(57)【要約】【課題】駆動機能と力検出機能を備えた装置の構造単純化／薄型化を図る。【解決手段】上方基板１５と下方基板２５との間に、２本のリニアアクチュエータＵ１，Ｕ２を、互いに逆方向に傾斜するように配置する。アクチュエータＵ１，Ｕ２の上端は、上方膜部１１，１２を介して上方基板１５に接続され、下端は、導電性の下方膜部２１，２２を介して下方基板２５に接続される。上方基板１５に右方向の力が作用して右方へスライドすると、Ｕ１は寝る方向へ傾いて下方膜部２１は上方へ変形し、Ｕ２は立つ方向へ傾いて下方膜部２２は下方へ変形する。下方膜部２１と電極Ｅ５による容量素子と、下方膜部２２と電極Ｅ６による容量素子との容量値の差により、Ｘ軸方向の力検出を行う。両容量値の和により、Ｚ軸方向の力検出もできる。アクチュエータＵ１，Ｕ２を伸縮駆動すれば、上方基板１５を移動させたり回転させたりできる。【選択図】図５２
2011208963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹＺ三次元座標系において、所定の作用点に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、前記作用点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、
ＸＹ平面に平行な平面上に広がる上方構造体と、
ＸＹ平面に平行な平面上に広がり、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を結ぶ第１の接続線分の長さを変える第１の伸縮機構をもった第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を結ぶ第２の接続線分の長さを変える第２の伸縮機構をもった第２の接続部材と、
前記第１の接続部材および前記第２の接続部材の下端の変位に基づいて、作用した力を示す電気信号を出力する検出部と、
前記第１の接続線分および前記第２の接続線分の長さがそれぞれ所望の長さになるように、前記第１の伸縮機構および前記第２の伸縮機構に所定の電気信号を与えて駆動する駆動部と、
を備え、
前記第１の上方接続部は、前記第１の接続部材がその上端付近を中心として少なくともＸＺ平面内で回動自在となるように、前記第１の接続部材を前記上方構造体に接続し、
前記第１の下方接続部は、前記第１の接続部材がその下端付近を中心として少なくともＸＺ平面内で回動自在となるように、前記第１の接続部材を前記下方構造体に接続し、
前記第２の上方接続部は、前記第２の接続部材がその上端付近を中心として少なくともＸＺ平面内で回動自在となるように、前記第２の接続部材を前記上方構造体に接続し、
前記第２の下方接続部は、前記第２の接続部材がその下端付近を中心として少なくともＸＺ平面内で回動自在となるように、前記第２の接続部材を前記下方構造体に接続し、
前記第１の接続線分と前記第２の接続線分とが同じ長さになるように前記第１の伸縮機構および前記第２の伸縮機構を調整したときに、前記第１の接続線分をＸＺ平面に正射影して得られる投影像は、Ｚ軸に対して第１の方向に傾斜しており、前記第２の接続線分をＸＺ平面に正射影して得られる投影像は、Ｚ軸に対して前記第１の方向とは逆の第２の方向に傾斜しており、
前記検出部は、前記第１の接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第１のセンサと、前記第２の接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第２のセンサと、を有し、前記第１のセンサの検出値と前記第２のセンサの検出値との差を示す電気信号を、前記下方構造体を固定した状態において前記上方構造体上の所定の作用点に作用したＸ軸方向の力Ｆｘの検出値として出力し、
前記駆動部は、所定の電気信号を与えることにより、前記第１の伸縮機構および前記第２の伸縮機構を駆動して前記第１の接続線分と前記第２の接続線分との長さを調整し、前記下方構造体に対する前記上方構造体の位置もしくは向きを変化させ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、
検出部が、更に、第１のセンサの検出値と第２のセンサの検出値との和を示す電気信号を、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Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力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１または２に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
第１の接続線分と第２の接続線分とが同じ長さになるように調整したときに、第１の接続線分と第２の接続線分とが、ＸＺ平面もしくはＸＺ平面に平行な同一平面上に配置されており、ＹＺ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４】
ＸＹＺ三次元座標系において、所定の作用点に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、前記作用点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、
ＸＹ平面に平行な平面上に広がる上方構造体と、
ＸＹ平面に平行な平面上に広がり、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を結ぶ接続線分の長さを変える伸縮機構をもった第１〜第４のＸ軸接続部材と、
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を結ぶ接続線分の長さを変える伸縮機構をもった第１〜第４のＹ軸接続部材と、
前記第１〜第４のＸ軸接続部材および前記第１〜第４のＹ軸接続部材の下端の変位に基づいて、作用した力を示す電気信号を出力する検出部と、
前記各接続線分の長さがそれぞれ所望の長さになるように、前記各伸縮機構に所定の電気信号を与えて駆動する駆動部と、
を備え、
前記各上方接続部は、前記接続部材がその上端付近を中心として任意の方向に回動自在となるように、前記接続部材を前記上方構造体に接続し、
前記各下方接続部は、前記接続部材がその下端付近を中心として任意の方向に回動自在となるように、前記接続部材を前記下方構造体に接続し、
前記各接続線分がすべて同じ長さになるように前記各伸縮機構を調整したときに、
前記第１のＸ軸接続部材の接続線分と前記第２のＸ軸接続部材の接続線分とは、Ｘ軸の正の領域においてＸ軸と直交するＸ軸正側直交面に含まれ、かつ、ＸＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、
前記第３のＸ軸接続部材の接続線分と前記第４のＸ軸接続部材の接続線分とは、Ｘ軸の負の領域においてＸ軸と直交するＸ軸負側直交面に含まれ、かつ、ＸＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、
前記第１のＹ軸接続部材の接続線分と前記第２のＹ軸接続部材の接続線分とは、Ｙ軸の正の領域においてＹ軸と直交するＹ軸正側直交面に含まれ、かつ、ＹＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、
前記第３のＹ軸接続部材の接続線分と前記第４のＹ軸接続部材の接続線分とは、Ｙ軸の負の領域においてＹ軸と直交するＹ軸負側直交面に含まれ、かつ、ＹＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、
前記検出部は、
前記第１のＸ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第１のＸ軸センサと、前記第２のＸ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第２のＸ軸センサと、前記第３のＸ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第３のＸ軸センサと、前記第４のＸ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第４のＸ軸センサと、前記第１のＹ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第１のＹ軸センサと、前記第２のＹ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第２のＹ軸センサと、前記第３のＹ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第３のＹ軸センサと、前記第４のＹ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第４のＹ軸センサと、を有し、各センサの検出値に基づいて得られた電気信号を、前記下方構造体を固定した状態において前記上方構造体上の所定の作用点に作用した力の検出値として出力し、
前記駆動部は、所定の電気信号を与えることにより、前記各伸縮機構を駆動して前記各接続線分の長さを調整し、前記下方構造体に対する前記上方構造体の位置もしくは向きを変化させ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、
各接続線分がすべて同じ長さになるように各伸縮機構を調整したときに、
第１のＸ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像および第１のＹ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第１象限に位置し、
第３のＸ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像および第２のＹ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第２象限に位置し、
第４のＸ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像および第４のＹ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第３象限に位置し、
第２のＸ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像および第３のＹ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第４象限に位置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６】
請求項５に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
各接続線分がすべて同じ長さになるように各伸縮機構を調整したときに、
第１〜第４のＸ軸接続部材、第１〜第４のＹ軸接続部材、上方構造体、下方構造体によって構成される主構造体が、ＸＺ平面に関して面対称をなし、かつ、ＹＺ平面に関しても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、
検出部が、
「第１のＹ軸センサの検出値と第２のＹ軸センサの検出値との差」と「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｆｘ）＊を、作用したＸ軸方向の力Ｆｘの検出値として出力し、
「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との差」と「第３のＸ軸センサの検出値と第４のＸ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｆｙ）＊を、作用したＹ軸方向の力Ｆｙの検出値として出力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８】
請求項７に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
検出部が、更に、
「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との和」と「第１のＹ軸センサの検出値と第２のＹ軸センサの検出値との和」との差に対応する信号値Ｖ（Ｍｘ）を、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し、
「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との和」と「第３のＸ軸センサの検出値と第４のＸ軸センサの検出値との和」との差に対応する信号値Ｖ（Ｍｙ）を、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６に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
検出部が、
「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との和」と「第１のＹ軸センサの検出値と第２のＹ軸センサの検出値との和」との差に対応する信号値Ｖ（Ｍｘ）を、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し、
「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との和」と「第３のＸ軸センサの検出値と第４のＸ軸センサの検出値との和」との差に対応する信号値Ｖ（Ｍｙ）を、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９に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
検出部が、更に、
「第１のＹ軸センサの検出値と第２のＹ軸センサの検出値との差」と「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｆｘ）＊と、
「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との差」と「第３のＸ軸センサの検出値と第４のＸ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｆｙ）＊とを求め、
所定の係数ｋ１〜ｋ４を用いて、
Ｖ（Ｆｘ）＊−ｋ２／ｋ１・Ｖ（Ｍｙ）なる式で得られる値に対応する信号値Ｖ（Ｆｘ）を、作用したＸ軸方向の力Ｆｘの検出値として出力し、
Ｖ（Ｆｙ）＊−ｋ４／ｋ３・Ｖ（Ｍｘ）なる式で得られる値に対応する信号値Ｖ（Ｆｙ）を、作用したＹ軸方向の力Ｆｙの検出値として出力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１１】
請求項７〜１０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、
検出部が、更に、
「第１〜第４のＸ軸センサの検出値の総和」もしくは「第１〜第４のＹ軸センサの検出値の総和」、または「第１〜第４のＸ軸センサの検出値の総和と第１〜第４のＹ軸センサの検出値の総和との和」に対応する信号値Ｖ（Ｆｚ）を、作用したＺ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力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１２】
請求項７〜１１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、
検出部が、更に、
「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との差」と「第４のＸ軸センサの検出値と第３のＸ軸センサの検出値との差」と「第２のＹ軸センサの検出値と第１のＹ軸センサの検出値との差」と「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｍｚ）を、作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値として出力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１３】
請求項４〜１２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、
駆動部が、
第１〜第４のＸ軸接続部材ならびに第２および第４のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して伸ばす動作を行わせるための電気信号を与え、第１および第３のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して縮める動作を行わせるための電気信号を与えるか、もしくは、第１〜第４のＸ軸接続部材ならびに第１および第３のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して伸ばす動作を行わせるための電気信号を与え、第２および第４のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して縮める動作を行わせるための電気信号を与え、下方構造体に対する上方構造体のＸ軸方向に関する位置を変化させるＸ軸方向駆動動作を行う機能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１４】
請求項４〜１３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、
駆動部が、
第１〜第４のＹ軸接続部材ならびに第２および第４のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して伸ばす動作を行わせるための電気信号を与え、第１および第３のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して縮める動作を行わせるための電気信号を与えるか、もしくは、第１〜第４のＹ軸接続部材ならびに第１および第３のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して伸ばす動作を行わせるための電気信号を与え、第２および第４のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して縮める動作を行わせるための電気信号を与え、下方構造体に対する上方構造体のＹ軸方向に関する位置を変化させるＹ軸方向駆動動作を行う機能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１５】
請求項４〜１４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、
駆動部が、
第１〜第４のＸ軸接続部材および第１〜第４のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作を行わせるための電気信号を与えることにより、下方構造体に対する上方構造体のＺ軸方向に関する位置を変化させるＺ軸方向駆動動作を行う機能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１６】
請求項４〜１５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、
駆動部が、
第１および第３のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して第１の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第２および第４のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して第２の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第１および第２のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して第３の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第３および第４のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して第４の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、
このとき、前記第１の伸縮動作と前記第３の伸縮動作とは、伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作となり、前記第２の伸縮動作と前記第４の伸縮動作とは、伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作となり、前記第１および第３の伸縮動作と前記第２および第４の伸縮動作とは、一方が伸ばす動作、他方が縮める動作という相反する関係になるようにし、かつ、前記第１の伸縮動作による伸縮量よりも前記第３の伸縮動作による伸縮量の方が大きくなり、前記第２の伸縮動作による伸縮量よりも前記第４の伸縮動作による伸縮量の方が大きくなるようにし、下方構造体に対して上方構造体をＸ軸に関して回転させるＸ軸まわり駆動動作を行う機能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１７】
請求項４〜１６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、
駆動部が、
第１および第２のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して第１の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第３および第４のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して第２の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第１および第３のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して第３の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第２および第４のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して第４の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、
このとき、前記第１の伸縮動作と前記第３の伸縮動作とは、伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作となり、前記第２の伸縮動作と前記第４の伸縮動作とは、伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作となり、前記第１および第３の伸縮動作と前記第２および第４の伸縮動作とは、一方が伸ばす動作、他方が縮める動作という相反する関係になるようにし、かつ、前記第１の伸縮動作による伸縮量よりも前記第３の伸縮動作による伸縮量の方が小さくなり、前記第２の伸縮動作による伸縮量よりも前記第４の伸縮動作による伸縮量の方が小さくなるようにし、下方構造体に対して上方構造体をＹ軸に関して回転させるＹ軸まわり駆動動作を行う機能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１８】
請求項４〜１７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、
駆動部が、
第１および第４のＸ軸接続部材ならびに第２および第３のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して第１の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第２および第３のＸ軸接続部材ならびに第１および第４のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して第２の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、このとき、前記第１の伸縮動作と前記第２の伸縮動作とは、一方が伸ばす動作、他方が縮める動作という相反する関係になるようにし、下方構造体に対して上方構造体をＺ軸に関して回転させるＺ軸まわり駆動動作を行う機能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１９】
請求項４〜１８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、もしくは、平板状の上方基板を含み、
下方構造体が、平板状の下方基板からなり、もしくは、平板状の下方基板を含み、
各接続線分がすべて同じ長さになるように各伸縮機構を調整したときに、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、
上方基板および下方基板のいずれか一方もしくは双方の上面側および下面側のいずれか一方もしくは双方に溝が形成されており、この溝の底部に形成された膜部を用いて上方接続部もしくは下方接続部を構成し、前記膜部のもつ可撓性により接続部材が回動自在となるようにした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、
溝の内部に溝の底面から基板面位置まで伸びる突起部が設けられており、接続部材の端部が前記突起部を介して膜部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２２】
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、
上方基板および下方基板のいずれか一方もしくは双方が可撓性基板によって構成され、当該可撓性基板の一部が上方接続部もしくは下方接続部を構成し、前記上方接続部もしくは下方接続部のもつ可撓性により接続部材が回動自在となるようにしたことを特徴とする力検出機能をもった駆動装置。
【請求項２３】
請求項２２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、可撓性基板によって構成された上方基板と、前記可撓性基板の上面の所定箇所に固着された連結部材と、前記連結部材の上方に接続され、検出対象となる力を受ける機能を果たす受力体と、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２４】
請求項２２または２３に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
第１のＸ軸接続部材の接続位置および第２のＸ軸接続部材の接続位置を含む領域と、第３のＸ軸接続部材の接続位置および第４のＸ軸接続部材の接続位置を含む領域と、第１のＹ軸接続部材の接続位置および第２のＹ軸接続部材の接続位置を含む領域と、第３のＹ軸接続部材の接続位置および第４のＹ軸接続部材の接続位置を含む領域と、の４つの領域を可撓性基板上に定義したときに、これら４つの領域の境界に沿って、可撓性基板の外周側から中心部に向かってスリットが形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２５】
請求項４〜１８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、
下方構造体が、Ｚ軸上に位置する中心部と、前記中心部から第１〜第４のＸ軸接続部材の下端への接続位置および第１〜第４のＹ軸接続部材の下端への接続位置へそれぞれ伸びる８本の可撓性をもった枝状部と、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２６】
請求項４〜１８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、
上方接続部および下方接続部のいずれか一方もしくは双方が転がり球面軸受を用い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２７】
請求項２０〜２４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、
下方接続部が可撓性をもった膜部もしくは可撓性基板の一部によって構成され、
各センサが、前記膜部もしくは前記可撓性基板の一部に形成された変位電極と、この変位電極に対向する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２８】
請求項２７に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
膜部もしくは可撓性基板が導電性材料から構成され、前記膜部もしくは前記可撓性基板の一部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２９】
請求項２５に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
各センサが、枝状部に形成された変位電極と、この変位電極に対向する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３０】
請求項２９に記載の力検出機能をもった駆動装置において、
枝状部が導電性材料から構成され、前記枝状部の一部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３１】
請求項１〜３０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、
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、
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３２】
請求項１〜３０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、
接続部材が、
上方竿部および下方竿部と、
前記上方竿部の下端部に形成された貫通孔と前記下方竿部の上端部に形成された貫通孔との双方を貫通し、両者を軸に直交する平面内で回動自在な状態で相互に接続する枢軸と、
前記上方竿部もしくは前記下方竿部に対して動力を作用させることにより、前記上方竿部と前記下方竿部とのなす角度が所望の角度となるように調整し、当該角度を維持させる伸縮機構と、
を有するリンク機構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。
【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、所定の作用点に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、当該作用点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薄型化を図るのが好ましいが、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、薄型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、構造の単純化および薄型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、ＸＹＺ三次元座標系において、所定の作用点に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、この作用点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、
ＸＹ平面に平行な平面上に広がる上方構造体と、
ＸＹ平面に平行な平面上に広がり、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を結ぶ第１の接続線分の長さを変える第１の伸縮機構をもった第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を結ぶ第２の接続線分の長さを変える第２の伸縮機構をもった第２の接続部材と、
第１の接続部材および第２の接続部材の下端の変位に基づいて、作用した力を示す電気信号を出力する検出部と、
第１の接続線分および第２の接続線分の長さがそれぞれ所望の長さになるように、第１の伸縮機構および第２の伸縮機構に所定の電気信号を与えて駆動する駆動部と、
を設け、
第１の上方接続部は、第１の接続部材がその上端付近を中心として少なくともＸＺ平面内で回動自在となるように、第１の接続部材を上方構造体に接続し、
第１の下方接続部は、第１の接続部材がその下端付近を中心として少なくともＸＺ平面内で回動自在となるように、第１の接続部材を下方構造体に接続し、
第２の上方接続部は、第２の接続部材がその上端付近を中心として少なくともＸＺ平面内で回動自在となるように、第２の接続部材を上方構造体に接続し、
第２の下方接続部は、第２の接続部材がその下端付近を中心として少なくともＸＺ平面内で回動自在となるように、第２の接続部材を下方構造体に接続し、
第１の接続線分と第２の接続線分とが同じ長さになるように第１の伸縮機構および第２の伸縮機構を調整したときに、第１の接続線分をＸＺ平面に正射影して得られる投影像は、Ｚ軸に対して第１の方向に傾斜しており、第２の接続線分をＸＺ平面に正射影して得られる投影像は、Ｚ軸に対して第１の方向とは逆の第２の方向に傾斜しており、
検出部は、第１の接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第１のセンサと、第２の接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第２のセンサと、を有し、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上の所定の作用点に作用したＸ軸方向の力Ｆｘの検出値として出力し、
駆動部は、所定の電気信号を与えることにより、第１の伸縮機構および第２の伸縮機構を駆動して第１の接続線分と第２の接続線分との長さを調整し、下方構造体に対する上方構造体の位置もしくは向きを変化させ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、
検出部が、更に、第１のセンサの検出値と第２のセンサの検出値との和を示す電気信号を、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Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力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１または第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１の接続線分と第２の接続線分とが同じ長さになるように調整したときに、第１の接続線分と第２の接続線分とが、ＸＺ平面もしくはＸＺ平面に平行な同一平面上に配置されており、ＹＺ平面に関して面対称をなすようにしたものである。
【００１３】
(4)   本発明の第４の態様は、ＸＹＺ三次元座標系において、所定の作用点に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、この作用点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、
ＸＹ平面に平行な平面上に広がる上方構造体と、
ＸＹ平面に平行な平面上に広がり、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を結ぶ接続線分の長さを変える伸縮機構をもった第１〜第４のＸ軸接続部材と、
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を結ぶ接続線分の長さを変える伸縮機構をもった第１〜第４のＹ軸接続部材と、
第１〜第４のＸ軸接続部材および第１〜第４のＹ軸接続部材の下端の変位に基づいて、作用した力を示す電気信号を出力する検出部と、
各接続線分の長さがそれぞれ所望の長さになるように、各伸縮機構に所定の電気信号を与えて駆動する駆動部と、
を設け、
各上方接続部は、接続部材がその上端付近を中心として任意の方向に回動自在となるように、接続部材を上方構造体に接続し、
各下方接続部は、接続部材がその下端付近を中心として任意の方向に回動自在となるように、接続部材を下方構造体に接続し、
各接続線分がすべて同じ長さになるように各伸縮機構を調整したときに、
第１のＸ軸接続部材の接続線分と第２のＸ軸接続部材の接続線分とは、Ｘ軸の正の領域においてＸ軸と直交するＸ軸正側直交面に含まれ、かつ、ＸＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、
第３のＸ軸接続部材の接続線分と第４のＸ軸接続部材の接続線分とは、Ｘ軸の負の領域においてＸ軸と直交するＸ軸負側直交面に含まれ、かつ、ＸＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、
第１のＹ軸接続部材の接続線分と第２のＹ軸接続部材の接続線分とは、Ｙ軸の正の領域においてＹ軸と直交するＹ軸正側直交面に含まれ、かつ、ＹＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、
第３のＹ軸接続部材の接続線分と第４のＹ軸接続部材の接続線分とは、Ｙ軸の負の領域においてＹ軸と直交するＹ軸負側直交面に含まれ、かつ、ＹＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、
検出部は、
第１のＸ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第１のＸ軸センサと、第２のＸ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第２のＸ軸センサと、第３のＸ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第３のＸ軸センサと、第４のＸ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第４のＸ軸センサと、第１のＹ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第１のＹ軸センサと、第２のＹ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第２のＹ軸センサと、第３のＹ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第３のＹ軸センサと、第４のＹ軸接続部材の下端のＺ軸方向への変位を検出する第４のＹ軸センサと、を有し、各センサの検出値に基づいて得られた電気信号を、下方構造体を固定した状態において上方構造体上の所定の作用点に作用した力の検出値として出力し、
駆動部は、所定の電気信号を与えることにより、各伸縮機構を駆動して各接続線分の長さを調整し、下方構造体に対する上方構造体の位置もしくは向きを変化させ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、
各接続線分がすべて同じ長さになるように各伸縮機構を調整したときに、
第１のＸ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像および第１のＹ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第１象限に位置し、
第３のＸ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像および第２のＹ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第２象限に位置し、
第４のＸ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像および第４のＹ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第３象限に位置し、
第２のＸ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像および第３のＹ軸接続部材の接続線分のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第４象限に位置する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５の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
各接続線分がすべて同じ長さになるように各伸縮機構を調整したときに、
第１〜第４のＸ軸接続部材、第１〜第４のＹ軸接続部材、上方構造体、下方構造体によって構成される主構造体が、ＸＺ平面に関して面対称をなし、かつ、ＹＺ平面に関しても面対称をなす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、
検出部が、
「第１のＹ軸センサの検出値と第２のＹ軸センサの検出値との差」と「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｆｘ）＊を、作用したＸ軸方向の力Ｆｘの検出値として出力し、
「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との差」と「第３のＸ軸センサの検出値と第４のＸ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｆｙ）＊を、作用したＹ軸方向の力Ｆｙの検出値として出力する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７の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
検出部が、更に、
「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との和」と「第１のＹ軸センサの検出値と第２のＹ軸センサの検出値との和」との差に対応する信号値Ｖ（Ｍｘ）を、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し、
「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との和」と「第３のＸ軸センサの検出値と第４のＸ軸センサの検出値との和」との差に対応する信号値Ｖ（Ｍｙ）を、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６の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
検出部が、
「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との和」と「第１のＹ軸センサの検出値と第２のＹ軸センサの検出値との和」との差に対応する信号値Ｖ（Ｍｘ）を、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し、
「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との和」と「第３のＸ軸センサの検出値と第４のＸ軸センサの検出値との和」との差に対応する信号値Ｖ（Ｍｙ）を、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９の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
検出部が、更に、
「第１のＹ軸センサの検出値と第２のＹ軸センサの検出値との差」と「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｆｘ）＊と、
「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との差」と「第３のＸ軸センサの検出値と第４のＸ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｆｙ）＊とを求め、
所定の係数ｋ１〜ｋ４を用いて、
Ｖ（Ｆｘ）＊−ｋ２／ｋ１・Ｖ（Ｍｙ）なる式で得られる値に対応する信号値Ｖ（Ｆｘ）を、作用したＸ軸方向の力Ｆｘの検出値として出力し、
Ｖ（Ｆｙ）＊−ｋ４／ｋ３・Ｖ（Ｍｘ）なる式で得られる値に対応する信号値Ｖ（Ｆｙ）を、作用したＹ軸方向の力Ｆｙの検出値として出力す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７〜第１０の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
検出部が、更に、
「第１〜第４のＸ軸センサの検出値の総和」もしくは「第１〜第４のＹ軸センサの検出値の総和」、または「第１〜第４のＸ軸センサの検出値の総和と第１〜第４のＹ軸センサの検出値の総和との和」に対応する信号値Ｖ（Ｆｚ）を、作用したＺ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力する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７〜第１１の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
検出部が、更に、
「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との差」と「第４のＸ軸センサの検出値と第３のＸ軸センサの検出値との差」と「第２のＹ軸センサの検出値と第１のＹ軸センサの検出値との差」と「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｍｚ）を、作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値として出力するようにしたものである。
【００２２】
(13)  本発明の第１３の態様は、上述した第４〜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、
駆動部が、
第１〜第４のＸ軸接続部材ならびに第２および第４のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して伸ばす動作を行わせるための電気信号を与え、第１および第３のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して縮める動作を行わせるための電気信号を与えるか、もしくは、第１〜第４のＸ軸接続部材ならびに第１および第３のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して伸ばす動作を行わせるための電気信号を与え、第２および第４のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して縮める動作を行わせるための電気信号を与え、下方構造体に対する上方構造体のＸ軸方向に関する位置を変化させるＸ軸方向駆動動作を行う機能を有す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４〜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、
駆動部が、
第１〜第４のＹ軸接続部材ならびに第２および第４のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して伸ばす動作を行わせるための電気信号を与え、第１および第３のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して縮める動作を行わせるための電気信号を与えるか、もしくは、第１〜第４のＹ軸接続部材ならびに第１および第３のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して伸ばす動作を行わせるための電気信号を与え、第２および第４のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して縮める動作を行わせるための電気信号を与え、下方構造体に対する上方構造体のＹ軸方向に関する位置を変化させるＹ軸方向駆動動作を行う機能を有す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４〜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、
駆動部が、
第１〜第４のＸ軸接続部材および第１〜第４のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作を行わせるための電気信号を与えることにより、下方構造体に対する上方構造体のＺ軸方向に関する位置を変化させるＺ軸方向駆動動作を行う機能を有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４〜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、
駆動部が、
第１および第３のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して第１の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第２および第４のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して第２の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第１および第２のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して第３の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第３および第４のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して第４の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、
このとき、第１の伸縮動作と第３の伸縮動作とは、伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作となり、第２の伸縮動作と第４の伸縮動作とは、伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作となり、第１および第３の伸縮動作と第２および第４の伸縮動作とは、一方が伸ばす動作、他方が縮める動作という相反する関係になるようにし、かつ、第１の伸縮動作による伸縮量よりも第３の伸縮動作による伸縮量の方が大きくなり、第２の伸縮動作による伸縮量よりも第４の伸縮動作による伸縮量の方が大きくなるようにし、下方構造体に対して上方構造体をＸ軸に関して回転させるＸ軸まわり駆動動作を行う機能を有するようにしたものである。
【００２６】
(17)  本発明の第１７の態様は、上述した第４〜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、
駆動部が、
第１および第２のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して第１の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第３および第４のＸ軸接続部材の伸縮機構に対して第２の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第１および第３のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して第３の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第２および第４のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して第４の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、
このとき、第１の伸縮動作と第３の伸縮動作とは、伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作となり、第２の伸縮動作と第４の伸縮動作とは、伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作となり、第１および第３の伸縮動作と第２および第４の伸縮動作とは、一方が伸ばす動作、他方が縮める動作という相反する関係になるようにし、かつ、第１の伸縮動作による伸縮量よりも第３の伸縮動作による伸縮量の方が小さくなり、第２の伸縮動作による伸縮量よりも第４の伸縮動作による伸縮量の方が小さくなるようにし、下方構造体に対して上方構造体をＹ軸に関して回転させるＹ軸まわり駆動動作を行う機能を有する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４〜第１７の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
駆動部が、
第１および第４のＸ軸接続部材ならびに第２および第３のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して第１の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、第２および第３のＸ軸接続部材ならびに第１および第４のＹ軸接続部材の伸縮機構に対して第２の伸縮動作を行わせるための電気信号を与え、このとき、第１の伸縮動作と第２の伸縮動作とは、一方が伸ばす動作、他方が縮める動作という相反する関係になるようにし、下方構造体に対して上方構造体をＺ軸に関して回転させるＺ軸まわり駆動動作を行う機能を有するようにしたものである。
【００２８】
(19)  本発明の第１９の態様は、上述した第４〜第１８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、もしくは、平板状の上方基板を含み、
下方構造体が、平板状の下方基板からなり、もしくは、平板状の下方基板を含み、
各接続線分がすべて同じ長さになるように各伸縮機構を調整したときに、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されてい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、
上方基板および下方基板のいずれか一方もしくは双方の上面側および下面側のいずれか一方もしくは双方に溝が形成されており、この溝の底部に形成された膜部を用いて上方接続部もしくは下方接続部を構成し、膜部のもつ可撓性により接続部材が回動自在となるようにしたものである。
【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、
溝の内部に溝の底面から基板面位置まで伸びる突起部が設けられており、接続部材の端部が突起部を介して膜部に接続されてい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、
上方基板および下方基板のいずれか一方もしくは双方が可撓性基板によって構成され、当該可撓性基板の一部が上方接続部もしくは下方接続部を構成し、上方接続部もしくは下方接続部のもつ可撓性により接続部材が回動自在となるようにしたものである。
【００３２】
(23)  本発明の第２３の態様は、上述した第２２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、可撓性基板によって構成された上方基板と、可撓性基板の上面の所定箇所に固着された連結部材と、連結部材の上方に接続され、検出対象となる力を受ける機能を果たす受力体と、を有するようにしたものである。
【００３３】
(24)  本発明の第２４の態様は、上述した第２２または第２３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のＸ軸接続部材の接続位置および第２のＸ軸接続部材の接続位置を含む領域と、第３のＸ軸接続部材の接続位置および第４のＸ軸接続部材の接続位置を含む領域と、第１のＹ軸接続部材の接続位置および第２のＹ軸接続部材の接続位置を含む領域と、第３のＹ軸接続部材の接続位置および第４のＹ軸接続部材の接続位置を含む領域と、の４つの領域を可撓性基板上に定義したときに、これら４つの領域の境界に沿って、可撓性基板の外周側から中心部に向かってスリットが形成されているようにしたものである。
【００３４】
(25)  本発明の第２５の態様は、上述した第４〜第１８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、Ｚ軸上に位置する中心部と、この中心部から第１〜第４のＸ軸接続部材の下端への接続位置および第１〜第４のＹ軸接続部材の下端への接続位置へそれぞれ伸びる８本の可撓性をもった枝状部と、を有するようにしたものである。
【００３５】
(26)  本発明の第２６の態様は、上述した第４〜第１８の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
上方接続部および下方接続部のいずれか一方もしくは双方を転がり球面軸受を用いて構成したものである。
【００３６】
(27)  本発明の第２７の態様は、上述した第２０〜第２４の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
下方接続部が可撓性をもった膜部もしくは可撓性基板の一部によって構成され、
各センサが、膜部もしくは可撓性基板の一部に形成された変位電極と、この変位電極に対向する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。
【００３７】
(28)  本発明の第２８の態様は、上述した第２７の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
膜部もしくは可撓性基板が導電性材料から構成され、膜部もしくは可撓性基板の一部が変位電極として機能するようにしたものである。
【００３８】
(29)  本発明の第２９の態様は、上述した第２５の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
各センサが、枝状部に形成された変位電極と、この変位電極に対向する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。
【００３９】
(30)  本発明の第３０の態様は、上述した第２９の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
枝状部が導電性材料から構成され、枝状部の一部が変位電極として機能するようにしたものである。
【００４０】
(31)  本発明の第３１の態様は、上述した第１〜第３０の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
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、
内側柱状部を外側筒状部に対して、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ようにしたものである。
【００４１】
(32)  本発明の第３２の態様は、上述した第１〜第３０の態様に係る力検出機能をもった駆動装置において、
接続部材が、
上方竿部および下方竿部と、
上方竿部の下端部に形成された貫通孔と下方竿部の上端部に形成された貫通孔との双方を貫通し、両者を軸に直交する平面内で回動自在な状態で相互に接続する枢軸と、
上方竿部もしくは下方竿部に対して動力を作用させることにより、上方竿部と下方竿部とのなす角度が所望の角度となるように調整し、当該角度を維持させる伸縮機構と、
を有するリンク機構によって構成されているようにしたものである。
【発明の効果】
【００４２】
本発明に係る装置では、上方構造体と下方構造体とが、伸縮機能をもった複数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させることにより、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、個々の接続部材から下方構造体に対して作用する力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。しかも、隣接配置された一対の接続部材に着目すると、これら一対の接続部材のそれぞれ上下両端を結ぶ接続線分が互いに同じ長さになるように調整したときに、当該接続線分が互いに逆向きに傾斜するような構造をとる。そのため、各接続部材から下方構造体に対して作用する一方向の力をセンサによって測定するだけで、上方構造体に作用した力の情報をより効率的に検出することが可能になる。
【００４３】
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、上述したように、接続線分が互いに同じ長さになるように調整した状態において、接続線分が傾斜した構造をとるため、薄型化を図るのにも適しており、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。
【００４４】
特に、８本の接続部材を用いる実施形態の場合、上方構造体に対して３軸方向の移動および３軸まわりの回転を行うことが可能になり、また、上方構造体に対して作用した３軸方向の力成分および３軸まわりのモーメント成分を検出することが可能になる。しかも、容量素子を用いたセンサを利用すれば、構造を更に単純化することができ、製造コストを更に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来提案されている柱状体を用いた力検出装置の基本構造を示す分解斜視図である。
【図２】図１に示す力検出装置によるＸ軸方向の力Ｆｘの検出原理を示す縦断面図であり、この装置をＸＺ平面で切断した断面が示されている。
【図３】先願発明の基本的実施形態に係る力検出装置によるＸ軸方向の力Ｆｘの検出原理を示す縦断面図である。
【図４】先願発明の基本的実施形態に係る力検出装置によるＺ軸方向の力Ｆｚの検出原理を示す縦断面図である。
【図５】先願発明の基本的実施形態に係る力検出装置において、柱状体と膜部との間に突起部を介在させる構造をとった場合に、各部品を分解した状態を示す縦断面図である。
【図６】図５に示す各部品を用いて組み立てられた力検出装置を示す縦断面図である（検出回路の部分はブロックとして示す）。
【図７】先願発明の実用的実施形態に係る力検出装置の構成要素を分解した状態で示す正面図である。
【図８】先願発明の実用的実施形態に係る力検出装置を示す正面図である（検出回路の部分はブロックとして示す）。
【図９】図８に示す力検出装置の上面図である（ハッチング部分は、説明の便宜のために定義された８つの領域を示す）。
【図１０】図８に示す力検出装置の構成要素である上方基板１００の上面図である。
【図１１】図(A) ，(B) ，(C) は、図１０に示す上方基板１００を、それぞれ切断線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃに沿って切断した縦断面図である。
【図１２】図８に示す力検出装置の構成要素である下方基板２００の上面図である。
【図１３】図(A) ，(B) ，(C) は、図１２に示す下方基板２００を、それぞれ切断線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃに沿って切断した縦断面図である。
【図１４】図８に示す力検出装置の構成要素である補助基板３００の上面図である。
【図１５】図(A) ，(B) ，(C) は、図１４に示す補助基板３００を、それぞれ切断線Ａ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃに沿って切断した縦断面図である。
【図１６】図８に示す力検出装置を、ＸＺ平面に沿って切断した縦断面図である。
【図１７】図８に示す力検出装置を、図１０，図１２，図１４に示されている切断線Ａ−Ａに沿って切断した縦断面図である。
【図１８】図８に示す力検出装置を、図１０，図１２，図１４に示されている切断線Ｂ−Ｂに沿って切断した縦断面図である。
【図１９】図８に示す力検出装置を、図１０，図１２，図１４に示されている切断線Ｃ−Ｃに沿って切断した縦断面図である。
【図２０】図８に示す力検出装置における上方膜部および下方膜部の位置関係を示す平面図である。
【図２１】図８に示す力検出装置における下方基板２００およびその上面に取り付けられた８本の柱状体を示す平面図である（ハッチング部分は、各柱状体の上端面を示している）。
【図２２】図８に示す力検出装置に力＋Ｆｘのみによる変形を生じさせるための構造例を示す正面図である。
【図２３】図８に示す力検出装置に力＋Ｆｚのみによる変形を生じさせるための構造例を示す正面図である（ガイド部材４５０は断面を示す）。
【図２４】図８に示す力検出装置にモーメント＋Ｍｙのみによる変形を生じさせる様子を示す正面図である。
【図２５】図８に示す力検出装置にモーメント＋Ｍｚのみによる変形を生じさせた状態を示す上面図である。
【図２６】図８に示す力検出装置に各座標軸方向の力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、各座標軸まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとの６つの成分を作用させた場合の各容量素子の容量値変化を示すテーブルである。
【図２７】図８に示す力検出装置における６つの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出に用いる式を示す図である。
【図２８】図８に示す力検出装置において生じる他軸干渉を示すグラフである。
【図２９】図２８に示す他軸干渉を相殺して正確な検出値を得るために用いる式を示す図である。
【図３０】図１０の上方基板の変形例を示す上面図である。
【図３１】図１２の下方基板の変形例を示す上面図である。
【図３２】図１４の補助基板の変形例を示す上面図である。
【図３３】可撓性基板を用いた先願発明の変形例に係る力検出装置を示す正面図である。
【図３４】図３３に示す力検出装置における上方基板（可撓性基板）１５０および下方基板（可撓性基板）２５０の斜視図である。
【図３５】図３３に示す力検出装置における下方基板２５０およびその上面に取り付けられた８本の柱状体を示す平面図である（ハッチング部分は、各柱状体の上端面を示している）。
【図３６】図３４に示す上方基板（可撓性基板）１５０および下方基板（可撓性基板）２５０の代わりに用いる上方基板（可撓性基板）１６０および下方基板（可撓性基板）２６０を示す上面図である。
【図３７】先願発明に用いる柱状体の変形例を示す斜視図である。
【図３８】図３７に示す柱状体を用いた先願発明の変形例に係る力検出装置を示す縦断面図である。
【図３９】可撓性をもった材質からなる柱状体を用いた先願発明の変形例に係る力検出装置を示す縦断面図である。
【図４０】可撓性をもった材質からなる柱状体を用いた先願発明の別な変形例に係る力検出装置を示す正面図である。
【図４１】図３３に示す力検出装置における下方基板２５０の代わりに用いる下方構造体２８０の上面図である。
【図４２】図３３に示す力検出装置における補助基板３４０の代わりに用いる補助基板３８０を示す上面図である（ハッチングは電極形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図４３】図４１に示す下方構造体２８０および図４２に示す補助基板３８０を用いた変形例を示す縦断面図（ＸＺ平面で切った断面図）である。
【図４４】図４３に示す変形例を装置筐体内に収容した状態を示す縦断面図である。
【図４５】図４２に示す補助基板３８０の第１の変形例を示す上面図である（ハッチングは電極形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図４６】図４２に示す補助基板３８０の第２の変形例を示す上面図である（ハッチングは電極形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図４７】図４２に示す補助基板３８０の第３の変形例を示す上面図である（ハッチングは電極形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図４８】図４２に示す補助基板３８０の第４の変形例を示す上面図である（ハッチングは電極形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図４９】図４１に示す下方構造体２８０の変形例に係る下方構造体２９０の上面図である。
【図５０】図４２に示す補助基板３８０の変形例に係る補助基板３９０の上面図である（ハッチングは電極形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図５１】本発明において接続部材として用いられるリニアアクチュエータの一例を示す側断面図である（ポンプの部分はブロックで示す）。
【図５２】図６に示す先願発明の装置に変更を加えることによって構成した、本発明に係る力検出機能をもった駆動装置を示す縦断面図である（各回路の部分はブロックとして示す）。
【図５３】図５２に示す駆動装置において、上方基板１５を図の上方（Ｚ軸正方向）に駆動した状態を示す縦断面図である。
【図５４】図５２に示す駆動装置において、上方基板１５を図の右まわり（Ｙ軸正まわり）に回転駆動した状態を示す縦断面図である。
【図５５】図７に示す先願発明の装置に変更を加えることによって構成した、本発明に係る力検出機能をもった駆動装置の構成要素を分解した状態で示す正面図である。
【図５６】図５５に示す各構成要素を組み立てることによって構成された駆動装置を示す正面図である（各回路の部分はブロックとして示す）。
【図５７】図５６に示す駆動装置における下方基板２００およびその上面に取り付けられた８本の接続部材を示す平面図である（ハッチング部分は、各接続部材の上端面を示している）。
【図５８】図５６に示す駆動装置において、上方基板１００を図の右方向（Ｘ軸正方向）に駆動した状態を示す正面図である。
【図５９】図５６に示す駆動装置において、上方基板１００を図の上方向（Ｚ軸正方向）に駆動した状態を示す正面図である。
【図６０】図５６に示す駆動装置において、上方基板１００を図の下方向（Ｚ軸負方向）に駆動した状態を示す正面図である。
【図６１】図５６に示す駆動装置において、上方基板１００を図の右まわり（Ｙ軸正まわり）に回転駆動した状態を示す正面図である。
【図６２】図５６に示す駆動装置において、上方基板１００を図の左まわり（Ｚ軸正まわり）に回転駆動した状態を示す平面図である（上方基板１００自体を取り去った状態が示されており、ハッチング部分は、各接続部材の上端面を示している）。
【図６３】図５６に示す駆動装置において、上方基板１００を各座標軸方向および各座標軸まわりに駆動するために必要な８本の接続部材の伸縮態様を示すテーブルである。
【図６４】図５６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。
【図６５】本発明に係る駆動装置において、接続部材の端部に取り付ける接続部として利用される転がり球面軸受の縦断面図である。
【図６６】図５２に示す駆動装置における接続部材の上端に、図６５に示す転がり球面軸受を挿入した実施形態を示す縦断面図である。
【図６７】図５６に示す駆動装置における接続部材（リニアアクチュエータ）を、角度調節機能をもったリンク機構に置き換えた変形例を示す正面図である。
【図６８】図６７に示す駆動装置を、図１０，図１２，図１４に示されている切断線Ｃ−Ｃに対応する位置に沿って切断した縦断面図である。
【図６９】図５６に示す駆動装置における８本の接続部材の上下両端に転がり球面軸受９００を挿入した変形例を示す正面図である。
【図７０】図６９に示す変形例に係る駆動装置を、図１０，図１２，図１４に示されている切断線Ｃ−Ｃに対応する位置に沿って切断した縦断面図である。
【図７１】図６９に示す変形例に係る駆動装置における下方基板２００およびその上面に取り付けられた９本の接続部材を示す平面図である（転がり球面軸受９００およびその竿状部９３０は図示省略）。
【図７２】図５１に示すリニアアクチュエータに圧力センサを付加した変形例を示す側断面図（一部はブロック図）である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。本発明は、ロボットの関節部分などに利用するのに適し、所定の作用点に対して所定方向に作用した力を検出する検出機能と、当該作用点を所定方向に駆動する駆動機能と、を有する装置に係るものである。ただ、本発明は、特願２００９−１６１９１０に開示されている力検出装置の発明（以下、「先願発明」と呼ぶ）から派生した発明であり、その根本的な技術思想には、当該先願発明の着想がそのまま利用されている。すなわち、この先願発明自体は力検出装置の発明であるが、本発明の特徴は、この先願発明を利用して力検出機能をもった駆動装置を実現した点にある。そこで、以下の説明では、まず、§１において、先願発明前の従来の力検出装置について伸べ、続く§２〜§５において、先願発明に係る力検出装置について伸べ、更に、§６以降において、本発明に係る力検出機能をもった駆動装置について述べることにする。
【００４７】
＜＜＜  §１．  従来提案されている柱状体を用いた力検出装置  ＞＞＞
はじめに、前掲の特許文献４，５に開示されている柱状体を用いた力検出装置の基本構造とその検出の基本原理を簡単に説明する。
【００４８】
図１は、このような従来型の力検出装置の基本構造を示す分解斜視図である。図示のとおり、この装置は、上方基板１０，下方基板２０，補助基板３０，第１の柱状体４１，第２の柱状体４２を備えている。上方基板１０の下面には、第１の上方溝Ｇ１および第２の上方溝Ｇ２（いずれも円形の溝）が形成されており、これら溝の底部は、肉厚が薄いために可撓性を帯びた第１の上方膜部１１および第２の上方膜部１２を形成している。一方、下方基板２０の上面には、第１の下方溝Ｈ１および第２の下方溝Ｈ２（いずれも円形の溝）が形成されており、これら溝の底部は、肉厚が薄いために可撓性を帯びた第１の下方膜部２１および第２の下方膜部２２を形成している。
【００４９】
なお、ここでの「可撓性」とは、「弾性変形する性質」を言うものであり、「外力の作用によって変形が生じ、当該外力を取り去ると、もとの形に復帰する性質」を言うものである。また、本願において「可撓性を有する」とは、「作用した外力に対して有意な検出値を得るために十分な変形が生じること」を意味するものである。したがって、図１に示す上方基板１０や下方基板２０における溝が形成されていない部分も、厳密に言えば、外力の作用によって変形が生じるかもしれないが、溝の底部に比べれば、微細な変形にすぎない。したがって、本願にいう「可撓性」をもつ部分は、肉厚が薄い上方膜部１１，１２や下方膜部２１，２２の部分ということになる。
【００５０】
図１は、この装置の各部品を分解した状態を示す分解斜視図であるが、実際には、第１の柱状体４１の上端は第１の上方膜部１１の中心に接合され、下端は第１の下方膜部２１の中心に接合される。同様に、第２の柱状体４２の上端は第２の上方膜部１２の中心に接合され、下端は第２の下方膜部２２の中心に接合される。図１では、これら柱状体４１，４２の各基板１０，２０に対する接合位置を一点鎖線で示してある。柱状体４１，４２は、円柱状の部材であり、その中心軸が各基板１０，２０に直交するように配置されている。
【００５１】
結局、上方基板１０と下方基板２０とは、２本の柱状体４１，４２を介して互いに接合された状態になる。ただ、接合部分は、肉厚が薄いために可撓性を帯びた膜部（ダイアフラム）を形成しており、この膜部の撓みによって、各柱状体４１，４２は変位することが可能である。したがって、下方基板２０を固定した状態において、上方基板１０に対して外力を作用させると、各柱状体４１，４２が変位し、上方基板１０が下方基板２０に対して変位を生じることになる。この力検出装置の検出原理は、各柱状体４１，４２の変位に基づいて、作用した外力を検出することにある。
【００５２】
補助基板３０は、下方基板２０の下方に所定間隔をおいて固定された絶縁性の基板であり、その上面には、４枚の半円状の固定電極Ｅ１〜Ｅ４が形成されている。ここで、一対の固定電極Ｅ１，Ｅ２は、第１の下方膜部２１に対向する電極であり、一対の固定電極Ｅ３，Ｅ４は、第２の下方膜部２２に対向する電極である。下方基板２０を導電性材料によって構成しておけば、第１の下方膜部２１および第２の下方膜部２２は、いずれも円盤状の変位電極として機能することになる。
【００５３】
したがって、第１の下方膜部２１の左側半分の部分とこれに対向する固定電極Ｅ１とによって第１の容量素子Ｃ１が形成され、第１の下方膜部２１の右側半分の部分とこれに対向する固定電極Ｅ２とによって第２の容量素子Ｃ２が形成される。同様に、第２の下方膜部２２の左側半分の部分とこれに対向する固定電極Ｅ３とによって第３の容量素子Ｃ３が形成され、第２の下方膜部２２の右側半分の部分とこれに対向する固定電極Ｅ４とによって第４の容量素子Ｃ４が形成される。これら容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、各柱状体４１，４２の変位を検出するセンサとして機能する。
【００５４】
ここでは、便宜上、図示のように、ＸＹＺ三次元座標系を定義する。Ｚ軸は、３枚の基板１０，２０，３０の中心位置を貫く位置に定義され、上方基板１０の上面に対して交点Ｑ１０をなし、下方基板２０の上面に対して交点Ｑ２０をなし、補助基板３０の上面に対して交点Ｑ３０をなす。一方、Ｘ軸およびＹ軸は、各基板面に対して平行な方向を向いた座標軸である。
【００５５】
座標系の原点Ｏの位置は、たとえば交点Ｑ１０，Ｑ２０，Ｑ３０の位置に定義することもできるが、ここでは、後述する実施例との整合性をもたせるため、Ｚ軸上における、下方基板２０の下面と補助基板３０の上面との中間位置に原点Ｏをとることにする。３枚の基板１０，２０，３０の基板面（溝形成部を除く上面および下面）は、いずれもＸＹ平面に平行な面になる。
【００５６】
図２(a) ，(b) は、図１に示す力検出装置によるＸ軸方向の力Ｆｘの検出原理を示す縦断面図（この装置をＸＺ平面で切断した断面図）である。図２(a) は、図１に示す各部品を組み合わせて構成される装置を正面から見たときの縦断面図であり、この装置に何ら外力が作用していない状態を示している。下方基板２０および補助基板３０は、図示されていない支持部材によって、図示の位置に固定された状態になっている。一方、上方基板１０は、外力が作用していない状態では、図示のとおり、下方基板２０の真上に位置している。このとき、柱状体４１，４２の中心軸は、Ｚ軸に平行な状態となっている。
【００５７】
ところが、外力の作用を受けると、各膜部１１，１２，２１，２２が撓みを生じ、柱状体４１，４２が変位し、上方基板１０自身も変位を生じることになる。図２(b) は、上方基板１０の重心位置にとった作用点Ｑに、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合の変位状態を示している。図示のとおり、２本の柱状体４１，４２はいずれもＸ軸正方向（図の右方向）に傾斜し、上方基板１０は右方向へ変位を生じている。作用した力＋Ｆｘが大きければ大きいほど、柱状体４１，４２の傾斜度も大きくなる。また、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合は、柱状体４１，４２は、図とは逆に、Ｘ軸負方向（図の左方向）に傾斜し、上方基板１０は左方向へ変位する。
【００５８】
さて、ここで、柱状体４１，４２の中心軸をそれぞれＡ１，Ａ２とすれば、図２(a) に示すように、何ら外力が作用していない状態では、各中心軸Ａ１，Ａ２は、それぞれ垂直基準軸Ｒ１，Ｒ２（Ｚ軸に平行な軸）に一致する。したがって、垂直基準軸Ｒ１に対する中心軸Ａ１の傾斜角をθ１、垂直基準軸Ｒ２に対する中心軸Ａ２の傾斜角をθ２とすれば、θ１＝θ２＝０である。
【００５９】
ところが、図２(b) に示すように、作用点Ｑに対して外力＋Ｆｘが作用すると、各中心軸Ａ１，Ａ２はＸ軸正方向（図の右方向）に傾斜するため、傾斜角θ１，θ２は増加することになる。たとえば、図において、垂直基準軸Ｒ１，Ｒ２を基準として、時計まわりの方向に傾斜角θ１，θ２を定義したとすれば、外力＋Ｆｘが作用すると、傾斜角θ１，θ２は正の値をとる。逆に、外力−Ｆｘが作用すると、各中心軸Ａ１，Ａ２はＸ軸負方向（図の左方向）に傾斜するため、傾斜角θ１，θ２は負の値をとる。したがって、傾斜角θ１，θ２を測定することができれば、Ｘ軸方向に作用した外力Ｆｘの向きおよび大きさを検出することができる。
【００６０】
図示の装置では、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値（同じ符号Ｃ１〜Ｃ４で示す）によって、傾斜角θ１，θ２の変化を把握することができる。たとえば、図２(b) に示す状態を図２(a) に示す状態と比較すると、固定電極Ｅ１と下方膜部２１の左半分（変位電極）との距離は広がっているため静電容量値Ｃ１は減少し、固定電極Ｅ２と下方膜部２１の右半分（変位電極）との距離は狭まっているため静電容量値Ｃ２は増加する。よって、柱状体４１の傾斜角θ１は、容量値の差「Ｃ２−Ｃ１」として求めることができる。同様に、固定電極Ｅ３と下方膜部２２の左半分（変位電極）との距離は広がっているため静電容量値Ｃ３は減少し、固定電極Ｅ４と下方膜部２２の右半分（変位電極）との距離は狭まっているため静電容量値Ｃ４は増加する。よって、柱状体４２の傾斜角θ２は、容量値の差「Ｃ４−Ｃ３」として求めることができる。そこで、傾斜角θ１，θ２の和に対応する「（Ｃ２−Ｃ１）＋（Ｃ４−Ｃ３）」なる値を、Ｘ軸方向に作用した外力Ｆｘの検出値として用いることができる。
【００６１】
ここでは、説明の便宜上、２本の柱状体４１，４２を用いて、Ｘ軸方向の力Ｆｘを検出する単純な例を示したが、前掲の特許文献４，５には、より多数の柱状体を設け、個々の柱状体のそれぞれについて、Ｘ軸正および負方向への傾斜とともに、Ｙ軸正および負方向への傾斜を測定することにより、各座標軸方向の力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、各座標軸まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとの６つの成分を検出する方法が開示されている。
【００６２】
しかしながら、この従来型の力検出装置において、柱状体の特定方向への傾斜度を測定するためには、それぞれ独立したセンサが必要になり、装置全体の構造が複雑化する問題が生じることは、既に述べたとおりである。たとえば、センサとして容量素子を用いた場合、１本の柱状体のＸ軸方向に関する傾斜度を測定するために２組の容量素子が必要になり、ＸＹ両軸方向に関する傾斜度を測定するためには４組の容量素子が必要になる。
【００６３】
＜＜＜  §２．  先願発明の基本的実施形態に係る力検出装置  ＞＞＞
先願発明の最も重要な着眼点は、「上方基板と下方基板との間を接続する一対の柱状体を互いに逆向きに傾斜させる」という発想にある。すなわち、前掲の特許文献４，５に開示されている技術では、「外力が作用していない標準の状態において、各柱状体が下方基板の基板面に対して垂直である」ことを前提としている。たとえば、図２(a) に示す例の場合、上方基板１０および下方基板２０の基板面がＸＹ平面に平行になるように配置され、第１の柱状体４１および第２の柱状体４２は、その中心軸がＺ軸に平行になるように配置されている。
【００６４】
別言すれば、従来装置の場合、柱状体４１，４２は、下方基板２０上に垂直に立っている状態を基準とし、柱状体４１，４２が、この垂直な状態からどちらの方向にどれだけ傾斜したかを測定することにより、作用した外力の検出が行われることになる。これに対して、先願発明では、「外力が作用していない標準の状態において、各柱状体が下方基板の基板面に対して傾斜している」ことを前提としており、しかも「一対の柱状体が互いに逆向きに傾斜している」ことを前提としている。
【００６５】
図３(a) ，(b) は、先願発明の基本的実施形態に係る力検出装置によるＸ軸方向の力Ｆｘの検出原理を示す縦断面図（ＸＺ平面で切断した断面）である。この図３に示す基本的実施形態に係る装置は、図２に示す従来装置と同様に、上方基板１０，下方基板２０，補助基板３０，第１の柱状体Ｐ１，第２の柱状体Ｐ２を備えている。ここで、図３(a) は、外力が作用していない標準の状態を示すものである。
【００６６】
図示のとおり、上方基板１０の下面には、第１の上方溝Ｇ１および第２の上方溝Ｇ２（いずれも円形の溝）が形成されており、これら溝の底部は、肉厚が薄いために可撓性を帯びた第１の上方膜部１１および第２の上方膜部１２を形成している。一方、下方基板２０の上面には、第１の下方溝Ｈ１および第２の下方溝Ｈ２（いずれも円形の溝）が形成されており、これら溝の底部は、肉厚が薄いために可撓性を帯びた第１の下方膜部２１および第２の下方膜部２２を形成している。そして、第１の柱状体Ｐ１の上端は第１の上方膜部１１の中心に接合され、下端は第１の下方膜部２１の中心に接合されている。同様に、第２の柱状体Ｐ２の上端は第２の上方膜部１２の中心に接合され、下端は第２の下方膜部２２の中心に接合されている。
【００６７】
結局、上方基板１０と下方基板２０とは、２本の円柱状の柱状体Ｐ１，Ｐ２を介して互いに接合された状態になる。ただ、接合部分は、肉厚が薄いために可撓性を帯びた膜部（ダイアフラム）を形成しており、この膜部の撓みによって、各柱状体Ｐ１，Ｐ２は変位することが可能である。したがって、下方基板２０を固定した状態において、上方基板１０に対して外力を作用させると、各柱状体Ｐ１，Ｐ２が変位し、上方基板１０が下方基板２０に対して変位を生じることになる。このような基本的な性質は、§１で述べた従来装置の基本的な性質と全く同様であり、先願発明に係る装置においても、各柱状体Ｐ１，Ｐ２の変位に基づいて、作用した外力の検出が行われる。
【００６８】
ただ、図３(a) の構造を図２(a) の構造と比較すればわかるとおり、先願発明に係る装置の場合、外力が作用していない標準の状態において、２本の柱状体Ｐ１，Ｐ２が傾斜した状態になっている。すなわち、§１で述べた例と同様に、３枚の基板１０，２０，３０の中心位置を貫く位置にＺ軸をとり、このＺ軸上における、下方基板２０の下面と補助基板３０の上面との中間位置に原点Ｏをとって、図示のようなＸＹＺ三次元座標系を定義した場合、３枚の基板１０，２０，３０の基板面は、いずれもＸＹ平面に平行な面になる。ところが、２本の柱状体Ｐ１，Ｐ２の中心軸Ａ１，Ａ２は、いずれも垂直基準軸Ｒ１，Ｒ２に対して傾斜した状態になっている。
【００６９】
補助基板３０は、下方基板２０の下方に所定間隔をおいて固定された絶縁性の基板であり、その上面には、２枚の固定電極Ｅ５，Ｅ６が形成されている。ここで、固定電極Ｅ５は、第１の下方膜部２１に対向する円盤状の電極であり、固定電極Ｅ６は、第２の下方膜部２２に対向する円盤状の電極である。下方基板２０を導電性材料によって構成しておけば、第１の下方膜部２１および第２の下方膜部２２は、いずれも円盤状の変位電極として機能することになる。よって、第１の下方膜部２１とこれに対向する固定電極Ｅ５とによって容量素子Ｃ５が形成され、第２の下方膜部２２とこれに対向する固定電極Ｅ６とによって容量素子Ｃ６が形成される。
【００７０】
さて、この装置では、外力が作用していない標準の状態において、２本の柱状体Ｐ１，Ｐ２が傾斜した状態になっているため、柱状体Ｐ１，Ｐ２の上端は上方膜部１１，１２に対して斜めに接続されており、下端は下方膜部２１，２２に対して斜めに接続されている。したがって、外力が作用していない標準の状態において、各膜部１１，１２，２１，２２は水平な膜の状態を維持し、これらの膜には、撓みを生じさせる応力は作用していない。よって、この標準の状態においては、静電容量値Ｃ５＝Ｃ６である。
【００７１】
ここで重要な点は、この図３(a) に示す標準の状態において、第１の柱状体Ｐ１と第２の柱状体Ｐ２とが、Ｚ軸に関して逆向きに傾斜している点である。図示の例の場合、第１の柱状体Ｐ１はＺ軸を基準として右方向（Ｘ軸正方向）に傾斜しているのに対して、第２の柱状体Ｐ２はＺ軸を基準として左方向（Ｘ軸負方向）に傾斜している。すなわち、中心軸Ａ１，Ａ２の垂直基準軸Ｒ１，Ｒ２に対する傾斜角θ１，θ２に着目すると、傾斜角θ１，θ２は符号が逆になる。図において、垂直基準軸Ｒ１，Ｒ２を基準として、時計まわりの方向に傾斜角θ１，θ２を定義したとすれば、θ１は正の値、θ２は負の値になる。図示の例では、装置の構造が、ＹＺ平面に関して面対称をなすように設計しているため、θ１とθ２の絶対値は等しくなる。
【００７２】
なお、図示の例では、２本の柱状体Ｐ１，Ｐ２の間隔が、上方にゆく程小さくなるような傾斜（逆Ｖ字型の傾斜）をとっているが、２本の柱状体Ｐ１，Ｐ２の間隔が、上方にゆく程大きくなるような傾斜（Ｖ字型の傾斜）をとってもかまわない。ここで必要な要件は、上方基板１０を図の右方向もしくは左方向へ移動させたときに、２本の柱状体Ｐ１，Ｐ２の一方は傾斜角が増加し（寝る方向に変位し）、他方は傾斜角が減少する（立つ方向に変位する）ようにすることである。
【００７３】
図３(b) は、この力検出装置の下方基板２０および補助基板３０を、図示されていない支持部材によって図示の位置に固定し、上方基板１０の重心位置にとった作用点Ｑに、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合の変位状態を示している。図示のとおり、２本の柱状体Ｐ１，Ｐ２の上端はいずれもＸ軸正方向（図の右方向）に移動する。このため、第１の柱状体Ｐ１は寝る方向に変位し、その傾斜度θ１の絶対値は増加する。ところが、第２の柱状体Ｐ２は立つ方向に変位し、その傾斜度θ２の絶対値は減少する。図３(b) は、θ２＝０になった状態を示しており、第２の柱状体Ｐ２の中心軸Ａ２は垂直基準軸Ｒ２に一致している。
【００７４】
ここで、この図３(b) において、第１の柱状体Ｐ１の上下に接合されている膜部１１，２１の変形態様に着目すると、第１の上方膜部１１は下方へと引っ張られ、第１の下方膜部２１は上方へと引っ張られるように変形している。これは、第１の柱状体Ｐ１が寝る方向に変位し、垂直方向に関する実効寸法が短くなったために生じる変形である。これに対して、第２の柱状体Ｐ２の上下に接合されている膜部１２，２２の変形態様に着目すると、第２の上方膜部１２は上方へ押し出され、第２の下方膜部２２は下方へ押し出されるように変形している。これは、第２の柱状体Ｐ２が立つ方向に変位し、垂直方向に関する実効寸法が長くなったために生じる変形である。
【００７５】
なお、実際には、下方基板２０および補助基板３０を固定し、上方基板１０を自由な状態（２本の柱状体Ｐ１，Ｐ２のみによって支持された状態）にして、作用点ＱにＸ軸方向の力＋Ｆｘを作用させると、上述したとおり、第１の上方膜部１１には下方へと引っ張られる力が加わり、第２の上方膜部１２には上方へ押し出される力が加わるため、上方基板１０には反時計まわりの回転変位が生じることになる。ただ、そのような回転変位が生じたとしても、各膜部１１，１２，２１，２２の基本的な変形態様が図３(b) に示すようになることに変わりはない。
【００７６】
図示の装置では、２組の容量素子Ｃ５，Ｃ６の静電容量値（同じ符号Ｃ５，Ｃ６で示す）によって、このような２本の柱状体Ｐ１，Ｐ２の変位状態を把握することができる。たとえば、図３(b) に示す状態を図３(a) に示す状態と比較すると、固定電極Ｅ５と下方膜部２１（変位電極）との距離は広がっているため静電容量値Ｃ５は減少し、固定電極Ｅ６と下方膜部２２（変位電極）との距離は狭まっているため静電容量値Ｃ６は増加する。よって、作用点Ｑに作用したＸ軸正方向の力＋Ｆｘは、容量値の差「Ｃ６−Ｃ５」として求めることができる。また、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合は、図３(b) と鏡像関係の状態が得られるので、やはり力−Ｆｘは、容量値の差「Ｃ６−Ｃ５」として求めることができる（この場合、負の値が得られる）。結局、容量値の差「Ｃ６−Ｃ５」は、符号を考慮すれば、Ｘ軸方向に作用した外力Ｆｘの検出値として用いることができる。
【００７７】
なお、図３(b) に示す状態よりも更に大きな力＋Ｆｘが作用した場合は、第２の柱状体Ｐ２が寝る方向に変位することになり、容量値Ｃ６が減少し始めることになるので、容量値の差「Ｃ６−Ｃ５」は正しい検出値を示すものにはならない。したがって、図３(b) に示す状態で作用している力＋Ｆｘが、この装置によるＸ軸正方向の力の定格検出値ということになる。同様に、第１の柱状体Ｐ１を垂直に立った状態にまで変位させる力−Ｆｘが、この装置によるＸ軸負方向の力の定格検出値ということになる。したがって、実用上は、定格値を超える力が作用したときの誤検出を避けるために、上方基板１０の変位を制限する制御部材を設けるなどの工夫を施すのが好ましい。このような制御部材は、また、定格値を超える力の作用によって、膜部が破損することを避ける上でも有用である。
【００７８】
このように、先願発明では、外力が作用していない標準の状態において、一対の柱状体Ｐ１，Ｐ２が互いに逆向きに傾斜した構造をとるようにしたため、「各柱状体Ｐ１，Ｐ２の傾斜状態」を「基板面に垂直な方向に働く力」として測定できるようになる。これは、各柱状体の傾斜状態を測定するセンサの構成をより単純化できることを意味する。実際、図２に示す従来装置の場合、力Ｆｘの検出を行うために、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４を用いた測定が必要であるのに対して、図３に示す先願発明に係る装置の場合、２組の容量素子Ｃ５，Ｃ６を用いた測定によって、力Ｆｘの検出が可能になる。これは、各柱状体Ｐ１，Ｐ２の傾斜状態が、図３(a) に示す状態から図３(b) に示す状態に変化したことを認識するのに、下方膜部２１，２２のＺ軸方向の変位（基板面に垂直な方向に関する変位）のみを測定すれば足りるためである。
【００７９】
なお、この§２で述べる基本的実施形態に係る力検出装置は、作用点Ｑに作用したＸ軸方向の力Ｆｘのみならず、Ｚ軸方向の力Ｆｚを検出することも可能である。図４(a) は、この装置の作用点Ｑに、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの状態を示す縦断面図であり、図４(b) は、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用したときの状態を示す縦断面図である。
【００８０】
図３(a) に示す標準の状態と比較すると、図４(a) に示すように、力＋Ｆｚが作用したときは、上方基板１０は上方へと移動し、下方膜部２１，２２はいずれも上方へと引っ張られることになる。このため、容量素子Ｃ５，Ｃ６の電極間隔はいずれも広がり、両者の容量値はいずれも減少する。これに対して、図４(b) に示すように、力−Ｆｚが作用したときは、上方基板１０は下方へと移動し、下方膜部２１，２２はいずれも下方へと押し下げられることになる。このため、容量素子Ｃ５，Ｃ６の電極間隔はいずれも狭まり、両者の容量値はいずれも増加する。
【００８１】
したがって、２組の容量素子Ｃ５，Ｃ６の容量値の和「（Ｃ５＋Ｃ６）」は、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値に対応することになる。すなわち、図３(a) に示す標準の状態における「（Ｃ５＋Ｃ６）」の値を基準として、この値が小さくなれば、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したことを示すことになり、この値が大きくなれば、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用したことを示すことになる。
【００８２】
なお、図３および図４に示す装置では、各柱状体Ｐ１，Ｐ２の上端および下端を、各膜部１１，１２，２１，２２に直接接合する形態をとっているが、両者間に別な部材を介在させて間接的に接合する形態をとってもかまわない。
【００８３】
図５は、先願発明の基本的実施形態に係る力検出装置において、柱状体と膜部との間に突起部を介在させる構造をとった場合に、各部品を分解した状態で示す縦断面図である。図示のとおり、この装置は、上方基板１５，第１の柱状体Ｐ１，第２の柱状体Ｐ２，下方基板２５，補助基板３５を備えている。
【００８４】
ここで、上方基板１５の下面には、第１の上方溝Ｇ１および第２の上方溝Ｇ２（いずれも円形の溝）が形成されており、これら溝の底部が、肉厚が薄いために可撓性を帯びた第１の上方膜部１１および第２の上方膜部１２を形成する点は、これまで述べた実施形態と同じである。また、下方基板２５の上面には、第１の下方溝Ｈ１および第２の下方溝Ｈ２（いずれも円形の溝）が形成されており、これら溝の底部が、肉厚が薄いために可撓性を帯びた第１の下方膜部２１および第２の下方膜部２２を形成する点も、これまで述べた実施形態と同じである。
【００８５】
ただ、第１の上方溝Ｇ１の内部には、溝の底面（すなわち、第１の上方膜部１１の下面）から基板面位置まで下方に伸びる円柱状の突起部１３が設けられており、第２の上方溝Ｇ２の内部には、溝の底面（すなわち、第２の上方膜部１２の下面）から基板面位置まで下方に伸びる円柱状の突起部１４が設けられている。そして、第１の柱状体Ｐ１の上端は、突起部１３を介して間接的に第１の上方膜部１１に接合され、第２の柱状体Ｐ２の上端は、突起部１４を介して間接的に第２の上方膜部１２に接合される。
【００８６】
同様に、第１の下方溝Ｈ１の内部には、溝の底面（すなわち、第１の下方膜部２１の上面）から基板面位置まで上方に伸びる円柱状の突起部２３が設けられており、第２の下方溝Ｈ２の内部には、溝の底面（すなわち、第２の下方膜部２２の上面）から基板面位置まで上方に伸びる円柱状の突起部２４が設けられている。そして、第１の柱状体Ｐ１の下端は、突起部２３を介して間接的に第１の下方膜部２１に接合され、第２の柱状体Ｐ２の下端は、突起部２４を介して間接的に第２の下方膜部２２に接合される。
【００８７】
更に、絶縁材料からなる補助基板３５の上面における第１の下方膜部２１の下方位置に第１の補助溝Ｋ１（円形の溝）が形成されており、第２の下方膜部２２の下方位置に第２の補助溝Ｋ２（円形の溝）が形成されている。そして、第１の補助溝Ｋ１の底面に、円盤状をした第１の固定電極Ｅ５が形成され、第２の補助溝Ｋ２の底面に、円盤状をした第２の固定電極Ｅ６が形成されている。
【００８８】
これらの各部品を組み立てることにより、図６に示すような力検出装置が得られる。柱状体Ｐ１，Ｐ２の上端は、それぞれ突起部１３，１４の下面に接合され、柱状体Ｐ１，Ｐ２の下端は、それぞれ突起部２３，２４の上面に接合され、更に、下方基板２５の下面に、補助基板３５が固着される。ここで、下方基板２５は、たとえば金属などの導電性材料から構成されており、この下方基板２５の１箇所に対して、検出回路５０への配線が施される。また、固定電極Ｅ５，Ｅ６に対しても、検出回路５０への配線が施される。
【００８９】
このように、上方基板１５および下方基板２５の溝内に、予め突起部１３，１４，２３，２４を形成しておく構造を採ると、各柱状体Ｐ１，Ｐ２の上下端を、これら突起部１３，１４，２３，２４の露出面に接合する作業を行うだけで、主たる構造部分を構成することができるので、組み立てが容易になる。また、図３，図４に示すように、柱状体Ｐ１，Ｐ２の上下端を溝の内部に入れて膜部に直接接合する構造にすると、柱状体Ｐ１，Ｐ２が極端に傾斜したときに溝の縁に接触するおそれがあるが、図５，図６に示すように、突起部１３，１４，２３，２４を介して間接的に接合する構造にすれば、柱状体Ｐ１，Ｐ２が、溝の外に配置されることになるので、溝の縁に接触することを防ぐことができる。
【００９０】
結局、先願発明の基本的実施形態に係る力検出装置の必須構成要素は、ＸＹ平面に平行な基板面を有する上方基板１０，１５、ＸＹ平面に平行な基板面を有し、上方基板の下方に配置された下方基板２０，２５、上端が上方基板の下面に直接もしくは間接的に接合され、下端が下方基板の上面に直接もしくは間接的に接合された第１の柱状体Ｐ１、上端が上方基板の下面に直接もしくは間接的に接合され下端が下方基板の上面に直接もしくは間接的に接合された第２の柱状体Ｐ２、第１の柱状体および第２の柱状体の変位に基づいて、作用した力を示す電気信号を出力する検出部５０、ということになる。
【００９１】
ここで、上方基板１０，１５のうち、第１の柱状体Ｐ１の上端が接合されている接合部近傍は、可撓性を有する第１の上方膜部１１を構成し、第２の柱状体Ｐ２の上端が接合されている接合部近傍は、可撓性を有する第２の上方膜部１２を構成し、下方基板２０，２５のうち、第１の柱状体Ｐ１の下端が接合されている接合部近傍は、可撓性を有する第１の下方膜部２１を構成し、第２の柱状体Ｐ２の下端が接合されている接合部近傍は、可撓性を有する第２の下方膜部２２を構成することになる。
【００９２】
なお、上方基板１０，１５側に設ける上方溝Ｇ１，Ｇ２は、必ずしも上方基板の下面側に設ける必要はなく、上面側に設けてもかまわない。上方溝Ｇ１，Ｇ２を上面側に設けた場合、上方膜部１１，１２は、上方基板１０，１５の下面側に位置する溝底部によって構成されることになる。要するに、上方基板の上面側もしくは下面側に第１の上方溝Ｇ１および第２の上方溝Ｇ２を設け、第１の上方溝Ｇ１の底部によって第１の上方膜部１１が形成され、第２の上方溝Ｇ２の底部によって第２の上方膜部１２が形成されるようにすればよい。
【００９３】
同様に、下方基板２０，２５側に設ける下方溝Ｈ１，Ｈ２も、必ずしも下方基板の上面側に設ける必要はなく、下面側に設けてもかまわない。下方溝Ｈ１，Ｈ２を下面側に設けた場合、下方膜部２１，２２は、下方基板２０，２５の上面側に位置する溝底部によって構成されることになる。要するに、下方基板の上面側もしくは下面側に第１の下方溝Ｈ１および第２の下方溝Ｈ２を設け、第１の下方溝Ｈ１の底部によって第１の下方膜部２１が形成され、第２の下方溝Ｈ２の底部によって第２の下方膜部２２が形成されるようにすればよい。
【００９４】
一方、先願発明を実施するにあたり、第１の柱状体Ｐ１と第２の柱状体Ｐ２との配置条件は重要である。これまで述べてきた図３〜図６に示す例では、いずれも、第１の柱状体Ｐ１の中心軸Ａ１と、第２の柱状体Ｐ２の中心軸Ａ２とが、双方ともにＸＺ平面上（図３〜図６の紙面に対応する平面上）に位置し、Ｚ軸に関して逆方向に傾斜する関係となっていた。
【００９５】
ただ、両中心軸Ａ１，Ａ２は、必ずしも同一平面上にある必要はない。これまで述べた基本原理に基づいて、一対の容量素子Ｃ５，Ｃ６の容量値の差「Ｃ６−Ｃ５」に基づいてＸ軸方向の力Ｆｘを検出し、一対の容量素子Ｃ５，Ｃ６の容量値の和「Ｃ５＋Ｃ６」に基づいてＺ軸方向の力Ｆｚを検出できるようにするためには、第１の柱状体Ｐ１の中心軸Ａ１をＸＺ平面に正射影して得られる投影像が、Ｚ軸に対して第１の方向に傾斜しており、第２の柱状体Ｐ２の中心軸Ａ１をＸＺ平面に正射影して得られる投影像が、Ｚ軸に対して第１の方向とは逆の第２の方向に傾斜しているような構造が維持されていれば足りる。
【００９６】
このような傾斜条件を満足するような構造であれば、第１の下方膜部２１のＺ軸方向への変位を検出する第１のセンサと、第２の下方膜部２２のＺ軸方向への変位を検出する第２のセンサと、を用意し、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、下方基板２０を固定した状態において上方基板１０に作用したＸ軸方向の力Ｆｘの検出値として出力することができ、また、第１のセンサの検出値と第２のセンサの検出値との和を示す電気信号を、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力することができる。
【００９７】
もっとも、実用上は、第１の柱状体Ｐ１の中心軸Ａ１と第２の柱状体Ｐ２の中心軸Ａ２とが、「ＸＺ平面」もしくは「ＸＺ平面に平行な同一平面」上に配置されるようにし、第１の柱状体Ｐ１と第２の柱状体Ｐ２とが、ＹＺ平面に関して面対称をなすようにするのが好ましい。そうすれば、装置全体を対称構造とすることができ、設計や組み立てが容易になるし、また、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合と、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合とで、変形態様に対称性が確保できるようになり、正の出力値と負の出力値との間に対称関係を得ることができる。
【００９８】
なお、各柱状体の傾斜状態を測定するセンサとしては、各柱状体の下端によって、下方基板の基板面に対して垂直な方向（すなわち、上方向および下方向）に加えられる力を電気信号として測定できるセンサであれば、どのようなセンサを用いてもかまわない。ただ、図示の実施例に示す容量素子を用いたセンサは、構造が非常に単純なセンサであり、先願発明への利用には最適である。
【００９９】
したがって、実用上は、第１のセンサを、第１の下方膜部２１に形成された第１の変位電極（図示の例の場合、下方膜部２１自身）と、この第１の変位電極に対向する位置に固定された第１の固定電極Ｅ５と、からなる第１の容量素子Ｃ５によって構成し、第２のセンサを、第２の下方膜部２２に形成された第２の変位電極（図示の例の場合、下方膜部２２自身）と、この第２の変位電極に対向する位置に固定された第２の固定電極Ｅ６と、からなる第２の容量素子によって構成するのが好ましい。
【０１００】
特に、図示の例のように、下方基板２０，２５を導電性材料から構成しておけば、第１の下方膜部２１自身が第１の変位電極として機能し、第２の下方膜部２２自身が第２の変位電極として機能することになるので、別途、変位電極を設ける必要がなくなり、構造を単純化することができる。もちろん、下方基板２０，２５が導電性材料でない場合には、第１の下方膜部２１の下面に導電性材料からなる第１の変位電極を形成し、第２の下方膜部２２の下面に導電性材料からなる第２の変位電極を形成すればよい。
【０１０１】
以上、この§２では、２本の柱状体Ｐ１，Ｐ２を用いて、Ｘ軸方向の力ＦｘおよびＺ軸方向の力Ｆｚを検出する機能をもった基本的実施形態に係る力検出装置を述べたが、「一対の柱状体を基準軸に関して逆向きに傾斜させて配置する」という基本原理を利用すれば、§３，§４で述べるように、より多数の力成分を検出可能な力検出装置を設計することができる。また、この§２で述べた基本的実施形態に係る力検出装置には、様々な変形を施すことも可能である。
【０１０２】
たとえば、上方基板１０全体を可撓性基板によって構成し、当該可撓性基板の一部により第１の上方膜部１１が形成され、当該可撓性基板の別な一部により第２の上方膜部１２が形成されるようにしてもよい。同様に、下方基板２０全体を可撓性基板によって構成し、当該可撓性基板の一部により第１の下方膜部２１が形成され、当該可撓性基板の別な一部により第２の下方膜部２２が形成されるようにしてもよい。あるいは、上方基板１０や下方基板２０の代わりに、任意形状の構造体を用いるようにしてもよい。このような変形例については、§５で述べることにする。
【０１０３】
＜＜＜  §３．  先願発明の実用的実施形態に係る力検出装置の構造  ＞＞＞
ここでは、§２で述べた基本原理を利用して、各座標軸方向の力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、各座標軸まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとの６つの成分を検出する機能をもった実用的実施形態に係る力検出装置の構造を説明する。
【０１０４】
図７は、この実用的実施形態に係る力検出装置の構成要素を分解した状態で示す正面図である。図示のとおり、この装置の主たる構成部品は、上方基板１００、下方基板２００、補助基板３００、そして８本の柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４である。図８は、これら各部品を組み立てて、力検出装置を構成した状態を示す正面図である（検出回路の部分はブロックとして示す）。図示のとおり、８本の柱状体の上端は上方基板１００の下面に接合され、下端は下方基板２００の上面に接合される。また、補助基板３００は、下方基板２００の下面に接合される。補助基板３００は、センサを構成する固定電極を支持する機能を果たす。
【０１０５】
ここで、図６に示す力検出装置の各構成要素と、図８に示す力検出装置の各構成要素とを比較すると、前者における上方基板１５，下方基板２５，補助基板３５，柱状体Ｐ１，Ｐ２，検出回路５０は、後者における上方基板１００，下方基板２００，補助基板３００，柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４，検出回路５００に対応する。両者の最大の相違点は、柱状体の数である。前者が、２本の柱状体を用いて、力ＦｘおよびＦｚを検出する機能をもった装置であるのに対して、後者は、８本の柱状体を用いて、力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出する機能をもった装置である。
【０１０６】
図７および図８には、４本の柱状体のみが現れているが、実際には、図示されている各柱状体の奥に、それぞれ別な柱状体が配置されている（図では、奥に隠れている柱状体の符号を括弧書きで示してある）。この装置において、８本の柱状体の配置、特に、その中心軸の傾斜方向は、上記力の６成分を正しく検出する上で非常に重要である。そこで、以下、この装置の構造を、個々の基板１００，２００，３００ごとに詳細に説明する。
【０１０７】
図９は、この力検出装置の上面図である。ここに示す実施形態では、３枚の基板１００，２００，３００は、いずれも同一半径をもった円盤によって構成されている。このため、上面図には、上方基板１００のみが現れているが、下方基板２００および補助基板３００は、その陰に隠れていることになる。ここでは、この３枚の円形基板の中心を貫く軸をＺ軸にとることにする。また、図示のとおり、上面図において、図の右方向をＸ軸の正方向にとり、図の上方向をＹ軸の正方向にとる。したがって、３枚の基板１００，２００，３００は、いずれも基板面がＸＹ平面に平行な基板ということになり、その中心を貫くＺ軸は、図８における上方を正方向とする座標軸になる。
【０１０８】
なお、この座標系の原点Ｏは、図８の正面図に示すように、補助基板３００の上面近傍位置にとることにする（理由は後述する）。このため、ＸＹ平面は、図８の原点Ｏを通る水平面ということになるが、以下に示す各平面図（上面図）では、便宜上、図面上にＸ軸およびＹ軸を描いて示すことにする。厳密に言えば、以下に示す各平面図に描かれているＸ軸およびＹ軸は、当該図面上へのＸ軸およびＹ軸の投影像ということになるが、特に混乱が生じない限り、図面上に二次元ＸＹ座標系が定義されているものとして説明を行う。
【０１０９】
図９にハッチングを施して示す８箇所の楕円領域は、上述した８本の柱状体が配置されている領域を示すものである（ハッチングは、領域を示すためのものであり、断面を示すためのものではない）。各領域が楕円で示されているのは、各柱状体が傾斜しているためである。ここでは、これら８箇所の領域を、領域Ａｘ１〜Ａｘ４および領域Ａｙ１〜Ａｙ４と呼ぶことにする。領域Ａｘ１〜Ａｘ４は、Ｘ軸の両脇に配置された領域であり、領域Ａｙ１〜Ａｙ４は、Ｙ軸の両脇に配置された領域である。以下、これら各領域を示す符号３文字のうち、後ろの符号２文字を、当該領域の位置を示す位置参照符号として利用することにする。たとえば、領域符号「Ａｘ１」の後ろの２文字「ｘ１」は、図示の領域Ａｘ１の位置を示す位置参照符号として用いられる。
【０１１０】
図１０は、図８に示す力検出装置の構成要素である上方基板１００の上面図である。図には、８箇所に二重円が破線で描かれているが、これらは、上方基板１００の下面に形成された溝および突起部を示すものである。溝も突起部も、基板下面に形成されているため、図では破線で描かれている。８箇所の二重円は、それぞれ図９に示す８箇所の領域のいずれかの位置に対応する。
【０１１１】
二重円を構成する外側の円は、形成された円環状の溝の外周を示し、内側の円は、形成された円柱状の突起部の外周を示している。外側の円と内側の円との間の領域には、ワッシャ状の膜部が形成される。ここでは、溝を「Ｇを頭にもつ３文字の符号」で示し、膜部を「Ｂを頭にもつ３文字の符号」で示し、突起部を「ｂを頭にもつ３文字の符号」で示すことにする。各符号の後ろの２文字は、上述した位置参照符号である。たとえば、図１０の右端に符号「Ｇｘ２」で示された部分は、領域Ａｘ２に位置する溝を示し、符号「Ｂｘ２」で示された部分は、領域Ａｘ２に位置する膜部を示し、符号「ｂｘ２」で示された部分は、領域Ａｘ２に位置する突起部を示している。
【０１１２】
溝Ｇｘ２，膜部Ｂｘ２，突起部ｂｘ２の構造は、図１１(A) の縦断面図に明瞭に示されている。図１１(A) は、図１０に示す上方基板１００を、切断線Ａ−Ａに沿って切断した縦断面図である。図示のとおり、溝Ｇｘ２，Ｇｘ４は、いずれも上方基板１００の下面側に掘られた円環状の溝であり、ここでは「上方溝」と呼ぶことにする。膜部Ｂｘ２，Ｂｘ４は、溝Ｇｘ２，Ｇｘ４の形成によって厚みが小さくなった部分であり、溝の底部を形成するワッシャ状の膜状部分である。ここでは、これら膜状部分を「上方膜部」と呼ぶことにする。一方、突起部ｂｘ２，ｂｘ４は、溝Ｇｘ２，Ｇｘ４の内部において下方に突き出た円柱状の構造体であり、後述するように、柱状体の上端を接続するために利用される。
【０１１３】
同様に、図１１(B) ，(C) は、図１０に示す上方基板１００を、それぞれ切断線Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃに沿って切断した縦断面図である。切断線Ｂ−Ｂの位置には何ら溝は形成されていないが、切断線Ｃ−Ｃの位置には、上方溝Ｇｙ３，Ｇｙ４が形成されており、その結果、上方膜部Ｂｙ３，Ｂｙ４と突起部ｂｙ３，ｂｙ４とが形成されている。ここで、上方溝Ｇｙ３，上方膜部Ｂｙ３，突起部ｂｙ３は、図９に示す領域Ａｙ３に位置する構成要素であり、上方溝Ｇｙ４，上方膜部Ｂｙ４，突起部ｂｙ４は、図９に示す領域Ａｙ４に位置する構成要素である。
【０１１４】
一方、図１２は、図８に示す力検出装置の構成要素である下方基板２００の上面図である。この図にも、８箇所に二重円が描かれているが、これらは、下方基板２００の上面に形成された溝および突起部を示すものである。これら８箇所の二重円も、それぞれ図９に示す８箇所の領域のいずれかの位置に対応する。この図１２に示された８箇所の二重円の位置と、図１０に破線で示された８箇所の二重円の位置とは、平面図上において重ならない。これは、後述するように、各柱状体がいずれも斜めに配置されるためである。
【０１１５】
この図においても、二重円を構成する外側の円は、形成された円環状の溝の外周を示し、内側の円は、形成された円柱状の突起部の外周を示している。外側の円と内側の円との間の領域には、ワッシャ状の膜部が形成される。この下方基板２００では、溝を「Ｈを頭にもつ３文字の符号」で示し、膜部を「Ｄを頭にもつ３文字の符号」で示し、突起部を「ｄを頭にもつ３文字の符号」で示すことにする。やはり各符号の後ろの２文字は、上述した位置参照符号である。たとえば、図１２の右端に符号「Ｈｘ２」で示された部分は、領域Ａｘ２に位置する溝を示し、符号「Ｄｘ２」で示された部分は、領域Ａｘ２に位置する膜部を示し、符号「ｄｘ２」で示された部分は、領域Ａｘ２に位置する突起部を示している。
【０１１６】
溝Ｈｘ２，膜部Ｄｘ２，突起部ｄｘ２の構造は、図１３(B) の縦断面図に明瞭に示されている。図１３(B) は、図１２に示す下方基板２００を、切断線Ｂ−Ｂに沿って切断した縦断面図である。図示のとおり、溝Ｈｘ２，Ｈｘ４は、いずれも下方基板２００の上面側に掘られた円環状の溝であり、ここでは「下方溝」と呼ぶことにする。膜部Ｄｘ２，Ｄｘ４は、溝Ｈｘ２，Ｈｘ４の形成によって厚みが小さくなった部分であり、溝の底部を形成するワッシャ状の膜状部分である。ここでは、これら膜状部分を「下方膜部」と呼ぶことにする。一方、突起部ｄｘ２，ｄｘ４は、溝Ｈｘ２，Ｈｘ４の内部において上方に突き出た円柱状の構造体であり、後述するように、柱状体の下端を接続するために利用される。
【０１１７】
同様に、図１３(A) ，(C) は、図１２に示す下方基板２００を、それぞれ切断線Ａ−Ａ，Ｃ−Ｃに沿って切断した縦断面図である。切断線Ａ−Ａの位置には何ら溝は形成されていないが、切断線Ｃ−Ｃの位置には、下方溝Ｈｙ３，Ｈｙ４が形成されており、その結果、下方膜部Ｄｙ３，Ｄｙ４と突起部ｄｙ３，ｄｙ４とが形成されている。ここで、下方溝Ｈｙ３，下方膜部Ｄｙ３，突起部ｄｙ３は、図９に示す領域Ａｙ３に位置する構成要素であり、下方溝Ｈｙ４，下方膜部Ｄｙ４，突起部ｄｙ４は、図９に示す領域Ａｙ４に位置する構成要素である。
【０１１８】
図１４は、図８に示す力検出装置の構成要素である補助基板３００の上面図である。この図にも、８箇所に二重円が描かれているが、これらは、補助基板３００の上面に形成された溝および電極を示すものである。これら８箇所の二重円も、それぞれ図９に示す８箇所の領域のいずれかの位置に対応する。この図１４に示された８箇所の二重円の位置と、図１２に示された８箇所の二重円の位置とは、平面図上において一致する。これは、この補助基板３００上の８枚の電極が、下方基板２００の８枚の下方膜部のそれぞれ直下に位置するように構成されているためである。
【０１１９】
図１４において、二重円を構成する外側の円は、形成された円柱状の溝の外周を示し、内側の円は、溝の底面に形成された円盤状の電極の外周を示している。この補助基板３００では、溝を「Ｋを頭にもつ３文字の符号」で示し、電極を「Ｅを頭にもつ３文字の符号」で示すことにする。やはり各符号の後ろの２文字は、上述した位置参照符号である。たとえば、図１４の右端に符号「Ｋｘ２」で示された部分は、領域Ａｘ２に位置する溝を示し、符号「Ｅｘ２」で示された部分は、領域Ａｘ２に位置する電極を示している。
【０１２０】
溝Ｋｘ２，電極Ｅｘ２の構造は、図１５(B) の縦断面図に明瞭に示されている。図１５(B) は、図１４に示す補助基板３００を、切断線Ｂ−Ｂに沿って切断した縦断面図である。図示のとおり、溝Ｋｘ２，Ｋｘ４は、いずれも補助基板３００の上面側に掘られた円柱状の溝であり、ここでは「補助溝」と呼ぶことにする。上方基板１００側の上方溝や下方基板２００側の下方溝は、それぞれ可撓性をもった上方膜部や下方膜部を形成する役割を果たすものであったが、補助基板３００側の補助溝は、下方基板２００の下方に所定距離をおいて支持された電極を形成する役割を果たす。図１５(B) に示されているとおり、電極Ｅｘ２は、補助溝Ｋｘ２の底面に固定された円盤状の電極であり、電極Ｅｘ４は、補助溝Ｋｘ４の底面に固定された円盤状の電極である。ここでは、これら補助基板３００側に固定された８枚の電極を「固定電極」と呼ぶことにする。
【０１２１】
同様に、図１５(A) ，(C) は、図１４に示す補助基板３００を、それぞれ切断線Ａ−Ａ，Ｃ−Ｃに沿って切断した縦断面図である。切断線Ａ−Ａの位置には何ら溝は形成されていないが、切断線Ｃ−Ｃの位置には、補助溝Ｋｙ３，Ｋｙ４が形成されており、その底面には、固定電極Ｅｙ３，Ｅｙ４が固定されている。ここで、補助溝Ｋｙ３，固定電極Ｅｙ３は、図９に示す領域Ａｙ３に位置する構成要素であり、補助溝Ｋｙ４，固定電極Ｅｙ４は、図９に示す領域Ａｙ４に位置する構成要素である。
【０１２２】
以上、上方基板１００，下方基板２００，補助基板３００の構成を個別に説明したが、続いて、これら各基板と８本の柱状体によって組み立てられた装置の全体構成を説明する。ここに示す例の場合、８本の柱状体は、ほぼ円柱状の部材である。
【０１２３】
図１６は、図８に示す力検出装置を、ＸＺ平面に沿って切断した縦断面図である。ＸＺ平面の奥に位置する４本の柱状体Ｐｘ１，Ｐｘ３，Ｐｙ１，Ｐｙ２が、上方基板１００と下方基板２００との間に挟まれた状態が示されている。ここで、右端の柱状体Ｐｘ１および左端の柱状体Ｐｘ３は、図面上では直立しているように見えるが、実際には、図面の奥行き方向に傾斜している。
【０１２４】
図１７は、図８に示す力検出装置を、図１０，図１２，図１４に示されている切断線Ａ−Ａに沿って切断した縦断面図である。図１０に示すとおり、切断線Ａ−Ａ上には、上方溝Ｇｘ２，Ｇｘ４、上方膜部Ｂｘ２，Ｂｘ４，突起部ｂｘ２，ｂｘ４が配置されており、図１７には、これらの断面がそれぞれ示されている。また、各突起部ｂｘ２，ｂｘ４の下面には、それぞれ柱状体Ｐｘ２，Ｐｘ４が接続された状態が示されている。たとえば、突起部ｂｘ２の下方に位置する柱状体Ｐｘ２は、突起部ｂｘ２の下面から、図面手前方向に伸びる部材であるが、切断線Ａ−Ａに沿った切断面のみが示されている。なお、その奥に位置する柱状体Ｐｘ１の上端は、突起部ｂｘ２ではなく、その奥に位置する突起部ｂｘ１の下面に接合されている。
【０１２５】
図１８は、図８に示す力検出装置を、図１０，図１２，図１４に示されている切断線Ｂ−Ｂに沿って切断した縦断面図である。図１２，図１４に示すとおり、切断線Ｂ−Ｂ上には、下方溝Ｈｘ２，Ｈｘ４、下方膜部Ｄｘ２，Ｄｘ４，突起部ｄｘ２，ｄｘ４，補助溝Ｋｘ２，Ｋｘ４、固定電極Ｅｘ２，Ｅｘ４が配置されており、図１８には、これらの断面がそれぞれ示されている。また、各突起部ｄｘ２，ｄｘ４の上面には、それぞれ柱状体Ｐｘ２，Ｐｘ４が接続された状態が示されている。たとえば、突起部ｄｘ２の上方に位置する柱状体Ｐｘ２は、突起部ｄｘ２の上面から、図面奥行き方向に伸びる部材であり、図では、切断線Ｂ−Ｂに沿った切断面およびそれより奥に位置する部分が示されている。更に奥に位置する別な柱状体Ｐｘ１は、柱状体Ｐｘ２の陰に隠れて図には現れていない。
【０１２６】
図１９は、図８に示す力検出装置を、図１０，図１２，図１４に示されている切断線Ｃ−Ｃに沿って切断した縦断面図である。切断線Ｃ−Ｃ上には、図１０に示すとおり、上方溝Ｇｙ３，Ｇｙ４、上方膜部Ｂｙ３，Ｂｙ４，突起部ｂｙ３，ｂｙ４が配置されており、また、図１２に示すとおり、下方溝Ｈｙ３，Ｈｙ４、下方膜部Ｄｙ３，Ｄｙ４，突起部ｄｙ３，ｄｙ４が配置されており、更に、図１４に示すとおり、補助溝Ｋｙ３，Ｋｙ４、固定電極Ｅｙ３，Ｅｙ４が配置されている。図１９には、これらの断面がそれぞれ示されている。
【０１２７】
柱状体Ｐｙ３，Ｐｙ４の中心軸は、切断線Ｃ−Ｃに沿った縦断面上に位置するため、この図１９には、２本の柱状体Ｐｙ３，Ｐｙ４の上端および下端の接続状態が明瞭に示されている。すなわち、柱状体Ｐｙ３，Ｐｙ４の上端は、上方基板１００側の突起部ｂｙ３，ｂｙ４の下面に接合され、下端は、下方基板２００側の突起部ｄｙ３，ｄｙ４の上面に接合されている。しかも、柱状体Ｐｙ３は上端が左側へ傾くように傾斜しているのに対して、柱状体Ｐｙ４は上端が右側へ傾くように傾斜しており、両者は逆方向に傾斜している。
【０１２８】
図１８に示すように、下方膜部Ｄｘ２の直下には、所定間隔をおいて、固定電極Ｅｘ２が配置されており、下方膜部Ｄｘ４の直下には、所定間隔をおいて、固定電極Ｅｘ４が配置されている。また、図１９に示すように、下方膜部Ｄｙ３の直下には、所定間隔をおいて、固定電極Ｅｙ３が配置されており、下方膜部Ｄｙ４の直下には、所定間隔をおいて、固定電極Ｅｙ４が配置されている。このように、ここに示す実施形態の場合、８枚の下方膜部Ｄｘ１〜Ｄｘ４，Ｄｙ１〜Ｄｙ４の直下には、所定間隔をおいて、それぞれ固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４が配置されている。そして、下方基板２００は導電性材料から構成されているため、８枚の下方膜部Ｄｘ１〜Ｄｘ４，Ｄｙ１〜Ｄｙ４はそれぞれが変位電極として機能し、対向する固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４とによって、容量素子Ｃｘ１〜Ｃｘ４，Ｃｙ１〜Ｃｙ４を構成する。これら各容量素子は、各下方膜部の上下方向（Ｚ軸方向）への変位を検出するセンサとして機能する。
【０１２９】
図２０は、図８に示す力検出装置における上方膜部および下方膜部の位置関係を示す平面図である。すなわち、図１０に示す８組の二重円（上方基板１００の構成要素）と、図１２に示す８組の二重円（下方基板２００の構成要素）とを、同一平面上に重ねて表示したものである。図に一点鎖線で示すとおり、Ｘ軸正側の点Ｑ（＋ｘ）を通りＹ軸に平行な基準線Ｌ１と、Ｘ軸負側の点Ｑ（−ｘ）を通りＹ軸に平行な基準線Ｌ２と、Ｙ軸正側の点Ｑ（＋ｙ）を通りＸ軸に平行な基準線Ｌ３と、Ｙ軸負側の点Ｑ（−ｙ）を通りＸ軸に平行な基準線Ｌ４と、を定義すると、合計１６組の二重円の中心は、それぞれ基準線Ｌ１〜Ｌ４の上に並ぶことになる。
【０１３０】
ここで、図９に示すような８個の領域を考えると、図２０において同一の領域に所属する二重円の内側の円（突起部）は、同一の柱状体の上端および下端の接続位置を示すことになる。たとえば、領域Ａｘ１内の突起部ｄｘ１とｂｘ１は、同一の柱状体Ｐｘ１の下端および上端の接続対象であり、領域Ａｘ２内の突起部ｄｘ２とｂｘ２は、同一の柱状体Ｐｘ２の下端および上端の接続対象である。同様に、領域Ａｙ１内の突起部ｄｙ１とｂｙ１は、同一の柱状体Ｐｙ１の下端および上端の接続対象であり、領域Ａｙ２内の突起部ｄｙ２とｂｙ２は、同一の柱状体Ｐｙ２の下端および上端の接続対象である。
【０１３１】
図２１は、図８に示す力検出装置における下方基板２００およびその上面に取り付けられた８本の柱状体を示す平面図である。別言すれば、図８に示す力検出装置において、上方基板１００を除去し、残りの構造体を上方から観察した上面図に対応する。ここで、ハッチングは、各柱状体の上端面を示すためのものであり、断面を示すものではない。また、参考のために、上方基板１００側に形成される上方溝の位置を破線で示してある。なお、図に一点鎖線で示すＳ（＋ｘ），Ｓ（−ｘ），Ｓ（＋ｙ），Ｓ（−ｙ）は、図２０に示す基準線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４上に立てた垂直面を示している。すなわち、Ｓ（＋ｘ）はＸ軸と正側で直交するＸ軸正側直交面、Ｓ（−ｘ）はＸ軸と負側で直交するＸ軸負側直交面、Ｓ（＋ｙ）はＹ軸と正側で直交するＹ軸正側直交面、Ｓ（−ｙ）はＹ軸と負側で直交するＹ軸負側直交面である。
【０１３２】
図示のとおり、柱状体Ｐｘ１，Ｐｘ２の中心軸は、Ｘ軸正側直交面Ｓ（＋ｘ）上に位置しており、柱状体Ｐｘ３，Ｐｘ４の中心軸は、Ｘ軸負側直交面Ｓ（−ｘ）上に位置しており、柱状体Ｐｙ１，Ｐｙ２の中心軸は、Ｙ軸正側直交面Ｓ（＋ｙ）上に位置しており、柱状体Ｐｙ３，Ｐｙ４の中心軸は、Ｙ軸負側直交面Ｓ（−ｙ）上に位置している。
【０１３３】
これは、柱状体Ｐｘ１，Ｐｘ２，Ｐｘ３，Ｐｘ４（以下、Ｘ軸柱状体と呼ぶ）が、Ｙ軸方向に関しては傾斜しているが、Ｘ軸方向に関しては傾斜していないことを意味し、また、柱状体Ｐｙ１，Ｐｙ２，Ｐｙ３，Ｐｙ４（以下、Ｙ軸柱状体と呼ぶ）が、Ｘ軸方向に関しては傾斜しているが、Ｙ軸方向に関しては傾斜していないことを意味する。また、Ｘ軸柱状体Ｐｘ１，Ｐｘ２のＸＺ平面に関する傾斜は互いに逆になっており、Ｘ軸柱状体Ｐｘ３，Ｐｘ４のＸＺ平面に関する傾斜も互いに逆になっている。同様に、Ｙ軸柱状体Ｐｙ１，Ｐｙ２のＹＺ平面に関する傾斜は互いに逆になっており、Ｙ軸柱状体Ｐｙ３，Ｐｙ４のＹＺ平面に関する傾斜も互いに逆になっている。８本の柱状体のこのような傾斜特性は、§４で述べる力の６軸成分の検出を行う上で非常に重要である。
【０１３４】
結局、図８に示す実施形態の力検出装置は、ＸＹＺ三次元座標系において所定方向に作用した力を検出する機能を有し、ＸＹ平面に平行な基板面を有する上方基板１００と、ＸＹ平面に平行な基板面を有し、上方基板１００の下方に配置された下方基板２００と、上端が上方基板１００の下面に、下端が下方基板２００の上面に、それぞれ接合された第１〜第４のＸ軸柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４および第１〜第４のＹ軸柱状体Ｐｙ１〜Ｐｙ４と、これら８本の柱状体の変位に基づいて、作用した力を示す電気信号を出力する検出部（図８には示されていない８組の容量素子Ｃｘ１〜Ｃｘ４，Ｃｙ１〜Ｃｙ４と、図８にブロックで示す検出回路５００）と、によって構成されていることになる。
【０１３５】
ここで、上方基板１００のうち、第１〜第４のＸ軸柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４の上端が接合されている接合部近傍は、それぞれ可撓性を有する第１〜第４のＸ軸上方膜部Ｂｘ１〜Ｂｘ４を構成し、第１〜第４のＹ軸柱状体Ｐｙ１〜Ｐｙ４の上端が接合されている接合部近傍は、それぞれ可撓性を有する第１〜第４のＹ軸上方膜部Ｂｙ１〜Ｂｙ４を構成している。同様に、下方基板２００のうち、第１〜第４のＸ軸柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４の下端が接合されている接合部近傍は、それぞれ可撓性を有する第１〜第４のＸ軸下方膜部Ｄｘ１〜Ｄｘ４を構成し、第１〜第４のＹ軸柱状体Ｐｙ１〜Ｐｙ４の下端が接合されている接合部近傍は、それぞれ可撓性を有する第１〜第４のＹ軸下方膜部Ｄｙ１〜Ｄｙ４を構成している。
【０１３６】
各膜部の厚みは、力検出に必要な可撓性を有するのに適した厚みとなるように設定される。各膜部は、いわゆるダイアフラムとして機能することになる。各膜部の厚みは、各溝の深さによって定まる寸法であり、この装置を製造するプロセスでは、材料となる基板上に所定の深さの溝を形成する加工を施して各膜部を形成することになる。本願発明者が試作した装置の場合、上方基板１００や下方基板２００を、厚み１０ｍｍのアルミニウムまたはステンレスからなる基板によって構成し、各溝の径を２０ｍｍ、突起部の径を１０ｍｍとしたとき、膜部の厚みを１．０ｍｍ以下に設定すれば、一般的な用途に利用する上で十分な可撓性をもった膜部を形成することができた。
【０１３７】
なお、各柱状体の上端と上方膜部との間や、各柱状体の下端と下方膜部との間は、直接的に接続する形態をとってもかまわないし、何らかの部材を仲介して間接的に接続する形態をとってもかまわない。ここに示す実施形態の場合、各柱状体は、突起部を介して間接的に各膜部に接続されている。たとえば、図１９には、柱状体Ｐｙ３の上端が突起部ｂｙ３を介して上方膜部Ｂｙ３に接続され、柱状体Ｐｙ３の下端が突起部ｄｙ３を介して下方膜部Ｄｙ３に接続され、柱状体Ｐｙ４の上端が突起部ｂｙ４を介して上方膜部Ｂｙ４に接続され、柱状体Ｐｙ４の下端が突起部ｄｙ４を介して下方膜部Ｄｙ４に接続されている状態が示されている。
【０１３８】
もちろん、突起部を介さずに柱状体の端を直接的に膜部に接合する構造をとってもかまわない。ただ、突起部を仲介させた方が、各柱状体の上下端を、これら突起部の露出面に接合する作業を行うだけで、主たる構造部分を構成することができるので、組み立てが容易になる。また、柱状体の上下端を溝の内部に入れて膜部に直接接合する構造にすると、柱状体が極端に傾斜したときに溝の縁に接触するおそれがあるので、実用上は、図示の例のように突起部を介して間接的に接合する構造をとるのが好ましい。
【０１３９】
すなわち、上方基板１００の下面側に各上方溝Ｇｘ１〜Ｇｘ４，Ｇｙ１〜Ｇｙ４を形成し、その内部に溝の底面から基板面位置まで下方に伸びる突起部ｂｘ１〜ｂｘ４，ｂｙ１〜ｂｙ４を設け、各柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４の上端を、これら各突起部を介して上方膜部Ｂｘ１〜Ｂｘ４，Ｂｙ１〜Ｂｙ４に接合するようにするのが好ましい。同様に、下方基板２００の上面側に各下方溝Ｈｘ１〜Ｈｘ４，Ｈｙ１〜Ｈｙ４を形成し、その内部に溝の底面から基板面位置まで上方に伸びる突起部ｄｘ１〜ｄｘ４，ｄｙ１〜ｄｙ４を設け、各柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４の下端を、これら各突起部を介して下方膜部Ｄｘ１〜Ｄｘ４，Ｄｙ１〜Ｄｙ４に接合するようにするのが好ましい。
【０１４０】
なお、図示する実施形態では、上方基板１００の下面側に上方溝Ｇｘ１〜Ｇｘ４，Ｇｙ１〜Ｇｙ４を形成し、これらの溝の底部によって上方膜部Ｂｘ１〜Ｂｘ４，Ｂｙ１〜Ｂｙ４を形成しているが、各上方溝を上方基板１００の上面側に形成し、上方基板１００の下面近傍に残った溝底部によって各上方膜部を形成するようにしてもよい。この場合、突起部を用いずに柱状体の上端を直接上方膜部に接合すれば十分である。同様に、図示する実施形態では、下方基板２００の上面側に下方溝Ｈｘ１〜Ｈｘ４，Ｈｙ１〜Ｈｙ４を形成し、これらの溝の底部によって下方膜部Ｄｘ１〜Ｄｘ４，Ｄｙ１〜Ｄｙ４を形成しているが、各下方溝を下方基板２００の下面側に形成し、下方基板２００の上面近傍に残った溝底部によって各下方膜部を形成するようにしてもよい。この場合も、突起部を用いずに柱状体の下端を直接下方膜部に接合すれば十分である。
【０１４１】
この§３で述べる実施形態においても、各柱状体の傾斜状態は重要である。既に述べたとおり、検出対象となる外力が作用していない状態において、８本の柱状体は、いずれもＺ軸に対して傾斜した状態となるように配置されている。ここで、§２で説明した基本原理に基づく測定を行うためには、「上方基板と下方基板との間を接続する一対の柱状体を互いに逆向きに傾斜させる」という条件を満たす配置が必要である。
【０１４２】
具体的には、図２１に示されているとおり、第１のＸ軸柱状体Ｐｘ１と第２のＸ軸柱状体Ｐｘ２については、その中心軸がＸ軸の正の領域においてＸ軸と直交するＸ軸正側直交面Ｓ（＋ｘ）に含まれるように、かつ、ＸＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜するように配置し、第３のＸ軸柱状体Ｐｘ３と第４のＸ軸柱状体Ｐｘ４については、その中心軸がＸ軸の負の領域においてＸ軸と直交するＸ軸負側直交面Ｓ（−ｘ）に含まれるように、かつ、ＸＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜するように配置する。同様に、第１のＹ軸柱状体Ｐｙ１と第２のＹ軸柱状体Ｐｙ２については、その中心軸がＹ軸の正の領域においてＹ軸と直交するＹ軸正側直交面Ｓ（＋ｙ）に含まれるように、かつ、ＹＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜するように配置し、第３のＹ軸柱状体Ｐｙ３と第４のＹ軸柱状体Ｐｙ４については、その中心軸がＹ軸の負の領域においてＹ軸と直交するＹ軸負側直交面Ｓ（−ｙ）に含まれるように、かつ、ＹＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜するように配置する。
【０１４３】
ここで、下方基板２００を固定した状態において、上方基板１００に外力が作用した場合、８本の柱状体に変位が生じることになる。検出部は、これらの変位に基づいて、作用した力を示す電気信号を出力する機能をもった構成要素であり、各柱状体の下端に接続されている各下方膜部のＺ軸方向への変位を検出するためのセンサと、これらセンサの検出値に基づいて得られた電気信号を、下方基板２００を固定した状態において上方基板１００に作用した力の検出値として出力する検出回路５００によって構成される。
【０１４４】
すなわち、ここで述べる実施形態では、第１のＸ軸下方膜部Ｄｘ１のＺ軸方向への変位を検出する第１のＸ軸センサと、第２のＸ軸下方膜部のＺ軸方向への変位を検出する第２のＸ軸センサと、第３のＸ軸下方膜部のＺ軸方向への変位を検出する第３のＸ軸センサと、第４のＸ軸下方膜部のＺ軸方向への変位を検出する第４のＸ軸センサと、第１のＹ軸下方膜部のＺ軸方向への変位を検出する第１のＹ軸センサと、第２のＹ軸下方膜部のＺ軸方向への変位を検出する第２のＹ軸センサと、第３のＹ軸下方膜部のＺ軸方向への変位を検出する第３のＹ軸センサと、第４のＹ軸下方膜部のＺ軸方向への変位を検出する第４のＹ軸センサと、が用いられる。
【０１４５】
しかも、ここで述べる実施形態では、各センサが、下方膜部に形成された変位電極と、この変位電極に対向する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。容量素子からなるセンサは、その静電容量値の変化に基づいて、変位電極と固定電極との間の電極間距離の変化を把握することができるため、各下方膜部のＺ軸方向への変位を静電容量値の変化として検出可能である。
【０１４６】
ここで述べる実施形態の場合、下方基板２００は導電性材料から構成されているため、各下方膜部はいずれも導電性をもった変位電極として機能する。このため、第１のＸ軸センサは、第１のＸ軸下方膜部Ｄｘ１からなる第１のＸ軸変位電極と、この第１のＸ軸変位電極に対向する位置に固定された第１のＸ軸固定電極Ｅｘ１と、からなる第１のＸ軸容量素子Ｃｘ１によって構成され、第２のＸ軸センサは、第２のＸ軸下方膜部Ｄｘ２からなる第２のＸ軸変位電極と、この第２のＸ軸変位電極に対向する位置に固定された第２のＸ軸固定電極Ｅｘ２と、からなる第２のＸ軸容量素子Ｃｘ２によって構成され、第３のＸ軸センサは、第３のＸ軸下方膜部Ｄｘ３からなる第３のＸ軸変位電極と、この第３のＸ軸変位電極に対向する位置に固定された第３のＸ軸固定電極Ｅｘ３と、からなる第３のＸ軸容量素子Ｃｘ３によって構成され、第４のＸ軸センサは、第４のＸ軸下方膜部Ｄｘ４からなる第４のＸ軸変位電極と、この第４のＸ軸変位電極に対向する位置に固定された第４のＸ軸固定電極Ｅｘ４と、からなる第４のＸ軸容量素子Ｃｘ４によって構成されている。
【０１４７】
同様に、第１のＹ軸センサは、第１のＹ軸下方膜部Ｄｙ１からなる第１のＹ軸変位電極と、この第１のＹ軸変位電極に対向する位置に固定された第１のＹ軸固定電極Ｅｙ１と、からなる第１のＹ軸容量素子Ｃｙ１によって構成され、第２のＹ軸センサは、第２のＹ軸下方膜部Ｄｙ２からなる第２のＹ軸変位電極と、この第２のＹ軸変位電極に対向する位置に固定された第２のＹ軸固定電極Ｅｙ２と、からなる第２のＹ軸容量素子Ｃｙ２によって構成され、第３のＹ軸センサは、第３のＹ軸下方膜部Ｄｙ３からなる第３のＹ軸変位電極と、この第３のＹ軸変位電極に対向する位置に固定された第３のＹ軸固定電極Ｅｙ３と、からなる第３のＹ軸容量素子Ｃｙ３によって構成され、第４のＹ軸センサは、第４のＹ軸下方膜部Ｄｙ４からなる第４のＹ軸変位電極と、この第４のＹ軸変位電極に対向する位置に固定された第４のＹ軸固定電極Ｅｙ４と、からなる第４のＹ軸容量素子Ｃｙ４によって構成されている。
【０１４８】
検出回路５００は、第１のＸ軸容量素子Ｃｘ１の静電容量変動値Ｃｘ１（ここでは、便宜上、容量素子と当該容量素子の静電容量変動値とを同じ符号で示す）、第２のＸ軸容量素子Ｃｘ２の静電容量変動値Ｃｘ２、第３のＸ軸容量素子Ｃｘ３の静電容量変動値Ｃｘ３、第４のＸ軸容量素子Ｃｘ４の静電容量変動値Ｃｘ４、第１のＹ軸容量素子Ｃｙ１の静電容量変動値Ｃｙ１、第２のＹ軸容量素子Ｃｙ２の静電容量変動値Ｃｙ２、第３のＹ軸容量素子Ｃｙ３の静電容量変動値Ｃｙ３、第４のＹ軸容量素子Ｃｙ４の静電容量変動値Ｃｙ４に基づいて得られた電気信号を、検出値として出力することになる。具体的な検出値を得る方法については、§４で詳述する。
【０１４９】
なお、下方基板２００を非導電性材料から構成した場合には、各下方膜部は導電性を有さないため、それ自身を変位電極として利用することができない。その場合は、各下方膜部の下面に別個の導電膜を形成し、これを変位電極として用いるようにすればよい。もっとも、実用上は、ここに示す実施形態のように、下方基板２００を導電性材料によって構成し、各下方膜部自身をそれぞれ変位電極として機能させるのが、構造を単純化する上で好ましい。下方基板２００が導電性材料によって構成されている場合、各変位電極はいずれも導通状態になるが、これに対向する固定電極がそれぞれ電気的に独立していれば、個々の容量素子も互いに電気的に独立した素子となり、検出動作には何ら支障はない。
【０１５０】
また、固定電極は、各変位電極に対向する位置に固定されていれば、どのような方法で取り付けてもよいが、実用上は、ここに述べる実施形態のように、下方基板２００の下面に補助基板３００を固着し、この補助基板３００の上面に各固定電極を取り付けるようにするのが好ましい。特に、図示の例のように、補助基板３００の上面における各下方膜部（変位電極）の下方位置にそれぞれ補助溝Ｋｘ１〜Ｋｘ４，Ｋｙ１〜Ｋｙ４を形成し、これら補助溝の底面にそれぞれ固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４を形成すると、構成が単純になり、また、組み立ても容易になる。
【０１５１】
先願発明に係る力検出装置を構成する上で、各部の材質は特に限定されるものではないが、上方基板や下方基板、そして各柱状体は、たとえば、アルミニウムやステンレスなどの金属によって構成することができる。特に、下方基板を導電性材料で構成しておけば、各下方膜部それ自身を変位電極として利用できるメリットが得られる。一方、補助基板は、個々の固定電極を絶縁状態に保つため、ガラスエポキシやセラミックなどの絶縁性材料から構成するのが好ましい。もちろん、上方基板、下方基板、各柱状体、補助基板を含めた全体を合成樹脂などの絶縁材料で構成することも可能である。この場合は、変位電極や固定電極として、金属メッキ層などを形成すればよい。
【０１５２】
＜＜＜  §４．  先願発明の実用的実施形態に係る力検出装置の動作  ＞＞＞
ここでは、§３で構造を述べた先願発明の実用的実施形態に係る力検出装置の動作を詳述する。この装置は、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとの６つの力を検出する機能を有している。たとえば、この装置をロボットの上腕部に対して下腕部に作用する力を検出する用途に利用するのであれば、補助基板３００を上腕部側に固定し、上方基板１００を下腕部側に固定し、この装置自身を肘の部分の関節として利用すればよい。そうすれば、上腕部を固定した状態において、下腕部に対して作用した６つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出が可能になる。
【０１５３】
なお、本願では、「力」という文言は、特定の座標軸方向の力を意味する場合と、モーメント成分を含めた集合的な力を意味する場合とを、適宜使い分けることにする。たとえば、上述した各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚは、モーメントではない各座標軸方向の力成分を意味するものであるが、６つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚと言った場合は、各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分とを含む集合的な力を意味することになる。
【０１５４】
さて、§２では、２本の柱状体のみを有する基本的実施形態に係る装置において、Ｘ軸方向の力が作用した場合の状態を、図３(b) を参照して説明した。具体的には、下方基板２０を固定した状態において、上方基板１０の重心Ｑに、図の右方向への力＋Ｆｘが作用した場合の変形態様が示されており、上方基板１０は水平方向に平行移動した状態となっている。しかしながら、実際には、このように上方基板１０を水平方向のみに移動させるように力を作用させることは困難である。上方基板１０は、２本の柱状体Ｐ１，Ｐ２によって下方基板２０に接続されているため、たとえば、上方基板１０の左側面に対して、右方向への押圧力を水平に加えると、上方基板１０は全体として図の右方向へと移動することになるが、上方基板１０の運動は必ずしも水平方向への運動のみではなく、回転運動が加わることになろう。
【０１５５】
すなわち、図示の位置に原点Ｏを定義した場合、上方基板１０の左側面を右方向へ押す力は、原点Ｏに関しては、モーメントとして働くことになる。別言すれば、上方基板１０の左側面を右方向へ押す力は、この力検出装置に対して加えられた、Ｘ軸方向の力＋Ｆｘとして認識することもできるし、Ｙ軸まわりのモーメント＋Ｍｙとして認識することもできる。しかも、モーメントに関しては、原点Ｏの位置をどこに定義するかによって、その絶対値も変わってくる。このように、各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出対象として取り扱う以上、当該モーメント成分についての回転軸となる座標系の位置を特定せざるを得ず、しかるべき位置に原点Ｏを定義する必要がある。
【０１５６】
そこで、図３(a) に示す例では、各基板の中心点を貫き、各基板に垂直な方向にＺ軸をとり、このＺ軸上における、変位基板２０の下面と補助基板３０の上面との間の中間位置に、原点Ｏを定義している。これは、Ｚ軸上に原点Ｏを定める基準（上下方向に関する位置基準）として、センサとして用いられる容量素子を構成する一対の電極の中間位置を採用するようにしたためである。このような位置を原点Ｏの基準に定めた理由は、図３(b) に示すように、外力の作用によって、２本の柱状体Ｐ１，Ｐ２が変位した場合、当該変位が容量素子の静電容量値の変化として検出されるため、変位を直接検出するセンサである容量素子の中心位置を、Ｚ軸方向に関する原点位置と定めるのが最も適当であると考えられるためである（より厳密には、固定電極Ｅ５，Ｅ６の上面と下方膜部２１，２２の下面との間の中間位置ということになる）。
【０１５７】
もっとも、図３に示す装置の場合、力ＦｘとモーメントＭｙとを区別して検出することはできず、一対の容量素子の静電容量値の差は、力ＦｘとモーメントＭｙとの双方の検出値を含むものになる。したがって、この図３に示す基本的実施形態に係る装置は、力とモーメントとを厳密に区別して測定する必要のない環境で利用される装置ということになる。これに対して、§３で構造を説明した実用的実施形態に係る装置（図８に示す装置）は、力とモーメントとを区別して測定する機能を有している。以下、この測定機能について説明する。
【０１５８】
なお、この実施形態の場合も、各基板の中心点を貫く位置にＺ軸を定義し、センサを構成する容量素子の中心位置をＺ軸方向に関する基準位置として、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏの位置を定義することにする。図８に示す原点Ｏは、このような前提で定義されたものである。
【０１５９】
この図８に示す装置においても、たとえば、上方基板１００の左側面に対して、右方向への押圧力を水平に加えると、上方基板１００は全体として図の右方向へと移動することになるが、やはり上方基板１００の運動は必ずしも水平方向への運動のみではなく、回転運動が加わることになろう。この装置に、Ｘ軸方向の力成分＋Ｆｘのみを作用させたい場合には、たとえば、図２２に示すようなガイド部材４１０〜４４０を設ければよい。ガイド部材４１０，４２０は、上方基板１００の左側部分の上下両面を支持する部材であり、ガイド部材４３０，４４０は、上方基板１００の右側部分の上下両面を支持する部材である。
【０１６０】
図示のとおり、補助基板３００と各ガイド部材４１０〜４４０とを固定した状態にすれば、上方基板１００の移動方向は水平方向のみに制限されるので、上方基板１００の左側面に対して右方向への押圧力を加えれば、上方基板１００は図の右方向のみに水平に移動することになる。このときの装置の変形状態は、この装置に力＋Ｆｘのみが作用したときの変形状態ということになる。逆に、上方基板１００の右側面に対して左方向への押圧力を加えたときの状態は、この装置に力−Ｆｘのみが作用したときの変形状態ということになる。また、この装置に力＋Ｆｙ，−Ｆｙが作用したときの変形状態も同様である。
【０１６１】
次に、この装置に、図２３に示すようなガイド部材４５０を設けた場合を考えてみる。ガイド部材４５０は、各基板１００，２００，３００の外周とほぼ同じ内周をもつ円筒状の部材であり、この装置全体を内部に収容することができる。ここで、基板２００，３００をガイド部材４５０に固定した状態にして、上方基板１００に対して上方に引っ張り上げる力を作用させれば、そのときの装置の変形状態は、この装置に力＋Ｆｚのみが作用したときの変形状態ということになる。逆に、上方基板１００に対して下方に押し下げる力を作用させれば、そのときの装置の変形状態は、この装置に力−Ｆｚのみが作用したときの変形状態ということになる。
【０１６２】
続いて、この装置にモーメントのみが作用した状態を考えよう。図２４は、図８に示す力検出装置にモーメント＋Ｍｙのみによる変形を生じさせる様子を示す正面図である。図２４において、Ｙ軸は紙面の裏側へと向かう垂直方向の軸であるから、モーメント＋Ｍｙは、下方基板２００を固定した状態において、上方基板１００の作用点Ｑを、原点Ｏを中心に時計まわりの方向に回転させる力に相当する。このようなモーメント＋Ｍｙが加えられると、作用点Ｑは、半径Ｒの円弧軌道Ｔ（一点鎖線で示す）に沿って移動する。なお、本願では、所定の座標軸の正方向に右ネジを進める場合の当該右ネジの回転方向を、当該座標軸まわりの正のモーメントと定義することにする。負のモーメント−Ｍｙは、作用点Ｑを、原点Ｏを中心に反時計まわりの方向に回転させる力に相当する。
【０１６３】
もちろん、作用点Ｑを円弧軌道Ｔに沿って移動させるためには、それなりの方法で、上方基板１００に対して外力を作用させる必要があるが、何らかの方法で、そのような外力を作用させれば、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合の変形状態が得られる。Ｘ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合の変形状態も同様である。
【０１６４】
最後に、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが作用した場合を考える。図２５は、図８に示す力検出装置にモーメント＋Ｍｚのみによる変形を生じさせた状態を示す上面図である。図示のとおり、モーメント＋Ｍｚは、下方基板２００を固定した状態において、上方基板１００をＺ軸を中心に上から見て反時計まわりの方向に回転させる力に相当する。同様に、モーメント−Ｍｚは、上方基板１００をＺ軸を中心に上から見て時計まわりの方向に回転させる力に相当する。このように、モーメントＭｚのみが作用した場合の変形状態を得るには、たとえば、図２３に示すように、装置全体を円筒状のガイド部材４５０に収容し、基板２００，３００をガイド部材４５０に固定した状態にして、上方基板１００に対してＺ軸を中心とする回転力を作用させればよい。
【０１６５】
以上、下方基板２００を固定した状態において、上方基板１００上の作用点Ｑに、６つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚのいずれか１つのみが作用した場合の変形状態を得る方法を述べた。もちろん、この装置を実際に利用する場合、必ずしも上述したガイド部材４１０〜４５０などを設けて利用するわけではない。各ガイド部材４１０〜４５０を設けた上述の利用例は、あくまでも１つの力成分のみが作用した場合の変形状態を説明するためのものであり、実際には、むしろ、そのようなガイド部材を用いない利用形態の方が一般的である。したがって、実用上は、上記６つの力成分の複数が混じり合った状態で作用することになろう。
【０１６６】
ここに示す力検出装置は、そのように複数の力成分が混じり合って作用する環境下においても、６つの力成分をそれぞれ独立して検出することが可能である。そこで、まず、上記６つの力がそれぞれ単独で作用した場合に、８組の容量素子Ｃｘ１〜Ｃｘ４，Ｃｙ１〜Ｃｙ４の静電容量値に、どのような変化が生じるかを考えてみよう。図２６は、このような６つの変形状態における各容量素子の容量値変化を示すテーブルである。
【０１６７】
テーブル各欄の記号は、外力が作用していない基準状態に対する容量値変化の様子を示すものであり、「０」は変化なし、「＋Δ」もしくは「＋δ」は増加、「−Δ」もしくは「−δ」は減少を示している。ここで「＋Δ」，「＋δ」はいずれも容量値の増加を示すものであるが、「＋Δ」は「＋δ」に比べて大きな変化が生じることを示している。同様に、「−Δ」，「−δ」はいずれも容量値の減少を示すものであるが、「−Δ」は「−δ」に比べて大きな変化が生じることを示している。
【０１６８】
もっとも、「Δ」や「δ」は、特定の絶対値を示すものではなく、変化量の程度を示すものなので、たとえば、「＋Δ」が記された複数の欄の容量値の実際の変動量は必ずしも等しくはならない。また、図２６は、＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚ，＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚという正の力が作用した場合の容量値変化を示すものであるが、−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚ，−Ｍｘ，−Ｍｙ，−Ｍｚという負の力が作用した場合の容量値変化は、各欄の符号を逆転させたものになる。
【０１６９】
６通りの力が単独で作用した場合に、８組の容量素子Ｃｘ１〜Ｃｘ４，Ｃｙ１〜Ｃｙ４の静電容量値が図２６のテーブルのように変化する理由は、§２で述べた２本の柱状体のみを有する装置の変形状態を参照すれば、容易に理解できよう。
【０１７０】
たとえば、力＋Ｆｘのみが作用した場合は、図２２に示すように、ガイド部材４１０〜４４０を設けた環境下において、上方基板１００が右方向に水平移動した状態を考えればよい。このとき、一対のＹ軸柱状体Ｐｙ３，Ｐｙ４の傾斜態様および一対のＹ軸柱状体Ｐｙ１，Ｐｙ２の傾斜態様は、図３に示す一対の柱状体Ｐ１，Ｐ２の傾斜態様と同様になる。したがって、容量素子Ｃｙ３の容量値は増加し、容量素子Ｃｙ４の容量値は減少する。また、容量素子Ｃｙ１の容量値は増加し、容量素子Ｃｙ２の容量値は減少する。図２６のテーブルの「＋Ｆｘ」の行の「Ｃｙ１〜Ｃｙ４の欄」が、「＋Δ，−Δ，＋Δ，−Δ」となっているのは、このような結果に基づくものである。
【０１７１】
一方、図２２に示されているとおり、４本のＸ軸柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４は、外力が作用していない標準の状態において、Ｙ軸方向に関しては傾斜しているものの、Ｘ軸方向に関しては傾斜していない。したがって、外力＋Ｆｘの作用により、上方基板１００が右方向に水平移動すると、４本のＸ軸柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４は、いずれも図の右方向に傾斜することになるが、その傾斜態様は、図２(b) に示す一対の柱状体４１，４２の傾斜態様と同様になる。
【０１７２】
ただ、図２(b) に示す従来装置の場合、一対の容量素子Ｃ１，Ｃ２の容量値の差「Ｃ２−Ｃ１」として柱状体４１の傾斜度の測定が行われており、一対の容量素子Ｃ３，Ｃ４の容量値の差「Ｃ４−Ｃ３」として柱状体４２の傾斜度の測定が行われている。これに対して、先願発明では、図１８に示されているように、柱状体Ｐｘ２の変位検出用には、単一の容量素子Ｃｘ２（下方膜部Ｄｘ２と固定電極Ｅｘ２）が設けられているだけであり、柱状体Ｐｘ４の変位検出用には、単一の容量素子Ｃｘ４（下方膜部Ｄｘ４と固定電極Ｅｘ４）が設けられているだけである。このため、柱状体Ｐｘ２，Ｐｘ４が図の右方向に傾斜して、下方膜部Ｄｘ２，Ｄｘ４が変形したとしても、容量素子Ｃｘ２，Ｃｘ４の電極間距離は、図の右半分では減少し、図の左半分では増加することになり、容量素子Ｃｘ２，Ｃｘ４については、トータルでの静電容量値に変化は生じない。図２６のテーブルの「＋Ｆｘ」の行の「Ｃｘ１〜Ｃｘ４の欄」が、いずれも「０」になっているのは、このような結果に基づくものである。
【０１７３】
また、力＋Ｆｙのみが作用した場合の変形状態は、上記力＋Ｆｘのみが作用した場合の変形状態を、Ｚ軸まわりに４５°回転させたものになるので、容量素子Ｃｘ１〜Ｃｘ４の容量値変化と容量素子Ｃｙ１〜Ｃｙ４の容量値変化とを入れ替えた結果が得られる。図２６のテーブルの「＋Ｆｙ」の行は、このような結果に基づくものである。
【０１７４】
次に、力＋Ｆｚのみが作用した場合を考える。この場合は、８本の柱状体すべてについて、図４(a) に示すような変形態様が得られる。したがって、８組の容量素子Ｃｘ１〜Ｃｘ４、Ｃｙ１〜Ｃｙ４の容量値はすべて減少する。図２６のテーブルの「＋Ｆｚ」の行は、このような結果に基づくものである。
【０１７５】
続いて、モーメントのみが作用した場合を考えてみよう。ここでは、説明の便宜上、まず、図２４に示すように、Ｙ軸まわりのモーメント＋Ｍｙのみが作用した場合の変形状態を考える。この場合、上方基板１００の右半分は下方へ移動し、左半分は上方へ移動することになる。したがって、右半分に配置された４本の柱状体Ｐｘ１，Ｐｘ２，Ｐｙ１，Ｐｙ３の下端には下方への力が加わり、これらについての下方膜部は下方へ撓みを生じることになる。その結果、容量素子Ｃｘ１，Ｃｘ２，Ｃｙ１，Ｃｙ３の電極間隔は減少し、これらの容量値は増加する。一方、左半分に配置された４本の柱状体Ｐｘ３，Ｐｘ４，Ｐｙ２，Ｐｙ４の下端には上方への力が加わり、これらについての下方膜部は上方へ撓みを生じることになる。その結果、容量素子Ｃｘ３，Ｃｘ４，Ｃｙ２，Ｃｙ４の電極間隔は増加し、これらの容量値は減少する。
【０１７６】
このように、図の右半分に配置された容量素子Ｃｘ１，Ｃｘ２，Ｃｙ１，Ｃｙ３の容量値は増加し、図の左半分に配置された容量素子Ｃｘ３，Ｃｘ４，Ｃｙ２，Ｃｙ４の容量値は減少するが、各容量素子ごとに増減の程度に差が生じる。たとえば、図２４に示す柱状体Ｐｘ２と柱状体Ｐｙ３とを比較すると、柱状体Ｐｘ２は、Ｘ軸方向に関しては上方基板１００の外側に配置されており、しかもＸ軸方向に関しては傾斜していないため、モーメント＋Ｍｙによる上下方向への変位量は比較的大きい。一方、柱状体Ｐｙ３は、Ｘ軸方向に関しては上方基板１００の内側に配置されており、しかもＸ軸方向に関しては傾斜しているため、モーメント＋Ｍｙによる上下方向への変位量は比較的小さい。
【０１７７】
図２６のテーブルの「＋Ｍｙ」の行は、このような結果に基づくものである。すなわち、図の右半分に配置された容量素子Ｃｘ１，Ｃｘ２，Ｃｙ１，Ｃｙ３については「＋」の結果が示され、図の左半分に配置された容量素子Ｃｘ３，Ｃｘ４，Ｃｙ２，Ｃｙ４については「−」の結果が示されている。また、モーメント＋Ｍｙによる上下方向への変位量が比較的大きい容量素子Ｃｘ１〜Ｃｘ４については、容量値の変動量が大きいことを示す「Δ」が示されており、モーメント＋Ｍｙによる上下方向への変位量が比較的小さい容量素子Ｃｙ１〜Ｃｙ４については、容量値の変動量が小さいことを示す「δ」が示されている。「δ」の欄が括弧書きで示されているのは、後述するように、比較的低精度の検出値が得られれば十分な場合には、近似的に、δ＝０とみなす取り扱いを行うことができることを示すためである。
【０１７８】
モーメント＋Ｍｘのみが作用した場合の変形状態は、上記モーメント＋Ｍｙのみが作用した場合の変形状態を、Ｚ軸まわりに４５°回転させたものになるので、上記と同様の考え方に基づいて、各容量素子の容量値の変化態様が得られる。図２６のテーブルの「＋Ｍｘ」の行は、このような結果に基づくものである。
【０１７９】
最後に、モーメント＋Ｍｚのみが作用した場合を考えよう。この場合は、図２５に示すように、上方基板１００が回転することになるので、８本の柱状体すべてが、この回転方向に依存する方向にそれぞれ傾斜することになる。各柱状体の具体的な傾斜態様は、図２１の平面図を参照すると容易に理解できる。図２１にハッチングを施した円は、各柱状体の上端面を示している。モーメント＋Ｍｚが作用すると、これら上端面が反時計まわりに回転することになる。その結果、４本の柱状体Ｐｘ１，Ｐｙ２，Ｐｘ４，Ｐｙ３は起き上がる方向に傾斜するので、その下端には下方への力が加わり、これらについての下方膜部は下方へ撓みを生じることになる。その結果、容量素子Ｃｘ１，Ｃｙ２，Ｃｘ４，Ｃｙ３の電極間隔は減少し、これらの容量値は増加する。一方、残りの４本の柱状体Ｐｘ２，Ｐｙ１，Ｐｘ３，Ｐｙ４は寝る方向に傾斜するので、その下端には上方への力が加わり、これらについての下方膜部は上方へ撓みを生じることになる。その結果、容量素子Ｃｘ２，Ｃｙ１，Ｃｘ３，Ｃｙ４の電極間隔は増加し、これらの容量値は減少する。図２６のテーブルの「＋Ｍｚ」の行は、このような結果に基づくものである。
【０１８０】
ここで、−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚ，−Ｍｘ，−Ｍｙ，−Ｍｚという負の力が作用した場合の容量値変化が、図２６に示すテーブルの各欄の符号を逆転させたものになることは、もはや説明の必要はないであろう。なお、この図２６のテーブルに示す結果は、図２１の平面図に示されているように、第１のＸ軸柱状体Ｐｘ１のＸＹ平面への正射影像および第１のＹ軸柱状体Ｐｙ１のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第１象限に位置し、第３のＸ軸柱状体Ｐｘ３のＸＹ平面への正射影像および第２のＹ軸柱状体Ｐｙ２のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第２象限に位置し、第４のＸ軸柱状体Ｐｘ４のＸＹ平面への正射影像および第４のＹ軸柱状体Ｐｙ４のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第３象限に位置し、第２のＸ軸柱状体Ｐｘ２のＸＹ平面への正射影像および第３のＹ軸柱状体Ｐｙ３のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第４象限に位置する配置をとることを前提とするものである。
【０１８１】
また、この図２６のテーブルに示す結果は、第１〜第４のＸ軸柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４は、下端よりも上端の方が、ＸＺ平面に近くなるように傾斜し、第１〜第４のＹ軸柱状体Ｐｙ１〜Ｐｙ４は、下端よりも上端の方が、ＹＺ平面に近くなるように傾斜している構成（別言すれば、正面や側面から見たときに、一対の柱状体が逆Ｖ字型に傾斜している構成）を前提とするものである。もちろん、これと逆の構成、すなわち、第１〜第４のＸ軸柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４は、上端よりも下端の方が、ＸＺ平面に近くなるように傾斜し、第１〜第４のＹ軸柱状体Ｐｙ１〜Ｐｙ４は、上端よりも下端の方が、ＹＺ平面に近くなるように傾斜している構成（別言すれば、正面や側面から見たときに、一対の柱状体がＶ字型に傾斜している構成）を採ることも可能である。この場合、図２６のテーブルにおけるいくつかの欄の符号は逆転する。
【０１８２】
さて、この図２６のテーブルに示す結果を踏まえれば、８個の容量素子Ｃｘ１〜Ｃｘ４，Ｃｙ１〜Ｃｙ４の静電容量値（すなわち、８枚の下方膜部のＺ軸方向への変位）に基づいて、６つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを独立して検出することが可能になることがわかる。すなわち、８組の静電容量値Ｃｘ１〜Ｃｘ４，Ｃｙ１〜Ｃｙ４に基づく演算により、６つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを算出することができる。
【０１８３】
ただ、そのような演算を容易にする上では、装置の機械的構造部分に幾何学的な対称性を確保しておくのが好ましい。実際、図示した装置では、このような対称性が維持されている。すなわち、図８に示す装置の場合、上方基板１００および下方基板２００ならびに８本の柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４によって構成される主構造体は、ＸＺ平面に関して面対称をなし、かつ、ＹＺ平面に関しても面対称をなしている。これは、別言すれば、８本の柱状体と、８枚の上方膜部と、８枚の下方膜部とによって構成される構造体が、ＸＺ平面に関して面対称をなし、かつ、ＹＺ平面に関しても面対称をなしていることを意味し、幾何学的な対称性をもった２通りの外力を作用させた場合、構造体に生じる変形態様も幾何学的な対称性をもつことを意味する。
【０１８４】
たとえば、力＋Ｆｘを作用させた場合の変形状態と、力−Ｆｘを作用させた場合の変形状態とは、ＹＺ平面に関して鏡像関係になる。また、力＋Ｆｘを作用させた場合の変形状態は、力＋Ｆｙを作用させた場合の変形状態を、Ｚ軸まわりに９０°回転させたものに一致する。なお、図示の装置では、補助基板３００についても、同様の幾何学的な対称性が確保されているが、補助基板３００は、固定電極を支持する役割を果たす構造体であり、８枚の固定電極について上記対称性が確保できれば、補助基板３００自体は対称性を有していなくてもかまわない。
【０１８５】
このような幾何学的な対称性が確保されていると、図２６のテーブルにおいて、少なくとも同一の行に所属する欄の「Δ」や「δ」の絶対値は互いに等しくなる。また、「＋Ｆｘ」の行に所属する欄の「Δ」の絶対値と「＋Ｆｙ」の行に所属する欄の「Δ」の絶対値とが等しくなり、「＋Ｍｘ」の行に所属する欄の「Δ」や「δ」の絶対値と「＋Ｍｙ」の行に所属する欄のこれらの絶対値とが等しくなる。したがって、図２７に示す演算によって、６つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出値Ｖ（Ｆｘ）＊，Ｖ（Ｆｙ）＊，Ｖ（Ｆｚ），Ｖ（Ｍｘ），Ｖ（Ｍｙ），Ｖ（Ｍｚ）を得ることができる。ここで、＊印のついた検出値Ｖ（Ｆｘ）＊，Ｖ（Ｆｙ）＊は、δ＝０とした場合の近似値である。
【０１８６】
以下、この図２７に示す各演算式によって、６つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出値が得られることを説明する。まず、力Ｆｘの検出値（近似値）Ｖ（Ｆｘ）＊は、「（Ｃｙ１−Ｃｙ２）＋（Ｃｙ３−Ｃｙ４）」なる式に基づく演算で得ることができる。すなわち、図２６のテーブルにおいて、「＋Ｆｘ」の行に所属する欄について、上記式に基づく演算を行えば、値「４Δ」が得られ、これが作用した力Ｆｘを示すものになる。演算値が正であれば、＋Ｆｘが作用したことを示し、負であれば、−Ｆｘが作用したことを示す。ここで、δ＝０とすれば、「＋Ｆｘ」以外の他の５行に所属する欄について、上記式に基づく演算をそれぞれ行っても、いずれの結果も０になる。これは、上記演算式によって得られる検出値Ｖ（Ｆｘ）＊が、δ＝０との前提であれば、作用した力のＦｘ成分のみを含む値になることを示す。
【０１８７】
同様に、力Ｆｙの検出値（近似値）Ｖ（Ｆｙ）＊は、「（Ｃｘ１−Ｃｘ２）＋（Ｃｘ３−Ｃｘ４）」なる式に基づく演算で得ることができる。その理由も、図２６のテーブルにおいて、「＋Ｆｙ」の行に所属する欄について、上記式に基づく演算を行った結果をみれば、容易に理解できよう。この演算値も、δ＝０との前提であれば、作用した力のＦｙ成分のみを含む値になる。
【０１８８】
一方、力Ｆｚの検出値は、「−（Ｃｘ１＋Ｃｘ２＋Ｃｘ３＋Ｃｘ４＋Ｃｙ１＋Ｃｙ２＋Ｃｙ３＋Ｃｙ４）」なる演算式１、または「−（Ｃｘ１＋Ｃｘ２＋Ｃｘ３＋Ｃｘ４）」なる演算式２、または「−（Ｃｙ１＋Ｃｙ２＋Ｃｙ３＋Ｃｙ４）」なる演算式３に基づく演算で得ることができる。上記演算式１は、８個の容量素子すべての容量変動値の総和を求めて符号を逆転させる演算を示す。図２６のテーブルにおける「＋Ｆｚ」の行に所属する欄は、いずれも「−Δ」であるから、これらの総和をとって符号を逆転させれば「８Δ」なる値が得られる。これが作用した力Ｆｚを示す値であり、演算値が正であれば、＋Ｆｚが作用したことを示し、負であれば、−Ｆｚが作用したことを示す。
【０１８９】
ここで、「＋Ｆｚ」以外の他の５行に所属する欄について、上記式に基づく演算をそれぞれ行っても、いずれの結果も０になる（この場合、δ＝０である必要はない）。これは、上記演算式によって得られる検出値Ｖ（Ｆｚ）は、作用した力のＦｚ成分のみを含む値になることを示す。なお、演算式１の代わりに、演算式２もしくは３を用いた演算でも同様の結果が得られる。ただ、演算式１を用いた演算結果が最も高い精度を示すものと考えられるので、実用上は、演算式１を用いるのが好ましい。
【０１９０】
次に、モーメントＭｘの検出値は、「（Ｃｙ３＋Ｃｙ４）−（Ｃｙ１＋Ｃｙ２）」なる式に基づく演算で得ることができる。すなわち、図２６のテーブルにおいて、「＋Ｍｘ」の行に所属する欄について、上記式に基づく演算を行えば、値「４Δ」が得られ、これが作用したモーメントＭｘを示すものになる。演算値が正であれば、＋Ｍｘが作用したことを示し、負であれば、−Ｍｘが作用したことを示す。ここで、「＋Ｍｘ」以外の他の５行に所属する欄について、上記式に基づく演算をそれぞれ行っても、いずれの結果も０になる（この場合、δ＝０である必要はない）。これは、上記演算式によって得られる検出値Ｖ（Ｍｘ）が、作用した力のＦｘ成分のみを含む値になることを示す。
【０１９１】
同様に、モーメントＭｙの検出値Ｖ（Ｍｙ）は、「（Ｃｘ１＋Ｃｘ２）ー（Ｃｘ３＋Ｃｘ４）」なる式に基づく演算で得ることができる。その理由も、図２６のテーブルにおいて、「＋Ｍｙ」の行に所属する欄について、上記式に基づく演算を行った結果をみれば、容易に理解できよう。この演算値も、作用した力のＭｙ成分のみを含む値になる。
【０１９２】
最後に、モーメントＭｚの検出値は、「（Ｃｘ１−Ｃｘ２）＋（Ｃｘ４−Ｃｘ３）＋（Ｃｙ２−Ｃｙ１）＋（Ｃｙ３−Ｃｙ４）」なる式に基づく演算で得ることができる。すなわち、図２６のテーブルにおいて、「＋Ｍｚ」の行に所属する欄について、上記式に基づく演算を行えば、値「８Δ」が得られ、これが作用したモーメントＭｚを示すものになる。演算値が正であれば、＋Ｍｚが作用したことを示し、負であれば、−Ｍｚが作用したことを示す。ここで、「＋Ｍｚ」以外の他の５行に所属する欄について、上記式に基づく演算をそれぞれ行っても、いずれの結果も０になる（この場合、δ＝０である必要はない）。これは、上記演算式によって得られる検出値Ｖ（Ｍｚ）が、作用した力のＭｚ成分のみを含む値になることを示す。
【０１９３】
結局、図８に示す力検出装置において、検出回路５００に、８個の容量素子Ｃｘ１〜Ｃｘ４，Ｃｙ１〜Ｃｙ４の静電容量変動値を電気信号として検出し、これら電気信号を用いて、上述の各演算式に基づく演算を行い、これら演算結果として得られる値に対応する信号値を、６つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出値として求める機能をもたせておけば、この検出回路５００から各検出値を出力させることができる。具体的には、たとえば、各容量素子の静電容量値を電圧値に変換するＣ／Ｖ変換器と、これら電圧値に対して加算や減算を行うアナログ演算器とによって、検出回路５００を構成することができる。もちろん、アナログ演算器の代わりに、デジタル演算器やマイクロプロセッサを用いるようにしてもよい。
【０１９４】
既に述べたとおり、図２６のテーブルにおける「δ」は、「Δ」に比べて小さい変動量を示すものであるから、近似的にδ＝０とする取り扱いを行うことが可能である。図２７に示す演算式のうち、Ｖ（Ｆｘ）＊およびＶ（Ｆｙ）＊は、このような取り扱いを前提として得られる近似値である。ただ、より高精度の検出を得る必要がある場合には、次のような方法で、正確な検出値を得ることができる。
【０１９５】
まず、実際の装置を用いて、作用点ＱにモーメントＭｙのみを作用させる実験を行う。具体的には、図２４に示すように、作用点Ｑを円弧軌道Ｔに沿って移動させるような力を作用させることになる。たとえば、Ｙ軸を中心軸とした回転力を作用させる何らかの駆動装置を用意し、当該回転力を作用点Ｑに作用させればよい。そして、このとき、各容量素子の静電容量値を測定し、図２７の演算式によって、検出値Ｖ（Ｍｙ）およびＶ（Ｆｘ）＊を求める。図２８に示すグラフは、このような実験結果を示すグラフである。グラフの横軸は、実験的に作用させたモーメントＭｙの実際の値を示し、グラフの縦軸は、このときに得られた検出値（図２７の式に基づく演算値）を示す。実線で示す右上がりのグラフは、演算値Ｖ（Ｍｙ）の値を示し、破線で示す右下がりのグラフは、演算値Ｖ（Ｆｘ）＊の値を示す。
【０１９６】
この実験では、モーメントＭｙのみを作用させているのであるから、本来であれば、実線グラフで示すＭｙの検出値のみが出力され、破線のグラフで示すＦｘの検出値は出力されるべきではない。それにもかかわらず、Ｆｘの検出値が出力されるのは、実際には「δ＝０」ではないためである。別言すれば、演算値Ｖ（Ｆｘ）＊には、力Ｆｘの検出成分のみならず、モーメントＭｙの検出成分が含まれており、他軸干渉が生じていることになる。そして、上記実験によって得られた図２８の破線のグラフは、モーメントＭｙの検出成分を示すものに他ならない。
【０１９７】
したがって、力Ｆｘの成分のみを正確に求めるためには、演算値Ｖ（Ｆｘ）＊から、モーメントＭｙの検出成分（すなわち、図２８の破線のグラフで示される成分）を除外する演算を行えばよい。
【０１９８】
ところで、図２８に示されているように、先願発明に係る力検出装置の場合、極端に大きな力が作用して、極端に大きな変形が生じない限り、６つの力の検出値は、ほぼ線形な出力が得られる。これは、図２８に示す実線のグラフを利用して、破線のグラフが得られることを意味している。すなわち、図２８に一点鎖線で示す特定のモーメントＭｙを作用させたときに得られる演算値Ｖ（Ｍｙ），Ｖ（Ｆｘ）＊の値を、それぞれｋ１，ｋ２（図２８の例の場合、ｋ１は正、ｋ２は負になる）とすれば、任意のモーメントＭｙを作用させたとき、演算値Ｖ（Ｍｙ），Ｖ（Ｆｘ）＊の比は、ｋ１：ｋ２になる。したがって、あらかじめ実験によって、ｋ１，ｋ２を係数として求めておけば、任意のモーメントＭｙが作用しているときに、得られたＶ（Ｆｘ）＊内に含まれるモーメントＭｙの検出成分（モーメントＭｙに起因して生じる他軸干渉成分）の絶対値は、ｋ２／ｋ１・Ｖ（Ｍｙ）で与えられることになる。
【０１９９】
よって、この他軸干渉成分を除去した正確な力Ｆｘの検出値Ｖ（Ｆｘ）は、図２９に示すように、
Ｖ（Ｆｘ）＝Ｖ（Ｆｘ）＊−ｋ２／ｋ１・Ｖ（Ｍｙ）
なる演算によって求めることができる。同様に、任意のモーメントＭｘを作用させたときの演算値Ｖ（Ｍｘ），Ｖ（Ｆｙ）＊の比「ｋ３：ｋ４」を実験によって求めておけば、多軸干渉成分を除去した正確な力Ｆｙの検出値Ｖ（Ｆｙ）は、
Ｖ（Ｆｙ）＝Ｖ（Ｆｙ）＊−ｋ４／ｋ３・Ｖ（Ｍｘ）
なる演算によって求めることができる。なお、係数ｋ１〜ｋ４は、上述したように、実際の装置を用いた実験によって求めることができるが、その代わりに、有限要素法などを利用したコンピュータシミュレーションによって求めることも可能である。
【０２００】
結局、力Ｆｘおよび力Ｆｙの正確な値を求めるには、実験やコンピュータシミュレーションによって、予め係数ｋ１〜ｋ４を求めておき、検出回路５００に、これら係数を用いて、
Ｖ（Ｆｘ）＝（Ｃｙ１−Ｃｙ２）＋（Ｃｙ３−Ｃｙ４）
−ｋ２／ｋ１・Ｖ（Ｍｙ）
Ｖ（Ｆｙ）＝（Ｃｘ１−Ｃｘ２）＋（Ｃｘ３−Ｃｘ４）
−ｋ４／ｋ３・Ｖ（Ｍｘ）
なる式に基づく演算を実行させ、これら演算結果に対応する信号値を、力Ｆｘ，力Ｆｙの正確な検出値として出力させるようにすればよい。
【０２０１】
なお、先願発明に係る装置を工業製品として提供する際に、製品仕様書などに原点Ｏの正確な位置を記載する必要がある場合には、実際の装置を用いた実測により、原点Ｏの正確な位置を求めればよい。具体的には、たとえば、図３に示す装置における上方基板１０の上面中心位置に、垂直に立てるように作用棒を接合する。そして、この作用棒の高さｈ（上方基板１０の上面を基準ｈ＝０としたときの高さ）の位置に作用点を定義し、この作用点に、Ｘ軸方向を向いた一定の力（たとえば、１０Ｎの力）を加える実験を行う。この場合、Ｘ軸方向の力Ｆｘの検出値は、作用点の高さｈに係わらず一定になるが、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの検出値は、作用点の高さｈに応じて線形に変化する（ｈが大きくなればなるほど、検出値の絶対値も大きくなる）。そこで、複数通りの高さｈについて、それぞれモーメントＭｙの検出値を求め、ｈとＭｙとの線形関係を示すグラフを作成し、このグラフから、Ｍｙ＝０となるような高さｈ（上方基板１０より下方に位置するので、負の値になる）を外挿すれば、Ｚ軸上の当該高さｈに対応する位置が、当該装置についての原点Ｏということになる。
【０２０２】
＜＜＜  §５．  先願発明に係る力検出装置の変形例  ＞＞＞
ここでは、これまで§２〜§４で述べてきた先願発明に係る力検出装置の種々の変形例を述べる。
【０２０３】
＜５−１：環状溝を用いた変形例＞
§３で述べた実用的実施形態では、上方基板１００や下方基板２００の各柱状体との接続位置に、上方溝Ｇｘ１〜Ｇｘ４，Ｇｙ１〜Ｇｙ４や下方溝Ｈｘ１〜Ｈｘ４，Ｈｙ１〜Ｈｙ４を形成し、個々の上方溝の底部によって上方膜部Ｂｘ１〜Ｂｘ４，Ｂｙ１〜Ｂｙ４を形成し、個々の下方溝の底部によって下方膜部Ｄｘ１〜Ｄｘ４，Ｄｙ１〜Ｄｙ４を形成していた。ここで述べる変形例は、これら個別の溝を相互に連結して環状溝を形成するものである。
【０２０４】
図３０は、図１０の上方基板１００の変形例となる上方基板１１０を示す上面図である。図示のとおり、上方基板１１０の下面には、８本の柱状体の接続位置を連結するように、上方環状溝ＧＧが形成されている。この上方環状溝ＧＧは、いわば図１０に示す８個の上方溝Ｇｘ１〜Ｇｘ４，Ｇｙ１〜Ｇｙ４を連結した円環状の溝である。溝の底部に、突起部ｂｘ１〜ｂｘ４，ｂｙ１〜ｂｙ４が形成され、これら突起部に各柱状体の上端が接合される点は、§３で述べた実施形態と同様である。この変形例では、上方環状溝ＧＧが形成された円環状の領域全体が、可撓性をもった上方膜部を形成することになるが、特に、各突起部ｂｘ１〜ｂｘ４，ｂｙ１〜ｂｙ４の周辺部分が、上方膜部Ｂｘ１〜Ｂｘ４，Ｂｙ１〜Ｂｙ４として機能することになる。
【０２０５】
もちろん、上方環状溝ＧＧを上方基板１１０の上面に形成してもかまわない。要するに、この変形例では、上方基板１１０の上面側もしくは下面側に、各柱状体の接続位置を連結する上方環状溝ＧＧが形成されており、この上方環状溝ＧＧの底部の各部分により、それぞれ第１〜第４のＸ軸上方膜部Ｂｘ１〜Ｂｘ４および第１〜第４のＹ軸上方膜部Ｂｙ１〜Ｂｙ４が形成されていればよい。
【０２０６】
一方、図３１は、図１２の下方基板２００の変形例となる下方基板２１０を示す上面図である。図示のとおり、下方基板２１０の上面には、８本の柱状体の接続位置を連結するように、下方環状溝ＨＨが形成されている。この下方環状溝ＨＨは、いわば図１２に示す８個の下方溝Ｈｘ１〜Ｈｘ４，Ｈｙ１〜Ｈｙ４を連結した円環状の溝である。溝の底部に、突起部ｄｘ１〜ｄｘ４，ｄｙ１〜ｄｙ４が形成され、これら突起部に各柱状体の下端が接合される点は、§３で述べた実施形態と同様である。この変形例では、下方環状溝ＨＨが形成された円環状の領域全体が、可撓性をもった下方膜部を形成することになるが、特に、各突起部ｄｘ１〜ｄｘ４，ｄｙ１〜ｄｙ４の周辺部分が、下方膜部Ｄｘ１〜Ｄｘ４，Ｄｙ１〜Ｄｙ４として機能することになる。
【０２０７】
もちろん、下方環状溝ＨＨを下方基板２１０の下面に形成してもかまわない。要するに、この変形例では、下方基板２１０の上面側もしくは下面側に、各柱状体の接続位置を連結する下方環状溝ＨＨが形成されており、この下方環状溝ＨＨの底部の各部分により、それぞれ第１〜第４のＸ軸下方膜部Ｄｘ１〜Ｄｘ４および第１〜第４のＹ軸下方膜部Ｄｙ１〜Ｄｙ４が形成されていればよい。
【０２０８】
また、図３２は、図１４の補助基板３００の変形例となる補助基板３１０を示す上面図である。図示のとおり、補助基板３１０の上面には、８本の柱状体の接続位置を連結するように、補助環状溝ＫＫが形成されている。この補助環状溝ＫＫは、いわば図１４に示す８個の補助溝Ｋｘ１〜Ｋｘ４，Ｋｙ１〜Ｋｙ４を連結した円環状の溝である。溝の底面に、固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４が形成される点は、§３で述べた実施形態と同様である。
【０２０９】
要するに、この変形例では、補助基板３１０の上面ににおける第１〜第４のＸ軸下方膜部Ｄｘ１〜Ｄｘ４の下方位置および第１〜第４のＹ軸下方膜部Ｄｙ１〜Ｄｙ４の下方位置を連結するような環状補助溝ＫＫが形成されており、この環状補助溝ＫＫの底面に第１〜第４のＸ軸固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４および第１〜第４のＹ軸固定電極Ｅｙ１〜Ｅｙ４が形成されていればよい。
【０２１０】
＜５−２：可撓性基板を用いた変形例＞
これまで述べた実施形態では、上方基板や下方基板に溝を掘り、この溝の底部として、可撓性をもった上方膜部や下方膜部を形成していた。ここで述べる変形例は、上方基板や下方基板を、全体として可撓性をもった基板によって構成し、この可撓性基板の一部を、これまで述べた実施形態における上方膜部や下方膜部として利用するものである。
【０２１１】
図３３は、このような可撓性基板を用いた先願発明の変形例に係る力検出装置を示す正面図である。この変形例に係る装置の基本動作は、図８に示す実用的な実施形態に係る装置と全く同じであり、８本の柱状体の変位に基づいて、６つの力成分の検出を行うことができる。
【０２１２】
ただ、８本の柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４の上端は、可撓性基板からなる上方基板１５０の下面に直接接続されており、下端は、可撓性基板からなる下方基板２５０の上面に直接接続されている。ここで、上方基板１５０および下方基板２５０は、図３４の斜視図に示すとおり、円盤状の基板であり、その厚みは、全体として可撓性基板となる程度の寸法に設定されている。たとえば、アルミニウムやステンレスによって上方基板１５０および下方基板２５０を構成する場合は、厚みを３．０ｍｍ以下にすれば、一般的な力検出装置の動作に支障ない程度の可撓性を確保することができる。
【０２１３】
図３５は、図３３に示す力検出装置における下方基板２５０およびその上面に取り付けられた８本の柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４を示す平面図である。ここで、図のハッチング部分は、各柱状体の上端面を示すものであり、断面を示すものではない。
【０２１４】
図３５において、下方基板２５０は全体的に可撓性を有している基板であるが、各柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４に変位が生じた場合、下方基板２５０のうち、柱状体の下端が接続された部分が最も大きく撓みを生じることになる。したがって、この可撓性基板２５０（下方基板）における各柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４の下端が接続された各部分の近傍が、それぞれ第１〜第４のＸ軸下方膜部Ｄｘ１〜Ｄｘ４および第１〜第４のＹ軸下方膜部Ｄｙ１〜Ｄｙ４として機能することになる。同様に、可撓性基板１５０（上方基板）における各柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４の上端が接続された各部分の近傍が、それぞれ第１〜第４のＸ軸上方膜部Ｂｘ１〜Ｂｘ４および第１〜第４のＹ軸上方膜部Ｂｙ１〜Ｂｙ４として機能することになる。
【０２１５】
また、図３３の正面図に示されているとおり、この変形例の装置の場合、上方基板１５０の上面の中心部分に連結部材１３０が固着され、この連結部材１３０の上方に、検出対象となる力を受けるための受力体１２０が接合されている。これは、上方基板１５０が可撓性基板であるため、検出対象となる外力を上方基板１５０に対して直接加えると、上方基板１５０自身に生じる撓みが外力の影響を直接受け、正確な測定を阻む要因となる可能性があるためである。図示のような受力体１２０を設け、検出対象となる外力を、受力体１２０に作用させてから、連結部材１３０を介して上方基板１５０に伝播させる構造をとることにより、より正確な測定が可能になる。
【０２１６】
なお、連結部材１３０は、必ずしも上方基板１５０の中心部分に設ける必要はない。要するに、上方基板１５０のうち、実質的に第１〜第４のＸ軸上方膜部Ｂｘ１〜Ｂｘ４として機能する部分および実質的に第１〜第４のＹ軸上方膜部Ｂｙ１〜Ｂｙ４として機能する部分を除いた、上面の所定箇所に、連結部材１３０を固着し、この連結部材１３０の上方に、検出対象となる力を受けるための受力体１２０を接合する構造をとればよい。
【０２１７】
同様に、この変形例の装置の場合、下方基板１５０下面の中心部分にスペーサ部材３３０が固着され、このスペーサ部材３３０の下方に、固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４を支持するための補助基板３４０が接合されている。これも、下方基板２５０が可撓性基板であるため、下方基板２５０自身に生じる撓みが補助基板３４０によって阻害されないようにするためである。図示のとおり、スペーサ部材３３０を介して補助基板３４０を下方基板２５０に接合する構造をとることにより、より正確な測定が可能になる。
【０２１８】
なお、スペーサ部材３３０は、必ずしも下方基板２５０の中心部分に設ける必要はない。要するに、下方基板２５０のうち、実質的に第１〜第４のＸ軸下方膜部Ｄｘ１〜Ｄｘ４として機能する部分および実質的に第１〜第４のＹ軸下方膜部Ｄｙ１〜Ｄｙ４として機能する部分を除いた、下面の所定箇所に、スペーサ部材３３０を固着し、このスペーサ部材３３０の下方に、補助基板３４０を固着し、この補助基板３４０の上面に第１〜第４のＸ軸固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４および第１〜第４のＹ軸固定電極Ｅｙ１〜Ｅｙ４を形成する構造をとればよい。
【０２１９】
なお、図３３に示す変形例において、１本の柱状体の上端もしくは下端がＺ軸方向に変位した場合、上方基板１５０や下方基板２５０が十分な可撓性をもつ基板であれば、当該Ｚ軸方向への変位に起因して生じる基板の撓みは、当該柱状体の接続部近傍のみで済む。しかしながら、実際には、金属などで上方基板１５０や下方基板２５０を構成した場合、１本の柱状体の変位に起因する撓みが、隣接する柱状体の接続部近傍まで波及する可能性がある。そのような現象が生じると、１つのセンサが、隣接する柱状体の変位までも検出してしまうことになり、正確な測定ができなくなる。
【０２２０】
このような弊害を防止するには、可撓性基板にスリットを形成し、１本の柱状体の変位に起因する撓みが、隣接する柱状体の接続部近傍まで波及することを阻止すればよい。
【０２２１】
図３６は、図３４に示す上方基板（可撓性基板）１５０および下方基板（可撓性基板）２５０の代わりに用いる上方基板（可撓性基板）１６０および下方基板（可撓性基板）２６０を示す上面図である。図示のとおり、上方基板１６０および下方基板２６０の外形は、正方形に近い形となっているが、この外形形状の相違は重要な相違ではない。上方基板１６０および下方基板２６０の重要な特徴は、スリットＳ１〜Ｓ４を有している点にある。スリットＳ１，Ｓ３は、配置軸Ｗ１に沿って基板の外周側から中心部に向かって形成されているスリットであり、スリットＳ２，Ｓ４は、配置軸Ｗ２に沿って基板の外周側から中心部に向かって形成されているスリットである。ここで、配置軸Ｗ１，Ｗ２は、いずれもＸ軸もしくはＹ軸に対して４５°の角度をなす軸である。
【０２２２】
図３６に示されている太い破線の円は、上方基板１６０に対する８本の柱状体の接続位置を示し、細い破線の円は、下方基板２６０に対する８本の柱状体の接続位置を示している。図示のとおり、上方基板１６０および下方基板２６０は、いずれも４枚の翼状部Ｊ１〜Ｊ４と、これら翼状部Ｊ１〜Ｊ４を中心位置で束ねる中心部Ｊ９によって構成されており、スリットＳ１〜Ｓ４は、各翼状部Ｊ１〜Ｊ４の輪郭として機能している。
【０２２３】
ここで、第１のＸ軸柱状体Ｐｘ１および第２のＸ軸柱状体Ｐｘ２は、いずれも翼状部Ｊ１上に配置され、第３のＸ軸柱状体Ｐｘ３および第４のＸ軸柱状体Ｐｘ４は、いずれも翼状部Ｊ２上に配置されている。同様に、第１のＹ軸柱状体Ｐｙ１および第２のＹ軸柱状体Ｐｙ２は、いずれも翼状部Ｊ３上に配置され、第３のＹ軸柱状体Ｐｙ３および第４のＹ軸柱状体Ｐｙ４は、いずれも翼状部Ｊ４上に配置されている。各翼状部Ｊ１〜Ｊ４は、スリットＳ１〜Ｓ４によって物理的に分離されているため、１つの翼状部に生じた撓みが、隣接する翼状部に伝播することを阻止することができる。このため、１つのセンサが、隣接する柱状体の変位までも検出してしまうことにより生じる誤差を抑制できる。
【０２２４】
要するに、この変形例では、第１のＸ軸上方／下方膜部および第２のＸ軸上方／下方膜部を含む領域（翼状部Ｊ１）と、第３のＸ軸上方／下方膜部および第４のＸ軸上方／下方膜部を含む領域（翼状部Ｊ２）と、第１のＹ軸上方／下方膜部および第２のＹ軸上方／下方膜部を含む領域（翼状部Ｊ３）と、第３のＹ軸上方／下方膜部および第４のＹ軸上方／下方膜部を含む領域（翼状部Ｊ４）と、の４つの領域を可撓性基板１６０，２６０上に定義したときに、これら４つの領域の境界に沿って、可撓性基板の外周側から中心部に向かってスリットＳ１〜Ｓ４を形成する構成をとればよい。
【０２２５】
なお、たとえば、翼状部Ｊ１上には、第１のＸ軸柱状体Ｐｘ１および第２のＸ軸柱状体Ｐｘ２が配置されているが、これら一対の柱状体は、ＸＺ平面に関して幾何学的対称性を維持しているので、一方の柱状体に起因して生じた撓みが他方の柱状体の配置領域へ波及したとしても、大きな誤差を生じる要因にはならない。もちろん、必要なら、更に、Ｘ軸およびＹ軸に沿って４本のスリットを形成し、８本の柱状体を、８枚の翼状部に接続する構成をとってもかまわない。
【０２２６】
＜５−３：可撓性柱状体を用いた変形例＞
これまで述べた実施形態では、「各柱状体自身は撓みを生じない」という前提で説明を行ってきたが、先願発明を実施する上で、各柱状体に可撓性をもたせることも可能である。ここで述べる変形例は、可撓性柱状体を用いて装置を構成した例である。
【０２２７】
図３７は、可撓性をもった柱状体ＰＰの一例を示す斜視図である。図示のとおり、この柱状体ＰＰは、上部ＰＰ１，くびれ部ＰＰ２，下部ＰＰ３によって構成されている。くびれ部ＰＰ２は、上部ＰＰ１や下部ＰＰ３に比べて径を小さくすることにより、可撓性をもたせた部分である。この柱状体ＰＰの上端および下端に対して、柱状体ＰＰを変形させる外力が作用すると、専ら、このくびれ部ＰＰ２に変形が生じ、柱状体ＰＰが屈曲することになる。
【０２２８】
このように、可撓性をもった柱状体ＰＰを用いると、上方膜部を省略することができる。図３８は、この柱状体ＰＰを用いた変形例に係る力検出装置を示す縦断面図である。この図３８に示す変形例は、図８に示す実用的実施形態についての変形例であり、図３８の縦断面図は、図１９の縦断面図（Ｃ−Ｃ断面図）に対応するものである。図１９と図３８とを比較すると、前者における８本の柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４が、後者では、図３７に示すようなくびれ部をもった８本の柱状体ＰＰｘ１〜ＰＰｘ４，ＰＰｙ１〜ＰＰｙ４に置き換わっていることがわかる。また、前者における上方溝Ｇｘ１〜Ｇｘ４，Ｇｙ１〜Ｇｙ４が、後者では形成されていないことがわかる。
【０２２９】
すなわち、図３８に示す変形例における上方基板１０５は、何ら溝が形成されていない１枚の円盤であり、８本の柱状体ＰＰｘ１〜ＰＰｘ４，ＰＰｙ１〜ＰＰｙ４の上端は、この円盤の下面に直接接続されていることになる。別言すれば、図３８に示す変形例では、上方膜部Ｂｘ１〜Ｂｘ４，Ｂｙ１〜Ｂｙ４が設けられていない。これは、可撓性をもつ８本の柱状体ＰＰｘ１〜ＰＰｘ４，ＰＰｙ１〜ＰＰｙ４が、それぞれ上方膜部Ｂｘ１〜Ｂｘ４，Ｂｙ１〜Ｂｙ４の役割を果たすことができるためである。一方、下方基板２００については、容量素子によってセンサを構成する必要があるため、下方膜部Ｄｘ１〜Ｄｘ４，Ｄｙ１〜Ｄｙ４は必要になる。
【０２３０】
なお、図３７に示す柱状体ＰＰは、その一部（くびれ部ＰＰ２）に可撓性を持たせて、外力が作用したときに変形するようにしたものであるが、柱状体の全部に可撓性をもたせるようにしてもよい。すなわち、柱状体全体を可撓性をもった材質によって構成すれば、外力が作用したときに、柱状体全体が変形することになる。たとえば、弾性プラスチックなどの材料で構成した柱状体Ｔを用いるようにすれば、くびれ部を設けることなしに、柱状体自体に可撓性をもたせることが可能である。
【０２３１】
図３９は、図３８に示す８本の柱状体ＰＰｘ１〜ＰＰｘ４，ＰＰｙ１〜ＰＰｙ４を、弾性プラスチックなどの材料で構成した柱状体Ｔｘ１〜Ｔｘ４，Ｔｙ１〜Ｔｙ４に置き換えたものである。この場合も、柱状体Ｔｘ１〜Ｔｘ４，Ｔｙ１〜Ｔｙ４自身が可撓性を有しているため、上方膜部Ｂｘ１〜Ｂｘ４，Ｂｙ１〜Ｂｙ４の役割を果たすことができる。したがって、上方基板１０５としては、何ら溝が形成されていない１枚の円盤を用いることができる。
【０２３２】
図４０は、図３３に示す変形例について、８本の柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４を、弾性プラスチックなどの材料で構成した柱状体Ｔｘ１〜Ｔｘ４，Ｔｙ１〜Ｔｙ４に置き換えたものである（もちろん、図３７に示す柱状体ＰＰに置き換えてもよい）。図３３と図４０とを比較すると、前者における上方基板１５０，連結部材１３０，受力体１２０が、後者では１枚の上方基板１７０に置き換えられていることがわかる。ここで、上方基板１７０は可撓性を有している必要はなく、外力を直接受けることができる。これは、可撓性を有する柱状体Ｔｘ１〜Ｔｘ４，Ｔｙ１〜Ｔｙ４が、上方基板１５０の役割を果たすためである。
【０２３３】
＜５−４：任意形状の構造体を用いた変形例＞＞＞
これまで述べてきた実施形態は、いずれも上方基板と下方基板との間に複数の柱状体を渡す構造をとっていた。しかしながら、先願発明を実施する上で、柱状体の上下を支持する構造体は、必ずしも基板状の構造体である必要はなく、任意形状の構造体であってかまわない。
【０２３４】
たとえば、§２で述べた先願発明の基本的実施形態に係る力検出装置では、２本の柱状体Ｐ１，Ｐ２を、上方基板１０と下方基板２０との間に挟み込む構造を採っているが、上方基板１０や下方基板２０は、必ずしも基板状の構造体である必要はなく、任意形状の構造体に置き換えてもかまわない。
【０２３５】
要するに、この基本的実施形態に係る力検出装置は、上下方向に定義されたＺ軸に対して所定方向に傾斜するように配置された第１の柱状体および第２の柱状体と、第１の柱状体および第２の柱状体の上方に配置された上方構造体と、第１の柱状体および第２の柱状体の下方に配置された下方構造体と、第１の柱状体および第２の柱状体の変位に基づいて、作用した力を示す電気信号を出力する検出部と、を備えていればよい。
【０２３６】
そして、各柱状体の上端が、上方構造体の下面に直接もしくは間接的に接合され、各柱状体の下端が、下方構造体の上面に直接もしくは間接的に接合されており、第１の柱状体の中心軸をＸＺ平面に正射影して得られる投影像が、Ｚ軸に対して第１の方向に傾斜しており、第２の柱状体の中心軸をＸＺ平面に正射影して得られる投影像が、Ｚ軸に対して第１の方向とは逆の第２の方向に傾斜していればよい。
【０２３７】
また、上記構造において、「下方構造体」の少なくとも一部分および「上方構造体、第１の柱状体、第２の柱状体、およびこれら相互の接続部分」の少なくとも一部分が可撓性を有しているようにすれば、下方構造体の所定位置を固定した状態において、上方構造体に外力が作用した場合に、各柱状体の傾斜状態が変化して上方構造体が変位を生じることができる。そこで、検出部に、第１の柱状体の下端のＺ軸方向への変位を検出する第１のセンサと、第２の柱状体の下端のＺ軸方向への変位を検出する第２のセンサと、を設けておけば、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、下方構造体の所定位置を固定した状態において上方構造体に作用したＸ軸方向の力Ｆｘの検出値として出力することができる。また、第１のセンサの検出値と第２のセンサの検出値との和を示す電気信号を、下方構造体の所定位置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ことができる。
【０２３８】
各センサとして、容量素子を利用する場合には、下方構造体の下方に所定間隔をおいて固定された補助基板を更に設け、第１のセンサが、下方構造体における第１の柱状体の下端が接合された位置に形成された第１の変位電極と、補助基板の上面における第１の変位電極に対向する位置に固定された第１の固定電極と、からなる第１の容量素子によって構成されるようにし、第２のセンサが、下方構造体における第２の柱状体の下端が接合された位置に形成された第２の変位電極と、補助基板の上面における第２の変位電極に対向する位置に固定された第２の固定電極と、からなる第２の容量素子によって構成されるようにすればよい。このとき、下方構造体を導電性材料から構成しておけば、下方構造体における第１の柱状体の下端が接合された部分を第１の変位電極として機能させ、下方構造体における第２の柱状体の下端が接合された部分を第２の変位電極として機能させることができる。
【０２３９】
一方、§３で述べた先願発明の実用的実施形態に係る力検出装置では、８本の柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４を、上方基板１００と下方基板２００との間に挟み込む構造を採っているが、この場合も、上方基板１００や下方基板２００は、必ずしも基板状の構造体である必要はなく、任意形状の構造体に置き換えてもかまわない。
【０２４０】
要するに、この実用的実施形態に係る力検出装置は、ＸＹ平面に平行な平面上に広がる上方構造体と、ＸＹ平面に平行な平面上に広がり、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に直接もしくは間接的に接合され、下端が下方構造体の上面に直接もしくは間接的に接合された第１〜第４のＸ軸柱状体および第１〜第４のＹ軸柱状体と、これら８本の柱状体の変位に基づいて、作用した力を示す電気信号を出力する検出部と、を備えていればよい。
【０２４１】
そして、第１のＸ軸柱状体の中心軸と第２のＸ軸柱状体の中心軸とは、Ｘ軸の正の領域においてＸ軸と直交するＸ軸正側直交面に含まれ、かつ、ＸＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、第３のＸ軸柱状体の中心軸と第４のＸ軸柱状体の中心軸とは、Ｘ軸の負の領域においてＸ軸と直交するＸ軸負側直交面に含まれ、かつ、ＸＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、第１のＹ軸柱状体の中心軸と第２のＹ軸柱状体の中心軸とは、Ｙ軸の正の領域においてＹ軸と直交するＹ軸正側直交面に含まれ、かつ、ＹＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、第３のＹ軸柱状体の中心軸と第４のＹ軸柱状体の中心軸とは、Ｙ軸の負の領域においてＹ軸と直交するＹ軸負側直交面に含まれ、かつ、ＹＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しているようにすればよい。
【０２４２】
ここで、第１のＸ軸柱状体の下端のＺ軸方向への変位を検出する第１のＸ軸センサと、第２のＸ軸柱状体の下端のＺ軸方向への変位を検出する第２のＸ軸センサと、第３のＸ軸柱状体の下端のＺ軸方向への変位を検出する第３のＸ軸センサと、第４のＸ軸柱状体の下端のＺ軸方向への変位を検出する第４のＸ軸センサと、第１のＹ軸柱状体の下端のＺ軸方向への変位を検出する第１のＹ軸センサと、第２のＹ軸柱状体の下端のＺ軸方向への変位を検出する第２のＹ軸センサと、第３のＹ軸柱状体の下端のＺ軸方向への変位を検出する第３のＹ軸センサと、第４のＹ軸柱状体の下端のＺ軸方向への変位を検出する第４のＹ軸センサと、を有する検出部を設ければ、各センサの検出値に基づいて得られた電気信号を、下方構造体の所定位置を固定した状態において上方構造体に作用した力の検出値として出力することができる。
【０２４３】
図４１は、図３３に示す力検出装置における下方基板２５０の代わりに用いる下方構造体２８０の上面図である。図示の下方構造体２８０は、Ｚ軸上に位置する中心部２８９と、この中心部２８９から第１〜第４のＸ軸柱状体の下端への接続位置および第１〜第４のＹ軸柱状体の下端への接続位置へそれぞれ伸びる８本の可撓性をもった枝状部２８１〜２８８と、を有している。ここで、各枝状部２８１〜２８８は、Ｘ軸もしくはＹ軸に対して４５°をなす配置軸Ｗ１もしくはＷ２に沿って伸びている。また、図に示す破線の円は、各柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４の下端が接続される部分を示している。
【０２４４】
このような下方構造体２８０は、たとえば、アルミニウム板やステンレス板に対して切削加工を施すことにより得ることができる。８本の枝状部２８１〜２８８は可撓性を有しているため、中心部２８９を固定した状態において、各柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４がそれぞれＺ軸方向の変位を生じると、各枝状部２８１〜２８８はそれぞれ対応する柱状体の変位に応じて独立して撓むことになる。
【０２４５】
図４２は、図３３に示す力検出装置における補助基板３４０の代わりに用いる補助基板３８０を示す上面図である。図示のとおり、この補助基板３８０の上面には、８枚の固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４が形成されている（ハッチングは、電極形状を示すためのものである。）。この補助基板３８０上の８枚の固定電極は、図３３に示す補助基板３４０上の８枚の固定電極とは平面形状は異なっているが、同一の機能を果たすため、便宜上、同一符号Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４で示してある。
【０２４６】
図４２に示す８枚の固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４は、図４１に示す８枚の枝状部２８１〜２８８に対向する形状をもち、対向する位置に配置された電極である。この実施形態の場合、下方構造体２８０は導電性材料によって構成されているため、枝状部２８１〜２８８はそれ自身が変位電極として機能し、対向する固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４とによって、８組の容量素子が形成される。ここでは、これらの容量素子も、これまでの実施形態と同様に、容量素子Ｃｘ１〜Ｃｘ４，Ｃｙ１〜Ｃｙ４と呼ぶことにする。
【０２４７】
図４３は、図４１に示す下方構造体２８０および図４２に示す補助基板３８０を用いた変形例を示す縦断面図（ＸＺ平面で切った断面図）である。この変形例の基本的な動作原理は、図３３に示す実施形態と同じである。すなわち、受力体１２５に作用した外力は、連結部材１３５を介して上方基板１５５に伝達される。この例の場合、上方基板１５５は可撓性をもった円盤であり、この上方基板１５５の下方に、下方構造体２８０が配置され、両者間に、８本の柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４が接続される。これら８本の柱状体の配置や傾斜状態は、§３で述べた実用的実施形態に係る装置と同様である。下方構造体２８０の中心部下面には、スペーサ部材３３５が接合され、その下面には補助基板３８０が接合されている。
【０２４８】
ここで、下方構造体２８０は、図４１の上面図に示すように、中心部２８９から外側へ向かって８本の枝状部２８１〜２８８が伸びる構造体であり、補助基板３８０の上面には、図４２の上面図に示すように、各枝状部２８１〜２８８に対向する固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４が形成されている。このような構成により、８組の容量素子Ｃｘ１〜Ｃｘ４，Ｃｙ１〜Ｃｙ４が、各柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４の下端のＺ軸方向の変位を検出するセンサとして機能する。これら８組の容量素子の静電容量値に基づいて、作用した外力の６成分の検出が可能になる点は、既に§４で述べたとおりである。
【０２４９】
すなわち、図４３に示す力検出装置では、第１のＸ軸柱状体Ｐｘ１の下端への接続位置へ伸びる枝状部２８１によって形成された第１のＸ軸変位電極と、補助基板３８０の上面における第１のＸ軸変位電極に対向する位置に固定された第１のＸ軸固定電極Ｅｘ１と、からなる第１のＸ軸容量素子Ｃｘ１によって第１のＸ軸センサが構成され、第２のＸ軸柱状体Ｐｘ２の下端への接続位置へ伸びる枝状部２８８によって形成された第２のＸ軸変位電極と、補助基板３８０の上面における第２のＸ軸変位電極に対向する位置に固定された第２のＸ軸固定電極Ｅｘ２と、からなる第２のＸ軸容量素子Ｃｘ２によって第２のＸ軸センサが構成され、第３のＸ軸柱状体Ｐｘ３の下端への接続位置へ伸びる枝状部２８４によって形成された第３のＸ軸変位電極と、補助基板３８０の上面における第３のＸ軸変位電極に対向する位置に固定された第３のＸ軸固定電極Ｅｘ３と、からなる第３のＸ軸容量素子Ｃｘ３によって第３のＸ軸センサが構成され、第４のＸ軸柱状体Ｐｘ４の下端への接続位置へ伸びる枝状部２８５によって形成された第４のＸ軸変位電極と、補助基板３８０の上面における第４のＸ軸変位電極に対向する位置に固定された第４のＸ軸固定電極Ｅｘ４と、からなる第４のＸ軸容量素子Ｃｘ４によって第４のＸ軸センサが構成されていることになる。
【０２５０】
また、第１のＹ軸柱状体Ｐｙ１の下端への接続位置へ伸びる枝状部２８２によって形成された第１のＹ軸変位電極と、補助基板３８０の上面における第１のＹ軸変位電極に対向する位置に固定された第１のＹ軸固定電極Ｅｙ１と、からなる第１のＹ軸容量素子Ｃｙ１によって第１のＹ軸センサが構成され、第２のＹ軸柱状体Ｐｙ２の下端への接続位置へ伸びる枝状部２８３によって形成された第２のＹ軸変位電極と、補助基板３８０の上面における第２のＹ軸変位電極に対向する位置に固定された第２のＹ軸固定電極Ｅｙ２と、からなる第２のＹ軸容量素子Ｃｙ２によって第２のＹ軸センサが構成され、第３のＹ軸柱状体Ｐｙ３の下端への接続位置へ伸びる枝状部２８７によって形成された第３のＹ軸変位電極と、補助基板３８０の上面における第３のＹ軸変位電極に対向する位置に固定された第３のＹ軸固定電極Ｅｙ３と、からなる第３のＹ軸容量素子Ｃｙ３によって第３のＹ軸センサが構成され、第４のＹ軸柱状体Ｐｙ４の下端への接続位置へ伸びる枝状部２８６によって形成された第４のＹ軸変位電極と、補助基板３８０の上面における第４のＹ軸変位電極に対向する位置に固定された第４のＹ軸固定電極Ｅｙ４と、からなる第４のＹ軸容量素子Ｃｙ４によって第４のＹ軸センサが構成されていることになる。
【０２５１】
そして、検出部は、第１のＸ軸容量素子の静電容量変動値Ｃｘ１、第２のＸ軸容量素子の静電容量変動値Ｃｘ２、第３のＸ軸容量素子の静電容量変動値Ｃｘ３、第４のＸ軸容量素子の静電容量変動値Ｃｘ４、第１のＹ軸容量素子の静電容量変動値Ｃｙ１、第２のＹ軸容量素子の静電容量変動値Ｃｙ２、第３のＹ軸容量素子の静電容量変動値Ｃｙ３、第４のＹ軸容量素子の静電容量変動値Ｃｙ４に基づいて得られた電気信号を、検出値として出力する。
【０２５２】
なお、ここでは、下方構造体２８０が導電性材料から構成され、各枝状部２８１〜２８８自身がそれぞれ変位電極として機能する例を述べたが、下方構造体２８０を非導電性材料から構成した場合は、各枝状部２８１〜２８８の下面に変位電極として機能する導電層を形成すればよい。
【０２５３】
ところで、図４１に示すような８本の枝状部を有する下方構造体２８０を用いると、各柱状体の下端を支持する枝状部２８１〜２８８が、それぞれ独立した片持ち梁として機能するため、装置全体の変位自由度が向上し、上方基板１５５の変位量がかなり大きくなる可能性がある。このような大きな変位状態は、検出誤差を生む要因になり、また、各部に破損を生じさせる要因にもなる。そこで、実用上は、上方基板１５５の変位を制御する制御部材を設けるのが好ましい。
【０２５４】
図４４は、図４３に示す装置を装置筐体４６０内に収容した状態を示す縦断面図である。この装置筐体４６０には、上方基板１５５の変位を制御する制御部材が取り付けられており、上方基板１５５の過度の変位を抑制することができる。すなわち、図４３に示す装置は、装置筐体４６０内に収容され、補助基板３８０が装置筐体４６０の底面に固定される。そして、図４３に示す装置における受力体１２５は、若干、形状の異なる受力体１２６に交換されている。この受力体１２６は、基本的には円盤状の部材であるが、その周囲には鍔状部１２７が設けられている。
【０２５５】
一方、装置筐体４６０の上面には、円環状の制御部材４７０が、ねじ４７１によって取り付けられている。この制御部材４７０は、鍔状部１２７の上面および側面に当接して、受力体１２６の上方および側方への過度の変位を抑制する機能を果たす。また、装置筐体４６０の上縁面は、鍔状部１２７の下面に当接して、受力体１２６の下方への過度の変位を抑制する機能を果たす。このように、受力体１２６の過度の変位を抑制することにより、上方基板１５５の過度の変位を抑制することができる。
【０２５６】
なお、この図４３および図４４に示す例は、下方基板を８本の枝状部を有する下方構造体２８０に置き換えた例であるが、もちろん、上方基板を８本の枝状部を有する上方構造体に置き換えることも可能である。また、図３８や図３９に示す例における下方基板２００，補助基板３００を、図４１および図４２に示す下方構造体２８０および補助基板３８０に置き換えることも可能であるし、図４０に示す例における下方基板２５０，補助基板３４０を、図４１および図４２に示す下方構造体２８０および補助基板３８０に置き換えることも可能である。この他にも、先願発明の基本概念を逸脱しない限り、任意の組み合わせが可能である。
【０２５７】
＜５−５：枝状部を有する下方構造体を用いる場合の付加機能＞
さて、図４１〜図４４には、８本の枝状部２８１〜２８８を有する下方構造体２８０を用いる変形例を示したが、このような枝状部を有する構造体を用いた変形例では、これまで述べてきた通常の力検出機能の他に、更に付加的な機能を設けることができる。それは、個々の枝状部が、補助基板３８０に接するほど大きく変位したことを電気的に検出する機能である。
【０２５８】
たとえば、図４２に示す補助基板３８０の代わりに、図４５に示す補助基板３８０Ａを用いた場合を考えよう。両者の相違は、後者では、各固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４の長さが若干短くなっており、その空き部分に、接触判定用電極ｅｘ１〜ｅｘ４，ｅｙ１〜ｅｙ４を設けた点である。図４５では、固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４に斜線ハッチングを施し、接触判定用電極ｅｘ１〜ｅｘ４，ｅｙ１〜ｅｙ４にグレーハッチングを施して示す（これらのハッチングは、各電極の形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。ここで、各接触判定用電極ｅｘ１〜ｅｘ４，ｅｙ１〜ｅｙ４は、各枝状部２８１〜２８８を下方へ撓ませたときに、その先端部が接触する位置に配置されている。
【０２５９】
要するに、補助基板３８０Ａでは、その上面における各枝状部２８１〜２８８の先端部に対向する位置のそれぞれに、各固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４とは電気的に絶縁された接触判定用電極ｅｘ１〜ｅｘ４，ｅｙ１〜ｅｙ４が設けられていることになる。このような構成を採れば、枝状部の先端部と接触判定用電極との物理的接触の有無を、両者の電気的導通状態に基づいて判定できるようになる。
【０２６０】
この装置では、検出回路５００によって、８組の容量素子の静電容量値をそれぞれ測定するため、各固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４と検出回路５００との間に配線を設け、また、共通の変位電極として機能する下面構造体２８０と検出回路５００との間にも配線を設ける必要があるが、それに加えて、各接触判定用電極ｅｘ１〜ｅｘ４，ｅｙ１〜ｅｙ４と検出回路５００との間にも配線を設けておくようにする。そうすれば、検出回路５００は、下面構造体２８０と各接触判定用電極ｅｘ１〜ｅｘ４，ｅｙ１〜ｅｙ４との間の電気的導通状態をチェックすることにより、各枝状部２８１〜２８８の先端部と各接触判定用電極ｅｘ１〜ｅｘ４，ｅｙ１〜ｅｙ４とが物理的に接触したか否かを判定することができる。
【０２６１】
たとえば、接触判定用電極ｅｘ１と下面構造体２８０とが電気的に導通した状態が検出できれば、枝状部２８１の先端部が接触判定用電極ｅｘ１に物理的に接触したことを認識することができる。これは、第１のＸ軸柱状体Ｐｘ１の下端が下方に大きく変位したことを示し、そのような変位を生じさせる大きな外力が作用したことを示すことになる。そのような大きな外力が作用した場合、正しい検出値を出力することはできないので、たとえば、エラー信号を出力したり、必要であれば、過度の外力による破損の危険性があることを示す警告を発したりする対応をとればよい。
【０２６２】
図４６に示す補助基板３８０Ｂは、図４５に示す補助基板３８０Ａの変形例である。この変形例は、８個の接触判定用電極ｅｘ１〜ｅｘ４，ｅｙ１〜ｅｙ４を、単一の接触判定用環状電極ｅに置き換えたものである（グレーのハッチングは、この接触判定用環状電極ｅの形状を示すためのものである）。すなわち、補助基板３８０Ｂでは、その上面における各枝状部２８１〜２８８の先端部に対向する位置をそれぞれ連結する環状領域に、各固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４とは電気的に絶縁された接触判定用環状電極ｅが設けられている。この場合、８本の枝状部２８１〜２８８のいずれかの先端部が、接触判定用環状電極ｅに物理的に接触したことを検出できる。どの枝状部２８１〜２８８が接触したかを特定する情報は得られないので、どの柱状体が大きく変位したかを認識することはできないが、エラー信号を出力したり警告を発したりする対応をとるのであれば、この図４６の構成で十分である。
【０２６３】
図４７に示す補助基板３８０Ｃは、図４５に示す補助基板３８０Ａの別な変形例である。この変形例では、８個の接触判定用電極ｅｘ１〜ｅｘ４，ｅｙ１〜ｅｙ４の代わりに、１６個の接触判定用電極ｅｘ１ａ〜ｅｘ４ｂ，ｅｙ１ａ〜ｅｙ４ｂが設けられている。いわば、補助基板３８０Ａ上の各接触判定用電極を、それぞれ２つに分割した形態をとる。
【０２６４】
この変形例の利点は、下方構造体２８０側への配線を利用しなくても、大きな外力が作用したことを電気的に検出できる点である。たとえば、第１のＸ軸柱状体Ｐｘ１の下端が下方に大きく変位し、枝状部２８１の先端部が接触判定用電極ｅｘ１ａ，ｅｘ１ｂに接触したとすると、この枝状部２８１の先端部を介して、一対の接触判定用電極ｅｘ１ａ，ｅｘ１ｂが導通することになる。したがって、この一対の接触判定用電極ｅｘ１ａ，ｅｘ１ｂ間の電気的導通状態をチェックするだけで、枝状部２８１の物理的接触を検知できることになる。他の接触判定用電極対についても同様である。
【０２６５】
要するに、１つの枝状部の先端部に対向する位置に、互いに絶縁された一対の接触判定用電極を設けることにより、この一対の接触判定用電極の相互間の電気的導通状態に基づいて、枝状部の先端部とこの一対の接触判定用電極との物理的接触の有無を判定できるようになる。
【０２６６】
図４８に示す補助基板３８０Ｄは、図４６に示す補助基板３８０Ｂの変形例である。この変形例では、単一の接触判定用環状電極ｅの代わりに、一対の接触判定用環状電極ｅａ，ｅｂが設けられている。いわば、補助基板３８０Ｂ上の接触判定用環状電極ｅが配置されている環状領域に、互いに絶縁された同心状の一対の接触判定用環状電極ｅａ，ｅｂを設けたものに相当する。この場合も、一対の接触判定用環状電極ｅａ，ｅｂの相互間の電気的導通状態に基づいて、枝状部の先端部とこの一対の接触判定用環状電極ｅａ，ｅｂとの物理的接触の有無を判定できるので、下方構造体２８０側への配線を利用しなくても、大きな外力が作用したことが電気的に検出できる。
【０２６７】
以上、接触判定用電極を設けて、大きな外力が作用したことを電気的に検出できるようにし、そのような場合にエラー信号を出力したり警告を発したりする対応をとる例を述べたが、逆に、そのような大きな外力が作用した場合にのみ、検出値の出力が行われるような対応をとることも可能である。
【０２６８】
たとえば、図４３に示す力検出装置を、デジタル機器用の入力装置として利用する場合を考えてみよう。すなわち、人間が掌の上にこの装置を載せ、親指を受力体１２５の上面に置いて何らかの入力操作を行うような場合、親指からは絶えず微小な力が加えられるため、人間が意図的に何らかの入力操作を行わなくても、この装置は、親指から加えられた力を検出することになる。しかしながら、そのような微小な力を、人間から与えられた入力操作を示す信号として出力することは好ましくない。別言すれば、デジタル機器用の入力装置として利用する場合、人間が意図的に何らかの入力操作（具体的には、たとえば、受力体１２５をＸ軸正方向もしくは負方向に傾ける操作、または、Ｙ軸正方向もしくは負方向に傾ける操作）を行ったと判断できる程度の大きな外力が作用した場合にのみ、当該入力操作に対応する検出値の出力がなされるようにするべきである。
【０２６９】
このような用途の場合は、枝状部の先端が接触判定用電極に接触したことが電気的に検出できた場合にのみ、検出値の出力が行われるようにすればよい。なお、このような利用形態を前提とする場合は、下方構造体２８０側への配線は一切不要である。なぜなら、接触判定用電極（接触判定用環状電極）と枝状部との物理的接触によって形成される導電路を、各変位電極と検出部とを電気的に接続する配線路として利用することができるからである。
【０２７０】
たとえば、図４７に示す補助基板３８０Ｃを利用した変形例の場合、第１のＸ軸柱状体Ｐｘ１の下端が下方に大きく変位し、枝状部２８１の先端部が接触判定用電極ｅｘ１ａ，ｅｘ１ｂに接触したとすると、前述したとおり、この枝状部２８１の先端部を介して、一対の接触判定用電極ｅｘ１ａ，ｅｘ１ｂが導通することになる。したがって、この一対の接触判定用電極ｅｘ１ａ，ｅｘ１ｂ間の電気的導通状態をチェックするだけで、枝状部２８１の物理的接触を検知できる。しかも、枝状部２８１の先端部が接触判定用電極ｅｘ１ａ，ｅｘ１ｂに接触した状態では、下方構造体２８０全体が接触判定用電極ｅｘ１ａ，ｅｘ１ｂに導通した状態となっているので、接触判定用電極ｅｘ１ａ，ｅｘ１ｂと検出回路５００との間に設けられた配線を、そのまま下方構造体２８０への配線として利用することができる。したがって、下方構造体２８０に対して直接的な配線を施さなくても、各容量素子の静電容量値の検出を行うことができる。
【０２７１】
もちろん、８本の枝状部２８１〜２８８のいずれもが接触判定用電極に接触していない場合は、直接的な配線が施されていない下方構造体２８０は、電気的な浮遊状態におかれることになり、検出回路５００は、各容量素子の静電容量値の検出を行うことができない。しかしながら、前述したようなデジタル機器用の入力装置として利用する前提では、そもそも、そのような状態では、検出値の出力を行う必要がないので、何ら支障は生じない。
【０２７２】
＜５−６：枝状部を有する下方構造体の変形例＞
ここでは、図４１に示す枝状部を有する下方構造体２８０の変形例を示す。図４９は、この変形例に係る下方構造体２９０の上面図である。図において、破線の直線は、この構造体の各部分の境界を示しており、破線の円は、各柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４の下端が接続される部分を示している。
【０２７３】
図示のとおり、この下方構造体２９０は、中心位置がＺ軸と交差する十字架状の中心部２９９と、この中心部２９９から第１〜第４のＸ軸柱状体の下端への接続位置および第１〜第４のＹ軸柱状体の下端への接続位置へそれぞれ伸びる８本の可撓性をもった枝状部２９１〜２９８と、を有している。この変形例では、各枝状部２９１〜２９８は、Ｘ軸もしくはＹ軸に平行な方向に伸びる片持ち梁として機能する。
【０２７４】
この下方構造体２９０も、たとえば、アルミニウム板やステンレス板に対して切削加工を施すことにより得ることができる。８本の枝状部２９１〜２９８は可撓性を有しているため、中心部２９９を固定した状態において、各柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４がそれぞれＺ軸方向の変位を生じると、各枝状部２９１〜２９８はそれぞれ対応する柱状体の変位に応じて独立して撓むことになる。この図４９に示す下方構造体２９０は、図４１に示す下方構造体２８０に比べて、製造が容易であるという利点を有している。
【０２７５】
図４１に示す下方構造体２８０の代わりに、図４９に示す下方構造体２９０を用いる場合には、図４２に示す補助基板３８０の代わりに、図５０に示す補助基板３９０を用いるようにする。この補助基板３９０の上面には、８枚の固定電極Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４が形成されている（ハッチングは、電極形状を示すためのものである。）。この補助基板３９０上の８枚の固定電極は、図４９に示す８枚の枝状部２９１〜２９８に対向する形状をもち、対向する位置に配置された電極であるため、図４２に示す８枚の固定電極とは形状や配置が異なっているが、同一の機能を果たすため、便宜上、同一符号Ｅｘ１〜Ｅｘ４，Ｅｙ１〜Ｅｙ４で示してある。
【０２７６】
＜５−７：容量素子以外のセンサを用いた変形例＞
これまで「各柱状体の下端のＺ軸方向への変位を検出するセンサ」として、容量素子を用いた実施形態について、６つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出値を得るための具体的な演算方法を述べた。しかしながら、先願発明を実施するにあたり、「各柱状体の下端のＺ軸方向への変位を検出するセンサ」は、必ずしも容量素子を用いたセンサである必要はなく、特定部位の変位を何らかの方法で電気的に検出可能なセンサであれば足りる。たとえば、超音波を用いて距離を測定するセンサや、光を用いて距離を測定するセンサなどを利用して、特定部位までの距離の変化を測定するようにすれば、当該特定部位の変位を検出することができる。
【０２７７】
このように、容量式センサの代わりに、「柱状体の下端のＺ軸方向への変位を検出するセンサ」を用いた場合でも、§４で述べた検出動作によって、６つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出できる点に変わりはない。
【０２７８】
すなわち、検出部は、「第１のＹ軸センサの検出値と第２のＹ軸センサの検出値との差」と「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｆｘ）＊を、作用したＸ軸方向の力Ｆｘの検出値（近似値）として出力することができ、「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との差」と「第３のＸ軸センサの検出値と第４のＸ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｆｙ）＊を、作用したＹ軸方向の力Ｆｙの検出値（近似値）として出力することができる。
【０２７９】
また、検出部は、「第１〜第４のＸ軸センサの検出値の総和」もしくは「第１〜第４のＹ軸センサの検出値の総和」、または「第１〜第４のＸ軸センサの検出値の総和と第１〜第４のＹ軸センサの検出値の総和との和」に対応する信号値Ｖ（Ｆｚ）を、作用したＺ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力することができる。
【０２８０】
一方、モーメントに関しては、検出部は、「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との和」と「第１のＹ軸センサの検出値と第２のＹ軸センサの検出値との和」との差に対応する信号値Ｖ（Ｍｘ）を、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ことができ、「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との和」と「第３のＸ軸センサの検出値と第４のＸ軸センサの検出値との和」との差に対応する信号値Ｖ（Ｍｙ）を、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ことができる。
【０２８１】
また、検出部は、「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との差」と「第４のＸ軸センサの検出値と第３のＸ軸センサの検出値との差」と「第２のＹ軸センサの検出値と第１のＹ軸センサの検出値との差」と「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｍｚ）を、作用したＺ軸まわりのモーメントＭｚの検出値として出力することができる。
【０２８２】
更に、より正確な検出値を得る必要がある場合、検出部は、「第１のＹ軸センサの検出値と第２のＹ軸センサの検出値との差」と「第３のＹ軸センサの検出値と第４のＹ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｆｘ）＊と、「第１のＸ軸センサの検出値と第２のＸ軸センサの検出値との差」と「第３のＸ軸センサの検出値と第４のＸ軸センサの検出値との差」との和に対応する信号値Ｖ（Ｆｙ）＊とを求め、所定の係数ｋ１〜ｋ４を用いて、Ｖ（Ｆｘ）＊−ｋ２／ｋ１・Ｖ（Ｍｙ）なる式で得られる値に対応する信号値Ｖ（Ｆｘ）を、作用したＸ軸方向の力Ｆｘの検出値として出力し、Ｖ（Ｆｙ）＊−ｋ４／ｋ３・Ｖ（Ｍｘ）なる式で得られる値に対応する信号値Ｖ（Ｆｙ）を、作用したＹ軸方向の力Ｆｙの検出値として出力することができる。
【０２８３】
＜＜＜  §６．  本発明の基本的実施形態に係る駆動装置  ＞＞＞
さて、これまで§２〜§５において、先願発明に係る力検出装置を様々な実施形態について説明してきたが、この先願発明に係る力検出装置の基本的な特徴は、ＸＹ平面に平行な平面上に広がる上方構造体（上方基板）と、ＸＹ平面に平行な平面上に広がり、上方構造体の下方に配置された下方構造体（下方基板）と、の間に、複数の柱状体を斜めに傾斜させて（Ｚ軸に対して傾けて）配置した構造をとる点である。特に、隣接配置された一対の柱状体を逆向きに傾斜させているため、各柱状体から下方構造体に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に作用する力（各柱状体の下端の下方構造体に対する下方への変位）をセンサで検出することにより、上方構造体に作用した力の方向に関する情報を効率的に検出することが可能になるメリットが得られる。
【０２８４】
本願発明者は、このような先願発明に係る力検出装置の柱状体を、伸縮機構をもった接続部材に置き換えれば、下方構造体（下方基板）に対して上方構造体（上方基板）を変位させることができる点に着眼し、力検出機能をもった駆動装置を実現できることに想到した。伸縮機構をもった接続部材としては、電気信号に基づいて上下両端間の距離を変えるアクチュエータを用いればよい。そうすれば、上方構造体（上方基板）の位置や向きの姿勢制御を電気的に行うことができる。
【０２８５】
図５１は、本発明において接続部材として用いるのに適したリニアアクチュエータ７００の一例を示す側断面図である（ポンプの部分はブロックで示す）。図示のとおり、このリニアアクチュエータ７００は、円筒状の外側筒状部７１０と、その内側に嵌合した円柱状の内側柱状部７２０と、を同一の軸（摺動軸ＡＡ）上に配置してなる構造部を有している。内側柱状部７２０は外側筒状部７１０の内壁に沿って図の摺動軸ＡＡ方向に摺動する。外側筒状部７１０と内側柱状部７２０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７２０の左側には、図示のように密閉状態となった圧力室７３０が設けられている。この圧力室７３０は、導管７４０を介してポンプ７５０へ繋がっている。
【０２８６】
外部から電気信号を与えて、ポンプ７５０を駆動し、圧力室７３０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７３０内部の圧力を増減させることができる。この圧力室７３０内部の圧力変動によって、内側柱状部７２０は図の摺動軸ＡＡ方向に摺動することになる。このようにポンプ７５０に所定の電気信号を与えて駆動し、圧力室７３０の内圧を制御すれば、内側柱状部７２０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７４０およびポンプ７５０は、内側柱状部７２０を外側筒状部７１０に対して、摺動軸ＡＡに沿った方向に摺動させることにより、このリニアアクチュエータ７００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機構として機能する。
【０２８７】
なお、図５１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７３０および導管７４０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。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両端間の距離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（§８では、リンク機構を用いて接続部材を構成した例を変形例として示す）。
【０２８８】
図５２は、図６に示す先願発明の力検出装置に変更を加えることによって構成した、本発明の基本的実施形態に係る駆動装置を示す縦断面図である（各回路の部分はブロックとして示す）。図６に示す力検出装置との相違点は、第１の柱状体Ｐ１および第２の柱状体Ｐ２を、それぞれ第１の接続部材Ｕ１および第２の接続部材Ｕ２に置き換えた点と、駆動回路６０を付加した点である。ここで、第１の接続部材Ｕ１および第２の接続部材Ｕ２は、いずれも図５１に示すようなリニアアクチュエータ７００であり、駆動回路６０は、このリニアアクチュエータ７００に電気信号（図の矢印）を与えて制御する回路である。なお、この図５２では、図が繁雑になるのを避けるため、リニアアクチュエータ７００の導管７４０およびポンプ７５０の部分は省略されている。
【０２８９】
図５３は、図５２に示す駆動装置において、上方基板１５を図の上方（Ｚ軸正方向）に駆動した状態を示す縦断面図である。上方基板１５をこのような位置に移動させるには、駆動回路６０から接続部材Ｕ１，Ｕ２（リニアアクチュエータ）に電気信号を与えて、全長を伸ばす制御を行えばよい。接続部材Ｕ１，Ｕ２の全長が常に等しくなるように維持しながら、その全長を伸ばす制御を行えば、上方基板１５は水平な状態を保ったまま図の上方へと移動することになる。逆に、接続部材Ｕ１，Ｕ２の全長を縮める制御を行えば、上方基板１５は図の下方へと移動することになる。
【０２９０】
一方、図５４は、図５２に示す駆動装置において、上方基板１５を図の右まわり（Ｙ軸正まわり）に回転駆動した状態を示す縦断面図である。上方基板１５をこのような位置に移動させるには、駆動回路６０から接続部材Ｕ１，Ｕ２（リニアアクチュエータ）に電気信号を与えて、第１の接続部材Ｕ１を伸ばし、第２の接続部材Ｕ２を縮める制御を行えばよい。もちろん、第１の接続部材Ｕ１を伸ばす制御だけを行ったり、第２の接続部材Ｕ２を縮める制御だけを行っても、同様に、上方基板１５を右まわりに回転駆動することが可能であるが、図示の例のように両方を同時に伸縮させた方が、より効率的な駆動が可能になる。もちろん、伸縮状態を逆にすれば、上方基板１５を左まわりに回転駆動することができる。
【０２９１】
このように、図５２に示す駆動装置は、駆動回路６０から各接続部材Ｕ１，Ｕ２に与える電気信号を制御することにより、上方基板１５を駆動して、その姿勢を制御することができる。しかも、この駆動装置は、図６に示す先願発明の力検出装置と同様に、力検出装置としての機能も有しており、検出回路５０の働きにより、上方基板１５に作用した力を検出することが可能である。
【０２９２】
具体的には、駆動回路６０によって、各接続部材Ｕ１，Ｕ２の全長が、図６に示す先願発明の力検出装置における柱状体Ｐ１，Ｐ２の全長と全く同じになるように調整すれば（以下、このように調整した状態を「標準姿勢」と呼ぶ）、この駆動装置の実質的な構造は、図６の力検出装置の構造と同一になるので、§２で述べたとおり、上方基板１５に作用したＸ軸方向の力ＦｘおよびＺ軸方向の力Ｆｚを検出することができる。
【０２９３】
また、各接続部材Ｕ１，Ｕ２の全長を変化させた場合でも、両者が同じ長さになるように調整する限りは、「一対の接続部材Ｕ１，Ｕ２のそれぞれの上下両端（たとえば、中心軸の上下両端点）を結ぶ線分の傾斜がＺ軸に関して逆方向に傾斜する」という条件が維持されるので、§２で述べた基本原理に基づいて、上方基板１５に作用したＸ軸方向の力ＦｘおよびＺ軸方向の力Ｆｚを検出することができる。
【０２９４】
なお、図５２に示すような「標準姿勢」では、上方膜部１１，１２、下方膜部２１，２２、接続部材Ｕ１，Ｕ２は、いずれも撓みのない状態を維持しているが、図５３や図５４に示すように、各接続部材Ｕ１，Ｕ２を伸縮駆動し、上方基板１５を移動させたり回転させたりすると、上方膜部１１，１２や下方膜部２１，２２あるいは接続部材Ｕ１，Ｕ２に撓みが生じる可能性がある（図５３や図５４では、図示の便宜上、このような各部に生じる撓みは省略されている）。すなわち、接続部材Ｕ１，Ｕ２が各膜部に比べて十分な弾性（可撓性）をもった弾性部材で構成されている場合には、接続部材Ｕ１，Ｕ２が撓みを生じ、接続部材Ｕ１，Ｕ２が剛性部材で構成されている場合には、上方膜部１１，１２および下方膜部２１，２２が撓みを生じることになる。もちろん、接続部材Ｕ１，Ｕ２の弾性と各膜部の弾性とが同程度の場合には、これらすべてが撓みを生じることになる。
【０２９５】
ここで、上方膜部１１，１２に撓みが生じたとしても、力検出機能に影響は現れないが、下方膜部２１，２２に有意な撓みが生じると、§２で述べたとおりの検出方法では、正しい力検出を行うことはできない。たとえば、駆動回路６０によって、上方基板１５を右まわりに回転駆動して、図５４に示すような姿勢をとるようにしたときに、下方膜部２１，２２に有意な撓みが生じたとすると、検出回路５０により、このような撓みが力の検出値として出力されることになる。このように、「標準姿勢」から外れた状態では、下方膜部の撓みに対する補正を行わないと、検出回路５０は誤った検出値を出力することになる。
【０２９６】
もちろん、この駆動装置を力検出装置として利用する際には、姿勢を必ず「標準姿勢」に戻した状態にする、という利用形態を採る限り、この駆動装置は、§２で述べた力検出装置として機能し、正しい検出結果を得ることができる。ただ、実用上は、図５３や図５４に示すように、「標準姿勢」から外れた状態においても、正確な力検出を行いたい場合もあろう。そのような場合は、予め様々な姿勢における下方膜部２１，２２の撓み状態を考慮して、正しい力検出値を得るために必要な補正を行うようにすればよい。
【０２９７】
具体的には、たとえば、第１の接続部材Ｕ１の長さを複数ｍ段階に調整するとともに、第２の接続部材Ｕ２の長さを複数ｎ段階に調整することにより、合計、ｍ×ｎ通りの姿勢を設定し、これらの各姿勢をとったときの各センサの出力値（静電容量値）を当該姿勢における標準値を示すパラメータとして、数値テーブルなどに記録しておくようにすればよい。この数値テーブルに記録されている標準値は、各姿勢において、外力が作用していないときの各センサの出力を示す値ということになる。そこで、検出回路５０内に、このような数値テーブルを格納しておき、駆動回路６０から、現時点の姿勢（各接続部材Ｕ１，Ｕ２の長さ）を示す電気信号を検出回路５０に与えるようにすれば、検出回路５０は、現時点の姿勢に対応する標準値を数値テーブルから読み出し、各センサの出力値とテーブルから読み出した標準値との偏差を、外力の作用に基づく静電容量変動値として認識し、正しい力検出値を出力することができる。もちろん、個々の姿勢をとったときに、下方膜部２１，２２に撓みが生じる場合には、当該撓みが生じた状態におけるセンサの出力値が、当該姿勢における標準値を示すパラメータということになる。
【０２９８】
もちろん、数値テーブルを用意する代わりに、各接続部材Ｕ１，Ｕ２の現時点の長さと、各センサの出力値とをパラメータとして、作用した力Ｆｘ，Ｆｚ等の値を求める演算式を定義することができれば、当該演算式を用いて、正しい検出値を求めることもできる。
【０２９９】
結局、この図５２に示す装置は、ＸＹＺ三次元座標系において、ＸＹ平面に平行な平面上に広がる上方構造体（上方基板１５）と、同じくＸＹ平面に平行な平面上に広がり、上方構造体の下方に配置された下方構造体（下方基板２５）と、を有し、上方構造体内の所定の作用点に対して所定方向に作用した力を検出する力検出装置として機能するとともに、当該作用点を所定方向に駆動する駆動装置としても機能する装置ということになる。
【０３００】
この装置の重要な構成要素となるのが、第１の接続部材Ｕ１および第２の接続部材Ｕ２である。第１の接続部材Ｕ１は、上端が上方構造体（上方基板１５）の下面側に第１の上方接続部（上方基板１５の一部をなす上方膜部１１と突起部１３）を介して接続され、下端が下方構造体（下方基板２５）の上面側に第１の下方接続部（下方基板の一部をなす下方膜部２１と突起部２３）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機構をもった部材（リニアアクチュエータ７００）である。同様に、第２の接続部材Ｕ２は、上端が上方構造体（上方基板１５）の下面側に第２の上方接続部（上方基板１５の一部をなす上方膜部１２と突起部１４）を介して接続され、下端が下方構造体（下方基板２５）の上面側に第２の下方接続部（下方基板２５の一部をなす下方膜部２２と突起部２４）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機構をもった部材（リニアアクチュエータ７００）である。
【０３０１】
ここで、第１の上方接続部１１，１３は、第１の接続部材Ｕ１がその上端付近を中心として少なくともＸＺ平面内で回動自在となるように、第１の接続部材Ｕ１を上方構造体１５に接続する役割を果たし、第１の下方接続部２１，２３は、第１の接続部材Ｕ１がその下端付近を中心として少なくともＸＺ平面内で回動自在となるように、前記第１の接続部材Ｕ１を下方構造体２５に接続する役割を果たす。同様に、第２の上方接続部１２，１４は、第２の接続部材Ｕ２がその上端付近を中心として少なくともＸＺ平面内で回動自在となるように、第２の接続部材Ｕ２を上方構造体１５に接続する役割を果たし、第２の下方接続部２２，２４は、第２の接続部材Ｕ２がその下端付近を中心として少なくともＸＺ平面内で回動自在となるように、第２の接続部材Ｕ２を下方構造体２５に接続する役割を果たす。このように、各接続部材Ｕ１，Ｕ２の上下両端を、回動自由度をもって接続することができるのは、各膜部１１，１２，２１，２２が可撓性を有しているためである。
【０３０２】
一方、図５２にブロックとして示す検出回路５０は、第１の接続部材Ｕ１および第２の接続部材Ｕ２の下端の変位に基づいて、作用した力を示す電気信号を出力する検出部として機能する。この検出部は、第１の接続部材Ｕ１の下端のＺ軸方向への変位を検出する第１のセンサ（下方膜部２１と固定電極Ｅ５）と、第２の接続部材Ｕ２の下端のＺ軸方向への変位を検出する第２のセンサ（下方膜部２２と固定電極Ｅ６）と、を有し、§２で述べたとおり、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２５を固定した状態において上方構造体１５上の所定の作用点に作用したＸ軸方向の力Ｆｘの検出値として出力し、第１のセンサの検出値と第２のセンサの検出値との和を示す電気信号を、Ｚ軸方向の力Ｆｚの検出値として出力することになる。
【０３０３】
このような検出が可能になるのは、第１の接続部材Ｕ１と第２の接続部材Ｕ２とが、図示のとおり、互いに逆向きに傾斜するように配置されているためである。すなわち、第１の接続部材Ｕ１と第２の接続部材Ｕ２とが同じ長さになるように各伸縮機構を調整したときに、第１の接続部材Ｕ１の中心軸をＸＺ平面に正射影して得られる投影像は、Ｚ軸に対して第１の方向に傾斜しており、第２の接続部材Ｕ２の中心軸をＸＺ平面に正射影して得られる投影像は、Ｚ軸に対して第１の方向とは逆の第２の方向に傾斜していることになる。このように、傾斜方向を逆にすることにより、§２で述べた原理に基づく力検出が可能になる。
【０３０４】
なお、実用上は、第１の接続部材Ｕ１と第２の接続部材Ｕ２とが同じ長さになるように各伸縮機構を調整したときに、第１の接続部材Ｕ１の中心軸および第２の接続部材Ｕ２の中心軸が、ＸＺ平面もしくはＸＺ平面に平行な同一平面上に配置されており、ＹＺ平面に関して面対称をなすようにすると、正負両座標軸方向に作用した力の検出値が対称性をもった値となるので好ましい。
【０３０５】
また、図５２にブロックとして示す駆動回路６０は、第１の接続部材Ｕ１および第２の接続部材Ｕ２の長さがそれぞれ所望の長さになるように、各伸縮機構（図５１に示すポンプ７５０）に所定の電気信号を与えて駆動する駆動部として機能する。具体的には、各伸縮機構を駆動して第１の接続部材Ｕ１および第２の接続部材Ｕ２の長さを調整し、図５３や図５４に示す例のように、下方構造体２５に対する上方構造体１５の位置もしくは向きを変化させる機能を果たす。
【０３０６】
＜＜＜  §７．  本発明の実用的実施形態に係る駆動装置  ＞＞＞
続いて、８本の接続部材を用いた本発明の実用的実施形態に係る駆動装置を説明する。図５５および図５６は、図７および図８に示す先願発明の力検出装置に変更を加えることによって構成した、本発明の実用的実施形態に係る駆動装置を示す正面図である（図５５は各部品を分解した状態、図５６は組み立てた状態を示し、各回路の部分はブロックとして示す）。
【０３０７】
この図５５および図５６に示す駆動装置と図７および図８に示す力検出装置との相違点は、第１〜第４のＸ軸柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，第１〜第４のＹ軸柱状体Ｐｙ１〜Ｐｙ４を、それぞれ第１〜第４のＸ軸接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，第１〜第４のＹ軸接続部材Ｕｙ１〜Ｕｙ４に置き換えた点と、駆動回路６００を付加した点である。ここで、各接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４およびＵｙ１〜Ｕｙ４は、いずれも図５１に示すようなリニアアクチュエータ７００であり、駆動回路６００は、このリニアアクチュエータ７００に電気信号を与えて制御する回路である。なお、この図５５，図５６においても、図が繁雑になるのを避けるため、リニアアクチュエータ７００の導管７４０およびポンプ７５０の部分は省略されている。
【０３０８】
図５７は、図５６に示す駆動装置における下方基板２００およびその上面に取り付けられた８本の接続部材を示す平面図であり、図５６に示す駆動装置において、上方基板１００を除去し、残りの構造体を上方から観察した上面図に対応する。ここで、ハッチングは、各接続部材の上端面を示すためのものであり、断面を示すものではない。この図５７に示す構成は、図２１に示す構成において、各柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４を、接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４（リニアアクチュエータ７００）に置き換えたものに相当する。各リニアアクチュエータ７００の取り付け位置や傾斜状態は、図２１に示す各柱状体の取り付け位置や傾斜状態と全く同じである。
【０３０９】
したがって、この図５６に示す本発明に係る駆動装置は、図８に示す先願発明の力検出装置と同様に、力検出装置としての機能も有しており、検出回路５００の働きにより、上方基板１００に作用した力を検出することが可能である。具体的には、駆動回路６００によって、各接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４の全長が、図８に示す先願発明の力検出装置における各柱状体Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４の全長と全く同じになるように調整すれば（以下、このように調整した状態を「標準姿勢」と呼ぶ）、この駆動装置の実質的な構造は、図８の力検出装置の構造と同一になるので、§４で述べたとおり、図２７，図２９に示す演算式に基づく演算により、上方基板１００に作用した各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを検出することができる。
【０３１０】
この図５６に示す駆動装置は、上方基板１００を各座標軸の方向に移動させたり、各座標軸まわりに回転させたりする駆動機能も有している。たとえば、図５８は、上方基板１００をＸ軸正方向（図の右方向）へ移動させた状態を示している。図５６に示す「標準姿勢」の状態から、図５８の変位状態にするには、接続部材Ｕｘ１，Ｕｘ２，Ｕｘ３，Ｕｘ４，Ｕｙ２，Ｕｙ４に対して伸ばす制御を行い、これらを寝かせる方向に傾斜させるとともに、接続部材Ｕｙ１，Ｕｙ３を縮める制御を行い、これらを立てる方向に傾斜させればよい。同様に、上方基板１００をＸ軸負方向（図の左方向）へ移動させるには、接続部材Ｕｘ１，Ｕｘ２，Ｕｘ３，Ｕｘ４，Ｕｙ１，Ｕｙ３に対して伸ばす制御を行い、これらを寝かせる方向に傾斜させるとともに、接続部材Ｕｙ２，Ｕｙ４を縮める制御を行い、これらを立てる方向に傾斜させればよい。
【０３１１】
また、Ｙ軸方向への駆動は、上記Ｘ軸方向へ駆動する場合について、Ｕｘ１〜Ｕｘ４についての伸縮動作とＵｙ１〜Ｕｙ４についての伸縮動作とを入れ替えればよい。
【０３１２】
一方、図５９は、上方基板１００をＺ軸正方向（図の上方向）へ移動させた状態を示している。図５６に示す「標準姿勢」の状態から、図５９の変位状態にするには、全接続部材に対して伸ばす制御を行えばよい。同様に、図６０は、上方基板１００をＺ軸負方向（図の下方向）へ移動させた状態を示している。図５６に示す「標準姿勢」の状態から、図６０の変位状態にするには、全接続部材に対して縮める制御を行えばよい。
【０３１３】
次に、上方基板１００を各座標軸まわりに回転させる駆動方法を考えてみよう。図６１は、上方基板１００をＹ軸正まわり（図における時計まわり）に回転させた状態を示している。図５６に示す「標準姿勢」の状態から、図６１の変位状態にするには、接続部材Ｕｘ１，Ｕｘ２，Ｕｙ１，Ｕｙ３に対して縮める制御を行い、Ｕｘ３，Ｕｘ４，Ｕｙ２，Ｕｙ４に対して伸ばす制御を行えばよい。このとき、図６１において外側に配置されている接続部材Ｕｘ１，Ｕｘ２を縮める量の方が、内側に配置されている接続部材Ｕｙ１，Ｕｙ３を縮める量よりも大きくなり、外側に配置されている接続部材Ｕｘ３，Ｕｘ４を伸ばす量の方が、内側に配置されている接続部材Ｕｙ２，Ｕｙ４を伸ばす量よりも大きくなるようにする。逆に、Ｙ軸負まわり（図における反時計まわり）に回転させるには、上記の制御と伸縮状態を逆にすればよい。
【０３１４】
また、Ｘ軸まわりに回転駆動する場合は、上記Ｙ軸まわりの回転駆動方法に準じた方法をとればよい。
【０３１５】
一方、図６２は、上方基板１００をＺ軸正まわり（図における反時計まわり）に回転させた状態を示している（図示の便宜上、上方基板１００を取り去った状態の上面を示している）。図５７に示す「標準姿勢」の状態から、図６２の変位状態にするには、接続部材Ｕｘ１，Ｕｘ４，Ｕｙ２，Ｕｙ３に対して縮める制御を行い、Ｕｘ２，Ｕｘ３，Ｕｙ１，Ｕｙ４に対して伸ばす制御を行えばよい。伸縮状態を逆転させれば、Ｚ軸負まわり（図における時計まわり）に回転させることができる。
【０３１６】
図６３は、図５６に示す駆動装置において、上方基板１００を各座標軸方向および各座標軸まわりに駆動するために必要な８本の接続部材の伸縮態様を示すテーブルである。図示のとおり、Ｘ軸の正負両方向への駆動、Ｙ軸の正負両方向への駆動、Ｚ軸の正負両方向への駆動、Ｘ軸の正負両まわりへの回転駆動、Ｙ軸の正負両まわりへの回転駆動、Ｚ軸の正負両まわりへの回転駆動を行うために必要な各接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４の伸縮動作が表として記載されている。
【０３１７】
この表で、「＋」および「＋＋」は接続部材を伸ばす動作、「−」および「−−」は接続部材を縮める動作を示している。また、同じ行に記載された「＋＋」は「＋」よりも伸ばす量が大きいことを示しており、同じ行に記載された「−−」は「−」よりも縮める量が大きいことを示している。これは、上述したとおり、Ｘ軸まわりおよびＹ軸まわりに回転駆動させる場合、当該回転軸の位置を基準として、内側に配置されている接続部材の伸縮量よりも、外側に配置されている接続部材の伸縮量の方を大きくする必要があるためである。なお、この表に記載された「＋」，「＋＋」，「−」，「−−」という記号は、伸縮量の絶対値を示しているわけではないので、たとえば、同じ「＋」記号が記載されている欄であっても、必ずしも伸縮量が等しいことを示すものではない。個々の伸縮量は、駆動前の装置の姿勢によっても変わってくる。
【０３１８】
駆動回路６００が、各接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４（リニアアクチュエータ）に電気信号を与えて、図６３のテーブルに応じた伸縮駆動を行うようにすれば、上方基板１００を任意の座標軸方向に移動させたり、任意の座標軸まわりに回転させたりすることができる。このように、図５６に示す駆動装置は、駆動回路６００から各接続部材に与える電気信号を制御することにより、上方基板１００を駆動して、その姿勢を任意の状態に制御することができる。
【０３１９】
なお、ここに示す実施形態の場合も、図５６に示すような「標準姿勢」では、上方膜部や下方膜部は撓みのない状態を維持しているが、各接続部材を伸縮駆動し、上方基板１００を移動させたり回転させたりすると、各膜部に撓みが生じる可能性がある。この場合、§６でも述べたとおり、下方膜部に有意な撓みが生じると、図２７，図２９に示す演算式に基づく演算により、各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを正確に検出することができなくなり、検出回路５００は誤った検出値を出力することになる。
【０３２０】
したがって、この駆動装置を力検出装置として利用する際には、姿勢を必ず「標準姿勢」に戻した状態にする、という利用形態を採る限り問題は生じないが、任意の姿勢において、正確な力検出を行いたい場合は、予め様々な姿勢における下方膜部の撓み状態を考慮して、正しい力検出値を得るために必要な補正を行うようにする必要がある。
【０３２１】
たとえば、８本の接続部材の長さをそれぞれ複数ｍ段階に調整して様々な姿勢をとらせた場合、合計、ｍ８通りの姿勢が定義できるので、これらの各姿勢をとったときの各センサの出力値（静電容量値）を当該姿勢における標準値を示すパラメータとして、数値テーブルなどに記録しておくようにすればよい。この数値テーブルに記録されている標準値は、各姿勢において、外力が作用していないときの各センサの出力を示す値ということになる。そこで、検出回路５００内に、このような数値テーブルを格納しておき、駆動回路６００から、現時点の姿勢（各接続部材の長さ）を示す電気信号を検出回路５００に与えるようにすれば、検出回路５００は、現時点の姿勢に対応する標準値を数値テーブルから読み出し、各センサの出力値とテーブルから読み出した標準値との偏差を、外力の作用に基づく静電容量変動値として認識し、正しい力検出値を出力することができる。
【０３２２】
もちろん、数値テーブルを用意する代わりに、各接続部材の現時点の長さと、各センサの出力値とをパラメータとして、図２７，図２９に示すような演算式を定義することができれば（実際は、かなり複雑な式になる）、当該演算式を用いて、正しい検出値を求めることもできる。
【０３２３】
なお、モーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出を行う場合には、座標系の原点と作用点との間の距離を考慮した補正も必要になる。たとえば、図５６に示す「標準姿勢」の状態に比べて、図５９のように上方基板１００を上方に移動した場合、原点と作用点との間の距離（回転半径）が伸びることになり、逆に、図６０のように上方基板１００を下方に移動した場合、原点と作用点との間の距離（回転半径）が縮むことになる。したがって、正確なモーメントの絶対値を得るためには、原点と作用点との間の現時点における距離（回転半径）を、各接続部材の現時点の長さに基づいて把握し、必要な補正を施す必要がある。
【０３２４】
結局、この図５６に示す装置の特徴をまとめると、次のようになる。まず、この装置は、ＸＹＺ三次元座標系において、ＸＹ平面に平行な平面上に広がる上方構造体（上方基板１５）と、同じくＸＹ平面に平行な平面上に広がり、上方構造体の下方に配置された下方構造体（下方基板２５）と、を有し、上方構造体内の所定の作用点に対して所定方向に作用した力を検出する力検出装置として機能するとともに、当該作用点を所定方向に駆動する駆動装置としても機能する装置ということになる。
【０３２５】
しかも、この装置は、上端が上方構造体１００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２００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機構をもった第１〜第４のＸ軸接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４と、上端が上方構造体１００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２００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機構をもった第１〜第４のＹ軸接続部材Ｕｙ１〜Ｕｙ４とを備えており、更に、これら各接続部材の下端の下方構造体に対する下方への変位に基づいて、作用した力を示す電気信号を出力する検出部として機能する検出回路５００と、各接続部材の長さがそれぞれ所望の長さになるように、各伸縮機構に所定の電気信号を与えて駆動する駆動部として機能する駆動回路６００と、を備えている。
【０３２６】
ここで、各上方接続部（各上方膜部）は、接続部材がその上端付近を中心として任意の方向に回動自在となるように、接続部材を上方構造体に接続する役割を果たし、各下方接続部（各下方膜部）は、接続部材がその下端付近を中心として任意の方向に回動自在となるように、接続部材を下方構造体に接続する役割を果たす。
【０３２７】
また、§４で述べた原理に基づく力検出動作を行うためには、各接続部材の中心軸の向きも重要である。すなわち、各接続部材がすべて同じ長さになるように各伸縮機構を調整したときに、図５７に示されているとおり、第１のＸ軸接続部材Ｕｘ１の中心軸と第２のＸ軸接続部材Ｕｘ２の中心軸とは、Ｘ軸の正の領域においてＸ軸と直交するＸ軸正側直交面Ｓ（＋ｘ）に含まれ、かつ、ＸＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、第３のＸ軸接続部材Ｕｘ３の中心軸と第４のＸ軸接続部材Ｕｘ４の中心軸とは、Ｘ軸の負の領域においてＸ軸と直交するＸ軸負側直交面Ｓ（−ｘ）に含まれ、かつ、ＸＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、第１のＹ軸接続部材Ｕｙ１の中心軸と第２のＹ軸接続部材Ｕｙ２の中心軸とは、Ｙ軸の正の領域においてＹ軸と直交するＹ軸正側直交面Ｓ（＋ｙ）に含まれ、かつ、ＹＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、第３のＹ軸接続部材Ｕｙ３の中心軸と第４のＹ軸接続部材Ｕｙ４の中心軸とは、Ｙ軸の負の領域においてＹ軸と直交するＹ軸負側直交面Ｓ（−ｙ）に含まれ、かつ、ＹＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜している。
【０３２８】
また、検出部は、第１のＸ軸接続部材Ｕｘ１の下端のＺ軸方向への変位を検出する第１のＸ軸センサと、前記第２のＸ軸接続部材Ｕｘ２の下端のＺ軸方向への変位を検出する第２のＸ軸センサと、前記第３のＸ軸接続部材Ｕｘ３の下端のＺ軸方向への変位を検出する第３のＸ軸センサと、前記第４のＸ軸接続部材Ｕｘ４の下端のＺ軸方向への変位を検出する第４のＸ軸センサと、前記第１のＹ軸接続部材Ｕｙ１の下端のＺ軸方向への変位を検出する第１のＹ軸センサと、前記第２のＹ軸接続部材Ｕｙ２の下端のＺ軸方向への変位を検出する第２のＹ軸センサと、前記第３のＹ軸接続部材Ｕｙ３の下端のＺ軸方向への変位を検出する第３のＹ軸センサと、前記第４のＹ軸接続部材Ｕｙ４の下端のＺ軸方向への変位を検出する第４のＹ軸センサと、を有し、各センサの検出値に基づいて得られた電気信号を、下方構造体２００を固定した状態において上方構造体１００上の所定の作用点に作用した力の検出値として出力する機能を果たす。
【０３２９】
ここで、この装置が図５６に示す「標準姿勢」の状態にある場合には、§４で述べた先願発明の実用的実施形態に係る力検出装置の検出動作と同じ検出動作により、各座標軸方向に作用した力と各座標軸まわりに作用したモーメントを検出することができる。また、装置が「標準姿勢」の状態にない場合でも、上述したとおり、予め様々な姿勢における下方膜部の撓み状態を測定しておき、テーブルや演算式を用いて必要な補正を施すことにより、正しい検出値を得ることができる。
【０３３０】
一方、駆動部は、所定の電気信号を与えることにより、各伸縮機構を駆動して各接続部材の長さを調整し、下方構造体２００に対する上方構造体１００の位置もしくは向きを変化させる機能を果たす。上方構造体１００を特定の座標軸方向に移動させたり、特定の座標軸まわりに回転させたりするために、８本の接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４をどのように伸縮させればよいかは、図６３のテーブルに示すとおりである。
【０３３１】
この図６３のテーブルに示す原理に基づいて、上方構造体１００を様々な方向や向きに駆動できるのは、この装置の接続部材すべてが同じ長さになるように各伸縮機構を調整したときに、これら接続部材が特有の位置に配置されており、上述したように、それぞれの接続部材が特有の傾斜態様を採っているためである。
【０３３２】
すなわち、各接続部材は、図５７に示すとおり、第１のＸ軸接続部材Ｕｘ１の中心軸のＸＹ平面への正射影像および第１のＹ軸接続部材Ｕｙ１の中心軸のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第１象限に位置し、第３のＸ軸接続部材Ｕｘ３の中心軸のＸＹ平面への正射影像および第２のＹ軸接続部材Ｕｙ２の中心軸のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第２象限に位置し、第４のＸ軸接続部材Ｕｘ４の中心軸のＸＹ平面への正射影像および第４のＹ軸接続部材Ｕｙ４の中心軸のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第３象限に位置し、第２のＸ軸接続部材Ｕｘ２の中心軸のＸＹ平面への正射影像および第３のＹ軸接続部材Ｕｙ３の中心軸のＸＹ平面への正射影像が、ＸＹ座標系の第４象限に位置するように配置されている。
【０３３３】
したがって、この装置が、少なくとも、「標準姿勢」の状態にある場合や、８本の接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４がすべて同じ長さになるように調整されている状態にある場合には、次のような駆動動作を行うことができる。
【０３３４】
まず、Ｘ軸方向への駆動動作は、第１〜第４のＸ軸接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４ならびに第２および第４のＹ軸接続部材Ｕｙ２，Ｕｙ４の伸縮機構に対して伸ばす動作を行わせるための電気信号を与え、第１および第３のＹ軸接続部材Ｕｙ１，Ｕｙ３の伸縮機構に対して縮める動作を行わせるための電気信号を与えるか（図６３の「＋Ｘ軸方向」の行を参照）、もしくは、第１〜第４のＸ軸接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４ならびに第１および第３のＹ軸接続部材Ｕｙ１，Ｕｙ３の伸縮機構に対して伸ばす動作を行わせるための電気信号を与え、第２および第４のＹ軸接続部材Ｕｙ２，Ｕｙ４の伸縮機構に対して縮める動作を行わせるための電気信号を与えればよい（図６３の「−Ｘ軸方向」の行を参照）。
【０３３５】
次に、Ｙ軸方向への駆動動作は、第１〜第４のＹ軸接続部材Ｕｙ１〜Ｕｙ４ならびに第２および第４のＸ軸接続部材Ｕｘ２，Ｕｘ４の伸縮機構に対して伸ばす動作を行わせるための電気信号を与え、第１および第３のＸ軸接続部材Ｕｘ１，Ｕｘ３の伸縮機構に対して縮める動作を行わせるための電気信号を与えるか（図６３の「＋Ｙ軸方向」の行を参照）、もしくは、第１〜第４のＹ軸接続部材Ｕｙ１〜Ｕｙ４ならびに第１および第３のＸ軸接続部材Ｕｘ１，Ｕｘ３の伸縮機構に対して伸ばす動作を行わせるための電気信号を与え、第２および第４のＸ軸接続部材Ｕｘ２，Ｕｘ４の伸縮機構に対して縮める動作を行わせるための電気信号を与えればよい（図６３の「−Ｙ軸方向」の行を参照）。
【０３３６】
また、Ｚ軸方向への駆動動作は、すべての接続部材の伸縮機構に対して伸ばすか（図６３の「＋Ｚ軸方向」の行を参照）、あるいは縮めるか（図６３の「−Ｚ軸方向」の行を参照）のどちらかの共通の伸縮動作を行わせるための電気信号を与えればよい。
【０３３７】
一方、Ｘ軸まわりの回転駆動動作は、第１および第３のＸ軸接続部材Ｕｘ１，Ｕｘ３の伸縮機構に対して第１の伸縮動作（図６３の「＋」もしくは「−」）を行わせるための電気信号を与え、第２および第４のＸ軸接続部材Ｕｘ２，Ｕｘ４の伸縮機構に対して第２の伸縮動作（図６３の「−」もしくは「＋」）を行わせるための電気信号を与え、第１および第２のＹ軸接続部材Ｕｙ１，Ｕｙ２の伸縮機構に対して第３の伸縮動作（図６３の「＋＋」もしくは「−−」）を行わせるための電気信号を与え、第３および第４のＹ軸接続部材Ｕｙ３，Ｕｙ４の伸縮機構に対して第４の伸縮動作（図６３の「−−」もしくは「＋＋」）を行わせるための電気信号を与えればよい。
【０３３８】
このとき、第１の伸縮動作と第３の伸縮動作とは、伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作となり、第２の伸縮動作と第４の伸縮動作とは、伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作となり、第１および第３の伸縮動作と第２および第４の伸縮動作とは、一方が伸ばす動作、他方が縮める動作という相反する関係になるようにし、かつ、第１の伸縮動作による伸縮量よりも第３の伸縮動作による伸縮量の方が大きくなり、第２の伸縮動作による伸縮量よりも第４の伸縮動作による伸縮量の方が大きくなるようにすればよい。
【０３３９】
また、Ｙ軸まわりの回転駆動動作は、第１および第２のＸ軸接続部材Ｕｘ１，Ｕｘ２の伸縮機構に対して第１の伸縮動作（図６３の「−−」もしくは「＋＋」）を行わせるための電気信号を与え、第３および第４のＸ軸接続部材Ｕｘ３，Ｕｘ４の伸縮機構に対して第２の伸縮動作（図６３の「＋＋」もしくは「−−」）を行わせるための電気信号を与え、第１および第３のＹ軸接続部材Ｕｙ１，Ｕｙ３の伸縮機構に対して第３の伸縮動作（図６３の「−」もしくは「＋」）を行わせるための電気信号を与え、第２および第４のＹ軸接続部材Ｕｙ２，Ｕｙ４の伸縮機構に対して第４の伸縮動作（図６３の「＋」もしくは「−」）を行わせるための電気信号を与えればよい。
【０３４０】
このとき、第１の伸縮動作と第３の伸縮動作とは、伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作となり、第２の伸縮動作と第４の伸縮動作とは、伸ばすか縮めるかのどちらかの共通の伸縮動作となり、第１および第３の伸縮動作と第２および第４の伸縮動作とは、一方が伸ばす動作、他方が縮める動作という相反する関係になるようにし、かつ、第１の伸縮動作による伸縮量よりも第３の伸縮動作による伸縮量の方が小さくなり、第２の伸縮動作による伸縮量よりも第４の伸縮動作による伸縮量の方が小さくなるようにすればよい。
【０３４１】
最後に、Ｚ軸まわりの回転駆動動作は、第１および第４のＸ軸接続部材Ｕｘ１，Ｕｘ４ならびに第２および第３のＹ軸接続部材Ｕｙ２，Ｕｙ３の伸縮機構に対して第１の伸縮動作（図６３の「−」もしくは「＋」）を行わせるための電気信号を与え、第２および第３のＸ軸接続部材Ｕｘ２，Ｕｘ３ならびに第１および第４のＹ軸接続部材Ｕｙ１，Ｕｙ４の伸縮機構に対して第２の伸縮動作（図６３の「＋」もしくは「−」）を行わせるための電気信号を与え、このとき、第１の伸縮動作と第２の伸縮動作とは、一方が伸ばす動作、他方が縮める動作という相反する関係になるようにすればよい。
【０３４２】
なお、図５６に示す装置の場合、各接続部材がすべて同じ長さになるように伸縮機構を調整したときに、第１〜第４のＸ軸接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４、第１〜第４のＹ軸接続部材Ｕｙ１〜Ｕｙ４、上方構造体（上方基板１００）、下方構造体（下方基板２００）によって構成される主構造体が、ＸＺ平面に関して面対称をなし、かつ、ＹＺ平面に関しても面対称をなし、上方基板１００および下方基板２００がＸＹ平面に平行になるように構成されている。このように、ＸＹＺ三次元座標系に関して幾何学的な対称性をもった構成にすると、検出動作で用いられる検出信号や、駆動動作で用いられる駆動信号にも対称性が得られることになるので、信号処理を容易にするメリットが得られる。
【０３４３】
また、図５６に示す装置の場合、上方基板１００および下方基板２００には、図１９の側断面図に示されているように、溝Ｇｙ３，Ｈｙ３等が形成されており、これら溝の内部に溝の底面から基板面位置まで伸びる突起部ｂｙ３，ｄｙ３等が設けられており、接続部材の端部がこれら突起部を介して膜部Ｂｙ３，Ｄｙ３等に接続されている。その結果、これら膜部を用いて上方接続部もしくは下方接続部を構成し、これら膜部のもつ可撓性により接続部材が回動自在となるようにすることができる。膜部を用いて上方接続部や下方接続部を構成すれば、構造を単純化するメリットが得られる。また、突起部を介して膜部に接続する構成を採れば、§３でも述べたとおり、組み立てを容易にするメリットが得られる。
【０３４４】
このように、図５６に示す本発明に係る装置は、本発明を実施する上で最適な実施形態のひとつである。この装置は、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、上述したように、８本の接続部材が互いに同じ長さになるように調整した状態において、各接続部材の中心軸が傾斜した構造をとるため、薄型化を図るのにも適しており、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。しかも、上方構造体１００に対して３軸方向の移動および３軸まわりの回転を行うことが可能になり、また、上方構造体１００に対して作用した３軸方向の力成分および３軸まわりのモーメント成分を検出することが可能になる。しかも、容量素子を用いたセンサを利用しているため、センサ部分の構造も単純化することができ、製造コストを更に低減することができる。
【０３４５】
図６４は、図５６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５６に示す駆動装置（図には、上方基板１００，下方基板２００，補助基板３００，接続部材Ｕ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。
【０３４６】
ベース部材８３３は上方基板１００に固着されており、補助基板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２００を固定した状態において、上方基板１００を３軸方向および３軸まわりに駆動することができるので、物体８４０を把持するのに適した位置までグリッパ部８３０を移動させた後、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。
【０３４７】
また、物体８４０を掴んだ後、この駆動装置を「標準姿勢」に戻せば、§４で述べた先願発明の原理によって、物体８４０からグリッパ部８３０（上方基板１００）に加わる重力を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。もちろん、上述したように、パラメータを用いた補正を行うようにすれば、「標準姿勢」に戻さずに、任意の姿勢のまま物体８４０の質量を量ることも可能である。
【０３４８】
＜＜＜  §８．  本発明に係る駆動装置の変形例  ＞＞＞
最後に、本発明に係る駆動装置の変形例を述べておく。
【０３４９】
＜８−１：§５に開示された力検出装置への適用＞
これまで、§２〜§４で述べた先願発明の基本的実施形態に係る力検出装置（２枚の基板間を２本の柱状体で接続した装置）および実用的実施形態に係る力検出装置（２枚の基板間を８本の柱状体で接続した装置）について、柱状体をリニアアクチュエータ７００からなる接続部材に置き換え、本発明に係る駆動装置を構成する例を述べた。しかしながら、本発明は、§５に開示された様々な形態の力検出装置に適用することも可能である。
【０３５０】
たとえば、＜§５−１＞には、図３０〜図３２に示すような「環状溝を用いた変形例」が示されており、＜§５−２＞には、図３３〜図３６に示すような「可撓性基板を用いた変形例」が示されているが、これらの変形例に係る力検出装置についても、柱状体をリニアアクチュエータ等の接続部材に置き換えれば、本発明に係る駆動装置を構成することが可能である。また、図３３に示す例のように、可撓性基板によって構成された上方基板１５０と、その上面の所定箇所に固着された連結部材１３０と、この連結部材の上方に接続され、検出対象となる力を受ける機能を果たす受力体１２０と、を設け、これらの各部材によって上方構造体を構成してもよいし、可撓性基板としては、図３６に示すようなスリットが形成されている基板を利用してもかまわない。
【０３５１】
また、＜§５−３＞には、図３７〜図４０に示すような「可撓性柱状体を用いた変形例」が示されているが、このような力検出装置についても、可撓性柱状体の一部をリニアアクチュエータ等で構成すれば、本発明に係る駆動装置を構成することが可能である。
【０３５２】
更に、＜§５−４＞には、図４１〜図４４に示すような「枝状部を有する下方構造体を用いる変形例」が示されているが、このような力検出装置を用いて、本発明に係る駆動装置を構成することも可能である。本発明に係る駆動装置に用いる上方構造体や下方構造体は、必ずしも基板状の構造体である必要はなく、任意形状の構造体でかまわない。
【０３５３】
もちろん、＜§５−６＞で述べたように、図４９，図５０に示すような構造体を用いて、本発明に係る駆動装置を構成することも可能である。また、このような枝状部を有する下方構造体を用いて本発明に係る駆動装置を構成した場合は、＜§５−５＞で述べたような付加機能（接触判定用電極を用いた物理的接触状態の判定機能など）を利用することも可能である。
【０３５４】
また、＜§５−７＞では、容量素子以外のセンサを用いた変形例を述べたが、本発明に係る駆動装置に用いるセンサも、容量素子を用いたセンサに限定されるものではなく、たとえば、差動トランス、光センサ、渦電流センサ、歪みゲージなどを用いたセンサを利用することができる。
【０３５５】
ただ、これまで述べてきた例のように、可撓性をもった膜部もしくは可撓性基板の一部によって下方接続部を構成した場合、当該膜部もしくは可撓性基板の一部に変位電極を形成し、この変位電極に対向する位置に固定電極を構成すれば、容量素子からなるセンサを実現できるので、実用上は、容量素子を用いたセンサを採用すれば、構造を単純化する上でメリットが得られる。特に、膜部もしくは可撓性基板を導電性材料から構成すれば、当該膜部もしくは可撓性基板の一部をそのまま変位電極として利用することができるので、構造は更に単純になる。
【０３５６】
同様に、可撓性基板の代わりに、枝状部を用いる構造を採った場合も、枝状部に形成された変位電極と、この変位電極に対向する位置に固定された固定電極と、によって容量素子からなるセンサを容易に構成することができ、枝状部を導電性材料によって構成すれば、当該枝状部の一部をそのまま変位電極として利用することができるので、構造は更に単純になる。
【０３５７】
＜８−２：上方接続部および下方接続部の変形例＞
本発明に係る駆動装置では、上方構造体（上方基板）が下方構造体（下方基板）に対して変位するため、各接続部材の上端は、上方接続部を介して上方構造体に接続され、各接続部材の下端は、下方接続部を介して上方構造体に接続される。ここで、§６で述べた基本的実施形態に係る駆動装置（２本の接続部材を用いる装置）の場合、上方接続部および下方接続部は、各接続部材を、その上端付近および下端付近を中心として少なくともＸＺ平面内で回動自在となるように接続する必要がある。また、§７で述べた実用的実施形態に係る駆動装置（８本の接続部材を用いる装置）の場合、上方接続部および下方接続部は、各接続部材を、その上端付近および下端付近を中心として任意の方向に回動自在となるように接続する必要がある。
【０３５８】
このような機能を果たす上方接続部および下方接続部として、§６，§７では、可撓性をもった膜部（たとえば、図５２の例では、膜部１１，１２，２１，２２）を用いる例を示した。また、図３４，図３６に示すような可撓性基板を利用する場合は、これら可撓性基板の一部分が上方接続部もしくは下方接続部を構成し、これら上方接続部もしくは下方接続部のもつ可撓性により接続部材が回動自在となる。図４１，図４９に示すような枝状部をもつ構造体を利用する場合には、これら枝状部が上方接続部もしくは下方接続部を構成することになる。更に、図３７に示すように、「可撓性をもった柱状体を用いた変形例」に本発明を適用する場合には、この柱状体の可撓性部分が上方接続部もしくは下方接続部として機能することになる。
【０３５９】
このように、これまで述べてきた様々な実施形態は、いずれも可撓性をもった材料によって、上方接続部および下方接続部を構成した例であるが、本発明に用いる上方接続部および下方接続部は、必ずしも可撓性をもった材料によって構成する必要はない。要するに、本発明に用いる上方接続部および下方接続部は、接続部材の上下両端が完全に固定状態にならず、ある程度の自由度をもって回動自在となるように、上方構造体および下方構造体に対して接続されるような機能を果たせばよい。
【０３６０】
図６５は、転がり球面軸受９００によって上方接続部を構成した例を示す縦断面図である。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９００は、ハウジング９１０の内部に球状の空洞を設け、この空洞内に球体部９２０を収容した構造を有する。球体部９２０の下方には、竿状部９３０が接合されている。ハウジング９１０と球体部９２０との間の間隙部９２５には、通常、ベアリング（図示省略）が充填されており、球体部９２０はハウジング９１０の内部で滑らかに回転することができる。
【０３６１】
ハウジング９１０，球体部９２０，竿状部９３０は、いずれも金属などの剛体から構成されており、これまで述べてきた膜部や可撓性基板のような可撓性をもった部材ではない。ただ、ハウジング９１０の内部に収容された球体部９２０は、任意の方向に回転することができるため、ハウジング９１０の下面に形成された導出口９３５から下方に導出された竿状部９３０は、この導出口９３５の広がりの範囲において、自由に回動することができる。
【０３６２】
図５１に示すようなリニアアクチュエータ７００などの接続部材によって、上方構造体と下方構造体とを接続する際に、接続部に図６５に示すような転がり球面軸受９００を用いれば、上方構造体や下方構造体に可撓性をもった膜部などを形成する必要はない。具体的には、図６５に示す転がり球面軸受９００のハウジング９１０を上方構造体もしくは下方構造体に固着し、竿状部９３０を接続部材の上端もしくは下端に固着すればよい。
【０３６３】
図６６は、図５２に示す駆動装置における第１の接続部材Ｕ１および第２の接続部材Ｕ２（リニアアクチュエータ）の上端に、図６５に示す転がり球面軸受９００を挿入し、上方接続部として機能させた実施形態を示す縦断面図である。図示のとおり、上方基板１８の下面に、転がり球面軸受９００のハウジング９１０が固着されており、竿状部９３０が、各接続部材Ｕ１，Ｕ２の上端に固着されている。このように、転がり球面軸受９００を上方接続部として用いれば、上方基板１８には、膜部などの可撓性部分を設ける必要はない。転がり球面軸受９００の機能により、各接続部材Ｕ１，Ｕ２は、その上端付近を中心として任意の方向に回動自在になる。
【０３６４】
この図６６に示す例の場合、各接続部材Ｕ１，Ｕ２の上端側に転がり球面軸受９００を挿入しているが、もちろん、下端側に転がり球面軸受９００を挿入し、下端接続部として機能させてもよい。また、必要があれば、可撓性をもった膜部を設けた構造に、更に、転がり球面軸受を介して接続部材を接続するようにしてもかまわない。
【０３６５】
＜８−３：接続部材の変形例＞
これまで述べた実施形態は、いずれも図５１に示すようなリニアアクチュエータ７００を接続部材として用いた例であるが、本発明に用いる接続部材は、上方構造体側の所定の接続点と下方構造体側の所定の接続点との間を接続し、かつ、上下両接続点間の距離を変える伸縮機能をもった構成要素であれば、どのような構造のものを用いてもよい。一般に、リニアアクチュエータ７００は、摺動軸ＡＡに沿って部材を摺動させて伸縮させる一次元的な変形動作を行う要素であるが、より複雑な二次元的もしくは三次元的な変形動作を伴う要素を接続部材として用いることも可能である。
【０３６６】
図６７は、図５６に示す駆動装置における接続部材（リニアアクチュエータ）を、角度調節機能をもったリンク機構に置き換えた変形例を示す正面図であり、図６８は、この変形例に係る駆動装置を、図１０，図１２，図１４に示されている切断線Ｃ−Ｃに対応する位置に沿って切断した縦断面図である。上方基板１００と下方基板２００との間に、８本の接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４が接続されている点は、図５６に示す駆動装置と同じであるが、個々の接続部材が、リニアアクチュエータ７００ではなく、複数のリンクおよび伸縮機構をもった構造体によって構成されている。
【０３６７】
具体的には、図６７の右端に示す接続部材Ｕｘ１は、上方竿部７６０、下方竿部７７０、枢軸７６５を有するリンク機構によって構成されている。ここで、枢軸７６５は、中間の関節を構成する役割を果たし、上方竿部７６０の下端部に形成された貫通孔と下方竿部７７０の上端部に形成された貫通孔との双方を貫通し、両者を、軸に直交する平面内で回動自在な状態で相互に接続する機能を果たす。図６７の右から２番目の位置に示された接続部材Ｕｙ３は、上方竿部７６０と下方竿部７７０とが、関節として機能する枢軸７６５の位置で、「く」の字状に折れ曲がった状態となっている。
【０３６８】
図示のとおり、各接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４の上端は、図６５に示す転がり球面軸受９００を介して上方基板１００の下面に接続されている。したがって、この転がり球面軸受９００が上方接続部として機能するため、図６８の側断面図に示すとおり、上方基板１００側には可撓性をもった膜部は設けられていない。これに対して、各接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４の下端は、台座７８０を介して下方基板２００に接続されている。すなわち、下方竿部７７０の下端部に形成された貫通孔と台座７８０に形成された貫通孔との双方を貫通する枢軸７７５によって、下方竿部７７０は台座７８０に対して接続されており、両者は、この枢軸７７５に直交する平面内で回動自在な状態になる。また、図６８の側断面図に示すとおり、下方基板２００側には、可撓性をもった膜部と突起部とが設けられており、台座７８０は、突起部の上面に固着されている。
【０３６９】
８本の接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４は、いずれも同一の構造体であり、上方竿部７６０と下方竿部７７０とのなす角度が同一の角度θとなるように折れ曲がり具合を調整すれば、上端点（たとえば、転がり球面軸受９００の球体部９２０の中心点）と、下端点（たとえば、枢軸７７５の中心点）との距離は一定になる。これに対して、上記角度θを変化させると、上端点と下端点との距離を増減させることができる。したがって、この８本の接続部材は、図５１に示すリニアアクチュエータ７００と同等の機能を果たすことになる。
【０３７０】
図６７，図６８では、便宜上、図示を省略しているが、実際には、８本の接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４には、上方竿部７６０もしくは下方竿部７７０に対して動力を作用させることにより、上方竿部７６０と下方竿部７７０とのなす角度θが所望の角度となるように調整し、当該角度を維持させる伸縮機構が備わっている。このような伸縮機構としては、たとえば、台座７８０内に、枢軸７７５に直交する平面内で、下方竿部７７０を揺動運動させる駆動装置を設けておけばよい。具体的には、自動車のワイパーに用いられている往復揺動装置を台座７８０内に組み込み、ワイパーブレードを揺動させるようにして、下方竿部７７０を揺動運動させるようにすればよい。このような揺動運動の動力源としては、モータ等の電磁力を用いてもよいし、油圧や空気圧を利用してもよい。
【０３７１】
ステッピングモータや油圧／空気圧などを動力源として、下方竿部７７０を揺動運動できるようにしておけば、下方竿部７７０を任意の傾斜位置へ揺動させることもできるし、所望の位置で停止させることもできる。このように、下方竿部７７０の傾斜状態を変化させると、上方竿部７６０と下方竿部７７０とのなす角度θも変化するので、結局、この接続部材の上端点と下端点との距離を増減させることができる。かくして、個々の接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４の上端点／下端点間の距離を任意に制御することが可能になり、これらの接続部材は、図５１に示すリニアアクチュエータ７００と同等の機能を果たすことになる。
【０３７２】
これまで述べてきた実施形態のように、リニアアクチュエータ７００を接続部材として用いた場合、接続部材の中心軸が伸縮することになるが、図６７，図６８に示すようなリンク機構を接続部材として用いた場合は、上下両端を結ぶ接続線分の長さが伸縮することになる。結局、本発明で用いる接続部材は、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を結ぶ接続線分の長さを変える伸縮機構をもった部材であれば、どのような部材であってもかまわないことになる。
【０３７３】
また、これまでの実施形態では、各接続部材の中心軸の位置を参照して、各接続部材の配置や向きに関する条件を述べてきたが、図６７，図６８に示すようなリンク機構を接続部材として用いた場合は、接続部材の「中心軸」の代わりに、接続部材の上下両端を結ぶ「接続線分」の位置を参照して、各接続部材の配置や向きに関する条件を決めるようにすればよい。
【０３７４】
たとえば、図６７，図６８に示す例の場合、各接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４は、上端が上方構造体１００の下面側に上方接続部（転がり球面軸受９００）を介して接続され、下端が下方構造体２００の上面側に下方接続部（台座７８０，突起部，膜部）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を結ぶ「接続線分」の長さを変える伸縮機構（たとえば、台座７８０内に組み込まれたワイパーの往復揺動装置）をもった部材ということになる。そして、この駆動装置における駆動部は、各「接続線分」の長さがそれぞれ所望の長さになるように、各伸縮機構に所定の電気信号を与えて駆動する機能を果たす。
【０３７５】
また、８本の接続部材の配置や向きは、その「接続線分」の配置や向きに着目して、図５７に示す例と同様に、各「接続線分」がすべて同じ長さになるように各伸縮機構を調整したときに、第１のＸ軸接続部材Ｕｘ１の接続線分と第２のＸ軸接続部材Ｕｘ２の接続線分とは、Ｘ軸の正の領域においてＸ軸と直交するＸ軸正側直交面Ｓ（＋ｘ）に含まれ、かつ、ＸＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、第３のＸ軸接続部材Ｕｘ３の接続線分と第４のＸ軸接続部材Ｕｘ４の接続線分とは、Ｘ軸の負の領域においてＸ軸と直交するＸ軸負側直交面Ｓ（−ｘ）に含まれ、かつ、ＸＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、第１のＹ軸接続部材Ｕｙ１の接続線分と第２のＹ軸接続部材Ｕｙ２の接続線分とは、Ｙ軸の正の領域においてＹ軸と直交するＹ軸正側直交面Ｓ（＋ｙ）に含まれ、かつ、ＹＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しており、第３のＹ軸接続部材Ｕｙ３の接続線分と第４のＹ軸接続部材Ｕｙ４の接続線分とは、Ｙ軸の負の領域においてＹ軸と直交するＹ軸負側直交面Ｓ（−ｙ）に含まれ、かつ、ＹＺ平面に関して互いに逆方向に傾斜しているように設定すればよい。
【０３７６】
図５２に示す構造体の場合、上方膜部１１，１２および下方膜部２１，２２がダイアフラムによって構成されているため、上方基板１５の下方基板２５に対する変位の自由度は、移動および回転を含めた６自由度ということになる。ただ、その変位量は、各ダイアフラムの変形可能範囲に基づいて制限されるため、比較的小さくならざるを得ない。これに対して、図６７に示す構造体の場合、上方基板１００の下方基板２００に対するＺ軸方向の変位についての変位量を極めて大きくすることができるメリットがある。これは、図６７に示す構造体の場合、Ｚ軸方向の変位に関しては、ダイアフラムの変形可能範囲の制限を受けずに、専ら、上方竿部７６０と下方竿部７７０とのなす角θを調整することによって制御することができるためである（Ｚ軸方向以外の変位についての変位量は、各ダイアフラムの変形可能範囲に基づいて制限される）。
【０３７７】
図６９は、図５６に示す駆動装置における８本の接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４（リニアアクチュエータ）の上下両端に、図６５に示す転がり球面軸受９００を挿入し、上方接続部および下方接続部として機能させた実施例を示す正面図であり、図７０は、この実施例に係る駆動装置を、図１０，図１２，図１４に示されている切断線Ｃ−Ｃに対応する位置に沿って切断した縦断面図である。
【０３７８】
図示のとおり、この実施例では、９本目の接続部材Ｕ０が付加されている。この９本目の接続部材Ｕ０は、上方基板１００の中心部と下方基板２００の中心部とを接続する機能を果たし、外部円筒Ｕ０１と、内部円柱Ｕ０２とによって構成されている。図７０に示されているように、内部円柱Ｕ０２は外部円筒Ｕ０１の内部に嵌合し、中心軸まわり（Ｚ軸まわり）および中心軸方向（Ｚ軸方向）に摺動する。ただ、接続部材Ｕ０自体は、リニアアクチュエータではないので、内部円柱Ｕ０２を外部円筒Ｕ０１に対して自発的に移動させることはできない。８本のリニアアクチュエータによって、上方基板１００が下方基板２００に対して変位させられたとき、当該変位に応じて、内部円柱Ｕ０２は外部円筒Ｕ０１に対して摺動することになる。
【０３７９】
図示のとおり、接続部材Ｕ０の上端（内部円柱Ｕ０２の上端）は、転がり球面軸受９００を介して上方基板１００の下面中央に接続されているが、接続部材Ｕ０の下端（外部円筒Ｕ０１の下端）は、転がり球面軸受９００を介さずに、下方基板２００の上面中央に直接接続されている。これは、接続部材Ｕ０に、上方基板１００を支える支柱としての機能を果たさせるためである。
【０３８０】
図７１は、図６９に示す駆動装置における下方基板２００およびその上面に取り付けられた９本の接続部材を示す平面図である（転がり球面軸受９００およびその竿状部９３０は図示省略）。周囲に配置された８本の接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４（リニアアクチュエータ）は、その上下両端に転がり球面軸受９００が接続されており、任意の方向に傾斜することができるが、中央の接続部材Ｕ０は、下端が下方基板２００の上面中央に直接接続されており、下方基板２００の上面に対して垂直に立った状態（中心軸がＺ軸に重なった状態）を維持する。結局、この実施例の場合、上方基板１００の中心点は、常に接続部材Ｕ０の中心軸上（Ｚ軸上）に維持されることになる。
【０３８１】
このように、図６９〜図７１に示す実施例は、上方基板１００の中心点が、支柱として機能する接続部材Ｕ０によって常にＺ軸上に維持されるため、上方基板１００は、Ｘ軸方向やＹ軸方向に対して有意な変位を生じることがないが（接続部材Ｕ０の撓みによって微小変位するだけである）、８本の接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４（リニアアクチュエータ）を伸縮制御することにより、Ｚ軸方向、Ｘ軸まわり、Ｙ軸まわり、Ｚ軸まわりについては、大きく変位させることが可能である。具体的には、既に述べたとおり、図６３のテーブルに示す各態様に基づいて８本の接続部材を伸縮制御すればよい（上述したとおり、±Ｘ軸方向，±Ｙ軸方向については、有意な変位を生じさせることはできない）。
【０３８２】
もちろん、この実施例も力検出装置として機能し、８本の接続部材Ｕｘ１〜Ｕｘ４，Ｕｙ１〜Ｕｙ４について設けられた各センサの出力に基づいて、上方基板１００に作用した力を検出することができる。具体的には、既に述べたとおり、図２６のテーブルに示すセンサの出力変化に基づいて、図２７，図２９に示す演算を行うことにより、±Ｚ軸方向の力、±Ｘ軸まわりのモーメント、±Ｙ軸まわりのモーメント、±Ｚ軸まわりのモーメントについての検出を行えばよい。なお、上述したとおり、±Ｘ軸方向および±Ｙ軸方向については、上方基板１００の有意な変位は生じないので、これらの各方向の力Ｆｘ，Ｆｙについては、有意な検出を行うことはできない。
【０３８３】
＜８−４：接続部材の伸縮状態の固定＞
これまで述べてきたように、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固定しておくのが好ましい。たとえば、接続部材として、図５１に示すようなリニアアクチュエータ７００を用いる場合、駆動装置として機能させる際には、ポンプ７５０を駆動して圧力室７３０内部の圧力を増減し、内側柱状部７２０を伸縮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７２０が伸縮してしまうと、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７２０が伸縮しないよう、何らかの方法で固定するのが好ましい。
【０３８４】
具体的には、たとえば、外側筒状部７１０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７２０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７１０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７２０が摩擦力によって移動しないようにすればよい）。また、図６７，図６８に示すようなリンク機構からなる接続部材を用いた場合は、上方竿部７６０と下方竿部７７０とのなす角θが固定されるように、両竿部７６０，７７０の接続部分に機械的なロック機構を設けておけばよい。
【０３８５】
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７２に示すリニアアクチュエータ７００′は、図５１に示すリニアアクチュエータ７００の変形例である。この変形例では、導管７４０にポンプ７５０と圧力センサ７５５とが接続されている。圧力センサ７５５は、圧力室７３０の圧力を検出する機能を有している。圧力センサ７５５によって検出された圧力の検出信号は、制御回路７９０へと与えられる。この制御回路７９０は、圧力センサ７５５が検出した圧力が一定値に維持されるように、ポンプ７５０を制御するための駆動信号を出力する。こうして、制御回路７９０によるフィードバック制御が行われ、圧力室７３０の内部圧力は一定値に維持される。すなわち、内側柱状部７２０の伸縮状態は固定されることになる。
【０３８６】
なお、図７２に示すようなリニアアクチュエータ７００′を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７５５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７００′の摺動軸ＡＡ方向に作用する力は、圧力室７３０の圧力変動として圧力センサ７５５によって検出することができるので、圧力センサ７５５は、これまで述べてきた実施例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。たとえば、図５６に示す駆動装置における８本の接続部材として、図７２に示すリニアアクチュエータ７００′を用いるようにすれば、８個の圧力センサ７５５の出力変化は、図２６のテーブルに示す８個の静電容量式センサＣｘ１〜Ｃｙ４の出力変化と同様になるので、これら圧力センサ７５５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。また、上述したように、８個の圧力センサ７５５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、制御回路７９０によるフィードバック制御が行われるので、圧力センサ７５５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７５０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７００′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。
【符号の説明】
【０３８７】
１０：上方基板
１１：第１の上方膜部
１２：第２の上方膜部
１３：突起部
１４：突起部
１５：上方基板
１８：上方基板
２０：下方基板
２１：第１の下方膜部
２２：第２の下方膜部
２３：突起部
２４：突起部
２５：下方基板
３０：補助基板
３５：補助基板
４１：第１の柱状体
４２：第２の柱状体
５０：検出回路
６０：駆動回路
１００，１０５，１１０：上方基板
１２０，１２５，１２６：受力体
１２７：鍔状部
１３０，１３５：連結部材
１５０，１５５：上方基板（可撓性基板）
１６０：上方基板（可撓性基板）
１７０：上方基板
２００，２１０：下方基板
２５０：下方基板（可撓性基板）
２６０：下方基板（可撓性基板）
２８０：下方構造体
２８１〜２８８：枝状部
２８９：中央部
２９０：下方構造体
２９１〜２９８：枝状部
２９９：中央部
３００，３１０：補助基板
３３０，３３５：スペーサ部材
３４０：補助基板
３８０：補助基板
３８０Ａ〜３８０Ｄ：補助基板
３９０：補助基板
４１０〜４５０：ガイド部材
４６０：装置筐体
４７０：制御部材
４７１：ねじ
５００：検出回路
６００：駆動回路
７００，７００′：リニアアクチュエータ
７１０：外側筒状部
７２０：内側柱状部
７３０：圧力室
７４０：導管
７５０：ポンプ
７５５：圧力センサ
７６０：上方竿部
７６５：枢軸
７７０：下方竿部
７７５：枢軸
７８０：台座
７９０：制御回路
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
９００：転がり球面軸受
９１０：ハウジング
９２０：球体部
９２５：間隙部
９３０：竿状部
９３５：導出口
Ａ：切断位置
Ａ１，Ａ２：柱状体の中心軸
Ａｘ１〜Ａｘ４：領域
Ａｙ１〜Ａｙ４：領域
ＡＡ：摺動軸
Ｂ：切断位置
Ｂｘ１：第１のＸ軸上方膜部
Ｂｘ２：第２のＸ軸上方膜部
Ｂｘ３：第３のＸ軸上方膜部
Ｂｘ４：第４のＸ軸上方膜部
Ｂｙ１：第１のＹ軸上方膜部
Ｂｙ２：第２のＹ軸上方膜部
Ｂｙ３：第３のＹ軸上方膜部
Ｂｙ４：第４のＹ軸上方膜部
ｂｘ１〜ｂｘ４：突起部
ｂｙ１〜ｂｙ４：突起部
Ｃ：切断位置
Ｃｘ１：第１のＸ軸容量素子（その静電容量変動値）
Ｃｘ２：第２のＸ軸容量素子（その静電容量変動値）
Ｃｘ３：第３のＸ軸容量素子（その静電容量変動値）
Ｃｘ４：第４のＸ軸容量素子（その静電容量変動値）
Ｃｙ１：第１のＹ軸容量素子（その静電容量変動値）
Ｃｙ２：第２のＹ軸容量素子（その静電容量変動値）
Ｃｙ３：第３のＹ軸容量素子（その静電容量変動値）
Ｃｙ４：第４のＹ軸容量素子（その静電容量変動値）
Ｄｘ１：第１のＸ軸下方膜部
Ｄｘ２：第２のＸ軸下方膜部
Ｄｘ３：第３のＸ軸下方膜部
Ｄｘ４：第４のＸ軸下方膜部
Ｄｙ１：第１のＹ軸下方膜部
Ｄｙ２：第２のＹ軸下方膜部
Ｄｙ３：第３のＹ軸下方膜部
Ｄｙ４：第４のＹ軸下方膜部
ｄｘ１〜ｄｘ４：突起部
ｄｙ１〜ｄｙ４：突起部
Ｅ１〜Ｅ６：固定電極
Ｅｘ１：第１のＸ軸固定電極
Ｅｘ２：第２のＸ軸固定電極
Ｅｘ３：第３のＸ軸固定電極
Ｅｘ４：第４のＸ軸固定電極
Ｅｙ１：第１のＹ軸固定電極
Ｅｙ２：第２のＹ軸固定電極
Ｅｙ３：第３のＹ軸固定電極
Ｅｙ４：第４のＹ軸固定電極
ｅｘ１〜ｅｘ４：接触判定用電極
ｅｘ１ａ〜ｅｘ４ａ：接触判定用電極
ｅｘ１ｂ〜ｅｘ４ｂ：接触判定用電極
ｅｙ１〜ｅｙ４：接触判定用電極
ｅｙ１ａ〜ｅｙ４ａ：接触判定用電極
ｅｙ１ｂ〜ｅｙ４ｂ：接触判定用電極
ｅ，ｅａ，ｅｂ：接触判定用環状電極
Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ：各座標軸方向の力
Ｇ１：第１の上方溝
Ｇ２：第２の上方溝
ＧＧ：上方環状溝
Ｇｘ１：第１のＸ軸上方溝
Ｇｘ２：第２のＸ軸上方溝
Ｇｘ３：第３のＸ軸上方溝
Ｇｘ４：第４のＸ軸上方溝
Ｇｙ１：第１のＹ軸上方溝
Ｇｙ２：第２のＹ軸上方溝
Ｇｙ３：第３のＹ軸上方溝
Ｇｙ４：第４のＹ軸上方溝
Ｈ１：第１の下方溝
Ｈ２：第２の下方溝
ＨＨ：下方環状溝
Ｈｘ１：第１のＸ軸下方溝
Ｈｘ２：第２のＸ軸下方溝
Ｈｘ３：第３のＸ軸下方溝
Ｈｘ４：第４のＸ軸下方溝
Ｈｙ１：第１のＹ軸下方溝
Ｈｙ２：第２のＹ軸下方溝
Ｈｙ３：第３のＹ軸下方溝
Ｈｙ４：第４のＹ軸下方溝
Ｊ１〜Ｊ４：翼状部
Ｊ９：中央部
Ｋ１：第１の補助溝
Ｋ２：第２の補助溝
ＫＫ：補助環状溝
Ｋｘ１：第１のＸ軸補助溝
Ｋｘ２：第２のＸ軸補助溝
Ｋｘ３：第３のＸ軸補助溝
Ｋｘ４：第４のＸ軸補助溝
Ｋｙ１：第１のＹ軸補助溝
Ｋｙ２：第２のＹ軸補助溝
Ｋｙ３：第３のＹ軸補助溝
Ｋｙ４：第４のＹ軸補助溝
ｋ１〜ｋ４：係数
Ｌ１〜Ｌ４：基準線
Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ：各座標軸まわりのモーメント
Ｏ：ＸＹＺ三次元座標系の原点
Ｐ１：第１の柱状体
Ｐ２：第２の柱状体
ＰＰ：くびれ部を有する柱状体
ＰＰ１：上部
ＰＰ２：くびれ部
ＰＰ３：下部
Ｐｘ１：第１のＸ軸柱状体
Ｐｘ２：第２のＸ軸柱状体
Ｐｘ３：第３のＸ軸柱状体
Ｐｘ４：第４のＸ軸柱状体
Ｐｙ１：第１のＹ軸柱状体
Ｐｙ２：第２のＹ軸柱状体
Ｐｙ３：第３のＹ軸柱状体
Ｐｙ４：第４のＹ軸柱状体
ＰＰｘ１：くびれ部を有する第１のＸ軸柱状体
ＰＰｘ２：くびれ部を有する第２のＸ軸柱状体
ＰＰｘ３：くびれ部を有する第３のＸ軸柱状体
ＰＰｘ４：くびれ部を有する第４のＸ軸柱状体
ＰＰｙ１：くびれ部を有する第１のＹ軸柱状体
ＰＰｙ２：くびれ部を有する第２のＹ軸柱状体
ＰＰｙ３：くびれ部を有する第３のＹ軸柱状体
ＰＰｙ４：くびれ部を有する第４のＹ軸柱状体
Ｑ：作用点
Ｑ（＋ｘ）：Ｘ軸正側の点
Ｑ（−ｘ）：Ｘ軸負側の点
Ｑ（＋ｙ）：Ｙ軸正側の点
Ｑ（−ｙ）：Ｙ軸負側の点
Ｑ１０：上方基板１０の上面とＺ軸との交点
Ｑ２０：下方基板２０の上面とＺ軸との交点
Ｑ３０：補助基板３０の上面とＺ軸との交点
Ｒ：半径
Ｒ１，Ｒ２：垂直基準軸
Ｓ１〜Ｓ４：スリット
Ｓ（＋ｘ）：Ｘ軸正側直交面
Ｓ（−ｘ）：Ｘ軸負側直交面
Ｓ（＋ｙ）：Ｙ軸正側直交面
Ｓ（−ｙ）：Ｙ軸負側直交面
Ｔ：円弧軌道
Ｔｘ１：可撓性部材からなる第１のＸ軸柱状体
Ｔｘ２：可撓性部材からなる第２のＸ軸柱状体
Ｔｘ３：可撓性部材からなる第３のＸ軸柱状体
Ｔｘ４：可撓性部材からなる第４のＸ軸柱状体
Ｔｙ１：可撓性部材からなる第１のＹ軸柱状体
Ｔｙ２：可撓性部材からなる第２のＹ軸柱状体
Ｔｙ３：可撓性部材からなる第３のＹ軸柱状体
Ｔｙ４：可撓性部材からなる第４のＹ軸柱状体
Ｕ：接続部材（リニアアクチュエータ）
Ｕ０：接続部材
Ｕ０１：外部円筒
Ｕ０２：内部円柱
Ｕ１：第１の接続部材（リニアアクチュエータ）
Ｕ２：第２の接続部材（リニアアクチュエータ）
Ｕｘ１：第１のＸ軸接続部材
Ｕｘ２：第２のＸ軸接続部材
Ｕｘ３：第３のＸ軸接続部材
Ｕｘ４：第４のＸ軸接続部材
Ｕｙ１：第１のＹ軸接続部材
Ｕｙ２：第２のＹ軸接続部材
Ｕｙ３：第３のＹ軸接続部材
Ｕｙ４：第４のＹ軸接続部材
Ｖ（Ｆｘ）：力Ｆｘの検出値
Ｖ（Ｆｘ）＊：力Ｆｘの近似検出値
Ｖ（Ｆｙ）：力Ｆｙの検出値
Ｖ（Ｆｙ）＊：力Ｆｙの近似検出値
Ｖ（Ｆｚ）：力Ｆｚの検出値
Ｖ（Ｍｘ）：モーメントＭｘの検出値
Ｖ（Ｍｙ）：モーメントＭｙの検出値
Ｖ（Ｍｚ）：モーメントＭｚの検出値
Ｗ１，Ｗ２：配置軸
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
Δ：容量値変化量
δ：容量値微小変化量
θ：上方竿部７６０と下方竿部７７０とのなす角度
θ１，θ２：柱状体の傾斜角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
2011208963.tif 000041
【図４０】
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【図４１】
2011208963.tif 000043
【図４２】
2011208963.tif 000044
【図４３】
2011208963.tif 000045
【図４４】
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【図４９】
2011208963.tif 000047
【図５０】
2011208963.tif 000048
【図５１】
2011208963.tif 000049
【図５２】
2011208963.tif 000050
【図５３】
2011208963.tif 000051
【図５４】
2011208963.tif 000052
【図５５】
2011208963.tif 000053
【図５６】
2011208963.tif 000054
【図５７】
2011208963.tif 000055
【図５８】
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【図５９】
2011208963.tif 000057
【図６０】
2011208963.tif 000058
【図６１】
2011208963.tif 000059
【図６２】
2011208963.tif 000060
【図６３】
2011208963.tif 000061
【図６４】
2011208963.tif 000062
【図６６】
2011208963.tif 000063
【図６７】
2011208963.tif 000064
【図６８】
2011208963.tif 000065
【図６９】
2011208963.tif 000066
【図７０】
2011208963.tif 000067
【図７１】
2011208963.tif 000068
【図７２】
2011208963.tif 000069
【図４５】
2011208963.tif 000070
【図４６】
2011208963.tif 000071
【図４７】
2011208963.tif 000072
【図４８】
2011208963.tif 000073
【図６５】
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