(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の作用体に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、前記作用体を所定方向に駆動する駆動機能と、を有する装置であって、
前記作用体として機能する上方構造体と、
前記上方構造体の下方に配置された下方構造体と、
上端が前記上方構造体の下面側に第１の上方接続部を介して接続され、下端が前記下方構造体の上面側に第１の下方接続部を介して接続され、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える第１の伸縮駆動機構をもった第１の接続部材と、
上端が前記上方構造体の下面側に第２の上方接続部を介して接続され、下端が前記下方構造体の上面側に第２の下方接続部を介して接続され、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える第２の伸縮駆動機構をもった第２の接続部材と、
上端が前記上方構造体の下面側に第３の上方接続部を介して接続され、下端が前記下方構造体の上面側に第３の下方接続部を介して接続され、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える第３の伸縮駆動機構をもった第３の接続部材と、
上端が前記上方構造体の下面側に第４の上方接続部を介して接続され、下端が前記下方構造体の上面側に第４の下方接続部を介して接続され、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える第４の伸縮駆動機構をもった第４の接続部材と、
前記第１〜第４の接続部材の下端の前記下方構造体に対する上下方向に関する変位をそれぞれ検出する第１〜第４のセンサと、
前記第１〜第４の伸縮駆動機構に所定の電気信号を与えて前記第１〜第４の接続部材の上下両端間の長さがそれぞれ所望の長さになるように調整する駆動動作と、前記第１〜第４のセンサの検出結果に基づいて、前記作用体に作用した力を示す電気信号を出力する検出動作と、を行う制御ユニットと、
を備え、
前記第１〜第４の上方接続部は、それぞれ前記第１〜第４の接続部材の上端付近が前記上方構造体に対して任意の方向に傾斜可能となるように、それぞれ前記第１〜第４の接続部材の上端を前記上方構造体の下面に接続する構造を有し、
前記第１〜第４の下方接続部は、それぞれ前記第１〜第４の接続部材の下端付近が前記下方構造体に対して任意の方向に傾斜可能となるように、かつ、前記下方構造体に対して上下方向に変位可能となるように、それぞれ前記第１〜第４の接続部材の下端を前記下方構造体の上面に接続する構造を有することを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
上端が上方構造体の下面側に第５の上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に固着された第５の接続部材を更に有し、
前記第５の上方接続部は、前記第５の接続部材の上端付近が前記上方構造体に対して任意の方向に傾斜可能となるように、前記第５の接続部材の上端を前記上方構造体の下面に接続する構造を有することを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項３】
請求項２に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
第５の接続部材の上端付近に原点をもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、第１〜第４の接続部材の上下両端間の長さが互いに等しくなるように第１〜第４の伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態において、第１の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と正領域で交差し、第２の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と負領域で交差し、第３の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と正領域で交差し、第４の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と負領域で交差し、第５の接続部材の上下両端を通る直線はＺ軸に一致し、
制御ユニットは、第１の接続部材の上下両端間の長さと、第２の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＹ軸まわりに変化させるＹ軸まわり駆動動作と、第３の接続部材の上下両端間の長さと、第４の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＸ軸まわりに変化させるＸ軸まわり駆動動作と、第１のセンサの検出値と第２のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙの検出値として出力するＹ軸まわり検出動作と、第４のセンサの検出値と第３のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘの検出値として出力するＸ軸まわり検出動作と、を行うことを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項４】
請求項１に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
上端が上方構造体の下面側に第５の上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に第５の下方接続部を介して接続された第５の接続部材と、
前記第５の接続部材の下端の下方構造体に対する上下方向に関する変位を検出する第５のセンサと、
を更に有し、
制御ユニットは、第１〜第５のセンサの検出結果に基づいて、作用体に作用した力を示す電気信号を出力する検出動作を行い、
前記第５の上方接続部は、前記第５の接続部材の上端付近が上方構造体に対して任意の方向に傾斜可能となるように、前記第５の接続部材の上端を上方構造体の下面に接続する構造を有し、
前記第５の下方接続部は、前記第５の接続部材の下端付近が下方構造体に対して上下方向に変位可能となるように、前記第５の接続部材の下端を下方構造体の上面に接続する構造を有することを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項５】
請求項４に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
第５の接続部材の上端付近に原点をもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、第１〜第４の接続部材の上下両端間の長さが互いに等しくなるように第１〜第４の伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態において、第１の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と正領域で交差し、第２の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と負領域で交差し、第３の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と正領域で交差し、第４の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と負領域で交差し、第５の接続部材の上下両端を通る直線はＺ軸に一致し、
制御ユニットは、第１の接続部材の上下両端間の長さと、第２の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＹ軸まわりに変化させるＹ軸まわり駆動動作と、第３の接続部材の上下両端間の長さと、第４の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＸ軸まわりに変化させるＸ軸まわり駆動動作と、第１のセンサの検出値と第２のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙの検出値として出力するＹ軸まわり検出動作と、第４のセンサの検出値と第３のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘの検出値として出力するＸ軸まわり検出動作と、第５のセンサの検出値もしくは第１〜第５のセンサの検出値の総和に基づく電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＺ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力するＺ軸方向検出動作と、を行うことを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項６】
請求項１に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
上端が上方構造体の下面側に第５の上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に第５の下方接続部を介して接続された第５の接続部材を更に有し、
前記第５の上方接続部は、前記第５の接続部材の上端付近が上方構造体に対して任意の方向に傾斜可能となるように、前記第５の接続部材の上端を上方構造体の下面に接続する構造を有し、
前記第５の下方接続部は、前記第５の接続部材の下端付近が下方構造体に対して上下方向に変位可能となるように、前記第５の接続部材の下端を下方構造体の上面に接続する構造を有することを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項７】
請求項６に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
第５の接続部材の上端付近に原点をもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、第１〜第４の接続部材の上下両端間の長さが互いに等しくなるように第１〜第４の伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態において、第１の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と正領域で交差し、第２の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と負領域で交差し、第３の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と正領域で交差し、第４の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と負領域で交差し、第５の接続部材の上下両端を通る直線はＺ軸に一致し、
制御ユニットは、第１の接続部材の上下両端間の長さと、第２の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＹ軸まわりに変化させるＹ軸まわり駆動動作と、第３の接続部材の上下両端間の長さと、第４の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＸ軸まわりに変化させるＸ軸まわり駆動動作と、第１のセンサの検出値と第２のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙの検出値として出力するＹ軸まわり検出動作と、第４のセンサの検出値と第３のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘの検出値として出力するＸ軸まわり検出動作と、第１〜第４のセンサの検出値の総和に基づく電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＺ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力するＺ軸方向検出動作と、を行うことを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項８】
請求項１に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
上端が上方構造体の下面側に第５の上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に固着され、上下両端間に外力として加えられた伸張力もしくは圧縮力に応じて上下両端間の長さを変える伸縮従動機構をもった第５の接続部材を更に有し、
前記第５の上方接続部は、前記第５の接続部材の上端付近が上方構造体に対して任意の方向に傾斜可能となるように、前記第５の接続部材の上端を上方構造体の下面に接続する構造を有することを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項９】
請求項８に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
第５の接続部材の上端付近に原点をもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、第１〜第４の接続部材の上下両端間の長さが互いに等しくなるように第１〜第４の伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態において、第１の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と正領域で交差し、第２の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と負領域で交差し、第３の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と正領域で交差し、第４の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と負領域で交差し、第５の接続部材の上下両端を通る直線はＺ軸に一致し、
制御ユニットは、第１の接続部材の上下両端間の長さと、第２の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＹ軸まわりに変化させるＹ軸まわり駆動動作と、第３の接続部材の上下両端間の長さと、第４の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＸ軸まわりに変化させるＸ軸まわり駆動動作と、第１のセンサの検出値と第２のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙの検出値として出力するＹ軸まわり検出動作と、第４のセンサの検出値と第３のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘの検出値として出力するＸ軸まわり検出動作と、第１〜第４のセンサの検出値の総和に基づく電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＺ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力するＺ軸方向検出動作と、を行うことを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の力検出機能をもった駆動装置において、
すべての上方接続部および第１〜第４の下方接続部が、転がり球面軸受を含む構造体によって構成されていることを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項１１】
請求項３，５，７，９のいずれかに記載の力検出機能をもった駆動装置において、
「標準姿勢」の状態では、第１の接続部材と第２の接続部材とがＹＺ平面に関して面対称をなし、第３の接続部材と第４の接続部材とがＸＺ平面に関して面対称をなすことを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項１２】
請求項３，５，７，９のいずれかに記載の力検出機能をもった駆動装置において、
上方構造体が平板状の上方基板からなり、下方構造体が平板状の下方基板からなり、「標準姿勢」の状態では、前記上方基板および前記下方基板の基板面が、ＸＹ平面に平行になるように構成されていることを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
下面の４カ所に溝が形成された中間基板が、下方基板の上面に接合されており、これら溝の底部にはそれぞれ可撓性をもった膜部が形成され、
第１〜第４の下方接続部が、前記中間基板と、前記各膜部の上面に固定された転がり球面軸受と、によって構成されており、第１〜第４の接続部材の下端が前記転がり球面軸受、前記膜部、前記溝の側壁部を介して、下方基板に接続されていることを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
第１〜第４のセンサが、各膜部に形成された変位電極と、これら各変位電極に対向する下方基板の上面位置に固定された固定電極と、からなる容量素子によって構成されていることを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
中間基板が導電性材料から構成されており、膜部自身が変位電極として機能することを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかに記載の力検出機能をもった駆動装置において、
第１〜第４の接続部材が、
外側筒状部と、その内側に嵌合した内側柱状部と、を同一の軸上に配置してなる構造部と、
与えられた電気信号に基づいて、前記内側柱状部を前記外側筒状部に対して、前記軸に沿った方向に摺動させることにより全長を所望の長さに調整し、当該長さを維持させる伸縮駆動機構と、
を有するリニアアクチュエータによって構成されていることを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
リニアアクチュエータが、外側筒状部に対して内側柱状部を機械的に固定するロック機構を有し、
制御ユニットが、検出動作を行う際には、前記ロック機構により、第１〜第４の接続部材の上下両端間の長さを一定に維持する制御を行うことを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項１８】
請求項１６に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
リニアアクチュエータが、外側筒状部内に設けられた圧力室の圧力を制御するポンプと、前記圧力室の圧力を測定する圧力センサと、を有し、
制御ユニットが、駆動動作を行う際には、前記ポンプに所定の駆動信号を与えて内側柱状部を摺動させることにより、リニアアクチュエータの全長を所望の長さに調整し、検出動作を行う際には、前記圧力センサによる測定値が一定となるように前記ポンプに所定の駆動信号を与えてフィードバック制御を行うことを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項１９】
所定の作用体に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、前記作用体を所定方向に駆動する駆動機能と、を有する装置であって、
前記作用体として機能する上方構造体と、
前記上方構造体の下方に配置された下方構造体と、
前記下方構造体の上方位置に前記上方構造体が、少なくとも所定の１方向に傾斜可能な状態で支持されるように、前記上方構造体と前記下方構造体とを接続する中央接続部材と、
上端が前記上方構造体の下面側に上方接続部を介して接続され、下端が前記下方構造体の上面側に下方接続部を介して接続され、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える伸縮駆動機構をもち、前記中央接続部材の周囲に配置された複数Ｎ本の周辺接続部材と、
前記複数Ｎ本の周辺接続部材の下端の前記下方構造体に対する上下方向に関する変位をそれぞれ検出するセンサと、
前記伸縮駆動機構に所定の電気信号を与えて前記複数Ｎ本の周辺接続部材の上下両端間の長さがそれぞれ所望の長さになるように調整する駆動動作と、前記センサの検出結果に基づいて、前記作用体に作用した力を示す電気信号を出力する検出動作と、を行う制御ユニットと、
を備え、
前記上方接続部は、前記周辺接続部材の上端付近が前記上方構造体に対して少なくとも所定の１方向に傾斜可能となるように、前記周辺接続部材の上端を前記上方構造体の下面に接続する構造を有し、
前記下方接続部は、前記周辺接続部材の下端付近が前記下方構造体に対して少なくとも所定の１方向に傾斜可能となるように、かつ、前記下方構造体に対して上下方向に変位可能となるように、前記周辺接続部材の下端を前記下方構造体の上面に接続する構造を有することを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
下方構造体が平板状の下方基板からなり、その基板面に対して平行なＸＹ平面をもったＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、中央接続部材の中心軸がＺ軸上にくるように、中央接続部材の下端が下方構造体に固着されており、中央接続部材の上端による上方構造体の支持中心点が常にＺ軸上に維持されるように構成されていることを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
中央接続部材が、上下両端間に外力として加えられた伸張力もしくは圧縮力に応じて上下両端間の長さを変える伸縮従動機構を有し、中央接続部材の長さの変化に応じて、中央接続部材の上端による上方構造体の支持中心点がＺ軸に沿って移動することを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項２２】
請求項１９〜２１のいずれかに記載の力検出機能をもった駆動装置において、
中央接続部材の周囲に第１〜第４の周辺接続部材が配置されており、これら４本の周辺接続部材の上下両端間の長さが互いに等しくなるように伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態、かつ、検出対象となる力が作用していない状態では、第１の周辺接続部材の中心軸と第２の周辺接続部材の中心軸とが第１の平面上に位置し、第３の周辺接続部材の中心軸と第４の周辺接続部材の中心軸とが前記第１の平面に直交する第２の平面上に位置し、前記第１の平面に関して第３の周辺接続部材と第４の周辺接続部材とが面対称をなし、前記第２の平面に関して第１の周辺接続部材と第２の周辺接続部材とが面対称をなすことを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力検出機能をもった駆動装置に関し、特に、ロボットの関節部分などに利用するのに適し、所定の作用体に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、当該作用体を所定方向に駆動する駆動機能と、を有する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットや産業機械では、各部に様々な動作をさせるため、関節部分に駆動装置が取り付けられている。たとえば、ロボットアーム（腕）とグリッパー（手）を接続する手首の関節部分には、グリッパー（手）を任意の方向に駆動する駆動装置が設けられる。ロボットの足首の関節部分についても同様である。たとえば、下記の特許文献１には、サーボ制御が可能な回転モータで３組のリンクを駆動するロボットの手首用駆動装置が開示されており、特許文献２には、６本のリニアアクチュエータを用いて、多自由度マニピュレータとして機能するロボットアーム用駆動装置が開示されている。また、特許文献３には、プーリとベルトを用いて構成したロボット用の手首駆動装置が開示されている。
【０００３】
一方、ロボットや産業機械では、その動作制御を行うために、種々のタイプの力検出装置が利用されている。特に、ロボットアームの手首部分に取り付けて、グリッパーに加わる負荷を検出するための力検出装置としては、できるだけ構造が単純であり、三次元空間内での各座標軸に関する力をそれぞれ独立して検出できる装置が望まれている。一般に、力検出装置の検出対象には、所定の座標軸方向を向いた力成分と、所定の座標軸まわりのモーメント成分とがあり、三次元空間内にＸＹＺ三次元座標系を定義した場合、検出対象は、各座標軸方向の力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、各座標軸まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとの６つの成分になる。
【０００４】
このような６つの力成分をそれぞれ独立して検出することができる力検出装置として、たとえば、下記の特許文献４には、比較的単純な構造をもった装置が開示されている。この特許文献４に開示された技術は、既に米国特許第６９１５７０９号・米国特許第７１２１１４７号・欧州特許第１４６４９３９号が付与されている技術であり、２枚の基板を複数の柱状体で接続した構造物を用意し、一方の基板を固定した状態において他方の基板に力を加えたときに、各柱状体の変位を個別に測定することにより、加えられた力の各成分を検出するものである。
【０００５】
また、下記の特許文献５に開示されている技術も、既に米国特許第７２１９５６１号が付与されている技術である。この技術によれば、各柱状体の変位を個別に測定するセンサとして静電容量素子を用い、この静電容量素子を構成する特定の電極間に配線を施すことにより、加えられた力の各成分を検出するための演算を単純化することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−０３８８８６号公報
【特許文献２】特開２００１−００４００５号公報
【特許文献３】特開２００６−００７３５５号公報
【特許文献４】特開２００４−３５４０４９号公報
【特許文献５】特開２００４−３２５３６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したとおり、ロボットや産業機械の駆動制御を行うためには、関節部分に、駆動装置とともに力検出装置を設ける必要がある。たとえば、アームの先に手首を介してグリッパーが接続されたロボットの場合、手首から先のグリッパーの部分を駆動するための駆動装置を手首の関節に取り付けるとともに、グリッパーの部分に作用した力を検出するための力検出装置を手首の関節に取り付けるのが好ましい。このように、ロボットの手首に取り付けるのに適した駆動装置や力検出装置は、たとえば、前掲の各特許文献に開示されているように、様々なタイプのものが知られている。
【０００８】
しかしながら、従来提案されている一般的な駆動装置および力検出装置を、ロボットや産業機械の関節部分に組み込むと、関節部分の構造が複雑になり、また、関節部分が大型化せざるを得ない。構造が複雑になれば、製造コストも嵩むことになる。特に、ロボットアームの手首の構造部は、できるだけ単純な構造で構成するのが好ましいが、前掲の各特許文献に開示されている駆動装置および力検出装置を、それぞれ別個に手首部分に組み込むようにすると、手首の構造部の単純化を図るのは困難である。
【０００９】
そこで本発明は、ロボットや産業機械などの関節部分を構成するのに適し、駆動機能とともに力検出機能を備え、かつ、構造の単純化を図ることが可能な力検出機能をもった駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
(1)   本発明の第１の態様は、所定の作用体に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、作用体を所定方向に駆動する駆動機能と、を有する力検出機能をもった駆動装置において、
作用体として機能する上方構造体と、
上方構造体の下方に配置された下方構造体と、
上端が上方構造体の下面側に第１の上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に第１の下方接続部を介して接続され、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える第１の伸縮駆動機構をもった第１の接続部材と、
上端が上方構造体の下面側に第２の上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に第２の下方接続部を介して接続され、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える第２の伸縮駆動機構をもった第２の接続部材と、
上端が上方構造体の下面側に第３の上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に第３の下方接続部を介して接続され、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える第３の伸縮駆動機構をもった第３の接続部材と、
上端が上方構造体の下面側に第４の上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に第４の下方接続部を介して接続され、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える第４の伸縮駆動機構をもった第４の接続部材と、
第１〜第４の接続部材の下端の下方構造体に対する上下方向に関する変位をそれぞれ検出する第１〜第４のセンサと、
第１〜第４の伸縮駆動機構に所定の電気信号を与えて第１〜第４の接続部材の上下両端間の長さがそれぞれ所望の長さになるように調整する駆動動作と、第１〜第４のセンサの検出結果に基づいて、作用体に作用した力を示す電気信号を出力する検出動作と、を行う制御ユニットと、
を設け、
第１〜第４の上方接続部は、それぞれ第１〜第４の接続部材の上端付近が上方構造体に対して任意の方向に傾斜可能となるように、それぞれ第１〜第４の接続部材の上端を上方構造体の下面に接続する構造を有するようにし、
第１〜第４の下方接続部は、それぞれ第１〜第４の接続部材の下端付近が下方構造体に対して任意の方向に傾斜可能となるように、かつ、下方構造体に対して上下方向に変位可能となるように、それぞれ第１〜第４の接続部材の下端を下方構造体の上面に接続する構造を有するようにしたものである。
【００１１】
(2)   本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
上端が上方構造体の下面側に第５の上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に固着された第５の接続部材を更に設け、
第５の上方接続部は、第５の接続部材の上端付近が上方構造体に対して任意の方向に傾斜可能となるように、第５の接続部材の上端を上方構造体の下面に接続する構造を有するようにしたものである。
【００１２】
(3)   本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
第５の接続部材の上端付近に原点をもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、第１〜第４の接続部材の上下両端間の長さが互いに等しくなるように第１〜第４の伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態において、第１の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と正領域で交差し、第２の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と負領域で交差し、第３の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と正領域で交差し、第４の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と負領域で交差し、第５の接続部材の上下両端を通る直線はＺ軸に一致するようにし、
制御ユニットは、第１の接続部材の上下両端間の長さと、第２の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＹ軸まわりに変化させるＹ軸まわり駆動動作と、第３の接続部材の上下両端間の長さと、第４の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＸ軸まわりに変化させるＸ軸まわり駆動動作と、第１のセンサの検出値と第２のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙの検出値として出力するＹ軸まわり検出動作と、第４のセンサの検出値と第３のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘの検出値として出力するＸ軸まわり検出動作と、を行うようにしたものである。
【００１３】
(4)   本発明の第４の態様は、上述した第１の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
上端が上方構造体の下面側に第５の上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に第５の下方接続部を介して接続された第５の接続部材と、
第５の接続部材の下端の下方構造体に対する上下方向に関する変位を検出する第５のセンサと、
を更に設け、
制御ユニットは、第１〜第５のセンサの検出結果に基づいて、作用体に作用した力を示す電気信号を出力する検出動作を行い、
第５の上方接続部は、第５の接続部材の上端付近が上方構造体に対して任意の方向に傾斜可能となるように、第５の接続部材の上端を上方構造体の下面に接続する構造を有するようにし、
第５の下方接続部は、第５の接続部材の下端付近が下方構造体に対して上下方向に変位可能となるように、第５の接続部材の下端を下方構造体の上面に接続する構造を有するようにしたものである。
【００１４】
(5)   本発明の第５の態様は、上述した第４の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
第５の接続部材の上端付近に原点をもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、第１〜第４の接続部材の上下両端間の長さが互いに等しくなるように第１〜第４の伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態において、第１の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と正領域で交差し、第２の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と負領域で交差し、第３の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と正領域で交差し、第４の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と負領域で交差し、第５の接続部材の上下両端を通る直線はＺ軸に一致するようにし、
制御ユニットは、第１の接続部材の上下両端間の長さと、第２の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＹ軸まわりに変化させるＹ軸まわり駆動動作と、第３の接続部材の上下両端間の長さと、第４の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＸ軸まわりに変化させるＸ軸まわり駆動動作と、第１のセンサの検出値と第２のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙの検出値として出力するＹ軸まわり検出動作と、第４のセンサの検出値と第３のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘの検出値として出力するＸ軸まわり検出動作と、第５のセンサの検出値もしくは第１〜第５のセンサの検出値の総和に基づく電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＺ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力するＺ軸方向検出動作と、を行うようにしたものである。
【００１５】
(6)   本発明の第６の態様は、上述した第１の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
上端が上方構造体の下面側に第５の上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に第５の下方接続部を介して接続された第５の接続部材を更に設け、
第５の上方接続部は、第５の接続部材の上端付近が上方構造体に対して任意の方向に傾斜可能となるように、第５の接続部材の上端を上方構造体の下面に接続する構造を有するようにし、
第５の下方接続部は、第５の接続部材の下端付近が下方構造体に対して上下方向に変位可能となるように、第５の接続部材の下端を下方構造体の上面に接続する構造を有するようにしたものである。
【００１６】
(7)   本発明の第７の態様は、上述した第６の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
第５の接続部材の上端付近に原点をもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、第１〜第４の接続部材の上下両端間の長さが互いに等しくなるように第１〜第４の伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態において、第１の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と正領域で交差し、第２の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と負領域で交差し、第３の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と正領域で交差し、第４の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と負領域で交差し、第５の接続部材の上下両端を通る直線はＺ軸に一致するようにし、
制御ユニットは、第１の接続部材の上下両端間の長さと、第２の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＹ軸まわりに変化させるＹ軸まわり駆動動作と、第３の接続部材の上下両端間の長さと、第４の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＸ軸まわりに変化させるＸ軸まわり駆動動作と、第１のセンサの検出値と第２のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙの検出値として出力するＹ軸まわり検出動作と、第４のセンサの検出値と第３のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘの検出値として出力するＸ軸まわり検出動作と、第１〜第４のセンサの検出値の総和に基づく電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＺ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力するＺ軸方向検出動作と、を行うようにしたものである。
【００１７】
(8)   本発明の第８の態様は、上述した第１の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
上端が上方構造体の下面側に第５の上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に固着され、上下両端間に外力として加えられた伸張力もしくは圧縮力に応じて上下両端間の長さを変える伸縮従動機構をもった第５の接続部材を更に設け、
第５の上方接続部は、第５の接続部材の上端付近が上方構造体に対して任意の方向に傾斜可能となるように、第５の接続部材の上端を上方構造体の下面に接続する構造を有するようにしたものである。
【００１８】
(9)   本発明の第９の態様は、上述した第８の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
第５の接続部材の上端付近に原点をもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、第１〜第４の接続部材の上下両端間の長さが互いに等しくなるように第１〜第４の伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態において、第１の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と正領域で交差し、第２の接続部材の上下両端を通る直線はＸ軸と負領域で交差し、第３の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と正領域で交差し、第４の接続部材の上下両端を通る直線はＹ軸と負領域で交差し、第５の接続部材の上下両端を通る直線はＺ軸に一致するようにし、
制御ユニットは、第１の接続部材の上下両端間の長さと、第２の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＹ軸まわりに変化させるＹ軸まわり駆動動作と、第３の接続部材の上下両端間の長さと、第４の接続部材の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方構造体に対する上方構造体の姿勢をＸ軸まわりに変化させるＸ軸まわり駆動動作と、第１のセンサの検出値と第２のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙの検出値として出力するＹ軸まわり検出動作と、第４のセンサの検出値と第３のセンサの検出値との差を示す電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘの検出値として出力するＸ軸まわり検出動作と、第１〜第４のセンサの検出値の総和に基づく電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用したＺ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力するＺ軸方向検出動作と、を行うようにしたものである。
【００１９】
(10)  本発明の第１０の態様は、上述した第１〜第９の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
すべての上方接続部および第１〜第４の下方接続部が、転がり球面軸受を含む構造体によって構成されているようにしたものである。
【００２０】
(11)  本発明の第１１の態様は、上述した第３，第５，第７，第９のいずれかの態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
「標準姿勢」の状態では、第１の接続部材と第２の接続部材とがＹＺ平面に関して面対称をなし、第３の接続部材と第４の接続部材とがＸＺ平面に関して面対称をなすようにしたものである。
【００２１】
(12)  本発明の第１２の態様は、上述した第３，第５，第７，第９のいずれかの態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
上方構造体が平板状の上方基板からなり、下方構造体が平板状の下方基板からなり、「標準姿勢」の状態では、上方基板および下方基板の基板面が、ＸＹ平面に平行になるように構成したものである。
【００２２】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述した第１２の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
下面の４カ所に溝が形成された中間基板を、下方基板の上面に接合し、これら溝の底部には、それぞれ可撓性をもった膜部が形成されるようにし、
第１〜第４の下方接続部が、中間基板と、各膜部の上面に固定された転がり球面軸受と、によって構成されており、第１〜第４の接続部材の下端が転がり球面軸受、膜部、溝の側壁部を介して、下方基板に接続されるようにしたものである。
【００２３】
(14)  本発明の第１４の態様は、上述した第１３の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
第１〜第４のセンサが、各膜部に形成された変位電極と、これら各変位電極に対向する下方基板の上面位置に固定された固定電極と、からなる容量素子によって構成されているようにしたものである。
【００２４】
(15)  本発明の第１５の態様は、上述した第１４の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
中間基板が導電性材料から構成されており、膜部自身が変位電極として機能するようにしたものである。
【００２５】
(16)  本発明の第１６の態様は、上述した第１〜第１５の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
第１〜第４の接続部材を、
外側筒状部と、その内側に嵌合した内側柱状部と、を同一の軸上に配置してなる構造部と、
与えられた電気信号に基づいて、内側柱状部を外側筒状部に対して、上記軸に沿った方向に摺動させることにより全長を所望の長さに調整し、当該長さを維持させる伸縮駆動機構と、
を有するリニアアクチュエータによって構成したものである。
【００２６】
(17)  本発明の第１７の態様は、上述した第１６の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
リニアアクチュエータが、外側筒状部に対して内側柱状部を機械的に固定するロック機構を有するようにし、
制御ユニットが、検出動作を行う際には、このロック機構により、第１〜第４の接続部材の上下両端間の長さを一定に維持する制御を行うようにしたものである。
【００２７】
(18)  本発明の第１８の態様は、上述した第１６の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
リニアアクチュエータが、外側筒状部内に設けられた圧力室の圧力を制御するポンプと、圧力室の圧力を測定する圧力センサと、を有するようにし、
制御ユニットが、駆動動作を行う際には、ポンプに所定の駆動信号を与えて内側柱状部を摺動させることにより、リニアアクチュエータの全長を所望の長さに調整し、検出動作を行う際には、圧力センサによる測定値が一定となるようにポンプに所定の駆動信号を与えてフィードバック制御を行うようにしたものである。
【００２８】
(19)  本発明の第１９の態様は、所定の作用体に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、作用体を所定方向に駆動する駆動機能と、を有する力検出機能をもった駆動装置において、
作用体として機能する上方構造体と、
上方構造体の下方に配置された下方構造体と、
下方構造体の上方位置に上方構造体が、少なくとも所定の１方向に傾斜可能な状態で支持されるように、上方構造体と下方構造体とを接続する中央接続部材と、
上端が上方構造体の下面側に上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に下方接続部を介して接続され、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える伸縮駆動機構をもち、中央接続部材の周囲に配置された複数Ｎ本の周辺接続部材と、
複数Ｎ本の周辺接続部材の下端の下方構造体に対する上下方向に関する変位をそれぞれ検出するセンサと、
伸縮駆動機構に所定の電気信号を与えて複数Ｎ本の周辺接続部材の上下両端間の長さがそれぞれ所望の長さになるように調整する駆動動作と、センサの検出結果に基づいて、作用体に作用した力を示す電気信号を出力する検出動作と、を行う制御ユニットと、
を備え、
上方接続部は、周辺接続部材の上端付近が上方構造体に対して少なくとも所定の１方向に傾斜可能となるように、周辺接続部材の上端を上方構造体の下面に接続する構造を有し、
下方接続部は、周辺接続部材の下端付近が下方構造体に対して少なくとも所定の１方向に傾斜可能となるように、かつ、下方構造体に対して上下方向に変位可能となるように、周辺接続部材の下端を下方構造体の上面に接続する構造を有するようにしたものである。
【００２９】
(20)  本発明の第２０の態様は、上述した第１９の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
下方構造体が平板状の下方基板からなり、その基板面に対して平行なＸＹ平面をもったＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、中央接続部材の中心軸がＺ軸上にくるように、中央接続部材の下端が下方構造体に固着されており、中央接続部材の上端による上方構造体の支持中心点が常にＺ軸上に維持されるように構成したものである。
【００３０】
(21)  本発明の第２１の態様は、上述した第２０の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
中央接続部材が、上下両端間に外力として加えられた伸張力もしくは圧縮力に応じて上下両端間の長さを変える伸縮従動機構を有し、中央接続部材の長さの変化に応じて、中央接続部材の上端による上方構造体の支持中心点がＺ軸に沿って移動するようにしたものである。
【００３１】
(22)  本発明の第２２の態様は、上述した第１９〜第２１の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
中央接続部材の周囲に第１〜第４の周辺接続部材を配置し、これら４本の周辺接続部材の上下両端間の長さが互いに等しくなるように伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態、かつ、検出対象となる力が作用していない状態では、第１の周辺接続部材の中心軸と第２の周辺接続部材の中心軸とが第１の平面上に位置し、第３の周辺接続部材の中心軸と第４の周辺接続部材の中心軸とが第１の平面に直交する第２の平面上に位置し、第１の平面に関して第３の周辺接続部材と第４の周辺接続部材とが面対称をなし、第２の平面に関して第１の周辺接続部材と第２の周辺接続部材とが面対称をなすようにしたものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明に係る装置では、上方構造体と下方構造体とが、伸縮駆動機能をもった４本の接続部材によって接続されるので、これら接続部材を伸縮駆動することにより、上方構造体を下方構造体に対して駆動することができる。また、個々の接続部材の下端の上下方向に関する変位を検出するセンサが設けられているため、上方構造体に対して作用した特定方向の力を検出することも可能になり、駆動機能とともに力検出機能を備えた装置が実現できる。
【００３３】
このように、本発明に係る装置は、１台の装置でありながら、駆動装置と力検出装置との双方を兼ねる働きをするため、駆動装置と力検出装置とをそれぞれ別個に設ける場合に比べて、全体の構造を単純化することができ、小型化を実現することができ、コスト低減を図ることもできる。また、上方構造体と下方構造体とを接続部材で接続した構造をとるため、ロボットや産業機械などの関節部分を構成するのに適した単純な構造をもった装置になる。
【００３４】
４本の接続部材の上下両端は、端部が任意の方向に傾斜可能となるような構造をもった接続部材（たとえば、転がり球面軸受を利用した部材）を介して上下の構造体に接続されることになるが、上端のみが任意の方向に傾斜可能となるように接続された第５の接続部材を付加すれば、この第５の接続部材によって、上方構造体を下方構造体に対して安定して支持することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る力検出機能をもった駆動装置の縦断面図である（制御ユニット４００はブロックで示す）。
【図２】図１に示す装置に用いられている接続部材Ｐ１０の拡大縦断面図である（ポンプの部分はブロックで示す）。
【図３】図１に示す装置に用いられている転がり球面軸受Ｑ１０の拡大縦断面図である。
【図４】図１に示す装置をＸＹ平面で切断し、上方部分を見上げた状態を示す横断面図である。
【図５】図１に示す装置を切断線５−５に沿った面で切断し、下方部分を見下ろした状態を示す横断面図である。
【図６】図１に示す装置を切断線６−６に沿った面で切断し、下方部分を見下ろした状態を示す横断面図である（破線は、中間基板２００に設けられた溝および下方基板３００に設けられた固定電極を示す）。
【図７】図１に示す装置の中間基板２００の下面図である。
【図８】図１に示す装置の下方基板３００の上面図である。
【図９】図１に示す装置における上方基板１００（作用体）を＋Ｙ軸まわりに駆動した状態を示す縦断面図である（制御ユニット４００はブロックで示す）。
【図１０】図１に示す装置の駆動動作を示すテーブルである。
【図１１】図１に示す装置における上方基板１００（作用体）に対してＹ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用した状態を示す縦断面図である（制御ユニット４００はブロックで示す）。
【図１２】図１に示す装置の検出動作を示すテーブルである。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る力検出機能をもった駆動装置の縦断面図である（制御ユニット４５０はブロックで示す）。
【図１４】図１３に示す装置の検出動作を示すテーブルである。
【図１５】図１３に示す装置における上方基板１００（作用体）に対して＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが作用した状態を示す縦断面図である。
【図１６】図１３に示す装置における上方基板１００（作用体）に対して−Ｚ軸方向の力−Ｆｚが作用した状態を示す縦断面図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る力検出機能をもった駆動装置の縦断面図である（制御ユニット４８０はブロックで示す）。
【図１８】図１７に示す装置の駆動動作を示すテーブルである。
【図１９】図２に示す接続部材の変形例Ｐ１０′を示す拡大縦断面図である。
【図２０】図１に示す駆動装置を手首の関節部分に用いたロボットアームの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明を図示するいくつかの実施形態に基づいて説明する。
【００３７】
＜＜＜  §１．  第１の実施形態の構造  ＞＞＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る力検出機能をもった駆動装置の縦断面図である（制御ユニット４００はブロックで示す）。この装置の主たる構成要素は、上方基板１００、中間基板２００、下方基板３００という３枚の平板状基板と、第１〜第５の接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０という５本の柱状接続部材である（図１には、３本の接続部材Ｐ１０，Ｐ２０，Ｐ５０のみが現れている）。後述するとおり、第５の接続部材Ｐ５０は、この装置の中心軸を通る位置に配置され、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０は、その周囲に配置されている。
【００３８】
ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、第５の接続部材Ｐ５０の上端付近に原点Ｏをもち、図の右方向にＸ軸、図の紙面に垂直な奥へ向かう方向にＹ軸、図の上方向にＺ軸をそれぞれ配したＸＹＺ三次元座標系を定義する。図１は、この装置をＸＺ平面に沿って切断した縦断面図に相当する。
【００３９】
３枚の基板１００，２００，３００は、いずれも同じサイズの円盤状の基板であり、基板面がＸＹ平面に平行になり、その中心位置にＺ軸が貫通するように配置されている。もっとも、後述するように、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０は、それぞれ伸縮駆動機構を有しており、その長さを調整することができる。図１に示す状態は、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の上下両端間の長さが互いに等しくなるように伸縮駆動機構を調整した状態（本願では「標準姿勢」と呼ぶ）ということになる。
【００４０】
５本の接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０は、上方基板１００の下面と中間基板２００の上面とを接続する機能を果たし、図示のような「標準姿勢」では、各接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０の長手方向軸はＺ軸に平行になる。一方、下方基板３００の上面は、中間基板２００の下面に接合されている。
【００４１】
上方基板１００および下方基板３００は、完全な円盤状の基板であるが、中間基板２００は、円盤状の基板の下面の４カ所に円柱状の溝Ｇ１０〜Ｇ４０を形成した構造を有する。ここで、４カ所の溝Ｇ１０〜Ｇ４０の形成位置は、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の配置位置に対応したものとなっている。図１には、第１および第２の接続部材Ｐ１０，Ｐ２０の直下の位置に、それぞれ溝Ｇ１０，Ｇ２０が形成されている状態が示されている。また、下方基板３００の上面の４カ所（溝Ｇ１０〜Ｇ４０の形成位置）には、それぞれ円盤状の固定電極Ｅ１０〜Ｅ４０が形成されている。図１には、第１および第２の溝Ｇ１０，Ｇ２０の内部に、それぞれ固定電極Ｅ１０，Ｅ２０が形成されている状態が示されている。
【００４２】
上方基板１００の材質は任意でよいが、中間基板２００は金属などの導電性基板によって構成するのが好ましい。これは、後述するように、中間基板２００の溝Ｇ１０〜Ｇ４０の底部をなす膜部２０１〜２０４を変位電極として利用できるようにするための配慮である。また、下方基板３００はガラスや樹脂などの絶縁性基板によって構成するのが好ましい。これは、その上面に形成される固定電極Ｅ１０〜Ｅ４０が互いに導通しないようにするための配慮である。
【００４３】
第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０は、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える伸縮駆動機構をもっている。図１に示すとおり、第１および第２の接続部材Ｐ１０，Ｐ２０は、外側筒状部Ｐ１と内側柱状部Ｐ２とを有し、内側柱状部Ｐ２を外側筒状部Ｐ１に対して長手方向に駆動することにより、その全長を変化させる機能を有する。
【００４４】
図２は、図１に示す装置に用いられている接続部材Ｐ１０の拡大縦断面図である（ポンプＰ５の部分はブロックで示す）。このような構造を有する接続部材Ｐ１０は、一般にリニアアクチュエータとして市販されている。図示のとおり、この接続部材Ｐ１０は、円筒状の外側筒状部Ｐ１と、その内側に嵌合した円柱状の内側柱状部Ｐ２と、を同一の軸（摺動軸Ａ）上に配置してなる構造部を有している。内側柱状部Ｐ２は外側筒状部Ｐ１の内壁に沿って図の摺動軸Ａ方向に摺動する。外側筒状部Ｐ１と内側柱状部Ｐ２との接触面は十分な密閉性が確保されており、内側柱状部Ｐ２の左側には、図示のように密閉状態となった圧力室Ｐ３が設けられている。この圧力室Ｐ３は、導管Ｐ４を介してポンプＰ５へ繋がっている。また、内側柱状部Ｐ２の右方には上方竿状部Ｐ６が接続され、外側筒状部Ｐ３の左方には下方竿状部Ｐ７が接続されている。
【００４５】
外部から電気信号を与えて、ポンプＰ５を駆動し、圧力室Ｐ３内部に空気を送ったり、逆に吸引したりすることにより、圧力室Ｐ３内部の圧力を増減させることができる。この圧力室Ｐ３内部の圧力変動によって、内側柱状部Ｐ２は図の摺動軸Ａ方向に摺動することになる。このようにポンプＰ５に所定の駆動信号を与えて駆動し、圧力室Ｐ３の内圧を制御すれば、内側柱状部Ｐ２の位置を自由に調整することができ、また、定位置に固定することもできる。結局、導管Ｐ４およびポンプＰ５は、内側柱状部Ｐ２を外側筒状部Ｐ１に対して、摺動軸Ａに沿った方向に摺動させることにより、この接続部材Ｐ１０の全長を所望の長さに調整し、また、当該長さを維持させる伸縮駆動機構として機能する。
【００４６】
なお、図２には、空気圧で伸縮制御を行うリニアアクチュエータの例を示すが、圧力室Ｐ３および導管Ｐ４に油やその他の媒質を充填させた油圧式のリニアアクチュエータを用いることもできる。あるいは、モータでねじを回転させて伸縮を行うようなリニアアクチュエータを用いてもかまわない。もちろん、リンク機構を用いて接続部材を構成し、個々のリンクのなす角を制御することにより、上下両端間の長さを調整することも可能である。要するに、本発明で用いる接続部材は、電気信号に基づいて上下両端間の長さを変えるアクチュエータであれば、どのような部材を用いてもかまわない。
【００４７】
図２には、第１の接続部材Ｐ１０の構造例を示したが、第２〜第４の接続部材Ｐ２０〜Ｐ４０の構造も全く同じである。これに対して、第５の接続部材Ｐ５０は、図１に示されているとおり、単なる円柱状の構造体であり、伸縮機能は有していない。結局、図１に示す第１の実施形態に係る装置の場合、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０は、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える伸縮駆動機構をもったリニアアクチュエータによって構成されているが、第５の接続部材Ｐ５０は、そのような伸縮駆動機構をもたない柱状の構造体によって構成されていることになる。なお、図１では、図が繁雑になるのを避けるため、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０については、導管Ｐ４およびポンプＰ５の図示は省略している。
【００４８】
続いて、各接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０と各基板との接続部分の構造を説明する。まず、第１〜第５の接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０の上端部と上方基板１００との接続部分には、それぞれ転がり球面軸受Ｑ１０〜Ｑ５０が設けられている。同様に、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端部と中間基板２００との接続部分には、それぞれ転がり球面軸受Ｒ１０〜Ｒ４０が設けられている。このように、各接続部材の上下両端には、転がり球面軸受が設けられているが、唯一の例外は、第５の接続部材Ｐ５０の下端である。図１に示すとおり、第５の接続部材Ｐ５０の下端は、中間基板２００の上面に直接固着されている。結局、この図１に示す実施形態の場合、合計９カ所に転がり球面軸受が用いられていることになる。
【００４９】
図３は、図１に示す転がり球面軸受Ｑ１０の基本構成を示す拡大縦断面図である。転がり球面軸受は、古くから様々なタイプのものが市販されている公知の軸受である。図示した転がり球面軸受は、ハウジングＱ１の内部に球状の空洞を設け、この空洞内に球体部Ｑ２を収容した構造を有する。ハウジングＱ１の上面は、上方基板１００の下面に接合される。また、球体部Ｑ２の下方には、上方竿状部Ｐ６が接合されている。この上方竿状部Ｐ６は、図２に示すように、内側柱状部Ｐ２へと繋がっている構成要素である。ハウジングＱ１と球体部Ｑ２との間の間隙部Ｑ３には、通常、ベアリング（図示省略）が充填されており、球体部Ｑ２はハウジングＱ１の内部で滑らかに回転することができる。
【００５０】
ハウジングＱ１，球体部Ｑ２，上方竿状部Ｐ６は、いずれも金属などの剛体から構成されているが、ハウジングＱ１の内部に収容された球体部Ｑ２は、任意の方向に回転することができるため、ハウジングＱ１の下面に形成された導出口Ｑ４から下方に導出された上方竿状部Ｐ６は、この導出口Ｑ４の広がりの範囲において、自由に回動することができる。結局、この転がり球面軸受Ｑ１０を介して接続された第１の接続部材Ｐ１０の上端付近は、上方基板１００に対して任意の方向に傾斜可能となるように接続されることになる。
【００５１】
図３には、第１の接続部材Ｐ１０の上端を上方基板１００に接続するための転がり球面軸受Ｑ１０の構造例を示したが、第２〜第５の接続部材Ｐ２０〜Ｐ５０の上端を上方基板１００に接続するための転がり球面軸受Ｑ２０〜Ｑ５０の構造も全く同じである。また、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端を中間基板２００に接続するための転がり球面軸受Ｒ１０〜Ｒ４０の構造も全く同じである。たとえば、図３に示す転がり球面軸受Ｑ１０を上下反転させたものが、転がり球面軸受Ｒ１０となり、下方竿状部Ｐ７を中間基板２００に接続する役割を果たす。
【００５２】
図１に示されているとおり、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の上端は、それぞれ転がり球面軸受Ｑ１０〜Ｑ４０を介して上方基板１００の下面に接続されている。これに対して、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端は、それぞれ転がり球面軸受Ｒ１０〜Ｒ４０を介して中間基板２００の上面に接続され、更に、この中間基板２００が下方基板３００の上面に接続されている。
【００５３】
このように、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端を中間基板２００を介して下方基板３００に接続する構造を採るのは、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端付近が下方基板３００に対して上下方向（Ｚ軸方向）に変位可能となるように接続するためである。すなわち、中間基板２００における転がり球面軸受Ｒ１０〜Ｒ４０の取り付け箇所には、溝Ｇ１０〜Ｇ４０が形成されており、これら溝Ｇ１０〜Ｇ４０の底部には、それぞれ膜部２０１〜２０４が形成されている。膜部２０１〜２０４の厚みは、力検出に必要な撓みが生じるのに適した厚みに設計される。このように、膜部２０１〜２０４は可撓性をもっているため、ダイアフラムとして機能し、Ｚ軸方向を向いた力が作用すると撓みが生じ、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端付近は、下方基板３００に対して上下方向（Ｚ軸方向）に変位する。後述するように、本発明に係る装置の力検出機能は、この上下方向の変位に基づいて行われる。
【００５４】
図４は、図１に示す装置をＸＹ平面で切断し、上方部分を見上げた状態を示す横断面図である。したがって、図には、上方基板１００の下面図が、５組の転がり球面軸受Ｑ１０〜Ｑ５０とともに示されている。各転がり球面軸受Ｑ１０〜Ｑ５０の部分には、ハウジングＱ１と球体部Ｑ２とが示されている。図示のとおり、中央に配置された転がり球面軸受Ｑ５０の球体部Ｑ２の中心位置にＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏが定義され、図の右方向にＸ軸、図の下方向にＹ軸がとられている。しかも、軸受Ｑ１０はＸ軸の正の部分に配置され、軸受Ｑ２０はＸ軸の負の部分に配置され、軸受Ｑ３０はＹ軸の正の部分に配置され、軸受Ｑ４０はＹ軸の負の部分に配置されている。また、これら４組の軸受Ｑ１０〜Ｑ４０は、原点Ｏから等距離の位置に配置されている。
【００５５】
図５は、図１に示す装置を切断線５−５に沿った面で切断し、下方部分を見下ろした状態を示す横断面図である。したがって、図には、中間基板２００の上面図が、５組の接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０とともに示されている。第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の部分には、外側筒状部Ｐ１と内側柱状部Ｐ２とが示されており（導管Ｐ４およびポンプＰ５の図示は省略）、前述したとおり、リニアアクチュエータとして機能する。これに対して、第５の接続部材Ｐ５０は、円柱状の構造体であり、リニアアクチュエータとしての機能は有していない。第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０は、それぞれ転がり球面軸受Ｒ１０〜Ｒ４０（図５には現れていない）を介して中間基板２００の上面に接続されている。
【００５６】
図５には、便宜上、Ｘ軸およびＹ軸の投影像を示してある。図１に示すような「標準姿勢」では、各接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０の上下両端を通る直線、すなわち長手方向軸（中心軸）はＺ軸に平行になり、第１の接続部材Ｐ１０の上下両端を通る直線はＸ軸と正領域で交差し、第２の接続部材Ｐ２０の上下両端を通る直線はＸ軸と負領域で交差し、第３の接続部材Ｐ３０の上下両端を通る直線はＹ軸と正領域で交差し、第４の接続部材Ｐ４０の上下両端を通る直線はＹ軸と負領域で交差し、第５の接続部材Ｐ５０の上下両端を通る直線はＺ軸に一致する。
【００５７】
図６は、図１に示す装置を切断線６−６に沿った面で切断し、下方部分を見下ろした状態を示す横断面図である。したがって、図には、中間基板２００の上面図が、４組の転がり球面軸受Ｒ１０〜Ｒ４０および第５の接続部材Ｐ５０とともに示されている。各転がり球面軸受Ｒ１０〜Ｒ４０の部分には、ハウジングＱ１および球体部Ｑ２の上面ならびに下方竿状部Ｐ７の横断面が示されている。この図６にも、便宜上、Ｘ軸およびＹ軸の投影像を示してある。このＸ軸，Ｙ軸の投影像に関して、軸受Ｒ１０はＸ軸の正の部分に配置され、軸受Ｒ２０はＸ軸の負の部分に配置され、軸受Ｒ３０はＹ軸の正の部分に配置され、軸受Ｒ４０はＹ軸の負の部分に配置されている。また、これら４組の軸受Ｒ１０〜Ｒ４０は、Ｚ軸から等距離の位置に配置されている。
【００５８】
なお、図６に破線で示された円は、中間基板２００の下面に設けられた溝Ｇ１０〜Ｇ４０の側面部および下方基板３００の上面に形成された円盤状の固定電極Ｅ１０〜Ｅ４０の位置を示している。前述したとおり、中間基板２００の溝Ｇ１０〜Ｇ４０の底部を構成する膜部２０１〜２０４は、可撓性を有しており、第１〜第４の接続部材の下端から受けるＺ軸方向の力に基づいて撓み（変位）を生じる。
【００５９】
図７は、図１に示す装置の中間基板２００の下面図であり、図８は、図１に示す装置の下方基板３００の上面図である。図７，図８にも、便宜上、Ｘ軸およびＹ軸の投影像を示してある。図７に示すとおり、このＸ軸，Ｙ軸の投影像に関して、膜部２０１（溝Ｇ１０）はＸ軸の正の部分に配置され、膜部２０２（溝Ｇ２０）はＸ軸の負の部分に配置され、膜部２０３（溝Ｇ３０）はＹ軸の正の部分に配置され、膜部２０４（溝Ｇ４０）はＹ軸の負の部分に配置されている。同様に、図８に示すとおり、このＸ軸，Ｙ軸の投影像に関して、固定電極Ｅ１０はＸ軸の正の部分に配置され、固定電極Ｅ２０はＸ軸の負の部分に配置され、固定電極Ｅ３０はＹ軸の正の部分に配置され、固定電極Ｅ４０はＹ軸の負の部分に配置されている。
【００６０】
ここに示す実施形態の場合、中間基板２００は金属などの導電性材料から構成されているため、膜部２０１〜２０４はそれ自身が変位電極として機能する（中間基板２００を絶縁性材料で構成した場合は、膜部２０１〜２０４の下面に導電層を形成し、これを変位電極として用いればよい）。したがって、膜部２０１（変位電極）と固定電極Ｅ１０とによって第１の容量素子Ｃ１０が構成され、膜部２０２（変位電極）と固定電極Ｅ２０とによって第２の容量素子Ｃ２０が構成され、膜部２０３（変位電極）と固定電極Ｅ３０とによって第３の容量素子Ｃ３０が構成され、膜部２０４（変位電極）と固定電極Ｅ４０とによって第４の容量素子Ｃ４０が構成される。
【００６１】
これら各容量素子Ｃ１０〜Ｃ４０の静電容量値（ここでは、同じ符号Ｃ１０〜Ｃ４０で示すことにする）は、それぞれ第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端の下方基板３００に対する上下方向に関する変位（Ｚ軸方向に関する変位）に応じて変化する。たとえば、図１において、第１の接続部材Ｐ１０の下端が図の下方へ変位すると、膜部２０１は下方へと押圧されて撓み、容量素子Ｃ１０を構成する一対の電極間距離は減少し、静電容量値Ｃ１０は増加する。逆に、第１の接続部材Ｐ１０の下端が図の上方へ変位すると、膜部２０１は上方へと引っ張られて撓み、容量素子Ｃ１０を構成する一対の電極間距離は増加し、静電容量値Ｃ１０は減少する。結局、各容量素子Ｃ１０〜Ｃ４０は、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端の下方基板３００に対する上下方向に関する変位をそれぞれ検出する第１〜第４のセンサとして機能することになる。
【００６２】
＜＜＜  §２．  第１の実施形態の動作  ＞＞＞
続いて、ここでは、§１で述べた第１の実施形態（図１に示す装置）の動作を説明する。本発明に係る装置の特徴は、所定の作用体に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、この作用体を所定方向に駆動する駆動機能と、を有している点である。図１に示す装置の場合、上方基板１００が作用体としての役割を果たし、下方基板３００を固定した状態において、上方基板１００に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、下方基板３００に対して、上方基板１００を所定方向に駆動する駆動機能とを有することになる。
【００６３】
本発明に係る装置では、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える伸縮駆動機構をもった４組の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０（リニアアクチュエータ）が用いられる。各接続部材の具体的な構成例は、図２に示すとおりである。各接続部材は、上方基板１００と下方基板３００との間を接続する役割を果たすが、その上端は上方基板１００の下面側に上方接続部を介して接続され、下端は下方基板３００の上面側に下方接続部を介して接続される。
【００６４】
図１に示す第１の実施形態の場合、４組の上方接続部は、転がり球面軸受Ｑ１０〜Ｑ４０によって構成されている。第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０について用いられる上方接続部に必要な要件は、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の上端付近が上方基板１００に対して任意の方向に傾斜可能となるように、それぞれ第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の上端を上方基板１００の下面に接続する機能を有している点である。既に述べたとおり、転がり球面軸受Ｑ１０〜Ｑ４０は、このような要件を満たす最適の部材である。
【００６５】
一方、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０について用いられる下方接続部には、２つの要件が課される。第１の要件は、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端付近が下方基板３００に対して任意の方向に傾斜可能となるように、それぞれ第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端を下方基板１００の上面に接続する機能を有している点である。転がり球面軸受Ｒ１０〜Ｒ４０は、このような第１の要件を満たすために用いられている部材である。そして、第２の要件は、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端付近が下方基板３００に対して上下方向に変位可能となるように、それぞれ第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端を下方基板３００の上面に接続する構造を有している点である。中間基板２００は、このような第２の要件を満たすために用いられている部材である。
【００６６】
図１に示す第１の実施形態の場合、下面の４カ所に溝Ｇ１０〜Ｇ４０が形成された中間基板２００を下方基板３００の上面に接合し、各溝Ｇ１０〜Ｇ４０の底部に可撓性をもった膜部２０１〜２０４を形成し、これら膜部２０１〜２０４の上面に、転がり球面軸受Ｒ１０〜Ｒ４０を接続する構造を採っている。その結果、第１〜第４の下方接続部は、中間基板２００と、各膜部２０１〜２０４の上面に固定された転がり球面軸受Ｒ１０〜Ｒ４０と、によって構成されることになり、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端は、転がり球面軸受Ｒ１０〜Ｒ４０、膜部２０１〜２０４、溝Ｇ１０〜Ｇ４０の側壁部を介して、下方基板３００に接続される。
【００６７】
一方、本発明に係る装置には、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端の下方基板３００に対する上下方向に関する変位をそれぞれ検出する第１〜第４のセンサが設けられている。§１で述べたとおり、図１に示す第１の実施形態の場合、導電性材料から構成された膜部２０１〜２０４（変位電極）と、これに対向する位置に配された固定電極Ｅ１０〜Ｅ４０によって構成される容量素子Ｃ１０〜Ｃ４０およびその静電容量値を検出する構成要素が、第１〜第４のセンサとして機能する。
【００６８】
更に、本発明に係る装置には、図１にブロック図として示されているように、制御ユニット４００が設けられている。この制御ユニット４００は、第１〜第４の伸縮駆動機構（第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０を構成する各ポンプＰ５）に所定の電気信号を与えて第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の上下両端間の長さがそれぞれ所望の長さになるように調整する駆動動作と、第１〜第４のセンサの検出結果（容量素子Ｃ１０〜Ｃ４０の静電容量値）に基づいて、上方基板１００に作用した力を示す電気信号を出力する検出動作と、を行う。
【００６９】
さて、上述した各要件を満たすように、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０によって上方基板１００と下方基板３００とを接続すると、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の長さを変化させることにより、上方基板１００を下方基板３００に対して所定方向に駆動することができ、上方基板１００の下方基板３００に対する姿勢を変化させることができる。すなわち、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の上下両端間の長さが互いに等しくなるように第１〜第４の伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態では、図１に示すように、上方基板１００は下方基板３００に対して平行な姿勢を保つことになるが、上方基板１００の下方基板３００に対する姿勢は、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の上下両端間の長さに依存して決定される。したがって、制御ユニット４００から第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０を構成する各ポンプＰ５に所定の駆動信号を与えて長さの調整を行うことにより、所定の自由度の範囲内で、上方基板１００の下方基板３００に対する姿勢を制御することができる。
【００７０】
また、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の上下両端間の長さが固定されるようにした状態において、上方基板１００に対して外力が作用すると、作用した外力によって第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端から各膜部２０１〜２０４に対して、上下方向の力（Ｚ軸方向の力）が加わり、可撓性をもったダイアフラムとして機能する各膜部２０１〜２０４が撓みを生じることになる。その結果、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端は上下方向に変位を生じ、当該変位は、第１〜第４のセンサによって検出される。したがって、制御ユニット４００は、第１〜第４のセンサの検出値に基づいて、上方基板１００に対して作用した外力の方向および大きさを検出することができる。
【００７１】
このように、本発明に係る装置では、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０を設けることが必須である。図１に示す第１の実施形態の場合、更に、第５の接続部材Ｐ５０が設けられている。この第５の接続部材Ｐ５０は、上方基板１００を下方基板３００の上方に安定して支持する機能を果たすものである。本発明に係る装置の動作原理上は、必ずしも第５の接続部材Ｐ５０を設ける必要はないが、実用上は、上方基板１００の位置を安定させるため、第５の接続部材Ｐ５０を設けるのが好ましい。
【００７２】
§１で述べたとおり、第５の接続部材Ｐ５０は、単なる支柱として機能する構成要素であり、リニアアクチュエータとしての伸縮機能は有していない。第５の接続部材Ｐ５０の上端は、上方基板１００の下面側に第５の上方接続部を介して接続され、下端は、下方基板３００の上面に固着されている（実際には、中間基板２００を介して固着されている）。ここで、第５の上方接続部は、第５の接続部材Ｐ５０の上端付近が上方基板１００に対して任意の方向に傾斜可能となるように、第５の接続部材Ｐ５０の上端を上方基板１００の下面に接続する構造を有する構成要素であり、具体的には、§１で述べたとおり、転がり球面軸受Ｑ５０（図３に示す軸受Ｑ１０と同じもの）が第５の上方接続部として用いられている。
【００７３】
図１に示す第１の実施形態の場合、第５の接続部材Ｐ５０によって、上方基板１００の下面中心部が支持される。具体的には、転がり球面軸受Ｑ５０を構成する球体部Ｑ２の中心点（図１の原点Ｏ）は固定点となる。実際には、第５の接続部材Ｐ５０を完全な剛体で構成することは困難なので、第５の接続部材Ｐ５０の微小な撓みにより、転がり球面軸受Ｑ５０を構成する球体部Ｑ２の中心点は変位を生じるが、そのような変位は極めて微小な変位であるため、以下の説明では無視することにする。結局、この第１の実施形態の場合、上方基板１００は、図示する原点Ｏの位置を回動中心として回動し、下方基板３００に対する姿勢を変えることができる。
【００７４】
ここでは、まず、この第１の実施形態に係る装置における駆動機能を説明する。この装置において、原点Ｏの位置を中心点とする上方基板１００の回動動作は、Ｙ軸まわりの回動動作と、Ｘ軸まわりの回動動作とに分解して考えることができる。図９は、図１に示す装置における上方基板１００（作用体）を＋Ｙ軸まわりに駆動した状態を示す縦断面図である（制御ユニット４００はブロックで示す）。なお、本願では、特定の座標軸まわりの回転方向について、右ねじを当該座標軸の正方向に進めるための回転方向を、当該座標軸の正まわりの回転方向と定義する。したがって、図９において、上方基板１００を＋Ｙ軸まわりに駆動する回転方向は、図示の紙面上における時計まわりの方向になる。
【００７５】
このように、上方基板１００を＋Ｙ軸まわりに駆動するには、第１の接続部材Ｐ１０の上下両端間の長さを縮め、第２の接続部材Ｐ２０の上下両端間の長さを伸ばす制御を行えばよい。具体的には、制御ユニット４００から、第１の接続部材Ｐ１０を構成するリニアアクチュエータのポンプＰ５に対して、圧力室Ｐ３の圧力を減少させる駆動信号を与え、第２の接続部材Ｐ２０を構成するリニアアクチュエータのポンプＰ５に対して、圧力室Ｐ３の圧力を増加させる駆動信号を与えればよい。各リニアアクチュエータでは、圧力室Ｐ３の圧力を一定に維持する方向に力が作用し、第１の接続部材Ｐ１０については圧力室Ｐ３の体積が減少し、第２の接続部材Ｐ２０については圧力室Ｐ３の体積が増加するように、内側柱状部Ｐ２が外側筒状部Ｐ１の内部を摺動する。その結果、第１の接続部材Ｐ１０は縮み、第２の接続部材Ｐ２０は伸び、図示のような状態になる。このとき、第３の接続部材Ｐ３０および第４の接続部材Ｐ４０の長さは変わらない。
【００７６】
上方基板１００を−Ｙ軸まわり（図９における反時計まわり）に駆動するには、上述した動作とは逆に、第１の接続部材Ｐ１０の上下両端間の長さを伸ばし、第２の接続部材Ｐ２０の上下両端間の長さを縮める制御を行えばよい。また、上方基板１００を＋Ｘ軸まわりに駆動するには、第３の接続部材Ｐ３０の上下両端間の長さを伸ばし、第４の接続部材Ｐ４０の上下両端間の長さを縮める制御を行い、−Ｘ軸まわりに駆動するには、第３の接続部材Ｐ３０の上下両端間の長さを縮め、第４の接続部材Ｐ４０の上下両端間の長さを伸ばす制御を行えばよい。
【００７７】
図１０は、このような原理に基づいて、図１に示す装置を駆動するための駆動動作を示すテーブルであり、上方基板１００を特定の駆動方向に駆動するために必要な各接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０の伸縮動作を示している。テーブルの各欄の「縮」は接続部材を縮めることを示し、「伸」は接続部材を伸ばすことを示し、「０」は長さをそのまま維持させることを示している。なお、「Ｐ５０」の列の「φ」は、第５の接続部材５０が伸縮機能を有していないことを示している。
【００７８】
制御ユニット４００は、この図１０のテーブルに示す原理に基づいて、上方基板１００をＹ軸まわりおよびＸ軸まわりに駆動する機能を有する。たとえば、上方基板１００を図９に示すように「＋Ｙ軸まわり」に駆動するためには、テーブルの「＋Ｙ軸まわり」の欄に示されているように、接続部材Ｐ１０を「縮め」、接続部材Ｐ２０を「伸ばし」、接続部材Ｐ３０，Ｐ４０，Ｐ５０は長さをそのまま維持させればよい。伸縮量を増やせば、それだけ回転駆動量（回転角度）も増加することになる。もちろん、Ｙ軸まわりの駆動とＸ軸まわりの駆動とを同時に行うことができるので、上方基板１００を任意の方向に任意の角度だけ傾斜させる制御が可能である。
【００７９】
なお、「縮める量」と「伸ばす量」とは、上方基板１００や中間基板２００に応力が生じないように、互いに見合った量となるように調整する必要がある。近似的には、「縮める量」＝「伸ばす量」として問題ないが、厳密に制御するためには、個々の回転角度を得るための「縮める量」と「伸ばす量」とを予め演算しておき、この演算値に基づいた伸縮制御を行うようにすればよい。
【００８０】
続いて、この第１の実施形態に係る装置における検出機能を説明する。この検出機能は、下方基板３００を固定した状態において、上方基板１００に作用した外力を示す電気信号を出力する機能である。この装置の検出動作は、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の長さが、上方基板１００に作用した外力によって変化しないことを前提としている。したがって、制御ユニット４００は、検出動作を行っている間、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の長さが変わらないよう、伸縮駆動機構を制御する必要がある。
【００８１】
図１１は、図１に示す装置が検出動作を行っている際に、上方基板１００（作用体）に対してＹ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用した状態を示す縦断面図である（制御ユニット４００はブロックで示す）。上述したとおり、検出動作中、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の長さは一定であるから、図示のとおり、上方基板１００に対してＹ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、第１の接続部材Ｐ１に対しては、下方への押圧力が加わり、膜部２０１が下方へと撓み、第１の接続部材Ｐ１の下端は下方へ変位する。また、第２の接続部材Ｐ２に対しては、上方への引っ張り力が加わり、膜部２０２が上方へと撓み、第２の接続部材Ｐ２の下端は上方へ変位する。
【００８２】
その結果、膜部２０１（変位電極）と固定電極Ｅ１０とによって構成される容量素子Ｃ１０（第１のセンサ）の静電容量値Ｃ１０は増加し、膜部２０２（変位電極）と固定電極Ｅ２０とによって構成される容量素子Ｃ２０（第２のセンサ）の静電容量値Ｃ２０は減少する。このとき、第３の接続部材Ｐ３０および第４の接続部材Ｐ４０には外力は加わらないので、膜部２０３，２０４に撓みは生じない。よって、膜部２０３（変位電極）と固定電極Ｅ３０とによって構成される容量素子Ｃ３０（第３のセンサ）の静電容量値Ｃ３０と、膜部２０４（変位電極）と固定電極Ｅ４０とによって構成される容量素子Ｃ４０（第４のセンサ）の静電容量値Ｃ４０と、には変化は生じない。
【００８３】
一方、Ｙ軸まわりのモーメント−Ｍｙ（図１１とは逆まわりのモーメント）が作用した場合は、上述とは逆の現象が生じ、静電容量値Ｃ１０は減少し、静電容量値Ｃ２０は増加し、静電容量値Ｃ３０，Ｃ４０は変化しない。同様に、Ｘ軸まわりのモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、静電容量値Ｃ３０は減少し、静電容量値Ｃ４０は増加し、静電容量値Ｃ１０，Ｃ２０は変化しない。また、Ｘ軸まわりのモーメント−Ｍｘが作用した場合は、静電容量値Ｃ３０は増加し、静電容量値Ｃ４０は減少し、静電容量値Ｃ１０，Ｃ２０は変化しない。
【００８４】
図１２は、このような原理に基づいて、図１に示す装置による外力の検出を行う検出動作を示すテーブルである。テーブルのＣ１０〜Ｃ４０の各欄の「＋」は静電容量値が増加することを示し、「−」は静電容量値が減少することを示し、「０」は静電容量値が変化しないことを示している。たとえば、「モーメント＋Ｍｙ」を検出対象とする欄では、Ｃ１０は「＋」，Ｃ２０は「−」，Ｃ３０は「０」，Ｃ４０は「０」と記載されているが、これは、静電容量値Ｃ１０は増加し、静電容量値Ｃ２０は減少し、静電容量値Ｃ３０，Ｃ４０は変化しないことを示している。
【００８５】
また、演算式の欄に記載された式は、各軸まわりのモーメントの値を符号付きの値として求めるための式である。たとえば、モーメントＭｙについて「Ｍｙ＝Ｃ１０−Ｃ２０」なる演算式が記載されているが、これは、静電容量値Ｃ１０から静電容量値Ｃ２０を減じる演算によって、モーメントＭｙが得られることを示している。同様に、モーメントＭｘについて「Ｍｘ＝Ｃ４０−Ｃ３０」なる演算式が記載されているが、これは、静電容量値Ｃ４０から静電容量値Ｃ３０を減じる演算によって、モーメントＭｘが得られることを示している。得られたモーメントＭｙ，Ｍｘの符号は、モーメントの回転方向を示す。このような演算式によって、モーメントＭｙ，Ｍｘが得られる理由は、テーブルのＣ１０〜Ｃ４０の各欄の記号を考慮すれば、容易に理解できよう。
【００８６】
制御ユニット４００は、この図１２のテーブルに示す演算式に基づく演算を行うことにより、上方基板１００に外力として作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙおよびＸ軸まわりのモーメントＭｘを検出する機能を有する。
【００８７】
結局、図１に示す第１の実施形態に係る装置は、上方基板１００を下方基板３００に対して、Ｙ軸まわりに駆動するＹ軸まわり駆動動作と、Ｘ軸まわりに駆動するＸ軸まわり駆動動作とを行う機能を有しており、また、下方基板３００を固定した状態において、上方基板１００に対して外力として作用するＹ軸まわりのモーメントＭｙを検出するＹ軸まわり検出動作と、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘを検出するＸ軸まわり検出動作と、を行う機能を有していることになる。
【００８８】
この第１の実施形態に係る装置が、上記機能を果たすことができるのは、各接続部材が特有の配置を採っているためである。すなわち、第５の接続部材Ｐ５０の上端付近に原点ＯをもつＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の上下両端間の長さが互いに等しくなるように第１〜第４の伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態において、第１の接続部材Ｐ１０の上下両端を通る直線はＸ軸と正領域で交差し、第２の接続部材Ｐ２０の上下両端を通る直線はＸ軸と負領域で交差し、第３の接続部材Ｐ３０の上下両端を通る直線はＹ軸と正領域で交差し、第４の接続部材Ｐ４０の上下両端を通る直線はＹ軸と負領域で交差し、第５の接続部材Ｐ５０の上下両端を通る直線はＺ軸に一致するような配置を採っている。
【００８９】
このため、制御ユニット４００は、第１の接続部材Ｐ１０の上下両端間の長さと、第２の接続部材Ｐ２０の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方基板３００に対する上方基板１００の姿勢をＹ軸まわりに変化させるＹ軸まわり駆動動作を行うことができ、また、第３の接続部材Ｐ３０の上下両端間の長さと、第４の接続部材Ｐ４０の上下両端間の長さと、の差を変化させることにより、下方基板３００に対する上方基板１００の姿勢をＸ軸まわりに変化させるＸ軸まわり駆動動作を行うことができる。
【００９０】
更に、制御ユニット４００は、第１のセンサの検出値（静電容量値Ｃ１０）と第２のセンサの検出値（静電容量値Ｃ２０）との差を示す電気信号「Ｃ１０−Ｃ２０」を、下方基板３００を固定した状態において上方基板１００に作用したＹ軸まわりのモーメントＭｙの検出値として出力するＹ軸まわり検出動作を行うことができ、また、第４のセンサの検出値（静電容量値Ｃ４０）と第３のセンサの検出値（静電容量値Ｃ３０）との差を示す電気信号「Ｃ４０−Ｃ３０」を、下方基板３００を固定した状態において上方基板１００に作用したＸ軸まわりのモーメントＭｘの検出値として出力するＸ軸まわり検出動作を行うことができる。
【００９１】
＜＜＜  §３．  第２〜第４の実施形態  ＞＞＞
これまで、図１に示す第１の実施形態に係る装置の構造を§１で説明し、その動作を§２で説明した。ここでは、この第１の実施形態の変形例として、第２〜第４の実施形態を順に述べる。
【００９２】
＜３−１：  第２の実施形態＞
図１３は、本発明の第２の実施形態に係る力検出機能をもった駆動装置の縦断面図である（制御ユニット４５０はブロックで示す）。この図１３に示す第２の実施形態に係る装置と、図１に示す第１の実施形態に係る装置との相違は、第５の接続部材Ｐ５０の下方部分の構造（溝Ｇ５０，固定電極Ｅ５０）と、制御ユニットの検出動作のみである。
【００９３】
具体的には、まず、図１に示す装置における中間基板２００が、図１３に示す装置では中間基板２５０に置き換えられている。中間基板２００には、下面の４カ所に溝Ｇ１０〜Ｇ４０が設けられていたが、中間基板２５０には、これら４カ所の溝Ｇ１０〜Ｇ４０に加えて、中心部に第５の溝Ｇ５０が設けられている。また、下方基板３００の上面には、４枚の固定電極Ｅ１０〜Ｅ４０に加えて、中心部に第５の固定電極Ｅ５０が形成されている。
【００９４】
図１３に示すとおり、第５の溝Ｇ５０の底部は、可撓性をもった膜部２０５を構成し、第５の接続部材Ｐ５０の下端は、この可撓性をもった膜部２０５の上面に固着されている。その結果、第５の接続部材Ｐ５０の上端に上下方向の外力（Ｚ軸方向の外力）が加わると、膜部２０５が上下に撓みを生じ、第５の接続部材Ｐ５０は上下方向に変位する。ここで、膜部２０５は導電性を有しており（中間基板２５０は、全体が金属などの導電性材料によって構成されている）、対向する位置に配置された第５の固定電極Ｅ５０とによって、第５の容量素子Ｃ５０を構成する。
【００９５】
この第５の容量素子Ｃ５０は、第５の接続部材Ｐ５０の下端の下方基板３００に対する上下方向に関する変位を検出する第５のセンサとして機能する。すなわち、第５の接続部材Ｐ５０の下端が下方へ変位すると、第５の容量素子Ｃ５０の静電容量値Ｃ５０は増加し、第５の接続部材Ｐ５０の下端が上方へ変位すると、第５の容量素子Ｃ５０の静電容量値Ｃ５０は減少する。
【００９６】
このように、図１３に示す装置では、第５の接続部材Ｐ５０の上端は、上方基板１００の下面側に第５の上方接続部を介して接続され、下端は下方基板３００の上面側に第５の下方接続部を介して接続されている。ここで、第５の上方接続部は、第５の接続部材Ｐ５０の上端付近が上方基板１００に対して任意の方向に傾斜可能となるように、第５の接続部材Ｐ５０の上端を上方基板１００の下面に接続する構造を有している。具体的には、図１３に示す装置における第５の上方接続部は、図１に示す装置と同様に、転がり球面軸受Ｑ５０によって構成されている。
【００９７】
一方、図１３に示す装置の場合、第５の接続部材Ｐ５０の下端は、第５の下方接続部を介して下方基板３００に接続されている。この第５の下方接続部は、第５の接続部材Ｐ５０の下端付近が下方基板３００に対して上下方向に変位可能となるように、第５の接続部材Ｐ５０の下端を下方基板３００の上面に接続する構造を有している。具体的には、図１３に示す装置における第５の下方接続部は、中間基板２５０の中心部分、すなわち、膜部２０５および溝Ｇ５０の側壁部によって構成されており、第５の接続部材Ｐ５０の下端は、膜部２０５および溝Ｇ５０の側壁部を介して、下方基板３００に接続されている。
【００９８】
結局、この図１３に示す装置の場合、第１〜第５の接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０の下端は、それぞれ可撓性をもった膜部２０１〜２０５の上面に接続されていることになる。したがって、これら第１〜第５の接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０に対して、作用体として機能する上方基板１００から上下方向（Ｚ軸方向）への外力が加わると、これら第１〜第５の接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０の下端は上下方向（Ｚ軸方向）に変位を生じることになる。当該変位は、第１〜第５のセンサ（第１〜第５の容量素子Ｃ１０〜Ｃ５０）によって検出されるので、制御ユニットは、この第１〜第５のセンサの検出結果に基づいて、作用体に作用した力を示す電気信号を出力する検出動作を行うことができる。
【００９９】
図１４は、図１３に示す装置の検出動作を示すテーブルである。この図１４に示すテーブルは、図１２に示すテーブル（図１の装置の検出動作を示すテーブル）に、検出対象として＋Ｆｚ，−Ｆｚを付加するとともに、第５のセンサ（容量素子Ｃ５０の静電容量値）の検出結果を付加したものである。図１３に示す装置の上方基板１００（作用体）に、外力としてモーメント＋Ｍｙ，−Ｍｙ，＋Ｍｘ，−Ｍｘが作用したときの検出動作は、図１に示す装置の検出動作と全く同じである。したがって、図１に示す装置と同様に、制御ユニット４５０は、「Ｍｙ＝Ｃ１０−Ｃ２０」なる演算によりモーメントＭｙを求め、「Ｍｘ＝Ｃ４０−Ｃ３０」なる演算によりモーメントＭｘを求めることができる。この場合、第５の接続部材Ｐ５０にはＺ軸方向の力は作用しないので、第５のセンサの静電容量値Ｃ５０に変化は生じない（図１４のテーブルの対応欄は「０」（変化なし）を示している）。
【０１００】
図１３に示す装置の特徴は、更に、Ｚ軸方向の力＋Ｆｚ，−Ｆｚの検出が可能になる点である。図１５は、図１３に示す装置における上方基板１００（作用体）に対して＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚが作用した状態を示す縦断面図である。上方基板１００は上方へ変位し、第５の接続部材Ｐ５０の上端は、原点Ｏより上方に変位する。この装置においても、検出動作中は、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の長さが、上方基板１００に作用した外力によって変化しないことを前提としているので、制御ユニット４５０は、検出動作を行っている間、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の長さが変わらないよう伸縮駆動機構を制御する。このように、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の長さが変わらなければ、上方基板１００に対して作用した＋Ｚ軸方向の力＋Ｆｚにより、第１〜第５の接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０に対して上方への引っ張り力が加わると、図示のとおり、その下端はいずれも上方へと変位し、第１〜第５の容量素子Ｃ１０〜Ｃ５０の静電容量値は減少する。図１４のテーブルにおける「＋Ｆｚ」の欄の「−」は、このような静電容量値の減少を示している。
【０１０１】
一方、図１６は、図１３に示す装置における上方基板１００（作用体）に対して−Ｚ軸方向の力−Ｆｚが作用した状態を示す縦断面図である。上方基板１００は下方へ変位し、第５の接続部材Ｐ５０の上端は、原点Ｏより下方に変位する。このように、上方基板１００に対して作用した−Ｚ軸方向の力−Ｆｚにより、第１〜第５の接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０に対して下方への押圧力が加わると、図示のとおり、その下端はいずれも下方へと変位し、第１〜第５の容量素子Ｃ１０〜Ｃ５０の静電容量値は増加する。図１４のテーブルにおける「−Ｆｚ」の欄の「＋」は、このような静電容量値の増加を示している。
【０１０２】
そこで、第５のセンサ（第５の容量素子Ｃ５０）を、力Ｆｚの検出に利用することにすれば、図１４のテーブルの演算式欄に示されているとおり、「Ｆｚ＝−Ｃ５０」なる演算により力Ｆｚを求めることができる。もっとも、この式で得られる値Ｆｚは、作用したＺ軸方向の力Ｆｚの絶対値ではない。上方基板１００に何ら外力が作用していない状態であっても、静電容量値Ｃ５０は所定の基準値Ｃrefをとる。そこで、実際には、当該基準値ＣrefをＦｚ＝０に対応する値とし、静電容量値Ｃ５０の当該基準値Ｃrefに対する増減量を力Ｆｚに対応する絶対値として用いるようにすればよい。なお、「Ｆｚ＝−Ｃ５０」なる演算式において、「Ｃ５０」にマイナス符号が付加されているのは、図示の座標系の定義では、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときに静電容量値Ｃ５０は減少し、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときに静電容量値Ｃ５０は増加し、力の方向と静電容量値の増減とが逆転しているので、これを調整するための便宜である。
【０１０３】
ところで、図１４のテーブルを見れば明らかなように、力Ｆｚの検出には、必ずしも第５のセンサ（第５の容量素子Ｃ５０）を利用する必要はない。テーブルの欄外に記載したとおり、力Ｆｚは、「Ｆｚ＝−（Ｃ１０＋Ｃ２０＋Ｃ３０＋Ｃ４０）」なる演算によって求めることもできるし、「Ｆｚ＝−（Ｃ１０＋Ｃ２０＋Ｃ３０＋Ｃ４０＋Ｃ５０）」なる演算によって求めることもできる。ここで、演算式にマイナス符号が付加されているのは、上述したとおり、図示の座標系の定義では、力の方向と静電容量値の増減とが逆転しているので、これを調整するための便宜である。
【０１０４】
一方、この図１３に示す装置における駆動動作は、図１に示す装置と全く同様である。すなわち、図１０のテーブルに示す駆動動作により、上方基板１００を下方基板３００に対して、＋Ｙ軸まわり、−Ｙ軸まわり、＋Ｘ軸まわり、−Ｘ軸まわりに駆動することができる。
【０１０５】
このように、図１３に示す第２の実施形態に係る装置は、図１に示す第１の実施形態に係る装置と同様に、＋Ｙ軸まわり、−Ｙ軸まわり、＋Ｘ軸まわり、−Ｘ軸まわりの駆動動作（Ｙ軸まわり駆動動作とＸ軸まわり駆動動作）を行う機能と、外力として作用したモーメント＋Ｍｙ，−Ｍｙ，＋Ｍｘ，−Ｍｘを検出する検出動作（Ｙ軸まわり検出動作とＸ軸まわり検出動作）を行う機能と、を有している。その上、更に、外力として作用した力＋Ｆｚ，−Ｆｚを検出する検出動作（Ｚ軸方向検出動作）を行う付加機能を有している。
【０１０６】
このＺ軸方向検出動作は、第５のセンサの検出値（静電容量値Ｃ５０）もしくは第１〜第５のセンサの検出値の総和（静電容量値Ｃ１０＋Ｃ２０＋Ｃ３０＋Ｃ４０＋Ｃ５０）に基づく電気信号を、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力することによって行うことができる。具体的には、前述したとおり、上方基板１００に何ら外力が作用していない状態での静電容量値「Ｃ５０」もしくは静電容量値の総和「Ｃ１０＋Ｃ２０＋Ｃ３０＋Ｃ４０＋Ｃ５０」の値を基準値Ｃrefとして、当該基準値Ｃrefに対する増減量の符号を逆転した値を示す電気信号を、力Ｆｚに対応する電気信号として出力すればよい。
【０１０７】
＜３−２：  第３の実施形態＞
第３の実施形態は、前述した第２の実施形態に係る装置から、第５のセンサを取り去ったものである。具体的には、図１３に示す構成において、第５の固定電極Ｅ５０を省略し、第５の容量素子Ｃ５０の静電容量値Ｃ５０の検出に係る構成要素を省略したものである。なお、溝Ｇ５０は設けられており、第５の接続部材Ｐ５０の下端が、可撓性をもった膜部２０５の上面に固着される点に変わりはない。すなわち、この第３の実施形態の場合も、第５の接続部材Ｐ５０の下端は、第５の下方接続部を介して下方基板３００に接続されており、第５の下方接続部は、第５の接続部材Ｐ５０の下端付近が下方基板３００に対して上下方向に変位可能となるように、第５の接続部材Ｐ５０の下端を下方基板３００の上面に接続する構造を有している。
【０１０８】
図１４のテーブルの欄外に記載したとおり、力Ｆｚは、「Ｆｚ＝−（Ｃ１０＋Ｃ２０＋Ｃ３０＋Ｃ４０）」なる演算によって求めることもできる。この演算式には、第５の容量素子Ｃ５０の静電容量値Ｃ５０は利用されていないので、当該演算式に基づいて力Ｆｚを求めるようにすれば、第５のセンサ（第５の容量素子Ｃ５０）は不要になる。
【０１０９】
結局、この第３の実施形態に係る装置は、第５のセンサを有していないが、前述した第２の実施形態に係る装置と同様に、＋Ｙ軸まわり、−Ｙ軸まわり、＋Ｘ軸まわり、−Ｘ軸まわりの駆動動作（Ｙ軸まわり駆動動作とＸ軸まわり駆動動作）を行う機能と、外力として作用したモーメント＋Ｍｙ，−Ｍｙ，＋Ｍｘ，−Ｍｘおよび力＋Ｆｚ，−Ｆｚを検出する検出動作（Ｙ軸まわり検出動作，Ｘ軸まわり検出動作，Ｚ軸方向検出動作）を行う機能と、を有している。
【０１１０】
ここで、Ｚ軸方向検出動作は、第１〜第４のセンサの検出値の総和（静電容量値Ｃ１０＋Ｃ２０＋Ｃ３０＋Ｃ４０）に基づく電気信号を、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力することによって行うことができる。具体的には、上方基板１００に何ら外力が作用していない状態での静電容量値の総和「Ｃ１０＋Ｃ２０＋Ｃ３０＋Ｃ４０」の値を基準値Ｃrefとして、当該基準値Ｃrefに対する増減量の符号を逆転した値を示す電気信号を、力Ｆｚに対応する電気信号として出力すればよい。
【０１１１】
＜３−３：  第４の実施形態＞
図１７は、本発明の第４の実施形態に係る力検出機能をもった駆動装置の縦断面図である（制御ユニット４８０はブロックで示す）。この図１７に示す第４の実施形態に係る装置と、図１に示す第１の実施形態に係る装置との相違は、第５の接続部材の構造と、制御ユニットの検出動作のみである。
【０１１２】
具体的には、まず、図１に示す装置における第５の接続部材Ｐ５０が、図１７に示す装置では第５の接続部材Ｐ５０′に置き換えられている。この第５の接続部材Ｐ５０′は、上端が上方基板１００の下面側に第５の上方接続部を介して接続され、下端が中間基板２００の上面に固着されている、という点では、図１に示す第５の接続部材Ｐ５０と同じである。図１７に示す装置の場合も、第５の上方接続部は、第５の接続部材Ｐ５０′の上端付近が上方基板１００に対して任意の方向に傾斜可能となるように、第５の接続部材Ｐ５０′の上端を上方基板１００の下面に接続する構造を有する。具体的には、図１７に示す装置の場合も、第５の上方接続部は、転がり球面軸受Ｑ５０によって構成されている。
【０１１３】
ただ、図１に示す第５の接続部材Ｐ５０は、単なる支柱として機能する円柱状の部材であったが、図１７に示す第５の接続部材Ｐ５０′は、上下両端間に外力として加えられた伸張力もしくは圧縮力に応じて上下両端間の長さを変える伸縮従動機構をもっている。具体的には、図１７に示されているとおり、第５の接続部材Ｐ５０′は、円筒状の外側筒状部Ｐ８と、その内部に嵌合する内側柱状部Ｐ２と、その上部に連なった上方竿状部Ｐ６と、によって構成されている。このような構造は、図２に示す第１の接続部材Ｐ１０の構造に類似しているが、第５の接続部材Ｐ５０′には、ポンプＰ５は設けられていない。このため、第５の接続部材Ｐ５０′は、リニアアクチュエータとしての機能は有していない。
【０１１４】
図１７に示すとおり、外側筒状部Ｐ８の内部に形成される圧力室Ｐ３は、通気孔Ｈによって外部に通じており、圧力室Ｐ３の圧力は大気圧に等しくなる。結局、第５の接続部材Ｐ５０′は、自発的な伸縮駆動機構はもたないが、上下両端間に外力として伸張力もしくは圧縮力が加えられた場合、内側柱状部Ｐ２が外側筒状部Ｐ８に対して長手方向に摺動し、上下両端間の長さを変える伸縮従動機構をもっている。また、外側筒状部Ｐ８の下端は、中間基板２００の上面に固着されているので、第５の接続部材Ｐ５０′の中心軸は常にＺ軸上の位置を保つことになる。
【０１１５】
結局、第５の接続部材Ｐ５０′の上端（転がり球面軸受Ｑ５０の球体部Ｑ２の中心）は、図の上下方向に移動するため、固定点にはならず、原点Ｏに対して変位することになる（この第４の実施形態では、原点Ｏは、第５の接続部材Ｐ５０′の中心軸上の任意の位置に設定すればよい）。ただ、その移動範囲は、Ｚ軸上に限定される。実用上は、第５の接続部材Ｐ５０′を完全な剛体で構成することはできないので、第５の接続部材Ｐ５０′の上端は、厳密に言えば、第５の接続部材Ｐ５０′自身の撓みによってＺ軸から外れることになるが、ここでは、そのような撓みによる微小な変位は無視する。
【０１１６】
このように、図１７に示す装置では、伸縮従動機構をもった第５の接続部材Ｐ５０′を設けるようにしたため、上方基板１００の下方基板３００に対する変位の自由度が増えることになる。すなわち、図１に示す装置の場合、上方基板１００の下方基板３００に対する変位の自由度は、Ｘ軸まわりの回動およびＹ軸まわりの回動に限られていたのに対して、図１７に示す装置の場合、更に、Ｚ軸方向への移動という自由度が加わり、制御ユニット４８０は、上方基板１００を下方基板３００に対してＺ軸方向へ駆動する駆動動作を行うことが可能になる。
【０１１７】
図１８は、図１７に示す装置の駆動動作を示すテーブルである。この図１８に示すテーブルは、図１０に示すテーブル（図１の装置の駆動動作を示すテーブル）に、駆動方向として、更に、＋Ｚ軸方向および−Ｚ軸方向を付加したものである。なお、第５の接続部材Ｐ５０′は、外力の作用によって伸縮することは可能であるが、自発的な伸縮駆動機構はもたないため、図１８のテーブルにおいて、Ｐ５０′の列には符号「φ」（伸縮駆動機構をもたない意味）を記してある。
【０１１８】
図１７に示す装置の上方基板１００（作用体）を下方基板３００に対して、＋Ｙ軸まわり、−Ｙ軸まわり、＋Ｘ軸まわり、−Ｘ軸まわりに駆動するときの駆動動作は、図１に示す装置の駆動動作と全く同じである。ただ、第５の接続部材Ｐ５０′の上端（転がり球面軸受Ｑ５０の球体部Ｑ２の部分）は、図の上下方向に移動するため、上方基板１００の回動中心は必ずしも原点Ｏにはならない。したがって、回動中心が原点Ｏから外れた状態での駆動は、厳密に言えば、＋Ｙ軸まわり、−Ｙ軸まわり、＋Ｘ軸まわり、−Ｘ軸まわりの駆動にはならないが、本願では、このように回動中心が原点Ｏから外れた場合についても、便宜上、＋Ｙ軸まわり、−Ｙ軸まわり、＋Ｘ軸まわり、−Ｘ軸まわりの駆動と呼ぶことにする。
【０１１９】
図１７に示す装置の特徴は、更に、＋Ｚ軸方向への駆動と、−Ｚ軸方向への駆動とが可能になる点である。すなわち、図１８のテーブルに示されているとおり、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０を「伸ばす」駆動動作を行えば、上方基板１００を＋Ｚ軸方向へ駆動することができ、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０を「縮める」駆動動作を行えば、上方基板１００を−Ｚ軸方向へ駆動することができる。このとき、４本の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の伸縮量を同一にすれば、上方基板１００は、Ｚ軸方向に平行移動することになる。伸縮量に差をもたせた場合は、Ｙ軸まわりもしくはＸ軸まわりの回動動作と、Ｚ軸方向への平行移動動作とを合成した駆動動作が行われる。
【０１２０】
一方、この図１７に示す第４の実施形態に係る装置における検出動作は、前述した第３の実施形態に係る装置における検出動作と全く同様である。すなわち、制御ユニット４８０は、図１４のテーブルに示す検出動作により、上方基板１００に対して外力として作用したモーメント＋Ｍｙ，−Ｍｙ，＋Ｍｘ，−Ｍｘおよび力＋Ｆｚ，−Ｆｚを検出することができる（第３の実施形態に係る装置と同様に、第５のセンサを有していないため、Ｆｚの検出には、Ｆｚ＝−（Ｃ１０＋Ｃ２０＋Ｃ３０＋Ｃ４０）なる演算式を用いることになる）。
【０１２１】
なお、上述したとおり、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０を伸縮駆動して、上方基板１００を上下方向に変位させると、上方基板１００の回動中心が原点Ｏから外れた状態になるので、そのような状態で検出したモーメント＋Ｍｙ，−Ｍｙ，＋Ｍｘ，−Ｍｘは、厳密には、Ｙ軸まわりやＸ軸まわりのモーメントにはならないが、一般的な用途で利用する上では、大きな支障は生じない。正確な検出値が必要な場合には、上方基板１００の回動中心（転がり球面軸受Ｑ５０の球体部Ｑ２の中心）と原点Ｏとの距離を何らかの方法で認識し（たとえば、ポンプＰ５に対して与えた駆動信号の大きさに基づいて認識できる）、当該距離に基づく幾何学的な補正を行えばよい。
【０１２２】
このように、図１７に示す第４の実施形態に係る装置は、＋Ｙ軸まわり、−Ｙ軸まわり、＋Ｘ軸まわり、−Ｘ軸まわりの駆動動作に加えて、更に、＋Ｚ軸方向、−Ｚ軸方向への駆動動作を行う機能を有しており、また、外力として作用したモーメント＋Ｍｙ，−Ｍｙ，＋Ｍｘ，−Ｍｘおよび力＋Ｆｚ，−Ｆｚの検出動作を行う機能を有している。
【０１２３】
＜＜＜  §４．  その他の変形例／応用例  ＞＞＞
これまで、本発明に係る装置を第１〜第４の実施形態について述べた。ここでは、その他の変形例や応用例を述べることにする。
【０１２４】
＜４−１：  第５の接続部材を省略した変形例＞
第１〜第４の実施形態は、いずれも５本の接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０を用いて、上方基板１００と下方基板３００（中間基板２００）とを接続しているが、本発明に係る装置では、少なくとも第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０を設けてあれば、＋Ｙ軸まわり、−Ｙ軸まわり、＋Ｘ軸まわり、−Ｘ軸まわりの駆動動作と、モーメント＋Ｍｙ，−Ｍｙ，＋Ｍｘ，−Ｍｘおよび力＋Ｆｚ，−Ｆｚの検出動作とを行うことが可能である。
【０１２５】
なお、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０のみで上方基板１００と下方基板３００とを接続した場合、そのままでは両基板の位置関係を安定させることはできない。しかしながら、両基板の直径と等しい内径をもったパイプの内部で利用するようなケースでは、４本の接続部材のみを用いた装置でも両基板の位置関係をパイプ内壁の支持によって安定させることができ、産業上、十分な利用価値がある。また、クレーンなどの物品吊上具の一部に利用した場合も、重力によって両基板の位置関係を安定させることができる。
【０１２６】
第１〜第４の実施形態において、更に、第５の接続部材Ｐ５０，Ｐ５０′を設けているのは、上方基板１００を下方基板３００の上方に安定して支持するためである。第５の接続部材Ｐ５０，Ｐ５０′を用いれば、上方基板１００の中心が必ずＺ軸上にくるように位置決めすることができ、上方基板１００の姿勢を安定させることができる。本発明に係る装置では、上述したように、用途によっては、必ずしも第５の接続部材を設ける必要はないが、一般的な用途に利用する場合は、上方基板１００の位置を安定させるため、第５の接続部材を設けるのが好ましい。
【０１２７】
＜４−２：  上方接続部／下方接続部の変形例＞
これまで述べた実施形態の場合、第１〜第５の上方接続部および第１〜第４の下方接続部が、転がり球面軸受を含む構造体によって構成されているが、これらの接続部は、必ずしも転がり球面軸受を用いて構成する必要はない。
【０１２８】
第１〜第５の上方接続部に要求される条件は、それぞれ第１〜第５の接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０の上端付近が上方基板１００に対して任意の方向に傾斜可能となるように（接続部材の中心軸の上端を先端点とし、Ｚ軸に平行な中心軸をもった所定の円錐を定義したときに、接続部材の中心軸がこの円錐内を自由に移動できるように）、それぞれ第１〜第５の接続部材Ｐ１０〜Ｐ５０の上端を上方基板１００の下面に接続する構造を有していることである。したがって、上方接続部は必ずしも転がり球面軸受を用いて構成する必要はなく、一般的な転がり軸受けを複数組み合わせて上方接続部を構成したり、リンク機構によって上方接続部を構成したりすることも可能である。
【０１２９】
一方、第１〜第４の下方接続部には、次の２つの条件が要求される。第１の条件は、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端付近が下方基板３００に対して任意の方向に傾斜可能となるように（接続部材の中心軸の下端を先端点とし、Ｚ軸に平行な中心軸をもった所定の円錐を定義したときに、接続部材の中心軸がこの円錐内を自由に移動できるように）、それぞれ第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端を下方基板３００の上面に接続する構造を有していることである。当該構造は、必ずしも転がり球面軸受を用いて構成する必要はなく、一般的な転がり軸受けを複数組み合わせて構成したり、リンク機構によって構成したりすることも可能である。
【０１３０】
第１〜第４の下方接続部に要求される第２の条件は、下方基板３００に対して上下方向に変位可能となるように、それぞれ第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の下端を下方基板３００の上面に接続する構造を有することである（この条件は、第２および第３の実施形態における第５の接続部材の下端を接続する第５の下方接続部にも要求される条件である）。これまで述べた実施形態の場合、下方基板３００の上面に中間基板２００を配置し、この中間基板２００の下面に溝を掘って、その底部に可撓性をもった膜部（ダイアフラム）を形成した構造により、下方接続部を構成しているが、下方接続部は、必ずしもこのような膜部を用いて構成する必要はない。たとえば、膜部の代わりに、ビーム構造体（たとえば、２本のビームを直交させた十文字状の構造体）を用いて下方接続部を構成してもよい。
【０１３１】
＜４−３：  各接続部材の対称性＞
これまで述べた実施形態の場合、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の上下両端間の長さが互いに等しくなるように第１〜第４の伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態において、各接続部材が幾何学的対称性を有するように配置されていた。すなわち、「標準姿勢」の状態では、第１の接続部材Ｐ１０と第２の接続部材Ｐ２０とがＹＺ平面に関して面対称をなし、第３の接続部材Ｐ３０と第４の接続部材Ｐ４０とがＸＺ平面に関して面対称をなし、第５の接続部材Ｐ５０，Ｐ５０′がＺ軸上にくるような配置が採られていた。
【０１３２】
しかしながら、本発明を実施する上で、上記対称性は必ずしも必要ではなく、対称性をもたない配置を採った場合でも、駆動動作や検出動作は可能である。ただ、上述した対称性をもった配置を採ると、駆動動作における伸縮量や、検出動作におけるセンサの出力値にも対称性が得られるため、制御ユニットにおける制御動作や演算処理が簡素化されることになる。
【０１３３】
たとえば、図１０のテーブルに基づいて、＋Ｙ軸まわりの駆動動作を行う場合、第１の接続部材Ｐ１０と第２の接続部材Ｐ２０とがＹＺ平面に関して面対称の関係にあれば、第１の接続部材Ｐ１０の圧縮量と第２の接続部材Ｐ２０の伸張量とが同一になるような制御を行えばよい。対称性が確保されていない場合、適切な回動運動が行われるよう圧縮量と伸張量とを調整する処理が必要になる。
【０１３４】
同様に、図１２のテーブルにおいて、「Ｍｙ＝Ｃ１０−Ｃ２０」や「Ｍｘ＝Ｃ４０−Ｃ３０」なる演算式でモーメントＭｙやＭｘの値が得られるのは、上述した対称性が確保されているためである。対称性が確保されていない場合、各静電容量値に所定の係数を乗じる補正が必要になる。
【０１３５】
したがって、実用上は、各接続部材について、上述した対称性を確保した配置を採るようにするのが好ましい。
【０１３６】
＜４−４：  上方構造体／下方構造体の変形例＞
本発明に係る装置は、作用体として機能する上方構造体と、この上方構造体の下方に配置された下方構造体と、両者間を接続する少なくとも４本の接続部材と、を有し、下方構造体を固定した状態において上方構造体に作用した力を検出する検出機能と、下方構造体に対して上方構造体を所定方向に駆動する駆動機能と、を有する力検出機能をもった駆動装置である。
【０１３７】
これまで述べた実施形態の場合、上方構造体が平板状の上方基板１００からなり、下方構造体が平板状の下方基板３００からなり、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の上下両端間の長さが互いに等しくなるように第１〜第４の伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態において、上方基板１００および下方基板２００の基板面が、ＸＹ平面に平行になるような構造を採っていた。
【０１３８】
しかしながら、上方構造体および下方構造体は、必ずしも平板状の基板によって構成する必要はなく、任意形状の構造体によって構成してかまわない。たとえば、上方基板１００の代わりに、球形をした構造体を上方構造体として利用することも可能であり、これまで述べた実施形態における上方基板１００を任意形状の上方構造体に置き換え、下方基板３００を任意形状の下方構造体に置き換えてもかまわない。ただ、工業製品として量産性を確保し、また、薄型化を図る上では、これまで述べた実施形態のように、上方構造体および下方構造体を平板状の基板によって構成するようにし、「標準姿勢」の状態において、上方基板１００および下方基板２００の基板面が、ＸＹ平面に平行になるような構造を採るのが好ましい。
【０１３９】
＜４−５：  センサの変形例＞
これまで述べた実施形態では、各膜部に形成された変位電極と、これら各変位電極に対向する下方基板の上面位置に固定された固定電極と、からなる容量素子によって、第１〜第５のセンサを構成していたが、本発明に用いるセンサは、各接続部材の下方構造体に対する上下方向に関する変位を検出する機能を有していれば、どのようなセンサを用いてもかまわない。たとえば、膜部に形成した歪みゲージやピエゾ抵抗素子などをセンサとして利用することも可能である。
【０１４０】
なお、センサの出力値は、必ずしも作用した外力の大きさに比例したものにはならないので、図１２や図１４に示す演算式に基づいて得られる演算値は、厳密には線形の検出値にはならない可能性がある。したがって、より正確な線形検出値を得るためには、作用した外力の大きさと各接続部材のＺ軸方向に関する変位との関係や、当該変位とセンサの出力値との関係を考慮した換算テーブルを設けておき、この換算テーブルを利用して、図１２や図１４に示す演算式に基づいて得られる演算値に対して補正を行うようにすればよい。
【０１４１】
＜４−６：  接続部材の変形例＞
これまで述べた実施形態では、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０として、図２に示すようなリニアアクチュエータを用いた例を述べた。このリニアアクチュエータは、外側筒状部Ｐ１と、その内側に嵌合した内側柱状部Ｐ２と、を同一の摺動軸Ａ上に配置してなる構造部と、与えられた電気信号に基づいて、内側柱状部Ｐ２を外側筒状部Ｐ１に対して、摺動軸Ａに沿った方向に摺動させることにより全長を所望の長さに調整し、当該長さを維持させる伸縮駆動機構（導管Ｐ４およびポンプＰ５）とを備えている。
【０１４２】
もちろん、この図２に示すリニアアクチュエータは、本発明に用いる接続部材の一例であり、本発明で用いる接続部材は、たとえば、リンク機構を用いた部材など、電気信号に基づいて上下両端間の長さを変えるアクチュエータであれば、どのような部材を用いてもかまわない。
【０１４３】
なお、本発明に係る駆動装置は、力検出装置としても機能するという特徴を有しているが、力検出装置としての機能を果たす際には、接続部材の伸縮状態をしっかりと固定しておくのが好ましい。たとえば、接続部材として、図２に示すようなリニアアクチュエータを用いる場合、駆動装置として機能させる際には、ポンプＰ５を駆動して圧力室Ｐ３内部の圧力を増減し、内側柱状部Ｐ２を摺動させることになるが、力検出装置として機能させる際には、検出対象となる外力によって内側柱状部Ｐ２が摺動してしまうと、正しい検出値を得ることができなくなる。したがって、力検出装置として機能させる際には、測定を開始する前（外力が作用する前）に、内側柱状部Ｐ２が摺動しないよう、何らかの方法で固定するのが好ましい。
【０１４４】
具体的には、たとえば、外側筒状部Ｐ１に機械的なロック機構を設け、このロック機構により、内側柱状部Ｐ２の位置を固定するようにしておけばよい（一例としては、外側筒状部Ｐ１の内径を機械的に絞るような機構を設けておき、内側柱状部Ｐ２が摩擦力によって移動しないようにすればよい）。制御ユニットは、検出動作を行う際には、このロック機構により、第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０の上下両端間の長さを一定に維持する制御を行うようにすればよい。
【０１４５】
なお、接続部材の伸縮状態の固定は、必ずしも機械的なロック機構によって行う必要はなく、電気的な制御で行うことも可能である。図１９は、図２に示す接続部材の変形例Ｐ１０′を示す拡大縦断面図である。この図１９に示す接続部材Ｐ１０′も、リニアアクチュエータであるが、導管Ｐ４にポンプＰ５と圧力センサＰ９とが接続されている。圧力センサＰ９は、圧力室Ｐ３の圧力を検出する機能を有している。圧力センサＰ９によって検出された圧力の検出信号は、制御ユニット４００，４５０，４８０へと与えられる。制御ユニットは、圧力センサＰ９が検出した圧力が一定値に維持されるように、ポンプＰ５を制御するための駆動信号を出力する。こうして、制御ユニットによるフィードバック制御が行われ、圧力室Ｐ３の内部圧力は一定値に維持される。すなわち、内側柱状部Ｐ２の伸縮状態は固定されることになる。
【０１４６】
要するに、外側筒状部Ｐ１内に設けられた圧力室Ｐ３の圧力を制御するポンプＰ５と、圧力室Ｐ３の圧力を測定する圧力センサＰ９と、を有するリニアアクチュエータを各接続部材として用いれば、制御ユニット４００，４５０，４８０は、駆動動作を行う際には、ポンプＰ５に所定の駆動信号を与えて内側柱状部Ｐ２を摺動させることにより、リニアアクチュエータの全長を所望の長さに調整し、検出動作を行う際には、圧力センサＰ９による測定値が一定となるようにポンプＰ５に所定の駆動信号を与えてフィードバック制御を行うことができる。
【０１４７】
なお、図１９に示すようなリニアアクチュエータＰ１０′を、各接続部材として用いた装置の場合、力検出装置として機能させる際に、圧力センサＰ９を容量素子からなるセンサの代わりとして利用することができる。すなわち、リニアアクチュエータ１０′の摺動軸Ａ方向に作用する力は、圧力室Ｐ３の圧力変動として圧力センサＰ９によって検出することができるので、圧力センサＰ９は、これまで述べてきた実施形態で用いられている容量素子からなるセンサと同等の機能を果たす。
【０１４８】
たとえば、図１に示す駆動装置における第１〜第４の接続部材Ｐ１０〜Ｐ４０として、図１９に示すリニアアクチュエータＰ１０′を用いるようにすれば、４個の圧力センサＰ９の出力変化は、図１２のテーブルに示す４個の静電容量式センサＣ１０〜Ｃ４０の出力変化と同様になるので、これら圧力センサの検出信号を利用して、作用した力の検出を行うことができる。
【０１４９】
また、上述したように、４個の圧力センサによって検出された圧力をそれぞれ一定値に維持するため、制御ユニット４００，４５０，４８０によるフィードバック制御が行われるので、圧力センサの検出信号の代わりに、このフィードバック制御信号（各ポンプへ与える駆動信号）を利用して、作用した力の検出を行うこともできる。このようにリニアアクチュエータＰ１０′を接続部材として用いた装置では、静電容量式センサを設ける必要はなくなる。
【０１５０】
＜４ー７：中央接続部材と周辺接続部材とによる構成＞
§２〜§３で述べた第１〜第４の実施形態は、いずれも中心に配置された第５の接続部材によって、下方基板の上方位置に上方基板を支持する構成を採っている。すなわち、装置の中心に支柱として機能する第５の接続部材を配置し、その周囲に第１〜第４の接続部材を配置した構成を採る。このように、本発明に係る装置の構造を、「支柱として機能する中央接続部材と、その周囲に配置された複数の周辺接続部材とによって、下方構造体の上方に上方構造体を支持する構造」として把握すると、本発明は、次のような特徴を備えた装置に係る発明として捉えることができる。
【０１５１】
すなわち、本発明に係る装置は、所定の作用体に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、この作用体を所定方向に駆動する駆動機能と、を有する装置であって、次の各構成要素を有している。
（１）作用体として機能する上方構造体
（２）この上方構造体の下方に配置された下方構造体
（３）下方構造体の上方位置に上方構造体が、少なくとも所定の１方向に傾斜可能な状態で支持されるように、上方構造体と下方構造体とを接続する中央接続部材
（４）上端が上方構造体の下面側に上方接続部を介して接続され、下端が下方構造体の上面側に下方接続部を介して接続され、与えられた電気信号に基づいて上下両端間の長さを変える伸縮駆動機構をもち、中央接続部材の周囲に配置された複数Ｎ本の周辺接続部材
（５）複数Ｎ本の周辺接続部材の下端の下方構造体に対する上下方向に関する変位をそれぞれ検出するセンサ
（６）伸縮駆動機構に所定の電気信号を与えて複数Ｎ本の周辺接続部材の上下両端間の長さがそれぞれ所望の長さになるように調整する駆動動作と、センサの検出結果に基づいて、作用体に作用した力を示す電気信号を出力する検出動作と、を行う制御ユニット
【０１５２】
ここで、上方接続部は、周辺接続部材の上端付近が上方構造体に対して少なくとも所定の１方向に傾斜可能となるように、周辺接続部材の上端を上方構造体の下面に接続する構造を有しており、下方接続部は、周辺接続部材の下端付近が下方構造体に対して少なくとも所定の１方向に傾斜可能となるように、かつ、下方構造体に対して上下方向に変位可能となるように、周辺接続部材の下端を下方構造体の上面に接続する構造を有している。
【０１５３】
特に、これまで述べた第１の実施形態（図１）および第４の実施形態（図１７）の場合、下方構造体が平板状の下方基板からなり、その基板面に対して平行なＸＹ平面をもったＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、中央接続部材（第５の接続部材Ｐ５０，Ｐ５０′）の中心軸がＺ軸上にくるように、中央接続部材の下端が下方構造体に固着されており、中央接続部材の上端による上方構造体の支持中心点が常にＺ軸上に維持されるように構成されている。
【０１５４】
なお、第２および第３の実施形態（図１３）の場合は、膜部２０５に撓みが生じると、中央接続部材Ｐ５０の中心軸はＺ軸から外れる可能性があるが、「標準姿勢」の状態、かつ、検出対象となる力が作用していない状態では、第１および第４の実施形態と同様に、中央接続部材の中心軸がＺ軸上にくるように、中央接続部材の下端が下方構造体に接続されており、中央接続部材の上端による上方構造体の支持中心点が常にＺ軸上に維持されるように構成されていることになる。
【０１５５】
また、第４の実施形態（図１７）の場合は、中央接続部材Ｐ５０′が、上下両端間に外力として加えられた伸張力もしくは圧縮力に応じて上下両端間の長さを変える伸縮従動機構を有している。このため、既に述べたとおり、中央接続部材Ｐ５０′の長さの変化に応じて、中央接続部材Ｐ５０′の上端による上方構造体の支持中心点がＺ軸に沿って移動することになる。
【０１５６】
上述したとおり、中央接続部材の周囲に配置する周辺接続部材を複数Ｎ本設けるようにし、この複数Ｎ本の周辺接続部材の下端の下方構造体に対する上下方向に関する変位をそれぞれ検出するためのセンサを設けるようにすれば、作用体に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、この作用体を所定方向に駆動する駆動機能とをもった装置を構成することが可能である。これまで述べた第１〜第４の実施形態は、いずれもＮ＝４として、４本の周辺接続部材を設けた例であるが、たとえば、Ｎ＝２として、２本の周辺接続部材のみを設けた場合でも、中央接続部材によって、下方構造体の上方位置に上方構造体が支持されていれば、力検出機能をもった駆動装置として何ら支障は生じない。もちろん、３本の周辺接続部材を設けたり、６本の周辺接続部材を設けたりすることも可能であり、Ｎは任意に設定することができる。
【０１５７】
ただ、周辺接続部材の数を減らすと、駆動方向の自由度や検出対象となる力の向きは制限されてしまう。たとえば、図１に示す第１の実施形態において、中央接続部材Ｐ５０と、Ｘ軸上に配置された２本の周辺接続部材Ｐ１０，Ｐ２０のみを残し、Ｙ軸上に配置された２本の周辺接続部材Ｐ３０，Ｐ４０（図１では、示されていない）を省略した場合、駆動方向はＹ軸まわりのみに限定され、検出対象となる力もＹ軸まわりのモーメントＭｙに限定されることになる。もっとも、この場合、各上方接続部および各下方接続部は、各周辺接続部材の上端および下端付近がＸ軸方向に傾斜可能となるように接続できればよく、Ｙ軸方向に傾斜させる必要はないので、必ずしも転がり球面軸受のような任意の方向に傾斜可能な軸受を用いる必要はない。
【０１５８】
駆動方向の自由度や検出対象となる力の向きを増やすには、周辺接続部材の数Ｎを増やすようにすればよい。たとえば、Ｙ軸まわりおよびＸ軸まわりの駆動方向を確保し、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙおよびＸ軸まわりのモーメントＭｘを検出できるようにするためには、これまで述べた実施形態のように、中央接続部材の周囲に４本の周辺接続部材を配置した構成を採ればよい。この場合、効率的な駆動動作および効率的な検出動作を行う上では、４本の周辺接続部材の配置に幾何学的な対称性が確保されるようにするのが好ましい。
【０１５９】
具体的には、これまで述べた実施形態のように、４本の周辺接続部材の上下両端間の長さが互いに等しくなるように伸縮駆動機構を調整した「標準姿勢」の状態、かつ、検出対象となる力が作用していない状態において、第１の周辺接続部材Ｐ１０の中心軸と第２の周辺接続部材Ｐ２０の中心軸とが第１の平面（これまでの実施形態の場合ＸＺ平面）上に位置し、第３の周辺接続部材Ｐ３０の中心軸と第４の周辺接続部材Ｐ４０の中心軸とが第１の平面に直交する第２の平面（これまでの実施形態の場合ＹＺ平面）上に位置し、第１の平面に関して第３の周辺接続部材Ｐ３０と第４の周辺接続部材Ｐ４０とが面対称をなし、第２の平面に関して第１の周辺接続部材Ｐ１０と第２の周辺接続部材Ｐ２０とが面対称をなすような配置を採るのが好ましい。
【０１６０】
＜４−８：  ロボットアームへの応用例＞
図２０は、図１に示す駆動装置を手首の関節部分に用いたロボットアーム８００の側面図である。このロボットアーム８００は、アーム部８１０、手首関節部８２０、グリッパ部８３０によって構成されており、手首関節部８２０として、図１に示す駆動装置（図には、上方基板１００，中間基板２００，下方基板３００，接続部材Ｐが示されている）が用いられている。グリッパ部８３０は、一対の把持部材８３１，８３２およびベース部材８３３を有し、ベース部材８３３の内部に組み込まれている駆動機構によって、一対の把持部材８３１，８３２が駆動され、把持動作が行われる。図には、床面８５０上に置かれた物体８４０を把持する動作を行っている状態が示されている。
【０１６１】
ベース部材８３３は上方基板１００に固着されており、下方基板３００はアーム部８１０に固着されている。手首関節部８２０として用いられている駆動装置は、上述したとおり、下方基板３００を固定した状態において、上方基板１００をＸ軸およびＹ軸まわりに駆動することができるので、グリッパ部８３０の姿勢が、物体８４０を把持するのに適した向きになるように回転駆動させた後、把持部材８３１，８３２によって物体８４０を掴む動作を行うことができる。
【０１６２】
また、物体８４０を掴んだ後、この装置の検出機能を利用すれば、物体８４０からグリッパ部８３０（上方基板１００）に加わる重力を、Ｘ軸およびＹ軸まわりのモーメントに基づいて測定することができるので、物体８４０の質量を量ることが可能になる。
【符号の説明】
【０１６３】
５，６：切断線
１００：上方基板（上方構造体）
２００：中間基板（下方接続部）
２０１〜２０５：膜部
３００：下方基板（下方構造体）
４００：制御ユニット
４５０：制御ユニット
４８０：制御ユニット
８００：ロボットアーム
８１０：アーム部
８２０：手首関節部
８３０：グリッパ部
８３１，８３２：把持部材
８３３：ベース部材
８４０：物体
８５０：床面
Ａ：摺動軸
Ｃ１０〜Ｃ５０（容量素子からなるセンサ／静電容量値）
Ｅ１０〜Ｅ５０：固定電極
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力
Ｇ１０〜Ｇ５０：溝
Ｈ：通気孔
Ｍｘ：Ｘ軸まわりのモーメント
Ｍｙ：Ｙ軸まわりのモーメント
Ｏ：ＸＹＺ三次元座標系の原点
Ｐ：接続部材
Ｐ１：外側筒状部
Ｐ２：内側柱状部
Ｐ３：圧力室
Ｐ４：導管
Ｐ５：ポンプ
Ｐ６：上方竿状部
Ｐ７：下方竿状部
Ｐ８：外側筒状部
Ｐ９：圧力センサ
Ｐ１０，Ｐ１０′：第１の接続部材（リニアアクチュエータ）
Ｐ２０：第２の接続部材（リニアアクチュエータ）
Ｐ３０：第３の接続部材（リニアアクチュエータ）
Ｐ４０：第４の接続部材（リニアアクチュエータ）
Ｐ５０，Ｐ５０′：第５の接続部材
Ｑ１：ハウジング
Ｑ２：球体部
Ｑ３：間隙部
Ｑ４：導出口
Ｑ１０〜Ｑ５０：転がり球面軸受（上方接続部）
Ｒ１０〜Ｒ４０：転がり球面軸受（下方接続部）
Ｘ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
Ｙ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
Ｚ：ＸＹＺ三次元座標系の座標軸
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図３】
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