(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量検出用の固定電極と、
前記固定電極に対向して配置される可動電極と、
前記固定電極と前記可動電極の間において前記可動電極と略接触した状態で配置される絶縁層と、
前記可動電極を前記絶縁層に沿って移動または回転可能に支持する支持部と、を備え、
前記可動電極および前記支持部は、導電性弾性材料により一体的に構成されることを特徴とする、
力検出装置。
【請求項２】
前記可動電極は、前記絶縁層と略接触する面が異なる材質から構成されることを特徴とする、
請求項１に記載の力検出装置。
【請求項３】
前記可動電極は、
前記支持部が接続される基部と、
前記絶縁層に向けて前記基部から突設され、先端面が前記絶縁層に略接触する突出部と、を有することを特徴とする、
請求項１または２に記載の力検出装置。
【請求項４】
前記突出部は、前記先端面の一部が前記固定電極の一部と重なるように配置されることを特徴とする、
請求項３に記載の力検出装置。
【請求項５】
前記可動電極は、前記絶縁層に向けて前記基部から突設され、先端部が前記絶縁層に固定される補助支持部を有することを特徴とする、
請求項３または４に記載の力検出装置。
【請求項６】
前記補助支持部は、前記可動電極の略中央に設けられることを特徴とする、
請求項５に記載の力検出装置。
【請求項７】
前記基部は、入力により変形して前記固定電極までの距離が変化する変位部を有することを特徴とする、
請求項３乃至６のいずれかに記載の力検出装置。
【請求項８】
複数の前記固定電極と、
前記複数の固定電極に対応して設けられる複数の前記突出部と、を備えることを特徴とする、
請求項３乃至７のいずれかに記載の力検出装置。
【請求項９】
前記突出部は、円筒状に構成され、
前記先端面には、複数の溝が半径方向に形成されることを特徴とする、
請求項３乃至７のいずれかに記載の力検出装置。
【請求項１０】
前記固定電極は、円周上に複数配置されると共に、互いの間隔が前記円周の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成されることを特徴とする、
請求項１乃至９のいずれかに記載の力検出装置。
【請求項１１】
前記固定電極は、円周上に複数配置され、
前記可動電極は、互いに隣り合う２つの前記固定電極からなる１組の固定電極ごとに設けられる複数の前記突出部を有し、
前記突出部は、前記１組の固定電極に含まれる２つの前記固定電極に前記先端面が跨るように配置されることを特徴とする、
請求項３乃至７のいずれかに記載の力検出装置。
【請求項１２】
前記固定電極は、第１の円周上に複数配置されると共に、前記第１の円周と同心円である第２の円周上に複数配置され、
前記可動電極は、前記第１の円周上において互いに隣り合う２つの前記固定電極、および前記第２の円周上の１つの前記固定電極からなる１組の固定電極ごとに設けられる複数の突出部を有し、
前記突出部は、前記１組の固定電極に含まれる３つの固定電極に前記先端面が跨るように配置されることを特徴とする、
請求項３乃至７のいずれかに記載の力検出装置。
【請求項１３】
前記第２の円周上の前記固定電極は、互いの間隔が前記第２の円周の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成されることを特徴とする、
請求項１２に記載の力検出装置。
【請求項１４】
前記固定電極は、第１の円周上に複数配置されると共に、前記第１の円周と同心円である第２の円周上に複数配置され、
前記可動電極は、
前記第１の円周上において互いに隣り合う２つの前記固定電極からなる１組の固定電極ごとに設けられ、前記１組の固定電極に含まれる２つの固定電極に前記先端面が跨るように配置される複数の突出部と、
前記第２の円周上に配置された前記固定電極に対応して設けられ、入力により変形して対応する前記固定電極までの距離が変化する複数の変位部と、を有することを特徴とする、
請求項７に記載の力検出装置。
【請求項１５】
前記支持部は、基板に固定される固定部と、前記固定部と前記可動電極を繋ぐと共に前記可動電極の移動または回転に伴って変形する変形部と、を有することを特徴とする、
請求項１乃至１４のいずれかに記載の力検出装置。
【請求項１６】
前記固定部は、前記可動電極の外周を囲むように形成され、前記可動電極の移動範囲を制限するストッパとして兼用されることを特徴とする、
請求項１５に記載の力検出装置。
【請求項１７】
静電容量検出用の固定電極と、
前記固定電極に対向して配置される可動電極と、
前記固定電極と前記可動電極の間において前記可動電極に設けられ、前記固定電極と略接触した状態で配置される絶縁層と、
前記可動電極を前記固定電極の前記絶縁層と略接触する面に沿って移動または回転可能に支持する支持部と、を備え、
前記可動電極および前記支持部は、導電性弾性材料により一体的に構成されることを特徴とする、
力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力やモーメントを検出する力検出装置に関し、特に入力状態に応じた静電容量の変化に基づいて力を検出する力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、携帯電話やゲーム機等の電子機器に組み込まれる入力装置や、ロボットの制御に用いられる力覚センサや触覚センサとして、各種の力検出装置が使用されている。このような力検出装置の一種として、固定電極と可動電極の間における静電容量の変化によって力を検出する静電容量式の力検出装置がある（例えば、特許文献１または２参照）。
【０００３】
近年では、携帯電話や携帯ゲーム機が幅広く普及すると共に、一層の小型化および複雑化を遂げており、入力装置として組み込まれる力検出装置に対しても、コストダウンと共にさらなる小型化・薄型化が求められている。また、ロボットの分野においては、高精度な制御を行ってロボットの汎用性を高めるべく、多数の力検出装置が従来以上に様々な部位に力覚センサとして配置されるようになっており、特にハンド部に配置される触覚センサとして使用される力検出装置については、より高性能且つ小型化・薄型化されたものが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３８６２３号公報
【特許文献２】特開２００４−３５４０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような力検出センサは、三次元座標におけるｘ、ｙ、ｚの各方向の力（分力）を検出可能に構成されているものが汎用性の観点からは望ましい。しかしながら、一般的に入力装置として使用される力検出装置は、上記特許文献１に記載されているように、所定の面に対する垂直方向（ｚ方向）の押し込み位置によって水平方向（ｘ、ｙ方向）の操作方向を指示するように構成されており、ｘ、ｙ、ｚ方向の力をそれぞれ検出するようには構成されていないため、汎用性に乏しいという問題があった。
【０００６】
一方、上記特許文献２に記載されているように、ｘ、ｙ、ｚの各方向の力に加え、さらにｘ、ｙ、ｚ軸周りのモーメントを検出可能に構成された力検出装置も存在している。しかしながら、上記特許文献２に記載の力検出装置は、金属やセラミックス等の材質を組み合わせて構成されると共に、複数の肉薄部およびダイアフラム、ならびに肉薄部とダイアフラムを繋ぐ柱状の力伝達体を備える複雑な構造を有しているため、製造コストが高いだけではなく、小型化・薄型化が難しいという問題があった。
【０００７】
さらに、上記特許文献２に記載の力検出装置では、耐荷重性が肉薄部およびダイアフラム部の強度によって決まるため、強度および耐久性を高めるためには、さらに強度メンバーを追加する等、より一層複雑な構造とならざるを得ないという問題があった。
【０００８】
本発明は、斯かる実情に鑑み、簡素且つ安価な構成で小型化・薄型化が容易でありながらも汎用性の高い力検出装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明は、静電容量検出用の固定電極と、前記固定電極に対向して配置される可動電極と、前記固定電極と前記可動電極の間において前記可動電極と略接触した状態で配置される絶縁層と、前記可動電極を前記絶縁層に沿って移動または回転可能に支持する支持部と、を備え、前記可動電極および前記支持部は、導電性弾性材料により一体的に構成されることを特徴とする、力検出装置である。
【００１１】
（２）本発明はまた、前記可動電極は、前記絶縁層と略接触する面が異なる材質から構成されることを特徴とする、上記（１）に記載の力検出装置である。
【００１２】
（３）本発明はまた、前記可動電極は、前記支持部が接続される基部と、前記絶縁層に向けて前記基部から突設され、先端面が前記絶縁層に略接触する突出部と、を有することを特徴とする、上記（１）または（２）に記載の力検出装置である。
【００１３】
（４）本発明はまた、前記突出部は、前記先端面の一部が前記固定電極の一部と重なるように配置されることを特徴とする、上記（３）に記載の力検出装置である。
【００１４】
（５）本発明はまた、前記可動電極は、前記絶縁層に向けて前記基部から突設され、先端部が前記絶縁層に固定される補助支持部を有することを特徴とする、上記（３）または（４）に記載の力検出装置である。
【００１５】
（６）本発明はまた、前記補助支持部は、前記可動電極の略中央に設けられることを特徴とする、上記（５）に記載の力検出装置である。
【００１６】
（７）本発明はまた、前記基部は、入力により変形して前記固定電極までの距離が変化する変位部を有することを特徴とする、上記（３）乃至（６）のいずれかに記載の力検出装置である。
【００１７】
（８）本発明はまた、複数の前記固定電極と、前記複数の固定電極に対応して設けられる複数の前記突出部と、を備えることを特徴とする、上記（３）乃至（７）のいずれかに記載の力検出装置である。
【００１８】
（９）本発明はまた、前記突出部は、円筒状に構成され、前記先端面には、複数の溝が半径方向に形成されることを特徴とする、上記（３）乃至（７）のいずれかに記載の力検出装置である。
【００１９】
（１０）本発明はまた、前記固定電極は、円周上に複数配置されると共に、互いの間隔が前記円周の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成されることを特徴とする、上記（１）乃至（９）のいずれかに記載の力検出装置である。
【００２０】
（１１）本発明はまた、前記固定電極は、円周上に複数配置され、前記可動電極は、互いに隣り合う２つの前記固定電極からなる１組の固定電極ごとに設けられる複数の前記突出部を有し、前記突出部は、前記１組の固定電極に含まれる２つの前記固定電極に前記先端面が跨るように配置されることを特徴とする、上記（３）乃至（７）のいずれかに記載の力検出装置である。
【００２１】
（１２）本発明はまた、前記固定電極は、第１の円周上に複数配置されると共に、前記第１の円周と同心円である第２の円周上に複数配置され、前記可動電極は、前記第１の円周上において互いに隣り合う２つの前記固定電極、および前記第２の円周上の１つの前記固定電極からなる１組の固定電極ごとに設けられる複数の突出部を有し、前記突出部は、前記１組の固定電極に含まれる３つの固定電極に前記先端面が跨るように配置されることを特徴とする、上記（３）乃至（７）のいずれかに記載の力検出装置である。
【００２２】
（１３）本発明はまた、前記第２の円周上の前記固定電極は、互いの間隔が前記第２の円周の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成されることを特徴とする、上記（１２）に記載の力検出装置である。
【００２３】
（１４）本発明はまた、前記固定電極は、第１の円周上に複数配置されると共に、前記第１の円周と同心円である第２の円周上に複数配置され、前記可動電極は、前記第１の円周上において互いに隣り合う２つの前記固定電極からなる１組の固定電極ごとに設けられ、前記１組の固定電極に含まれる２つの固定電極に前記先端面が跨るように配置される複数の突出部と、前記第２の円周上に配置された前記固定電極に対応して設けられ、入力により変形して対応する前記固定電極までの距離が変化する複数の変位部と、を有することを特徴とする、上記（７）に記載の力検出装置である。
【００２４】
（１５）本発明はまた、前記支持部は、基板に固定される固定部と、前記固定部と前記可動電極を繋ぐと共に前記可動電極の移動または回転に伴って変形する変形部と、を有することを特徴とする、上記（１）乃至（１４）のいずれかに記載の力検出装置である。
【００２５】
（１６）本発明はまた、前記固定部は、前記可動電極の外周を囲むように形成され、前記可動電極の移動範囲を制限するストッパとして兼用されることを特徴とする、上記（１５）に記載の力検出装置である。
【００２６】
（１７）本発明はまた、静電容量検出用の固定電極と、前記固定電極に対向して配置される可動電極と、前記固定電極と前記可動電極の間において前記可動電極に設けられ、前記固定電極と略接触した状態で配置される絶縁層と、前記可動電極を前記固定電極の前記絶縁層と略接触する面に沿って移動または回転可能に支持する支持部と、を備え、前記可動電極および前記支持部は、導電性弾性材料により一体的に構成されることを特徴とする、力検出装置である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る力検出装置によれば、簡素且つ安価な構成で小型化・薄型化が容易でありながらも、汎用性が高いという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（ａ）第１の実施形態に係る力検出装置の平面図である。（ｂ）同力検出装置の正面図である。（ｃ）同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】（ａ）基板の平面図である。（ｂ）基板の正面図である。（ｃ）基板の底面図である。
【図３】（ａ）受力体の平面図である。（ｂ）受力体の正面図（側面図）である。（ｃ）受力体の底面図である。（ｄ）同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。（ｅ）同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）力検出装置が力を受けた状態を示した図である。
【図５】力検出装置が受けた力を検出するための回路を示した図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）ｘｙ用電極のその他の形態の例を示した底面図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。
【図８】（ａ）〜（ｅ）受力体のその他の形態の例を示した図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。
【図１１】（ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。
【図１２】（ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。
【図１３】（ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。
【図１４】（ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）絶縁層を可動電極に設けるようにした場合の一例を示した図である。
【図１６】（ａ）第２の実施形態に係る力検出装置の平面図である。（ｂ）同力検出装置の正面図である。（ｃ）同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図１７】（ａ）第２の実施形態の基板の平面図である。（ｂ）同基板の正面図である。（ｃ）同基板の底面図である。
【図１８】（ａ）第２の実施形態の受力体の平面図である。（ｂ）同受力体の正面図（側面図）である。（ｃ）同受力体の底面図である。（ｄ）同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。（ｅ）同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１９】（ａ）〜（ｃ）力検出装置がｚ軸周りのモーメントを受けた状態を示した図である。
【図２０】（ａ）〜（ｄ）受力体のその他の形態の例を示した図である。
【図２１】（ａ）第３の実施形態に係る力検出装置の平面図である。（ｂ）同力検出装置の正面図である。（ｃ）同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２２】（ａ）第３の実施形態の基板の平面図である。（ｂ）同基板の正面図である。（ｃ）同基板の底面図である。
【図２３】（ａ）第３の実施形態の受力体の平面図である。（ｂ）は、同受力体の正面図（側面図）である。（ｃ）同受力体の底面図である。（ｄ）同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。（ｅ）同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図２４】（ａ）力検出装置がｘ−ｙ平面内の力を受けた状態を示した図である。（ｂ）力検出装置がｚ軸周りのモーメントを受けた状態を示した図である。
【図２５】（ａ）第４の実施形態に係る力検出装置の平面図である。（ｂ）同力検出装置の正面図である。（ｃ）同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２６】（ａ）第４の実施形態の基板の平面図である。（ｂ）同基板の正面図である。（ｃ）同基板の底面図である。
【図２７】（ａ）第４の実施形態の受力体の平面図である。（ｂ）同受力体の正面図（側面図）である。（ｃ）同受力体の底面図である。（ｄ）同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。（ｅ）同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図２８】（ａ）力検出装置がｚ軸周りのモーメントを受けた状態を示した図である。（ｂ）力検出装置がｘ軸周りのモーメントを受けた状態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
【００３１】
＜第１の実施形態＞
まず、本発明の第１の実施形態に係る力検出装置１について説明する。
【００３２】
図１（ａ）は、力検出装置１の平面図であり、同図（ｂ）は、力検出装置１の正面図であり、同図（ｃ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。これらの図に示されるように、力検出装置１は、矩形板状の基板１０、および基板１０の一方の面に固定される受力体２０から構成されており、基板１０に形成された固定電極３０と受力体２０が備える可動電極２２の間の静電容量の変化に基づいて入力された力を検出するものである。
【００３３】
なお、以下の説明では、基板１０の幅方向をｘ方向、基板１０の長手方向をｙ方向、基板１０の面に直交する方向をｚ方向とする。また、ｚ方向を垂直方向とし、基板１０の上面１０ａに受力体２０が固定されているものとして説明するが、力検出装置１の姿勢がこの状態に限定されないことは言うまでもない。
【００３４】
図２（ａ）は、基板１０の平面図であり、同図（ｂ）は、基板１０の正面図であり、同図（ｃ）は、基板１０の底面図である。基板１０は、例えばポリイミドやポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の薄手の樹脂フィルムから構成されている。同図（ａ）および（ｂ）に示されるように、基板１０の上面１０ａ（受力体２０が固定される面）には、円環状の接続電極３２が形成されている。また、同図（ｂ）および（ｃ）に示されるように、基板１０の底面１０ｂ（受力体２０の反対側の面）には、静電容量検出用の固定電極３０、および６つの端子電極３４が形成されている。
【００３５】
固定電極３０は、可動電極２２との間の静電容量の変化から受力体２０が受けた力の方向および大きさを検出するためのものである。固定電極３０は、ｘ−ｙ平面内の力を検出するための４つのｘｙ用電極３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄと、ｚ方向の力を検出するためのｚ用電極３０ｅとの計５つの電極から構成されており、可動電極２２に対応する位置に形成されている。
【００３６】
４つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄは、扇形に類似した形状にそれぞれ形成されており、仮想円周Ｒ上に略対称に配置されている。より具体的には、４つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄは、仮想円周Ｒよりも大径の同心円を４分割した扇形の２つの直線部分をさらに斜めに切り欠いた形状にそれぞれ形成されており、互いの間隔が仮想円周Ｒの半径方向内側に向けて（仮想円周Ｒの中心に向けて）漸次拡大するように構成されている。ｚ用電極３０ｅは、仮想円周Ｒよりも小径の同心円状に形成されている。すなわち、ｚ用電極３０ｅは、仮想円周Ｒの中心に配置されている。
【００３７】
接続電極３２は、受力体２０と接触して可動電極２２と電気的に短絡するためのものである。接続電極３２は、受力体２０の固定位置に対応する位置に配置されると共に、受力体２０の外周形状に合わせた円環状に形成されている。なお、接続電極３２は、円環状に構成されるものではなく、受力体２０の外周形状に沿って配置した複数（例えば４つ）の点状（円形状等）に構成されるものであってもよい。６つの端子電極３４は、力検出装置１が組み込まれるホスト機器の基板に力検出装置１を電気的に接続するためのものである。６つの端子電極３４は、所定の規格等に基づいて基板１０の端部に配列されており、それぞれ図示を省略した配線によってｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄ、ｚ用電極３０ｅおよび接続電極３２に電気的に短絡されている。
【００３８】
なお、本実施形態では、固定電極３０、接続電極３２および端子電極３４は、基板１０上にスクリーン印刷法によって形成された銀電極から構成されているが、例えばスパッタリングにより成膜した銅やアルミの薄膜をパターニングする等、他の手法によって固定電極３０、接続電極３２および端子電極３４を形成するようにしてもよい。
【００３９】
図３（ａ）は、受力体２０の平面図であり、同図（ｂ）は、受力体２０の正面図（側面図）であり、同図（ｃ）は、受力体２０の底面図である。また、同図（ｄ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、同図（ｅ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。受力体２０は、導電性ゴム等の導電性弾性材料から構成されており、これらの図に示されるように、略円盤状の可動電極２２、および可動電極２２を外周側から支持する支持部２４を備えている。すなわち、本実施形態では、可動電極２２および支持部２４を導電性弾性材料によって一体成形している。
【００４０】
可動電極２２は、ｘ−ｙ平面内の力を受けた場合にｘ−ｙ平面内で移動すると共に、ｚ方向の力を受けた場合に変形する部分である。可動電極２２は、略円盤状の基部２２ａ、および基部２２ａの外周部から基板１０に向けて突設された４つの突出部２２ｂから構成されている。そして、４つの突出部２２ｂの間には、半径方向に沿って形成された溝部２２ｃが設けられており、基部２２ａの中央部、すなわち突出部２２ｂが設けられていない部分は、ｚ方向の力を受けた場合に変形する変位部２２ｄとなっている。
【００４１】
４つの突出部２２ｂは、円筒を溝部２２ｃによって４分割した形状にそれぞれ構成されており、先端面２２ｂ１の形状が幅広の円弧状となっている。従って、突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１に４つの溝部２２ｃが半径方向に形成された円筒状の１つの突出部２２ｂとみなすこともできる。なお、４つの溝部２２ｃは、可動電極２２が移動する際に空気を流通させる通気孔として機能するようになっている。
【００４２】
突出部２２ｂの先端面２２ｂ１は、基板１０の上面１０ａと略接触し、可動電極２２の移動に伴って上面１０ａに対して滑動する部分である。なお、ここで「略接触」とは、先端面２２ｂ１と上面１０ａが全体的に接触した状態、表面の凹凸等によって部分的に接触した状態、および先端面２２ｂ１と上面１０ａの間に他の介在物（例えば、気体や液体の薄い層、潤滑剤または汚れ等）を挟んで接触した状態その他の幅広い接触状態を意味している。
【００４３】
本実施形態では、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１にフッ素樹脂等の摩擦係数の低い被膜をコーティングしている。すなわち、基板１０と略接触する先端面２２ｂ１を、受力体２０を構成する導電性弾性材料とは異なる材質から構成している。このようにすることで、可動電極２２と支持部２４を導電性弾性材料によって一体形成しながらも、可動電極２２を基板１０の上面１０ａに沿ってスムーズに移動させることが可能となる。すなわち、受力体２０をコンパクト且つ安価に構成しながらも、力の検出精度を高めることができる。
【００４４】
支持部２４は、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態のまま、可動電極２２を上面１０ａに沿って（すなわち、ｘ−ｙ平面内において）移動可能に支持するものである。支持部２４は、基板１０に固定される固定部２４ａ、および固定部２４ａと可動電極２２を繋ぐ変形部２４ｂを備えている。
【００４５】
固定部２４ａは、可動電極２２を外周側から囲む円形の枠状に構成されており、下端部には、基板１０に接着される接着面２４ａ１が、可動電極２２の突出部２２ｂの先端面２２ｂ１と略同一平面上となるように形成されている。また、固定部２４ａの下端部には、接続電極３２と接触する接触面２４ａ２が、接着面２４ａ１に対して接続電極３２の厚さに応じた段差を付けて形成されている。
【００４６】
固定部２４ａの下端部には、さらに、可動電極２２の溝部２２ｃに対応した４箇所に、４つの外側溝部２４ｃが半径方向に沿って形成されている。この４つの外側溝部２４ｃは、溝部２２ｃと同様に、可動電極２２が移動する際に空気を流通させる通気孔として機能するようになっている。
【００４７】
変形部２４ｂは、固定部２４ａの上面２４ａ３の内周側から上方に向かった後に半径方向内側に向けて曲折して可動電極２２に接続するように構成されている。変形部２４ｂは、可動電極２２の突出部２２ｂの先端面２２ｂ１を基板１０の上面１０ａと略接触した状態に保持すると共に、可動電極２２の移動に伴って弾性変形可能な適宜の厚さに構成されている。また、変形部２４ｂは、復元力によって可動電極２２を中心位置に保持するようになっている。また、本実施形態では、変形部２４ｂを可動電極２２の外周を囲むように設けることで、可動電極２２の移動に伴って変形した変形部２４ｂの復元力が、可動電極２２を上面１０ａに向けて適度に付勢する付勢力として作用するようにしている。
【００４８】
図１に戻って、受力体２０は、接着剤による接着や融着、溶着等の既知の手法によって支持部２４の接着面２４ａ１を基板１０の上面１０ａに接着することで、基板１０に固定されている。支持部２４の接触面２４ａ２は接続電極３２に接触しており、これにより、可動電極２２は接続電極３２と電気的に短絡されている。また、可動電極２２は、固定電極３０に対向する位置に配置されている。
【００４９】
可動電極２２の４つの突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触すると共に、先端面２２ｂ１の一部がｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの一部と重なるように位置している。また、可動電極２２の変位部２２ｄは、ｚ用電極３０ｅに対向するように位置している。従って、本実施形態では、４つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄと４つの突出部２２ｂとの間に４つの静電容量Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄが形成され、ｚ用電極３０ｅと変位部２２ｄの間にもう１つの静電容量Ｃｅが形成されるようになっている。
【００５０】
本実施形態では、受力体２０を基板１０の上面１０ａに固定し、固定電極３０を基板１０の底面１０ｂに形成することで、基板１０を可動電極２２と固定電極３０の間の絶縁層として機能させるようにしている。このようにすることで、受力体１０の構成と相俟って力検出装置１全体の厚さ（ｚ方向の寸法）を従来以上に薄くすることが可能となっている。なお、他の機器との電気的短絡を防止するために、固定電極３０の下側に絶縁層を設けるようにしてもよい。
【００５１】
次に、力検出装置１の作用について説明する。
【００５２】
上述の構成により、本実施形態の力検出装置１は、ｘ−ｙ平面内の力の方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出することが可能となっている。すなわち、力検出装置１は、例えばカーソル等の対象物の移動を指示する操作および選択操作が可能な入力装置や、ロボットハンドの先端部に設けられて把持物に加わる重力等の力および把持力を検出する触覚センサとして利用可能に構成されている。
【００５３】
図４（ａ）〜（ｄ）は、力検出装置１が力Ｆを受けた状態を示した図である。図４（ａ）〜（ｃ）は、力検出装置１がｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けた場合を示しており、図４（ａ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図４（ｂ）および（ｃ）は、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの重なりを示した概略図である。なお、図４（ｂ）および（ｃ）においては、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの重なり部分をハッチングによって示している。また、図４（ｄ）は、力検出装置１がｚの負方向の力Ｆを受けた場合を示しており、図１(ａ)のＡ−Ａ線断面図である。
【００５４】
図４（ａ）に示されるように、例えば入力操作によってｙの正方向の力Ｆを受けた場合、可動電極２２は、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態を保ちながら上面１０ａ上を滑ってｙの正方向に移動することとなる。このとき、支持部２４は、変形部２４ｂが適宜に弾性変形する、特に垂直部分が傾倒することにより、可動電極２２の移動を許容すると共に、可動電極２２の移動量が略力Ｆの大きさに応じた移動量となるようにする。また、変形部２４ｂの弾性変形に伴う復元力が可動電極２２を上面１０ａに向けて適度に付勢することにより、移動中も先端面２２ｂ１が上面１０ａに略接触した状態が保たれるようになっている。
【００５５】
本実施形態では、突出部２２ｂをｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄに対して内側（仮想円周Ｒの中心側）にオフセットして配置することにより、ｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けていない状態では、先端面２２ｂ１の外側部分の一部がｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの内側部分の一部と重なるようにしている（図１（ａ）参照）。このため、可動電極２２が移動した場合、可動電極２２の移動方向および移動量に応じて突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの重なり部分の面積（重なり面積）が変化し、これにより各ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄにおける静電容量Ｃａ〜Ｃｄがそれぞれ変化することとなる。従って、この静電容量Ｃａ〜Ｃｄの変化に基づいて力Ｆの方向および大きさを検出することができる。
【００５６】
例えば図４（ｂ）に示されるように、ｙの正方向の力Ｆを受けて可動電極２２がｙの正方向に移動した場合、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａおよび３０ｂの重なり面積が増加し、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ｃおよび３０ｄの重なり面積が減少することとなる。従って、ｘｙ用電極３０ａおよび３０ｂにおける静電容量ＣａおよびＣｂが増加し、ｘｙ用電極３０ｃおよび３０ｄにおける静電容量ＣｃおよびＣｄが減少することとなる。
【００５７】
また、図４（ｃ）に示されるように、ｘの正方向且つｙの負方向の斜め方向の力Ｆを受けた場合には、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ｃの重なり面積が大きく増加し、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ｂの重なり面積が大きく減少することとなるため、静電容量Ｃｃが大きく増加し、静電容量Ｃｂが大きく減少することとなる。
【００５８】
このように、ｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けて可動電極２２が上面１０ａに沿って移動した場合、可動電極２２の移動方向および移動量に応じて静電容量Ｃａ〜Ｃｄが変化することとなるため、静電容量Ｃａ〜Ｃｄの値または変化量からｘ−ｙ平面内の力Ｆの方向および大きさを算出することができる。
【００５９】
なお、本実施形態では、４つの突出部２２ｂの間にそれぞれ溝部２２ｃを設けると共に、支持部２４の固定部２４ａに外側溝部２４ｃを設けているため、可動電極２２が移動した際に溝部２２ｃおよび外側溝部２４ｃを通じてスムーズに空気（または、その他の気体もしくは液体等）を流動させることが可能となっている。すなわち、可動電極２２と支持部２４の間の空間で空気が局部的に圧縮または膨張されるのを防止して可動電極２２の移動に対する抵抗を減少させるようにしている。
【００６０】
また、溝部２２ｃを設けることにより、可動電極２２が移動した際に先端面２２ｂ１と上面１０ａの間に空気が入り込むのを防止することができる。これにより、先端面２２ｂ１が上面１０ａに略接触した状態を維持する、すなわち先端面２２ｂ１と上面１０ａの間の距離を一定に保つことができるため、静電容量の不用意な変化を防止し、検出精度を高めることが可能となっている。
【００６１】
また、本実施形態では、支持部２４の固定部２４ａを可動電極２２を囲む枠状に構成することにより、固定部２４ａを可動電極２２の移動範囲を制限するストッパとしても兼用している。このように可動電極２２の移動範囲を制限することで、変形部２４ｂに加わる負担を軽減することができるため、力検出装置１の耐久性を高めることが可能となる。さらに、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１と基板１０の上面１０ａの接触状態を安定的に保つことができるため、検出精度を高めることが可能となる。また、固定部２４ａをストッパとして兼用することにより、力検出装置１を簡素に構成することができるため、力検出装置１を従来以上に小型化・薄型化することが可能となっている。
【００６２】
また、本実施形態では、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの形状を、互いの間隔（例えば、ｘｙ用電極３０ａとｘｙ用電極３０ｂの間隔）が仮想円周Ｒ（図２参照）の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成することにより、静電容量Ｃａ〜Ｃｄが可動電極２２の移動量に略比例して変化するようにしている。このようにすることで、力検出装置１を簡素に構成しながらも、ｘ−ｙ平面内の力Ｆの検出精度を高めることができる。
【００６３】
一方、図４（ｄ）に示されるように、例えば入力操作における押し込み操作によってｚの負方向の力Ｆを受けた場合、可動電極２２は、中央部の変位部２２ｄが力Ｆの大きさに応じて変形し、力Ｆの大きさに応じてｚ用電極３０ｅに近づくこととなる。すなわち、力Ｆの大きさに応じてｚ用電極３０ｅにおける静電容量Ｃｅが増加することとなるため、静電容量Ｃｅの値または変化量からｚの負方向の力Ｆの大きさを算出することができる。
【００６４】
なお、本実施形態では、突出部２２ｂのｘ−ｙ平面における断面形状を円弧状に構成すると共に、固定部２４ａによって可動電極２２の移動範囲を制限することにより、可動電極２２が上面１０ａに沿って最大限に移動した場合にも、突出部２２ｂがｚ用電極３０ｅに重ならないようになっている。すなわち、ｘ−ｙ平面内の力Ｆに影響されることなく、ｚの負方向の力Ｆを高精度に検出することが可能となっている。
【００６５】
また、溝部２２ｃおよび外側溝部２４ｃを設けることで、変位部２２ｄが変形した際に、突出部２２ｂの内側の空間内の空気（または、その他の気体もしくは液体等）をスムーズに外側に排出することができるため、変位部２２ｄの変形に対する抵抗を減少させることが可能となっている。さらに、溝部２２ｃを設けることによって変位部２２ｄが変形した際に、先端面２２ｂ１と上面１０ａの間に空気が入り込んで先端面２２ｂ１が浮き上がるのを防止することができるため、ｚの負方向の力Ｆに影響されることなく、ｘ−ｙ平面内の力Ｆを高精度に検出することが可能となっている。
【００６６】
図５は、力検出装置１が受けた力を検出するための回路を示した図である。同図に示すような回路を構成し、静電容量Ｃａ〜Ｃｅに対して周期的に変化する電圧を加えると、各静電容量Ｃａ〜Ｃｅに応じた電圧Ｖａ〜ＶｅがＣ／Ｖ変換器５０から演算処理装置５２に出力される。
【００６７】
力検出装置１の可動電極２２が力を受けると、力の大きさおよび方向に応じて各静電容量Ｃａ〜Ｃｅが変化し、これによりＣ／Ｖ変換器５０から出力される電圧Ｖａ〜Ｖｅも変化することとなる。そして、演算処理装置５２は、この電圧Ｖａ〜Ｖｅの変化に基づいて力の方向および大きさを算出する。具体的には、演算処理装置５２は、静電容量Ｃａ〜Ｃｄの変化に伴う電圧Ｖａ〜Ｖｄの変化に基づいて、力のｘ−ｙ平面における方向および大きさを算出する。また、静電容量Ｃｅの変化に伴う電圧Ｖｅの変化に基づいて、ｚの負方向の力の大きさを算出する。なお、基板１０に設けた参照電極との比較により、各静電容量Ｃａ〜Ｃｅの変化（電圧Ｖａ〜Ｖｅの変化）を求めるようにしてもよい。
【００６８】
演算処理装置５２による算出結果は、ホスト機器等の外部の機器に出力される。なお、Ｃ／Ｖ変換器５０および演算処理装置５２は、基板１０に実装されるものであってもよいし、力検出装置１の外部に設けられるものであってもよい。また、演算処理装置５２は、力検出装置１専用の装置として設けられるものであってもよいし、例えばホスト機器のＣＰＵ等、外部の機器における機能の一部として実現されるものであってもよい。
【００６９】
次に、力検出装置１のその他の形態について説明する。
【００７０】
図６（ａ）〜（ｃ）は、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄのその他の形態の例を示した底面図である。まず、同図（ａ）および（ｂ）は、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄのその他の形状の例を示している。ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの形状は、互いの間隔が仮想円周Ｒ（図２参照）の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状であれば、例えば同図（ａ）に示されるような略銀杏の葉状の形状であってもよいし、同図（ｂ）に示されるような略紡錘形状であってもよい。すなわち、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの互いに隣り合う辺を曲線状に構成するようにしてもよい。
【００７１】
このように、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄを適宜の形状に設定することで、可動電極２２の移動量に対する静電容量Ｃａ〜Ｃｄの変化率を調整することができる。なお、同図（ａ）および（ｂ）に示した形状以外の形状にｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄを構成するようにしてもよいことは言うまでもない。例えば、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの互いに隣り合う辺を階段状に構成するようにしてもよいし、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄに孔部や切欠部を適宜に設けるようにしてもよい。また、力検出装置１の用途等によっては、互いの間隔が仮想円周Ｒ（図２参照）の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状以外の形状にｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄを構成するようにしてもよい。
【００７２】
同図（ｃ）は、３つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｃを設けるようにした場合の一例を示した図である。上述の例では、４つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄを設けた場合を示したが、ｘｙ用電極の数は４つに限定されるものではなく、ｘ−ｙ平面内における任意の方向の力を検出するためには、少なくとも３つ以上であればよい。３つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｃを設けるようにした場合、例えば静電容量Ｃａ〜Ｃｃの変化量およびｘｙ用電極３０ａ〜３０ｃの位置から重心位置を算出することにより、ｘ−ｙ平面内における力の方向および大きさを算出することができる。
【００７３】
図７〜１４は、受力体２０のその他の形態の例を示した図である。まず、図７（ａ）および（ｂ）は、突出部２２ｂを円筒状に構成すると共に、先端面２２ｂ１に多数（この例では３２本）の溝部２２ｃを放射状に形成した場合の一例を示しており、同図（ａ）は、受力体２０の底面図、同図（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。このように、溝部２２ｃの数を増加させることにより、空気の流動をよりスムーズにして力の検出精度を高めることができる場合がある。なお、図７（ａ）および（ｂ）に示す例は、３２個の突出部２２ｂを設けたとみなすこともできる。また、複数の突出部２２ｂの先端面２２ｂ１にさらに細かい溝部２２ｃを形成するようにしてもよい。
【００７４】
図７（ｃ）および（ｄ）は、受力体２０に突起部２６を設けた場合の例を示しており、同図（ｃ）は、受力体２０の平面図、同図（ｄ）は、受力体２０の正面図（側面図）である。この例では、可動電極２２の上面に正方形状の突起部２６を設けると共に、例えば入力操作において直接力を受けて操作される操作ボタン等の固定部材２８を可動電極２２の上面に取り付けるようにしている。そして、この固定部材２８の下面には、突起部２８の相補的形状に形成された凹部２８ａが設けられており、この凹部２８ａ内に突起部２６を嵌め込むことによって可動電極２２に固定部材２８が固定されるようになっている。
【００７５】
このようにすることで、固定部材２８を設けて操作性や耐久性等を向上させた場合においても、固定部材２８が受けた力を可動電極２２に確実に伝達することができるため、検出精度を高めることが可能となる。また、突起部２６を頂点を有する形状に構成し、各頂点をｘの正方向および負方向ならびにｙの正方向および負方向に向けるようにすれば、力検出装置１における各方向を瞬時に判別することが可能となる。
【００７６】
なお、突起部２６の形状は、正方形状に限定されるものではなく、その他の任意の形状であってもよい。また、固定部材２８の可動電極２２への固定方法は、接着剤等による接着や融着、溶着等によるものであってもよいし、突起部２６の凹部２８ａへの圧入や突起部２６と凹部２８ａの係合によるものであってもよい。また、固定部材２８の形状が限定されないことは言うまでもない。
【００７７】
図８（ａ）〜（ｅ）は、可動電極２２の変位部２２ｄに突出変位部２２ｄ１を設けた場合の例を示した図であり、図８（ａ）は、受力体２０の底面図、図８（ｂ）、（ｄ）および（ｅ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図、図８（ｃ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。まず、図８（ａ）〜（ｃ）は、可動電極２２の中央部、すなわち変位部２２ｄの中央部に略円錐台状（テーパ状）の突出変位部２２ｄ１を設けた場合の例を示している。
【００７８】
この例では、突出変位部２２ｄ１の先端面２２ｄ２は、周囲の突出部２２ｂの先端面２２ｂ１と同様に基板１０の上面１０ａに略接触するように構成されており、可動電極２２のｘ−ｙ平面内の移動に伴って上面１０ａ上を滑って移動するようになっている。従って、突出変位部２２ｄ１の先端面２２ｄ２には、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１と同様に、摩擦係数の低い被膜がコーティングされている。
【００７９】
このように、変位部２２にテーパ状の突出変位部２２ｄ１を設けることにより、同図（ｃ）に示されるようにｚの負方向の力Ｆを受けた場合に、突出変位部２２ｄ１が押し潰されて突出変位部２２ｄ１の傾斜した側面がｚ用電極３０ｅに近接すると共に、基板１０の上面１０ａと接触する部分が増加、すなわちｚ用電極３０ｅとの重なり面積を増加させることができるため、ｚの負方向の力Ｆの大きさに対する静電容量Ｃｅの変化率を高めることができる。また、突出変位部２２ｄ１の形状を適宜に設定することで、ｚの負方向の力の大きさに対する静電容量Ｃｅの変化率を調整することができる。すなわち、力の検出精度を高めることが可能となる。
【００８０】
同図（ｄ）は、略半球状の突出変位部２２ｄ１を設けた場合の例を示しており、同図（ｅ）は、略円錐状の突出変位部２２ｄ１を設けた場合の例を示している。なお、これらの例では、突出変位部２２ｄ１の頂点が基板１０の上面１０ａに略接触するようになっている。このように、突出変位部２２ｄ１の形状は特に限定されるものではなく、ｚの負方向の力を受けた場合に、押し潰されることによって静電容量Ｃｅを適宜に変化させることが可能な形状であればどのような形状であってもよい。
【００８１】
なお、同図（ａ）〜（ｅ）では、先端面２２ｄ２または頂点２２ｄ３が基板１０の上面１０ａに略接触するように突出変位部２２ｄ１を構成した例を示したが、突出変位部２２ｄ１を上面１０ａに接触しないように構成し、ｚの負方向の力を受けた場合に先端面２２ｄ２または頂点２２ｄ３が上面１０ａに接触して押し潰されるようにしてもよい。
【００８２】
図９（ａ）〜（ｄ）は、可動電極２２を基板１０に向けて積極的に付勢するようにした場合の一例を示した図であり、同図（ａ）は、受力体２０の正面図（側面図）、同図（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、同図（ｃ）および（ｄ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００８３】
この例では、同図（ａ）および（ｂ）に示されるように、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１が固定部２４ａの接着面２４ａ１よりも距離Ｓだけ下方に（基板１０側に）突出するように、受力体２０が構成されている。従って、同図（ｃ）に示されるように、接着面２４ａ１を基板１０に接着して受力体２０を基板１０に固定すると、可動電極２２が上方に（基板１０の反対側に）押し上げられ、変形部２４ｂが弾性変形することとなる。すなわち、この例では、この変形部２４ｂの弾性変形の復元力により、同図（ｄ）に示されるように、可動電極２２が基板１０に向けて付勢されるようになっている。
【００８４】
このように、受力体２０を基板１０に固定する際に変形部２４ｂを弾性変形させることで可動電極２２を基板１０に向けて付勢することにより、簡易な構成でありながらも突出部２２ｂの先端面２２ｂ１と基板１０の上面１０ａの接触状態をより安定させることができる。すなわち、可動電極２２を移動させた場合における突出部２２ｂの先端面２２ｂ１の浮き上がりを防止し、先端面２２ｂ１とｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄ間の距離をより高精度に保つことができるため、力の検出精度を高めることができる。
【００８５】
なお、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１の突出量、すなわち距離Ｓの値は、特に限定されるものではなく、受力体２０および基板１０の材質や寸法形状等に応じて適宜に設定すればよい。また、図示は省略するが、基板１０における接着面２４ａ１が接着される面と突出部２２ｂの先端面２２ｂ１が略接触する面に段差を付けることによって可動電極２２を基板１０に向けて付勢するようにしてもよい。この場合、例えば、基板１０の上面１０ａに固定電極３０を形成し、その上に絶縁層を設けることによって段差を付けるようにしてもよい。
【００８６】
図１０（ａ）〜（ｄ）および図１１（ａ）〜（ｄ）は、基板１０に固定される補助支持部２２ｅを可動電極２２に設けた場合の例を示した図である。まず、図１０（ａ）〜（ｄ）は、可動電極２２の中央部に補助支持部２２ｅを設けた場合の一例を示しており、同図（ａ）は、受力体２０の底面図、同図（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図、同図（ｃ）および（ｄ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００８７】
この例では、同図（ａ）および（ｂ）に示されるように、補助支持部２２ｅは、円柱状に構成され、可動電極２２の中央部、すなわち変位部２２ｄの中央部に設けられている。補助支持部２２ｅの先端面２２ｅ１は、同図（ｂ）に示されるように、固定部２４ａの接着面２４ａ１と略同一平面上に位置しており、同図（ｃ）に示されるように、接着面２４ａ１と同様に基板１０の上面１０ａに接着される。また、この例では、同図（ｃ）に示されるように、ｚ用電極３０ｅは円環状に形成されており、補助支持部２２ｅの先端面２２ｅ１と重ならないようになっている。
【００８８】
また、補助支持部２２ｅは、同図（ｄ）に示されるように、可動電極２２がｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けた場合に変形部２４ｂと共に変形して、可動電極２２の移動を許容するようになっている。さらに、図示は省略するが、可動電極２２がｚの負方向の力を受けた場合には、変位部２２ｄの変形と共に押し潰されるようになっている。
【００８９】
このように、補助支持部２２ｅを設けることにより、可動電極２２と固定電極３０の間の距離をより高精度に設定することが可能となる。また、可動電極２２が移動する際における突出部２２ｂの先端面２２ｂ１の浮き上がりを防止することが可能となる。すなわち、力の検出精度を高めることができる。
【００９０】
図１１（ａ）および（ｂ）は、複数の補助支持部２２ｅを設けるようにした場合の一例を示しており、同図（ａ）は、受力体２０の底面図、同図（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。この例では、可動電極２２の中央部に円柱状の補助支持部２２ｅを設けると共に、突出部２２ｂの間にも円柱状の補助支持部２２ｅを設けている。このように、複数の補助支持部２２ｅを適宜に配置することにより、可動電極２２と固定電極３０の間の距離をより高精度に保つことが可能となる。なお、補助支持部２２ｅの個数および配置は、特に限定されるものではなく、適宜に設定することができる。
【００９１】
図１１（ｃ）および（ｄ）は、可動電極２２の中央部に略円錐台状（テーパ状）の補助支持部２２ｅを設けた場合の例を示した図であり、同図（ｃ）は、受力体２０の底面図、同図（ｄ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。このように、補助支持部２２ｅをテーパ状に構成することにより、補助支持部２２ｅを突出変位部２２ｄ１と同様に機能させることができるため、力の検出精度を高めることが可能となる。なお、補助支持部２２ｅの形状は、特に限定されるものではなく、受力体２０の材質や補助支持部２２ｅの配置等に応じて、任意の形状を採用することができる。
【００９２】
図１２（ａ）〜（ｄ）および図１３（ａ）〜（ｄ）は、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１を別部材から構成した場合の例を示した図である。まず、図１２（ａ）および（ｂ）は、突出部２２ｂの先端に板状部材４０を取り付けるようにした場合の一例を示しており、同図（ａ）は、受力体２０の底面図、同図（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。この例では、突出部２２ｂの形状に合わせた幅広の円弧状の板状部材４０を突出部２２ｂの先端に取り付け、この板状部材４０が上面１０ａと略接触するようにしている。すなわち、この例では、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１は、板状部材４０から構成されている。
【００９３】
このようにすることで、可動電極２２および支持部２４を導電性弾性材料によって一体形成しながらも、板状部材４０の材質を適宜に設定することで、可動電極２２を基板１０の上面１０ａに沿ってスムーズに移動（滑動）させることが可能となる。すなわち、受力体２０をコンパクト且つ安価に構成しながらも、力の検出精度を高めることができる。また、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１の耐摩耗性を向上させることができる。
【００９４】
なお、板状部材４０の可動電極２２への取り付け方法は、接着剤による接着や融着、溶着等、既知の手法を採用することができる。また、板状部材４０を構成する材料は、特に限定されるものではなく、各種樹脂や金属等を採用することができる。また、板状部材４０は、導電性材料から構成されるものであってもよいし、絶縁性材料から構成されるものであってもよい。すなわち、板状部材４０を絶縁層として機能させるようにしてもよい。
【００９５】
図１２（ｃ）は、複数の突出部２２ｂに跨って板状部材４０を取り付けるようにした例を示しており、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。板状部材４０は、図１２（ａ）および（ｂ）に示されるように、複数の突出部材２２ｂごとに取り付けられるものであってもよいし、図１２（ｃ）に示されるように、円環状または円盤状に構成され、複数の突出部材２２ｂに跨って取り付けられるものであってもよい。
【００９６】
図１２（ｄ）は、複数の突出部２２ｂおよび突出変位部２２ｄ１に跨って板状部材４０を取り付けるようにした例を示しており、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。このように、板状部材４０は、複数の突出部２２ｂおよび突出変位部２２ｄ１に跨って取り付けられるものであってもよい。なお、突出部２２ｂおよび突出変位部２２ｄ１に個別に板状部材４０を取り付けるようにしてもよいことは、言うまでもない。
【００９７】
図１３（ａ）および（ｂ）は、突出部２２ｂを可動電極２２（受力体２０）とは別部材であるブロック状部材４２から構成した例を示しており、同図（ａ）は、受力体２０の底面図、同図（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。この例では、幅広の円弧状断面のブロック状のブロック状部材４２を可動電極２２の基部２２ａの下側（基板１０側）に取り付け、これにより突出部２２ｂを構成している。
【００９８】
なお、この例では、同図（ｂ）に示されるように、基部２２ａに設けた凹部２２ａ１にブロック状部材４２を嵌め込むようにしているが、凹部２２ａ１を設けずにブロック状部材４２をそのまま貼り付けるようにしてもよい。ブロック状部材４２の固定方法は、接着剤による接着や融着、溶着等、既知の手法を採用することができる。また、ブロック状部材４２を構成する材料は、板状部材４０と同様に、特に限定されるものではない。
【００９９】
図１３（ｃ）および（ｄ）は、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１を別部材から構成することにより、先端面２２ｂ１を接着面２４ａ１よりも距離Ｓだけ下方に（基板１０側に）突出するようにした例を示しており、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。同図（ｃ）は、板状部材４０を使用した例を示しており、同図（ｄ）は、ブロック状部材４２を使用した例を示している。
【０１００】
このようにすることで、板状部材４０またはブロック状部材４２の厚さによって突出量である距離Ｓの値を調節し、基板１０への付勢力を適宜に設定することができる。すなわち、受力体２０の形状を変更することなく付勢力を調整することができる。なお、同図（ｃ）に示す例において、突出部２２ｂの先端面（板状部材４０が貼り付けられる面）は、固定部２４ａの接着面２４ａ１と同一平面上に位置するものであってもよいし、同一平面上に位置しないものであってもよい。
【０１０１】
図１４（ａ）〜（ｃ）は、変形部２４ｂの内側にリブ２４ｂ１を設けた場合の一例を示した図であり、同図（ａ）は、受力体２０の底面図、同図（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図、同図（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。この例では、支持部２４の変形部２４ｂの内側（下側）に、略三角錐状の複数のリブ２４ｂ１を、曲折部（角部）の両側に跨るように設けている。
【０１０２】
このように、変形部２４ｂの内側（下側）に複数のリブ２４ｂ１を設けることにより、図１４（ｃ）に示されるように、可動電極２２のｘ−ｙ平面内における移動範囲を制限する場合に、可動電極２２と衝突して変形するクッション性を有するストッパとしてリブ２４ｂ１を機能させることができる。すなわち、可動電極２２の衝突による衝撃力を減衰し、固定部２４ａに加わる負担を軽減することができるため、力検出装置１の耐久性を高めることが可能となる。
【０１０３】
また、リブ２４ｂ１を設けることにより、変形部２４ｂの剛性を高め、可動電極２２が移動する際の突出部２２ｂの先端面２２ｂ１の浮き上がりを効果的に防止することができる。すなわち、先端面２２ｂ１とｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄ間の距離をより高精度に保つことができるため、力の検出精度を高めることができる。なお、リブ２４ｂ１の形状は、特に限定されるものではなく、例えば四角錐状や部分円錐状等、任意の形状を採用することができる。
【０１０４】
また、リブ２４ｂ１は、支持部２４の変形部２４ｂにのみ設けられるものであってもよいし、固定部２４ａと変形部２４ｂに跨って設けられるものであってもよい。さらに、図示は省略するが、変形部２４ｂにリブ２４ｂ１を設けると共に、固定部２４ａにクッション性を有するクッション部を別途設けるようにしてもよい。
【０１０５】
図１４（ｄ）は、支持部２４の変形部２４ｂを、固定部２４ａの上面２４ａ３の内周側から半径方向内側の斜め上方に向かって可動電極２２に接続するように構成した例を示した図であり、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。変形部２４ｂをこのように構成した場合、可動電極２２の移動に対する抵抗は大きくなるものの、可動電極２２の移動に伴う変形部２４ｂの弾性変形の復元力を、可動電極２２を上面１０ａに向けて付勢する付勢力として、より効果的に作用させることができる。従って、例えば比較的大きい力Ｆを検出する必要がある場合等には、変形部２４ｂをこのように構成するようにしてもよい。
【０１０６】
図１５（ａ）〜（ｃ）は、絶縁層を可動電極２２に設けるようにした場合の一例を示した図であり、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。この例では、図１５（ａ）に示されるように、基板１０の上面１０ａにｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄおよびｚ用電極３０ｅを形成すると共に、突出部２２ｂの先端に絶縁性材料からなる板状部材４０を取り付けるようにしている。すなわち、この例では、可動電極２２に設けた板状部材４０によって絶縁層を構成し、可動電極２２と共に絶縁層を移動させるようにしている。
【０１０７】
この例では、同図（ｂ）に示されるように、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１は板状部材４０から構成されており、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの上面（可動電極２２に対向する面）と略接触した状態となっている。そして、ｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けて可動電極２２が移動する場合には、同図（ｃ）に示されるように、板状部材４０から構成される先端面２２ｂ１が、略接触した状態を保ちながらｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの上面に沿って移動するようになっている。
【０１０８】
このように、絶縁層を可動電極２２に設けてｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの上面と略接触するようにし、可動電極２２を絶縁層と共にｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの上面に沿って移動させるようにしてもよい。この場合においても、板状部材４０からなる先端面２２ｂ１がｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの上面に略接触した状態を維持し、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの間の距離を一定に保つことが可能であるため、検出精度を高めることができる。
【０１０９】
なお、図１２において示した例と同様に、複数の突出部２２ｂに跨って絶縁層となる板状部材４０を取り付けるようにしてもよいし、可動電極２２に突出変位部２２ｄ１を設けた場合に、複数の突出部２２ｂおよび突出変位部２２ｄ１に跨って絶縁層となる板状部材４０を取り付けるようにしてもよい。この場合、板状部材４０がｚ用電極３０ｅの上面と略接触するようにしてもよい。また、板状部材４０の代りに、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１にコーティングした被膜によって絶縁層を構成するようにしてもよいし、図１３において示した例と同様に、ブロック状部材４２によって絶縁層を構成するようにしてもよい。
【０１１０】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る力検出装置２について説明する。
【０１１１】
本実施形態に係る力検出装置２は、ｚ軸周りのモーメントの方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出可能に構成されている。すなわち、力検出装置２は、例えば対象物の回転を指示する操作および選択操作が可能な入力装置や、ロボットハンドの先端に設けられて把持物に加わるモーメントおよび把持力を検出する触覚センサとして利用可能に構成されている。なお、以下の説明においては、第１の実施形態の力検出装置１と同一の部分については同一の符号を付すと共にその説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分について説明する。
【０１１２】
図１６（ａ）は、力検出装置２の平面図であり、同図（ｂ）は、力検出装置２の正面図であり、同図（ｃ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。これらの図に示されるように、本実施形態の力検出装置２は、基板１０および受力体２０から構成されており、基本的な構成は第１の実施形態と同一である。
【０１１３】
図１７（ａ）は、本実施形態の基板１０の平面図であり、同図（ｂ）は、同基板１０の正面図であり、同図（ｃ）は、同基板１０の底面図である。本実施形態では、固定電極３０は、ｚ方向の力を検出するためのｚ用電極３０ｅと、ｚ軸周りのモーメントを検出するための８つのｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２、３０ｇ１、３０ｇ２、３０ｈ１、３０ｈ２、３０ｉ１、３０ｉ２との計９つの電極から構成されている。また、端子電極３４は、これら９つの固定電極３０および接続電極３２に対応させて１０個形成されている。
【０１１４】
８つのｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２は、円環を４つに分割したものをさらに２つに分割した幅広の円弧状にそれぞれ形成されており、仮想円周Ｒ上に略対称に配置されている。このうち、互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２は、可動電極２２の１つの突出部２２ｂに対応して形成された１組の電極（電極組）となっている。同様に、互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２、互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２、および互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２についても、それぞれ１つの突出部２２ｂに対応して形成された１組の電極（電極組）となっている。
【０１１５】
また、本実施形態の受力体２０は可動電極２２の中央部に補助支持部２２ｅを備えているため、ｚ用電極３０ｅは、補助支持部２２ｅの接着面２２ｅ１と重ならないように円環状に形成されている。
【０１１６】
図１８（ａ）は、本実施形態の受力体２０の平面図であり、同図（ｂ）は、同受力体２０の正面図（側面図）であり、同図（ｃ）は、同受力体２０の底面図である。また、同図（ｄ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、同図（ｅ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。これらの図に示されるように、本実施形態の受力体２０は、先端面２２ｂ１の形状が幅広の円弧状に構成された４つの突出部２２ｂを備えている。この４つの突出部２２ｂは、ｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２からなる電極組、ｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２からなる電極組、ｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２からなる電極組、およびｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２からなる電極組に対応する位置にそれぞれ設けられている。また、本実施形態の突出部２２ｂは、第１の実施形態の突出部２２ｂよりも円周方向の寸法が短く構成されている。
【０１１７】
可動電極２２の中央部（変位部２２ｄの中央部）には、円柱状の補助支持部２２ｅが設けられている。また、本実施形態では、支持部２４の変形部２４ｂは、固定部２４ａの上面２４ａ３の内周側から半径方向内側に向かって可動電極２２に接続するように構成されている。補助支持部２２ｅおよび変形部２４ｂは、可動電極２２のｚ軸周りの回転に伴って弾性変形すると共に、復元力によって可動電極２２を初期状態に保持可能な適宜の寸法に構成されている。本実施形態では、変形部２４ｂを可動電極２２の外周を囲むように設けると共に、変形部２４ｂに垂直部分を設けないようにすることで、可動電極２２のｘ−ｙ平面内における直線移動を適宜に拘束し、可動電極２２のｚ軸周りの回転精度を高めるようにしている。また、可動電極２２の回転に伴う変形部２４ｂの弾性変形の復元力が、可動電極２２を上面１０ａに向けて適度に付勢する方向に作用するようにしている。
【０１１８】
図１６に戻って、突出部２２ｂの１つは、先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態で１組のｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２に跨るように配置されており、先端面２２ｂ１の一部が、ｚｍ用電極３０ｆ１の一部およびｚｍ用電極３０ｆ２の一部と重なるようになっている。同様に、残りの３つの突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態で、１組のｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２、１組のｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２、および１組のｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２にそれぞれ跨るように配置されており、先端面２２ｂ１の一部が、ｚｍ用電極３０ｇ１の一部およびｚｍ用電極３０ｇ２の一部、ｚｍ用電極３０ｈ１の一部およびｚｍ用電極３０ｈ２の一部、ならびにｚｍ用電極３０ｉ１の一部およびｚｍ用電極３０ｉ２の一部とそれぞれ重なるようになっている。
【０１１９】
従って、本実施形態では、１つの突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１の間に静電容量Ｃｆ１が形成されると共に、この突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ２の間に静電容量Ｃｆ２が形成されるようになっている。また、もう１つの突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｇ１の間に静電容量Ｃｇ１が形成されると共に、この突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｇ２の間に静電容量Ｃｇ２が形成され、さらにもう１つの突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｈ１の間に静電容量Ｃｈ１が形成されると共に、この突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｈ２の間に静電容量Ｃｈ２が形成され、残りの１つの突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｉ１の間に静電容量Ｃｉ１が形成され、この突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｉ２の間に静電容量Ｃｉ２が形成されるようになっている。
【０１２０】
次に、力検出装置２の作用について説明する。
【０１２１】
上述の構成により、本実施形態の力検出装置２は、ｚ軸周りのモーメントの方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出することが可能となっている。図１９（ａ）〜（ｃ）は、力検出装置２がｚ軸周りのモーメントＭを受けた状態を示した図であり、同図（ａ）は、力検出装置２の平面図、同図（ｂ）および（ｃ）は、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なりを示した概略図である。なお、同図（ｂ）および（ｃ）においては、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり部分をハッチングによって示している。
【０１２２】
同図（ａ）に示されるように、ｚ軸周りのモーメントＭを受けた場合、可動電極２２は、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態を保ちながら上面１０ａ上を滑ってｚ軸周りに回転することとなる。このとき、支持部２４は、変形部２４ｂが適宜に弾性変形することにより、可動電極２２の回転を許容すると共に、可動電極２２の回転量（回転角度）が略モーメントＭの大きさに応じた回転量（回転角度）となるようにする。また、変形部２４ｂが可動電極２２を上面１０ａに向けて適度に付勢することにより、回転中も先端面２２ｂ１が上面１０ａに略接触した状態が保たれるようになっている。
【０１２３】
本実施形態では、ｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２を、ｚ軸を中心とする円周上に配列すると共に、突出部材２２ｂの先端面２２ｂ１が、１組のｚｍ用電極（例えば３０ｆ１、３０ｆ２）に跨ってそれぞれの一部と重なるようにしている（図１６（ａ）参照）。このため、可動電極２２がｚ軸周りに回転して突出部２２ｂが回転移動した場合、図１９（ｂ）および（ｃ）に示されるように、突出部２２ｂと１組のｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり面積は、回転方向に対応する一方については増加し、他方については減少することとなる。そして、重なり面積の増加量および減少量は、回転角度θに応じて決まる。
【０１２４】
従って、この重なり面積の変化による静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１、Ｃｆ２〜Ｃｉ２の変化に基づいてモーメントＭの方向および大きさを検出することができる。具体的には、同図（ｂ）に示されるように、平面視で半時計回りのモーメントＭを受けた場合には、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり面積が増加し、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１の重なり面積が減少することとなる。また、同図（ｃ）に示されるように、平面視で時計回りのモーメントＭを受けた場合には、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１の重なり面積が増加し、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり面積が減少することとなる。
【０１２５】
すなわち、静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１および静電容量Ｃｆ２〜Ｃｉ２のいずれが増加し、いずれが減少したかによって、モーメントＭの方向を検出することができる。また静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１および静電容量Ｃｆ２〜Ｃｉ２の値または変化量から可動電極２２の回転角度θを検出し、これに基づいてモーメントＭの大きさを検出することができる。
【０１２６】
なお、モーメントＭの方向および大きさの検出は、静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１の値または変化量の合計、および静電容量Ｃｆ２〜Ｃｉ２の値または変化量の合計に基づくものであってもよいし、静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１の値または変化量の平均、および静電容量Ｃｆ２〜Ｃｉ２の値または変化量の平均に基づくものであってもよい。従って、前者の場合には、ｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１を電気的に短絡し、ｚｍ用電極３０ｆ２〜３０ｉ２を電気的に短絡するようにしてもよい。
【０１２７】
次に、力検出装置２のその他の形態について説明する。
【０１２８】
図２０（ａ）および（ｂ）は、支持部２４の変形部２４ｂに複数の孔部２４ｂ２を設けるようにした場合の一例を示した図であり、同図（ａ）は、受力体２０の平面図、同図（ｂ）は、受力体２０の底面図である。この例では、ｚ方向に貫通する円形断面の複数の孔部２４ｂ２を円周方向に沿って配列している。
【０１２９】
このように、複数の孔部２４ｂ２を設けることにより、変形部２４ｂのｚ方向の剛性を維持しつつ、可動電極２２のｚ軸周りの回転に伴う変形部２４ｂの変形を容易にすることができる。すなわち、複数の孔部２４ｂ２を設けることによって、可動電極２２をｚ軸周りに回転させた場合に、孔部２４ｂ２が変形すると共に孔部２４ｂ２の間の梁状の部分を傾くように変形させることができる。これにより、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１とｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２間の距離をより高精度に保ちつつ、可動電極２２をｚ軸周りにスムーズに回転させることができるため、モーメントＭの検出精度を高めることができる。
【０１３０】
なお、孔部２４ｂ２の断面形状は、特に限定されるものではなく、その他の任意の形状であってもよい。また、孔部２４ｂ２の個数および配列は、特に限定されるものではなく、例えば複数の孔部２４ｂ２を２列に配列するようにしてもよいし、千鳥状に配列してもよい。また、貫通する孔部２４ｂ２ではなく、貫通しない凹部を変形部２４ｂに設けるようにしてもよい。
【０１３１】
図２０（ｃ）および（ｄ）は、受力体２０に突起部２６を設けた場合の例を示した図であり、同図（ｃ）は、受力体２０の平面図、同図（ｄ）は、受力体２０の正面図（側面図）である。この例では、可動電極２２の上面に十字状の突起部２６を設け、この突起部２６を凹部２８ａに嵌め込むことによって固定部材２８を可動電極２２に取り付けるようにしている。
【０１３２】
このようにすることで、例えば回転操作可能な操作ダイヤル等の固定部材２８を可動電極２２に取り付けた場合に、固定部材２８に加えられたモーメントＭを確実に可動電極２２に伝達すると共に、力検出装置２の耐久性を高めることが可能となる。また、可動電極２２に対する固定部材２８を正確に位置決めすることができるため、可動電極２２の回転中心と固定部材２８の回転中心を正確に一致させ、モーメントＭの検出精度、および入力装置として使用した場合の操作性を高めることが可能となる。
【０１３３】
なお、図２０（ａ）〜（ｄ）に示した例以外にも、第１の実施形態において示した各種構成を本実施形態の力検出装置２に適用してもよいことは言うまでもない。同様に、本実施形態において示した各種構成を第１の実施形態の力検出装置１に適用してもよいことは言うまでもない。
【０１３４】
また、本実施形態では、４つの突出部２２ｂを設けた場合の例のみを示したが、突出部２２ｂの数は特に限定されるものではなく、いくつであってもよい。可動電極２２の回転角度θの最大値は、突出部材２２ｂの個数によって決まる（個数が少ないほど回転角度θの最大値は大きくなる）ため、必要な回転角度θに応じて突出部２２ｂの個数を設定すると共に、各突出部２２ｂに対応させて１組の（２つの）ｚｍ用電極を設けるようにすればよい。
【０１３５】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態に係る力検出装置３について説明する。
【０１３６】
本実施形態に係る力検出装置３は、ｘ−ｙ平面内の力の方向および大きさ、ｚ軸周りのモーメントの方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出可能に構成されている。すなわち、力検出装置３は、例えば対象物の移動および回転を指示する操作ならびに選択操作が可能な入力装置や、ロボットハンドの先端に設けられて把持物に加わる力およびモーメントならびに把持力を検出する触覚センサとして利用可能に構成されている。なお、以下の説明においては、第１および第２の実施形態の力検出装置１、２と同一の部分については同一の符号を付すと共にその説明を省略し、第１および第２の実施形態と異なる部分について説明する。
【０１３７】
図２１（ａ）は、力検出装置３の平面図であり、同図（ｂ）は、力検出装置３の正面図であり、同図（ｃ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。これらの図に示されるように、本実施形態の力検出装置３は、基板１０および受力体２０から構成されており、第１の実施形態の力検出装置１と第２の実施形態の力検出装置２を組み合わせた構造となっている。
【０１３８】
図２２（ａ）は、本実施形態の基板１０の平面図であり、同図（ｂ）は、同基板１０の正面図であり、同図（ｃ）は、同基板１０の底面図である。本実施形態では、固定電極３０は、ｘ−ｙ平面内の力を検出するための４つのｘｙ用電極３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄと、ｚ方向の力を検出するためのｚ用電極３０ｅと、ｚ軸周りのモーメントを検出するための８つのｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２、３０ｇ１、３０ｇ２、３０ｈ１、３０ｈ２、３０ｉ１、３０ｉ２との計１３の電極から構成されている。また、端子電極３４は、これら１３の固定電極３０および接続電極３２に対応させて１４個形成されている。
【０１３９】
中央のｚ用電極３０ｅは、第１の実施形態と同様に円形状に形成されている。また、４つのｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄは、第１の実施形態と同様に形成されており、仮想円周Ｒ１上に略対称に配置されている。そして、８つのｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２は、第２の実施形態と同様に形成されており、仮想円周Ｒ１よりも大径の仮想円周Ｒ２上に略対称に配置されている。すなわち、本実施形態では、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの外側にｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２を配置している。
【０１４０】
本実施形態では、互いに隣接するｘｙ用電極３０ａおよびｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２が、可動電極２２の１つの突出部２２ｂに対応して形成された１組の電極（電極組）となっている。同様に、互いに隣接するｘｙ用電極３０ｂおよびｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２、互いに隣接するｘｙ用電極３０ｃおよびｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２、ならびに互いに隣接するｘｙ用電極３０ｄおよびｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２についても、それぞれ１つの突出部２２ｂに対応して形成された１組の電極（電極組）となっている。
【０１４１】
図２３（ａ）は、本実施形態の受力体２０の平面図であり、同図（ｂ）は、同受力体２０の正面図（側面図）であり、同図（ｃ）は、同受力体２０の底面図である。また、同図（ｄ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、同図（ｅ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。これらの図に示されるように、本実施形態の受力体２０は、４つの突出部２２ｂを備えており、この４つの突出部２２ｂは、ｘｙ用電極３０ａおよびｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２からなる電極組、ｘｙ用電極３０ｂおよびｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２からなる電極組、ｘｙ用電極３０ｃおよびｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２からなる電極組、ならびにｘｙ用電極３０ｄおよびｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２からなる電極組に対応する位置にそれぞれ設けられている。また、本実施形態の突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１の形状（すなわち、ｘ−ｙ平面における断面形状）が略六角形状となるように構成されている。換言すれば、本実施形態の突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１の形状が幅広の円弧において円周方向両端の辺の外周側の一部を斜めに切り欠いた形状となるように構成されている。
【０１４２】
可動電極２２の中央部（変位部２２ｄの中央部）には、略半球状の突出変位部２２ｄ１が設けられている。また、本実施形態では、支持部２４の変形部２４ｂは、第１の実施形態と同様に構成されており、可動電極２２のｘ−ｙ平面内における移動、およびｚ軸周りの回転に伴って弾性変形すると共に、復元力によって可動電極２２を初期状態に保持可能な適宜の寸法に構成されている。
【０１４３】
図２１に戻って、突出部２２ｂの１つは、先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態で１組のｘｙ用電極３０ａおよびｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２に跨るように配置されており、先端面２２ｂ１の一部が、ｘｙ用電極３０ａの一部、ｚｍ用電極３０ｆ１の一部およびｚｍ用電極３０ｆ２の一部と重なるようになっている。同様に、残りの３つの突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態で、１組のｘｙ用電極３０ｂおよびｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２、１組のｘｙ用電極３０ｃおよびｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２、ならびに１組のｘｙ用電極３０ｄおよびｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２にそれぞれ跨るように配置されており、先端面２２ｂ１の一部が、ｘｙ用電極３０ｂの一部、ｚｍ用電極３０ｇ１の一部およびｚｍ用電極３０ｇ２の一部、ｘｙ用電極３０ｃの一部、ｚｍ用電極３０ｈ１の一部およびｚｍ用電極３０ｈ２の一部、ならびにｘｙ用電極３０ｄの一部、ｚｍ用電極３０ｉ１の一部およびｚｍ用電極３０ｉ２の一部とそれぞれ重なるようになっている。
【０１４４】
従って、本実施形態では、１つの突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａの間に静電容量Ｃａが形成されると共に、この突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１の間に静電容量Ｃｆ１が形成され、この突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ２の間に静電容量Ｃｆ２が形成されるようになっている。また、もう１つの突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ｂおよびｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２の間に静電容量Ｃｂ、Ｃｇ１、Ｃｇ２がそれぞれ形成され、さらにもう１つの突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ｃおよびｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２の間に静電容量Ｃｃ、Ｃｈ１、Ｃｈ２がそれぞれ形成され、残りの１つの突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ｄおよびｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２の間に静電容量Ｃｄ、Ｃｉ１、Ｃｉ２がそれぞれ形成されるようになっている。
【０１４５】
次に、力検出装置３の作用について説明する。
【０１４６】
上述の構成により、本実施形態の力検出装置３は、ｘ−ｙ平面内の力の方向および大きさ、ｚ軸周りのモーメントの方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出することが可能となっている。図２４（ａ）は、力検出装置３がｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けた場合の突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの重なりを示した概略図であり、同図（ｂ）は、力検出装置３がｚ軸周りのモーメントＭを受けた場合の突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なりを示した概略図である。なお、同図（ｂ）および（ｃ）においては、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄおよびｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり部分をハッチングによって示している。
【０１４７】
同図（ａ）に示されるように、ｘ−ｙ平面内の力Ｆを受けた場合、可動電極２２は力Ｆの方向に移動し、第１の実施形態と同様に、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの重なり面積が変化して静電容量Ｃａ〜Ｃｄがそれぞれ変化することとなる。従って、この静電容量Ｃａ〜Ｃｄの変化に基づいて力Ｆの方向および大きさを検出することができる。
【０１４８】
また、同図（ｃ）に示されるように、ｚ軸周りのモーメントＭを受けた場合、可動電極２２はモーメントＭの方向に回転し、第２の実施形態と同様に、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり面積が変化して静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１、Ｃｆ２〜Ｃｉ２がそれぞれ変化することとなる。従って、この静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１、Ｃｆ２〜Ｃｉ２の変化に基づいてモーメントＭの方向および大きさを検出することができる。
【０１４９】
特に、本実施形態では、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１の形状を、円周方向両端の辺の外周側の一部を斜めに切り欠いた形状とすることで、可動電極２２の回転角度θを大きくした場合においても、突出部２２ｂが対応しないｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２と重ならないようにしている。このようにすることで、突出部２２ｂとｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの重なり部分を円周方向に広げてｘ−ｙ平面内の力Ｆの検出精度を高めながらも、比較的大きい回転角度θを確保することが可能となっている。
【０１５０】
なお、本実施形態では、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの外側にｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２を配置した例を示したが、ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄの内側にｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２を配置するようにしてもよい。また、突出部２２ｂおよびこれに対応する電極組の個数は、４つに限定されるものではなく、第１の実施形態と同様に３つ以上であればよい。また、第１および第２の実施形態において示した各種構成を本実施形態の力検出装置３に適用してもよいことは言うまでもなく、さらに本実施形態において示した各種構成を第１の実施形態の力検出装置１または第２の実施形態の力検出装置２に適用してもよいことは言うまでもない。
【０１５１】
＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態に係る力検出装置４について説明する。
【０１５２】
本実施形態に係る力検出装置４は、ｘ、ｙ、ｚ軸周りのモーメントの方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出可能に構成されている。すなわち、力検出装置４は、例えば対象物の移動および回転を指示する操作ならびに選択操作が可能な入力装置や、ロボットハンドの先端に設けられて把持物に加わるモーメントおよび把持力を検出する触覚センサとして利用可能に構成されている。なお、以下の説明においては、第１〜第３の実施形態の力検出装置１〜３と同一の部分については同一の符号を付すと共にその説明を省略し、第１〜第３の実施形態と異なる部分について説明する。
【０１５３】
図２５（ａ）は、力検出装置４の平面図であり、同図（ｂ）は、力検出装置４の正面図であり、同図（ｃ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。これらの図に示されるように、本実施形態の力検出装置４は、基板１０および受力体２０から構成されており、基本的な構成は第１〜第３の実施形態と同一である。
【０１５４】
図２６（ａ）は、本実施形態の基板１０の平面図であり、同図（ｂ）は、同基板１０の正面図であり、同図（ｃ）は、同基板１０の底面図である。本実施形態では、固定電極３０は、ｚ方向の力を検出するためのｚ用電極３０ｅと、ｚ軸周りのモーメントを検出するための８つのｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２、３０ｇ１、３０ｇ２、３０ｈ１、３０ｈ２、３０ｉ１、３０ｉ２と、ｘ軸周りのモーメントおよびｙ軸周りのモーメントを検出するための４つのｘｙｍ用電極３０ｊ、３０ｋ、３０ｌ、３０ｍとの計１３の電極から構成されている。また、端子電極３４は、これら１３の固定電極３０および接続電極３２に対応させて１４個形成されている。
【０１５５】
中央のｚ用電極３０ｅは、第１および第３の実施形態と同様に円形状に形成されている。また、８つのｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２は、第２および第３の実施形態と同様に構成されており、仮想円周Ｒ２上に略対称に配置されている。そして、４つのｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍは、第１および第３の実施形態におけるｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄと同様に形成されており、仮想円周Ｒ２よりも小径の仮想円周Ｒ１上に略対称に配置されている。すなわち、本実施形態では、ｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の内側にｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍを配置している。
【０１５６】
本実施形態では、第２の実施形態と同様に、互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２が、可動電極２２の１つの突出部２２ｂに対応して形成された１組の電極（電極組）となっている。同様に、互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２、互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２、ならびに互いに隣り合うｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２についても、それぞれ１つの突出部２２ｂに対応して形成された１組の電極（電極組）となっている。
【０１５７】
図２７（ａ）は、本実施形態の受力体２０の平面図であり、同図（ｂ）は、同受力体２０の正面図（側面図）であり、同図（ｃ）は、同受力体２０の底面図である。また、同図（ｄ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、同図（ｅ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。これらの図に示されるように、本実施形態の受力体２０は、４つの突出部２２ｂを備えており、この４つの突出部２２ｂは、ｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２からなる電極組、ｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２からなる電極組、ｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２からなる電極組、およびｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２からなる電極組に対応する位置にそれぞれ設けられている。
【０１５８】
可動電極２２の中央部（変位部２２ｄの中央部）には、略半球状の突出変位部２２ｄ１が設けられている。そして、本実施形態では、４つの突出部２２ｂの内側のｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍに対応する位置に、外側突出変位部２２ｆをそれぞれ設けている。この４つの外側突出変位部２２ｆは、最も内側の部分が基板１０の上面１０ａと略接触する円弧状の接触面２２ｆ１となっており、接触面２２ｆ１の外側の部分が外側に向けて漸次上面１０ａから離れるように形成された傾斜面２２ｆ２となっている。また、接触面２２ｆ１には、突出部２２ｂの先端面２２ｂ１と同様に、摩擦係数の低い被膜がコーティングされている。
【０１５９】
なお、本実施形態では、外側突出変位部２２ｆを突出部２２ｂと一体的に構成している。また、本実施形態では、支持部２４の変形部２４ｂは、第２の実施形態と同様に構成されており、可動電極２２のｘ、ｙ、ｚ軸周りの回転に伴って弾性変形すると共に、復元力によって可動電極２２を初期状態に保持可能な適宜の寸法に構成されている。
【０１６０】
図２５に戻って、突出部２２ｂは、第２の実施形態と同様に、先端面２２ｂ１が基板１０の上面１０ａに略接触した状態で１組のｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２、１組のｚｍ用電極３０ｇ１、３０ｇ２、１組のｚｍ用電極３０ｈ１、３０ｈ２、および１組のｚｍ用電極３０ｉ１、３０ｉ２にそれぞれ跨るように配置されており、先端面２２ｂ１の一部が、ｚｍ用電極３０ｆ１の一部およびｚｍ用電極３０ｆ２の一部、ｚｍ用電極３０ｇ１の一部およびｚｍ用電極３０ｇ２の一部、ｚｍ用電極３０ｈ１の一部およびｚｍ用電極３０ｈ２の一部、ならびにｚｍ用電極３０ｉ１の一部およびｚｍ用電極３０ｉ２の一部とそれぞれ重なるようになっている。
【０１６１】
従って、本実施形態では、第２および第３の実施形態と同様に、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の間に、静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１、Ｃｆ２〜Ｃｉ２がそれぞれ形成されるようになっている。また、外側突出変位部２２ｆとｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍの間に、静電容量Ｃｊ、Ｃｋ、Ｃｌ、Ｃｍがそれぞれ形成されるようになっている。
【０１６２】
次に、力検出装置４の作用について説明する。
【０１６３】
上述の構成により、本実施形態の力検出装置４は、ｘ、ｙ、ｚ軸周りのモーメントの方向および大きさ、ならびにｚの負方向の力の大きさを検出することが可能となっている。
図２８（ａ）は、力検出装置４がｚ軸周りのモーメントＭを受けた場合の突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なりを示した概略図である。なお、同図（ａ）においては、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり部分をハッチングによって示している。
【０１６４】
同図（ａ）に示されるように、ｚ軸周りのモーメントＭを受けた場合、可動電極２２はモーメントＭの方向に回転し、第２および第３の実施形態と同様に、突出部２２ｂとｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２の重なり面積が変化して静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１、Ｃｆ２〜Ｃｉ２がそれぞれ変化することとなる。従って、この静電容量Ｃｆ１〜Ｃｉ１、Ｃｆ２〜Ｃｉ２の変化に基づいてｚ軸周りのモーメントＭの方向および大きさを検出することができる。
【０１６５】
同図（ｂ）は、力検出装置４がｘ軸周りのモーメントＭを受けた状態を示した図であり、図２５（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。同図（ｂ）に示されるように、ｘ軸周りのモーメントＭを受けた場合、可動電極２２は、変位部２２ｄもしくは基部２２ａが変形する、または可動電極２２がｘ軸周りに回転することによってモーメントＭの方向に応じた外側突出変位部２２ｆが押し潰され、傾斜面２２ｆ２が対応するｘｙｍ用電極３０ｌ（および３０ｍ）に近接すると共に、基板１０の上面１０ａと接触する部分が増加してｘｙｍ用電極３０ｌ（３０ｍ）との重なり面積が増加することとなる。これにより、静電容量Ｃｌ、（およびＣｍ）が増加する。従って、静電容量Ｃｊ〜Ｃｍの変化に基づいてｘ軸周りおよびｙ軸周りのモーメントＭの方向および大きさを検出することができる。
【０１６６】
なお、本実施形態では、外側突出変位部２２ｆを突出部２２ｂと一体的に構成した例を示したが、外側突出変位部２２ｆは、突出部２２ｂとは別に設けられるものであってもよく、外側突出変位部２２ｆの位置と突出部２２ｂの位置を円周方向においてずらすようにしてもよい。また、突出部２２ｂは、外側突出変位部２２ｆと共に変形する（押し潰される）ものであってもよいし、変形しないものであってもよい。
【０１６７】
また、本実施形態では、ｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍの外側にｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２を配置した例を示したが、ｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍの内側にｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２を配置し、外側突出変位部２２ｆの内側に突出部２２ｂを設けるようにしてもよい。
【０１６８】
また、突出部２２ｂおよびこれに対応する電極組の個数は、４つに限定されるものではなく、第２の実施形態と同様にいくつであってもよい。また、外側突出変位部２２ｆおよびこれに対応するｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍの個数は、第１の実施形態と同様に３つ以上であればｘ軸周りおよびｙ軸周りのモーメントＭの方向を検出することができる。また、第１〜第３の実施形態において示した各種構成を本実施形態の力検出装置４に適用してもよいことは言うまでもなく、さらに本実施形態において示した各種構成を第１〜第３の実施形態の力検出装置１〜３に適用してもよいことは言うまでもない。
【０１６９】
以上説明したように、上記各実施形態に係る力検出装置１〜４は、静電容量検出用の固定電極３０と、固定電極３０に対向して配置される可動電極２２と、固定電極３０と可動電極２２の間において可動電極２２と略接触した状態で配置される絶縁層（基板１０）と、可動電極２２を絶縁層に沿って移動または回転可能に支持する支持部２４と、を備えている。
【０１７０】
また、力検出装置１〜４は、静電容量検出用の固定電極３０と、固定電極３０に対向して配置される可動電極２２と、固定電極３０と可動電極２２の間において可動電極２２に設けられ、固定電極３０と略接触した状態で配置される絶縁層（板状部材４０等）と、可動電極２２を固定電極３０の絶縁層と略接触する面に沿って移動または回転可能に支持する支持部２４と、を備えるものであってもよい。
【０１７１】
このような構成とすることで、力検出装置１〜４を簡素且つ安価に構成して小型化・薄型化を図りながらも、複数種類の力やモーメントを検出することが可能となるため、汎用性を高めることができる。さらに、可動電極２２を絶縁層に沿って移動または回転させるようにすることで、静電容量の変化に対する外乱を最小限とすることができるため、力検出装置１〜４の小型化・薄型化を図りながらも、力やモーメントの検出精度を高めることが可能となっている。
【０１７２】
また、可動電極２２および支持部２４は、導電性弾性材料により一体的に構成されている。このようにすることで、力検出装置１〜４を簡素且つ安価に構成し、従来以上の小型化・薄型化を実現することができる。
【０１７３】
また、可動電極２２は、絶縁層（基板１０）と略接触する面（突出部２２ｂの先端面２２ｂ１）が異なる材質（コーティング被膜、板状部材４０またはブロック状部材４２）から構成されている。このようにすることで、摩擦係数を低減して可動電極２２をスムーズに移動または回転させることが可能となるため、力やモーメントの検出精度を高めることができる。
【０１７４】
また、可動電極２２は、支持部２４が接続される基部２２ａと、絶縁層（基板１０）に向けて基部２２ａから突設され、先端面２２ｂ１が絶縁層に略接触する突出部２２ｂと、を有している。このようにすることで、突出部２２ｂの形状および配置を適宜に設定することにより、可動電極２２の移動または回転に伴う静電容量の変化を調整することが可能となるため、従来以上の種類の力やモーメントの検出を可能にすると共に、検出精度を高めることができる。
【０１７５】
また、突出部２２ｂは、先端面２２ｂ１の一部が固定電極３０の一部と重なるように配置されている。このようにすることで、可動電極２２の移動方向や回転方向に対応させて静電容量を増加または減少させることが可能となるため、従来以上の種類の力やモーメントの検出を可能にすると共に、検出精度を高めることができる。
【０１７６】
また、可動電極２２は、絶縁層（基板１０）に向けて基部２２ａから突設され、先端部（先端面２２ｅ１）が絶縁層に固定される補助支持部２２ｅを有するものであってもよい。さらに、補助支持部２２ｅは、可動電極２２の略中央に設けられるものであってもよい。このようにすることで、可動電極２２と固定電極３０の間の距離をより高精度に設定することが可能となるため、力やモーメントの検出精度を高めることができる。
【０１７７】
また、基部２２ａは、入力により変形して固定電極３０までの距離が変化する変位部２２ｄ（または、突出変位部２２ｄ１、外側突出変位部２２ｆ）を有している。このようにすることで、ｚ方向の力（または、ｘ軸およびｙ軸周りのモーメント）を検出することが可能となるため、汎用性を高めることができる。
【０１７８】
また、力検出装置１〜４は、複数の固定電極３０と、複数の固定電極３０に対応して設けられる複数の突出部２２ｂと、を備えている。このようにすることで、複数の静電容量を可動電極２２の移動方向や回転方向に対応させて個別に増加または減少させることが可能となるため、従来以上の種類の力やモーメントの検出を可能にすると共に、検出精度を高めることができる。さらに、複数の突出部２２ｂの間で空気を流動させることが可能となるため、可動電極２２と固定電極３０の間の距離をより高精度に保持し、力やモーメントの検出精度を高めることができる。
【０１７９】
また、突出部２２ｂは、円筒状に構成され、先端面２２ｂ１には、複数の溝（溝部２２ｃ）が半径方向に形成されるものであってもよい。このようにすることで、複数の固定電極３０に対して突出部２２ｂを適切に配置すると共に、さらにｚ方向の力を検出するための変位部２２ｄやｘ軸およびｙ軸周りのモーメントを検出するための外側突出変位部２２ｆ等を適切に配置することが可能となるため、汎用性を高めることができる。
【０１８０】
また、固定電極３０（ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄ）は、円周（仮想円周Ｒ、Ｒ１）上に複数配置されると共に、互いの間隔が円周の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成されている。このようにすることで、可動電極２２の移動量に略比例するように静電容量Ｃａ〜Ｃｄを変化させることが可能となるため、簡素な構成でありながらも、ｘ−ｙ平面内の力の検出精度を高めることができる。
【０１８１】
また、力検出装置２、３、４では、固定電極（ｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２）は、円周（仮想円周Ｒ、Ｒ２）上に複数配置され、可動電極２２は、互いに隣り合う２つの固定電極（例えば、ｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２）からなる１組の固定電極ごとに設けられる複数の突出部２２ｂを有し、突出部２２ｂは、１組の固定電極に含まれる２つの固定電極に先端面２２ｂ１が跨るように配置されている。このようにすることで、簡素且つ安価な構成により小型化・薄型化を図りながらも、ｚ軸周りのモーメントの検出を可能にすることができる。
【０１８２】
また、力検出装置３では、固定電極（ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄおよびｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２）は、第１の円周（仮想円周Ｒ２）上に複数配置されると共に、第１の円周と同心円である第２の円周（仮想円周Ｒ１）上に複数配置され、可動電極２２は、第１の円周上において互いに隣り合う２つの固定電極（例えば、ｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２）、および第２の円周上の１つの固定電極（例えば、ｘｙ用電極３０ａ）からなる１組の固定電極ごとに設けられる複数の突出部２２ｂを有し、突出部２２ｂは、１組の固定電極に含まれる３つの固定電極に先端面２２ｂ１が跨るように配置されている。このようにすることで、簡素且つ安価な構成により小型化・薄型化を図りながらも、ｘ−ｙ平面内の力およびｚ軸周りのモーメントの検出を可能にすることができる。
【０１８３】
また、力検出装置３では、第２の円周（仮想円周Ｒ１）上の固定電極（ｘｙ用電極３０ａ〜３０ｄ）は、互いの間隔が第２の円周の半径方向内側に向けて漸次拡大する形状に構成されている。このようにすることで、簡素な構成且つｚ軸周りのモーメントの検出を可能としながらも、ｘ−ｙ平面内の力Ｆの検出精度を高めることができる。
【０１８４】
また、力検出装置４では、固定電極（ｚｍ用電極３０ｆ１〜３０ｉ１、３０ｆ２〜３０ｉ２およびｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍ）は、第１の円周（仮想円周Ｒ２）上に複数配置されると共に、第１の円周と同心円である第２の円周（仮想円周Ｒ１）上に複数配置され、可動電極２２ｂは、第１の円周上において互いに隣り合う２つの固定電極（例えば、ｚｍ用電極３０ｆ１、３０ｆ２）からなる１組の固定電極ごとに設けられ、１組の固定電極に含まれる２つの固定電極に先端面２２ｂ１が跨るように配置される複数の突出部２２ｂと、第２の円周上に配置された固定電極（ｘｙｍ用電極３０ｊ〜３０ｍ）に対応して設けられ、入力により変形して対応する固定電極までの距離が変化する複数の変位部（外側突出変位部２２ｆ）と、を有している。このようにすることで、簡素且つ安価な構成により小型化・薄型化を図りながらも、ｘ軸周り、ｙ軸周りおよびｚ軸周りのモーメントの検出を可能にすることができる。
【０１８５】
また、支持部２４は、基板１０に固定される固定部２４ａと、固定部２４ａと可動電極２２を繋ぐと共に可動電極２２の移動または回転に伴って変形する変形部２４ｂと、を有している。このようにすることで、可動電極２２の確実な支持と、力やモーメントを受けた場合のスムーズな移動または回転を両立させることができる。
【０１８６】
また、固定部２４ａは、可動電極２２の外周を囲むように形成され、可動電極２２の移動範囲を制限するストッパとして兼用されている。このようにすることで、力検出装置１〜４を簡素且つ安価に構成し、従来以上の小型化・薄型化を実現することができる。
【０１８７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の力検出装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【０１８８】
本発明の力検出装置は、例えば入力装置やロボット等、力やモーメントの検出を必要とする各種機器において利用することができる。
【符号の説明】
【０１８９】
１、２、３、４  力検出装置
１０  基板
２２  可動電極
２２ａ  基部
２２ｂ  突出部
２２ｃ  溝部
２２ｂ１  突出部の先端面
２２ｄ  変位部
２２ｄ１  突出変位部
２２ｅ  補助支持部
２２ｆ  外側突出変位部
２４  支持部
２４ａ  固定部
２４ｂ  変形部
３０  固定電極
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ  ｘｙ用電極
３０ｅ  ｚ用電極
３０ｆ１、３０ｆ２、３０ｇ１、３０ｇ２、３０ｈ１、３０ｈ２、３０ｉ１、３０ｉ２  ｚｍ用電極
３０ｊ、３０ｋ、３０ｌ、３０ｍ  ｘｙｍ用電極
４０  板状部材
４２  ブロック状部材
Ｒ、Ｒ１、Ｒ２  仮想円周
【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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