力検出装置
【課題】 構造を単純化し、他軸成分の干渉を排除し、力とモーメントとを区別して検出する。
【解決手段】 支持基板３００上のＸ軸の正負およびＹ軸の正負の４カ所の円形領域に、電極Ｅ１〜Ｅ８，Ｆ１〜Ｆ８を形成する。各円形領域の上方には、所定距離をおいて、導電性可撓性肉薄円板を配置し、対向電極との間で容量素子を形成する。各肉薄円板の上面中央には柱状体の下端を固定し、各柱状体の上端には受力体を取り付ける。受力体に力が作用すると、４本の柱状体が傾斜したり、上下に変位したりして、各容量素子の静電容量値が変化する。電極Ｅ１〜Ｅ８によって構成される主容量素子の静電容量値の変化に基づき、各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを検出する。このとき、電極Ｆ１〜Ｆ８によって構成される副容量素子の静電容量値の変化に基づき、他軸成分の干渉を相殺する。
【解決手段】 支持基板３００上のＸ軸の正負およびＹ軸の正負の４カ所の円形領域に、電極Ｅ１〜Ｅ８，Ｆ１〜Ｆ８を形成する。各円形領域の上方には、所定距離をおいて、導電性可撓性肉薄円板を配置し、対向電極との間で容量素子を形成する。各肉薄円板の上面中央には柱状体の下端を固定し、各柱状体の上端には受力体を取り付ける。受力体に力が作用すると、４本の柱状体が傾斜したり、上下に変位したりして、各容量素子の静電容量値が変化する。電極Ｅ１〜Ｅ８によって構成される主容量素子の静電容量値の変化に基づき、各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと各座標軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚとを検出する。このとき、電極Ｆ１〜Ｆ８によって構成される副容量素子の静電容量値の変化に基づき、他軸成分の干渉を相殺する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明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。
【０００４】
このような６つの力成分をそれぞれ独立して検出することができる力検出装置として、たとえば、下記の特許文献１には、比較的単純な構造をもった装置が開示されている。この特許文献１に開示された技術は、既に米国特許第６９１５７０９号・米国特許第７１２１１４７号・欧州特許第１４６４９３９号が付与されている技術であり、受力体と支持基板とを複数の柱状体で接続した構造物を用意し、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定することにより、受力体に加わった力の各成分を検出するものである。
【０００５】
また、下記の特許文献２に開示されている技術も、既に米国特許第７２１９５６１号が付与されている技術である。この技術によれば、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定するセンサとして静電容量素子を用い、この静電容量素子を構成する特定の電極間に配線を施すことにより、受力体に加わった力の各成分を検出するための演算を単純化することが可能になる。
【０００６】
一方、下記の特許文献３には、８個の容量素子のみを用いて、６つの力成分をそれぞれ独立して検出する技術が開示されている。この技術によれば、容量素子の形成に必要な電極構造をより単純化することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３５４０４９号公報
【特許文献２】特開２００４−３２５３６７号公報
【特許文献３】特開２００８−０９６２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したとおり、特許文献１〜３に開示されている力検出装置は、比較的単純な構造により、各座標軸方向の力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、各座標軸まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとの６つの成分をそれぞれ独立して検出することが可能である。しかしながら、実用上は、他軸成分の干渉を完全に排除した状態で、必要な成分のみの正確な測定値を得ることは困難であり、他軸成分の干渉による測定精度の低下は避けられない。もちろん、このような他軸成分の干渉程度が、個々の用途に応じた許容誤差範囲内であれば支障はないが、最近は、様々な利用分野において、より測定精度の高い力検出装置が望まれている。
【０００９】
そこで本発明は、できるたけ単純な構造をもち、しかも他軸成分の干渉を排除し、力とモーメントとを区別して検出することが可能な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】
【００１０】
(1) 本発明の第１の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための４本の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
４本の柱状体の各上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続されており、４本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、
ＸＹ平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするＺ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、
４本の柱状体は、その中心軸がいずれもＺ軸に平行になるように配置されており、第１の柱状体は、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体は、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体は、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体は、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置され、
第１の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第１のセンサが配置され、
第２の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第２のセンサが配置され、
第３の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第３のセンサが配置され、
第４の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第４のセンサが配置され、
第１のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第１の主容量素子と、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第２の主容量素子と、を有し、
第２のセンサは、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第３の主容量素子と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第４の主容量素子と、を有し、
第３のセンサは、第２の副容量素子と、第４の副容量素子と、を有し、
第４のセンサは、第１の副容量素子と、第３の副容量素子と、を有し、
各容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力の所定方向成分を検出する検出回路を更に備え、
受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合に、第１の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第１の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第２の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第２の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第３の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第３の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第４の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第４の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるように、各容量素子が構成され、
検出回路が、第１の主容量素子の静電容量値をＣ１、第１の副容量素子の静電容量値をＤ１、第２の主容量素子の静電容量値をＣ２、第２の副容量素子の静電容量値をＤ２、第３の主容量素子の静電容量値をＣ３、第３の副容量素子の静電容量値をＤ３、第４の主容量素子の静電容量値をＣ４、第４の副容量素子の静電容量値をＤ４としたときに、受力体に作用した力のＹ軸方向成分Ｆｙを、
Ｆｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００１１】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを、
Ｍｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００１２】
(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＺ軸方向成分Ｆｚを、
Ｆｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４））
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００１３】
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１〜第３の態様に係る力検出装置において、
第１の主容量素子と第１の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第２の主容量素子と第２の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第３の主容量素子と第３の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第４の主容量素子と第４の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、を更に設け、
検出回路が、第１の主容量素子と第１の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ１＋Ｄ１」の値として用い、第２の主容量素子と第２の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ２＋Ｄ２」の値として用い、第３の主容量素子と第３の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ３＋Ｄ３」の値として用い、第４の主容量素子と第４の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ４＋Ｄ４」の値として用いるようにしたものである。
【００１４】
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る力検出装置において、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が、同一のセンサを構成する複数の容量素子についての共通電極として機能するようにしたものである。
【００１５】
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第５の態様に係る力検出装置において、
第１〜第４の主容量素子を構成する支持基板側の４枚の電極が、同一形状および同一サイズの電極によって構成されており、かつ、これら４枚の電極配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっているようにしたものである。
【００１６】
(7) 本発明の第７の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための４本の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
４本の柱状体の各上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続されており、４本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、
ＸＹ平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするＺ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、
４本の柱状体は、その中心軸がいずれもＺ軸に平行になるように配置されており、第１の柱状体は、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体は、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体は、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体は、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置され、
第１の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第１のセンサが配置され、
第２の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第２のセンサが配置され、
第３の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第３のセンサが配置され、
第４の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第４のセンサが配置され、
第１のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第１の主容量素子と、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第２の主容量素子と、第６の副容量素子と、第８の副容量素子と、を有し、
第２のセンサは、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第３の主容量素子と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第４の主容量素子と、第５の副容量素子と、第７の副容量素子と、を有し、
第３のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第５の主容量素子と、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第６の主容量素子と、第２の副容量素子と、第４の副容量素子と、を有し、
第４のセンサは、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第７の主容量素子と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第８の主容量素子と、第１の副容量素子と、第３の副容量素子と、を有し、
各容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力の所定方向成分を検出する検出回路を更に備え、
受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合に、第１の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第１の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第２の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第２の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第３の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第３の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第４の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第４の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、
受力体にＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合に、第５の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第５の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第６の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第６の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第７の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第７の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第８の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第８の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるように、各容量素子が構成され、
検出回路が、第１の主容量素子の静電容量値をＣ１、第１の副容量素子の静電容量値をＤ１、第２の主容量素子の静電容量値をＣ２、第２の副容量素子の静電容量値をＤ２、第３の主容量素子の静電容量値をＣ３、第３の副容量素子の静電容量値をＤ３、第４の主容量素子の静電容量値をＣ４、第４の副容量素子の静電容量値をＤ４、第５の主容量素子の静電容量値をＣ５、第５の副容量素子の静電容量値をＤ５、第６の主容量素子の静電容量値をＣ６、第６の副容量素子の静電容量値をＤ６、第７の主容量素子の静電容量値をＣ７、第７の副容量素子の静電容量値をＤ７、第８の主容量素子の静電容量値をＣ８、第８の副容量素子の静電容量値をＤ８、としたときに、
受力体に作用した力のＹ軸方向成分Ｆｙを、
Ｆｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求め、
受力体に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘを、
Ｆｘ＝（Ｃ５＋Ｄ５）−（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）−（Ｃ８＋Ｄ８）
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００１７】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第７の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを、
Ｍｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求め、受力体に作用した力のＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘを、
Ｍｘ＝−（Ｃ５＋Ｄ５）−（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８）
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００１８】
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第７または第８の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＺ軸方向成分Ｆｚを、
Ｆｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）＋（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８））
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００１９】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第７〜第９の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＺ軸まわりのモーメント成分Ｍｚを、
Ｍｚ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）−（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）−（Ｃ８＋Ｄ８）
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００２０】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第７〜第１０の態様に係る力検出装置において、
第１の主容量素子と第１の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第２の主容量素子と第２の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第３の主容量素子と第３の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第４の主容量素子と第４の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第５の主容量素子と第５の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第６の主容量素子と第６の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第７の主容量素子と第７の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第８の主容量素子と第８の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、を更に設け、
検出回路が、第１の主容量素子と第１の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ１＋Ｄ１」の値として用い、第２の主容量素子と第２の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ２＋Ｄ２」の値として用い、第３の主容量素子と第３の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ３＋Ｄ３」の値として用い、第４の主容量素子と第４の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ４＋Ｄ４」の値として用い、第５の主容量素子と第５の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ５＋Ｄ５」の値として用い、第６の主容量素子と第６の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ６＋Ｄ６」の値として用い、第７の主容量素子と第７の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ７＋Ｄ７」の値として用い、第８の主容量素子と第８の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ８＋Ｄ８」の値として用いるようにしたものである。
【００２１】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第７〜第１１の態様に係る力検出装置において、
４本の柱状体が、同一形状および同一サイズの構造体によって構成されており、かつ、これら４本の柱状体の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっているようにしたものである。
【００２２】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１２の態様に係る力検出装置において、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が、同一のセンサを構成する複数の容量素子についての共通電極として機能するようにしたものである。
【００２３】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第１３の態様に係る力検出装置において、
第１〜第８の主容量素子を構成する支持基板側の８枚の電極が、同一形状および同一サイズの電極によって構成されており、かつ、これら８枚の電極の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっているようにしたものである。
【００２４】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述の第１４の態様に係る力検出装置において、
第１および第２の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体の中心軸を中心にして配置された第１の環状帯をＸ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第３および第４の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体の中心軸を中心にして配置された第２の環状帯をＸ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第５および第６の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体の中心軸を中心にして配置された第３の環状帯をＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第７および第８の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体の中心軸を中心にして配置された第４の環状帯をＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の環状帯によって囲まれた内側領域に配置されているようにしたものである。
【００２５】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述の第１５の態様に係る力検出装置において、
各柱状体が円柱状構造体からなり、各下端側肉薄部が円盤状構造体からなり、各環状帯が円環状構造体からなるようにしたものである。
【００２６】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述の第１６の態様に係る力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成されているようにしたものである。
【００２７】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述の第１６の態様に係る力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｘ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｘ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｙ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｙ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成されているようにしたものである。
【００２８】
(19) 本発明の第１９の態様は、上述の第１６の態様に係る力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＹ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＹ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＸ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＸ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成されているようにしたものである。
【００２９】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述の第１４〜第１６の態様に係る力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第１の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面と、ＸＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第２の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面と、ＸＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第３の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面と、ＹＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第４の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面と、ＹＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなすようにしたものである。
【００３０】
(21) 本発明の第２１の態様は、上述の第１４〜第１６の態様に係る力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第１の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第２の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第３の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第４の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなすようにしたものである。
【００３１】
(22) 本発明の第２２の態様は、上述の第１〜第２１の態様に係る力検出装置において、
主容量素子を構成する電極の面積と、これに対応する副容量素子を構成する電極の面積との比を、受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘもしくはＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合に、主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるような面積比に設定したものである。
【００３２】
(23) 本発明の第２３の態様は、上述の第１〜第２２の態様に係る力検出装置において、
４本の柱状体の各上端を受力体に接続するための可撓性をもった部材として、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続された上端側肉薄部が設けられているようにしたものである。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係る力検出装置によれば、受力体と支持基板とを４本の柱状体で接続し、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定することにより、受力体に加わった力の各成分を検出することができるため、構造が非常に単純な検出装置を実現することができる。しかも、基本的には、主容量素子を用いて各力成分をそれぞれ独立して検出する構成を採りつつ、個々の主容量素子にそれぞれ対応する副容量素子を設け、他軸成分の干渉要素をキャンセルできるようにしたため、他軸成分の干渉を排除し、力とモーメントとを区別して検出することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る力検出装置の基本構成を示す斜視図（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】本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の上面図である。
【図４】本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の第１の側断面図であり、図３に示す装置をＸＺ平面に沿って切断した断面が示されている。
【図５】本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の第２の側断面図であり、図３に示す装置をＹＺ平面に沿って切断した断面が示されている。
【図６】図４，図５に示す力検出装置の受力体１００を、Ｘ′Ｙ′平面に沿って切断した状態を示す横断面図である。
【図７】図４，図５に示す力検出装置の中間体２００を、切断線７−７に沿って切断した状態を示す横断面図である。
【図８】図４，図５に示す力検出装置の中間体２００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９】図４，図５に示す力検出装置の支持基板３００の上面図である。
【図１０】本発明の実用的な実施形態に係る力検出装置のＸＺ側断面図である。
【図１１】図１０に示す力検出装置にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの構造体の変形態様を示す側断面図である。
【図１２】図１０に示す力検出装置にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの構造体の変形態様を示す側断面図である。
【図１３】図１０に示す力検出装置にＹ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの構造体の仮想的な変形態様を示す側断面図である。
【図１４】図１０に示す力検出装置において、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８を用いた各力成分の基本的な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主容量素子の静電容量値の変化の態様を示している（モーメントの作用に関しては、図１４に示す仮想的な変形態様を前提としており、他軸干渉成分を考慮しない態様を示している）。
【図１５】図１４に示すテーブルに基づいて、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値を用いて各力成分を検出する原理を数式を用いて示す図である。
【図１６】図１４および図１５に示す原理に基づく検出を行った場合に、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘによるＹ軸方向の力Ｆｙへの他軸干渉が生じる測定結果を示すグラフである。
【図１７】他軸干渉成分を考慮して、図１４に示すテーブルを補正したテーブルである（太線で囲った欄は、補正対象となった欄である）。
【図１８】図９に示されている１６枚の電極の拡大平面図である。
【図１９】図１０に示す力検出装置において、受力体に各力成分が作用したときの各副容量素子の静電容量値の変化の態様を示すテーブルである（太線で囲った欄は、副容量素子の静電容量値に変化が生じる欄である）。
【図２０】図１７に示す８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図１９に示す８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである（太線で囲った欄は、副容量素子の静電容量値に変化が生じる欄である）。
【図２１】図２０に示すテーブルに基づいて、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８および８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値を用いて各力成分を検出する原理を数式を用いて示す図である。
【図２２】主容量素子を構成する電極と副容量素子を構成する電極との面積比を決定するための実験方法の一例を示す側断面図である。
【図２３】図１８に示されている１６枚の電極に対する配線例を示す拡大平面図である。
【図２４】図１８に示されている１６枚の電極の第１の変形例（副容量素子を構成する８枚の電極Ｆ１〜Ｆ８の形状および配置が異なる）を示す拡大平面図である。
【図２５】図２４に示す第１の変形例において、受力体に各力成分が作用したときの各副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値の変化の態様を示すテーブルである。
【図２６】図１７に示す８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図２５に示す８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。
【図２７】図１８に示されている１６枚の電極の第２の変形例（副容量素子を構成する８枚の電極Ｆ１〜Ｆ８の形状および配置が異なる）を示す拡大平面図である。
【図２８】図２７に示す第２の変形例において、受力体に各力成分が作用したときの各副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値の変化の態様を示すテーブルである。
【図２９】図１７に示す８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図２８に示す８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。
【図３０】主容量素子Ｃ１を構成する電極Ｅ１に対して、副容量素子Ｄ１を構成する電極Ｆ１の配置を説明する平面図である。
【図３１】主容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する電極Ｅ１，Ｅ２に対して、副容量素子Ｄ１，Ｄ２を構成する電極Ｆ１，Ｆ２の配置の一例（図１８の実施例に対応する例）を説明する平面図である。
【図３２】主容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する電極Ｅ１，Ｅ２に対して、副容量素子Ｄ１，Ｄ２を構成する電極Ｆ１，Ｆ２の配置の別な一例（図２４の第１の変形例に対応する例）を説明する平面図である。
【図３３】主容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する電極Ｅ１，Ｅ２に対して、副容量素子Ｄ１，Ｄ２を構成する電極Ｆ１，Ｆ２の配置の更に別な一例（図２７の第２の変形例に対応する例）を説明する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００３６】
＜＜＜ §１． 装置の基本構造 ＞＞＞
はじめに、本発明に係る力検出装置の基本構造を説明する。なお、この基本構造それ自身は、前述した特許文献１〜３において、既に開示されているものである。
【００３７】
図１に示すとおり、本発明に係る力検出装置の基本構成要素は、受力体１０、第１の柱状体１１、第２の柱状体１２、第３の柱状体１３、第４の柱状体１４、支持基板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。
【００３８】
ここでは、説明の便宜上、ＸＹＺ三次元座標系と、これを上方に平行移動させたＸ′Ｙ′Ｚ′補助座標系を定義する。図示の例の場合、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏは、支持基板２０の上面中心位置に定義されており、支持基板２０の上面がＸＹ平面に含まれるようになっている。図の右方がＸ軸正方向、図の斜め奥がＹ軸正方向、図の上方がＺ軸正方向である。一方、Ｘ′Ｙ′Ｚ′補助座標系の原点Ｏ′は、原点ＯをＺ軸正方向に所定距離移動させた位置にある。具体的には、原点Ｏ′は受力体１０の中心部に位置している。したがって、Ｘ軸とＸ′軸とは平行であり、Ｙ軸とＹ′軸とは平行であり、Ｚ軸とＺ′軸とは重なり合っている。
【００３９】
受力体１０は、検出対象となる力を受ける構成要素であり、Ｘ′Ｙ′Ｚ′補助座標系の原点Ｏ′を受力体１０の中心部にとったのは、この受力体１０に作用する力を説明するための便宜である。図には、受力体１０に対して作用する、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚを、それぞれＸ′軸、Ｙ′軸、Ｚ′軸に沿った矢印として示してあるが、もちろん、これらの力はそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸にも平行な力であり、受力体１０に対して加えられた力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分、Ｚ軸方向成分を示すものになる。
【００４０】
このように、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚについては、Ｘ′Ｙ′Ｚ′補助座標系の各座標軸に沿った力と考えても、ＸＹＺ三次元座標系の各座標軸に沿った力と考えても、物理量としての本質に相違はないが、モーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚについては、座標系の原点位置をどこにとるかによって物理量としての本質は変わってくる。特に、本発明は、他軸成分の干渉を排除した高い測定精度をもつ力検出装置に係るものであるため、ここでは、ＸＹＺ三次元座標系とＸ′Ｙ′Ｚ′補助座標系とを明確に区別して取り扱うことにする。
【００４１】
すなわち、本発明に係る力検出装置の検出対象となる力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚは、あくまでもＸＹＺ三次元座標系の各座標軸方向に作用する力および各座標軸まわりに作用するモーメントであり、図１において、モーメントＭｘ，Ｍｙを示す矢印がそれぞれＸ軸およびＹ軸まわりに描かれているのはこのためである（Ｚ軸とＺ′軸とは重なるので、モーメントＭｚはＺ′軸まわりのモーメントと考えても支障ない）。別言すれば、モーメントＭｘやＭｙが直接的に作用する物体は受力体１０であるが、これらのモーメントは、受力体１０を、その中心位置にある原点Ｏ′を中心として回転させる作用を果たすのではなく、受力体１０を、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏを中心として回転させる作用を果たすことになる。
【００４２】
結局、この力検出装置は、ＸＹＺ三次元座標系において、受力体１０に作用する力のＸ軸方向成分Ｆｘ、Ｙ軸方向成分Ｆｙ、Ｚ軸方向成分Ｆｚと、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ、Ｚ軸まわりのモーメント成分Ｍｚをそれぞれ独立して検出する機能を有することになる。
【００４３】
なお、本願では、「力」という文言は、特定の座標軸方向の力成分を意味する場合と、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。
【００４４】
支持基板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、ここに示す例の場合、支持基板２０の上面は、ＸＹ平面に含まれる。この力検出装置は、この支持基板２０を固定した状態において、受力体１０に作用した力を検出することになる。
【００４５】
第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４は、受力体１０と支持基板２０とを接続する部材であり、いずれもその中心軸がＺ軸に平行になるように配置されている。しかも、第１の柱状体１１は、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体１２は、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体１３は、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体１４は、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置されている。
【００４６】
また、実用上は、第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４は、全く同じ材質、全く同じ形状、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・形状・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・形状・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。同様の理由により、各柱状体の形状および配置のパターンは、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっているのが好ましい。
【００４７】
なお、図１には示されていないが、各柱状体１１〜１４の上端は、受力体１０に対して、可撓性をもった部材を介して接続されており、各柱状体１１〜１４の下端は、支持基板２０に対して、可撓性をもった接続部材を介して接続されている。要するに、第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４は、受力体１０に対しても、支持基板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は支持基板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と支持基板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。
【００４８】
結局、図１に示す例の場合、第１の柱状体１１〜第４の柱状体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の柱状体１１〜第４の柱状体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の柱状体１１〜第４の柱状体１４は、受力体１０や支持基板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、接続部材が伸縮し、受力体１０と支持基板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、接続部材が伸縮し、受力体１０と支持基板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。
【００４９】
第１のセンサ２１〜第４のセンサ２４は、それぞれ第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４の傾斜を検出するとともに、第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４から支持基板２０に向かって加えられるＺ軸方向に関する力を検出する力センサである。具体的には、後述するように、これらのセンサは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、各柱状体１１〜１４を介して、支持基板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によって、各柱状体１１〜１４の下端部近傍に生じる力学的な現象を検出する機能を有している。より具体的には、後に詳述するように、柱状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、柱状体の傾斜度を検知する機能と、柱状体全体が、支持基板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。
【００５０】
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、上述した柱状体の傾斜度や、支持基板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。
【００５１】
＜＜＜ §２． 力とモーメントを区別して検出する原理 ＞＞＞
続いて、図２の正面図を参照しながら、図１に示す力検出装置において、力とモーメントを区別して検出することが可能な原理を説明する。なお、図２では、説明の便宜上、第１の柱状体１１および第２の柱状体１２の変位形態のみを示すが、第３の柱状体１３および第４の柱状体１４についても所定の変位が生じることになる。
【００５２】
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、支持基板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などの重量が支持基板２０上に加わっているので、支持基板２０は、第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４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〜第４のセンサ２４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、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。
【００５３】
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の柱状体１１および第２の柱状体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の柱状体１１の傾斜度をθ１、第２の柱状体１２の傾斜度をθ２と呼ぶことにする。
【００５４】
なお、図には示されていないが、このとき、第３の柱状体１３および第４の柱状体１４も、同様に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３の柱状体１３のＸ軸方向に関する傾斜度をθ３、第４の柱状体１４のＸ軸方向に関する傾斜度をθ４と呼ぶ。このようにＸＺ平面内もしくは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〜θ４を、「Ｘ軸方向に関する傾斜度」と呼ぶことにする。
【００５５】
同様に、受力体１０に対して、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合は、第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４は、いずれもＹ軸正方向（図の紙面奥行き方向）へと傾斜する。ここでは、このようにＹＺ平面内もしくは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」と呼ぶことにする。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、各柱状体のＹ軸方向の傾斜度は０である。
【００５６】
なお、各柱状体１１〜１４が傾斜すると、受力体１０と支持基板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。
【００５７】
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軸は原点Ｏの位置において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、本願では、所定の座標軸の正方向に右ネジを進める場合の当該右ネジの回転方向を、当該座標軸まわりの正のモーメントと定義することにする。前述したとおり、モーメント＋Ｍｙは、受力体１０を原点Ｏ′を中心として回転させる力ではなく、原点Ｏを中心として回転させる力になる（両者の誤差が許容範囲であれば、モーメントを原点Ｏ′を中心とする回転力として取り扱っても問題ない。）。
【００５８】
さて、この場合、図示のとおり、第１の柱状体１１については上下方向に縮小力が作用し、第２の柱状体１２については上下方向に伸張力が作用することになる。その結果、第１の柱状体１１から支持基板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の柱状体１２から支持基板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。このとき、第３の柱状体１３および第４の柱状体１４から支持基板２０に対しては、部分的に押圧力や引っ張り力が加えられるものの、加えられる力はトータルでは相殺されて零になる。
【００５９】
図１に矢印で示されているとおり、受力体１０に作用するＸ軸方向の力Ｆｘと、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙとは、受力体１０に対して似たような変位作用を及ぼすことになるが、図２に示すような動的挙動をとる構造体を有する力検出装置では、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、４本の柱状体１１〜１４を介して支持基板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。
【００６０】
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、４本の柱状体１１〜１４は、Ｘ軸方向に傾斜し、傾斜度θ１〜θ４を生じることになり（図には、柱状体１１，１２の変位態様のみが例示されている）、このような傾斜に応じた力が支持基板２０へと伝達される。これらの傾斜度θ１，θ２，θ３，θ４は、いずれも、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。
【００６１】
本発明では、後述するように、各柱状体１１〜１４の傾斜度は、各センサ２１〜２４によって、支持基板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、各柱状体から支持基板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の柱状体１１と支持基板２０との接続部分に生じる応力を考えてみると、第１の柱状体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の柱状体１１は右側に傾斜しているので、第１の柱状体１１の底部の右側部分については押圧力が生じ、支持基板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、支持基板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の柱状体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の柱状体１１の傾斜度を得ることができる。他の柱状体１２，１３，１４の傾斜度検出も同様の方法で行うことができる。
【００６２】
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本の柱状体１１，１２から支持基板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、柱状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) に示すように柱状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の柱状体１１全体により押圧力−ｆｚが加えられ、第２の柱状体１２全体により引っ張り力＋ｆｚが加えられることになる。
【００６３】
このように、Ｘ軸方向の力Ｆｘの作用に対しては、第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４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の柱状体１１および第２の柱状体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。
【００６４】
結局、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の柱状体１１全体から支持基板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の柱状体１２全体から支持基板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の柱状体１１全体から支持基板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の柱状体１２全体から支持基板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。
【００６５】
以上、図２を参照しながら、受力体１０に作用するＸ軸方向の力Ｆｘと、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙと、を区別して検出する原理を説明したが、この、図２の動作説明におけるＸ軸をＹ軸におきかえれば、同様の方法で、受力体１０に作用するＹ軸方向の力Ｆｙと、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘと、を区別して検出することができる。
【００６６】
また、受力体１０に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合は、４本の柱状体１１〜１４のすべてから支持基板２０に対して押圧力−ｆｚが加わることになり、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した場合は、４本の柱状体１１〜１４のすべてから支持基板２０に対して引っ張り力＋ｆｚが加わることになる。したがって、作用したＺ軸方向の力Ｆｚは、４本の柱状体１１〜１４から加えられた押圧力−ｆｚの和もしくは引っ張り力＋ｆｚの和として求めることができる。
【００６７】
更に、受力体１０に、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが作用した場合は、４本の柱状体１１〜１４が、上方から観察したときに、時計まわりもしくは反時計まわりに傾斜することになるので、４本の柱状体１１〜１４それぞれの傾斜方向を検知することにより、モーメントＭｚの検出も可能である。
【００６８】
＜＜＜ §３． 具体的な実施形態の構造 ＞＞＞
続いて、本発明の具体的な実施形態に係る力検出装置の主たる構造部分を、図３〜図９を用いて説明する。
【００６９】
図３は、本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の上面図である。この装置を、ＸＺ平面で切断した側断面図が図４に示されており、ＹＺ平面で切断した側断面図が図５に示されている。図４もしくは図５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、受力体１００、中間体２００、支持基板３００であり、いずれも上面がＸＹ平面に平行な正方形状をした板状の部材を基本形態としている。図４および図５は、互いに切断位置が異なる側断面図であるが、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。これは、この装置の基本構造が、ＸＺ平面に関して面対称であり、かつ、ＹＺ平面に関しても面対称であるためである。
【００７０】
§１で述べた例と同様に、この例でも、ＸＹＺ三次元座標系と、これをＺ軸方向に平行移動したＸ′Ｙ′Ｚ′補助座標系とが定義されている。Ｘ′Ｙ′Ｚ′補助座標系は、受力体１００の中心位置に原点Ｏ′をもった座標系である。一方、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏは、支持基板３００の上面中心点を、Ｚ軸正方向に若干ずらした位置に定義されている。図４および図５において、原点Ｏが支持基板３００の上面から若干上方にずれており、Ｘ軸およびＹ軸が支持基板３００の上面位置から若干上方にずれているのはこのためである。
【００７１】
そもそもＸＹＺ三次元座標系は、概念的に定義された座標系であり、その原点Ｏをどの位置に定義しようが、この力検出装置の物理的構造に影響があるわけではない。しかしながら、この力検出装置を用いて、高精度の測定を行うことを意図している利用者に対しては、この検出装置によって正確に検出されるモーメントが、特定の原点Ｏをもつ座標軸まわりのモーメントであることを明確にしておく必要がある。そして、後述するように、本発明のポイントとなる他軸干渉を排除するための補正は、当該特定の原点Ｏをもつ座標軸まわりのモーメントについての干渉を相殺するような補正となる。したがって、本発明を実施する上では、このような補正が正確な意味をもつようにするために、特定の原点Ｏを設定しておく必要がある。
【００７２】
この特定の原点Ｏは、§１で述べた例と同様に、支持基板３００の上面中心点の位置に定義してもかまわない。ただ、本願発明者は、ここに図示する実施形態の場合は、この原点Ｏの位置を、若干上方に定義した方が、より好ましい結果が得られると考えている。これは、後述するとおり、本発明では、各センサ２１〜２４として、静電容量素子からなるセンサを用いて、各柱状体の下端に作用した力（傾斜度）の検出が行われるため、この容量素子の中心位置、すなわち、容量素子を構成する一対の電極間の中間位置に、ＸＹ平面が位置するような座標系を定義するのが最も好ましいと考えられるからである。したがって、ここに示す実施形態の場合、原点Ｏの位置は、電極の厚みを無視した場合、支持基板３００の上面の中心点を、容量素子を構成する一対の電極間距離の１／２だけ上方に移動させた位置ということになる。
【００７３】
もっとも、原点Ｏの理想的な位置を理論的に解析することは容易ではないので、実際の力検出装置の構造によっては、必ずしも上述の位置に原点Ｏを定義するのが最適であるとは限らない。原点Ｏの位置は、それほど厳密に定義する必要はなく、支持基板の中央付近の上面もしくはその上方の所定点に定義しておけば、実用上、本発明の効果は十分に得られる。
【００７４】
さて、上面が正方形状をした板状の部材からなる受力体１００、中間体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。
【００７５】
受力体１００は、図３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。図６は、この受力体１００をＸ′Ｙ′平面で切断した状態を示す横断面図である。
【００７６】
図６に示されているとおり、４本の円柱突起部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、板状の受力体１００には、図３，図４，図５に示すように、可撓性をもった上端側肉薄部１１５，１２５，１３５，１４５が形成されている。結局、４本の円柱突起部１１０，１２０，１３０，１４０は、上端側肉薄部１１５，１２５，１３５，１４５を介して、板状の受力体１００に接続されていることになる。
【００７７】
一方、中間体２００は、支持基板３００の上面に接合された部材であり、基本的には、上面が正方形状をした板状部材である。図４，図５に示すように、この中間体２００の上面からは、４本の円柱突起部２１０，２２０，２３０，２４０が上方へと伸びている。これら４本の円柱突起部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、この中間体２００の下面には、円柱状の溝部Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ３３，Ｇ３４が形成されている。中間体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、いずれも円柱突起部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。
【００７８】
図４に示すとおり、溝部Ｇ２１とＧ３１との間には、下端側肉薄部２１５が境界壁として存在し、溝部Ｇ２２とＧ３２との間には、下端側肉薄部２２５が境界壁として存在する。また、図５に示すとおり、溝部Ｇ２３とＧ３３との間には、下端側肉薄部２３５が境界壁として存在し、溝部Ｇ２４とＧ３４との間には、下端側肉薄部２４５が境界壁として存在する。
【００７９】
図７は、この図４，図５に示す中間体２００を、切断線７−７に沿って切断した状態を示す横断面図である。４本の円柱突起部２１０，２２０，２３０，２４０の周囲に、溝部Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ２３，Ｇ２４が形成されている状態が明瞭に示されている。また、図８は、この図４，図５に示す中間体２００を、ＸＹ平面に沿って切断した状態を示す横断面図であり、溝部Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ３３，Ｇ３４の配置が明瞭に示されている。
【００８０】
この中間体２００の下面に接合された支持基板３００は、図９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、固定電極Ｅ１〜Ｅ８，Ｆ１〜Ｆ８が配置されている。後述するように、固定電極Ｅ１〜Ｅ８は、それぞれ主容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成するために支持基板３００の上面に固定された電極であり、ここでは「主固定電極」と呼ぶことにする。一方、固定電極Ｆ１〜Ｆ８は、それぞれ副容量素子Ｄ１〜Ｄ８を構成するために支持基板３００の上面に固定された電極であり、ここでは「副固定電極」と呼ぶことにする。図９では、これら１６枚の固定電極の形状を明瞭に示すために、各電極の内部にハッチングを施して示してある（図９におけるハッチングは、断面を示すためのものではない）。
【００８１】
受力体１００側から下方に伸びた４本の円柱突起部１１０，１２０，１３０，１４０の下面は、中間体２００側から上方に伸びた４本の円柱突起部２１０，２２０，２３０，２４０の上面に接合されている。ここでは、図４に示すように、円柱突起部１１０と円柱突起部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の柱状体Ｔ１と呼び、円柱突起部１２０と円柱突起部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の柱状体Ｔ２と呼ぶことにする。また、図５に示すように、円柱突起部１３０と円柱突起部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の柱状体Ｔ３と呼び、円柱突起部１４０と円柱突起部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の柱状体Ｔ４と呼ぶことにする。
【００８２】
図３の上面図を見ればわかるように、この４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４のＸＹ平面上への投影位置を考えると、第１の柱状体Ｔ１は、その中心軸がＺ軸に平行になり、かつ、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体Ｔ２は、その中心軸がＺ軸に平行になり、かつ、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体Ｔ３は、その中心軸がＺ軸に平行になり、かつ、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体Ｔ４は、その中心軸がＺ軸に平行になり、かつ、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置されている。
【００８３】
また、図４に示すとおり、第１の柱状体Ｔ１の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部１１５を接続部材として受力体１００に接続されており、第２の柱状体Ｔ２の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部１２５を接続部材として受力体１００に接続されており、図５に示すとおり、第３の柱状体Ｔ３の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部１３５を接続部材として受力体１００に接続されており、第４の柱状体Ｔ４の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部１４５を接続部材として受力体１００に接続されている。このように、各上端側肉薄部１１５，１２５，１３５，１４５は、その周囲が受力体１００に接続され、その下面中心部が各柱状体Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の上端に接続されていることになる。。
【００８４】
一方、図４に示すとおり、第１の柱状体Ｔ１の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部２１５の中央に接合されており、下端側肉薄部２１５の周囲は、中間体２００を介して支持基板３００に接続されており、第２の柱状体Ｔ２の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部２２５の中央に接合されており、下端側肉薄部２２５の周囲は、中間体２００を介して支持基板３００に接続されている。同様に、図５に示すとおり、第３の柱状体Ｔ３の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部２３５の中央に接合されており、下端側肉薄部２３５の周囲は、中間体２００を介して支持基板３００に接続されており、第４の柱状体Ｔ４の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部２４５の中央に接合されており、下端側肉薄部２４５の周囲は、中間体２００を介して支持基板３００に接続されている。
【００８５】
下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５も、可撓性をもった円板状の部材であり、中間体２００の一部が、この円板状の部材を支持基板３００上に支持する台座として機能している。結局、下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５は、支持基板３００の上面から所定距離をおいた上方位置に、支持基板３００の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板３００に接続されており、その上面中心部が各柱状体Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の下端に接続されていることになる。
【００８６】
図示の実施形態では、受力体１００は絶縁性基板（たとえば、セラミック基板）、中間体２００は導電性基板（たとえば、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属基板）、支持基板３００は絶縁性基板（たとえば、セラミック基板）によって構成されている。もちろん、各部の材質はこれらに限定されるものではなく、たとえば、受力体１００を、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属基板で構成してもかまわない。上端側肉薄部１１５，１２５，１３５，１４５や下端側肉薄部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。
【００８７】
この実施形態では、下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５は、導電性材料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いる。受力体１００に力が作用すると、下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５が変形して変位を生じることになり、その結果、各柱状体Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４にも変位が生じることになる。したがって、導電性をもった下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５は、それ自身が変位電極としての機能を果たす。
【００８８】
図９に示すように、支持基板３００の上面には、第１の柱状体Ｔ１の下端近傍位置に主固定電極Ｅ１，Ｅ２および副固定電極Ｆ６，Ｆ８が形成されている。導電性材料からなる下端側肉薄部２１５は、図４に示すように、これら４枚の固定電極のすべてに対向する１枚の共通変位電極としての機能を果たすことになる。このため、個々の固定電極と、共通変位電極のこれに対向する部分と、によって、容量素子が形成される。ここでは、主固定電極Ｅ１，Ｅ２および副固定電極Ｆ６，Ｆ８と、共通変位電極（下端側肉薄部２１５）の対向部分とによって構成される容量素子を、それぞれ主容量素子Ｃ１，Ｃ２および副容量素子Ｄ６，Ｄ８と呼ぶことにする。
【００８９】
結局、第１の柱状体Ｔ１の下端側肉薄部２１５とこれに対向する支持基板３００の上面とによって挟まれた空間（溝部Ｇ３１）内に、一方の電極（共通変位電極）が下端側肉薄部２１５の下面に形成され、他方の電極（主固定電極Ｅ１，Ｅ２および副固定電極Ｆ６，Ｆ８）が支持基板３００の上面に形成された４個の容量素子Ｃ１，Ｃ２，Ｄ６，Ｄ８によって、第１のセンサＳ１が構成されている。この第１のセンサＳ１は、第１の柱状体Ｔ１の傾斜や、第１の柱状体Ｔ１から支持基板３００に対して加えられる押圧力や引っ張り力を検出する機能を果たす。
【００９０】
また、図９に示すように、支持基板３００の上面には、第２の柱状体Ｔ２の下端近傍位置に主固定電極Ｅ３，Ｅ４および副固定電極Ｆ５，Ｆ７が形成されている。導電性材料からなる下端側肉薄部２２５は、図４に示すように、これら４枚の固定電極のすべてに対向する１枚の共通変位電極としての機能を果たすことになる。このため、個々の固定電極と、共通変位電極のこれに対向する部分と、によって、容量素子が形成される。ここでは、主固定電極Ｅ３，Ｅ４および副固定電極Ｆ５，Ｆ７と、共通変位電極（下端側肉薄部２２５）の対向部分とによって構成される容量素子を、それぞれ主容量素子Ｃ３，Ｃ４および副容量素子Ｄ５，Ｄ７と呼ぶことにする。
【００９１】
結局、第２の柱状体Ｔ２の下端側肉薄部２２５とこれに対向する支持基板３００の上面とによって挟まれた空間（溝部Ｇ３２）内に、一方の電極（共通変位電極）が下端側肉薄部２２５の下面に形成され、他方の電極（主固定電極Ｅ３，Ｅ４および副固定電極Ｆ５，Ｆ７）が支持基板３００の上面に形成された４個の容量素子Ｃ３，Ｃ４，Ｄ５，Ｄ７によって、第２のセンサＳ２が構成されている。この第２のセンサＳ２は、第２の柱状体Ｔ２の傾斜や、第２の柱状体Ｔ２から支持基板３００に対して加えられる押圧力や引っ張り力を検出する機能を果たす。
【００９２】
更に、図９に示すように、支持基板３００の上面には、第３の柱状体Ｔ３の下端近傍位置に主固定電極Ｅ５，Ｅ６および副固定電極Ｆ２，Ｆ４が形成されている。導電性材料からなる下端側肉薄部２３５は、図５に示すように、これら４枚の固定電極のすべてに対向する１枚の共通変位電極としての機能を果たすことになる。このため、個々の固定電極と、共通変位電極のこれに対向する部分と、によって、容量素子が形成される。ここでは、主固定電極Ｅ５，Ｅ６および副固定電極Ｆ２，Ｆ４と、共通変位電極（下端側肉薄部２３５）の対向部分とによって構成される容量素子を、それぞれ主容量素子Ｃ５，Ｃ６および副容量素子Ｄ２，Ｄ４と呼ぶことにする。
【００９３】
結局、第３の柱状体Ｔ３の下端側肉薄部２３５とこれに対向する支持基板３００の上面とによって挟まれた空間（溝部Ｇ３３）内に、一方の電極（共通変位電極）が下端側肉薄部２３５の下面に形成され、他方の電極（主固定電極Ｅ５，Ｅ６および副固定電極Ｆ２，Ｆ４）が支持基板３００の上面に形成された４個の容量素子Ｃ５，Ｃ６，Ｄ２，Ｄ４によって、第３のセンサＳ３が構成されている。この第３のセンサＳ３は、第３の柱状体Ｔ３の傾斜や、第３の柱状体Ｔ３から支持基板３００に対して加えられる押圧力や引っ張り力を検出する機能を果たす。
【００９４】
同様に、図９に示すように、支持基板３００の上面には、第４の柱状体Ｔ４の下端近傍位置に主固定電極Ｅ７，Ｅ８および副固定電極Ｆ１，Ｆ３が形成されている。導電性材料からなる下端側肉薄部２４５は、図５に示すように、これら４枚の固定電極のすべてに対向する１枚の共通変位電極としての機能を果たすことになる。このため、個々の固定電極と、共通変位電極のこれに対向する部分と、によって、容量素子が形成される。ここでは、主固定電極Ｅ７，Ｅ８および副固定電極Ｆ１，Ｆ３と、共通変位電極（下端側肉薄部２４５）の対向部分とによって構成される容量素子を、それぞれ主容量素子Ｃ７，Ｃ８および副容量素子Ｄ１，Ｄ３と呼ぶことにする。
【００９５】
結局、第４の柱状体Ｔ４の下端側肉薄部２４５とこれに対向する支持基板３００の上面とによって挟まれた空間（溝部Ｇ３４）内に、一方の電極（共通変位電極）が下端側肉薄部２４５の下面に形成され、他方の電極（主固定電極Ｅ７，Ｅ８および副固定電極Ｆ１，Ｆ３）が支持基板３００の上面に形成された４個の容量素子Ｃ７，Ｃ８，Ｄ１，Ｄ３によって、第４のセンサＳ４が構成されている。この第４のセンサＳ４は、第４の柱状体Ｔ４の傾斜や、第４の柱状体Ｔ４から支持基板３００に対して加えられる押圧力や引っ張り力を検出する機能を果たす。
【００９６】
なお、ここでは、下端側肉薄部２１５〜２４５を導電性材料によって構成し、下端側肉薄部２１５〜２４５自身を共通変位電極として用いる例を示したが、下端側肉薄部２１５〜２４５を絶縁性材料によって構成した場合には、その下面に、共通変位電極となる導電性電極層を形成すればよい。もちろん、変位電極は必ずしも共通の電極とする必要はないので、各下端側肉薄部の下面に、４枚の固定電極のそれぞれに対向する個別の変位電極を設けるようにしてもかまわない。また、下端側肉薄部に設ける変位電極を４枚の個別電極にし、支持基板３００に設ける固定電極を１枚の共通電極にすることも可能である。ただ、実用上は、配線を単純化する上で、図示の実施例のように、下端側肉薄部２１５〜２４５を導電性材料によって構成し、下端側肉薄部２１５〜２４５自身を共通変位電極として用いるようにするのが好ましい。
【００９７】
さて、図３〜図９を用いて説明した実施例に係る力検出装置は、結局、図１に示す力検出装置と同等の構成要素を備えていることがわかる。すなわち、板状の受力体１００は受力体１０に対応し、板状の支持基板３００は支持基板２０に対応し、各柱状体Ｔ１〜Ｔ４は各柱状体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３〜図９に示す構造体に、検出回路３０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。
【００９８】
なお、実用上は、図１０に示す例のように、中間体２００の周囲輪郭部分を上方へと伸ばし、制御壁２５０および２６０を形成した構造にするのが好ましい。制御壁２５０は、受力体１００の周囲を四方から囲む壁であり、制御壁２６０は、受力体１００の上面の周囲を枠状に取り囲む壁である。このような構造体では、受力体１００の下面と中間体２００の上面との間に寸法ｄ１の空隙部が形成され、受力体１００の上面と制御壁２６０との間に寸法ｄ２の空隙部が形成され、受力体１００の側面と制御壁２５０との間に寸法ｄ３の空隙部が形成される。したがって、受力体１００に対して過度の力が加わったとしても、受力体１００の下方、上方、側方への変位は、それぞれｄ１，ｄ２，ｄ３に制限されることになり、各柱状部Ｔ１〜Ｔ４等の構造部分が破損するのを防ぐことができる。
【００９９】
＜＜＜ §４． 主容量素子のみを用いた検出動作 ＞＞＞
続いて、図１０に示す力検出装置の基本的な検出動作を、図１１〜図１３を用いて説明する。§２で説明したとおり、この装置は、支持基板３００を固定した状態において、受力体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機能を有している。
【０１００】
図９に示すとおり、支持基板３００上には、８枚の主固定電極Ｅ１〜Ｅ８が形成されており、これら主固定電極Ｅ１〜Ｅ８と、対向する共通変位電極（下端側肉薄部２１５〜２４５）とによって、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８が構成されている。この§４では、これら８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８のみを用いて、上記６つの力成分を検出する動作を説明する。本発明の特徴は、更に８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８を利用して、他軸成分の干渉を排除した正確な検出を行う点にあるが、この特徴については、§６で述べることにする。
【０１０１】
さて、ここでは、図１０に示す位置に原点ＯをとったＸＹＺ三次元座標系において、受力体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、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変化を考えてみる（８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値の変化については、§６で述べる）。
【０１０２】
図１１は、図１０に示す力検出装置において、受力体１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの構造体の変形態様を示す側断面図である。同様に、図１２は、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形態様を示し、図１３は、Ｙ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形態様を示している。
【０１０３】
一方、図１４は、６つの力成分が作用したときの各主容量素子Ｃ１〜Ｃ８（括弧内の符号Ｅ１〜Ｅ８は、対応する主固定電極を示す）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、「＋Δ」は増加、「−Δ」は減少を示している。なお、このテーブルにおける各欄のΔの絶対値は、たとえ作用する力の絶対値が同一であっても、必ずしもすべてが同一の値をとるわけではなく、それぞれ各容量素子の形状や配置によって決定される所定の固有値になる。
【０１０４】
より具体的に言えば、形状や配置に対称性が確保された容量素子についての同一行の欄に記載されたΔの絶対値は互いに等しくなるが、すべての欄についてのΔの絶対値が互いに等しいわけではない。たとえば、第３行目（＋Ｆｚの行）におけるＣ１〜Ｃ８の各欄に示すΔの絶対値は、これらの容量素子の形状や配置に対称性が確保されているため互いに等しくなるが、同じＣ１の欄のΔであっても、たとえば、第２行目の「＋Δ」（力＋Ｆｙが作用したときの容量値変化分）と、第３行目の「−Δ」（力＋Ｆｚが作用したときの容量値変化分）とでは、作用した力＋Ｆｙ，＋Ｆｚの絶対値が同一であったとしても、変化分Δの絶対値は異なる。
【０１０５】
このように、本願のテーブルに示されている符号「Δ」は、特定の値を示すものではなく、「主容量素子に生じる容量値変化」を示す符号ということになる。もっとも、図９に示すように、各固定電極が、Ｘ軸およびＹ軸を対称軸とした幾何学的な対称性をもつ形状および配置を採る場合は、図１４のテーブルの各欄における「Δ」の値は、幾何学的条件が同一となる他のいずれかの欄の「Δ」の値と等しくなる。
【０１０６】
続いて、受力体１００に６つの力成分が作用した場合に、各主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値が、図１４のテーブルに示すように変化する理由を説明しよう。
【０１０７】
まず、受力体１００に対して、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、図１１に示されているように、各柱状体Ｔ１〜Ｔ４は、いずれも図の右方向（Ｘ軸正方向）に傾斜することになる（図２(b) に対応する変形態様）。このため、共通変位電極として機能する下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５は、いずれも、図における右側半分の部分は図の下方へと変形し、左側半分の部分は図の上方へと変形する。
【０１０８】
したがって、図９の平面図を参照すれば、下端側肉薄部が接近してくる右側半分の部分に配置されている固定電極Ｅ５，Ｅ７については、対向電極との間の距離が縮まるが、下端側肉薄部が遠ざかる左側半分の部分に配置されている固定電極Ｅ６，Ｅ８については、対向電極との間の距離が広がる。すなわち、容量素子Ｃ５，Ｃ７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Ｃ６，Ｃ８の電極間隔は広がり、静電容量値が減少することになる。よって、図１４のテーブルの「＋Ｆｘ」の行におけるＣ５，Ｃ７の欄は「＋Δ」、Ｃ６，Ｃ８の欄は「−Δ」になる。
【０１０９】
このとき、固定電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４と、その上方に位置する共通変位電極との間の距離は、その一部分（右側半分の部分）は縮まるが、別な一部分（左側半分の部分）は広がるため、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Ｃ１〜Ｃ８についてのこのような静電容量値の変化を示している。
【０１１０】
逆に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用すると、各柱状体Ｔ１〜Ｔ４は、いずれも図１１に示す例とは反対の左方向（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。
【０１１１】
一方、受力体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、容量素子Ｃ１，Ｃ３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Ｃ２，Ｃ４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。容量素子Ｃ５〜Ｃ８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Ｃ１〜Ｃ８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−Ｆｙ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。
【０１１２】
また、受力体１００に対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、図１２に示されているように、各柱状体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、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８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、受力体１００に対して、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、各柱状体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、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８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。
【０１１３】
次に、受力体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１３には、受力体１００にＹ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｙが作用した場合の変化態様が示されている。すなわち、柱状体Ｔ１から支持基板３００に対しては下方への押圧力−ｆｚが加わり、柱状体Ｔ２から支持基板３００に対しては上方への引っ張り力＋ｆｚが加わっている。したがって、図９の平面図を参照すれば、容量素子Ｃ１，Ｃ２の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。一方、容量素子Ｃ３，Ｃ４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Ｃ１〜Ｃ８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。
【０１１４】
また、受力体１００にＸ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、上述したモーメント＋Ｍｙ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、柱状体Ｔ４から支持基板３００に対しては下方への押圧力−ｆｚが加わり、柱状体Ｔ３から支持基板３００に対しては上方への引っ張り力＋ｆｚが加わっている。したがって、容量素子Ｃ７，Ｃ８の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。一方、容量素子Ｃ５，Ｃ６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４行目（＋Ｍｘの行）は、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８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。
【０１１５】
最後に、受力体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９を参照しながら、受力体１００にＺ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｚ（図９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本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４がどの方向に傾斜するかを考えてみよう。
【０１１６】
この場合、第１の柱状体Ｔ１（図の固定電極Ｅ１，Ｅ２の上に配置されている）は、図９における上方に傾斜し、容量素子Ｃ１の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子Ｃ２の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。第２の柱状体Ｔ２（図の固定電極Ｅ３，Ｅ４の上に配置されている）は、図９における下方に傾斜し、容量素子Ｃ４の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子Ｃ３の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。第３の柱状体Ｔ３（図の固定電極Ｅ５，Ｅ６の上に配置されている）は、図９における左方に傾斜し、容量素子Ｃ６の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子Ｃ５の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。第４の柱状体Ｔ４（図の固定電極Ｅ７，Ｅ８の上に配置されている）は、図９における右方に傾斜し、容量素子Ｃ７の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子Ｃ８の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。
【０１１７】
結局、受力体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、受力体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。
【０１１８】
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、８組の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値（ここでは、静電容量の値自身も、同じ符号Ｃ１〜Ｃ８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。
【０１１９】
たとえば、図１５に示すＦｘ＝Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８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る。ここで、差分（Ｃ５−Ｃ６）は、第３のセンサＳ３によって検知された柱状体Ｔ３のＸ軸方向に関する傾斜度を示し、差分（Ｃ７−Ｃ８）は、第４のセンサＳ４によって検知された柱状体Ｔ４のＸ軸方向に関する傾斜度を示している。したがって、上式は、第３および第４のセンサＳ３，Ｓ４によって検知された各柱状体Ｔ３，Ｔ４のＸ軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、受力体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。
【０１２０】
また、図１５に示すＦｙ＝Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４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る。ここで、差分（Ｃ１−Ｃ２）は、第１のセンサＳ１によって検知された柱状体Ｔ１のＹ軸方向に関する傾斜度を示し、差分（Ｃ３−Ｃ４）は、第２のセンサＳ２によって検知された柱状体Ｔ２のＹ軸方向に関する傾斜度を示している。したがって、上式は、第１および第２のセンサＳ１，Ｓ２によって検知された各柱状体Ｔ１，Ｔ２のＹ軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、受力体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。
【０１２１】
更に、図１５に示すＦｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）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Ｓ１〜Ｓ４によって検知された各柱状体Ｔ１〜Ｔ４のＺ軸方向に関する力の和に基づいて、受力体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。
【０１２２】
一方、図１５に示すＭｘ＝−Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８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る。ここで、−Ｃ５−Ｃ６は、第３のセンサＳ３によって検知された、柱状体Ｔ３から加えられたＺ軸方向に関する力を示し、Ｃ７＋Ｃ８は、第４のセンサＳ４によって検知された、柱状体Ｔ４から加えられたＺ軸方向に関する力を示す。したがって、上式は、第３のセンサＳ３によって検知された第３の柱状体Ｔ３のＺ軸方向に関する力と、第４のセンサＳ４によって検知された第４の柱状体Ｔ４のＺ軸方向に関する力と、の差に基づいて、受力体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。
【０１２３】
また、図１５に示すＭｙ＝Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４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る。ここで、Ｃ１＋Ｃ２は、第１のセンサＳ３によって検知された、柱状体Ｔ１から加えられたＺ軸方向に関する力を示し、−Ｃ３−Ｃ４は、第２のセンサＳ２によって検知された、柱状体Ｔ２から加えられたＺ軸方向に関する力を示す。したがって、上式は、第１のセンサＳ１によって検知された第１の柱状体Ｔ１のＺ軸方向に関する力と、第２のセンサＳ２によって検知された第２の柱状体Ｔ２のＺ軸方向に関する力と、の差に基づいて、受力体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２(c) に示す検出原理に基づくものである。
【０１２４】
最後に、図１５に示すＭｚ＝Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８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る。ここで、差分（Ｃ１−Ｃ２）は、第１のセンサＳ１によって検知された柱状体Ｔ１のＹ軸方向に関する傾斜度を示し、差分（−Ｃ３＋Ｃ４）は、第２のセンサＳ２によって検知された柱状体Ｔ２のＹ軸方向に関する傾斜度を示し、差分（−Ｃ５＋Ｃ６）は、第３のセンサＳ３によって検知された柱状体Ｔ３のＸ軸方向に関する傾斜度を示し、差分（Ｃ７−Ｃ８）は、第４のセンサＳ４によって検知された柱状体Ｔ４のＸ軸方向に関する傾斜度を示している。
【０１２５】
このように、１つの力検出装置でありながら、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６成分を得ることができる装置は、産業上、極めて有用である。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が決して少なくない。ここに示す力検出装置は、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、受力体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。
【０１２６】
＜＜＜ §５． 他軸成分の干渉 ＞＞＞
§４では、図１０に示す力検出装置において、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８のみを用いて、６つの力成分を検出する動作を説明した。このような検出原理自体は、既に、前掲の特許文献３に開示されている。
【０１２７】
この検出原理では、本来、他軸成分の干渉を受けることのない正確な検出値が得られるはずである。たとえば、図１５に示すＦｘ＝Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８なる式を用いて得られる力Ｆｘの検出値には、他軸成分は排除されるはずである。すなわち、図１４のテーブルにおいて、力ＦｙやモーメントＭｙが加わったときのＣ５〜Ｃ８の欄は、いずれも「０」であるから、上式によって得られる検出値Ｆｘには、Ｆｙ，Ｍｙに起因する成分は含まれていない。一方、図１４のテーブルにおいて、力ＦｚやモーメントＭｘ，Ｍｚが加わったときのＣ５〜Ｃ８の欄は、「＋Δ」もしくは「−Δ」であるが、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「Δ」の絶対値は等しくなるので、Ｆｘ＝Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８なる演算結果は０になる。結局、Ｆｘ＝Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８なる式を用いて得られる値は、力Ｆｘの成分のみを含むことになる。
【０１２８】
同様に、図１５に示すＦｙ＝Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４なる式を用いて得られる値は、力Ｆｙの成分のみを含むことになる。また、図１５に示すＦｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）なる式を用いて得られる力Ｆｚの検出値も、他軸成分を含まない値になる。すなわち、図１４のテーブルにおいて、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「Δ」の絶対値は等しいので、各行ごとにＣ１〜Ｃ８の総和をとると、Ｆｚの行以外はすべて総和は０になる。これは、Ｆｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）なる式を用いて得られる値が、力Ｆｚの成分のみを含むことを意味する。
【０１２９】
次に、図１５に示すＭｘ＝−Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８なる式を用いて得られるモーメントＭｘの検出値について考えてみる。図１４のテーブルにおいて、力ＦｙやモーメントＭｙが加わったときのＣ５〜Ｃ８の欄は、いずれも「０」であるから、上式によって得られる検出値Ｍｘには、Ｆｙ，Ｍｙに起因する成分は含まれていない。一方、図１４のテーブルにおいて、力Ｆｘ，ＦｚやモーメントＭｚが加わったときのＣ５〜Ｃ８の欄は、「＋Δ」もしくは「−Δ」であるが、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「Δ」の絶対値は等しくなるので、Ｍｘ＝−Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８なる演算結果は０になる。結局、Ｍｘ＝−Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８なる式を用いて得られる値は、モーメントＭｘの成分のみを含むことになる。
【０１３０】
同様に、図１５に示すＭｙ＝Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４なる式を用いて得られる値は、モーメントＭｙの成分のみを含むことになる。また、図１５に示すＭｚ＝Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８なる式を用いて得られるモーメントＭｚの検出値も、他軸成分を含まない値になる。すなわち、図１４のテーブルにおいて、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「Δ」の絶対値は等しいので、各行ごとに上式に基づく演算を行うと、Ｍｚの行以外はすべて０になる。これは、Ｍｚ＝Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８なる式を用いて得られる値が、モーメントＭｚの成分のみを含むことを意味する。
【０１３１】
しかしながら、実際には、§４で述べた検出動作では、他軸成分の干渉を完全に排除した正確な検出を行うことはできない。図１６は、図１４および図１５に示す原理に基づく検出を行った場合に、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘによるＹ軸方向の力Ｆｙへの他軸干渉が生じる測定結果を示すグラフである。すなわち、このグラフは、図１０に示す力検出装置を試作し、受力体１００に対して、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘのみを作用させたときに、Ｍｘ＝−Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８なる演算式に基づく演算で得られる検出値Ｖ（Ｍｘ）およびＦｙ＝Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４なる演算式に基づく演算で得られる検出値Ｖ（Ｆｙ）を示している。実際の試作品では、各容量素子の静電容量値を電圧値として検出し、検出した電圧値の加減算の結果を各検出値としているため、グラフに示す検出値Ｖ（Ｍｘ）およびＶ（Ｆｙ）は、いずれも電圧値として得られた値である。
【０１３２】
図に実線のグラフで示すとおり、作用させたモーメントＭｘの値を増減させると、モーメントＭｘの検出値Ｖ（Ｍｘ）もこれに比例して増減している。これは、モーメントＭｘに関しては、正しい検出値が得られていることを示している。ところが、図に破線のグラフで示すとおり、力Ｆｙの検出値Ｖ（Ｆｙ）も、作用させたモーメントＭｘの値に比例して増減している。本来であれば、モーメントＭｘのみを作用させた場合、力Ｆｙの検出値Ｖ（Ｆｙ）は０を維持しなければならない。結局、§４で述べた検出動作では、力Ｆｙの検出値に、モーメントＭｘの成分が含まれてしまうことになる。
【０１３３】
もちろん、実際には、力Ｆｙのみを作用させたときに得られる検出値Ｖ（Ｆｙ）の値に比べて、モーメントＭｘのみを作用させたときに得られる検出値Ｖ（Ｆｙ）の値は小さいので、図１６に破線で示す検出値Ｖ（Ｆｙ）を、力Ｆｙの検出に関する誤差成分として取り扱うことにすれば、厳密な検出を必要としない用途では支障は生じない。しかしながら、モーメント成分と力成分とを厳密に区別した高精度の検出値を必要とする用途へ利用するには問題となる。同様の問題は、力ＦｘとモーメントＭｙとの間にも生じる。すなわち、§４で述べた検出動作では、力Ｆｘの検出値に、モーメントＭｙの成分が含まれてしまう。
【０１３４】
本願発明者は、図１６の破線のグラフに示すように、力Ｆｙの検出値に、モーメントＭｘの成分が含まれてしまう原因を探求した。その結果、図１４に示すテーブルが、厳密には正しいテーブルではなく、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の増減は、厳密には、図１７に示すテーブルのようになることを見出した。
【０１３５】
図１７のテーブルにおいて、太線で囲われた欄は、図１４のテーブルとの相違部分である。すなわち、太線で囲われた８個の欄の内容は、図１４のテーブルでは「０」となっていたが、厳密には「０」ではなく、「＋δ」もしくは「−δ」とすべきものである。ここでは、まず、図１７のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）の結果が得られる理由を説明しよう。
【０１３６】
図１０の力検出装置に、Ｙ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、装置を構成する構造体が、図１３に示すように変形することは既に述べたとおりである。その結果、柱状体Ｔ１から支持基板３００に対しては下方への押圧力−ｆｚが加わり、柱状体Ｔ２から支持基板３００に対しては上方への引っ張り力＋ｆｚが加わる。したがって、容量素子Ｃ１，Ｃ２の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加し、容量素子Ｃ３，Ｃ４の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。よって、図１７のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）に示すとおり、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値は「＋Δ」となり、容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容量値は「−Δ」となる。
【０１３７】
§４の説明では、このとき、柱状体Ｔ３，Ｔ４は傾斜せず、容量素子Ｃ５〜Ｃ８の静電容量値には変化は生じないものとして取り扱った。これは、図１１に示すように力＋Ｆｘが加えられると、４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４がいずれもＸ軸正方向に傾斜するが、図１３に示すようにモーメントＭｙが加えられると、４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４は、いずれも傾斜せず、柱状体Ｔ１は下方へ移動し、柱状体Ｔ２は上方へ移動し、柱状体Ｔ３，Ｔ４の位置は変化しない、と考えたためである。たしかに、４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４の大まかな動きを捉えると、このように考えても誤りではない。
【０１３８】
しかしながら、厳密には、Ｙ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、柱状体Ｔ３，Ｔ４には、わずかながらＸ軸正方向への傾斜が生じるのである。もちろん、傾斜角度は、図１１に示すような力＋Ｆｘが加えられたときに生じる角度に比べると小さいため、静電容量値の変化も小さい。図１７のテーブルにおいて、太線で囲った欄に示されている符号「δ」は、他の欄に示されている符号「Δ」と同様に、「主容量素子に生じる容量値変化」を示す符号ではあるが、静電容量値の変化量としては小さいことを示している。以下、この符号「δ」で示す変化量成分を「他軸干渉成分」と呼ぶことにする。
【０１３９】
図１７のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）の容量素子Ｃ５，Ｃ７の欄に「＋δ」と記載され、容量素子Ｃ６，Ｃ８の欄に「−δ」と記載されているが、これは、Ｙ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用することにより、柱状体Ｔ３，Ｔ４がＸ軸正方向へ若干傾斜するため、容量素子Ｃ５，Ｃ７の電極間隔がわずかながら縮み、静電容量値がわずかながら増加し、容量素子Ｃ６，Ｃ８の電極間隔がわずかながら広がり、静電容量値がわずかながら減少することを示している。
【０１４０】
同様に、図１７のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）の容量素子Ｃ２，Ｃ４の欄に「＋δ」と記載され、容量素子Ｃ１，Ｃ３の欄に「−δ」と記載されているが、これは、Ｘ軸まわりのモーメント＋Ｍｘが作用することにより、柱状体Ｔ１，Ｔ２がＹ軸負方向へ若干傾斜するため、容量素子Ｃ１，Ｃ３の電極間隔がわずかながら広がり、静電容量値がわずかながら減少し、容量素子Ｃ２，Ｃ４の電極間隔がわずかながら縮み、静電容量値がわずかながら増加することを示している。
【０１４１】
図１６の破線のグラフに示すように、力Ｆｙの検出値に、モーメントＭｘの成分が含まれてしまう原因は、図１７のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）の内容に基づいて、Ｆｙ＝Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４なる演算を行ったためである。図１７のテーブルにおいても、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「δ」の絶対値は等しいので、モーメントＭｘが作用しているとき、Ｆｙ＝Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４＝−４δになる。図１６の破線のグラフに示す検出値Ｖ（Ｆｙ）は、この−４δ（他軸干渉成分）に対応する検出値ということになる。
【０１４２】
同様に、図１７のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）の内容に基づいて、Ｆｘ＝Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８なる演算を行うと、やはり同一行に記載された「δ」の絶対値は等しいので、Ｆｘ＝＋４δ（他軸干渉成分）になる。これが、力Ｆｘの検出値に、モーメントＭｙの成分が含まれてしまう原因である。
【０１４３】
＜＜＜ §６． 副容量素子による補正原理 ＞＞＞
本発明の主眼は、§５で述べた理由によって生じる他軸成分の干渉を、副容量素子によって補正することにより、他軸成分の干渉を排除した正確な検出を行う点にある。別言すれば、§５で述べた理由によって主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値に生じる他軸干渉成分δを、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値の変化分によって相殺する点にある。以下、この補正原理を説明する。
【０１４４】
図１８は、図９に示されている１６枚の電極の拡大平面図である。既に述べたとおり、８枚の主固定電極Ｅ１〜Ｅ８は、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する電極であり、８枚の副固定電極Ｆ１〜Ｆ８は、８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８を構成する電極である。図に括弧書きで示されているＣ１〜Ｃ８およびＤ１〜Ｄ８は、各電極によって構成される容量素子を示す符号である。
【０１４５】
ここで、８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８は、それぞれ８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値に対する補正機能を有している。すなわち、主容量素子Ｃ１には副容量素子Ｄ１が対応し、主容量素子Ｃ２には副容量素子Ｄ２が対応し、... という具合に、１つの主容量素子に１つの副容量素子が対応づけられ、各容量素子は常に主副がペアの状態で取り扱われる。なお、図１８では、各固定電極に８種類の異なるハッチングを施して示すが、これはペアを構成する電極に同一のハッチングを施し、対応関係を明瞭にするための便宜である。たとえば、主固定電極Ｅ１と副固定電極Ｆ１には、同一のハッチングが施されているが、これは、主固定電極Ｅ１によって構成される主容量素子Ｃ１と、副固定電極Ｆ１によって構成される副容量素子Ｄ１とが対応し、ペアを組むことを示している。
【０１４６】
さて、§５では、８枚の主固定電極Ｅ１〜Ｅ８によって構成される８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８について、受力体１００に６種類の力成分が加わったときの静電容量値の正確な変化態様が、図１７のテーブルに示すようになることを説明した。そこで、ここでは、図１８に示す８枚の副固定電極Ｆ１〜Ｆ８によって構成される８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８について、受力体１００に６種類の力成分が加わったときの静電容量値の正確な変化態様が、どのようになるかを検討してみよう。
【０１４７】
図１９は、図１０に示す力検出装置において、受力体１００に各力成分が作用したときの各副容量素子Ｄ１〜Ｄ８（括弧内の符号Ｆ１〜Ｆ８は、対応する副固定電極を示す）の静電容量値の変化の態様を示すテーブルである。ここで、太線で囲った欄は、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値に変化が生じる欄であり、符号「ε」は、「副容量素子に生じる容量値変化」を示す符号である。この符号「ε」は、符号「Δ」や符号「δ」と同様に、特定の値を示すものではない。ただ、図９に示すように、各固定電極が、Ｘ軸およびＹ軸を対称軸とした幾何学的な対称性をもつ形状および配置を採る場合は、図１９のテーブルの各欄における「ε」の値は、幾何学的条件が同一となる他のいずれかの欄の「ε」の値と等しくなる。
【０１４８】
まず、受力体１００に対して、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合の各副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値の変化を考えてみよう。この場合、図１１に示されているように、各柱状体Ｔ１〜Ｔ４は、いずれも図の右方向（Ｘ軸正方向）に傾斜することになる（図２(b) に対応する変形態様）。このため、共通変位電極として機能する下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５は、いずれも、図における右側半分の部分は図の下方へと変位し、左側半分の部分は図の上方へと変位する。
【０１４９】
ここで、図１８の平面図を参照すれば、各副固定電極Ｆ１〜Ｆ８の形状は、いずれも左右対称となっていることがわかる。したがって、これら各副固定電極Ｆ１〜Ｆ８と、その上方に位置する共通変位電極との間の距離は、その一部分（右側半分の部分）は縮まるが、別な一部分（左側半分の部分）は広がるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図１９のテーブルの第１行目（＋Ｆｘの行）の各欄が「０」となっているのは、このためである。Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合も、同様に各欄は「０」になる。
【０１５０】
一方、受力体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ので、図１９のテーブルの第２行目（＋Ｆｙの行）に示すとおり、各欄は、やはり「０」になる。Ｙ軸負方向の力−Ｆｙが作用した場合も同様である。
【０１５１】
また、受力体１００に対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、図１２に示されているように、各柱状体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、各容量素子Ｄ１〜Ｄ８の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図１９のテーブルの第３行目（＋Ｆｚの行）に示す「−ε」は、このような静電容量値の減少を示している。逆に、受力体１００に対して、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、各柱状体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、各容量素子Ｄ１〜Ｄ８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１９のテーブルの第３行目（＋Ｆｚの行）の各欄は「＋ε」になる。
【０１５２】
なお、上述したとおり、「ε」は、特定の固有値を示すものではないので、図１９のテーブルの第３行目（＋Ｆｚの行）に示す「−ε」の値は、必ずしもすべてが同一の値というわけではない。図１８の平面図を見ればわかるとおり、副固定電極Ｆ１，Ｆ２，Ｆ５，Ｆ８は円形の電極であるのに対し、副固定電極Ｆ３，Ｆ４，Ｆ６，Ｆ７は円環状の電極であり、両者は形状や面積が異なる。したがって、図１９のテーブルの第３行目（＋Ｆｚの行）に示すＤ１，Ｄ２，Ｄ５，Ｄ８の各欄に示す「−ε」の値は相互に等しく、Ｄ３，Ｄ４，Ｄ６，Ｄ７の各欄に示す「−ε」の値は相互に等しくなるが、前者と後者とでは値は異なる。
【０１５３】
次に、受力体１００に対して、モーメントが作用した場合を考えてみる。図１３に示されているように、受力体１００にＹ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｙが作用すると、柱状体Ｔ１から支持基板３００に対しては下方への押圧力−ｆｚが加わり、柱状体Ｔ２から支持基板３００に対しては上方への引っ張り力＋ｆｚが加わる。したがって、図１８の平面図を参照すれば、容量素子Ｄ６，Ｄ８の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。これに対して、容量素子Ｄ５，Ｄ７の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図１９のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）におけるＤ５〜Ｄ８の欄の「＋ε」もしくは「−ε」は、このような静電容量値の増減を示している。
【０１５４】
このようにＹ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｙが作用したとき、柱状体Ｔ３，Ｔ４は、Ｘ軸正方向に若干傾斜することになる。ただ、Ｙ軸上に配置されている容量素子Ｄ１〜Ｄ４については、その一部分（右側半分の部分）の電極間隔は縮まるが、別な一部分（左側半分の部分）の電極間隔は広がるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図１９のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）におけるＤ１〜Ｄ４の各欄が「０」となっているのは、このためである。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、図１９のテーブルの第５行目には、「＋」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。
【０１５５】
また、受力体１００にＸ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、上述したモーメント＋Ｍｙ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、柱状体Ｔ４から支持基板３００に対しては下方への押圧力−ｆｚが加わり、柱状体Ｔ３から支持基板３００に対しては上方への引っ張り力＋ｆｚが加わっている。したがって、容量素子Ｄ１，Ｄ３の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。これに対して、容量素子Ｄ２，Ｄ４の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図１９のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）におけるＤ１〜Ｄ４の欄の「＋ε」もしくは「−ε」は、このような静電容量値の増減を示している。
【０１５６】
このようにＸ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｘが作用したとき、柱状体Ｔ１，Ｔ２は、Ｙ軸負方向に若干傾斜することになる。ただ、Ｘ軸上に配置されている容量素子Ｄ５〜Ｄ８については、その一部分（図１８における上側半分の部分）の電極間隔は広がるが、別な一部分（図１８における下側半分の部分）の電極間隔は縮まるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図１９のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）におけるＤ５〜Ｄ８の各欄が「０」となっているのは、このためである。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、図１９のテーブルの第４行目には、「＋」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。
【０１５７】
最後に、受力体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。受力体１００にＺ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｚもしくは負方向のモーメント−Ｍｚが加わると、４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４が、図１８における上下左右のいずれかに傾斜することになる。しかしながら、いずれの方向に傾斜したとしても、容量素子Ｄ１〜Ｄ８の電極間隔は、その一部分は広がり、他の一部分は縮まることになるので、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図１９のテーブルの第６行目（＋Ｍｚの行）におけるＤ１〜Ｄ８の各欄が「０」となっているのは、このためである。
【０１５８】
結局、図１０に示す力検出装置において、受力体１００に各力成分が作用したとき、主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値は、図１７のテーブルに示すように変化し、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値は、図１９のテーブルに示すように変化することがわかる。ここで、両テーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）のＣ１〜Ｃ４，Ｄ１〜Ｄ４の各欄と第５行目（＋Ｍｙの行）のＣ５〜Ｃ８，Ｄ５〜Ｄ８の各欄とを相互に比較すると、符号が相補的になっていることがわかる。すなわち、前者で「−δ」となっている場合、後者では「＋ε」となっており、前者で「＋δ」となっている場合、後者では「−ε」となっている。これは、前者の±δを、後者の±εで相殺可能であることを意味している。
【０１５９】
図１７のテーブルに示す値±δの絶対値は（もちろん、±Δの絶対値もそうであるが）、主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の構成によって左右される量である。具体的には、各主容量素子を構成する一対の電極の電極間隔（何ら力が作用していない状態での電極間隔）を小さく設定すればするほど、絶対値δは大きくなる。また、これら一対の電極の面積を大きく設定すればするほど、絶対値δは大きくなる。同様に、図１９のテーブルに示す値±εの絶対値は、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の構成によって左右される量である。具体的には、各副容量素子を構成する一対の電極の電極間隔（何ら力が作用していない状態での電極間隔）を小さく設定すればするほど、絶対値εは大きくなる。また、これら一対の電極の面積を大きく設定すればするほど、絶対値εは大きくなる。
【０１６０】
そこで、主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の構成と副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の構成とをうまく設定してやれば、図１７のテーブルにおける他軸干渉成分±δを、図１９のテーブルにおける±εで相殺することができる。これが、本発明の特徴となる副容量素子による補正原理である。
【０１６１】
この補正原理を、図２０のテーブルを参照しながら説明しよう。この図２０に示すテーブルは、図１７に示す８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図１９に示す８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。ここで、太線で囲った欄は、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値に変化が生じる欄である。別言すれば、図２０において、太線で囲った欄以外の各欄は、図１７のテーブルと全く同じ内容になる。
【０１６２】
いま、この図２０のテーブルにおいて、各欄内の絶対値δと絶対値εとが等しいと仮定してみよう。既に述べたとおり、このテーブル中の「δ」や「ε」は、特定の固有値を示しているわけではなく、必ずしもすべてが同一の値というわけではないが、個々の欄ごとに、それぞれδ＝εが成り立っているとすれば、「−δ＋ε」や「＋δ−ε」と記載されている欄は「０」に置き換えることができる。すなわち、図２０のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）の左側４欄はいずれも「０」になり、第５行目（＋Ｍｙの行）の右側４欄はいずれも「０」になる。
【０１６３】
結局、図２０のテーブルは、第３行目（＋Ｆｚの行）を除いて、図１４のテーブルと等価になる。第３行目の各欄については、図１４のテーブルでは「−Δ」となっていたのが、図２０のテーブルでは「−（Δ＋ε）」に置き換わっているが、これは絶対値が若干変わるだけである。すなわち、力Ｆｚの検出値のスケーリングファクターが若干変わるだけであり、本質的には、何ら支障は生じない。
【０１６４】
そうすると、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値（同じ符号Ｃ１〜Ｃ８を用いて示す）を用いた図１５に示す演算式の代わりに、更に、８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値（同じ符号Ｄ１〜Ｄ８を用いて示す）を用いた図２１に示す演算式を用いることにより、６つの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出が可能になることがわかる。しかも、この図２１に示す演算式を用いた場合、§５で述べた他軸干渉成分±δが、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８に生じる変化分±εによって相殺されるため、力とモーメントを厳密に区別した正確な検出値が得られることになる。
【０１６５】
具体的には、図２１の式によれば、力Ｆｘは、Ｆｘ＝（Ｃ５＋Ｄ５）−（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）−（Ｃ８＋Ｄ８）なる式によって得られ、力Ｆｙは、Ｆｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）なる式によって得られる。また、モーメントＭｚは、Ｍｚ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）−（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）−（Ｃ８＋Ｄ８）なる式によって得られる。その理由は、図２０のテーブルの第１行目（＋Ｆｘの行）、第２行目（＋Ｆｙの行）、第６行目（＋Ｍｚの行）の内容が、図１４のテーブルの各行の内容と同一であることから、もはや説明は要さないであろう。
【０１６６】
一方、図２１の式によれば、力Ｆｚは、Ｆｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）＋（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８））なる式によって得られる。図１５に示すＦｚの式によって得られる力Ｆｚの値は、図１４のテーブルの第３行目の８個の欄の内容の総和「−８Δ」として与えられるのに対して、図２１に示すＦｚの式によって得られる力Ｆｚの値は、図２０のテーブルの第３行目の８個の欄の内容の総和「−８（Δ＋ε）」として与えられることになるが、前述したとおり、「−８Δ」と「−８（Δ＋ε）」との相違は、単なる検出値のスケーリングの問題なので、実用上、何ら支障は生じない。
【０１６７】
なお、力Ｆｚを、Ｆｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４））なる式や、Ｆｚ＝−（（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８））なる式によって求めることも可能である。ただ、実用上は、より高い検出精度が得られると期待されるＦｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）＋（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８））なる式によって求めるのが好ましい。
【０１６８】
一方、図２１の式によれば、モーメントＭｘは、Ｍｘ＝−（Ｃ５＋Ｄ５）−（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８）なる式によって得られ、モーメントＭｙは、Ｍｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）なる式によって得られる。その理由は、上述したとおり、各欄内の絶対値δと絶対値εとが等しいと仮定すれば、図２０のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）の左側４欄はいずれも「０」になり、第５行目（＋Ｍｙの行）の右側４欄はいずれも「０」になり、図２０のテーブルの第４行目，第５行目の内容が、図１４のテーブルの第４行目，第５行目の内容と同一になるためである。
【０１６９】
＜＜＜ §７． 容量素子の設計方法 ＞＞＞
図２０のテーブルにおいて、各欄内の絶対値δと絶対値εとが等しくなるようにするには、第ｉ番目（ｉ＝１〜８）の主容量素子Ｃｉの構成と、これに対応する第ｉ番目の副容量素子Ｄｉの構成とをうまく設定してやればよい。上述したとおり、容量素子の静電容量値は、これを構成する一対の電極の電極間隔および電極面積を変えることによって調整することができる。ただ、図１０に示すような構造体の場合、容量素子の静電容量値を調整する方法としては、電極間距離を変える調整方法を採るよりも、電極面積を変える調整方法を採る方が簡単である。
【０１７０】
したがって、本発明に係る力検出装置を設計する場合、実用上は、まず、８枚の主固定電極Ｅ１〜Ｅ８の形状、サイズ、配置を決定した上で、これら主固定電極Ｅ１〜Ｅ８によって構成される主容量素子Ｃ１〜Ｃ８に生じる他軸干渉成分±δを相殺するための静電容量値の変化分±εが得られる副容量素子Ｄ１〜Ｄ８を構成する８枚の副固定電極Ｆ１〜Ｆ８の形状、サイズ、配置を決定する、という設計手法を採るのが好ましい。
【０１７１】
たとえば、図１８に示すように、第１の柱状体１１および第２の柱状体１２の下端部近傍に設けられる４枚の主固定電極Ｅ１〜Ｅ４の形状、サイズ、配置が、図示のように決定されたものとしよう。この場合、４枚の副固定電極Ｆ１〜Ｆ４は、モーメントＭｘのみが作用した場合に、主容量素子Ｃ１〜Ｃ４に生じる静電容量値の変化分と絶対値が等しく符号が逆となる変化分が得られる副容量素子Ｄ１〜Ｄ４を構成するのに適した形状、サイズ、配置をもつ電極として定義される。同様に、第３の柱状体１３および第４の柱状体１４の下端部近傍に設けられる４枚の主固定電極Ｅ５〜Ｅ８の形状、サイズ、配置が、図示のように決定された場合、４枚の副固定電極Ｆ５〜Ｆ８は、モーメントＭｙのみが作用した場合に、主容量素子Ｃ５〜Ｃ８に生じる静電容量値の変化分と絶対値が等しく符号が逆となる変化分が得られる副容量素子Ｄ５〜Ｄ８を構成するのに適した形状、サイズ、配置をもつ電極として定義される。
【０１７２】
図２２は、副固定電極Ｆ１〜Ｆ８の形状、サイズ、配置を決定するための実験方法の一例を示す側断面図である。図示されている装置は、試作品として実際に製造した図１０に示す装置本体に、測定用治具４００を取り付けたものである。この測定用治具４００は、図示のとおり、接続部４１０、上蓋部４２０、側壁部４３０、フランジ部４４０からなり、装置本体の上半分をそっくりと覆うカバーを構成している。このような測定用治具４００を取り付けて実験を行うのは、受力体１００に対して、正確なモーメントを作用させるためである。
【０１７３】
既に述べたとおり、ここで述べる実施形態の場合、ＸＹＺ三次元座標系は、ＸＹ平面が、支持基板３００の上面近傍に、支持基板３００の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするＺ軸が支持基板３００の上面のほぼ中心位置を通るように定義される。より正確に言えば、ＸＹ平面が、４枚の下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５と支持基板３００の上面との間に挟まれるように、ＸＹＺ三次元座標系の定義が行われている。これは、§３で述べたとおり、本願発明者は、ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平面の位置を、容量素子を構成する一対の電極間の中心位置に設定するのが最も好ましいと考えているためである。このため、以下に示す実験も、このような位置に原点Ｏが定義されているという前提で行う場合を例にとって説明する。
【０１７４】
もっとも、既に述べたとおり、原点Ｏは概念的な位置であり、必ずしも厳密な定義を行う必要はない。実際は、支持基板３００の中央付近の上面近傍の所定点に定義しておけば、実用上、本発明の効果は十分に得られる。したがって、たとえば、支持基板３００の上面をＸＹ平面とするＸＹＺ三次元座標系を定義してもかまわない。この場合、得られた力検出装置は、そのようなＸＹＺ三次元座標系における各座標軸に関する６成分の力を正確に検出する機能をもった装置ということになる。
【０１７５】
さて、図２２に示すような測定用治具４００を用いると、受力体１００に対して、ＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを正確に作用させる実験が可能になる。たとえば、図のフランジ部４４０の右端の作用点Ｐ１にワイヤを取り付け、図の右方向に水平に引っ張れば、力成分＋Ｆｘを作用させることができる。逆に、フランジ部４４０の左端の作用点Ｐ２にワイヤを取り付け、図の左方向に水平に引っ張れば、力成分−Ｆｘを作用させることができる。一方、Ｙ軸方向の力成分＋Ｆｙ，−Ｆｙを作用させる場合は、図示されていないフランジ部４４０の手前側もしくは奥側の作用点を利用すればよい。これらの作用点は、ＸＹ平面上の位置にとられているので、作用させた各力成分は、Ｘ軸もしくはＹ軸方向の正確な力成分になる。
【０１７６】
また、上蓋部４２０の中心に位置する作用点Ｐ３にワイヤを取り付け、図の垂直上方に引っ張れば、力成分＋Ｆｚを作用させることができ、逆に、作用点Ｐ３の部分を、何らかの器具で図の垂直下方に押し込むようにすれば、力成分−Ｆｚを作用させることができる。もちろん、複数の作用点を利用して、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを作用させることも可能である。この場合、座標軸に関して対称性を有する位置に複数の作用点を設定すればよい。
【０１７７】
一方、受力体１００に対して、各軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを作用させるには、座標軸に関して対称性を有する２つの作用点に相補的な力（偶力）を加えればよい。たとえば、Ｙ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｙを作用させるには、作用点Ｐ１に取り付けたワイヤーを図の垂直下方に引っ張り、作用点Ｐ２に取り付けたワイヤーを図の垂直上方に引っ張るようにし、両ワイヤーを引く力の絶対値を等しくすればよい。もちろん、この場合、図示の寸法ｒ１，ｒ２（原点Ｏから作用点Ｐ１，Ｐ２までの距離）が互いに等しくなるようにしておく必要がある。ワイヤーを引く向きを左右で入れ換えれば、Ｙ軸まわりの負方向のモーメント−Ｍｙを作用させることができる。
【０１７８】
同様に、Ｘ軸まわりのモーメント＋Ｍｘ，−Ｍｘを作用させる場合は、図示されていないフランジ部４４０の手前側もしくは奥側の作用点を利用し、一方を上方、他方を下方に引く相補的な力を加えればよい。また、Ｚ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｚを作用させる場合は、作用点Ｐ１に取り付けたワイヤーをＸＹ平面に沿って図の奥方向に引っ張り、作用点Ｐ２に取り付けたワイヤーをＸＹ平面に沿って図の手前方向に引っ張るようにすればよいし、Ｚ軸まわりの負方向のモーメント−Ｍｚを作用させる場合は、ワイヤーを引く向きを左右で入れ換えればよい。
【０１７９】
このような測定用治具４００を用い、たとえば、図１８に示すような８枚の主固定電極Ｅ１〜Ｅ８および８枚の副固定電極を備えた試作品について、Ｘ軸まわりのモーメント＋Ｍｘもしくは−Ｍｘを作用させ、各主容量素子に生じる容量値変化分と、各副容量素子に生じる容量値変化分とを比較し、両者の絶対値が等しくなるように、各電極の面積を調整すればよい。たとえば、所定の大きさをもったモーメント＋Ｍｘを作用させたときに、主容量素子Ｃ１に生じた容量値変化分が−δであり、副容量素子Ｄ１に生じた容量値変化分が＋εであり、δ＞εであった場合、δ＝εとなるまで、副固定電極Ｆ１の面積を大きくする修正を施せばよい。このような試作品を用いた試行錯誤を行うことにより、実用的な精度でδ＝εを満たす主容量素子および副容量素子を設計することが可能である。
【０１８０】
以上、試作品を用いた実測により、主容量素子および副容量素子を構成する固定電極を設計する方法を説明したが、実測の代わりに、コンピュータシミュレーションによる設計を行うことも可能である。たとえば、有限要素法などの公知のコンピュータ解析法を利用すれば、物理的な実体をもつ試作品を作成する代わりに、コンピュータ上でのシミュレーションにより、実測と同等の結果を得ることができる。すなわち、図１０に示す構造体各部の寸法や物理定数をパラメータとしてコンピュータに与えれば、受力体に所定の大きさをもったモーメント＋Ｍｘを作用させた場合の変形態様をシミュレートし、各容量素子に生じる静電容量値の変化分を演算によって求めることができる。実用上は、まず、このようなコンピュータシミュレーションによって、主容量素子および副容量素子を構成する固定電極を設計した後、必要に応じて、試作品による検証を行うようにすればよい。
【０１８１】
＜＜＜ §８． 検出回路の単純化 ＞＞＞
本発明に係る装置に用いられる検出回路は、各容量素子の静電容量値に基づいて、図２１の各演算式を利用して、受力体に作用した力の所定方向成分を検出する機能を有している。この図２１の各演算式は、（Ｃｉ＋Ｄｉ）なる項（但し、ｉ＝１〜８）の加算もしくは減算によって構成されており、これら各項は、第ｉ番目の主容量素子の静電容量値Ｃｉと第ｉ番目の副容量素子の静電容量値Ｄｉとの和である。このような数値の和を求める演算は、アナログ加算器を用いて行うこともできるし、デジタル演算器を用いて行うこともできるが、「静電容量値の和」という物理的性質に着目すると、「電気的な並列接続」という単純な方法により、特別な演算器を用いることなしに、和を求めることができる。
【０１８２】
たとえば、２つの容量素子Ｃａ，Ｃｂについての静電容量値の和「Ｃsum＝Ｃａ＋Ｃｂ」を求める必要がある場合、個々の静電容量値Ｃａ，Ｃｂを電気的にアナログ値もしくはデジタル値として検出し、アナログ加算器やデジタル演算器を用いた演算により、Ｃsumを得ることができる。しかしながら、２つの容量素子Ｃａ，Ｃｂの一方の電極同士を配線で接続し、他方の電極同士も配線で接続して、両者を並列接続した形にすれば、この並列接続された容量素子Ｃａｂについての静電容量値は、個々の静電容量値Ｃａ，Ｃｂの和「Ｃsum＝Ｃａ＋Ｃｂ」に等しくなる。
【０１８３】
このような方針に基づき、静電容量値の和を算出する対象となる複数の容量素子については、互いに電気的な並列接続がなされるような配線を施すことにより、検出回路３０における和を算出する演算を省略することが可能になる。本発明を実施する場合、実用上、第ｉ番目（但し、ｉ＝１〜８）の主容量素子と第ｉ番目の副容量素子とを並列接続するのが極めて好ましい。
【０１８４】
具体的には、第１の主容量素子Ｃ１と第１の副容量素子Ｄ１とを相互に並列接続するための配線と、第２の主容量素子Ｃ２と第２の副容量素子Ｄ２とを相互に並列接続するための配線と、第３の主容量素子Ｃ３と第３の副容量素子Ｄ３とを相互に並列接続するための配線と、第４の主容量素子Ｃ４と第４の副容量素子Ｄ４とを相互に並列接続するための配線と、第５の主容量素子Ｃ５と第５の副容量素子Ｄ５とを相互に並列接続するための配線と、第６の主容量素子Ｃ６と第６の副容量素子Ｄ６とを相互に並列接続するための配線と、第７の主容量素子Ｃ７と第７の副容量素子Ｄ７とを相互に並列接続するための配線と、第８の主容量素子Ｃ８と第８の副容量素子Ｄ８とを相互に並列接続するための配線と、を設けるようにすればよい。
【０１８５】
そうすれば、検出回路は、図２１の各演算式を利用して、受力体に作用した力の所定方向成分を検出する際に、第１の主容量素子Ｃ１と第１の副容量素子Ｄ１との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ１＋Ｄ１」の値として用い、第２の主容量素子Ｃ２と第２の副容量素子Ｄ２との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ２＋Ｄ２」の値として用い、第３の主容量素子Ｃ３と第３の副容量素子Ｄ３との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ３＋Ｄ３」の値として用い、第４の主容量素子Ｃ４と第４の副容量素子Ｄ４との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ４＋Ｄ４」の値として用い、第５の主容量素子Ｃ５と第５の副容量素子Ｄ５との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ５＋Ｄ５」の値として用い、第６の主容量素子Ｃ６と第６の副容量素子Ｄ６との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ６＋Ｄ６」の値として用い、第７の主容量素子Ｃ７と第７の副容量素子Ｄ７との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ７＋Ｄ７」の値として用い、第８の主容量素子Ｃ８と第８の副容量素子Ｄ８との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ８＋Ｄ８」の値として用いることができるので、これらの和を求める演算を省略することができる。
【０１８６】
図１０に示す実施形態の場合、中間体２００を金属などの導電性材料によって構成しておけば、各下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５が導電性をもった共通変位電極として機能し、１６個の容量素子の変位電極がすべて、中間体２００を介して電気的に導通した状態になる。したがって、一対の主副容量素子を並列接続するには、支持基板３００側に形成された主固定電極Ｅ１〜Ｅ８と、副固定電極Ｆ１〜Ｆ８とについて、図２３の平面図に示すような配線を施せばよい。
【０１８７】
図２３に示す例では、支持基板３００の上面に、電極Ｅ１／Ｆ１間、電極Ｅ２／Ｆ２間、電極Ｅ３／Ｆ３間、電極Ｅ４／Ｆ４間、電極Ｅ５／Ｆ５間、電極Ｅ６／Ｆ６間、電極Ｅ７／Ｆ７間、電極Ｅ８／Ｆ８間を接続するための配線がなされており、また、各電極Ｅ１〜Ｅ８に対しては、それぞれボンディングパッドＢ１〜Ｂ８への配線もなされている。したがって、たとえば、ボンディングパッドＢ１と、中間体２００との間の静電容量値を検出する回路を設けておけば、静電容量値「Ｃ１＋Ｄ１」の値を得ることができる。
【０１８８】
なお、図２３に示す例では、支持基板３００上に配線を通すため、円環状の副固定電極Ｆ３，Ｆ４，Ｆ７，Ｆ８の一部に切り欠き部を設けているが、切り欠き部の幅を小さく設定すれば、実質的な幾何学的対称性に大きな影響は及ばない。もちろん、切り欠き部を設けずに、支持基板３００にスルーホールを形成し、裏面側で配線を行うようにしてもかまわない。
【０１８９】
＜＜＜ §９． その他の変形例 ＞＞＞
これまで、本発明を基本的実施形態について述べてきた。そもそも、本発明の基本的な発想は、前掲の特許文献３（特開２００８−０９６２２９号公報）に記載された力検出装置において、図１６のグラフに示すとおり、モーメントＭｘが力Ｆｙの検出値に他軸成分として干渉し、同様に、モーメントＭｙが力Ｆｘの検出値に他軸成分として干渉する現象を補正することを目的としてなされたものである。
【０１９０】
上記目的を達成するため、本発明では、力Ｆｙの検出に用いる４個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ４について、それぞれ４個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ４を設け、モーメントＭｘの作用によって主容量素子Ｃ１〜Ｃ４に生じる他軸干渉成分δ（図１７のテーブルの４行目）を、同じモーメントＭｘの作用によって副容量素子Ｄ１〜Ｄ４に生じる成分ε（図１９のテーブルの４行目）によって相殺する構成を採る。また、力Ｆｘの検出に用いる４個の主容量素子Ｃ５〜Ｃ８について、それぞれ４個の副容量素子Ｄ５〜Ｄ８を設け、モーメントＭｙの作用によって主容量素子Ｃ５〜Ｃ８に生じる他軸干渉成分δ（図１７のテーブルの５行目）を、同じモーメントＭｙの作用によって副容量素子Ｄ５〜Ｄ８に生じる成分ε（図１９のテーブルの５行目）によって相殺する構成を採る。
【０１９１】
このように、主容量素子の検出値に発生する他軸干渉成分δを、副容量素子の容量値εによって相殺する点が、本発明の本質的な特徴である。したがって、上記発想から逸脱しない範囲で、本発明は様々な変形態様で実施することができる。以下、本発明の変形例をいくつか述べておく。
【０１９２】
＜９−１：柱状体の構成＞
本発明に係る力検出装置は、受力体１００と支持基板３００とを４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４によって接続することを前提とする。しかも、この４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４は、その中心軸がいずれもＺ軸に平行になるように配置されており、第１の柱状体Ｔ１は、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体Ｔ２は、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体Ｔ３は、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体Ｔ４は、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置されている。
【０１９３】
このような配置を採る理由は、各柱状体Ｔ１〜Ｔ４の下端近傍に、それぞれセンサを設け、柱状体の所定軸方向への傾斜や、柱状体から各座標軸上へ加えられる力を検出するためである。したがって、本発明を実施する上で、４本の柱状体の形状、サイズは、設計上、任意に決定できる事項である。
【０１９４】
しかしながら、実用上は、４本の柱状体を、同一形状および同一サイズの構造体によって構成し、かつ、これら４本の柱状体の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっているようにするのが好ましい。後述するように、本発明を実施する上では、主容量素子および副容量素子の形状や配置、そして受力体の変位に関する静電容量値の変動特性についても、幾何学的対称性を示すような設計をするのが好ましい。そのためには、４本の柱状体についても、同一形状および同一サイズとし、配置に対称性をもたせるような設計を行うのが好ましい。
【０１９５】
＜９−２：主容量素子の配置＞
本発明に係る力検出装置は、力Ｆｙの検出のために４個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ４を用いることを前提とする。ここで、第１の主容量素子Ｃ１は、ＸＹ座標系の第１象限に配置され、第２の主容量素子Ｃ２は、ＸＹ座標系の第４象限に配置され、第３の主容量素子Ｃ３は、ＸＹ座標系の第２象限に配置され、第４の主容量素子Ｃ４は、ＸＹ座標系の第３象限に配置されている必要がある。また、力Ｆｙの検出に加えて、力Ｆｘの検出を行う場合には、更に、４個の主容量素子Ｃ５〜Ｃ８を追加する必要がある。この場合、第５の主容量素子Ｃ５は、ＸＹ座標系の第１象限に配置され、第６の主容量素子Ｃ６は、ＸＹ座標系の第２象限に配置され、第７の主容量素子Ｃ７は、ＸＹ座標系の第４象限に配置され、第８の主容量素子Ｃ８は、ＸＹ座標系の第３象限に配置されている必要がある。
【０１９６】
主容量素子を上述の条件を満たすように配置すれば、原理的には、力Ｆｙもしくは力Ｆｘの検出が可能である。ただ、個々の主容量素子の形状がバラバラで、その配置に何ら対称性がないとすると、力の検出感度が各容量素子ごとに異なることになるので、正しい線形出力を得るためには、図２１の演算式において、必要に応じて、各静電容量値に感度補正を行うための補正係数を乗じるなどの措置が必要になる。
【０１９７】
したがって、実用上は、４個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する支持基板側の４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４、もしくは、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する支持基板側の８枚の電極Ｅ１〜Ｅ８は、同一形状および同一サイズの電極によって構成し、しかも、これら複数の電極の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっているようにするのが好ましい。
【０１９８】
特に、これまで述べた基本的実施形態の場合、図１８の平面図に示されているとおり、第１の主容量素子Ｃ１および第２の主容量素子Ｃ２を構成する支持基板側の２枚の電極は、第１の柱状体Ｔ１の中心軸を中心にして配置された第１の環状帯（図１８の例の場合、ワッシャのような円環状の帯）をＸ軸に沿って切断して得られる２枚の電極Ｅ１，Ｅ２によって構成され、第３の主容量素子Ｃ３および第４の主容量素子Ｃ４を構成する支持基板側の２枚の電極は、第２の柱状体Ｔ２の中心軸を中心にして配置された第２の環状帯をＸ軸に沿って切断して得られる２枚の電極Ｅ３，Ｅ４によって構成されている。また、第５の主容量素子Ｃ５および第６の主容量素子Ｃ６を構成する支持基板側の２枚の電極は、第３の柱状体Ｔ３の中心軸を中心にして配置された第３の環状帯をＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極Ｅ５，Ｅ６によって構成され、第７の主容量素子Ｃ７および第８の主容量素子Ｃ８を構成する支持基板側の２枚の電極は、第４の柱状体Ｔ４の中心軸を中心にして配置された第４の環状帯をＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極Ｅ７，Ｅ８によって構成されている。
【０１９９】
このように、第ｉ番目（ｉ＝１〜４）の柱状体Ｔｉの動きを検出する第ｉ番目のセンサに含まれる一対の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極を、当該柱状体Ｔｉの中心軸を中心にして配置された環状帯をＸ軸もしくはＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成することは、本発明の好適な実施形態である。
【０２００】
その第１の理由は、環状帯によって囲まれた内側領域に、副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極を形成するスペースが確保されるためである。図１８に示す例の場合、第６の副容量素子Ｄ６および第８の副容量素子Ｄ８を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ６，Ｆ８は、電極Ｅ１，Ｅ２によって構成される第１の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、第５の副容量素子Ｄ５および第７の副容量素子Ｄ７を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ５，Ｆ７は、電極Ｅ３，Ｅ４によって構成される第２の環状帯によって囲まれた内側領域に配置されている。また、第２の副容量素子Ｄ２および第４の副容量素子Ｄ４を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ２，Ｆ４は、電極Ｅ５，Ｅ６によって構成される第３の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、第１の副容量素子Ｄ１および第３の副容量素子Ｄ３を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ１，Ｆ３は、電極Ｅ７，Ｅ８によって構成される第４の環状帯によって囲まれた内側領域に配置されている。このように、主固定電極Ｅ１〜Ｅ８を、２つに切断された環状帯の片方によって構成すれば、この環状帯の内側部分のスペースを利用して、副固定電極Ｆ１〜Ｆ８を配置することができる。
【０２０１】
主固定電極Ｅ１〜Ｅ８を、環状帯の片方によって構成するのが好都合な第２の理由は、主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の検出感度を高めることができるためである。主容量素子Ｃ１〜Ｃ８は、本発明に係る力検出装置における力検出の主たる役割を果たす構成要素であり、できるだけ高い検出感度が得られるようにするのが好ましい。主固定電極Ｅ１〜Ｅ８を、図１８に例示するような環状帯によって構成すると、柱状体が傾斜したときの容量素子の電極間距離の変化を大きくとることができ、静電容量値の変化として得られる検出値の感度を高めることができる。
【０２０２】
なお、これまで述べてきた基本的実施形態の場合、各柱状体Ｔ１〜Ｔ４が円柱状構造体からなり、各下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５が円盤状構造体からなるため、各環状帯は円環状構造体（ワッシャ状構造体）にするのが最も効率的である。
【０２０３】
＜９−３：副容量素子の構成＞
続いて、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の構成のバリエーション、より具体的には、８枚の副固定電極Ｆ１〜Ｆ８の形状および配置のバリエーションを述べる。
【０２０４】
これまで述べてきた基本的実施形態に係る力検出装置は、合計１６個の主副容量素子の静電容量値に基づき、図２１に示す演算式を利用して、６つの力成分を検出する機能を有している。ここで、１６個の容量素子は、４つのセンサに振り分けられる。すなわち、第１のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第１の主容量素子Ｃ１と、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第２の主容量素子Ｃ２と、第６の副容量素子Ｄ６と、第８の副容量素子Ｄ８と、を有し、第２のセンサは、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第３の主容量素子Ｃ３と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第４の主容量素子Ｃ４と、第５の副容量素子Ｄ５と、第７の副容量素子Ｄ７と、を有し、第３のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第５の主容量素子Ｃ５と、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第６の主容量素子Ｃ６と、第２の副容量素子Ｄ２と、第４の副容量素子Ｄ４と、を有し、第４のセンサは、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第７の主容量素子Ｃ７と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第８の主容量素子Ｃ８と、第１の副容量素子Ｄ１と、第３の副容量素子Ｄ３と、を有している。
【０２０５】
ここで、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の形状および配置について、より詳細に説明すれば、図１８に示す例の場合、副固定電極Ｆ３，Ｆ４，Ｆ６，Ｆ７は、円環状（ワッシャ状）の電極であり、副固定電極Ｆ１，Ｆ２，Ｆ８，Ｆ５は、それぞれその内側に配置された円盤状の電極になっている。しかも、いずれも、各柱状体の中心軸を中心とする配置がなされている。このような形状および配置をもった副固定電極Ｆ１〜Ｆ８によって構成される副容量素子Ｄ１〜Ｄ８には、図１９のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じることは既に述べたとおりである。そして、主容量素子Ｃ１〜Ｃ８と組み合わせることにより、図２０のテーブルに示すような静電容量値の変化態様が得られ、図２１に示す演算式に基づいて、６つの力成分の検出が可能になることも既に述べたとおりである。ただ、本発明を実施する上で、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の形状および配置は、図１８に示す基本的実施形態に限定されるものではない。
【０２０６】
たとえば、図１８において、副固定電極Ｆ３，Ｆ４，Ｆ６，Ｆ７と副固定電極Ｆ１，Ｆ２，Ｆ８，Ｆ５とをそっくり入れ替えても、図２１に示す演算式に基づいて、６つの力成分の検出が可能である。要するに、第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方を環状の形状をなす電極によって構成し、他方をその内側領域に配置された電極によって構成し、第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方を環状の形状をなす電極によって構成し、他方をその内側領域に配置された電極によって構成し、第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方を環状の形状をなす電極によって構成し、他方をその内側領域に配置された電極によって構成し、第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方を環状の形状をなす電極によって構成し、他方をその内側領域に配置された電極によって構成すれば、図１８に示す基本的実施形態と同じ原理で６つの力成分の検出が可能である。
【０２０７】
一方、図２４は、図１８に示されている１６枚の電極の第１の変形例（副容量素子を構成する８枚の電極Ｆ１〜Ｆ８の形状および配置が異なる）を示す拡大平面図である。この変形例では、第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体Ｔ１の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｘ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ６，Ｆ８によって構成され、第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体Ｔ２の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｘ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ５，Ｆ７によって構成され、第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体Ｔ３の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｙ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ２，Ｆ４によって構成され、第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体Ｔ４の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｙ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ１，Ｆ３によって構成されている。ここで、電極Ｆ１〜Ｆ８は、いずれも同一形状、同一サイズの半円状電極となっている。
【０２０８】
この図２４に示すような形状および配置をもった副固定電極Ｆ１〜Ｆ８によって構成される副容量素子Ｄ１〜Ｄ８には、図２５のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じる。この図２５のテーブルを図１９のテーブルと比較すると、より多くの欄に変動分±εが生じている。前述したとおり、この符号「ε」は、「副容量素子に生じる容量値変化」を示す符号であり、特定の固有値を示すものではない。
【０２０９】
図２５のテーブルにおいて、より多くの欄に変動分±εが生じている理由は、図２４に示す副固定電極Ｆ１〜Ｆ８が半円形状をなすためである。図１８に示す副固定電極Ｆ１〜Ｆ８は、柱状体の中心軸を中心として配置された円形もしくは円環状の電極であるため、柱状体が傾斜した場合、各副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変動は「０」になるが、図２４に示す半円形状の副固定電極Ｆ１〜Ｆ８を用いた副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の場合、Ｘ軸もしくはＹ軸方向への傾斜が検知されることになる。
【０２１０】
このように、図２４に示す変形例では、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８に、柱状体の傾斜を検知する変動分±εが生じることになるものの、図２１に示す各演算式に基づいて、６つの力成分を検出できることに変わりはない。すなわち、電極Ｆ１〜Ｆ８は、いずれも同一形状、同一サイズの半円状電極であり、しかも一対の電極が所定軸に関して対称性をもつように配置されているため、図２５のテーブルにおいて、＋Ｆｘの行に記載されているεの絶対値は相互に等しく、＋Ｆｙの行に記載されているεの絶対値は相互に等しく、＋Ｆｚの行に記載されているεの絶対値は相互に等しく、＋Ｍｚの行に記載されているεの絶対値は相互に等しくなる。また、＋Ｍｘの行のＤ１〜Ｄ４の各欄に記載されているεの絶対値は相互に等しく、Ｄ５〜Ｄ８の各欄に記載されているεの絶対値は相互に等しくなり、＋Ｍｙの行のＤ１〜Ｄ４の各欄に記載されているεの絶対値は相互に等しく、Ｄ５〜Ｄ８の各欄に記載されているεの絶対値は相互に等しくなる。
【０２１１】
図２６は、図１７に示す８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図２５に示す８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。正副の各容量素子対について、この図２６のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じることを前提とした場合でも、やはり、図２１に示す各演算式に基づいて、６つの力成分の検出が可能である。これは、上述したように、同一形状、同一サイズの半円状電極を、対称性をもつように配置したためである。
【０２１２】
たとえば、図２１の式に基づいて力Ｆｘや力Ｆｙを求める場合、図２６のテーブルに示す変動分「ε」は何ら関与しないので、図２０のテーブルを前提とした場合と同じ値が得られる。また、図２６のテーブルの＋Ｆｚの行と図２０のテーブルの＋Ｆｚの行は同じであるから、力Ｆｚについても同じ結果が得られる。一方、モーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚに関しては、図２０のテーブルにおける「Δ」が、図２６のテーブルでは「Δ＋ε」に置き換わるため、演算値自体としては異なる結果が得られるものの、単なるスケーリングの問題であり、実質的な検出原理に相違は生じない。結局、図１８に示す電極配置の代わりに図２４に示す電極配置を採る変形例においても、図２１に示す各演算式に基づいて、６つの力成分を検出できる。
【０２１３】
また、図２７は、図１８に示されている１６枚の電極の第２の変形例（副容量素子を構成する８枚の電極Ｆ１〜Ｆ８の形状および配置が異なる）を示す拡大平面図である。この変形例では、第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体Ｔ１の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＹ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ６，Ｆ８によって構成され、第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体Ｔ２の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＹ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ５，Ｆ７によって構成され、第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体Ｔ３の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＸ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ２，Ｆ４によって構成され、第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体Ｔ４の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＸ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ１，Ｆ３によって構成されている。
【０２１４】
この図２７に示す第２の変形例は、いわば図２４に示す第１の変形例における半円形の副固定電極Ｆ１〜Ｆ８を９０°回転させたものに相当する。この図２７に示すような形状および配置をもった副固定電極Ｆ１〜Ｆ８によって構成される副容量素子Ｄ１〜Ｄ８には、図２８のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じる。この図２８のテーブルを図１９のテーブルと比較すると、やはり多くの欄に変動分±εが生じている。これは、図２７に示す第２の変形例においても、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８に、柱状体の傾斜を検知する変動分±εが生じるためである。
【０２１５】
図２９は、図１７に示す８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図２８に示す８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。正副の各容量素子対について、この図２９のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じることを前提とした場合でも、やはり、図２１に示す各演算式に基づいて、６つの力成分の検出が可能である。これは、副固定電極Ｆ１〜Ｆ８として、同一形状、同一サイズの半円状電極を、対称性をもつように配置したためである。
【０２１６】
たとえば、図２１の式に基づいて力Ｆｘや力Ｆｙを求める場合、図２０のテーブルにおける「Δ」が、図２９のテーブルでは「Δ＋ε」もしくは「Δ−ε」に置き換わるが、いずれの場合も「４Δ」という同じ結果が得られる。また、図２９のテーブルの＋Ｆｚ，＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚの各行と図２０のテーブルの各対応行は同じであるから、力ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚについても同じ結果が得られる。結局、図１８に示す電極配置の代わりに図２７に示す電極配置を採る変形例においても、図２１に示す各演算式に基づいて、６つの力成分を検出できる。
【０２１７】
＜９−４：副容量素子の形状および配置の条件＞
以上、副容量素子の形状および配置のバリエーションとして、２通りの変形例を述べたが、本発明を実施する上で、副容量素子の形状および配置のバリエーションは、この他にも様々なものを採用することができる。
【０２１８】
ここでは、副容量素子の形状および配置の条件を考えてみよう。本発明における副容量素子の役割は、モーメントＭｘもしくはＭｙが作用したときに、主容量素子に生じる他軸干渉成分δを相殺するための変動分εを発生させることにある。そこで、いま、図３０に示す平面図において、主容量素子Ｃ１を構成する電極Ｅ１に対して、副容量素子Ｄ１を構成する電極Ｆ１の配置を考えてみる。図３０は、支持基板３００の平面図であり、Ｇ３１〜Ｇ３４は、下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５の下方に形成される溝部を示しており、それぞれセンサＳ１〜Ｓ４が形成される領域に対応する。
【０２１９】
いま、図示のとおり、溝部Ｇ３１内に主固定電極Ｅ１が配置されているものとし、モーメントＭｘが作用した場合に、この主固定電極Ｅ１によって構成される主容量素子Ｃ１に生じる他軸干渉成分δを相殺するための変動分εを発生させる副容量素子Ｄ１の配置を考える。主副容量素子を並列接続して相殺を行うことを考えると、モーメントＭｘが作用した場合に、εの符号がδの符号と逆になるようにする必要がある。そうすると、副容量素子Ｄ１を構成する副固定電極Ｆ１の配置候補は、図にハッチングを施して示す領域Ａ１，Ａ２，Ａ４のいずれかになる。ただ、検出感度を考慮すると、副固定電極Ｆ１の配置候補は、領域Ａ４が最適であることがわかる。モーメントＭｘが作用した場合の電極間距離の変化は、領域Ａ４が最も顕著である。
【０２２０】
同様に、モーメントＭｙが作用した場合の他軸干渉成分の相殺も考慮して各副固定電極Ｆ１〜Ｆ８の配置を考えると、電極Ｆ６，Ｆ８は溝部Ｇ３１（センサＳ１）内に配置し、電極Ｆ５，Ｆ７は溝部Ｇ３２（センサＳ２）内に配置し、電極Ｆ２，Ｆ４は溝部Ｇ３３（センサＳ３）内に配置し、電極Ｆ１，Ｆ３は溝部Ｇ３４（センサＳ４）内に配置するのが好ましいことがわかる。これまで述べてきた基本的実施形態や変形例は、いずれもこのような考え方に基づいて副固定電極Ｆ１〜Ｆ８を配置したものである。
【０２２１】
次に、各副固定電極Ｆ１〜Ｆ８の形状を考える。図３１は、主容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する電極Ｅ１，Ｅ２と、副容量素子Ｄ１，Ｄ４を構成する電極Ｆ１，Ｆ４の配置の一例を説明する平面図である。主固定電極Ｅ１，Ｅ２は、第１の柱状体Ｔ１の中心軸Ｑ１を中心にして配置された環状帯をＸ軸に沿って切断して得られる電極になっている。一方、主固定電極Ｅ１に対応する副固定電極Ｆ１は、第４の柱状体Ｔ４の中心軸Ｑ４を中心にして配置された円形の電極となっており、主固定電極Ｅ４に対応する副固定電極Ｆ４は、第３の柱状体Ｔ３の中心軸Ｑ３を中心にして配置された円環状の電極となっている。
【０２２２】
主固定電極と副固定電極について、このような形状を採用した実施形態が、図１８に示す基本的実施形態である。このような形状を採る利点は、一対の主固定電極からなる環状帯の内部領域に、一対の副固定電極を配置できる点である。図３１に示す例の場合、実際には、主固定電極Ｅ１，Ｅ２からなる環状帯の内部領域に、円環状をした副固定電極Ｆ６が配置され、更にその内部領域に、円形をした副固定電極Ｆ８が配置されることになる。１つのセンサ領域に、２枚の主固定電極と２枚の副固定電極とを配置することを考えると、図３１に示す各電極形状は非常に効率的である。
【０２２３】
また、図３１に示すとおり、副固定電極は、円形をした電極（Ｆ１）もしくは円環状をした電極（Ｆ４）になるため、柱状体の傾斜が静電容量値として検出されることはないというメリットも得られる。したがって、図１９のテーブルに示されているとおり、不要な変動分εの発生は、＋Ｆｚの行のみに抑えられている。たとえば、図３１に示す円形の副固定電極Ｆ１によって構成される副容量素子Ｄ１は、ＹＺ平面と、第４の柱状体の中心軸Ｑ４を含みＸＺ平面に平行な参照面Ｘ４と、の双方に関して、面対称となる形状をなす。同様に、円環状の副固定電極Ｆ４によって構成される副容量素子Ｄ４は、ＹＺ平面と、第３の柱状体の中心軸Ｑ３を含みＸＺ平面に平行な参照面Ｘ３と、の双方に関して、面対称となる形状をなす。このため、副容量素子には、柱状体の傾斜に基づく静電容量値の変化は生じない。
【０２２４】
結局、柱状体の傾斜が静電容量値として検出されないようにするには、第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ６，Ｆ８がいずれも、第１の柱状体Ｔ１の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面と、ＸＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ５，Ｆ７がいずれも、第２の柱状体Ｔ２の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面と、ＸＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ２，Ｆ４がいずれも、第３の柱状体Ｔ３の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面と、ＹＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ１，Ｆ３がいずれも、第４の柱状体Ｔ４の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面と、ＹＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなすようにすればよい。
【０２２５】
一方、図３２は、主固定電極Ｅ１，Ｅ２に対する副固定電極Ｆ１，Ｆ２の別な配置形態を示す平面図であり、前述した第１の変形例（図２４に示す例）に対応するものである。一対の主固定電極からなる環状帯の内部領域に、一対の副固定電極を配置できる点は前述の例と同じであるが、副固定電極の形状は異なっている。なお、図２４では、半円形の副固定電極を用いる例を示したが、図３２では、一般論として説明するため、矩形の副固定電極Ｆ１，Ｆ２を配置した例を示す。ここで、副固定電極Ｆ１によって構成される副容量素子Ｄ１は、ＹＺ平面に関する対称性は有していないが、第４の柱状体の中心軸Ｑ４を含みＸＺ平面に平行な参照面Ｘ４に関して面対称の形状をなす。同様に、副固定電極Ｆ２によって構成される副容量素子Ｄ２は、ＹＺ平面に関する対称性は有していないが、第３の柱状体の中心軸Ｑ３を含みＸＺ平面に平行な参照面Ｘ３に関して面対称の形状をなす。
【０２２６】
図２４に示す電極配置を採った場合、図２６のテーブルに示す静電容量値の変化が生じることとなり、このような静電容量値の変化が生じることを前提とした場合にも、図２１の演算式に基づき、６つの力成分の検出が可能であることは、既に述べたとおりである。ここで、図２６のテーブルに示す静電容量値の変化が生じるようにするには、結局、第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ６，Ｆ８がいずれも、第１の柱状体Ｔ１の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ５，Ｆ７がいずれも、第２の柱状体Ｔ２の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ２，Ｆ４がいずれも、第３の柱状体Ｔ３の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ１，Ｆ３がいずれも、第４の柱状体Ｔ４の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなすようにすればよい。
【０２２７】
一方、図３３は、主固定電極Ｅ１，Ｅ２に対する副固定電極Ｆ１，Ｆ２の更に別な配置形態を示す平面図であり、前述した第２の変形例（図２７に示す例）に対応するものである。一対の主固定電極からなる環状帯の内部領域に、一対の副固定電極を配置できる点は前述の例と同じであるが、副固定電極の形状は異なっている。なお、図２７では、半円形の副固定電極を用いる例を示したが、図３２では、一般論として説明するため、楕円形の副固定電極Ｆ１，Ｆ２を配置した例を示す。ここで、副固定電極Ｆ１によって構成される副容量素子Ｄ１は、ＹＺ平面に関する対称性は有しているが、第４の柱状体の中心軸Ｑ４を含みＸＺ平面に平行な参照面Ｘ４に関する対称性は有していない。同様に、副固定電極Ｆ２によって構成される副容量素子Ｄ２は、ＹＺ平面に関する対称性は有しているが、第３の柱状体の中心軸Ｑ３を含みＸＺ平面に平行な参照面Ｘ３に関する対称性は有していない。
【０２２８】
図２７に示す電極配置を採った場合、図２９のテーブルに示す静電容量値の変化が生じることとなり、このような静電容量値の変化が生じることを前提とした場合にも、図２１の演算式に基づき、６つの力成分の検出が可能であることは、既に述べたとおりである。ただ、本願発明者は、実用上、第２の変形例として示した図２７に示す電極配置パターンを採るよりは、基本的実施形態として示した図１８に示す電極配置パターンや第１の変形例として示した図２４に示す電極配置パターンを採る方がより好ましいと考えている。これは、図２７に示す電極配置パターンには、検出感度の低下を招く要因があるためである。すなわち、図２９の＋Ｆｘ，＋Ｆｙの行には、「Δ−ε」なる項が含まれており、せっかく主容量素子で得た「Δ」なる検出値に対して、副容量素子で得た検出値「ε」を減じる操作が行われることになるので、検出感度を減じる操作を意図的に行うことになるのである。したがって、本願発明者は、本発明を実施する上で、図１８の電極配置もしくは図２４の電極配置を採るのが最適であると考えている。
【０２２９】
＜９−５：他軸干渉成分δ＝変動分εとする設定方法＞
本発明に係る力検出装置では、受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合に、第ｉ番目（ｉ＝１〜４）の主容量素子に生じる静電容量値の変化分±δの絶対値と、第ｉ番目の副容量素子に生じる静電容量値の変化分±εの絶対値とが等しくなるような設定を行い、また、受力体にＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合に、第ｊ番目（ｊ＝５〜８）の主容量素子に生じる静電容量値の変化分±δの絶対値と、第ｊ番目の副容量素子に生じる静電容量値の変化分±εの絶対値とが等しくなるような設定を行うことになる。
【０２３０】
そのような設定を行う代表的な方法として、主容量素子を構成する電極の面積と、これに対応する副容量素子を構成する電極の面積との比が、受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘもしくはＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合に、主容量素子に生じる静電容量値の変化分±δの絶対値と、副容量素子に生じる静電容量値の変化分±εの絶対値とが等しくなるような面積比になるようにする方法を、§７で述べた。
【０２３１】
しかしながら、各容量素子に生じる静電容量値を調整する方法は、電極面積を調整する方法に限定されるものではない。たとえば、電極間距離を調整する方法を採ることも可能であるし、電極間に流動性をもった媒体を充填し、当該媒体の誘電率を調整する方法を採ることも可能である。ただ、量産型の商用製品として利用する場合は、これまで述べたように、電極面積を調整する方法を採るのが最も効率的である。
【符号の説明】
【０２３２】
１０：受力体
１１：第１の柱状体
１２：第２の柱状体
１３：第３の柱状体
１４：第４の柱状体
２０：支持基板
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
１００：受力体
１１０：円柱突起部
１１５：上端側肉薄部
１２０：円柱突起部
１２５：上端側肉薄部
１３０：円柱突起部
１３５：上端側肉薄部
１４０：円柱突起部
１４５：上端側肉薄部
２００：中間体
２１０：円柱突起部
２１５：下端側肉薄部
２２０：円柱突起部
２２５：下端側肉薄部
２３０：円柱突起部
２３５：下端側肉薄部
２４０：円柱突起部
２４５：下端側肉薄部
２５０：制御壁
２６０：制御壁
３００：支持基板
４００：測定用治具
４１０：接続部
４２０：上蓋部
４３０：側壁部
４４０：フランジ部
Ａ１〜Ａ４：電極配置領域
Ｂ１〜Ｂ８：ボンディングパッド
Ｃ１〜Ｃ８：主容量素子／主容量素子の静電容量値
Ｄ１〜Ｄ８：副容量素子／副容量素子の静電容量値
ｄ１〜ｄ３：空隙寸法
Ｅ１〜Ｅ８：主容量素子を構成する電極
Ｆ１〜Ｆ８：副容量素子を構成する電極
Ｆｘ：Ｘ軸方向の力
Ｆｙ：Ｙ軸方向の力
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力
ｆｚ：支持基板に対して作用する引っ張り力／押圧力
Ｇ１１〜Ｇ３４：溝部
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
Ｏ：座標系の原点
Ｏ′：補助座標系の原点
Ｐ１〜Ｐ３：作用点
Ｑ１〜Ｑ４：中心軸
ｒ１，ｒ２：原点から作用点までの長さ
Ｓ１〜Ｓ４：力センサ
Ｔ１〜Ｔ４：柱状体
Ｖ（Ｍｘ）：モーメントＭｘの検出値
Ｖ（Ｆｙ）：力Ｆｙの検出値
ＸＹＺ：検出対象となる力を定義するための三次元座標系
Ｘ′Ｙ′Ｚ′：受力体の中心位置に原点をもつ補助座標系
Ｘ２，Ｘ４：Ｘ軸に平行な参照軸
Δ：主容量素子の静電容量値の変化分
δ：主容量素子の静電容量値の変化分（他軸干渉成分）
ε：副容量素子の静電容量値の変化分
θ１，θ２：柱状体１１，１２の傾斜角
【技術分野】
【０００１】
本発明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。
【０００４】
このような６つの力成分をそれぞれ独立して検出することができる力検出装置として、たとえば、下記の特許文献１には、比較的単純な構造をもった装置が開示されている。この特許文献１に開示された技術は、既に米国特許第６９１５７０９号・米国特許第７１２１１４７号・欧州特許第１４６４９３９号が付与されている技術であり、受力体と支持基板とを複数の柱状体で接続した構造物を用意し、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定することにより、受力体に加わった力の各成分を検出するものである。
【０００５】
また、下記の特許文献２に開示されている技術も、既に米国特許第７２１９５６１号が付与されている技術である。この技術によれば、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定するセンサとして静電容量素子を用い、この静電容量素子を構成する特定の電極間に配線を施すことにより、受力体に加わった力の各成分を検出するための演算を単純化することが可能になる。
【０００６】
一方、下記の特許文献３には、８個の容量素子のみを用いて、６つの力成分をそれぞれ独立して検出する技術が開示されている。この技術によれば、容量素子の形成に必要な電極構造をより単純化することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３５４０４９号公報
【特許文献２】特開２００４−３２５３６７号公報
【特許文献３】特開２００８−０９６２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したとおり、特許文献１〜３に開示されている力検出装置は、比較的単純な構造により、各座標軸方向の力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、各座標軸まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとの６つの成分をそれぞれ独立して検出することが可能である。しかしながら、実用上は、他軸成分の干渉を完全に排除した状態で、必要な成分のみの正確な測定値を得ることは困難であり、他軸成分の干渉による測定精度の低下は避けられない。もちろん、このような他軸成分の干渉程度が、個々の用途に応じた許容誤差範囲内であれば支障はないが、最近は、様々な利用分野において、より測定精度の高い力検出装置が望まれている。
【０００９】
そこで本発明は、できるたけ単純な構造をもち、しかも他軸成分の干渉を排除し、力とモーメントとを区別して検出することが可能な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】
【００１０】
(1) 本発明の第１の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための４本の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
４本の柱状体の各上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続されており、４本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、
ＸＹ平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするＺ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、
４本の柱状体は、その中心軸がいずれもＺ軸に平行になるように配置されており、第１の柱状体は、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体は、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体は、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体は、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置され、
第１の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第１のセンサが配置され、
第２の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第２のセンサが配置され、
第３の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第３のセンサが配置され、
第４の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第４のセンサが配置され、
第１のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第１の主容量素子と、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第２の主容量素子と、を有し、
第２のセンサは、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第３の主容量素子と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第４の主容量素子と、を有し、
第３のセンサは、第２の副容量素子と、第４の副容量素子と、を有し、
第４のセンサは、第１の副容量素子と、第３の副容量素子と、を有し、
各容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力の所定方向成分を検出する検出回路を更に備え、
受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合に、第１の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第１の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第２の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第２の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第３の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第３の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第４の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第４の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるように、各容量素子が構成され、
検出回路が、第１の主容量素子の静電容量値をＣ１、第１の副容量素子の静電容量値をＤ１、第２の主容量素子の静電容量値をＣ２、第２の副容量素子の静電容量値をＤ２、第３の主容量素子の静電容量値をＣ３、第３の副容量素子の静電容量値をＤ３、第４の主容量素子の静電容量値をＣ４、第４の副容量素子の静電容量値をＤ４としたときに、受力体に作用した力のＹ軸方向成分Ｆｙを、
Ｆｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００１１】
(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを、
Ｍｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００１２】
(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＺ軸方向成分Ｆｚを、
Ｆｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４））
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００１３】
(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１〜第３の態様に係る力検出装置において、
第１の主容量素子と第１の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第２の主容量素子と第２の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第３の主容量素子と第３の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第４の主容量素子と第４の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、を更に設け、
検出回路が、第１の主容量素子と第１の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ１＋Ｄ１」の値として用い、第２の主容量素子と第２の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ２＋Ｄ２」の値として用い、第３の主容量素子と第３の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ３＋Ｄ３」の値として用い、第４の主容量素子と第４の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ４＋Ｄ４」の値として用いるようにしたものである。
【００１４】
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る力検出装置において、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が、同一のセンサを構成する複数の容量素子についての共通電極として機能するようにしたものである。
【００１５】
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第５の態様に係る力検出装置において、
第１〜第４の主容量素子を構成する支持基板側の４枚の電極が、同一形状および同一サイズの電極によって構成されており、かつ、これら４枚の電極配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっているようにしたものである。
【００１６】
(7) 本発明の第７の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための４本の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
４本の柱状体の各上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続されており、４本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、
ＸＹ平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするＺ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、
４本の柱状体は、その中心軸がいずれもＺ軸に平行になるように配置されており、第１の柱状体は、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体は、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体は、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体は、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置され、
第１の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第１のセンサが配置され、
第２の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第２のセンサが配置され、
第３の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第３のセンサが配置され、
第４の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第４のセンサが配置され、
第１のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第１の主容量素子と、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第２の主容量素子と、第６の副容量素子と、第８の副容量素子と、を有し、
第２のセンサは、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第３の主容量素子と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第４の主容量素子と、第５の副容量素子と、第７の副容量素子と、を有し、
第３のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第５の主容量素子と、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第６の主容量素子と、第２の副容量素子と、第４の副容量素子と、を有し、
第４のセンサは、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第７の主容量素子と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第８の主容量素子と、第１の副容量素子と、第３の副容量素子と、を有し、
各容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力の所定方向成分を検出する検出回路を更に備え、
受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合に、第１の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第１の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第２の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第２の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第３の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第３の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第４の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第４の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、
受力体にＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合に、第５の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第５の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第６の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第６の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第７の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第７の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、第８の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、第８の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるように、各容量素子が構成され、
検出回路が、第１の主容量素子の静電容量値をＣ１、第１の副容量素子の静電容量値をＤ１、第２の主容量素子の静電容量値をＣ２、第２の副容量素子の静電容量値をＤ２、第３の主容量素子の静電容量値をＣ３、第３の副容量素子の静電容量値をＤ３、第４の主容量素子の静電容量値をＣ４、第４の副容量素子の静電容量値をＤ４、第５の主容量素子の静電容量値をＣ５、第５の副容量素子の静電容量値をＤ５、第６の主容量素子の静電容量値をＣ６、第６の副容量素子の静電容量値をＤ６、第７の主容量素子の静電容量値をＣ７、第７の副容量素子の静電容量値をＤ７、第８の主容量素子の静電容量値をＣ８、第８の副容量素子の静電容量値をＤ８、としたときに、
受力体に作用した力のＹ軸方向成分Ｆｙを、
Ｆｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求め、
受力体に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘを、
Ｆｘ＝（Ｃ５＋Ｄ５）−（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）−（Ｃ８＋Ｄ８）
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００１７】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第７の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを、
Ｍｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求め、受力体に作用した力のＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘを、
Ｍｘ＝−（Ｃ５＋Ｄ５）−（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８）
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００１８】
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第７または第８の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＺ軸方向成分Ｆｚを、
Ｆｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）＋（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８））
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００１９】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第７〜第９の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＺ軸まわりのモーメント成分Ｍｚを、
Ｍｚ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）−（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）−（Ｃ８＋Ｄ８）
なる演算式を利用して求めるようにしたものである。
【００２０】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第７〜第１０の態様に係る力検出装置において、
第１の主容量素子と第１の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第２の主容量素子と第２の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第３の主容量素子と第３の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第４の主容量素子と第４の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第５の主容量素子と第５の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第６の主容量素子と第６の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第７の主容量素子と第７の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第８の主容量素子と第８の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、を更に設け、
検出回路が、第１の主容量素子と第１の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ１＋Ｄ１」の値として用い、第２の主容量素子と第２の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ２＋Ｄ２」の値として用い、第３の主容量素子と第３の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ３＋Ｄ３」の値として用い、第４の主容量素子と第４の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ４＋Ｄ４」の値として用い、第５の主容量素子と第５の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ５＋Ｄ５」の値として用い、第６の主容量素子と第６の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ６＋Ｄ６」の値として用い、第７の主容量素子と第７の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ７＋Ｄ７」の値として用い、第８の主容量素子と第８の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ８＋Ｄ８」の値として用いるようにしたものである。
【００２１】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第７〜第１１の態様に係る力検出装置において、
４本の柱状体が、同一形状および同一サイズの構造体によって構成されており、かつ、これら４本の柱状体の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっているようにしたものである。
【００２２】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第１２の態様に係る力検出装置において、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が、同一のセンサを構成する複数の容量素子についての共通電極として機能するようにしたものである。
【００２３】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第１３の態様に係る力検出装置において、
第１〜第８の主容量素子を構成する支持基板側の８枚の電極が、同一形状および同一サイズの電極によって構成されており、かつ、これら８枚の電極の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっているようにしたものである。
【００２４】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述の第１４の態様に係る力検出装置において、
第１および第２の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体の中心軸を中心にして配置された第１の環状帯をＸ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第３および第４の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体の中心軸を中心にして配置された第２の環状帯をＸ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第５および第６の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体の中心軸を中心にして配置された第３の環状帯をＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第７および第８の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体の中心軸を中心にして配置された第４の環状帯をＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の環状帯によって囲まれた内側領域に配置されているようにしたものである。
【００２５】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述の第１５の態様に係る力検出装置において、
各柱状体が円柱状構造体からなり、各下端側肉薄部が円盤状構造体からなり、各環状帯が円環状構造体からなるようにしたものである。
【００２６】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述の第１６の態様に係る力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成されているようにしたものである。
【００２７】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述の第１６の態様に係る力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｘ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｘ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｙ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｙ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成されているようにしたものである。
【００２８】
(19) 本発明の第１９の態様は、上述の第１６の態様に係る力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＹ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＹ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＸ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＸ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成されているようにしたものである。
【００２９】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述の第１４〜第１６の態様に係る力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第１の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面と、ＸＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第２の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面と、ＸＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第３の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面と、ＹＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第４の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面と、ＹＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなすようにしたものである。
【００３０】
(21) 本発明の第２１の態様は、上述の第１４〜第１６の態様に係る力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第１の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第２の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第３の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第４の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなすようにしたものである。
【００３１】
(22) 本発明の第２２の態様は、上述の第１〜第２１の態様に係る力検出装置において、
主容量素子を構成する電極の面積と、これに対応する副容量素子を構成する電極の面積との比を、受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘもしくはＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合に、主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるような面積比に設定したものである。
【００３２】
(23) 本発明の第２３の態様は、上述の第１〜第２２の態様に係る力検出装置において、
４本の柱状体の各上端を受力体に接続するための可撓性をもった部材として、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続された上端側肉薄部が設けられているようにしたものである。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係る力検出装置によれば、受力体と支持基板とを４本の柱状体で接続し、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定することにより、受力体に加わった力の各成分を検出することができるため、構造が非常に単純な検出装置を実現することができる。しかも、基本的には、主容量素子を用いて各力成分をそれぞれ独立して検出する構成を採りつつ、個々の主容量素子にそれぞれ対応する副容量素子を設け、他軸成分の干渉要素をキャンセルできるようにしたため、他軸成分の干渉を排除し、力とモーメントとを区別して検出することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る力検出装置の基本構成を示す斜視図（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】本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の上面図である。
【図４】本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の第１の側断面図であり、図３に示す装置をＸＺ平面に沿って切断した断面が示されている。
【図５】本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の第２の側断面図であり、図３に示す装置をＹＺ平面に沿って切断した断面が示されている。
【図６】図４，図５に示す力検出装置の受力体１００を、Ｘ′Ｙ′平面に沿って切断した状態を示す横断面図である。
【図７】図４，図５に示す力検出装置の中間体２００を、切断線７−７に沿って切断した状態を示す横断面図である。
【図８】図４，図５に示す力検出装置の中間体２００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９】図４，図５に示す力検出装置の支持基板３００の上面図である。
【図１０】本発明の実用的な実施形態に係る力検出装置のＸＺ側断面図である。
【図１１】図１０に示す力検出装置にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの構造体の変形態様を示す側断面図である。
【図１２】図１０に示す力検出装置にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの構造体の変形態様を示す側断面図である。
【図１３】図１０に示す力検出装置にＹ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの構造体の仮想的な変形態様を示す側断面図である。
【図１４】図１０に示す力検出装置において、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８を用いた各力成分の基本的な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主容量素子の静電容量値の変化の態様を示している（モーメントの作用に関しては、図１４に示す仮想的な変形態様を前提としており、他軸干渉成分を考慮しない態様を示している）。
【図１５】図１４に示すテーブルに基づいて、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値を用いて各力成分を検出する原理を数式を用いて示す図である。
【図１６】図１４および図１５に示す原理に基づく検出を行った場合に、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘによるＹ軸方向の力Ｆｙへの他軸干渉が生じる測定結果を示すグラフである。
【図１７】他軸干渉成分を考慮して、図１４に示すテーブルを補正したテーブルである（太線で囲った欄は、補正対象となった欄である）。
【図１８】図９に示されている１６枚の電極の拡大平面図である。
【図１９】図１０に示す力検出装置において、受力体に各力成分が作用したときの各副容量素子の静電容量値の変化の態様を示すテーブルである（太線で囲った欄は、副容量素子の静電容量値に変化が生じる欄である）。
【図２０】図１７に示す８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図１９に示す８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである（太線で囲った欄は、副容量素子の静電容量値に変化が生じる欄である）。
【図２１】図２０に示すテーブルに基づいて、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８および８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値を用いて各力成分を検出する原理を数式を用いて示す図である。
【図２２】主容量素子を構成する電極と副容量素子を構成する電極との面積比を決定するための実験方法の一例を示す側断面図である。
【図２３】図１８に示されている１６枚の電極に対する配線例を示す拡大平面図である。
【図２４】図１８に示されている１６枚の電極の第１の変形例（副容量素子を構成する８枚の電極Ｆ１〜Ｆ８の形状および配置が異なる）を示す拡大平面図である。
【図２５】図２４に示す第１の変形例において、受力体に各力成分が作用したときの各副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値の変化の態様を示すテーブルである。
【図２６】図１７に示す８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図２５に示す８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。
【図２７】図１８に示されている１６枚の電極の第２の変形例（副容量素子を構成する８枚の電極Ｆ１〜Ｆ８の形状および配置が異なる）を示す拡大平面図である。
【図２８】図２７に示す第２の変形例において、受力体に各力成分が作用したときの各副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値の変化の態様を示すテーブルである。
【図２９】図１７に示す８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図２８に示す８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。
【図３０】主容量素子Ｃ１を構成する電極Ｅ１に対して、副容量素子Ｄ１を構成する電極Ｆ１の配置を説明する平面図である。
【図３１】主容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する電極Ｅ１，Ｅ２に対して、副容量素子Ｄ１，Ｄ２を構成する電極Ｆ１，Ｆ２の配置の一例（図１８の実施例に対応する例）を説明する平面図である。
【図３２】主容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する電極Ｅ１，Ｅ２に対して、副容量素子Ｄ１，Ｄ２を構成する電極Ｆ１，Ｆ２の配置の別な一例（図２４の第１の変形例に対応する例）を説明する平面図である。
【図３３】主容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する電極Ｅ１，Ｅ２に対して、副容量素子Ｄ１，Ｄ２を構成する電極Ｆ１，Ｆ２の配置の更に別な一例（図２７の第２の変形例に対応する例）を説明する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００３６】
＜＜＜ §１． 装置の基本構造 ＞＞＞
はじめに、本発明に係る力検出装置の基本構造を説明する。なお、この基本構造それ自身は、前述した特許文献１〜３において、既に開示されているものである。
【００３７】
図１に示すとおり、本発明に係る力検出装置の基本構成要素は、受力体１０、第１の柱状体１１、第２の柱状体１２、第３の柱状体１３、第４の柱状体１４、支持基板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。
【００３８】
ここでは、説明の便宜上、ＸＹＺ三次元座標系と、これを上方に平行移動させたＸ′Ｙ′Ｚ′補助座標系を定義する。図示の例の場合、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏは、支持基板２０の上面中心位置に定義されており、支持基板２０の上面がＸＹ平面に含まれるようになっている。図の右方がＸ軸正方向、図の斜め奥がＹ軸正方向、図の上方がＺ軸正方向である。一方、Ｘ′Ｙ′Ｚ′補助座標系の原点Ｏ′は、原点ＯをＺ軸正方向に所定距離移動させた位置にある。具体的には、原点Ｏ′は受力体１０の中心部に位置している。したがって、Ｘ軸とＸ′軸とは平行であり、Ｙ軸とＹ′軸とは平行であり、Ｚ軸とＺ′軸とは重なり合っている。
【００３９】
受力体１０は、検出対象となる力を受ける構成要素であり、Ｘ′Ｙ′Ｚ′補助座標系の原点Ｏ′を受力体１０の中心部にとったのは、この受力体１０に作用する力を説明するための便宜である。図には、受力体１０に対して作用する、Ｘ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚを、それぞれＸ′軸、Ｙ′軸、Ｚ′軸に沿った矢印として示してあるが、もちろん、これらの力はそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸にも平行な力であり、受力体１０に対して加えられた力のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分、Ｚ軸方向成分を示すものになる。
【００４０】
このように、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚについては、Ｘ′Ｙ′Ｚ′補助座標系の各座標軸に沿った力と考えても、ＸＹＺ三次元座標系の各座標軸に沿った力と考えても、物理量としての本質に相違はないが、モーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚについては、座標系の原点位置をどこにとるかによって物理量としての本質は変わってくる。特に、本発明は、他軸成分の干渉を排除した高い測定精度をもつ力検出装置に係るものであるため、ここでは、ＸＹＺ三次元座標系とＸ′Ｙ′Ｚ′補助座標系とを明確に区別して取り扱うことにする。
【００４１】
すなわち、本発明に係る力検出装置の検出対象となる力Ｆｘ，Ｆｙ，ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚは、あくまでもＸＹＺ三次元座標系の各座標軸方向に作用する力および各座標軸まわりに作用するモーメントであり、図１において、モーメントＭｘ，Ｍｙを示す矢印がそれぞれＸ軸およびＹ軸まわりに描かれているのはこのためである（Ｚ軸とＺ′軸とは重なるので、モーメントＭｚはＺ′軸まわりのモーメントと考えても支障ない）。別言すれば、モーメントＭｘやＭｙが直接的に作用する物体は受力体１０であるが、これらのモーメントは、受力体１０を、その中心位置にある原点Ｏ′を中心として回転させる作用を果たすのではなく、受力体１０を、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏを中心として回転させる作用を果たすことになる。
【００４２】
結局、この力検出装置は、ＸＹＺ三次元座標系において、受力体１０に作用する力のＸ軸方向成分Ｆｘ、Ｙ軸方向成分Ｆｙ、Ｚ軸方向成分Ｆｚと、Ｘ軸まわりのモーメント成分Ｍｘ、Ｙ軸まわりのモーメント成分Ｍｙ、Ｚ軸まわりのモーメント成分Ｍｚをそれぞれ独立して検出する機能を有することになる。
【００４３】
なお、本願では、「力」という文言は、特定の座標軸方向の力成分を意味する場合と、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。
【００４４】
支持基板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、ここに示す例の場合、支持基板２０の上面は、ＸＹ平面に含まれる。この力検出装置は、この支持基板２０を固定した状態において、受力体１０に作用した力を検出することになる。
【００４５】
第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４は、受力体１０と支持基板２０とを接続する部材であり、いずれもその中心軸がＺ軸に平行になるように配置されている。しかも、第１の柱状体１１は、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体１２は、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体１３は、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体１４は、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置されている。
【００４６】
また、実用上は、第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４は、全く同じ材質、全く同じ形状、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・形状・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・形状・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。同様の理由により、各柱状体の形状および配置のパターンは、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっているのが好ましい。
【００４７】
なお、図１には示されていないが、各柱状体１１〜１４の上端は、受力体１０に対して、可撓性をもった部材を介して接続されており、各柱状体１１〜１４の下端は、支持基板２０に対して、可撓性をもった接続部材を介して接続されている。要するに、第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４は、受力体１０に対しても、支持基板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は支持基板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と支持基板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。
【００４８】
結局、図１に示す例の場合、第１の柱状体１１〜第４の柱状体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の柱状体１１〜第４の柱状体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の柱状体１１〜第４の柱状体１４は、受力体１０や支持基板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、接続部材が伸縮し、受力体１０と支持基板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、接続部材が伸縮し、受力体１０と支持基板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。
【００４９】
第１のセンサ２１〜第４のセンサ２４は、それぞれ第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４の傾斜を検出するとともに、第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４から支持基板２０に向かって加えられるＺ軸方向に関する力を検出する力センサである。具体的には、後述するように、これらのセンサは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、各柱状体１１〜１４を介して、支持基板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によって、各柱状体１１〜１４の下端部近傍に生じる力学的な現象を検出する機能を有している。より具体的には、後に詳述するように、柱状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、柱状体の傾斜度を検知する機能と、柱状体全体が、支持基板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。
【００５０】
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、上述した柱状体の傾斜度や、支持基板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。
【００５１】
＜＜＜ §２． 力とモーメントを区別して検出する原理 ＞＞＞
続いて、図２の正面図を参照しながら、図１に示す力検出装置において、力とモーメントを区別して検出することが可能な原理を説明する。なお、図２では、説明の便宜上、第１の柱状体１１および第２の柱状体１２の変位形態のみを示すが、第３の柱状体１３および第４の柱状体１４についても所定の変位が生じることになる。
【００５２】
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、支持基板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などの重量が支持基板２０上に加わっているので、支持基板２０は、第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４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〜第４のセンサ２４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、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。
【００５３】
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の柱状体１１および第２の柱状体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の柱状体１１の傾斜度をθ１、第２の柱状体１２の傾斜度をθ２と呼ぶことにする。
【００５４】
なお、図には示されていないが、このとき、第３の柱状体１３および第４の柱状体１４も、同様に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３の柱状体１３のＸ軸方向に関する傾斜度をθ３、第４の柱状体１４のＸ軸方向に関する傾斜度をθ４と呼ぶ。このようにＸＺ平面内もしくは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〜θ４を、「Ｘ軸方向に関する傾斜度」と呼ぶことにする。
【００５５】
同様に、受力体１０に対して、Ｙ軸正方向の力＋Ｆｙが作用した場合は、第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４は、いずれもＹ軸正方向（図の紙面奥行き方向）へと傾斜する。ここでは、このようにＹＺ平面内もしくは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」と呼ぶことにする。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、各柱状体のＹ軸方向の傾斜度は０である。
【００５６】
なお、各柱状体１１〜１４が傾斜すると、受力体１０と支持基板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。
【００５７】
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軸は原点Ｏの位置において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、本願では、所定の座標軸の正方向に右ネジを進める場合の当該右ネジの回転方向を、当該座標軸まわりの正のモーメントと定義することにする。前述したとおり、モーメント＋Ｍｙは、受力体１０を原点Ｏ′を中心として回転させる力ではなく、原点Ｏを中心として回転させる力になる（両者の誤差が許容範囲であれば、モーメントを原点Ｏ′を中心とする回転力として取り扱っても問題ない。）。
【００５８】
さて、この場合、図示のとおり、第１の柱状体１１については上下方向に縮小力が作用し、第２の柱状体１２については上下方向に伸張力が作用することになる。その結果、第１の柱状体１１から支持基板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の柱状体１２から支持基板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。このとき、第３の柱状体１３および第４の柱状体１４から支持基板２０に対しては、部分的に押圧力や引っ張り力が加えられるものの、加えられる力はトータルでは相殺されて零になる。
【００５９】
図１に矢印で示されているとおり、受力体１０に作用するＸ軸方向の力Ｆｘと、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙとは、受力体１０に対して似たような変位作用を及ぼすことになるが、図２に示すような動的挙動をとる構造体を有する力検出装置では、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、４本の柱状体１１〜１４を介して支持基板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。
【００６０】
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、４本の柱状体１１〜１４は、Ｘ軸方向に傾斜し、傾斜度θ１〜θ４を生じることになり（図には、柱状体１１，１２の変位態様のみが例示されている）、このような傾斜に応じた力が支持基板２０へと伝達される。これらの傾斜度θ１，θ２，θ３，θ４は、いずれも、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。
【００６１】
本発明では、後述するように、各柱状体１１〜１４の傾斜度は、各センサ２１〜２４によって、支持基板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、各柱状体から支持基板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の柱状体１１と支持基板２０との接続部分に生じる応力を考えてみると、第１の柱状体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の柱状体１１は右側に傾斜しているので、第１の柱状体１１の底部の右側部分については押圧力が生じ、支持基板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、支持基板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の柱状体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の柱状体１１の傾斜度を得ることができる。他の柱状体１２，１３，１４の傾斜度検出も同様の方法で行うことができる。
【００６２】
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本の柱状体１１，１２から支持基板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、柱状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) に示すように柱状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の柱状体１１全体により押圧力−ｆｚが加えられ、第２の柱状体１２全体により引っ張り力＋ｆｚが加えられることになる。
【００６３】
このように、Ｘ軸方向の力Ｆｘの作用に対しては、第１の柱状体１１〜第４の柱状体１４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の柱状体１１および第２の柱状体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。
【００６４】
結局、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の柱状体１１全体から支持基板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の柱状体１２全体から支持基板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の柱状体１１全体から支持基板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の柱状体１２全体から支持基板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。
【００６５】
以上、図２を参照しながら、受力体１０に作用するＸ軸方向の力Ｆｘと、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙと、を区別して検出する原理を説明したが、この、図２の動作説明におけるＸ軸をＹ軸におきかえれば、同様の方法で、受力体１０に作用するＹ軸方向の力Ｆｙと、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘと、を区別して検出することができる。
【００６６】
また、受力体１０に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合は、４本の柱状体１１〜１４のすべてから支持基板２０に対して押圧力−ｆｚが加わることになり、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した場合は、４本の柱状体１１〜１４のすべてから支持基板２０に対して引っ張り力＋ｆｚが加わることになる。したがって、作用したＺ軸方向の力Ｆｚは、４本の柱状体１１〜１４から加えられた押圧力−ｆｚの和もしくは引っ張り力＋ｆｚの和として求めることができる。
【００６７】
更に、受力体１０に、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが作用した場合は、４本の柱状体１１〜１４が、上方から観察したときに、時計まわりもしくは反時計まわりに傾斜することになるので、４本の柱状体１１〜１４それぞれの傾斜方向を検知することにより、モーメントＭｚの検出も可能である。
【００６８】
＜＜＜ §３． 具体的な実施形態の構造 ＞＞＞
続いて、本発明の具体的な実施形態に係る力検出装置の主たる構造部分を、図３〜図９を用いて説明する。
【００６９】
図３は、本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の上面図である。この装置を、ＸＺ平面で切断した側断面図が図４に示されており、ＹＺ平面で切断した側断面図が図５に示されている。図４もしくは図５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、受力体１００、中間体２００、支持基板３００であり、いずれも上面がＸＹ平面に平行な正方形状をした板状の部材を基本形態としている。図４および図５は、互いに切断位置が異なる側断面図であるが、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。これは、この装置の基本構造が、ＸＺ平面に関して面対称であり、かつ、ＹＺ平面に関しても面対称であるためである。
【００７０】
§１で述べた例と同様に、この例でも、ＸＹＺ三次元座標系と、これをＺ軸方向に平行移動したＸ′Ｙ′Ｚ′補助座標系とが定義されている。Ｘ′Ｙ′Ｚ′補助座標系は、受力体１００の中心位置に原点Ｏ′をもった座標系である。一方、ＸＹＺ三次元座標系の原点Ｏは、支持基板３００の上面中心点を、Ｚ軸正方向に若干ずらした位置に定義されている。図４および図５において、原点Ｏが支持基板３００の上面から若干上方にずれており、Ｘ軸およびＹ軸が支持基板３００の上面位置から若干上方にずれているのはこのためである。
【００７１】
そもそもＸＹＺ三次元座標系は、概念的に定義された座標系であり、その原点Ｏをどの位置に定義しようが、この力検出装置の物理的構造に影響があるわけではない。しかしながら、この力検出装置を用いて、高精度の測定を行うことを意図している利用者に対しては、この検出装置によって正確に検出されるモーメントが、特定の原点Ｏをもつ座標軸まわりのモーメントであることを明確にしておく必要がある。そして、後述するように、本発明のポイントとなる他軸干渉を排除するための補正は、当該特定の原点Ｏをもつ座標軸まわりのモーメントについての干渉を相殺するような補正となる。したがって、本発明を実施する上では、このような補正が正確な意味をもつようにするために、特定の原点Ｏを設定しておく必要がある。
【００７２】
この特定の原点Ｏは、§１で述べた例と同様に、支持基板３００の上面中心点の位置に定義してもかまわない。ただ、本願発明者は、ここに図示する実施形態の場合は、この原点Ｏの位置を、若干上方に定義した方が、より好ましい結果が得られると考えている。これは、後述するとおり、本発明では、各センサ２１〜２４として、静電容量素子からなるセンサを用いて、各柱状体の下端に作用した力（傾斜度）の検出が行われるため、この容量素子の中心位置、すなわち、容量素子を構成する一対の電極間の中間位置に、ＸＹ平面が位置するような座標系を定義するのが最も好ましいと考えられるからである。したがって、ここに示す実施形態の場合、原点Ｏの位置は、電極の厚みを無視した場合、支持基板３００の上面の中心点を、容量素子を構成する一対の電極間距離の１／２だけ上方に移動させた位置ということになる。
【００７３】
もっとも、原点Ｏの理想的な位置を理論的に解析することは容易ではないので、実際の力検出装置の構造によっては、必ずしも上述の位置に原点Ｏを定義するのが最適であるとは限らない。原点Ｏの位置は、それほど厳密に定義する必要はなく、支持基板の中央付近の上面もしくはその上方の所定点に定義しておけば、実用上、本発明の効果は十分に得られる。
【００７４】
さて、上面が正方形状をした板状の部材からなる受力体１００、中間体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。
【００７５】
受力体１００は、図３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。図６は、この受力体１００をＸ′Ｙ′平面で切断した状態を示す横断面図である。
【００７６】
図６に示されているとおり、４本の円柱突起部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、板状の受力体１００には、図３，図４，図５に示すように、可撓性をもった上端側肉薄部１１５，１２５，１３５，１４５が形成されている。結局、４本の円柱突起部１１０，１２０，１３０，１４０は、上端側肉薄部１１５，１２５，１３５，１４５を介して、板状の受力体１００に接続されていることになる。
【００７７】
一方、中間体２００は、支持基板３００の上面に接合された部材であり、基本的には、上面が正方形状をした板状部材である。図４，図５に示すように、この中間体２００の上面からは、４本の円柱突起部２１０，２２０，２３０，２４０が上方へと伸びている。これら４本の円柱突起部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、この中間体２００の下面には、円柱状の溝部Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ３３，Ｇ３４が形成されている。中間体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、いずれも円柱突起部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。
【００７８】
図４に示すとおり、溝部Ｇ２１とＧ３１との間には、下端側肉薄部２１５が境界壁として存在し、溝部Ｇ２２とＧ３２との間には、下端側肉薄部２２５が境界壁として存在する。また、図５に示すとおり、溝部Ｇ２３とＧ３３との間には、下端側肉薄部２３５が境界壁として存在し、溝部Ｇ２４とＧ３４との間には、下端側肉薄部２４５が境界壁として存在する。
【００７９】
図７は、この図４，図５に示す中間体２００を、切断線７−７に沿って切断した状態を示す横断面図である。４本の円柱突起部２１０，２２０，２３０，２４０の周囲に、溝部Ｇ２１，Ｇ２２，Ｇ２３，Ｇ２４が形成されている状態が明瞭に示されている。また、図８は、この図４，図５に示す中間体２００を、ＸＹ平面に沿って切断した状態を示す横断面図であり、溝部Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ３３，Ｇ３４の配置が明瞭に示されている。
【００８０】
この中間体２００の下面に接合された支持基板３００は、図９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、固定電極Ｅ１〜Ｅ８，Ｆ１〜Ｆ８が配置されている。後述するように、固定電極Ｅ１〜Ｅ８は、それぞれ主容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成するために支持基板３００の上面に固定された電極であり、ここでは「主固定電極」と呼ぶことにする。一方、固定電極Ｆ１〜Ｆ８は、それぞれ副容量素子Ｄ１〜Ｄ８を構成するために支持基板３００の上面に固定された電極であり、ここでは「副固定電極」と呼ぶことにする。図９では、これら１６枚の固定電極の形状を明瞭に示すために、各電極の内部にハッチングを施して示してある（図９におけるハッチングは、断面を示すためのものではない）。
【００８１】
受力体１００側から下方に伸びた４本の円柱突起部１１０，１２０，１３０，１４０の下面は、中間体２００側から上方に伸びた４本の円柱突起部２１０，２２０，２３０，２４０の上面に接合されている。ここでは、図４に示すように、円柱突起部１１０と円柱突起部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の柱状体Ｔ１と呼び、円柱突起部１２０と円柱突起部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の柱状体Ｔ２と呼ぶことにする。また、図５に示すように、円柱突起部１３０と円柱突起部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の柱状体Ｔ３と呼び、円柱突起部１４０と円柱突起部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の柱状体Ｔ４と呼ぶことにする。
【００８２】
図３の上面図を見ればわかるように、この４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４のＸＹ平面上への投影位置を考えると、第１の柱状体Ｔ１は、その中心軸がＺ軸に平行になり、かつ、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体Ｔ２は、その中心軸がＺ軸に平行になり、かつ、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体Ｔ３は、その中心軸がＺ軸に平行になり、かつ、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体Ｔ４は、その中心軸がＺ軸に平行になり、かつ、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置されている。
【００８３】
また、図４に示すとおり、第１の柱状体Ｔ１の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部１１５を接続部材として受力体１００に接続されており、第２の柱状体Ｔ２の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部１２５を接続部材として受力体１００に接続されており、図５に示すとおり、第３の柱状体Ｔ３の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部１３５を接続部材として受力体１００に接続されており、第４の柱状体Ｔ４の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部１４５を接続部材として受力体１００に接続されている。このように、各上端側肉薄部１１５，１２５，１３５，１４５は、その周囲が受力体１００に接続され、その下面中心部が各柱状体Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の上端に接続されていることになる。。
【００８４】
一方、図４に示すとおり、第１の柱状体Ｔ１の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部２１５の中央に接合されており、下端側肉薄部２１５の周囲は、中間体２００を介して支持基板３００に接続されており、第２の柱状体Ｔ２の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部２２５の中央に接合されており、下端側肉薄部２２５の周囲は、中間体２００を介して支持基板３００に接続されている。同様に、図５に示すとおり、第３の柱状体Ｔ３の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部２３５の中央に接合されており、下端側肉薄部２３５の周囲は、中間体２００を介して支持基板３００に接続されており、第４の柱状体Ｔ４の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部２４５の中央に接合されており、下端側肉薄部２４５の周囲は、中間体２００を介して支持基板３００に接続されている。
【００８５】
下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５も、可撓性をもった円板状の部材であり、中間体２００の一部が、この円板状の部材を支持基板３００上に支持する台座として機能している。結局、下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５は、支持基板３００の上面から所定距離をおいた上方位置に、支持基板３００の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板３００に接続されており、その上面中心部が各柱状体Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の下端に接続されていることになる。
【００８６】
図示の実施形態では、受力体１００は絶縁性基板（たとえば、セラミック基板）、中間体２００は導電性基板（たとえば、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属基板）、支持基板３００は絶縁性基板（たとえば、セラミック基板）によって構成されている。もちろん、各部の材質はこれらに限定されるものではなく、たとえば、受力体１００を、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属基板で構成してもかまわない。上端側肉薄部１１５，１２５，１３５，１４５や下端側肉薄部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。
【００８７】
この実施形態では、下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５は、導電性材料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いる。受力体１００に力が作用すると、下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５が変形して変位を生じることになり、その結果、各柱状体Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４にも変位が生じることになる。したがって、導電性をもった下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５は、それ自身が変位電極としての機能を果たす。
【００８８】
図９に示すように、支持基板３００の上面には、第１の柱状体Ｔ１の下端近傍位置に主固定電極Ｅ１，Ｅ２および副固定電極Ｆ６，Ｆ８が形成されている。導電性材料からなる下端側肉薄部２１５は、図４に示すように、これら４枚の固定電極のすべてに対向する１枚の共通変位電極としての機能を果たすことになる。このため、個々の固定電極と、共通変位電極のこれに対向する部分と、によって、容量素子が形成される。ここでは、主固定電極Ｅ１，Ｅ２および副固定電極Ｆ６，Ｆ８と、共通変位電極（下端側肉薄部２１５）の対向部分とによって構成される容量素子を、それぞれ主容量素子Ｃ１，Ｃ２および副容量素子Ｄ６，Ｄ８と呼ぶことにする。
【００８９】
結局、第１の柱状体Ｔ１の下端側肉薄部２１５とこれに対向する支持基板３００の上面とによって挟まれた空間（溝部Ｇ３１）内に、一方の電極（共通変位電極）が下端側肉薄部２１５の下面に形成され、他方の電極（主固定電極Ｅ１，Ｅ２および副固定電極Ｆ６，Ｆ８）が支持基板３００の上面に形成された４個の容量素子Ｃ１，Ｃ２，Ｄ６，Ｄ８によって、第１のセンサＳ１が構成されている。この第１のセンサＳ１は、第１の柱状体Ｔ１の傾斜や、第１の柱状体Ｔ１から支持基板３００に対して加えられる押圧力や引っ張り力を検出する機能を果たす。
【００９０】
また、図９に示すように、支持基板３００の上面には、第２の柱状体Ｔ２の下端近傍位置に主固定電極Ｅ３，Ｅ４および副固定電極Ｆ５，Ｆ７が形成されている。導電性材料からなる下端側肉薄部２２５は、図４に示すように、これら４枚の固定電極のすべてに対向する１枚の共通変位電極としての機能を果たすことになる。このため、個々の固定電極と、共通変位電極のこれに対向する部分と、によって、容量素子が形成される。ここでは、主固定電極Ｅ３，Ｅ４および副固定電極Ｆ５，Ｆ７と、共通変位電極（下端側肉薄部２２５）の対向部分とによって構成される容量素子を、それぞれ主容量素子Ｃ３，Ｃ４および副容量素子Ｄ５，Ｄ７と呼ぶことにする。
【００９１】
結局、第２の柱状体Ｔ２の下端側肉薄部２２５とこれに対向する支持基板３００の上面とによって挟まれた空間（溝部Ｇ３２）内に、一方の電極（共通変位電極）が下端側肉薄部２２５の下面に形成され、他方の電極（主固定電極Ｅ３，Ｅ４および副固定電極Ｆ５，Ｆ７）が支持基板３００の上面に形成された４個の容量素子Ｃ３，Ｃ４，Ｄ５，Ｄ７によって、第２のセンサＳ２が構成されている。この第２のセンサＳ２は、第２の柱状体Ｔ２の傾斜や、第２の柱状体Ｔ２から支持基板３００に対して加えられる押圧力や引っ張り力を検出する機能を果たす。
【００９２】
更に、図９に示すように、支持基板３００の上面には、第３の柱状体Ｔ３の下端近傍位置に主固定電極Ｅ５，Ｅ６および副固定電極Ｆ２，Ｆ４が形成されている。導電性材料からなる下端側肉薄部２３５は、図５に示すように、これら４枚の固定電極のすべてに対向する１枚の共通変位電極としての機能を果たすことになる。このため、個々の固定電極と、共通変位電極のこれに対向する部分と、によって、容量素子が形成される。ここでは、主固定電極Ｅ５，Ｅ６および副固定電極Ｆ２，Ｆ４と、共通変位電極（下端側肉薄部２３５）の対向部分とによって構成される容量素子を、それぞれ主容量素子Ｃ５，Ｃ６および副容量素子Ｄ２，Ｄ４と呼ぶことにする。
【００９３】
結局、第３の柱状体Ｔ３の下端側肉薄部２３５とこれに対向する支持基板３００の上面とによって挟まれた空間（溝部Ｇ３３）内に、一方の電極（共通変位電極）が下端側肉薄部２３５の下面に形成され、他方の電極（主固定電極Ｅ５，Ｅ６および副固定電極Ｆ２，Ｆ４）が支持基板３００の上面に形成された４個の容量素子Ｃ５，Ｃ６，Ｄ２，Ｄ４によって、第３のセンサＳ３が構成されている。この第３のセンサＳ３は、第３の柱状体Ｔ３の傾斜や、第３の柱状体Ｔ３から支持基板３００に対して加えられる押圧力や引っ張り力を検出する機能を果たす。
【００９４】
同様に、図９に示すように、支持基板３００の上面には、第４の柱状体Ｔ４の下端近傍位置に主固定電極Ｅ７，Ｅ８および副固定電極Ｆ１，Ｆ３が形成されている。導電性材料からなる下端側肉薄部２４５は、図５に示すように、これら４枚の固定電極のすべてに対向する１枚の共通変位電極としての機能を果たすことになる。このため、個々の固定電極と、共通変位電極のこれに対向する部分と、によって、容量素子が形成される。ここでは、主固定電極Ｅ７，Ｅ８および副固定電極Ｆ１，Ｆ３と、共通変位電極（下端側肉薄部２４５）の対向部分とによって構成される容量素子を、それぞれ主容量素子Ｃ７，Ｃ８および副容量素子Ｄ１，Ｄ３と呼ぶことにする。
【００９５】
結局、第４の柱状体Ｔ４の下端側肉薄部２４５とこれに対向する支持基板３００の上面とによって挟まれた空間（溝部Ｇ３４）内に、一方の電極（共通変位電極）が下端側肉薄部２４５の下面に形成され、他方の電極（主固定電極Ｅ７，Ｅ８および副固定電極Ｆ１，Ｆ３）が支持基板３００の上面に形成された４個の容量素子Ｃ７，Ｃ８，Ｄ１，Ｄ３によって、第４のセンサＳ４が構成されている。この第４のセンサＳ４は、第４の柱状体Ｔ４の傾斜や、第４の柱状体Ｔ４から支持基板３００に対して加えられる押圧力や引っ張り力を検出する機能を果たす。
【００９６】
なお、ここでは、下端側肉薄部２１５〜２４５を導電性材料によって構成し、下端側肉薄部２１５〜２４５自身を共通変位電極として用いる例を示したが、下端側肉薄部２１５〜２４５を絶縁性材料によって構成した場合には、その下面に、共通変位電極となる導電性電極層を形成すればよい。もちろん、変位電極は必ずしも共通の電極とする必要はないので、各下端側肉薄部の下面に、４枚の固定電極のそれぞれに対向する個別の変位電極を設けるようにしてもかまわない。また、下端側肉薄部に設ける変位電極を４枚の個別電極にし、支持基板３００に設ける固定電極を１枚の共通電極にすることも可能である。ただ、実用上は、配線を単純化する上で、図示の実施例のように、下端側肉薄部２１５〜２４５を導電性材料によって構成し、下端側肉薄部２１５〜２４５自身を共通変位電極として用いるようにするのが好ましい。
【００９７】
さて、図３〜図９を用いて説明した実施例に係る力検出装置は、結局、図１に示す力検出装置と同等の構成要素を備えていることがわかる。すなわち、板状の受力体１００は受力体１０に対応し、板状の支持基板３００は支持基板２０に対応し、各柱状体Ｔ１〜Ｔ４は各柱状体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３〜図９に示す構造体に、検出回路３０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。
【００９８】
なお、実用上は、図１０に示す例のように、中間体２００の周囲輪郭部分を上方へと伸ばし、制御壁２５０および２６０を形成した構造にするのが好ましい。制御壁２５０は、受力体１００の周囲を四方から囲む壁であり、制御壁２６０は、受力体１００の上面の周囲を枠状に取り囲む壁である。このような構造体では、受力体１００の下面と中間体２００の上面との間に寸法ｄ１の空隙部が形成され、受力体１００の上面と制御壁２６０との間に寸法ｄ２の空隙部が形成され、受力体１００の側面と制御壁２５０との間に寸法ｄ３の空隙部が形成される。したがって、受力体１００に対して過度の力が加わったとしても、受力体１００の下方、上方、側方への変位は、それぞれｄ１，ｄ２，ｄ３に制限されることになり、各柱状部Ｔ１〜Ｔ４等の構造部分が破損するのを防ぐことができる。
【００９９】
＜＜＜ §４． 主容量素子のみを用いた検出動作 ＞＞＞
続いて、図１０に示す力検出装置の基本的な検出動作を、図１１〜図１３を用いて説明する。§２で説明したとおり、この装置は、支持基板３００を固定した状態において、受力体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機能を有している。
【０１００】
図９に示すとおり、支持基板３００上には、８枚の主固定電極Ｅ１〜Ｅ８が形成されており、これら主固定電極Ｅ１〜Ｅ８と、対向する共通変位電極（下端側肉薄部２１５〜２４５）とによって、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８が構成されている。この§４では、これら８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８のみを用いて、上記６つの力成分を検出する動作を説明する。本発明の特徴は、更に８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８を利用して、他軸成分の干渉を排除した正確な検出を行う点にあるが、この特徴については、§６で述べることにする。
【０１０１】
さて、ここでは、図１０に示す位置に原点ＯをとったＸＹＺ三次元座標系において、受力体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、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の変化を考えてみる（８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値の変化については、§６で述べる）。
【０１０２】
図１１は、図１０に示す力検出装置において、受力体１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの構造体の変形態様を示す側断面図である。同様に、図１２は、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変形態様を示し、図１３は、Ｙ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｙが作用したときの変形態様を示している。
【０１０３】
一方、図１４は、６つの力成分が作用したときの各主容量素子Ｃ１〜Ｃ８（括弧内の符号Ｅ１〜Ｅ８は、対応する主固定電極を示す）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、「＋Δ」は増加、「−Δ」は減少を示している。なお、このテーブルにおける各欄のΔの絶対値は、たとえ作用する力の絶対値が同一であっても、必ずしもすべてが同一の値をとるわけではなく、それぞれ各容量素子の形状や配置によって決定される所定の固有値になる。
【０１０４】
より具体的に言えば、形状や配置に対称性が確保された容量素子についての同一行の欄に記載されたΔの絶対値は互いに等しくなるが、すべての欄についてのΔの絶対値が互いに等しいわけではない。たとえば、第３行目（＋Ｆｚの行）におけるＣ１〜Ｃ８の各欄に示すΔの絶対値は、これらの容量素子の形状や配置に対称性が確保されているため互いに等しくなるが、同じＣ１の欄のΔであっても、たとえば、第２行目の「＋Δ」（力＋Ｆｙが作用したときの容量値変化分）と、第３行目の「−Δ」（力＋Ｆｚが作用したときの容量値変化分）とでは、作用した力＋Ｆｙ，＋Ｆｚの絶対値が同一であったとしても、変化分Δの絶対値は異なる。
【０１０５】
このように、本願のテーブルに示されている符号「Δ」は、特定の値を示すものではなく、「主容量素子に生じる容量値変化」を示す符号ということになる。もっとも、図９に示すように、各固定電極が、Ｘ軸およびＹ軸を対称軸とした幾何学的な対称性をもつ形状および配置を採る場合は、図１４のテーブルの各欄における「Δ」の値は、幾何学的条件が同一となる他のいずれかの欄の「Δ」の値と等しくなる。
【０１０６】
続いて、受力体１００に６つの力成分が作用した場合に、各主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値が、図１４のテーブルに示すように変化する理由を説明しよう。
【０１０７】
まず、受力体１００に対して、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用すると、図１１に示されているように、各柱状体Ｔ１〜Ｔ４は、いずれも図の右方向（Ｘ軸正方向）に傾斜することになる（図２(b) に対応する変形態様）。このため、共通変位電極として機能する下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５は、いずれも、図における右側半分の部分は図の下方へと変形し、左側半分の部分は図の上方へと変形する。
【０１０８】
したがって、図９の平面図を参照すれば、下端側肉薄部が接近してくる右側半分の部分に配置されている固定電極Ｅ５，Ｅ７については、対向電極との間の距離が縮まるが、下端側肉薄部が遠ざかる左側半分の部分に配置されている固定電極Ｅ６，Ｅ８については、対向電極との間の距離が広がる。すなわち、容量素子Ｃ５，Ｃ７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Ｃ６，Ｃ８の電極間隔は広がり、静電容量値が減少することになる。よって、図１４のテーブルの「＋Ｆｘ」の行におけるＣ５，Ｃ７の欄は「＋Δ」、Ｃ６，Ｃ８の欄は「−Δ」になる。
【０１０９】
このとき、固定電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４と、その上方に位置する共通変位電極との間の距離は、その一部分（右側半分の部分）は縮まるが、別な一部分（左側半分の部分）は広がるため、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Ｃ１〜Ｃ８についてのこのような静電容量値の変化を示している。
【０１１０】
逆に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用すると、各柱状体Ｔ１〜Ｔ４は、いずれも図１１に示す例とは反対の左方向（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。
【０１１１】
一方、受力体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、容量素子Ｃ１，Ｃ３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Ｃ２，Ｃ４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。容量素子Ｃ５〜Ｃ８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Ｃ１〜Ｃ８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−Ｆｙ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。
【０１１２】
また、受力体１００に対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、図１２に示されているように、各柱状体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、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８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、受力体１００に対して、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、各柱状体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、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８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。
【０１１３】
次に、受力体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１３には、受力体１００にＹ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｙが作用した場合の変化態様が示されている。すなわち、柱状体Ｔ１から支持基板３００に対しては下方への押圧力−ｆｚが加わり、柱状体Ｔ２から支持基板３００に対しては上方への引っ張り力＋ｆｚが加わっている。したがって、図９の平面図を参照すれば、容量素子Ｃ１，Ｃ２の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。一方、容量素子Ｃ３，Ｃ４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Ｃ１〜Ｃ８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。
【０１１４】
また、受力体１００にＸ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、上述したモーメント＋Ｍｙ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、柱状体Ｔ４から支持基板３００に対しては下方への押圧力−ｆｚが加わり、柱状体Ｔ３から支持基板３００に対しては上方への引っ張り力＋ｆｚが加わっている。したがって、容量素子Ｃ７，Ｃ８の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。一方、容量素子Ｃ５，Ｃ６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４行目（＋Ｍｘの行）は、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８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。
【０１１５】
最後に、受力体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９を参照しながら、受力体１００にＺ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｚ（図９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本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４がどの方向に傾斜するかを考えてみよう。
【０１１６】
この場合、第１の柱状体Ｔ１（図の固定電極Ｅ１，Ｅ２の上に配置されている）は、図９における上方に傾斜し、容量素子Ｃ１の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子Ｃ２の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。第２の柱状体Ｔ２（図の固定電極Ｅ３，Ｅ４の上に配置されている）は、図９における下方に傾斜し、容量素子Ｃ４の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子Ｃ３の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。第３の柱状体Ｔ３（図の固定電極Ｅ５，Ｅ６の上に配置されている）は、図９における左方に傾斜し、容量素子Ｃ６の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子Ｃ５の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。第４の柱状体Ｔ４（図の固定電極Ｅ７，Ｅ８の上に配置されている）は、図９における右方に傾斜し、容量素子Ｃ７の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子Ｃ８の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。
【０１１７】
結局、受力体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、受力体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。
【０１１８】
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、８組の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値（ここでは、静電容量の値自身も、同じ符号Ｃ１〜Ｃ８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。
【０１１９】
たとえば、図１５に示すＦｘ＝Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８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る。ここで、差分（Ｃ５−Ｃ６）は、第３のセンサＳ３によって検知された柱状体Ｔ３のＸ軸方向に関する傾斜度を示し、差分（Ｃ７−Ｃ８）は、第４のセンサＳ４によって検知された柱状体Ｔ４のＸ軸方向に関する傾斜度を示している。したがって、上式は、第３および第４のセンサＳ３，Ｓ４によって検知された各柱状体Ｔ３，Ｔ４のＸ軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、受力体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。
【０１２０】
また、図１５に示すＦｙ＝Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４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る。ここで、差分（Ｃ１−Ｃ２）は、第１のセンサＳ１によって検知された柱状体Ｔ１のＹ軸方向に関する傾斜度を示し、差分（Ｃ３−Ｃ４）は、第２のセンサＳ２によって検知された柱状体Ｔ２のＹ軸方向に関する傾斜度を示している。したがって、上式は、第１および第２のセンサＳ１，Ｓ２によって検知された各柱状体Ｔ１，Ｔ２のＹ軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、受力体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。
【０１２１】
更に、図１５に示すＦｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）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Ｓ１〜Ｓ４によって検知された各柱状体Ｔ１〜Ｔ４のＺ軸方向に関する力の和に基づいて、受力体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。
【０１２２】
一方、図１５に示すＭｘ＝−Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８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る。ここで、−Ｃ５−Ｃ６は、第３のセンサＳ３によって検知された、柱状体Ｔ３から加えられたＺ軸方向に関する力を示し、Ｃ７＋Ｃ８は、第４のセンサＳ４によって検知された、柱状体Ｔ４から加えられたＺ軸方向に関する力を示す。したがって、上式は、第３のセンサＳ３によって検知された第３の柱状体Ｔ３のＺ軸方向に関する力と、第４のセンサＳ４によって検知された第４の柱状体Ｔ４のＺ軸方向に関する力と、の差に基づいて、受力体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。
【０１２３】
また、図１５に示すＭｙ＝Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４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る。ここで、Ｃ１＋Ｃ２は、第１のセンサＳ３によって検知された、柱状体Ｔ１から加えられたＺ軸方向に関する力を示し、−Ｃ３−Ｃ４は、第２のセンサＳ２によって検知された、柱状体Ｔ２から加えられたＺ軸方向に関する力を示す。したがって、上式は、第１のセンサＳ１によって検知された第１の柱状体Ｔ１のＺ軸方向に関する力と、第２のセンサＳ２によって検知された第２の柱状体Ｔ２のＺ軸方向に関する力と、の差に基づいて、受力体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２(c) に示す検出原理に基づくものである。
【０１２４】
最後に、図１５に示すＭｚ＝Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８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る。ここで、差分（Ｃ１−Ｃ２）は、第１のセンサＳ１によって検知された柱状体Ｔ１のＹ軸方向に関する傾斜度を示し、差分（−Ｃ３＋Ｃ４）は、第２のセンサＳ２によって検知された柱状体Ｔ２のＹ軸方向に関する傾斜度を示し、差分（−Ｃ５＋Ｃ６）は、第３のセンサＳ３によって検知された柱状体Ｔ３のＸ軸方向に関する傾斜度を示し、差分（Ｃ７−Ｃ８）は、第４のセンサＳ４によって検知された柱状体Ｔ４のＸ軸方向に関する傾斜度を示している。
【０１２５】
このように、１つの力検出装置でありながら、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６成分を得ることができる装置は、産業上、極めて有用である。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が決して少なくない。ここに示す力検出装置は、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、受力体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。
【０１２６】
＜＜＜ §５． 他軸成分の干渉 ＞＞＞
§４では、図１０に示す力検出装置において、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８のみを用いて、６つの力成分を検出する動作を説明した。このような検出原理自体は、既に、前掲の特許文献３に開示されている。
【０１２７】
この検出原理では、本来、他軸成分の干渉を受けることのない正確な検出値が得られるはずである。たとえば、図１５に示すＦｘ＝Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８なる式を用いて得られる力Ｆｘの検出値には、他軸成分は排除されるはずである。すなわち、図１４のテーブルにおいて、力ＦｙやモーメントＭｙが加わったときのＣ５〜Ｃ８の欄は、いずれも「０」であるから、上式によって得られる検出値Ｆｘには、Ｆｙ，Ｍｙに起因する成分は含まれていない。一方、図１４のテーブルにおいて、力ＦｚやモーメントＭｘ，Ｍｚが加わったときのＣ５〜Ｃ８の欄は、「＋Δ」もしくは「−Δ」であるが、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「Δ」の絶対値は等しくなるので、Ｆｘ＝Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８なる演算結果は０になる。結局、Ｆｘ＝Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８なる式を用いて得られる値は、力Ｆｘの成分のみを含むことになる。
【０１２８】
同様に、図１５に示すＦｙ＝Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４なる式を用いて得られる値は、力Ｆｙの成分のみを含むことになる。また、図１５に示すＦｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）なる式を用いて得られる力Ｆｚの検出値も、他軸成分を含まない値になる。すなわち、図１４のテーブルにおいて、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「Δ」の絶対値は等しいので、各行ごとにＣ１〜Ｃ８の総和をとると、Ｆｚの行以外はすべて総和は０になる。これは、Ｆｚ＝−（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４＋Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８）なる式を用いて得られる値が、力Ｆｚの成分のみを含むことを意味する。
【０１２９】
次に、図１５に示すＭｘ＝−Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８なる式を用いて得られるモーメントＭｘの検出値について考えてみる。図１４のテーブルにおいて、力ＦｙやモーメントＭｙが加わったときのＣ５〜Ｃ８の欄は、いずれも「０」であるから、上式によって得られる検出値Ｍｘには、Ｆｙ，Ｍｙに起因する成分は含まれていない。一方、図１４のテーブルにおいて、力Ｆｘ，ＦｚやモーメントＭｚが加わったときのＣ５〜Ｃ８の欄は、「＋Δ」もしくは「−Δ」であるが、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「Δ」の絶対値は等しくなるので、Ｍｘ＝−Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８なる演算結果は０になる。結局、Ｍｘ＝−Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８なる式を用いて得られる値は、モーメントＭｘの成分のみを含むことになる。
【０１３０】
同様に、図１５に示すＭｙ＝Ｃ１＋Ｃ２−Ｃ３−Ｃ４なる式を用いて得られる値は、モーメントＭｙの成分のみを含むことになる。また、図１５に示すＭｚ＝Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８なる式を用いて得られるモーメントＭｚの検出値も、他軸成分を含まない値になる。すなわち、図１４のテーブルにおいて、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「Δ」の絶対値は等しいので、各行ごとに上式に基づく演算を行うと、Ｍｚの行以外はすべて０になる。これは、Ｍｚ＝Ｃ１−Ｃ２−Ｃ３＋Ｃ４−Ｃ５＋Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８なる式を用いて得られる値が、モーメントＭｚの成分のみを含むことを意味する。
【０１３１】
しかしながら、実際には、§４で述べた検出動作では、他軸成分の干渉を完全に排除した正確な検出を行うことはできない。図１６は、図１４および図１５に示す原理に基づく検出を行った場合に、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘによるＹ軸方向の力Ｆｙへの他軸干渉が生じる測定結果を示すグラフである。すなわち、このグラフは、図１０に示す力検出装置を試作し、受力体１００に対して、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘのみを作用させたときに、Ｍｘ＝−Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７＋Ｃ８なる演算式に基づく演算で得られる検出値Ｖ（Ｍｘ）およびＦｙ＝Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４なる演算式に基づく演算で得られる検出値Ｖ（Ｆｙ）を示している。実際の試作品では、各容量素子の静電容量値を電圧値として検出し、検出した電圧値の加減算の結果を各検出値としているため、グラフに示す検出値Ｖ（Ｍｘ）およびＶ（Ｆｙ）は、いずれも電圧値として得られた値である。
【０１３２】
図に実線のグラフで示すとおり、作用させたモーメントＭｘの値を増減させると、モーメントＭｘの検出値Ｖ（Ｍｘ）もこれに比例して増減している。これは、モーメントＭｘに関しては、正しい検出値が得られていることを示している。ところが、図に破線のグラフで示すとおり、力Ｆｙの検出値Ｖ（Ｆｙ）も、作用させたモーメントＭｘの値に比例して増減している。本来であれば、モーメントＭｘのみを作用させた場合、力Ｆｙの検出値Ｖ（Ｆｙ）は０を維持しなければならない。結局、§４で述べた検出動作では、力Ｆｙの検出値に、モーメントＭｘの成分が含まれてしまうことになる。
【０１３３】
もちろん、実際には、力Ｆｙのみを作用させたときに得られる検出値Ｖ（Ｆｙ）の値に比べて、モーメントＭｘのみを作用させたときに得られる検出値Ｖ（Ｆｙ）の値は小さいので、図１６に破線で示す検出値Ｖ（Ｆｙ）を、力Ｆｙの検出に関する誤差成分として取り扱うことにすれば、厳密な検出を必要としない用途では支障は生じない。しかしながら、モーメント成分と力成分とを厳密に区別した高精度の検出値を必要とする用途へ利用するには問題となる。同様の問題は、力ＦｘとモーメントＭｙとの間にも生じる。すなわち、§４で述べた検出動作では、力Ｆｘの検出値に、モーメントＭｙの成分が含まれてしまう。
【０１３４】
本願発明者は、図１６の破線のグラフに示すように、力Ｆｙの検出値に、モーメントＭｘの成分が含まれてしまう原因を探求した。その結果、図１４に示すテーブルが、厳密には正しいテーブルではなく、各容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値の増減は、厳密には、図１７に示すテーブルのようになることを見出した。
【０１３５】
図１７のテーブルにおいて、太線で囲われた欄は、図１４のテーブルとの相違部分である。すなわち、太線で囲われた８個の欄の内容は、図１４のテーブルでは「０」となっていたが、厳密には「０」ではなく、「＋δ」もしくは「−δ」とすべきものである。ここでは、まず、図１７のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）の結果が得られる理由を説明しよう。
【０１３６】
図１０の力検出装置に、Ｙ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、装置を構成する構造体が、図１３に示すように変形することは既に述べたとおりである。その結果、柱状体Ｔ１から支持基板３００に対しては下方への押圧力−ｆｚが加わり、柱状体Ｔ２から支持基板３００に対しては上方への引っ張り力＋ｆｚが加わる。したがって、容量素子Ｃ１，Ｃ２の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加し、容量素子Ｃ３，Ｃ４の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。よって、図１７のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）に示すとおり、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値は「＋Δ」となり、容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容量値は「−Δ」となる。
【０１３７】
§４の説明では、このとき、柱状体Ｔ３，Ｔ４は傾斜せず、容量素子Ｃ５〜Ｃ８の静電容量値には変化は生じないものとして取り扱った。これは、図１１に示すように力＋Ｆｘが加えられると、４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４がいずれもＸ軸正方向に傾斜するが、図１３に示すようにモーメントＭｙが加えられると、４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４は、いずれも傾斜せず、柱状体Ｔ１は下方へ移動し、柱状体Ｔ２は上方へ移動し、柱状体Ｔ３，Ｔ４の位置は変化しない、と考えたためである。たしかに、４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４の大まかな動きを捉えると、このように考えても誤りではない。
【０１３８】
しかしながら、厳密には、Ｙ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、柱状体Ｔ３，Ｔ４には、わずかながらＸ軸正方向への傾斜が生じるのである。もちろん、傾斜角度は、図１１に示すような力＋Ｆｘが加えられたときに生じる角度に比べると小さいため、静電容量値の変化も小さい。図１７のテーブルにおいて、太線で囲った欄に示されている符号「δ」は、他の欄に示されている符号「Δ」と同様に、「主容量素子に生じる容量値変化」を示す符号ではあるが、静電容量値の変化量としては小さいことを示している。以下、この符号「δ」で示す変化量成分を「他軸干渉成分」と呼ぶことにする。
【０１３９】
図１７のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）の容量素子Ｃ５，Ｃ７の欄に「＋δ」と記載され、容量素子Ｃ６，Ｃ８の欄に「−δ」と記載されているが、これは、Ｙ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用することにより、柱状体Ｔ３，Ｔ４がＸ軸正方向へ若干傾斜するため、容量素子Ｃ５，Ｃ７の電極間隔がわずかながら縮み、静電容量値がわずかながら増加し、容量素子Ｃ６，Ｃ８の電極間隔がわずかながら広がり、静電容量値がわずかながら減少することを示している。
【０１４０】
同様に、図１７のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）の容量素子Ｃ２，Ｃ４の欄に「＋δ」と記載され、容量素子Ｃ１，Ｃ３の欄に「−δ」と記載されているが、これは、Ｘ軸まわりのモーメント＋Ｍｘが作用することにより、柱状体Ｔ１，Ｔ２がＹ軸負方向へ若干傾斜するため、容量素子Ｃ１，Ｃ３の電極間隔がわずかながら広がり、静電容量値がわずかながら減少し、容量素子Ｃ２，Ｃ４の電極間隔がわずかながら縮み、静電容量値がわずかながら増加することを示している。
【０１４１】
図１６の破線のグラフに示すように、力Ｆｙの検出値に、モーメントＭｘの成分が含まれてしまう原因は、図１７のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）の内容に基づいて、Ｆｙ＝Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４なる演算を行ったためである。図１７のテーブルにおいても、各電極の幾何学的な対称性から、同一行に記載された「δ」の絶対値は等しいので、モーメントＭｘが作用しているとき、Ｆｙ＝Ｃ１−Ｃ２＋Ｃ３−Ｃ４＝−４δになる。図１６の破線のグラフに示す検出値Ｖ（Ｆｙ）は、この−４δ（他軸干渉成分）に対応する検出値ということになる。
【０１４２】
同様に、図１７のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）の内容に基づいて、Ｆｘ＝Ｃ５−Ｃ６＋Ｃ７−Ｃ８なる演算を行うと、やはり同一行に記載された「δ」の絶対値は等しいので、Ｆｘ＝＋４δ（他軸干渉成分）になる。これが、力Ｆｘの検出値に、モーメントＭｙの成分が含まれてしまう原因である。
【０１４３】
＜＜＜ §６． 副容量素子による補正原理 ＞＞＞
本発明の主眼は、§５で述べた理由によって生じる他軸成分の干渉を、副容量素子によって補正することにより、他軸成分の干渉を排除した正確な検出を行う点にある。別言すれば、§５で述べた理由によって主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値に生じる他軸干渉成分δを、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値の変化分によって相殺する点にある。以下、この補正原理を説明する。
【０１４４】
図１８は、図９に示されている１６枚の電極の拡大平面図である。既に述べたとおり、８枚の主固定電極Ｅ１〜Ｅ８は、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する電極であり、８枚の副固定電極Ｆ１〜Ｆ８は、８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８を構成する電極である。図に括弧書きで示されているＣ１〜Ｃ８およびＤ１〜Ｄ８は、各電極によって構成される容量素子を示す符号である。
【０１４５】
ここで、８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８は、それぞれ８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値に対する補正機能を有している。すなわち、主容量素子Ｃ１には副容量素子Ｄ１が対応し、主容量素子Ｃ２には副容量素子Ｄ２が対応し、... という具合に、１つの主容量素子に１つの副容量素子が対応づけられ、各容量素子は常に主副がペアの状態で取り扱われる。なお、図１８では、各固定電極に８種類の異なるハッチングを施して示すが、これはペアを構成する電極に同一のハッチングを施し、対応関係を明瞭にするための便宜である。たとえば、主固定電極Ｅ１と副固定電極Ｆ１には、同一のハッチングが施されているが、これは、主固定電極Ｅ１によって構成される主容量素子Ｃ１と、副固定電極Ｆ１によって構成される副容量素子Ｄ１とが対応し、ペアを組むことを示している。
【０１４６】
さて、§５では、８枚の主固定電極Ｅ１〜Ｅ８によって構成される８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８について、受力体１００に６種類の力成分が加わったときの静電容量値の正確な変化態様が、図１７のテーブルに示すようになることを説明した。そこで、ここでは、図１８に示す８枚の副固定電極Ｆ１〜Ｆ８によって構成される８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８について、受力体１００に６種類の力成分が加わったときの静電容量値の正確な変化態様が、どのようになるかを検討してみよう。
【０１４７】
図１９は、図１０に示す力検出装置において、受力体１００に各力成分が作用したときの各副容量素子Ｄ１〜Ｄ８（括弧内の符号Ｆ１〜Ｆ８は、対応する副固定電極を示す）の静電容量値の変化の態様を示すテーブルである。ここで、太線で囲った欄は、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値に変化が生じる欄であり、符号「ε」は、「副容量素子に生じる容量値変化」を示す符号である。この符号「ε」は、符号「Δ」や符号「δ」と同様に、特定の値を示すものではない。ただ、図９に示すように、各固定電極が、Ｘ軸およびＹ軸を対称軸とした幾何学的な対称性をもつ形状および配置を採る場合は、図１９のテーブルの各欄における「ε」の値は、幾何学的条件が同一となる他のいずれかの欄の「ε」の値と等しくなる。
【０１４８】
まず、受力体１００に対して、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した場合の各副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値の変化を考えてみよう。この場合、図１１に示されているように、各柱状体Ｔ１〜Ｔ４は、いずれも図の右方向（Ｘ軸正方向）に傾斜することになる（図２(b) に対応する変形態様）。このため、共通変位電極として機能する下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５は、いずれも、図における右側半分の部分は図の下方へと変位し、左側半分の部分は図の上方へと変位する。
【０１４９】
ここで、図１８の平面図を参照すれば、各副固定電極Ｆ１〜Ｆ８の形状は、いずれも左右対称となっていることがわかる。したがって、これら各副固定電極Ｆ１〜Ｆ８と、その上方に位置する共通変位電極との間の距離は、その一部分（右側半分の部分）は縮まるが、別な一部分（左側半分の部分）は広がるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図１９のテーブルの第１行目（＋Ｆｘの行）の各欄が「０」となっているのは、このためである。Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合も、同様に各欄は「０」になる。
【０１５０】
一方、受力体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ので、図１９のテーブルの第２行目（＋Ｆｙの行）に示すとおり、各欄は、やはり「０」になる。Ｙ軸負方向の力−Ｆｙが作用した場合も同様である。
【０１５１】
また、受力体１００に対して、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用すると、図１２に示されているように、各柱状体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、各容量素子Ｄ１〜Ｄ８の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図１９のテーブルの第３行目（＋Ｆｚの行）に示す「−ε」は、このような静電容量値の減少を示している。逆に、受力体１００に対して、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用すると、各柱状体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、各容量素子Ｄ１〜Ｄ８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１９のテーブルの第３行目（＋Ｆｚの行）の各欄は「＋ε」になる。
【０１５２】
なお、上述したとおり、「ε」は、特定の固有値を示すものではないので、図１９のテーブルの第３行目（＋Ｆｚの行）に示す「−ε」の値は、必ずしもすべてが同一の値というわけではない。図１８の平面図を見ればわかるとおり、副固定電極Ｆ１，Ｆ２，Ｆ５，Ｆ８は円形の電極であるのに対し、副固定電極Ｆ３，Ｆ４，Ｆ６，Ｆ７は円環状の電極であり、両者は形状や面積が異なる。したがって、図１９のテーブルの第３行目（＋Ｆｚの行）に示すＤ１，Ｄ２，Ｄ５，Ｄ８の各欄に示す「−ε」の値は相互に等しく、Ｄ３，Ｄ４，Ｄ６，Ｄ７の各欄に示す「−ε」の値は相互に等しくなるが、前者と後者とでは値は異なる。
【０１５３】
次に、受力体１００に対して、モーメントが作用した場合を考えてみる。図１３に示されているように、受力体１００にＹ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｙが作用すると、柱状体Ｔ１から支持基板３００に対しては下方への押圧力−ｆｚが加わり、柱状体Ｔ２から支持基板３００に対しては上方への引っ張り力＋ｆｚが加わる。したがって、図１８の平面図を参照すれば、容量素子Ｄ６，Ｄ８の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。これに対して、容量素子Ｄ５，Ｄ７の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図１９のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）におけるＤ５〜Ｄ８の欄の「＋ε」もしくは「−ε」は、このような静電容量値の増減を示している。
【０１５４】
このようにＹ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｙが作用したとき、柱状体Ｔ３，Ｔ４は、Ｘ軸正方向に若干傾斜することになる。ただ、Ｙ軸上に配置されている容量素子Ｄ１〜Ｄ４については、その一部分（右側半分の部分）の電極間隔は縮まるが、別な一部分（左側半分の部分）の電極間隔は広がるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図１９のテーブルの第５行目（＋Ｍｙの行）におけるＤ１〜Ｄ４の各欄が「０」となっているのは、このためである。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、図１９のテーブルの第５行目には、「＋」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。
【０１５５】
また、受力体１００にＸ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｘが作用した場合は、上述したモーメント＋Ｍｙ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、柱状体Ｔ４から支持基板３００に対しては下方への押圧力−ｆｚが加わり、柱状体Ｔ３から支持基板３００に対しては上方への引っ張り力＋ｆｚが加わっている。したがって、容量素子Ｄ１，Ｄ３の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。これに対して、容量素子Ｄ２，Ｄ４の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図１９のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）におけるＤ１〜Ｄ４の欄の「＋ε」もしくは「−ε」は、このような静電容量値の増減を示している。
【０１５６】
このようにＸ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｘが作用したとき、柱状体Ｔ１，Ｔ２は、Ｙ軸負方向に若干傾斜することになる。ただ、Ｘ軸上に配置されている容量素子Ｄ５〜Ｄ８については、その一部分（図１８における上側半分の部分）の電極間隔は広がるが、別な一部分（図１８における下側半分の部分）の電極間隔は縮まるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図１９のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）におけるＤ５〜Ｄ８の各欄が「０」となっているのは、このためである。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、図１９のテーブルの第４行目には、「＋」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。
【０１５７】
最後に、受力体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。受力体１００にＺ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｚもしくは負方向のモーメント−Ｍｚが加わると、４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４が、図１８における上下左右のいずれかに傾斜することになる。しかしながら、いずれの方向に傾斜したとしても、容量素子Ｄ１〜Ｄ８の電極間隔は、その一部分は広がり、他の一部分は縮まることになるので、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図１９のテーブルの第６行目（＋Ｍｚの行）におけるＤ１〜Ｄ８の各欄が「０」となっているのは、このためである。
【０１５８】
結局、図１０に示す力検出装置において、受力体１００に各力成分が作用したとき、主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値は、図１７のテーブルに示すように変化し、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値は、図１９のテーブルに示すように変化することがわかる。ここで、両テーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）のＣ１〜Ｃ４，Ｄ１〜Ｄ４の各欄と第５行目（＋Ｍｙの行）のＣ５〜Ｃ８，Ｄ５〜Ｄ８の各欄とを相互に比較すると、符号が相補的になっていることがわかる。すなわち、前者で「−δ」となっている場合、後者では「＋ε」となっており、前者で「＋δ」となっている場合、後者では「−ε」となっている。これは、前者の±δを、後者の±εで相殺可能であることを意味している。
【０１５９】
図１７のテーブルに示す値±δの絶対値は（もちろん、±Δの絶対値もそうであるが）、主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の構成によって左右される量である。具体的には、各主容量素子を構成する一対の電極の電極間隔（何ら力が作用していない状態での電極間隔）を小さく設定すればするほど、絶対値δは大きくなる。また、これら一対の電極の面積を大きく設定すればするほど、絶対値δは大きくなる。同様に、図１９のテーブルに示す値±εの絶対値は、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の構成によって左右される量である。具体的には、各副容量素子を構成する一対の電極の電極間隔（何ら力が作用していない状態での電極間隔）を小さく設定すればするほど、絶対値εは大きくなる。また、これら一対の電極の面積を大きく設定すればするほど、絶対値εは大きくなる。
【０１６０】
そこで、主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の構成と副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の構成とをうまく設定してやれば、図１７のテーブルにおける他軸干渉成分±δを、図１９のテーブルにおける±εで相殺することができる。これが、本発明の特徴となる副容量素子による補正原理である。
【０１６１】
この補正原理を、図２０のテーブルを参照しながら説明しよう。この図２０に示すテーブルは、図１７に示す８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図１９に示す８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。ここで、太線で囲った欄は、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値に変化が生じる欄である。別言すれば、図２０において、太線で囲った欄以外の各欄は、図１７のテーブルと全く同じ内容になる。
【０１６２】
いま、この図２０のテーブルにおいて、各欄内の絶対値δと絶対値εとが等しいと仮定してみよう。既に述べたとおり、このテーブル中の「δ」や「ε」は、特定の固有値を示しているわけではなく、必ずしもすべてが同一の値というわけではないが、個々の欄ごとに、それぞれδ＝εが成り立っているとすれば、「−δ＋ε」や「＋δ−ε」と記載されている欄は「０」に置き換えることができる。すなわち、図２０のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）の左側４欄はいずれも「０」になり、第５行目（＋Ｍｙの行）の右側４欄はいずれも「０」になる。
【０１６３】
結局、図２０のテーブルは、第３行目（＋Ｆｚの行）を除いて、図１４のテーブルと等価になる。第３行目の各欄については、図１４のテーブルでは「−Δ」となっていたのが、図２０のテーブルでは「−（Δ＋ε）」に置き換わっているが、これは絶対値が若干変わるだけである。すなわち、力Ｆｚの検出値のスケーリングファクターが若干変わるだけであり、本質的には、何ら支障は生じない。
【０１６４】
そうすると、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の静電容量値（同じ符号Ｃ１〜Ｃ８を用いて示す）を用いた図１５に示す演算式の代わりに、更に、８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の静電容量値（同じ符号Ｄ１〜Ｄ８を用いて示す）を用いた図２１に示す演算式を用いることにより、６つの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの検出が可能になることがわかる。しかも、この図２１に示す演算式を用いた場合、§５で述べた他軸干渉成分±δが、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８に生じる変化分±εによって相殺されるため、力とモーメントを厳密に区別した正確な検出値が得られることになる。
【０１６５】
具体的には、図２１の式によれば、力Ｆｘは、Ｆｘ＝（Ｃ５＋Ｄ５）−（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）−（Ｃ８＋Ｄ８）なる式によって得られ、力Ｆｙは、Ｆｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）なる式によって得られる。また、モーメントＭｚは、Ｍｚ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）−（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）−（Ｃ８＋Ｄ８）なる式によって得られる。その理由は、図２０のテーブルの第１行目（＋Ｆｘの行）、第２行目（＋Ｆｙの行）、第６行目（＋Ｍｚの行）の内容が、図１４のテーブルの各行の内容と同一であることから、もはや説明は要さないであろう。
【０１６６】
一方、図２１の式によれば、力Ｆｚは、Ｆｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）＋（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８））なる式によって得られる。図１５に示すＦｚの式によって得られる力Ｆｚの値は、図１４のテーブルの第３行目の８個の欄の内容の総和「−８Δ」として与えられるのに対して、図２１に示すＦｚの式によって得られる力Ｆｚの値は、図２０のテーブルの第３行目の８個の欄の内容の総和「−８（Δ＋ε）」として与えられることになるが、前述したとおり、「−８Δ」と「−８（Δ＋ε）」との相違は、単なる検出値のスケーリングの問題なので、実用上、何ら支障は生じない。
【０１６７】
なお、力Ｆｚを、Ｆｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４））なる式や、Ｆｚ＝−（（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８））なる式によって求めることも可能である。ただ、実用上は、より高い検出精度が得られると期待されるＦｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）＋（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８））なる式によって求めるのが好ましい。
【０１６８】
一方、図２１の式によれば、モーメントＭｘは、Ｍｘ＝−（Ｃ５＋Ｄ５）−（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８）なる式によって得られ、モーメントＭｙは、Ｍｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）なる式によって得られる。その理由は、上述したとおり、各欄内の絶対値δと絶対値εとが等しいと仮定すれば、図２０のテーブルの第４行目（＋Ｍｘの行）の左側４欄はいずれも「０」になり、第５行目（＋Ｍｙの行）の右側４欄はいずれも「０」になり、図２０のテーブルの第４行目，第５行目の内容が、図１４のテーブルの第４行目，第５行目の内容と同一になるためである。
【０１６９】
＜＜＜ §７． 容量素子の設計方法 ＞＞＞
図２０のテーブルにおいて、各欄内の絶対値δと絶対値εとが等しくなるようにするには、第ｉ番目（ｉ＝１〜８）の主容量素子Ｃｉの構成と、これに対応する第ｉ番目の副容量素子Ｄｉの構成とをうまく設定してやればよい。上述したとおり、容量素子の静電容量値は、これを構成する一対の電極の電極間隔および電極面積を変えることによって調整することができる。ただ、図１０に示すような構造体の場合、容量素子の静電容量値を調整する方法としては、電極間距離を変える調整方法を採るよりも、電極面積を変える調整方法を採る方が簡単である。
【０１７０】
したがって、本発明に係る力検出装置を設計する場合、実用上は、まず、８枚の主固定電極Ｅ１〜Ｅ８の形状、サイズ、配置を決定した上で、これら主固定電極Ｅ１〜Ｅ８によって構成される主容量素子Ｃ１〜Ｃ８に生じる他軸干渉成分±δを相殺するための静電容量値の変化分±εが得られる副容量素子Ｄ１〜Ｄ８を構成する８枚の副固定電極Ｆ１〜Ｆ８の形状、サイズ、配置を決定する、という設計手法を採るのが好ましい。
【０１７１】
たとえば、図１８に示すように、第１の柱状体１１および第２の柱状体１２の下端部近傍に設けられる４枚の主固定電極Ｅ１〜Ｅ４の形状、サイズ、配置が、図示のように決定されたものとしよう。この場合、４枚の副固定電極Ｆ１〜Ｆ４は、モーメントＭｘのみが作用した場合に、主容量素子Ｃ１〜Ｃ４に生じる静電容量値の変化分と絶対値が等しく符号が逆となる変化分が得られる副容量素子Ｄ１〜Ｄ４を構成するのに適した形状、サイズ、配置をもつ電極として定義される。同様に、第３の柱状体１３および第４の柱状体１４の下端部近傍に設けられる４枚の主固定電極Ｅ５〜Ｅ８の形状、サイズ、配置が、図示のように決定された場合、４枚の副固定電極Ｆ５〜Ｆ８は、モーメントＭｙのみが作用した場合に、主容量素子Ｃ５〜Ｃ８に生じる静電容量値の変化分と絶対値が等しく符号が逆となる変化分が得られる副容量素子Ｄ５〜Ｄ８を構成するのに適した形状、サイズ、配置をもつ電極として定義される。
【０１７２】
図２２は、副固定電極Ｆ１〜Ｆ８の形状、サイズ、配置を決定するための実験方法の一例を示す側断面図である。図示されている装置は、試作品として実際に製造した図１０に示す装置本体に、測定用治具４００を取り付けたものである。この測定用治具４００は、図示のとおり、接続部４１０、上蓋部４２０、側壁部４３０、フランジ部４４０からなり、装置本体の上半分をそっくりと覆うカバーを構成している。このような測定用治具４００を取り付けて実験を行うのは、受力体１００に対して、正確なモーメントを作用させるためである。
【０１７３】
既に述べたとおり、ここで述べる実施形態の場合、ＸＹＺ三次元座標系は、ＸＹ平面が、支持基板３００の上面近傍に、支持基板３００の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするＺ軸が支持基板３００の上面のほぼ中心位置を通るように定義される。より正確に言えば、ＸＹ平面が、４枚の下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５と支持基板３００の上面との間に挟まれるように、ＸＹＺ三次元座標系の定義が行われている。これは、§３で述べたとおり、本願発明者は、ＸＹＺ三次元座標系のＸＹ平面の位置を、容量素子を構成する一対の電極間の中心位置に設定するのが最も好ましいと考えているためである。このため、以下に示す実験も、このような位置に原点Ｏが定義されているという前提で行う場合を例にとって説明する。
【０１７４】
もっとも、既に述べたとおり、原点Ｏは概念的な位置であり、必ずしも厳密な定義を行う必要はない。実際は、支持基板３００の中央付近の上面近傍の所定点に定義しておけば、実用上、本発明の効果は十分に得られる。したがって、たとえば、支持基板３００の上面をＸＹ平面とするＸＹＺ三次元座標系を定義してもかまわない。この場合、得られた力検出装置は、そのようなＸＹＺ三次元座標系における各座標軸に関する６成分の力を正確に検出する機能をもった装置ということになる。
【０１７５】
さて、図２２に示すような測定用治具４００を用いると、受力体１００に対して、ＸＹＺ三次元座標系の各軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚおよび各軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを正確に作用させる実験が可能になる。たとえば、図のフランジ部４４０の右端の作用点Ｐ１にワイヤを取り付け、図の右方向に水平に引っ張れば、力成分＋Ｆｘを作用させることができる。逆に、フランジ部４４０の左端の作用点Ｐ２にワイヤを取り付け、図の左方向に水平に引っ張れば、力成分−Ｆｘを作用させることができる。一方、Ｙ軸方向の力成分＋Ｆｙ，−Ｆｙを作用させる場合は、図示されていないフランジ部４４０の手前側もしくは奥側の作用点を利用すればよい。これらの作用点は、ＸＹ平面上の位置にとられているので、作用させた各力成分は、Ｘ軸もしくはＹ軸方向の正確な力成分になる。
【０１７６】
また、上蓋部４２０の中心に位置する作用点Ｐ３にワイヤを取り付け、図の垂直上方に引っ張れば、力成分＋Ｆｚを作用させることができ、逆に、作用点Ｐ３の部分を、何らかの器具で図の垂直下方に押し込むようにすれば、力成分−Ｆｚを作用させることができる。もちろん、複数の作用点を利用して、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚを作用させることも可能である。この場合、座標軸に関して対称性を有する位置に複数の作用点を設定すればよい。
【０１７７】
一方、受力体１００に対して、各軸まわりのモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚを作用させるには、座標軸に関して対称性を有する２つの作用点に相補的な力（偶力）を加えればよい。たとえば、Ｙ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｙを作用させるには、作用点Ｐ１に取り付けたワイヤーを図の垂直下方に引っ張り、作用点Ｐ２に取り付けたワイヤーを図の垂直上方に引っ張るようにし、両ワイヤーを引く力の絶対値を等しくすればよい。もちろん、この場合、図示の寸法ｒ１，ｒ２（原点Ｏから作用点Ｐ１，Ｐ２までの距離）が互いに等しくなるようにしておく必要がある。ワイヤーを引く向きを左右で入れ換えれば、Ｙ軸まわりの負方向のモーメント−Ｍｙを作用させることができる。
【０１７８】
同様に、Ｘ軸まわりのモーメント＋Ｍｘ，−Ｍｘを作用させる場合は、図示されていないフランジ部４４０の手前側もしくは奥側の作用点を利用し、一方を上方、他方を下方に引く相補的な力を加えればよい。また、Ｚ軸まわりの正方向のモーメント＋Ｍｚを作用させる場合は、作用点Ｐ１に取り付けたワイヤーをＸＹ平面に沿って図の奥方向に引っ張り、作用点Ｐ２に取り付けたワイヤーをＸＹ平面に沿って図の手前方向に引っ張るようにすればよいし、Ｚ軸まわりの負方向のモーメント−Ｍｚを作用させる場合は、ワイヤーを引く向きを左右で入れ換えればよい。
【０１７９】
このような測定用治具４００を用い、たとえば、図１８に示すような８枚の主固定電極Ｅ１〜Ｅ８および８枚の副固定電極を備えた試作品について、Ｘ軸まわりのモーメント＋Ｍｘもしくは−Ｍｘを作用させ、各主容量素子に生じる容量値変化分と、各副容量素子に生じる容量値変化分とを比較し、両者の絶対値が等しくなるように、各電極の面積を調整すればよい。たとえば、所定の大きさをもったモーメント＋Ｍｘを作用させたときに、主容量素子Ｃ１に生じた容量値変化分が−δであり、副容量素子Ｄ１に生じた容量値変化分が＋εであり、δ＞εであった場合、δ＝εとなるまで、副固定電極Ｆ１の面積を大きくする修正を施せばよい。このような試作品を用いた試行錯誤を行うことにより、実用的な精度でδ＝εを満たす主容量素子および副容量素子を設計することが可能である。
【０１８０】
以上、試作品を用いた実測により、主容量素子および副容量素子を構成する固定電極を設計する方法を説明したが、実測の代わりに、コンピュータシミュレーションによる設計を行うことも可能である。たとえば、有限要素法などの公知のコンピュータ解析法を利用すれば、物理的な実体をもつ試作品を作成する代わりに、コンピュータ上でのシミュレーションにより、実測と同等の結果を得ることができる。すなわち、図１０に示す構造体各部の寸法や物理定数をパラメータとしてコンピュータに与えれば、受力体に所定の大きさをもったモーメント＋Ｍｘを作用させた場合の変形態様をシミュレートし、各容量素子に生じる静電容量値の変化分を演算によって求めることができる。実用上は、まず、このようなコンピュータシミュレーションによって、主容量素子および副容量素子を構成する固定電極を設計した後、必要に応じて、試作品による検証を行うようにすればよい。
【０１８１】
＜＜＜ §８． 検出回路の単純化 ＞＞＞
本発明に係る装置に用いられる検出回路は、各容量素子の静電容量値に基づいて、図２１の各演算式を利用して、受力体に作用した力の所定方向成分を検出する機能を有している。この図２１の各演算式は、（Ｃｉ＋Ｄｉ）なる項（但し、ｉ＝１〜８）の加算もしくは減算によって構成されており、これら各項は、第ｉ番目の主容量素子の静電容量値Ｃｉと第ｉ番目の副容量素子の静電容量値Ｄｉとの和である。このような数値の和を求める演算は、アナログ加算器を用いて行うこともできるし、デジタル演算器を用いて行うこともできるが、「静電容量値の和」という物理的性質に着目すると、「電気的な並列接続」という単純な方法により、特別な演算器を用いることなしに、和を求めることができる。
【０１８２】
たとえば、２つの容量素子Ｃａ，Ｃｂについての静電容量値の和「Ｃsum＝Ｃａ＋Ｃｂ」を求める必要がある場合、個々の静電容量値Ｃａ，Ｃｂを電気的にアナログ値もしくはデジタル値として検出し、アナログ加算器やデジタル演算器を用いた演算により、Ｃsumを得ることができる。しかしながら、２つの容量素子Ｃａ，Ｃｂの一方の電極同士を配線で接続し、他方の電極同士も配線で接続して、両者を並列接続した形にすれば、この並列接続された容量素子Ｃａｂについての静電容量値は、個々の静電容量値Ｃａ，Ｃｂの和「Ｃsum＝Ｃａ＋Ｃｂ」に等しくなる。
【０１８３】
このような方針に基づき、静電容量値の和を算出する対象となる複数の容量素子については、互いに電気的な並列接続がなされるような配線を施すことにより、検出回路３０における和を算出する演算を省略することが可能になる。本発明を実施する場合、実用上、第ｉ番目（但し、ｉ＝１〜８）の主容量素子と第ｉ番目の副容量素子とを並列接続するのが極めて好ましい。
【０１８４】
具体的には、第１の主容量素子Ｃ１と第１の副容量素子Ｄ１とを相互に並列接続するための配線と、第２の主容量素子Ｃ２と第２の副容量素子Ｄ２とを相互に並列接続するための配線と、第３の主容量素子Ｃ３と第３の副容量素子Ｄ３とを相互に並列接続するための配線と、第４の主容量素子Ｃ４と第４の副容量素子Ｄ４とを相互に並列接続するための配線と、第５の主容量素子Ｃ５と第５の副容量素子Ｄ５とを相互に並列接続するための配線と、第６の主容量素子Ｃ６と第６の副容量素子Ｄ６とを相互に並列接続するための配線と、第７の主容量素子Ｃ７と第７の副容量素子Ｄ７とを相互に並列接続するための配線と、第８の主容量素子Ｃ８と第８の副容量素子Ｄ８とを相互に並列接続するための配線と、を設けるようにすればよい。
【０１８５】
そうすれば、検出回路は、図２１の各演算式を利用して、受力体に作用した力の所定方向成分を検出する際に、第１の主容量素子Ｃ１と第１の副容量素子Ｄ１との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ１＋Ｄ１」の値として用い、第２の主容量素子Ｃ２と第２の副容量素子Ｄ２との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ２＋Ｄ２」の値として用い、第３の主容量素子Ｃ３と第３の副容量素子Ｄ３との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ３＋Ｄ３」の値として用い、第４の主容量素子Ｃ４と第４の副容量素子Ｄ４との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ４＋Ｄ４」の値として用い、第５の主容量素子Ｃ５と第５の副容量素子Ｄ５との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ５＋Ｄ５」の値として用い、第６の主容量素子Ｃ６と第６の副容量素子Ｄ６との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ６＋Ｄ６」の値として用い、第７の主容量素子Ｃ７と第７の副容量素子Ｄ７との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ７＋Ｄ７」の値として用い、第８の主容量素子Ｃ８と第８の副容量素子Ｄ８との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ８＋Ｄ８」の値として用いることができるので、これらの和を求める演算を省略することができる。
【０１８６】
図１０に示す実施形態の場合、中間体２００を金属などの導電性材料によって構成しておけば、各下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５が導電性をもった共通変位電極として機能し、１６個の容量素子の変位電極がすべて、中間体２００を介して電気的に導通した状態になる。したがって、一対の主副容量素子を並列接続するには、支持基板３００側に形成された主固定電極Ｅ１〜Ｅ８と、副固定電極Ｆ１〜Ｆ８とについて、図２３の平面図に示すような配線を施せばよい。
【０１８７】
図２３に示す例では、支持基板３００の上面に、電極Ｅ１／Ｆ１間、電極Ｅ２／Ｆ２間、電極Ｅ３／Ｆ３間、電極Ｅ４／Ｆ４間、電極Ｅ５／Ｆ５間、電極Ｅ６／Ｆ６間、電極Ｅ７／Ｆ７間、電極Ｅ８／Ｆ８間を接続するための配線がなされており、また、各電極Ｅ１〜Ｅ８に対しては、それぞれボンディングパッドＢ１〜Ｂ８への配線もなされている。したがって、たとえば、ボンディングパッドＢ１と、中間体２００との間の静電容量値を検出する回路を設けておけば、静電容量値「Ｃ１＋Ｄ１」の値を得ることができる。
【０１８８】
なお、図２３に示す例では、支持基板３００上に配線を通すため、円環状の副固定電極Ｆ３，Ｆ４，Ｆ７，Ｆ８の一部に切り欠き部を設けているが、切り欠き部の幅を小さく設定すれば、実質的な幾何学的対称性に大きな影響は及ばない。もちろん、切り欠き部を設けずに、支持基板３００にスルーホールを形成し、裏面側で配線を行うようにしてもかまわない。
【０１８９】
＜＜＜ §９． その他の変形例 ＞＞＞
これまで、本発明を基本的実施形態について述べてきた。そもそも、本発明の基本的な発想は、前掲の特許文献３（特開２００８−０９６２２９号公報）に記載された力検出装置において、図１６のグラフに示すとおり、モーメントＭｘが力Ｆｙの検出値に他軸成分として干渉し、同様に、モーメントＭｙが力Ｆｘの検出値に他軸成分として干渉する現象を補正することを目的としてなされたものである。
【０１９０】
上記目的を達成するため、本発明では、力Ｆｙの検出に用いる４個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ４について、それぞれ４個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ４を設け、モーメントＭｘの作用によって主容量素子Ｃ１〜Ｃ４に生じる他軸干渉成分δ（図１７のテーブルの４行目）を、同じモーメントＭｘの作用によって副容量素子Ｄ１〜Ｄ４に生じる成分ε（図１９のテーブルの４行目）によって相殺する構成を採る。また、力Ｆｘの検出に用いる４個の主容量素子Ｃ５〜Ｃ８について、それぞれ４個の副容量素子Ｄ５〜Ｄ８を設け、モーメントＭｙの作用によって主容量素子Ｃ５〜Ｃ８に生じる他軸干渉成分δ（図１７のテーブルの５行目）を、同じモーメントＭｙの作用によって副容量素子Ｄ５〜Ｄ８に生じる成分ε（図１９のテーブルの５行目）によって相殺する構成を採る。
【０１９１】
このように、主容量素子の検出値に発生する他軸干渉成分δを、副容量素子の容量値εによって相殺する点が、本発明の本質的な特徴である。したがって、上記発想から逸脱しない範囲で、本発明は様々な変形態様で実施することができる。以下、本発明の変形例をいくつか述べておく。
【０１９２】
＜９−１：柱状体の構成＞
本発明に係る力検出装置は、受力体１００と支持基板３００とを４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４によって接続することを前提とする。しかも、この４本の柱状体Ｔ１〜Ｔ４は、その中心軸がいずれもＺ軸に平行になるように配置されており、第１の柱状体Ｔ１は、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体Ｔ２は、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体Ｔ３は、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体Ｔ４は、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置されている。
【０１９３】
このような配置を採る理由は、各柱状体Ｔ１〜Ｔ４の下端近傍に、それぞれセンサを設け、柱状体の所定軸方向への傾斜や、柱状体から各座標軸上へ加えられる力を検出するためである。したがって、本発明を実施する上で、４本の柱状体の形状、サイズは、設計上、任意に決定できる事項である。
【０１９４】
しかしながら、実用上は、４本の柱状体を、同一形状および同一サイズの構造体によって構成し、かつ、これら４本の柱状体の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっているようにするのが好ましい。後述するように、本発明を実施する上では、主容量素子および副容量素子の形状や配置、そして受力体の変位に関する静電容量値の変動特性についても、幾何学的対称性を示すような設計をするのが好ましい。そのためには、４本の柱状体についても、同一形状および同一サイズとし、配置に対称性をもたせるような設計を行うのが好ましい。
【０１９５】
＜９−２：主容量素子の配置＞
本発明に係る力検出装置は、力Ｆｙの検出のために４個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ４を用いることを前提とする。ここで、第１の主容量素子Ｃ１は、ＸＹ座標系の第１象限に配置され、第２の主容量素子Ｃ２は、ＸＹ座標系の第４象限に配置され、第３の主容量素子Ｃ３は、ＸＹ座標系の第２象限に配置され、第４の主容量素子Ｃ４は、ＸＹ座標系の第３象限に配置されている必要がある。また、力Ｆｙの検出に加えて、力Ｆｘの検出を行う場合には、更に、４個の主容量素子Ｃ５〜Ｃ８を追加する必要がある。この場合、第５の主容量素子Ｃ５は、ＸＹ座標系の第１象限に配置され、第６の主容量素子Ｃ６は、ＸＹ座標系の第２象限に配置され、第７の主容量素子Ｃ７は、ＸＹ座標系の第４象限に配置され、第８の主容量素子Ｃ８は、ＸＹ座標系の第３象限に配置されている必要がある。
【０１９６】
主容量素子を上述の条件を満たすように配置すれば、原理的には、力Ｆｙもしくは力Ｆｘの検出が可能である。ただ、個々の主容量素子の形状がバラバラで、その配置に何ら対称性がないとすると、力の検出感度が各容量素子ごとに異なることになるので、正しい線形出力を得るためには、図２１の演算式において、必要に応じて、各静電容量値に感度補正を行うための補正係数を乗じるなどの措置が必要になる。
【０１９７】
したがって、実用上は、４個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ４を構成する支持基板側の４枚の電極Ｅ１〜Ｅ４、もしくは、８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８を構成する支持基板側の８枚の電極Ｅ１〜Ｅ８は、同一形状および同一サイズの電極によって構成し、しかも、これら複数の電極の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっているようにするのが好ましい。
【０１９８】
特に、これまで述べた基本的実施形態の場合、図１８の平面図に示されているとおり、第１の主容量素子Ｃ１および第２の主容量素子Ｃ２を構成する支持基板側の２枚の電極は、第１の柱状体Ｔ１の中心軸を中心にして配置された第１の環状帯（図１８の例の場合、ワッシャのような円環状の帯）をＸ軸に沿って切断して得られる２枚の電極Ｅ１，Ｅ２によって構成され、第３の主容量素子Ｃ３および第４の主容量素子Ｃ４を構成する支持基板側の２枚の電極は、第２の柱状体Ｔ２の中心軸を中心にして配置された第２の環状帯をＸ軸に沿って切断して得られる２枚の電極Ｅ３，Ｅ４によって構成されている。また、第５の主容量素子Ｃ５および第６の主容量素子Ｃ６を構成する支持基板側の２枚の電極は、第３の柱状体Ｔ３の中心軸を中心にして配置された第３の環状帯をＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極Ｅ５，Ｅ６によって構成され、第７の主容量素子Ｃ７および第８の主容量素子Ｃ８を構成する支持基板側の２枚の電極は、第４の柱状体Ｔ４の中心軸を中心にして配置された第４の環状帯をＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極Ｅ７，Ｅ８によって構成されている。
【０１９９】
このように、第ｉ番目（ｉ＝１〜４）の柱状体Ｔｉの動きを検出する第ｉ番目のセンサに含まれる一対の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極を、当該柱状体Ｔｉの中心軸を中心にして配置された環状帯をＸ軸もしくはＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成することは、本発明の好適な実施形態である。
【０２００】
その第１の理由は、環状帯によって囲まれた内側領域に、副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極を形成するスペースが確保されるためである。図１８に示す例の場合、第６の副容量素子Ｄ６および第８の副容量素子Ｄ８を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ６，Ｆ８は、電極Ｅ１，Ｅ２によって構成される第１の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、第５の副容量素子Ｄ５および第７の副容量素子Ｄ７を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ５，Ｆ７は、電極Ｅ３，Ｅ４によって構成される第２の環状帯によって囲まれた内側領域に配置されている。また、第２の副容量素子Ｄ２および第４の副容量素子Ｄ４を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ２，Ｆ４は、電極Ｅ５，Ｅ６によって構成される第３の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、第１の副容量素子Ｄ１および第３の副容量素子Ｄ３を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ１，Ｆ３は、電極Ｅ７，Ｅ８によって構成される第４の環状帯によって囲まれた内側領域に配置されている。このように、主固定電極Ｅ１〜Ｅ８を、２つに切断された環状帯の片方によって構成すれば、この環状帯の内側部分のスペースを利用して、副固定電極Ｆ１〜Ｆ８を配置することができる。
【０２０１】
主固定電極Ｅ１〜Ｅ８を、環状帯の片方によって構成するのが好都合な第２の理由は、主容量素子Ｃ１〜Ｃ８の検出感度を高めることができるためである。主容量素子Ｃ１〜Ｃ８は、本発明に係る力検出装置における力検出の主たる役割を果たす構成要素であり、できるだけ高い検出感度が得られるようにするのが好ましい。主固定電極Ｅ１〜Ｅ８を、図１８に例示するような環状帯によって構成すると、柱状体が傾斜したときの容量素子の電極間距離の変化を大きくとることができ、静電容量値の変化として得られる検出値の感度を高めることができる。
【０２０２】
なお、これまで述べてきた基本的実施形態の場合、各柱状体Ｔ１〜Ｔ４が円柱状構造体からなり、各下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５が円盤状構造体からなるため、各環状帯は円環状構造体（ワッシャ状構造体）にするのが最も効率的である。
【０２０３】
＜９−３：副容量素子の構成＞
続いて、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の構成のバリエーション、より具体的には、８枚の副固定電極Ｆ１〜Ｆ８の形状および配置のバリエーションを述べる。
【０２０４】
これまで述べてきた基本的実施形態に係る力検出装置は、合計１６個の主副容量素子の静電容量値に基づき、図２１に示す演算式を利用して、６つの力成分を検出する機能を有している。ここで、１６個の容量素子は、４つのセンサに振り分けられる。すなわち、第１のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第１の主容量素子Ｃ１と、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第２の主容量素子Ｃ２と、第６の副容量素子Ｄ６と、第８の副容量素子Ｄ８と、を有し、第２のセンサは、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第３の主容量素子Ｃ３と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第４の主容量素子Ｃ４と、第５の副容量素子Ｄ５と、第７の副容量素子Ｄ７と、を有し、第３のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第５の主容量素子Ｃ５と、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第６の主容量素子Ｃ６と、第２の副容量素子Ｄ２と、第４の副容量素子Ｄ４と、を有し、第４のセンサは、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第７の主容量素子Ｃ７と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第８の主容量素子Ｃ８と、第１の副容量素子Ｄ１と、第３の副容量素子Ｄ３と、を有している。
【０２０５】
ここで、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の形状および配置について、より詳細に説明すれば、図１８に示す例の場合、副固定電極Ｆ３，Ｆ４，Ｆ６，Ｆ７は、円環状（ワッシャ状）の電極であり、副固定電極Ｆ１，Ｆ２，Ｆ８，Ｆ５は、それぞれその内側に配置された円盤状の電極になっている。しかも、いずれも、各柱状体の中心軸を中心とする配置がなされている。このような形状および配置をもった副固定電極Ｆ１〜Ｆ８によって構成される副容量素子Ｄ１〜Ｄ８には、図１９のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じることは既に述べたとおりである。そして、主容量素子Ｃ１〜Ｃ８と組み合わせることにより、図２０のテーブルに示すような静電容量値の変化態様が得られ、図２１に示す演算式に基づいて、６つの力成分の検出が可能になることも既に述べたとおりである。ただ、本発明を実施する上で、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の形状および配置は、図１８に示す基本的実施形態に限定されるものではない。
【０２０６】
たとえば、図１８において、副固定電極Ｆ３，Ｆ４，Ｆ６，Ｆ７と副固定電極Ｆ１，Ｆ２，Ｆ８，Ｆ５とをそっくり入れ替えても、図２１に示す演算式に基づいて、６つの力成分の検出が可能である。要するに、第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方を環状の形状をなす電極によって構成し、他方をその内側領域に配置された電極によって構成し、第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方を環状の形状をなす電極によって構成し、他方をその内側領域に配置された電極によって構成し、第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方を環状の形状をなす電極によって構成し、他方をその内側領域に配置された電極によって構成し、第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方を環状の形状をなす電極によって構成し、他方をその内側領域に配置された電極によって構成すれば、図１８に示す基本的実施形態と同じ原理で６つの力成分の検出が可能である。
【０２０７】
一方、図２４は、図１８に示されている１６枚の電極の第１の変形例（副容量素子を構成する８枚の電極Ｆ１〜Ｆ８の形状および配置が異なる）を示す拡大平面図である。この変形例では、第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体Ｔ１の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｘ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ６，Ｆ８によって構成され、第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体Ｔ２の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｘ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ５，Ｆ７によって構成され、第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体Ｔ３の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｙ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ２，Ｆ４によって構成され、第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体Ｔ４の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｙ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ１，Ｆ３によって構成されている。ここで、電極Ｆ１〜Ｆ８は、いずれも同一形状、同一サイズの半円状電極となっている。
【０２０８】
この図２４に示すような形状および配置をもった副固定電極Ｆ１〜Ｆ８によって構成される副容量素子Ｄ１〜Ｄ８には、図２５のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じる。この図２５のテーブルを図１９のテーブルと比較すると、より多くの欄に変動分±εが生じている。前述したとおり、この符号「ε」は、「副容量素子に生じる容量値変化」を示す符号であり、特定の固有値を示すものではない。
【０２０９】
図２５のテーブルにおいて、より多くの欄に変動分±εが生じている理由は、図２４に示す副固定電極Ｆ１〜Ｆ８が半円形状をなすためである。図１８に示す副固定電極Ｆ１〜Ｆ８は、柱状体の中心軸を中心として配置された円形もしくは円環状の電極であるため、柱状体が傾斜した場合、各副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変動は「０」になるが、図２４に示す半円形状の副固定電極Ｆ１〜Ｆ８を用いた副容量素子Ｄ１〜Ｄ８の場合、Ｘ軸もしくはＹ軸方向への傾斜が検知されることになる。
【０２１０】
このように、図２４に示す変形例では、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８に、柱状体の傾斜を検知する変動分±εが生じることになるものの、図２１に示す各演算式に基づいて、６つの力成分を検出できることに変わりはない。すなわち、電極Ｆ１〜Ｆ８は、いずれも同一形状、同一サイズの半円状電極であり、しかも一対の電極が所定軸に関して対称性をもつように配置されているため、図２５のテーブルにおいて、＋Ｆｘの行に記載されているεの絶対値は相互に等しく、＋Ｆｙの行に記載されているεの絶対値は相互に等しく、＋Ｆｚの行に記載されているεの絶対値は相互に等しく、＋Ｍｚの行に記載されているεの絶対値は相互に等しくなる。また、＋Ｍｘの行のＤ１〜Ｄ４の各欄に記載されているεの絶対値は相互に等しく、Ｄ５〜Ｄ８の各欄に記載されているεの絶対値は相互に等しくなり、＋Ｍｙの行のＤ１〜Ｄ４の各欄に記載されているεの絶対値は相互に等しく、Ｄ５〜Ｄ８の各欄に記載されているεの絶対値は相互に等しくなる。
【０２１１】
図２６は、図１７に示す８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図２５に示す８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。正副の各容量素子対について、この図２６のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じることを前提とした場合でも、やはり、図２１に示す各演算式に基づいて、６つの力成分の検出が可能である。これは、上述したように、同一形状、同一サイズの半円状電極を、対称性をもつように配置したためである。
【０２１２】
たとえば、図２１の式に基づいて力Ｆｘや力Ｆｙを求める場合、図２６のテーブルに示す変動分「ε」は何ら関与しないので、図２０のテーブルを前提とした場合と同じ値が得られる。また、図２６のテーブルの＋Ｆｚの行と図２０のテーブルの＋Ｆｚの行は同じであるから、力Ｆｚについても同じ結果が得られる。一方、モーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚに関しては、図２０のテーブルにおける「Δ」が、図２６のテーブルでは「Δ＋ε」に置き換わるため、演算値自体としては異なる結果が得られるものの、単なるスケーリングの問題であり、実質的な検出原理に相違は生じない。結局、図１８に示す電極配置の代わりに図２４に示す電極配置を採る変形例においても、図２１に示す各演算式に基づいて、６つの力成分を検出できる。
【０２１３】
また、図２７は、図１８に示されている１６枚の電極の第２の変形例（副容量素子を構成する８枚の電極Ｆ１〜Ｆ８の形状および配置が異なる）を示す拡大平面図である。この変形例では、第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体Ｔ１の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＹ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ６，Ｆ８によって構成され、第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体Ｔ２の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＹ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ５，Ｆ７によって構成され、第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体Ｔ３の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＸ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ２，Ｆ４によって構成され、第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体Ｔ４の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＸ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極Ｆ１，Ｆ３によって構成されている。
【０２１４】
この図２７に示す第２の変形例は、いわば図２４に示す第１の変形例における半円形の副固定電極Ｆ１〜Ｆ８を９０°回転させたものに相当する。この図２７に示すような形状および配置をもった副固定電極Ｆ１〜Ｆ８によって構成される副容量素子Ｄ１〜Ｄ８には、図２８のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じる。この図２８のテーブルを図１９のテーブルと比較すると、やはり多くの欄に変動分±εが生じている。これは、図２７に示す第２の変形例においても、副容量素子Ｄ１〜Ｄ８に、柱状体の傾斜を検知する変動分±εが生じるためである。
【０２１５】
図２９は、図１７に示す８個の主容量素子Ｃ１〜Ｃ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、図２８に示す８個の副容量素子Ｄ１〜Ｄ８についての静電容量値の変化の態様を示す各欄と、の和を示すテーブルである。正副の各容量素子対について、この図２９のテーブルに示すような静電容量値の変化が生じることを前提とした場合でも、やはり、図２１に示す各演算式に基づいて、６つの力成分の検出が可能である。これは、副固定電極Ｆ１〜Ｆ８として、同一形状、同一サイズの半円状電極を、対称性をもつように配置したためである。
【０２１６】
たとえば、図２１の式に基づいて力Ｆｘや力Ｆｙを求める場合、図２０のテーブルにおける「Δ」が、図２９のテーブルでは「Δ＋ε」もしくは「Δ−ε」に置き換わるが、いずれの場合も「４Δ」という同じ結果が得られる。また、図２９のテーブルの＋Ｆｚ，＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚの各行と図２０のテーブルの各対応行は同じであるから、力ＦｚおよびモーメントＭｘ，Ｍｙ，Ｍｚについても同じ結果が得られる。結局、図１８に示す電極配置の代わりに図２７に示す電極配置を採る変形例においても、図２１に示す各演算式に基づいて、６つの力成分を検出できる。
【０２１７】
＜９−４：副容量素子の形状および配置の条件＞
以上、副容量素子の形状および配置のバリエーションとして、２通りの変形例を述べたが、本発明を実施する上で、副容量素子の形状および配置のバリエーションは、この他にも様々なものを採用することができる。
【０２１８】
ここでは、副容量素子の形状および配置の条件を考えてみよう。本発明における副容量素子の役割は、モーメントＭｘもしくはＭｙが作用したときに、主容量素子に生じる他軸干渉成分δを相殺するための変動分εを発生させることにある。そこで、いま、図３０に示す平面図において、主容量素子Ｃ１を構成する電極Ｅ１に対して、副容量素子Ｄ１を構成する電極Ｆ１の配置を考えてみる。図３０は、支持基板３００の平面図であり、Ｇ３１〜Ｇ３４は、下端側肉薄部２１５，２２５，２３５，２４５の下方に形成される溝部を示しており、それぞれセンサＳ１〜Ｓ４が形成される領域に対応する。
【０２１９】
いま、図示のとおり、溝部Ｇ３１内に主固定電極Ｅ１が配置されているものとし、モーメントＭｘが作用した場合に、この主固定電極Ｅ１によって構成される主容量素子Ｃ１に生じる他軸干渉成分δを相殺するための変動分εを発生させる副容量素子Ｄ１の配置を考える。主副容量素子を並列接続して相殺を行うことを考えると、モーメントＭｘが作用した場合に、εの符号がδの符号と逆になるようにする必要がある。そうすると、副容量素子Ｄ１を構成する副固定電極Ｆ１の配置候補は、図にハッチングを施して示す領域Ａ１，Ａ２，Ａ４のいずれかになる。ただ、検出感度を考慮すると、副固定電極Ｆ１の配置候補は、領域Ａ４が最適であることがわかる。モーメントＭｘが作用した場合の電極間距離の変化は、領域Ａ４が最も顕著である。
【０２２０】
同様に、モーメントＭｙが作用した場合の他軸干渉成分の相殺も考慮して各副固定電極Ｆ１〜Ｆ８の配置を考えると、電極Ｆ６，Ｆ８は溝部Ｇ３１（センサＳ１）内に配置し、電極Ｆ５，Ｆ７は溝部Ｇ３２（センサＳ２）内に配置し、電極Ｆ２，Ｆ４は溝部Ｇ３３（センサＳ３）内に配置し、電極Ｆ１，Ｆ３は溝部Ｇ３４（センサＳ４）内に配置するのが好ましいことがわかる。これまで述べてきた基本的実施形態や変形例は、いずれもこのような考え方に基づいて副固定電極Ｆ１〜Ｆ８を配置したものである。
【０２２１】
次に、各副固定電極Ｆ１〜Ｆ８の形状を考える。図３１は、主容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する電極Ｅ１，Ｅ２と、副容量素子Ｄ１，Ｄ４を構成する電極Ｆ１，Ｆ４の配置の一例を説明する平面図である。主固定電極Ｅ１，Ｅ２は、第１の柱状体Ｔ１の中心軸Ｑ１を中心にして配置された環状帯をＸ軸に沿って切断して得られる電極になっている。一方、主固定電極Ｅ１に対応する副固定電極Ｆ１は、第４の柱状体Ｔ４の中心軸Ｑ４を中心にして配置された円形の電極となっており、主固定電極Ｅ４に対応する副固定電極Ｆ４は、第３の柱状体Ｔ３の中心軸Ｑ３を中心にして配置された円環状の電極となっている。
【０２２２】
主固定電極と副固定電極について、このような形状を採用した実施形態が、図１８に示す基本的実施形態である。このような形状を採る利点は、一対の主固定電極からなる環状帯の内部領域に、一対の副固定電極を配置できる点である。図３１に示す例の場合、実際には、主固定電極Ｅ１，Ｅ２からなる環状帯の内部領域に、円環状をした副固定電極Ｆ６が配置され、更にその内部領域に、円形をした副固定電極Ｆ８が配置されることになる。１つのセンサ領域に、２枚の主固定電極と２枚の副固定電極とを配置することを考えると、図３１に示す各電極形状は非常に効率的である。
【０２２３】
また、図３１に示すとおり、副固定電極は、円形をした電極（Ｆ１）もしくは円環状をした電極（Ｆ４）になるため、柱状体の傾斜が静電容量値として検出されることはないというメリットも得られる。したがって、図１９のテーブルに示されているとおり、不要な変動分εの発生は、＋Ｆｚの行のみに抑えられている。たとえば、図３１に示す円形の副固定電極Ｆ１によって構成される副容量素子Ｄ１は、ＹＺ平面と、第４の柱状体の中心軸Ｑ４を含みＸＺ平面に平行な参照面Ｘ４と、の双方に関して、面対称となる形状をなす。同様に、円環状の副固定電極Ｆ４によって構成される副容量素子Ｄ４は、ＹＺ平面と、第３の柱状体の中心軸Ｑ３を含みＸＺ平面に平行な参照面Ｘ３と、の双方に関して、面対称となる形状をなす。このため、副容量素子には、柱状体の傾斜に基づく静電容量値の変化は生じない。
【０２２４】
結局、柱状体の傾斜が静電容量値として検出されないようにするには、第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ６，Ｆ８がいずれも、第１の柱状体Ｔ１の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面と、ＸＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ５，Ｆ７がいずれも、第２の柱状体Ｔ２の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面と、ＸＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ２，Ｆ４がいずれも、第３の柱状体Ｔ３の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面と、ＹＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ１，Ｆ３がいずれも、第４の柱状体Ｔ４の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面と、ＹＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなすようにすればよい。
【０２２５】
一方、図３２は、主固定電極Ｅ１，Ｅ２に対する副固定電極Ｆ１，Ｆ２の別な配置形態を示す平面図であり、前述した第１の変形例（図２４に示す例）に対応するものである。一対の主固定電極からなる環状帯の内部領域に、一対の副固定電極を配置できる点は前述の例と同じであるが、副固定電極の形状は異なっている。なお、図２４では、半円形の副固定電極を用いる例を示したが、図３２では、一般論として説明するため、矩形の副固定電極Ｆ１，Ｆ２を配置した例を示す。ここで、副固定電極Ｆ１によって構成される副容量素子Ｄ１は、ＹＺ平面に関する対称性は有していないが、第４の柱状体の中心軸Ｑ４を含みＸＺ平面に平行な参照面Ｘ４に関して面対称の形状をなす。同様に、副固定電極Ｆ２によって構成される副容量素子Ｄ２は、ＹＺ平面に関する対称性は有していないが、第３の柱状体の中心軸Ｑ３を含みＸＺ平面に平行な参照面Ｘ３に関して面対称の形状をなす。
【０２２６】
図２４に示す電極配置を採った場合、図２６のテーブルに示す静電容量値の変化が生じることとなり、このような静電容量値の変化が生じることを前提とした場合にも、図２１の演算式に基づき、６つの力成分の検出が可能であることは、既に述べたとおりである。ここで、図２６のテーブルに示す静電容量値の変化が生じるようにするには、結局、第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ６，Ｆ８がいずれも、第１の柱状体Ｔ１の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ５，Ｆ７がいずれも、第２の柱状体Ｔ２の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ２，Ｆ４がいずれも、第３の柱状体Ｔ３の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極Ｆ１，Ｆ３がいずれも、第４の柱状体Ｔ４の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなすようにすればよい。
【０２２７】
一方、図３３は、主固定電極Ｅ１，Ｅ２に対する副固定電極Ｆ１，Ｆ２の更に別な配置形態を示す平面図であり、前述した第２の変形例（図２７に示す例）に対応するものである。一対の主固定電極からなる環状帯の内部領域に、一対の副固定電極を配置できる点は前述の例と同じであるが、副固定電極の形状は異なっている。なお、図２７では、半円形の副固定電極を用いる例を示したが、図３２では、一般論として説明するため、楕円形の副固定電極Ｆ１，Ｆ２を配置した例を示す。ここで、副固定電極Ｆ１によって構成される副容量素子Ｄ１は、ＹＺ平面に関する対称性は有しているが、第４の柱状体の中心軸Ｑ４を含みＸＺ平面に平行な参照面Ｘ４に関する対称性は有していない。同様に、副固定電極Ｆ２によって構成される副容量素子Ｄ２は、ＹＺ平面に関する対称性は有しているが、第３の柱状体の中心軸Ｑ３を含みＸＺ平面に平行な参照面Ｘ３に関する対称性は有していない。
【０２２８】
図２７に示す電極配置を採った場合、図２９のテーブルに示す静電容量値の変化が生じることとなり、このような静電容量値の変化が生じることを前提とした場合にも、図２１の演算式に基づき、６つの力成分の検出が可能であることは、既に述べたとおりである。ただ、本願発明者は、実用上、第２の変形例として示した図２７に示す電極配置パターンを採るよりは、基本的実施形態として示した図１８に示す電極配置パターンや第１の変形例として示した図２４に示す電極配置パターンを採る方がより好ましいと考えている。これは、図２７に示す電極配置パターンには、検出感度の低下を招く要因があるためである。すなわち、図２９の＋Ｆｘ，＋Ｆｙの行には、「Δ−ε」なる項が含まれており、せっかく主容量素子で得た「Δ」なる検出値に対して、副容量素子で得た検出値「ε」を減じる操作が行われることになるので、検出感度を減じる操作を意図的に行うことになるのである。したがって、本願発明者は、本発明を実施する上で、図１８の電極配置もしくは図２４の電極配置を採るのが最適であると考えている。
【０２２９】
＜９−５：他軸干渉成分δ＝変動分εとする設定方法＞
本発明に係る力検出装置では、受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合に、第ｉ番目（ｉ＝１〜４）の主容量素子に生じる静電容量値の変化分±δの絶対値と、第ｉ番目の副容量素子に生じる静電容量値の変化分±εの絶対値とが等しくなるような設定を行い、また、受力体にＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合に、第ｊ番目（ｊ＝５〜８）の主容量素子に生じる静電容量値の変化分±δの絶対値と、第ｊ番目の副容量素子に生じる静電容量値の変化分±εの絶対値とが等しくなるような設定を行うことになる。
【０２３０】
そのような設定を行う代表的な方法として、主容量素子を構成する電極の面積と、これに対応する副容量素子を構成する電極の面積との比が、受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘもしくはＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合に、主容量素子に生じる静電容量値の変化分±δの絶対値と、副容量素子に生じる静電容量値の変化分±εの絶対値とが等しくなるような面積比になるようにする方法を、§７で述べた。
【０２３１】
しかしながら、各容量素子に生じる静電容量値を調整する方法は、電極面積を調整する方法に限定されるものではない。たとえば、電極間距離を調整する方法を採ることも可能であるし、電極間に流動性をもった媒体を充填し、当該媒体の誘電率を調整する方法を採ることも可能である。ただ、量産型の商用製品として利用する場合は、これまで述べたように、電極面積を調整する方法を採るのが最も効率的である。
【符号の説明】
【０２３２】
１０：受力体
１１：第１の柱状体
１２：第２の柱状体
１３：第３の柱状体
１４：第４の柱状体
２０：支持基板
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
１００：受力体
１１０：円柱突起部
１１５：上端側肉薄部
１２０：円柱突起部
１２５：上端側肉薄部
１３０：円柱突起部
１３５：上端側肉薄部
１４０：円柱突起部
１４５：上端側肉薄部
２００：中間体
２１０：円柱突起部
２１５：下端側肉薄部
２２０：円柱突起部
２２５：下端側肉薄部
２３０：円柱突起部
２３５：下端側肉薄部
２４０：円柱突起部
２４５：下端側肉薄部
２５０：制御壁
２６０：制御壁
３００：支持基板
４００：測定用治具
４１０：接続部
４２０：上蓋部
４３０：側壁部
４４０：フランジ部
Ａ１〜Ａ４：電極配置領域
Ｂ１〜Ｂ８：ボンディングパッド
Ｃ１〜Ｃ８：主容量素子／主容量素子の静電容量値
Ｄ１〜Ｄ８：副容量素子／副容量素子の静電容量値
ｄ１〜ｄ３：空隙寸法
Ｅ１〜Ｅ８：主容量素子を構成する電極
Ｆ１〜Ｆ８：副容量素子を構成する電極
Ｆｘ：Ｘ軸方向の力
Ｆｙ：Ｙ軸方向の力
Ｆｚ：Ｚ軸方向の力
ｆｚ：支持基板に対して作用する引っ張り力／押圧力
Ｇ１１〜Ｇ３４：溝部
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
Ｏ：座標系の原点
Ｏ′：補助座標系の原点
Ｐ１〜Ｐ３：作用点
Ｑ１〜Ｑ４：中心軸
ｒ１，ｒ２：原点から作用点までの長さ
Ｓ１〜Ｓ４：力センサ
Ｔ１〜Ｔ４：柱状体
Ｖ（Ｍｘ）：モーメントＭｘの検出値
Ｖ（Ｆｙ）：力Ｆｙの検出値
ＸＹＺ：検出対象となる力を定義するための三次元座標系
Ｘ′Ｙ′Ｚ′：受力体の中心位置に原点をもつ補助座標系
Ｘ２，Ｘ４：Ｘ軸に平行な参照軸
Δ：主容量素子の静電容量値の変化分
δ：主容量素子の静電容量値の変化分（他軸干渉成分）
ε：副容量素子の静電容量値の変化分
θ１，θ２：柱状体１１，１２の傾斜角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための４本の柱状体と、を備え、前記支持基板を固定した状態において、前記受力体に作用した力を検出する力検出装置であって、
前記４本の柱状体の各上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続されており、前記４本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
前記下端側肉薄部は、前記支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が前記柱状体の下端に接続されており、
ＸＹ平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするＺ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、
前記４本の柱状体は、その中心軸がいずれもＺ軸に平行になるように配置されており、第１の柱状体は、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体は、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体は、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体は、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置され、
前記第１の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第１のセンサが配置され、
前記第２の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第２のセンサが配置され、
前記第３の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第３のセンサが配置され、
前記第４の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第４のセンサが配置され、
前記第１のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第１の主容量素子と、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第２の主容量素子と、を有し、
前記第２のセンサは、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第３の主容量素子と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第４の主容量素子と、を有し、
前記第３のセンサは、第２の副容量素子と、第４の副容量素子と、を有し、
前記第４のセンサは、第１の副容量素子と、第３の副容量素子と、を有し、
前記各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の所定方向成分を検出する検出回路を更に備え、
前記受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合に、前記第１の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第１の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第２の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第２の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第３の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第３の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第４の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第４の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるように、各容量素子が構成され、
前記検出回路が、前記第１の主容量素子の静電容量値をＣ１、前記第１の副容量素子の静電容量値をＤ１、前記第２の主容量素子の静電容量値をＣ２、前記第２の副容量素子の静電容量値をＤ２、前記第３の主容量素子の静電容量値をＣ３、前記第３の副容量素子の静電容量値をＤ３、前記第４の主容量素子の静電容量値をＣ４、前記第４の副容量素子の静電容量値をＤ４としたときに、前記受力体に作用した力のＹ軸方向成分Ｆｙを、
Ｆｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを、
Ｍｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＺ軸方向成分Ｆｚを、
Ｆｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４））
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の力検出装置において、
第１の主容量素子と第１の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第２の主容量素子と第２の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第３の主容量素子と第３の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第４の主容量素子と第４の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、を更に備え、
検出回路が、前記第１の主容量素子と前記第１の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ１＋Ｄ１」の値として用い、前記第２の主容量素子と前記第２の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ２＋Ｄ２」の値として用い、前記第３の主容量素子と前記第３の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ３＋Ｄ３」の値として用い、前記第４の主容量素子と前記第４の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ４＋Ｄ４」の値として用い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、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が、同一のセンサを構成する複数の容量素子についての共通電極として機能す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、
第１〜第４の主容量素子を構成する支持基板側の４枚の電極が、同一形状および同一サイズの電極によって構成されており、かつ、これら４枚の電極配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっていることを特徴とする力検出装置。
【請求項７】
支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための４本の柱状体と、を備え、前記支持基板を固定した状態において、前記受力体に作用した力を検出する力検出装置であって、
前記４本の柱状体の各上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続されており、前記４本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
前記下端側肉薄部は、前記支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が前記柱状体の下端に接続されており、
ＸＹ平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするＺ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、
前記４本の柱状体は、その中心軸がいずれもＺ軸に平行になるように配置されており、第１の柱状体は、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体は、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体は、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体は、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置され、
前記第１の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第１のセンサが配置され、
前記第２の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第２のセンサが配置され、
前記第３の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第３のセンサが配置され、
前記第４の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第４のセンサが配置され、
前記第１のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第１の主容量素子と、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第２の主容量素子と、第６の副容量素子と、第８の副容量素子と、を有し、
前記第２のセンサは、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第３の主容量素子と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第４の主容量素子と、第５の副容量素子と、第７の副容量素子と、を有し、
前記第３のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第５の主容量素子と、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第６の主容量素子と、第２の副容量素子と、第４の副容量素子と、を有し、
前記第４のセンサは、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第７の主容量素子と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第８の主容量素子と、第１の副容量素子と、第３の副容量素子と、を有し、
前記各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の所定方向成分を検出する検出回路を更に備え、
前記受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合に、前記第１の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第１の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第２の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第２の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第３の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第３の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第４の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第４の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、
前記受力体にＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合に、前記第５の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第５の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第６の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第６の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第７の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第７の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第８の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第８の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるように、各容量素子が構成され、
前記検出回路が、前記第１の主容量素子の静電容量値をＣ１、前記第１の副容量素子の静電容量値をＤ１、前記第２の主容量素子の静電容量値をＣ２、前記第２の副容量素子の静電容量値をＤ２、前記第３の主容量素子の静電容量値をＣ３、前記第３の副容量素子の静電容量値をＤ３、前記第４の主容量素子の静電容量値をＣ４、前記第４の副容量素子の静電容量値をＤ４、前記第５の主容量素子の静電容量値をＣ５、前記第５の副容量素子の静電容量値をＤ５、前記第６の主容量素子の静電容量値をＣ６、前記第６の副容量素子の静電容量値をＤ６、前記第７の主容量素子の静電容量値をＣ７、前記第７の副容量素子の静電容量値をＤ７、前記第８の主容量素子の静電容量値をＣ８、前記第８の副容量素子の静電容量値をＤ８、としたときに、
前記受力体に作用した力のＹ軸方向成分Ｆｙを、
Ｆｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求め、
前記受力体に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘを、
Ｆｘ＝（Ｃ５＋Ｄ５）−（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）−（Ｃ８＋Ｄ８）
なる演算式を利用して求め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、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを、
Ｍｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求め、受力体に作用した力のＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘを、
Ｍｘ＝−（Ｃ５＋Ｄ５）−（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８）
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＺ軸方向成分Ｆｚを、
Ｆｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）＋（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８））
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれかに記載の力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＺ軸まわりのモーメント成分Ｍｚを、
Ｍｚ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）−（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）−（Ｃ８＋Ｄ８）
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれかに記載の力検出装置において、
第１の主容量素子と第１の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第２の主容量素子と第２の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第３の主容量素子と第３の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第４の主容量素子と第４の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第５の主容量素子と第５の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第６の主容量素子と第６の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第７の主容量素子と第７の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第８の主容量素子と第８の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、を更に備え、
検出回路が、前記第１の主容量素子と前記第１の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ１＋Ｄ１」の値として用い、前記第２の主容量素子と前記第２の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ２＋Ｄ２」の値として用い、前記第３の主容量素子と前記第３の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ３＋Ｄ３」の値として用い、前記第４の主容量素子と前記第４の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ４＋Ｄ４」の値として用い、前記第５の主容量素子と前記第５の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ５＋Ｄ５」の値として用い、前記第６の主容量素子と前記第６の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ６＋Ｄ６」の値として用い、前記第７の主容量素子と前記第７の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ７＋Ｄ７」の値として用い、前記第８の主容量素子と前記第８の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ８＋Ｄ８」の値として用いることを特徴とする力検出装置。
【請求項１２】
請求項７〜１１のいずれかに記載の力検出装置において、
４本の柱状体が、同一形状および同一サイズの構造体によって構成されており、かつ、これら４本の柱状体の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の力検出装置において、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が、同一のセンサを構成する複数の容量素子についての共通電極として機能することを特徴とする力検出装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の力検出装置において、
第１〜第８の主容量素子を構成する支持基板側の８枚の電極が、同一形状および同一サイズの電極によって構成されており、かつ、これら８枚の電極の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の力検出装置において、
第１および第２の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体の中心軸を中心にして配置された第１の環状帯をＸ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第３および第４の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体の中心軸を中心にして配置された第２の環状帯をＸ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第５および第６の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体の中心軸を中心にして配置された第３の環状帯をＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第７および第８の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体の中心軸を中心にして配置された第４の環状帯をＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、前記第１の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、前記第２の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、前記第３の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、前記第４の環状帯によって囲まれた内側領域に配置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１５に記載の力検出装置において、
各柱状体が円柱状構造体からなり、各下端側肉薄部が円盤状構造体からなり、各環状帯が円環状構造体からなることを特徴とする力検出装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極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１８】
請求項１６に記載の力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｘ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｘ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｙ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｙ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極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１９】
請求項１６に記載の力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＹ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＹ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＸ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＸ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極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２０】
請求項１４〜１６のいずれかに記載の力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第１の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面と、ＸＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第２の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面と、ＸＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第３の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面と、ＹＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第４の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面と、ＹＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなすことを特徴とする力検出装置。
【請求項２１】
請求項１４〜１６のいずれかに記載の力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第１の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第２の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第３の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第４の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなすことを特徴とする力検出装置。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれかに記載の力検出装置において、
主容量素子を構成する電極の面積と、これに対応する副容量素子を構成する電極の面積との比が、受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘもしくはＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合に、前記主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるような面積比に設定されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項２３】
請求項１〜２２のいずれかに記載の力検出装置において、
４本の柱状体の各上端を受力体に接続するための可撓性をもった部材として、その周囲が前記受力体に接続され、その下面中心部が前記柱状体の上端に接続された上端側肉薄部が設けられていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１】
支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための４本の柱状体と、を備え、前記支持基板を固定した状態において、前記受力体に作用した力を検出する力検出装置であって、
前記４本の柱状体の各上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続されており、前記４本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
前記下端側肉薄部は、前記支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が前記柱状体の下端に接続されており、
ＸＹ平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするＺ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、
前記４本の柱状体は、その中心軸がいずれもＺ軸に平行になるように配置されており、第１の柱状体は、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体は、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体は、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体は、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置され、
前記第１の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第１のセンサが配置され、
前記第２の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第２のセンサが配置され、
前記第３の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第３のセンサが配置され、
前記第４の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第４のセンサが配置され、
前記第１のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第１の主容量素子と、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第２の主容量素子と、を有し、
前記第２のセンサは、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第３の主容量素子と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第４の主容量素子と、を有し、
前記第３のセンサは、第２の副容量素子と、第４の副容量素子と、を有し、
前記第４のセンサは、第１の副容量素子と、第３の副容量素子と、を有し、
前記各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の所定方向成分を検出する検出回路を更に備え、
前記受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合に、前記第１の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第１の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第２の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第２の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第３の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第３の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第４の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第４の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるように、各容量素子が構成され、
前記検出回路が、前記第１の主容量素子の静電容量値をＣ１、前記第１の副容量素子の静電容量値をＤ１、前記第２の主容量素子の静電容量値をＣ２、前記第２の副容量素子の静電容量値をＤ２、前記第３の主容量素子の静電容量値をＣ３、前記第３の副容量素子の静電容量値をＤ３、前記第４の主容量素子の静電容量値をＣ４、前記第４の副容量素子の静電容量値をＤ４としたときに、前記受力体に作用した力のＹ軸方向成分Ｆｙを、
Ｆｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを、
Ｍｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＺ軸方向成分Ｆｚを、
Ｆｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４））
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の力検出装置において、
第１の主容量素子と第１の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第２の主容量素子と第２の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第３の主容量素子と第３の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第４の主容量素子と第４の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、を更に備え、
検出回路が、前記第１の主容量素子と前記第１の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ１＋Ｄ１」の値として用い、前記第２の主容量素子と前記第２の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ２＋Ｄ２」の値として用い、前記第３の主容量素子と前記第３の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ３＋Ｄ３」の値として用い、前記第４の主容量素子と前記第４の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ４＋Ｄ４」の値として用い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、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が、同一のセンサを構成する複数の容量素子についての共通電極として機能す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、
第１〜第４の主容量素子を構成する支持基板側の４枚の電極が、同一形状および同一サイズの電極によって構成されており、かつ、これら４枚の電極配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっていることを特徴とする力検出装置。
【請求項７】
支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、前記支持基板と前記受力体とを接続するための４本の柱状体と、を備え、前記支持基板を固定した状態において、前記受力体に作用した力を検出する力検出装置であって、
前記４本の柱状体の各上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続されており、前記４本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
前記下端側肉薄部は、前記支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が前記柱状体の下端に接続されており、
ＸＹ平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするＺ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、ＸＹＺ三次元座標系を定義したときに、
前記４本の柱状体は、その中心軸がいずれもＺ軸に平行になるように配置されており、第１の柱状体は、その中心軸がＸ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第２の柱状体は、その中心軸がＸ軸の負の部分に交差する位置に配置され、第３の柱状体は、その中心軸がＹ軸の正の部分に交差する位置に配置され、第４の柱状体は、その中心軸がＹ軸の負の部分に交差する位置に配置され、
前記第１の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第１のセンサが配置され、
前記第２の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第２のセンサが配置され、
前記第３の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第３のセンサが配置され、
前記第４の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第４のセンサが配置され、
前記第１のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第１の主容量素子と、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第２の主容量素子と、第６の副容量素子と、第８の副容量素子と、を有し、
前記第２のセンサは、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第３の主容量素子と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第４の主容量素子と、第５の副容量素子と、第７の副容量素子と、を有し、
前記第３のセンサは、ＸＹ座標系の第１象限に位置する第５の主容量素子と、ＸＹ座標系の第２象限に位置する第６の主容量素子と、第２の副容量素子と、第４の副容量素子と、を有し、
前記第４のセンサは、ＸＹ座標系の第４象限に位置する第７の主容量素子と、ＸＹ座標系の第３象限に位置する第８の主容量素子と、第１の副容量素子と、第３の副容量素子と、を有し、
前記各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の所定方向成分を検出する検出回路を更に備え、
前記受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘが作用した場合に、前記第１の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第１の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第２の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第２の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第３の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第３の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第４の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第４の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、
前記受力体にＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合に、前記第５の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第５の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第６の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第６の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第７の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第７の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなり、前記第８の主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記第８の副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるように、各容量素子が構成され、
前記検出回路が、前記第１の主容量素子の静電容量値をＣ１、前記第１の副容量素子の静電容量値をＤ１、前記第２の主容量素子の静電容量値をＣ２、前記第２の副容量素子の静電容量値をＤ２、前記第３の主容量素子の静電容量値をＣ３、前記第３の副容量素子の静電容量値をＤ３、前記第４の主容量素子の静電容量値をＣ４、前記第４の副容量素子の静電容量値をＤ４、前記第５の主容量素子の静電容量値をＣ５、前記第５の副容量素子の静電容量値をＤ５、前記第６の主容量素子の静電容量値をＣ６、前記第６の副容量素子の静電容量値をＤ６、前記第７の主容量素子の静電容量値をＣ７、前記第７の副容量素子の静電容量値をＤ７、前記第８の主容量素子の静電容量値をＣ８、前記第８の副容量素子の静電容量値をＤ８、としたときに、
前記受力体に作用した力のＹ軸方向成分Ｆｙを、
Ｆｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求め、
前記受力体に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘを、
Ｆｘ＝（Ｃ５＋Ｄ５）−（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）−（Ｃ８＋Ｄ８）
なる演算式を利用して求め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、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＹ軸まわりのモーメント成分Ｍｙを、
Ｍｙ＝（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）−（Ｃ４＋Ｄ４）
なる演算式を利用して求め、受力体に作用した力のＸ軸まわりのモーメント成分Ｍｘを、
Ｍｘ＝−（Ｃ５＋Ｄ５）−（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８）
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＺ軸方向成分Ｆｚを、
Ｆｚ＝−（（Ｃ１＋Ｄ１）＋（Ｃ２＋Ｄ２）＋（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）＋（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）＋（Ｃ８＋Ｄ８））
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれかに記載の力検出装置において、
検出回路が、更に、受力体に作用した力のＺ軸まわりのモーメント成分Ｍｚを、
Ｍｚ＝（Ｃ１＋Ｄ１）−（Ｃ２＋Ｄ２）−（Ｃ３＋Ｄ３）＋（Ｃ４＋Ｄ４）−（Ｃ５＋Ｄ５）＋（Ｃ６＋Ｄ６）＋（Ｃ７＋Ｄ７）−（Ｃ８＋Ｄ８）
なる演算式を利用して求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれかに記載の力検出装置において、
第１の主容量素子と第１の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第２の主容量素子と第２の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第３の主容量素子と第３の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第４の主容量素子と第４の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第５の主容量素子と第５の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第６の主容量素子と第６の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第７の主容量素子と第７の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、第８の主容量素子と第８の副容量素子とを相互に並列接続するための配線と、を更に備え、
検出回路が、前記第１の主容量素子と前記第１の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ１＋Ｄ１」の値として用い、前記第２の主容量素子と前記第２の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ２＋Ｄ２」の値として用い、前記第３の主容量素子と前記第３の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ３＋Ｄ３」の値として用い、前記第４の主容量素子と前記第４の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ４＋Ｄ４」の値として用い、前記第５の主容量素子と前記第５の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ５＋Ｄ５」の値として用い、前記第６の主容量素子と前記第６の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ６＋Ｄ６」の値として用い、前記第７の主容量素子と前記第７の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ７＋Ｄ７」の値として用い、前記第８の主容量素子と前記第８の副容量素子との並列接続によって構成される合成容量素子の静電容量値を「Ｃ８＋Ｄ８」の値として用いることを特徴とする力検出装置。
【請求項１２】
請求項７〜１１のいずれかに記載の力検出装置において、
４本の柱状体が、同一形状および同一サイズの構造体によって構成されており、かつ、これら４本の柱状体の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の力検出装置において、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が、同一のセンサを構成する複数の容量素子についての共通電極として機能することを特徴とする力検出装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の力検出装置において、
第１〜第８の主容量素子を構成する支持基板側の８枚の電極が、同一形状および同一サイズの電極によって構成されており、かつ、これら８枚の電極の配置パターンが、ＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して、面対称になっていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の力検出装置において、
第１および第２の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体の中心軸を中心にして配置された第１の環状帯をＸ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第３および第４の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体の中心軸を中心にして配置された第２の環状帯をＸ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第５および第６の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体の中心軸を中心にして配置された第３の環状帯をＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第７および第８の主容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体の中心軸を中心にして配置された第４の環状帯をＹ軸に沿って切断して得られる２枚の電極によって構成され、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、前記第１の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、前記第２の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、前記第３の環状帯によって囲まれた内側領域に配置され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、前記第４の環状帯によって囲まれた内側領域に配置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１５に記載の力検出装置において、
各柱状体が円柱状構造体からなり、各下端側肉薄部が円盤状構造体からなり、各環状帯が円環状構造体からなることを特徴とする力検出装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極によって構成され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極のうち、一方が環状の形状をなす電極によって構成され、他方がその内側領域に配置された電極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１８】
請求項１６に記載の力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｘ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｘ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｙ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、Ｙ軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極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１９】
請求項１６に記載の力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第１の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＹ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第２の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＹ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第３の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＸ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極によって構成され、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極が、第４の柱状体の中心軸を中心として配置された円盤を、その中心点を通りＸ軸に平行な参照軸に沿って切断して得られる２枚の半円状電極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２０】
請求項１４〜１６のいずれかに記載の力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第１の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面と、ＸＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第２の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面と、ＸＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第３の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面と、ＹＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなし、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第４の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面と、ＹＺ平面と、の双方に関して、面対称となる形状をなすことを特徴とする力検出装置。
【請求項２１】
請求項１４〜１６のいずれかに記載の力検出装置において、
第６および第８の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第１の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第５および第７の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第２の柱状体の中心軸を含みＹＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第２および第４の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第３の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなし、
第１および第３の副容量素子を構成する支持基板側の２枚の電極がいずれも、第４の柱状体の中心軸を含みＸＺ平面に平行な参照面に関して、面対称となる形状をなすことを特徴とする力検出装置。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれかに記載の力検出装置において、
主容量素子を構成する電極の面積と、これに対応する副容量素子を構成する電極の面積との比が、受力体にＸ軸まわりのモーメントＭｘもしくはＹ軸まわりのモーメントＭｙが作用した場合に、前記主容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値と、前記副容量素子に生じる静電容量値の変化分の絶対値とが等しくなるような面積比に設定されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項２３】
請求項１〜２２のいずれかに記載の力検出装置において、
４本の柱状体の各上端を受力体に接続するための可撓性をもった部材として、その周囲が前記受力体に接続され、その下面中心部が前記柱状体の上端に接続された上端側肉薄部が設けられていることを特徴とする力検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【公開番号】特開２０１０−２３０６３１（Ｐ２０１０−２３０６３１Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８１３１０（Ｐ２００９−８１３１０）
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（３９００１３３４３）株式会社ワコー (34)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３０日（２００９．３．３０）
【出願人】（３９００１３３４３）株式会社ワコー (34)
【Ｆターム（参考）】
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