斜度を示している。   Finally, the formula Mz = C1-C2-C3 + C4-C5 + C6 + C7-C8 shown in FIG. 15 is based on the result of the sixth row (+ Mz row) of the table of FIG. Here, the difference (C1-C2) indicates the inclination of the columnar body T1 in the Y-axis direction detected by the first sensor S1, and the difference (−C3 + C4) is the columnar shape detected by the second sensor S2. The inclination of the body T2 in the Y-axis direction is shown, the difference (−C5 + C6) shows the inclination of the columnar body T3 in the X-axis direction detected by the third sensor S3, and the difference (C7−C8) is 4 shows the inclination of the columnar body T4 detected by the four sensors S4 in the X-axis direction.

このように、1つの力検出装置でありながら、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分を得ることができる装置は、産業上、極めて有用である。ロボットや産業機械の動作制御などへの用途では、力とモーメントとをはっきり区別して検出することが可能な力検出装置の需要が決して少なくない。ここに示す力検出装置は、正に、このような用途に適した装置ということができる。たとえば、図10に示す力検出装置を、ロボットの腕と手首との関節部分として利用するのであれば、支持基板300を腕側に取り付け、受力体100を手首側に取り付ければよい。そうすれば、腕に対して手首側に加えられた力およびモーメントを検出することが可能である。   As described above, an apparatus that can obtain six components of Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz while being one force detection apparatus is extremely useful industrially. In applications such as operation control of robots and industrial machines, there is a great demand for force detection devices that can detect force and moment clearly. The force detection device shown here can be said to be a device suitable for such an application. For example, if the force detection device shown in FIG. 10 is used as a joint portion between a robot arm and a wrist, the support substrate 300 may be attached to the arm side and the force receiving body 100 may be attached to the wrist side. Then, it is possible to detect the force and moment applied to the wrist side with respect to the arm.

<<< §5. 他軸成分の干渉 >>>
§4では、図10に示す力検出装置において、8個の主容量素子C1〜C8のみを用いて、6つの力成分を検出する動作を説明した。このような検出原理自体は、既に、前掲の特許文献3に開示されている。
<<< §5. Interference of other axis components >>
In §4, the operation of detecting six force components using only the eight main capacitance elements C1 to C8 in the force detection device shown in FIG. 10 has been described. Such a detection principle itself is already disclosed in Patent Document 3 described above.

この検出原理では、本来、他軸成分の干渉を受けることのない正確な検出値が得られるはずである。たとえば、図15に示すFx=C5−C6+C7−C8なる式を用いて得られる力Fxの検出値には、他軸成分は排除されるはずである。すなわち、図14のテーブルにおいて、力FyやモーメントMyが加わったときのC5〜C8の欄は、いずれも「0」であるから、上式によって得られる検出値Fxには、Fy,Myに起因する成分は含まれていない。一方、図14のテーブルにおいて、力FzやモーメントMx,Mzが加わったときのC5〜C8の欄は、「+Δ」もしくは「−Δ」であるが、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「Δ」の絶対値は等しくなるので、Fx=C5−C6+C7−C8なる演算結果は0になる。結局、Fx=C5−C6+C7−C8なる式を用いて得られる値は、力Fxの成分のみを含むことになる。   According to this detection principle, an accurate detection value that is not subject to interference from other axis components should be obtained. For example, the other-axis component should be excluded from the detected value of the force Fx obtained by using the equation Fx = C5-C6 + C7-C8 shown in FIG. That is, in the table of FIG. 14, when the force Fy and the moment My are applied, the columns C5 to C8 are all “0”, so the detection value Fx obtained by the above equation is caused by Fy and My. It does not contain any ingredients. On the other hand, in the table of FIG. 14, the column of C5 to C8 when the force Fz and the moments Mx and Mz are applied is “+ Δ” or “−Δ”, but from the geometric symmetry of each electrode, Since the absolute values of “Δ” written in the same row are equal, the calculation result of Fx = C5−C6 + C7−C8 is 0. Eventually, the value obtained using the formula Fx = C5−C6 + C7−C8 includes only the component of the force Fx.

同様に、図15に示すFy=C1−C2+C3−C4なる式を用いて得られる値は、力Fyの成分のみを含むことになる。また、図15に示すFz=−(C1+C2+C3+C4+C5+C6+C7+C8)なる式を用いて得られる力Fzの検出値も、他軸成分を含まない値になる。すなわち、図14のテーブルにおいて、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「Δ」の絶対値は等しいので、各行ごとにC1〜C8の総和をとると、Fzの行以外はすべて総和は0になる。これは、Fz=−(C1+C2+C3+C4+C5+C6+C7+C8)なる式を用いて得られる値が、力Fzの成分のみを含むことを意味する。   Similarly, the value obtained by using the expression Fy = C1-C2 + C3-C4 shown in FIG. 15 includes only the component of the force Fy. Further, the detection value of the force Fz obtained by using the formula Fz = − (C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 + C8) shown in FIG. 15 is also a value that does not include other axis components. That is, in the table of FIG. 14, the absolute value of “Δ” described in the same row is equal because of the geometric symmetry of each electrode. Therefore, if the sum of C1 to C8 is taken for each row, the Fz row Except for all, the sum is 0. This means that the value obtained using the formula Fz = − (C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 + C8) includes only the component of the force Fz.

次に、図15に示すMx=−C5−C6+C7+C8なる式を用いて得られるモーメントMxの検出値について考えてみる。図14のテーブルにおいて、力FyやモーメントMyが加わったときのC5〜C8の欄は、いずれも「0」であるから、上式によって得られる検出値Mxには、Fy,Myに起因する成分は含まれていない。一方、図14のテーブルにおいて、力Fx,FzやモーメントMzが加わったときのC5〜C8の欄は、「+Δ」もしくは「−Δ」であるが、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「Δ」の絶対値は等しくなるので、Mx=−C5−C6+C7+C8なる演算結果は0になる。結局、Mx=−C5−C6+C7+C8なる式を用いて得られる値は、モーメントMxの成分のみを含むことになる。   Next, consider the detected value of the moment Mx obtained using the equation Mx = −C5−C6 + C7 + C8 shown in FIG. In the table of FIG. 14, since the columns C5 to C8 when the force Fy and the moment My are applied are all “0”, the detection value Mx obtained by the above equation includes components due to Fy and My. Is not included. On the other hand, in the table of FIG. 14, the column of C5 to C8 when the forces Fx, Fz and moment Mz are applied is “+ Δ” or “−Δ”, but from the geometric symmetry of each electrode, Since the absolute values of “Δ” described in the same row are equal, the calculation result of Mx = −C5−C6 + C7 + C8 is 0. Eventually, the value obtained using the equation Mx = −C5−C6 + C7 + C8 includes only the component of the moment Mx.

同様に、図15に示すMy=C1+C2−C3−C4なる式を用いて得られる値は、モーメントMyの成分のみを含むことになる。また、図15に示すMz=C1−C2−C3+C4−C5+C6+C7−C8なる式を用いて得られるモーメントMzの検出値も、他軸成分を含まない値になる。すなわち、図14のテーブルにおいて、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「Δ」の絶対値は等しいので、各行ごとに上式に基づく演算を行うと、Mzの行以外はすべて0になる。これは、Mz=C1−C2−C3+C4−C5+C6+C7−C8なる式を用いて得られる値が、モーメントMzの成分のみを含むことを意味する。   Similarly, the value obtained using the equation My = C1 + C2-C3-C4 shown in FIG. 15 includes only the component of the moment My. Further, the detected value of the moment Mz obtained by using the equation Mz = C1-C2-C3 + C4-C5 + C6 + C7-C8 shown in FIG. 15 is also a value that does not include other axis components. That is, in the table of FIG. 14, the absolute value of “Δ” described in the same row is equal because of the geometric symmetry of each electrode. Therefore, if the calculation based on the above formula is performed for each row, the Mz row All other than are 0. This means that the value obtained using the equation Mz = C1-C2-C3 + C4-C5 + C6 + C7-C8 includes only the component of the moment Mz.

しかしながら、実際には、§4で述べた検出動作では、他軸成分の干渉を完全に排除した正確な検出を行うことはできない。図16は、図14および図15に示す原理に基づく検出を行った場合に、X軸まわりのモーメントMxによるY軸方向の力Fyへの他軸干渉が生じる測定結果を示すグラフである。すなわち、このグラフは、図10に示す力検出装置を試作し、受力体100に対して、X軸まわりのモーメントMxのみを作用させたときに、Mx=−C5−C6+C7+C8なる演算式に基づく演算で得られる検出値V(Mx)およびFy=C1−C2+C3−C4なる演算式に基づく演算で得られる検出値V(Fy)を示している。実際の試作品では、各容量素子の静電容量値を電圧値として検出し、検出した電圧値の加減算の結果を各検出値としているため、グラフに示す検出値V(Mx)およびV(Fy)は、いずれも電圧値として得られた値である。   However, in practice, the detection operation described in §4 cannot perform accurate detection that completely eliminates interference from other axis components. FIG. 16 is a graph showing a measurement result in which other-axis interference occurs in the force Fy in the Y-axis direction due to the moment Mx around the X-axis when detection based on the principle shown in FIGS. 14 and 15 is performed. That is, this graph is based on an arithmetic expression of Mx = −C5−C6 + C7 + C8 when only the moment Mx around the X axis is applied to the force receiving body 100 by making a prototype of the force detection device shown in FIG. The detection value V (Mx) obtained by the calculation and the detection value V (Fy) obtained by the calculation based on the calculation formula Fy = C1-C2 + C3-C4 are shown. In an actual prototype, the capacitance value of each capacitive element is detected as a voltage value, and the result of addition / subtraction of the detected voltage value is used as each detection value. Therefore, the detection values V (Mx) and V (Fy) shown in the graph are used. ) Are values obtained as voltage values.

図に実線のグラフで示すとおり、作用させたモーメントMxの値を増減させると、モーメントMxの検出値V(Mx)もこれに比例して増減している。これは、モーメントMxに関しては、正しい検出値が得られていることを示している。ところが、図に破線のグラフで示すとおり、力Fyの検出値V(Fy)も、作用させたモーメントMxの値に比例して増減している。本来であれば、モーメントMxのみを作用させた場合、力Fyの検出値V(Fy)は0を維持しなければならない。結局、§4で述べた検出動作では、力Fyの検出値に、モーメントMxの成分が含まれてしまうことになる。   As shown by the solid line graph in the figure, when the value of the applied moment Mx is increased or decreased, the detected value V (Mx) of the moment Mx also increases or decreases in proportion thereto. This indicates that a correct detection value is obtained for the moment Mx. However, as indicated by the broken line graph in the figure, the detected value V (Fy) of the force Fy also increases or decreases in proportion to the value of the applied moment Mx. Originally, when only the moment Mx is applied, the detection value V (Fy) of the force Fy must be maintained at zero. Eventually, in the detection operation described in §4, the component of moment Mx is included in the detection value of force Fy.

もちろん、実際には、力Fyのみを作用させたときに得られる検出値V(Fy)の値に比べて、モーメントMxのみを作用させたときに得られる検出値V(Fy)の値は小さいので、図16に破線で示す検出値V(Fy)を、力Fyの検出に関する誤差成分として取り扱うことにすれば、厳密な検出を必要としない用途では支障は生じない。しかしながら、モーメント成分と力成分とを厳密に区別した高精度の検出値を必要とする用途へ利用するには問題となる。同様の問題は、力FxとモーメントMyとの間にも生じる。すなわち、§4で述べた検出動作では、力Fxの検出値に、モーメントMyの成分が含まれてしまう。   Of course, the value of the detection value V (Fy) obtained when only the moment Mx is applied is actually smaller than the value of the detection value V (Fy) obtained when only the force Fy is applied. Therefore, if the detection value V (Fy) indicated by the broken line in FIG. 16 is handled as an error component related to the detection of the force Fy, there is no problem in an application that does not require strict detection. However, there is a problem in using it for an application that requires a highly accurate detection value in which the moment component and the force component are strictly distinguished. A similar problem occurs between the force Fx and the moment My. That is, in the detection operation described in §4, the component of the moment My is included in the detection value of the force Fx.

本願発明者は、図16の破線のグラフに示すように、力Fyの検出値に、モーメントMxの成分が含まれてしまう原因を探求した。その結果、図14に示すテーブルが、厳密には正しいテーブルではなく、各容量素子C1〜C8の静電容量値の増減は、厳密には、図17に示すテーブルのようになることを見出した。   The inventor of the present application sought the cause of the moment Mx component being included in the detected value of the force Fy, as shown in the broken line graph of FIG. As a result, it was found that the table shown in FIG. 14 is not strictly correct, and that the capacitance values of the capacitive elements C1 to C8 increase or decrease exactly as in the table shown in FIG. .

図17のテーブルにおいて、太線で囲われた欄は、図14のテーブルとの相違部分である。すなわち、太線で囲われた8個の欄の内容は、図14のテーブルでは「0」となっていたが、厳密には「0」ではなく、「+δ」もしくは「−δ」とすべきものである。ここでは、まず、図17のテーブルの第5行目(+Myの行)の結果が得られる理由を説明しよう。   In the table of FIG. 17, a column surrounded by a thick line is a difference from the table of FIG. 14. That is, the contents of the eight columns surrounded by bold lines are “0” in the table of FIG. 14, but are not strictly “0” but should be “+ δ” or “−δ”. is there. Here, first, the reason why the result of the fifth row (+ My row) of the table of FIG. 17 is obtained will be described.

図10の力検出装置に、Y軸まわりのモーメント+Myが作用すると、装置を構成する構造体が、図13に示すように変形することは既に述べたとおりである。その結果、柱状体T1から支持基板300に対しては下方への押圧力−fzが加わり、柱状体T2から支持基板300に対しては上方への引っ張り力+fzが加わる。したがって、容量素子C1,C2の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加し、容量素子C3,C4の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。よって、図17のテーブルの第5行目(+Myの行)に示すとおり、容量素子C1,C2の静電容量値は「+Δ」となり、容量素子C3,C4の静電容量値は「−Δ」となる。   As described above, when the moment + My around the Y-axis acts on the force detection device of FIG. 10, the structure constituting the device is deformed as shown in FIG. As a result, a downward pressing force -fz is applied to the support substrate 300 from the columnar body T1, and an upward pulling force + fz is applied to the support substrate 300 from the columnar body T2. Therefore, the electrode interval between the capacitive elements C1 and C2 is reduced, the capacitance value is increased, the electrode interval between the capacitive elements C3 and C4 is increased, and the capacitance value is reduced. Therefore, as shown in the fifth row (+ My row) of the table of FIG. 17, the capacitance values of the capacitive elements C1 and C2 are “+ Δ”, and the capacitance values of the capacitive elements C3 and C4 are “−Δ”. "

§4の説明では、このとき、柱状体T3,T4は傾斜せず、容量素子C5〜C8の静電容量値には変化は生じないものとして取り扱った。これは、図11に示すように力+Fxが加えられると、4本の柱状体T1〜T4がいずれもX軸正方向に傾斜するが、図13に示すようにモーメントMyが加えられると、4本の柱状体T1〜T4は、いずれも傾斜せず、柱状体T1は下方へ移動し、柱状体T2は上方へ移動し、柱状体T3,T4の位置は変化しない、と考えたためである。たしかに、4本の柱状体T1〜T4の大まかな動きを捉えると、このように考えても誤りではない。   In the description of §4, at this time, the columnar bodies T3 and T4 are not inclined and are handled as those in which the capacitance values of the capacitive elements C5 to C8 do not change. As shown in FIG. 11, when a force + Fx is applied, all of the four columnar bodies T1 to T4 are inclined in the positive direction of the X axis, but when a moment My is applied as shown in FIG. This is because the columnar bodies T1 to T4 are not inclined, the columnar body T1 moves downward, the columnar body T2 moves upward, and the positions of the columnar bodies T3 and T4 do not change. Certainly, it is not an error to think in this way if the rough movements of the four columnar bodies T1 to T4 are captured.

しかしながら、厳密には、Y軸まわりのモーメント+Myが作用すると、柱状体T3,T4には、わずかながらX軸正方向への傾斜が生じるのである。もちろん、傾斜角度は、図11に示すような力+Fxが加えられたときに生じる角度に比べると小さいため、静電容量値の変化も小さい。図17のテーブルにおいて、太線で囲った欄に示されている符号「δ」は、他の欄に示されている符号「Δ」と同様に、「主容量素子に生じる容量値変化」を示す符号ではあるが、静電容量値の変化量としては小さいことを示している。以下、この符号「δ」で示す変化量成分を「他軸干渉成分」と呼ぶことにする。   However, strictly speaking, when the moment + My around the Y axis acts, the columnar bodies T3 and T4 are slightly inclined in the positive direction of the X axis. Of course, since the inclination angle is smaller than the angle generated when the force + Fx as shown in FIG. 11 is applied, the change in the capacitance value is also small. In the table of FIG. 17, the symbol “δ” shown in the column surrounded by a thick line indicates “capacitance value change occurring in the main capacitor element”, similarly to the symbol “Δ” shown in the other columns. Although it is a code | symbol, it has shown that the variation | change_quantity of an electrostatic capacitance value is small. Hereinafter, the variation component indicated by the symbol “δ” is referred to as “other-axis interference component”.

図17のテーブルの第5行目(+Myの行)の容量素子C5,C7の欄に「+δ」と記載され、容量素子C6,C8の欄に「−δ」と記載されているが、これは、Y軸まわりのモーメント+Myが作用することにより、柱状体T3,T4がX軸正方向へ若干傾斜するため、容量素子C5,C7の電極間隔がわずかながら縮み、静電容量値がわずかながら増加し、容量素子C6,C8の電極間隔がわずかながら広がり、静電容量値がわずかながら減少することを示している。   In the fifth row (+ My row) of the table of FIG. 17, “+ δ” is described in the columns of the capacitive elements C5 and C7, and “−δ” is described in the columns of the capacitive elements C6 and C8. Since the column bodies T3 and T4 are slightly tilted in the positive direction of the X axis due to the action of the moment + My around the Y axis, the electrode spacing of the capacitive elements C5 and C7 is slightly reduced, and the capacitance value is slightly It shows that the electrode distance between the capacitive elements C6 and C8 is slightly increased and the capacitance value is slightly decreased.

同様に、図17のテーブルの第4行目(+Mxの行)の容量素子C2,C4の欄に「+δ」と記載され、容量素子C1,C3の欄に「−δ」と記載されているが、これは、X軸まわりのモーメント+Mxが作用することにより、柱状体T1,T2がY軸負方向へ若干傾斜するため、容量素子C1,C3の電極間隔がわずかながら広がり、静電容量値がわずかながら減少し、容量素子C2,C4の電極間隔がわずかながら縮み、静電容量値がわずかながら増加することを示している。   Similarly, “+ δ” is described in the column of the capacitive elements C2 and C4 in the fourth row (+ Mx row) of the table of FIG. 17, and “−δ” is described in the columns of the capacitive elements C1 and C3. However, this is because the moments + Mx around the X axis act to cause the columnar bodies T1 and T2 to slightly tilt in the negative direction of the Y axis, so that the electrode spacing of the capacitive elements C1 and C3 slightly increases, and the capacitance value Shows a slight decrease, the electrode distance between the capacitive elements C2 and C4 is slightly reduced, and the capacitance value is slightly increased.

図16の破線のグラフに示すように、力Fyの検出値に、モーメントMxの成分が含まれてしまう原因は、図17のテーブルの第4行目(+Mxの行)の内容に基づいて、Fy=C1−C2+C3−C4なる演算を行ったためである。図17のテーブルにおいても、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「δ」の絶対値は等しいので、モーメントMxが作用しているとき、Fy=C1−C2+C3−C4=−4δになる。図16の破線のグラフに示す検出値V(Fy)は、この−4δ(他軸干渉成分)に対応する検出値ということになる。   As shown in the broken line graph of FIG. 16, the reason why the detected value of the force Fy includes the component of the moment Mx is based on the content of the fourth row (+ Mx row) of the table of FIG. This is because the calculation of Fy = C1-C2 + C3-C4 was performed. Also in the table of FIG. 17, the absolute value of “δ” described in the same row is equal because of the geometric symmetry of each electrode. Therefore, when the moment Mx is applied, Fy = C1−C2 + C3−C4 = −4δ. The detection value V (Fy) shown in the broken line graph of FIG. 16 is a detection value corresponding to this −4δ (other-axis interference component).

同様に、図17のテーブルの第5行目(+Myの行)の内容に基づいて、Fx=C5−C6+C7−C8なる演算を行うと、やはり同一行に記載された「δ」の絶対値は等しいので、Fx=+4δ(他軸干渉成分)になる。これが、力Fxの検出値に、モーメントMyの成分が含まれてしまう原因である。   Similarly, when the calculation Fx = C5-C6 + C7-C8 is performed based on the content of the fifth row (+ My row) of the table of FIG. 17, the absolute value of “δ” described in the same row is Since they are equal, Fx = + 4δ (interaxial interference component). This is the cause of the moment My component being included in the detected value of the force Fx.

<<< §6. 副容量素子による補正原理 >>>
本発明の主眼は、§5で述べた理由によって生じる他軸成分の干渉を、副容量素子によって補正することにより、他軸成分の干渉を排除した正確な検出を行う点にある。別言すれば、§5で述べた理由によって主容量素子C1〜C8の静電容量値に生じる他軸干渉成分δを、副容量素子D1〜D8の静電容量値の変化分によって相殺する点にある。以下、この補正原理を説明する。
<<< §6. Correction principle by sub-capacitance element >>
The main point of the present invention is to perform accurate detection with the interference of the other axis component eliminated by correcting the interference of the other axis component caused by the reason described in §5 by the sub-capacitance element. In other words, the other-axis interference component δ generated in the capacitance values of the main capacitive elements C1 to C8 for the reason described in §5 is offset by the change in the capacitance values of the sub-capacitance elements D1 to D8. It is in. Hereinafter, this correction principle will be described.

図18は、図9に示されている16枚の電極の拡大平面図である。既に述べたとおり、8枚の主固定電極E1〜E8は、8個の主容量素子C1〜C8を構成する電極であり、8枚の副固定電極F1〜F8は、8個の副容量素子D1〜D8を構成する電極である。図に括弧書きで示されているC1〜C8およびD1〜D8は、各電極によって構成される容量素子を示す符号である。   FIG. 18 is an enlarged plan view of the 16 electrodes shown in FIG. As described above, the eight main fixed electrodes E1 to E8 are the electrodes constituting the eight main capacitive elements C1 to C8, and the eight sub fixed electrodes F1 to F8 are the eight sub capacitive elements D1. To D8. C1 to C8 and D1 to D8, which are shown in parentheses in the figure, are reference numerals indicating capacitive elements constituted by the respective electrodes.

ここで、8個の副容量素子D1〜D8は、それぞれ8個の主容量素子C1〜C8の静電容量値に対する補正機能を有している。すなわち、主容量素子C1には副容量素子D1が対応し、主容量素子C2には副容量素子D2が対応し、... という具合に、1つの主容量素子に1つの副容量素子が対応づけられ、各容量素子は常に主副がペアの状態で取り扱われる。なお、図18では、各固定電極に8種類の異なるハッチングを施して示すが、これはペアを構成する電極に同一のハッチングを施し、対応関係を明瞭にするための便宜である。たとえば、主固定電極E1と副固定電極F1には、同一のハッチングが施されているが、これは、主固定電極E1によって構成される主容量素子C1と、副固定電極F1によって構成される副容量素子D1とが対応し、ペアを組むことを示している。   Here, the eight sub-capacitance elements D1 to D8 have a function of correcting the capacitance values of the eight main capacitance elements C1 to C8, respectively. That is, the sub-capacitance element D1 corresponds to the main capacitance element C1, the sub-capacitance element D2 corresponds to the main capacitance element C2, and so on. One sub-capacitance element corresponds to one main capacitance element. Each capacitive element is always handled in a state where the main and sub are paired. In FIG. 18, each of the fixed electrodes is shown with eight different types of hatching, but this is for the convenience of giving the same hatching to the electrodes constituting the pair and clarifying the correspondence. For example, the main fixed electrode E1 and the sub fixed electrode F1 are subjected to the same hatching. This is because the main capacitive element C1 constituted by the main fixed electrode E1 and the sub fixed electrode F1 are arranged. This indicates that the capacitive element D1 corresponds to form a pair.

さて、§5では、8枚の主固定電極E1〜E8によって構成される8個の主容量素子C1〜C8について、受力体100に6種類の力成分が加わったときの静電容量値の正確な変化態様が、図17のテーブルに示すようになることを説明した。そこで、ここでは、図18に示す8枚の副固定電極F1〜F8によって構成される8個の副容量素子D1〜D8について、受力体100に6種類の力成分が加わったときの静電容量値の正確な変化態様が、どのようになるかを検討してみよう。   Now, in §5, regarding the eight main capacitive elements C1 to C8 constituted by the eight main fixed electrodes E1 to E8, the capacitance values when six types of force components are applied to the force receiving body 100 are shown. It has been explained that the exact change mode is as shown in the table of FIG. Therefore, here, for the eight sub-capacitance elements D1 to D8 constituted by the eight sub-fixed electrodes F1 to F8 shown in FIG. Let's consider what the exact change of the capacitance value will be.

図19は、図10に示す力検出装置において、受力体100に各力成分が作用したときの各副容量素子D1〜D8(括弧内の符号F1〜F8は、対応する副固定電極を示す)の静電容量値の変化の態様を示すテーブルである。ここで、太線で囲った欄は、副容量素子D1〜D8の静電容量値に変化が生じる欄であり、符号「ε」は、「副容量素子に生じる容量値変化」を示す符号である。この符号「ε」は、符号「Δ」や符号「δ」と同様に、特定の値を示すものではない。ただ、図9に示すように、各固定電極が、X軸およびY軸を対称軸とした幾何学的な対称性をもつ形状および配置を採る場合は、図19のテーブルの各欄における「ε」の値は、幾何学的条件が同一となる他のいずれかの欄の「ε」の値と等しくなる。   FIG. 19 shows the sub-capacitance elements D1 to D8 when the force components act on the force receiving body 100 in the force detection device shown in FIG. 10 (the symbols F1 to F8 in parentheses indicate the corresponding sub-fixed electrodes). It is a table which shows the aspect of a change of the electrostatic capacitance value of (). Here, a column surrounded by a thick line is a column in which the capacitance values of the sub-capacitance elements D1 to D8 change, and a symbol “ε” is a code indicating “a change in capacitance value generated in the sub-capacitance device”. . This code “ε” does not indicate a specific value, like the code “Δ” and the code “δ”. However, as shown in FIG. 9, when each fixed electrode takes a shape and arrangement having geometric symmetry with the X axis and Y axis as symmetry axes, “ε” in each column of the table of FIG. The value of “” is equal to the value of “ε” in any other column having the same geometric condition.

まず、受力体100に対して、X軸正方向の力+Fxが作用した場合の各副容量素子D1〜D8の静電容量値の変化を考えてみよう。この場合、図11に示されているように、各柱状体T1〜T4は、いずれも図の右方向(X軸正方向)に傾斜することになる(図2(b) に対応する変形態様)。このため、共通変位電極として機能する下端側肉薄部215,225,235,245は、いずれも、図における右側半分の部分は図の下方へと変位し、左側半分の部分は図の上方へと変位する。   First, let us consider changes in the capacitance values of the sub-capacitance elements D1 to D8 when a force + Fx in the X-axis positive direction is applied to the force receiving body 100. In this case, as shown in FIG. 11, each of the columnar bodies T1 to T4 is inclined in the right direction (X-axis positive direction) in the drawing (the deformation mode corresponding to FIG. 2 (b)). ). For this reason, in the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 that function as common displacement electrodes, the right half portion in the drawing is displaced downward in the drawing, and the left half portion is moved upward in the drawing. Displace.

ここで、図18の平面図を参照すれば、各副固定電極F1〜F8の形状は、いずれも左右対称となっていることがわかる。したがって、これら各副固定電極F1〜F8と、その上方に位置する共通変位電極との間の距離は、その一部分(右側半分の部分)は縮まるが、別な一部分(左側半分の部分)は広がるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図19のテーブルの第1行目(+Fxの行)の各欄が「0」となっているのは、このためである。X軸負方向の力−Fxが作用した場合も、同様に各欄は「0」になる。   Here, referring to the plan view of FIG. 18, it can be seen that the shapes of the sub-fixed electrodes F1 to F8 are all symmetrical. Accordingly, the distance between each of the sub-fixed electrodes F1 to F8 and the common displacement electrode located above the sub-fixed electrodes F1 to F8 is reduced in part (right half part), but is expanded in another part (left half part). Therefore, the capacitance value does not change in total. This is why each column of the first row (+ Fx row) of the table of FIG. 19 is “0”. Similarly, when the force in the negative X-axis direction -Fx is applied, each column is "0".

一方、受力体100に対して、Y軸正方向の力+Fyが作用した場合は、上述した力+Fxが作用した場合の変化態様を、上面からみて90°回転させた現象が起こることになるので、図19のテーブルの第2行目(+Fyの行)に示すとおり、各欄は、やはり「0」になる。Y軸負方向の力−Fyが作用した場合も同様である。   On the other hand, when a force + Fy in the Y-axis positive direction is applied to the force receiving body 100, a phenomenon occurs in which the change mode when the force + Fx is applied is rotated by 90 ° when viewed from the top. Therefore, as shown in the second row (+ Fy row) of the table of FIG. 19, each column is also “0”. The same applies when a force -Fy in the Y-axis negative direction is applied.

また、受力体100に対して、Z軸正方向の力+Fzが作用すると、図12に示されているように、各柱状体T1〜T4は、いずれも支持基板300の上面に対して引っ張り力を作用させることになるので、各容量素子D1〜D8の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図19のテーブルの第3行目(+Fzの行)に示す「−ε」は、このような静電容量値の減少を示している。逆に、受力体100に対して、Z軸負方向の力−Fzが作用すると、各柱状体T1〜T4は、いずれも支持基板300の上面に対して押圧力を作用させることになるので、各容量素子D1〜D8の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。したがって、図19のテーブルの第3行目(+Fzの行)の各欄は「+ε」になる。   Further, when a force + Fz in the positive direction of the Z-axis is applied to the force receiving body 100, each of the columnar bodies T1 to T4 is pulled against the upper surface of the support substrate 300 as shown in FIG. Since a force is applied, the electrode interval between the capacitive elements D1 to D8 is widened, and the capacitance value is reduced. “−ε” shown in the third row (+ Fz row) of the table of FIG. 19 indicates such a decrease in the capacitance value. On the contrary, when the force −Fz in the negative Z-axis direction acts on the force receiving body 100, each of the columnar bodies T1 to T4 exerts a pressing force on the upper surface of the support substrate 300. The electrode interval between the capacitive elements D1 to D8 is narrowed, and the capacitance value is increased. Accordingly, each column of the third row (+ Fz row) of the table of FIG. 19 is “+ ε”.

なお、上述したとおり、「ε」は、特定の固有値を示すものではないので、図19のテーブルの第3行目(+Fzの行)に示す「−ε」の値は、必ずしもすべてが同一の値というわけではない。図18の平面図を見ればわかるとおり、副固定電極F1,F2,F5,F8は円形の電極であるのに対し、副固定電極F3,F4,F6,F7は円環状の電極であり、両者は形状や面積が異なる。したがって、図19のテーブルの第3行目(+Fzの行)に示すD1,D2,D5,D8の各欄に示す「−ε」の値は相互に等しく、D3,D4,D6,D7の各欄に示す「−ε」の値は相互に等しくなるが、前者と後者とでは値は異なる。   As described above, since “ε” does not indicate a specific eigenvalue, the values of “−ε” shown in the third row (+ Fz row) of the table of FIG. 19 are not necessarily the same. Not a value. As can be seen from the plan view of FIG. 18, the sub-fixed electrodes F1, F2, F5, and F8 are circular electrodes, whereas the sub-fixed electrodes F3, F4, F6, and F7 are annular electrodes. Are different in shape and area. Accordingly, the values of “−ε” shown in the columns D1, D2, D5, and D8 shown in the third row (+ Fz row) of the table of FIG. 19 are equal to each other, and each of D3, D4, D6, and D7 The values of “−ε” shown in the column are equal to each other, but the values are different between the former and the latter.

次に、受力体100に対して、モーメントが作用した場合を考えてみる。図13に示されているように、受力体100にY軸まわりの正方向のモーメント+Myが作用すると、柱状体T1から支持基板300に対しては下方への押圧力−fzが加わり、柱状体T2から支持基板300に対しては上方への引っ張り力+fzが加わる。したがって、図18の平面図を参照すれば、容量素子D6,D8の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。これに対して、容量素子D5,D7の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図19のテーブルの第5行目(+Myの行)におけるD5〜D8の欄の「+ε」もしくは「−ε」は、このような静電容量値の増減を示している。   Next, consider a case where a moment acts on the force receiving body 100. As shown in FIG. 13, when a positive moment + My around the Y axis acts on the force receiving member 100, a downward pressing force −fz is applied from the columnar body T1 to the support substrate 300, and the columnar shape. An upward pulling force + fz is applied to the support substrate 300 from the body T2. Therefore, referring to the plan view of FIG. 18, the electrode distance between the capacitive elements D6 and D8 is narrowed, and the capacitance value is increased. On the other hand, the electrode interval of the capacitive elements D5 and D7 is increased, and the capacitance value is decreased. “+ Ε” or “−ε” in the columns D5 to D8 in the fifth row (+ My row) of the table in FIG. 19 indicates such an increase or decrease in the capacitance value.

このようにY軸まわりの正方向のモーメント+Myが作用したとき、柱状体T3,T4は、X軸正方向に若干傾斜することになる。ただ、Y軸上に配置されている容量素子D1〜D4については、その一部分(右側半分の部分)の電極間隔は縮まるが、別な一部分(左側半分の部分)の電極間隔は広がるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図19のテーブルの第5行目(+Myの行)におけるD1〜D4の各欄が「0」となっているのは、このためである。逆に、Y軸まわりの負方向のモーメント−Myが作用すると、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、図19のテーブルの第5行目には、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   In this way, when the positive moment + My around the Y axis acts, the columnar bodies T3, T4 are slightly inclined in the X axis positive direction. However, for the capacitive elements D1 to D4 arranged on the Y-axis, the electrode interval of a part (right half part) is reduced, but the electrode interval of another part (left half part) is widened. Then, the capacitance value does not change. This is why the columns D1 to D4 in the fifth row (+ My row) of the table of FIG. 19 are “0”. Conversely, when the negative moment -My around the Y axis acts, the relationship between the increase and decrease of the capacitance value is reversed, and the fifth row of the table of FIG. 19 shows “+” and “−”. The result of reversing is obtained.

また、受力体100にX軸まわりの正方向のモーメント+Mxが作用した場合は、上述したモーメント+Myが作用した場合の変化態様を、上面からみて90°回転させた現象が起こることになる。すなわち、柱状体T4から支持基板300に対しては下方への押圧力−fzが加わり、柱状体T3から支持基板300に対しては上方への引っ張り力+fzが加わっている。したがって、容量素子D1,D3の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。これに対して、容量素子D2,D4の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図19のテーブルの第4行目(+Mxの行)におけるD1〜D4の欄の「+ε」もしくは「−ε」は、このような静電容量値の増減を示している。   Further, when a positive moment + Mx around the X axis is applied to the force receiving member 100, a phenomenon occurs in which the change mode when the above-described moment + My is applied is rotated by 90 ° when viewed from the top. That is, a downward pressing force −fz is applied to the support substrate 300 from the columnar body T4, and an upward pulling force + fz is applied to the support substrate 300 from the columnar body T3. Therefore, the electrode interval between the capacitive elements D1 and D3 is narrowed, and the capacitance value is increased. On the other hand, the electrode distance between the capacitive elements D2 and D4 is increased, and the capacitance value is decreased. “+ Ε” or “−ε” in the columns D1 to D4 in the fourth row (+ Mx row) of the table in FIG. 19 indicates such an increase or decrease in the capacitance value.

このようにX軸まわりの正方向のモーメント+Mxが作用したとき、柱状体T1,T2は、Y軸負方向に若干傾斜することになる。ただ、X軸上に配置されている容量素子D5〜D8については、その一部分(図18における上側半分の部分)の電極間隔は広がるが、別な一部分(図18における下側半分の部分)の電極間隔は縮まるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図19のテーブルの第4行目(+Mxの行)におけるD5〜D8の各欄が「0」となっているのは、このためである。逆に、X軸まわりの負方向のモーメント−Mxが作用すると、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、図19のテーブルの第4行目には、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   Thus, when the positive moment + Mx around the X-axis acts, the columnar bodies T1 and T2 are slightly inclined in the negative Y-axis direction. However, regarding the capacitive elements D5 to D8 arranged on the X axis, the electrode interval of a part (upper half part in FIG. 18) is widened, but another part (lower half part in FIG. 18) Since the electrode interval is reduced, the capacitance value does not change in total. This is why the columns D5 to D8 in the fourth row (+ Mx row) of the table of FIG. 19 are “0”. On the contrary, when a negative moment -Mx around the X axis is applied, the relationship between the increase and decrease of the capacitance value is reversed, and the fourth line of the table of FIG. The result of reversing is obtained.

最後に、受力体100に対して、Z軸まわりのモーメントMzが作用した場合を考えてみる。受力体100にZ軸まわりの正方向のモーメント+Mzもしくは負方向のモーメント−Mzが加わると、4本の柱状体T1〜T4が、図18における上下左右のいずれかに傾斜することになる。しかしながら、いずれの方向に傾斜したとしても、容量素子D1〜D8の電極間隔は、その一部分は広がり、他の一部分は縮まることになるので、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図19のテーブルの第6行目(+Mzの行)におけるD1〜D8の各欄が「0」となっているのは、このためである。   Finally, let us consider a case where a moment Mz around the Z-axis acts on the force receiving body 100. When a positive moment + Mz or negative moment -Mz around the Z-axis is applied to the force receiving body 100, the four columnar bodies T1 to T4 are inclined in any one of up, down, left, and right in FIG. However, even if it is tilted in any direction, the electrode spacing of the capacitive elements D1 to D8 is partially expanded and the other part is contracted, so that the capacitance value does not change in total. This is why the columns D1 to D8 in the sixth row (+ Mz row) of the table of FIG. 19 are “0”.

結局、図10に示す力検出装置において、受力体100に各力成分が作用したとき、主容量素子C1〜C8の静電容量値は、図17のテーブルに示すように変化し、副容量素子D1〜D8の静電容量値は、図19のテーブルに示すように変化することがわかる。ここで、両テーブルの第4行目(+Mxの行)のC1〜C4,D1〜D4の各欄と第5行目(+Myの行)のC5〜C8,D5〜D8の各欄とを相互に比較すると、符号が相補的になっていることがわかる。すなわち、前者で「−δ」となっている場合、後者では「+ε」となっており、前者で「+δ」となっている場合、後者では「−ε」となっている。これは、前者の±δを、後者の±εで相殺可能であることを意味している。   After all, in the force detection device shown in FIG. 10, when each force component acts on the force receiving body 100, the capacitance values of the main capacitive elements C1 to C8 change as shown in the table of FIG. It can be seen that the capacitance values of the elements D1 to D8 change as shown in the table of FIG. Here, the columns C1 to C4 and D1 to D4 in the fourth row (+ Mx row) and the columns C5 to C8 and D5 to D8 in the fifth row (+ My row) of both tables are mutually connected. It can be seen that the codes are complementary. That is, when the former is “−δ”, the latter is “+ ε”, and when the former is “+ δ”, the latter is “−ε”. This means that the former ± δ can be canceled by the latter ± ε.

図17のテーブルに示す値±δの絶対値は(もちろん、±Δの絶対値もそうであるが)、主容量素子C1〜C8の構成によって左右される量である。具体的には、各主容量素子を構成する一対の電極の電極間隔(何ら力が作用していない状態での電極間隔)を小さく設定すればするほど、絶対値δは大きくなる。また、これら一対の電極の面積を大きく設定すればするほど、絶対値δは大きくなる。同様に、図19のテーブルに示す値±εの絶対値は、副容量素子D1〜D8の構成によって左右される量である。具体的には、各副容量素子を構成する一対の電極の電極間隔(何ら力が作用していない状態での電極間隔)を小さく設定すればするほど、絶対値εは大きくなる。また、これら一対の電極の面積を大きく設定すればするほど、絶対値εは大きくなる。   The absolute value of the value ± δ shown in the table of FIG. 17 (of course, the absolute value of ± Δ) is an amount that depends on the configuration of the main capacitive elements C1 to C8. Specifically, the absolute value δ increases as the electrode interval between the pair of electrodes constituting each main capacitive element (the electrode interval when no force is applied) is set smaller. The larger the area of the pair of electrodes, the larger the absolute value δ. Similarly, the absolute value of the value ± ε shown in the table of FIG. 19 is an amount that depends on the configuration of the sub-capacitance elements D1 to D8. Specifically, the absolute value ε increases as the electrode distance between the pair of electrodes constituting each sub-capacitance element (the electrode distance when no force is applied) is set smaller. The larger the area of the pair of electrodes, the larger the absolute value ε.

そこで、主容量素子C1〜C8の構成と副容量素子D1〜D8の構成とをうまく設定してやれば、図17のテーブルにおける他軸干渉成分±δを、図19のテーブルにおける±εで相殺することができる。これが、本発明の特徴となる副容量素子による補正原理である。   Therefore, if the configurations of the main capacitive elements C1 to C8 and the configurations of the sub-capacitance elements D1 to D8 are properly set, the other-axis interference component ± δ in the table of FIG. 17 is canceled by ± ε in the table of FIG. Can do. This is the correction principle by the sub-capacitance element, which is a feature of the present invention.

この補正原理を、図20のテーブルを参照しながら説明しよう。この図20に示すテーブルは、図17に示す8個の主容量素子C1〜C8についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図19に示す8個の副容量素子D1〜D8についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。ここで、太線で囲った欄は、副容量素子D1〜D8の静電容量値に変化が生じる欄である。別言すれば、図20において、太線で囲った欄以外の各欄は、図17のテーブルと全く同じ内容になる。   This correction principle will be described with reference to the table of FIG. The table shown in FIG. 20 includes the columns indicating the change in capacitance value for the eight main capacitive elements C1 to C8 shown in FIG. 17, and the eight sub-capacitance elements D1 to D8 shown in FIG. It is a table which shows the sum with each column which shows the aspect of the change of the electrostatic capacitance value about. Here, the column surrounded by a thick line is a column in which the capacitance values of the sub-capacitance elements D1 to D8 change. In other words, in FIG. 20, each column other than the column surrounded by a bold line has exactly the same contents as the table in FIG.

いま、この図20のテーブルにおいて、各欄内の絶対値δと絶対値εとが等しいと仮定してみよう。既に述べたとおり、このテーブル中の「δ」や「ε」は、特定の固有値を示しているわけではなく、必ずしもすべてが同一の値というわけではないが、個々の欄ごとに、それぞれδ=εが成り立っているとすれば、「−δ+ε」や「+δ−ε」と記載されている欄は「0」に置き換えることができる。すなわち、図20のテーブルの第4行目(+Mxの行)の左側4欄はいずれも「0」になり、第5行目(+Myの行)の右側4欄はいずれも「0」になる。   Now, let us assume that the absolute value δ and the absolute value ε in each column are equal in the table of FIG. As already stated, “δ” and “ε” in this table do not indicate specific eigenvalues and are not necessarily the same value, but for each individual column, δ = If ε holds, the column described as “−δ + ε” or “+ δ−ε” can be replaced with “0”. That is, all four columns on the left side of the fourth row (+ Mx row) of the table of FIG. 20 are “0”, and all four columns on the right side of the fifth row (+ My row) are “0”. .

結局、図20のテーブルは、第3行目(+Fzの行)を除いて、図14のテーブルと等価になる。第3行目の各欄については、図14のテーブルでは「−Δ」となっていたのが、図20のテーブルでは「−(Δ+ε)」に置き換わっているが、これは絶対値が若干変わるだけである。すなわち、力Fzの検出値のスケーリングファクターが若干変わるだけであり、本質的には、何ら支障は生じない。   After all, the table of FIG. 20 is equivalent to the table of FIG. 14 except for the third row (+ Fz row). For each column in the third row, “−Δ” in the table of FIG. 14 is replaced with “− (Δ + ε)” in the table of FIG. 20, but this changes slightly in absolute value. Only. That is, the scaling factor of the detected value of the force Fz is only slightly changed, and essentially no trouble occurs.

そうすると、8個の主容量素子C1〜C8の静電容量値(同じ符号C1〜C8を用いて示す)を用いた図15に示す演算式の代わりに、更に、8個の副容量素子D1〜D8の静電容量値(同じ符号D1〜D8を用いて示す)を用いた図21に示す演算式を用いることにより、6つの力成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの検出が可能になることがわかる。しかも、この図21に示す演算式を用いた場合、§5で述べた他軸干渉成分±δが、副容量素子D1〜D8に生じる変化分±εによって相殺されるため、力とモーメントを厳密に区別した正確な検出値が得られることになる。   Then, instead of the arithmetic expression shown in FIG. 15 using the capacitance values of the eight main capacitive elements C1 to C8 (shown using the same reference numerals C1 to C8), the eight sub capacitive elements D1 to D1 are further provided. The six force components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz can be detected by using the arithmetic expression shown in FIG. 21 using the capacitance value of D8 (shown by using the same symbols D1 to D8). It turns out that it becomes. In addition, when the arithmetic expression shown in FIG. 21 is used, the other-axis interference component ± δ described in §5 is offset by the change ± ε occurring in the sub-capacitance elements D1 to D8, so that force and moment are strictly Thus, an accurate detection value can be obtained.

具体的には、図21の式によれば、力Fxは、Fx=(C5+D5)−(C6+D6)+(C7+D7)−(C8+D8)なる式によって得られ、力Fyは、Fy=(C1+D1)−(C2+D2)+(C3+D3)−(C4+D4)なる式によって得られる。また、モーメントMzは、Mz=(C1+D1)−(C2+D2)−(C3+D3)+(C4+D4)−(C5+D5)+(C6+D6)+(C7+D7)−(C8+D8)なる式によって得られる。その理由は、図20のテーブルの第1行目(+Fxの行)、第2行目(+Fyの行)、第6行目(+Mzの行)の内容が、図14のテーブルの各行の内容と同一であることから、もはや説明は要さないであろう。   Specifically, according to the equation of FIG. 21, the force Fx is obtained by the equation Fx = (C5 + D5) − (C6 + D6) + (C7 + D7) − (C8 + D8), and the force Fy is Fy = (C1 + D1) −. (C2 + D2) + (C3 + D3) − (C4 + D4). The moment Mz is obtained by the following formula: Mz = (C1 + D1) − (C2 + D2) − (C3 + D3) + (C4 + D4) − (C5 + D5) + (C6 + D6) + (C7 + D7) − (C8 + D8). The reason is that the contents of the first row (+ Fx row), the second row (+ Fy row), and the sixth row (+ Mz row) of the table of FIG. 20 are the contents of each row of the table of FIG. Will no longer require explanation.

一方、図21の式によれば、力Fzは、Fz=−((C1+D1)+(C2+D2)+(C3+D3)+(C4+D4)+(C5+D5)+(C6+D6)+(C7+D7)+(C8+D8))なる式によって得られる。図15に示すFzの式によって得られる力Fzの値は、図14のテーブルの第3行目の8個の欄の内容の総和「−8Δ」として与えられるのに対して、図21に示すFzの式によって得られる力Fzの値は、図20のテーブルの第3行目の8個の欄の内容の総和「−8(Δ+ε)」として与えられることになるが、前述したとおり、「−8Δ」と「−8(Δ+ε)」との相違は、単なる検出値のスケーリングの問題なので、実用上、何ら支障は生じない。   On the other hand, according to the equation of FIG. 21, the force Fz is Fz = − ((C1 + D1) + (C2 + D2) + (C3 + D3) + (C4 + D4) + (C5 + D5) + (C6 + D6) + (C7 + D7) + (C8 + D8)) Is obtained by the following formula. The value of the force Fz obtained by the formula of Fz shown in FIG. 15 is given as the sum “−8Δ” of the contents of the eight columns in the third row of the table of FIG. The value of the force Fz obtained by the formula of Fz is given as the sum “−8 (Δ + ε)” of the contents of the eight columns in the third row of the table of FIG. The difference between “−8Δ” and “−8 (Δ + ε)” is merely a problem of scaling of the detected value, and thus there is no practical problem.

なお、力Fzを、Fz=−((C1+D1)+(C2+D2)+(C3+D3)+(C4+D4))なる式や、Fz=−((C5+D5)+(C6+D6)+(C7+D7)+(C8+D8))なる式によって求めることも可能である。ただ、実用上は、より高い検出精度が得られると期待されるFz=−((C1+D1)+(C2+D2)+(C3+D3)+(C4+D4)+(C5+D5)+(C6+D6)+(C7+D7)+(C8+D8))なる式によって求めるのが好ましい。   The force Fz is expressed by the following formula: Fz = − ((C1 + D1) + (C2 + D2) + (C3 + D3) + (C4 + D4)), Fz = − ((C5 + D5) + (C6 + D6) + (C7 + D7) + (C8 + D8)) It is also possible to obtain by the following formula. However, in practice, Fz = − ((C1 + D1) + (C2 + D2) + (C3 + D3) + (C4 + D4) + (C5 + D5) + (C6 + D6) + (C7 + D7) + (C7 + D7) + ( C8 + D8)) is preferable.

一方、図21の式によれば、モーメントMxは、Mx=−(C5+D5)−(C6+D6)+(C7+D7)+(C8+D8)なる式によって得られ、モーメントMyは、My=(C1+D1)+(C2+D2)−(C3+D3)−(C4+D4)なる式によって得られる。その理由は、上述したとおり、各欄内の絶対値δと絶対値εとが等しいと仮定すれば、図20のテーブルの第4行目(+Mxの行)の左側4欄はいずれも「0」になり、第5行目(+Myの行)の右側4欄はいずれも「0」になり、図20のテーブルの第4行目,第5行目の内容が、図14のテーブルの第4行目,第5行目の内容と同一になるためである。   On the other hand, according to the equation of FIG. 21, the moment Mx is obtained by the equation Mx = − (C5 + D5) − (C6 + D6) + (C7 + D7) + (C8 + D8), and the moment My is My = (C1 + D1) + (C2 + D2). )-(C3 + D3)-(C4 + D4). The reason for this is that, as described above, assuming that the absolute value δ and the absolute value ε in each column are equal, all four columns on the left side of the fourth row (+ Mx row) of the table of FIG. , And the four columns on the right side of the fifth row (+ My row) are all “0”, and the contents of the fourth and fifth rows of the table of FIG. This is because the contents are the same as those in the fourth and fifth lines.

<<< §7. 容量素子の設計方法 >>>
図20のテーブルにおいて、各欄内の絶対値δと絶対値εとが等しくなるようにするには、第i番目(i=1〜8)の主容量素子Ciの構成と、これに対応する第i番目の副容量素子Diの構成とをうまく設定してやればよい。上述したとおり、容量素子の静電容量値は、これを構成する一対の電極の電極間隔および電極面積を変えることによって調整することができる。ただ、図10に示すような構造体の場合、容量素子の静電容量値を調整する方法としては、電極間距離を変える調整方法を採るよりも、電極面積を変える調整方法を採る方が簡単である。
<<< §7. Capacitance element design method >>
In the table of FIG. 20, in order to make the absolute value δ and the absolute value ε in each column equal, the configuration of the i-th (i = 1 to 8) main capacitive element Ci and corresponding to this It is only necessary to set the configuration of the i-th sub-capacitance element Di well. As described above, the capacitance value of the capacitive element can be adjusted by changing the electrode interval and the electrode area of the pair of electrodes constituting the capacitive element. However, in the case of the structure as shown in FIG. 10, it is easier to adjust the capacitance value of the capacitive element by adopting an adjustment method that changes the electrode area than an adjustment method that changes the inter-electrode distance. It is.

したがって、本発明に係る力検出装置を設計する場合、実用上は、まず、8枚の主固定電極E1〜E8の形状、サイズ、配置を決定した上で、これら主固定電極E1〜E8によって構成される主容量素子C1〜C8に生じる他軸干渉成分±δを相殺するための静電容量値の変化分±εが得られる副容量素子D1〜D8を構成する8枚の副固定電極F1〜F8の形状、サイズ、配置を決定する、という設計手法を採るのが好ましい。   Therefore, when designing the force detection device according to the present invention, in practice, first, after determining the shape, size, and arrangement of the eight main fixed electrodes E1 to E8, the main fixed electrodes E1 to E8 are configured. Eight sub-fixed electrodes F1 constituting the sub-capacitance elements D1 to D8 from which the change amounts .epsilon. Of the capacitance value for canceling the other-axis interference components. ± ..delta. It is preferable to adopt a design method of determining the shape, size, and arrangement of F8.

たとえば、図18に示すように、第1の柱状体11および第2の柱状体12の下端部近傍に設けられる4枚の主固定電極E1〜E4の形状、サイズ、配置が、図示のように決定されたものとしよう。この場合、4枚の副固定電極F1〜F4は、モーメントMxのみが作用した場合に、主容量素子C1〜C4に生じる静電容量値の変化分と絶対値が等しく符号が逆となる変化分が得られる副容量素子D1〜D4を構成するのに適した形状、サイズ、配置をもつ電極として定義される。同様に、第3の柱状体13および第4の柱状体14の下端部近傍に設けられる4枚の主固定電極E5〜E8の形状、サイズ、配置が、図示のように決定された場合、4枚の副固定電極F5〜F8は、モーメントMyのみが作用した場合に、主容量素子C5〜C8に生じる静電容量値の変化分と絶対値が等しく符号が逆となる変化分が得られる副容量素子D5〜D8を構成するのに適した形状、サイズ、配置をもつ電極として定義される。   For example, as shown in FIG. 18, the shapes, sizes, and arrangements of the four main fixed electrodes E1 to E4 provided in the vicinity of the lower ends of the first columnar body 11 and the second columnar body 12 are as illustrated. Let it be decided. In this case, the four sub-fixed electrodes F1 to F4, when only the moment Mx is applied, have a change in capacitance value that occurs in the main capacitance elements C1 to C4 and an absolute value that is equal and opposite in sign. Is defined as an electrode having a shape, size, and arrangement suitable for forming the sub-capacitance elements D1 to D4. Similarly, when the shapes, sizes, and arrangements of the four main fixed electrodes E5 to E8 provided in the vicinity of the lower ends of the third columnar body 13 and the fourth columnar body 14 are determined as illustrated, 4 The sub-fixed electrodes F5 to F8, when only the moment My is applied, can obtain a change in which the absolute value is the same as the change in the capacitance value generated in the main capacitance elements C5 to C8 and the change is opposite in sign. It is defined as an electrode having a shape, size, and arrangement suitable for constituting the capacitive elements D5 to D8.

図22は、副固定電極F1〜F8の形状、サイズ、配置を決定するための実験方法の一例を示す側断面図である。図示されている装置は、試作品として実際に製造した図10に示す装置本体に、測定用治具400を取り付けたものである。この測定用治具400は、図示のとおり、接続部410、上蓋部420、側壁部430、フランジ部440からなり、装置本体の上半分をそっくりと覆うカバーを構成している。このような測定用治具400を取り付けて実験を行うのは、受力体100に対して、正確なモーメントを作用させるためである。   FIG. 22 is a side cross-sectional view showing an example of an experimental method for determining the shape, size, and arrangement of the sub-fixed electrodes F1 to F8. In the illustrated apparatus, a measuring jig 400 is attached to the apparatus main body shown in FIG. 10 actually manufactured as a prototype. As shown in the figure, the measuring jig 400 includes a connection portion 410, an upper lid portion 420, a side wall portion 430, and a flange portion 440, and constitutes a cover that covers the upper half of the apparatus body. The reason why the experiment is performed with the measurement jig 400 attached is to apply an accurate moment to the force receiving body 100.

既に述べたとおり、ここで述べる実施形態の場合、XYZ三次元座標系は、XY平面が、支持基板300の上面近傍に、支持基板300の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が支持基板300の上面のほぼ中心位置を通るように定義される。より正確に言えば、XY平面が、4枚の下端側肉薄部215,225,235,245と支持基板300の上面との間に挟まれるように、XYZ三次元座標系の定義が行われている。これは、§3で述べたとおり、本願発明者は、XYZ三次元座標系のXY平面の位置を、容量素子を構成する一対の電極間の中心位置に設定するのが最も好ましいと考えているためである。このため、以下に示す実験も、このような位置に原点Oが定義されているという前提で行う場合を例にとって説明する。   As described above, in the embodiment described here, the XYZ three-dimensional coordinate system is positioned so that the XY plane is in the vicinity of the upper surface of the support substrate 300 and parallel to the upper surface of the support substrate 300, and The Z axis, which is positive and negative in the lower side, is defined so as to pass through the substantially central position of the upper surface of the support substrate 300. More precisely, the XYZ three-dimensional coordinate system is defined so that the XY plane is sandwiched between the four lower thin portions 215, 225, 235, 245 and the upper surface of the support substrate 300. Yes. As described in §3, the present inventor believes that it is most preferable to set the position of the XY plane of the XYZ three-dimensional coordinate system to the center position between the pair of electrodes constituting the capacitive element. Because. For this reason, the following experiment will be described by taking as an example a case where the origin O is defined at such a position.

もっとも、既に述べたとおり、原点Oは概念的な位置であり、必ずしも厳密な定義を行う必要はない。実際は、支持基板300の中央付近の上面近傍の所定点に定義しておけば、実用上、本発明の効果は十分に得られる。したがって、たとえば、支持基板300の上面をXY平面とするXYZ三次元座標系を定義してもかまわない。この場合、得られた力検出装置は、そのようなXYZ三次元座標系における各座標軸に関する6成分の力を正確に検出する機能をもった装置ということになる。   However, as already described, the origin O is a conceptual position and does not necessarily need to be strictly defined. Actually, if it is defined at a predetermined point near the upper surface near the center of the support substrate 300, the effect of the present invention can be obtained sufficiently in practice. Therefore, for example, an XYZ three-dimensional coordinate system in which the upper surface of the support substrate 300 is the XY plane may be defined. In this case, the obtained force detection device is a device having a function of accurately detecting six-component forces relating to each coordinate axis in such an XYZ three-dimensional coordinate system.

さて、図22に示すような測定用治具400を用いると、受力体100に対して、XYZ三次元座標系の各軸方向の力Fx,Fy,Fzおよび各軸まわりのモーメントMx,My,Mzを正確に作用させる実験が可能になる。たとえば、図のフランジ部440の右端の作用点P1にワイヤを取り付け、図の右方向に水平に引っ張れば、力成分+Fxを作用させることができる。逆に、フランジ部440の左端の作用点P2にワイヤを取り付け、図の左方向に水平に引っ張れば、力成分−Fxを作用させることができる。一方、Y軸方向の力成分+Fy,−Fyを作用させる場合は、図示されていないフランジ部440の手前側もしくは奥側の作用点を利用すればよい。これらの作用点は、XY平面上の位置にとられているので、作用させた各力成分は、X軸もしくはY軸方向の正確な力成分になる。   Now, when the measurement jig 400 as shown in FIG. 22 is used, the forces Fx, Fy, Fz in the respective axial directions of the XYZ three-dimensional coordinate system and the moments Mx, My around the respective axes in the XYZ three-dimensional coordinate system. , Mz can be operated accurately. For example, if a wire is attached to the action point P1 at the right end of the flange portion 440 in the drawing and pulled horizontally in the right direction in the drawing, the force component + Fx can be applied. On the contrary, if a wire is attached to the action point P2 at the left end of the flange portion 440 and pulled horizontally in the left direction in the figure, the force component -Fx can be applied. On the other hand, when the force components + Fy and −Fy in the Y-axis direction are applied, an action point on the near side or the far side of the flange portion 440 that is not illustrated may be used. Since these action points are located at positions on the XY plane, the applied force components become accurate force components in the X-axis or Y-axis direction.

また、上蓋部420の中心に位置する作用点P3にワイヤを取り付け、図の垂直上方に引っ張れば、力成分+Fzを作用させることができ、逆に、作用点P3の部分を、何らかの器具で図の垂直下方に押し込むようにすれば、力成分−Fzを作用させることができる。もちろん、複数の作用点を利用して、力Fx,Fy,Fzを作用させることも可能である。この場合、座標軸に関して対称性を有する位置に複数の作用点を設定すればよい。   In addition, if a wire is attached to the action point P3 located at the center of the upper lid part 420 and pulled vertically upward in the figure, the force component + Fz can be applied. The force component -Fz can be applied by pushing it down vertically. Of course, the forces Fx, Fy, and Fz can be applied using a plurality of action points. In this case, a plurality of action points may be set at positions having symmetry with respect to the coordinate axes.

一方、受力体100に対して、各軸まわりのモーメントMx,My,Mzを作用させるには、座標軸に関して対称性を有する2つの作用点に相補的な力(偶力)を加えればよい。たとえば、Y軸まわりの正方向のモーメント+Myを作用させるには、作用点P1に取り付けたワイヤーを図の垂直下方に引っ張り、作用点P2に取り付けたワイヤーを図の垂直上方に引っ張るようにし、両ワイヤーを引く力の絶対値を等しくすればよい。もちろん、この場合、図示の寸法r1,r2(原点Oから作用点P1,P2までの距離)が互いに等しくなるようにしておく必要がある。ワイヤーを引く向きを左右で入れ換えれば、Y軸まわりの負方向のモーメント−Myを作用させることができる。   On the other hand, in order to apply moments Mx, My, Mz around each axis to the force receiving body 100, complementary forces (couples) may be applied to two action points having symmetry with respect to the coordinate axes. For example, in order to apply a positive moment + My around the Y axis, the wire attached to the action point P1 is pulled vertically downward in the figure, and the wire attached to the action point P2 is pulled vertically upward in the figure. What is necessary is just to make the absolute value of the force which pulls a wire equal. Of course, in this case, the illustrated dimensions r1 and r2 (distances from the origin O to the action points P1 and P2) must be equal to each other. If the direction in which the wire is pulled is interchanged between the left and right, a negative moment -My around the Y axis can be applied.

同様に、X軸まわりのモーメント+Mx,−Mxを作用させる場合は、図示されていないフランジ部440の手前側もしくは奥側の作用点を利用し、一方を上方、他方を下方に引く相補的な力を加えればよい。また、Z軸まわりの正方向のモーメント+Mzを作用させる場合は、作用点P1に取り付けたワイヤーをXY平面に沿って図の奥方向に引っ張り、作用点P2に取り付けたワイヤーをXY平面に沿って図の手前方向に引っ張るようにすればよいし、Z軸まわりの負方向のモーメント−Mzを作用させる場合は、ワイヤーを引く向きを左右で入れ換えればよい。   Similarly, when the moments + Mx and -Mx around the X axis are applied, a point of action on the front side or the back side of the flange portion 440 (not shown) is used, and one of them is complementarily drawn upward and the other downward. You just need to add power. In addition, when a positive moment + Mz around the Z axis is applied, the wire attached to the action point P1 is pulled in the back direction in the drawing along the XY plane, and the wire attached to the action point P2 is taken along the XY plane. What is necessary is just to pull in the near direction of a figure, and when applying the negative moment -Mz around a Z-axis, the direction which pulls a wire should be replaced with right and left.

このような測定用治具400を用い、たとえば、図18に示すような8枚の主固定電極E1〜E8および8枚の副固定電極を備えた試作品について、X軸まわりのモーメント+Mxもしくは−Mxを作用させ、各主容量素子に生じる容量値変化分と、各副容量素子に生じる容量値変化分とを比較し、両者の絶対値が等しくなるように、各電極の面積を調整すればよい。たとえば、所定の大きさをもったモーメント+Mxを作用させたときに、主容量素子C1に生じた容量値変化分が−δであり、副容量素子D1に生じた容量値変化分が+εであり、δ>εであった場合、δ=εとなるまで、副固定電極F1の面積を大きくする修正を施せばよい。このような試作品を用いた試行錯誤を行うことにより、実用的な精度でδ=εを満たす主容量素子および副容量素子を設計することが可能である。   Using such a measurement jig 400, for example, a prototype including eight main fixed electrodes E1 to E8 and eight sub fixed electrodes as shown in FIG. When Mx is applied, the capacitance value change generated in each main capacitive element is compared with the capacitance value change generated in each sub-capacitance element, and the area of each electrode is adjusted so that the absolute values of both are equal. Good. For example, when a moment + Mx having a predetermined magnitude is applied, a change in capacitance value generated in the main capacitive element C1 is −δ, and a change in capacitance value generated in the sub-capacitance element D1 is + ε. , Δ> ε, correction may be made to increase the area of the sub-fixed electrode F1 until δ = ε. By performing trial and error using such a prototype, it is possible to design a main capacitor element and a sub capacitor element that satisfy δ = ε with practical accuracy.

以上、試作品を用いた実測により、主容量素子および副容量素子を構成する固定電極を設計する方法を説明したが、実測の代わりに、コンピュータシミュレーションによる設計を行うことも可能である。たとえば、有限要素法などの公知のコンピュータ解析法を利用すれば、物理的な実体をもつ試作品を作成する代わりに、コンピュータ上でのシミュレーションにより、実測と同等の結果を得ることができる。すなわち、図10に示す構造体各部の寸法や物理定数をパラメータとしてコンピュータに与えれば、受力体に所定の大きさをもったモーメント+Mxを作用させた場合の変形態様をシミュレートし、各容量素子に生じる静電容量値の変化分を演算によって求めることができる。実用上は、まず、このようなコンピュータシミュレーションによって、主容量素子および副容量素子を構成する固定電極を設計した後、必要に応じて、試作品による検証を行うようにすればよい。   As described above, the method for designing the fixed electrodes constituting the main capacitive element and the sub-capacitance element by actual measurement using a prototype has been described. However, it is also possible to perform design by computer simulation instead of actual measurement. For example, if a known computer analysis method such as the finite element method is used, a result equivalent to actual measurement can be obtained by simulation on a computer instead of creating a prototype having a physical entity. That is, if the dimensions and physical constants of each part of the structure shown in FIG. 10 are given to the computer as parameters, a deformation mode when a moment + Mx having a predetermined magnitude is applied to the force receiving member is simulated, and each capacity is simulated. A change in the capacitance value generated in the element can be obtained by calculation. Practically, first, after designing the fixed electrodes constituting the main capacitor element and the sub-capacitor element by such computer simulation, verification with a prototype may be performed as necessary.

<<< §8. 検出回路の単純化 >>>
本発明に係る装置に用いられる検出回路は、各容量素子の静電容量値に基づいて、図21の各演算式を利用して、受力体に作用した力の所定方向成分を検出する機能を有している。この図21の各演算式は、(Ci+Di)なる項(但し、i=1〜8)の加算もしくは減算によって構成されており、これら各項は、第i番目の主容量素子の静電容量値Ciと第i番目の副容量素子の静電容量値Diとの和である。このような数値の和を求める演算は、アナログ加算器を用いて行うこともできるし、デジタル演算器を用いて行うこともできるが、「静電容量値の和」という物理的性質に着目すると、「電気的な並列接続」という単純な方法により、特別な演算器を用いることなしに、和を求めることができる。
<<< §8. Simplification of detection circuit >>
The detection circuit used in the device according to the present invention has a function of detecting a predetermined direction component of the force acting on the force receiving body by using each arithmetic expression of FIG. 21 based on the capacitance value of each capacitive element. have. Each arithmetic expression in FIG. 21 is configured by adding or subtracting a term (Ci + Di) (where i = 1 to 8), and each term is a capacitance value of the i-th main capacitive element. It is the sum of Ci and the capacitance value Di of the i-th sub-capacitance element. Such a calculation for calculating the sum of numerical values can be performed using an analog adder or a digital calculator, but focusing on the physical property of “sum of capacitance values” The sum can be obtained by a simple method of “electrical parallel connection” without using a special arithmetic unit.

たとえば、2つの容量素子Ca,Cbについての静電容量値の和「Csum=Ca+Cb」を求める必要がある場合、個々の静電容量値Ca,Cbを電気的にアナログ値もしくはデジタル値として検出し、アナログ加算器やデジタル演算器を用いた演算により、Csumを得ることができる。しかしながら、2つの容量素子Ca,Cbの一方の電極同士を配線で接続し、他方の電極同士も配線で接続して、両者を並列接続した形にすれば、この並列接続された容量素子Cabについての静電容量値は、個々の静電容量値Ca,Cbの和「Csum=Ca+Cb」に等しくなる。   For example, when it is necessary to obtain the sum of capacitance values “Csum = Ca + Cb” for two capacitance elements Ca and Cb, the individual capacitance values Ca and Cb are detected as analog values or digital values. Csum can be obtained by an arithmetic operation using an analog adder or a digital arithmetic unit. However, if one electrode of the two capacitive elements Ca and Cb is connected by wiring and the other electrode is also connected by wiring, and the two are connected in parallel, the capacitive element Cab connected in parallel is connected. Is equal to the sum “Csum = Ca + Cb” of the individual capacitance values Ca and Cb.

このような方針に基づき、静電容量値の和を算出する対象となる複数の容量素子については、互いに電気的な並列接続がなされるような配線を施すことにより、検出回路30における和を算出する演算を省略することが可能になる。本発明を実施する場合、実用上、第i番目(但し、i=1〜8)の主容量素子と第i番目の副容量素子とを並列接続するのが極めて好ましい。   Based on such a policy, for a plurality of capacitive elements for which the sum of capacitance values is to be calculated, the sum in the detection circuit 30 is calculated by providing wirings that are electrically connected to each other. It is possible to omit the operation to be performed. When practicing the present invention, it is extremely preferable to practically connect the i-th (where i = 1 to 8) main capacitor element and the i-th sub-capacitor element in parallel.

具体的には、第1の主容量素子C1と第1の副容量素子D1とを相互に並列接続するための配線と、第2の主容量素子C2と第2の副容量素子D2とを相互に並列接続するための配線と、第3の主容量素子C3と第3の副容量素子D3とを相互に並列接続するための配線と、第4の主容量素子C4と第4の副容量素子D4とを相互に並列接続するための配線と、第5の主容量素子C5と第5の副容量素子D5とを相互に並列接続するための配線と、第6の主容量素子C6と第6の副容量素子D6とを相互に並列接続するための配線と、第7の主容量素子C7と第7の副容量素子D7とを相互に並列接続するための配線と、第8の主容量素子C8と第8の副容量素子D8とを相互に並列接続するための配線と、を設けるようにすればよい。   Specifically, the wiring for connecting the first main capacitive element C1 and the first sub-capacitance element D1 in parallel to each other, and the second main capacitive element C2 and the second sub-capacitance element D2 are mutually connected. , A wiring for connecting the third main capacitance element C3 and the third subcapacitance element D3 in parallel to each other, a fourth main capacitance element C4 and a fourth subcapacitance element A wiring for connecting D4 in parallel with each other, a wiring for connecting the fifth main capacitive element C5 and the fifth sub-capacitance element D5 in parallel with each other, a sixth main capacitive element C6 and a sixth Wiring for connecting the sub-capacitance element D6 in parallel with each other, wiring for connecting the seventh main capacitance element C7 and the seventh sub-capacitance element D7 in parallel with each other, and an eighth main capacitance element Wiring for connecting C8 and the eighth sub-capacitance element D8 in parallel with each other may be provided.

そうすれば、検出回路は、図21の各演算式を利用して、受力体に作用した力の所定方向成分を検出する際に、第1の主容量素子C1と第1の副容量素子D1との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C1+D1」の値として用い、第2の主容量素子C2と第2の副容量素子D2との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C2+D2」の値として用い、第3の主容量素子C3と第3の副容量素子D3との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C3+D3」の値として用い、第4の主容量素子C4と第4の副容量素子D4との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C4+D4」の値として用い、第5の主容量素子C5と第5の副容量素子D5との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C5+D5」の値として用い、第6の主容量素子C6と第6の副容量素子D6との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C6+D6」の値として用い、第7の主容量素子C7と第7の副容量素子D7との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C7+D7」の値として用い、第8の主容量素子C8と第8の副容量素子D8との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C8+D8」の値として用いることができるので、これらの和を求める演算を省略することができる。   Then, when the detection circuit detects the predetermined direction component of the force acting on the force receiving body by using each arithmetic expression of FIG. 21, the first main capacitive element C1 and the first sub capacitive element The combined capacitance element constituted by parallel connection with D1 is used as the value of “C1 + D1”, and the combined capacitance element constituted by parallel connection of the second main capacitive element C2 and the second auxiliary capacitive element D2 The electrostatic capacitance value of the capacitive element is used as the value of “C2 + D2”, and the electrostatic capacitance value of the combined capacitive element configured by parallel connection of the third main capacitive element C3 and the third sub capacitive element D3 is “C3 + D3”. As the value of “C4 + D4”, and the capacitance value of the combined capacitive element constituted by the parallel connection of the fourth main capacitive element C4 and the fourth sub-capacitor element D4 is used as the fifth main capacitive element C4. Parallel connection of capacitive element C5 and fifth sub-capacitance element D5 The capacitance value of the combined capacitance element configured as described above is used as the value of “C5 + D5”, and the capacitance of the combined capacitance element configured by parallel connection of the sixth main capacitance element C6 and the sixth sub capacitance element D6. The capacitance value is used as the value of “C6 + D6”, and the capacitance value of the combined capacitance element configured by parallel connection of the seventh main capacitance element C7 and the seventh sub capacitance element D7 is used as the value of “C7 + D7”. Since the capacitance value of the combined capacitance element formed by parallel connection of the eighth main capacitance element C8 and the eighth sub capacitance element D8 can be used as the value of “C8 + D8”, the sum of these values is obtained. Calculation can be omitted.

図10に示す実施形態の場合、中間体200を金属などの導電性材料によって構成しておけば、各下端側肉薄部215,225,235,245が導電性をもった共通変位電極として機能し、16個の容量素子の変位電極がすべて、中間体200を介して電気的に導通した状態になる。したがって、一対の主副容量素子を並列接続するには、支持基板300側に形成された主固定電極E1〜E8と、副固定電極F1〜F8とについて、図23の平面図に示すような配線を施せばよい。   In the case of the embodiment shown in FIG. 10, if the intermediate body 200 is made of a conductive material such as metal, the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 function as a common displacement electrode having conductivity. All of the displacement electrodes of the 16 capacitive elements are electrically connected through the intermediate body 200. Therefore, in order to connect the pair of main and sub-capacitance elements in parallel, the main fixed electrodes E1 to E8 and the sub fixed electrodes F1 to F8 formed on the support substrate 300 side are wired as shown in the plan view of FIG. Can be applied.

図23に示す例では、支持基板300の上面に、電極E1/F1間、電極E2/F2間、電極E3/F3間、電極E4/F4間、電極E5/F5間、電極E6/F6間、電極E7/F7間、電極E8/F8間を接続するための配線がなされており、また、各電極E1〜E8に対しては、それぞれボンディングパッドB1〜B8への配線もなされている。したがって、たとえば、ボンディングパッドB1と、中間体200との間の静電容量値を検出する回路を設けておけば、静電容量値「C1+D1」の値を得ることができる。   In the example shown in FIG. 23, on the upper surface of the support substrate 300, between the electrodes E1 / F1, between the electrodes E2 / F2, between the electrodes E3 / F3, between the electrodes E4 / F4, between the electrodes E5 / F5, between the electrodes E6 / F6, Wiring for connecting the electrodes E7 / F7 and between the electrodes E8 / F8 is made, and wiring to the bonding pads B1 to B8 is also made for each of the electrodes E1 to E8. Therefore, for example, if a circuit for detecting the capacitance value between the bonding pad B1 and the intermediate body 200 is provided, the capacitance value “C1 + D1” can be obtained.

なお、図23に示す例では、支持基板300上に配線を通すため、円環状の副固定電極F3,F4,F7,F8の一部に切り欠き部を設けているが、切り欠き部の幅を小さく設定すれば、実質的な幾何学的対称性に大きな影響は及ばない。もちろん、切り欠き部を設けずに、支持基板300にスルーホールを形成し、裏面側で配線を行うようにしてもかまわない。   In the example shown in FIG. 23, notches are provided in part of the annular sub-fixed electrodes F3, F4, F7, and F8 in order to pass wiring on the support substrate 300. However, the width of the notches If is set to be small, the substantial geometric symmetry is not greatly affected. Of course, a through hole may be formed in the support substrate 300 without providing a notch, and wiring may be performed on the back surface side.

<<< §9. その他の変形例 >>>
これまで、本発明を基本的実施形態について述べてきた。そもそも、本発明の基本的な発想は、前掲の特許文献3(特開2008−096229号公報)に記載された力検出装置において、図16のグラフに示すとおり、モーメントMxが力Fyの検出値に他軸成分として干渉し、同様に、モーメントMyが力Fxの検出値に他軸成分として干渉する現象を補正することを目的としてなされたものである。
<<< §9. Other variations >>
So far, the present invention has been described in terms of basic embodiments. In the first place, the basic idea of the present invention is that in the force detection device described in the above-mentioned Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-096229), the moment Mx is a detected value of the force Fy as shown in the graph of FIG. It is made for the purpose of correcting the phenomenon that the moment My interferes with the detected value of the force Fx as the other axis component.

上記目的を達成するため、本発明では、力Fyの検出に用いる4個の主容量素子C1〜C4について、それぞれ4個の副容量素子D1〜D4を設け、モーメントMxの作用によって主容量素子C1〜C4に生じる他軸干渉成分δ(図17のテーブルの4行目)を、同じモーメントMxの作用によって副容量素子D1〜D4に生じる成分ε(図19のテーブルの4行目)によって相殺する構成を採る。また、力Fxの検出に用いる4個の主容量素子C5〜C8について、それぞれ4個の副容量素子D5〜D8を設け、モーメントMyの作用によって主容量素子C5〜C8に生じる他軸干渉成分δ(図17のテーブルの5行目)を、同じモーメントMyの作用によって副容量素子D5〜D8に生じる成分ε(図19のテーブルの5行目)によって相殺する構成を採る。   In order to achieve the above object, in the present invention, four sub-capacitance elements D1 to D4 are provided for the four main capacitance elements C1 to C4 used for detecting the force Fy, respectively, and the main capacitance element C1 is obtained by the action of the moment Mx. The other-axis interference component δ (fourth row of the table of FIG. 17) generated in .about.C4 is canceled by the component ε (fourth row of the table of FIG. 19) generated in the sub-capacitance elements D1 to D4 by the action of the same moment Mx. Take the configuration. For the four main capacitive elements C5 to C8 used for detecting the force Fx, four sub-capacitance elements D5 to D8 are provided, respectively, and the other-axis interference component δ generated in the main capacitive elements C5 to C8 by the action of the moment My. A configuration is adopted in which (the fifth row of the table of FIG. 17) is canceled by the component ε (the fifth row of the table of FIG. 19) generated in the sub-capacitance elements D5 to D8 by the action of the same moment My.

このように、主容量素子の検出値に発生する他軸干渉成分δを、副容量素子の容量値εによって相殺する点が、本発明の本質的な特徴である。したがって、上記発想から逸脱しない範囲で、本発明は様々な変形態様で実施することができる。以下、本発明の変形例をいくつか述べておく。   Thus, the essential feature of the present invention is that the other-axis interference component δ generated in the detection value of the main capacitive element is canceled by the capacitance value ε of the sub-capacitance element. Therefore, the present invention can be implemented in various modifications without departing from the above idea. Hereinafter, some modified examples of the present invention will be described.

<9−1:柱状体の構成>
本発明に係る力検出装置は、受力体100と支持基板300とを4本の柱状体T1〜T4によって接続することを前提とする。しかも、この4本の柱状体T1〜T4は、その中心軸がいずれもZ軸に平行になるように配置されており、第1の柱状体T1は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体T2は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体T3は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体T4は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置されている。
<9-1: Configuration of columnar body>
The force detection device according to the present invention is based on the premise that the force receiving body 100 and the support substrate 300 are connected by the four columnar bodies T1 to T4. In addition, the four columnar bodies T1 to T4 are arranged so that their central axes are parallel to the Z axis, and the first columnar body T1 is a positive portion whose central axis is the X axis. The second columnar body T2 is disposed at a position where the central axis intersects the negative portion of the X axis, and the third columnar body T3 is disposed at a position where the central axis is positive of the Y axis. 4th columnar body T4 is arrange | positioned in the position which the center axis | shaft cross | intersects the negative part of a Y-axis.

このような配置を採る理由は、各柱状体T1〜T4の下端近傍に、それぞれセンサを設け、柱状体の所定軸方向への傾斜や、柱状体から各座標軸上へ加えられる力を検出するためである。したがって、本発明を実施する上で、4本の柱状体の形状、サイズは、設計上、任意に決定できる事項である。   The reason for adopting such an arrangement is to provide a sensor in the vicinity of the lower end of each columnar body T1 to T4 to detect the inclination of the columnar body in a predetermined axis direction and the force applied from the columnar body onto each coordinate axis. It is. Therefore, in implementing the present invention, the shape and size of the four columnar bodies are matters that can be arbitrarily determined in design.

しかしながら、実用上は、4本の柱状体を、同一形状および同一サイズの構造体によって構成し、かつ、これら4本の柱状体の配置パターンが、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっているようにするのが好ましい。後述するように、本発明を実施する上では、主容量素子および副容量素子の形状や配置、そして受力体の変位に関する静電容量値の変動特性についても、幾何学的対称性を示すような設計をするのが好ましい。そのためには、4本の柱状体についても、同一形状および同一サイズとし、配置に対称性をもたせるような設計を行うのが好ましい。   However, in practice, the four columnar bodies are configured by structures of the same shape and the same size, and the arrangement pattern of these four columnar bodies is plane-symmetric with respect to both the XZ plane and the YZ plane. It is preferable to make it. As will be described later, in carrying out the present invention, the shape and arrangement of the main capacitive element and the sub-capacitance element, as well as the variation characteristics of the capacitance value related to the displacement of the force receiving body, also show geometric symmetry. It is preferable to make a simple design. For this purpose, it is preferable to design the four columnar bodies so as to have the same shape and the same size and to give symmetry to the arrangement.

<9−2:主容量素子の配置>
本発明に係る力検出装置は、力Fyの検出のために4個の主容量素子C1〜C4を用いることを前提とする。ここで、第1の主容量素子C1は、XY座標系の第1象限に配置され、第2の主容量素子C2は、XY座標系の第4象限に配置され、第3の主容量素子C3は、XY座標系の第2象限に配置され、第4の主容量素子C4は、XY座標系の第3象限に配置されている必要がある。また、力Fyの検出に加えて、力Fxの検出を行う場合には、更に、4個の主容量素子C5〜C8を追加する必要がある。この場合、第5の主容量素子C5は、XY座標系の第1象限に配置され、第6の主容量素子C6は、XY座標系の第2象限に配置され、第7の主容量素子C7は、XY座標系の第4象限に配置され、第8の主容量素子C8は、XY座標系の第3象限に配置されている必要がある。
<9-2: Arrangement of main capacitive element>
The force detection device according to the present invention is based on the premise that four main capacitive elements C1 to C4 are used for detecting the force Fy. Here, the first main capacitive element C1 is arranged in the first quadrant of the XY coordinate system, the second main capacitive element C2 is arranged in the fourth quadrant of the XY coordinate system, and the third main capacitive element C3. Are arranged in the second quadrant of the XY coordinate system, and the fourth main capacitive element C4 needs to be arranged in the third quadrant of the XY coordinate system. Further, when detecting the force Fx in addition to the detection of the force Fy, it is necessary to add four more main capacitive elements C5 to C8. In this case, the fifth main capacitive element C5 is arranged in the first quadrant of the XY coordinate system, the sixth main capacitive element C6 is arranged in the second quadrant of the XY coordinate system, and the seventh main capacitive element C7. Are arranged in the fourth quadrant of the XY coordinate system, and the eighth main capacitive element C8 needs to be arranged in the third quadrant of the XY coordinate system.

主容量素子を上述の条件を満たすように配置すれば、原理的には、力Fyもしくは力Fxの検出が可能である。ただ、個々の主容量素子の形状がバラバラで、その配置に何ら対称性がないとすると、力の検出感度が各容量素子ごとに異なることになるので、正しい線形出力を得るためには、図21の演算式において、必要に応じて、各静電容量値に感度補正を行うための補正係数を乗じるなどの措置が必要になる。   If the main capacitive element is arranged so as to satisfy the above-described conditions, in principle, the force Fy or the force Fx can be detected. However, if the shape of each main capacitive element is disjoint and there is no symmetry in its arrangement, the force detection sensitivity will be different for each capacitive element. In the arithmetic expression of 21, it is necessary to take measures such as multiplying each capacitance value by a correction coefficient for performing sensitivity correction as necessary.

したがって、実用上は、4個の主容量素子C1〜C4を構成する支持基板側の4枚の電極E1〜E4、もしくは、8個の主容量素子C1〜C8を構成する支持基板側の8枚の電極E1〜E8は、同一形状および同一サイズの電極によって構成し、しかも、これら複数の電極の配置パターンが、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっているようにするのが好ましい。   Therefore, practically, four electrodes E1 to E4 on the support substrate side constituting the four main capacitance elements C1 to C4, or eight on the support substrate side constituting the eight main capacitance elements C1 to C8. The electrodes E1 to E8 are preferably composed of electrodes having the same shape and the same size, and the arrangement pattern of the plurality of electrodes is preferably symmetrical with respect to both the XZ plane and the YZ plane. .

特に、これまで述べた基本的実施形態の場合、図18の平面図に示されているとおり、第1の主容量素子C1および第2の主容量素子C2を構成する支持基板側の2枚の電極は、第1の柱状体T1の中心軸を中心にして配置された第1の環状帯(図18の例の場合、ワッシャのような円環状の帯)をX軸に沿って切断して得られる2枚の電極E1,E2によって構成され、第3の主容量素子C3および第4の主容量素子C4を構成する支持基板側の2枚の電極は、第2の柱状体T2の中心軸を中心にして配置された第2の環状帯をX軸に沿って切断して得られる2枚の電極E3,E4によって構成されている。また、第5の主容量素子C5および第6の主容量素子C6を構成する支持基板側の2枚の電極は、第3の柱状体T3の中心軸を中心にして配置された第3の環状帯をY軸に沿って切断して得られる2枚の電極E5,E6によって構成され、第7の主容量素子C7および第8の主容量素子C8を構成する支持基板側の2枚の電極は、第4の柱状体T4の中心軸を中心にして配置された第4の環状帯をY軸に沿って切断して得られる2枚の電極E7,E8によって構成されている。   In particular, in the case of the basic embodiment described so far, as shown in the plan view of FIG. 18, two sheets on the supporting substrate side constituting the first main capacitive element C1 and the second main capacitive element C2 are provided. The electrode is obtained by cutting a first annular band (in the case of FIG. 18, an annular band such as a washer) disposed around the central axis of the first columnar body T1 along the X axis. The two electrodes E1 and E2 obtained and the two electrodes on the support substrate side constituting the third main capacitive element C3 and the fourth main capacitive element C4 are the central axis of the second columnar body T2. Is formed by two electrodes E3 and E4 obtained by cutting the second annular band disposed around the X axis along the X axis. Further, the two electrodes on the support substrate side constituting the fifth main capacitive element C5 and the sixth main capacitive element C6 are in a third annular shape arranged around the central axis of the third columnar body T3. The two electrodes E5 and E6 obtained by cutting the band along the Y-axis, and the two electrodes on the support substrate side constituting the seventh main capacitive element C7 and the eighth main capacitive element C8 are The fourth columnar body T4 includes two electrodes E7 and E8 obtained by cutting the fourth annular band disposed around the central axis along the Y axis.

このように、第i番目(i=1〜4)の柱状体Tiの動きを検出する第i番目のセンサに含まれる一対の主容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極を、当該柱状体Tiの中心軸を中心にして配置された環状帯をX軸もしくはY軸に沿って切断して得られる2枚の電極によって構成することは、本発明の好適な実施形態である。   In this way, the two electrodes on the support substrate side constituting the pair of main capacitive elements included in the i-th sensor that detects the movement of the i-th (i = 1 to 4) columnar body Ti are It is a preferred embodiment of the present invention that the annular band disposed around the central axis of the columnar body Ti is constituted by two electrodes obtained by cutting along the X axis or the Y axis.

その第1の理由は、環状帯によって囲まれた内側領域に、副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極を形成するスペースが確保されるためである。図18に示す例の場合、第6の副容量素子D6および第8の副容量素子D8を構成する支持基板側の2枚の電極F6,F8は、電極E1,E2によって構成される第1の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、第5の副容量素子D5および第7の副容量素子D7を構成する支持基板側の2枚の電極F5,F7は、電極E3,E4によって構成される第2の環状帯によって囲まれた内側領域に配置されている。また、第2の副容量素子D2および第4の副容量素子D4を構成する支持基板側の2枚の電極F2,F4は、電極E5,E6によって構成される第3の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、第1の副容量素子D1および第3の副容量素子D3を構成する支持基板側の2枚の電極F1,F3は、電極E7,E8によって構成される第4の環状帯によって囲まれた内側領域に配置されている。このように、主固定電極E1〜E8を、2つに切断された環状帯の片方によって構成すれば、この環状帯の内側部分のスペースを利用して、副固定電極F1〜F8を配置することができる。   The first reason is that a space for forming two electrodes on the support substrate side constituting the sub-capacitance element is secured in the inner region surrounded by the annular band. In the case of the example shown in FIG. 18, the two electrodes F6 and F8 on the support substrate side constituting the sixth sub-capacitance element D6 and the eighth sub-capacitance element D8 are the first electrodes constituted by the electrodes E1 and E2. The two electrodes F5 and F7 on the support substrate side which are arranged in the inner region surrounded by the annular band and constitute the fifth subcapacitance element D5 and the seventh subcapacitance element D7 are constituted by electrodes E3 and E4. It is arrange | positioned in the inner side area | region enclosed by the 2nd annular belt. Further, the two electrodes F2 and F4 on the support substrate side constituting the second subcapacitance element D2 and the fourth subcapacitance element D4 are surrounded by a third annular band constituted by the electrodes E5 and E6. Two electrodes F1 and F3 on the support substrate side which are arranged in the inner region and constitute the first subcapacitance element D1 and the third subcapacitance element D3 are a fourth annular band constituted by electrodes E7 and E8. It is arranged in the inner area surrounded by. In this way, if the main fixed electrodes E1 to E8 are constituted by one of the annular bands cut into two, the sub fixed electrodes F1 to F8 are arranged using the space in the inner part of the annular band. Can do.

主固定電極E1〜E8を、環状帯の片方によって構成するのが好都合な第2の理由は、主容量素子C1〜C8の検出感度を高めることができるためである。主容量素子C1〜C8は、本発明に係る力検出装置における力検出の主たる役割を果たす構成要素であり、できるだけ高い検出感度が得られるようにするのが好ましい。主固定電極E1〜E8を、図18に例示するような環状帯によって構成すると、柱状体が傾斜したときの容量素子の電極間距離の変化を大きくとることができ、静電容量値の変化として得られる検出値の感度を高めることができる。   The second reason that the main fixed electrodes E1 to E8 are preferably constituted by one of the annular bands is that the detection sensitivity of the main capacitive elements C1 to C8 can be increased. The main capacitive elements C1 to C8 are components that play the main role of force detection in the force detection device according to the present invention, and it is preferable to obtain as high detection sensitivity as possible. When the main fixed electrodes E1 to E8 are configured by an annular band as illustrated in FIG. 18, a large change in the inter-electrode distance of the capacitive element when the columnar body is inclined can be taken. The sensitivity of the detection value obtained can be increased.

なお、これまで述べてきた基本的実施形態の場合、各柱状体T1〜T4が円柱状構造体からなり、各下端側肉薄部215,225,235,245が円盤状構造体からなるため、各環状帯は円環状構造体(ワッシャ状構造体)にするのが最も効率的である。   In the case of the basic embodiment described so far, each of the columnar bodies T1 to T4 is formed of a cylindrical structure, and each of the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 is formed of a disk-shaped structure. It is most efficient to make the annular band an annular structure (washer-like structure).

<9−3:副容量素子の構成>
続いて、副容量素子D1〜D8の構成のバリエーション、より具体的には、8枚の副固定電極F1〜F8の形状および配置のバリエーションを述べる。
<9-3: Configuration of sub-capacitance element>
Subsequently, variations in the configuration of the sub-capacitance elements D1 to D8, more specifically, variations in the shape and arrangement of the eight sub-fixed electrodes F1 to F8 will be described.

これまで述べてきた基本的実施形態に係る力検出装置は、合計16個の主副容量素子の静電容量値に基づき、図21に示す演算式を利用して、6つの力成分を検出する機能を有している。ここで、16個の容量素子は、4つのセンサに振り分けられる。すなわち、第1のセンサは、XY座標系の第1象限に位置する第1の主容量素子C1と、XY座標系の第4象限に位置する第2の主容量素子C2と、第6の副容量素子D6と、第8の副容量素子D8と、を有し、第2のセンサは、XY座標系の第2象限に位置する第3の主容量素子C3と、XY座標系の第3象限に位置する第4の主容量素子C4と、第5の副容量素子D5と、第7の副容量素子D7と、を有し、第3のセンサは、XY座標系の第1象限に位置する第5の主容量素子C5と、XY座標系の第2象限に位置する第6の主容量素子C6と、第2の副容量素子D2と、第4の副容量素子D4と、を有し、第4のセンサは、XY座標系の第4象限に位置する第7の主容量素子C7と、XY座標系の第3象限に位置する第8の主容量素子C8と、第1の副容量素子D1と、第3の副容量素子D3と、を有している。   The force detection device according to the basic embodiment described so far detects six force components based on the capacitance values of a total of 16 main and sub-capacitance elements, using the arithmetic expression shown in FIG. It has a function. Here, the 16 capacitive elements are distributed to 4 sensors. That is, the first sensor includes the first main capacitive element C1 located in the first quadrant of the XY coordinate system, the second main capacitive element C2 located in the fourth quadrant of the XY coordinate system, and the sixth sub-capacitor. The second sensor has a capacitive element D6 and an eighth sub-capacitance element D8, and the second sensor includes a third main capacitive element C3 located in the second quadrant of the XY coordinate system and a third quadrant of the XY coordinate system. 4th main capacitive element C4, 5th subcapacitance element D5, and 7th subcapacitance element D7, and a 3rd sensor is located in the 1st quadrant of XY coordinate system A fifth main capacitor C5, a sixth main capacitor C6 located in the second quadrant of the XY coordinate system, a second subcapacitor D2, and a fourth subcapacitor D4. The fourth sensor includes a seventh main capacitive element C7 located in the fourth quadrant of the XY coordinate system and an eighth main capacitive element located in the third quadrant of the XY coordinate system. 8 has a first sub-capacitor element D1, and the third sub-capacitance element D3, the.

ここで、副容量素子D1〜D8の形状および配置について、より詳細に説明すれば、図18に示す例の場合、副固定電極F3,F4,F6,F7は、円環状(ワッシャ状)の電極であり、副固定電極F1,F2,F8,F5は、それぞれその内側に配置された円盤状の電極になっている。しかも、いずれも、各柱状体の中心軸を中心とする配置がなされている。このような形状および配置をもった副固定電極F1〜F8によって構成される副容量素子D1〜D8には、図19のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じることは既に述べたとおりである。そして、主容量素子C1〜C8と組み合わせることにより、図20のテーブルに示すような静電容量値の変化態様が得られ、図21に示す演算式に基づいて、6つの力成分の検出が可能になることも既に述べたとおりである。ただ、本発明を実施する上で、副容量素子D1〜D8の形状および配置は、図18に示す基本的実施形態に限定されるものではない。   Here, the shape and arrangement of the sub-capacitance elements D1 to D8 will be described in more detail. In the example shown in FIG. 18, the sub-fixed electrodes F3, F4, F6, and F7 are annular (washer-shaped) electrodes. The sub-fixed electrodes F1, F2, F8, and F5 are disk-shaped electrodes disposed on the inner side. In addition, all are arranged around the central axis of each columnar body. As described above, the sub capacitance elements D1 to D8 constituted by the sub fixed electrodes F1 to F8 having such shapes and arrangements have the capacitance value changes as shown in the table of FIG. It is. Then, by combining with the main capacitive elements C1 to C8, a change mode of the capacitance value as shown in the table of FIG. 20 is obtained, and six force components can be detected based on the arithmetic expression shown in FIG. It is as already described. However, in carrying out the present invention, the shape and arrangement of the sub-capacitance elements D1 to D8 are not limited to the basic embodiment shown in FIG.

たとえば、図18において、副固定電極F3,F4,F6,F7と副固定電極F1,F2,F8,F5とをそっくり入れ替えても、図21に示す演算式に基づいて、6つの力成分の検出が可能である。要するに、第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極のうち、一方を環状の形状をなす電極によって構成し、他方をその内側領域に配置された電極によって構成し、第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極のうち、一方を環状の形状をなす電極によって構成し、他方をその内側領域に配置された電極によって構成し、第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極のうち、一方を環状の形状をなす電極によって構成し、他方をその内側領域に配置された電極によって構成し、第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極のうち、一方を環状の形状をなす電極によって構成し、他方をその内側領域に配置された電極によって構成すれば、図18に示す基本的実施形態と同じ原理で6つの力成分の検出が可能である。   For example, in FIG. 18, even if the auxiliary fixed electrodes F3, F4, F6, and F7 and the auxiliary fixed electrodes F1, F2, F8, and F5 are completely replaced, detection of six force components is performed based on the arithmetic expression shown in FIG. Is possible. In short, one of the two electrodes on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements is constituted by an electrode having an annular shape, and the other is constituted by an electrode disposed in the inner region. Of the two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements, one is constituted by an electrode having an annular shape, and the other is constituted by an electrode disposed in the inner region thereof, Of the two electrodes on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements, one is constituted by an electrode having an annular shape, and the other is constituted by an electrode disposed in the inner region, If one of the two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements is constituted by an electrode having an annular shape, and the other is constituted by an electrode arranged in the inner region thereof, FIG. Basic facts shown in Fig. 18. It is possible to detect the six force components on the same principle as Embodiment.

一方、図24は、図18に示されている16枚の電極の第1の変形例(副容量素子を構成する8枚の電極F1〜F8の形状および配置が異なる)を示す拡大平面図である。この変形例では、第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第1の柱状体T1の中心軸を中心として配置された円盤を、X軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極F6,F8によって構成され、第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第2の柱状体T2の中心軸を中心として配置された円盤を、X軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極F5,F7によって構成され、第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第3の柱状体T3の中心軸を中心として配置された円盤を、Y軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極F2,F4によって構成され、第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第4の柱状体T4の中心軸を中心として配置された円盤を、Y軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極F1,F3によって構成されている。ここで、電極F1〜F8は、いずれも同一形状、同一サイズの半円状電極となっている。   On the other hand, FIG. 24 is an enlarged plan view showing a first modification of the 16 electrodes shown in FIG. 18 (the shape and arrangement of the eight electrodes F1 to F8 constituting the sub-capacitance element are different). is there. In this modification, a disk in which the two electrodes on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the first columnar body T1 is arranged along the X axis. The two semicircular electrodes F6 and F8 obtained by cutting and the two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements are the central axis of the second columnar body T2. Is formed by two semicircular electrodes F5 and F7 obtained by cutting the disc disposed along the X-axis, and 2 on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements. The two electrodes are constituted by two semicircular electrodes F2 and F4 obtained by cutting a disk disposed around the central axis of the third columnar body T3 along the Y axis, The two electrodes on the support substrate side constituting the third sub-capacitance element are the central axes of the fourth columnar body T4. The placed disc around, is formed by two semicircular electrodes F1, F3 obtained by cutting along the Y axis. Here, the electrodes F1 to F8 are all semicircular electrodes having the same shape and the same size.

この図24に示すような形状および配置をもった副固定電極F1〜F8によって構成される副容量素子D1〜D8には、図25のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じる。この図25のテーブルを図19のテーブルと比較すると、より多くの欄に変動分±εが生じている。前述したとおり、この符号「ε」は、「副容量素子に生じる容量値変化」を示す符号であり、特定の固有値を示すものではない。   In the sub-capacitance elements D1 to D8 constituted by the sub-fixed electrodes F1 to F8 having the shape and arrangement as shown in FIG. 24, the capacitance value changes as shown in the table of FIG. When the table of FIG. 25 is compared with the table of FIG. 19, there are fluctuations ± ε in more columns. As described above, this symbol “ε” is a symbol indicating “a change in capacitance value generated in the sub-capacitance element” and does not indicate a specific eigenvalue.

図25のテーブルにおいて、より多くの欄に変動分±εが生じている理由は、図24に示す副固定電極F1〜F8が半円形状をなすためである。図18に示す副固定電極F1〜F8は、柱状体の中心軸を中心として配置された円形もしくは円環状の電極であるため、柱状体が傾斜した場合、各副容量素子D1〜D8についての静電容量値の変動は「0」になるが、図24に示す半円形状の副固定電極F1〜F8を用いた副容量素子D1〜D8の場合、X軸もしくはY軸方向への傾斜が検知されることになる。   The reason why the variation ± ε is generated in more columns in the table of FIG. 25 is that the sub-fixed electrodes F1 to F8 shown in FIG. 24 have a semicircular shape. Since the sub-fixed electrodes F1 to F8 shown in FIG. 18 are circular or annular electrodes arranged around the central axis of the columnar body, when the columnar body is inclined, the static capacitance of each subcapacitance element D1 to D8 is determined. Although the fluctuation of the capacitance value is “0”, in the case of the sub-capacitance elements D1 to D8 using the semicircular sub-fixed electrodes F1 to F8 shown in FIG. 24, an inclination in the X-axis or Y-axis direction is detected. Will be.

このように、図24に示す変形例では、副容量素子D1〜D8に、柱状体の傾斜を検知する変動分±εが生じることになるものの、図21に示す各演算式に基づいて、6つの力成分を検出できることに変わりはない。すなわち、電極F1〜F8は、いずれも同一形状、同一サイズの半円状電極であり、しかも一対の電極が所定軸に関して対称性をもつように配置されているため、図25のテーブルにおいて、+Fxの行に記載されているεの絶対値は相互に等しく、+Fyの行に記載されているεの絶対値は相互に等しく、+Fzの行に記載されているεの絶対値は相互に等しく、+Mzの行に記載されているεの絶対値は相互に等しくなる。また、+Mxの行のD1〜D4の各欄に記載されているεの絶対値は相互に等しく、D5〜D8の各欄に記載されているεの絶対値は相互に等しくなり、+Myの行のD1〜D4の各欄に記載されているεの絶対値は相互に等しく、D5〜D8の各欄に記載されているεの絶対値は相互に等しくなる。   As described above, in the modification example shown in FIG. 24, although the fluctuation amount ± ε for detecting the inclination of the columnar body is generated in the sub-capacitance elements D1 to D8, based on the respective arithmetic expressions shown in FIG. One force component can still be detected. That is, the electrodes F1 to F8 are all semicircular electrodes having the same shape and size, and the pair of electrodes are arranged so as to have symmetry with respect to the predetermined axis. The absolute values of ε described in the row of are equal to each other, the absolute values of ε described in the row of + Fy are equal to each other, the absolute values of ε described in the row of + Fz are equal to each other, The absolute values of ε described in the + Mz line are equal to each other. The absolute values of ε described in the columns D1 to D4 of the + Mx row are equal to each other, the absolute values of ε described in the columns of D5 to D8 are equal to each other, and the + My row The absolute values of ε described in each column of D1 to D4 are equal to each other, and the absolute values of ε described in each column of D5 to D8 are equal to each other.

図26は、図17に示す8個の主容量素子C1〜C8についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図25に示す8個の副容量素子D1〜D8についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。正副の各容量素子対について、この図26のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じることを前提とした場合でも、やはり、図21に示す各演算式に基づいて、6つの力成分の検出が可能である。これは、上述したように、同一形状、同一サイズの半円状電極を、対称性をもつように配置したためである。   FIG. 26 shows each column indicating the change in capacitance value for the eight main capacitive elements C1 to C8 shown in FIG. 17, and the electrostatic capacitance for the eight sub-capacitance elements D1 to D8 shown in FIG. It is a table | surface which shows the sum with each column which shows the aspect of a capacitance value change. Even if it is assumed that the capacitance values change as shown in the table of FIG. 26 for each of the primary and secondary capacitive element pairs, the six force components are still based on the respective arithmetic expressions shown in FIG. Can be detected. This is because the semi-circular electrodes having the same shape and the same size are arranged so as to have symmetry as described above.

たとえば、図21の式に基づいて力Fxや力Fyを求める場合、図26のテーブルに示す変動分「ε」は何ら関与しないので、図20のテーブルを前提とした場合と同じ値が得られる。また、図26のテーブルの+Fzの行と図20のテーブルの+Fzの行は同じであるから、力Fzについても同じ結果が得られる。一方、モーメントMx,My,Mzに関しては、図20のテーブルにおける「Δ」が、図26のテーブルでは「Δ+ε」に置き換わるため、演算値自体としては異なる結果が得られるものの、単なるスケーリングの問題であり、実質的な検出原理に相違は生じない。結局、図18に示す電極配置の代わりに図24に示す電極配置を採る変形例においても、図21に示す各演算式に基づいて、6つの力成分を検出できる。   For example, when the force Fx and the force Fy are obtained based on the formula of FIG. 21, the variation “ε” shown in the table of FIG. 26 is not involved at all, so the same value as that obtained when the table of FIG. 20 is assumed is obtained. . Further, since the + Fz row of the table of FIG. 26 and the + Fz row of the table of FIG. 20 are the same, the same result can be obtained for the force Fz. On the other hand, with respect to moments Mx, My, and Mz, “Δ” in the table of FIG. 20 is replaced with “Δ + ε” in the table of FIG. There is no difference in the substantial detection principle. As a result, even in a modification example in which the electrode arrangement shown in FIG. 24 is used instead of the electrode arrangement shown in FIG. 18, six force components can be detected based on the respective arithmetic expressions shown in FIG.

また、図27は、図18に示されている16枚の電極の第2の変形例(副容量素子を構成する8枚の電極F1〜F8の形状および配置が異なる)を示す拡大平面図である。この変形例では、第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第1の柱状体T1の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りY軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極F6,F8によって構成され、第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第2の柱状体T2の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りY軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極F5,F7によって構成され、第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第3の柱状体T3の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りX軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極F2,F4によって構成され、第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第4の柱状体T4の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りX軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極F1,F3によって構成されている。   FIG. 27 is an enlarged plan view showing a second modification of the 16 electrodes shown in FIG. 18 (the shape and arrangement of the eight electrodes F1 to F8 constituting the sub-capacitance element are different). is there. In this modification, the two electrodes on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements pass through the center point of the disk arranged around the central axis of the first columnar body T1. The two electrodes on the support substrate side, which are constituted by two semicircular electrodes F6 and F8 obtained by cutting along a reference axis parallel to the Y axis, constitute the fifth and seventh sub-capacitance elements. The semicircular electrodes F5 and F7 obtained by cutting the disk arranged around the central axis of the second columnar body T2 along the reference axis passing through the central point and parallel to the Y axis. A disk in which two electrodes on the side of the supporting substrate constituting the second and fourth sub-capacitance elements are arranged around the center axis of the third columnar body T3 passes through the center point and passes through the center axis. Is formed by two semicircular electrodes F2 and F4 obtained by cutting along a reference axis parallel to A disk in which the two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the fourth columnar body T4 passes through the center point and is parallel to the X axis. It is constituted by two semicircular electrodes F1 and F3 obtained by cutting along a reference axis.

この図27に示す第2の変形例は、いわば図24に示す第1の変形例における半円形の副固定電極F1〜F8を90°回転させたものに相当する。この図27に示すような形状および配置をもった副固定電極F1〜F8によって構成される副容量素子D1〜D8には、図28のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じる。この図28のテーブルを図19のテーブルと比較すると、やはり多くの欄に変動分±εが生じている。これは、図27に示す第2の変形例においても、副容量素子D1〜D8に、柱状体の傾斜を検知する変動分±εが生じるためである。   The second modification shown in FIG. 27 corresponds to what is obtained by rotating the semicircular sub fixed electrodes F1 to F8 by 90 ° in the first modification shown in FIG. In the sub-capacitance elements D1 to D8 constituted by the sub-fixed electrodes F1 to F8 having the shape and arrangement as shown in FIG. 27, the capacitance value changes as shown in the table of FIG. When the table of FIG. 28 is compared with the table of FIG. 19, there are still fluctuations ± ε in many columns. This is because also in the second modified example shown in FIG. 27, the variation ± ε for detecting the inclination of the columnar body occurs in the sub-capacitance elements D1 to D8.

図29は、図17に示す8個の主容量素子C1〜C8についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図28に示す8個の副容量素子D1〜D8についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。正副の各容量素子対について、この図29のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じることを前提とした場合でも、やはり、図21に示す各演算式に基づいて、6つの力成分の検出が可能である。これは、副固定電極F1〜F8として、同一形状、同一サイズの半円状電極を、対称性をもつように配置したためである。   FIG. 29 shows each column indicating the change in capacitance value for the eight main capacitance elements C1 to C8 shown in FIG. 17, and the electrostatic capacitance for the eight sub capacitance elements D1 to D8 shown in FIG. It is a table | surface which shows the sum with each column which shows the aspect of a capacitance value change. Even if it is assumed that the capacitance value changes as shown in the table of FIG. 29 for each of the primary and secondary capacitive element pairs, the six force components are still based on the respective arithmetic expressions shown in FIG. Can be detected. This is because, as the sub-fixed electrodes F1 to F8, semicircular electrodes having the same shape and size are arranged so as to have symmetry.

たとえば、図21の式に基づいて力Fxや力Fyを求める場合、図20のテーブルにおける「Δ」が、図29のテーブルでは「Δ+ε」もしくは「Δ−ε」に置き換わるが、いずれの場合も「4Δ」という同じ結果が得られる。また、図29のテーブルの+Fz,+Mx,+My,+Mzの各行と図20のテーブルの各対応行は同じであるから、力FzおよびモーメントMx,My,Mzについても同じ結果が得られる。結局、図18に示す電極配置の代わりに図27に示す電極配置を採る変形例においても、図21に示す各演算式に基づいて、6つの力成分を検出できる。   For example, when the force Fx and the force Fy are obtained based on the equation of FIG. 21, “Δ” in the table of FIG. 20 is replaced with “Δ + ε” or “Δ−ε” in the table of FIG. The same result of “4Δ” is obtained. Further, since each row of + Fz, + Mx, + My, + Mz in the table of FIG. 29 and each corresponding row of the table of FIG. 20 are the same, the same result is obtained for the force Fz and the moments Mx, My, Mz. Eventually, even in a modified example in which the electrode arrangement shown in FIG. 27 is used instead of the electrode arrangement shown in FIG. 18, six force components can be detected based on the respective arithmetic expressions shown in FIG.

<9−4:副容量素子の形状および配置の条件>
以上、副容量素子の形状および配置のバリエーションとして、2通りの変形例を述べたが、本発明を実施する上で、副容量素子の形状および配置のバリエーションは、この他にも様々なものを採用することができる。
<9-4: Subcapacitance element shape and arrangement conditions>
As described above, two variations have been described as variations in the shape and arrangement of the sub-capacitance elements. However, in implementing the present invention, there are various other variations in the shape and arrangement of the sub-capacitance elements. Can be adopted.

ここでは、副容量素子の形状および配置の条件を考えてみよう。本発明における副容量素子の役割は、モーメントMxもしくはMyが作用したときに、主容量素子に生じる他軸干渉成分δを相殺するための変動分εを発生させることにある。そこで、いま、図30に示す平面図において、主容量素子C1を構成する電極E1に対して、副容量素子D1を構成する電極F1の配置を考えてみる。図30は、支持基板300の平面図であり、G31〜G34は、下端側肉薄部215,225,235,245の下方に形成される溝部を示しており、それぞれセンサS1〜S4が形成される領域に対応する。   Here, let us consider the shape and arrangement conditions of the sub-capacitance element. The role of the sub-capacitance element in the present invention is to generate a variation ε for canceling the other-axis interference component δ generated in the main capacitance element when the moment Mx or My acts. Therefore, in the plan view shown in FIG. 30, the arrangement of the electrode F1 constituting the sub-capacitance element D1 is considered with respect to the electrode E1 constituting the main capacitance element C1. FIG. 30 is a plan view of the support substrate 300, and G31 to G34 indicate grooves formed below the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245, and sensors S1 to S4 are formed, respectively. Corresponds to the region.

いま、図示のとおり、溝部G31内に主固定電極E1が配置されているものとし、モーメントMxが作用した場合に、この主固定電極E1によって構成される主容量素子C1に生じる他軸干渉成分δを相殺するための変動分εを発生させる副容量素子D1の配置を考える。主副容量素子を並列接続して相殺を行うことを考えると、モーメントMxが作用した場合に、εの符号がδの符号と逆になるようにする必要がある。そうすると、副容量素子D1を構成する副固定電極F1の配置候補は、図にハッチングを施して示す領域A1,A2,A4のいずれかになる。ただ、検出感度を考慮すると、副固定電極F1の配置候補は、領域A4が最適であることがわかる。モーメントMxが作用した場合の電極間距離の変化は、領域A4が最も顕著である。   As shown in the figure, it is assumed that the main fixed electrode E1 is disposed in the groove G31, and when the moment Mx is applied, the other-axis interference component δ generated in the main capacitive element C1 constituted by the main fixed electrode E1. Consider the arrangement of the sub-capacitance element D1 that generates the variation ε for canceling out. Considering canceling by connecting the main and sub-capacitance elements in parallel, it is necessary that the sign of ε is opposite to the sign of δ when the moment Mx is applied. Then, the arrangement candidate of the sub-fixed electrode F1 constituting the sub-capacitance element D1 is any one of the areas A1, A2, and A4 indicated by hatching in the drawing. However, when the detection sensitivity is taken into consideration, it can be understood that the region A4 is optimal as the arrangement candidate of the auxiliary fixed electrode F1. The change in the distance between the electrodes when the moment Mx is applied is most remarkable in the region A4.

同様に、モーメントMyが作用した場合の他軸干渉成分の相殺も考慮して各副固定電極F1〜F8の配置を考えると、電極F6,F8は溝部G31(センサS1)内に配置し、電極F5,F7は溝部G32(センサS2)内に配置し、電極F2,F4は溝部G33(センサS3)内に配置し、電極F1,F3は溝部G34(センサS4)内に配置するのが好ましいことがわかる。これまで述べてきた基本的実施形態や変形例は、いずれもこのような考え方に基づいて副固定電極F1〜F8を配置したものである。   Similarly, when considering the arrangement of the sub-fixed electrodes F1 to F8 in consideration of cancellation of other-axis interference components when the moment My acts, the electrodes F6 and F8 are arranged in the groove G31 (sensor S1), and the electrodes F5 and F7 are preferably disposed in the groove G32 (sensor S2), electrodes F2 and F4 are preferably disposed in the groove G33 (sensor S3), and electrodes F1 and F3 are preferably disposed in the groove G34 (sensor S4). I understand. In the basic embodiment and the modification examples described so far, the sub-fixed electrodes F1 to F8 are arranged based on such a concept.

次に、各副固定電極F1〜F8の形状を考える。図31は、主容量素子C1,C2を構成する電極E1,E2と、副容量素子D1,D4を構成する電極F1,F4の配置の一例を説明する平面図である。主固定電極E1,E2は、第1の柱状体T1の中心軸Q1を中心にして配置された環状帯をX軸に沿って切断して得られる電極になっている。一方、主固定電極E1に対応する副固定電極F1は、第4の柱状体T4の中心軸Q4を中心にして配置された円形の電極となっており、主固定電極E4に対応する副固定電極F4は、第3の柱状体T3の中心軸Q3を中心にして配置された円環状の電極となっている。   Next, consider the shapes of the sub-fixed electrodes F1 to F8. FIG. 31 is a plan view for explaining an example of the arrangement of the electrodes E1, E2 constituting the main capacitive elements C1, C2 and the electrodes F1, F4 constituting the sub capacitive elements D1, D4. The main fixed electrodes E1 and E2 are electrodes obtained by cutting an annular band disposed around the central axis Q1 of the first columnar body T1 along the X axis. On the other hand, the sub fixed electrode F1 corresponding to the main fixed electrode E1 is a circular electrode disposed around the central axis Q4 of the fourth columnar body T4, and the sub fixed electrode corresponding to the main fixed electrode E4. F4 is an annular electrode disposed around the central axis Q3 of the third columnar body T3.

主固定電極と副固定電極について、このような形状を採用した実施形態が、図18に示す基本的実施形態である。このような形状を採る利点は、一対の主固定電極からなる環状帯の内部領域に、一対の副固定電極を配置できる点である。図31に示す例の場合、実際には、主固定電極E1,E2からなる環状帯の内部領域に、円環状をした副固定電極F6が配置され、更にその内部領域に、円形をした副固定電極F8が配置されることになる。1つのセンサ領域に、2枚の主固定電極と2枚の副固定電極とを配置することを考えると、図31に示す各電極形状は非常に効率的である。   An embodiment in which such a shape is adopted for the main fixed electrode and the sub fixed electrode is a basic embodiment shown in FIG. An advantage of adopting such a shape is that a pair of sub-fixed electrodes can be arranged in an inner region of an annular band made up of a pair of main fixed electrodes. In the case of the example shown in FIG. 31, an annular sub-fixed electrode F6 is actually arranged in the inner region of the annular band made up of the main fixed electrodes E1 and E2, and a circular sub-fixed is further formed in the inner region. The electrode F8 is disposed. Considering the arrangement of two main fixed electrodes and two sub fixed electrodes in one sensor region, each electrode shape shown in FIG. 31 is very efficient.

また、図31に示すとおり、副固定電極は、円形をした電極(F1)もしくは円環状をした電極(F4)になるため、柱状体の傾斜が静電容量値として検出されることはないというメリットも得られる。したがって、図19のテーブルに示されているとおり、不要な変動分εの発生は、+Fzの行のみに抑えられている。たとえば、図31に示す円形の副固定電極F1によって構成される副容量素子D1は、YZ平面と、第4の柱状体の中心軸Q4を含みXZ平面に平行な参照面X4と、の双方に関して、面対称となる形状をなす。同様に、円環状の副固定電極F4によって構成される副容量素子D4は、YZ平面と、第3の柱状体の中心軸Q3を含みXZ平面に平行な参照面X3と、の双方に関して、面対称となる形状をなす。このため、副容量素子には、柱状体の傾斜に基づく静電容量値の変化は生じない。   Further, as shown in FIG. 31, the sub-fixed electrode is a circular electrode (F1) or an annular electrode (F4), so that the inclination of the columnar body is not detected as a capacitance value. There are also benefits. Therefore, as shown in the table of FIG. 19, the occurrence of unnecessary variation ε is suppressed only to the + Fz row. For example, the sub-capacitance element D1 constituted by the circular sub-fixed electrode F1 shown in FIG. 31 is related to both the YZ plane and the reference plane X4 including the central axis Q4 of the fourth columnar body and parallel to the XZ plane. The shape is symmetrical. Similarly, the sub-capacitance element D4 configured by the annular sub-fixed electrode F4 has a surface with respect to both the YZ plane and the reference plane X3 including the central axis Q3 of the third columnar body and parallel to the XZ plane. It has a symmetrical shape. For this reason, the capacitance value does not change in the sub-capacitance element based on the inclination of the columnar body.

結局、柱状体の傾斜が静電容量値として検出されないようにするには、第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極F6,F8がいずれも、第1の柱状体T1の中心軸を含みYZ平面に平行な参照面と、XZ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極F5,F7がいずれも、第2の柱状体T2の中心軸を含みYZ平面に平行な参照面と、XZ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極F2,F4がいずれも、第3の柱状体T3の中心軸を含みXZ平面に平行な参照面と、YZ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極F1,F3がいずれも、第4の柱状体T4の中心軸を含みXZ平面に平行な参照面と、YZ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなすようにすればよい。   Eventually, in order to prevent the inclination of the columnar body from being detected as the capacitance value, the two electrodes F6 and F8 on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements are both the first The reference surface including the central axis of the columnar body T1 and parallel to the YZ plane has a shape that is plane-symmetric with respect to both the XZ plane and 2 on the support substrate side that constitutes the fifth and seventh sub-capacitance elements. Each of the electrodes F5 and F7 has a symmetrical shape with respect to both the reference plane including the central axis of the second columnar body T2 and parallel to the YZ plane, and the XZ plane. Both of the two electrodes F2 and F4 on the support substrate side constituting the sub-capacitance element 4 include both the reference plane including the central axis of the third columnar body T3 and parallel to the XZ plane, and the YZ plane. , Having a symmetrical shape and supporting the first and third sub-capacitance elements. The two electrodes F1 and F3 on the substrate side both have a shape that is plane-symmetric with respect to both the reference plane that includes the central axis of the fourth columnar body T4 and is parallel to the XZ plane, and the YZ plane. You can do it.

一方、図32は、主固定電極E1,E2に対する副固定電極F1,F2の別な配置形態を示す平面図であり、前述した第1の変形例(図24に示す例)に対応するものである。一対の主固定電極からなる環状帯の内部領域に、一対の副固定電極を配置できる点は前述の例と同じであるが、副固定電極の形状は異なっている。なお、図24では、半円形の副固定電極を用いる例を示したが、図32では、一般論として説明するため、矩形の副固定電極F1,F2を配置した例を示す。ここで、副固定電極F1によって構成される副容量素子D1は、YZ平面に関する対称性は有していないが、第4の柱状体の中心軸Q4を含みXZ平面に平行な参照面X4に関して面対称の形状をなす。同様に、副固定電極F2によって構成される副容量素子D2は、YZ平面に関する対称性は有していないが、第3の柱状体の中心軸Q3を含みXZ平面に平行な参照面X3に関して面対称の形状をなす。   On the other hand, FIG. 32 is a plan view showing another arrangement form of the sub fixed electrodes F1, F2 with respect to the main fixed electrodes E1, E2, and corresponds to the above-described first modification (example shown in FIG. 24). is there. Although the pair of sub-fixed electrodes can be arranged in the inner region of the annular band composed of the pair of main fixed electrodes, the shape of the sub-fixed electrodes is different from the above example. FIG. 24 shows an example in which a semicircular sub-fixed electrode is used, but FIG. 32 shows an example in which rectangular sub-fixed electrodes F1 and F2 are arranged for general explanation. Here, the sub-capacitance element D1 configured by the sub-fixed electrode F1 does not have symmetry with respect to the YZ plane, but includes a plane with respect to the reference plane X4 including the central axis Q4 of the fourth columnar body and parallel to the XZ plane. It has a symmetrical shape. Similarly, the sub-capacitance element D2 constituted by the sub-fixed electrode F2 has no symmetry with respect to the YZ plane, but includes a plane with respect to the reference plane X3 including the central axis Q3 of the third columnar body and parallel to the XZ plane. It has a symmetrical shape.

図24に示す電極配置を採った場合、図26のテーブルに示す静電容量値の変化が生じることとなり、このような静電容量値の変化が生じることを前提とした場合にも、図21の演算式に基づき、6つの力成分の検出が可能であることは、既に述べたとおりである。ここで、図26のテーブルに示す静電容量値の変化が生じるようにするには、結局、第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極F6,F8がいずれも、第1の柱状体T1の中心軸を含みYZ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極F5,F7がいずれも、第2の柱状体T2の中心軸を含みYZ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極F2,F4がいずれも、第3の柱状体T3の中心軸を含みXZ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極F1,F3がいずれも、第4の柱状体T4の中心軸を含みXZ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなすようにすればよい。   When the electrode arrangement shown in FIG. 24 is adopted, the capacitance values shown in the table of FIG. 26 change, and even when it is assumed that such a capacitance value change occurs, FIG. As described above, it is possible to detect six force components based on the above equation. Here, in order to cause the change in the capacitance value shown in the table of FIG. 26, the two electrodes F6 and F8 on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements are eventually Also, the two electrodes on the side of the supporting substrate constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements have a shape that is symmetrical with respect to a reference plane that includes the central axis of the first columnar body T1 and is parallel to the YZ plane. Each of F5 and F7 has a shape that is symmetrical with respect to a reference plane that includes the central axis of the second columnar body T2 and is parallel to the YZ plane, and forms the second and fourth sub-capacitance elements. The two electrodes F2 and F4 are both symmetrical with respect to the reference plane including the central axis of the third columnar body T3 and parallel to the XZ plane, and the first and third sub-capacitance elements are Both of the two electrodes F1 and F3 on the support substrate side constituting the fourth columnar body With respect to a reference plane parallel to the XZ plane including the center axis of 4, it is sufficient to form a shape which is plane-symmetrical.

一方、図33は、主固定電極E1,E2に対する副固定電極F1,F2の更に別な配置形態を示す平面図であり、前述した第2の変形例(図27に示す例)に対応するものである。一対の主固定電極からなる環状帯の内部領域に、一対の副固定電極を配置できる点は前述の例と同じであるが、副固定電極の形状は異なっている。なお、図27では、半円形の副固定電極を用いる例を示したが、図32では、一般論として説明するため、楕円形の副固定電極F1,F2を配置した例を示す。ここで、副固定電極F1によって構成される副容量素子D1は、YZ平面に関する対称性は有しているが、第4の柱状体の中心軸Q4を含みXZ平面に平行な参照面X4に関する対称性は有していない。同様に、副固定電極F2によって構成される副容量素子D2は、YZ平面に関する対称性は有しているが、第3の柱状体の中心軸Q3を含みXZ平面に平行な参照面X3に関する対称性は有していない。   On the other hand, FIG. 33 is a plan view showing still another arrangement of the sub-fixed electrodes F1, F2 with respect to the main fixed electrodes E1, E2, and corresponds to the above-described second modification (example shown in FIG. 27). It is. Although the pair of sub-fixed electrodes can be arranged in the inner region of the annular band composed of the pair of main fixed electrodes, the shape of the sub-fixed electrodes is different from the above example. FIG. 27 shows an example in which a semicircular sub-fixed electrode is used, but FIG. 32 shows an example in which elliptical sub-fixed electrodes F1 and F2 are arranged for general explanation. Here, the sub-capacitance element D1 constituted by the sub-fixed electrode F1 has symmetry with respect to the YZ plane, but is symmetric with respect to the reference plane X4 including the central axis Q4 of the fourth columnar body and parallel to the XZ plane. Does not have sex. Similarly, the sub-capacitance element D2 configured by the sub-fixed electrode F2 has symmetry with respect to the YZ plane, but includes symmetry with respect to the reference plane X3 including the central axis Q3 of the third columnar body and parallel to the XZ plane. Does not have sex.

図27に示す電極配置を採った場合、図29のテーブルに示す静電容量値の変化が生じることとなり、このような静電容量値の変化が生じることを前提とした場合にも、図21の演算式に基づき、6つの力成分の検出が可能であることは、既に述べたとおりである。ただ、本願発明者は、実用上、第2の変形例として示した図27に示す電極配置パターンを採るよりは、基本的実施形態として示した図18に示す電極配置パターンや第1の変形例として示した図24に示す電極配置パターンを採る方がより好ましいと考えている。これは、図27に示す電極配置パターンには、検出感度の低下を招く要因があるためである。すなわち、図29の+Fx,+Fyの行には、「Δ−ε」なる項が含まれており、せっかく主容量素子で得た「Δ」なる検出値に対して、副容量素子で得た検出値「ε」を減じる操作が行われることになるので、検出感度を減じる操作を意図的に行うことになるのである。したがって、本願発明者は、本発明を実施する上で、図18の電極配置もしくは図24の電極配置を採るのが最適であると考えている。   When the electrode arrangement shown in FIG. 27 is adopted, a change in the capacitance value shown in the table of FIG. 29 occurs. Even when it is assumed that such a change in the capacitance value occurs, FIG. As described above, it is possible to detect six force components based on the above equation. However, the present inventor practically uses the electrode arrangement pattern shown in FIG. 18 shown in the basic embodiment and the first modification rather than adopting the electrode arrangement pattern shown in FIG. 27 shown as the second modification. It is considered more preferable to adopt the electrode arrangement pattern shown in FIG. This is because the electrode arrangement pattern shown in FIG. 27 has a factor that causes a decrease in detection sensitivity. That is, the term “Δ−ε” is included in the + Fx and + Fy rows in FIG. 29, and the detection value obtained by the sub-capacitance element with respect to the detection value “Δ” obtained by the main capacitance element. Since the operation of reducing the value “ε” is performed, the operation of decreasing the detection sensitivity is intentionally performed. Therefore, the inventor of the present application considers that it is optimal to adopt the electrode arrangement of FIG. 18 or the electrode arrangement of FIG. 24 in practicing the present invention.

<9−5:他軸干渉成分δ=変動分εとする設定方法>
本発明に係る力検出装置では、受力体にX軸まわりのモーメントMxが作用した場合に、第i番目(i=1〜4)の主容量素子に生じる静電容量値の変化分±δの絶対値と、第i番目の副容量素子に生じる静電容量値の変化分±εの絶対値とが等しくなるような設定を行い、また、受力体にY軸まわりのモーメントMyが作用した場合に、第j番目(j=5〜8)の主容量素子に生じる静電容量値の変化分±δの絶対値と、第j番目の副容量素子に生じる静電容量値の変化分±εの絶対値とが等しくなるような設定を行うことになる。
<9-5: Setting Method for Other-axis Interference Component δ = Fluctuation ε>
In the force detection device according to the present invention, when the moment Mx around the X-axis acts on the force receiving member, the change in capacitance value ± δ generated in the i-th (i = 1 to 4) main capacitance element Is set to be equal to the absolute value of the change in capacitance value ± ε generated in the i-th sub-capacitance element, and the moment My around the Y-axis acts on the force receiving member. In this case, the absolute value of the variation ± δ of the capacitance value occurring in the jth (j = 5 to 8) main capacitance element and the variation of the capacitance value occurring in the jth subcapacitance device Setting is made so that the absolute value of ± ε is equal.

そのような設定を行う代表的な方法として、主容量素子を構成する電極の面積と、これに対応する副容量素子を構成する電極の面積との比が、受力体にX軸まわりのモーメントMxもしくはY軸まわりのモーメントMyが作用した場合に、主容量素子に生じる静電容量値の変化分±δの絶対値と、副容量素子に生じる静電容量値の変化分±εの絶対値とが等しくなるような面積比になるようにする方法を、§7で述べた。   As a typical method for performing such setting, the ratio of the area of the electrode constituting the main capacitive element and the area of the electrode constituting the sub-capacitance element corresponding thereto corresponds to the moment around the X axis in the force receiving body. When the moment My around the Mx or Y axis acts, the absolute value of the change in capacitance value ± δ generated in the main capacitance element and the absolute value of the change in capacitance value ± ε generated in the sub capacitance element The method of making the area ratio so that is equal is described in §7.

しかしながら、各容量素子に生じる静電容量値を調整する方法は、電極面積を調整する方法に限定されるものではない。たとえば、電極間距離を調整する方法を採ることも可能であるし、電極間に流動性をもった媒体を充填し、当該媒体の誘電率を調整する方法を採ることも可能である。ただ、量産型の商用製品として利用する場合は、これまで述べたように、電極面積を調整する方法を採るのが最も効率的である。   However, the method of adjusting the capacitance value generated in each capacitive element is not limited to the method of adjusting the electrode area. For example, a method of adjusting the distance between the electrodes can be employed, or a method of filling a fluid medium between the electrodes and adjusting the dielectric constant of the medium can be employed. However, when used as a mass-produced commercial product, as described above, it is most efficient to adopt a method of adjusting the electrode area.

10:受力体
11:第1の柱状体
12:第2の柱状体
13:第3の柱状体
14:第4の柱状体
20:支持基板
21:第1のセンサ
22:第2のセンサ
23:第3のセンサ
24:第4のセンサ
30:検出回路
100:受力体
110:円柱突起部
115:上端側肉薄部
120:円柱突起部
125:上端側肉薄部
130:円柱突起部
135:上端側肉薄部
140:円柱突起部
145:上端側肉薄部
200:中間体
210:円柱突起部
215:下端側肉薄部
220:円柱突起部
225:下端側肉薄部
230:円柱突起部
235:下端側肉薄部
240:円柱突起部
245:下端側肉薄部
250:制御壁
260:制御壁
300:支持基板
400:測定用治具
410:接続部
420:上蓋部
430:側壁部
440:フランジ部
A1〜A4:電極配置領域
B1〜B8:ボンディングパッド
C1〜C8:主容量素子/主容量素子の静電容量値
D1〜D8:副容量素子/副容量素子の静電容量値
d1〜d3:空隙寸法
E1〜E8:主容量素子を構成する電極
F1〜F8:副容量素子を構成する電極
Fx:X軸方向の力
Fy:Y軸方向の力
Fz:Z軸方向の力
fz:支持基板に対して作用する引っ張り力/押圧力
G11〜G34:溝部
Mx:X軸まわりのモーメント
My:Y軸まわりのモーメント
Mz:Z軸まわりのモーメント
O:座標系の原点
O′:補助座標系の原点
P1〜P3:作用点
Q1〜Q4:中心軸
r1,r2:原点から作用点までの長さ
S1〜S4:力センサ
T1〜T4:柱状体
V(Mx):モーメントMxの検出値
V(Fy):力Fyの検出値
XYZ:検出対象となる力を定義するための三次元座標系
X′Y′Z′:受力体の中心位置に原点をもつ補助座標系
X2,X4:X軸に平行な参照軸
Δ:主容量素子の静電容量値の変化分
δ:主容量素子の静電容量値の変化分(他軸干渉成分)
ε:副容量素子の静電容量値の変化分
θ1,θ2:柱状体11,12の傾斜角
10: Power receiving body 11: First columnar body 12: Second columnar body 13: Third columnar body 14: Fourth columnar body 20: Support substrate 21: First sensor 22: Second sensor 23 : Third sensor 24: Fourth sensor 30: Detection circuit 100: Power receiving body 110: Columnar projection 115: Upper end thin portion 120: Columnar projection 125: Upper end thin portion 130: Columnar projection 135: Upper end Side thin portion 140: cylindrical protrusion 145: upper end thin portion 200: intermediate 210: cylindrical protrusion 215: lower end thin portion 220: cylindrical protrusion 225: lower end thin portion 230: cylindrical protrusion 235: lower end thin Portion 240: Cylindrical protrusion 245: Lower end thin portion 250: Control wall 260: Control wall 300: Support substrate 400: Measuring jig 410: Connection portion 420: Upper lid portion 430: Side wall portion 440: Flange portions A1 to A4: Electrode placement region B1 B8: Bonding pads C1 to C8: Capacitance values D1 to D8 of the main capacitance element / main capacitance element: Capacitance values d1 to d3 of the subcapacitance element / subcapacitance element: Gaps dimensions E1 to E8: Main capacitance element Constructing electrodes F1 to F8: Electrodes Fx composing sub-capacitance elements: X-axis direction force Fy: Y-axis direction force Fz: Z-axis direction force fz: Tensile force / pressing force G11 acting on the support substrate G34: Groove Mx: X-axis moment My: Y-axis moment Mz: Z-axis moment O: Coordinate system origin O ': Auxiliary coordinate system origin P1-P3: Action points Q1-Q4: Center Axis r1, r2: Length from origin to action point S1 to S4: Force sensors T1 to T4: Columnar body V (Mx): Moment Mx detection value V (Fy): Force Fy detection value XYZ: Detection target Three to define the force Original coordinate system X′Y′Z ′: Auxiliary coordinate system X2 and X4 having an origin at the center position of the force receiving body X: Reference axis parallel to the X axis Δ: Change in capacitance value of main capacitive element δ: Main Change in capacitance value of capacitive element (interaxial interference component)
ε: change in capacitance value of sub-capacitance element θ1, θ2: inclination angle of columnar bodies 11, 12

Claims (23)

支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための4本の柱状体と、を備え、前記支持基板を固定した状態において、前記受力体に作用した力を検出する力検出装置であって、
前記4本の柱状体の各上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続されており、前記4本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
前記下端側肉薄部は、前記支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が前記柱状体の下端に接続されており、
XY平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
前記4本の柱状体は、その中心軸がいずれもZ軸に平行になるように配置されており、第1の柱状体は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、
前記第1の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第1のセンサが配置され、
前記第2の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第2のセンサが配置され、
前記第3の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第3のセンサが配置され、
前記第4の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第4のセンサが配置され、
前記第1のセンサは、XY座標系の第1象限に位置する第1の主容量素子と、XY座標系の第4象限に位置する第2の主容量素子と、を有し、
前記第2のセンサは、XY座標系の第2象限に位置する第3の主容量素子と、XY座標系の第3象限に位置する第4の主容量素子と、を有し、
前記第3のセンサは、第2の副容量素子と、第4の副容量素子と、を有し、
前記第4のセンサは、第1の副容量素子と、第3の副容量素子と、を有し、
前記各容量素子の静電容量値に基づいて、前記受力体に作用した力の所定方向成分を検出する検出回路を更に備え、
前記受力体にX軸まわりのモーメントMxが作用した場合に、前記第1の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第1の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第2の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第2の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第3の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第3の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第4の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第4の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるように、各容量素子が構成され、
前記検出回路が、前記第1の主容量素子の静電容量値をC1、前記第1の副容量素子の静電容量値をD1、前記第2の主容量素子の静電容量値をC2、前記第2の副容量素子の静電容量値をD2、前記第3の主容量素子の静電容量値をC3、前記第3の副容量素子の静電容量値をD3、前記第4の主容量素子の静電容量値をC4、前記第4の副容量素子の静電容量値をD4としたときに、前記受力体に作用した力のY軸方向成分Fyを、
Fy=(C1+D1)−(C2+D2)+(C3+D3)−(C4+D4)
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
A support substrate, a force receiving body disposed above the support substrate, and four columnar bodies for connecting the support substrate and the force receiving body, in a state where the support substrate is fixed A force detection device for detecting a force acting on the force receiving body,
Each upper end of the four columnar bodies is connected to the power receiving body via a flexible member, and each lower end of the four columnar bodies has flexibility. The lower end side thin part is connected,
The lower end side thin portion is connected to the support substrate via a pedestal so that the lower end side thin portion is disposed parallel to the upper surface of the support substrate at an upper position with a predetermined distance from the upper surface of the support substrate. , The center of the upper surface is connected to the lower end of the columnar body,
An XY plane is positioned so as to be parallel to the upper surface of the support substrate at or above the upper surface of the support substrate, and the Z axis with the upper side being positive and the lower side being negative is substantially the center of the upper surface of the support substrate When defining the XYZ three-dimensional coordinate system to pass through the position,
The four columnar bodies are arranged so that their central axes are parallel to the Z axis, and the first columnar body is arranged at a position where the central axis intersects the positive part of the X axis. The second columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the negative portion of the X axis, and the third columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the positive portion of the Y axis. And the fourth columnar body is arranged at a position where the central axis intersects the negative part of the Y-axis,
One electrode is formed on the lower surface of the lower end side thin portion in a space sandwiched between the lower end side thin portion of the first columnar body and the upper surface of the support substrate facing the first columnar body, and the other electrode is the support A first sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is disposed;
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion in a space sandwiched between the lower end thin portion of the second columnar body and the upper surface of the support substrate opposed thereto, and the other electrode is the support A second sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is disposed;
One electrode is formed on the lower surface of the lower-side thin portion in a space sandwiched between the lower-side thin portion of the third columnar body and the upper surface of the support substrate facing the third columnar body, and the other electrode is the support A third sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is disposed;
One electrode is formed on the lower surface of the lower-side thin portion in a space sandwiched between the lower-side thin portion of the fourth columnar body and the upper surface of the support substrate facing the fourth columnar body, and the other electrode is the support A fourth sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is disposed;
The first sensor has a first main capacitive element located in the first quadrant of the XY coordinate system, and a second main capacitive element located in the fourth quadrant of the XY coordinate system,
The second sensor has a third main capacitive element located in the second quadrant of the XY coordinate system, and a fourth main capacitive element located in the third quadrant of the XY coordinate system,
The third sensor has a second sub-capacitance element and a fourth sub-capacitance element,
The fourth sensor has a first sub-capacitance element and a third sub-capacitance element,
Further comprising a detection circuit for detecting a predetermined direction component of the force acting on the force receiving body based on a capacitance value of each capacitive element;
When a moment Mx around the X-axis acts on the force receiving body, the absolute value of the change in the capacitance value generated in the first main capacitive element and the capacitance generated in the first sub-capacitance element The absolute value of the change in value becomes equal, and the absolute value of the change in capacitance value generated in the second main capacitive element and the change in the capacitance value generated in the second sub-capacitance element. The absolute value is equal, and the absolute value of the change in capacitance value generated in the third main capacitive element is equal to the absolute value of the change in capacitance value generated in the third sub-capacitance element. The absolute value of the change in the capacitance value generated in the fourth main capacitive element is equal to the absolute value of the change in the capacitance value generated in the fourth sub-capacitance element. A capacitive element is constructed,
The detection circuit has a capacitance value of the first main capacitance element as C1, a capacitance value of the first sub capacitance element as D1, a capacitance value of the second main capacitance element as C2, The capacitance value of the second sub-capacitance element is D2, the capacitance value of the third main capacitance element is C3, the capacitance value of the third sub-capacitance element is D3, and the fourth main capacitance element is D4. When the capacitance value of the capacitive element is C4 and the capacitance value of the fourth sub-capacitance element is D4, the Y-axis direction component Fy of the force acting on the force receiving member is
Fy = (C1 + D1) − (C2 + D2) + (C3 + D3) − (C4 + D4)
A force detection device characterized in that the force detection device is obtained using an arithmetic expression.
請求項1に記載の力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のY軸まわりのモーメント成分Myを、
My=(C1+D1)+(C2+D2)−(C3+D3)−(C4+D4)
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 1,
The detection circuit further detects a moment component My around the Y axis of the force acting on the power receiving body.
My = (C1 + D1) + (C2 + D2)-(C3 + D3)-(C4 + D4)
A force detection device characterized in that the force detection device is obtained using an arithmetic expression.
請求項1または2に記載の力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のZ軸方向成分Fzを、
Fz=−((C1+D1)+(C2+D2)+(C3+D3)+(C4+D4))
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 1 or 2,
The detection circuit further includes a Z-axis direction component Fz of the force acting on the power receiving body,
Fz = − ((C1 + D1) + (C2 + D2) + (C3 + D3) + (C4 + D4))
A force detection device characterized in that the force detection device is obtained using an arithmetic expression.
請求項1〜3のいずれかに記載の力検出装置において、
第1の主容量素子と第1の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第2の主容量素子と第2の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第3の主容量素子と第3の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第4の主容量素子と第4の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、を更に備え、
検出回路が、前記第1の主容量素子と前記第1の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C1+D1」の値として用い、前記第2の主容量素子と前記第2の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C2+D2」の値として用い、前記第3の主容量素子と前記第3の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C3+D3」の値として用い、前記第4の主容量素子と前記第4の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C4+D4」の値として用いることを特徴とする力検出装置。
In the force detection apparatus in any one of Claims 1-3,
Wiring for connecting the first main capacitive element and the first sub-capacitor in parallel with each other; wiring for connecting the second main capacitive element and the second sub-capacitor in parallel with each other; Wiring for connecting the third main capacitive element and the third sub-capacitor in parallel with each other; wiring for connecting the fourth main capacitive element and the fourth sub-capacitor in parallel with each other; Further comprising
The detection circuit uses, as the value of “C1 + D1”, a capacitance value of a combined capacitive element configured by parallel connection of the first main capacitive element and the first subcapacitor element, and the second main capacitance A capacitance value of a composite capacitive element configured by parallel connection of an element and the second sub-capacitance element is used as a value of “C2 + D2”, and the third main capacitive element, the third sub-capacitance element, The combined capacitance element configured by parallel connection of the fourth main capacitance element and the fourth subcapacitance element, using the capacitance value of the combined capacitance element configured by the parallel connection of “C3 + D3” as the value The force detection device using the capacitance value of “C4 + D4”.
請求項1〜4のいずれかに記載の力検出装置において、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が、同一のセンサを構成する複数の容量素子についての共通電極として機能することを特徴とする力検出装置。
In the force detection device according to any one of claims 1 to 4,
Each of the lower end thin portions is made of a conductive material, and the lower end thin portions themselves function as a common electrode for a plurality of capacitive elements constituting the same sensor.
請求項5に記載の力検出装置において、
第1〜第4の主容量素子を構成する支持基板側の4枚の電極が、同一形状および同一サイズの電極によって構成されており、かつ、これら4枚の電極配置パターンが、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっていることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 5,
The four electrodes on the support substrate side constituting the first to fourth main capacitive elements are constituted by electrodes having the same shape and the same size, and these four electrode arrangement patterns are represented by an XZ plane and a YZ. A force detection device characterized by being symmetrical with respect to both planes.
支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための4本の柱状体と、を備え、前記支持基板を固定した状態において、前記受力体に作用した力を検出する力検出装置であって、
前記4本の柱状体の各上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続されており、前記4本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
前記下端側肉薄部は、前記支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が前記柱状体の下端に接続されており、
XY平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
前記4本の柱状体は、その中心軸がいずれもZ軸に平行になるように配置されており、第1の柱状体は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、
前記第1の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第1のセンサが配置され、
前記第2の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第2のセンサが配置され、
前記第3の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第3のセンサが配置され、
前記第4の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第4のセンサが配置され、
前記第1のセンサは、XY座標系の第1象限に位置する第1の主容量素子と、XY座標系の第4象限に位置する第2の主容量素子と、第6の副容量素子と、第8の副容量素子と、を有し、
前記第2のセンサは、XY座標系の第2象限に位置する第3の主容量素子と、XY座標系の第3象限に位置する第4の主容量素子と、第5の副容量素子と、第7の副容量素子と、を有し、
前記第3のセンサは、XY座標系の第1象限に位置する第5の主容量素子と、XY座標系の第2象限に位置する第6の主容量素子と、第2の副容量素子と、第4の副容量素子と、を有し、
前記第4のセンサは、XY座標系の第4象限に位置する第7の主容量素子と、XY座標系の第3象限に位置する第8の主容量素子と、第1の副容量素子と、第3の副容量素子と、を有し、
前記各容量素子の静電容量値に基づいて、前記受力体に作用した力の所定方向成分を検出する検出回路を更に備え、
前記受力体にX軸まわりのモーメントMxが作用した場合に、前記第1の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第1の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第2の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第2の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第3の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第3の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第4の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第4の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、
前記受力体にY軸まわりのモーメントMyが作用した場合に、前記第5の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第5の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第6の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第6の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第7の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第7の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第8の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第8の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるように、各容量素子が構成され、
前記検出回路が、前記第1の主容量素子の静電容量値をC1、前記第1の副容量素子の静電容量値をD1、前記第2の主容量素子の静電容量値をC2、前記第2の副容量素子の静電容量値をD2、前記第3の主容量素子の静電容量値をC3、前記第3の副容量素子の静電容量値をD3、前記第4の主容量素子の静電容量値をC4、前記第4の副容量素子の静電容量値をD4、前記第5の主容量素子の静電容量値をC5、前記第5の副容量素子の静電容量値をD5、前記第6の主容量素子の静電容量値をC6、前記第6の副容量素子の静電容量値をD6、前記第7の主容量素子の静電容量値をC7、前記第7の副容量素子の静電容量値をD7、前記第8の主容量素子の静電容量値をC8、前記第8の副容量素子の静電容量値をD8、としたときに、
前記受力体に作用した力のY軸方向成分Fyを、
Fy=(C1+D1)−(C2+D2)+(C3+D3)−(C4+D4)
なる演算式を利用して求め、
前記受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを、
Fx=(C5+D5)−(C6+D6)+(C7+D7)−(C8+D8)
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
A support substrate, a force receiving body disposed above the support substrate, and four columnar bodies for connecting the support substrate and the force receiving body, in a state where the support substrate is fixed A force detection device for detecting a force acting on the force receiving body,
Each upper end of the four columnar bodies is connected to the power receiving body via a flexible member, and each lower end of the four columnar bodies has flexibility. The lower end side thin part is connected,
The lower end side thin portion is connected to the support substrate via a pedestal so that the lower end side thin portion is disposed parallel to the upper surface of the support substrate at an upper position with a predetermined distance from the upper surface of the support substrate. , The center of the upper surface is connected to the lower end of the columnar body,
An XY plane is positioned so as to be parallel to the upper surface of the support substrate at or above the upper surface of the support substrate, and the Z axis with the upper side being positive and the lower side being negative is substantially the center of the upper surface of the support substrate When defining the XYZ three-dimensional coordinate system to pass through the position,
The four columnar bodies are arranged so that their central axes are parallel to the Z axis, and the first columnar body is arranged at a position where the central axis intersects the positive part of the X axis. The second columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the negative portion of the X axis, and the third columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the positive portion of the Y axis. And the fourth columnar body is arranged at a position where the central axis intersects the negative part of the Y-axis,
One electrode is formed on the lower surface of the lower end side thin portion in a space sandwiched between the lower end side thin portion of the first columnar body and the upper surface of the support substrate facing the first columnar body, and the other electrode is the support A first sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is disposed;
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion in a space sandwiched between the lower end thin portion of the second columnar body and the upper surface of the support substrate opposed thereto, and the other electrode is the support A second sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is disposed;
One electrode is formed on the lower surface of the lower-side thin portion in a space sandwiched between the lower-side thin portion of the third columnar body and the upper surface of the support substrate facing the third columnar body, and the other electrode is the support A third sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is disposed;
One electrode is formed on the lower surface of the lower-side thin portion in a space sandwiched between the lower-side thin portion of the fourth columnar body and the upper surface of the support substrate facing the fourth columnar body, and the other electrode is the support A fourth sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is disposed;
The first sensor includes a first main capacitive element located in the first quadrant of the XY coordinate system, a second main capacitive element located in the fourth quadrant of the XY coordinate system, and a sixth sub-capacitive element. And an eighth sub-capacitance element,
The second sensor includes a third main capacitive element located in the second quadrant of the XY coordinate system, a fourth main capacitive element located in the third quadrant of the XY coordinate system, and a fifth sub-capacitive element. And a seventh sub-capacitor element,
The third sensor includes a fifth main capacitive element located in the first quadrant of the XY coordinate system, a sixth main capacitive element located in the second quadrant of the XY coordinate system, and a second subcapacitor element. And a fourth sub-capacitor element,
The fourth sensor includes a seventh main capacitive element located in the fourth quadrant of the XY coordinate system, an eighth main capacitive element located in the third quadrant of the XY coordinate system, and a first sub-capacitive element. A third sub-capacitor element,
Further comprising a detection circuit for detecting a predetermined direction component of the force acting on the force receiving body based on a capacitance value of each capacitive element;
When a moment Mx around the X-axis acts on the force receiving body, the absolute value of the change in the capacitance value generated in the first main capacitive element and the capacitance generated in the first sub-capacitance element The absolute value of the change in value becomes equal, and the absolute value of the change in capacitance value generated in the second main capacitive element and the change in the capacitance value generated in the second sub-capacitance element. The absolute value is equal, and the absolute value of the change in capacitance value generated in the third main capacitive element is equal to the absolute value of the change in capacitance value generated in the third sub-capacitance element. The absolute value of the change in the capacitance value generated in the fourth main capacitive element is equal to the absolute value of the change in the capacitance value generated in the fourth sub-capacitance element,
When a moment My around the Y-axis acts on the force receiving body, the absolute value of the change in the capacitance value generated in the fifth main capacitive element and the capacitance generated in the fifth sub-capacitance element The absolute value of the change in the value becomes equal, and the absolute value of the change in the capacitance value generated in the sixth main capacitive element and the change in the capacitance value generated in the sixth sub-capacitance element. The absolute value is equal, and the absolute value of the change in capacitance value that occurs in the seventh main capacitance element is equal to the absolute value of the change in capacitance value that occurs in the seventh subcapacitance element. And the absolute value of the change in capacitance value generated in the eighth main capacitive element is equal to the absolute value of the change in capacitance value generated in the eighth sub-capacitance element. A capacitive element is constructed,
The detection circuit has a capacitance value of the first main capacitance element as C1, a capacitance value of the first sub capacitance element as D1, a capacitance value of the second main capacitance element as C2, The capacitance value of the second sub-capacitance element is D2, the capacitance value of the third main capacitance element is C3, the capacitance value of the third sub-capacitance element is D3, and the fourth main capacitance element is D4. The capacitance value of the capacitive element is C4, the capacitance value of the fourth sub-capacitance element is D4, the capacitance value of the fifth main capacitance element is C5, and the capacitance of the fifth sub-capacitance element. The capacitance value is D5, the capacitance value of the sixth main capacitance element is C6, the capacitance value of the sixth sub capacitance element is D6, and the capacitance value of the seventh main capacitance element is C7, When the capacitance value of the seventh sub-capacitance element is D7, the capacitance value of the eighth main capacitance element is C8, and the capacitance value of the eighth sub-capacitance element is D8. ,
Y-axis direction component Fy of the force acting on the force receiving member is
Fy = (C1 + D1) − (C2 + D2) + (C3 + D3) − (C4 + D4)
Using an arithmetic expression
X-axis direction component Fx of the force acting on the force receiving body,
Fx = (C5 + D5)-(C6 + D6) + (C7 + D7)-(C8 + D8)
A force detection device characterized in that the force detection device is obtained using an arithmetic expression.
請求項7に記載の力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のY軸まわりのモーメント成分Myを、
My=(C1+D1)+(C2+D2)−(C3+D3)−(C4+D4)
なる演算式を利用して求め、受力体に作用した力のX軸まわりのモーメント成分Mxを、
Mx=−(C5+D5)−(C6+D6)+(C7+D7)+(C8+D8)
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 7,
The detection circuit further detects a moment component My around the Y axis of the force acting on the power receiving body.
My = (C1 + D1) + (C2 + D2)-(C3 + D3)-(C4 + D4)
The moment component Mx around the X axis of the force acting on the force receiving body is calculated using the following equation:
Mx = − (C5 + D5) − (C6 + D6) + (C7 + D7) + (C8 + D8)
A force detection device characterized in that the force detection device is obtained using an arithmetic expression.
請求項7または8に記載の力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のZ軸方向成分Fzを、
Fz=−((C1+D1)+(C2+D2)+(C3+D3)+(C4+D4)+(C5+D5)+(C6+D6)+(C7+D7)+(C8+D8))
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 7 or 8,
The detection circuit further includes a Z-axis direction component Fz of the force acting on the power receiving body,
Fz = − ((C1 + D1) + (C2 + D2) + (C3 + D3) + (C4 + D4) + (C5 + D5) + (C6 + D6) + (C7 + D7) + (C8 + D8))
A force detection device characterized in that the force detection device is obtained using an arithmetic expression.
請求項7〜9のいずれかに記載の力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のZ軸まわりのモーメント成分Mzを、
Mz=(C1+D1)−(C2+D2)−(C3+D3)+(C4+D4)−(C5+D5)+(C6+D6)+(C7+D7)−(C8+D8)
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
In the force detection device according to any one of claims 7 to 9,
The detection circuit further detects a moment component Mz around the Z-axis of the force acting on the power receiving body.
Mz = (C1 + D1)-(C2 + D2)-(C3 + D3) + (C4 + D4)-(C5 + D5) + (C6 + D6) + (C7 + D7)-(C8 + D8)
A force detection device characterized in that the force detection device is obtained using an arithmetic expression.
請求項7〜10のいずれかに記載の力検出装置において、
第1の主容量素子と第1の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第2の主容量素子と第2の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第3の主容量素子と第3の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第4の主容量素子と第4の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第5の主容量素子と第5の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第6の主容量素子と第6の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第7の主容量素子と第7の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第8の主容量素子と第8の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、を更に備え、
検出回路が、前記第1の主容量素子と前記第1の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C1+D1」の値として用い、前記第2の主容量素子と前記第2の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C2+D2」の値として用い、前記第3の主容量素子と前記第3の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C3+D3」の値として用い、前記第4の主容量素子と前記第4の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C4+D4」の値として用い、前記第5の主容量素子と前記第5の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C5+D5」の値として用い、前記第6の主容量素子と前記第6の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C6+D6」の値として用い、前記第7の主容量素子と前記第7の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C7+D7」の値として用い、前記第8の主容量素子と前記第8の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「C8+D8」の値として用いることを特徴とする力検出装置。
In the force detection apparatus in any one of Claims 7-10,
Wiring for connecting the first main capacitive element and the first sub-capacitor in parallel with each other; wiring for connecting the second main capacitive element and the second sub-capacitor in parallel with each other; Wiring for connecting the third main capacitive element and the third sub-capacitor in parallel with each other; wiring for connecting the fourth main capacitive element and the fourth sub-capacitor in parallel with each other; Wiring for connecting the fifth main capacitive element and the fifth sub-capacitor in parallel with each other; wiring for connecting the sixth main capacitive element and the sixth sub-capacitor in parallel with each other; Wiring for connecting the seventh main capacitance element and the seventh subcapacitance element in parallel with each other; wiring for connecting the eighth main capacitance element and the eighth subcapacitance element in parallel with each other; Further comprising
The detection circuit uses, as the value of “C1 + D1”, a capacitance value of a combined capacitive element configured by parallel connection of the first main capacitive element and the first subcapacitor element, and the second main capacitance A capacitance value of a composite capacitive element configured by parallel connection of an element and the second sub-capacitance element is used as a value of “C2 + D2”, and the third main capacitive element, the third sub-capacitance element, The combined capacitance element configured by parallel connection of the fourth main capacitance element and the fourth subcapacitance element, using the capacitance value of the combined capacitance element configured by the parallel connection of “C3 + D3” as the value Is used as the value of “C4 + D4”, and the capacitance value of the combined capacitive element formed by parallel connection of the fifth main capacitive element and the fifth sub-capacitance element is “C5 + D5”. The sixth main content used as a value A capacitance value of a composite capacitive element configured by parallel connection of an element and the sixth sub-capacitance element is used as a value of “C6 + D6”, and the seventh main capacitive element, the seventh sub-capacitance element, The combined capacitance element configured by parallel connection of the eighth main capacitance element and the eighth subcapacitance element, using the capacitance value of the combined capacitance element configured by the parallel connection of “8” as the value of “C7 + D7” The force detection device using the capacitance value of “C8 + D8”.
請求項7〜11のいずれかに記載の力検出装置において、
4本の柱状体が、同一形状および同一サイズの構造体によって構成されており、かつ、これら4本の柱状体の配置パターンが、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっていることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to any one of claims 7 to 11,
The four columnar bodies are composed of structures of the same shape and the same size, and the arrangement pattern of these four columnar bodies is plane-symmetric with respect to both the XZ plane and the YZ plane. A force detection device characterized by.
請求項12に記載の力検出装置において、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が、同一のセンサを構成する複数の容量素子についての共通電極として機能することを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 12,
Each of the lower end thin portions is made of a conductive material, and the lower end thin portions themselves function as a common electrode for a plurality of capacitive elements constituting the same sensor.
請求項13に記載の力検出装置において、
第1〜第8の主容量素子を構成する支持基板側の8枚の電極が、同一形状および同一サイズの電極によって構成されており、かつ、これら8枚の電極の配置パターンが、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっていることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 13,
The eight electrodes on the support substrate side constituting the first to eighth main capacitive elements are constituted by electrodes of the same shape and the same size, and the arrangement pattern of these eight electrodes is an XZ plane and A force detection device characterized by being symmetrical with respect to both YZ planes.
請求項14に記載の力検出装置において、
第1および第2の主容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第1の柱状体の中心軸を中心にして配置された第1の環状帯をX軸に沿って切断して得られる2枚の電極によって構成され、
第3および第4の主容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第2の柱状体の中心軸を中心にして配置された第2の環状帯をX軸に沿って切断して得られる2枚の電極によって構成され、
第5および第6の主容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第3の柱状体の中心軸を中心にして配置された第3の環状帯をY軸に沿って切断して得られる2枚の電極によって構成され、
第7および第8の主容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第4の柱状体の中心軸を中心にして配置された第4の環状帯をY軸に沿って切断して得られる2枚の電極によって構成され、
第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、前記第1の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、前記第2の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、前記第3の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、前記第4の環状帯によって囲まれた内側領域に配置されていることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 14, wherein
The two electrodes on the support substrate side constituting the first and second main capacitive elements cut the first annular band disposed around the central axis of the first columnar body along the X axis. Composed of two electrodes obtained by
The two electrodes on the support substrate side constituting the third and fourth main capacitive elements cut the second annular band disposed around the central axis of the second columnar body along the X axis. Composed of two electrodes obtained by
Two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and sixth main capacitive elements cut the third annular band arranged around the central axis of the third columnar body along the Y axis. Composed of two electrodes obtained by
The four electrodes on the support substrate side constituting the seventh and eighth main capacitive elements cut the fourth annular band arranged around the central axis of the fourth columnar body along the Y axis. Composed of two electrodes obtained by
Two electrodes on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements are arranged in an inner region surrounded by the first annular band,
Two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements are arranged in an inner region surrounded by the second annular band,
Two electrodes on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements are arranged in an inner region surrounded by the third annular band,
A force detection device, wherein two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements are arranged in an inner region surrounded by the fourth annular band.
請求項15に記載の力検出装置において、
各柱状体が円柱状構造体からなり、各下端側肉薄部が円盤状構造体からなり、各環状帯が円環状構造体からなることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 15,
A force detection device characterized in that each columnar body is formed of a cylindrical structure, each lower end thin portion is formed of a disk-shaped structure, and each annular band is formed of an annular structure.
請求項16に記載の力検出装置において、
第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成されていることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 16, wherein
Of the two electrodes on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements, one is constituted by an electrode having an annular shape, and the other is constituted by an electrode disposed in the inner region thereof,
Of the two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements, one is constituted by an electrode having an annular shape, and the other is constituted by an electrode arranged in the inner region thereof,
Of the two electrodes on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements, one is constituted by an electrode having an annular shape, and the other is constituted by an electrode arranged in the inner region thereof,
Of the two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements, one is constituted by an electrode having an annular shape, and the other is constituted by an electrode disposed in the inner region. A force detection device characterized by that.
請求項16に記載の力検出装置において、
第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第1の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、X軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成され、
第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第2の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、X軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成され、
第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第3の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Y軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成され、
第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第4の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Y軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成されていることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 16, wherein
2 obtained by cutting, along the X-axis, a disk in which two electrodes on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the first columnar body. Composed of a semicircular electrode,
2 obtained by cutting, along the X-axis, a disk in which two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the second columnar body. Composed of a semicircular electrode,
2 obtained by cutting, along the Y-axis, a disk in which two electrodes on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the third columnar body. Composed of a semicircular electrode,
2 obtained by cutting, along the Y-axis, a disk in which two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the fourth columnar body. A force detection device comprising a plurality of semicircular electrodes.
請求項16に記載の力検出装置において、
第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第1の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りY軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成され、
第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第2の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りY軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成され、
第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第3の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りX軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成され、
第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極が、第4の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りX軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる2枚の半円状電極によって構成されていることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 16, wherein
Reference is made to a disk in which the two electrodes on the supporting substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the first columnar body, passing through the central point and parallel to the Y axis It is composed of two semicircular electrodes obtained by cutting along the axis,
Reference is made to a disk in which the two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the second columnar body, passing through the central point and parallel to the Y axis It is composed of two semicircular electrodes obtained by cutting along the axis,
Reference is made to a disk in which the two electrodes on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the third columnar body, passing through the central point and parallel to the X axis It is composed of two semicircular electrodes obtained by cutting along the axis,
Reference is made to a disk in which the two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements are arranged around the central axis of the fourth columnar body, passing through the central point and parallel to the X axis A force detection device comprising two semicircular electrodes obtained by cutting along an axis.
請求項14〜16のいずれかに記載の力検出装置において、
第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第1の柱状体の中心軸を含みYZ平面に平行な参照面と、XZ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第2の柱状体の中心軸を含みYZ平面に平行な参照面と、XZ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第3の柱状体の中心軸を含みXZ平面に平行な参照面と、YZ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第4の柱状体の中心軸を含みXZ平面に平行な参照面と、YZ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなすことを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to any one of claims 14 to 16,
Both the two electrodes on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements are both related to the reference plane including the central axis of the first columnar body and parallel to the YZ plane, and the XZ plane. A shape that is plane symmetric,
Both the two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements are both related to the reference plane including the central axis of the second columnar body and parallel to the YZ plane, and the XZ plane. A shape that is plane symmetric,
Both the two electrodes on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements are both related to the reference plane including the central axis of the third columnar body and parallel to the XZ plane, and the YZ plane. A shape that is plane symmetric,
Both the two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements are both related to the reference plane including the central axis of the fourth columnar body and parallel to the XZ plane, and the YZ plane. A force detection device characterized by having a shape that is plane-symmetric.
請求項14〜16のいずれかに記載の力検出装置において、
第6および第8の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第1の柱状体の中心軸を含みYZ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第5および第7の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第2の柱状体の中心軸を含みYZ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第2および第4の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第3の柱状体の中心軸を含みXZ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第1および第3の副容量素子を構成する支持基板側の2枚の電極がいずれも、第4の柱状体の中心軸を含みXZ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなすことを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to any one of claims 14 to 16,
Each of the two electrodes on the support substrate side constituting the sixth and eighth sub-capacitance elements has a shape that is plane-symmetric with respect to a reference plane that includes the central axis of the first columnar body and is parallel to the YZ plane. ,
Each of the two electrodes on the support substrate side constituting the fifth and seventh sub-capacitance elements has a shape that is plane-symmetric with respect to a reference plane that includes the central axis of the second columnar body and is parallel to the YZ plane. ,
Each of the two electrodes on the support substrate side constituting the second and fourth sub-capacitance elements has a shape that is plane-symmetric with respect to a reference plane that includes the central axis of the third columnar body and is parallel to the XZ plane. ,
Both of the two electrodes on the support substrate side constituting the first and third sub-capacitance elements have a shape that is plane-symmetric with respect to a reference plane that includes the central axis of the fourth columnar body and is parallel to the XZ plane. A force detection device characterized by that.
請求項1〜21のいずれかに記載の力検出装置において、
主容量素子を構成する電極の面積と、これに対応する副容量素子を構成する電極の面積との比が、受力体にX軸まわりのモーメントMxもしくはY軸まわりのモーメントMyが作用した場合に、前記主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるような面積比に設定されていることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to any one of claims 1 to 21,
When the ratio of the area of the electrode constituting the main capacitive element and the area of the electrode constituting the sub-capacitor corresponding thereto is the moment Mx around the X axis or the moment My around the Y axis acting on the force receiving body In addition, the area ratio is set such that the absolute value of the change in capacitance value generated in the main capacitive element is equal to the absolute value of the change in capacitance value generated in the sub-capacitance element. A force detection device characterized by.
請求項1〜22のいずれかに記載の力検出装置において、
4本の柱状体の各上端を受力体に接続するための可撓性をもった部材として、その周囲が前記受力体に接続され、その下面中心部が前記柱状体の上端に接続された上端側肉薄部が設けられていることを特徴とする力検出装置。
In the force detection device according to any one of claims 1 to 22,
As a flexible member for connecting each upper end of the four columnar bodies to the power receiving body, the periphery thereof is connected to the power receiving body, and the center portion of the lower surface is connected to the upper end of the columnar body. A force detecting device provided with a thin upper end side thin portion.
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