JP5764428B2 - Force detection device - Google Patents

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Description

本発明は、力やモーメントを検出する力検出装置に関し、特に入力状態に応じた静電容量の変化に基づいて力を検出する力検出装置に関する。   The present invention relates to a force detection device that detects a force and a moment, and more particularly to a force detection device that detects a force based on a change in capacitance according to an input state.

従来、携帯電話やゲーム機等の電子機器に組み込まれる入力装置や、ロボットの制御に用いられる力覚センサや触覚センサとして、各種の力検出装置が使用されている。このような力検出装置の一種として、固定電極と可動電極の間における静電容量の変化によって力を検出する静電容量式の力検出装置がある（例えば、特許文献１または２参照）。   Conventionally, various force detection devices have been used as input devices incorporated in electronic devices such as mobile phones and game machines, and force sensors and tactile sensors used for robot control. As one type of such a force detection device, there is a capacitance-type force detection device that detects a force by a change in capacitance between a fixed electrode and a movable electrode (see, for example, Patent Document 1 or 2).

近年では、携帯電話や携帯ゲーム機が幅広く普及すると共に、一層の小型化および複雑化を遂げており、入力装置として組み込まれる力検出装置に対しても、コストダウンと共にさらなる小型化・薄型化が求められている。また、ロボットの分野においては、高精度な制御を行ってロボットの汎用性を高めるべく、多数の力検出装置が従来以上に様々な部位に力覚センサとして配置されるようになっており、特にハンド部に配置される触覚センサとして使用される力検出装置については、より高性能且つ小型化・薄型化されたものが望まれている。   In recent years, mobile phones and portable game machines have become widespread, and further miniaturization and complexity have been achieved. For force detection devices incorporated as input devices, further downsizing and thinning have been achieved along with cost reduction. It has been demanded. In the field of robots, in order to perform high-precision control and increase the versatility of the robot, a large number of force detection devices are arranged as force sensors in various parts more than before. As for the force detection device used as a tactile sensor arranged in the hand portion, a device with higher performance, smaller size and thinner thickness is desired.

特開２００５−３８６２３号公報JP 2005-38623 A 特開２００４−３５４０４９号公報JP 2004-354049 A

このような力検出センサは、三次元座標におけるｘ、ｙ、ｚの各方向の力（分力）を検出可能に構成されているものが汎用性の観点からは望ましい。しかしながら、一般的に入力装置として使用される力検出装置は、上記特許文献１に記載されているように、所定の面に対する垂直方向（ｚ方向）の押し込み位置によって水平方向（ｘ、ｙ方向）の操作方向を指示するように構成されており、ｘ、ｙ、ｚ方向の力をそれぞれ検出するようには構成されていないため、汎用性に乏しいという問題があった。   It is desirable from the viewpoint of versatility that such a force detection sensor is configured to be able to detect forces (component forces) in the x, y, and z directions in three-dimensional coordinates. However, a force detection device that is generally used as an input device has a horizontal direction (x, y direction) depending on a pushing position in a vertical direction (z direction) with respect to a predetermined surface, as described in Patent Document 1 above. The operation direction is indicated, and the force in the x, y, and z directions is not detected, so that there is a problem that the versatility is poor.

一方、上記特許文献２に記載されているように、ｘ、ｙ、ｚの各方向の力に加え、さらにｘ、ｙ、ｚ軸周りのモーメントを検出可能に構成された力検出装置も存在している。しかしながら、上記特許文献２に記載の力検出装置は、金属やセラミックス等の材質を組み合わせて構成されると共に、複数の肉薄部およびダイアフラム、ならびに肉薄部とダイアフラムを繋ぐ柱状の力伝達体を備える複雑な構造を有しているため、製造コストが高いだけではなく、小型化・薄型化が難しいという問題があった。   On the other hand, as described in Patent Document 2, there is also a force detection device configured to be able to detect moments around the x, y, and z axes in addition to forces in the x, y, and z directions. ing. However, the force detection device described in Patent Document 2 is configured by combining materials such as metal and ceramics, and includes a plurality of thin portions and diaphragms, and a columnar force transmission body that connects the thin portions and the diaphragms. Due to this structure, there is a problem that not only the manufacturing cost is high, but also it is difficult to reduce the size and thickness.

さらに、上記特許文献２に記載の力検出装置では、耐荷重性が肉薄部およびダイアフラム部の強度によって決まるため、強度および耐久性を高めるためには、さらに強度メンバーを追加する等、より一層複雑な構造とならざるを得ないという問題があった。   Furthermore, in the force detection device described in Patent Document 2, the load resistance is determined by the strength of the thin portion and the diaphragm portion. Therefore, in order to increase the strength and durability, an additional strength member is added. There was a problem that it had to be a simple structure.

本発明は、斯かる実情に鑑み、簡素且つ安価な構成で小型化・薄型化が容易でありながらも汎用性の高い力検出装置を提供しようとするものである。   In view of such circumstances, the present invention is intended to provide a force detection device having high versatility while being easily reduced in size and thickness with a simple and inexpensive configuration.

（１）本発明は、静電容量検出用の固定電極と、前記固定電極に対向して配置される可動電極と、前記固定電極と前記可動電極の間において前記可動電極と略接触した状態で配置される絶縁層と、前記可動電極を前記絶縁層に沿って移動または回転可能に支持する支持部と、を備え、前記可動電極および前記支持部は、導電性弾性材料により一体的に構成されることを特徴とする、力検出装置である。 (1) The present invention provides a fixed electrode for detecting capacitance, a movable electrode disposed to face the fixed electrode, and in a state of being substantially in contact with the movable electrode between the fixed electrode and the movable electrode. An insulating layer to be disposed; and a support portion that supports the movable electrode so as to move or rotate along the insulating layer. The movable electrode and the support portion are integrally formed of a conductive elastic material. characterized in that that a force detection device.

（２）本発明はまた、前記可動電極は、前記絶縁層と略接触する面が異なる材質から構成されることを特徴とする、上記（１）に記載の力検出装置である。 ( 2 ) The present invention is also the force detection device according to (1) above, wherein the movable electrode is made of a material having a surface substantially in contact with the insulating layer.

（３）本発明はまた、前記可動電極は、前記支持部が接続される基部と、前記絶縁層に向けて前記基部から突設され、先端面が前記絶縁層に略接触する突出部と、を有することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の力検出装置である。 ( 3 ) In the present invention, the movable electrode may include a base portion to which the support portion is connected, a protruding portion that protrudes from the base portion toward the insulating layer, and a tip surface that substantially contacts the insulating layer; The force detection device according to (1) or (2) above, characterized by comprising:

（４）本発明はまた、前記突出部は、前記先端面の一部が前記固定電極の一部と重なるように配置されることを特徴とする、上記（３）に記載の力検出装置である。 ( 4 ) The present invention is also the force detection device according to ( 3 ), wherein the protrusion is arranged such that a part of the tip surface overlaps a part of the fixed electrode. is there.

（５）本発明はまた、前記可動電極は、前記絶縁層に向けて前記基部から突設され、先端部が前記絶縁層に固定される補助支持部を有することを特徴とする、上記（３）または（４）に記載の力検出装置である。 (5) The present invention also relates to the movable electrode, the protruding from the base portion toward the insulating layer, and having an auxiliary supporting portion tip end portion is fixed to the insulating layer, the (3 ) Or ( 4 ).

（６）本発明はまた、前記補助支持部は、前記可動電極の略中央に設けられることを特徴とする、上記（５）に記載の力検出装置である。 ( 6 ) The present invention is also the force detection device according to ( 5 ), wherein the auxiliary support portion is provided at a substantially center of the movable electrode.

（７）本発明はまた、前記基部は、入力により変形して前記固定電極までの距離が変化する変位部を有することを特徴とする、上記（３）乃至（６）のいずれかに記載の力検出装置である。 ( 7 ) According to the present invention, in any one of the above ( 3 ) to ( 6 ), the base portion includes a displacement portion that is deformed by an input and changes a distance to the fixed electrode. It is a force detection device.

（８）本発明はまた、複数の前記固定電極と、前記複数の固定電極に対応して設けられる複数の前記突出部と、を備えることを特徴とする、上記（３）乃至（７）のいずれかに記載の力検出装置である。 ( 8 ) The present invention also includes a plurality of the fixed electrodes and a plurality of the protrusions provided corresponding to the plurality of fixed electrodes, according to the above ( 3 ) to ( 7 ), The force detection device according to any one of the above.

（９）本発明はまた、前記突出部は、円筒状に構成され、前記先端面には、複数の溝が半径方向に形成されることを特徴とする、上記（３）乃至（７）のいずれかに記載の力検出装置である。 ( 9 ) According to the present invention, in the above ( 3 ) to ( 7 ), the protrusion is configured in a cylindrical shape, and a plurality of grooves are formed in the distal end surface in the radial direction. The force detection device according to any one of the above.

（１０）本発明はまた、前記固定電極は、円周上に複数配置されると共に、互いの間隔が前記円周の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成されることを特徴とする、上記（１）乃至（９）のいずれかに記載の力検出装置である。 ( 10 ) The present invention is also characterized in that a plurality of the fixed electrodes are arranged on the circumference, and the distance between them is gradually enlarged toward the inside in the radial direction of the circumference. The force detection device according to any one of (1) to ( 9 ).

（１１）本発明はまた、前記固定電極は、円周上に複数配置され、前記可動電極は、互いに隣り合う２つの前記固定電極からなる１組の固定電極ごとに設けられる複数の前記突出部を有し、前記突出部は、前記１組の固定電極に含まれる２つの前記固定電極に前記先端面が跨るように配置されることを特徴とする、上記（３）乃至（７）のいずれかに記載の力検出装置である。 ( 11 ) In the present invention, a plurality of the fixed electrodes may be arranged on a circumference, and the movable electrode may be provided for each set of the fixed electrodes including the two fixed electrodes adjacent to each other. Any one of the above ( 3 ) to ( 7 ), wherein the projecting portion is arranged so that the tip end surface straddles the two fixed electrodes included in the one set of fixed electrodes It is the force detection apparatus of crab.

（１２）本発明はまた、前記固定電極は、第１の円周上に複数配置されると共に、前記第１の円周と同心円である第２の円周上に複数配置され、前記可動電極は、前記第１の円周上において互いに隣り合う２つの前記固定電極、および前記第２の円周上の１つの前記固定電極からなる１組の固定電極ごとに設けられる複数の突出部を有し、前記突出部は、前記１組の固定電極に含まれる３つの固定電極に前記先端面が跨るように配置されることを特徴とする、上記（３）乃至（７）のいずれかに記載の力検出装置である。 ( 12 ) In the present invention, a plurality of the fixed electrodes are arranged on the first circumference, and a plurality of the fixed electrodes are arranged on a second circumference that is concentric with the first circumference. Has a plurality of protrusions provided for each set of fixed electrodes including the two fixed electrodes adjacent to each other on the first circumference and the one fixed electrode on the second circumference. The projecting portion is arranged such that the tip end surface straddles three fixed electrodes included in the one set of fixed electrodes, according to any one of the above ( 3 ) to ( 7 ). This is a force detection device.

（１３）本発明はまた、前記第２の円周上の前記固定電極は、互いの間隔が前記第２の円周の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成されることを特徴とする、上記（１２）に記載の力検出装置である。 ( 13 ) The present invention is also characterized in that the fixed electrodes on the second circumference are configured so that their distances gradually increase toward the inside in the radial direction of the second circumference. The force detection device according to ( 12 ) above.

（１４）本発明はまた、前記固定電極は、第１の円周上に複数配置されると共に、前記第１の円周と同心円である第２の円周上に複数配置され、前記可動電極は、前記第１の円周上において互いに隣り合う２つの前記固定電極からなる１組の固定電極ごとに設けられ、前記１組の固定電極に含まれる２つの固定電極に前記先端面が跨るように配置される複数の突出部と、前記第２の円周上に配置された前記固定電極に対応して設けられ、入力により変形して対応する前記固定電極までの距離が変化する複数の変位部と、を有することを特徴とする、上記（７）に記載の力検出装置である。 ( 14 ) In the present invention, a plurality of the fixed electrodes are arranged on a first circumference, and a plurality of the fixed electrodes are arranged on a second circumference that is concentric with the first circumference, and the movable electrode Is provided for each set of fixed electrodes composed of the two fixed electrodes adjacent to each other on the first circumference, and the tip end surface extends over the two fixed electrodes included in the set of fixed electrodes. And a plurality of displacements provided corresponding to the fixed electrodes arranged on the second circumference and deformed by input to change the distance to the corresponding fixed electrodes. And the force detecting device according to ( 7 ) above.

（１５）本発明はまた、前記支持部は、基板に固定される固定部と、前記固定部と前記可動電極を繋ぐと共に前記可動電極の移動または回転に伴って変形する変形部と、を有することを特徴とする、上記（１）乃至（１４）のいずれかに記載の力検出装置である。 ( 15 ) In the present invention, the support portion may include a fixed portion fixed to a substrate, and a deformable portion that connects the fixed portion and the movable electrode and deforms as the movable electrode moves or rotates. The force detection device according to any one of the above (1) to ( 14 ).

（１６）本発明はまた、前記固定部は、前記可動電極の外周を囲むように形成され、前記可動電極の移動範囲を制限するストッパとして兼用されることを特徴とする、上記（１５）に記載の力検出装置である。 ( 16 ) In the above ( 15 ), the fixed portion is formed so as to surround an outer periphery of the movable electrode, and is also used as a stopper for limiting a moving range of the movable electrode. It is a force detection apparatus of description.

（１７）本発明はまた、静電容量検出用の固定電極と、前記固定電極に対向して配置される可動電極と、前記固定電極と前記可動電極の間において前記可動電極に設けられ、前記固定電極と略接触した状態で配置される絶縁層と、前記可動電極を前記固定電極の前記絶縁層と略接触する面に沿って移動または回転可能に支持する支持部と、を備え、前記可動電極および前記支持部は、導電性弾性材料により一体的に構成されることを特徴とする、力検出装置である。 ( 17 ) The present invention is also provided in the movable electrode between the fixed electrode and the movable electrode, the fixed electrode for capacitance detection, the movable electrode disposed to face the fixed electrode, comprising an insulating layer disposed in a fixed electrode and a state of being substantially in contact, and a support portion to move or rotatably support the insulating layer and along a plane substantially contact of the movable electrode the fixed electrode, the movable An electrode and the said support part are force detection apparatuses characterized by being comprised integrally by a conductive elastic material .

本発明に係る力検出装置によれば、簡素且つ安価な構成で小型化・薄型化が容易でありながらも、汎用性が高いという優れた効果を奏し得る。   According to the force detection device of the present invention, it is possible to achieve an excellent effect of high versatility while being easy to reduce in size and thickness with a simple and inexpensive configuration.

（ａ）第１の実施形態に係る力検出装置の平面図である。（ｂ）同力検出装置の正面図である。（ｃ）同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。(A) It is a top view of the force detection apparatus which concerns on 1st Embodiment. (B) It is a front view of the same force detection apparatus. (C) It is the sectional view on the AA line of the figure (a). （ａ）基板の平面図である。（ｂ）基板の正面図である。（ｃ）基板の底面図である。(A) It is a top view of a board | substrate. (B) It is a front view of a board | substrate. (C) It is a bottom view of a board | substrate. （ａ）受力体の平面図である。（ｂ）受力体の正面図（側面図）である。（ｃ）受力体の底面図である。（ｄ）同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。（ｅ）同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。(A) It is a top view of a power receiving body. (B) It is a front view (side view) of a power receiving body. (C) It is a bottom view of a power receiving body. (D) It is the BB sectional drawing of the figure (a). (E) It is the DD sectional view taken on the line of the figure (a). （ａ）〜（ｄ）力検出装置が力を受けた状態を示した図である。(A)-(d) It is the figure which showed the state in which the force detection apparatus received force. 力検出装置が受けた力を検出するための回路を示した図である。It is the figure which showed the circuit for detecting the force which the force detection apparatus received. （ａ）〜（ｃ）ｘｙ用電極のその他の形態の例を示した底面図である。(A)-(c) It is the bottom view which showed the example of the other form of the electrode for xy. （ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。(A)-(d) It is the figure which showed the example of the other form of a power receiving body. （ａ）〜（ｅ）受力体のその他の形態の例を示した図である。(A)-(e) It is the figure which showed the example of the other form of a power receiving body. （ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。(A)-(d) It is the figure which showed the example of the other form of a power receiving body. （ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。(A)-(d) It is the figure which showed the example of the other form of a power receiving body. （ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。(A)-(d) It is the figure which showed the example of the other form of a power receiving body. （ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。(A)-(d) It is the figure which showed the example of the other form of a power receiving body. （ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。(A)-(d) It is the figure which showed the example of the other form of a power receiving body. （ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。(A)-(d) It is the figure which showed the example of the other form of a power receiving body. （ａ）〜（ｃ）絶縁層を可動電極に設けるようにした場合の一例を示した図である。(A)-(c) It is the figure which showed an example at the time of providing an insulating layer in a movable electrode. （ａ）第２の実施形態に係る力検出装置の平面図である。（ｂ）同力検出装置の正面図である。（ｃ）同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。(A) It is a top view of the force detection apparatus which concerns on 2nd Embodiment. (B) It is a front view of the same force detection apparatus. (C) It is the sectional view on the AA line of the figure (a). （ａ）第２の実施形態の基板の平面図である。（ｂ）同基板の正面図である。（ｃ）同基板の底面図である。(A) It is a top view of the board | substrate of 2nd Embodiment. (B) It is a front view of the board | substrate. (C) It is a bottom view of the substrate. （ａ）第２の実施形態の受力体の平面図である。（ｂ）同受力体の正面図（側面図）である。（ｃ）同受力体の底面図である。（ｄ）同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。（ｅ）同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。(A) It is a top view of the power receiving body of 2nd Embodiment. (B) It is a front view (side view) of the power receiving body. (C) It is a bottom view of the power receiving body. (D) It is the BB sectional drawing of the figure (a). (E) It is the DD sectional view taken on the line of the figure (a). （ａ）〜（ｃ）力検出装置がｚ軸周りのモーメントを受けた状態を示した図である。(A)-(c) It is the figure which showed the state in which the force detection apparatus received the moment around az axis. （ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。(A)-(d) It is the figure which showed the example of the other form of a power receiving body. （ａ）第３の実施形態に係る力検出装置の平面図である。（ｂ）同力検出装置の正面図である。（ｃ）同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。(A) It is a top view of the force detection apparatus which concerns on 3rd Embodiment. (B) It is a front view of the same force detection apparatus. (C) It is the sectional view on the AA line of the figure (a). （ａ）第３の実施形態の基板の平面図である。（ｂ）同基板の正面図である。（ｃ）同基板の底面図である。(A) It is a top view of the board | substrate of 3rd Embodiment. (B) It is a front view of the board | substrate. (C) It is a bottom view of the substrate. （ａ）第３の実施形態の受力体の平面図である。（ｂ）は、同受力体の正面図（側面図）である。（ｃ）同受力体の底面図である。（ｄ）同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。（ｅ）同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。(A) It is a top view of the power receiving body of 3rd Embodiment. (B) is a front view (side view) of the power receiving body. (C) It is a bottom view of the power receiving body. (D) It is the BB sectional drawing of the figure (a). (E) It is the DD sectional view taken on the line of the figure (a). （ａ）力検出装置がｘ−ｙ平面内の力を受けた状態を示した図である。（ｂ）力検出装置がｚ軸周りのモーメントを受けた状態を示した図である。(A) It is the figure which showed the state in which the force detection apparatus received the force in an xy plane. (B) It is the figure which showed the state in which the force detection apparatus received the moment around az axis. （ａ）第４の実施形態に係る力検出装置の平面図である。（ｂ）同力検出装置の正面図である。（ｃ）同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。(A) It is a top view of the force detection apparatus which concerns on 4th Embodiment. (B) It is a front view of the same force detection apparatus. (C) It is the sectional view on the AA line of the figure (a). （ａ）第４の実施形態の基板の平面図である。（ｂ）同基板の正面図である。（ｃ）同基板の底面図である。(A) It is a top view of the board | substrate of 4th Embodiment. (B) It is a front view of the board | substrate. (C) It is a bottom view of the substrate. （ａ）第４の実施形態の受力体の平面図である。（ｂ）同受力体の正面図（側面図）である。（ｃ）同受力体の底面図である。（ｄ）同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。（ｅ）同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。(A) It is a top view of the power receiving body of 4th Embodiment. (B) It is a front view (side view) of the power receiving body. (C) It is a bottom view of the power receiving body. (D) It is the BB sectional drawing of the figure (a). (E) It is the DD sectional view taken on the line of the figure (a). （ａ）力検出装置がｚ軸周りのモーメントを受けた状態を示した図である。（ｂ）力検出装置がｘ軸周りのモーメントを受けた状態を示した図である。(A) It is the figure which showed the state which the force detection apparatus received the moment around az axis. (B) It is the figure which showed the state in which the force detection apparatus received the moment around an x-axis.

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

＜第１の実施形態＞
まず、本発明の第１の実施形態に係る力検出装置１について説明する。 <First Embodiment>
First, the force detection device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described.

図１（ａ）は、力検出装置１の平面図であり、同図（ｂ）は、力検出装置１の正面図であり、同図（ｃ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。これらの図に示されるように、力検出装置１は、矩形板状の基板１０、および基板１０の一方の面に固定される受力体２０から構成されており、基板１０に形成された固定電極３０と受力体２０が備える可動電極２２の間の静電容量の変化に基づいて入力された力を検出するものである。   FIG. 1A is a plan view of the force detection device 1, FIG. 1B is a front view of the force detection device 1, and FIG. 1C is an AA view of FIG. It is line sectional drawing. As shown in these drawings, the force detection device 1 is composed of a rectangular plate-like substrate 10 and a force receiving body 20 fixed to one surface of the substrate 10, and a fixing formed on the substrate 10. The input force is detected based on a change in capacitance between the electrode 30 and the movable electrode 22 included in the force receiving body 20.

なお、以下の説明では、基板１０の幅方向をｘ方向、基板１０の長手方向をｙ方向、基板１０の面に直交する方向をｚ方向とする。また、ｚ方向を垂直方向とし、基板１０の上面１０ａに受力体２０が固定されているものとして説明するが、力検出装置１の姿勢がこの状態に限定されないことは言うまでもない。   In the following description, the width direction of the substrate 10 is the x direction, the longitudinal direction of the substrate 10 is the y direction, and the direction orthogonal to the surface of the substrate 10 is the z direction. Although the z direction is assumed to be a vertical direction and the force receiving body 20 is fixed to the upper surface 10a of the substrate 10, it goes without saying that the posture of the force detection device 1 is not limited to this state.

図２（ａ）は、基板１０の平面図であり、同図（ｂ）は、基板１０の正面図であり、同図（ｃ）は、基板１０の底面図である。基板１０は、例えばポリイミドやポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の薄手の樹脂フィルムから構成されている。同図（ａ）および（ｂ）に示されるように、基板１０の上面１０ａ（受力体２０が固定される面）には、円環状の接続電極３２が形成されている。また、同図（ｂ）および（ｃ）に示されるように、基板１０の底面１０ｂ（受力体２０の反対側の面）には、静電容量検出用の固定電極３０、および６つの端子電極３４が形成されている。   2A is a plan view of the substrate 10, FIG. 2B is a front view of the substrate 10, and FIG. 2C is a bottom view of the substrate 10. The substrate 10 is composed of a thin resin film such as polyimide or polyethylene terephthalate (PET). As shown in FIGS. 2A and 2B, an annular connection electrode 32 is formed on the upper surface 10a of the substrate 10 (the surface on which the force receiving body 20 is fixed). Further, as shown in FIGS. 5B and 5C, a fixed electrode 30 for detecting capacitance and six terminals are provided on the bottom surface 10b of the substrate 10 (the surface opposite to the force receiving member 20). An electrode 34 is formed.

固定電極３０は、可動電極２２との間の静電容量の変化から受力体２０が受けた力の方向および大きさを検出するためのものである。固定電極３０は、ｘ−ｙ平面内の力を検出するための４つのｘｙ用電極３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄと、ｚ方向の力を検出するためのｚ用電極３０ｅとの計５つの電極から構成されており、可動電極２２に対応する位置に形成されている。   The fixed electrode 30 is for detecting the direction and magnitude of the force received by the force receiving body 20 from the change in capacitance with the movable electrode 22. The fixed electrode 30 includes a total of five electrodes including four xy electrodes 30a, 30b, 30c, and 30d for detecting forces in the xy plane and a z electrode 30e for detecting forces in the z direction. And is formed at a position corresponding to the movable electrode 22.

４つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄは、扇形に類似した形状にそれぞれ形成されており、仮想円周Ｒ上に略対称に配置されている。より具体的には、４つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄは、仮想円周Ｒよりも大径の同心円を４分割した扇形の２つの直線部分をさらに斜めに切り欠いた形状にそれぞれ形成されており、互いの間隔が仮想円周Ｒの半径方向内側に向けて（仮想円周Ｒの中心に向けて）漸次拡大するように構成されている。ｚ用電極３０ｅは、仮想円周Ｒよりも小径の同心円状に形成されている。すなわち、ｚ用電極３０ｅは、仮想円周Ｒの中心に配置されている。   The four xy electrodes 30a to 30d are each formed in a shape similar to a fan shape, and are arranged substantially symmetrically on the virtual circumference R. More specifically, the four xy electrodes 30a to 30d are each formed in a shape in which two fan-shaped linear portions obtained by dividing a concentric circle having a diameter larger than the virtual circumference R into four parts are further obliquely cut out. The distance between each other gradually increases toward the inside in the radial direction of the virtual circumference R (towards the center of the virtual circumference R). The z electrode 30e is formed in a concentric shape having a smaller diameter than the virtual circumference R. That is, the z electrode 30e is disposed at the center of the virtual circumference R.

接続電極３２は、受力体２０と接触して可動電極２２と電気的に短絡するためのものである。接続電極３２は、受力体２０の固定位置に対応する位置に配置されると共に、受力体２０の外周形状に合わせた円環状に形成されている。なお、接続電極３２は、円環状に構成されるものではなく、受力体２０の外周形状に沿って配置した複数（例えば４つ）の点状（円形状等）に構成されるものであってもよい。６つの端子電極３４は、力検出装置１が組み込まれるホスト機器の基板に力検出装置１を電気的に接続するためのものである。６つの端子電極３４は、所定の規格等に基づいて基板１０の端部に配列されており、それぞれ図示を省略した配線によってｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄ、ｚ用電極３０ｅおよび接続電極３２に電気的に短絡されている。   The connection electrode 32 is in contact with the power receiving body 20 and is electrically short-circuited with the movable electrode 22. The connection electrode 32 is disposed at a position corresponding to the fixed position of the force receiving body 20 and is formed in an annular shape that matches the outer peripheral shape of the force receiving body 20. The connection electrode 32 is not formed in an annular shape, but is formed in a plurality of (for example, four) dot shapes (for example, a circular shape) arranged along the outer peripheral shape of the force receiving body 20. May be. The six terminal electrodes 34 are for electrically connecting the force detection device 1 to a substrate of a host device in which the force detection device 1 is incorporated. The six terminal electrodes 34 are arranged at the end of the substrate 10 based on a predetermined standard or the like, and are electrically connected to the xy electrodes 30a to 30d, the z electrode 30e, and the connection electrode 32 by wirings not shown. Is short-circuited.

なお、本実施形態では、固定電極３０、接続電極３２および端子電極３４は、基板１０上にスクリーン印刷法によって形成された銀電極から構成されているが、例えばスパッタリングにより成膜した銅やアルミの薄膜をパターニングする等、他の手法によって固定電極３０、接続電極３２および端子電極３４を形成するようにしてもよい。   In this embodiment, the fixed electrode 30, the connection electrode 32, and the terminal electrode 34 are composed of silver electrodes formed on the substrate 10 by a screen printing method. For example, copper or aluminum formed by sputtering is used. You may make it form the fixed electrode 30, the connection electrode 32, and the terminal electrode 34 by other methods, such as patterning a thin film.

図３（ａ）は、受力体２０の平面図であり、同図（ｂ）は、受力体２０の正面図（側面図）であり、同図（ｃ）は、受力体２０の底面図である。また、同図（ｄ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、同図（ｅ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。受力体２０は、導電性ゴム等の導電性弾性材料から構成されており、これらの図に示されるように、略円盤状の可動電極２２、および可動電極２２を外周側から支持する支持部２４を備えている。すなわち、本実施形態では、可動電極２２および支持部２４を導電性弾性材料によって一体成形している。   3A is a plan view of the force receiving body 20, FIG. 3B is a front view (side view) of the force receiving body 20, and FIG. 3C is a view of the force receiving body 20. It is a bottom view. FIG. 4D is a cross-sectional view taken along line B-B in FIG. 4A, and FIG. 4E is a cross-sectional view taken along line D-D in FIG. The force receiving body 20 is made of a conductive elastic material such as conductive rubber, and as shown in these drawings, a substantially disk-shaped movable electrode 22 and a support portion that supports the movable electrode 22 from the outer peripheral side. 24. That is, in this embodiment, the movable electrode 22 and the support portion 24 are integrally formed of a conductive elastic material.

可動電極２２は、ｘ−ｙ平面内の力を受けた場合にｘ−ｙ平面内で移動すると共に、ｚ方向の力を受けた場合に変形する部分である。可動電極２２は、略円盤状の基部２２ａ、および基部２２ａの外周部から基板１０に向けて突設された４つの突出部２２ｂから構成されている。そして、４つの突出部２２ｂの間には、半径方向に沿って形成された溝部２２ｃが設けられており、基部２２ａの中央部、すなわち突出部２２ｂが設けられていない部分は、ｚ方向の力を受けた場合に変形する変位部２２ｄとなっている。   The movable electrode 22 is a portion that moves in the xy plane when receiving a force in the xy plane and deforms when receiving a force in the z direction. The movable electrode 22 includes a substantially disc-shaped base portion 22a and four projecting portions 22b projecting from the outer peripheral portion of the base portion 22a toward the substrate 10. A groove 22c formed along the radial direction is provided between the four protrusions 22b, and the central portion of the base 22a, that is, the portion where the protrusion 22b is not provided is a force in the z direction. It becomes the displacement part 22d which deform | transforms when receiving.

４つの突出部２２ｂは、円筒を溝部２２ｃによって４分割した形状にそれぞれ構成されており、先端面２２ｂ１の形状が幅広の円弧状となっている。従って、突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１に４つの溝部２２ｃが半径方向に形成された円筒状の１つの突出部２２ｂとみなすこともできる。なお、４つの溝部２２ｃは、可動電極２２が移動する際に空気を流通させる通気孔として機能するようになっている。   The four projecting portions 22b are each formed in a shape obtained by dividing the cylinder into four by the groove portion 22c, and the shape of the tip surface 22b1 is a wide arc shape. Accordingly, the protruding portion 22b can be regarded as one cylindrical protruding portion 22b in which the four groove portions 22c are formed in the radial direction on the tip end surface 22b1. The four groove portions 22c function as air holes through which air flows when the movable electrode 22 moves.

突出部２２ｂの先端面２２ｂ１は、基板１０の上面１０ａと略接触し、可動電極２２の移動に伴って上面１０ａに対して滑動する部分である。なお、ここで「略接触」とは、先端面２２ｂ１と上面１０ａが全体的に接触した状態、表面の凹凸等によって部分的に接触した状態、および先端面２２ｂ１と上面１０ａの間に他の介在物（例えば、気体や液体の薄い層、潤滑剤または汚れ等）を挟んで接触した状態その他の幅広い接触状態を意味している。   The front end surface 22b1 of the protrusion 22b is a portion that is substantially in contact with the upper surface 10a of the substrate 10 and slides relative to the upper surface 10a as the movable electrode 22 moves. Here, “substantially contact” means a state where the tip surface 22b1 and the upper surface 10a are in total contact, a state where the tip surface 22b1 and the upper surface 10a are partly in contact with each other, and other intervention between the tip surface 22b1 and the upper surface 10a. It means a state in which an object (for example, a thin layer of gas or liquid, a lubricant or dirt, etc.) is in contact and other wide contact states.

本実施形態では、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１にフッ素樹脂等の摩擦係数の低い被膜をコーティングしている。すなわち、基板１０と略接触する先端面２２ｂ１を、受力体２０を構成する導電性弾性材料とは異なる材質から構成している。このようにすることで、可動電極２２と支持部２４を導電性弾性材料によって一体形成しながらも、可動電極２２を基板１０の上面１０ａに沿ってスムーズに移動させることが可能となる。すなわち、受力体２０をコンパクト且つ安価に構成しながらも、力の検出精度を高めることができる。   In the present embodiment, a coating film having a low coefficient of friction such as a fluororesin is coated on the tip surface 22b1 of the protrusion 22b. That is, the front end surface 22 b 1 that is substantially in contact with the substrate 10 is made of a material that is different from the conductive elastic material that forms the force receiving body 20. By doing so, it is possible to smoothly move the movable electrode 22 along the upper surface 10a of the substrate 10 while integrally forming the movable electrode 22 and the support portion 24 with a conductive elastic material. That is, the force detection accuracy can be enhanced while the force receiving body 20 is configured to be compact and inexpensive.

支持部２４は、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態のまま、可動電極２２を上面１０ａに沿って（すなわち、ｘ−ｙ平面内において）移動可能に支持するものである。支持部２４は、基板１０に固定される固定部２４ａ、および固定部２４ａと可動電極２２を繋ぐ変形部２４ｂを備えている。   The support 24 supports the movable electrode 22 so as to be movable along the upper surface 10a (that is, in the xy plane) while the tip end surface 22b1 of the protrusion 22b is substantially in contact with the upper surface 10a of the substrate 10. Is. The support portion 24 includes a fixed portion 24 a that is fixed to the substrate 10, and a deformable portion 24 b that connects the fixed portion 24 a and the movable electrode 22.

固定部２４ａは、可動電極２２を外周側から囲む円形の枠状に構成されており、下端部には、基板１０に接着される接着面２４ａ１が、可動電極２２の突出部２２ｂの先端面２２ｂ１と略同一平面上となるように形成されている。また、固定部２４ａの下端部には、接続電極３２と接触する接触面２４ａ２が、接着面２４ａ１に対して接続電極３２の厚さに応じた段差を付けて形成されている。   The fixed portion 24a is formed in a circular frame shape surrounding the movable electrode 22 from the outer peripheral side, and an adhesive surface 24a1 bonded to the substrate 10 is provided at the lower end portion, and a distal end surface 22b1 of the protruding portion 22b of the movable electrode 22 is provided. Are formed on substantially the same plane. In addition, a contact surface 24a2 that comes into contact with the connection electrode 32 is formed at the lower end portion of the fixed portion 24a with a step corresponding to the thickness of the connection electrode 32 with respect to the adhesive surface 24a1.

固定部２４ａの下端部には、さらに、可動電極２２の溝部２２ｃに対応した４箇所に、４つの外側溝部２４ｃが半径方向に沿って形成されている。この４つの外側溝部２４ｃは、溝部２２ｃと同様に、可動電極２２が移動する際に空気を流通させる通気孔として機能するようになっている。   At the lower end portion of the fixed portion 24a, four outer groove portions 24c are further formed along the radial direction at four locations corresponding to the groove portions 22c of the movable electrode 22. The four outer grooves 24c function as air holes through which air is circulated when the movable electrode 22 is moved, similarly to the grooves 22c.

変形部２４ｂは、固定部２４ａの上面２４ａ３の内周側から上方に向かった後に半径方向内側に向けて曲折して可動電極２２に接続するように構成されている。変形部２４ｂは、可動電極２２の突出部２２ｂの先端面２２ｂ１を基板１０の上面１０ａと略接触した状態に保持すると共に、可動電極２２の移動に伴って弾性変形可能な適宜の厚さに構成されている。また、変形部２４ｂは、復元力によって可動電極２２を中心位置に保持するようになっている。また、本実施形態では、変形部２４ｂを可動電極２２の外周を囲むように設けることで、可動電極２２の移動に伴って変形した変形部２４ｂの復元力が、可動電極２２を上面１０ａに向けて適度に付勢する付勢力として作用するようにしている。   The deformable portion 24b is configured to bend inward in the radial direction and connect to the movable electrode 22 after going upward from the inner peripheral side of the upper surface 24a3 of the fixed portion 24a. The deformable portion 24b is configured to have an appropriate thickness that can hold the distal end surface 22b1 of the protruding portion 22b of the movable electrode 22 substantially in contact with the upper surface 10a of the substrate 10 and can be elastically deformed as the movable electrode 22 moves. Has been. Further, the deforming portion 24b is configured to hold the movable electrode 22 at the center position by a restoring force. Further, in the present embodiment, by providing the deformable portion 24b so as to surround the outer periphery of the movable electrode 22, the restoring force of the deformable portion 24b deformed with the movement of the movable electrode 22 directs the movable electrode 22 toward the upper surface 10a. And act as a biasing force that biases moderately.

図１に戻って、受力体２０は、接着剤による接着や融着、溶着等の既知の手法によって支持部２４の接着面２４ａ１を基板１０の上面１０ａに接着することで、基板１０に固定されている。支持部２４の接触面２４ａ２は接続電極３２に接触しており、これにより、可動電極２２は接続電極３２と電気的に短絡されている。また、可動電極２２は、固定電極３０に対向する位置に配置されている。   Returning to FIG. 1, the force receiving body 20 is fixed to the substrate 10 by bonding the bonding surface 24 a 1 of the support portion 24 to the upper surface 10 a of the substrate 10 by a known method such as bonding, fusing, or welding with an adhesive. Has been. The contact surface 24 a 2 of the support portion 24 is in contact with the connection electrode 32, whereby the movable electrode 22 is electrically short-circuited with the connection electrode 32. The movable electrode 22 is disposed at a position facing the fixed electrode 30.

可動電極２２の４つの突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触すると共に、先端面２２ｂ１の一部がｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの一部と重なるように位置している。また、可動電極２２の変位部２２ｄは、ｚ用電極３０ｅに対向するように位置している。従って、本実施形態では、４つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄと４つの突出部２２ｂとの間に４つの静電容量Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄが形成され、ｚ用電極３０ｅと変位部２２ｄの間にもう１つの静電容量Ｃｅが形成されるようになっている。   The four protrusions 22b of the movable electrode 22 are positioned such that the tip surface 22b1 substantially contacts the upper surface 10a of the substrate 10 and a part of the tip surface 22b1 overlaps part of the xy electrodes 30a to 30d. . Further, the displacement portion 22d of the movable electrode 22 is positioned so as to face the z electrode 30e. Therefore, in the present embodiment, four capacitances Ca, Cb, Cc, Cd are formed between the four xy electrodes 30a to 30d and the four protruding portions 22b, and the z electrode 30e and the displacement portion 22d are formed. Another electrostatic capacitance Ce is formed between them.

本実施形態では、受力体２０を基板１０の上面１０ａに固定し、固定電極３０を基板１０の底面１０ｂに形成することで、基板１０を可動電極２２と固定電極３０の間の絶縁層として機能させるようにしている。このようにすることで、受力体１０の構成と相俟って力検出装置１全体の厚さ（ｚ方向の寸法）を従来以上に薄くすることが可能となっている。なお、他の機器との電気的短絡を防止するために、固定電極３０の下側に絶縁層を設けるようにしてもよい。   In the present embodiment, the power receiving body 20 is fixed to the upper surface 10 a of the substrate 10, and the fixed electrode 30 is formed on the bottom surface 10 b of the substrate 10, whereby the substrate 10 is used as an insulating layer between the movable electrode 22 and the fixed electrode 30. I try to make it work. By doing in this way, combined with the configuration of the force receiving body 10, it is possible to make the entire thickness of the force detection device 1 (dimension in the z direction) thinner than before. Note that an insulating layer may be provided below the fixed electrode 30 in order to prevent an electrical short circuit with another device.

次に、力検出装置１の作用について説明する。   Next, the operation of the force detection device 1 will be described.

上述の構成により、本実施形態の力検出装置１は、ｘ−ｙ平面内の力の方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出することが可能となっている。すなわち、力検出装置１は、例えばカーソル等の対象物の移動を指示する操作および選択操作が可能な入力装置や、ロボットハンドの先端部に設けられて把持物に加わる重力等の力および把持力を検出する触覚センサとして利用可能に構成されている。   With the configuration described above, the force detection device 1 of the present embodiment can detect the direction and magnitude of the force in the xy plane and the magnitude of the force in the negative z direction. That is, the force detection device 1 is an input device that can perform an operation for instructing the movement of an object such as a cursor and a selection operation, and a force such as gravity and a gripping force that are provided at the tip of the robot hand and applied to the gripping object. It can be used as a tactile sensor for detecting the.

図４（ａ）〜（ｄ）は、力検出装置１が力Ｆを受けた状態を示した図である。図４（ａ）〜（ｃ）は、力検出装置１がｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けた場合を示しており、図４（ａ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図４（ｂ）および（ｃ）は、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの重なりを示した概略図である。なお、図４（ｂ）および（ｃ）においては、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの重なり部分をハッチングによって示している。また、図４（ｄ）は、力検出装置１がｚの負方向の力Ｆを受けた場合を示しており、図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図である。   4A to 4D are views showing a state in which the force detection device 1 receives the force F. FIG. 4A to 4C show a case where the force detection device 1 receives a force F in the xy plane, and FIG. 4A shows the AA line in FIG. Cross-sectional views, FIGS. 4B and 4C, are schematic views showing the overlap of the protrusion 22b and the xy electrodes 30a to 30d. In FIGS. 4B and 4C, the overlapping portion of the protruding portion 22b and the xy electrodes 30a to 30d is indicated by hatching. FIG. 4D shows a case where the force detection device 1 receives a force F in the negative direction z, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.

図４（ａ）に示されるように、例えば入力操作によってｙの正方向の力Ｆを受けた場合、可動電極２２は、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態を保ちながら上面１０ａ上を滑ってｙの正方向に移動することとなる。このとき、支持部２４は、変形部２４ｂが適宜に弾性変形する、特に垂直部分が傾倒することにより、可動電極２２の移動を許容すると共に、可動電極２２の移動量が略力Ｆの大きさに応じた移動量となるようにする。また、変形部２４ｂの弾性変形に伴う復元力が可動電極２２を上面１０ａに向けて適度に付勢することにより、移動中も先端面２２ｂ１が上面１０ａに略接触した状態が保たれるようになっている。   As shown in FIG. 4A, for example, when receiving a positive force F in the y direction by an input operation, the movable electrode 22 is in a state in which the tip surface 22b1 of the protrusion 22b is substantially in contact with the upper surface 10a of the substrate 10. While sliding, it slides on the upper surface 10a and moves in the positive direction of y. At this time, the support portion 24 allows the movable electrode 22 to move when the deformable portion 24b is appropriately elastically deformed, and particularly the vertical portion is tilted, and the amount of movement of the movable electrode 22 is substantially equal to the force F. The amount of movement according to Further, the restoring force accompanying the elastic deformation of the deformable portion 24b appropriately biases the movable electrode 22 toward the upper surface 10a, so that the tip surface 22b1 is kept substantially in contact with the upper surface 10a during movement. It has become.

本実施形態では、突出部２２ｂをｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄに対して内側（仮想円周Ｒの中心側）にオフセットして配置することにより、ｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けていない状態では、先端面２２ｂ１の外側部分の一部がｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの内側部分の一部と重なるようにしている（図１（ａ）参照）。このため、可動電極２２が移動した場合、可動電極２２の移動方向および移動量に応じて突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの重なり部分の面積（重なり面積）が変化し、これにより各ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄにおける静電容量Ｃａ〜Ｃｄがそれぞれ変化することとなる。従って、この静電容量Ｃａ〜Ｃｄの変化に基づいて力Ｆの方向および大きさを検出することができる。   In the present embodiment, the protruding portion 22b is offset from the inside (the center side of the virtual circumference R) with respect to the xy electrodes 30a to 30d, thereby not receiving the force F in the xy plane. Then, a part of the outer part of the tip surface 22b1 overlaps a part of the inner part of the xy electrodes 30a to 30d (see FIG. 1A). For this reason, when the movable electrode 22 moves, the area (overlapping area) of the overlapping portion of the protruding portion 22b and the xy electrodes 30a to 30d changes according to the moving direction and moving amount of the movable electrode 22, and thereby each xy Capacitances Ca to Cd in the electrodes 30a to 30d for use change, respectively. Therefore, the direction and magnitude of the force F can be detected based on the changes in the capacitances Ca to Cd.

例えば図４（ｂ）に示されるように、ｙの正方向の力Ｆを受けて可動電極２２がｙの正方向に移動した場合、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａおよび３０ｂの重なり面積が増加し、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ｃおよび３０ｄの重なり面積が減少することとなる。従って、ｘｙ用電極３０ａおよび３０ｂにおける静電容量ＣａおよびＣｂが増加し、ｘｙ用電極３０ｃおよび３０ｄにおける静電容量ＣｃおよびＣｄが減少することとなる。   For example, as shown in FIG. 4B, when the movable electrode 22 moves in the positive y direction in response to the positive force F in the y direction, the overlapping area of the protrusion 22b and the xy electrodes 30a and 30b increases. As a result, the overlapping area of the protrusion 22b and the xy electrodes 30c and 30d is reduced. Accordingly, the capacitances Ca and Cb in the xy electrodes 30a and 30b are increased, and the capacitances Cc and Cd in the xy electrodes 30c and 30d are decreased.

また、図４（ｃ）に示されるように、ｘの正方向且つｙの負方向の斜め方向の力Ｆを受けた場合には、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ｃの重なり面積が大きく増加し、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ｂの重なり面積が大きく減少することとなるため、静電容量Ｃｃが大きく増加し、静電容量Ｃｂが大きく減少することとなる。   Further, as shown in FIG. 4C, when the force F in the diagonal direction in the positive x direction and in the negative y direction is applied, the overlapping area of the protrusion 22b and the xy electrode 30c greatly increases. Since the overlapping area between the protrusion 22b and the xy electrode 30b is greatly reduced, the capacitance Cc is greatly increased and the capacitance Cb is greatly reduced.

このように、ｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けて可動電極２２が上面１０ａに沿って移動した場合、可動電極２２の移動方向および移動量に応じて静電容量Ｃａ〜Ｃｄが変化することとなるため、静電容量Ｃａ〜Ｃｄの値または変化量からｘ−ｙ平面内の力Ｆの方向および大きさを算出することができる。   Thus, when the movable electrode 22 moves along the upper surface 10a in response to the force F in the xy plane, the capacitances Ca to Cd change according to the moving direction and the moving amount of the movable electrode 22. Therefore, the direction and magnitude of the force F in the xy plane can be calculated from the values or change amounts of the capacitances Ca to Cd.

なお、本実施形態では、４つの突出部２２ｂの間にそれぞれ溝部２２ｃを設けると共に、支持部２４の固定部２４ａに外側溝部２４ｃを設けているため、可動電極２２が移動した際に溝部２２ｃおよび外側溝部２４ｃを通じてスムーズに空気（または、その他の気体もしくは液体等）を流動させることが可能となっている。すなわち、可動電極２２と支持部２４の間の空間で空気が局部的に圧縮または膨張されるのを防止して可動電極２２の移動に対する抵抗を減少させるようにしている。   In the present embodiment, the groove 22c is provided between each of the four protrusions 22b, and the outer groove 24c is provided in the fixed portion 24a of the support 24. Therefore, when the movable electrode 22 moves, It is possible to smoothly flow air (or other gas or liquid) through the outer groove 24c. That is, the air is prevented from being locally compressed or expanded in the space between the movable electrode 22 and the support portion 24 to reduce the resistance to movement of the movable electrode 22.

また、溝部２２ｃを設けることにより、可動電極２２が移動した際に先端面２２ｂ１と上面１０ａの間に空気が入り込むのを防止することができる。これにより、先端面２２ｂ１が上面１０ａに略接触した状態を維持する、すなわち先端面２２ｂ１と上面１０ａの間の距離を一定に保つことができるため、静電容量の不用意な変化を防止し、検出精度を高めることが可能となっている。   Further, by providing the groove 22c, it is possible to prevent air from entering between the front end surface 22b1 and the upper surface 10a when the movable electrode 22 moves. As a result, the tip surface 22b1 is maintained in a state of being substantially in contact with the upper surface 10a, that is, the distance between the tip surface 22b1 and the upper surface 10a can be kept constant, thereby preventing an inadvertent change in capacitance. Detection accuracy can be increased.

また、本実施形態では、支持部２４の固定部２４ａを可動電極２２を囲む枠状に構成することにより、固定部２４ａを可動電極２２の移動範囲を制限するストッパとしても兼用している。このように可動電極２２の移動範囲を制限することで、変形部２４ｂに加わる負担を軽減することができるため、力検出装置１の耐久性を高めることが可能となる。さらに、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１と基板１０の上面１０ａの接触状態を安定的に保つことができるため、検出精度を高めることが可能となる。また、固定部２４ａをストッパとして兼用することにより、力検出装置１を簡素に構成することができるため、力検出装置１を従来以上に小型化・薄型化することが可能となっている。   Further, in the present embodiment, the fixed portion 24 a of the support portion 24 is configured in a frame shape surrounding the movable electrode 22, so that the fixed portion 24 a is also used as a stopper that limits the movement range of the movable electrode 22. By limiting the movement range of the movable electrode 22 in this way, it is possible to reduce the load applied to the deformable portion 24b, and thus it is possible to improve the durability of the force detection device 1. Furthermore, since the contact state between the front end surface 22b1 of the protrusion 22b and the upper surface 10a of the substrate 10 can be stably maintained, detection accuracy can be increased. Moreover, since the force detection device 1 can be simply configured by using the fixing portion 24a also as a stopper, the force detection device 1 can be made smaller and thinner than before.

また、本実施形態では、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの形状を、互いの間隔（例えば、ｘｙ用電極３０ａとｘｙ用電極３０ｂの間隔）が仮想円周Ｒ（図２参照）の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成することにより、静電容量Ｃａ〜Ｃｄが可動電極２２の移動量に略比例して変化するようにしている。このようにすることで、力検出装置１を簡素に構成しながらも、ｘ−ｙ平面内の力Ｆの検出精度を高めることができる。   Further, in the present embodiment, the shapes of the xy electrodes 30a to 30d are arranged such that the distance between each other (for example, the distance between the xy electrode 30a and the xy electrode 30b) is radially inward of the virtual circumference R (see FIG. 2). The capacitances Ca to Cd are changed substantially in proportion to the amount of movement of the movable electrode 22 by being configured to gradually expand toward the end. By doing in this way, the detection accuracy of force F in the xy plane can be enhanced while the force detection device 1 is simply configured.

一方、図４（ｄ）に示されるように、例えば入力操作における押し込み操作によってｚの負方向の力Ｆを受けた場合、可動電極２２は、中央部の変位部２２ｄが力Ｆの大きさに応じて変形し、力Ｆの大きさに応じてｚ用電極３０ｅに近づくこととなる。すなわち、力Ｆの大きさに応じてｚ用電極３０ｅにおける静電容量Ｃｅが増加することとなるため、静電容量Ｃｅの値または変化量からｚの負方向の力Ｆの大きさを算出することができる。   On the other hand, as shown in FIG. 4D, when the negative force F in the z direction is received, for example, by the pushing operation in the input operation, the movable electrode 22 has the displacement portion 22d at the center portion at the magnitude of the force F. Accordingly, the deformation occurs, and the z electrode 30e is approached according to the magnitude of the force F. That is, since the capacitance Ce in the z electrode 30e increases according to the magnitude of the force F, the magnitude of the force F in the negative z direction is calculated from the value or change amount of the capacitance Ce. be able to.

なお、本実施形態では、突出部２２ｂのｘ−ｙ平面における断面形状を円弧状に構成すると共に、固定部２４ａによって可動電極２２の移動範囲を制限することにより、可動電極２２が上面１０ａに沿って最大限に移動した場合にも、突出部２２ｂがｚ用電極３０ｅに重ならないようになっている。すなわち、ｘ−ｙ平面内の力Ｆに影響されることなく、ｚの負方向の力Ｆを高精度に検出することが可能となっている。   In the present embodiment, the cross-sectional shape of the protruding portion 22b in the xy plane is formed in an arc shape, and the movable electrode 22 extends along the upper surface 10a by limiting the moving range of the movable electrode 22 by the fixed portion 24a. Thus, the protrusion 22b does not overlap the z electrode 30e even when it moves to the maximum. That is, the force F in the negative z direction can be detected with high accuracy without being affected by the force F in the xy plane.

また、溝部２２ｃおよび外側溝部２４ｃを設けることで、変位部２２ｄが変形した際に、突出部２２ｂの内側の空間内の空気（または、その他の気体もしくは液体等）をスムーズに外側に排出することができるため、変位部２２ｄの変形に対する抵抗を減少させることが可能となっている。さらに、溝部２２ｃを設けることによって変位部２２ｄが変形した際に、先端面２２ｂ１と上面１０ａの間に空気が入り込んで先端面２２ｂ１が浮き上がるのを防止することができるため、ｚの負方向の力Ｆに影響されることなく、ｘ−ｙ平面内の力Ｆを高精度に検出することが可能となっている。   Further, by providing the groove portion 22c and the outer groove portion 24c, when the displacement portion 22d is deformed, the air (or other gas or liquid, etc.) in the space inside the protruding portion 22b is smoothly discharged to the outside. Therefore, it is possible to reduce resistance to deformation of the displacement portion 22d. Further, when the displacement portion 22d is deformed by providing the groove portion 22c, it is possible to prevent the air from entering between the front end surface 22b1 and the upper surface 10a and the front end surface 22b1 from being lifted. It is possible to detect the force F in the xy plane with high accuracy without being affected by F.

図５は、力検出装置１が受けた力を検出するための回路を示した図である。同図に示すような回路を構成し、静電容量Ｃａ〜Ｃｅに対して周期的に変化する電圧を加えると、各静電容量Ｃａ〜Ｃｅに応じた電圧Ｖａ〜ＶｅがＣ／Ｖ変換器５０から演算処理装置５２に出力される。   FIG. 5 is a diagram showing a circuit for detecting the force received by the force detection device 1. When a circuit as shown in the figure is configured and a periodically changing voltage is applied to the capacitances Ca to Ce, voltages Va to Ve corresponding to the capacitances Ca to Ce are converted into C / V converters. 50 to the arithmetic processing unit 52.

力検出装置１の可動電極２２が力を受けると、力の大きさおよび方向に応じて各静電容量Ｃａ〜Ｃｅが変化し、これによりＣ／Ｖ変換器５０から出力される電圧Ｖａ〜Ｖｅも変化することとなる。そして、演算処理装置５２は、この電圧Ｖａ〜Ｖｅの変化に基づいて力の方向および大きさを算出する。具体的には、演算処理装置５２は、静電容量Ｃａ〜Ｃｄの変化に伴う電圧Ｖａ〜Ｖｄの変化に基づいて、力のｘ−ｙ平面における方向および大きさを算出する。また、静電容量Ｃｅの変化に伴う電圧Ｖｅの変化に基づいて、ｚの負方向の力の大きさを算出する。なお、基板１０に設けた参照電極との比較により、各静電容量Ｃａ〜Ｃｅの変化（電圧Ｖａ〜Ｖｅの変化）を求めるようにしてもよい。   When the movable electrode 22 of the force detection device 1 receives a force, the capacitances Ca to Ce change according to the magnitude and direction of the force, whereby the voltages Va to Ve output from the C / V converter 50 are changed. Will also change. Then, the arithmetic processing unit 52 calculates the direction and magnitude of the force based on the changes in the voltages Va to Ve. Specifically, the arithmetic processing unit 52 calculates the direction and magnitude of the force in the xy plane based on changes in the voltages Va to Vd accompanying changes in the capacitances Ca to Cd. Further, the magnitude of the negative force of z is calculated based on the change in the voltage Ve accompanying the change in the capacitance Ce. Note that changes in the capacitances Ca to Ce (changes in the voltages Va to Ve) may be obtained by comparison with a reference electrode provided on the substrate 10.

演算処理装置５２による算出結果は、ホスト機器等の外部の機器に出力される。なお、Ｃ／Ｖ変換器５０および演算処理装置５２は、基板１０に実装されるものであってもよいし、力検出装置１の外部に設けられるものであってもよい。また、演算処理装置５２は、力検出装置１専用の装置として設けられるものであってもよいし、例えばホスト機器のＣＰＵ等、外部の機器における機能の一部として実現されるものであってもよい。   The calculation result by the arithmetic processing unit 52 is output to an external device such as a host device. The C / V converter 50 and the arithmetic processing unit 52 may be mounted on the substrate 10 or provided outside the force detection device 1. The arithmetic processing device 52 may be provided as a device dedicated to the force detection device 1 or may be realized as a part of a function in an external device such as a CPU of a host device. Good.

次に、力検出装置１のその他の形態について説明する。   Next, other forms of the force detection device 1 will be described.

図６（ａ）〜（ｃ）は、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄのその他の形態の例を示した底面図である。まず、同図（ａ）および（ｂ）は、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄのその他の形状の例を示している。ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの形状は、互いの間隔が仮想円周Ｒ（図２参照）の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状であれば、例えば同図（ａ）に示されるような略銀杏の葉状の形状であってもよいし、同図（ｂ）に示されるような略紡錘形状であってもよい。すなわち、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの互いに隣り合う辺を曲線状に構成するようにしてもよい。   6A to 6C are bottom views showing examples of other forms of the xy electrodes 30a to 30d. First, FIGS. 7A and 7B show examples of other shapes of the xy electrodes 30a to 30d. The shape of the xy electrodes 30a to 30d is, for example, substantially as shown in FIG. 5A if the distance between the electrodes gradually increases toward the inside in the radial direction of the virtual circumference R (see FIG. 2). The leaf shape of a ginkgo may be sufficient, and the substantially spindle shape as shown in the figure (b) may be sufficient. That is, the sides adjacent to each other of the xy electrodes 30a to 30d may be configured in a curved shape.

このように、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄを適宜の形状に設定することで、可動電極２２の移動量に対する静電容量Ｃａ〜Ｃｄの変化率を調整することができる。なお、同図（ａ）および（ｂ）に示した形状以外の形状にｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄを構成するようにしてもよいことは言うまでもない。例えば、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの互いに隣り合う辺を階段状に構成するようにしてもよいし、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄに孔部や切欠部を適宜に設けるようにしてもよい。また、力検出装置１の用途等によっては、互いの間隔が仮想円周Ｒ（図２参照）の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状以外の形状にｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄを構成するようにしてもよい。   In this way, by setting the xy electrodes 30a to 30d in an appropriate shape, the rate of change of the capacitances Ca to Cd with respect to the moving amount of the movable electrode 22 can be adjusted. Needless to say, the xy electrodes 30a to 30d may be formed in a shape other than the shapes shown in FIGS. For example, the sides adjacent to each other of the xy electrodes 30a to 30d may be formed in a step shape, or holes and notches may be appropriately provided in the xy electrodes 30a to 30d. In addition, depending on the application of the force detection device 1, the xy electrodes 30a to 30d may be configured to have shapes other than the shape in which the distance between them gradually increases toward the inside in the radial direction of the virtual circumference R (see FIG. 2). It may be.

同図（ｃ）は、３つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｃを設けるようにした場合の一例を示した図である。上述の例では、４つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄを設けた場合を示したが、ｘｙ用電極の数は４つに限定されるものではなく、ｘ−ｙ平面内における任意の方向の力を検出するためには、少なくとも３つ以上であればよい。３つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｃを設けるようにした場合、例えば静電容量Ｃａ〜Ｃｃの変化量およびｘｙ用電極３０ａ〜３０ｃの位置から重心位置を算出することにより、ｘ−ｙ平面内における力の方向および大きさを算出することができる。   FIG. 4C is a diagram showing an example in which three xy electrodes 30a to 30c are provided. In the above example, the case where the four xy electrodes 30a to 30d are provided is shown, but the number of the xy electrodes is not limited to four, and a force in an arbitrary direction in the xy plane is applied. In order to detect, it is sufficient that there are at least three or more. When the three xy electrodes 30a to 30c are provided, for example, by calculating the position of the center of gravity from the amount of change in the capacitances Ca to Cc and the position of the xy electrodes 30a to 30c, the force in the xy plane is calculated. The direction and size of can be calculated.

図７〜１４は、受力体２０のその他の形態の例を示した図である。まず、図７（ａ）および（ｂ）は、突出部２２ｂを円筒状に構成すると共に、先端面２２ｂ１に多数（この例では３２本）の溝部２２ｃを放射状に形成した場合の一例を示しており、同図（ａ）は、受力体２０の底面図、同図（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。このように、溝部２２ｃの数を増加させることにより、空気の流動をよりスムーズにして力の検出精度を高めることができる場合がある。なお、図７（ａ）および（ｂ）に示す例は、３２個の突出部２２ｂを設けたとみなすこともできる。また、複数の突出部２２ｂの先端面２２ｂ１にさらに細かい溝部２２ｃを形成するようにしてもよい。   7 to 14 are diagrams showing examples of other forms of the force receiving body 20. First, FIGS. 7A and 7B show an example in which the projecting portion 22b is formed in a cylindrical shape and a large number (32 in this example) of groove portions 22c are formed radially on the distal end surface 22b1. 3A is a bottom view of the force receiving body 20, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 3A. As described above, by increasing the number of the groove portions 22c, the air flow may be made smoother and the force detection accuracy may be increased. In addition, it can be considered that the example shown to Fig.7 (a) and (b) provided 32 protrusion part 22b. Further, a finer groove portion 22c may be formed on the front end surface 22b1 of the plurality of protruding portions 22b.

図７（ｃ）および（ｄ）は、受力体２０に突起部２６を設けた場合の例を示しており、同図（ｃ）は、受力体２０の平面図、同図（ｄ）は、受力体２０の正面図（側面図）である。この例では、可動電極２２の上面に正方形状の突起部２６を設けると共に、例えば入力操作において直接力を受けて操作される操作ボタン等の固定部材２８を可動電極２２の上面に取り付けるようにしている。そして、この固定部材２８の下面には、突起部２８の相補的形状に形成された凹部２８ａが設けられており、この凹部２８ａ内に突起部２６を嵌め込むことによって可動電極２２に固定部材２８が固定されるようになっている。   7 (c) and 7 (d) show an example in which the projections 26 are provided on the force receiving body 20, and FIG. 7 (c) is a plan view of the force receiving body 20, and FIG. 7 (d). These are front views (side views) of the force receiving body 20. In this example, a square-shaped protrusion 26 is provided on the upper surface of the movable electrode 22, and a fixing member 28 such as an operation button that is operated by receiving a direct force in an input operation is attached to the upper surface of the movable electrode 22. Yes. A recess 28 a formed in a complementary shape to the protrusion 28 is provided on the lower surface of the fixing member 28, and the fixing member 28 is fixed to the movable electrode 22 by fitting the protrusion 26 into the recess 28 a. Is supposed to be fixed.

このようにすることで、固定部材２８を設けて操作性や耐久性等を向上させた場合においても、固定部材２８が受けた力を可動電極２２に確実に伝達することができるため、検出精度を高めることが可能となる。また、突起部２６を頂点を有する形状に構成し、各頂点をｘの正方向および負方向ならびにｙの正方向および負方向に向けるようにすれば、力検出装置１における各方向を瞬時に判別することが可能となる。   In this way, even when the fixed member 28 is provided to improve operability, durability, and the like, the force received by the fixed member 28 can be reliably transmitted to the movable electrode 22. Can be increased. Further, if each protrusion 26 is formed in a shape having apexes and each apex is directed in the positive and negative directions of x and the positive and negative directions of y, each direction in the force detection device 1 is instantaneously determined. It becomes possible to do.

なお、突起部２６の形状は、正方形状に限定されるものではなく、その他の任意の形状であってもよい。また、固定部材２８の可動電極２２への固定方法は、接着剤等による接着や融着、溶着等によるものであってもよいし、突起部２６の凹部２８ａへの圧入や突起部２６と凹部２８ａの係合によるものであってもよい。また、固定部材２８の形状が限定されないことは言うまでもない。   In addition, the shape of the protrusion part 26 is not limited to square shape, Other arbitrary shapes may be sufficient. Further, the fixing method of the fixing member 28 to the movable electrode 22 may be bonding, fusing, welding, or the like with an adhesive or the like. It may be by engagement of 28a. Needless to say, the shape of the fixing member 28 is not limited.

図８（ａ）〜（ｅ）は、可動電極２２の変位部２２ｄに突出変位部２２ｄ１を設けた場合の例を示した図であり、図８（ａ）は、受力体２０の底面図、図８（ｂ）、（ｄ）および（ｅ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図、図８（ｃ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。まず、図８（ａ）〜（ｃ）は、可動電極２２の中央部、すなわち変位部２２ｄの中央部に略円錐台状（テーパ状）の突出変位部２２ｄ１を設けた場合の例を示している。   FIGS. 8A to 8E are diagrams showing an example in which a projecting displacement portion 22d1 is provided on the displacement portion 22d of the movable electrode 22, and FIG. 8A is a bottom view of the force receiving body 20. FIGS. 8 (b), (d) and (e) are cross-sectional views taken along line BB in FIG. 3 (a), and FIG. 8 (c) is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1 (a). . First, FIGS. 8A to 8C show an example in which a substantially frustoconical (tapered) protruding displacement portion 22d1 is provided at the central portion of the movable electrode 22, that is, the central portion of the displacement portion 22d. Yes.

この例では、突出変位部２２ｄ１の先端面２２ｄ２は、周囲の突出部２２ｂの先端面２２ｂ１と同様に基板１０の上面１０ａに略接触するように構成されており、可動電極２２のｘ−ｙ平面内の移動に伴って上面１０ａ上を滑って移動するようになっている。従って、突出変位部２２ｄ１の先端面２２ｄ２には、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１と同様に、摩擦係数の低い被膜がコーティングされている。   In this example, the distal end surface 22d2 of the projecting displacement portion 22d1 is configured to substantially contact the upper surface 10a of the substrate 10 like the distal end surface 22b1 of the surrounding projecting portion 22b, and the xy plane of the movable electrode 22 is configured. As the inside moves, it slides on the upper surface 10a. Accordingly, the tip surface 22d2 of the projecting displacement portion 22d1 is coated with a coating having a low friction coefficient, like the tip surface 22b1 of the projecting portion 22b.

このように、変位部２２にテーパ状の突出変位部２２ｄ１を設けることにより、同図（ｃ）に示されるようにｚの負方向の力Ｆを受けた場合に、突出変位部２２ｄ１が押し潰されて突出変位部２２ｄ１の傾斜した側面がｚ用電極３０ｅに近接すると共に、基板１０の上面１０ａと接触する部分が増加、すなわちｚ用電極３０ｅとの重なり面積を増加させることができるため、ｚの負方向の力Ｆの大きさに対する静電容量Ｃｅの変化率を高めることができる。また、突出変位部２２ｄ１の形状を適宜に設定することで、ｚの負方向の力の大きさに対する静電容量Ｃｅの変化率を調整することができる。すなわち、力の検出精度を高めることが可能となる。   As described above, by providing the projecting displacement portion 22d1 having a tapered shape in the displacement portion 22, the projecting displacement portion 22d1 is crushed when receiving a negative force F in the z direction as shown in FIG. Since the inclined side surface of the projecting displacement portion 22d1 is close to the z electrode 30e, the portion that contacts the upper surface 10a of the substrate 10 can be increased, that is, the overlapping area with the z electrode 30e can be increased. The rate of change of the capacitance Ce with respect to the magnitude of the negative direction force F can be increased. In addition, by appropriately setting the shape of the protruding displacement portion 22d1, it is possible to adjust the rate of change of the capacitance Ce with respect to the magnitude of the negative z force. That is, it becomes possible to improve the force detection accuracy.

同図（ｄ）は、略半球状の突出変位部２２ｄ１を設けた場合の例を示しており、同図（ｅ）は、略円錐状の突出変位部２２ｄ１を設けた場合の例を示している。なお、これらの例では、突出変位部２２ｄ１の頂点が基板１０の上面１０ａに略接触するようになっている。このように、突出変位部２２ｄ１の形状は特に限定されるものではなく、ｚの負方向の力を受けた場合に、押し潰されることによって静電容量Ｃｅを適宜に変化させることが可能な形状であればどのような形状であってもよい。   FIG. 4D shows an example in which a substantially hemispherical protruding displacement portion 22d1 is provided, and FIG. 5E shows an example in which a substantially conical protruding displacement portion 22d1 is provided. Yes. In these examples, the apex of the projecting displacement portion 22d1 is substantially in contact with the upper surface 10a of the substrate 10. As described above, the shape of the protruding displacement portion 22d1 is not particularly limited, and a shape that can change the capacitance Ce appropriately by being crushed when receiving a force in the negative direction of z. Any shape can be used.

なお、同図（ａ）〜（ｅ）では、先端面２２ｄ２または頂点２２ｄ３が基板１０の上面１０ａに略接触するように突出変位部２２ｄ１を構成した例を示したが、突出変位部２２ｄ１を上面１０ａに接触しないように構成し、ｚの負方向の力を受けた場合に先端面２２ｄ２または頂点２２ｄ３が上面１０ａに接触して押し潰されるようにしてもよい。   FIGS. 9A to 9E show an example in which the protruding displacement portion 22d1 is configured such that the front end surface 22d2 or the apex 22d3 substantially contacts the upper surface 10a of the substrate 10. However, the protruding displacement portion 22d1 is formed on the upper surface. It may be configured not to contact 10a, and when receiving a force in the negative z direction, the tip surface 22d2 or the apex 22d3 may contact the upper surface 10a and be crushed.

図９（ａ）〜（ｄ）は、可動電極２２を基板１０に向けて積極的に付勢するようにした場合の一例を示した図であり、同図（ａ）は、受力体２０の正面図（側面図）、同図（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、同図（ｃ）および（ｄ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。   FIGS. 9A to 9D are views showing an example in which the movable electrode 22 is positively biased toward the substrate 10. FIG. 9A shows the force receiving body 20. FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 3A, and FIGS. 3C and 3D are cross-sectional views taken along the line AA in FIG. FIG.

この例では、同図（ａ）および（ｂ）に示されるように、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１が固定部２４ａの接着面２４ａ１よりも距離Ｓだけ下方に（基板１０側に）突出するように、受力体２０が構成されている。従って、同図（ｃ）に示されるように、接着面２４ａ１を基板１０に接着して受力体２０を基板１０に固定すると、可動電極２２が上方に（基板１０の反対側に）押し上げられ、変形部２４ｂが弾性変形することとなる。すなわち、この例では、この変形部２４ｂの弾性変形の復元力により、同図（ｄ）に示されるように、可動電極２２が基板１０に向けて付勢されるようになっている。   In this example, as shown in FIGS. 4A and 4B, the tip end surface 22b1 of the protruding portion 22b protrudes downward (toward the substrate 10) by a distance S from the bonding surface 24a1 of the fixing portion 24a. Further, a force receiving body 20 is configured. Therefore, as shown in FIG. 5C, when the adhesive surface 24a1 is bonded to the substrate 10 and the force receiving member 20 is fixed to the substrate 10, the movable electrode 22 is pushed upward (to the opposite side of the substrate 10). The deforming portion 24b is elastically deformed. That is, in this example, the movable electrode 22 is urged toward the substrate 10 by the elastic deformation restoring force of the deformable portion 24b as shown in FIG.

このように、受力体２０を基板１０に固定する際に変形部２４ｂを弾性変形させることで可動電極２２を基板１０に向けて付勢することにより、簡易な構成でありながらも突出部２２ｂの先端面２２ｂ１と基板１０の上面１０ａの接触状態をより安定させることができる。すなわち、可動電極２２を移動させた場合における突出部２２ｂの先端面２２ｂ１の浮き上がりを防止し、先端面２２ｂ１とｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄ間の距離をより高精度に保つことができるため、力の検出精度を高めることができる。   As described above, when the force receiving body 20 is fixed to the substrate 10, the deformable portion 24 b is elastically deformed to bias the movable electrode 22 toward the substrate 10. It is possible to further stabilize the contact state between the tip surface 22b1 of the substrate and the upper surface 10a of the substrate 10. That is, when the movable electrode 22 is moved, the tip surface 22b1 of the protrusion 22b is prevented from being lifted, and the distance between the tip surface 22b1 and the xy electrodes 30a to 30d can be maintained with higher accuracy. Detection accuracy can be increased.

なお、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１の突出量、すなわち距離Ｓの値は、特に限定されるものではなく、受力体２０および基板１０の材質や寸法形状等に応じて適宜に設定すればよい。また、図示は省略するが、基板１０における接着面２４ａ１が接着される面と突出部２２ｂの先端面２２ｂ１が略接触する面に段差を付けることによって可動電極２２を基板１０に向けて付勢するようにしてもよい。この場合、例えば、基板１０の上面１０ａに固定電極３０を形成し、その上に絶縁層を設けることによって段差を付けるようにしてもよい。   In addition, the protrusion amount of the front end surface 22b1 of the protrusion 22b, that is, the value of the distance S is not particularly limited, and may be set as appropriate according to the material, dimensions, and the like of the force receiving body 20 and the substrate 10. . Although illustration is omitted, the movable electrode 22 is biased toward the substrate 10 by providing a step between the surface of the substrate 10 to which the bonding surface 24a1 is bonded and the surface of the protruding portion 22b where the tip surface 22b1 substantially contacts. You may do it. In this case, for example, a step may be provided by forming the fixed electrode 30 on the upper surface 10a of the substrate 10 and providing an insulating layer thereon.

図１０（ａ）〜（ｄ）および図１１（ａ）〜（ｄ）は、基板１０に固定される補助支持部２２ｅを可動電極２２に設けた場合の例を示した図である。まず、図１０（ａ）〜（ｄ）は、可動電極２２の中央部に補助支持部２２ｅを設けた場合の一例を示しており、同図（ａ）は、受力体２０の底面図、同図（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図、同図（ｃ）および（ｄ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。   FIGS. 10A to 10D and FIGS. 11A to 11D are diagrams illustrating an example in which an auxiliary support portion 22 e fixed to the substrate 10 is provided on the movable electrode 22. First, FIGS. 10A to 10D show an example in which an auxiliary support portion 22e is provided at the center of the movable electrode 22, and FIG. 10A is a bottom view of the force receiving body 20. 3B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 3A, and FIGS. 3C and 3D are cross-sectional views taken along the line AA in FIG.

この例では、同図（ａ）および（ｂ）に示されるように、補助支持部２２ｅは、円柱状に構成され、可動電極２２の中央部、すなわち変位部２２ｄの中央部に設けられている。補助支持部２２ｅの先端面２２ｅ１は、同図（ｂ）に示されるように、固定部２４ａの接着面２４ａ１と略同一平面上に位置しており、同図（ｃ）に示されるように、接着面２４ａ１と同様に基板１０の上面１０ａに接着される。また、この例では、同図（ｃ）に示されるように、ｚ用電極３０ｅは円環状に形成されており、補助支持部２２ｅの先端面２２ｅ１と重ならないようになっている。   In this example, as shown in FIGS. 4A and 4B, the auxiliary support portion 22e is formed in a columnar shape, and is provided at the center of the movable electrode 22, that is, at the center of the displacement portion 22d. . The front end surface 22e1 of the auxiliary support portion 22e is located on substantially the same plane as the bonding surface 24a1 of the fixing portion 24a as shown in FIG. 5B, and as shown in FIG. It adheres to the upper surface 10a of the board | substrate 10 similarly to the adhesion surface 24a1. Further, in this example, as shown in FIG. 5C, the z electrode 30e is formed in an annular shape so as not to overlap the tip surface 22e1 of the auxiliary support portion 22e.

また、補助支持部２２ｅは、同図（ｄ）に示されるように、可動電極２２がｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けた場合に変形部２４ｂと共に変形して、可動電極２２の移動を許容するようになっている。さらに、図示は省略するが、可動電極２２がｚの負方向の力を受けた場合には、変位部２２ｄの変形と共に押し潰されるようになっている。   Further, as shown in FIG. 4D, the auxiliary support portion 22e is deformed together with the deformable portion 24b when the movable electrode 22 receives a force F in the xy plane, and moves the movable electrode 22. It comes to allow. Furthermore, although illustration is omitted, when the movable electrode 22 receives a force in the negative direction of z, it is crushed along with the deformation of the displacement portion 22d.

このように、補助支持部２２ｅを設けることにより、可動電極２２と固定電極３０の間の距離をより高精度に設定することが可能となる。また、可動電極２２が移動する際における突出部２２ｂの先端面２２ｂ１の浮き上がりを防止することが可能となる。すなわち、力の検出精度を高めることができる。   As described above, by providing the auxiliary support portion 22e, the distance between the movable electrode 22 and the fixed electrode 30 can be set with higher accuracy. Further, it is possible to prevent the tip end surface 22b1 of the protruding portion 22b from being lifted when the movable electrode 22 moves. That is, the force detection accuracy can be increased.

図１１（ａ）および（ｂ）は、複数の補助支持部２２ｅを設けるようにした場合の一例を示しており、同図（ａ）は、受力体２０の底面図、同図（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。この例では、可動電極２２の中央部に円柱状の補助支持部２２ｅを設けると共に、突出部２２ｂの間にも円柱状の補助支持部２２ｅを設けている。このように、複数の補助支持部２２ｅを適宜に配置することにより、可動電極２２と固定電極３０の間の距離をより高精度に保つことが可能となる。なお、補助支持部２２ｅの個数および配置は、特に限定されるものではなく、適宜に設定することができる。   11 (a) and 11 (b) show an example in which a plurality of auxiliary support portions 22e are provided. FIG. 11 (a) is a bottom view of the force receiving body 20, and FIG. 11 (b). These are sectional views taken along the line BB in FIG. In this example, a columnar auxiliary support portion 22e is provided at the center of the movable electrode 22, and a columnar auxiliary support portion 22e is also provided between the protruding portions 22b. Thus, by appropriately arranging the plurality of auxiliary support portions 22e, the distance between the movable electrode 22 and the fixed electrode 30 can be maintained with higher accuracy. In addition, the number and arrangement | positioning of the auxiliary | assistant support part 22e are not specifically limited, It can set suitably.

図１１（ｃ）および（ｄ）は、可動電極２２の中央部に略円錐台状（テーパ状）の補助支持部２２ｅを設けた場合の例を示した図であり、同図（ｃ）は、受力体２０の底面図、同図（ｄ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。このように、補助支持部２２ｅをテーパ状に構成することにより、補助支持部２２ｅを突出変位部２２ｄ１と同様に機能させることができるため、力の検出精度を高めることが可能となる。なお、補助支持部２２ｅの形状は、特に限定されるものではなく、受力体２０の材質や補助支持部２２ｅの配置等に応じて、任意の形状を採用することができる。   FIGS. 11C and 11D are diagrams showing an example in which a substantially frustoconical (tapered) auxiliary support portion 22e is provided in the central portion of the movable electrode 22, and FIG. FIG. 3D is a bottom view of the force receiving body 20, and FIG. 3D is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. In this way, by configuring the auxiliary support portion 22e in a tapered shape, the auxiliary support portion 22e can function in the same manner as the protruding displacement portion 22d1, and thus it is possible to increase the force detection accuracy. The shape of the auxiliary support portion 22e is not particularly limited, and an arbitrary shape can be adopted according to the material of the force receiving body 20, the arrangement of the auxiliary support portion 22e, and the like.

図１２（ａ）〜（ｄ）および図１３（ａ）〜（ｄ）は、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１を別部材から構成した場合の例を示した図である。まず、図１２（ａ）および（ｂ）は、突出部２２ｂの先端に板状部材４０を取り付けるようにした場合の一例を示しており、同図（ａ）は、受力体２０の底面図、同図（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。この例では、突出部２２ｂの形状に合わせた幅広の円弧状の板状部材４０を突出部２２ｂの先端に取り付け、この板状部材４０が上面１０ａと略接触するようにしている。すなわち、この例では、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１は、板状部材４０から構成されている。   12 (a) to 12 (d) and FIGS. 13 (a) to 13 (d) are diagrams illustrating an example in which the distal end surface 22b1 of the protruding portion 22b is configured from another member. First, FIGS. 12A and 12B show an example in which the plate-like member 40 is attached to the tip of the projecting portion 22b. FIG. 12A is a bottom view of the force receiving body 20. FIG. FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. In this example, a wide arc-shaped plate-like member 40 that matches the shape of the protruding portion 22b is attached to the tip of the protruding portion 22b so that the plate-like member 40 substantially contacts the upper surface 10a. That is, in this example, the front end surface 22b1 of the protruding portion 22b is composed of the plate-like member 40.

このようにすることで、可動電極２２および支持部２４を導電性弾性材料によって一体形成しながらも、板状部材４０の材質を適宜に設定することで、可動電極２２を基板１０の上面１０ａに沿ってスムーズに移動（滑動）させることが可能となる。すなわち、受力体２０をコンパクト且つ安価に構成しながらも、力の検出精度を高めることができる。また、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１の耐摩耗性を向上させることができる。   In this way, while the movable electrode 22 and the support portion 24 are integrally formed of a conductive elastic material, the movable electrode 22 is placed on the upper surface 10a of the substrate 10 by appropriately setting the material of the plate member 40. It is possible to move (slide) smoothly along the line. That is, the force detection accuracy can be enhanced while the force receiving body 20 is configured to be compact and inexpensive. In addition, the wear resistance of the front end surface 22b1 of the protrusion 22b can be improved.

なお、板状部材４０の可動電極２２への取り付け方法は、接着剤による接着や融着、溶着等、既知の手法を採用することができる。また、板状部材４０を構成する材料は、特に限定されるものではなく、各種樹脂や金属等を採用することができる。また、板状部材４０は、導電性材料から構成されるものであってもよいし、絶縁性材料から構成されるものであってもよい。すなわち、板状部材４０を絶縁層として機能させるようにしてもよい。   In addition, the attachment method to the movable electrode 22 of the plate-shaped member 40 can employ | adopt known methods, such as adhesion | attachment with an adhesive agent, melt | fusion, welding. Moreover, the material which comprises the plate-shaped member 40 is not specifically limited, Various resin, a metal, etc. are employable. The plate-like member 40 may be made of a conductive material or may be made of an insulating material. That is, the plate-like member 40 may function as an insulating layer.

図１２（ｃ）は、複数の突出部２２ｂに跨って板状部材４０を取り付けるようにした例を示しており、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。板状部材４０は、図１２（ａ）および（ｂ）に示されるように、複数の突出部材２２ｂごとに取り付けられるものであってもよいし、図１２（ｃ）に示されるように、円環状または円盤状に構成され、複数の突出部材２２ｂに跨って取り付けられるものであってもよい。   FIG. 12C shows an example in which the plate-like member 40 is attached across the plurality of projecting portions 22b, and is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. As shown in FIGS. 12A and 12B, the plate-like member 40 may be attached to each of the plurality of protruding members 22b, or as shown in FIG. It may be configured in an annular shape or a disk shape and attached across the plurality of protruding members 22b.

図１２（ｄ）は、複数の突出部２２ｂおよび突出変位部２２ｄ１に跨って板状部材４０を取り付けるようにした例を示しており、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。このように、板状部材４０は、複数の突出部２２ｂおよび突出変位部２２ｄ１に跨って取り付けられるものであってもよい。なお、突出部２２ｂおよび突出変位部２２ｄ１に個別に板状部材４０を取り付けるようにしてもよいことは、言うまでもない。   FIG. 12D shows an example in which the plate-like member 40 is attached across the plurality of protrusions 22b and the protrusion displacement part 22d1, and is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. Thus, the plate-like member 40 may be attached across the plurality of protrusions 22b and the protrusion displacement part 22d1. Needless to say, the plate-like member 40 may be individually attached to the protruding portion 22b and the protruding displacement portion 22d1.

図１３（ａ）および（ｂ）は、突出部２２ｂを可動電極２２（受力体２０）とは別部材であるブロック状部材４２から構成した例を示しており、同図（ａ）は、受力体２０の底面図、同図（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。この例では、幅広の円弧状断面のブロック状のブロック状部材４２を可動電極２２の基部２２ａの下側（基板１０側）に取り付け、これにより突出部２２ｂを構成している。   FIGS. 13A and 13B show an example in which the projecting portion 22b is composed of a block-like member 42 that is a separate member from the movable electrode 22 (power receiving body 20). A bottom view of the force receiving body 20 and FIG. 3B are cross-sectional views taken along line BB in FIG. In this example, a block-shaped block-shaped member 42 having a wide arc-shaped cross section is attached to the lower side (substrate 10 side) of the base 22a of the movable electrode 22, thereby constituting the protrusion 22b.

なお、この例では、同図（ｂ）に示されるように、基部２２ａに設けた凹部２２ａ１にブロック状部材４２を嵌め込むようにしているが、凹部２２ａ１を設けずにブロック状部材４２をそのまま貼り付けるようにしてもよい。ブロック状部材４２の固定方法は、接着剤による接着や融着、溶着等、既知の手法を採用することができる。また、ブロック状部材４２を構成する材料は、板状部材４０と同様に、特に限定されるものではない。   In this example, as shown in FIG. 5B, the block-like member 42 is fitted into the recess 22a1 provided in the base 22a, but the block-like member 42 is pasted without providing the recess 22a1. You may do it. As a fixing method of the block-shaped member 42, a known method such as adhesion, fusion, welding, or the like using an adhesive can be employed. Further, the material constituting the block-like member 42 is not particularly limited, as is the case with the plate-like member 40.

図１３（ｃ）および（ｄ）は、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１を別部材から構成することにより、先端面２２ｂ１を接着面２４ａ１よりも距離Ｓだけ下方に（基板１０側に）突出するようにした例を示しており、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。同図（ｃ）は、板状部材４０を使用した例を示しており、同図（ｄ）は、ブロック状部材４２を使用した例を示している。   In FIGS. 13C and 13D, the front end surface 22b1 of the projecting portion 22b is formed of a separate member so that the front end surface 22b1 projects downward (toward the substrate 10) by a distance S from the bonding surface 24a1. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. FIG. 4C shows an example using the plate-like member 40, and FIG. 4D shows an example using the block-like member 42. FIG.

このようにすることで、板状部材４０またはブロック状部材４２の厚さによって突出量である距離Ｓの値を調節し、基板１０への付勢力を適宜に設定することができる。すなわち、受力体２０の形状を変更することなく付勢力を調整することができる。なお、同図（ｃ）に示す例において、突出部２２ｂの先端面（板状部材４０が貼り付けられる面）は、固定部２４ａの接着面２４ａ１と同一平面上に位置するものであってもよいし、同一平面上に位置しないものであってもよい。   By doing in this way, the value of the distance S which is a protrusion amount can be adjusted with the thickness of the plate-shaped member 40 or the block-shaped member 42, and the urging | biasing force to the board | substrate 10 can be set suitably. That is, the urging force can be adjusted without changing the shape of the force receiving body 20. In the example shown in FIG. 8C, the tip end surface (surface on which the plate-like member 40 is attached) of the protruding portion 22b may be located on the same plane as the bonding surface 24a1 of the fixing portion 24a. Alternatively, they may not be located on the same plane.

図１４（ａ）〜（ｃ）は、変形部２４ｂの内側にリブ２４ｂ１を設けた場合の一例を示した図であり、同図（ａ）は、受力体２０の底面図、同図（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図、同図（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。この例では、支持部２４の変形部２４ｂの内側（下側）に、略三角錐状の複数のリブ２４ｂ１を、曲折部（角部）の両側に跨るように設けている。   FIGS. 14A to 14C are views showing an example in which a rib 24b1 is provided inside the deformable portion 24b. FIG. 14A is a bottom view of the force receiving body 20, and FIG. FIG. 3B is a sectional view taken along line BB in FIG. 3A, and FIG. 5C is a sectional view taken along line AA in FIG. In this example, a plurality of substantially triangular pyramid-shaped ribs 24b1 are provided on the inner side (lower side) of the deformed portion 24b of the support portion 24 so as to straddle both sides of the bent portion (corner portion).

このように、変形部２４ｂの内側（下側）に複数のリブ２４ｂ１を設けることにより、図１４（ｃ）に示されるように、可動電極２２のｘ−ｙ平面内における移動範囲を制限する場合に、可動電極２２と衝突して変形するクッション性を有するストッパとしてリブ２４ｂ１を機能させることができる。すなわち、可動電極２２の衝突による衝撃力を減衰し、固定部２４ａに加わる負担を軽減することができるため、力検出装置１の耐久性を高めることが可能となる。   As described above, by providing the plurality of ribs 24b1 on the inner side (lower side) of the deformable portion 24b, as shown in FIG. 14C, the movement range of the movable electrode 22 in the xy plane is limited. Further, the rib 24b1 can function as a stopper having a cushioning property that collides with the movable electrode 22 and deforms. That is, since the impact force caused by the collision of the movable electrode 22 can be attenuated and the load applied to the fixed portion 24a can be reduced, the durability of the force detection device 1 can be increased.

また、リブ２４ｂ１を設けることにより、変形部２４ｂの剛性を高め、可動電極２２が移動する際の突出部２２ｂの先端面２２ｂ１の浮き上がりを効果的に防止することができる。すなわち、先端面２２ｂ１とｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄ間の距離をより高精度に保つことができるため、力の検出精度を高めることができる。なお、リブ２４ｂ１の形状は、特に限定されるものではなく、例えば四角錐状や部分円錐状等、任意の形状を採用することができる。   Further, by providing the rib 24b1, it is possible to increase the rigidity of the deformable portion 24b and effectively prevent the tip surface 22b1 of the protruding portion 22b from being lifted when the movable electrode 22 moves. That is, since the distance between the tip surface 22b1 and the xy electrodes 30a to 30d can be maintained with higher accuracy, the force detection accuracy can be increased. Note that the shape of the rib 24b1 is not particularly limited, and an arbitrary shape such as a quadrangular pyramid shape or a partial conical shape can be employed.

また、リブ２４ｂ１は、支持部２４の変形部２４ｂにのみ設けられるものであってもよいし、固定部２４ａと変形部２４ｂに跨って設けられるものであってもよい。さらに、図示は省略するが、変形部２４ｂにリブ２４ｂ１を設けると共に、固定部２４ａにクッション性を有するクッション部を別途設けるようにしてもよい。   Further, the rib 24b1 may be provided only on the deforming portion 24b of the support portion 24, or may be provided across the fixing portion 24a and the deforming portion 24b. Furthermore, although illustration is omitted, the rib 24b1 may be provided on the deformable portion 24b, and a cushion portion having cushioning properties may be separately provided on the fixed portion 24a.

図１４（ｄ）は、支持部２４の変形部２４ｂを、固定部２４ａの上面２４ａ３の内周側から半径方向内側の斜め上方に向かって可動電極２２に接続するように構成した例を示した図であり、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。変形部２４ｂをこのように構成した場合、可動電極２２の移動に対する抵抗は大きくなるものの、可動電極２２の移動に伴う変形部２４ｂの弾性変形の復元力を、可動電極２２を上面１０ａに向けて付勢する付勢力として、より効果的に作用させることができる。従って、例えば比較的大きい力Ｆを検出する必要がある場合等には、変形部２４ｂをこのように構成するようにしてもよい。   FIG. 14 (d) shows an example in which the deformable portion 24 b of the support portion 24 is configured to be connected to the movable electrode 22 from the inner peripheral side of the upper surface 24 a 3 of the fixed portion 24 a to the diagonally upper side in the radial direction. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. When the deformable portion 24b is configured in this way, although resistance to the movement of the movable electrode 22 is increased, the restoring force of the elastic deformation of the deformable portion 24b accompanying the movement of the movable electrode 22 is set so that the movable electrode 22 faces the upper surface 10a. It can be made to act more effectively as a biasing force for biasing. Therefore, for example, when it is necessary to detect a relatively large force F, the deforming portion 24b may be configured in this way.

図１５（ａ）〜（ｃ）は、絶縁層を可動電極２２に設けるようにした場合の一例を示した図であり、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。この例では、図１５（ａ）に示されるように、基板１０の上面１０ａにｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄおよびｚ用電極３０ｅを形成すると共に、突出部２２ｂの先端に絶縁性材料からなる板状部材４０を取り付けるようにしている。すなわち、この例では、可動電極２２に設けた板状部材４０によって絶縁層を構成し、可動電極２２と共に絶縁層を移動させるようにしている。   FIGS. 15A to 15C are views showing an example in which an insulating layer is provided on the movable electrode 22, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. In this example, as shown in FIG. 15 (a), the xy electrodes 30a to 30d and the z electrode 30e are formed on the upper surface 10a of the substrate 10, and a plate made of an insulating material is formed at the tip of the protruding portion 22b. The member 40 is attached. That is, in this example, an insulating layer is constituted by the plate-like member 40 provided on the movable electrode 22, and the insulating layer is moved together with the movable electrode 22.

この例では、同図（ｂ）に示されるように、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１は板状部材４０から構成されており、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの上面（可動電極２２に対向する面）と略接触した状態となっている。そして、ｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けて可動電極２２が移動する場合には、同図（ｃ）に示されるように、板状部材４０から構成される先端面２２ｂ１が、略接触した状態を保ちながらｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの上面に沿って移動するようになっている。   In this example, as shown in FIG. 4B, the tip surface 22b1 of the protrusion 22b is composed of a plate-like member 40, and the upper surfaces of the xy electrodes 30a to 30d (surfaces facing the movable electrode 22). It is in a state of being substantially in contact with. When the movable electrode 22 is moved by receiving the force F in the xy plane, the tip surface 22b1 formed by the plate-like member 40 is substantially in contact as shown in FIG. It moves along the upper surfaces of the xy electrodes 30a to 30d while maintaining the state.

このように、絶縁層を可動電極２２に設けてｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの上面と略接触するようにし、可動電極２２を絶縁層と共にｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの上面に沿って移動させるようにしてもよい。この場合においても、板状部材４０からなる先端面２２ｂ１がｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの上面に略接触した状態を維持し、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの間の距離を一定に保つことが可能であるため、検出精度を高めることができる。   As described above, the insulating layer is provided on the movable electrode 22 so as to be substantially in contact with the upper surfaces of the xy electrodes 30a to 30d, and the movable electrode 22 is moved along the upper surfaces of the xy electrodes 30a to 30d together with the insulating layer. May be. Also in this case, the tip end surface 22b1 made of the plate-like member 40 is kept in substantially contact with the upper surfaces of the xy electrodes 30a to 30d, and the distance between the protruding portion 22b and the xy electrodes 30a to 30d is kept constant. Therefore, the detection accuracy can be increased.

なお、図１２において示した例と同様に、複数の突出部２２ｂに跨って絶縁層となる板状部材４０を取り付けるようにしてもよいし、可動電極２２に突出変位部２２ｄ１を設けた場合に、複数の突出部２２ｂおよび突出変位部２２ｄ１に跨って絶縁層となる板状部材４０を取り付けるようにしてもよい。この場合、板状部材４０がｚ用電極３０ｅの上面と略接触するようにしてもよい。また、板状部材４０の代りに、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１にコーティングした被膜によって絶縁層を構成するようにしてもよいし、図１３において示した例と同様に、ブロック状部材４２によって絶縁層を構成するようにしてもよい。   As in the example shown in FIG. 12, the plate-like member 40 serving as an insulating layer may be attached across the plurality of protrusions 22 b, or when the projecting displacement part 22 d 1 is provided on the movable electrode 22. The plate-like member 40 serving as an insulating layer may be attached across the plurality of protrusions 22b and the protrusion displacement part 22d1. In this case, the plate-like member 40 may be substantially in contact with the upper surface of the z electrode 30e. Further, instead of the plate-like member 40, the insulating layer may be constituted by a film coated on the tip end face 22b1 of the projecting portion 22b, or insulated by the block-like member 42 as in the example shown in FIG. You may make it comprise a layer.

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る力検出装置２について説明する。 <Second Embodiment>
Next, a force detection device 2 according to a second embodiment of the present invention will be described.

本実施形態に係る力検出装置２は、ｚ軸周りのモーメントの方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出可能に構成されている。すなわち、力検出装置２は、例えば対象物の回転を指示する操作および選択操作が可能な入力装置や、ロボットハンドの先端に設けられて把持物に加わるモーメントおよび把持力を検出する触覚センサとして利用可能に構成されている。なお、以下の説明においては、第１の実施形態の力検出装置１と同一の部分については同一の符号を付すと共にその説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分について説明する。   The force detection device 2 according to the present embodiment is configured to be able to detect the direction and magnitude of the moment around the z axis and the magnitude of the force in the negative direction of z. That is, the force detection device 2 is used as, for example, an input device that can perform an operation for instructing the rotation of an object and a selection operation, or a tactile sensor that is provided at the tip of the robot hand and detects a moment and a gripping force applied to the gripped object. It is configured to be possible. In the following description, the same portions as those of the force detection device 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted, and portions different from the first embodiment are described.

図１６（ａ）は、力検出装置２の平面図であり、同図（ｂ）は、力検出装置２の正面図であり、同図（ｃ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。これらの図に示されるように、本実施形態の力検出装置２は、基板１０および受力体２０から構成されており、基本的な構成は第１の実施形態と同一である。   16 (a) is a plan view of the force detection device 2, FIG. 16 (b) is a front view of the force detection device 2, and FIG. 16 (c) is an AA view of FIG. It is line sectional drawing. As shown in these drawings, the force detection device 2 of the present embodiment is composed of a substrate 10 and a force receiving body 20, and the basic configuration is the same as that of the first embodiment.

図１７（ａ）は、本実施形態の基板１０の平面図であり、同図（ｂ）は、同基板１０の正面図であり、同図（ｃ）は、同基板１０の底面図である。本実施形態では、固定電極３０は、ｚ方向の力を検出するためのｚ用電極３０ｅと、ｚ軸周りのモーメントを検出するための８つのｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２、３０ｇ１、３０ｇ２、３０ｈ１、３０ｈ２、３０ｉ１、３０ｉ２との計９つの電極から構成されている。また、端子電極３４は、これら９つの固定電極３０および接続電極３２に対応させて１０個形成されている。   FIG. 17A is a plan view of the substrate 10 of the present embodiment, FIG. 17B is a front view of the substrate 10, and FIG. 17C is a bottom view of the substrate 10. . In the present embodiment, the fixed electrode 30 includes a z electrode 30e for detecting a force in the z direction, and eight zm electrodes 30f1, 30f2, 30g1, 30g2, 30h1, and a moment around the z axis. It consists of a total of nine electrodes 30h2, 30i1, and 30i2. Further, ten terminal electrodes 34 are formed corresponding to these nine fixed electrodes 30 and connection electrodes 32.

８つのｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２は、円環を４つに分割したものをさらに２つに分割した幅広の円弧状にそれぞれ形成されており、仮想円周Ｒ上に略対称に配置されている。このうち、互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２は、可動電極２２の１つの突出部２２ｂに対応して形成された１組の電極（電極組）となっている。同様に、互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２、互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２、および互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２についても、それぞれ１つの突出部２２ｂに対応して形成された１組の電極（電極組）となっている。   The eight zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 are each formed in a wide arc shape obtained by dividing the annular ring into four parts, and are substantially symmetrical on the virtual circumference R. Has been placed. Among these, the zm electrodes 30 f 1 and 30 f 2 adjacent to each other are one set of electrodes (electrode sets) formed corresponding to one protrusion 22 b of the movable electrode 22. Similarly, the zm electrodes 30g1 and 30g2 that are adjacent to each other, the zm electrodes 30h1 and 30h2 that are adjacent to each other, and the zm electrodes 30i1 and 30i2 that are adjacent to each other are also formed corresponding to one protrusion 22b. It is a set of electrodes (electrode set).

また、本実施形態の受力体２０は可動電極２２の中央部に補助支持部２２ｅを備えているため、ｚ用電極３０ｅは、補助支持部２２ｅの接着面２２ｅ１と重ならないように円環状に形成されている。   In addition, since the force receiving body 20 of the present embodiment includes the auxiliary support portion 22e at the center of the movable electrode 22, the z electrode 30e has an annular shape so as not to overlap with the bonding surface 22e1 of the auxiliary support portion 22e. Is formed.

図１８（ａ）は、本実施形態の受力体２０の平面図であり、同図（ｂ）は、同受力体２０の正面図（側面図）であり、同図（ｃ）は、同受力体２０の底面図である。また、同図（ｄ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、同図（ｅ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。これらの図に示されるように、本実施形態の受力体２０は、先端面２２ｂ１の形状が幅広の円弧状に構成された４つの突出部２２ｂを備えている。この４つの突出部２２ｂは、ｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２からなる電極組、ｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２からなる電極組、ｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２からなる電極組、およびｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２からなる電極組に対応する位置にそれぞれ設けられている。また、本実施形態の突出部２２ｂは、第１の実施形態の突出部２２ｂよりも円周方向の寸法が短く構成されている。   FIG. 18 (a) is a plan view of the force receiving body 20 of the present embodiment, FIG. 18 (b) is a front view (side view) of the force receiving body 20, and FIG. 3 is a bottom view of the force receiving body 20. FIG. FIG. 4D is a cross-sectional view taken along line B-B in FIG. 4A, and FIG. 4E is a cross-sectional view taken along line D-D in FIG. As shown in these drawings, the force receiving body 20 of the present embodiment includes four projecting portions 22b in which the shape of the distal end surface 22b1 is formed in a wide arc shape. The four projecting portions 22b are composed of an electrode set including zm electrodes 30f1 and 30f2, an electrode set including zm electrodes 30g1 and 30g2, an electrode set including zm electrodes 30h1 and 30h2, and zm electrodes 30i1 and 30i2. Each is provided at a position corresponding to the electrode set. Further, the protruding portion 22b of the present embodiment is configured to have a shorter circumferential dimension than the protruding portion 22b of the first embodiment.

可動電極２２の中央部（変位部２２ｄの中央部）には、円柱状の補助支持部２２ｅが設けられている。また、本実施形態では、支持部２４の変形部２４ｂは、固定部２４ａの上面２４ａ３の内周側から半径方向内側に向かって可動電極２２に接続するように構成されている。補助支持部２２ｅおよび変形部２４ｂは、可動電極２２のｚ軸周りの回転に伴って弾性変形すると共に、復元力によって可動電極２２を初期状態に保持可能な適宜の寸法に構成されている。本実施形態では、変形部２４ｂを可動電極２２の外周を囲むように設けると共に、変形部２４ｂに垂直部分を設けないようにすることで、可動電極２２のｘ−ｙ平面内における直線移動を適宜に拘束し、可動電極２２のｚ軸周りの回転精度を高めるようにしている。また、可動電極２２の回転に伴う変形部２４ｂの弾性変形の復元力が、可動電極２２を上面１０ａに向けて適度に付勢する方向に作用するようにしている。   A cylindrical auxiliary support portion 22e is provided at the central portion of the movable electrode 22 (the central portion of the displacement portion 22d). Moreover, in this embodiment, the deformation | transformation part 24b of the support part 24 is comprised so that it may connect to the movable electrode 22 toward the radial inside from the inner peripheral side of the upper surface 24a3 of the fixing | fixed part 24a. The auxiliary support portion 22e and the deformable portion 24b are configured to have appropriate dimensions capable of elastically deforming as the movable electrode 22 rotates about the z-axis and holding the movable electrode 22 in an initial state by a restoring force. In the present embodiment, the deformable portion 24b is provided so as to surround the outer periphery of the movable electrode 22, and the vertical portion of the deformable portion 24b is not provided so that the linear movement of the movable electrode 22 in the xy plane is appropriately performed. The rotational accuracy of the movable electrode 22 around the z-axis is increased. In addition, the restoring force of the elastic deformation of the deformable portion 24b accompanying the rotation of the movable electrode 22 acts in a direction that appropriately biases the movable electrode 22 toward the upper surface 10a.

図１６に戻って、突出部２２ｂの１つは、先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態で１組のｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２に跨るように配置されており、先端面２２ｂ１の一部が、ｚｍ用電極３０ｆ１の一部およびｚｍ用電極３０ｆ２の一部と重なるようになっている。同様に、残りの３つの突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態で、１組のｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２、１組のｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２、および１組のｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２にそれぞれ跨るように配置されており、先端面２２ｂ１の一部が、ｚｍ用電極３０ｇ１の一部およびｚｍ用電極３０ｇ２の一部、ｚｍ用電極３０ｈ１の一部およびｚｍ用電極３０ｈ２の一部、ならびにｚｍ用電極３０ｉ１の一部およびｚｍ用電極３０ｉ２の一部とそれぞれ重なるようになっている。   Returning to FIG. 16, one of the protrusions 22b is disposed so as to straddle the pair of zm electrodes 30f1 and 30f2 with the front end surface 22b1 substantially in contact with the upper surface 10a of the substrate 10, and the front end surface 22b1. Is overlapped with a part of the zm electrode 30f1 and a part of the zm electrode 30f2. Similarly, the remaining three protrusions 22b have a pair of zm electrodes 30g1, 30g2, a pair of zm electrodes 30h1, 30h2, and 1 with the tip surface 22b1 substantially in contact with the upper surface 10a of the substrate 10. The zm electrodes 30i1 and 30i2 are arranged so as to straddle each other, and a part of the end face 22b1 is part of the zm electrode 30g1, part of the zm electrode 30g2, part of the zm electrode 30h1, and A part of the zm electrode 30h2, a part of the zm electrode 30i1, and a part of the zm electrode 30i2 are overlapped with each other.

従って、本実施形態では、１つの突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１の間に静電容量Ｃｆ１が形成されると共に、この突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ２の間に静電容量Ｃｆ２が形成されるようになっている。また、もう１つの突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｇ１の間に静電容量Ｃｇ１が形成されると共に、この突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｇ２の間に静電容量Ｃｇ２が形成され、さらにもう１つの突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｈ１の間に静電容量Ｃｈ１が形成されると共に、この突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｈ２の間に静電容量Ｃｈ２が形成され、残りの１つの突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｉ１の間に静電容量Ｃｉ１が形成され、この突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｉ２の間に静電容量Ｃｉ２が形成されるようになっている。   Therefore, in the present embodiment, a capacitance Cf1 is formed between one protrusion 22b and the zm electrode 30f1, and a capacitance Cf2 is formed between the protrusion 22b and the zm electrode 30f2. It is like that. In addition, a capacitance Cg1 is formed between the other protrusion 22b and the zm electrode 30g1, and a capacitance Cg2 is formed between the protrusion 22b and the zm electrode 30g2. An electrostatic capacitance Ch1 is formed between the protruding portion 22b and the zm electrode 30h1, and an electrostatic capacitance Ch2 is formed between the protruding portion 22b and the zm electrode 30h2, and the remaining one protruding portion 22b and zm A capacitance Ci1 is formed between the electrode 30i1 and a capacitance Ci2 is formed between the protrusion 22b and the zm electrode 30i2.

次に、力検出装置２の作用について説明する。   Next, the operation of the force detection device 2 will be described.

上述の構成により、本実施形態の力検出装置２は、ｚ軸周りのモーメントの方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出することが可能となっている。図１９（ａ）〜（ｃ）は、力検出装置２がｚ軸周りのモーメントＭを受けた状態を示した図であり、同図（ａ）は、力検出装置２の平面図、同図（ｂ）および（ｃ）は、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なりを示した概略図である。なお、同図（ｂ）および（ｃ）においては、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり部分をハッチングによって示している。   With the above-described configuration, the force detection device 2 of the present embodiment can detect the direction and magnitude of the moment around the z axis and the magnitude of the force in the negative direction of z. FIGS. 19A to 19C are views showing a state in which the force detection device 2 receives a moment M around the z-axis. FIG. 19A is a plan view of the force detection device 2. (B) And (c) is the schematic which showed the overlap of the protrusion part 22b and the electrodes 30f1-30i1 and 30f2-30i2 for zm. In FIGS. 2B and 2C, the overlapping portions of the protrusion 22b and the zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 are indicated by hatching.

同図（ａ）に示されるように、ｚ軸周りのモーメントＭを受けた場合、可動電極２２は、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態を保ちながら上面１０ａ上を滑ってｚ軸周りに回転することとなる。このとき、支持部２４は、変形部２４ｂが適宜に弾性変形することにより、可動電極２２の回転を許容すると共に、可動電極２２の回転量（回転角度）が略モーメントＭの大きさに応じた回転量（回転角度）となるようにする。また、変形部２４ｂが可動電極２２を上面１０ａに向けて適度に付勢することにより、回転中も先端面２２ｂ１が上面１０ａに略接触した状態が保たれるようになっている。   As shown in FIG. 6A, when receiving the moment M around the z-axis, the movable electrode 22 has the upper surface 10a while maintaining the state where the tip surface 22b1 of the protrusion 22b is substantially in contact with the upper surface 10a of the substrate 10. It slides on and rotates around the z axis. At this time, the support portion 24 allows the movable electrode 22 to rotate by the elastic deformation of the deformable portion 24b, and the amount of rotation (rotation angle) of the movable electrode 22 substantially corresponds to the magnitude of the moment M. The rotation amount (rotation angle) is set. In addition, the deformable portion 24b appropriately biases the movable electrode 22 toward the upper surface 10a, so that the tip surface 22b1 is kept substantially in contact with the upper surface 10a even during rotation.

本実施形態では、ｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２を、ｚ軸を中心とする円周上に配列すると共に、突出部材２２ｂの先端面２２ｂ１が、１組のｚｍ用電極（例えば３０ｆ１、３０ｆ２）に跨ってそれぞれの一部と重なるようにしている（図１６（ａ）参照）。このため、可動電極２２がｚ軸周りに回転して突出部２２ｂが回転移動した場合、図１９（ｂ）および（ｃ）に示されるように、突出部２２ｂと１組のｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり面積は、回転方向に対応する一方については増加し、他方については減少することとなる。そして、重なり面積の増加量および減少量は、回転角度θに応じて決まる。   In the present embodiment, the zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 are arranged on a circumference around the z axis, and the tip surface 22b1 of the protruding member 22b is a set of zm electrodes (for example, 30f1, 30f1, 30f2) so as to overlap each part (see FIG. 16A). Therefore, when the movable electrode 22 rotates around the z-axis and the protruding portion 22b rotates, as shown in FIGS. 19B and 19C, the protruding portion 22b and a pair of zm electrodes 30f1 to 30f1 The overlapping area of 30i1 and 30f2 to 30i2 increases on one side corresponding to the rotation direction and decreases on the other side. The amount of increase and decrease of the overlapping area is determined according to the rotation angle θ.

従って、この重なり面積の変化による静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１、Ｃｆ２〜Ｃｉ２の変化に基づいてモーメントＭの方向および大きさを検出することができる。具体的には、同図（ｂ）に示されるように、平面視で半時計回りのモーメントＭを受けた場合には、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり面積が増加し、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１の重なり面積が減少することとなる。また、同図（ｃ）に示されるように、平面視で時計回りのモーメントＭを受けた場合には、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１の重なり面積が増加し、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり面積が減少することとなる。   Therefore, the direction and magnitude of the moment M can be detected based on changes in the capacitances Cf1 to Ci1 and Cf2 to Ci2 due to the change in the overlapping area. Specifically, as shown in FIG. 5B, when receiving a counterclockwise moment M in plan view, the overlapping area of the protrusion 22b and the zm electrodes 30f2 to 30i2 increases, and the protrusion The overlapping area between the portion 22b and the zm electrodes 30f1 to 30i1 is reduced. Further, as shown in FIG. 6C, when a clockwise moment M is received in a plan view, the overlapping area of the protruding portion 22b and the zm electrodes 30f1 to 30i1 increases, and the protruding portions 22b and zm The overlapping area of the electrodes 30f2 to 30i2 for use will be reduced.

すなわち、静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１および静電容量Ｃｆ２〜Ｃｉ２のいずれが増加し、いずれが減少したかによって、モーメントＭの方向を検出することができる。また静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１および静電容量Ｃｆ２〜Ｃｉ２の値または変化量から可動電極２２の回転角度θを検出し、これに基づいてモーメントＭの大きさを検出することができる。   That is, the direction of the moment M can be detected depending on which of the capacitances Cf1 to Ci1 and the capacitances Cf2 to Ci2 increases and decreases. Further, the rotation angle θ of the movable electrode 22 can be detected from the values or amounts of change in the capacitances Cf1 to Ci1 and the capacitances Cf2 to Ci2, and the magnitude of the moment M can be detected based on this.

なお、モーメントＭの方向および大きさの検出は、静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１の値または変化量の合計、および静電容量Ｃｆ２〜Ｃｉ２の値または変化量の合計に基づくものであってもよいし、静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１の値または変化量の平均、および静電容量Ｃｆ２〜Ｃｉ２の値または変化量の平均に基づくものであってもよい。従って、前者の場合には、ｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１を電気的に短絡し、ｚｍ用電極３０ｆ２〜３０ｉ２を電気的に短絡するようにしてもよい。   The detection of the direction and magnitude of the moment M may be based on the total value or change amount of the capacitances Cf1 to Ci1 and the total value or change amount of the capacitances Cf2 to Ci2. , Based on the average of the values or change amounts of the capacitances Cf1 to Ci1 and the average of the values or change amounts of the capacitances Cf2 to Ci2. Therefore, in the former case, the zm electrodes 30f1 to 30i1 may be electrically short-circuited, and the zm electrodes 30f2 to 30i2 may be electrically short-circuited.

次に、力検出装置２のその他の形態について説明する。   Next, other forms of the force detection device 2 will be described.

図２０（ａ）および（ｂ）は、支持部２４の変形部２４ｂに複数の孔部２４ｂ２を設けるようにした場合の一例を示した図であり、同図（ａ）は、受力体２０の平面図、同図（ｂ）は、受力体２０の底面図である。この例では、ｚ方向に貫通する円形断面の複数の孔部２４ｂ２を円周方向に沿って配列している。   20 (a) and 20 (b) are diagrams showing an example in which a plurality of hole portions 24b2 are provided in the deformable portion 24b of the support portion 24. FIG. FIG. 4B is a bottom view of the force receiving body 20. In this example, a plurality of holes 24b2 having a circular cross section penetrating in the z direction are arranged along the circumferential direction.

このように、複数の孔部２４ｂ２を設けることにより、変形部２４ｂのｚ方向の剛性を維持しつつ、可動電極２２のｚ軸周りの回転に伴う変形部２４ｂの変形を容易にすることができる。すなわち、複数の孔部２４ｂ２を設けることによって、可動電極２２をｚ軸周りに回転させた場合に、孔部２４ｂ２が変形すると共に孔部２４ｂ２の間の梁状の部分を傾くように変形させることができる。これにより、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１とｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２間の距離をより高精度に保ちつつ、可動電極２２をｚ軸周りにスムーズに回転させることができるため、モーメントＭの検出精度を高めることができる。   As described above, by providing the plurality of holes 24b2, it is possible to easily deform the deformable portion 24b accompanying the rotation of the movable electrode 22 around the z-axis while maintaining the rigidity of the deformable portion 24b in the z direction. . That is, by providing a plurality of holes 24b2, when the movable electrode 22 is rotated around the z axis, the holes 24b2 are deformed and the beam-like portions between the holes 24b2 are deformed so as to be inclined. Can do. Thereby, the movable electrode 22 can be smoothly rotated around the z-axis while maintaining the distance between the distal end surface 22b1 of the protruding portion 22b and the zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 with higher accuracy. The detection accuracy of M can be increased.

なお、孔部２４ｂ２の断面形状は、特に限定されるものではなく、その他の任意の形状であってもよい。また、孔部２４ｂ２の個数および配列は、特に限定されるものではなく、例えば複数の孔部２４ｂ２を２列に配列するようにしてもよいし、千鳥状に配列してもよい。また、貫通する孔部２４ｂ２ではなく、貫通しない凹部を変形部２４ｂに設けるようにしてもよい。   The cross-sectional shape of the hole 24b2 is not particularly limited, and may be any other shape. Further, the number and arrangement of the holes 24b2 are not particularly limited. For example, the plurality of holes 24b2 may be arranged in two rows or may be arranged in a staggered manner. Moreover, you may make it provide not the through-hole 24b2 but the recessed part which does not penetrate in the deformation | transformation part 24b.

図２０（ｃ）および（ｄ）は、受力体２０に突起部２６を設けた場合の例を示した図であり、同図（ｃ）は、受力体２０の平面図、同図（ｄ）は、受力体２０の正面図（側面図）である。この例では、可動電極２２の上面に十字状の突起部２６を設け、この突起部２６を凹部２８ａに嵌め込むことによって固定部材２８を可動電極２２に取り付けるようにしている。   20 (c) and 20 (d) are views showing an example in which the protrusions 26 are provided on the force receiving body 20, and FIG. 20 (c) is a plan view of the force receiving body 20, and FIG. d) is a front view (side view) of the force receiving body 20. In this example, a cross-shaped projection 26 is provided on the upper surface of the movable electrode 22, and the fixed member 28 is attached to the movable electrode 22 by fitting the projection 26 into the recess 28 a.

このようにすることで、例えば回転操作可能な操作ダイヤル等の固定部材２８を可動電極２２に取り付けた場合に、固定部材２８に加えられたモーメントＭを確実に可動電極２２に伝達すると共に、力検出装置２の耐久性を高めることが可能となる。また、可動電極２２に対する固定部材２８を正確に位置決めすることができるため、可動電極２２の回転中心と固定部材２８の回転中心を正確に一致させ、モーメントＭの検出精度、および入力装置として使用した場合の操作性を高めることが可能となる。   In this way, for example, when a fixed member 28 such as an operation dial that can be rotated is attached to the movable electrode 22, the moment M applied to the fixed member 28 is reliably transmitted to the movable electrode 22, and the force The durability of the detection device 2 can be increased. Further, since the fixed member 28 can be accurately positioned with respect to the movable electrode 22, the rotation center of the movable electrode 22 and the rotation center of the fixed member 28 are made to coincide with each other accurately, and the moment M is detected and used as an input device. It becomes possible to improve the operability in the case.

なお、図２０（ａ）〜（ｄ）に示した例以外にも、第１の実施形態において示した各種構成を本実施形態の力検出装置２に適用してもよいことは言うまでもない。同様に、本実施形態において示した各種構成を第１の実施形態の力検出装置１に適用してもよいことは言うまでもない。   In addition to the examples shown in FIGS. 20A to 20D, it goes without saying that the various configurations shown in the first embodiment may be applied to the force detection device 2 of the present embodiment. Similarly, it goes without saying that various configurations shown in the present embodiment may be applied to the force detection device 1 of the first embodiment.

また、本実施形態では、４つの突出部２２ｂを設けた場合の例のみを示したが、突出部２２ｂの数は特に限定されるものではなく、いくつであってもよい。可動電極２２の回転角度θの最大値は、突出部材２２ｂの個数によって決まる（個数が少ないほど回転角度θの最大値は大きくなる）ため、必要な回転角度θに応じて突出部２２ｂの個数を設定すると共に、各突出部２２ｂに対応させて１組の（２つの）ｚｍ用電極を設けるようにすればよい。   In the present embodiment, only the example in which the four protrusions 22b are provided is shown, but the number of the protrusions 22b is not particularly limited and may be any number. The maximum value of the rotation angle θ of the movable electrode 22 is determined by the number of the protruding members 22b (the smaller the number, the larger the maximum value of the rotation angle θ). Therefore, the number of the protruding portions 22b is set according to the required rotation angle θ. In addition to the setting, a pair of (two) zm electrodes may be provided corresponding to each protrusion 22b.

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態に係る力検出装置３について説明する。 <Third Embodiment>
Next, a force detection device 3 according to a third embodiment of the present invention will be described.

本実施形態に係る力検出装置３は、ｘ−ｙ平面内の力の方向および大きさ、ｚ軸周りのモーメントの方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出可能に構成されている。すなわち、力検出装置３は、例えば対象物の移動および回転を指示する操作ならびに選択操作が可能な入力装置や、ロボットハンドの先端に設けられて把持物に加わる力およびモーメントならびに把持力を検出する触覚センサとして利用可能に構成されている。なお、以下の説明においては、第１および第２の実施形態の力検出装置１、２と同一の部分については同一の符号を付すと共にその説明を省略し、第１および第２の実施形態と異なる部分について説明する。   The force detection device 3 according to the present embodiment is configured to be able to detect the direction and magnitude of the force in the xy plane, the direction and magnitude of the moment around the z axis, and the magnitude of the force in the negative direction of z. Has been. That is, the force detection device 3 detects, for example, an input device capable of instructing movement and rotation of an object and a selection operation, and a force and moment applied to a grasped object and a grasping force provided at the tip of a robot hand. It is configured to be usable as a tactile sensor. In the following description, the same parts as those of the force detection devices 1 and 2 of the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted, and the first and second embodiments are omitted. Different parts will be described.

図２１（ａ）は、力検出装置３の平面図であり、同図（ｂ）は、力検出装置３の正面図であり、同図（ｃ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。これらの図に示されるように、本実施形態の力検出装置３は、基板１０および受力体２０から構成されており、第１の実施形態の力検出装置１と第２の実施形態の力検出装置２を組み合わせた構造となっている。   FIG. 21 (a) is a plan view of the force detection device 3, FIG. 21 (b) is a front view of the force detection device 3, and FIG. 21 (c) is an AA view of FIG. It is line sectional drawing. As shown in these drawings, the force detection device 3 of the present embodiment includes a substrate 10 and a force receiving body 20, and the force detection device 1 of the first embodiment and the force of the second embodiment. The detection device 2 is combined.

図２２（ａ）は、本実施形態の基板１０の平面図であり、同図（ｂ）は、同基板１０の正面図であり、同図（ｃ）は、同基板１０の底面図である。本実施形態では、固定電極３０は、ｘ−ｙ平面内の力を検出するための４つのｘｙ用電極３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄと、ｚ方向の力を検出するためのｚ用電極３０ｅと、ｚ軸周りのモーメントを検出するための８つのｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２、３０ｇ１、３０ｇ２、３０ｈ１、３０ｈ２、３０ｉ１、３０ｉ２との計１３の電極から構成されている。また、端子電極３４は、これら１３の固定電極３０および接続電極３２に対応させて１４個形成されている。   FIG. 22A is a plan view of the substrate 10 of the present embodiment, FIG. 22B is a front view of the substrate 10, and FIG. 22C is a bottom view of the substrate 10. . In the present embodiment, the fixed electrode 30 includes four xy electrodes 30a, 30b, 30c, and 30d for detecting forces in the xy plane, and a z electrode 30e for detecting forces in the z direction. , And 8 zm electrodes 30f1, 30f2, 30g1, 30g2, 30h1, 30h2, 30i1, and 30i2 for detecting moments around the z-axis. Further, 14 terminal electrodes 34 are formed corresponding to these 13 fixed electrodes 30 and connection electrodes 32.

中央のｚ用電極３０ｅは、第１の実施形態と同様に円形状に形成されている。また、４つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄは、第１の実施形態と同様に形成されており、仮想円周Ｒ１上に略対称に配置されている。そして、８つのｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２は、第２の実施形態と同様に形成されており、仮想円周Ｒ１よりも大径の仮想円周Ｒ２上に略対称に配置されている。すなわち、本実施形態では、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの外側にｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２を配置している。   The center z electrode 30e is formed in a circular shape as in the first embodiment. The four xy electrodes 30a to 30d are formed in the same manner as in the first embodiment, and are arranged substantially symmetrically on the virtual circumference R1. The eight zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 are formed in the same manner as in the second embodiment, and are arranged substantially symmetrically on the virtual circumference R2 having a larger diameter than the virtual circumference R1. Yes. That is, in the present embodiment, the zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 are arranged outside the xy electrodes 30a to 30d.

本実施形態では、互いに隣接するｘｙ用電極３０ａおよびｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２が、可動電極２２の１つの突出部２２ｂに対応して形成された１組の電極（電極組）となっている。同様に、互いに隣接するｘｙ用電極３０ｂおよびｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２、互いに隣接するｘｙ用電極３０ｃおよびｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２、ならびに互いに隣接するｘｙ用電極３０ｄおよびｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２についても、それぞれ１つの突出部２２ｂに対応して形成された１組の電極（電極組）となっている。   In the present embodiment, the xy electrode 30a and the zm electrodes 30f1 and 30f2 adjacent to each other form one set of electrodes (electrode sets) formed corresponding to one protruding portion 22b of the movable electrode 22. Similarly, for the xy electrode 30b and the zm electrodes 30g1 and 30g2 adjacent to each other, the xy electrode 30c and the zm electrodes 30h1 and 30h2 adjacent to each other, and the xy electrode 30d and the zm electrodes 30i1 and 30i2 adjacent to each other. , Each of which is a set of electrodes (electrode set) formed corresponding to one protrusion 22b.

図２３（ａ）は、本実施形態の受力体２０の平面図であり、同図（ｂ）は、同受力体２０の正面図（側面図）であり、同図（ｃ）は、同受力体２０の底面図である。また、同図（ｄ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、同図（ｅ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。これらの図に示されるように、本実施形態の受力体２０は、４つの突出部２２ｂを備えており、この４つの突出部２２ｂは、ｘｙ用電極３０ａおよびｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２からなる電極組、ｘｙ用電極３０ｂおよびｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２からなる電極組、ｘｙ用電極３０ｃおよびｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２からなる電極組、ならびにｘｙ用電極３０ｄおよびｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２からなる電極組に対応する位置にそれぞれ設けられている。また、本実施形態の突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１の形状（すなわち、ｘ−ｙ平面における断面形状）が略六角形状となるように構成されている。換言すれば、本実施形態の突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１の形状が幅広の円弧において円周方向両端の辺の外周側の一部を斜めに切り欠いた形状となるように構成されている。   FIG. 23A is a plan view of the force receiving body 20 of the present embodiment, FIG. 23B is a front view (side view) of the force receiving body 20, and FIG. 3 is a bottom view of the force receiving body 20. FIG. FIG. 4D is a cross-sectional view taken along line B-B in FIG. 4A, and FIG. 4E is a cross-sectional view taken along line D-D in FIG. As shown in these drawings, the force receiving body 20 of the present embodiment includes four protrusions 22b, and the four protrusions 22b include an xy electrode 30a and zm electrodes 30f1 and 30f2. Electrode set, electrode set consisting of xy electrode 30b and zm electrodes 30g1, 30g2, electrode set consisting of xy electrode 30c and zm electrodes 30h1, 30h2, and electrode consisting of xy electrode 30d and zm electrodes 30i1, 30i2 Each is provided at a position corresponding to the set. Further, the protruding portion 22b of the present embodiment is configured such that the shape of the front end surface 22b1 (that is, the cross-sectional shape in the xy plane) is a substantially hexagonal shape. In other words, the protrusion 22b of the present embodiment is configured such that the tip surface 22b1 has a shape in which a part of the outer peripheral side of both sides in the circumferential direction is cut obliquely in a wide arc. .

可動電極２２の中央部（変位部２２ｄの中央部）には、略半球状の突出変位部２２ｄ１が設けられている。また、本実施形態では、支持部２４の変形部２４ｂは、第１の実施形態と同様に構成されており、可動電極２２のｘ−ｙ平面内における移動、およびｚ軸周りの回転に伴って弾性変形すると共に、復元力によって可動電極２２を初期状態に保持可能な適宜の寸法に構成されている。   A substantially hemispherical protruding displacement portion 22d1 is provided at the central portion of the movable electrode 22 (the central portion of the displacement portion 22d). In the present embodiment, the deformable portion 24b of the support portion 24 is configured in the same manner as in the first embodiment, and the movable electrode 22 moves in the xy plane and rotates around the z axis. While being elastically deformed, the movable electrode 22 is configured to have an appropriate size capable of being held in an initial state by a restoring force.

図２１に戻って、突出部２２ｂの１つは、先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態で１組のｘｙ用電極３０ａおよびｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２に跨るように配置されており、先端面２２ｂ１の一部が、ｘｙ用電極３０ａの一部、ｚｍ用電極３０ｆ１の一部およびｚｍ用電極３０ｆ２の一部と重なるようになっている。同様に、残りの３つの突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態で、１組のｘｙ用電極３０ｂおよびｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２、１組のｘｙ用電極３０ｃおよびｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２、ならびに１組のｘｙ用電極３０ｄおよびｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２にそれぞれ跨るように配置されており、先端面２２ｂ１の一部が、ｘｙ用電極３０ｂの一部、ｚｍ用電極３０ｇ１の一部およびｚｍ用電極３０ｇ２の一部、ｘｙ用電極３０ｃの一部、ｚｍ用電極３０ｈ１の一部およびｚｍ用電極３０ｈ２の一部、ならびにｘｙ用電極３０ｄの一部、ｚｍ用電極３０ｉ１の一部およびｚｍ用電極３０ｉ２の一部とそれぞれ重なるようになっている。   Returning to FIG. 21, one of the protrusions 22b is disposed so as to straddle the pair of xy electrodes 30a and zm electrodes 30f1 and 30f2 in a state in which the front end surface 22b1 is substantially in contact with the upper surface 10a of the substrate 10. A part of the end face 22b1 overlaps a part of the xy electrode 30a, a part of the zm electrode 30f1, and a part of the zm electrode 30f2. Similarly, the remaining three protrusions 22b have a pair of xy electrodes 30b and zm electrodes 30g1, 30g2, and a pair of xy electrodes 30c in a state where the tip surface 22b1 is substantially in contact with the upper surface 10a of the substrate 10. And zm electrodes 30h1 and 30h2, and a pair of xy electrodes 30d and zm electrodes 30i1 and 30i2, respectively. A part of the tip surface 22b1 is a part of the xy electrode 30b, zm Part of electrode 30g1 and part of zm electrode 30g2, part of xy electrode 30c, part of zm electrode 30h1, part of zm electrode 30h2, part of xy electrode 30d, part of zm It overlaps with a part of the electrode 30i1 and a part of the zm electrode 30i2.

従って、本実施形態では、１つの突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａの間に静電容量Ｃａが形成されると共に、この突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１の間に静電容量Ｃｆ１が形成され、この突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ２の間に静電容量Ｃｆ２が形成されるようになっている。また、もう１つの突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ｂおよびｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２の間に静電容量Ｃｂ、Ｃｇ１、Ｃｇ２がそれぞれ形成され、さらにもう１つの突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ｃおよびｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２の間に静電容量Ｃｃ、Ｃｈ１、Ｃｈ２がそれぞれ形成され、残りの１つの突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ｄおよびｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２の間に静電容量Ｃｄ、Ｃｉ１、Ｃｉ２がそれぞれ形成されるようになっている。   Therefore, in the present embodiment, the electrostatic capacitance Ca is formed between the one protruding portion 22b and the xy electrode 30a, and the electrostatic capacitance Cf1 is formed between the protruding portion 22b and the zm electrode 30f1, A capacitance Cf2 is formed between the protrusion 22b and the zm electrode 30f2. Capacitances Cb, Cg1, and Cg2 are formed between the other protrusion 22b, the xy electrode 30b, and the zm electrodes 30g1 and 30g2, respectively. Further, another protrusion 22b and the xy electrode 30c and zm are formed. Capacitances Cc, Ch1, and Ch2 are formed between the electrodes 30h1 and 30h2, respectively, and capacitances Cd, Ci1, and the like between the remaining one protrusion 22b, the xy electrode 30d, and the zm electrodes 30i1 and 30i2, Ci2 is formed respectively.

次に、力検出装置３の作用について説明する。   Next, the operation of the force detection device 3 will be described.

上述の構成により、本実施形態の力検出装置３は、ｘ−ｙ平面内の力の方向および大きさ、ｚ軸周りのモーメントの方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出することが可能となっている。図２４（ａ）は、力検出装置３がｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けた場合の突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの重なりを示した概略図であり、同図（ｂ）は、力検出装置３がｚ軸周りのモーメントＭを受けた場合の突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なりを示した概略図である。なお、同図（ｂ）および（ｃ）においては、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄおよびｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり部分をハッチングによって示している。   With the above-described configuration, the force detection device 3 of the present embodiment determines the direction and magnitude of the force in the xy plane, the direction and magnitude of the moment around the z axis, and the magnitude of the force in the negative direction of z. It is possible to detect. FIG. 24A is a schematic diagram illustrating the overlap between the protrusion 22b and the xy electrodes 30a to 30d when the force detection device 3 receives the force F in the xy plane. FIG. These are the schematics which showed the overlap of the protrusion part 22b and the electrodes 30f1-30i1 and 30f2-30i2 for zm when the force detection apparatus 3 receives the moment M around az axis. In FIGS. 5B and 5C, the overlapping portions of the protrusion 22b, the xy electrodes 30a to 30d, and the zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 are indicated by hatching.

同図（ａ）に示されるように、ｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けた場合、可動電極２２は力Ｆの方向に移動し、第１の実施形態と同様に、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの重なり面積が変化して静電容量Ｃａ〜Ｃｄがそれぞれ変化することとなる。従って、この静電容量Ｃａ〜Ｃｄの変化に基づいて力Ｆの方向および大きさを検出することができる。   As shown in FIG. 6A, when receiving the force F in the xy plane, the movable electrode 22 moves in the direction of the force F, and, similar to the first embodiment, the protrusion 22b and the xy The overlapping areas of the electrodes 30a-30d for use change and the capacitances Ca-Cd change accordingly. Therefore, the direction and magnitude of the force F can be detected based on the changes in the capacitances Ca to Cd.

また、同図（ｃ）に示されるように、ｚ軸周りのモーメントＭを受けた場合、可動電極２２はモーメントＭの方向に回転し、第２の実施形態と同様に、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり面積が変化して静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１、Ｃｆ２〜Ｃｉ２がそれぞれ変化することとなる。従って、この静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１、Ｃｆ２〜Ｃｉ２の変化に基づいてモーメントＭの方向および大きさを検出することができる。   Further, as shown in FIG. 6C, when receiving the moment M around the z-axis, the movable electrode 22 rotates in the direction of the moment M, and as in the second embodiment, the protrusions 22b and zm The overlapping areas of the electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 change, and the capacitances Cf1 to Ci1 and Cf2 to Ci2 change accordingly. Therefore, the direction and magnitude of the moment M can be detected based on the changes in the capacitances Cf1 to Ci1 and Cf2 to Ci2.

特に、本実施形態では、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１の形状を、円周方向両端の辺の外周側の一部を斜めに切り欠いた形状とすることで、可動電極２２の回転角度θを大きくした場合においても、突出部２２ｂが対応しないｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２と重ならないようにしている。このようにすることで、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの重なり部分を円周方向に広げてｘ−ｙ平面内の力Ｆの検出精度を高めながらも、比較的大きい回転角度θを確保することが可能となっている。   In particular, in this embodiment, the rotation angle θ of the movable electrode 22 is set by making the shape of the tip end surface 22b1 of the protrusion 22b into a shape in which a part of the outer peripheral side of both sides in the circumferential direction is cut obliquely. Even when the size is increased, the protruding portion 22b does not overlap with the unsupported zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2. By doing so, the overlapping portion of the protruding portion 22b and the xy electrodes 30a to 30d is expanded in the circumferential direction to increase the detection accuracy of the force F in the xy plane, and a relatively large rotation angle θ is set. It is possible to secure.

なお、本実施形態では、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの外側にｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２を配置した例を示したが、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの内側にｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２を配置するようにしてもよい。また、突出部２２ｂおよびこれに対応する電極組の個数は、４つに限定されるものではなく、第１の実施形態と同様に３つ以上であればよい。また、第１および第２の実施形態において示した各種構成を本実施形態の力検出装置３に適用してもよいことは言うまでもなく、さらに本実施形態において示した各種構成を第１の実施形態の力検出装置１または第２の実施形態の力検出装置２に適用してもよいことは言うまでもない。   In this embodiment, the example in which the zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 are arranged outside the xy electrodes 30a to 30d is shown, but the zm electrodes 30f1 to 30i1 are inside the xy electrodes 30a to 30d. 30f2 to 30i2 may be arranged. Further, the number of protrusions 22b and the number of electrode sets corresponding thereto is not limited to four, but may be three or more as in the first embodiment. Further, it goes without saying that the various configurations shown in the first and second embodiments may be applied to the force detection device 3 of the present embodiment, and further, the various configurations shown in the present embodiment are applied to the first embodiment. Needless to say, the present invention may be applied to the force detection device 1 or the force detection device 2 of the second embodiment.

＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態に係る力検出装置４について説明する。 <Fourth Embodiment>
Next, a force detection device 4 according to a fourth embodiment of the present invention will be described.

本実施形態に係る力検出装置４は、ｘ、ｙ、ｚ軸周りのモーメントの方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出可能に構成されている。すなわち、力検出装置４は、例えば対象物の移動および回転を指示する操作ならびに選択操作が可能な入力装置や、ロボットハンドの先端に設けられて把持物に加わるモーメントおよび把持力を検出する触覚センサとして利用可能に構成されている。なお、以下の説明においては、第１〜第３の実施形態の力検出装置１〜３と同一の部分については同一の符号を付すと共にその説明を省略し、第１〜第３の実施形態と異なる部分について説明する。   The force detection device 4 according to the present embodiment is configured to be able to detect the direction and magnitude of the moment about the x, y, and z axes and the magnitude of the negative z force. That is, the force detection device 4 includes, for example, an input device capable of instructing movement and rotation of an object and a selection operation, and a tactile sensor that is provided at the tip of the robot hand and detects a moment and a gripping force applied to the gripping object. It is configured as available. In the following description, the same parts as those of the force detection devices 1 to 3 of the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted, and the first to third embodiments are omitted. Different parts will be described.

図２５（ａ）は、力検出装置４の平面図であり、同図（ｂ）は、力検出装置４の正面図であり、同図（ｃ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。これらの図に示されるように、本実施形態の力検出装置４は、基板１０および受力体２０から構成されており、基本的な構成は第１〜第３の実施形態と同一である。   FIG. 25 (a) is a plan view of the force detection device 4, FIG. 25 (b) is a front view of the force detection device 4, and FIG. 25 (c) is an AA view of FIG. It is line sectional drawing. As shown in these drawings, the force detection device 4 of the present embodiment includes a substrate 10 and a force receiving body 20, and the basic configuration is the same as that of the first to third embodiments.

図２６（ａ）は、本実施形態の基板１０の平面図であり、同図（ｂ）は、同基板１０の正面図であり、同図（ｃ）は、同基板１０の底面図である。本実施形態では、固定電極３０は、ｚ方向の力を検出するためのｚ用電極３０ｅと、ｚ軸周りのモーメントを検出するための８つのｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２、３０ｇ１、３０ｇ２、３０ｈ１、３０ｈ２、３０ｉ１、３０ｉ２と、ｘ軸周りのモーメントおよびｙ軸周りのモーメントを検出するための４つのｘｙｍ用電極３０ｊ、３０ｋ、３０ｌ、３０ｍとの計１３の電極から構成されている。また、端子電極３４は、これら１３の固定電極３０および接続電極３２に対応させて１４個形成されている。   FIG. 26A is a plan view of the substrate 10 of the present embodiment, FIG. 26B is a front view of the substrate 10, and FIG. 26C is a bottom view of the substrate 10. . In the present embodiment, the fixed electrode 30 includes a z electrode 30e for detecting a force in the z direction, and eight zm electrodes 30f1, 30f2, 30g1, 30g2, 30h1, and a moment around the z axis. 30h2, 30i1, and 30i2 and four xym electrodes 30j, 30k, 30l, and 30m for detecting moments about the x-axis and moments about the y-axis, a total of 13 electrodes. Further, 14 terminal electrodes 34 are formed corresponding to these 13 fixed electrodes 30 and connection electrodes 32.

中央のｚ用電極３０ｅは、第１および第３の実施形態と同様に円形状に形成されている。また、８つのｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２は、第２および第３の実施形態と同様に構成されており、仮想円周Ｒ２上に略対称に配置されている。そして、４つのｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍは、第１および第３の実施形態におけるｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄと同様に形成されており、仮想円周Ｒ２よりも小径の仮想円周Ｒ１上に略対称に配置されている。すなわち、本実施形態では、ｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の内側にｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍを配置している。   The central z electrode 30e is formed in a circular shape as in the first and third embodiments. Further, the eight zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 are configured in the same manner as in the second and third embodiments, and are arranged substantially symmetrically on the virtual circumference R2. The four xym electrodes 30j to 30m are formed in the same manner as the xy electrodes 30a to 30d in the first and third embodiments, and are approximately on the virtual circumference R1 having a smaller diameter than the virtual circumference R2. They are arranged symmetrically. That is, in this embodiment, the xym electrodes 30j to 30m are arranged inside the zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2.

本実施形態では、第２の実施形態と同様に、互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２が、可動電極２２の１つの突出部２２ｂに対応して形成された１組の電極（電極組）となっている。同様に、互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２、互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２、ならびに互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２についても、それぞれ１つの突出部２２ｂに対応して形成された１組の電極（電極組）となっている。   In the present embodiment, similarly to the second embodiment, the zm electrodes 30f1 and 30f2 adjacent to each other are formed with one set of electrodes (electrode sets) formed corresponding to one protrusion 22b of the movable electrode 22. It has become. Similarly, the zm electrodes 30g1 and 30g2 adjacent to each other, the zm electrodes 30h1 and 30h2 adjacent to each other, and the zm electrodes 30i1 and 30i2 adjacent to each other are also formed corresponding to one protrusion 22b. It is a set of electrodes (electrode set).

図２７（ａ）は、本実施形態の受力体２０の平面図であり、同図（ｂ）は、同受力体２０の正面図（側面図）であり、同図（ｃ）は、同受力体２０の底面図である。また、同図（ｄ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、同図（ｅ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。これらの図に示されるように、本実施形態の受力体２０は、４つの突出部２２ｂを備えており、この４つの突出部２２ｂは、ｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２からなる電極組、ｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２からなる電極組、ｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２からなる電極組、およびｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２からなる電極組に対応する位置にそれぞれ設けられている。   FIG. 27A is a plan view of the force receiving body 20 of the present embodiment, FIG. 27B is a front view (side view) of the force receiving body 20, and FIG. 3 is a bottom view of the force receiving body 20. FIG. FIG. 4D is a cross-sectional view taken along line B-B in FIG. 4A, and FIG. 4E is a cross-sectional view taken along line D-D in FIG. As shown in these drawings, the force receiving body 20 of the present embodiment includes four projecting portions 22b. The four projecting portions 22b are an electrode set including zm electrodes 30f1 and 30f2, and are used for zm. It is provided at a position corresponding to the electrode set composed of the electrodes 30g1 and 30g2, the electrode set composed of the zm electrodes 30h1 and 30h2, and the electrode set composed of the zm electrodes 30i1 and 30i2.

可動電極２２の中央部（変位部２２ｄの中央部）には、略半球状の突出変位部２２ｄ１が設けられている。そして、本実施形態では、４つの突出部２２ｂの内側のｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍに対応する位置に、外側突出変位部２２ｆをそれぞれ設けている。この４つの外側突出変位部２２ｆは、最も内側の部分が基板１０の上面１０ａと略接触する円弧状の接触面２２ｆ１となっており、接触面２２ｆ１の外側の部分が外側に向けて漸次上面１０ａから離れるように形成された傾斜面２２ｆ２となっている。また、接触面２２ｆ１には、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１と同様に、摩擦係数の低い被膜がコーティングされている。   A substantially hemispherical protruding displacement portion 22d1 is provided at the central portion of the movable electrode 22 (the central portion of the displacement portion 22d). In the present embodiment, the outer protruding displacement portions 22f are respectively provided at positions corresponding to the xym electrodes 30j to 30m inside the four protruding portions 22b. The four outer projecting displacement portions 22f are arcuate contact surfaces 22f1 whose innermost portions are substantially in contact with the upper surface 10a of the substrate 10, and the outer portions of the contact surfaces 22f1 are gradually directed outward toward the upper surface 10a. It becomes the inclined surface 22f2 formed so that it may leave | separate from. The contact surface 22f1 is coated with a coating having a low friction coefficient, like the tip surface 22b1 of the protrusion 22b.

なお、本実施形態では、外側突出変位部２２ｆを突出部２２ｂと一体的に構成している。また、本実施形態では、支持部２４の変形部２４ｂは、第２の実施形態と同様に構成されており、可動電極２２のｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転に伴って弾性変形すると共に、復元力によって可動電極２２を初期状態に保持可能な適宜の寸法に構成されている。   In the present embodiment, the outer protruding displacement portion 22f is configured integrally with the protruding portion 22b. In the present embodiment, the deforming portion 24b of the support portion 24 is configured in the same manner as in the second embodiment, and elastically deforms as the movable electrode 22 rotates about the x, y, and z axes, The movable electrode 22 is configured to have an appropriate size that can be held in an initial state by a restoring force.

図２５に戻って、突出部２２ｂは、第２の実施形態と同様に、先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態で１組のｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２、１組のｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２、１組のｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２、および１組のｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２にそれぞれ跨るように配置されており、先端面２２ｂ１の一部が、ｚｍ用電極３０ｆ１の一部およびｚｍ用電極３０ｆ２の一部、ｚｍ用電極３０ｇ１の一部およびｚｍ用電極３０ｇ２の一部、ｚｍ用電極３０ｈ１の一部およびｚｍ用電極３０ｈ２の一部、ならびにｚｍ用電極３０ｉ１の一部およびｚｍ用電極３０ｉ２の一部とそれぞれ重なるようになっている。   Returning to FIG. 25, the protrusion 22b has a set of zm electrodes 30f1 and 30f2 and a set of zm for the zm with the end face 22b1 substantially in contact with the upper surface 10a of the substrate 10, as in the second embodiment. The electrodes 30g1, 30g2, one set of zm electrodes 30h1, 30h2, and one set of zm electrodes 30i1, 30i2 are arranged so as to straddle, respectively, and a part of the end face 22b1 is a part of the zm electrode 30f1. And part of the zm electrode 30f1, part of the zm electrode 30g1, part of the zm electrode 30g2, part of the zm electrode 30h1, part of the zm electrode 30h2, and part of the zm electrode 30i1 Each of them overlaps with a part of the zm electrode 30i2.

従って、本実施形態では、第２および第３の実施形態と同様に、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の間に、静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１、Ｃｆ２〜Ｃｉ２がそれぞれ形成されるようになっている。また、外側突出変位部２２ｆとｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍの間に、静電容量Ｃｊ、Ｃｋ、Ｃｌ、Ｃｍがそれぞれ形成されるようになっている。   Therefore, in the present embodiment, as in the second and third embodiments, capacitances Cf1 to Ci1 and Cf2 to Ci2 are formed between the protruding portion 22b and the zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2, respectively. It has come to be. Capacitances Cj, Ck, Cl, and Cm are respectively formed between the outer protruding displacement portion 22f and the xym electrodes 30j to 30m.

次に、力検出装置４の作用について説明する。   Next, the operation of the force detection device 4 will be described.

上述の構成により、本実施形態の力検出装置４は、ｘ、ｙ、ｚ軸周りのモーメントの方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出することが可能となっている。
図２８（ａ）は、力検出装置４がｚ軸周りのモーメントＭを受けた場合の突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なりを示した概略図である。なお、同図（ａ）においては、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり部分をハッチングによって示している。 With the above-described configuration, the force detection device 4 of the present embodiment can detect the direction and magnitude of the moment around the x, y, and z axes and the magnitude of the force in the negative direction of z. .
FIG. 28A is a schematic diagram illustrating the overlap between the protrusion 22b and the zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 when the force detection device 4 receives a moment M around the z-axis. In FIG. 9A, the overlapping portion of the protruding portion 22b and the zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 is indicated by hatching.

同図（ａ）に示されるように、ｚ軸周りのモーメントＭを受けた場合、可動電極２２はモーメントＭの方向に回転し、第２および第３の実施形態と同様に、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり面積が変化して静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１、Ｃｆ２〜Ｃｉ２がそれぞれ変化することとなる。従って、この静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１、Ｃｆ２〜Ｃｉ２の変化に基づいてｚ軸周りのモーメントＭの方向および大きさを検出することができる。   As shown in FIG. 6A, when receiving the moment M around the z-axis, the movable electrode 22 rotates in the direction of the moment M, and, similar to the second and third embodiments, the protrusion 22b and The overlapping areas of the zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 change, and the capacitances Cf1 to Ci1 and Cf2 to Ci2 change accordingly. Therefore, the direction and magnitude of the moment M around the z axis can be detected based on the changes in the capacitances Cf1 to Ci1 and Cf2 to Ci2.

同図（ｂ）は、力検出装置４がｘ軸周りのモーメントＭを受けた状態を示した図であり、図２５（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。同図（ｂ）に示されるように、ｘ軸周りのモーメントＭを受けた場合、可動電極２２は、変位部２２ｄもしくは基部２２ａが変形する、または可動電極２２がｘ軸周りに回転することによってモーメントＭの方向に応じた外側突出変位部２２ｆが押し潰され、傾斜面２２ｆ２が対応するｘｙｍ用電極３０ｌ（および３０ｍ）に近接すると共に、基板１０の上面１０ａと接触する部分が増加してｘｙｍ用電極３０ｌ（３０ｍ）との重なり面積が増加することとなる。これにより、静電容量Ｃｌ、（およびＣｍ）が増加する。従って、静電容量Ｃｊ〜Ｃｍの変化に基づいてｘ軸周りおよびｙ軸周りのモーメントＭの方向および大きさを検出することができる。   FIG. 5B is a view showing a state where the force detection device 4 receives a moment M around the x axis, and is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. As shown in FIG. 5B, when the moment M around the x axis is received, the movable electrode 22 is deformed by the displacement portion 22d or the base portion 22a, or the movable electrode 22 rotates around the x axis. The outer protrusion displacement portion 22f corresponding to the direction of the moment M is crushed, the inclined surface 22f2 comes close to the corresponding xym electrode 30l (and 30m), and the portion in contact with the upper surface 10a of the substrate 10 increases to xym. The overlapping area with the electrode 30l (30m) will increase. As a result, the electrostatic capacitance Cl, (and Cm) increases. Therefore, the direction and magnitude of the moment M around the x axis and the y axis can be detected based on the changes in the capacitances Cj to Cm.

なお、本実施形態では、外側突出変位部２２ｆを突出部２２ｂと一体的に構成した例を示したが、外側突出変位部２２ｆは、突出部２２ｂとは別に設けられるものであってもよく、外側突出変位部２２ｆの位置と突出部２２ｂの位置を円周方向においてずらすようにしてもよい。また、突出部２２ｂは、外側突出変位部２２ｆと共に変形する（押し潰される）ものであってもよいし、変形しないものであってもよい。   In the present embodiment, an example in which the outer protruding displacement portion 22f is configured integrally with the protruding portion 22b is shown, but the outer protruding displacement portion 22f may be provided separately from the protruding portion 22b. You may make it shift the position of the outer side protrusion displacement part 22f, and the position of the protrusion part 22b in the circumferential direction. Further, the protruding portion 22b may be deformed (crushed) together with the outer protruding displacement portion 22f, or may not be deformed.

また、本実施形態では、ｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍの外側にｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２を配置した例を示したが、ｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍの内側にｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２を配置し、外側突出変位部２２ｆの内側に突出部２２ｂを設けるようにしてもよい。   In the present embodiment, the zm electrodes 30f1 to 30i1 and 30f2 to 30i2 are arranged outside the xym electrodes 30j to 30m. However, the zm electrodes 30f1 to 30i1 are arranged inside the xym electrodes 30j to 30m. , 30f2 to 30i2 may be arranged, and the protruding portion 22b may be provided inside the outer protruding displacement portion 22f.

また、突出部２２ｂおよびこれに対応する電極組の個数は、４つに限定されるものではなく、第２の実施形態と同様にいくつであってもよい。また、外側突出変位部２２ｆおよびこれに対応するｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍの個数は、第１の実施形態と同様に３つ以上であればｘ軸周りおよびｙ軸周りのモーメントＭの方向を検出することができる。また、第１〜第３の実施形態において示した各種構成を本実施形態の力検出装置４に適用してもよいことは言うまでもなく、さらに本実施形態において示した各種構成を第１〜第３の実施形態の力検出装置１〜３に適用してもよいことは言うまでもない。   Further, the number of protrusions 22b and the number of electrode sets corresponding thereto is not limited to four, and may be any number as in the second embodiment. Further, if the number of the outer projecting displacement portions 22f and the corresponding xym electrodes 30j to 30m is three or more as in the first embodiment, the direction of the moment M around the x axis and the y axis is detected. can do. Further, it goes without saying that the various configurations shown in the first to third embodiments may be applied to the force detection device 4 of the present embodiment, and the various configurations shown in the present embodiment are further changed to the first to third configurations. It goes without saying that the present invention may be applied to the force detection devices 1 to 3 of the embodiment.

以上説明したように、上記各実施形態に係る力検出装置１〜４は、静電容量検出用の固定電極３０と、固定電極３０に対向して配置される可動電極２２と、固定電極３０と可動電極２２の間において可動電極２２と略接触した状態で配置される絶縁層（基板１０）と、可動電極２２を絶縁層に沿って移動または回転可能に支持する支持部２４と、を備えている。   As described above, the force detection devices 1 to 4 according to the above-described embodiments include the fixed electrode 30 for detecting capacitance, the movable electrode 22 disposed to face the fixed electrode 30, and the fixed electrode 30. An insulating layer (substrate 10) disposed between the movable electrodes 22 in a state of being substantially in contact with the movable electrode 22, and a support portion 24 that supports the movable electrode 22 so as to be movable or rotatable along the insulating layer. Yes.

また、力検出装置１〜４は、静電容量検出用の固定電極３０と、固定電極３０に対向して配置される可動電極２２と、固定電極３０と可動電極２２の間において可動電極２２に設けられ、固定電極３０と略接触した状態で配置される絶縁層（板状部材４０等）と、可動電極２２を固定電極３０の絶縁層と略接触する面に沿って移動または回転可能に支持する支持部２４と、を備えるものであってもよい。   In addition, the force detection devices 1 to 4 include the fixed electrode 30 for detecting capacitance, the movable electrode 22 disposed to face the fixed electrode 30, and the movable electrode 22 between the fixed electrode 30 and the movable electrode 22. An insulating layer (plate-like member 40 or the like) that is provided and disposed in substantially contact with the fixed electrode 30 and the movable electrode 22 is supported so as to be movable or rotatable along a surface that substantially contacts the insulating layer of the fixed electrode 30. The support part 24 to be provided may be provided.

このような構成とすることで、力検出装置１〜４を簡素且つ安価に構成して小型化・薄型化を図りながらも、複数種類の力やモーメントを検出することが可能となるため、汎用性を高めることができる。さらに、可動電極２２を絶縁層に沿って移動または回転させるようにすることで、静電容量の変化に対する外乱を最小限とすることができるため、力検出装置１〜４の小型化・薄型化を図りながらも、力やモーメントの検出精度を高めることが可能となっている。   By adopting such a configuration, it is possible to detect a plurality of types of forces and moments while making the force detection devices 1 to 4 simple and inexpensive and reducing the size and thickness. Can increase the sex. Further, since the movable electrode 22 is moved or rotated along the insulating layer, the disturbance to the change in capacitance can be minimized, so that the force detection devices 1 to 4 can be reduced in size and thickness. This makes it possible to improve the accuracy of detecting force and moment.

また、可動電極２２および支持部２４は、導電性弾性材料により一体的に構成されている。このようにすることで、力検出装置１〜４を簡素且つ安価に構成し、従来以上の小型化・薄型化を実現することができる。   In addition, the movable electrode 22 and the support portion 24 are integrally formed of a conductive elastic material. By doing in this way, the force detection apparatuses 1-4 can be comprised simply and cheaply, and it can implement | achieve size reduction and thickness reduction more than before.

また、可動電極２２は、絶縁層（基板１０）と略接触する面（突出部２２ｂの先端面２２ｂ１）が異なる材質（コーティング被膜、板状部材４０またはブロック状部材４２）から構成されている。このようにすることで、摩擦係数を低減して可動電極２２をスムーズに移動または回転させることが可能となるため、力やモーメントの検出精度を高めることができる。   The movable electrode 22 is made of a material (coating film, plate-like member 40, or block-like member 42) having a different surface (tip surface 22b1 of the protruding portion 22b) substantially in contact with the insulating layer (substrate 10). By doing in this way, it becomes possible to move or rotate the movable electrode 22 smoothly by reducing the friction coefficient, so that the detection accuracy of force and moment can be increased.

また、可動電極２２は、支持部２４が接続される基部２２ａと、絶縁層（基板１０）に向けて基部２２ａから突設され、先端面２２ｂ１が絶縁層に略接触する突出部２２ｂと、を有している。このようにすることで、突出部２２ｂの形状および配置を適宜に設定することにより、可動電極２２の移動または回転に伴う静電容量の変化を調整することが可能となるため、従来以上の種類の力やモーメントの検出を可能にすると共に、検出精度を高めることができる。   The movable electrode 22 includes a base portion 22a to which the support portion 24 is connected, and a protruding portion 22b that protrudes from the base portion 22a toward the insulating layer (substrate 10) and whose tip surface 22b1 substantially contacts the insulating layer. Have. In this way, by appropriately setting the shape and arrangement of the protruding portion 22b, it is possible to adjust the change in the electrostatic capacity accompanying the movement or rotation of the movable electrode 22, so that the type more than the conventional type This makes it possible to detect the force and the moment and to increase the detection accuracy.

また、突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１の一部が固定電極３０の一部と重なるように配置されている。このようにすることで、可動電極２２の移動方向や回転方向に対応させて静電容量を増加または減少させることが可能となるため、従来以上の種類の力やモーメントの検出を可能にすると共に、検出精度を高めることができる。   Further, the protruding portion 22 b is arranged so that a part of the tip end surface 22 b 1 overlaps a part of the fixed electrode 30. By doing so, it becomes possible to increase or decrease the capacitance in accordance with the moving direction and the rotating direction of the movable electrode 22, thereby enabling detection of more types of forces and moments than before. , Detection accuracy can be increased.

また、可動電極２２は、絶縁層（基板１０）に向けて基部２２ａから突設され、先端部（先端面２２ｅ１）が絶縁層に固定される補助支持部２２ｅを有するものであってもよい。さらに、補助支持部２２ｅは、可動電極２２の略中央に設けられるものであってもよい。このようにすることで、可動電極２２と固定電極３０の間の距離をより高精度に設定することが可能となるため、力やモーメントの検出精度を高めることができる。   In addition, the movable electrode 22 may have an auxiliary support portion 22e that protrudes from the base portion 22a toward the insulating layer (substrate 10) and that has a tip portion (tip surface 22e1) fixed to the insulating layer. Further, the auxiliary support portion 22e may be provided at the approximate center of the movable electrode 22. By doing in this way, since it becomes possible to set the distance between the movable electrode 22 and the fixed electrode 30 with high precision, the detection precision of force or moment can be improved.

また、基部２２ａは、入力により変形して固定電極３０までの距離が変化する変位部２２ｄ（または、突出変位部２２ｄ１、外側突出変位部２２ｆ）を有している。このようにすることで、ｚ方向の力（または、ｘ軸およびｙ軸周りのモーメント）を検出することが可能となるため、汎用性を高めることができる。   Further, the base portion 22a has a displacement portion 22d (or a projecting displacement portion 22d1 or an outer projecting displacement portion 22f) in which the distance to the fixed electrode 30 is changed by an input and changes. By doing so, it becomes possible to detect a force in the z direction (or a moment around the x axis and the y axis), so that versatility can be improved.

また、力検出装置１〜４は、複数の固定電極３０と、複数の固定電極３０に対応して設けられる複数の突出部２２ｂと、を備えている。このようにすることで、複数の静電容量を可動電極２２の移動方向や回転方向に対応させて個別に増加または減少させることが可能となるため、従来以上の種類の力やモーメントの検出を可能にすると共に、検出精度を高めることができる。さらに、複数の突出部２２ｂの間で空気を流動させることが可能となるため、可動電極２２と固定電極３０の間の距離をより高精度に保持し、力やモーメントの検出精度を高めることができる。   The force detection devices 1 to 4 include a plurality of fixed electrodes 30 and a plurality of protrusions 22 b provided corresponding to the plurality of fixed electrodes 30. In this way, a plurality of capacitances can be individually increased or decreased in accordance with the moving direction and the rotating direction of the movable electrode 22, so that it is possible to detect more types of forces and moments than before. In addition, the detection accuracy can be increased. Furthermore, since air can flow between the plurality of protrusions 22b, the distance between the movable electrode 22 and the fixed electrode 30 can be maintained with higher accuracy, and the detection accuracy of force and moment can be improved. it can.

また、突出部２２ｂは、円筒状に構成され、先端面２２ｂ１には、複数の溝（溝部２２ｃ）が半径方向に形成されるものであってもよい。このようにすることで、複数の固定電極３０に対して突出部２２ｂを適切に配置すると共に、さらにｚ方向の力を検出するための変位部２２ｄやｘ軸およびｙ軸周りのモーメントを検出するための外側突出変位部２２ｆ等を適切に配置することが可能となるため、汎用性を高めることができる。   Moreover, the protrusion part 22b is comprised by the cylindrical shape, and the some groove | channel (groove part 22c) may be formed in the radial direction in the front end surface 22b1. By doing so, the protrusions 22b are appropriately arranged with respect to the plurality of fixed electrodes 30, and the displacements 22d for detecting the z-direction force and moments around the x-axis and the y-axis are detected. Therefore, it is possible to appropriately arrange the outer projecting displacement portion 22f and the like for the purpose, so that versatility can be improved.

また、固定電極３０（ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄ）は、円周（仮想円周Ｒ、Ｒ１）上に複数配置されると共に、互いの間隔が円周の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成されている。このようにすることで、可動電極２２の移動量に略比例するように静電容量Ｃａ〜Ｃｄを変化させることが可能となるため、簡素な構成でありながらも、ｘ−ｙ平面内の力の検出精度を高めることができる。   In addition, a plurality of fixed electrodes 30 (xy electrodes 30a to 30d) are arranged on the circumference (virtual circumferences R and R1), and the distance between the fixed electrodes 30 gradually increases toward the inside in the radial direction of the circumference. It is configured. This makes it possible to change the capacitances Ca to Cd so as to be approximately proportional to the amount of movement of the movable electrode 22, so that the force in the xy plane can be achieved with a simple configuration. Detection accuracy can be increased.

また、力検出装置２、３、４では、固定電極（ｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２）は、円周（仮想円周Ｒ、Ｒ２）上に複数配置され、可動電極２２は、互いに隣り合う２つの固定電極（例えば、ｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２）からなる１組の固定電極ごとに設けられる複数の突出部２２ｂを有し、突出部２２ｂは、１組の固定電極に含まれる２つの固定電極に先端面２２ｂ１が跨るように配置されている。このようにすることで、簡素且つ安価な構成により小型化・薄型化を図りながらも、ｚ軸周りのモーメントの検出を可能にすることができる。   In the force detection devices 2, 3, and 4, a plurality of fixed electrodes (zm electrodes 30 f 1 to 30 i 1, 30 f 2 to 30 i 2) are arranged on the circumference (virtual circumferences R and R 2), and the movable electrodes 22 are mutually connected. It has a plurality of protrusions 22b provided for each set of fixed electrodes composed of two adjacent fixed electrodes (for example, the electrodes 30f1 and 30f2 for zm), and the protrusions 22b are included in one set of fixed electrodes. It arrange | positions so that the front end surface 22b1 may straddle one fixed electrode. In this way, it is possible to detect the moment around the z-axis while reducing the size and thickness with a simple and inexpensive configuration.

また、力検出装置３では、固定電極（ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄおよびｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２）は、第１の円周（仮想円周Ｒ２）上に複数配置されると共に、第１の円周と同心円である第２の円周（仮想円周Ｒ１）上に複数配置され、可動電極２２は、第１の円周上において互いに隣り合う２つの固定電極（例えば、ｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２）、および第２の円周上の１つの固定電極（例えば、ｘｙ用電極３０ａ）からなる１組の固定電極ごとに設けられる複数の突出部２２ｂを有し、突出部２２ｂは、１組の固定電極に含まれる３つの固定電極に先端面２２ｂ１が跨るように配置されている。このようにすることで、簡素且つ安価な構成により小型化・薄型化を図りながらも、ｘ−ｙ平面内の力およびｚ軸周りのモーメントの検出を可能にすることができる。   In the force detection device 3, a plurality of fixed electrodes (xy electrodes 30a to 30d and zm electrodes 30f1 to 30i1, 30f2 to 30i2) are arranged on the first circumference (virtual circumference R2), A plurality of movable electrodes 22 are disposed on a second circumference (virtual circumference R1) that is concentric with the first circumference, and the movable electrode 22 is adjacent to each other on the first circumference (for example, for zm) Electrode 30f1, 30f2), and a plurality of protrusions 22b provided for each set of fixed electrodes including one fixed electrode (for example, xy electrode 30a) on the second circumference. It arrange | positions so that the front end surface 22b1 may straddle three fixed electrodes contained in 1 set of fixed electrodes. By doing so, it is possible to detect the force in the xy plane and the moment around the z-axis while reducing the size and thickness with a simple and inexpensive configuration.

また、力検出装置３では、第２の円周（仮想円周Ｒ１）上の固定電極（ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄ）は、互いの間隔が第２の円周の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成されている。このようにすることで、簡素な構成且つｚ軸周りのモーメントの検出を可能としながらも、ｘ−ｙ平面内の力Ｆの検出精度を高めることができる。   In the force detection device 3, the fixed electrodes (xy electrodes 30a to 30d) on the second circumference (virtual circumference R1) are gradually spaced toward the inner side in the radial direction of the second circumference. It is configured to expand. By doing so, the detection accuracy of the force F in the xy plane can be improved while allowing a simple configuration and detection of the moment around the z-axis.

また、力検出装置４では、固定電極（ｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２およびｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍ）は、第１の円周（仮想円周Ｒ２）上に複数配置されると共に、第１の円周と同心円である第２の円周（仮想円周Ｒ１）上に複数配置され、可動電極２２ｂは、第１の円周上において互いに隣り合う２つの固定電極（例えば、ｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２）からなる１組の固定電極ごとに設けられ、１組の固定電極に含まれる２つの固定電極に先端面２２ｂ１が跨るように配置される複数の突出部２２ｂと、第２の円周上に配置された固定電極（ｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍ）に対応して設けられ、入力により変形して対応する固定電極までの距離が変化する複数の変位部（外側突出変位部２２ｆ）と、を有している。このようにすることで、簡素且つ安価な構成により小型化・薄型化を図りながらも、ｘ軸周り、ｙ軸周りおよびｚ軸周りのモーメントの検出を可能にすることができる。   In the force detection device 4, a plurality of fixed electrodes (zm electrodes 30f1 to 30i1, 30f2 to 30i2 and xym electrodes 30j to 30m) are arranged on the first circumference (virtual circumference R2), and A plurality of movable electrodes 22b are arranged on the second circumference (virtual circumference R1) that is concentric with the first circumference, and the movable electrode 22b is adjacent to each other on the first circumference (for example, for zm) A plurality of protrusions 22b provided for each set of fixed electrodes composed of the electrodes 30f1 and 30f2) and disposed so that the front end face 22b1 straddles two fixed electrodes included in the set of fixed electrodes; A plurality of displacement portions (outside protruding displacement portions 22f) provided corresponding to the fixed electrodes (xym electrodes 30j to 30m) arranged on the circumference and changing the distance to the corresponding fixed electrodes by being deformed by input. And having That. By doing so, it is possible to detect moments around the x-axis, the y-axis, and the z-axis while reducing the size and thickness with a simple and inexpensive configuration.

また、支持部２４は、基板１０に固定される固定部２４ａと、固定部２４ａと可動電極２２を繋ぐと共に可動電極２２の移動または回転に伴って変形する変形部２４ｂと、を有している。このようにすることで、可動電極２２の確実な支持と、力やモーメントを受けた場合のスムーズな移動または回転を両立させることができる。   The support unit 24 includes a fixed unit 24 a fixed to the substrate 10, and a deformed unit 24 b that connects the fixed unit 24 a and the movable electrode 22 and deforms as the movable electrode 22 moves or rotates. . By doing so, it is possible to achieve both the reliable support of the movable electrode 22 and the smooth movement or rotation when receiving a force or moment.

また、固定部２４ａは、可動電極２２の外周を囲むように形成され、可動電極２２の移動範囲を制限するストッパとして兼用されている。このようにすることで、力検出装置１〜４を簡素且つ安価に構成し、従来以上の小型化・薄型化を実現することができる。   The fixed portion 24 a is formed so as to surround the outer periphery of the movable electrode 22, and is also used as a stopper that limits the movement range of the movable electrode 22. By doing in this way, the force detection apparatuses 1-4 can be comprised simply and cheaply, and it can implement | achieve size reduction and thickness reduction more than before.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の力検出装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the force detection device of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Of course.

本発明の力検出装置は、例えば入力装置やロボット等、力やモーメントの検出を必要とする各種機器において利用することができる。   The force detection device of the present invention can be used in various devices that require detection of force and moment, such as an input device and a robot.

１、２、３、４ 力検出装置
１０ 基板
２２ 可動電極
２２ａ 基部
２２ｂ 突出部
２２ｃ 溝部
２２ｂ１ 突出部の先端面
２２ｄ 変位部
２２ｄ１ 突出変位部
２２ｅ 補助支持部
２２ｆ 外側突出変位部
２４ 支持部
２４ａ 固定部
２４ｂ 変形部
３０ 固定電極
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ ｘｙ用電極
３０ｅ ｚ用電極
３０ｆ１、３０ｆ２、３０ｇ１、３０ｇ２、３０ｈ１、３０ｈ２、３０ｉ１、３０ｉ２ ｚｍ用電極
３０ｊ、３０ｋ、３０ｌ、３０ｍ ｘｙｍ用電極
４０ 板状部材
４２ ブロック状部材
Ｒ、Ｒ１、Ｒ２ 仮想円周 1, 2, 3, 4 Force detection device 10 Substrate 22 Movable electrode 22a Base portion 22b Protruding portion 22c Groove portion 22b1 Protruding end surface 22d Displacement portion 22d1 Protrusion displacement portion 22e Auxiliary support displacement portion 24f Outer protrusion displacement portion 24 Support portion 24a Fixed portion 24b Deformed part 30 Fixed electrode 30a, 30b, 30c, 30d xy electrode 30e z electrode 30f1, 30f2, 30g1, 30g2, 30h1, 30h2, 30i1, 30i2 zm electrode 30j, 30k, 30l, 30m xym electrode 40 plate Shaped member 42 Block shaped member R, R1, R2 Virtual circumference

Claims (17)

静電容量検出用の固定電極と、
前記固定電極に対向して配置される可動電極と、
前記固定電極と前記可動電極の間において前記可動電極と略接触した状態で配置される絶縁層と、
前記可動電極を前記絶縁層に沿って移動または回転可能に支持する支持部と、を備え、
前記可動電極および前記支持部は、導電性弾性材料により一体的に構成されることを特徴とする、
力検出装置。 A fixed electrode for detecting capacitance;
A movable electrode disposed to face the fixed electrode;
An insulating layer disposed between the fixed electrode and the movable electrode in a state of being substantially in contact with the movable electrode;
A support part for supporting the movable electrode so as to be movable or rotatable along the insulating layer ,
The movable electrode and the support portion are integrally formed of a conductive elastic material ,
Force detection device. 前記可動電極は、前記絶縁層と略接触する面が異なる材質から構成されることを特徴とする、
請求項１に記載の力検出装置。 The movable electrode is made of a material having a different surface substantially in contact with the insulating layer,
The force detection device according to claim 1 . 前記可動電極は、
前記支持部が接続される基部と、
前記絶縁層に向けて前記基部から突設され、先端面が前記絶縁層に略接触する突出部と、を有することを特徴とする、
請求項１または２に記載の力検出装置。 The movable electrode is
A base to which the support is connected;
A protruding portion that protrudes from the base portion toward the insulating layer and has a tip surface that substantially contacts the insulating layer.
The force detection device according to claim 1 or 2 . 前記突出部は、前記先端面の一部が前記固定電極の一部と重なるように配置されることを特徴とする、
請求項３に記載の力検出装置。 The protrusion is arranged so that a part of the tip surface overlaps a part of the fixed electrode,
The force detection device according to claim 3 . 前記可動電極は、前記絶縁層に向けて前記基部から突設され、先端部が前記絶縁層に固定される補助支持部を有することを特徴とする、
請求項３または４に記載の力検出装置。 The movable electrode has an auxiliary support part protruding from the base part toward the insulating layer and having a tip part fixed to the insulating layer.
The force detection device according to claim 3 or 4 . 前記補助支持部は、前記可動電極の略中央に設けられることを特徴とする、
請求項５に記載の力検出装置。 The auxiliary support part is provided at a substantially center of the movable electrode,
The force detection device according to claim 5 . 前記基部は、入力により変形して前記固定電極までの距離が変化する変位部を有することを特徴とする、
請求項３乃至６のいずれかに記載の力検出装置。 The base has a displacement part that is deformed by an input and changes a distance to the fixed electrode.
The force detection device according to any one of claims 3 to 6 . 複数の前記固定電極と、
前記複数の固定電極に対応して設けられる複数の前記突出部と、を備えることを特徴とする、
請求項３乃至７のいずれかに記載の力検出装置。 A plurality of the fixed electrodes;
A plurality of the protrusions provided corresponding to the plurality of fixed electrodes,
The force detection device according to any one of claims 3 to 7 . 前記突出部は、円筒状に構成され、
前記先端面には、複数の溝が半径方向に形成されることを特徴とする、
請求項３乃至７のいずれかに記載の力検出装置。 The protrusion is configured in a cylindrical shape,
A plurality of grooves are formed in the distal end surface in a radial direction,
The force detection device according to any one of claims 3 to 7 . 前記固定電極は、円周上に複数配置されると共に、互いの間隔が前記円周の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成されることを特徴とする、
請求項１乃至９のいずれかに記載の力検出装置。 A plurality of the fixed electrodes are arranged on the circumference, and the interval between each other is configured to gradually expand toward the radially inner side of the circumference,
Force detection apparatus according to any one of claims 1 to 9. 前記固定電極は、円周上に複数配置され、
前記可動電極は、互いに隣り合う２つの前記固定電極からなる１組の固定電極ごとに設けられる複数の前記突出部を有し、
前記突出部は、前記１組の固定電極に含まれる２つの前記固定電極に前記先端面が跨るように配置されることを特徴とする、
請求項３乃至７のいずれかに記載の力検出装置。 A plurality of the fixed electrodes are arranged on the circumference,
The movable electrode has a plurality of protrusions provided for each set of fixed electrodes including the two fixed electrodes adjacent to each other.
The projecting portion is arranged so that the tip surface straddles two fixed electrodes included in the one set of fixed electrodes,
The force detection device according to any one of claims 3 to 7 . 前記固定電極は、第１の円周上に複数配置されると共に、前記第１の円周と同心円である第２の円周上に複数配置され、
前記可動電極は、前記第１の円周上において互いに隣り合う２つの前記固定電極、および前記第２の円周上の１つの前記固定電極からなる１組の固定電極ごとに設けられる複数の突出部を有し、
前記突出部は、前記１組の固定電極に含まれる３つの固定電極に前記先端面が跨るように配置されることを特徴とする、
請求項３乃至７のいずれかに記載の力検出装置。 A plurality of the fixed electrodes are arranged on the first circumference, and a plurality of the fixed electrodes are arranged on a second circumference that is concentric with the first circumference,
The movable electrode includes a plurality of protrusions provided for each set of fixed electrodes including the two fixed electrodes adjacent to each other on the first circumference and the one fixed electrode on the second circumference. Part
The protruding portion is arranged so that the tip end surface straddles three fixed electrodes included in the one set of fixed electrodes,
The force detection device according to any one of claims 3 to 7 . 前記第２の円周上の前記固定電極は、互いの間隔が前記第２の円周の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成されることを特徴とする、
請求項１２に記載の力検出装置。 The fixed electrode on the second circumference is configured to have a shape in which the distance between the fixed electrodes gradually expands inward in the radial direction of the second circumference.
The force detection device according to claim 12 . 前記固定電極は、第１の円周上に複数配置されると共に、前記第１の円周と同心円である第２の円周上に複数配置され、
前記可動電極は、
前記第１の円周上において互いに隣り合う２つの前記固定電極からなる１組の固定電極ごとに設けられ、前記１組の固定電極に含まれる２つの固定電極に前記先端面が跨るように配置される複数の突出部と、
前記第２の円周上に配置された前記固定電極に対応して設けられ、入力により変形して対応する前記固定電極までの距離が変化する複数の変位部と、を有することを特徴とする、
請求項７に記載の力検出装置。 A plurality of the fixed electrodes are arranged on the first circumference, and a plurality of the fixed electrodes are arranged on a second circumference that is concentric with the first circumference,
The movable electrode is
Provided for each set of fixed electrodes composed of the two fixed electrodes adjacent to each other on the first circumference, and arranged so that the tip end surface straddles two fixed electrodes included in the one set of fixed electrodes A plurality of protrusions,
A plurality of displacement portions provided corresponding to the fixed electrodes disposed on the second circumference, and deformed by input to change the distance to the corresponding fixed electrodes. ,
The force detection device according to claim 7 . 前記支持部は、基板に固定される固定部と、前記固定部と前記可動電極を繋ぐと共に前記可動電極の移動または回転に伴って変形する変形部と、を有することを特徴とする、
請求項１乃至１４のいずれかに記載の力検出装置。 The support part includes a fixed part fixed to a substrate, and a deforming part that connects the fixed part and the movable electrode and deforms as the movable electrode moves or rotates.
Force detection apparatus according to any one of claims 1 to 14. 前記固定部は、前記可動電極の外周を囲むように形成され、前記可動電極の移動範囲を制限するストッパとして兼用されることを特徴とする、
請求項１５に記載の力検出装置。 The fixed portion is formed so as to surround an outer periphery of the movable electrode, and is also used as a stopper for limiting a moving range of the movable electrode.
The force detection device according to claim 15 . 静電容量検出用の固定電極と、
前記固定電極に対向して配置される可動電極と、
前記固定電極と前記可動電極の間において前記可動電極に設けられ、前記固定電極と略接触した状態で配置される絶縁層と、
前記可動電極を前記固定電極の前記絶縁層と略接触する面に沿って移動または回転可能に支持する支持部と、を備え、
前記可動電極および前記支持部は、導電性弾性材料により一体的に構成されることを特徴とする、
力検出装置。 A fixed electrode for detecting capacitance;
A movable electrode disposed to face the fixed electrode;
An insulating layer provided on the movable electrode between the fixed electrode and the movable electrode, and disposed in a state of being substantially in contact with the fixed electrode;
A support portion that supports the movable electrode so as to be movable or rotatable along a surface that substantially contacts the insulating layer of the fixed electrode ;
The movable electrode and the support portion are integrally formed of a conductive elastic material ,
Force detection device.
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