(57)【要約】【課題】力が加えられた位置を検出することができる力検出装置を提供する。【解決手段】固定体２Ａは、固定して配置される。受力体３Ａは、検出対象となる一方向からの力を受ける。検出手段５は、受力体３Ａが受ける力の方向に交差する方向に配列され受力体３Ａと固定体２Ａとの相対変位に応じて静電容量が変動する複数の静電容量素子５Ａ〜５Ｄを有し、複数の静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量の違いに基づいて、受力体３Ａが力を受ける位置を検出する。【選択図】図２
2019066409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定して配置される固定体と、
検出対象となる一方向からの力を受ける受力体と、
前記受力体が受ける力の方向に交差する方向に配列され前記受力体と前記固定体との相対変位に応じて静電容量が変動する複数の静電容量素子を有し、前記複数の静電容量素子の静電容量の変化量の違いに基づいて、前記受力体が力を受ける位置を検出する検出手段と、
を備える力検出装置。
【請求項２】
前記受力体と前記固定体との間を接続し、前記受力体で受けた力に応じて変形する変形体を備え、
前記検出手段では、
前記静電容量素子の一方の電極が、前記変形体に設けられ、
前記静電容量素子の他方の電極が、前記受力体又は前記固定体に設けられている、
請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
前記変形体は、
前記受力体との接続点と前記固定体との接続点との間隔が、前記受力体が受ける力に応じて変化するように、前記受力体及び前記固定体に接続され、
前記接続点の間隔の変化に応じて前記一方の電極の位置が変化するように湾曲している、
請求項２に記載の力検出装置。
【請求項４】
前記静電容量素子の一方の電極が、前記受力体に設けられ、
前記静電容量素子の他方の電極が、前記固定体に設けられている、
請求項１に記載の力検出装置。
【請求項５】
前記検出手段では、
前記静電容量素子が、前記受力体が受ける力の方向に沿って複数配列されている、
請求項１から４のいずれか一項に記載の力検出装置。
【請求項６】
前記受力体の中心を原点とし、前記受力体が受ける力の方向に沿った軸を縦軸とし、前記受力体が力を受ける位置を横軸とする２次元直交座標系を規定した場合に、
前記受力体及び前記固定体の対向関係が、前記縦軸及び前記横軸に関して線対称であり、
前記検出手段では、
前記複数の静電容量素子が、前記２次元直交座標系の第１象限、第２象限、第３象限及び第４象限の各象限に配設されている、
請求項５に記載の力検出装置。
【請求項７】
前記受力体は、前記第３象限から前記第２象限に向かう力、または、前記第４象限から前記第１象限に向かう力を受け、
前記検出手段は、
前記第１象限と前記第２象限における静電容量素子の静電容量の変化量の違いと、前記第３象限と前記第４象限における静電容量素子の静電容量の変化量の違いと、に基づいて、前記受力体が受ける力の位置を算出する演算部を有する、
請求項６に記載の力検出装置。
【請求項８】
前記演算部は、
前記第１、第２、第３、第４象限の静電容量素子の静電容量の変化量の総和に基づいて、力の大きさを算出する、
請求項７に記載の力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、力を受けることで、電極同士において対向する面積が変わり、それに伴って変化した電極間の静電容量に基づいて、その力の大きさを検出する力検出装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１２８０９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示された力検出装置では、複数の電極を用いて、複数の方向の力やモーメントが検出される。しかしながら、この力検出装置では、力が加えられた位置を検出するのは困難である。
【０００５】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、力が加えられた位置を検出することができる力検出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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る力検出装置は、
固定して配置される固定体と、
検出対象となる一方向からの力を受ける受力体と、
前記受力体が受ける力の方向に交差する方向に配列され前記受力体と前記固定体との相対変位に応じて静電容量が変動する複数の静電容量素子を有し、前記複数の静電容量素子の静電容量の変化量の違いに基づいて、前記受力体が力を受ける位置を検出する検出手段と、
を備える。
【０００７】
この場合、前記受力体と前記固定体との間を接続し、前記受力体で受けた力に応じて変形する変形体を備え、
前記検出手段では、
前記静電容量素子の一方の電極が、前記変形体に設けられ、
前記静電容量素子の他方の電極が、前記受力体又は前記固定体に設けられている、
こととしてもよい。
【０００８】
前記変形体は、
前記受力体との接続点と前記固定体との接続点との間隔が、前記受力体が受ける力に応じて変化するように、前記受力体及び前記固定体に接続され、
前記接続点の間隔の変化に応じて前記一方の電極の位置が変化するように湾曲している、
こととしてもよい。
【０００９】
前記静電容量素子の一方の電極が、前記受力体に設けられ、
前記静電容量素子の他方の電極が、前記固定体に設けられている、
こととしてもよい。
【００１０】
前記検出手段では、
前記静電容量素子が、前記受力体が受ける力の方向に沿って複数配列されている、
こととしてもよい。
【００１１】
前記受力体の中心を原点とし、前記受力体が受ける力の方向に沿った軸を縦軸とし、前記受力体が力を受ける位置を横軸とする２次元直交座標系を規定した場合に、
前記受力体及び前記固定体の対向関係が、前記縦軸及び前記横軸に関して線対称であり、
前記検出手段では、
前記複数の静電容量素子が、前記２次元直交座標系の第１象限、第２象限、第３象限及び第４象限の各象限に配設されている、
こととしてもよい。
【００１２】
前記受力体は、前記第３象限から前記第２象限に向かう力、または、前記第４象限から前記第１象限に向かう力を受け、
前記検出手段は、
前記第１象限と前記第２象限における静電容量素子の静電容量の変化量の違いと、前記第３象限と前記第４象限における静電容量素子の静電容量の変化量の違いと、に基づいて、前記受力体が受ける力の位置を算出する演算部を有する、
こととしてもよい。
【００１３】
前記演算部は、
前記第１、第２、第３、第４象限の静電容量素子の静電容量の変化量の総和に基づいて、力の大きさを算出する、
こととしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、受力体が受ける力の方向に交差する方向に配列され受力体と固定体との相対変位に応じて静電容量が変動する複数の静電容量素子を有しているので、その静電容量の変化量の違いに基づいて、力が加えられる位置を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の実施の形態１に係る力検出装置の上面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の力検出装置の底面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】受力体が力を受ける位置がＸ＝０であるときの図１（Ｃ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図３】受力体が力を受けたときの変形体の変形の様子を示す模式図である。
【図４】受力体が力を受ける位置がＸ＝０であるときの静電容量の変化量を示す図である。
【図５】受力体が力を受ける位置がＸ＝Δｘであるときの図１（Ｃ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】受力体が力を受ける位置がＸ＝Δｘであるときの静電容量の変化量を示す図である。
【図７】原点まわりのトルクに対する変形体の変形の様子を示す模式図である。
【図８】原点まわりのトルクに対する静電容量の変化量を示す図である。
【図９】図９（Ａ）は、本発明の実施の形態２に係る力検出装置の上面図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の力検出装置の底面図である。図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図１０】図９（Ｃ）のＤ−Ｄ断面図である。
【図１１】受力体が力を受ける位置がＸ＝０であるときの受力体が力を受けたときの静電容量の変化量を示す図である。
【図１２】受力体が力を受ける位置がＸ＝Δｘであるときの静電容量の変化量を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係る力検出装置の上面図である。
【図１４】受力体が力を受ける位置がＸ＝０であるときの受力体が力を受けたときの変位電極の移動方向を示す図である。
【図１５】受力体が力を受ける位置がＸ＝Δｘであるときの受力体が力を受けたときの変位電極の移動方向を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１
まず、本発明の実施の形態１について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すように、本実施の形態に係る力検出装置１Ａは、全体が矩形平板状である。力検出装置１Ａは、固定体２Ａと受力体３Ａとを主たる構成要素とし、固定体２Ａと受力体３Ａと第１のカバーＫＡと第２のカバーＫＢとで力検出装置１Ａの全体の外形が形成される。
【００１８】
図１（Ａ）に示すように、＋ｚ側では第１のカバーＫＡが面しており、図１（Ｂ）に示すように、−ｚ側では固定体２Ａと第２のカバーＫＢとが面している。第１のカバーＫＡと第２のカバーＫＢとで形成された内部空間に、固定体２Ａと受力体３Ａとが配置される。また、図１（Ａ）のＡ−Ａ断面を示す図１（Ｃ）に示すように、固定体２Ａと受力体３Ａとは、ｘｙ平面内に配列されている。ここで、受力体３Ａは、第１のカバーＫＡ及び第２のカバーＫＢに固定される。一方で、固定体２Ａは、第１のカバーＫＡ及び第２のカバーＫＢに固定されない。このため、固定体２Ａと受力体３Ａとを、それぞれ別々の外部の部材に保持させることで、受力体３Ａは、固定体２Ａに対し、予め定められた範囲においてｘｙ平面上を移動可能になる。
【００１９】
図１（Ｃ）のＢ−Ｂ断面を示す図２に示すように、本実施の形態では、この力検出装置１Ａの中心位置に原点Ｏを有するＸＹ２次元直交座標系を定義する。図２では、図の左右方向にＸ軸（紙面右側が＋Ｘ方向）、図の上下方向にＹ軸（紙面上側が＋Ｙ方向）が定義されている。Ｘ軸はｘ軸に平行であり、Ｙ軸はｙ軸に平行である。本実施の形態では、一方向からの力として受力体３Ａが受ける＋Ｙ方向の力Ｆが検出対象となる。
【００２０】
図２に示すように、力検出装置１Ａにおいて、固定体２Ａは、原点Ｏに中心が位置する円柱状の部分を有する。また、受力体３Ａは、その外側を取り囲むように配置された矩形枠状の部分を有する。固定体２Ａは、受力体３Ａと空間を隔てて配置されている。受力体３Ａは、検出対象となる＋Ｙ方向の力Ｆを受ける。力Ｆを受けていない状態では、固定体２Ａ（円柱状の部分）の中心と受力体３Ａの中心とが一致している。
【００２１】
さらに、力検出装置１Ａは、４つの変形体４を備える。各変形体４は、固定体２Ａと受力体３Ａとの間に配置され、固定体２Ａと受力体３Ａとを接続する。より具体的には、変形体４は、固定体２Ａの外側面と受力体３Ａの内側面とを接続する。この力検出装置１Ａでは、変形体４として、ＸＹ２次元座標系の第１象限に配置された第１の変形体４Ａと、第２象限に配置された第２の変形体４Ｂと、第３象限に配置された第３の変形体４Ｃと、第４象限に配置された第４の変形体４Ｄと、が設けられている。以下、適宜、単に変形体４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄとも呼ぶ。
【００２２】
第１の変形体４Ａは、第１の突出体４Ａａと、第２の突出体４Ａｂと、延設体４Ａｃと、を備える。同様に、第２の変形体４Ｂは、第１の突出体４Ｂａと、第２の突出体４Ｂｂと、延設体４Ｂｃと、を備え、第３の変形体４Ｃは、第１の突出体４Ｃａと、第２の突出体４Ｃｂと、延設体４Ｃｃと、を備え、第４の変形体４Ｄは、第１の突出体４Ｄａと、第２の突出体４Ｄｂと、延設体４Ｄｃと、を備える。
【００２３】
第１の突出体４Ａａ〜４Ｄａは、固定体２Ａにおける受力体３Ａを向いた面から受力体３Ａに向けて突出した板状の部材である。第２の突出体４Ａｂ〜４Ｄｂは、受力体３Ａにおける固定体２Ａを向いた面から固定体２Ａに向けて突出した板状の部材である。延設体４Ａｃ〜４Ｄｃは、第１の突出体４Ａａ〜４Ｄａの先端と、第２の突出体４Ａｂ〜４Ｄｂの先端とに接続されて延設された板状の部材である。延設体４Ａｃ〜４Ｄｃは、原点Ｏを中心とする円の円周に沿って延びている。
【００２４】
このように、４つの変形体４Ａ〜４Ｄは、受力体３Ａ及び固定体２Ａに接続され、受力体３Ａとの接続点と固定体２Ａとの接続点との間隔が、受力体３Ａが受ける力Ｆに応じて変化するように、受力体３Ａ及び固定体２Ａに接続されている。
【００２５】
ここで、第１の変形体４Ａ、第２の変形体４Ｂは、Ｘ軸を対称軸として、第４の変形体４Ｄ、第３の変形体４Ｃと線対称であり、第１の変形体４Ａ、第４の変形体４Ｄは、Ｙ軸を対称軸として、第２の変形体４Ｂ，第３の変形体４Ｃと線対称である。すなわち、本実施の形態では、受力体３Ａの中心を原点Ｏとし、受力体３Ａが受ける力Ｆの方向に沿った軸をＹ軸とし、受力体３Ａが力を受ける位置に関する軸をＸ軸とする２次元直交座標系を規定した場合に、受力体３Ａ及び固定体２Ａの対向関係が、Ｙ軸及びＸ軸に関して線対称である。
【００２６】
ここで、４つの延設体４Ａｃ，４Ｂｃ，４Ｃｃ，４Ｄｃは、原点Ｏを中心とする半径方向の厚みが受力体３Ａと比較して薄い板状の部材であるため、受力体３Ａが受ける＋Ｙ方向の力Ｆにより、大きく弾性変形する。延設体４Ａｃ，４Ｂｃ，４Ｃｃ，４Ｄｃの中央部分には、原点Ｏを基準として若干外側へ向かって凸状に隆起した隆起部が形成されている。これらの各隆起部は、後述するように、変位電極を形成する便宜を図るためのものであり、本発明の検出原理上は、必要なものではない。
【００２７】
もちろん、力検出装置１Ａは、同一の材質からなる一体構造体であり、これを、例えば鉄、ステンレス、アルミニウムなどの金属によって構成すれば、力Ｆの作用により、すべての部分に弾性変形が生じることになる。しかしながら、固定体２Ａ、受力体３Ａに生じる弾性変形は、変形体４Ａ〜４Ｄに生じる弾性変形に比べてわずかである。
【００２８】
力検出装置１Ａは、検出手段５として、４組の検出体５Ａ〜５Ｄを備える。これら４組の検出体５Ａ〜５Ｄは、変形体４Ａ〜４Ｄに生じる弾性変形を電気的に検出する機能を有しており、いずれも静電容量素子である。すなわち、検出体５Ａ〜５Ｄは、変形体４Ａ〜４Ｄの外側面に形成された変位電極と、受力体３Ａの内側面に形成された固定電極と、を対向させた静電容量素子を備えている。すなわち、検出体５Ａ〜５Ｄは、変形体４Ａ〜４Ｄと受力体３Ａとに対向して設けられた電極同士で構成される静電容量素子を有している。＋Ｙ方向の力Ｆにより、変形体４Ａ〜４Ｄが弾性変形し、静電容量素子の特性値（静電容量）が変化する。
【００２９】
続いて、図１に示す力検出装置１Ａの動作について、図３を参照しながら説明する。なお、実際には、受力体３Ａは矩形枠状であるが、図３においては、発明の理解を容易にするために、受力体３Ａを、円形枠状で示している。
【００３０】
延設体４Ａｃ，４Ｂｃ，４Ｃｃ，４Ｄｃの外側面の４箇所には、それぞれ変位電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４が設けられており、変位電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４に対向する受力体３Ａの内側面の４箇所には、それぞれ固定電極Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３，Ｆ１４が設けられている。
【００３１】
より具体的には、延設体４Ａｃの外側面の隆起部には変位電極Ｅ１１が設けられ、受力体３Ａの対向面には、変位電極Ｅ１１に対向する固定電極Ｆ１１が設けられている。これら一対の電極（変位電極Ｅ１１，固定電極Ｆ１１）は、静電容量素子を構成する。第１の検出体５Ａは、この静電容量素子に他ならない。
【００３２】
また、延設体４Ｂｃの外側面の隆起部に変位電極Ｅ１２が設けられ、受力体３Ａの対向面に固定電極Ｆ１２が設けられて、第２の検出体５Ｂとなる静電容量素子が構成される。同様に、延設体４Ｃｃの外側面の隆起部に変位電極Ｅ１３が設けられ、受力体３Ａの対向面に固定電極Ｆ１３が設けられ、第３の検出体５Ｃとなる静電容量素子が構成される。また、延設体４Ｄｃの外側面の隆起部に変位電極Ｅ１４が設けられ、受力体３Ａの対向面に固定電極Ｆ１４が設けられて、第４の検出体５Ｄとなる静電容量素子が構成される。
【００３３】
なお、延設体４Ａｃ，４Ｂｃ，４Ｃｃ，４Ｄｃの外側面の隆起部と各変位電極Ｅ１１〜Ｅ１４との間には絶縁基板が挿入され、受力体３Ａと各固定電極Ｆ１１〜Ｆ１４との間にも絶縁基板が挿入されている。本実施の形態では、力検出装置１Ａが金属からなる一体構造体によって構成されており、個々の電極を電気的に独立させる必要があるためである。したがって、力検出装置１Ａを樹脂などの絶縁材料によって構成した場合は、絶縁基板を設ける必要はない。
【００３４】
ここで、力検出装置１Ａの検出動作を説明するうえで、便宜上、図３に示すように、固定体２Ａと変形体４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄとの接続点である内側支持点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４、及び、受力体３Ａと変形体４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄとの接続点である外側支持点Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４、を定義する。
【００３５】
固定体２Ａを固定した状態において、受力体３Ａに対して、図３に矢印で示すように、＋Ｙ方向の力ＦがＸ＝０の位置で作用した場合に、変形体４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄにどのような変形が生じるかを考えてみる。この場合、内側支持点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、固定体２Ａに接続されているため固定点になる。一方、外側支持点Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、受力体３Ａに接続されているため、受力体３Ａに対して＋Ｙ方向の力ＦがＸ＝０の位置で作用した場合、その力Ｆの作用を受ける。
【００３６】
そうすると、例えば、点Ｑ１は点Ｐ１から遠ざかるように移動するので、第１の変形体４Ａ（延設体４Ａｃ）は半径方向内側にへこむように変形する。その結果、変位電極Ｅ１１は、固定電極Ｆ１１から遠ざかり、両電極によって構成される静電容量素子（第１の検出体５Ａ）の静電容量は減少する。この静電容量の変化量をＣ１とする。同様に、点Ｑ２は点Ｐ２から遠ざかるように移動するので、第２の変形体４Ｂ（延設体４Ｂｃ）も半径方向内側にへこむように変形する。その結果、変位電極Ｅ１２は、固定電極Ｆ１２から遠ざかり、両電極によって構成される静電容量素子（第２の検出体５Ｂ）の静電容量は減少する。この静電容量の変化量をＣ２とする。
【００３７】
一方、点Ｑ３は点Ｐ３に近づくように移動するので、第３の変形体４Ｃ（延設体４Ｃｃ）は半径方向外側に膨らむように変形する。その結果、変位電極Ｅ１３は、固定電極Ｆ１３へ近づき、両電極によって構成される静電容量素子（第３の検出体５Ｃ）の静電容量は増加する。この静電容量の変化量をＣ３とする。また、点Ｑ４は点Ｐ４に近づくように移動するので、第４の変形体４Ｄ（延設体４Ｄｃ）は半径方向外側に膨らむように変形する。その結果、変位電極Ｅ１４は、固定電極Ｆ１４に近づき、両電極によって構成される静電容量素子（第４の検出体５Ｄ）の静電容量は増加する。この静電容量の変化量をＣ４とする。静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４を求めると、図４に示すようになる。
【００３８】
なお、固定体２Ａを固定した状態において、−Ｙ方向の力が受力体３Ａに対して作用した場合、上述とは逆となる動きが生じ、静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４は、上述とは逆となる変化を示す。
【００３９】
このように、検出手段５では、複数の検出体（静電容量素子）５Ａ〜５Ｄが、ＸＹ２次元直交座標系の第１象限から第４象限までの各象限に配設されている。変形体４Ａ〜４Ｄは、固定体２Ａ及び受力体３Ａとの接続点の間隔の変化に応じて一方の電極の位置が変化するように湾曲しており、その湾曲により静電容量が変化する。その静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４に基づいて、力Ｆの大きさや力Ｆを受ける位置を検出することができる。
【００４０】
図１に示すように、力検出装置１Ａには、駆動制御部１０が接続されている。駆動制御部１０は、力検出装置１Ａへ電力を供給するとともに、静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４を入力し、静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４に基づいて、力Ｆの大きさや力Ｆを受ける位置を演算により検出する検出手段５の一部としての演算部６を備える。
【００４１】
演算部６は、静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４を入力し、以下の式の計算結果Ｌ１に基づいて、力Ｆの大きさを算出する。
Ｌ１＝（Ｃ４−Ｃ１）＋（Ｃ３−Ｃ２）…（１）
計算結果Ｌ１と力Ｆとの間には相関関係がある。計算結果Ｌ１を求めれば、そのときの力Ｆを求めることができる。
【００４２】
例えば、図４に示すように、受力体３Ａが＋Ｙ方向の力ＦをＸ＝０の位置で受けると、静電容量素子５Ａ〜５Ｄにおける静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４については、Ｃ１，Ｃ２が−ΔＣだけ減少し、Ｃ３，Ｃ４が＋ΔＣだけ増加し、力Ｆの大きさが大きくなればなるほど、Ｃ１，Ｃ２が減少し、Ｃ３，Ｃ４が増加して、計算結果Ｌ１も大きくなる。逆に言えば、計算結果Ｌ１を求めれば、相関関係から、力Ｆの大きさを求めることができる。
【００４３】
なお、上記式（１）では、Ｃ４とＣ１との差分となっているが、静電容量素子５Ａと静電容量素子５Ｄとは、固定体２Ａと受力体３Ａとの向きが逆となっているため、実際には、この項は、第１、第４象限の静電容量素子５Ａ，５Ｄの静電容量の変化量の和に対応する。また、上記式（１）では、Ｃ３とＣ２との差分となっているが、静電容量素子５Ｂと静電容量素子５Ｃとは、固定体２Ａと受力体３Ａとの向きが逆となっているため、実際には、この項は、第３、第２象限の静電容量素子５Ｃ，５Ｂの静電容量の変化量の和に対応する。したがって、上記式（１）は、第１、第２、第３、第４象限の静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量の総和に対応する。
【００４４】
さらに、演算部６は、静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４を用いて、以下の式の計算結果Ｌ２に基づいて、受力体３Ａが力Ｆを受けるＸ軸上の位置Δｘ（図５参照）を検出する。
Ｌ２＝（Ｃ２−Ｃ１）＋（Ｃ４−Ｃ３）…（２）
計算結果Ｌ２と力Ｆを受けるＸ軸上の位置との間には相関関係があり、計算結果Ｌ２を用いれば、受力体３Ａが力Ｆを受けるＸ軸上の位置Δｘを検出することができる。
【００４５】
ここで、受力体３Ａが＋Ｙ方向の力Ｆを受ける位置と、計算結果Ｌ２との関係について考える。図４に示すように、＋Ｙ方向の力Ｆを受ける位置がＸ＝０である場合には、Ｃ１＝Ｃ２＝−ΔＣ，Ｃ３＝Ｃ４＝＋ΔＣとなるため、計算結果Ｌ２は０となり、受力体３Ａが＋Ｙ方向の力Ｆを受ける位置はＸ＝０であると検出される。一方、図５に示すように、＋Ｙ方向の力Ｆを受ける位置がＸ＝０からＸ＝Δｘへ変化した場合には、静電容量素子５Ａ〜５Ｄにおける静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４は、図４に示す状態から、図６に示す状態に変化する。
【００４６】
図６に示すように、静電容量の変化量Ｃ１は−ΔＣから減少し、静電容量の変化量Ｃ２は−ΔＣから増加し、静電容量の変化量Ｃ３はΔＣから減少し、静電容量の変化量Ｃ４はΔＣから増加する。この場合、計算結果Ｌ２の各項であるＣ２−Ｃ１及びＣ４−Ｃ３は正の値となる。Δｘが大きくなればなるほど、計算結果Ｌ２の値は大きくなり単調増加となる。したがって、予め計算結果Ｌ２とΔｘとの相関関係が既知であれば、計算結果Ｌ２に基づいて、＋Ｙ方向の力Ｆを受ける位置Δｘを求めることができる。
【００４７】
なお、上記式（２）では（Ｃ２−Ｃ１）と（Ｃ４−Ｃ３）との和を算出している。これは、静電容量素子５Ａ，５Ｂと静電容量素子５Ｄ，５Ｃとは、固定体２Ａと受力体３Ａとの向きが逆となっているためである。この式は、第１象限と第２象限における静電容量素子５Ａ，５Ｂの静電容量の変化量Ｃ１，Ｃ２の違いと、第３象限と第４象限における静電容量素子５Ｃ，５Ｄの静電容量の変化量Ｃ３，Ｃ４の違いとの和に対応する。
【００４８】
ここで、図７に示すように、受力体３Ａが原点Ｏまわり（左まわり）のトルクを受けた場合について考える。この場合、Ｑ１−Ｐ１間、Ｑ３−Ｐ３間は広くなり、Ｑ２−Ｐ２間、Ｑ４−Ｐ４間は狭くなる。このため、図８に示すように、静電容量素子５Ａ，５Ｃの静電容量の変化量Ｃ１，Ｃ３は減少して−ΔＣとなり、静電容量素子５Ｂ，５Ｄの静電容量の変化量Ｃ２，Ｃ４は増加してΔＣとなるが、上記式（１）の計算結果Ｌ１は０となる。したがって、上記式（１）を用いれば、原点Ｏまわりのトルクの成分を除去した状態で力Ｆを検出することができる。
【００４９】
このように複数の静電容量素子５Ａ〜５Ｄを用いた検出は、検出誤差を低減する上で効果的である。例えば、温度環境の変化により、力検出装置１Ａの各部に膨張や収縮が生じ、各静電容量素子５Ａ〜５Ｄの電極間隔が変化した場合にも、上記差分検出を行えば、そのような電極間隔の変化に基づいて生じる誤差を相殺することができる。
【００５０】
以上詳細に説明したように、本実施の形態によれば、受力体３Ａが受ける力Ｆの方向（Ｙ軸方向）に交差するＸ軸方向に配列され、受力体３Ａと固定体２Ａとの相対変位に応じて静電容量が変動する複数の静電容量素子５Ａ〜５Ｄを有しているので、その静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４の違いに基づいて、力Ｆが加えられる位置を検出することができる。
【００５１】
また、本実施の形態によれば、静電容量素子５Ａ〜５Ｄの変位電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、変形体４Ａ〜４Ｄに設けられている。変形体４Ａ〜４Ｄは、受力体３Ａとの接続点と固定体２Ａとの接続点との間隔が、受力体３Ａが受ける力に応じて変化するように、受力体３Ａ及び固定体２Ａに接続され、接続点の間隔の変化に応じて一方の電極（変位電極Ｅ１１〜Ｅ１４）の位置が変化するように湾曲している。このような構成にすれば、変形体４Ａ〜４Ｄの湾曲により変位電極Ｅ１１〜Ｅ１４の変位を大きくすることができる。この結果、静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４を大きくすることができるので、力検出装置１Ａの感度を大きくして、力Ｆが加えられる位置の検出精度を高くすることができる。
【００５２】
なお、検出手段５では、静電容量素子５Ａ〜５Ｄの一方の変位電極Ｅ１１〜Ｅ１４が、変形体４Ａ〜４Ｄに設けられ、静電容量素子５Ａ〜５Ｄの他方の固定電極Ｆ１１〜Ｆ１４が、受力体３Ａに設けられているが、他方の固定電極Ｆ１１〜Ｆ１４は、固定体２Ａに設けられていてもよい。
【００５３】
検出手段５では、静電容量素子５Ａ〜５Ｄが、受力体３Ａが受ける力の方向に沿って複数配列されている。これにより、力Ｆの位置を検出するための情報の数を増やすことができるので、力Ｆの位置を精度良く検出することができる。
【００５４】
実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２について図面を参照して詳細に説明する。
【００５５】
図９に示すように、本実施の形態に係る力検出装置１Ｂは、全体が矩形平板状である。力検出装置１Ｂは、固定体２Ｂと受力体３Ｂとを主たる構成要素とし、固定体２Ｂと受力体３ＢとカバーＫＣとで力検出装置１Ａの全体の外形が形成される。図９（Ａ）、図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）に示すように、固定体２Ｂと受力体３Ｂとがｚ軸方向に組み合わされて、力検出装置１Ｂが構成されている。
【００５６】
固定体２Ｂは、受力体３Ｂと空間を隔てて配置されており、受力体３Ｂは、固定体２Ｂに固定される外部の部材とは別の部材に保持されている。カバーＫＣは、固定体２Ｂの一部及び受力体３Ｂを覆う。受力体３Ｂは、カバーＫＣに固定されており、検出対象となる＋Ｙ軸方向の力Ｆを、カバーＫＣを介して受ける。一方で、固定体２ＢはカバーＫＣに固定されていない。このため、固定体２ＢとカバーＫＣ（受力体３Ｂ）とを、それぞれ別々の外部の部材に保持させることで、受力体３Ｂは、固定体２Ｂに対し、予め定められた範囲においてｘｙ平面上を移動可能になる。なお、力Ｆを受けていない状態では、固定体２Ｂの中心と受力体３Ｂの中心とが原点Ｏで一致している。
【００５７】
力検出装置１Ｂにおいては、変形体４（４Ａ〜４Ｄ）は設けられていない。一方、力検出装置１Ｂにおいて、固定体２Ｂには、受力体３Ｂ（＋ｚ方向に）に向けて突出する突出部２Ｂａ〜２Ｂｄが設けられている。また、受力体３Ｂには、固定体２Ｂ（−ｚ方向に）に向けて突出する突出部３Ｂａが設けられている。図１０に示すように、突出部２Ｂａ〜２Ｂｄと突出部３Ｂａとは、Ｙ軸方向に対向するように配置される。力検出装置１Ｂでは、検出手段５としての検出体５Ａ〜５Ｄは、突出部２Ｂａ〜２Ｂｄと、突出部３Ｂａとの間に設けられている。
【００５８】
突出部２Ｂａ〜２Ｂｄの側面には、それぞれ固定電極（第２の電極）Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３，Ｆ１４が設けられている。突出部３Ｂａには、固定電極（第２の電極）Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３，Ｆ１４に対向して、それぞれ変位電極（第１の電極）Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４が設けられている。すなわち、力検出装置１Ｂでは、静電容量素子５Ａ〜５Ｄの一方の変位電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４が、受力体３Ｂに設けられ、静電容量素子５Ａ〜５Ｄの他方の固定電極Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３，Ｆ１４が、固定体２Ｂに設けられている。したがって、変位電極Ｅ１１，固定電極Ｆ１１によって静電容量素子５Ａが構成され、変位電極Ｅ１２，固定電極Ｆ１２によって静電容量素子５Ｂが構成され、変位電極Ｅ１３，固定電極Ｆ１３によって静電容量素子５Ｃが構成され、変位電極Ｅ１４，固定電極Ｆ１４によって静電容量素子５Ｄが構成される。
【００５９】
固定体２Ｂを固定した状態において、受力体３Ｂに対して＋Ｙ方向の力が作用した場合に、変位電極Ｅ１１は固定電極Ｆ１１に近づくように移動し、両電極によって構成される静電容量素子（第１の検出体５Ａ）の静電容量の変化量Ｃ１は増加する。同様に、変位電極Ｅ１２は固定電極Ｆ１２に近づくように移動し、両電極によって構成される静電容量素子（第２の検出体５Ｂ）の静電容量の変化量Ｃ２は増加する。
【００６０】
一方、変位電極Ｅ１３は固定電極Ｆ１３から遠ざかるように移動し、両電極によって構成される静電容量素子（第３の検出体５Ｃ）の静電容量の変化量Ｃ３は減少する。同様に、変位電極Ｅ１４は固定電極Ｆ１４から遠ざかるように移動し、両電極によって構成される静電容量素子（第４の検出体５Ｄ）の静電容量値の変化量Ｃ４は減少する。
【００６１】
なお、固定体２Ｂを固定した状態において、−Ｙ方向の力が受力体３Ｂに対して作用した場合、上述とは逆となる動きが生じ、静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４は、上述とは逆となる変化を示す。
【００６２】
本実施の形態でも、検出手段５では、複数の静電容量素子５Ａ〜５Ｄが、ＸＹ２次元直交座標系の第１象限から第４象限までの各象限にそれぞれ配設されている。演算部６は、これらの静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４に基づいて、力Ｆの大きさや位置を検出する。
【００６３】
演算部６は、静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４を入力し、以下の式の計算結果Ｌ３に基づいて、力Ｆの大きさを算出する。
Ｌ３＝（Ｃ１−Ｃ４）＋（Ｃ２−Ｃ３）…（３）
計算結果Ｌ３と力Ｆとの間には相関関係があり、計算結果Ｌ３を求めれば、そのときの力Ｆを求めることができる。
【００６４】
例えば、受力体３Ｂが＋Ｙ方向の力ＦをＸ＝０で受けると、静電容量素子５Ａ〜５Ｄにおける静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４については、図１１に示すように、Ｃ１，Ｃ２がΔＣだけ増加し、Ｃ３，Ｃ４が−ΔＣ減少する。力Ｆの大きさが大きくなればなるほど、Ｃ１，Ｃ２は増加し、Ｃ３，Ｃ４が減少して、計算結果Ｌ３も大きくなる。したがって、計算結果Ｌ３を用いれば、相関関係から、力Ｆの大きさを求めることができる。
【００６５】
なお、上記式（３）は、Ｃ１とＣ４との差分の項を含んでいるが、静電容量素子５Ａと静電容量素子５Ｄとは、固定体２Ｂと受力体３Ｂとの向きが逆となっているため、実際には、この項は、第１、第４象限の静電容量素子５Ａ，５Ｄの静電容量の変化量の和に対応する。また、上記式（３）は、Ｃ２とＣ３との差分の項を含んでいるが、静電容量素子５Ｂと静電容量素子５Ｃとは、固定体２Ｂと受力体３Ｂとの向きが逆となっているため、実際には、この項は、第３、第２象限の静電容量素子５Ｃ，５Ｂの静電容量の変化量の和に対応する。したがって、上記式（３）は、第１、第２、第３、第４象限の静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量の総和に対応する。
【００６６】
さらに、演算部６は、静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４を用いて、以下の式の計算結果Ｌ４に基づいて、受力体３Ｂが力Ｆを受けるＸ軸上の位置Δｘ（図１２参照）を検出する。
Ｌ４＝（Ｃ１−Ｃ２）＋（Ｃ３−Ｃ４）…（４）
計算結果Ｌ４と力Ｆを受けるＸ軸上の位置との間には相関関係があるので、計算結果Ｌ４を用いれば、受力体３Ｂが力Ｆを受けるＸ軸上の位置Δｘを検出することができる。
【００６７】
ここで、受力体３Ｂが＋Ｙ方向の力Ｆを受ける位置と、計算結果Ｌ４との関係について考える。図１１に示すように、＋Ｙ方向の力Ｆを受ける位置がＸ＝０である場合には、Ｃ１＝Ｃ２＝ΔＣ，Ｃ３＝Ｃ４＝−ΔＣとなるため、計算結果Ｌ４は０となり、受力体３Ｂが＋Ｙ方向の力Ｆを受ける位置はＸ＝０であると検出される。一方、＋Ｙ方向の力Ｆを受ける位置がＸ＝０からＸ＝Δｘへ変化した場合には、静電容量素子５Ａ〜５Ｄにおける静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４は、図１１に示す状態から、図１２に示す状態に変化する。
【００６８】
すなわち、静電容量の変化量Ｃ１はΔＣから増加し、静電容量の変化量Ｃ２はΔＣから減少し、静電容量の変化量Ｃ３は−ΔＣから増加し、静電容量の変化量Ｃ４は−ΔＣから減少する。これにより、Ｃ１−Ｃ２及びＣ３−Ｃ４は正の値となる。Δｘが大きくなればなるほど、計算結果Ｌ４の値は大きくなる。したがって、計算結果Ｌ４に基づいて、＋Ｙ方向の力Ｆを受ける位置Δｘを求めることができる。
【００６９】
なお、上記式（４）では（Ｃ１−Ｃ２）と（Ｃ３−Ｃ４）との和を算出している。これは、静電容量素子５Ａ，５Ｂと静電容量素子５Ｄ，５Ｃについて、固定体２Ｂと受力体３Ｂとの向きが逆となっているためである。この式は、第１象限と第２象限における静電容量素子５Ａ，５Ｂの静電容量の変化量Ｃ１，Ｃ２の違いと、第３象限と第４象限における静電容量素子５Ｃ，５Ｄの静電容量の変化量Ｃ３，Ｃ４の違いとの和に対応する。
【００７０】
以上述べたように、本実施の形態によれば、静電容量素子５Ａ〜５Ｄの一方の変位電極Ｅ１１〜Ｅ１４が、受力体３Ｂに設けられ、静電容量素子５Ａ〜５Ｄの他方の固定電極Ｆ１１〜Ｆ１４が、固定体２Ｂに設けられている。このようにすれば、変形体４Ａ〜４Ｄを備える必要がなくなるので、部品点数を減らし、装置構成を簡単なものとして、故障の発生を低減したり、装置の寿命を延ばしたりすることができる。
【００７１】
実施の形態３
次に、本発明の実施の形態３について図面を参照して詳細に説明する。
【００７２】
図１３に示すように、本実施の形態では、固定体２Ｃと受力体３Ｃとの間を接続する接続体７が設けられている点が上記実施の形態と異なる。また、本実施の形態に係る力検出装置１Ｃでは、第１象限に第１の変形体４Ａ’及び第１の検出体５Ａが設けられ、第２象限に第２の変形体４Ｂ’及び第２の検出体５Ｂが設けられ、第３象限に第３の変形体４Ｃ’及び第３の検出体５Ｃが設けられ、第４象限に第４の変形体４Ｄ’及び第４の検出体５Ｄが設けられている。本実施の形態では、第１の変形体４Ａ’〜第４の変形体４Ｄ’の形状と、第１の検出体５Ａ〜第４の検出体５Ｄの向きが、上記実施の形態１と異なっている。
【００７３】
第１の変形体４Ａ’〜第４の変形体４Ｄ’では、固定体２Ｃと接続する第１の突出体４Ａａ’〜４Ｄａ’と、受力体３Ｃと接続する第２の突出体４Ａｂ’〜４Ｄｂ’とがＸ軸方向に延びており、延設体４Ａｃ’〜４Ｄｃ’は、Ｙ軸方向に延びている。
【００７４】
図１４に示すように、受力体３Ｃが＋Ｙ軸方向の力ＦをＸ＝０の位置で受けると、第１の変形体４Ａ’、第２の変形体４Ｂ’は変形し、固定体２Ｃの接続点と受力体３Ｃの接続点とのＹ軸方向の距離が広がる。これにより、矢印で示すように、変位電極Ｅ１１，Ｅ１２は固定電極Ｆ１１，Ｆ１２から遠ざかるとともに−Ｙ方向にずれる。このため、両電極によって構成される静電容量素子５Ａ，５Ｂの静電容量の変化量Ｃ１，Ｃ２は減少する。
【００７５】
また、第３の変形体４Ｃ’、第４の変形体４Ｄ’は変形し、固定体２Ｃの接続点と受力体３Ｃの接続点とのＹ軸方向の距離が短くなる。これにより、矢印で示すように、変位電極Ｅ１３，Ｅ１４は固定電極Ｆ１３，Ｆ１４に近づくとともに＋Ｙ方向にずれる。このため、両電極によって構成される静電容量素子５Ｃ，５Ｄの静電容量の変化量Ｃ３，Ｃ４は増加する。
【００７６】
また、図１５に示すように、受力体３Ｃが＋Ｙ軸方向の力ＦをＸ＝Δｘで受けた場合について考える。この場合、第１の変形体４Ａ’，第４の変形体４Ｄ’については、変位電極Ｅ１１，Ｅ１４の移動量を示すベクトルはさらに大きくなる。一方で、第２の変形体４Ｂ’，第３の変形体４Ｃ’については変位電極Ｅ１２，Ｅ１３の移動量を示すベクトルは図１４に比べて小さくなる。
【００７７】
上述のように、力Ｆの大きさ及び位置Δｘに対する静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４の変化は、上記実施の形態１と同様である。したがって、上記実施の形態１と同様に、上記式（１）、式（２）を用いて、静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４から力Ｆの大きさや位置Δｘを検出することができる。
【００７８】
なお、本実施の形態では、力Ｆが加えられると、変位電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、固定電極Ｆ１１〜Ｆ１４に対して近づいたり遠ざかったりするとともに、Ｙ軸方向にずれて、固定電極Ｆ１１〜Ｆ１４と重複する面積も変化する。この面積変化により、静電容量の変化の傾きを大きくして、検出感度を向上することも可能となる。
【００７９】
以上述べたように、上記各実施の形態に係る力検出装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、受力体３Ａ，３Ｂ，３Ｃの中心を原点Ｏとし、受力体３Ａ，３Ｂ，３Ｃが受ける力の方向に沿った軸をＹ軸とし、受力体３Ａ，３Ｂ，３Ｃが力Ｆを受ける位置に関する軸をＸ軸とする２次元直交座標系を規定した場合に、受力体３Ａ，３Ｂ，３Ｃ及び固定体２Ａ，２Ｂ，２Ｃの対向関係が、Ｙ軸及びＸ軸に関して線対称であり、検出手段５では、複数の静電容量素子５Ａ〜５Ｄが、ＸＹ２次元直交座標系の第１象限から第４象限までの各象限に配設されている。そして、受力体３Ａ，３Ｂ，３Ｃが、第３象限から第２象限に向かう力、または、第４象限から第１象限に向かう力を受けた場合に、検出手段５の演算部６は、第１象限と第２象限における静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量の違いと、第３象限と第４象限における静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量の違いと、に基づいて、受力体３Ａ，３Ｂ，３Ｃが受ける力の位置Δｘを算出する。また、演算部６は、第１、第２、第３、第４象限の静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量の総和に基づいて、力Ｆの大きさを算出する。
【００８０】
なお、静電容量素子５Ａ〜５Ｄの静電容量の変化量Ｃ１〜Ｃ４の極性は、その象限における固定体２Ａ〜２Ｃと受力体３Ａ〜３Ｃとの向きに応じて適宜変化する。固定体と受力体との向きが全ての象限で同じである場合には、以下の演算結果Ｌ５を用いて力Ｆの大きさが検出され、以下の演算結果Ｌ６を用いて力Ｆが加えられた位置Δｘが検出される。
Ｌ５＝（Ｃ４＋Ｃ１）＋（Ｃ３＋Ｃ２）…（５）
Ｌ６＝（Ｃ１−Ｃ２）＋（Ｃ４−Ｃ３）…（６）
【００８１】
この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、一方向の力が加えられる位置を検出するのに適用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  力検出装置、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ  固定体、２Ｂａ，２Ｂｂ，２Ｂｃ，２Ｂｄ  突出部、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ  受力体、３Ｂａ  突出部、４  変形体、４Ａ，４Ａ’  第１の変形体、４Ａａ，４Ａａ’  第１の突出体、４Ａｂ，４Ａｂ’  第２の突出体、４Ａｃ，４Ａｃ’  延設体、４Ｂ，４Ｂ’  第２の変形体、４Ｂａ，４Ｂａ’  第１の突出体、４Ｂｂ，４Ｂｂ’  第２の突出体、４Ｂｃ，４Ｂｃ’  延設体、４Ｃ，４Ｃ’  第３の変形体、４Ｃａ，４Ｃａ’  第１の突出体、４Ｃｂ，４Ｃｂ’  第２の突出体、４Ｃｃ，４Ｃｃ’  延設体、４Ｄ，４Ｄ’  第４の変形体、４Ｄａ，４Ｄａ’  第１の突出体、４Ｄｂ，４Ｄｂ’  第２の突出体、４Ｄｃ，４Ｄｃ’  延設体、５  検出手段、５Ａ  第１の検出体（静電容量素子）、５Ｂ  第２の検出体（静電容量素子）、５Ｃ  第３の検出体（静電容量素子）、５Ｄ  第４の検出体（静電容量素子）、６  演算部、７  接続体、１０  駆動制御部、Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４  変位電極、Ｆ１１，Ｆ１２，Ｆ１３，Ｆ１４  固定電極、Ｆ  力、ＫＡ，ＫＢ，ＫＣ  カバー、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４  内側支持点、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４  外側支持点
【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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