(57)【要約】【課題】  製造コストを低減し、電気的ノイズの混入を阻止する。【解決手段】  金属からなる受力体４００と装置筐体９００とが、導電線Ｗ０で短絡されアースされる。ダイアフラム５１０を有する基板５００とダイアフラム６１０を有する基板６００とは、樹脂材料から構成され、その表面の一部には金属の鍍金層Ｐ（太線部分）が形成される。両基板５００，６００は、柱状体５２０，６２０を介して接合される。ダイアフラム６１０の下面の鍍金層は共通電極Ｅｃを形成し、対向する個別電極Ｅとの間に容量素子が形成される。この容量素子は、配線Ｗ１〜Ｗ３を経て、検出用基板７００の下面の検出回路７５０に接続される。受力体４００に外力が作用すると、各ダイアフラムに撓みが生じる。検出回路７５０は、この撓みに起因した各容量素子の静電容量値の変化に基づいて、作用した外力に関する３軸方向への力および３軸まわりのモーメントを検出する。【選択図】図１９
0003136188.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成され、この上部可撓部の中心から下方へ伸びる上部柱状体を有する上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成され、この下部可撓部の中心から上方へ伸びる下部柱状体を有する下方基板と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
前記下方基板が固定された装置筐体と、
前記下部可撓部の撓み具合に基づいて、前記受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を備え、
前記上方基板および前記下方基板は、樹脂材料から構成されており、
前記上部柱状体の下端と前記下部柱状体の上端とは相互に接合されており、これら両柱状体を介して、前記上方基板は前記下方基板の上方に支持されており、
前記受力体は、前記上方基板の上方に位置するように、前記上方基板に対して接合されており、
前記検出用基板は、前記検出領域が前記下部可撓部の下方に位置するように、前記下方基板の下面に接合されており、
前記下部可撓部は、前記下方基板の下面位置よりも、前記下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、前記下部可撓部の下面と前記各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
前記下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
前記検出回路は、前記各個別電極と前記共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、前記受力体に作用した力を検出することを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成された上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成され、この下部可撓部の中心から上方へ伸びる柱状体を有する下方基板と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
前記下方基板が固定された装置筐体と、
前記下部可撓部の撓み具合に基づいて、前記受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を備え、
前記上方基板および前記下方基板は、樹脂材料から構成されており、
前記柱状体の上端は前記上部可撓部の下面中心に接合されており、前記柱状体を介して、前記上方基板は前記下方基板の上方に支持されており、
前記受力体は、前記上方基板の上方に位置するように、前記上方基板に対して接合されており、
前記検出用基板は、前記検出領域が前記下部可撓部の下方に位置するように、前記下方基板の下面に接合されており、
前記下部可撓部は、前記下方基板の下面位置よりも、前記下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、前記下部可撓部の下面と前記各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
前記下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
前記検出回路は、前記各個別電極と前記共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、前記受力体に作用した力を検出することを特徴とする力検出装置。
【請求項３】
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成され、この上部可撓部の中心から下方へ伸びる柱状体を有する上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成された下方基板と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
前記下方基板が固定された装置筐体と、
前記下部可撓部の撓み具合に基づいて、前記受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を備え、
前記上方基板および前記下方基板は、樹脂材料から構成されており、
前記柱状体の下端は、前記下部可撓部の上面中心に接合されており、前記柱状体を介して、前記上方基板は前記下方基板の上方に支持されており、
前記受力体は、前記上方基板の上方に位置するように、前記上方基板に対して接合されており、
前記検出用基板は、前記検出領域が前記下部可撓部の下方に位置するように、前記下方基板の下面に接合されており、
前記下部可撓部は、前記下方基板の下面位置よりも、前記下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、前記下部可撓部の下面と前記各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
前記下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
前記検出回路は、前記各個別電極と前記共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、前記受力体に作用した力を検出することを特徴とする力検出装置。
【請求項４】
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成された上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成された下方基板と、
上端が前記上部可撓部の下面中心に接合され、下端が前記下部可撓部の上面中心に接合された柱状体と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
前記下方基板が固定された装置筐体と、
前記下部可撓部の撓み具合に基づいて、前記受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を備え、
前記上方基板および前記下方基板は、樹脂材料から構成されており、
前記柱状体を介して、前記上方基板は前記下方基板の上方に支持されており、
前記受力体は、前記上方基板の上方に位置するように、前記上方基板に対して接合されており、
前記検出用基板は、前記検出領域が前記下部可撓部の下方に位置するように、前記下方基板の下面に接合されており、
前記下部可撓部は、前記下方基板の下面位置よりも、前記下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、前記下部可撓部の下面と前記各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
前記下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
前記検出回路は、前記各個別電極と前記共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、前記受力体に作用した力を検出することを特徴とする力検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の力検出装置において、
下部可撓部の上面にも、金属の鍍金層が形成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項６】
請求項５に記載の力検出装置において、
上部可撓部の上下両面にも、金属の鍍金層が形成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載の力検出装置において、
上方基板および下方基板の表面のほぼ全面に、金属の鍍金層が形成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の力検出装置において、
上方基板と下方基板との接続部分に、鍍金層が形成されていない鍍金切欠部を設け、上方基板の表面に形成された鍍金層と下方基板の表面に形成された鍍金層とが電気的に絶縁されるようにしたことを特徴とする力検出装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の力検出装置において、
受力体が金属材料から構成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の力検出装置において、
装置筐体が金属材料から構成されており、受力体と装置筐体との間を電気的に短絡する導電線が設けられていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の力検出装置において、
検出回路が、検出用基板の下面に設けられており、
前記検出用基板の上面に形成された各個別電極と前記検出回路との間の配線が、前記検出用基板に設けられたスルーホールを介してなされていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の力検出装置において、
下部可撓部の下面に形成された共通電極から配線層が伸びており、この配線層の端部が下方基板の下面に配置され、
検出用基板が、その貫通孔を挿通する導電性ネジによって下方基板の下面に接合されており、前記導電性ネジは、前記配線層の端部を挿通しており、前記導電性ネジを利用して、前記共通電極と前記検出回路との間の配線がなされていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の力検出装置において、
上部可撓部の上面中心近傍に隆起部が形成されており、この隆起部および上部可撓部を挿通するネジによって、柱状体もしくは下部可撓部に対する接合が行われていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の力検出装置において、
上方基板には複数Ｎ組の上部可撓部が形成され、下方基板には複数Ｎ組の下部可撓部が形成され、上下でそれぞれ対応する一対の可撓部が、合計Ｎ本の柱状体を介して互いに接合されており、合計Ｎ本の柱状体を介して、前記上方基板は前記下方基板の上方に支持されており、
検出用基板の上面には、それぞれが複数の個別電極を有する複数Ｎ組の検出領域が設けられており、前記複数Ｎ組の下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極がそれぞれ形成されており、
検出回路は、複数Ｎ組の検出領域のそれぞれについて形成されている容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力を検出することを特徴とする力検出装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の力検出装置において、
上部可撓部および下部可撓部の双方もしくは一方が、基板の他の部分よりも肉厚が薄いために全体的に可撓性を帯びているダイアフラムによって構成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１６】
請求項１〜１４のいずれかに記載の力検出装置において、
上部可撓部および下部可撓部の双方もしくは一方が、変位板と、この変位板を周囲から支持するビーム部と、によって構成され、少なくとも前記ビーム部が可撓性をもっていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１７】
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった可撓部」が一部分に形成された基板と、
前記基板が固定された装置筐体と、
前記受力体が受けた力を前記可撓部へ伝達する力伝達体と、
前記可撓部の撓み具合に基づいて、前記受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を備え、
前記基板は樹脂材料から構成されており、前記可撓部の上下両面には、金属の鍍金層が形成されていることを特徴とする力検出装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、力検出装置に関し、特に、力とモーメントとを独立して検出するのに適した力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットや産業機械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。また、電子機器の入力装置のマン・マシンインターフェイスとしても、小型の力検出装置が組み込まれている。このような用途に用いる力検出装置には、小型化およびコストダウンを図るために、できるだけ構造を単純にするとともに、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ようにすることが要求される。
【０００３】
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る。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。このような６つの成分を検出する機能をもった力検出装置は、一般に「６軸力覚センサ」と呼ばれている。従来、これらの各成分をそれぞれ独立して検出するためには、かなり複雑な三次元構造体をもった力検出装置を用いる必要があったが、本願考案者は、より単純な構造をもった「６軸力覚センサ」を案出した。たとえば、下記の特許文献１および２には、本願考案者の発明に係るユニークな「６軸力覚センサ」の基本原理が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３２５３６７号公報
【特許文献２】特開２００４−３５４０４９号公報
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】
前掲の各特許文献に記載されている「６軸力覚センサ」をはじめとして、多くの力検出装置は、可撓性をもった部材に、作用した外力に基づいて撓みを生じさせ、この撓みの態様を検出することにより、作用した外力の向きや大きさを検出する構成をとる。このような力検出装置は、通常、アルミニウムやステンレス鋼などの金属材料からなる可撓性部材を用いて構成される。このため、製造コストが高騰するという問題がある。
【０００５】
一般に、最もコストが安い金属加工はプレス加工であるが、力検出装置用の可撓性部材を金属のプレス加工で形成するのは好ましくない。これは、金属材料に対して、プレス加工のように圧力を加える成形処理を施すと、内部に機械的な応力が残留し、この残留応力が、「生じた撓みに基づいて力を検出する」という力検出装置の本来の検出機能に悪影響を与えてしまうためである。このため、金属の可撓性部材を形成するためには、切削加工、放電加工、ワイヤーカット加工という、比較的コストの高い加工方法を採らざるを得ず、装置全体の製造コストを高騰させる要因になっていた。
【０００６】
また、構成要素として、金属材料からなる部材を用いると、検出結果に電気的なノイズ成分が混入しやすくなるという別な問題も発生する。
【０００７】
そこで本考案は、より製造コストの低減を図ることができる力検出装置を提供することを目的とし、更に、電気的なノイズ成分の混入を阻止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】
【０００８】
(1)   本考案の第１の態様は、力検出装置において、
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成され、この上部可撓部の中心から下方へ伸びる上部柱状体を有する上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成され、この下部可撓部の中心から上方へ伸びる下部柱状体を有する下方基板と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
下方基板が固定された装置筐体と、
下部可撓部の撓み具合に基づいて、受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を設け、
上方基板および下方基板は、樹脂材料から構成されており、
上部柱状体の下端と下部柱状体の上端とは相互に接合されており、これら両柱状体を介して、上方基板は下方基板の上方に支持されており、
受力体は、上方基板の上方に位置するように、上方基板に対して接合されており、
検出用基板は、検出領域が下部可撓部の下方に位置するように、下方基板の下面に接合されており、
下部可撓部は、下方基板の下面位置よりも、下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、下部可撓部の下面と各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
検出回路は、各個別電極と共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力を検出するようにしたものである。
【０００９】
(2)   本考案の第２の態様は、力検出装置において、
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成された上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成され、この下部可撓部の中心から上方へ伸びる柱状体を有する下方基板と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
下方基板が固定された装置筐体と、
下部可撓部の撓み具合に基づいて、受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を設け、
上方基板および下方基板は、樹脂材料から構成されており、
柱状体の上端は上部可撓部の下面中心に接合されており、柱状体を介して、上方基板は下方基板の上方に支持されており、
受力体は、上方基板の上方に位置するように、上方基板に対して接合されており、
検出用基板は、検出領域が下部可撓部の下方に位置するように、下方基板の下面に接合されており、
下部可撓部は、下方基板の下面位置よりも、下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、下部可撓部の下面と各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
検出回路は、各個別電極と共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力を検出するようにしたものである。
【００１０】
(3)   本考案の第３の態様は、力検出装置において、
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成され、この上部可撓部の中心から下方へ伸びる柱状体を有する上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成された下方基板と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
下方基板が固定された装置筐体と、
下部可撓部の撓み具合に基づいて、受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を設け、
上方基板および下方基板は、樹脂材料から構成されており、
柱状体の下端は、下部可撓部の上面中心に接合されており、柱状体を介して、上方基板は下方基板の上方に支持されており、
受力体は、上方基板の上方に位置するように、上方基板に対して接合されており、
検出用基板は、検出領域が下部可撓部の下方に位置するように、下方基板の下面に接合されており、
下部可撓部は、下方基板の下面位置よりも、下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、下部可撓部の下面と各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
検出回路は、各個別電極と共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力を検出するようにしたものである。
【００１１】
(4)   本考案の第４の態様は、力検出装置において、
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成された上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成された下方基板と、
上端が上部可撓部の下面中心に接合され、下端が下部可撓部の上面中心に接合された柱状体と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
下方基板が固定された装置筐体と、
下部可撓部の撓み具合に基づいて、受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を設け、
上方基板および下方基板は、樹脂材料から構成されており、
柱状体を介して、上方基板は下方基板の上方に支持されており、
受力体は、上方基板の上方に位置するように、上方基板に対して接合されており、
検出用基板は、検出領域が下部可撓部の下方に位置するように、下方基板の下面に接合されており、
下部可撓部は、下方基板の下面位置よりも、下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、下部可撓部の下面と各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
検出回路は、各個別電極と共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力を検出するようにしたものである。
【００１２】
(5)   本考案の第５の態様は、上述した第１〜第４の態様に係る力検出装置において、
下部可撓部の上面にも、金属の鍍金層を形成するようにしたものである。
【００１３】
(6)   本考案の第６の態様は、上述した第５の態様に係る力検出装置において、
上部可撓部の上下両面にも、金属の鍍金層が形成されているようにしたものである。
【００１４】
(7)   本考案の第７の態様は、上述した第６の態様に係る力検出装置において、
上方基板および下方基板の表面のほぼ全面に、金属の鍍金層が形成されているようにしたものである。
【００１５】
(8)   本考案の第８の態様は、上述した第７の態様に係る力検出装置において、
上方基板と下方基板との接続部分に、鍍金層が形成されていない鍍金切欠部を設け、上方基板の表面に形成された鍍金層と下方基板の表面に形成された鍍金層とが電気的に絶縁されるようにしたものである。
【００１６】
(9)   本考案の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る力検出装置において、
受力体を金属材料によって構成したものである。
【００１７】
(10)  本考案の第１０の態様は、上述した第９の態様に係る力検出装置において、
装置筐体を金属材料によって構成し、受力体と装置筐体との間を電気的に短絡する導電線を設けるようにしたものである。
【００１８】
(11)  本考案の第１１の態様は、上述した第１〜第１０の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、検出用基板の下面に設けられており、
検出用基板の上面に形成された各個別電極と検出回路との間の配線が、検出用基板に設けられたスルーホールを介してなされているようにしたものである。
【００１９】
(12)  本考案の第１２の態様は、上述した第１１の態様に係る力検出装置において、
下部可撓部の下面に形成された共通電極から配線層が伸びており、この配線層の端部が下方基板の下面に配置され、
検出用基板が、その貫通孔を挿通する導電性ネジによって下方基板の下面に接合されており、導電性ネジは、配線層の端部を挿通しており、この導電性ネジを利用して、共通電極と検出回路との間の配線がなされているようにしたものである。
【００２０】
(13)  本考案の第１３の態様は、上述した第１〜１２の態様に係る力検出装置において、
上部可撓部の上面中心近傍に隆起部が形成されており、この隆起部および上部可撓部を挿通するネジによって、柱状体もしくは下部可撓部に対する接合が行われているようにしたものである。
【００２１】
(14)  本考案の第１４の態様は、上述した第１〜１３の態様に係る力検出装置において、
上方基板には複数Ｎ組の上部可撓部が形成され、下方基板には複数Ｎ組の下部可撓部が形成され、上下でそれぞれ対応する一対の可撓部が、合計Ｎ本の柱状体を介して互いに接合されており、合計Ｎ本の柱状体を介して、上方基板は下方基板の上方に支持されており、
検出用基板の上面には、それぞれが複数の個別電極を有する複数Ｎ組の検出領域が設けられており、複数Ｎ組の下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極がそれぞれ形成されており、
検出回路は、複数Ｎ組の検出領域のそれぞれについて形成されている容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力を検出するようにしたものである。
【００２２】
(15)  本考案の第１５の態様は、上述した第１〜１４の態様に係る力検出装置において、
上部可撓部および下部可撓部の双方もしくは一方を、基板の他の部分よりも肉厚が薄いために全体的に可撓性を帯びているダイアフラムによって構成したものである。
【００２３】
(16)  本考案の第１６の態様は、上述した第１〜１４の態様に係る力検出装置において、
上部可撓部および下部可撓部の双方もしくは一方を、変位板と、この変位板を周囲から支持するビーム部と、によって構成し、少なくともビーム部が可撓性をもっているようにしたものである。
【００２４】
(17)  本考案の第１５の態様は、力検出装置において、
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった可撓部」が一部分に形成された基板と、
基板が固定された装置筐体と、
受力体が受けた力を可撓部へ伝達する力伝達体と、
可撓部の撓み具合に基づいて、受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を設け、
基板は樹脂材料から構成されており、可撓部の上下両面には、金属の鍍金層が形成されているようにしたものである。
【考案の効果】
【００２５】
本考案に係る力検出装置によれば、「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった可撓部」が形成された基板を樹脂材料によって構成し、更に、この可撓部の必要な箇所に金属鍍金層を形成するようにしたため、金属材料を用いることなしに、可撓部の形成が可能になる。よって、製造コストの低減を図ることができるようになり、また、電気的なノイズ成分の混入を阻止するような構造も可能になる。
【考案を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本考案を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００２７】
＜＜＜  §１．  先行技術実施形態の基本概念  ＞＞＞
本考案は、前掲の特許文献１（特開２００４−３２５３６７号公報）および特許文献２（特開２００４−３５４０４９号公報）に開示されている基礎発明に係る力検出装置を実用化する上で着想した改良部分に関するものである。そこで、まず、この§１では、この基礎発明に係る力検出装置の一例として、前掲の特許文献１に開示されている実施形態（以下、先行技術実施形態という）の基本概念を説明する。
【００２８】
図１は、先行技術実施形態に係る力検出装置の構成を示す斜視図（一部はブロック図）である。図示のとおり、この力検出装置の基本構成要素は、受力体１０、第１の力伝達体１１、第２の力伝達体１２、第３の力伝達体１３、第４の力伝達体１４、支持体２０、第１のセンサ２１、第２のセンサ２２、第３のセンサ２３、第４のセンサ２４、検出回路３０である。
【００２９】
受力体１０は、検出対象となる力を受ける構成要素であり、ここでは説明の便宜上、この受力体１０の中心位置に原点Ｏを定義し、図示のとおり、ＸＹＺ三次元座標系を定義している。図示の例では、受力体１０および支持体２０を板状部材で構成しているが、これらは必ずしも板状にする必要はなく、任意の形状でかまわない。受力体１０に作用する力の成分は、この座標系における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である。
【００３０】
なお、以下の説明では、「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、図１において、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと言った場合は、モーメントではない各座標軸方向の力成分を意味しているが、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。
【００３１】
支持体２０は、受力体１０の下方に配置され、受力体１０を支持する機能を果たす構成要素である。上述したように、受力体１０や支持体２０は、必ずしも板状の形態をとる必要はない。ただ、後述するように、第１のセンサ２１〜第４のセンサ２４によって、各座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚに関する力の検出を行う上では、前述したＸＹＺ三次元座標系におけるＸＹ平面に平行な上面を有する支持体２０を用いるのが好ましく、実用上は、受力体１０や支持体２０は、いずれも板状形態にするのが好ましい。ここでは、説明の便宜上、支持体２０の上面に、ｘｙ平面を定義することにする。この小文字で示すｘｙ平面は、大文字で示すＸＹ平面に平行な平面となっており、ｘ軸とＸ軸とは平行、ｙ軸とＹ軸とは平行である。
【００３２】
第１の力伝達体１１〜第４の力伝達体１４は、受力体１０と支持体２０とを接続する部材であり、Ｚ軸に沿って配置された構造体であり、しかもこの４本は、ｘｙ平面上で互いに所定間隔をおいて配置されている。図示の例では、これら力伝達体１１〜１４は、いずれも柱状の構造体となっており、その長手方向がＺ軸に平行な方向を向いて配置されているが、原理的には任意の形状をもった構造体で構成してかまわない。ただ、実用上は、図示のような柱状の構造体にするのが、単純な構造を実現する上で好ましい。また、実用上は、第１の力伝達体１１〜第４の力伝達体１４は、全く同じ材質、全く同じサイズにするのが好ましい。これは、これらの材質やサイズを同一にしておけば、第１のセンサ２１〜第４のセンサ２４による検出感度を同一にすることができるためである。相互の材質やサイズが異なると、各センサの感度を同一にそろえることが困難になり、感度補正のための工夫が必要になる。
【００３３】
ここで重要な点は、各力伝達体１１〜１４の上端が、受力体１０に対して、可撓性をもった接続部材（図には示されていない）を介して接続されており、各力伝達体１１〜１４の下端が、支持体２０に対して、可撓性をもった接続部材（図には示されていない）を介して接続されている点である。要するに、第１の力伝達体１１〜第４の力伝達体１４は、受力体１０に対しても、支持体２０に対しても、可撓性をもって接続されていることになる。ここで、可撓性とは弾力性と同義であり、受力体１０に対して何ら力が作用していない状態では、受力体１０は支持体２０に対して定位置をとるが、受力体１０に何らかの力が作用すると、可撓性をもった接続部材が弾性変形を生じ、受力体１０と支持体２０との相対位置に変化が生じることになる。もちろん、受力体１０に作用する力がなくなると、受力体１０はもとどおりの定位置に戻る。
【００３４】
結局、図１に示す例の場合、柱状の第１の力伝達体１１〜第４の力伝達体１４の上端部および下端部が、それぞれ可撓性をもった接続部材によって構成されていることになる（もちろん、第１の力伝達体１１〜第４の力伝達体１４の全体が可撓性をもった材料により構成されていてもかまわない）。そして、この接続部材が、ある程度の弾性変形を生じるため、第１の力伝達体１１〜第４の力伝達体１４は、受力体１０や支持体２０に対して傾斜することができる。また、この接続部材は、図の上下方向（Ｚ軸方向）にも伸縮することが可能であり、受力体１０を図の上方向（＋Ｚ軸方向）に動かすと、接続部材が伸び、受力体１０と支持体２０との距離は広がり、逆に、受力体１０を図の下方向（−Ｚ軸方向）に動かすと、接続部材が縮み、受力体１０と支持体２０との距離は狭まることになる。もちろん、このような変位や傾斜の度合いは、受力体１０に作用した力の大きさに応じて大きくなる。
【００３５】
第１のセンサ２１〜第４のセンサ２４は、それぞれ第１の力伝達体１１〜第４の力伝達体１４から、支持体２０に向かって加えられる力を検出する力センサであり、後述するように、それぞれ複数の容量素子から構成されている。受力体１０に力が作用すると、この力は、各力伝達体１１〜１４を介して、支持体２０へと伝達されることになる。各センサ２１〜２４は、こうして伝達される力を検出する機能を有しており、より具体的には、後に詳述するように、力伝達体が傾斜することにより生じる力を検出することにより、力伝達体の傾斜度を検知する機能と、力伝達体全体が、支持体に対して加える押圧力（図の下方−Ｚ軸方向の力）もしくは引っ張り力（図の上方＋Ｚ軸方向の力）を検知する機能と、を有している。
【００３６】
検出回路３０は、各センサ２１〜２４を構成する複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体１０に作用した力もしくはモーメントを検出する処理を行う構成要素であり、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向の力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを示す信号と各座標軸まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚを示す信号を出力する。実際には、上述した力伝達体の傾斜度や、支持体に対して加えられる押圧力／引っ張り力に基づいて、力やモーメントの検出が行われる。その具体的な方法については後述する。
【００３７】
続いて、図２の正面図を参照しながら、図１に示す力検出装置の基本的な動作原理を説明する。なお、ここでは、説明の便宜上、第１の力伝達体１１および第２の力伝達体１２に関連する動作のみを示すが、第３の力伝達体１３および第４の力伝達体１４に関連する動作も同様である。
【００３８】
図２(a) は、この力検出装置に何ら力が作用していない状態を示しており、受力体１０は、支持体２０に対して定位置を維持している。もちろん、この状態においても、受力体１０などの重量が支持体２０上に加わっているので、支持体２０は、第１の力伝達体１１や第２の力伝達体１２から、何らかの力を受けているが、この状態で受けている力は定常状態での力であり、このような力が第１のセンサ２１や第２のセンサ２２によって検出されたとしても、検出回路３０から出力される力やモーメントの検出値は０になるように調整されている。別言すれば、検出回路３０は、このような定常状態における各センサ２１〜２４の検出結果を基準として、何らかの変化が生じた場合には、この変化を受力体１０に作用した力もしくはモーメントとして検出する機能を有している。
【００３９】
さて、ここでは、まず図２(b) に示すように、受力体１０に対して、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合を考えてみる。ちょうど原点Ｏの位置を、図の右方向へと押すような力が加わった場合に相当する。この場合、図示のとおり、受力体１０は図の右方向へとスライド運動することになり、第１の力伝達体１１および第２の力伝達体１２は、図の右方向へと傾斜することになる。ここでは、このときの第１の力伝達体１１の傾斜度をθ１、第２の力伝達体１２の傾斜度をθ２と呼ぶことにする。また、このようにＸＺ平面に平行な平面内におけるｘ軸に向かう方向への傾斜の程度を示す角度θ１，θ２を、「Ｘ軸方向に関する傾斜度」と呼ぶことにする。同様に、ＹＺ平面に平行な平面内におけるｙ軸に向かう方向への傾斜の程度を示す角度を、「Ｙ軸方向に関する傾斜度」と呼ぶ。図示の例の場合、２本の力伝達体１１，１２は、ｘ軸に沿って並んで配置されているので、Ｙ軸方向の傾斜度は０である。
【００４０】
なお、各力伝達体１１，１２が傾斜すると、受力体１０と支持体２０との距離は若干縮まることになるので、厳密に言えば、受力体１０はＸ軸方向に完全な平行移動を行うわけではなく、わずかながら−Ｚ軸方向への移動も行うことになるが、傾斜度が比較的小さい場合、−Ｚ軸方向への移動量は無視することができるので、ここでは説明の便宜上、受力体１０がＸ軸方向のみに移動したものと考えることにする。
【００４１】
一方、図２(c) に示すように、受力体１０に対して、Ｙ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用した場合を考えてみよう。図２(c) 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、図では、モーメント＋Ｍｙは、原点Ｏを中心に、受力体１０全体を時計まわりの方向に回転させるような力に相当する。なお、ここでは、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。さて、この場合、図示のとおり、第１の力伝達体１１については縮小力が作用し、第２の力伝達体１２については伸張力が作用することになる。その結果、第１の力伝達体１１から支持体２０に対しては、押圧力（−Ｚ軸方向の力：ここでは、力−ｆｚと示すことにする）が作用し、第２の力伝達体１２から支持体２０に対しては、引っ張り力（＋Ｚ軸方向の力：ここでは、力＋ｆｚと示すことにする）が作用する。
【００４２】
このように、図示の力検出装置では、受力体１０にＸ軸方向の力Ｆｘが作用した場合と、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合とでは、２本の力伝達体１１，１２を介して支持体２０に伝達される力の態様が異なることになる。したがって、両者を区別して、それぞれ別個に検出することが可能である。
【００４３】
すなわち、Ｘ軸方向の力Ｆｘが作用した場合は、図２(b) に示すように、２本の力伝達体１１，１２は、Ｘ軸方向に傾斜し、傾斜度θ１，θ２を生じることになり、このような傾斜に応じた力が支持体２０へと伝達される。ここで、第１の力伝達体１１および第２の力伝達体１２と、これらを支持体２０に接続するための可撓性をもった各接続部材とを、同一材料、同一サイズにしておき、この力検出装置が、図のＺ軸に関して左右対称となる構造にしておけば、傾斜度θ１＝θ２になる。よって両者の和（θ１＋θ２）は、Ｘ軸方向の力Ｆｘを示す値になる。傾斜度θに符号を付して取り扱えば（たとえば、Ｘ軸正方向への傾斜の場合を正、Ｘ軸負方向への傾斜の場合を負として取り扱えば）、作用したＸ軸方向の力Ｆｘを符号を含めて検出することが可能である。
【００４４】
もっとも、この力検出装置では、後述するように、第１の力伝達体１１および第２の力伝達体１２の傾斜度は、第１のセンサ２１および第２のセンサ２２によって、支持体２０に加えられる力として検出されることになる。このような検出を行うには、各力伝達体から支持体２０に対して加えられる力を、個々の部分ごとに検知すればよい。たとえば、図２(b) において、第１の力伝達体１１と支持体２０との接続部分に生じる応力を考えてみると、第１の力伝達体１１の底部の右側部分と左側部分とでは、生じる応力の向きが異なることがわかる。すなわち、図示の例では、第１の力伝達体１１は右側に傾斜しているので、第１の力伝達体１１の底部の右側部分については押圧力が生じ、支持体２０の上面を下方に押圧する力が生じているのに対し、左側部分については引っ張り力が生じ、支持体２０の上面を上方へ引っ張り上げる力が生じている。このように第１の力伝達体１１の底部の左右の各部における応力の相違を検出することにより、第１の力伝達体１１の傾斜度を得ることができる。その具体的な方法については、§２で詳述する。
【００４５】
結局、この力検出装置によって、Ｘ軸方向の力Ｆｘを検出するには、第１のセンサ２１には、第１の力伝達体１１の支持体２０に対するｘ軸方向への傾斜状態を検知する機能をもたせておき、第２のセンサ２２には、第２の力伝達体１２の支持体２０に対するｘ軸方向への傾斜状態を検知する機能をもたせておけばよい。第１のセンサ２１が、第１の力伝達体１１のＸ軸方向に関する傾斜度θ１を検知する機能を有し、第２のセンサ２２が、第２の力伝達体１２のＸ軸方向に関する傾斜度を検知する機能を有していれば、検出回路３０は、第１のセンサ２１によって検知されたＸ軸方向に関する傾斜度θ１と、第２のセンサ２２によって検知されたＸ軸方向に関する傾斜度θ２と、の和に基づいて、受力体１０に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘを検出する処理を行うことができる。
【００４６】
一方、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合は、図２(c) に示すように、２本の力伝達体１１，１２から支持体２０に対して、押圧力−ｆｚと引っ張り力＋ｆｚとが伝達される。このようにして伝達される力は、力伝達体が傾斜した場合の力とは異なっている。すなわち、図２(b) に示すように力伝達体が傾斜した場合は、その底部に生じる応力は、右側部分と左側部分とで異なるものとなった。ところが、図２(c) に示すようにモーメントＭｙが作用した場合は、第１の力伝達体１１全体により押圧力−ｆｚが加えられ、第２の力伝達体１２全体により引っ張り力＋ｆｚが加えられることになる。
【００４７】
このように、Ｘ軸方向の力Ｆｘの作用に対しては、図２(b) に示すように、第１の力伝達体１１および第２の力伝達体１２に関して、同じ方向への傾斜という同等の事象が生じるのに対して、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙの作用に対しては、図２(c) に示すように、第１の力伝達体１１および第２の力伝達体１２に関して、一方は押圧力−ｆｚを与え、他方は引っ張り力＋ｆｚを与えるという相反する事象が生じることになる。したがって、作用したモーメントＭｙは、引っ張り力＋ｆｚと押圧力−ｆｚとの差、すなわち、（＋ｆｚ）−（−ｆｚ）＝２ｆｚとして求めることができる。
【００４８】
要するに、この力検出装置によって、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙを検出するには、第１のセンサ２１には、第１の力伝達体１１全体から支持体２０に対して加えられる力を検知する機能をもたせ、第２のセンサ２２には、第２の力伝達体１２全体から支持体２０に対して加えられる力を検知する機能をもたせておけばよい。第１のセンサ２１が、第１の力伝達体１１全体から支持体２０に対して加えられるＺ軸方向に関する力を検知する機能を有し、第２のセンサ２２が、第２の力伝達体１２全体から支持体２０に対して加えられるＺ軸方向に関する力を検知する機能を有していれば、検出回路３０は、第１のセンサ２１によって検知されたＺ軸方向に関する力と、第２のセンサ２２によって検知されたＺ軸方向に関する力と、の差に基づいて、受力体１０に作用した力のＹ軸まわりのモーメントＭｙを検出する処理を行うことができる。
【００４９】
以上、図２を参照しながら、第１の力伝達体１１および第２の力伝達体１２に関連する動作のみを説明したが、第３の力伝達体１３および第４の力伝達体１４に関連する動作も同様であり、第３のセンサ２３および第４のセンサ２４の検知機能を利用して、受力体１０に作用したＸ軸方向の力ＦｘおよびＹ軸まわりのモーメントＭｙを検出することも可能である。また、図１に示す力検出装置を、Ｚ軸を回転軸として９０°回転させ、第１の力伝達体１１および第４の力伝達体１４に関連する動作を考えてみれば、第１のセンサ２１および第４のセンサ２４の検知機能を利用して、受力体１０に作用したＹ軸方向の力ＦｙおよびＸ軸まわりのモーメントＭｘを検出することが可能になることも理解できよう。同様に、第２の力伝達体１２および第３の力伝達体１３に関連する動作により、第２のセンサ２２および第３のセンサ２３の検知機能を利用して、受力体１０に作用したＹ軸方向の力ＦｙおよびＸ軸まわりのモーメントＭｘを検出することが可能になる。
【００５０】
＜＜＜  §２．  第１のセンサ〜第４のセンサ  ＞＞＞
図１に示す力検出装置には、第１のセンサ２１〜第４のセンサ２４が設けられている。これらのセンサは、それぞれ第１の力伝達体１１〜第４の力伝達体１４より、支持体２０に対して加えられる力を検出する力センサであるが、図２で説明した原理に基づいて、力Ｆｘ、Ｆｙ、モーメントＭｘ、Ｍｙを検出するためには、各力伝達体１１〜１４の傾斜により生じる力と、各力伝達体１１〜１４全体によって与えられる引っ張り力／押圧力と、をそれぞれ独立して検出する機能が必要になる。
【００５１】
このような機能をもった各センサ２１〜２４としては、複数の容量素子を有する静電容量式の力センサを用いるのが好ましい。図３は、このような静電容量素子式の多軸力センサの基本構造を示す側断面図である。この多軸力センサ自身は、既に公知のセンサであり、種々の分野で実用されているものであるが、ここでは便宜上、この多軸力センサの基本構造および動作を簡単に説明しておく。
【００５２】
図３の側断面図に示すとおり、この多軸力センサは、板状の支持体４０と、その上に配置された椀状接続部材５０と、力伝達体６０と、支持体４０の上面に固定された個別電極Ｅ１〜Ｅ５と、によって構成されている。図４の上面図に示すとおり、椀状接続部材５０は、円形の平底状の椀を伏せた形状を有している。ここでは、説明の便宜上、支持体４０の上面中心部に原点Ｏをとり、図示の方向にｘ，ｙ，ｚ軸をそれぞれ定義したｘｙｚ三次元座標系を定義する。椀状接続部材５０は、図３の側断面図に示されているとおり、椀の平底部分に相当する円板状のダイアフラム５１と、その周囲を支持する円筒状の側壁部５２と、この側壁部５２を支持体４０の上面に固定するための固定部５３と、の各部から構成されており、ダイアフラム５１の上面中央部には、円柱状の力伝達体６０が接続されている。この円柱状の力伝達体６０の軸芯の延長線と支持体４０の上面との交点位置に原点Ｏが定義されていることになる。
【００５３】
ここで、この例の場合、支持体４０および力伝達体６０は、十分な剛性をもっているが、椀状接続部材５０は、可撓性（別言すれば、弾性変形を生じる性質）を有している。ここでは、説明の便宜上、椀状接続部材５０は、金属の薄板によって構成されており、支持体４０および力伝達体６０は絶縁体材料によって構成されているものとしよう。
【００５４】
図５の上面図に示されているとおり、板状の支持体４０の上面には、５枚の個別電極Ｅ１〜Ｅ５が形成されている。ここで、個別電極Ｅ１はｘ軸の正の部分に配置され、個別電極Ｅ２はｘ軸の負の部分に配置され、個別電極Ｅ３はｙ軸の正の部分に配置され、個別電極Ｅ４はｙ軸の負の部分に配置されており、いずれも各座標軸に関して線対称となる扇形をした同一形状、同一サイズの電極になっている。一方、個別電極Ｅ５は原点Ｏの位置に配置された円形の電極である。図５に破線で示すのは、この支持体４０の上に固定される椀状接続部材５０の各部の位置である。図示のとおり、ダイアフラム５１は、各個別電極Ｅ１〜Ｅ５のすべてに対向するように、支持体４０の上方に配置されることになる。前述したとおり、ダイアフラム５１を金属板などの導電性材料で構成しておけば、ダイアフラム５１は、可撓性および導電性を有することになり、それ自身が１枚の変位可能な共通電極として機能し、対向する各個別電極Ｅ１〜Ｅ５との間で容量素子を形成することになる。ここでは、各個別電極Ｅ１〜Ｅ５と、共通電極として機能するダイアフラム５１とによって構成される５組の容量素子を、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ５と呼ぶことにする。
【００５５】
続いて、力伝達体６０に種々の方向成分をもった力が作用した場合に、椀状接続部材５０がどのように変形し、各容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値にどのような変化が生じるかを考えてみる。
【００５６】
まず、図６に示すように、力伝達体６０の上部に、ｘ軸正方向への力＋ｆｘが加えられた場合を考える。この場合、力伝達体６０を右側へと傾斜させる力が働くことになり、可撓性をもった椀状接続部材５０は、図のように変形し、ダイアフラム５１は、右側部分が下方に、左側部分が上方に、それぞれ移動するように傾斜する。その結果、容量素子Ｃ１の両電極（個別電極Ｅ１とダイアフラム５１）の距離は狭まり、静電容量値は増加するが、容量素子Ｃ２の両電極（個別電極Ｅ２とダイアフラム５１）の距離は広まり、静電容量値は減少する。このとき、他の３組の容量素子Ｃ３〜Ｃ５については、右半分については電極間距離が狭まるが、左半分については電極間距離が広まるため、トータルでの静電容量値は変化しない。
【００５７】
なお、このような変形は、力伝達体６０の下部に、ｘ軸正方向への力＋ｆｘ′が加えられた場合も同様である。もっとも、てこの原理により、＋ｆｘの大きさと＋ｆｘ′の大きさとが等しい場合であっても、前者の方がより大きな変形を生じさせることになる。
【００５８】
一方、図７に示すように、力伝達体６０の上部に、ｘ軸負方向への力−ｆｘが加えられた場合を考える。この場合、力伝達体６０を左側へと傾斜させる力が働くことになり、可撓性をもった椀状接続部材５０は、図のように変形し、ダイアフラム５１は、左側部分が下方に、右側部分が上方に、それぞれ移動するように傾斜する。その結果、容量素子Ｃ１の静電容量値は減少し、容量素子Ｃ２の静電容量値は増加する。
【００５９】
結局、力伝達体６０に対して作用したｘ軸方向の力ｆｘは、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と第２の容量素子Ｃ２の静電容量値との差として求めることができる。求めた差の大きさは作用した力の大きさを示し、求めた差の符号は作用した力の方向を示すものになる。全く同様の原理により、力伝達体６０に対して作用したｙ軸方向の力ｆｙは、第３の容量素子Ｃ３の静電容量値と第４の容量素子Ｃ４の静電容量値との差として求めることができる。
【００６０】
ところで、こうして求めた力ｆｘは、柱状の力伝達体６０のｘ軸方向に関する傾斜度を示すものであり、力ｆｙは、柱状の力伝達体６０のｙ軸方向に関する傾斜度を示すものに他ならない。結局、力伝達体６０のｘ軸方向に関する傾斜度は、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と第２の容量素子Ｃ２の静電容量値との差として求めることができ、力伝達体６０のｙ軸方向に関する傾斜度は、第３の容量素子Ｃ３の静電容量値と第４の容量素子Ｃ４の静電容量値との差として求めることができる。別言すれば、力伝達体６０の下端の第１の部分から加えられる力と、力伝達体の下端の第２の部分から加えられる力と、の差に基づいて、力伝達体６０の支持体４０に対する傾斜度を検知することができる。
【００６１】
続いて、図８に示すように、力伝達体６０に対して、ｚ軸負方向への力−ｆｚが加えられた場合を考える。この場合、力伝達体６０全体に対して、図の下方への力が加わることになるので、力伝達体６０は傾斜することなしに、力伝達体６０全体により、椀状接続部材５０に対して下方への押圧力を作用させることになり、可撓性をもった椀状接続部材５０は、図のように変形し、５組の容量素子Ｃ１〜Ｃ５のすべての電極間隔が狭まり、静電容量値が増加する。逆に、力伝達体６０を上方へと引き上げる力＋ｆｚが加えられた場合は、力伝達体６０全体により、椀状接続部材５０に対して上方への引っ張り力が働くことになり、５組の容量素子Ｃ１〜Ｃ５のすべての電極間隔が広まり、静電容量値が減少する。
【００６２】
結局、力伝達体６０に対してｚ軸方向の力ｆｚのみが作用している環境下では、第１〜第５の容量素子Ｃ１〜Ｃ５のいずれかの静電容量値を検出すれば、作用した力ｆｚを求めることができる。ただし、他の軸方向成分の力ｆｘ，ｆｙが混在する環境下では、たとえば、容量素子Ｃ１の静電容量値を単独で求めたり、容量素子Ｃ３の静電容量値を単独で求めたりしても、これらは必ずしもｚ軸方向の力ｆｚを示す値にはならない。どのような環境下においても、ｚ軸方向の力ｆｚを検出するためには、容量素子Ｃ５の静電容量値を利用すればよい。上述したように、ｘ軸方向の力ｆｘやｙ軸方向の力ｆｙが作用した場合は、容量素子Ｃ５の静電容量値には変化は生じないので、容量素子Ｃ５の静電容量値を利用すれば、ｚ軸方向の力ｆｚのみを独立して検出することが可能になる。
【００６３】
もっとも、ｚ軸方向の力ｆｚのみを独立して検出するためには、別な方法をとることも可能である。たとえば、容量素子Ｃ１の静電容量値と容量素子Ｃ２の静電容量値との和を求め、これをｚ軸方向の力ｆｚの検出値として利用することも可能である。ｘ軸方向の力ｆｘの作用に対しては、容量素子Ｃ１の静電容量値の増減と容量素子Ｃ２の静電容量値の増減は相補的な関係にあるため、両者の和をとることにより、ｘ軸方向の力ｆｘの成分を相殺することができ、ｚ軸方向の力ｆｚの検出値のみを取り出すことができる。同様に、容量素子Ｃ３の静電容量値と容量素子Ｃ４の静電容量値との和を求め、これをｚ軸方向の力ｆｚの検出値として利用することも可能である。更に、４組の容量素子Ｃ１〜Ｃ４の静電容量値の和や、５組の容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値の和を求め、これをｚ軸方向の力ｆｚの検出値として利用することも可能である。したがって、原理的には、個別電極Ｅ５（容量素子Ｃ５）は、必ずしも設ける必要はない。
【００６４】
以上述べたとおり、図３に示す多軸力センサを用いれば、力伝達体６０のｘ軸方向に関する傾斜度（力ｆｘ）と、力伝達体６０のｙ軸方向に関する傾斜度（力ｆｙ）と、力伝達体６０全体から支持体４０に対して加えられる力（力ｆｚ）と、を検出することが可能である。これは、この図３に示す多軸力センサが、図１に示す力検出装置における各センサ２１〜２４として利用できることを意味している。
【００６５】
＜＜＜  §３．  先行技術実施形態の構造および原理  ＞＞＞
続いて、先行技術実施形態に係る力検出装置の主たる構造部分を、図９〜図１３を用いて説明し、この装置の動作原理を、図１４，図１５を用いて説明し、別な先行技術実施形態に係る力検出装置の主たる構造部分を、図１６を用いて説明する。
【００６６】
図９は、この先行技術実施形態に係る力検出装置の上面図である。この上面図における切断線１０−１０に沿った側断面図が図１０に示されており、切断線１１−１１に沿った側断面図が図１１に示されている。図１０もしくは図１１に示されているとおり、この力検出装置の基本的な構成要素は、上方基板１００、下方基板２００、支持基板３００であり、いずれも上面が正方形状をした板状の部材を基本形態としている。図１０および図１１は、互いに切断位置が異なる側断面図であり、図面に現れている幾何学的な構造は全く同一である。両者の相違は、各部の符号だけである。
【００６７】
上方基板１００は、図９に示すとおり、基本的には、上面が正方形状をした板状部材であるが、下面からは、４本の円柱突起部１１０，１２０，１３０，１４０が下方へと伸びている。ここでは、これらの円柱突起部を、上部柱状体１１０，１２０，１３０，１４０と呼ぶことにする。図１２は、この上方基板１００をＸＹ平面で切断した状態を示す横断面図である。ここでは、説明の便宜上、この上方基板１００の中心部に、図示のとおり原点Ｏを定義し、図の右方向にＸ軸、上方向にＹ軸、紙面に対して垂直上方向にＺ軸をとり、ＸＹＺ三次元座標系を定義することにする。上面が正方形状をした板状の部材からなる上方基板１００、下方基板２００、支持基板３００は、いずれも上下両面がＸＹ平面に平行になるように、かつ、各辺がＸ軸もしくはＹ軸に平行になるように配置されている。
【００６８】
図１２に示されているとおり、４本の上部柱状体１１０，１２０，１３０，１４０の付け根部分の周囲には、円環状の溝部Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ１３，Ｇ１４が形成されており、この溝部Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ１３，Ｇ１４の形成により、板状の上方基板１００には、図９，図１０，図１１に示すように、可撓性をもった肉薄部分からなる上部ダイアフラム１１５，１２５，１３５，１４５が形成されている。結局、４本の上部柱状体１１０，１２０，１３０，１４０は、上部ダイアフラム１１５，１２５，１３５，１４５を介して、板状の上方基板１００に接続されていることになる。ここで、各上部柱状体の配置を、より詳細に説明すれば、「原点を中心とする位置に配置され、上方基板１００の輪郭より小さく、縦横がＸ軸およびＹ軸に平行な正方形」の４頂点の位置に、それぞれ中心軸の位置がくるように、各上部柱状体１１０，１２０，１３０，１４０が配置されていることになる。
【００６９】
一方、支持基板３００は、図１３に示すように、上面が正方形状をした完全な板状部材であり、その上面には、個別電極Ｅ１１〜Ｅ１５，Ｅ２１〜Ｅ２５，Ｅ３１〜Ｅ３５，Ｅ４１〜Ｅ４５が配置されている。この支持基板３００の上面に接合された下方基板２００は、基本的には、上面が正方形状をした板状部材であるが、図１０，図１１に示すように、上面からは、４本の下部柱状体２１０，２２０，２３０，２４０が上方へと伸びている。これら４本の下部柱状体２１０，２２０，２３０，２４０の付け根部分の周囲には、円環状の溝部Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ２３，Ｇ２４が形成されており、更に、この下方基板２００の下面には、円柱状の溝部Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ３３，Ｇ３４が形成されている。下方基板２００の上面に設けられた溝部Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ２３，Ｇ２４と、下面に設けられた溝部Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ３３，Ｇ３４とは、いずれも下部柱状体２１０，２２０，２３０，２４０の中心軸の位置を中心とした同サイズの円形の輪郭を有している。図１０に示すとおり、溝部Ｇ２１とＧ３１との間には、下部ダイアフラム２１５が境界壁として存在し、溝部Ｇ２２とＧ３２との間には、下部ダイアフラム２２５が境界壁として存在する。また、図１１に示すとおり、溝部Ｇ２３とＧ３３との間には、下部ダイアフラム２３５が境界壁として存在し、溝部Ｇ２４とＧ３４との間には、下部ダイアフラム２４５が境界壁として存在する
【００７０】
上方基板１００側から下方に伸びた４本の上部柱状体１１０，１２０，１３０，１４０の下面は、下方基板２００側から上方に伸びた４本の下部柱状体２１０，２２０，２３０，２４０の上面に接合されている。ここでは、図１０に示すように、上部柱状体１１０と下部柱状体２１０とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第１の力伝達体Ｔ１と呼び、上部柱状体１２０と下部柱状体２２０とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第２の力伝達体Ｔ２と呼ぶことにする。また、図１１に示すように、上部柱状体１３０と下部柱状体２３０とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第３の力伝達体Ｔ３と呼び、上部柱状体１４０と下部柱状体２４０とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第４の力伝達体Ｔ４と呼ぶことにする。図９の上面図を見ればわかるように、ＸＹ二次元座標系における４本の力伝達体Ｔ１〜Ｔ４の配置を考えると、第１の力伝達体Ｔ１は第１象限に、第２の力伝達体Ｔ２は第２象限に、第３の力伝達体Ｔ３は第３象限に、第４の力伝達体Ｔ４は第４象限に、それぞれ配置されており、いずれもＺ軸に平行な方向を長手方向とする円柱状の構造体となっている。
【００７１】
また、図１０に示すとおり、第１の力伝達体Ｔ１の上端は、可撓性をもった上部ダイアフラム１１５を接続部材として上方基板１００に接続されており、第２の力伝達体Ｔ２の上端は、可撓性をもった上部ダイアフラム１２５を接続部材として上方基板１００に接続されており、図１１に示すとおり、第３の力伝達体Ｔ３の上端は、可撓性をもった上部ダイアフラム１３５を接続部材として上方基板１００に接続されており、第４の力伝達体Ｔ４の上端は、可撓性をもった上部ダイアフラム１４５を接続部材として上方基板１００に接続されていることになる。
【００７２】
一方、図１０に示すとおり、第１の力伝達体Ｔ１の下面は、接続部材として機能する下部ダイアフラム２１５の中央に接合されており、下部ダイアフラム２１５の周囲は、下方基板２００を介して支持基板３００に接続されており、第２の力伝達体Ｔ２の下面は、接続部材として機能する下部ダイアフラム２２５の中央に接合されており、下部ダイアフラム２２５の周囲は、下方基板２００を介して支持基板３００に接続されている。同様に、図１１に示すとおり、第３の力伝達体Ｔ３の下面は、接続部材として機能する下部ダイアフラム２３５の中央に接合されており、下部ダイアフラム２３５の周囲は、下方基板２００を介して支持基板３００に接続されており、第４の力伝達体Ｔ４の下面は、接続部材として機能する下部ダイアフラム２４５の中央に接合されており、下部ダイアフラム２４５の周囲は、下方基板２００を介して支持基板３００に接続されている。
【００７３】
図示の先行技術実施形態では、上方基板１００および下方基板２００は、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンなどの金属から構成されており、支持基板３００は、たとえば、ガラスエポキシ製のＰＣＢ基板（Print Circuit Board：回路実装用の印刷基板）などの絶縁性基板によって構成されている。上部ダイアフラム１１５，１２５，１３５，１４５や下部ダイアフラム２１５，２２５，２３５，２４５は、基板の他の部分に比べて肉厚を薄くすることにより可撓性をもつように構成された部分である。
【００７４】
このように、下部ダイアフラム２１５，２２５，２３５，２４５は、金属から構成されているため、可撓性を有するとともに導電性を有しており、それ自身が共通電極としての機能を果たす。これは、図３に示す多軸力センサの構成と全く同様である。すなわち、図１３に示す支持基板３００の上面に定義されたｘｙ二次元座標系における第１象限に示されている個別電極Ｅ１１〜Ｅ１５、第２象限に示されている個別電極Ｅ２１〜Ｅ２５、第３象限に示されている個別電極Ｅ３１〜Ｅ３５、第４象限に示されている個別電極Ｅ４１〜Ｅ４５は、いずれも図５に示されている個別電極Ｅ１〜Ｅ５と等価な構成要素であり、図１０に示す下部ダイアフラム２１５，２２５、および図１１に示す下部ダイアフラム２３５，２４５は、いずれも図３に示されているダイアフラム５１と等価な構成要素である。したがって、図１０に示す溝Ｇ３１の周辺および溝Ｇ３２の周辺には、それぞれ図３に示す多軸力センサと同等の機能をもったセンサＳ１，Ｓ２が構成されていることになり、図１１に示す溝Ｇ３３の周辺および溝Ｇ３４の周辺にも、それぞれ図３に示す多軸力センサと同等の機能をもったセンサＳ３，Ｓ４が構成されていることになる。
【００７５】
ここで、センサＳ１は、第１の力伝達体Ｔ１のＸ軸方向に関する傾斜度と、Ｙ軸方向に関する傾斜度と、第１の力伝達体Ｔ１全体から支持基板３００に対して加えられるＺ軸方向に関する力と、を検知する機能を有しており、センサＳ２は、第２の力伝達体Ｔ２のＸ軸方向に関する傾斜度と、Ｙ軸方向に関する傾斜度と、第２の力伝達体Ｔ２全体から支持基板３００に対して加えられるＺ軸方向に関する力と、を検知する機能を有している。同様に、センサＳ３は、第３の力伝達体Ｔ３のＸ軸方向に関する傾斜度と、Ｙ軸方向に関する傾斜度と、第３の力伝達体Ｔ３全体から支持基板３００に対して加えられるＺ軸方向に関する力と、を検知する機能を有しており、センサＳ４は、第４の力伝達体Ｔ４のＸ軸方向に関する傾斜度と、Ｙ軸方向に関する傾斜度と、第４の力伝達体Ｔ４全体から支持基板３００に対して加えられるＺ軸方向に関する力と、を検知する機能を有している。
【００７６】
こうしてみると、結局、図９〜図１３に示す先行技術実施形態に係る力検出装置は、図１に示す力検出装置とほぼ同等の構成要素を備えていることがわかる。すなわち、板状の上方基板１００は受力体１０に対応し、板状の支持基板３００は支持体２０に対応し、各力伝達体Ｔ１〜Ｔ４は各力伝達体１１〜１４に対応し、各センサＳ１〜Ｓ４は各センサ２１〜２４に対応する。したがって、この図９〜図１３に示す構造体に、検出回路３０として機能する配線および回路を付加すれば、図１に示した力検出装置を実現することができる。
【００７７】
続いて、この先行技術実施形態に係る力検出装置により、上方基板１００に作用したＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚ、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚという力の６成分を独立して検出する原理を説明する。
【００７８】
いま、図１３に示す２０枚の個別電極Ｅ１１〜Ｅ１５，Ｅ２１〜Ｅ２５，Ｅ３１〜Ｅ３５，Ｅ４１〜Ｅ４５と、これに対向する各共通電極（下部ダイアフラム２１５，２２５，２３５，２４５）と、によって構成される２０組の容量素子を、それぞれＣ１１〜Ｃ１５，Ｃ２１〜Ｃ２５，Ｃ３１〜Ｃ３５，Ｃ４１〜Ｃ４５と呼ぶことにする。図１３に括弧で示したＣ１１〜Ｃ４５は、各個別電極によって構成される個々の容量素子を示している。また、図１２に示す上方基板１００内の所定位置に原点Ｏをとり、図示のとおり、ＸＹＺ三次元座標系を定義する。そして、この上方基板１００に対して、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘ，Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙ，Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚ，Ｘ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｘ，Ｙ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｙ，Ｚ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｚがそれぞれ作用した場合に、２０組の各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値の変化を考えてみる。
【００７９】
図１４は、このときの各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値の変化の態様を示すテーブルであり、「０」は変化なし、「＋」は増加、「−」は減少を示している。各容量素子の静電容量値が、このテーブルのように変化する理由は、図２に示す各力伝達体の変化態様と、図６〜図８に示す多軸力センサの変形態様を見れば理解できよう。
【００８０】
たとえば、上方基板１００に対して、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、図２(b) に示されているように、各力伝達体Ｔ１〜Ｔ４は、いずれも図１０および図１１の右方向（Ｘ軸正方向）に傾斜することになるので、図１３の平面図を参照すれば、容量素子Ｃ１１，Ｃ２１，Ｃ３１，Ｃ４１の電極間隔は狭まり、静電容量値が増加するのに対して、容量素子Ｃ１２，Ｃ２２，Ｃ３２，Ｃ４２の電極間隔は広がり、静電容量値が減少することがわかる。他の容量素子については、電極間隔は一部は広がり、一部は狭まるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図１４のテーブルの第１行目（＋Ｆｘの行）は、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５についてのこのような静電容量値の変化を示している。
【００８１】
逆に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用すると、各力伝達体Ｔ１〜Ｔ４は、いずれも図１０および図１１の左方向（Ｘ軸負方向）に傾斜することになるので、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、図１４のテーブルの第１行目（＋Ｆｘの行）とは「＋」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。
【００８２】
一方、上方基板１００に対して、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合は、上述した力＋Ｆｘが作用した場合の変化態様を、上面からみて９０°回転させた現象が起こることになる。すなわち、図１３の平面図を参照すれば、容量素子Ｃ１３，Ｃ２３，Ｃ３３，Ｃ４３の電極間隔は狭まり、静電容量値が増加するのに対して、容量素子Ｃ１４，Ｃ２４，Ｃ３４，Ｃ４４の電極間隔は広がり、静電容量値が減少することがわかる。他の容量素子については、電極間隔は一部は広がり、一部は狭まるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図１４のテーブルの第２行目（＋Ｆｙの行）は、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、Ｙ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合は、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「＋」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。
【００８３】
また、上方基板１００に対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、各力伝達体Ｔ１〜Ｔ４は、いずれも支持基板３００の上面に対して引っ張り力を作用させることになるので、全容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図１４のテーブルの第３行目（＋Ｆｚの行）は、このような変化を示している。逆に、上方基板１００に対して、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、各力伝達体Ｔ１〜Ｔ４は、いずれも支持基板３００の上面に対して押圧力を作用させることになるので、全容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。したがって、図１４のテーブルの第３行目（＋Ｆｚの行）に示された結果に対して、「＋」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。
【００８４】
次に、上方基板１００に対して、モーメントが作用した場合を考えてみよう。図２(c) には、上方基板１０にＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合の、各力伝達体１１，１２の変化態様が示されている。すなわち、力伝達体１１から支持体２０に対しては下方への押圧力−ｆｚが加わり、力伝達体１２から支持体２０に対しては上方への引っ張り力＋ｆｚが加わっている。このような変化態様が生じることを踏まえれば、上方基板１００に対して、Ｘ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｘが作用すると、図９の上面図において、点Ｐ３に対しては紙面垂直上方への力＋ｆｚが作用し、点Ｐ４に対しては紙面垂直下方への力−ｆｚが作用することになる。
【００８５】
したがって、図１０に示す第１の力伝達体Ｔ１と第２の力伝達体Ｔ２には、図の上方への力＋ｆｚが加わり、容量素子Ｃ１１〜Ｃ２５の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。また、図１１に示す第３の力伝達体Ｔ３と第４の力伝達体Ｔ４には、図の下方への力−ｆｚが加わり、容量素子Ｃ３１〜Ｃ４５の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。図１４のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）は、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、Ｘ軸まわりの負方向のモーメント−Ｍｘが作用すると、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「＋」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。
【００８６】
一方、Ｙ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｙが作用すると、図９の上面図において、点Ｐ１に対しては紙面垂直下方への力−ｆｚが作用し、点Ｐ２に対しては紙面垂直上方への力＋ｆｚが作用することになる。したがって、図１０に示す第１の力伝達体Ｔ１と図１１に示す第４の力伝達体Ｔ４には、図の下方への力−ｆｚが加わり、容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５およびＣ４１〜Ｃ４５の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。また、図１０に示す第２の力伝達体Ｔ２と図１１に示す第３の力伝達体Ｔ３には、図の上方への力＋ｆｚが加わり、容量素子Ｃ２１〜Ｃ２５およびＣ３１〜Ｃ３５の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図１４のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）は、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、Ｙ軸まわりの負方向のモーメント−Ｍｙが作用すると、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「＋」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。
【００８７】
最後に、上方基板１００に対して、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが作用した場合を考えてみる。まず、図１３を参照しながら、上方基板１００にＺ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｚ（図１３の平面図上では、反時計まわりのモーメントになる）が加わった場合、４本の力伝達体Ｔ１〜Ｔ４がどの方向に傾斜するかを考えてみよう。
【００８８】
はじめに、第１象限に配置された第１の力伝達体Ｔ１（図の個別電極Ｅ１５の上に配置されている）は、この図１３における左上方向に傾斜することになり、容量素子Ｃ１２，Ｃ１３の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子Ｃ１１，Ｃ１４の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。また、第２象限に配置された第２の力伝達体Ｔ２（図の個別電極Ｅ２５の上に配置されている）は、この図１３における左下方向に傾斜することになり、容量素子Ｃ２２，Ｃ２４の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子Ｃ２１，Ｃ２３の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。更に、第３象限に配置された第３の力伝達体Ｔ３（図の個別電極Ｅ３５の上に配置されている）は、この図１３における右下方向に傾斜することになり、容量素子Ｃ３１，Ｃ３４の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子Ｃ３２，Ｃ３３の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。最後に、第４象限に配置された第４の力伝達体Ｔ４（図の個別電極Ｅ４５の上に配置されている）は、この図１３における右上方向に傾斜することになり、容量素子Ｃ４１，Ｃ４３の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子Ｃ４２，Ｃ４４の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。なお、容量素子Ｃ１５，Ｃ２５，Ｃ３５，Ｃ４５の静電容量値については、トータルでは変化が生じない。
【００８９】
結局、上方基板１００にＺ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｚが作用した場合は、図１４の第６行目に示すような増減結果が得られることになる。また、上方基板１００にＺ軸まわりの負方向のモーメント−Ｍｚが作用した場合は、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「＋」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。
【００９０】
この図１４のテーブルに示すような結果が得られることを踏まえると、検出回路３０として、２０組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ４５の静電容量値（ここでは、静電容量の値自身も、同じ符号Ｃ１１〜Ｃ４５で示すことにする）に基づいて、図１５に示す式に基づく演算を行う回路を用意しておけば、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６成分を得ることができることが理解できよう。
【００９１】
たとえば、図１５に示すＦｘ＝（Ｃ１１−Ｃ１２）＋（Ｃ２１−Ｃ２２）＋（Ｃ３１−Ｃ３２）＋（Ｃ４１−Ｃ４２）なる式は、図１４のテーブルの第１行目（＋Ｆｘの行）の結果を踏まえたものであり、第１〜第４のセンサによって検知された各力伝達体Ｔ１〜Ｔ４のＸ軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、上方基板１００に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘが検出できることを意味している。これは、図２(b) に示す検出原理に基づくものである。
【００９２】
また、図１５に示すＦｙ＝（Ｃ１３−Ｃ１４）＋（Ｃ２３−Ｃ２４）＋（Ｃ３３−Ｃ３４）＋（Ｃ４３−Ｃ４４）なる式は、図１４のテーブルの第２行目（＋Ｆｙの行）の結果を踏まえたものであり、第１〜第４のセンサによって検知された各力伝達体Ｔ１〜Ｔ４のＹ軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、上方基板１００に作用した力のＹ軸方向成分Ｆｙが検出できることを意味している。これも、図２(b) に示す検出原理に基づくものである。
【００９３】
更に、図１５に示すＦｚ＝−（Ｃ１５＋Ｃ２５＋Ｃ３５＋Ｃ４５）なる式は、図１４のテーブルの第３行目（＋Ｆｚの行）の結果を踏まえたものであり、第１〜第４のセンサによって検知された各力伝達体Ｔ１〜Ｔ４のＺ軸方向に関する力の和に基づいて、上方基板１００に作用した力のＺ軸方向成分Ｆｚが検出できることを意味している。先頭のマイナス符号は、Ｚ軸方向のとり方によるものである。
【００９４】
一方、図１５に示すＭｘ＝−（（（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５）＋（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４＋Ｃ２５））−（（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４＋Ｃ３５）＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４＋Ｃ４５）））なる式は、図１４のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）の結果を踏まえたものであり、第１および第２のセンサによって検知されたＺ軸方向に関する力の和と、第３および第４のセンサによって検知されたＺ軸方向に関する力の和と、の差に基づいて、上方基板１００に作用した力のＸ軸まわりのモーメントＭｘが検出できることを意味している。これは、図９に示す上面図において、点Ｐ３が紙面に対して垂直上方（Ｚ軸正方向）に移動し、点Ｐ４が紙面に対して垂直下方（Ｚ軸負方向）に移動した状態での検出であり、図２(c) に示す検出原理に基づくものである。式の先頭のマイナス符号は、モーメントの向きのとり方によるものである。
【００９５】
また、図１５に示すＭｙ＝（（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５）＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４＋Ｃ４５））−（（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４＋Ｃ２５）＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４＋Ｃ３５））なる式は、図１４のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）の結果を踏まえたものであり、第１および第４のセンサによって検知されたＺ軸方向に関する力の和と、第２および第３のセンサによって検知されたＺ軸方向に関する力の和と、の差に基づいて、上方基板１００に作用した力のＹ軸まわりのモーメントＭｙが検出できることを意味している。これは、図９に示す上面図において、点Ｐ１が紙面に対して垂直下方（Ｚ軸負方向）に移動し、点Ｐ２が紙面に対して垂直上方（Ｚ軸正方向）に移動した状態での検出であり、図２(c) に示す検出原理に基づくものである。
【００９６】
最後に、図１５に示すＭｚ＝（（（Ｃ３１−Ｃ３２）＋（Ｃ４１−Ｃ４２））−（（Ｃ１１−Ｃ１２）＋（Ｃ２１−Ｃ２２）））＋（（（Ｃ１３−Ｃ１４）＋（Ｃ４３−Ｃ４４））−（（Ｃ２３−Ｃ２４）＋（Ｃ３３−Ｃ３４）））なる式は、図１４のテーブルの第６行目（＋Ｍｚの行）の結果を踏まえたものであり、第３および第４のセンサによって検知されたＸ軸方向に関する傾斜度の和と、第１および第２のセンサによって検知されたＸ軸方向に関する傾斜度の和と、の差を第１の差として求め、第１および第４のセンサによって検知されたＹ軸方向に関する傾斜度の和と、第２および第３のセンサによって検知されたＹ軸方向に関する傾斜度の和と、の差を第２の差として求め、第１の差と第２の差との和に基づいて、上方基板１００に作用した力のＺ軸まわりのモーメントＭｚが検出できることを意味している。
【００９７】
このＭｚの式の意味は、この式を、
Ｍｚ＝（Ｃ１２＋Ｃ１３）−（Ｃ１１＋Ｃ１４）
＋（Ｃ２２＋Ｃ２４）−（Ｃ２１＋Ｃ２３）
＋（Ｃ３１＋Ｃ３４）−（Ｃ３２＋Ｃ３３）
＋（Ｃ４１＋Ｃ４３）−（Ｃ４２＋Ｃ４４）
のような形に書きなおすと、より理解しやすくなる。すなわち、Ｚ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｚが作用した場合、前述したとおり、図１３において、個別電極Ｅ１５の上に配置されている第１の力伝達体Ｔ１は、図の左上方向に傾斜することになるが、上式の（Ｃ１２＋Ｃ１３）−（Ｃ１１＋Ｃ１４）は、第１の力伝達体Ｔ１のこのような傾斜を検出するための項である。同様に、個別電極Ｅ２５の上に配置されている第２の力伝達体Ｔ２は、図の左下方向に傾斜することになるが、上式の（Ｃ２２＋Ｃ２４）−（Ｃ２１＋Ｃ２３）は、第２の力伝達体Ｔ２のこのような傾斜を検出するための項である。また、個別電極Ｅ３５の上に配置されている第３の力伝達体Ｔ３は、図の右下方向に傾斜することになるが、上式の（Ｃ３１＋Ｃ３４）−（Ｃ３２＋Ｃ３３）は、第３の力伝達体Ｔ３のこのような傾斜を検出するための項である。更に、個別電極Ｅ４５の上に配置されている第４の力伝達体Ｔ４は、図の右上方向に傾斜することになるが、上式の（Ｃ４１＋Ｃ４３）−（Ｃ４２＋Ｃ４４）は、第４の力伝達体Ｔ４のこのような傾斜を検出するための項である。上式は、このように、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが作用した場合の４本の力伝達体Ｔ１〜Ｔ４の所定方向への傾斜度の検出値の和を示すものになる。
【００９８】
なお、図１５の第３の式（Ｆｚの式）では、第１のセンサによって検知された第１の力伝達体Ｔ１のＺ軸方向に関する力として、Ｃ１５なる１つの容量素子の静電容量値を用いているのに対し、図１５の第４の式（Ｍｘの式）では、同じく、第１のセンサによって検知された第１の力伝達体Ｔ１のＺ軸方向に関する力として、（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５）なる５つの容量素子の静電容量値の総和を用いている。これは、§２で述べたとおり、図３に示すタイプの多軸力センサを用いて、Ｚ軸方向に関する力を求める方法に複数通りのバリエーションがあることを示したものである。したがって、たとえば、図１５の第３の式は、Ｆｚ＝−（（Ｃ１１＋Ｃ１２＋Ｃ１３＋Ｃ１４＋Ｃ１５）＋（Ｃ２１＋Ｃ２２＋Ｃ２３＋Ｃ２４＋Ｃ２５）＋（Ｃ３１＋Ｃ３２＋Ｃ３３＋Ｃ３４＋Ｃ３５）＋（Ｃ４１＋Ｃ４２＋Ｃ４３＋Ｃ４４＋Ｃ４５））としてもかまわない。同様に、図１５の第４の式は、Ｍｘ＝（（Ｃ１５＋Ｃ２５）−（Ｃ３５＋Ｃ４５））としてもかまわないし、図１５の第５の式は、Ｍｙ＝（（Ｃ１５＋Ｃ４５）−（Ｃ２５＋Ｃ３５））としてもかまわない。もちろん、この他にも何通りかのバリエーションを用いることが可能である。
【００９９】
この図１５に示す６つの式のうち、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚに関する式は、４本の力伝達体Ｔ１〜Ｔ４の配置が任意の位置であっても成立する一般式であり、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚの検出のみに利用される力検出装置を構成する場合、４本の力伝達体Ｔ１〜Ｔ４の配置は、必ずしも図９の上面図に示すような配置にする必要はない。ただ、図１５に示す６つの式のうち、モーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚに関する式は、４本の力伝達体Ｔ１〜Ｔ４が、図９の上面図に示すように、ＸＹ二次元座標系における第１〜第４象限に配置されていることを前提としたものである。
【０１００】
ところで、この先行技術実施形態に係る技術思想は、「図３に示すような従来から公知の多軸力センサを、単に４組用いることにより、検出精度を高めるようにする」という技術とは全く次元が異なる技術思想である。一般に、何らかの測定器を用いた測定を行う場合に、「同じ測定器を複数台設置し、それぞれの測定結果の平均をとることにより、測定精度を向上させる」という手法は常套手段であり、古くから様々な分野において利用されてきている。
【０１０１】
しかしながら、図２に示す基本概念は、「複数のセンサを用いて検出精度を向上させる」という技術思想ではなく、「所定の座標軸方向の力と、所定の座標軸まわりのモーメントを正確に区別して検出する」という技術思想にある。ここでは、この点について、もう少し詳しい補足説明を行っておく。
【０１０２】
まず、図６に示すように、従来から公知の多軸力センサを用いて、ｘ軸正方向の力＋ｆｘを検出することを考えよう。このような多軸力センサを開示した一般的な公知文献では、この図６に示す原理により、「容量素子Ｃ１（個別電極Ｅ１とダイアフラム５１）の静電容量値Ｃ１と、容量素子Ｃ２（個別電極Ｅ２とダイアフラム５１）の静電容量値Ｃ２と、の差（Ｃ１−Ｃ２）を求めることにより、力伝達体６０に作用した力のｘ軸方向成分ｆｘを求めることができる」旨の説明がなされている。しかしながら、この説明は、厳密な意味では正しくない。なぜなら、静電容量値の差（Ｃ１−Ｃ２）は、実は、作用した力ｆｘそれ自身ではなく、作用した力ｆｘに起因して生じたｙ軸まわりのモーメントＭｙになっているからである。
【０１０３】
これは、図６に示すように、力伝達体６０の異なる位置に、２通りの力＋ｆｘと＋ｆｘ′とを加えた場合に、どのような出力値が得られるかを考えれば、容易に理解できよう。図示の例において、＋ｆｘ＝＋ｆｘ′であったとしても、静電容量値の差（Ｃ１−Ｃ２）として得られる出力値は、＋ｆｘを加えた場合の方が、＋ｆｘ′を加えた場合に比べて大きくなる。これは、＋ｆｘを加えた場合の方が、この検出系に対して大きなモーメントを与えることができるためである。要するに、この図６に示すセンサでは、ｘ軸方向の力ｆｘやｙ軸方向の力ｆｙを直接検出することはできず、それぞれｙ軸まわりのモーメントＭｙやｘ軸まわりのモーメントＭｘとして検出するしかないのである。
【０１０４】
もっとも、力ｆｘを作用させる力伝達体６０上の位置が、常に定位置となるように決めておけば、ｙ軸まわりのモーメントＭｙをｘ軸方向の力ｆｘとして取り扱っても支障は生じない。このため、力とモーメントとを区別して取り扱う必要のない検出対象については、この図６に示す力センサを、ｘ軸方向の力ｆｘやｙ軸方向の力ｆｙの検出に利用しても、実用上、大きな支障が生じないことになる。
【０１０５】
しかしながら、ロボットや産業機械の動作制御などへの用途では、力とモーメントとをはっきり区別して検出することが可能な力検出装置の需要も決して少なくない。前述した力検出装置は、正に、このような用途に適した装置ということができる。たとえば、図１０に示す力検出装置を、ロボットの腕と手首との関節部分として利用するのであれば、支持基板３００を腕側に取り付け、上方基板１００を手首側に取り付ければよい。そうすれば、腕に対して手首側に加えられた力およびモーメントを検出することが可能である。
【０１０６】
この図１０に示す力検出装置を用いれば、上方基板１００に対して何らかの力が作用すると、４本の力伝達体Ｔ１〜Ｔ４の位置や向きに所定の変化が生じることになる。この変化の態様を、センサＳ１〜Ｓ４を構成する複数の容量素子の静電容量値の変化として検出し、図１５に示す式に基づく解析を行えば、各軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚをそれぞれ独立して検出することが可能になる。これが本考案の重要な特徴である。
【０１０７】
既に上の説明で述べたとおり、この先行技術実施形態に係る力検出装置では、支持基板３００の上面に、図１３に示すように、個別電極Ｅ１１〜Ｅ１５，Ｅ２１〜Ｅ２５，Ｅ３１〜Ｅ３５，Ｅ４１〜Ｅ４５が形成され、これら各個別電極の上方に配置された導電性材料からなる下部ダイアフラム２１５，２２５，２３５，２４５が各共通電極として機能し、合計２０組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５（センサＳ１），Ｃ２１〜Ｃ２５（センサＳ２），Ｃ３１〜Ｃ３５（センサＳ３），Ｃ４１〜Ｃ４５（センサＳ４）が形成されている。下部ダイアフラム２１５，２２５，２３５，２４５は、金属からなる下方基板２００の一部分であり、電気的には、単一の等電位体として機能するので、すべての共通電極は等電位を維持する。
【０１０８】
ここで、各下部ダイアフラム２１５，２２５，２３５，２４５の下面は、それぞれ各力伝達体Ｔ１〜Ｔ４の下部の変位に応じて特有の変位を生じる変位面を構成しているため、図１５の各式に示す原理に基づいて、上方基板１００に作用した力を、６つの成分ごとに独立して検出することができる。
【０１０９】
図１５に示す各演算式に基づいて各力成分を求める方法としては、個々の容量素子の静電容量値を電気的に測定し、この測定値に対してアナログあるいはデジタルの演算器などを用いて演算を行い、その結果を出力するような方法を採ることも可能である。ただ、図１５に示す式は、基本的に加算と減算のみである。そこで実用上は、静電容量値の加算を演算器で行う代わりに、容量値の加算対象となる複数の容量素子を互いに並列接続することにより、加算演算と同等の結果が得られるようなアプローチを採るのが好ましい。なお、ここでは具体的な回路の説明は省略するが、一般に、容量素子を構成する一対の電極にそれぞれ配線を施すことにより、当該容量素子の静電容量値を電圧値に変換して検出する回路は、種々の回路が公知である。このような回路を、検出回路３０として用意しておけば、各軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚをそれぞれ独立した電圧値として出力することができる。
【０１１０】
以上、図９〜図１５を参照しながら、前掲の特許文献１に開示されている先行技術実施形態を説明したが、本考案の適用対象となる力検出装置は、必ずしも上述した先行技術実施形態に限定されるものではない。特に、上方基板１００と下方基板２００との間に形成される各力伝達体の本数やその配置などには、さまざまなバリエーションが存在し、前掲の特許文献１や特許文献２には、このようなバリエーションが掲載されている。また、各個別電極の形状、枚数、配置などにも、様々なバリエーションが存在する。本考案は、これらのバリエーションにも同様に適用可能である。
【０１１１】
また、本考案は、図１０に示す構造に代えて、図１６に示すような構造を有する力検出装置にも、当然、適用可能である。図１０に示す装置では、上部ダイアフラム１１５，１２５が上方基板１００の上面に揃う位置に形成され、溝部Ｇ１１，Ｇ１２が、上方基板１００の下面側に形成されていた。これに対して、図１６に示す装置では、上部ダイアフラム１１５Ａ，１２５Ａが上方基板１００Ａの下面に揃う位置に形成され、溝部Ｇ１１Ａ，Ｇ１２Ａが、上方基板１００Ａの上面側に形成されている。図１６に示す上部柱状部１１０Ａ，１２０Ａは、図１０に示す上部柱状部１１０，１２０に比べて、若干、長さが短くなっているが、下部柱状部２１０，２２０の上面に接続されることにより、力伝達体Ｔ１，Ｔ２の一部をなす点に変わりはない。なお、図１１に示す上部ダイアフラム１３５，１４５の位置も、同様に、上方基板１００Ａの下面側に移動する形態をとる（図示省略）。
【０１１２】
要するに、本考案は、上方基板１００には複数Ｎ組の上部ダイアフラムが形成され、下方基板２００には複数Ｎ組の下部ダイアフラムが形成され、上下でそれぞれ対応する一対のダイアフラムが、合計Ｎ本の柱状体を介して互いに接合されており、合計Ｎ本の柱状体を介して、上方基板１００が下方基板２００の上方に支持されており、下部ダイアフラムの下面に設けられた共通電極とその下方に設けられた個別電極とによって形成されている容量素子の静電容量値に基づいて、上方基板１００に作用した力を検出する機能をもった力検出装置に広く適用可能な技術である。
【０１１３】
＜＜＜  §４．  本考案の基本的な技術思想  ＞＞＞
さて、ここでは、これまで述べてきた先行技術実施形態を量産する場合の各部の材質を考えてみる。具体的には、図１６に示す力検出装置を構成する場合を考える。前述の説明では、上方基板１００Ａおよび下方基板２００を、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンなどの金属から構成し、支持基板３００をガラスエポキシ製のＰＣＢ基板などの絶縁性基板によって構成する例を述べた。また、個別電極Ｅ１１〜Ｅ４５は、銅や金などの金属をパターニングした層によって構成すればよい。
【０１１４】
下方基板２００を金属材料によって構成する第１のメリットは、下部ダイアフラム２１５，２２５，２３５，２４５が下方基板２００の一部分（他の部分よりも肉厚が薄く可撓性をもった部分）として構成されるため、それ自身を、個別電極Ｅ１１〜Ｅ１５に対向する共通電極、個別電極Ｅ２１〜Ｅ２５に対向する共通電極、個別電極Ｅ３１〜Ｅ３５に対向する共通電極、個別電極Ｅ４１〜Ｅ４５に対向する共通電極、として機能させることが可能になる点である。また、下方基板２００を金属材料によって構成する第２のメリットは、金属からなるダイアフラムは、板バネとしての性質を有し、加えられた外力と当該外力に起因して生じる変位との関係がフックの法則に従い、ほぼ線形に近い関係を維持することができる点である。この第２のメリットは、上方基板１００を金属材料によって構成した場合のメリットにもなる。したがって、ダイアフラムの機能に着目すれば、図１６に示す力検出装置における上方基板１００Ａや下方基板２００は、金属によって構成するのが好ましい。
【０１１５】
しかしながら、上方基板１００Ａや下方基板２００を金属によって構成した場合の最大のデメリットは、製造コストである。既に述べたとおり、最もコストが安い金属加工はプレス加工であるが、図１６に示す上方基板１００Ａや下方基板２００を、金属のプレス加工で形成するのは好ましくない。なぜなら、金属材料に対してプレス加工を施すと、内部に機械的な応力が残留し、この残留応力が、上述したダイアフラムの板バネとしての性質に悪影響を及ぼすためである。具体的には、残留応力の影響により、ロットによってはゼロ点の位置がずれてしまったり、検出出力の線形特性が失われたりする。このため、上方基板１００Ａや下方基板２００を、金属材料で構成するためには、切削加工、放電加工、ワイヤーカット加工という、比較的コストの高い加工方法を採らざるを得ず、製造コストは高騰せざる得ない。
【０１１６】
上方基板１００Ａや下方基板２００を金属によって構成した場合のもうひとつのデメリットは、検出結果に電気的なノイズ成分が混入しやすくなるという問題である。たとえば、図１６に示す装置において、上方基板１００Ａおよび下方基板２００が金属から構成されているとすると、これら全体が一塊の導電体のブロックを構成することになるので、たとえば、外力を作用させるときに、上方基板１００Ａの一部に手が触れたりして電位変動が生じたとすると、当該電位変動は、共通電極として機能する下部ダイアフラム２１５，２２５等へも伝達されることになり、電気的な検出系統にノイズ成分を与える要因になる。
【０１１７】
このようなデメリットを克服するために、本考案では、図１６に示す装置における上方基板１００Ａおよび下方基板２００を、基本的には樹脂材料から構成するようにし、必要な部分に、金属の鍍金層を形成する、という手法を採る。樹脂材料は、型を利用した賦形により任意形状に加工することが極めて容易であり、任意形状の基板を低コストで量産することが可能になる。また、一般的な樹脂材料は絶縁性を有しているため、外部からの電気的なノイズの媒体にもならない。したがって、上述した「金属材料を用いるデメリット」は克服できる。
【０１１８】
但し、この場合、金属の鍍金層を、少なくとも下部ダイアフラム２１５，２２５の下面に（そして、図１６には示されていないが、下部ダイアフラム２３５，２４５の下面にも）設ける必要がある。これは、各個別電極Ｅ１１〜Ｅ４５に対向する共通電極を、金属の鍍金層で構成する必要があるためである。このように、各基板を樹脂材料で構成したとしても、下部ダイアフラムの下面に金属の鍍金層を形成すれば、これを各個別電極に対向する共通電極として機能させることができる。
【０１１９】
一般に、樹脂材料からなる構造体は、機械的な変形に対してヒステリシスを有しており、加えられた外力と、この外力に起因して生じる撓み（変位）との間に、正確な線形性は得られない。これは、極端な例として、ウレタン樹脂などを考えてみれば容易に理解できよう。ウレタン樹脂からなるブロックに外力を加えて圧縮した場合、圧縮の度合いと加えた外力との間には、正確な線形性は見られない。また、外力を除去した後も、ウレタン樹脂からなるブロックは直ちに元の状態には復帰せず、残留応力の影響がしばらくの間だけ維持される。すなわち、樹脂材料からなる構造体は、そのままでは、フックの法則に従う板バネとして用いるには不適切である。
【０１２０】
しかしながら、本願考案者が行った実験によると、ダイアフラムを樹脂材料によって構成した場合であっても、少なくともその片面に金属の鍍金層が形成されていると、全体としては、金属からなるダイアフラムに近い機械的変形特性が得られた。たとえば、図１６に示す例の場合、ＰＰＳなる樹脂材料を用いて、厚みが６ｍｍの下方基板２００の一部に、厚みが１ｍｍの下部ダイアフラム２１５，２２５を形成し、その下面に、厚みが１０〜２０μｍの鍍金層（銅の層の上に金の層を鍍金したもの）を形成したところ、当該ダイアフラムの機械的な変形特性は、ほぼフックの法則に従うものとなった。すなわち、樹脂材料からなるダイアフラムであっても、その下面に金属の鍍金層を形成することにより、金属製の板バネに近い線形な機械的変形特性が得られることになる。
【０１２１】
もちろん、より金属製の板バネに近い線形な機械的変形特性を得るためには、下部ダイアフラム２１５，２２５の上下両面に（そして、図１６には示されていないが、下部ダイアフラム２３５，２４５の上下両面にも）、金属の鍍金層を形成するのが好ましい。また、上部ダイアフラムについても、同様の理由により、上下両面に金属の鍍金層を形成するのが好ましい。
【０１２２】
＜＜＜  §５．  本考案の実施形態  ＞＞＞
ここでは、図１６に示す力検出装置に本考案を適用した具体的な実施形態を、図１７〜図２４に示す側断面図を参照しながら述べる。なお、図１７〜図２４は、いずれも図９に示す先行技術実施形態における切断線１０−１０に沿った側断面を示すものであるが、切断線１１−１１に沿った側断面の構造も全く同じである。また、力を検出する動作は、§１〜§３で述べた先行技術実施形態に係る装置のものと同じである。
【０１２３】
（１）  第１の実施形態
図１７は、本考案の第１の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。図示のとおり、この装置の主たる構成要素は、受力体４００、上方基板５００、下方基板６００、検出用基板７００、検出回路７５０、台座８００、装置筐体９００である。
【０１２４】
受力体４００は、上面が正方形状の基板状の構成要素であり、上方基板５００の上方に位置するように、上方基板５００に対して接合されている。この受力体４００は、検出対象となる力を受け、これを上方基板５００へ伝達する機能を果たす。図示のとおり、受力体４００の周囲部上面の数ヶ所には、溝部Ｇ１が形成されており、ネジＮ１によって上方基板５００の上面に固定されている。なお、受力体４００の上面に形成された溝部Ｇ２は、内部にネジ山が形成されたネジ溝になっており、必要に応じて、ここに様々な物体（検出対象となる力を直接的に受ける物体）を取り付けることができる。受力体４００の材質は、金属でも、樹脂などの絶縁体でもかまわないが、ネジ溝Ｇ２を利用して、物体の着脱を行うことを考えると、機械的な耐久性を確保する上では、金属材料によって受力体４００を構成するのが好ましい。
【０１２５】
上方基板５００は、図１６における上方基板１００Ａに対応する構成要素であり、本考案の場合、たとえば、ＡＢＳ、ＰＰＳ、デルリン（登録商標）などの樹脂材料によって構成されている。この上方基板５００の上面には、溝部Ｇ３が設けられており、その結果、他の部分よりも肉厚が薄く可撓性をもった上部ダイアフラム５１０が一部分に形成されている（実際には、４箇所に形成されている）。また、上方基板５００は、上部ダイアフラム５１０の中心から下方へ伸びる上部柱状体５２０を有している。
【０１２６】
一方、下方基板６００は、図１６における下方基板２００に対応する構成要素であり、本考案の場合、やはりＡＢＳ、ＰＰＳ、デルリン（登録商標）などの樹脂材料によって構成されている。この下方基板６００は、上方基板５００の下方に、空隙部Ｇ４を挟んで配置されており、上面に溝部Ｇ５を設けることにより、他の部分よりも肉厚が薄く可撓性をもった下部ダイアフラム６１０が一部分に形成されている（実際には、４箇所に形成されている）。また、下方基板６００は、下部ダイアフラム６１０の中心から上方へ伸びる下部柱状体６２０を有している。ここで、下部ダイアフラム６１０は、下方基板６００の下面位置よりも、下部ダイアフラム６１０の下面位置の方が上方になるような位置に形成されている。その結果、下部ダイアフラム６１０の下面と各個別電極Ｅの上面との間には空隙部Ｇ６が形成されている。
【０１２７】
上部柱状体５２０の下端と下部柱状体６２０の上端とは、ネジＮ２によって相互に接合されており、両柱状体によって１本の力伝達体が形成されている。実際には、合計４本の力伝達体が構成されており、これら４本の力伝達体を介して、上方基板５００および受力体４００は下方基板６００の上方に支持されている。
【０１２８】
このように、上方基板５００および下方基板６００を樹脂材料から構成することにより、製造コストを大幅に低減させることが可能になる。樹脂材料は任意の形状に成形することが可能であり、大量生産に適している。しかも、型を用いた賦形によって製造すれば、金属に対するプレス加工のような残留応力の問題も生じることはない。
【０１２９】
検出用基板７００は、図１６における支持基板３００に対応する構成要素であり、その上面には、図１３の上面図に示すように、各個別電極Ｅ１１〜Ｅ４５が形成されている（図１７では、図が繁雑になるのを避けるため、各個別電極を単に符号Ｅで示してある）。各個別電極Ｅ１１〜Ｅ４５は、それぞれ電気的に互いに絶縁されている必要があるので、検出用基板７００（の少なくとも上面）は、絶縁性材料によって構成されている。ここに示す例の場合、検出用基板７００は、検出回路の回路基板も兼ねており、ガラスエポキシ製のＰＣＢ基板によって構成されており、ネジＮ３によって、下方基板６００の下面に接合されている。個別電極Ｅ１１〜Ｅ１５が形成されている円形の領域、個別電極Ｅ２１〜Ｅ２５が形成されている円形の領域、個別電極Ｅ３１〜Ｅ３５が形成されている円形の領域、個別電極Ｅ４１〜Ｅ４５が形成されている円形の領域、はそれぞれ独立した検出領域を構成しており、各検出領域は、それぞれ下部ダイアフラム６１０の下方に位置している。
【０１３０】
検出回路７５０は、検出用基板７００の下面に配置された回路であり、検出用基板７００の下方に確保された空隙部Ｇ７内に収容されている。便宜上、図１７では、検出回路７５０を１つのブロックとして示してあるが、実際には、この検出回路は、検出用基板７００の下面に形成された種々の回路構成要素からなる。上述したとおり、検出用基板７００は、回路基板を兼ねており、図１５の原理に基づいて力の検出値を求める検出回路７５０は、この検出用基板７００上に実装された多数の電子部品によって構成されており、下部ダイアフラム６１０の撓み具合に基づいて、受力体４００に作用した力を検出する機能を果たす。
【０１３１】
台座８００は、装置筐体９００の底部上面に固定された構成要素であり、その上部には、検出回路７５０を収容するための空隙部Ｇ７が確保されている。台座８００の周囲に設けられた溝部Ｇ８には、ネジＮ４が挿入されており、このネジＮ４によって、下方基板６００が台座８００の上面に固定されている。かくして、下方基板６００は、台座８００を介して、装置筐体９００に固定されている。装置筐体９００は、天面が開いた箱状の構造体であり、上述した力検出装置の主要部を内部に収容する機能を果たす。台座８００や装置筐体９００は、金属材料で構成してもよいし、樹脂などの絶縁材料で構成してもかまわない。
【０１３２】
下部ダイアフラム６１０の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極Ｅｃが形成されている。図では、この鍍金層を太線で示してある。個別電極Ｅは、個々の検出領域ごとに設けられた共通電極Ｅｃと対向する位置に配置されており、各個別電極Ｅと共通電極Ｅｃとによってそれぞれ容量素子が形成されている。検出回路７５０は、これら複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体４００に作用した力を検出する処理を行う。
【０１３３】
検出回路７５０において、このような検出処理を行うためには、各個別電極Ｅおよび共通電極Ｅｃから検出回路７５０まで、電気的な配線を行う必要がある。そのために、図示の実施形態では、下部ダイアフラム６１０の下面に形成された共通電極Ｅｃから、溝部Ｇ６の側面を伝わるように配線層Ｗ１（図の太線）を伸ばし、この配線層Ｗ１の端部が下方基板６００の下面までくるようにしている。実際には、このような配線層Ｗ１は、共通電極Ｅｃと同様に金属の鍍金層によって構成すればよい。
【０１３４】
検出用基板７００は、前述したとおり、その貫通孔を挿通するネジＮ３によって下方基板６００の下面に接合されている。したがって、このネジＮ３を金属などからなる導電性ネジにしておき、この導電性ネジＮ３が、配線層Ｗ１の端部を挿通して下方基板６００の下部に螺合するようにすれば、この導電性ネジＮ３を利用して、共通電極Ｅｃと検出回路７５０との間の配線を行うことができる。すなわち、図が繁雑になるのを避けるため、図１７には描かれていないが、検出用基板７００の下面に沿って、導電性ネジＮ３から検出回路７５０まで配線を施せば、当該配線〜導電性ネジＮ３〜配線層Ｗ１〜共通電極Ｅｃという経路を辿って、共通電極Ｅｃへの配線を行うことができる。
【０１３５】
一方、各個別電極Ｅと検出回路７５０との間の配線は、検出用基板７００に設けられたスルーホールを介して行うことが可能である。図に示す配線Ｗ２は、このようなスルーホールを介して設けられた配線を示すものであり、配線Ｗ３は、検出用基板７００の下面に沿って設けられた、配線Ｗ２から検出回路７５０までの配線である。図が繁雑になるのを避けるため、図１７では、一部の個別電極Ｅに対する配線のみしか示されていないが、実際には、個々の個別電極Ｅに対して、このようなスルーホールを介した配線が独立してなされることになる。
【０１３６】
上方基板５００および下方基板６００は、絶縁性をもった樹脂材料によって構成されているため、たとえ受力体４００を金属材料で構成したとしても、受力体４００に侵入した電気的なノイズ成分が、上方基板５００および下方基板６００を伝わって容量素子（たとえば、共通電極Ｅｃ）や検出回路７５０まで伝達されることはない。かくして、この実施形態に係る力検出装置では、製造コストを低減し、電気的ノイズの混入を阻止することが可能になる。
【０１３７】
なお、図１７では、図示の便宜上、各部の寸法比は正確に再現されていない。そこで、以下、参考までに、各主要部の実寸を例示しておく。まず、受力体４００、上方基板５００、下方基板６００は、いずれもほぼ３０ｍｍ角の正方形の基板であり、受力体４００の厚みは８ｍｍ、上方基板５００の厚みは６ｍｍ、下方基板６００の厚みは６ｍｍである。また、上方基板５００の下面と下方基板６００の上面との距離（空隙部Ｇ４の上下方向の距離）は０．２ｍｍ、上部ダイアフラム５１０の厚みは１．５ｍｍ、下部ダイアフラム６１０の厚みは１．５ｍｍである。また、個別電極Ｅの厚みは１０μｍ、共通電極Ｅｃ（金属の鍍金層）の厚みは１０〜２０μｍである。更に、各ダイアフラム５１０，６１０は、直径８ｍｍの円盤状をなし、上部柱状部５２０および下部柱状部６２０は、直径４．５ｍｍの円柱状をなしている。
【０１３８】
（２）  第２の実施形態
図１８は、本考案の第２の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。この第２の実施形態に係る装置は、前述した第１の実施形態に係る装置とほぼ同じであるが、唯一の相違点は、下部ダイアフラム６１０の下面だけでなく、その上面にも、金属の鍍金層Ｐを形成した点である。
【０１３９】
下部ダイアフラム６１０の下面に設けられた金属の鍍金層は、共通電極Ｅｃとして機能する構成要素になり、この力検出装置の電気的な検出原理上、不可欠の構成要素である。これに対して、下部ダイアフラム６１０の上面に設けられた金属の鍍金層Ｐは、電気的な検出には何ら寄与することはない。しかしながら、下部ダイアフラム６１０の板バネとしての機械的な特性を向上させる役割を果たすことができる。
【０１４０】
すなわち、§４で述べたとおり、樹脂材料からなるダイアフラムは、そのままでは機械的な変形に対してヒステリシスを有しており、金属からなるダイアフラムのように、フックの法則に従う板バネとして用いるには不適切である。図１７に示す第１の実施形態のように、下部ダイアフラム６１０の下面に金属の鍍金層（共通電極Ｅｃ）を形成すると、樹脂材料に特有のヒステリシス特性はかなり改善される。しかしながら、このヒステリシス特性を更に改善し、フックの法則に従う板バネとして用い、十分な線形性を確保する上では、下部ダイアフラム６１０の上面に金属の鍍金層Ｐを形成するのが好ましい。
【０１４１】
図１８に示す第２の実施形態では、下部ダイアフラム６１０の上下両面に金属の鍍金層が形成されており、樹脂材料からなるダイアフラム本体部分が、金属の鍍金層によって上下両面からサンドイッチにされた状態となっている。これにより、下部ダイアフラム６１０におけるヒステリシス特性は大幅に改善され、金属からなるダイアフラムに近い線形性を得ることができるようになる。
【０１４２】
（３）  第３の実施形態
図１９は、本考案の第３の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。この第３の実施形態に係る装置は、前述した第２の実施形態に係る装置とほぼ同じであるが、大きな相違点は、下部ダイアフラム６１０の上下両面だけでなく、上部ダイアフラム５１０の上下両面にも、金属の鍍金層Ｐ（太線で示す）を形成した点である。
【０１４３】
容量素子の静電容量値に直接的な影響を与えるのは下部ダイアフラム６１０であるが、上部ダイアフラム５１０は、受力体４００に作用した外力を下部ダイアフラム６１０まで伝達する経路として機能するため、線形性をもった検出値を得るという点では、この上部ダイアフラム５１０の機械的変形特性も、ヒステリシスを排除し、フックの法則にできるだけ従った特性になるようにした方が好ましい。
【０１４４】
図１９に示す実施形態では、樹脂材料からなる上部ダイアフラム５１０の本体部分も、金属の鍍金層Ｐによって上下両面からサンドイッチにされた状態となっているため、ヒステリシス特性は大幅に改善され、金属からなるダイアフラムに近い線形性を得ることができるようになる。
【０１４５】
また、この第３の実施形態に係る装置では、受力体４００と装置筐体９００とは、ステンレス鋼などの金属材料から構成されており、しかも、受力体４００と装置筐体９００との間を電気的に短絡する導電線Ｗ０が設けられている。ここで、装置筐体９００を接地電位にして（いわゆるアースして）用いるようにすれば、受力体４００に侵入した電気的なノイズ成分を、導電線Ｗ０および装置筐体９００を介して接地電位へと逃がすことができるため、検出回路７５０への電気的ノイズの混入を確実に阻止することが可能になる。
【０１４６】
（４）  第４の実施形態
図２０は、本考案の第４の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。この第４の実施形態に係る装置は、基本的には、前述した各実施形態に係る装置とほぼ同じであるが、その特徴は、上方基板５００および下方基板６００の表面のほぼ全面に、金属の鍍金層Ｐ（太線で示す）を形成した点である。
【０１４７】
もっとも、このように、上方基板５００および下方基板６００の表面全面に、金属の鍍金層Ｐを形成することは、力検出装置の動作という観点からは好ましくない。まず第１に、受力体４００が金属材料で形成されていた場合、受力体４００の表面と、鍍金層Ｐとが導通状態となるため、共通電極Ｅｃや検出回路７５０への電気的ノイズの混入を助長する可能性がある。そして第２に、検出用基板７００の下面に様々な配線層が形成されることを考慮すると、これらの配線層と鍍金層Ｐとによって無用な容量素子が形成されることになり、回路動作上は好ましくない寄生容量が増える要因になる。
【０１４８】
図２０に示す第４の実施形態に係る力検出装置には、このようなデメリットがあるものの、実用上は、それに見合うだけのメリットも得られる。それは、製造コストを大幅にダウンさせることができるメリットである。これまで述べてきた第１〜第３の実施形態では、上方基板５００もしくは下方基板６００の表面の特定の一部分にのみ、金属の鍍金層Ｐを形成していた。しかしながら、特定部分にのみ金属の鍍金層Ｐを形成するためには、当該特定の部分以外の部分をマスキングした上で、鍍金工程を行うとか、あるいは、全面に鍍金工程を施した後、当該特定の部分以外の鍍金層を剥離する工程を行うというように、余分な工程が必要になり、結果的に、製造コストを高騰させる要因になってしまう。それに対して、図２０に示す第４の実施形態に係る力検出装置の場合、上方基板５００および下方基板６００の表面全面に鍍金層Ｐを形成すればよいので、上述した余分な工程は不要になり、結果的に、製造コストを低減させることができるのである。
【０１４９】
（５）  第５の実施形態
図２１（ａ）は、図２０に示す第４の実施形態の一部を変更することによって得られる第５の実施形態に係る力検出装置の側断面図であり、図２１（ｂ）は、その部分拡大図である。上述したとおり、図２０に示す第４の実施形態に係る力検出装置には、受力体４００の表面と、鍍金層Ｐとが導通状態となるため、共通電極Ｅｃや検出回路７５０への電気的ノイズの混入を助長するというデメリットがある。ここに示す第５の実施形態は、このようなデメリットを解消するための工夫を施したものである。
【０１５０】
すなわち、この第５の実施形態では、上方基板５００と下方基板６００との接続部分に、鍍金層が形成されていない鍍金切欠部５２５を設け、上方基板５００の表面に形成された鍍金層と下方基板６００の表面に形成された鍍金層とが電気的に絶縁されるようにしたものである。この様子は、図２１（ｂ）の部分拡大図に明瞭に示されている。すなわち、この実施形態の場合、上方基板５００と下方基板６００とは、上部柱状体５２０と下部柱状体６２０とによって接続されているが、上部柱状体５２０の下端側の表面には、鍍金層が形成されていない鍍金切欠部５２５が設けられている。この鍍金切欠部５２５を介在させることにより、上方基板５００の表面に形成された鍍金層と下方基板６００の表面に形成された鍍金層とが電気的に絶縁されることになる。このため、受力体４００の表面に生じた電気的ノイズを、鍍金切欠部５２５によって遮断することができ、共通電極Ｅｃや検出回路７５０へ混入することを防ぐことができる。もちろん、鍍金切欠部は、下部柱状体６２０の上端側の表面に設けてもかまわない。
【０１５１】
（６）  力伝達体として機能する柱状体のバリエーション
ここでは、力伝達体として機能する柱状体のバリエーションをいくつか述べておく。これまで述べてきた第１〜第５の実施形態（図１７〜図２１）では、力伝達体として機能する柱状体は、上部ダイアフラム５１０の中心から下方へ伸びる上部柱状体５２０と下部ダイアフラム６１０の中心から上方へ伸びる下部柱状体６２０とを接合することによって構成されていたが、柱状体は、必ずしもこのような構成を採る必要はない。以下、この柱状体のいくつかの変形例を述べておく。
【０１５２】
図２２は、柱状体の第１の変形例を示す部分側断面図である。この図では、説明の便宜上、上方基板５００Ａと下方基板６００Ａのみを抽出して示す。上方基板５００Ａには、上部ダイアフラム５１０が形成されているが、この上部ダイアフラム５１０の下面は平坦であり、柱状体は設けられていない。一方、下方基板６００Ａには、溝部Ｇ５とＧ６とに挟まれて、下部ダイアフラム６１０が形成されており、その中心から上方へ伸びる柱状体６３０が設けられている。そして、この柱状体６３０の上端が上部ダイアフラム５１０の下面中心に接合されており、柱状体６３０を介して、上方基板５００Ａが下方基板６００Ａの上方に支持されている。柱状体６３０は、空隙部Ｇ４を確保するのに適した長さに設定されている。
【０１５３】
もちろん、上方基板５００Ａと下方基板６００Ａとは樹脂材料から構成されており、その表面の所定部分には金属の鍍金層Ｐが形成されることになる。このような構造のものでも、これまで述べてきた第１〜第５の実施形態と同等の機能を果たすことができる。
【０１５４】
一方、図２３は、柱状体の第２の変形例を示す部分側断面図である。この図では、説明の便宜上、上方基板５００Ｂと下方基板６００Ｂのみを抽出して示す。下方基板６００Ｂには、溝部Ｇ５とＧ６とに挟まれて、下部ダイアフラム６１０が形成されているが、この下部ダイアフラム６１０の上面は平坦であり、柱状体は設けられていない。一方、上方基板５００Ｂには、上部ダイアフラム５１０が形成されており、その中心から下方へ伸びる柱状体５３０が設けられている。そして、この柱状体５３０の下端が下部ダイアフラム６１０の上面中心に接合されており、柱状体５３０を介して、上方基板５００Ｂが下方基板６００Ｂの上方に支持されている。柱状体５３０は、空隙部Ｇ４を確保するのに適した長さに設定されている。
【０１５５】
もちろん、上方基板５００Ｂと下方基板６００Ｂとは樹脂材料から構成されており、その表面の所定部分には金属の鍍金層Ｐが形成されることになる。このような構造のものでも、これまで述べてきた第１〜第５の実施形態と同等の機能を果たすことができる。
【０１５６】
更に、図２４は、柱状体の第３の変形例を示す部分側断面図である。この図では、説明の便宜上、上方基板５００Ｃと下方基板６００Ｃのみを抽出して示す。上方基板５００Ｃには、上部ダイアフラム５１０が形成されているが、この上部ダイアフラム５１０の下面は平坦であり、柱状体は設けられていない。また、下方基板６００Ｃには、溝部Ｇ５とＧ６とに挟まれて、下部ダイアフラム６１０が形成されているが、この下部ダイアフラム６１０の上面は平坦であり、柱状体は設けられていない。この変形例では、別体として柱状体９３０が設けられており、その上端は、上部ダイアフラム５１０の下面中心に接合されており、その下端は、下部ダイアフラム６１０の上面中心に接合されている。その結果、柱状体９３０を介して、上方基板５００Ｃが下方基板６００Ｃの上方に支持されている。柱状体９３０は、空隙部Ｇ４を確保するのに適した長さに設定されている。
【０１５７】
もちろん、上方基板５００Ｃと下方基板６００Ｃとは樹脂材料から構成されており、その表面の所定部分には金属の鍍金層Ｐが形成されることになる。柱状体９３０は、上方基板５００Ｃや下方基板６００Ｃと同様に樹脂材料で構成してもよいし、別な材質で構成してもかまわない。このような構造のものでも、これまで述べてきた第１〜第５の実施形態と同等の機能を果たすことができる。
【０１５８】
（７）  ヒステリシス特性を低減する工夫
これまで、樹脂材料からなるダイアフラムにより、ヒステリシス特性（フックの法則に従った線形特性から外れる特性）が生じることを述べたが、このようなヒステリシス特性は、ネジによる接合によっても誘発される。これまで述べてきた第１〜第５の実施形態（図１７〜図２１）では、ネジＮ２を用いて、上部柱状体５２０と下部柱状体６２０とを接合しているが、このようなネジＮ２による接合によっても、ダイアフラムに加わる力と変位との間にヒステリシス特性が生じることになる。
【０１５９】
本願考案者は、このようなヒステリシス特性を低減するための工夫として、図２５に示すような構造が有効であることを確認した。この図２５は、図１７〜図２１に示す実施形態におけるネジＮ２周辺の拡大図であり、上部ダイアフラム５１０の上面中心近傍に隆起部５１５を形成し、この隆起部５１５および上部ダイアフラム５１０を挿通するネジＮ２によって、上部柱状体５２０と下部柱状体６２０との接合を行った状態を示している。このように、上部ダイアフラム５１０の上面中心近傍に隆起部５１５を形成してネジＮ２を挿通するようにすると、隆起部５１５を形成しない場合に比べて、上部ダイアフラム５１０のヒステリシス特性を抑制することができる。
【０１６０】
このような隆起部５１５の形成は、図２２に示す変形例についても有効である。図２６は、図２２に示す変形例について、隆起部５１５を形成した状態を示すネジＮ２周辺の拡大図である。もちろん、隆起部５１５の形成は、図２４に示す変形例についても有効であり、この場合、ネジＮ２は、柱状体９３０に対して固定されることになる。なお、図２３に示す変形例の場合は、下部ダイアフラム６１０にネジＮ２を挿通させるのは、一般的には好ましくないため、柱状体５３０と下部ダイアフラム６１０との間の接合は接着剤などを用いる方法を採るのが好ましいが、もしネジＮ２を用いて接合する場合には、やはり上部ダイアフラム５１０の上面中心近傍に隆起部５１５を形成することができる。
【０１６１】
（８）  基板形状や柱状体配置のバリエーション
本考案を実施するにあたって、受力体４００、上方基板５００、下方基板６００等の形状や、各力伝達体の本数やその配置などには、さまざまなバリエーションが存在する。たとえば、これまで述べてきた例では、受力体４００、上方基板５００、下方基板６００は、いずれも正方形状の基板であったが、もちろん、これらを円形の基板によって構成することも可能である。
【０１６２】
図２７は、輪郭を円形とした変形例に係る下方基板６００Ｄの上面図である。４ヶ所に肉厚の薄い下部ダイアフラム６１０Ｄが設けられ、その中心に、上方へと伸びる下部柱状体６２０Ｄが設けられている点は、図１７〜図２１に示されている実施形態における下方基板６００と同様であるが、下方基板６００Ｄの輪郭は円形となっており、全体的に円盤状の基板となっている。このように、円盤状の下方基板６００Ｄを用いる場合には、上方基板５００や受力体４００も同様に円盤状にするのが好ましい。
【０１６３】
もちろん、各力伝達体の本数やその配置にも様々なバリエーションが存在し、たとえば、前掲の特許文献１および特許文献２には、４本の力伝達体の配置を変えた例や、３本もしくは２本の力伝達体を用いた例なども開示されている。本考案は、このようなバリエーションにも適用可能である。
【０１６４】
（９）  ビーム部で支持された変位板を用いる変形例
これまで述べた実施形態では、いずれも柱状体の上端および下端をダイアフラムで支持する構造をとっていた。たとえば、前掲の図２７に示す例では、下部柱状体６２０Ｄは、下部ダイアフラム６１０Ｄの中心部から上方（紙面に垂直な方向）へと伸びており、下部ダイアフラム６１０Ｄによってその下端が支持されている。下部ダイアフラム６１０Ｄは、円盤状の構造体であり、下方基板６００Ｄの他の部分に比べると肉厚が薄いため、全体的に可撓性を帯びている。このように、柱状体の端部を支持する構造として、「基板の他の部分よりも肉厚が薄いために全体的に可撓性を帯びているダイアフラム」を用いる代わりに、「ビーム部で支持された変位板」を用いることも可能である。
【０１６５】
図２８は、このような変形例に係る下方基板６００Ｅの上面図である。この下方基板６００Ｅは、いわば、図２７に示す下方基板６００Ｄにおいて、下部ダイアフラム６１０Ｄの周縁部４ヶ所に、「ム」の字状の貫通スリットＨ（厚み方向に貫通したスリット）を形成した構造ということができる。このような貫通スリットＨを形成することにより、扇風機の羽根状をした変位板６１０Ｅと、この変位板６１０Ｅを四方から支持するビーム部６４０Ｅが形成される。変位板６１０Ｅもビーム部６４０Ｅも、いずれも下方基板６００Ｅの他の部分に比べると肉厚が薄い部分であるが、特に、ビーム部６４０Ｅは幅も狭いため、十分な可撓性を有することになる。したがって、下部柱状体６２０Ｅからの力が加わると、専ら、ビーム部６４０Ｅに撓みが集中し、変位板６１０Ｅが変位を生じることになる。もちろん、変位板６１０Ｅの下面には、共通電極Ｅｃが形成されているので、変位板６１０Ｅの変位は、容量素子の静電容量値の変化として、検出回路によって検出される。
【０１６６】
図２８では、下方基板６００Ｅの例を示したが、上方基板５００についても、全く同様に、柱状体の端部を支持する構造として、「基板の他の部分よりも肉厚が薄いために全体的に可撓性を帯びているダイアフラム」を用いる代わりに、「ビーム部で支持された変位板」を用いることが可能である。要するに、上方基板の一部分に「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が形成されており、下方基板の一部分に「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が形成されていればよい。図２７に示す例は、下部可撓部を、「基板６００Ｄの他の部分よりも肉厚が薄いために全体的に可撓性を帯びているダイアフラム６１０Ｄ」によって実現した例であり、図２８に示す例は、下部可撓部を、「変位板６１０Ｅと、この変位板６１０Ｅを周囲から支持するビーム部６４０Ｅと」によって実現した例である。なお、後者の場合、少なくともビーム部６４０Ｅが可撓性をもっていれば足り、変位板６１０Ｅは可撓性を有していなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１６７】
【図１】本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置の構成を示す斜視図（一部はブロック図）である。
【図２】図１に示す力検出装置の基本的な動作原理を示す正面図である。
【図３】図１に示す力検出装置における第１のセンサ２１〜第４のセンサ２４として利用するのに適した多軸力センサの一例を示す側断面図（ｘｚ平面で切った断面図）である。
【図４】図３に示す多軸力センサの上面図である。
【図５】図３に示す多軸力センサにおける支持体４０の上面図である（破線は、椀状接続部材の位置を示している）。
【図６】図３に示す多軸力センサに、ｘ軸正方向の力＋ｆｘが加えられたときの状態を示す側断面図である。
【図７】図３に示す多軸力センサに、ｘ軸負方向の力−ｆｘが加えられたときの状態を示す側断面図である。
【図８】図３に示す多軸力センサに、ｚ軸負方向の力−ｆｚが加えられたときの状態を示す側断面図である。
【図９】本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置の上面図である。
【図１０】本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置の第１の側断面図であり、図９に示す装置を切断線１０−１０に沿って切断した断面が示されている。
【図１１】本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置の第２の側断面図であり、図９に示す装置を切断線１１−１１に沿って切断した断面が示されている。
【図１２】本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置をＸＹ平面に沿って切断した状態を示す横断面図である。
【図１３】本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置の支持体３００の上面図である。
【図１４】本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置による各力成分の検出原理を示すテーブルであり、受力体に各力成分が作用したときの各容量素子の静電容量値の変化の態様を示している。
【図１５】図１４に示す各力成分の検出原理を数式を用いて示す図である。
【図１６】本考案の元になる別な先行技術実施形態に係る力検出装置の側断面図であり、図１０の側断面図と同様の位置（図９に示す切断線１０−１０と同等の位置）で切断した断面が示されている。
【図１７】本考案の第１の実施形態（図１６に示す先行技術実施形態を基本として実用的な改良を加えた形態）に係る力検出装置の側断面図である。
【図１８】図１７に示す第１の実施形態の一部を変更することによって得られる第２の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。
【図１９】図１７に示す第１の実施形態の一部を変更することによって得られる第３の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。
【図２０】図１７に示す第１の実施形態の一部を変更することによって得られる第４の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。
【図２１】上段の（ａ）は、図２０に示す第４の実施形態の一部を変更することによって得られる第５の実施形態に係る力検出装置の側断面図であり、下段の（ｂ）は、その部分拡大図である。
【図２２】図１７〜図２０に示す実施形態における柱状体の第１の変形例を示す部分側断面図である。
【図２３】図１７〜図２０に示す実施形態における柱状体の第２の変形例を示す部分側断面図である。
【図２４】図１７〜図２０に示す実施形態における柱状体の第３の変形例を示す部分側断面図である。
【図２５】図１７〜図２０に示す実施形態におけるネジ取り付け部の第１の変形例を示す部分拡大側断面図である。
【図２６】図１７〜図２０に示す実施形態におけるネジ取り付け部の第２の変形例を示す部分拡大側断面図である。
【図２７】輪郭を円形とした変形例に係る下方基板６００Ｄの上面図である。
【図２８】図２７に示す下部ダイアフラム６１０Ｄの代わりに、ビーム部６４０Ｅによって支持された変位板６１０Ｅを用いた変形例に係る下方基板６００Ｅの上面図である。
【符号の説明】
【０１６８】
１０：受力体
１１：第１の力伝達体
１２：第２の力伝達体
１３：第３の力伝達体
１４：第４の力伝達体
２０：支持体
２１：第１のセンサ
２２：第２のセンサ
２３：第３のセンサ
２４：第４のセンサ
３０：検出回路
４０：支持体
５０：椀状接続部材
５１：ダイアフラム（共通電極）
５２：側壁部
５３：固定部
６０：力伝達体
１００，１００Ａ：上方基板
１１０，１１０Ａ：上部柱状体
１１５，１１５Ａ：上部ダイアフラム
１２０，１２０Ａ：上部柱状体
１２５，１２５Ａ：上部ダイアフラム
１３０：上部柱状体
１３５：上部ダイアフラム
１４０：上部柱状体
１４５：上部ダイアフラム
２００：下方基板
２１０：下部柱状体
２１５：下部ダイアフラム
２２０：下部柱状体
２２５：下部ダイアフラム
２３０：下部柱状体
２３５：下部ダイアフラム
２４０：下部柱状体
２４５：下部ダイアフラム
３００：支持基板
４００：受力体
５００，５００Ａ，５００Ｂ，５００Ｃ：上方基板
５１０：上部ダイアフラム
５１５：隆起部
５２０：上部柱状体
５２５：鍍金切欠部
５３０：柱状体
６００，６００Ａ，６００Ｂ，６００Ｃ，６００Ｄ，６００Ｅ：下方基板
６１０，６１０Ｄ：下部ダイアフラム
６１０Ｅ：変位板
６２０，６２０Ｄ，６２０Ｅ：下部柱状体
６３０：柱状体
６４０Ｅ：ビーム部
７００：検出用基板
７５０：検出回路
８００：台座
９００：装置筐体
９３０：柱状体
Ｃ１１〜Ｃ４５：容量素子／容量素子の静電容量値
Ｅ，Ｅ１〜Ｅ５：個別電極
Ｅ１１〜Ｅ１５：第１のセンサ用の個々の個別電極
Ｅ２１〜Ｅ２５：第２のセンサ用の個々の個別電極
Ｅ３１〜Ｅ３５：第３のセンサ用の個々の個別電極
Ｅ４１〜Ｅ４５：第４のセンサ用の個々の個別電極
Ｅｃ：共通電極
Ｆｘ：Ｘ軸方向の力
ｆｘ，ｆｘ′：ｘ軸方向の力
Ｆｙ：Ｙ軸方向の力
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力
ｆｚ：支持体に対して作用する引っ張り力／押圧力
Ｇ１〜Ｇ８：溝部／空隙部
Ｇ１１〜Ｇ３４，Ｇ１１Ａ，Ｇ１２Ａ：溝部
Ｈ：貫通スリット
Ｍｘ：Ｘ軸まわりのモーメント
Ｍｙ：Ｙ軸まわりのモーメント
Ｍｚ：Ｚ軸まわりのモーメント
Ｎ１〜Ｎ４：ネジ
Ｏ：座標系の原点
Ｐ：金属の鍍金層
Ｐ１〜Ｐ４：上方基板１００上の点
Ｓ１〜Ｓ４：多軸力センサ
Ｔ１〜Ｔ４：力伝達体
Ｗ０〜Ｗ３：配線
ＸＹＺ：受力体の中心位置に原点をもつ座標系
ｘｙ：支持体の上面に定義された座標系
θ１，θ２：傾斜角度
【図１】
0003136188.tif 000003
【図２】
0003136188.tif 000004
【図３】
0003136188.tif 000005
【図４】
0003136188.tif 000006
【図５】
0003136188.tif 000007
【図６】
0003136188.tif 000008
【図７】
0003136188.tif 000009
【図８】
0003136188.tif 000010
【図９】
0003136188.tif 000011
【図１０】
0003136188.tif 000012
【図１１】
0003136188.tif 000013
【図１２】
0003136188.tif 000014
【図１３】
0003136188.tif 000015
【図１４】
0003136188.tif 000016
【図１５】
0003136188.tif 000017
【図１６】
0003136188.tif 000018
【図１７】
0003136188.tif 000019
【図１８】
0003136188.tif 000020
【図１９】
0003136188.tif 000021
【図２０】
0003136188.tif 000022
【図２１】
0003136188.tif 000023
【図２２】
0003136188.tif 000024
【図２３】
0003136188.tif 000025
【図２４】
0003136188.tif 000026
【図２５】
0003136188.tif 000027
【図２６】
0003136188.tif 000028
【図２７】
0003136188.tif 000029
【図２８】
0003136188.tif 000030