力検出装置
【課題】 容量素子を用いた閉ループ式の力検出装置において、単純な制御系を用いつつ、高精度な検出結果を得る。
【解決手段】 筐体内に可撓性接続部材を介して導電性の作用体３１０を変位自在に取り付ける。上方固定電極Ｅ１との間の静電容量値Ｃ１と、下方固定電極Ｅ２との間の静電容量値Ｃ２と、を測定する。制御ユニット５０は、電極Ｅ１に電圧Ｖ１を印加したり、電極Ｅ２に電圧Ｖ２を印加したりして、作用体３１０に上下方向へのクーロン力を作用させる。このとき、容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２が０になるように、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を調整するフィードバック制御を行い、作用体３１０を基準位置ｄ０近傍に維持する。所定時点におけるΔＶとΔＣとを用いて、Ｄ（α）＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは比例係数）なる演算で得られた値Ｄ（α）を、上下方向に作用した力（加速度）の検出値として出力する。
【解決手段】 筐体内に可撓性接続部材を介して導電性の作用体３１０を変位自在に取り付ける。上方固定電極Ｅ１との間の静電容量値Ｃ１と、下方固定電極Ｅ２との間の静電容量値Ｃ２と、を測定する。制御ユニット５０は、電極Ｅ１に電圧Ｖ１を印加したり、電極Ｅ２に電圧Ｖ２を印加したりして、作用体３１０に上下方向へのクーロン力を作用させる。このとき、容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２が０になるように、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を調整するフィードバック制御を行い、作用体３１０を基準位置ｄ０近傍に維持する。所定時点におけるΔＶとΔＣとを用いて、Ｄ（α）＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは比例係数）なる演算で得られた値Ｄ（α）を、上下方向に作用した力（加速度）の検出値として出力する。
【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、力の作用を受ける作用体の変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出する原理を利用した力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
力は非常に基本的な物理量であり、これを正確に測定するための力検出装置は、様々な産業分野での需要が見込まれている。たとえば、この力検出装置を、各種ロボットの間接部分に取り付ければ、アームに加わっている荷重を測定することができるし、人間の指先から加えられる力の検出に利用すれば、人間から与えられた何らかの操作量を電気信号に変換する入力装置としての機能を果たすこともできる。
【０００３】
また、作用した加速度に起因して生じる力を測定するようにすれば、力検出装置を加速度センサとして利用することが可能になる。あるいは、力検出装置に、作用体を所定の運動軌跡に沿って周期運動させる運動手段を付加し、作用体が周期運動しているときに受けるコリオリ力を測定すれば、角速度の検出を行う機能を有する角速度センサとして利用することも可能である。このように、力検出装置は、純然たる力という物理量の検出に利用されるだけでなく、加速度や角速度などの検出にも利用される汎用性のある検出装置であり、その産業上の利用分野は極めて広範にわたっている。
【０００４】
このため、できるだけ単純な構造を有し、量産化に適する力検出装置として、静電容量素子（以下、単に容量素子という）を用いたタイプの力検出装置が実用化されている。たとえば、下記の特許文献１〜３には、外力に基づいて生じた作用体の変位を容量素子を利用して検出することにより、各座標軸方向に作用した力をそれぞれ独立して検出することが可能な多次元力検出装置が開示されている。また、下記の特許文献４，５には、外力に基づいて生じた複数の柱状体の傾斜や変位を、容量素子を利用してそれぞれ別個独立して検出することにより、ＸＹＺ軸方向に作用した力とともに、ＸＹＺ軸まわりに作用したモーメントを検出することが可能な６軸成分用の力検出装置が開示されている。
【０００５】
一方、下記の特許文献６には、容量素子を用いたタイプの力検出装置において、作用体の変位を抑制するようなフィードバック制御を行い、作用体の位置を基準位置に維持するために要した電気エネルギーに基づいて、作用した外力の大きさを測定する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平４−１４８８３３号公報
【特許文献２】特開２００１−１６５７９０号公報
【特許文献３】国際公開第ＷＯ８９／０９９２７号公報
【特許文献４】特開２００４−３２５３６７号公報
【特許文献５】特開２００４−３５４０４９号公報
【特許文献６】米国特許第４９４１３５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
容量素子を用いたタイプの力検出装置の基本原理は、筐体内に可撓性接続部材を介して変位自在に収容した作用体に外力を作用させ、その変位を容量素子の静電容量値に基づいて検出することにより、作用した外力の大きさを求める、というものである。ここで、作用した外力と作用体の変位との関係や変位と静電容量値との関係が線形関係を維持していれば、得られた静電容量値は外力に比例し、正確な力の検出値を示すものになる。
【０００７】
しかしながら、作用体を可撓性接続部材を介して筐体に接続する構造をとると、一般に、変位が大きくなるに従って、外力と変位との関係に線形性が維持できなくなる。また、変位（電極間隔）と静電容量値との間にも線形性は成り立たない。このため、検出対象となる力が比較的小さく、作用体の変位が線形領域内に維持されている限り、ある程度正確な検出値が得られるとしても、検出対象となる力が大きくなると、作用体の変位が線形領域を外れ、その検出値の精度は低下せざるを得ない。
【０００８】
このような問題を解消するために、前掲の特許文献６などには、作用体の変位を抑制するようなフィードバック制御を行う閉ループ式（サーボ式）の力検出装置が開示されている。閉ループ式の力検出装置では、外力によって作用体が変位しようとした場合、当該外力に対する抗力を作用させて作用体の位置を基準位置に維持させる制御が行われる。そして、作用体を基準位置に維持させるための抗力発生に要した電気エネルギーの大きさを、作用した外力の大きさとして検出する方法がとられる。
【０００９】
この閉ループ式の力検出装置では、作用体の変位が常に０となるような制御が行われるため、作用体は常に所定の基準位置に維持されることになる。したがって、作用した外力の大小にかかわらず、測定は、常に変位０の状態で行われることになり、非線形性に起因する検出誤差の問題は解消する。しかしながら、正確な検出値を得るためには、作用体を常に基準位置に正確に維持するための制御が必要になる。このため、検出精度を高めようとすればするほど、より高度で複雑な制御系が必要になり、それだけ製造コストも高騰せざるを得ない。
【００１０】
そこで本発明は、容量素子を用いた閉ループ式の力検出装置において、比較的単純な制御系を用いながら、高精度な検出結果を得ることができる技術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】
【００１１】
(1) 本発明の第１の態様は、正負が定義された所定の検出軸方向に作用した力を検出する力検出装置において、
検出対象となる力を作用させるための作用体と、
作用体を収容する筐体と、
作用体を筐体に対して接続する可撓性接続部材と、
作用体に固定された変位電極と筐体に固定された固定電極とによって構成され、作用体が検出軸の正方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなる正側容量素子と、
作用体に固定された変位電極と筐体に固定された固定電極とによって構成され、作用体が検出軸の正方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなる負側容量素子と、
正側容量素子の静電容量値Ｃ１と負側容量素子の静電容量値Ｃ２とを検出する検出手段と、
正側容量素子を構成する電極間に駆動電圧Ｖ１を印加してクーロン力を作用させる機能と、負側容量素子を構成する電極間に駆動電圧Ｖ２を印加してクーロン力を作用させる機能と、を有する駆動手段と、
容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２に基づいて、ΔＣ＞０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行う機能を有し、所定時点におけるΔＶとΔＣとを用いて、Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは比例係数）なる演算を行い、得られた値Ｖαを作用体に作用した力を示す検出値として出力する制御手段と、
を設けるようにしたものである。
【００１２】
(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る力検出装置において、
制御手段が、所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣを繰り返し求め、各サンプリング時に、予め設定された正の基準レベルＬ１と負の基準レベルＬ２とを参照して、
（処理Ａ）ΔＣ＞Ｌ１の場合には、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを増加させる制御を行う、
（処理Ｂ）ΔＣ＜Ｌ２の場合には、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを減少させる制御を行う、
（処理Ｃ）Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１の場合には、印加電圧差ΔＶを増減させる制御を行わずに前サンプリング時におけるΔＶをそのまま維持させ、現サンプリング時におけるΔＶとΔＣとを用いて、Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは予め定められた定数）なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力する、
のいずれかの処理を実行するようにしたものである。
【００１３】
(3) 本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係る力検出装置において、
印加電圧差ΔＶと容量差ΔＣとの関係が、検出に必要な精度の範囲内で線形性を維持するとみなせる領域を線形領域と定め、基準レベルＬ１〜Ｌ２の範囲がこの線形領域内に収まるように、基準レベルＬ１，Ｌ２を設定するようにしたものである。
【００１４】
(4) 本発明の第４の態様は、上述した第１の態様に係る力検出装置において、
制御手段が、
所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣを繰り返し求め、ΔＣ＞０の場合には印加電圧差ΔＶを増加させ、ΔＣ＜０の場合には印加電圧差ΔＶを減少させるフィードバック制御を行い、
正の容量差ΔＣが得られた時点Ｑでの当該容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とし、負の容量差ΔＣが得られた時点Ｒでの当該容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）として、
ｋ＝（ΔＶ（Ｒ）−ΔＶ（Ｑ））／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））
なる演算で比例係数ｋを決定し、
Ｖα＝ΔＶ（Ｑ）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ）なる演算、もしくは、
Ｖα＝ΔＶ（Ｒ）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ）なる演算
によって、検出値Ｖαを求めるようにしたものである。
【００１５】
(5) 本発明の第５の態様は、上述した第４の態様に係る力検出装置において、
制御手段が、
Ｖα＝（ΔＶ（Ｒ）・ΔＣ（Ｑ）−ΔＶ（Ｑ）・ΔＣ（Ｒ））／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力するようにしたものである。
【００１６】
(6) 本発明の第６の態様は、上述した第４または第５の態様に係る力検出装置において、
容量差ΔＣの符号が正から負に反転したときに、反転直前の時点Ｑでの容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とし、反転直後の時点Ｒでの容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）とし、
容量差ΔＣの符号が負から正に反転したときに、反転直前の時点Ｒでの容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）とし、反転直後の時点Ｑでの容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とするようにしたものである。
【００１７】
(7) 本発明の第７の態様は、上述した第１〜第６の態様に係る力検出装置において、
各容量素子を構成する電極のうち、変位電極が共通の接地電位に維持され、駆動手段が、個々の固定電極に所定の駆動電圧を印加することにより、クーロン力を作用させるようにしたものである。
【００１８】
(8) 本発明の第８の態様は、上述した第７の態様に係る力検出装置において、
駆動手段が、正側容量素子を構成する固定電極に駆動電圧Ｖ１（Ｖ１≧０）を印加してクーロン引力を作用させる機能と、負側容量素子を構成する固定電極に駆動電圧Ｖ２（Ｖ２≧０）を印加してクーロン引力を作用させる機能と、を有し、
制御手段が、ΔＣ＞０の場合には、駆動電圧Ｖ１を減少させて、駆動電圧Ｖ２を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、駆動電圧Ｖ２を減少させて、駆動電圧Ｖ１を増加させる制御を行う機能を有するようにしたものである。
【００１９】
(9) 本発明の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る力検出装置において、
検出手段が、静電容量値を電圧に変換するＣ／Ｖ変換回路と、このＣ／Ｖ変換回路で変換されたアナログ検出電圧をデジタル検出信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、を有し、
制御手段が、このデジタル検出信号に基づいて、所定の駆動電圧を示すデジタル駆動信号を出力するデジタル処理装置を有し、
駆動手段が、このデジタル駆動信号をアナログ駆動信号に変換するＤ／Ａ変換回路と、このアナログ駆動信号に基づく所定の駆動電圧を電極に印加するドライバ回路と、を有するようにしたものである。
【００２０】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述した第９の態様に係る力検出装置において、
正側容量素子もしくは負側容量素子に、検出手段と駆動手段との双方が接続されており、
検出手段が、カップリング用容量素子を介して正側容量素子もしくは負側容量素子に接続され、
駆動手段が、抵抗素子を介して正側容量素子もしくは負側容量素子に接続されるようにしたものである。
【００２１】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述した第９の態様に係る力検出装置において、
正側容量素子が検出用正側容量素子と駆動用正側容量素子とによって構成されており、
負側容量素子が検出用負側容量素子と駆動用負側容量素子とによって構成されており、
検出手段は、検出用正側容量素子および検出用負側容量素子の静電容量値を検出し、
駆動手段は、駆動用正側容量素子および駆動用負側容量素子を構成する電極間に駆動電圧を印加してクーロン力を作用させるようにしたものである。
【００２２】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述した第９の態様に係る力検出装置において、
制御手段が、プロセッサと、このプロセッサに実行させるべきプログラムが格納されたメモリと、を有するマイクロコンピュータによって構成されており、このプログラムに基づいて、演算および制御が実行されるようにしたものである。
【００２３】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述した第１〜第１２の態様に係る力検出装置において、
作用体が板状部材から構成されており、
可撓性接続部がこの板状部材の側面の一部もしくは全部を筐体に対して接続し、
この板状部材の上面に対向して配置された上方基板と、この板状部材の下面に対向して配置された下方基板とが、筐体の一部をなし、
この板状部材の上面および下面に変位電極が形成され、上方基板の下面および下方基板の上面に固定電極が形成されているようにしたものである。
【００２４】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述した第１３の態様に係る力検出装置において、
板状部材からなる作用体の重心位置に原点Ｏをもち、ＸＹ平面がこの板状部材の上面に平行となるように、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、
Ｘ軸の正領域の上方に第１の上方容量素子が配置され、Ｘ軸の正領域の下方に第１の下方容量素子が配置され、Ｘ軸の負領域の上方に第２の上方容量素子が配置され、Ｘ軸の負領域の下方に第２の下方容量素子が配置され、
Ｙ軸の正領域の上方に第３の上方容量素子が配置され、Ｙ軸の正領域の下方に第３の下方容量素子が配置され、Ｙ軸の負領域の上方に第４の上方容量素子が配置され、Ｙ軸の負領域の下方に第４の下方容量素子が配置され、
Ｚ軸の正領域を中心とした位置に第５の上方容量素子が配置され、Ｚ軸の負領域を中心とした位置に第５の下方容量素子が配置され、
第１の上方容量素子および第２の下方容量素子を正側容量素子とし、第１の下方容量素子および第２の上方容量素子を負側容量素子とすることにより、Ｘ軸方向に作用した力の検出が行われ、
第３の上方容量素子および第４の下方容量素子を正側容量素子とし、第３の下方容量素子および第４の上方容量素子を負側容量素子とすることにより、Ｙ軸方向に作用した力の検出が行われ、
第５の上方容量素子を正側容量素子とし、第５の下方容量素子を負側容量素子とすることにより、Ｚ軸方向に作用した力の検出が行われ、
Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向に作用した力をそれぞれ独立した検出値として出力するようにしたものである。
【００２５】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述した第１４の態様に係る力検出装置において、
第１〜第５の上方容量素子および第１〜第５の下方容量素子のそれぞれが、検出用容量素子と駆動用容量素子との一対の容量素子によって構成されており、
検出手段は、各検出用容量素子の静電容量値を検出し、
駆動手段は、各駆動用容量素子を構成する電極間に駆動電圧を印加してクーロン力を作用させるようにしたものである。
【００２６】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述した第１４または第１５の態様に係る力検出装置において、
第１の上方容量素子，第１の下方容量素子，第２の上方容量素子，第２の下方容量素子が、いずれもＸＺ平面に関して対称となる形状をなし、第１の上方容量素子と第２の上方容量素子とはＹＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、第１の下方容量素子と第２の下方容量素子とはＹＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、
第３の上方容量素子，第３の下方容量素子，第４の上方容量素子，第４の下方容量素子が、いずれもＹＺ平面に関して対称となる形状をなし、第３の上方容量素子と第４の上方容量素子とはＸＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、第３の下方容量素子と第４の下方容量素子とはＸＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、
第５の上方容量素子および第５の下方容量素子が、いずれもＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となる形状をなし、かつ、第５の上方容量素子と第５の下方容量素子とはＸＹ平面に関して互いに対称となる形状をなし互いに対称となる位置に配置されているようにしたものである。
【００２７】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述した第１４〜第１６の態様に係る力検出装置において、
Ｘ軸およびＹ軸をＸＹ平面上で４５°回転させた軸をそれぞれＸ′軸およびＹ′軸と定義したときに、Ｘ′軸の正領域に平行な橋梁部、Ｘ′軸の負領域に平行な橋梁部、Ｙ′軸の正領域に平行な橋梁部、Ｙ′軸の負領域に平行な橋梁部によって、可撓性接続部材が構成されているようにしたものである。
【００２８】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述した第１７の態様に係る力検出装置において、
Ｘ軸の正領域に配置された第１の翼状部と、Ｘ軸の負領域に配置された第２の翼状部と、Ｙ軸の正領域に配置された第３の翼状部と、Ｙ軸の負領域に配置された第４の翼状部と、原点Ｏに配置され、この４組の翼状部を相互に接合する中央部と、を有する板状部材によって作用体が構成され、
４本の橋梁部は、中央部に接続されており、
第１の翼状部の上面に第１の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、第１の翼状部の下面に第１の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、第２の翼状部の上面に第２の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、第２の翼状部の下面に第２の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、第３の翼状部の上面に第３の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、第３の翼状部の下面に第３の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、第４の翼状部の上面に第４の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、第４の翼状部の下面に第４の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、中央部の上面に第５の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、中央部の下面に第５の下方容量素子を構成する変位電極が形成されているようにしたものである。
【００２９】
(19) 本発明の第１９の態様は、上述した第１〜第１８の態様に係る力検出装置において、
作用体を導電性材料で構成し、この作用体の表層における個々の固定電極に対する対向領域が個々の変位電極を形成するようにしたものである。
【００３０】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述した第１〜第１９の態様に係る力検出装置において、作用した加速度に起因して作用体に生じる力を求めることにより、加速度の検出を行う加速度センサを実現するようにしたものである。
【００３１】
(21) 本発明の第２１の態様は、上述した第１〜第１９の態様に係る力検出装置に、作用体を所定の運動軌跡に沿って周期運動させる運動手段を付加し、作用体が周期運動しているときに、力検出装置の力の検出軸方向に加わるコリオリ力を求めることにより、角速度の検出を行う機能を有する角速度センサを実現するようにしたものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の力検出装置では、外力に対する抗力（作用体の位置を基準位置に維持させるための抗力）の大きさを示す印加電圧差ΔＶを、粗い精度をもった検出値として利用し、作用体の基準位置からのずれ量を示す容量差ΔＣを、密な精度をもった検出値として利用し、ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは比例係数）なる和として、力の検出値が求められる。このため、本発明に係る力検出装置は、容量素子を用いた閉ループ式の力検出装置であるにもかかわらず、その検出原理上、作用体の位置を基準位置に正確に維持する必要はなく、そのような正確な制御を行う必要はない。もちろん、粗い制御を行うと、測定時には、作用体が基準位置からずれてしまっているかもしれないが、当該ずれ量は、容量差ΔＣとして正確に測定され、粗い精度をもった検出値ΔＶに、ｋ・ΔＣなる形の補正項として加えられることになる。したがって、比較的単純な制御系を用いながら、高精度な検出結果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００３４】
＜＜＜ §１． 基本的実施形態の主要構造部 ＞＞＞
はじめに、本発明の基本的実施形態に係る力検出装置の主要構造部の説明を行う。図１は、この主要構造部の側断面図である。図示のとおり、この主要構造部は、上方基板１００と下方基板２００との間に、中間基板３００を介挿させた構造を有している。上方基板１００および下方基板２００は、単純な板状の基板であるが、中間基板３００は、図示のとおり、若干複雑な形態をしている。
【００３５】
すなわち、中間基板３００は、中央部に配置された板状部材３１０と、その周囲を取り囲む台座３２０と、両者を接続する４本の橋梁部３３１〜３３４（図１には、３３１，３３３のみが現れている）によって構成されている。板状部材３１０は、検出対象となる外力を作用させるための物体であるため、以下、作用体３１０と呼ぶことにする。ここに示す実施形態は、本発明に係る力検出装置を用いて加速度センサを構成した例であり、作用体３１０に対して実際に作用する力は、加速度に起因して生じる力ということになる。
【００３６】
ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、この作用体３１０の重心位置に座標系の原点Ｏをとり、図の横方向にＸ軸（右方が正方向）、縦方向にＺ軸（上方が正方向）、紙面に対して垂直方向にＹ軸（奥が正方向）をとり、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。上方基板１００および下方基板２００、ならびに作用体３１０の上下両面は、いずれも、この座標系におけるＸＹ平面に平行な平面をなしており、その中心位置にＺ軸が直交することになる。図１は、この主要構造部をＸＺ平面で切断した側断面図ということになる。
【００３７】
図２は、図１に示す主要構造部の上方基板１００の下面図である。この上方基板１００の下面には、図示のとおり、５枚の電極Ｅ１１〜Ｅ１５が形成されている。これらの電極は、上方基板１００に固定されているため、ここでは、固定電極と呼ぶことにする。第１の固定電極Ｅ１１は、Ｘ軸の正領域上方に位置し、第２の固定電極Ｅ１２は、Ｘ軸の負領域上方に位置し、第３の固定電極Ｅ１３は、Ｙ軸の正領域上方に位置し、第４の固定電極Ｅ１４は、Ｙ軸の負領域上方に位置し、第５の固定電極Ｅ１５は、Ｚ軸の正領域に位置している。これら各電極の形状および配置は、図示のとおり、ＸＺ平面もしくはＹＺ平面、またはその双方について対称性を有している。
【００３８】
この５枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１５は、互いに電気的に独立している必要がある。そこで、ここに示す実施形態の場合、上方基板１００をガラスやセラミックなどの絶縁性材料によって構成し、その表面に、銅やアルミニウムからなる固定電極を形成している。
【００３９】
一方、中間基板３００の構造は、図３〜図５を参照すれば、容易に理解できよう。図３は、図１に示す主要構造部の中間基板３００の上面図であり、この主要構造部から上方基板１００を取り去った状態を上方から観察した状態を示している。また、図４は、この主要構造部を切断線４に沿って切った断面を示す横断面図であり、図５は、ＸＹ平面に沿って切った断面を示す横断面図である。
【００４０】
作用体３１０は、図１に示すような板状部材であるが、その平面形状は、図５に示すように、扇風機の羽根に似た形状をしている。すなわち、Ｘ軸の正領域に配置された第１の翼状部３１１と、Ｘ軸の負領域に配置された第２の翼状部３１２と、Ｙ軸の正領域に配置された第３の翼状部３１３と、Ｙ軸の負領域に配置された第４の翼状部３１４と、原点Ｏに配置され、４組の翼状部３１１〜３１４を相互に接合する中央部３１５と、を有している。この作用体３１０を取り囲むように、フレーム状の台座３２０が設けられている。
【００４１】
図５に示すように、作用体３１０の大まかな平面外郭形状は正方形をなしているが、Ｘ軸およびＹ軸をＸＹ平面上で４５°回転させた軸をそれぞれＸ′軸およびＹ′軸と定義すれば、このＸ′軸およびＹ′軸に沿った４カ所の部分（正方形の対角線に対応する部分）に切り欠きが設けられている。これは、図４に示すように、この４カ所の切り欠き部分に、それぞれ橋梁部３３１〜３３４を配置し、これら４本の橋梁部３３１〜３３４によって、中央部３１５を支持するためである。
【００４２】
すなわち、図４に示すように、作用体３１０は、Ｘ′軸の正領域に平行な橋梁部３３１、Ｘ′軸の負領域に平行な橋梁部３３２、Ｙ′軸の正領域に平行な橋梁部３３３、Ｙ′軸の負領域に平行な橋梁部３３４によって支持されることになる。各橋梁部３３１〜３３４の内側端は中央部３１５に接続され、外側端は台座３２０に接続されている。各橋梁部３３１〜３３４は、細長いビーム構造を有しているため、可撓性をもった接続部材として機能する。
【００４３】
結局、図１において、検出対象となる力を作用させるための作用体３１０は、上方基板１００，下方基板２００，台座３２０によって構成される筐体内に収容されており、可撓性接続部材（橋梁部３３１〜３３４）によって、当該筐体に対して接続されていることになる。作用体３１０に外力が作用すると、可撓性をもった橋梁部３３１〜３３４に撓みが生じ、作用体３１０は筐体内で変位する。
【００４４】
図６は、図１に示す主要構造部の下方基板２００の上面図である。この下方基板２００の上面には、図示のとおり、５枚の電極Ｅ２１〜Ｅ２５が形成されている。これらの電極は、下方基板２００に固定されているため、やはり固定電極と呼ぶことにする。第１の固定電極Ｅ２１は、Ｘ軸の正領域下方に位置し、第２の固定電極Ｅ２２は、Ｘ軸の負領域下方に位置し、第３の固定電極Ｅ２３は、Ｙ軸の正領域下方に位置し、第４の固定電極Ｅ２４は、Ｙ軸の負領域下方に位置し、第５の固定電極Ｅ２５は、Ｚ軸の負領域に位置している。これら各電極の形状および配置は、図示のとおり、ＸＺ平面もしくはＹＺ平面、またはその双方について対称性を有している。
【００４５】
この５枚の固定電極Ｅ２１〜Ｅ２５も、互いに電気的に独立している必要があるので、ここに示す実施形態の場合、上方基板１００と同様に、下方基板２００も、ガラスやセラミックなどの絶縁性材料によって構成し、その表面に、銅やアルミニウムからなる固定電極を形成している。実際には、固定電極Ｅ１１〜Ｅ１５を含めた上方基板１００と、固定電極Ｅ２１〜Ｅ２５を含めた下方基板２００とは、物理的には全く同一の構成要素であり、図１において、固定電極Ｅ１１〜Ｅ１５と固定電極Ｅ２１〜Ｅ２５とは、ＸＹ平面に関して対称になる。
【００４６】
一方、ここに示す実施形態の場合、中間基板３００は導電性材料で構成されており（たとえば、シリコン基板や金属板を加工して、中間基板３００を構成すればよい）、作用体３１０は、それ自体が導電性物体となる。したがって、この作用体３１０に対向するように、固定電極Ｅ１１〜Ｅ１５，Ｅ２１〜Ｅ２５を配置すると、作用体３１０の表層における個々の固定電極に対する対向領域が個々の電極として機能し、容量素子が構成されることになる。
【００４７】
たとえば、図２に示す固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、それぞれ図３に示す作用体３１０の翼状部３１１〜３１４の上面に対向し、図２に示す固定電極Ｅ１５は、図３に示す作用体３１０の中央部３１５の上面に対向する。したがって、固定電極Ｅ１１と、翼状部３１１の上面部分によって、１つの容量素子Ｃ１１が形成される。また、固定電極Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４と、翼状部３１２，３１３，３１４の上面部分によって、それぞれ容量素子Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４が形成され、固定電極Ｅ１５と、中央部３１５の上面部分によって、容量素子Ｃ１５が形成される。
【００４８】
同様に、図６に示す固定電極Ｅ２１〜Ｅ２４は、それぞれ図３に示す作用体３１０の翼状部３１１〜３１４の下面に対向し、図６に示す固定電極Ｅ２５は、図３に示す作用体３１０の中央部３１５の下面に対向する。したがって、固定電極Ｅ２１と、翼状部３１１の下面部分によって、１つの容量素子Ｃ２１が形成される。また、固定電極Ｅ２２，Ｅ２３，Ｅ２４と、翼状部３１２，３１３，３１４の下面部分によって、それぞれ容量素子Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２４が形成され、固定電極Ｅ２５と、中央部３１５の下面部分によって、容量素子Ｃ２５が形成される。
【００４９】
結局、合計１０枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ２５について、それぞれ作用体３１０の表層における対向する領域が対向電極として機能し、合計１０個の容量素子Ｃ１１〜Ｃ２５が形成されることになる。ここでは、この作用体３１０の表層側に形成される対向電極を変位電極と呼ぶことにする。固定電極Ｅ１１〜Ｅ２５は、筐体に固定された電極であるが、これらに対向する変位電極は、作用体３１０とともに変位する電極ということになる。
【００５０】
なお、作用体３１０を絶縁材料によって構成した場合は、その表面に（１０枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ２５にそれぞれ対向する部分に）、導電性材料からなる変位電極を別途設けるようにすればよい。ここに示す実施形態のように、作用体３１０を導電性材料で構成しておけば（少なくとも、その表層部分を導電性材料で構成しておけば）、その表層部分が、それぞれ個々の変位電極として機能するので、個々の変位電極を別体として設ける必要がなくなり、実用上は好ましい。
【００５１】
＜＜＜ §２． 開ループ式検出の基本原理 ＞＞＞
本発明は、基本的には、閉ループ式（サーボ式）の力検出装置に係るものであるが、その検出原理の一部に、開ループ式（オープンループ式）の検出原理も取り込んでいる。そこで、この§２では、図１に示す主要構造部を用いた開ループ式の検出原理を述べておく。
【００５２】
まず、Ｘ軸を検出軸として、このＸ軸の正もしくは負方向に作用した力を検出する原理を説明する。図７は、図１に示す主要構造部の作用体３１０に、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した状態を示す側断面図である。実際には、作用体３１０にＸ軸正方向への加速度＋αｘが作用し、この加速度に基づいて、力＋Ｆｘが加わることになる。力＋Ｆｘの作用により、作用体３１０は図の右方向へ移動しようとするが、上面近傍を可撓性をもった４本の橋梁部３３１〜３３４によって支持されているため、これら橋梁部に撓みが生じることになる。結局、作用体３１０は、その重心をＸ軸正方向に移動しつつ、図示のように傾斜する。
【００５３】
すると、固定電極Ｅ１１とこれに対向する変位電極（翼状部３１１の上面）との距離および固定電極Ｅ２２とこれに対向する変位電極（翼状部３１２の下面）との距離は小さくなり、固定電極Ｅ１２とこれに対向する変位電極（翼状部３１２の上面）との距離および固定電極Ｅ２１とこれに対向する変位電極（翼状部３１１の下面）との距離は大きくなる。そのため、容量素子Ｃ１１，Ｃ２２の静電容量値は大きくなり、容量素子Ｃ１２，Ｃ２１の静電容量値は小さくなる。このとき、他の容量素子は、その電極間隔が、一部分は小さくなるが、他の一部分は大きくなるので、静電容量値には変化は生じない。したがって、Ｘ軸方向に作用した力が、後述するＹ軸もしくはＺ軸方向に作用した力として検出されることはない。
【００５４】
一方、作用体３１０に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合は、上記各容量素子の静電容量値の増減は逆転する。したがって、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２５の静電容量値を、同じ符号Ｃ１１〜Ｃ２５で表せば、容量差ΔＣ＝（Ｃ１１＋Ｃ２２）−（Ｃ１２＋Ｃ２１）は、Ｘ軸を検出軸とする力の検出値を示すものになる。すなわち、容量差ΔＣが正の場合には、Ｘ軸正方向に力が作用していることを示し、容量差ΔＣが負の場合には、Ｘ軸負方向に力が作用していることを示し、容量差ΔＣの絶対値は、作用している力の大きさを示すものになる。
【００５５】
次に、Ｙ軸を検出軸として、このＹ軸の正もしくは負方向に作用した力を検出する原理を考えよう。図２〜図６の幾何学的な配置から明らかなように、Ｘ軸とＹ軸は相互に入れ換えても、基本的構造上の変化は生じないので、Ｙ軸に関する検出には、上述したＸ軸に関する検出原理と全く同じ原理を適用できる。したがって、容量差ΔＣ＝（Ｃ１３＋Ｃ２４）−（Ｃ１４＋Ｃ２３）は、Ｙ軸を検出軸とする力の検出値を示すものになる。
【００５６】
続いて、Ｚ軸を検出軸として、このＺ軸の正もしくは負方向に作用した力を検出する原理を説明する。図８は、図１に示す主要構造部の作用体３１０に、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した状態を示す側断面図である。実際には、作用体３１０にＺ軸正方向への加速度＋αｚが作用し、この加速度に基づいて、力＋Ｆｚが加わることになる。力＋Ｆｚが作用すると、４本の橋梁部３３１〜３３４に撓みが生じ，作用体３１０は図示のように上方向へ移動する。
【００５７】
すると、固定電極Ｅ１５とこれに対向する変位電極（中央部３１５の上面）との距離は小さくなり、固定電極Ｅ２５とこれに対向する変位電極（中央部３１５の下面）との距離は大きくなる。そのため、容量素子Ｃ１５の静電容量値は大きくなり、容量素子Ｃ２５の静電容量値は小さくなる。一方、作用体３１０に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合は、上記各容量素子の静電容量値の増減は逆転する。
【００５８】
したがって、容量差ΔＣ＝Ｃ１５−Ｃ２５を求めれば、Ｚ軸を検出軸とする力の検出値を示すものになる。すなわち、上記容量差ΔＣが正の場合には、Ｚ軸正方向に力が作用していることを示し、上記容量差ΔＣが負の場合には、Ｚ軸負方向に力が作用していることを示し、上記容量差ΔＣの絶対値は、作用している力の大きさを示すものになる。
【００５９】
なお、Ｚ軸の正もしくは負方向のみに力が作用し、作用体が図の上下方向に変位した場合、前述したＸ軸方向に関する力の検出値を示す容量差ΔＣ＝（Ｃ１１＋Ｃ２２）−（Ｃ１２＋Ｃ２１）や、Ｙ軸方向に関する力の検出値を示す容量差ΔＣ＝（Ｃ１３＋Ｃ２４）−（Ｃ１４＋Ｃ２３）は０になる。したがって、Ｚ軸方向に作用した力が、前述したＸ軸もしくはＹ軸方向に作用した力として検出されることはない。
【００６０】
かくして、作用体３１０に作用した各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ（各座標軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚ）を別個独立して検出することが可能になる。
【００６１】
＜＜＜ §３． 開ループ式検出回路 ＞＞＞
図９は、上述した開ループ式検出を行うための検出回路の一例を示す回路図である。この回路図の左端において、符号「Ｅ１１〜Ｅ２５」が付された構成要素は、図２および図６に示した各固定電極Ｅ１１〜Ｅ２５であり、符号「３１０」が付された構成要素は、図１に示す導電性の作用体３１０である。図示のとおり、この作用体３１０は接地されており、その表面（個々の変位電極）は接地電位に維持されている（中間基板３００全体を導電性材料で構成しておけば、図１に示す台座３２０を接地すれば、作用体３１０全体が接地電位に維持される）。既に述べたとおり、各固定電極Ｅ１１〜Ｅ２５と、作用体３１０の対向面（変位電極）とによって、それぞれ容量素子Ｃ１１〜Ｃ２５が形成される。図９の左端に示された符号「Ｃ１１〜Ｃ２５」は、これらの容量素子を示している。
【００６２】
図示のとおり、容量素子Ｃ１１，Ｃ２２は並列接続され、これらの固定電極はＣ／Ｖ変換回路４１１に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１１は、並列接続された容量素子Ｃ１１，Ｃ２２の静電容量値（容量素子Ｃ１１の静電容量値Ｃ１１と容量素子Ｃ２２の静電容量値Ｃ２２との和）をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２１によってデジタル検出信号Ｄ（Ｘ＋）に変換される。
【００６３】
同様に、容量素子Ｃ１２，Ｃ２１は並列接続され、これらの固定電極はＣ／Ｖ変換回路４１２に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１２は、並列接続された容量素子Ｃ１２，Ｃ２１の静電容量値（容量素子Ｃ１２の静電容量値Ｃ１２と容量素子Ｃ２１の静電容量値Ｃ２１との和）をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２２によってデジタル検出信号Ｄ（Ｘ−）に変換される。
【００６４】
ここで、Ｘ軸を検出軸として、作用体３１０が検出軸の正方向への力＋Ｆｘを受けて変位すると電極間隔が狭くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなる容量素子を正側容量素子と呼ぶことにすれば、容量素子Ｃ１１，Ｃ２２は、いずれも正側容量素子であり、デジタル検出信号Ｄ（Ｘ＋）は、正側容量素子の静電容量値を示す信号になる。
【００６５】
逆に、Ｘ軸を検出軸として、作用体３１０が検出軸の正方向への力＋Ｆｘを受けて変位すると電極間隔が広くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなる容量素子を負側容量素子と呼ぶことにすれば、容量素子Ｃ１２，Ｃ２１は、いずれも負側容量素子であり、デジタル検出信号Ｄ（Ｘ−）は、負側容量素子の静電容量値を示す信号になる。
【００６６】
制御ユニット５００は、ここに示す例の場合、マイクロコンピュータによって構成されており、デジタル検出信号Ｄ（Ｘ＋）とＤ（Ｘ−）との差を求める演算「Ｄ（αｘ）＝Ｄ（Ｘ＋）−Ｄ（Ｘ−）」を行う。演算で得られた差Ｄ（αｘ）は、結局、容量差ΔＣ＝（Ｃ１１＋Ｃ２２）−（Ｃ１２＋Ｃ２１）を示すものになり、これは上述したとおり、Ｘ軸を検出軸とする力の検出値を示すものになる。そこで、制御ユニット５００は、得られた差Ｄ（αｘ）をＸ軸方向に作用した力の検出値として出力する。
【００６７】
一方、容量素子Ｃ１３，Ｃ２４は並列接続され、これらの固定電極はＣ／Ｖ変換回路４１３に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１３は、並列接続された容量素子Ｃ１３，Ｃ２４の静電容量値（容量素子Ｃ１３の静電容量値Ｃ１３と容量素子Ｃ２４の静電容量値Ｃ２４との和）をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２３によってデジタル検出信号Ｄ（Ｙ＋）に変換される。
【００６８】
同様に、容量素子Ｃ１４，Ｃ２３は並列接続され、これらの固定電極はＣ／Ｖ変換回路４１４に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１４は、並列接続された容量素子Ｃ１４，Ｃ２３の静電容量値（容量素子Ｃ１４の静電容量値Ｃ１４と容量素子Ｃ２３の静電容量値Ｃ２３との和）をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２４によってデジタル検出信号Ｄ（Ｙ−）に変換される。
【００６９】
ここで、Ｙ軸を検出軸として、作用体３１０が検出軸の正方向への力＋Ｆｙを受けて変位すると電極間隔が狭くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなる容量素子を正側容量素子と呼ぶことにすれば、容量素子Ｃ１３，Ｃ２４は、いずれも正側容量素子であり、デジタル検出信号Ｄ（Ｙ＋）は、正側容量素子の静電容量値を示す信号になる。
【００７０】
逆に、Ｙ軸を検出軸として、作用体３１０が検出軸の正方向への力＋Ｆｙを受けて変位すると電極間隔が広くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなる容量素子を負側容量素子と呼ぶことにすれば、容量素子Ｃ１４，Ｃ２３は、いずれも負側容量素子であり、デジタル検出信号Ｄ（Ｙ−）は、負側容量素子の静電容量値を示す信号になる。
【００７１】
制御ユニット５００は、デジタル検出信号Ｄ（Ｙ＋）とＤ（Ｙ−）との差を求める演算「Ｄ（αｙ）＝Ｄ（Ｙ＋）−Ｄ（Ｙ−）」を行う。演算で得られた差Ｄ（αｙ）は、結局、容量差ΔＣ＝（Ｃ１３＋Ｃ２４）−（Ｃ１４＋Ｃ２３）を示すものになり、これは上述したとおり、Ｙ軸を検出軸とする力の検出値を示すものになる。そこで、制御ユニット５００は、得られた差Ｄ（αｙ）をＹ軸方向に作用した力の検出値として出力する。
【００７２】
また、容量素子Ｃ１５の固定電極はＣ／Ｖ変換回路４１５に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１５は、容量素子Ｃ１５の静電容量値Ｃ１５をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２５によってデジタル検出信号Ｄ（Ｚ＋）に変換される。
【００７３】
同様に、容量素子Ｃ２５の固定電極はＣ／Ｖ変換回路４１６に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１６は、容量素子Ｃ２５の静電容量値Ｃ２５をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２６によってデジタル検出信号Ｄ（Ｚ−）に変換される。
【００７４】
ここで、Ｚ軸を検出軸として、作用体３１０が検出軸の正方向への力＋Ｆｚを受けて変位すると電極間隔が狭くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなる容量素子を正側容量素子と呼ぶことにすれば、容量素子Ｃ１５は正側容量素子であり、デジタル検出信号Ｄ（Ｚ＋）は、正側容量素子の静電容量値を示す信号になる。
【００７５】
逆に、Ｚ軸を検出軸として、作用体３１０が検出軸の正方向への力＋Ｆｚを受けて変位すると電極間隔が広くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなる容量素子を負側容量素子と呼ぶことにすれば、容量素子Ｃ２５は負側容量素子であり、デジタル検出信号Ｄ（Ｚ−）は、負側容量素子の静電容量値を示す信号になる。
【００７６】
制御ユニット５００は、デジタル検出信号Ｄ（Ｚ＋）とＤ（Ｚ−）との差を求める演算「Ｄ（αｚ）＝Ｄ（Ｚ＋）−Ｄ（Ｚ−）」を行う。演算で得られた差Ｄ（αｚ）は、結局、容量差ΔＣ＝Ｃ１５−Ｃ２５を示すものになり、これは上述したとおり、Ｚ軸を検出軸とする力の検出値を示すものになる。そこで、制御ユニット５００は、得られた差Ｄ（αｚ）をＺ軸方向に作用した力の検出値として出力する。
【００７７】
かくして、図１に示す主要構造部に、図９に示す開ループ検出回路を付加すれば、開ループ式検出を行う力検出装置を実現することができる。
【００７８】
＜＜＜ §４． 閉ループ式検出の基本原理 ＞＞＞
さて、§２で説明した開ループ式検出では、作用体３１０に対する変位制御は全く行わず、外力によって生じた作用体３１０の変位をそのまま力の検出値として出力することになる。しかしながら、この開ループ式力検出には、検出対象となる力が比較的小さく、作用体の変位が線形領域内に維持されている限り正確な検出値が得られるが、検出対象となる力が大きくなると、作用体の変位が線形領域を外れ、検出精度が低下する問題があることは、既に述べたとおりである。
【００７９】
図１０は、図１に示す主要構造部の作用体３１０に作用した加速度αと変位ｄとの関係を示すグラフである。作用体３１０に作用した加速度αと、この加速度αに起因して作用体３１０に加わる力Ｆとの間には、作用体３１０の質量をｍとして、Ｆ＝ｍαなる関係が成り立つので、作用体３１０の質量ｍが一定である限り、力Ｆは加速度αに比例した値になり、実質的に、力Ｆは加速度αと等価な物理量として取り扱うことができる。
【００８０】
そして、作用体３１０に力Ｆが作用すると、可撓性接続部材として機能する４本の橋梁部３３１〜３３４が撓みを生じ、作用体３１０が変位を生じることになる。ここで、仮に橋梁部３３１〜３３４が完全にバネとして機能し、その伸びがフックの法則に従うとしても、図７や図８に示す変位状態を見ればわかるとおり、作用体３１０の各座標軸方向の変位は、橋梁部３３１〜３３４の伸びに線形対応するものではない。したがって、所定の検出軸方向に作用した加速度αと、この加速度αに起因した力Ｆによって作用体３１０に生じる当該検出軸方向の変位ｄとの間には、正確な線形関係が維持されるものではない。
【００８１】
ただ、図１０のグラフに示すように、加速度αの絶対値が小さい領域、別言すれば、変位ｄの絶対値が小さい領域では、所定の検出精度において、加速度αと変位ｄとの間に線形関係がある取り扱いを行うことができる。図１０に示す例の場合、加速度αが、α２＜α＜α１の範囲内（α２は負の加速度）、別言すれば、変位ｄが、ｄ２＜ｄ＜ｄ１の範囲内（ｄ２は負の変位）が、線形領域（線形関係があるとする取り扱いを行うことができる領域）となっている。したがって、図示の例では、α２＜α＜α１の範囲内の加速度αを検出する上では、§２で説明した開ループ式検出を適用しても、所定の検出精度をもった検出結果を得ることができるが、加速度αの絶対値がそれ以上大きくなると、非線形領域に入るため、検出精度は低下せざるを得ない。
【００８２】
容量素子を利用して作用体の変位検出を行うタイプの装置では、更に、別な問題が加わってくる。すなわち、容量素子の静電容量値は、電極間隔に反比例するため、容量差ΔＣと変位ｄとの間にも、線形関係は得られない。ただ、変位ｄが小さい領域では、近似的に両者間に線形関係があるとする取り扱いを行うことができる。
【００８３】
このような事情から、図９に示す制御ユニット５００から出力される検出値Ｄ（αｘ），Ｄ（αｙ），Ｄ（αｚ）は、加速度の値αｘ，αｙ，αｚが大きくなればなるほど、誤差を含んだ不正確な値にならざるを得ない。
【００８４】
このような問題を解消するために、前掲の特許文献６などには、閉ループ式（サーボ式）検出の手法が開示されている。この閉ループ式の検出では、作用体３１０の変位が常に０となるようなフィードバック制御が行われる。すなわち、外力によって作用体３１０が変位しようとした場合、当該外力に対する抗力を作用させて作用体３１０の位置を基準位置に維持させる制御が行われる。そして、作用体を基準位置に維持させるための抗力発生に要した電気エネルギーの大きさが、作用した外力の大きさとして検出される。
【００８５】
たとえば、図１０に示すグラフにおいて、加速度α１が作用した場合、フィードバック制御を行わないと、作用体３１０は変位ｄ１を生じる位置まで移動することになる。閉ループ式の検出では、この場合、作用体３１０を基準位置（変位ｄ＝０の位置）まで押し戻す抗力を加えるフィードバック制御を行い、作用体３１０が基準位置を維持するようにし、そのとき加えた抗力を測定し、この抗力の大きさを、作用した加速度α１の大きさを示す検出値として出力することになる。
【００８６】
＜＜＜ §５． 閉ループ式検出回路 ＞＞＞
図１１は、このような閉ループ式の検出を行うために利用されるフィードバック制御回路の基本構成を示す回路図である。この図１１では、説明の便宜上、図の縦方向を唯一の検出軸とした一次元の力検出装置の例を示してある。図の左側には、導電性の作用体３１０と、上方に設けられた固定電極Ｅ１と、下方に設けられた固定電極Ｅ２とが描かれている。導電性の作用体３１０は接地電位に維持されており、固定電極Ｅ１と作用体３１０の上面部分（変位電極）とによって、正側容量素子Ｃ１が構成され、固定電極Ｅ２と作用体３１０の下面部分（変位電極）とによって、負側容量素子Ｃ２が構成されている。
【００８７】
ここで、正側容量素子Ｃ１は、作用体３１０に固定された変位電極（実際には、作用体３１０の上面部分）と筐体に固定された固定電極Ｅ１とによって構成され、作用体３１０が検出軸の正方向（図１１の上方向）への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなり、負方向（図１１の下方向）への力を受けて変位すると電極間隔が広くなる容量素子である。また、負側容量素子Ｃ２は、作用体３１０に固定された変位電極（実際には、作用体３１０の下面部分）と筐体に固定された固定電極Ｅ２とによって構成され、作用体３１０が検出軸の正方向（図１１の上方向）への力を受けて変位すると電極間隔が広くなり、負方向（図１１の下方向）への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなる容量素子である。
【００８８】
図１１において、作用体３１０の中心に示されている点Ｇは、この作用体の重心を示しており、図には、この重心Ｇが基準位置ｄ０に維持されている状態が示されている。基準位置ｄ０は、この力検出装置に何ら外力が作用していない状態における作用体の重心Ｇの位置であり、ここに示す実施形態の場合、固定電極Ｅ１，Ｅ２の中間点に基準位置ｄ０が設定されている。したがって、作用体３１０（の重心Ｇ）が、この基準位置ｄ０にある状態では、正側容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１と負側容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２とは等しくなり、容量差をΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２と定義した場合、ΔＣ＝０になる。
【００８９】
図１に示す主要構造部は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸をそれぞれ独立した検出軸とする三次元力検出装置に利用されるものであるが、各座標軸方向の検出原理は、いずれも図１１に示す一次元力検出装置の検出原理と同じである。
【００９０】
すなわち、Ｘ軸を検出軸とする場合、図９の回路図でも説明したとおり、容量素子Ｃ１１，Ｃ２２が正側容量素子として図１１の容量素子Ｃ１に対応し、容量素子Ｃ１２，Ｃ２１が負側容量素子として図１１の容量素子Ｃ２に対応する。図１に示す主要構造部の場合、Ｘ軸方向の力が作用した場合、作用体３１０は図７に示すように傾斜することになるが、Ｘ軸正方向への力を受けると正側容量素子の電極間隔が狭くなり、負側容量素子の電極間隔が広くなり、Ｘ軸負方向への力を受けると、正側容量素子の電極間隔が広くなり、負側容量素子の電極間隔が狭くなる、という基本原理に変わりはない。
【００９１】
一方、Ｙ軸を検出軸とする場合、図９の回路図でも説明したとおり、容量素子Ｃ１３，Ｃ２４が正側容量素子として図１１の容量素子Ｃ１に対応し、容量素子Ｃ１４，Ｃ２３が負側容量素子として図１１の容量素子Ｃ２に対応する。この場合も、やはりＹ軸正方向への力を受けると正側容量素子の電極間隔が狭くなり、負側容量素子の電極間隔が広くなり、Ｙ軸負方向への力を受けると、正側容量素子の電極間隔が広くなり、負側容量素子の電極間隔が狭くなる、という基本原理に変わりはない。
【００９２】
また、Ｚ軸を検出軸とする場合、図９の回路図でも説明したとおり、容量素子Ｃ１５が正側容量素子として図１１の容量素子Ｃ１に対応し、容量素子Ｃ２５が負側容量素子として図１１の容量素子Ｃ２に対応する。この場合も、やはりＺ軸正方向への力を受けると正側容量素子の電極間隔が狭くなり、負側容量素子の電極間隔が広くなり、Ｚ軸負方向への力を受けると、正側容量素子の電極間隔が広くなり、負側容量素子の電極間隔が狭くなる、という基本原理に変わりはない。
【００９３】
図１１に示すとおり、固定電極Ｅ１はカップリング用容量素子Ｃ４１を介してＣ／Ｖ変換回路４１に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１は、容量素子Ｃ１の静電容量値（同じ符号Ｃ１で示す）をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２によってデジタル検出信号Ｄ（＋）に変換される。同様に、固定電極Ｅ２はカップリング用容量素子Ｃ４５を介してＣ／Ｖ変換回路４５に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４５は、容量素子Ｃ２の静電容量値（同じ符号Ｃ２で示す）をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４６によってデジタル検出信号Ｄ（−）に変換される。
【００９４】
制御ユニット５０は、ここに示す例の場合、マイクロコンピュータによって構成されており、デジタル検出信号Ｄ（＋）とＤ（−）との差を求める演算を行う。求めた差は、容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１と容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２との差、すなわち、容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２を示すものになる。この容量差ΔＣは符号をもった量であり、図１１に示す例のように、図の上下方向に検出軸を設定した場合であれば、ΔＣ＞０は、作用体３１０が基準位置ｄ０よりも上方に変位していることを示し、ΔＣ＜０は、作用体３１０が基準位置ｄ０よりも下方に変位していることを示し、ΔＣ＝０は、作用体３１０が基準位置ｄ０にあることを示す（図１に示す主要構造部において、Ｘ軸もしくはＹ軸を検出軸とした場合、ΔＣは作用体３１０の重心ＧのＸ軸もしくはＹ軸に関する変位を示すことになる）。
【００９５】
また、制御ユニット５０は、この容量差ΔＣに基づいて、所定の駆動電圧を示すデジタル駆動信号Ｅ（＋），Ｅ（−）を出力する制御処理を行う。図示のとおり、デジタル駆動信号Ｅ（＋）は、これをアナログ駆動信号に変換するＤ／Ａ変換回路４３に与えられ、変換後のアナログ駆動信号は、ドライバ回路４４に与えられる。ドライバ回路４４は、このアナログ駆動信号に基づく所定の駆動電圧Ｖ１を固定電極Ｅ１に印加する。同様に、デジタル駆動信号Ｅ（−）は、これをアナログ駆動信号に変換するＤ／Ａ変換回路４７に与えられ、変換後のアナログ駆動信号は、ドライバ回路４８に与えられる。ドライバ回路４８は、このアナログ駆動信号に基づく所定の駆動電圧Ｖ２を固定電極Ｅ２に印加する。
【００９６】
結局、図１１に示す回路において、Ｃ／Ｖ変換回路４１およびＡ／Ｄ変換回路４２は、正側容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１をデジタル検出信号Ｄ（＋）として検出する検出手段として機能し、Ｄ／Ａ変換回路４３およびドライバ回路４４は、正側容量素子Ｃ１を構成する電極間に駆動電圧Ｖ１を印加してクーロン力を作用させる駆動手段として機能する。同様に、Ｃ／Ｖ変換回路４５およびＡ／Ｄ変換回路４６は、負側容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２をデジタル検出信号Ｄ（−）として検出する検出手段として機能し、Ｄ／Ａ変換回路４７およびドライバ回路４８は、負側容量素子Ｃ２を構成する電極間に駆動電圧Ｖ２を印加してクーロン力を作用させる駆動手段として機能する。
【００９７】
ここに示す例の場合、各容量素子Ｃ１，Ｃ２の変位電極（作用体３１０の表面）が共通の接地電位に維持されているため、駆動手段は、個々の固定電極Ｅ１，Ｅ２にそれぞれ駆動電圧Ｖ１，Ｖ２を印加することにより、個々の容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する電極間にクーロン力を作用させるための電圧Ｖ１，Ｖ２を生じさせることができる。もちろん、原理的には、変位電極は必ずしも接地電位に固定する必要はない。各容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する電極間に何らかの電位差を生じさせてクーロン力を作用させることができれば、個々の変位電極や個々の固定電極の電位は任意に設定することができる。ただ、実用上は、図１１に示す例のように、各変位電極を共通の接地電位に固定し、個々の固定電極に、それぞれ必要な電圧を印加するような回路を用いるのが好ましい。
【００９８】
なお、図１１に示す回路において、検出手段４１，４２，４５，４６をカップリング用容量素子Ｃ４１，Ｃ４５を介して容量素子Ｃ１，Ｃ２に接続し、駆動手段４３，４４，４７，４８を抵抗素子Ｒ４４，Ｒ４８を介して容量素子Ｃ１，Ｃ２に接続しているのは、検出手段を構成する回路と駆動手段を構成する回路とを電気的に分離するためである。すなわち、正側容量素子Ｃ１および負側容量素子Ｃ２には、それぞれ検出手段と駆動手段との双方が接続されることになるが、検出手段を、カップリング用容量素子Ｃ４１，Ｃ４５を介して正側容量素子Ｃ１，負側容量素子Ｃ２に接続し、駆動手段を、抵抗素子Ｒ４４，Ｒ４８を介して正側容量素子Ｃ１，負側容量素子Ｃ２に接続することにより、検出手段は、駆動手段が印加した駆動電圧Ｖ１，Ｖ２とは無関係に、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値を測定することができ、また、駆動手段は、検出手段の検出動作とは無関係に、固定電極Ｅ１，Ｅ２に所望の駆動電圧Ｖ１，Ｖ２を印加することができる。
【００９９】
制御ユニット５０は、容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２（具体的には、デジタル検出信号の差Ｄ（＋）−Ｄ（−））に基づいて、ΔＣ＞０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行う。
【０１００】
容量差ΔＣは、「ΔＣ＝Ｃ１（正側容量素子の静電容量値）−Ｃ２（負側容量素子の静電容量値）」として定義される符号をもった量であるから、作用体３１０が検出軸正方向に変位するとΔＣ＞０になり、検出軸負方向に変位するとΔＣ＜０になる。このような点で、容量差ΔＣの符号は検出軸の符号と一致し、ΔＣが正なら検出軸正方向への変位を示し、ΔＣが負なら検出軸負方向への変位を示すことになる。
【０１０１】
一方、印加電圧差ΔＶも、「ΔＶ＝Ｖ２（負側容量素子の電極間に印加する電圧）−Ｖ１（正側容量素子の電極間に印加する電圧）」として定義される符号をもった量であり、作用体３１０に対して加える力の方向を示す量になる。すなわち、印加電圧差ΔＶ＞０の場合には、Ｖ２＞Ｖ１ということになるので、図１１において、下方に向けたクーロン力の方が上方に向けたクーロン力よりも大きくなり、作用体３１０には、下方へ移動させる力が加わることになる。逆に、印加電圧差ΔＶ＜０の場合には、Ｖ１＞Ｖ２ということになるので、図１１において、上方に向けたクーロン力の方が下方に向けたクーロン力よりも大きくなり、作用体３１０には、上方へ移動させる力が加わることになる。このような点で、印加電圧差ΔＶの符号は検出軸の符号と逆になり、ΔＶが正なら検出軸負方向への力が加えられることを示し、ΔＶが負なら検出軸正方向への力が加えられることを示すことになる。
【０１０２】
このように、本願における容量差ΔＣおよび印加電圧差ΔＶは、いずれも正および負の符号をもった量であり、これらの量についての「増加」もしくは「減少」とは、その絶対値の増減を意味するものではなく、符号を考慮した量の増減を意味するものである。たとえば、「＋３から＋８への変化は増加」であるが、「＋３から−８への変化は減少」である。
【０１０３】
制御ユニット５０によるフィードバック制御は、上述したように、ΔＣ＞０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させる制御になる。これは、図１１における作用体３１０が上方に変位していた場合に、下方へ移動させる力を加える制御ということになる。逆に、ΔＣ＜０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させる制御になるが、これは、図１１における作用体３１０が下方に変位していた場合に、上方へ移動させる力を加える制御ということになる。結局、制御ユニット５０によるフィードバック制御は、作用体３１０が外力の作用を受けて基準位置ｄ０から変位しようとしたら、作用体３１０を基準位置ｄ０に維持させるための抗力を加える制御ということになる。
【０１０４】
なお、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させる制御としては、電圧Ｖ２を増加させる制御（制御ユニット５０の動作としては、デジタル駆動信号Ｅ（−）を増加させる制御）を行ってもよいし、逆に、電圧Ｖ１を減少させる制御（制御ユニット５０の動作としては、デジタル駆動信号Ｅ（＋）を減少させる制御）を行ってもよい。同様に、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させる制御としては、電圧Ｖ２を減少させる制御（制御ユニット５０の動作としては、デジタル駆動信号Ｅ（−）を減少させる制御）を行ってもよいし、逆に、電圧Ｖ１を増加させる制御（制御ユニット５０の動作としては、デジタル駆動信号Ｅ（＋）を増加させる制御）を行ってもよい。
【０１０５】
このように、図１１に示す駆動手段４３，４４は、正側容量素子Ｃ１を構成する固定電極Ｅ１に駆動電圧Ｖ１（Ｖ１≧０）を印加して、作用体３１０に対して図の上方へのクーロン引力を作用させる機能を有し、駆動手段４７，４８は、負側容量素子Ｃ２を構成する固定電極Ｅ２に駆動電圧Ｖ２（Ｖ２≧０）を印加して、作用体３１０に対して図の下方へのクーロン引力を作用させる機能を有している。そして、上述したように、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２を同時に作用させることも可能である。この場合、作用体３１０は、図の上下両方向に作用するクーロン力によって綱引きされることになり、その差し引きの結果として、より大きな駆動電圧が供給された固定電極に向かう方向の力が加わることになる。
【０１０６】
このように、上下両方向にクーロン力を作用させて綱引きさせると、エネルギー効率は低下するが、より安定した制御系を実現できる。制御ユニット５０は、ΔＣ＞０の場合には、駆動電圧Ｖ１を減少させて（但し、下限は０）、駆動電圧Ｖ２を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、駆動電圧Ｖ２を減少させて（但し、下限は０）、駆動電圧Ｖ１を増加させる制御を行うようにすればよい。
【０１０７】
制御ユニット５０が行う上述の制御は、作用体３１０に作用している外力に等しい抗力を逆向きに加え、変位（容量差ΔＣ）が常に０になるようにする制御ということになる。したがって、このような制御が正確に行われれば、印加電圧差ΔＶの大きさ（加えた抗力の大きさ）は、作用した外力の大きさを示すことになり、印加電圧差ΔＶの符号は、作用した外力の向きを示すことになる。そこで、制御ユニット５０は、この印加電圧差ΔＶを、作用した外力（この例の場合、検出軸方向の加速度α）のデジタル検出値Ｄ（α）として出力することができる。以上が、この図１１に示す閉ループ式検出回路における制御ユニット５０の基本的な動作である（実際には、§７，§８で述べるように、本発明では、若干異なる動作が行われる）。
【０１０８】
続いて、この図１１に示す一次元の力検出装置用の検出回路を、三次元の力検出装置に適用した例を図１２に示す。図１２は、図１に示す主要構造部に適用可能な閉ループ式検出回路の一例を示す回路図であり、基本的には、図９に示す開ループ式検出回路に、駆動手段を付加した形態をとる。そこで、以下、図９に示す回路との相違点のみを述べることにする。
【０１０９】
まず、Ｘ軸を検出軸とする正側容量素子Ｃ１１，Ｃ２２の固定電極Ｅ１１，Ｅ２２に、デジタル駆動信号Ｅ（Ｘ＋）に基づく所定の駆動電圧を印加する駆動手段として、Ｄ／Ａ変換回路４３１およびドライバ回路４４１が付加され、負側容量素子Ｃ１２，Ｃ２１の固定電極Ｅ１２，Ｅ２１に、デジタル駆動信号Ｅ（Ｘ−）に基づく所定の駆動電圧を印加する駆動手段として、Ｄ／Ａ変換回路４３２およびドライバ回路４４２が付加されている。
【０１１０】
ここで、検出手段と駆動手段とを回路上で分離するために、固定電極Ｅ１１，Ｅ２２は、カップリング用容量素子Ｃ４１１を介してＣ／Ｖ変換回路４１１に接続され、また、抵抗素子Ｒ４４１を介してドライバ回路４４１に接続されている。同様に、固定電極Ｅ１２，Ｅ２１は、カップリング用容量素子Ｃ４１２を介してＣ／Ｖ変換回路４１２に接続され、また、抵抗素子Ｒ４４２を介してドライバ回路４４２に接続されている。
【０１１１】
一方、Ｙ軸を検出軸とする正側容量素子Ｃ１３，Ｃ２４の固定電極Ｅ１３，Ｅ２４に、デジタル駆動信号Ｅ（Ｙ＋）に基づく所定の駆動電圧を印加する駆動手段として、Ｄ／Ａ変換回路４３３およびドライバ回路４４３が付加され、負側容量素子Ｃ１４，Ｃ２３の固定電極Ｅ１４，Ｅ２３に、デジタル駆動信号Ｅ（Ｙ−）に基づく所定の駆動電圧を印加する駆動手段として、Ｄ／Ａ変換回路４３４およびドライバ回路４４４が付加されている。
【０１１２】
ここで、検出手段と駆動手段とを回路上で分離するために、固定電極Ｅ１３，Ｅ２４は、カップリング用容量素子Ｃ４１３を介してＣ／Ｖ変換回路４１３に接続され、また、抵抗素子Ｒ４４３を介してドライバ回路４４３に接続されている。同様に、固定電極Ｅ１４，Ｅ２３は、カップリング用容量素子Ｃ４１４を介してＣ／Ｖ変換回路４１４に接続され、また、抵抗素子Ｒ４４４を介してドライバ回路４４４に接続されている。
【０１１３】
更に、Ｚ軸を検出軸とする正側容量素子Ｃ１５の固定電極Ｅ１５に、デジタル駆動信号Ｅ（Ｚ＋）に基づく所定の駆動電圧を印加する駆動手段として、Ｄ／Ａ変換回路４３５およびドライバ回路４４５が付加され、負側容量素子Ｃ２５の固定電極Ｅ２５に、デジタル駆動信号Ｅ（Ｚ−）に基づく所定の駆動電圧を印加する駆動手段として、Ｄ／Ａ変換回路４３６およびドライバ回路４４６が付加されている。
【０１１４】
ここで、検出手段と駆動手段とを回路上で分離するために、固定電極Ｅ１５は、カップリング用容量素子Ｃ４１５を介してＣ／Ｖ変換回路４１５に接続され、また、抵抗素子Ｒ４４５を介してドライバ回路４４５に接続されている。同様に、固定電極Ｅ２５は、カップリング用容量素子Ｃ４１６を介してＣ／Ｖ変換回路４１６に接続され、また、抵抗素子Ｒ４４６を介してドライバ回路４４６に接続されている。
【０１１５】
なお、この実施形態の場合、制御ユニット５００は、プロセッサと、このプロセッサに実行させるべきプログラムが格納されたメモリと、を有するマイクロコンピュータによって構成されており、当該プログラムに基づいて、所定の制御処理を実行する。
【０１１６】
図１２に示す制御ユニット５００が行う基本的な処理は、図１１に示す制御ユニット５０が行う基本的な処理と同じである。すなわち、Ｘ軸を検出軸とする検出処理として、Ｘ軸に関する容量差ΔＣを、デジタル検出信号Ｄ（Ｘ＋），Ｄ（Ｘ−）を用いて、「ΔＣ＝Ｄ（Ｘ＋）−Ｄ（Ｘ−）」なる演算によって求め、ΔＣ＞０の場合には、Ｘ軸に関する印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、Ｘ軸に関する印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行う。
【０１１７】
ここで、Ｘ軸に関する印加電圧差ΔＶは、デジタル駆動信号Ｅ（Ｘ＋），Ｅ（Ｘ−）を用いて、「ΔＶ＝Ｅ（Ｘ−）−Ｅ（Ｘ＋）」なる演算で定まる量になるので、前述したとおり、Ｅ（Ｘ＋），Ｅ（Ｘ−）を増減することにより任意に設定できる。そして、このＸ軸に関する印加電圧差ΔＶを、作用したＸ軸方向の外力（この例の場合、Ｘ軸方向の加速度αｘ）のデジタル検出値Ｄ（αｘ）として出力できる（実際には、§７，§８で述べるように、本発明における検出値は若干異なる方法で決定される）。
【０１１８】
同様に、Ｙ軸を検出軸とする検出処理として、Ｙ軸に関する容量差ΔＣを、デジタル検出信号Ｄ（Ｙ＋），Ｄ（Ｙ−）を用いて、「ΔＣ＝Ｄ（Ｙ＋）−Ｄ（Ｙ−）」なる演算によって求め、ΔＣ＞０の場合には、Ｙ軸に関する印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、Ｙ軸に関する印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行う。
【０１１９】
ここで、Ｙ軸に関する印加電圧差ΔＶは、デジタル駆動信号Ｅ（Ｙ＋），Ｅ（Ｙ−）を用いて、「ΔＶ＝Ｅ（Ｙ−）−Ｅ（Ｙ＋）」なる演算で定まる量になるので、前述したとおり、Ｅ（Ｙ＋），Ｅ（Ｙ−）を増減することにより任意に設定できる。そして、このＹ軸に関する印加電圧差ΔＶを、作用したＹ軸方向の外力（この例の場合、Ｙ方向の加速度αｙ）のデジタル検出値Ｄ（αｙ）として出力できる（実際には、§７，§８で述べるように、本発明における検出値は若干異なる方法で決定される）。
【０１２０】
更に、Ｚ軸を検出軸とする検出処理として、Ｚ軸に関する容量差ΔＣを、デジタル検出信号Ｄ（Ｚ＋），Ｄ（Ｚ−）を用いて、「ΔＣ＝Ｄ（Ｚ＋）−Ｄ（Ｚ−）」なる演算によって求め、ΔＣ＞０の場合には、Ｚ軸に関する印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、Ｚ軸に関する印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行う。
【０１２１】
ここで、Ｚ軸に関する印加電圧差ΔＶは、デジタル駆動信号Ｅ（Ｚ＋），Ｅ（Ｚ−）を用いて、「ΔＶ＝Ｅ（Ｚ−）−Ｅ（Ｚ＋）」なる演算で定まる量になるので、前述したとおり、Ｅ（Ｚ＋），Ｅ（Ｚ−）を増減することにより任意に設定できる。そして、このＺ軸に関する印加電圧差ΔＶを、作用したＺ軸方向の外力（この例の場合、Ｚ方向の加速度αｚ）のデジタル検出値Ｄ（αｚ）として出力できる（実際には、§７，§８で述べるように、本発明における検出値は若干異なる方法で決定される）。
【０１２２】
＜＜＜ §６． 従来の閉ループ式検出方法 ＞＞＞
上述した§５では、図１１に示す制御ユニット５０による検出軸方向に作用した力の検出処理および図１２に示す制御ユニット５００によるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のそれぞれの方向に作用した力の検出処理について説明した。この§５で説明した検出方法は、従来から知られている一般的な閉ループ式検出方法に基づくものであり、作用した外力の大小にかかわらず、常に変位０の状態で測定を行うことを前提としている。そのため、§２で述べた開ループ式検出方法において問題となった非線形性に起因する検出誤差は解消することになる。
【０１２３】
しかしながら、正確な検出値を得るためには、作用体を常に基準位置に正確に維持する正確な制御が必要になり、検出精度は、フィードバック制御の精度に依存したものになる。ここでは、まず、この点を具体的なグラフを用いて説明しよう。
【０１２４】
図１３は、従来の一般的な閉ループ式検出方法によるフィードバック制御動作を示す第１のグラフである。ここでは、説明の便宜上、図１１に示す制御ユニット５０による検出軸方向に作用した力の検出処理を例にとって説明を行う。この図１３に示すグラフの縦軸は容量差ΔＣ（単位ｆＦ）、横軸は印加電圧差ΔＶ（単位Volt）を示している。
【０１２５】
容量差ΔＣは、既に述べたとおり、正側容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１と、負側容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２との差「ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２」で定義される符号をもった量であり、作用体の基準位置からの変位を示している。このグラフにおいて、ΔＣ＝０の位置は、作用体が基準位置ｄ０にある状態を示し、ΔＣ＞０の領域は作用体が基準位置ｄ０より上方に変位している状態を示し、ΔＣ＜０の領域は作用体が基準位置ｄ０より下方に変位している状態を示す。
【０１２６】
一方、印加電圧差ΔＶは、既に述べたとおり、正側容量素子Ｃ１を構成する電極間に印加する電圧Ｖ１と負側容量素子Ｃ２を構成する電極間に印加する電圧Ｖ２とについて、「ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１」なる式で定義される差であり、やはり符号をもった量になる。この印加電圧差ΔＶは、作用体に加えている抗力（クーロン力）の向きと大きさとを示す。このグラフにおいて、ΔＶ＝０の位置は、作用体に何ら抗力を加えていない状態を示し、ΔＶ＞０の領域は作用体に負側容量素子の電極間隔を狭くさせる抗力が作用している状態を示し、ΔＶ＜０の領域（図１３には示されていない）は作用体に正側容量素子の電極間隔を狭くさせる抗力が作用している状態を示す。
【０１２７】
いま、作用体に何ら抗力を加えない場合に、容量差ΔＣ＝４ｆＦが検出される場合を考えてみよう。これは、図１１に示す例において、作用体３１０に対して、上方向に所定の加速度α１が作用した結果、作用体３１０が上方向に変位した場合に対応する。§２で述べた開ループ式検出を行うのであれば、容量差ΔＣを検出し、これを作用した加速度α１を示す検出値として出力することになる。この場合、４ｆＦに対応する値が加速度α１を示す検出値として出力される。しかしながら、この開ループ式検出では、加速度α１の絶対値が大きくなればなるほど、非線形性に基づく誤差が大きくなることは、既に述べたとおりである。
【０１２８】
そこで、閉ループ式検出では、容量差ΔＣを０に維持するフィードバック制御が行われる。図示の例の場合、ΔＣ＞０であるから、ΔＶを増加させる制御（Ｖ２を増加させるか、Ｖ１を減少させる制御）が行われることになる。たとえば、加速度α１が作用している環境において、印加電圧を、初期状態「Ｖ１＝０，Ｖ２＝０」から、Ｖ１＝０を維持しつつ、Ｖ２を徐々に増加させてゆくと、ΔＶは０から徐々に増加してゆくことになる。その結果、図１１に示す例において、作用体３１０に対する下方向への抗力が増加してゆき、作用体３１０の位置は下方向へ修正されることになる。これにより、容量差ΔＣは減少してゆく。
【０１２９】
このように、ΔＶを０から徐々に増加させてゆくと、図１３のグラフＧ１に示すように、容量差ΔＣは４ｆＦから徐々に減少してゆき、やがて点Ｐ１に到達し、ΔＣ＝０になる。ここで、もし、ΔＶを更に増加させてゆくと、容量差ΔＣはグラフＧ１に示すとおり負の値をとることになる。もちろん、容量差ΔＣが負の値になった場合には、今度はΔＶを減少させる制御が行われることになるので、容量差ΔＣは徐々に増加してゆき、結局、点Ｐ１に到達することになる。
【０１３０】
ここで、点Ｐ１に到達した時点、すなわち、ΔＣ＝０になった時点における印加電圧差ΔＶを、図示のとおりＶα１とすれば、このＶα１は加速度α１に起因して生じた力を示す検出値になる。なぜなら、ΔＣ＝０になった時点で、作用体３１０は基準位置ｄ０に位置することになるので、この状態において、加速度α１に起因して生じた力と、印加電圧差Ｖα１に起因して生じた抗力とが拮抗しているからである。
【０１３１】
結局、制御ユニット５０が行うフィードバック制御は、図１３のグラフＧ１に沿って、制御系を点Ｐ１の状態へもってゆく処理ということになり、制御系が点Ｐ１の状態となったときの印加電圧差ΔＶ（＝Ｖα１）が、作用した加速度α１の検出値として出力されることになる。そこで、以下、点Ｐ１を検出点と呼ぶことにする。
【０１３２】
なお、ここでは説明の便宜上、グラフＧ１を直線で示しているが、クーロン力は印加電圧の２乗に比例する量であり、また、加えたクーロン力と変位との間にも必ずしも線形関係は維持されず、更に変位と静電容量値との間にも線形関係は成り立たないので、実際には、グラフＧ１は直線にはならない（後述するグラフＧ２〜Ｇ４についても同様）。
【０１３３】
図１４は、図１１に示す例において、作用体３１０に対して、上方向に所定の加速度α２（α１よりも絶対値が大きい加速度）が作用しているときに、制御ユニット５０によって行われるフィードバック制御動作を示すグラフである。図示のとおり、ΔＶ＝０におけるグラフＧ２の容量差はΔＣ＝５ｆＦになっているが、これは作用した加速度α２の絶対値が、図１３に示す場合の加速度α１の絶対値よりも大きいことを示している。
【０１３４】
この場合も、制御ユニット５０によって、容量差ΔＣを０に維持するフィードバック制御が行われ、制御系を検出点Ｐ２の状態へもってゆく処理がなされる。そして、制御系が検出点Ｐ２の状態となったときの印加電圧差ΔＶ（＝Ｖα２）が、作用した加速度α２の検出値として出力される。この例では、α２＞α１であるので、Ｖα２＞Ｖα１となり、図１３に示す検出点Ｐ１に比べて、図１４に示す検出点Ｐ２は、横軸上でより右側に位置する点になっている。
【０１３５】
一方、図１５は、図１１に示す例において、作用体３１０に対して、下方向に所定の加速度α３（α１と絶対値が等しく向きが逆の加速度）が作用しているときに、制御ユニット５０によって行われるフィードバック制御動作を示すグラフである。下方向の加速度α３は、検出軸負方向を向いた加速度であるので、α３は負の値をとり、ΔＶ＝０におけるグラフＧ３の容量差はΔＣ＝−４ｆＦになる。
【０１３６】
この場合も、制御ユニット５０によって、容量差ΔＣを０に維持するフィードバック制御が行われ、制御系を検出点Ｐ３の状態へもってゆく処理がなされる。ただ、ΔＶ＝０における容量差ΔＣが負の値をとっているので、制御系を検出点Ｐ３の状態へもってゆくためには、印加電圧差ΔＶも負にする必要がある（すなわち、Ｖ１＞Ｖ２にする必要がある）。そして、制御系が検出点Ｐ３の状態となったときの印加電圧差ΔＶ（＝Ｖα３）が、作用した加速度α３の検出値として出力される。ここで、Ｖα３は負の値をとる。
【０１３７】
更に、図１６は、図１１に示す例において、作用体３１０に対して、下方向に所定の加速度α４（α２と絶対値が等しく向きが逆の加速度）が作用しているときに、制御ユニット５０によって行われるフィードバック制御動作を示すグラフである。下方向の加速度α４は、検出軸負方向を向いた加速度であるので、α４は負の値をとり、ΔＶ＝０におけるグラフＧ３の容量差はΔＣ＝−５ｆＦになる。
【０１３８】
この場合も、制御ユニット５０によって、容量差ΔＣを０に維持するフィードバック制御が行われ、制御系を検出点Ｐ４の状態へもってゆく処理がなされる。やはり、ΔＶ＝０における容量差ΔＣが負の値をとっているので、制御系を検出点Ｐ４の状態へもってゆくためには、印加電圧差ΔＶも負にする必要がある。そして、制御系が検出点Ｐ４の状態となったときの印加電圧差ΔＶ（＝Ｖα４）が、作用した加速度α４の検出値として出力される。ここで、Ｖα４は負の値をとる。
【０１３９】
このように、従来の閉ループ式検出方法は、フィードバック制御により、常に作用体の変位が０の状態で測定を行うことが前提となっている。たとえば、図１３〜図１６のグラフＧ１〜Ｇ４に示す具体的な事例の場合、常に、制御系を検出点Ｐ１〜Ｐ４の状態にもってゆき、この状態での印加電圧差Ｖα１〜Ｖα４を検出値として出力することが前提となっている。別言すれば、理想的なフィードバック制御が行われなかったために、制御系を検出点Ｐ１〜Ｐ４の位置に正確にもってゆくことができなかった場合（ΔＣが正確に０にはならなかった場合）、検出値として出力された印加電圧差ΔＶは誤差を含んだものになる。このように、検出精度は、フィードバック制御の精度に依存したものになってしまう。
【０１４０】
もちろん、図１１に示す制御ユニット５０や、図１２に示す制御ユニット５００に、より高精度のフィードバック制御機能をもたせておけば、より高精度の検出値を得ることは可能である。しかしながら、高精度のフィードバック制御機能を実現するためには、より高度で複雑な制御系が必要になり、それだけ製造コストも高騰せざるを得ない。一般に、フィードバック制御系において、性能を高めるために制御ゲインを上げると、制御系が発振する弊害が知られている。このため、安定した制御系を設計するためには、高度の技術が必要とされ、また、複雑なハードウエアが要求される。
【０１４１】
本発明は、上述したような容量素子を用いた閉ループ式の力検出装置において、比較的単純な制御系を用いながら、高精度な検出結果を得ることができる技術を提供することを目的とするものである。続いて、本発明の基本概念を、§７および§８で説明する。
【０１４２】
＜＜＜ §７． 本発明の閉ループ式検出方法（その１） ＞＞＞
上述したとおり、従来の閉ループ式検出方法は、「作用体の変位が０の状態で測定を行う」ことが前提となっているため、検出精度を高めるためには、制御精度も高める必要が生じる。これに対して、本発明の基本概念は、「作用体の変位が０の状態で測定を行う」という前提には捕われない検出を行う点にある。この§７で述べる第１の方法では、「作用体の変位が、必要とされる検出精度に応じた所定の線形領域内であれば測定を行う」という方針をとる。したがって、従来の閉ループ式検出方法のように、作用体の位置を正確に基準位置に維持させるような高精度な制御を行う必要がなくなり、比較的単純な制御系を用いた装置を実現できる。
【０１４３】
もちろん、作用体の位置が基準位置からずれている状態では、印加電圧差ΔＶは正確な検出値にはならないので、このときの印加電圧差ΔＶをそのまま検出値として出力するのは不適切である。そこで、本発明では、このときの印加電圧差ΔＶと容量値ΔＣとを用いて、Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは比例係数）なる演算を行い、得られた値Ｖαを作用体に作用した力を示す検出値として出力するのである。ここで、ΔＶは、検出値の粗い成分に相当し、ｋ・ΔＣは、検出値の密な成分に相当する。ｋは、印加電圧のスケールと容量値のスケールとを調整する比例係数である。
【０１４４】
続いて、図１７〜図２０のグラフを参照しながら、本発明の基本原理を、具体例に即して説明する。図１７〜図２０に示すグラフＧ１〜Ｇ４は、図１３〜図１６に示すグラフＧ１〜Ｇ４に対応するものであり、図１１に示す例において、作用体３１０に加速度α１，α２，α３，α４が作用しているときの本発明に係る検出原理を示している。
【０１４５】
まず、図１７を参照しながら、加速度α１が作用しているときの検出原理を説明する。加速度α１は正の加速度であり、この加速度α１の作用を受け、作用体３１０は図１１の上方に変位することになる。そこで、この変位を０にするようなフィードバック制御を行えば、制御系の状態が、グラフＧ１に沿って遷移することは、既に述べたとおりである。このとき、従来の閉ループ式検出方法では、制御系の状態を正確に検出点Ｐ１へもってゆく制御を行うことになるが、ここで述べる本発明に係る方法では、図に一点鎖線で示す正の基準レベルＬ１と負の基準レベルＬ２との間（以下、検出可能帯と呼ぶ）へもってゆく制御が行われれば十分である。
【０１４６】
たとえば、図１７において、グラフＧ１上のサンプル点Ｑ１は、検出可能帯に位置する点であるので、制御系の状態が、当該サンプル点Ｑ１にある場合、その時点で測定を行うことができる。制御系の状態が検出可能帯にあるか否かは、その時点で検出手段によって検出された容量差ΔＣが、Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１の範囲内にあるか否かによって判定することができる。
【０１４７】
制御系の状態が、サンプル点Ｑ１にある場合の検出処理は、次のようにして行われる。まず、この時点における容量差ΔＣ（Ｑ１）と印加電圧差ΔＶ（Ｑ１）を求める。ここで、容量差ΔＣ（Ｑ１）は、図１１に示す制御ユニット５０に、この時点で入力されているデジタル検出信号Ｄ（＋）とＤ（−）との差「Ｄ（＋）−Ｄ（−）」として求めることができ、印加電圧差ΔＶ（Ｑ１）は、図１１に示す制御ユニット５０が、この時点で出力しているデジタル駆動信号Ｅ（＋）とＥ（−）との差「Ｅ（−）−Ｅ（＋）」として求めることができる。
【０１４８】
こうして求められた印加電圧差ΔＶ（Ｑ１）は、図１７に示すように、サンプル点Ｑ１の横座標値であるから、作用している角速度α１の正確な検出値にはならない（正確な検出値は、検出点Ｐ１の横座標値Ｖα１である）。ただ、検出可能帯内のグラフＧ１が直線であると仮定すると、その誤差（Ｖα１−ΔＶ（Ｑ１））は、ΔＣ（Ｑ１）に比例した値になる。この比例係数をｋとすれば、正確な検出値Ｖα１は、図１７の右下に示すとおり、Ｖα１＝ΔＶ（Ｑ１）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ１）なる演算によって求まる。ここで、比例係数ｋは、グラフＧ１の傾きに応じて定まる値である。
【０１４９】
同様に、正の加速度α２が作用している場合、図１８において、グラフＧ２上のサンプル点Ｑ２は、検出可能帯に位置する点であるので、制御系の状態が、当該サンプル点Ｑ２にある場合、その時点で測定を行うことができる。具体的には、この時点における容量差ΔＣ（Ｑ２）と印加電圧差ΔＶ（Ｑ２）を求めれば、正確な検出値Ｖα２は、検出可能帯内のグラフＧ２が直線であるとの仮定の下で、図１８の右下に示すとおり、Ｖα２＝ΔＶ（Ｑ２）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ２）なる演算によって求まる。ここで、比例係数ｋは、グラフＧ２の傾きに応じて定まる値である。
【０１５０】
続いて、負の加速度α３が作用している場合を考えよう。この場合、図１９において、グラフＧ３上のサンプル点Ｒ３は、検出可能帯に位置する点である（ここでは説明の便宜上、ΔＣ＞０なる縦座標値をもったサンプル点をＱを冠した符号で示し、ΔＣ＜０なる縦座標値をもったサンプル点をＲを冠した符号で示すことにする）。したがって、制御系の状態が、当該サンプル点Ｒ３にある場合、その時点で測定を行うことができる。具体的には、まず、この時点における容量差ΔＣ（Ｒ３）と印加電圧差ΔＶ（Ｒ３）を求める。図示の例の場合、容量差ΔＣ（Ｒ３）および印加電圧差ΔＶ（Ｒ３）は、いずれも負の値になる。次に、正確な検出値Ｖα３（負の値をとる）を、検出可能帯内のグラフＧ３が直線であるとの仮定の下で、図１９の左上に示すとおり、Ｖα３＝ΔＶ（Ｒ３）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ３）なる演算によって求めればよい。ここで、比例係数ｋは、グラフＧ３の傾きに応じて定まる値である。
【０１５１】
負の加速度α４が作用している場合は、図２０のようになる。図２０に示されているグラフＧ４上のサンプル点Ｒ４は、検出可能帯に位置する点であるので、制御系の状態が、当該サンプル点Ｒ４にある場合、その時点で測定を行うことができる。具体的には、まず、この時点における容量差ΔＣ（Ｒ４）と印加電圧差ΔＶ（Ｒ４）を求める。図示の例の場合、容量差ΔＣ（Ｒ４）および印加電圧差ΔＶ（Ｒ４）は、いずれも負の値になる。次に、正確な検出値Ｖα４（負の値をとる）を、検出可能帯内のグラフＧ４が直線であるとの仮定の下で、図２０の左上に示すとおり、Ｖα４＝ΔＶ（Ｒ４）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ４）なる演算によって求めればよい。ここで、比例係数ｋは、グラフＧ４の傾きに応じて定まる値である。
【０１５２】
以上、図１７，図１８に示す例では、ΔＣ＞０なる縦座標値をもったサンプル点Ｑ１，Ｑ２を用いた検出動作を説明し、図１９，図２０に示す例では、ΔＣ＜０なる縦座標値をもったサンプル点Ｒ３，Ｒ４を用いた検出動作を説明したが、いずれの場合も、検出動作に利用するサンプル点は、検出可能帯内の点であれば、その縦座標値の符号は不問である。
【０１５３】
たとえば、図１７に示す例において、ΔＣ＞０なる縦座標値をもったサンプル点Ｑ１の代わりに、ΔＣ＜０なる縦座標値をもったサンプル点Ｒ１を用いた場合でも、サンプル点Ｒ１が検出可能帯内の点であれば、Ｖα１＝ΔＶ（Ｒ１）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ１）なる演算によって正確な検出値Ｖα１を得ることができる。この場合、ΔＶ（Ｒ１）＞Ｖα１になるが、ΔＣ（Ｒ１）が負の値をとるので、正しい検出値Ｖα１が得られる。同様に、図１９に示す例において、ΔＣ＜０なる縦座標値をもったサンプル点Ｒ３の代わりに、ΔＣ＞０なる縦座標値をもったサンプル点Ｑ３を用いた場合でも、サンプル点Ｑ３が検出可能帯内の点であれば、Ｖα３＝ΔＶ（Ｑ３）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ３）なる演算によって正確な検出値Ｖα３を得ることができる。この場合、ΔＶ（Ｒ３）＜Ｖα３になるが（いずれも負の値をとる）、ΔＣ（Ｑ３）が正の値をとるので、正しい検出値Ｖα３が得られる。
【０１５４】
結局、図１７〜図２０のいずれの場合も、制御ユニット５０は、サンプル点が検出可能帯内にある所定時点において（別言すれば、容量差ΔＣが、Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１の範囲内にある所定時点において）、容量差ΔＣと印加電圧差ΔＶを用いて、Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは比例係数）なる演算を行い、得られた値Ｖαを作用体に作用した力を示す検出値として出力する処理を行えばよい。
【０１５５】
ここで、容量差ΔＣに関する正の基準レベルＬ１と負の基準レベルＬ２は、検出可能帯を定める役割を果たすので、用途が異なる個々の力検出装置ごとに、それぞれ適当なレベルを予め定めておくようにする。上述の検出原理では、検出可能帯内のグラフＧ１〜Ｇ４が直線であるとの仮定が必要である。そこで、印加電圧差ΔＶと容量差ΔＣとの関係が、検出に必要な精度の範囲内で線形性を維持するとみなせる領域を線形領域と定め、基準レベルＬ１〜Ｌ２の範囲が当該線形領域内に収まるように、基準レベルＬ１，Ｌ２を設定すればよい。
【０１５６】
前述したとおり、図１３〜図２０では、グラフＧ１〜Ｇ４は、便宜上、直線のグラフとして描かれているが、クーロン力は印加電圧の２乗に比例する量であり、また、加えたクーロン力と変位との間にも必ずしも線形関係は維持されず、しかも変位（電極間隔）と静電容量値との間にも線形関係は成り立たないので、実際には、各グラフＧ１〜Ｇ４は直線にはならない。しかしながら、作用体の位置が基準位置ｄ０に近くなればなるほど（すなわち、変位が０に近くなればなるほど）、印加電圧差ΔＶと容量差ΔＣとの関係は線形関係に近似してくる。すなわち、図１３〜図２０に示すグラフＧ１〜Ｇ４の場合、検出点Ｐ１〜Ｐ４に近い部分ほど、直線に近いグラフが得られることになる。そこで、検出に必要な精度の範囲内で線形性を維持するとみなせる領域内に検出可能帯が定義されるように、基準レベルＬ１，Ｌ２を設定すればよい。
【０１５７】
具体的には、より高い精度が要求される力検出装置の場合は、正の基準レベルＬ１をなるべく低く、負の基準レベルＬ２をなるべく高く設定し、検出可能帯を狭くすればよい。そうすれば、検出可能帯内のグラフＧ１〜Ｇ４の線形性はより高まり、より正確な検出値を得ることができる。但し、検出を行うためには、容量差ΔＣが検出可能帯に入るようなフィードバック制御を行う必要があるので、検出可能帯を狭く設定すればするほど、より高精度の制御を行う必要が生じる。それでも、容量差ΔＣ＝０を目標とする従来の閉ループ式制御に比べれば、制御系の負担は大幅に軽減される。
【０１５８】
逆に、それほど高い精度が要求されない力検出装置の場合は、正の基準レベルＬ１をなるべく高く、負の基準レベルＬ２をなるべく低く設定し、検出可能帯を広くすればよい。そうすれば、容量差ΔＣが検出可能帯に入るようなフィードバック制御の負担は軽減され、比較的単純な制御系で対応できる。もっとも、検出可能帯を広くすると、検出可能帯内のグラフＧ１〜Ｇ４の線形性は低下し、得られる検出値の精度は落ちることになる。それでも、§２で述べた従来の開ループ式制御に比べれば、より精度の高い検出値を得ることができる。
【０１５９】
なお、サンプル点が検出可能帯内に入っていない場合には（すなわち、Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１を満足する容量差ΔＣが得られていない場合には）、検出可能帯内のサンプル点が得られるようなフィードバック制御が行われる。このようなフィードバック制御は、既に、§５，§６で述べたとおりである。要するに、容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２に基づいて、ΔＣ＞０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させる制御を行えばよい。
【０１６０】
ところで、図１１に示す例の場合、制御ユニット５０は、容量差ΔＣを求めるための値Ｄ（＋），Ｄ（−）をデジタルデータとして入力し、印加電圧差ΔＶを定める値Ｅ（＋），Ｅ（−）をデジタルデータとして出力する機能を有しており、上述したフィードバック制御や検出処理は、クロック信号に同期したデジタル処理として実行されることになる。このようなデジタル処理を行うためには、具体的には、所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣを繰り返し求め、各サンプリング時に、予め設定された正の基準レベルＬ１と負の基準レベルＬ２とを参照して、
（処理Ａ）ΔＣ＞Ｌ１の場合には、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを増加させる制御を行う、
（処理Ｂ）ΔＣ＜Ｌ２の場合には、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを減少させる制御を行う、
（処理Ｃ）Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１の場合には、印加電圧差ΔＶを増減させる制御を行わずに前サンプリング時におけるΔＶをそのまま維持させ、現サンプリング時におけるΔＶとΔＣとを用いて、「Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは予め定められた定数）」なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力する、
のいずれかの処理を実行すればよい。
【０１６１】
図２１は、上記デジタル処理の手順を示す流れ図である。まず、ステップＳ１１において、容量差ΔＣ（ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２）が正の基準レベルＬ１と比較される。ここで、ΔＣ＞Ｌ１であった場合は、ステップＳ１２へと進み、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを増加させる制御が行われる（上記処理Ａ）。ここで、ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１であるから、ΔＶを増加させる制御は、Ｖ２を増加させてもよいし、Ｖ１を減少させてもよい。
【０１６２】
一方、ステップＳ１１において、ΔＣ≦Ｌ１であった場合は、ステップＳ１３へと進み、容量差ΔＣが負の基準レベルＬ２と比較される。ここで、ΔＣ＜Ｌ２であった場合は、ステップＳ１４へと進み、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを減少させる制御が行われる（上記処理Ｂ）。ここで、ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１であるから、ΔＶを減少させる制御は、Ｖ２を減少させてもよいし、Ｖ１を増加させてもよい。
【０１６３】
ステップＳ１３において、ΔＣ≧Ｌ２であった場合は、Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１なる条件を満足し、検出可能帯内に入っていることになるので、ステップＳ１５へと進み、印加電圧差ΔＶを増減させる制御を行わずに前サンプリング時におけるΔＶをそのまま維持させ、現サンプリング時におけるΔＶとΔＣとを用いて、「Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ」なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力する（上記処理Ｃ）。
【０１６４】
なお、上記「Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ」なる演算で用いる比例定数ｋは、前述したとおり、グラフＧ１〜Ｇ４の傾きに基づいて決定される定数であり、予め所定の定数として設定しておくことができる。
【０１６５】
図１３〜図２０に示されているグラフＧ１〜Ｇ４は、いずれも同じ傾きをもった直線として描かれているが、前述したとおり、厳密に言えば、これらのグラフは直線にはならない。ただ、検出可能帯内では、ほぼ直線とみなすことができるので、定数ｋは、この近似的な直線の傾きに基づいて決定すればよい。もちろん、厳密には、この近似直線の傾きも、グラフＧ１〜Ｇ４について同一にはならないが、試作品の装置を利用して予め平均的な傾きを求め、この平均的な傾きに基づいて、所定の定数ｋを設定すればよい。
【０１６６】
このように、Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１なる条件を満足し、検出可能帯内に入っている場合は、印加電圧差ΔＶを増減させる制御を行う必要はないので、制御系の負担は大幅に軽減される。別言すれば、検出可能帯に入るまでは、上記処理Ａまたは処理Ｂによって、検出可能帯に入る方向へのフィードバック制御が行われるが、一旦、検出可能帯に入ってしまえば、検出可能帯から出るまでは、印加電圧差ΔＶの増減は行われないことになる。このような制御は、常にΔＣ＝０とするためのフィードバック制御（従来の閉ループ式検出の制御）に比べると、極めて負担の軽い制御であり、比較的単純な制御系を用いても、安定した制御動作が実現できる。
【０１６７】
制御ユニット５０を、プロセッサと、このプロセッサに実行させるべきプログラムが格納されたメモリと、を有するマイクロコンピュータによって構成した場合、図２１の流れ図に示す手順は、プログラムとして記述される。プロセッサは、このプログラムに基づいて、必要な演算および制御を実行する。
【０１６８】
以上、図１１に示す一次元の力検出装置用の制御ユニット５０の動作を説明したが、図１２に示す三次元の力検出装置用の制御ユニット５００の動作も全く同様である。すなわち、制御ユニット５００は、Ｘ軸に関する検出動作、Ｙ軸に関する検出動作、Ｚ軸に関する検出動作を別個独立して実行する機能を有し、個々の軸に関する検出動作は、制御ユニット５０の検出動作と全く同様である。
【０１６９】
＜＜＜ §８． 本発明の閉ループ式検出方法（その２） ＞＞＞
続いて、本発明に係る閉ループ式検出の第２の方法を説明する。この第２の方法も、§７で述べた第１の方法と同様に、「作用体の変位が０の状態で測定を行う」という前提には捕われない検出方法を採る。したがって、従来の閉ループ式検出方法のように、作用体の位置を正確に基準位置に維持させるような高精度な制御を行う必要がなくなり、比較的単純な制御系を用いた装置を実現できる。
【０１７０】
この第２の方法の重要な特徴は、正の容量差ΔＣが得られる第１のサンプル点と、負の容量差ΔＣが得られる第２のサンプル点と、の２点を利用する点にある。これを図２２および図２３のグラフを参照して説明しよう。
【０１７１】
図２２に示すグラフＧ１は、図１７に示すグラフＧ１と同じものであり、図１１に示す例において、作用体３１０に上方向の加速度α１が作用しているときのフィードバック制御動作を示している。加速度α１は正の加速度であり、この加速度α１の作用を受け、作用体３１０は図１１の上方に変位することになる。そこで、この変位を０にするようなフィードバック制御を行えば、制御系の状態は、グラフＧ１に沿って遷移する。
【０１７２】
従来の閉ループ式検出方法では、制御系の状態を正確に検出点Ｐ１へもってゆく制御を行うことになるが、ここで述べる方法では、正の容量差ΔＣ（Ｑ１）をもつサンプル点Ｑ１と、負の容量差ΔＣ（Ｒ１）をもつサンプル点Ｒ１とが得られれば、作用した加速度α１の検出が可能になる。また、ここで述べる方法の場合、§７で述べた方法で利用した基準レベルＬ１，Ｌ２の設定は不要である。
【０１７３】
いま、図２２に示すグラフＧ１上のサンプル点Ｑ１の縦座標値ΔＣ（Ｑ１）および横座標値ΔＶ（Ｑ１）が求まり、更に、サンプル点Ｒ１の縦座標値ΔＣ（Ｒ１）および横座標値ΔＶ（Ｒ１）が求まったとしよう（ΔＣ（Ｒ１）は負の値、他は正の値になる）。ここで、グラフＧ１の少なくとも２点Ｑ１，Ｒ１間が直線であると仮定すれば、検出点Ｐ１の横座標値Ｖα１（正確な検出値）は、２点Ｑ１，Ｒ１の座標値から幾何学的に求めることができる。
【０１７４】
一方、図２３に示すグラフＧ３は、図１９に示すグラフＧ３と同じものであり、図１１に示す例において、作用体３１０に下方向の加速度α３が作用しているときのフィードバック制御動作を示している。加速度α３は負の加速度であり、この加速度α３の作用を受け、作用体３１０は図１１の下方に変位することになる。そこで、この変位を０にするようなフィードバック制御を行えば、制御系の状態は、グラフＧ３に沿って遷移する。
【０１７５】
この場合も、正の容量差ΔＣ（Ｑ３）をもつサンプル点Ｑ３と、負の容量差ΔＣ（Ｒ３）をもつサンプル点Ｒ３とが得られれば、作用した加速度α３の検出が可能になる。すなわち、図２３に示すグラフＧ３上のサンプル点Ｑ３の縦座標値ΔＣ（Ｑ３）および横座標値ΔＶ（Ｑ３）が求まり、更に、サンプル点Ｒ３の縦座標値ΔＣ（Ｒ３）および横座標値ΔＶ（Ｒ３）が求まったとしよう（ΔＣ（Ｑ３）は正の値、他は負の値になる）。ここで、グラフＧ３の少なくとも２点Ｑ３，Ｒ３間が直線であると仮定すれば、検出点Ｐ３の横座標値Ｖα３（正確な検出値）は、２点Ｑ３，Ｒ３の座標値から幾何学的に求めることができる。
【０１７６】
図２４は、この幾何学的な演算式を算出するためのグラフであり、図２５は、このグラフを利用して算出された演算式を示す図である。ここで、図２４に示すように、印加電圧差ΔＶと容量差ΔＣとの関係を示すグラフＧが直線をなすものとし、グラフＧ上の点Ｑの縦座標値をΔＣ（Ｑ）、横座標値をΔＶ（Ｑ）、グラフＧ上の点Ｐの縦座標値を０、横座標値をＶα、グラフＧ上の点Ｒの縦座標値をΔＣ（Ｒ）、横座標値をΔＶ（Ｒ）とする。図示のとおり、直角三角形Ｔ１，Ｔ２は相似形なので、辺ＭＰの長さが、辺ＭＱの長さ（ΔＣ（Ｑ）の絶対値）のｋ倍であるとすると、辺ＮＰの長さは、辺ＮＲの長さ（ΔＣ（Ｒ）の絶対値）のｋ倍になる。
【０１７７】
ここで、２点ＭＮ間の距離を、辺ＭＰの長さと辺ＮＰの長さの和として表すと、ｋ・ΔＣ（Ｑ）−ｋ・ΔＣ（Ｒ）＝ｋ・（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））になる（ΔＣ（Ｒ）は負の値をとるので、絶対値は−ΔＣ（Ｒ）になる）。一方、この２点ＭＮ間の距離は、ΔＶ（Ｒ）−ΔＶ（Ｑ）と表すこともできるので、図２５に示すとおり、
ｋ・（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））＝ΔＶ（Ｒ）−ΔＶ（Ｑ）
が成り立ち、
ｋ＝（ΔＶ（Ｒ）−ΔＶ（Ｑ））／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））
が得られる。
【０１７８】
ここで、正しい検出値Ｖαは、
Ｖα＝ΔＶ（Ｑ）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ）
なる演算、もしくは、
Ｖα＝ΔＶ（Ｒ）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ）
なる演算によって求めることができるので、結局、図２５の下段に示すとおり、
Ｖα＝（ΔＶ（Ｒ）・ΔＣ（Ｑ）−ΔＶ（Ｑ）・ΔＣ（Ｒ））
／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））
なる演算で求められる。
【０１７９】
上記演算式には、比例係数ｋは含まれていない。これは、２点Ｑ，Ｒの座標値に、比例係数ｋに関する情報が含まれているためである。§７で述べた第１の方法では、比例係数ｋの値を近似的な直線の傾きに基づいて予め決定しておき、近似的な定数として取り扱うことになるが、ここで述べる第２の方法では、そのような必要はない。したがって、図１３〜図２０に示されているグラフＧ１〜Ｇ４が、それぞれ異なる傾きをもった直線になったとしても、各直線の傾きの情報は、２点Ｑ，Ｒの座標値として正確に反映されることになる。
【０１８０】
この第２の方法を制御ユニット５０や制御ユニット５００で実行する場合、やはりクロック信号に同期したデジタル処理として実行することになる。このようなデジタル処理を行うには、所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣを繰り返し求め、ΔＣ＞０の場合には印加電圧差ΔＶを増加させ、ΔＣ＜０の場合には印加電圧差ΔＶを減少させるフィードバック制御を行えばよい。そして、正の容量差ΔＣが得られた時点Ｑでの当該容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とし、負の容量差ΔＣが得られた時点Ｒでの当該容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）として、
ｋ＝（ΔＶ（Ｒ）−ΔＶ（Ｑ））／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））
なる演算で比例係数ｋを決定し、
Ｖα＝ΔＶ（Ｑ）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ）なる演算、もしくは、
Ｖα＝ΔＶ（Ｒ）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ）なる演算
によって、検出値Ｖαを求める演算処理を行えばよい。
【０１８１】
具体的には、図２５に示すように、
Ｖα＝（ΔＶ（Ｒ）・ΔＣ（Ｑ）−ΔＶ（Ｑ）・ΔＣ（Ｒ））
／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））
なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力する処理を行えばよい。
【０１８２】
なお、上述の演算式を導出するためには、図２４に示すグラフＧが、２点Ｑ，Ｒ間で直線をなす、という前提が必要であった。しかしながら、既に述べたとおり、印加電圧差ΔＶと容量差ΔＣとの関係を示すグラフＧは、厳密には直線にはならず、検出点Ｐの近傍において近似的に直線とみなすことができるにすぎない。したがって、上述の演算式によって求めた検出値Ｖαの精度をより高めるためには、２点Ｑ，Ｒはできるだけ近接しているのが好ましい。
【０１８３】
そこで、実用上は、容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２に基づいて、ΔＣ＞０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行い、このフィードバック制御の過程において、容量差ΔＣの符号が正から負に反転したときには、反転直前の時点Ｑでの容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とし、反転直後の時点Ｒでの容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）とし、容量差ΔＣの符号が負から正に反転したときには、反転直前の時点Ｒでの容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）とし、反転直後の時点Ｑでの容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とするのが好ましい。
【０１８４】
図２６は、上記デジタル処理の手順を示す流れ図である。まず、ステップＳ２１において、所定のサンプリングタイミングで求めた容量差ΔＣの符号判定が行われる。ここで、ΔＣ＞０であった場合は、ステップＳ３１へと進み、現サンプリング時の容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）として記憶する処理が行われる。そして、ステップＳ３２へ進み、印加電圧差ΔＶを増加させる処理を行う。その結果、容量差ΔＣは減少することになる。続くステップＳ３３では、次のサンプリングタイミングで求めた容量差ΔＣの符号が調べられる。ここで、容量差ΔＣの符号反転が生じているかどうかが判定され、符号反転が生じていない場合にはステップＳ３１からの処理が繰り返される。
【０１８５】
こうして、ΔＣの符号が、正から負に反転すると、ステップＳ３３からステップＳ３４に進むことになり、現サンプリング時（反転直後）の容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）として記憶する処理が行われる。その結果、反転直前の容量差がΔＣ（Ｑ）、印加電圧差がΔＶ（Ｑ）として記憶され（Ｓ３１）、反転直後の容量差がΔＣ（Ｒ）、印加電圧差がΔＶ（Ｒ）として記憶される（Ｓ３４）ことになる。そこで、ステップＳ３５へ進み、図２５に示す演算式を用いて検出値Ｖαを求め、これを出力する処理が実行された後、再び、ステップＳ２１からの処理が繰り返される。
【０１８６】
一方、ステップＳ２１において、ΔＣ＜０であった場合は、ステップＳ４１へと進み、現サンプリング時の容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）として記憶する処理が行われる。そして、ステップＳ４２へ進み、印加電圧差ΔＶを減少させる処理を行う。その結果、容量差ΔＣは増加することになる。続くステップＳ４３では、次のサンプリングタイミングで求めた容量差ΔＣの符号が調べられる。ここで、容量差ΔＣの符号反転が生じているかどうかが判定され、符号反転が生じていない場合にはステップＳ４１からの処理が繰り返される。
【０１８７】
こうして、ΔＣの符号が、負から正に反転すると、ステップＳ４３からステップＳ４４に進むことになり、現サンプリング時（反転直後）の容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）として記憶する処理が行われる。その結果、反転直前の容量差がΔＣ（Ｒ）、印加電圧差がΔＶ（Ｒ）として記憶され（Ｓ４１）、反転直後の容量差がΔＣ（Ｑ）、印加電圧差がΔＶ（Ｑ）として記憶される（Ｓ４４）ことになる。そこで、ステップＳ４５へ進み、図２５に示す演算式を用いて検出値Ｖαを求め、これを出力する処理が実行された後、再び、ステップＳ２１からの処理が繰り返される。
【０１８８】
なお、ステップＳ２１において、ΔＣ＝０と判定された場合は、ステップＳ２２へと進み、印加電圧差ΔＶを増加または減少させる制御（どちらでもかまわない）が行われ、再び、ステップＳ２１からの処理が繰り返される。
【０１８９】
この図２６の流れ図に基づく処理を実行すれば、所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣの値を繰り返し求めてゆき、その符号が反転した直前および直後のサンプル点を用いて、図２５の演算式に基づく演算を行うことができる。このように、符号反転の直前および直後のサンプル点の間は、グラフＧの直線近似度が非常に高くなるので、得られる検出値Ｖαも精度の高いものになる。
【０１９０】
制御ユニット５０を、プロセッサと、このプロセッサに実行させるべきプログラムが格納されたメモリと、を有するマイクロコンピュータによって構成した場合、図２６の流れ図に示す手順は、プログラムとして記述される。プロセッサは、このプログラムに基づいて、必要な演算および制御を実行する。
【０１９１】
以上、この第２の方法についても、図１１に示す一次元の力検出装置用の制御ユニット５０の動作を説明したが、図１２に示す三次元の力検出装置用の制御ユニット５００の動作も全く同様である。すなわち、制御ユニット５００は、Ｘ軸に関する検出動作、Ｙ軸に関する検出動作、Ｚ軸に関する検出動作を別個独立して実行する機能を有し、個々の軸に関する検出動作は、制御ユニット５０の検出動作と全く同様である。
【０１９２】
＜＜＜ §９． 図１に示す主要構造部の特徴 ＞＞＞
ここでは、図１に示す主要構造部の特徴とそのメリットを述べておく。既に述べたとおり、この主要構造部を構成する作用体３１０は、板状部材から構成されており、可撓性接続部として機能する橋梁部３３１〜３３４は、この板状部材からなる作用体３１０の側面の一部を筐体に対して接続している。なお、可撓性接続部を橋梁部で構成する代わりに、作用体３１０の側面全部を筐体に対して接続するダイアフラム部によって構成してもかまわない。
【０１９３】
また、この板状部材からなる作用体３１０の上面に対向して上方基板１００が配置されており、下面に対向して下方基板２００が配置されている。これら上方基板１００および下方基板２００は、作用体３１０を収容する筐体の一部をなしている。そして、上方基板１００の下面および下方基板２００の上面には、それぞれ固定電極Ｅ１１〜Ｅ２５が形成されており、板状部材からなる作用体３１０は、導電性材料によって構成されているため、その上面および下面が変位電極として機能する。主要構造部をこのような構成にすることにより、極めて単純な構造の装置が実現でき、また、半導体基板などの加工技術を利用して装置の製造を行うことが可能になる。
【０１９４】
また、図１に示す主要構造部における容量素子Ｃ１１〜Ｃ２５の配置は、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向の力を独立して検出するのに適した配置となっている。すなわち、板状部材からなる作用体３１０の重心位置に原点Ｏをもち、ＸＹ平面がこの板状部材の上面に平行となるように、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義すれば、各容量素子の配置は次のようになっている。
【０１９５】
まず、Ｘ軸の正領域の上方に第１の上方容量素子Ｃ１１が配置され、Ｘ軸の正領域の下方に第１の下方容量素子Ｃ２１が配置され、Ｘ軸の負領域の上方に第２の上方容量素子Ｃ１２が配置され、Ｘ軸の負領域の下方に第２の下方容量素子Ｃ２２が配置されている。また、Ｙ軸の正領域の上方に第３の上方容量素子Ｃ１３が配置され、Ｙ軸の正領域の下方に第３の下方容量素子Ｘ２３が配置され、Ｙ軸の負領域の上方に第４の上方容量素子Ｃ１４が配置され、Ｙ軸の負領域の下方に第４の下方容量素子Ｃ２４が配置されている。更に、Ｚ軸の正領域を中心とした位置に第５の上方容量素子が配置され、Ｚ軸の負領域を中心とした位置に第５の下方容量素子が配置されている。
【０１９６】
このような配置を行えば、第１の上方容量素子Ｃ１１および第２の下方容量素子Ｃ２２を正側容量素子とし、第１の下方容量素子Ｃ２１および第２の上方容量素子Ｃ１２を負側容量素子とすることにより、Ｘ軸方向に作用した力の検出を行うことができる。また、第３の上方容量素子Ｃ１３および第４の下方容量素子Ｃ２４を正側容量素子とし、第３の下方容量素子Ｃ２３および第４の上方容量素子Ｃ１４を負側容量素子とすることにより、Ｙ軸方向に作用した力の検出を行うことができる。更に、第５の上方容量素子Ｃ１５を正側容量素子とし、第５の下方容量素子Ｃ２５を負側容量素子とすることにより、Ｚ軸方向に作用した力の検出を行うことができる。かくして、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向に作用した力をそれぞれ独立した検出値として出力することが可能になる。
【０１９７】
また、各容量素子の形状および配置が対称性を有している点も重要である。このような対称性を確保することにより、他軸成分の干渉を抑制し、各座標軸方向の力をそれぞれ独立して検出することが可能になる。
【０１９８】
すなわち、第１の上方容量素子Ｃ１１，第１の下方容量素子Ｃ２１，第２の上方容量素子Ｃ１２，第２の下方容量素子Ｃ２２は、いずれもＸＺ平面に関して対称となる形状をなし、第１の上方容量素子Ｃ１１と第２の上方容量素子Ｃ１２とはＹＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、第１の下方容量素子Ｃ２１と第２の下方容量素子Ｃ２２とはＹＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置されている。
【０１９９】
また、第３の上方容量素子Ｃ１３，第３の下方容量素子Ｃ２３，第４の上方容量素子Ｃ１４，第４の下方容量素子Ｃ２４は、いずれもＹＺ平面に関して対称となる形状をなし、第３の上方容量素子Ｃ１３と第４の上方容量素子Ｃ１４とはＸＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、第３の下方容量素子Ｃ２３と第４の下方容量素子Ｃ２４とはＸＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置されている。
【０２００】
更に、第５の上方容量素子Ｃ１５および第５の下方容量素子Ｃ２５は、いずれもＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となる形状をなし、かつ、第５の上方容量素子Ｃ１５と第５の下方容量素子Ｃ２５とはＸＹ平面に関して互いに対称となる形状をなし互いに対称となる位置に配置されている。
【０２０１】
また、図３に示すように、この主要構造部を構成する作用体３１０は、Ｘ軸の正領域に配置された第１の翼状部３１１と、Ｘ軸の負領域に配置された第２の翼状部３１２と、Ｙ軸の正領域に配置された第３の翼状部３１３と、Ｙ軸の負領域に配置された第４の翼状部３１４と、原点Ｏに配置され４組の翼状部を相互に接合する中央部３１５と、を有する板状部材によって構成されており、４本の橋梁部３３１〜３３４が、中央部３１５に接続されている。
【０２０２】
このような平面形状をもった作用体３１０を用いれば、第１の翼状部３１１の上面に第１の上方容量素子Ｃ１１を構成する変位電極を形成し、第１の翼状部３１１の下面に第１の下方容量素子Ｃ２１を構成する変位電極を形成し、第２の翼状部３１２の上面に第２の上方容量素子Ｃ１２を構成する変位電極を形成し、第２の翼状部３１２の下面に第２の下方容量素子Ｃ２２を構成する変位電極を形成し、第３の翼状部３１３の上面に第３の上方容量素子Ｃ１３を構成する変位電極を形成し、第３の翼状部３１３の下面に第３の下方容量素子Ｃ２３を構成する変位電極を形成し、第４の翼状部３１４の上面に第４の上方容量素子Ｃ１４を構成する変位電極を形成し、第４の翼状部３１４の下面に第４の下方容量素子Ｃ２４を構成する変位電極を形成し、中央部３１５の上面に第５の上方容量素子Ｃ１５を構成する変位電極を形成し、中央部３１５の下面に第５の下方容量素子Ｃ２５を構成する変位電極を形成することができる。
【０２０３】
＜＜＜ §１０． 本発明の変形例 ＞＞＞
最後に、本発明に係る力検出装置の変形例をいくつか述べておく。
【０２０４】
（１）検出用容量素子と駆動用容量素子との分離
これまで述べた実施形態では、１つの容量素子を検出用容量素子として利用するとともに、駆動用容量素子としても利用していた。たとえば、図１２において、１０組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ２５は、いずれも静電容量値を検出するための検出用容量素子と、クーロン力を作用させるための駆動用容量素子とを兼ねている。
【０２０５】
これに対して、検出用容量素子と駆動用容量素子とをそれぞれ別個独立した容量素子によって構成することも可能である。すなわち、正側容量素子を、検出用正側容量素子と駆動用正側容量素子とによって構成し、負側容量素子を検出用負側容量素子と駆動用負側容量素子とによって構成し、検出手段は、検出用正側容量素子および検出用負側容量素子の静電容量値を検出するようにし、駆動手段は、駆動用正側容量素子および駆動用負側容量素子を構成する電極間に駆動電圧を印加してクーロン力を作用させるようにすればよい。
【０２０６】
たとえば、１０組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ２５を用いる場合でも、第１〜第５の上方容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５および第１〜第５の下方容量素子Ｃ２１〜Ｃ２５のそれぞれを、検出用容量素子と駆動用容量素子との一対の容量素子によって構成するようにし、検出手段は、各検出用容量素子の静電容量値を検出し、駆動手段は、各駆動用容量素子を構成する電極間に駆動電圧を印加してクーロン力を作用させるようにすればよい。
【０２０７】
具体的には、図２に示す上方基板１００の代わりに、図２７に示す上方基板１５０を用い、図６に示す下方基板２００の代わりに、図２８に示す下方基板２５０を用いて、主要構造部を構成すればよい。なお、図２７および図２８におけるハッチングは電極形状を示すためのものであり、断面を示すものではない。
【０２０８】
図２７に示す上方基板１５０には、１０枚の固定電極が形成されている。ここで、固定電極Ｅ１１Ａ〜Ｅ１５Ａは検出用固定電極であり、対向する変位電極（作用体３１０の上面）とによって、それぞれ検出用容量素子Ｃ１１Ａ〜Ｃ１５Ａが形成される。一方、固定電極Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１５Ｂは駆動用固定電極であり、対向する変位電極（作用体３１０の上面）とによって、それぞれ駆動用容量素子Ｃ１１Ｂ〜Ｃ１５Ｂが形成される。
【０２０９】
同様に、図２８に示す下方基板２５０にも、１０枚の固定電極が形成されている。ここで、固定電極Ｅ２１Ａ〜Ｅ２５Ａは検出用固定電極であり、対向する変位電極（作用体３１０の下面）とによって、それぞれ検出用容量素子Ｃ２１Ａ〜Ｃ２５Ａが形成される。一方、固定電極Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２５Ｂは駆動用固定電極であり、対向する変位電極（作用体３１０の下面）とによって、それぞれ駆動用容量素子Ｃ２１Ｂ〜Ｃ２５Ｂが形成される。
【０２１０】
このように、検出用容量素子と駆動用容量素子とをそれぞれ別個独立した容量素子によって構成すれば、検出手段や駆動手段を直接接続することが可能になり、カップリング用容量素子や抵抗素子を用いる必要がなくなる。
【０２１１】
図２９は、このような変形例に係る力検出装置に用いる閉ループ式検出回路の一例を示す回路図である。図２９の回路図を図１２の回路図と比較すれば、その特徴が理解できよう。すなわち、両回路の基本的な処理機能は同じであるが、図２９の回路図の場合、各容量素子が検出用容量素子（符号末尾にＡが付されている）と駆動用容量素子と（符号末尾にＢが付されている）とに分けられているため、図１２の回路図に示されているカップリング用容量素子Ｃ４１１〜Ｃ４１６や、抵抗素子Ｒ４４１〜Ｒ４４６は、図２９の回路図では省略されている。
【０２１２】
（２）制御ユニットの構成
これまで述べた実施形態では、制御ユニットをマイクロコンピュータで構成した例を示したが、制御ユニットは必ずしもマイクロコンピュータで構成する必要はない。たとえば、ハードウエアからなる論理素子を組み合わせて、制御ユニットを構成してもよいし、アナログ制御回路によって制御ユニットを構成してもかまわない。アナログ制御回路を用いた場合、制御動作は、アナログ信号によって行われることになるため、Ａ／Ｄ変換回路やＤ／Ａ変換回路は不要になる。
【０２１３】
（３）加速度センサや角速度センサへの利用
本発明は、直接的には力検出装置に係る発明であるが、加速度に起因して作用体に生じる力を求めることにより、加速度の検出を行う機能を有する加速度センサにも適用することが可能である。実際、これまで述べた実施形態は、本発明を加速度センサに利用した実施例になっている
【０２１４】
また、本発明に係る力検出装置に、作用体を所定の運動軌跡に沿って周期運動させる運動手段を付加すれば、角速度の検出を行う機能を有する角速度センサを実現することも可能である。たとえば、ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用体を第１の座標軸に沿って振動させた状態とし、このときに第２の座標軸方向に加わるコリオリ力を本発明に係る力検出装置によって検出すれば、当該検出値は、第３の座標軸まわりの角速度を示す値になる。
【図面の簡単な説明】
【０２１５】
【図１】本発明の基本的実施形態に係る力検出装置の主要構造部の側断面図である。
【図２】図１に示す主要構造部の上方基板１００の下面図である。
【図３】図１に示す主要構造部の中間基板３００の上面図である。
【図４】図１に示す主要構造部を切断線４に沿って切った断面を示す横断面図である。
【図５】図１に示す主要構造部をＸＹ平面に沿って切った断面を示す横断面図である。
【図６】図１に示す主要構造部の下方基板２００の上面図である。
【図７】図１に示す主要構造部の作用体３１０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した状態を示す側断面図である。
【図８】図１に示す主要構造部の作用体３１０にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した状態を示す側断面図である。
【図９】図１に示す主要構造部に適用可能な開ループ式検出回路の一例を示す回路図である。
【図１０】図１に示す主要構造部の作用体３１０に作用した加速度αと変位ｄとの関係を示すグラフである。
【図１１】閉ループ式の検出を行うために利用されるフィードバック制御回路の基本構成を示す回路図である。
【図１２】図１に示す主要構造部に適用可能な閉ループ式検出回路の一例を示す回路図である。
【図１３】従来の一般的な閉ループ式検出方法によるフィードバック制御動作を示す第１のグラフである。
【図１４】従来の一般的な閉ループ式検出方法によるフィードバック制御動作を示す第２のグラフである。
【図１５】従来の一般的な閉ループ式検出方法によるフィードバック制御動作を示す第３のグラフである。
【図１６】従来の一般的な閉ループ式検出方法によるフィードバック制御動作を示す第４のグラフである。
【図１７】本発明に係る第１の閉ループ式検出方法の原理を示す第１のグラフである。
【図１８】本発明に係る第１の閉ループ式検出方法の原理を示す第２のグラフである。
【図１９】本発明に係る第１の閉ループ式検出方法の原理を示す第３のグラフである。
【図２０】本発明に係る第１の閉ループ式検出方法の原理を示す第４のグラフである。
【図２１】本発明に係る第１の閉ループ式検出方法の手順を示す流れ図である。
【図２２】本発明に係る第２の閉ループ式検出方法の原理を示す第１のグラフである。
【図２３】本発明に係る第２の閉ループ式検出方法の原理を示す第２のグラフである。
【図２４】本発明に係る第２の閉ループ式検出方法に利用する演算式を算出するためのグラフである。
【図２５】本発明に係る第２の閉ループ式検出方法に利用する演算式を示す図である。
【図２６】本発明に係る第２の閉ループ式検出方法の手順を示す流れ図である。
【図２７】本発明の変形例に係る力検出装置の主要構造部を構成する上方基板１５０の下面図である（ハッチングは電極形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図２８】本発明の変形例に係る力検出装置の主要構造部を構成する下方基板２５０の上面図である（ハッチングは電極形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図２９】本発明の変形例に係る力検出装置に用いる閉ループ式検出回路の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【０２１６】
４：切断線
４１，４５：Ｃ／Ｖ変換回路
４２，４６：Ａ／Ｄ変換回路
４３，４７：Ｄ／Ａ変換回路
４４，４８：ドライバ回路
５０：制御ユニット
１００，１５０：上方基板
２００，２５０：下方基板
３００：中間基板
３１０：作用体（板状部材）
３１１〜３１４：翼状部
３１５：中央部
３２０：台座
３３１〜３３４：橋梁部（可撓性接続部材）
４１１〜４１６：Ｃ／Ｖ変換回路
４２１〜４２６：Ａ／Ｄ変換回路
４３１〜４３６：Ｄ／Ａ変換回路
４４１〜４４６：ドライバ回路
５００：制御ユニット（マイクロコンピュータ）
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１１〜Ｃ２５：容量素子（静電容量値）
Ｃ１１Ａ〜Ｃ２５Ａ：検出用容量素子
Ｃ１１Ｂ〜Ｃ２５Ｂ：駆動用容量素子
Ｃ４１，Ｃ４５，Ｃ４１１〜Ｃ４１６：カップリング用容量素子
Ｄ（＋），Ｄ（−）：デジタル検出信号
Ｄ（Ｘ＋），Ｄ（Ｘ−），Ｄ（Ｙ＋），Ｄ（Ｙ−），Ｄ（Ｚ＋），Ｄ（Ｚ−）：デジタル検出信号
Ｄ（α），Ｄ（αｘ），Ｄ（αｙ），Ｄ（αｚ）：力の検出値
ｄ，ｄ１，ｄ２：変位
ｄ０：基準位置
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ１１〜Ｅ２５：固定電極
Ｅ１１Ａ〜Ｅ２５Ａ，Ｅ１１Ｂ〜Ｅ２５Ｂ：固定電極
Ｅ（＋），Ｅ（−）：デジタル駆動信号
Ｅ（Ｘ＋），Ｅ（Ｘ−），Ｅ（Ｙ＋），Ｅ（Ｙ−），Ｅ（Ｚ＋），Ｅ（Ｚ−）：デジタル駆動信号
Ｆｘ，Ｆｚ：座標軸方向に作用した力
Ｇ：作用体の重心
Ｇ，Ｇ１〜Ｇ４：グラフ
ｋ：比例係数
Ｌ１，Ｌ２：基準レベル
Ｍ，Ｎ：直角三角形の頂点
Ｏ：座標系の原点
Ｐ，Ｐ１〜Ｐ４：検出点
Ｑ，Ｑ１〜Ｑ３：正のサンプル点
Ｒ，Ｒ１〜Ｒ４：負のサンプル点
Ｒ４４，Ｒ４８，Ｒ４４１〜Ｒ４４６：抵抗素子
Ｓ１１〜Ｓ４５：流れ図の各ステップ
Ｔ１，Ｔ２：直角三角形
Ｖ１，Ｖ２：駆動電圧
Ｖα，Ｖα１〜Ｖα４：力の検出値
Ｘ，Ｙ，Ｚ：三次元直交座標系の各座標軸（力の検出軸）
Ｘ′，Ｙ′：Ｘ，Ｙを４５°回転させた座標軸
α，α１〜α４：加速度
ΔＣ：容量差（Ｃ１−Ｃ２）
ΔＣ（Ｑ），ΔＣ（Ｒ）：各サンプル点の縦座標値
ΔＣ（Ｑ１）〜ΔＣ（Ｑ３）：各サンプル点の縦座標値
ΔＣ（Ｒ１）〜ΔＣ（Ｒ４）：各サンプル点の縦座標値
ΔＶ：印加電圧差（Ｖ２−Ｖ１）
ΔＶ（Ｑ），ΔＶ（Ｒ）：各サンプル点の横座標値
ΔＶ（Ｑ１）〜ΔＶ（Ｑ３）：各サンプル点の横座標値
ΔＶ（Ｒ１）〜ΔＶ（Ｒ４）：各サンプル点の横座標値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力検出装置に関し、特に、力の作用を受ける作用体の変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出する原理を利用した力検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
力は非常に基本的な物理量であり、これを正確に測定するための力検出装置は、様々な産業分野での需要が見込まれている。たとえば、この力検出装置を、各種ロボットの間接部分に取り付ければ、アームに加わっている荷重を測定することができるし、人間の指先から加えられる力の検出に利用すれば、人間から与えられた何らかの操作量を電気信号に変換する入力装置としての機能を果たすこともできる。
【０００３】
また、作用した加速度に起因して生じる力を測定するようにすれば、力検出装置を加速度センサとして利用することが可能になる。あるいは、力検出装置に、作用体を所定の運動軌跡に沿って周期運動させる運動手段を付加し、作用体が周期運動しているときに受けるコリオリ力を測定すれば、角速度の検出を行う機能を有する角速度センサとして利用することも可能である。このように、力検出装置は、純然たる力という物理量の検出に利用されるだけでなく、加速度や角速度などの検出にも利用される汎用性のある検出装置であり、その産業上の利用分野は極めて広範にわたっている。
【０００４】
このため、できるだけ単純な構造を有し、量産化に適する力検出装置として、静電容量素子（以下、単に容量素子という）を用いたタイプの力検出装置が実用化されている。たとえば、下記の特許文献１〜３には、外力に基づいて生じた作用体の変位を容量素子を利用して検出することにより、各座標軸方向に作用した力をそれぞれ独立して検出することが可能な多次元力検出装置が開示されている。また、下記の特許文献４，５には、外力に基づいて生じた複数の柱状体の傾斜や変位を、容量素子を利用してそれぞれ別個独立して検出することにより、ＸＹＺ軸方向に作用した力とともに、ＸＹＺ軸まわりに作用したモーメントを検出することが可能な６軸成分用の力検出装置が開示されている。
【０００５】
一方、下記の特許文献６には、容量素子を用いたタイプの力検出装置において、作用体の変位を抑制するようなフィードバック制御を行い、作用体の位置を基準位置に維持するために要した電気エネルギーに基づいて、作用した外力の大きさを測定する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平４−１４８８３３号公報
【特許文献２】特開２００１−１６５７９０号公報
【特許文献３】国際公開第ＷＯ８９／０９９２７号公報
【特許文献４】特開２００４−３２５３６７号公報
【特許文献５】特開２００４−３５４０４９号公報
【特許文献６】米国特許第４９４１３５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
容量素子を用いたタイプの力検出装置の基本原理は、筐体内に可撓性接続部材を介して変位自在に収容した作用体に外力を作用させ、その変位を容量素子の静電容量値に基づいて検出することにより、作用した外力の大きさを求める、というものである。ここで、作用した外力と作用体の変位との関係や変位と静電容量値との関係が線形関係を維持していれば、得られた静電容量値は外力に比例し、正確な力の検出値を示すものになる。
【０００７】
しかしながら、作用体を可撓性接続部材を介して筐体に接続する構造をとると、一般に、変位が大きくなるに従って、外力と変位との関係に線形性が維持できなくなる。また、変位（電極間隔）と静電容量値との間にも線形性は成り立たない。このため、検出対象となる力が比較的小さく、作用体の変位が線形領域内に維持されている限り、ある程度正確な検出値が得られるとしても、検出対象となる力が大きくなると、作用体の変位が線形領域を外れ、その検出値の精度は低下せざるを得ない。
【０００８】
このような問題を解消するために、前掲の特許文献６などには、作用体の変位を抑制するようなフィードバック制御を行う閉ループ式（サーボ式）の力検出装置が開示されている。閉ループ式の力検出装置では、外力によって作用体が変位しようとした場合、当該外力に対する抗力を作用させて作用体の位置を基準位置に維持させる制御が行われる。そして、作用体を基準位置に維持させるための抗力発生に要した電気エネルギーの大きさを、作用した外力の大きさとして検出する方法がとられる。
【０００９】
この閉ループ式の力検出装置では、作用体の変位が常に０となるような制御が行われるため、作用体は常に所定の基準位置に維持されることになる。したがって、作用した外力の大小にかかわらず、測定は、常に変位０の状態で行われることになり、非線形性に起因する検出誤差の問題は解消する。しかしながら、正確な検出値を得るためには、作用体を常に基準位置に正確に維持するための制御が必要になる。このため、検出精度を高めようとすればするほど、より高度で複雑な制御系が必要になり、それだけ製造コストも高騰せざるを得ない。
【００１０】
そこで本発明は、容量素子を用いた閉ループ式の力検出装置において、比較的単純な制御系を用いながら、高精度な検出結果を得ることができる技術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】
【００１１】
(1) 本発明の第１の態様は、正負が定義された所定の検出軸方向に作用した力を検出する力検出装置において、
検出対象となる力を作用させるための作用体と、
作用体を収容する筐体と、
作用体を筐体に対して接続する可撓性接続部材と、
作用体に固定された変位電極と筐体に固定された固定電極とによって構成され、作用体が検出軸の正方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなる正側容量素子と、
作用体に固定された変位電極と筐体に固定された固定電極とによって構成され、作用体が検出軸の正方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなる負側容量素子と、
正側容量素子の静電容量値Ｃ１と負側容量素子の静電容量値Ｃ２とを検出する検出手段と、
正側容量素子を構成する電極間に駆動電圧Ｖ１を印加してクーロン力を作用させる機能と、負側容量素子を構成する電極間に駆動電圧Ｖ２を印加してクーロン力を作用させる機能と、を有する駆動手段と、
容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２に基づいて、ΔＣ＞０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行う機能を有し、所定時点におけるΔＶとΔＣとを用いて、Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは比例係数）なる演算を行い、得られた値Ｖαを作用体に作用した力を示す検出値として出力する制御手段と、
を設けるようにしたものである。
【００１２】
(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る力検出装置において、
制御手段が、所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣを繰り返し求め、各サンプリング時に、予め設定された正の基準レベルＬ１と負の基準レベルＬ２とを参照して、
（処理Ａ）ΔＣ＞Ｌ１の場合には、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを増加させる制御を行う、
（処理Ｂ）ΔＣ＜Ｌ２の場合には、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを減少させる制御を行う、
（処理Ｃ）Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１の場合には、印加電圧差ΔＶを増減させる制御を行わずに前サンプリング時におけるΔＶをそのまま維持させ、現サンプリング時におけるΔＶとΔＣとを用いて、Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは予め定められた定数）なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力する、
のいずれかの処理を実行するようにしたものである。
【００１３】
(3) 本発明の第３の態様は、上述した第２の態様に係る力検出装置において、
印加電圧差ΔＶと容量差ΔＣとの関係が、検出に必要な精度の範囲内で線形性を維持するとみなせる領域を線形領域と定め、基準レベルＬ１〜Ｌ２の範囲がこの線形領域内に収まるように、基準レベルＬ１，Ｌ２を設定するようにしたものである。
【００１４】
(4) 本発明の第４の態様は、上述した第１の態様に係る力検出装置において、
制御手段が、
所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣを繰り返し求め、ΔＣ＞０の場合には印加電圧差ΔＶを増加させ、ΔＣ＜０の場合には印加電圧差ΔＶを減少させるフィードバック制御を行い、
正の容量差ΔＣが得られた時点Ｑでの当該容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とし、負の容量差ΔＣが得られた時点Ｒでの当該容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）として、
ｋ＝（ΔＶ（Ｒ）−ΔＶ（Ｑ））／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））
なる演算で比例係数ｋを決定し、
Ｖα＝ΔＶ（Ｑ）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ）なる演算、もしくは、
Ｖα＝ΔＶ（Ｒ）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ）なる演算
によって、検出値Ｖαを求めるようにしたものである。
【００１５】
(5) 本発明の第５の態様は、上述した第４の態様に係る力検出装置において、
制御手段が、
Ｖα＝（ΔＶ（Ｒ）・ΔＣ（Ｑ）−ΔＶ（Ｑ）・ΔＣ（Ｒ））／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力するようにしたものである。
【００１６】
(6) 本発明の第６の態様は、上述した第４または第５の態様に係る力検出装置において、
容量差ΔＣの符号が正から負に反転したときに、反転直前の時点Ｑでの容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とし、反転直後の時点Ｒでの容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）とし、
容量差ΔＣの符号が負から正に反転したときに、反転直前の時点Ｒでの容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）とし、反転直後の時点Ｑでの容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とするようにしたものである。
【００１７】
(7) 本発明の第７の態様は、上述した第１〜第６の態様に係る力検出装置において、
各容量素子を構成する電極のうち、変位電極が共通の接地電位に維持され、駆動手段が、個々の固定電極に所定の駆動電圧を印加することにより、クーロン力を作用させるようにしたものである。
【００１８】
(8) 本発明の第８の態様は、上述した第７の態様に係る力検出装置において、
駆動手段が、正側容量素子を構成する固定電極に駆動電圧Ｖ１（Ｖ１≧０）を印加してクーロン引力を作用させる機能と、負側容量素子を構成する固定電極に駆動電圧Ｖ２（Ｖ２≧０）を印加してクーロン引力を作用させる機能と、を有し、
制御手段が、ΔＣ＞０の場合には、駆動電圧Ｖ１を減少させて、駆動電圧Ｖ２を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、駆動電圧Ｖ２を減少させて、駆動電圧Ｖ１を増加させる制御を行う機能を有するようにしたものである。
【００１９】
(9) 本発明の第９の態様は、上述した第１〜第８の態様に係る力検出装置において、
検出手段が、静電容量値を電圧に変換するＣ／Ｖ変換回路と、このＣ／Ｖ変換回路で変換されたアナログ検出電圧をデジタル検出信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、を有し、
制御手段が、このデジタル検出信号に基づいて、所定の駆動電圧を示すデジタル駆動信号を出力するデジタル処理装置を有し、
駆動手段が、このデジタル駆動信号をアナログ駆動信号に変換するＤ／Ａ変換回路と、このアナログ駆動信号に基づく所定の駆動電圧を電極に印加するドライバ回路と、を有するようにしたものである。
【００２０】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述した第９の態様に係る力検出装置において、
正側容量素子もしくは負側容量素子に、検出手段と駆動手段との双方が接続されており、
検出手段が、カップリング用容量素子を介して正側容量素子もしくは負側容量素子に接続され、
駆動手段が、抵抗素子を介して正側容量素子もしくは負側容量素子に接続されるようにしたものである。
【００２１】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述した第９の態様に係る力検出装置において、
正側容量素子が検出用正側容量素子と駆動用正側容量素子とによって構成されており、
負側容量素子が検出用負側容量素子と駆動用負側容量素子とによって構成されており、
検出手段は、検出用正側容量素子および検出用負側容量素子の静電容量値を検出し、
駆動手段は、駆動用正側容量素子および駆動用負側容量素子を構成する電極間に駆動電圧を印加してクーロン力を作用させるようにしたものである。
【００２２】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述した第９の態様に係る力検出装置において、
制御手段が、プロセッサと、このプロセッサに実行させるべきプログラムが格納されたメモリと、を有するマイクロコンピュータによって構成されており、このプログラムに基づいて、演算および制御が実行されるようにしたものである。
【００２３】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述した第１〜第１２の態様に係る力検出装置において、
作用体が板状部材から構成されており、
可撓性接続部がこの板状部材の側面の一部もしくは全部を筐体に対して接続し、
この板状部材の上面に対向して配置された上方基板と、この板状部材の下面に対向して配置された下方基板とが、筐体の一部をなし、
この板状部材の上面および下面に変位電極が形成され、上方基板の下面および下方基板の上面に固定電極が形成されているようにしたものである。
【００２４】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述した第１３の態様に係る力検出装置において、
板状部材からなる作用体の重心位置に原点Ｏをもち、ＸＹ平面がこの板状部材の上面に平行となるように、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、
Ｘ軸の正領域の上方に第１の上方容量素子が配置され、Ｘ軸の正領域の下方に第１の下方容量素子が配置され、Ｘ軸の負領域の上方に第２の上方容量素子が配置され、Ｘ軸の負領域の下方に第２の下方容量素子が配置され、
Ｙ軸の正領域の上方に第３の上方容量素子が配置され、Ｙ軸の正領域の下方に第３の下方容量素子が配置され、Ｙ軸の負領域の上方に第４の上方容量素子が配置され、Ｙ軸の負領域の下方に第４の下方容量素子が配置され、
Ｚ軸の正領域を中心とした位置に第５の上方容量素子が配置され、Ｚ軸の負領域を中心とした位置に第５の下方容量素子が配置され、
第１の上方容量素子および第２の下方容量素子を正側容量素子とし、第１の下方容量素子および第２の上方容量素子を負側容量素子とすることにより、Ｘ軸方向に作用した力の検出が行われ、
第３の上方容量素子および第４の下方容量素子を正側容量素子とし、第３の下方容量素子および第４の上方容量素子を負側容量素子とすることにより、Ｙ軸方向に作用した力の検出が行われ、
第５の上方容量素子を正側容量素子とし、第５の下方容量素子を負側容量素子とすることにより、Ｚ軸方向に作用した力の検出が行われ、
Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向に作用した力をそれぞれ独立した検出値として出力するようにしたものである。
【００２５】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述した第１４の態様に係る力検出装置において、
第１〜第５の上方容量素子および第１〜第５の下方容量素子のそれぞれが、検出用容量素子と駆動用容量素子との一対の容量素子によって構成されており、
検出手段は、各検出用容量素子の静電容量値を検出し、
駆動手段は、各駆動用容量素子を構成する電極間に駆動電圧を印加してクーロン力を作用させるようにしたものである。
【００２６】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述した第１４または第１５の態様に係る力検出装置において、
第１の上方容量素子，第１の下方容量素子，第２の上方容量素子，第２の下方容量素子が、いずれもＸＺ平面に関して対称となる形状をなし、第１の上方容量素子と第２の上方容量素子とはＹＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、第１の下方容量素子と第２の下方容量素子とはＹＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、
第３の上方容量素子，第３の下方容量素子，第４の上方容量素子，第４の下方容量素子が、いずれもＹＺ平面に関して対称となる形状をなし、第３の上方容量素子と第４の上方容量素子とはＸＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、第３の下方容量素子と第４の下方容量素子とはＸＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、
第５の上方容量素子および第５の下方容量素子が、いずれもＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となる形状をなし、かつ、第５の上方容量素子と第５の下方容量素子とはＸＹ平面に関して互いに対称となる形状をなし互いに対称となる位置に配置されているようにしたものである。
【００２７】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述した第１４〜第１６の態様に係る力検出装置において、
Ｘ軸およびＹ軸をＸＹ平面上で４５°回転させた軸をそれぞれＸ′軸およびＹ′軸と定義したときに、Ｘ′軸の正領域に平行な橋梁部、Ｘ′軸の負領域に平行な橋梁部、Ｙ′軸の正領域に平行な橋梁部、Ｙ′軸の負領域に平行な橋梁部によって、可撓性接続部材が構成されているようにしたものである。
【００２８】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述した第１７の態様に係る力検出装置において、
Ｘ軸の正領域に配置された第１の翼状部と、Ｘ軸の負領域に配置された第２の翼状部と、Ｙ軸の正領域に配置された第３の翼状部と、Ｙ軸の負領域に配置された第４の翼状部と、原点Ｏに配置され、この４組の翼状部を相互に接合する中央部と、を有する板状部材によって作用体が構成され、
４本の橋梁部は、中央部に接続されており、
第１の翼状部の上面に第１の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、第１の翼状部の下面に第１の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、第２の翼状部の上面に第２の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、第２の翼状部の下面に第２の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、第３の翼状部の上面に第３の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、第３の翼状部の下面に第３の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、第４の翼状部の上面に第４の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、第４の翼状部の下面に第４の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、中央部の上面に第５の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、中央部の下面に第５の下方容量素子を構成する変位電極が形成されているようにしたものである。
【００２９】
(19) 本発明の第１９の態様は、上述した第１〜第１８の態様に係る力検出装置において、
作用体を導電性材料で構成し、この作用体の表層における個々の固定電極に対する対向領域が個々の変位電極を形成するようにしたものである。
【００３０】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述した第１〜第１９の態様に係る力検出装置において、作用した加速度に起因して作用体に生じる力を求めることにより、加速度の検出を行う加速度センサを実現するようにしたものである。
【００３１】
(21) 本発明の第２１の態様は、上述した第１〜第１９の態様に係る力検出装置に、作用体を所定の運動軌跡に沿って周期運動させる運動手段を付加し、作用体が周期運動しているときに、力検出装置の力の検出軸方向に加わるコリオリ力を求めることにより、角速度の検出を行う機能を有する角速度センサを実現するようにしたものである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の力検出装置では、外力に対する抗力（作用体の位置を基準位置に維持させるための抗力）の大きさを示す印加電圧差ΔＶを、粗い精度をもった検出値として利用し、作用体の基準位置からのずれ量を示す容量差ΔＣを、密な精度をもった検出値として利用し、ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは比例係数）なる和として、力の検出値が求められる。このため、本発明に係る力検出装置は、容量素子を用いた閉ループ式の力検出装置であるにもかかわらず、その検出原理上、作用体の位置を基準位置に正確に維持する必要はなく、そのような正確な制御を行う必要はない。もちろん、粗い制御を行うと、測定時には、作用体が基準位置からずれてしまっているかもしれないが、当該ずれ量は、容量差ΔＣとして正確に測定され、粗い精度をもった検出値ΔＶに、ｋ・ΔＣなる形の補正項として加えられることになる。したがって、比較的単純な制御系を用いながら、高精度な検出結果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００３４】
＜＜＜ §１． 基本的実施形態の主要構造部 ＞＞＞
はじめに、本発明の基本的実施形態に係る力検出装置の主要構造部の説明を行う。図１は、この主要構造部の側断面図である。図示のとおり、この主要構造部は、上方基板１００と下方基板２００との間に、中間基板３００を介挿させた構造を有している。上方基板１００および下方基板２００は、単純な板状の基板であるが、中間基板３００は、図示のとおり、若干複雑な形態をしている。
【００３５】
すなわち、中間基板３００は、中央部に配置された板状部材３１０と、その周囲を取り囲む台座３２０と、両者を接続する４本の橋梁部３３１〜３３４（図１には、３３１，３３３のみが現れている）によって構成されている。板状部材３１０は、検出対象となる外力を作用させるための物体であるため、以下、作用体３１０と呼ぶことにする。ここに示す実施形態は、本発明に係る力検出装置を用いて加速度センサを構成した例であり、作用体３１０に対して実際に作用する力は、加速度に起因して生じる力ということになる。
【００３６】
ここでは、説明の便宜上、図示のとおり、この作用体３１０の重心位置に座標系の原点Ｏをとり、図の横方向にＸ軸（右方が正方向）、縦方向にＺ軸（上方が正方向）、紙面に対して垂直方向にＹ軸（奥が正方向）をとり、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。上方基板１００および下方基板２００、ならびに作用体３１０の上下両面は、いずれも、この座標系におけるＸＹ平面に平行な平面をなしており、その中心位置にＺ軸が直交することになる。図１は、この主要構造部をＸＺ平面で切断した側断面図ということになる。
【００３７】
図２は、図１に示す主要構造部の上方基板１００の下面図である。この上方基板１００の下面には、図示のとおり、５枚の電極Ｅ１１〜Ｅ１５が形成されている。これらの電極は、上方基板１００に固定されているため、ここでは、固定電極と呼ぶことにする。第１の固定電極Ｅ１１は、Ｘ軸の正領域上方に位置し、第２の固定電極Ｅ１２は、Ｘ軸の負領域上方に位置し、第３の固定電極Ｅ１３は、Ｙ軸の正領域上方に位置し、第４の固定電極Ｅ１４は、Ｙ軸の負領域上方に位置し、第５の固定電極Ｅ１５は、Ｚ軸の正領域に位置している。これら各電極の形状および配置は、図示のとおり、ＸＺ平面もしくはＹＺ平面、またはその双方について対称性を有している。
【００３８】
この５枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ１５は、互いに電気的に独立している必要がある。そこで、ここに示す実施形態の場合、上方基板１００をガラスやセラミックなどの絶縁性材料によって構成し、その表面に、銅やアルミニウムからなる固定電極を形成している。
【００３９】
一方、中間基板３００の構造は、図３〜図５を参照すれば、容易に理解できよう。図３は、図１に示す主要構造部の中間基板３００の上面図であり、この主要構造部から上方基板１００を取り去った状態を上方から観察した状態を示している。また、図４は、この主要構造部を切断線４に沿って切った断面を示す横断面図であり、図５は、ＸＹ平面に沿って切った断面を示す横断面図である。
【００４０】
作用体３１０は、図１に示すような板状部材であるが、その平面形状は、図５に示すように、扇風機の羽根に似た形状をしている。すなわち、Ｘ軸の正領域に配置された第１の翼状部３１１と、Ｘ軸の負領域に配置された第２の翼状部３１２と、Ｙ軸の正領域に配置された第３の翼状部３１３と、Ｙ軸の負領域に配置された第４の翼状部３１４と、原点Ｏに配置され、４組の翼状部３１１〜３１４を相互に接合する中央部３１５と、を有している。この作用体３１０を取り囲むように、フレーム状の台座３２０が設けられている。
【００４１】
図５に示すように、作用体３１０の大まかな平面外郭形状は正方形をなしているが、Ｘ軸およびＹ軸をＸＹ平面上で４５°回転させた軸をそれぞれＸ′軸およびＹ′軸と定義すれば、このＸ′軸およびＹ′軸に沿った４カ所の部分（正方形の対角線に対応する部分）に切り欠きが設けられている。これは、図４に示すように、この４カ所の切り欠き部分に、それぞれ橋梁部３３１〜３３４を配置し、これら４本の橋梁部３３１〜３３４によって、中央部３１５を支持するためである。
【００４２】
すなわち、図４に示すように、作用体３１０は、Ｘ′軸の正領域に平行な橋梁部３３１、Ｘ′軸の負領域に平行な橋梁部３３２、Ｙ′軸の正領域に平行な橋梁部３３３、Ｙ′軸の負領域に平行な橋梁部３３４によって支持されることになる。各橋梁部３３１〜３３４の内側端は中央部３１５に接続され、外側端は台座３２０に接続されている。各橋梁部３３１〜３３４は、細長いビーム構造を有しているため、可撓性をもった接続部材として機能する。
【００４３】
結局、図１において、検出対象となる力を作用させるための作用体３１０は、上方基板１００，下方基板２００，台座３２０によって構成される筐体内に収容されており、可撓性接続部材（橋梁部３３１〜３３４）によって、当該筐体に対して接続されていることになる。作用体３１０に外力が作用すると、可撓性をもった橋梁部３３１〜３３４に撓みが生じ、作用体３１０は筐体内で変位する。
【００４４】
図６は、図１に示す主要構造部の下方基板２００の上面図である。この下方基板２００の上面には、図示のとおり、５枚の電極Ｅ２１〜Ｅ２５が形成されている。これらの電極は、下方基板２００に固定されているため、やはり固定電極と呼ぶことにする。第１の固定電極Ｅ２１は、Ｘ軸の正領域下方に位置し、第２の固定電極Ｅ２２は、Ｘ軸の負領域下方に位置し、第３の固定電極Ｅ２３は、Ｙ軸の正領域下方に位置し、第４の固定電極Ｅ２４は、Ｙ軸の負領域下方に位置し、第５の固定電極Ｅ２５は、Ｚ軸の負領域に位置している。これら各電極の形状および配置は、図示のとおり、ＸＺ平面もしくはＹＺ平面、またはその双方について対称性を有している。
【００４５】
この５枚の固定電極Ｅ２１〜Ｅ２５も、互いに電気的に独立している必要があるので、ここに示す実施形態の場合、上方基板１００と同様に、下方基板２００も、ガラスやセラミックなどの絶縁性材料によって構成し、その表面に、銅やアルミニウムからなる固定電極を形成している。実際には、固定電極Ｅ１１〜Ｅ１５を含めた上方基板１００と、固定電極Ｅ２１〜Ｅ２５を含めた下方基板２００とは、物理的には全く同一の構成要素であり、図１において、固定電極Ｅ１１〜Ｅ１５と固定電極Ｅ２１〜Ｅ２５とは、ＸＹ平面に関して対称になる。
【００４６】
一方、ここに示す実施形態の場合、中間基板３００は導電性材料で構成されており（たとえば、シリコン基板や金属板を加工して、中間基板３００を構成すればよい）、作用体３１０は、それ自体が導電性物体となる。したがって、この作用体３１０に対向するように、固定電極Ｅ１１〜Ｅ１５，Ｅ２１〜Ｅ２５を配置すると、作用体３１０の表層における個々の固定電極に対する対向領域が個々の電極として機能し、容量素子が構成されることになる。
【００４７】
たとえば、図２に示す固定電極Ｅ１１〜Ｅ１４は、それぞれ図３に示す作用体３１０の翼状部３１１〜３１４の上面に対向し、図２に示す固定電極Ｅ１５は、図３に示す作用体３１０の中央部３１５の上面に対向する。したがって、固定電極Ｅ１１と、翼状部３１１の上面部分によって、１つの容量素子Ｃ１１が形成される。また、固定電極Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４と、翼状部３１２，３１３，３１４の上面部分によって、それぞれ容量素子Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４が形成され、固定電極Ｅ１５と、中央部３１５の上面部分によって、容量素子Ｃ１５が形成される。
【００４８】
同様に、図６に示す固定電極Ｅ２１〜Ｅ２４は、それぞれ図３に示す作用体３１０の翼状部３１１〜３１４の下面に対向し、図６に示す固定電極Ｅ２５は、図３に示す作用体３１０の中央部３１５の下面に対向する。したがって、固定電極Ｅ２１と、翼状部３１１の下面部分によって、１つの容量素子Ｃ２１が形成される。また、固定電極Ｅ２２，Ｅ２３，Ｅ２４と、翼状部３１２，３１３，３１４の下面部分によって、それぞれ容量素子Ｃ２２，Ｃ２３，Ｃ２４が形成され、固定電極Ｅ２５と、中央部３１５の下面部分によって、容量素子Ｃ２５が形成される。
【００４９】
結局、合計１０枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ２５について、それぞれ作用体３１０の表層における対向する領域が対向電極として機能し、合計１０個の容量素子Ｃ１１〜Ｃ２５が形成されることになる。ここでは、この作用体３１０の表層側に形成される対向電極を変位電極と呼ぶことにする。固定電極Ｅ１１〜Ｅ２５は、筐体に固定された電極であるが、これらに対向する変位電極は、作用体３１０とともに変位する電極ということになる。
【００５０】
なお、作用体３１０を絶縁材料によって構成した場合は、その表面に（１０枚の固定電極Ｅ１１〜Ｅ２５にそれぞれ対向する部分に）、導電性材料からなる変位電極を別途設けるようにすればよい。ここに示す実施形態のように、作用体３１０を導電性材料で構成しておけば（少なくとも、その表層部分を導電性材料で構成しておけば）、その表層部分が、それぞれ個々の変位電極として機能するので、個々の変位電極を別体として設ける必要がなくなり、実用上は好ましい。
【００５１】
＜＜＜ §２． 開ループ式検出の基本原理 ＞＞＞
本発明は、基本的には、閉ループ式（サーボ式）の力検出装置に係るものであるが、その検出原理の一部に、開ループ式（オープンループ式）の検出原理も取り込んでいる。そこで、この§２では、図１に示す主要構造部を用いた開ループ式の検出原理を述べておく。
【００５２】
まず、Ｘ軸を検出軸として、このＸ軸の正もしくは負方向に作用した力を検出する原理を説明する。図７は、図１に示す主要構造部の作用体３１０に、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した状態を示す側断面図である。実際には、作用体３１０にＸ軸正方向への加速度＋αｘが作用し、この加速度に基づいて、力＋Ｆｘが加わることになる。力＋Ｆｘの作用により、作用体３１０は図の右方向へ移動しようとするが、上面近傍を可撓性をもった４本の橋梁部３３１〜３３４によって支持されているため、これら橋梁部に撓みが生じることになる。結局、作用体３１０は、その重心をＸ軸正方向に移動しつつ、図示のように傾斜する。
【００５３】
すると、固定電極Ｅ１１とこれに対向する変位電極（翼状部３１１の上面）との距離および固定電極Ｅ２２とこれに対向する変位電極（翼状部３１２の下面）との距離は小さくなり、固定電極Ｅ１２とこれに対向する変位電極（翼状部３１２の上面）との距離および固定電極Ｅ２１とこれに対向する変位電極（翼状部３１１の下面）との距離は大きくなる。そのため、容量素子Ｃ１１，Ｃ２２の静電容量値は大きくなり、容量素子Ｃ１２，Ｃ２１の静電容量値は小さくなる。このとき、他の容量素子は、その電極間隔が、一部分は小さくなるが、他の一部分は大きくなるので、静電容量値には変化は生じない。したがって、Ｘ軸方向に作用した力が、後述するＹ軸もしくはＺ軸方向に作用した力として検出されることはない。
【００５４】
一方、作用体３１０に、Ｘ軸負方向の力−Ｆｘが作用した場合は、上記各容量素子の静電容量値の増減は逆転する。したがって、各容量素子Ｃ１１〜Ｃ２５の静電容量値を、同じ符号Ｃ１１〜Ｃ２５で表せば、容量差ΔＣ＝（Ｃ１１＋Ｃ２２）−（Ｃ１２＋Ｃ２１）は、Ｘ軸を検出軸とする力の検出値を示すものになる。すなわち、容量差ΔＣが正の場合には、Ｘ軸正方向に力が作用していることを示し、容量差ΔＣが負の場合には、Ｘ軸負方向に力が作用していることを示し、容量差ΔＣの絶対値は、作用している力の大きさを示すものになる。
【００５５】
次に、Ｙ軸を検出軸として、このＹ軸の正もしくは負方向に作用した力を検出する原理を考えよう。図２〜図６の幾何学的な配置から明らかなように、Ｘ軸とＹ軸は相互に入れ換えても、基本的構造上の変化は生じないので、Ｙ軸に関する検出には、上述したＸ軸に関する検出原理と全く同じ原理を適用できる。したがって、容量差ΔＣ＝（Ｃ１３＋Ｃ２４）−（Ｃ１４＋Ｃ２３）は、Ｙ軸を検出軸とする力の検出値を示すものになる。
【００５６】
続いて、Ｚ軸を検出軸として、このＺ軸の正もしくは負方向に作用した力を検出する原理を説明する。図８は、図１に示す主要構造部の作用体３１０に、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した状態を示す側断面図である。実際には、作用体３１０にＺ軸正方向への加速度＋αｚが作用し、この加速度に基づいて、力＋Ｆｚが加わることになる。力＋Ｆｚが作用すると、４本の橋梁部３３１〜３３４に撓みが生じ，作用体３１０は図示のように上方向へ移動する。
【００５７】
すると、固定電極Ｅ１５とこれに対向する変位電極（中央部３１５の上面）との距離は小さくなり、固定電極Ｅ２５とこれに対向する変位電極（中央部３１５の下面）との距離は大きくなる。そのため、容量素子Ｃ１５の静電容量値は大きくなり、容量素子Ｃ２５の静電容量値は小さくなる。一方、作用体３１０に、Ｚ軸負方向の力−Ｆｚが作用した場合は、上記各容量素子の静電容量値の増減は逆転する。
【００５８】
したがって、容量差ΔＣ＝Ｃ１５−Ｃ２５を求めれば、Ｚ軸を検出軸とする力の検出値を示すものになる。すなわち、上記容量差ΔＣが正の場合には、Ｚ軸正方向に力が作用していることを示し、上記容量差ΔＣが負の場合には、Ｚ軸負方向に力が作用していることを示し、上記容量差ΔＣの絶対値は、作用している力の大きさを示すものになる。
【００５９】
なお、Ｚ軸の正もしくは負方向のみに力が作用し、作用体が図の上下方向に変位した場合、前述したＸ軸方向に関する力の検出値を示す容量差ΔＣ＝（Ｃ１１＋Ｃ２２）−（Ｃ１２＋Ｃ２１）や、Ｙ軸方向に関する力の検出値を示す容量差ΔＣ＝（Ｃ１３＋Ｃ２４）−（Ｃ１４＋Ｃ２３）は０になる。したがって、Ｚ軸方向に作用した力が、前述したＸ軸もしくはＹ軸方向に作用した力として検出されることはない。
【００６０】
かくして、作用体３１０に作用した各座標軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ（各座標軸方向の加速度αｘ，αｙ，αｚ）を別個独立して検出することが可能になる。
【００６１】
＜＜＜ §３． 開ループ式検出回路 ＞＞＞
図９は、上述した開ループ式検出を行うための検出回路の一例を示す回路図である。この回路図の左端において、符号「Ｅ１１〜Ｅ２５」が付された構成要素は、図２および図６に示した各固定電極Ｅ１１〜Ｅ２５であり、符号「３１０」が付された構成要素は、図１に示す導電性の作用体３１０である。図示のとおり、この作用体３１０は接地されており、その表面（個々の変位電極）は接地電位に維持されている（中間基板３００全体を導電性材料で構成しておけば、図１に示す台座３２０を接地すれば、作用体３１０全体が接地電位に維持される）。既に述べたとおり、各固定電極Ｅ１１〜Ｅ２５と、作用体３１０の対向面（変位電極）とによって、それぞれ容量素子Ｃ１１〜Ｃ２５が形成される。図９の左端に示された符号「Ｃ１１〜Ｃ２５」は、これらの容量素子を示している。
【００６２】
図示のとおり、容量素子Ｃ１１，Ｃ２２は並列接続され、これらの固定電極はＣ／Ｖ変換回路４１１に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１１は、並列接続された容量素子Ｃ１１，Ｃ２２の静電容量値（容量素子Ｃ１１の静電容量値Ｃ１１と容量素子Ｃ２２の静電容量値Ｃ２２との和）をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２１によってデジタル検出信号Ｄ（Ｘ＋）に変換される。
【００６３】
同様に、容量素子Ｃ１２，Ｃ２１は並列接続され、これらの固定電極はＣ／Ｖ変換回路４１２に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１２は、並列接続された容量素子Ｃ１２，Ｃ２１の静電容量値（容量素子Ｃ１２の静電容量値Ｃ１２と容量素子Ｃ２１の静電容量値Ｃ２１との和）をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２２によってデジタル検出信号Ｄ（Ｘ−）に変換される。
【００６４】
ここで、Ｘ軸を検出軸として、作用体３１０が検出軸の正方向への力＋Ｆｘを受けて変位すると電極間隔が狭くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなる容量素子を正側容量素子と呼ぶことにすれば、容量素子Ｃ１１，Ｃ２２は、いずれも正側容量素子であり、デジタル検出信号Ｄ（Ｘ＋）は、正側容量素子の静電容量値を示す信号になる。
【００６５】
逆に、Ｘ軸を検出軸として、作用体３１０が検出軸の正方向への力＋Ｆｘを受けて変位すると電極間隔が広くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなる容量素子を負側容量素子と呼ぶことにすれば、容量素子Ｃ１２，Ｃ２１は、いずれも負側容量素子であり、デジタル検出信号Ｄ（Ｘ−）は、負側容量素子の静電容量値を示す信号になる。
【００６６】
制御ユニット５００は、ここに示す例の場合、マイクロコンピュータによって構成されており、デジタル検出信号Ｄ（Ｘ＋）とＤ（Ｘ−）との差を求める演算「Ｄ（αｘ）＝Ｄ（Ｘ＋）−Ｄ（Ｘ−）」を行う。演算で得られた差Ｄ（αｘ）は、結局、容量差ΔＣ＝（Ｃ１１＋Ｃ２２）−（Ｃ１２＋Ｃ２１）を示すものになり、これは上述したとおり、Ｘ軸を検出軸とする力の検出値を示すものになる。そこで、制御ユニット５００は、得られた差Ｄ（αｘ）をＸ軸方向に作用した力の検出値として出力する。
【００６７】
一方、容量素子Ｃ１３，Ｃ２４は並列接続され、これらの固定電極はＣ／Ｖ変換回路４１３に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１３は、並列接続された容量素子Ｃ１３，Ｃ２４の静電容量値（容量素子Ｃ１３の静電容量値Ｃ１３と容量素子Ｃ２４の静電容量値Ｃ２４との和）をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２３によってデジタル検出信号Ｄ（Ｙ＋）に変換される。
【００６８】
同様に、容量素子Ｃ１４，Ｃ２３は並列接続され、これらの固定電極はＣ／Ｖ変換回路４１４に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１４は、並列接続された容量素子Ｃ１４，Ｃ２３の静電容量値（容量素子Ｃ１４の静電容量値Ｃ１４と容量素子Ｃ２３の静電容量値Ｃ２３との和）をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２４によってデジタル検出信号Ｄ（Ｙ−）に変換される。
【００６９】
ここで、Ｙ軸を検出軸として、作用体３１０が検出軸の正方向への力＋Ｆｙを受けて変位すると電極間隔が狭くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなる容量素子を正側容量素子と呼ぶことにすれば、容量素子Ｃ１３，Ｃ２４は、いずれも正側容量素子であり、デジタル検出信号Ｄ（Ｙ＋）は、正側容量素子の静電容量値を示す信号になる。
【００７０】
逆に、Ｙ軸を検出軸として、作用体３１０が検出軸の正方向への力＋Ｆｙを受けて変位すると電極間隔が広くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなる容量素子を負側容量素子と呼ぶことにすれば、容量素子Ｃ１４，Ｃ２３は、いずれも負側容量素子であり、デジタル検出信号Ｄ（Ｙ−）は、負側容量素子の静電容量値を示す信号になる。
【００７１】
制御ユニット５００は、デジタル検出信号Ｄ（Ｙ＋）とＤ（Ｙ−）との差を求める演算「Ｄ（αｙ）＝Ｄ（Ｙ＋）−Ｄ（Ｙ−）」を行う。演算で得られた差Ｄ（αｙ）は、結局、容量差ΔＣ＝（Ｃ１３＋Ｃ２４）−（Ｃ１４＋Ｃ２３）を示すものになり、これは上述したとおり、Ｙ軸を検出軸とする力の検出値を示すものになる。そこで、制御ユニット５００は、得られた差Ｄ（αｙ）をＹ軸方向に作用した力の検出値として出力する。
【００７２】
また、容量素子Ｃ１５の固定電極はＣ／Ｖ変換回路４１５に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１５は、容量素子Ｃ１５の静電容量値Ｃ１５をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２５によってデジタル検出信号Ｄ（Ｚ＋）に変換される。
【００７３】
同様に、容量素子Ｃ２５の固定電極はＣ／Ｖ変換回路４１６に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１６は、容量素子Ｃ２５の静電容量値Ｃ２５をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２６によってデジタル検出信号Ｄ（Ｚ−）に変換される。
【００７４】
ここで、Ｚ軸を検出軸として、作用体３１０が検出軸の正方向への力＋Ｆｚを受けて変位すると電極間隔が狭くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなる容量素子を正側容量素子と呼ぶことにすれば、容量素子Ｃ１５は正側容量素子であり、デジタル検出信号Ｄ（Ｚ＋）は、正側容量素子の静電容量値を示す信号になる。
【００７５】
逆に、Ｚ軸を検出軸として、作用体３１０が検出軸の正方向への力＋Ｆｚを受けて変位すると電極間隔が広くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなる容量素子を負側容量素子と呼ぶことにすれば、容量素子Ｃ２５は負側容量素子であり、デジタル検出信号Ｄ（Ｚ−）は、負側容量素子の静電容量値を示す信号になる。
【００７６】
制御ユニット５００は、デジタル検出信号Ｄ（Ｚ＋）とＤ（Ｚ−）との差を求める演算「Ｄ（αｚ）＝Ｄ（Ｚ＋）−Ｄ（Ｚ−）」を行う。演算で得られた差Ｄ（αｚ）は、結局、容量差ΔＣ＝Ｃ１５−Ｃ２５を示すものになり、これは上述したとおり、Ｚ軸を検出軸とする力の検出値を示すものになる。そこで、制御ユニット５００は、得られた差Ｄ（αｚ）をＺ軸方向に作用した力の検出値として出力する。
【００７７】
かくして、図１に示す主要構造部に、図９に示す開ループ検出回路を付加すれば、開ループ式検出を行う力検出装置を実現することができる。
【００７８】
＜＜＜ §４． 閉ループ式検出の基本原理 ＞＞＞
さて、§２で説明した開ループ式検出では、作用体３１０に対する変位制御は全く行わず、外力によって生じた作用体３１０の変位をそのまま力の検出値として出力することになる。しかしながら、この開ループ式力検出には、検出対象となる力が比較的小さく、作用体の変位が線形領域内に維持されている限り正確な検出値が得られるが、検出対象となる力が大きくなると、作用体の変位が線形領域を外れ、検出精度が低下する問題があることは、既に述べたとおりである。
【００７９】
図１０は、図１に示す主要構造部の作用体３１０に作用した加速度αと変位ｄとの関係を示すグラフである。作用体３１０に作用した加速度αと、この加速度αに起因して作用体３１０に加わる力Ｆとの間には、作用体３１０の質量をｍとして、Ｆ＝ｍαなる関係が成り立つので、作用体３１０の質量ｍが一定である限り、力Ｆは加速度αに比例した値になり、実質的に、力Ｆは加速度αと等価な物理量として取り扱うことができる。
【００８０】
そして、作用体３１０に力Ｆが作用すると、可撓性接続部材として機能する４本の橋梁部３３１〜３３４が撓みを生じ、作用体３１０が変位を生じることになる。ここで、仮に橋梁部３３１〜３３４が完全にバネとして機能し、その伸びがフックの法則に従うとしても、図７や図８に示す変位状態を見ればわかるとおり、作用体３１０の各座標軸方向の変位は、橋梁部３３１〜３３４の伸びに線形対応するものではない。したがって、所定の検出軸方向に作用した加速度αと、この加速度αに起因した力Ｆによって作用体３１０に生じる当該検出軸方向の変位ｄとの間には、正確な線形関係が維持されるものではない。
【００８１】
ただ、図１０のグラフに示すように、加速度αの絶対値が小さい領域、別言すれば、変位ｄの絶対値が小さい領域では、所定の検出精度において、加速度αと変位ｄとの間に線形関係がある取り扱いを行うことができる。図１０に示す例の場合、加速度αが、α２＜α＜α１の範囲内（α２は負の加速度）、別言すれば、変位ｄが、ｄ２＜ｄ＜ｄ１の範囲内（ｄ２は負の変位）が、線形領域（線形関係があるとする取り扱いを行うことができる領域）となっている。したがって、図示の例では、α２＜α＜α１の範囲内の加速度αを検出する上では、§２で説明した開ループ式検出を適用しても、所定の検出精度をもった検出結果を得ることができるが、加速度αの絶対値がそれ以上大きくなると、非線形領域に入るため、検出精度は低下せざるを得ない。
【００８２】
容量素子を利用して作用体の変位検出を行うタイプの装置では、更に、別な問題が加わってくる。すなわち、容量素子の静電容量値は、電極間隔に反比例するため、容量差ΔＣと変位ｄとの間にも、線形関係は得られない。ただ、変位ｄが小さい領域では、近似的に両者間に線形関係があるとする取り扱いを行うことができる。
【００８３】
このような事情から、図９に示す制御ユニット５００から出力される検出値Ｄ（αｘ），Ｄ（αｙ），Ｄ（αｚ）は、加速度の値αｘ，αｙ，αｚが大きくなればなるほど、誤差を含んだ不正確な値にならざるを得ない。
【００８４】
このような問題を解消するために、前掲の特許文献６などには、閉ループ式（サーボ式）検出の手法が開示されている。この閉ループ式の検出では、作用体３１０の変位が常に０となるようなフィードバック制御が行われる。すなわち、外力によって作用体３１０が変位しようとした場合、当該外力に対する抗力を作用させて作用体３１０の位置を基準位置に維持させる制御が行われる。そして、作用体を基準位置に維持させるための抗力発生に要した電気エネルギーの大きさが、作用した外力の大きさとして検出される。
【００８５】
たとえば、図１０に示すグラフにおいて、加速度α１が作用した場合、フィードバック制御を行わないと、作用体３１０は変位ｄ１を生じる位置まで移動することになる。閉ループ式の検出では、この場合、作用体３１０を基準位置（変位ｄ＝０の位置）まで押し戻す抗力を加えるフィードバック制御を行い、作用体３１０が基準位置を維持するようにし、そのとき加えた抗力を測定し、この抗力の大きさを、作用した加速度α１の大きさを示す検出値として出力することになる。
【００８６】
＜＜＜ §５． 閉ループ式検出回路 ＞＞＞
図１１は、このような閉ループ式の検出を行うために利用されるフィードバック制御回路の基本構成を示す回路図である。この図１１では、説明の便宜上、図の縦方向を唯一の検出軸とした一次元の力検出装置の例を示してある。図の左側には、導電性の作用体３１０と、上方に設けられた固定電極Ｅ１と、下方に設けられた固定電極Ｅ２とが描かれている。導電性の作用体３１０は接地電位に維持されており、固定電極Ｅ１と作用体３１０の上面部分（変位電極）とによって、正側容量素子Ｃ１が構成され、固定電極Ｅ２と作用体３１０の下面部分（変位電極）とによって、負側容量素子Ｃ２が構成されている。
【００８７】
ここで、正側容量素子Ｃ１は、作用体３１０に固定された変位電極（実際には、作用体３１０の上面部分）と筐体に固定された固定電極Ｅ１とによって構成され、作用体３１０が検出軸の正方向（図１１の上方向）への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなり、負方向（図１１の下方向）への力を受けて変位すると電極間隔が広くなる容量素子である。また、負側容量素子Ｃ２は、作用体３１０に固定された変位電極（実際には、作用体３１０の下面部分）と筐体に固定された固定電極Ｅ２とによって構成され、作用体３１０が検出軸の正方向（図１１の上方向）への力を受けて変位すると電極間隔が広くなり、負方向（図１１の下方向）への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなる容量素子である。
【００８８】
図１１において、作用体３１０の中心に示されている点Ｇは、この作用体の重心を示しており、図には、この重心Ｇが基準位置ｄ０に維持されている状態が示されている。基準位置ｄ０は、この力検出装置に何ら外力が作用していない状態における作用体の重心Ｇの位置であり、ここに示す実施形態の場合、固定電極Ｅ１，Ｅ２の中間点に基準位置ｄ０が設定されている。したがって、作用体３１０（の重心Ｇ）が、この基準位置ｄ０にある状態では、正側容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１と負側容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２とは等しくなり、容量差をΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２と定義した場合、ΔＣ＝０になる。
【００８９】
図１に示す主要構造部は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸をそれぞれ独立した検出軸とする三次元力検出装置に利用されるものであるが、各座標軸方向の検出原理は、いずれも図１１に示す一次元力検出装置の検出原理と同じである。
【００９０】
すなわち、Ｘ軸を検出軸とする場合、図９の回路図でも説明したとおり、容量素子Ｃ１１，Ｃ２２が正側容量素子として図１１の容量素子Ｃ１に対応し、容量素子Ｃ１２，Ｃ２１が負側容量素子として図１１の容量素子Ｃ２に対応する。図１に示す主要構造部の場合、Ｘ軸方向の力が作用した場合、作用体３１０は図７に示すように傾斜することになるが、Ｘ軸正方向への力を受けると正側容量素子の電極間隔が狭くなり、負側容量素子の電極間隔が広くなり、Ｘ軸負方向への力を受けると、正側容量素子の電極間隔が広くなり、負側容量素子の電極間隔が狭くなる、という基本原理に変わりはない。
【００９１】
一方、Ｙ軸を検出軸とする場合、図９の回路図でも説明したとおり、容量素子Ｃ１３，Ｃ２４が正側容量素子として図１１の容量素子Ｃ１に対応し、容量素子Ｃ１４，Ｃ２３が負側容量素子として図１１の容量素子Ｃ２に対応する。この場合も、やはりＹ軸正方向への力を受けると正側容量素子の電極間隔が狭くなり、負側容量素子の電極間隔が広くなり、Ｙ軸負方向への力を受けると、正側容量素子の電極間隔が広くなり、負側容量素子の電極間隔が狭くなる、という基本原理に変わりはない。
【００９２】
また、Ｚ軸を検出軸とする場合、図９の回路図でも説明したとおり、容量素子Ｃ１５が正側容量素子として図１１の容量素子Ｃ１に対応し、容量素子Ｃ２５が負側容量素子として図１１の容量素子Ｃ２に対応する。この場合も、やはりＺ軸正方向への力を受けると正側容量素子の電極間隔が狭くなり、負側容量素子の電極間隔が広くなり、Ｚ軸負方向への力を受けると、正側容量素子の電極間隔が広くなり、負側容量素子の電極間隔が狭くなる、という基本原理に変わりはない。
【００９３】
図１１に示すとおり、固定電極Ｅ１はカップリング用容量素子Ｃ４１を介してＣ／Ｖ変換回路４１に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４１は、容量素子Ｃ１の静電容量値（同じ符号Ｃ１で示す）をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４２によってデジタル検出信号Ｄ（＋）に変換される。同様に、固定電極Ｅ２はカップリング用容量素子Ｃ４５を介してＣ／Ｖ変換回路４５に接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路４５は、容量素子Ｃ２の静電容量値（同じ符号Ｃ２で示す）をアナログ検出電圧に変換する回路である。このアナログ検出電圧は、Ａ／Ｄ変換回路４６によってデジタル検出信号Ｄ（−）に変換される。
【００９４】
制御ユニット５０は、ここに示す例の場合、マイクロコンピュータによって構成されており、デジタル検出信号Ｄ（＋）とＤ（−）との差を求める演算を行う。求めた差は、容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１と容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２との差、すなわち、容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２を示すものになる。この容量差ΔＣは符号をもった量であり、図１１に示す例のように、図の上下方向に検出軸を設定した場合であれば、ΔＣ＞０は、作用体３１０が基準位置ｄ０よりも上方に変位していることを示し、ΔＣ＜０は、作用体３１０が基準位置ｄ０よりも下方に変位していることを示し、ΔＣ＝０は、作用体３１０が基準位置ｄ０にあることを示す（図１に示す主要構造部において、Ｘ軸もしくはＹ軸を検出軸とした場合、ΔＣは作用体３１０の重心ＧのＸ軸もしくはＹ軸に関する変位を示すことになる）。
【００９５】
また、制御ユニット５０は、この容量差ΔＣに基づいて、所定の駆動電圧を示すデジタル駆動信号Ｅ（＋），Ｅ（−）を出力する制御処理を行う。図示のとおり、デジタル駆動信号Ｅ（＋）は、これをアナログ駆動信号に変換するＤ／Ａ変換回路４３に与えられ、変換後のアナログ駆動信号は、ドライバ回路４４に与えられる。ドライバ回路４４は、このアナログ駆動信号に基づく所定の駆動電圧Ｖ１を固定電極Ｅ１に印加する。同様に、デジタル駆動信号Ｅ（−）は、これをアナログ駆動信号に変換するＤ／Ａ変換回路４７に与えられ、変換後のアナログ駆動信号は、ドライバ回路４８に与えられる。ドライバ回路４８は、このアナログ駆動信号に基づく所定の駆動電圧Ｖ２を固定電極Ｅ２に印加する。
【００９６】
結局、図１１に示す回路において、Ｃ／Ｖ変換回路４１およびＡ／Ｄ変換回路４２は、正側容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１をデジタル検出信号Ｄ（＋）として検出する検出手段として機能し、Ｄ／Ａ変換回路４３およびドライバ回路４４は、正側容量素子Ｃ１を構成する電極間に駆動電圧Ｖ１を印加してクーロン力を作用させる駆動手段として機能する。同様に、Ｃ／Ｖ変換回路４５およびＡ／Ｄ変換回路４６は、負側容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２をデジタル検出信号Ｄ（−）として検出する検出手段として機能し、Ｄ／Ａ変換回路４７およびドライバ回路４８は、負側容量素子Ｃ２を構成する電極間に駆動電圧Ｖ２を印加してクーロン力を作用させる駆動手段として機能する。
【００９７】
ここに示す例の場合、各容量素子Ｃ１，Ｃ２の変位電極（作用体３１０の表面）が共通の接地電位に維持されているため、駆動手段は、個々の固定電極Ｅ１，Ｅ２にそれぞれ駆動電圧Ｖ１，Ｖ２を印加することにより、個々の容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する電極間にクーロン力を作用させるための電圧Ｖ１，Ｖ２を生じさせることができる。もちろん、原理的には、変位電極は必ずしも接地電位に固定する必要はない。各容量素子Ｃ１，Ｃ２を構成する電極間に何らかの電位差を生じさせてクーロン力を作用させることができれば、個々の変位電極や個々の固定電極の電位は任意に設定することができる。ただ、実用上は、図１１に示す例のように、各変位電極を共通の接地電位に固定し、個々の固定電極に、それぞれ必要な電圧を印加するような回路を用いるのが好ましい。
【００９８】
なお、図１１に示す回路において、検出手段４１，４２，４５，４６をカップリング用容量素子Ｃ４１，Ｃ４５を介して容量素子Ｃ１，Ｃ２に接続し、駆動手段４３，４４，４７，４８を抵抗素子Ｒ４４，Ｒ４８を介して容量素子Ｃ１，Ｃ２に接続しているのは、検出手段を構成する回路と駆動手段を構成する回路とを電気的に分離するためである。すなわち、正側容量素子Ｃ１および負側容量素子Ｃ２には、それぞれ検出手段と駆動手段との双方が接続されることになるが、検出手段を、カップリング用容量素子Ｃ４１，Ｃ４５を介して正側容量素子Ｃ１，負側容量素子Ｃ２に接続し、駆動手段を、抵抗素子Ｒ４４，Ｒ４８を介して正側容量素子Ｃ１，負側容量素子Ｃ２に接続することにより、検出手段は、駆動手段が印加した駆動電圧Ｖ１，Ｖ２とは無関係に、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値を測定することができ、また、駆動手段は、検出手段の検出動作とは無関係に、固定電極Ｅ１，Ｅ２に所望の駆動電圧Ｖ１，Ｖ２を印加することができる。
【００９９】
制御ユニット５０は、容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２（具体的には、デジタル検出信号の差Ｄ（＋）−Ｄ（−））に基づいて、ΔＣ＞０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行う。
【０１００】
容量差ΔＣは、「ΔＣ＝Ｃ１（正側容量素子の静電容量値）−Ｃ２（負側容量素子の静電容量値）」として定義される符号をもった量であるから、作用体３１０が検出軸正方向に変位するとΔＣ＞０になり、検出軸負方向に変位するとΔＣ＜０になる。このような点で、容量差ΔＣの符号は検出軸の符号と一致し、ΔＣが正なら検出軸正方向への変位を示し、ΔＣが負なら検出軸負方向への変位を示すことになる。
【０１０１】
一方、印加電圧差ΔＶも、「ΔＶ＝Ｖ２（負側容量素子の電極間に印加する電圧）−Ｖ１（正側容量素子の電極間に印加する電圧）」として定義される符号をもった量であり、作用体３１０に対して加える力の方向を示す量になる。すなわち、印加電圧差ΔＶ＞０の場合には、Ｖ２＞Ｖ１ということになるので、図１１において、下方に向けたクーロン力の方が上方に向けたクーロン力よりも大きくなり、作用体３１０には、下方へ移動させる力が加わることになる。逆に、印加電圧差ΔＶ＜０の場合には、Ｖ１＞Ｖ２ということになるので、図１１において、上方に向けたクーロン力の方が下方に向けたクーロン力よりも大きくなり、作用体３１０には、上方へ移動させる力が加わることになる。このような点で、印加電圧差ΔＶの符号は検出軸の符号と逆になり、ΔＶが正なら検出軸負方向への力が加えられることを示し、ΔＶが負なら検出軸正方向への力が加えられることを示すことになる。
【０１０２】
このように、本願における容量差ΔＣおよび印加電圧差ΔＶは、いずれも正および負の符号をもった量であり、これらの量についての「増加」もしくは「減少」とは、その絶対値の増減を意味するものではなく、符号を考慮した量の増減を意味するものである。たとえば、「＋３から＋８への変化は増加」であるが、「＋３から−８への変化は減少」である。
【０１０３】
制御ユニット５０によるフィードバック制御は、上述したように、ΔＣ＞０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させる制御になる。これは、図１１における作用体３１０が上方に変位していた場合に、下方へ移動させる力を加える制御ということになる。逆に、ΔＣ＜０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させる制御になるが、これは、図１１における作用体３１０が下方に変位していた場合に、上方へ移動させる力を加える制御ということになる。結局、制御ユニット５０によるフィードバック制御は、作用体３１０が外力の作用を受けて基準位置ｄ０から変位しようとしたら、作用体３１０を基準位置ｄ０に維持させるための抗力を加える制御ということになる。
【０１０４】
なお、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させる制御としては、電圧Ｖ２を増加させる制御（制御ユニット５０の動作としては、デジタル駆動信号Ｅ（−）を増加させる制御）を行ってもよいし、逆に、電圧Ｖ１を減少させる制御（制御ユニット５０の動作としては、デジタル駆動信号Ｅ（＋）を減少させる制御）を行ってもよい。同様に、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させる制御としては、電圧Ｖ２を減少させる制御（制御ユニット５０の動作としては、デジタル駆動信号Ｅ（−）を減少させる制御）を行ってもよいし、逆に、電圧Ｖ１を増加させる制御（制御ユニット５０の動作としては、デジタル駆動信号Ｅ（＋）を増加させる制御）を行ってもよい。
【０１０５】
このように、図１１に示す駆動手段４３，４４は、正側容量素子Ｃ１を構成する固定電極Ｅ１に駆動電圧Ｖ１（Ｖ１≧０）を印加して、作用体３１０に対して図の上方へのクーロン引力を作用させる機能を有し、駆動手段４７，４８は、負側容量素子Ｃ２を構成する固定電極Ｅ２に駆動電圧Ｖ２（Ｖ２≧０）を印加して、作用体３１０に対して図の下方へのクーロン引力を作用させる機能を有している。そして、上述したように、駆動電圧Ｖ１，Ｖ２を同時に作用させることも可能である。この場合、作用体３１０は、図の上下両方向に作用するクーロン力によって綱引きされることになり、その差し引きの結果として、より大きな駆動電圧が供給された固定電極に向かう方向の力が加わることになる。
【０１０６】
このように、上下両方向にクーロン力を作用させて綱引きさせると、エネルギー効率は低下するが、より安定した制御系を実現できる。制御ユニット５０は、ΔＣ＞０の場合には、駆動電圧Ｖ１を減少させて（但し、下限は０）、駆動電圧Ｖ２を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、駆動電圧Ｖ２を減少させて（但し、下限は０）、駆動電圧Ｖ１を増加させる制御を行うようにすればよい。
【０１０７】
制御ユニット５０が行う上述の制御は、作用体３１０に作用している外力に等しい抗力を逆向きに加え、変位（容量差ΔＣ）が常に０になるようにする制御ということになる。したがって、このような制御が正確に行われれば、印加電圧差ΔＶの大きさ（加えた抗力の大きさ）は、作用した外力の大きさを示すことになり、印加電圧差ΔＶの符号は、作用した外力の向きを示すことになる。そこで、制御ユニット５０は、この印加電圧差ΔＶを、作用した外力（この例の場合、検出軸方向の加速度α）のデジタル検出値Ｄ（α）として出力することができる。以上が、この図１１に示す閉ループ式検出回路における制御ユニット５０の基本的な動作である（実際には、§７，§８で述べるように、本発明では、若干異なる動作が行われる）。
【０１０８】
続いて、この図１１に示す一次元の力検出装置用の検出回路を、三次元の力検出装置に適用した例を図１２に示す。図１２は、図１に示す主要構造部に適用可能な閉ループ式検出回路の一例を示す回路図であり、基本的には、図９に示す開ループ式検出回路に、駆動手段を付加した形態をとる。そこで、以下、図９に示す回路との相違点のみを述べることにする。
【０１０９】
まず、Ｘ軸を検出軸とする正側容量素子Ｃ１１，Ｃ２２の固定電極Ｅ１１，Ｅ２２に、デジタル駆動信号Ｅ（Ｘ＋）に基づく所定の駆動電圧を印加する駆動手段として、Ｄ／Ａ変換回路４３１およびドライバ回路４４１が付加され、負側容量素子Ｃ１２，Ｃ２１の固定電極Ｅ１２，Ｅ２１に、デジタル駆動信号Ｅ（Ｘ−）に基づく所定の駆動電圧を印加する駆動手段として、Ｄ／Ａ変換回路４３２およびドライバ回路４４２が付加されている。
【０１１０】
ここで、検出手段と駆動手段とを回路上で分離するために、固定電極Ｅ１１，Ｅ２２は、カップリング用容量素子Ｃ４１１を介してＣ／Ｖ変換回路４１１に接続され、また、抵抗素子Ｒ４４１を介してドライバ回路４４１に接続されている。同様に、固定電極Ｅ１２，Ｅ２１は、カップリング用容量素子Ｃ４１２を介してＣ／Ｖ変換回路４１２に接続され、また、抵抗素子Ｒ４４２を介してドライバ回路４４２に接続されている。
【０１１１】
一方、Ｙ軸を検出軸とする正側容量素子Ｃ１３，Ｃ２４の固定電極Ｅ１３，Ｅ２４に、デジタル駆動信号Ｅ（Ｙ＋）に基づく所定の駆動電圧を印加する駆動手段として、Ｄ／Ａ変換回路４３３およびドライバ回路４４３が付加され、負側容量素子Ｃ１４，Ｃ２３の固定電極Ｅ１４，Ｅ２３に、デジタル駆動信号Ｅ（Ｙ−）に基づく所定の駆動電圧を印加する駆動手段として、Ｄ／Ａ変換回路４３４およびドライバ回路４４４が付加されている。
【０１１２】
ここで、検出手段と駆動手段とを回路上で分離するために、固定電極Ｅ１３，Ｅ２４は、カップリング用容量素子Ｃ４１３を介してＣ／Ｖ変換回路４１３に接続され、また、抵抗素子Ｒ４４３を介してドライバ回路４４３に接続されている。同様に、固定電極Ｅ１４，Ｅ２３は、カップリング用容量素子Ｃ４１４を介してＣ／Ｖ変換回路４１４に接続され、また、抵抗素子Ｒ４４４を介してドライバ回路４４４に接続されている。
【０１１３】
更に、Ｚ軸を検出軸とする正側容量素子Ｃ１５の固定電極Ｅ１５に、デジタル駆動信号Ｅ（Ｚ＋）に基づく所定の駆動電圧を印加する駆動手段として、Ｄ／Ａ変換回路４３５およびドライバ回路４４５が付加され、負側容量素子Ｃ２５の固定電極Ｅ２５に、デジタル駆動信号Ｅ（Ｚ−）に基づく所定の駆動電圧を印加する駆動手段として、Ｄ／Ａ変換回路４３６およびドライバ回路４４６が付加されている。
【０１１４】
ここで、検出手段と駆動手段とを回路上で分離するために、固定電極Ｅ１５は、カップリング用容量素子Ｃ４１５を介してＣ／Ｖ変換回路４１５に接続され、また、抵抗素子Ｒ４４５を介してドライバ回路４４５に接続されている。同様に、固定電極Ｅ２５は、カップリング用容量素子Ｃ４１６を介してＣ／Ｖ変換回路４１６に接続され、また、抵抗素子Ｒ４４６を介してドライバ回路４４６に接続されている。
【０１１５】
なお、この実施形態の場合、制御ユニット５００は、プロセッサと、このプロセッサに実行させるべきプログラムが格納されたメモリと、を有するマイクロコンピュータによって構成されており、当該プログラムに基づいて、所定の制御処理を実行する。
【０１１６】
図１２に示す制御ユニット５００が行う基本的な処理は、図１１に示す制御ユニット５０が行う基本的な処理と同じである。すなわち、Ｘ軸を検出軸とする検出処理として、Ｘ軸に関する容量差ΔＣを、デジタル検出信号Ｄ（Ｘ＋），Ｄ（Ｘ−）を用いて、「ΔＣ＝Ｄ（Ｘ＋）−Ｄ（Ｘ−）」なる演算によって求め、ΔＣ＞０の場合には、Ｘ軸に関する印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、Ｘ軸に関する印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行う。
【０１１７】
ここで、Ｘ軸に関する印加電圧差ΔＶは、デジタル駆動信号Ｅ（Ｘ＋），Ｅ（Ｘ−）を用いて、「ΔＶ＝Ｅ（Ｘ−）−Ｅ（Ｘ＋）」なる演算で定まる量になるので、前述したとおり、Ｅ（Ｘ＋），Ｅ（Ｘ−）を増減することにより任意に設定できる。そして、このＸ軸に関する印加電圧差ΔＶを、作用したＸ軸方向の外力（この例の場合、Ｘ軸方向の加速度αｘ）のデジタル検出値Ｄ（αｘ）として出力できる（実際には、§７，§８で述べるように、本発明における検出値は若干異なる方法で決定される）。
【０１１８】
同様に、Ｙ軸を検出軸とする検出処理として、Ｙ軸に関する容量差ΔＣを、デジタル検出信号Ｄ（Ｙ＋），Ｄ（Ｙ−）を用いて、「ΔＣ＝Ｄ（Ｙ＋）−Ｄ（Ｙ−）」なる演算によって求め、ΔＣ＞０の場合には、Ｙ軸に関する印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、Ｙ軸に関する印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行う。
【０１１９】
ここで、Ｙ軸に関する印加電圧差ΔＶは、デジタル駆動信号Ｅ（Ｙ＋），Ｅ（Ｙ−）を用いて、「ΔＶ＝Ｅ（Ｙ−）−Ｅ（Ｙ＋）」なる演算で定まる量になるので、前述したとおり、Ｅ（Ｙ＋），Ｅ（Ｙ−）を増減することにより任意に設定できる。そして、このＹ軸に関する印加電圧差ΔＶを、作用したＹ軸方向の外力（この例の場合、Ｙ方向の加速度αｙ）のデジタル検出値Ｄ（αｙ）として出力できる（実際には、§７，§８で述べるように、本発明における検出値は若干異なる方法で決定される）。
【０１２０】
更に、Ｚ軸を検出軸とする検出処理として、Ｚ軸に関する容量差ΔＣを、デジタル検出信号Ｄ（Ｚ＋），Ｄ（Ｚ−）を用いて、「ΔＣ＝Ｄ（Ｚ＋）−Ｄ（Ｚ−）」なる演算によって求め、ΔＣ＞０の場合には、Ｚ軸に関する印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、Ｚ軸に関する印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行う。
【０１２１】
ここで、Ｚ軸に関する印加電圧差ΔＶは、デジタル駆動信号Ｅ（Ｚ＋），Ｅ（Ｚ−）を用いて、「ΔＶ＝Ｅ（Ｚ−）−Ｅ（Ｚ＋）」なる演算で定まる量になるので、前述したとおり、Ｅ（Ｚ＋），Ｅ（Ｚ−）を増減することにより任意に設定できる。そして、このＺ軸に関する印加電圧差ΔＶを、作用したＺ軸方向の外力（この例の場合、Ｚ方向の加速度αｚ）のデジタル検出値Ｄ（αｚ）として出力できる（実際には、§７，§８で述べるように、本発明における検出値は若干異なる方法で決定される）。
【０１２２】
＜＜＜ §６． 従来の閉ループ式検出方法 ＞＞＞
上述した§５では、図１１に示す制御ユニット５０による検出軸方向に作用した力の検出処理および図１２に示す制御ユニット５００によるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のそれぞれの方向に作用した力の検出処理について説明した。この§５で説明した検出方法は、従来から知られている一般的な閉ループ式検出方法に基づくものであり、作用した外力の大小にかかわらず、常に変位０の状態で測定を行うことを前提としている。そのため、§２で述べた開ループ式検出方法において問題となった非線形性に起因する検出誤差は解消することになる。
【０１２３】
しかしながら、正確な検出値を得るためには、作用体を常に基準位置に正確に維持する正確な制御が必要になり、検出精度は、フィードバック制御の精度に依存したものになる。ここでは、まず、この点を具体的なグラフを用いて説明しよう。
【０１２４】
図１３は、従来の一般的な閉ループ式検出方法によるフィードバック制御動作を示す第１のグラフである。ここでは、説明の便宜上、図１１に示す制御ユニット５０による検出軸方向に作用した力の検出処理を例にとって説明を行う。この図１３に示すグラフの縦軸は容量差ΔＣ（単位ｆＦ）、横軸は印加電圧差ΔＶ（単位Volt）を示している。
【０１２５】
容量差ΔＣは、既に述べたとおり、正側容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１と、負側容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２との差「ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２」で定義される符号をもった量であり、作用体の基準位置からの変位を示している。このグラフにおいて、ΔＣ＝０の位置は、作用体が基準位置ｄ０にある状態を示し、ΔＣ＞０の領域は作用体が基準位置ｄ０より上方に変位している状態を示し、ΔＣ＜０の領域は作用体が基準位置ｄ０より下方に変位している状態を示す。
【０１２６】
一方、印加電圧差ΔＶは、既に述べたとおり、正側容量素子Ｃ１を構成する電極間に印加する電圧Ｖ１と負側容量素子Ｃ２を構成する電極間に印加する電圧Ｖ２とについて、「ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１」なる式で定義される差であり、やはり符号をもった量になる。この印加電圧差ΔＶは、作用体に加えている抗力（クーロン力）の向きと大きさとを示す。このグラフにおいて、ΔＶ＝０の位置は、作用体に何ら抗力を加えていない状態を示し、ΔＶ＞０の領域は作用体に負側容量素子の電極間隔を狭くさせる抗力が作用している状態を示し、ΔＶ＜０の領域（図１３には示されていない）は作用体に正側容量素子の電極間隔を狭くさせる抗力が作用している状態を示す。
【０１２７】
いま、作用体に何ら抗力を加えない場合に、容量差ΔＣ＝４ｆＦが検出される場合を考えてみよう。これは、図１１に示す例において、作用体３１０に対して、上方向に所定の加速度α１が作用した結果、作用体３１０が上方向に変位した場合に対応する。§２で述べた開ループ式検出を行うのであれば、容量差ΔＣを検出し、これを作用した加速度α１を示す検出値として出力することになる。この場合、４ｆＦに対応する値が加速度α１を示す検出値として出力される。しかしながら、この開ループ式検出では、加速度α１の絶対値が大きくなればなるほど、非線形性に基づく誤差が大きくなることは、既に述べたとおりである。
【０１２８】
そこで、閉ループ式検出では、容量差ΔＣを０に維持するフィードバック制御が行われる。図示の例の場合、ΔＣ＞０であるから、ΔＶを増加させる制御（Ｖ２を増加させるか、Ｖ１を減少させる制御）が行われることになる。たとえば、加速度α１が作用している環境において、印加電圧を、初期状態「Ｖ１＝０，Ｖ２＝０」から、Ｖ１＝０を維持しつつ、Ｖ２を徐々に増加させてゆくと、ΔＶは０から徐々に増加してゆくことになる。その結果、図１１に示す例において、作用体３１０に対する下方向への抗力が増加してゆき、作用体３１０の位置は下方向へ修正されることになる。これにより、容量差ΔＣは減少してゆく。
【０１２９】
このように、ΔＶを０から徐々に増加させてゆくと、図１３のグラフＧ１に示すように、容量差ΔＣは４ｆＦから徐々に減少してゆき、やがて点Ｐ１に到達し、ΔＣ＝０になる。ここで、もし、ΔＶを更に増加させてゆくと、容量差ΔＣはグラフＧ１に示すとおり負の値をとることになる。もちろん、容量差ΔＣが負の値になった場合には、今度はΔＶを減少させる制御が行われることになるので、容量差ΔＣは徐々に増加してゆき、結局、点Ｐ１に到達することになる。
【０１３０】
ここで、点Ｐ１に到達した時点、すなわち、ΔＣ＝０になった時点における印加電圧差ΔＶを、図示のとおりＶα１とすれば、このＶα１は加速度α１に起因して生じた力を示す検出値になる。なぜなら、ΔＣ＝０になった時点で、作用体３１０は基準位置ｄ０に位置することになるので、この状態において、加速度α１に起因して生じた力と、印加電圧差Ｖα１に起因して生じた抗力とが拮抗しているからである。
【０１３１】
結局、制御ユニット５０が行うフィードバック制御は、図１３のグラフＧ１に沿って、制御系を点Ｐ１の状態へもってゆく処理ということになり、制御系が点Ｐ１の状態となったときの印加電圧差ΔＶ（＝Ｖα１）が、作用した加速度α１の検出値として出力されることになる。そこで、以下、点Ｐ１を検出点と呼ぶことにする。
【０１３２】
なお、ここでは説明の便宜上、グラフＧ１を直線で示しているが、クーロン力は印加電圧の２乗に比例する量であり、また、加えたクーロン力と変位との間にも必ずしも線形関係は維持されず、更に変位と静電容量値との間にも線形関係は成り立たないので、実際には、グラフＧ１は直線にはならない（後述するグラフＧ２〜Ｇ４についても同様）。
【０１３３】
図１４は、図１１に示す例において、作用体３１０に対して、上方向に所定の加速度α２（α１よりも絶対値が大きい加速度）が作用しているときに、制御ユニット５０によって行われるフィードバック制御動作を示すグラフである。図示のとおり、ΔＶ＝０におけるグラフＧ２の容量差はΔＣ＝５ｆＦになっているが、これは作用した加速度α２の絶対値が、図１３に示す場合の加速度α１の絶対値よりも大きいことを示している。
【０１３４】
この場合も、制御ユニット５０によって、容量差ΔＣを０に維持するフィードバック制御が行われ、制御系を検出点Ｐ２の状態へもってゆく処理がなされる。そして、制御系が検出点Ｐ２の状態となったときの印加電圧差ΔＶ（＝Ｖα２）が、作用した加速度α２の検出値として出力される。この例では、α２＞α１であるので、Ｖα２＞Ｖα１となり、図１３に示す検出点Ｐ１に比べて、図１４に示す検出点Ｐ２は、横軸上でより右側に位置する点になっている。
【０１３５】
一方、図１５は、図１１に示す例において、作用体３１０に対して、下方向に所定の加速度α３（α１と絶対値が等しく向きが逆の加速度）が作用しているときに、制御ユニット５０によって行われるフィードバック制御動作を示すグラフである。下方向の加速度α３は、検出軸負方向を向いた加速度であるので、α３は負の値をとり、ΔＶ＝０におけるグラフＧ３の容量差はΔＣ＝−４ｆＦになる。
【０１３６】
この場合も、制御ユニット５０によって、容量差ΔＣを０に維持するフィードバック制御が行われ、制御系を検出点Ｐ３の状態へもってゆく処理がなされる。ただ、ΔＶ＝０における容量差ΔＣが負の値をとっているので、制御系を検出点Ｐ３の状態へもってゆくためには、印加電圧差ΔＶも負にする必要がある（すなわち、Ｖ１＞Ｖ２にする必要がある）。そして、制御系が検出点Ｐ３の状態となったときの印加電圧差ΔＶ（＝Ｖα３）が、作用した加速度α３の検出値として出力される。ここで、Ｖα３は負の値をとる。
【０１３７】
更に、図１６は、図１１に示す例において、作用体３１０に対して、下方向に所定の加速度α４（α２と絶対値が等しく向きが逆の加速度）が作用しているときに、制御ユニット５０によって行われるフィードバック制御動作を示すグラフである。下方向の加速度α４は、検出軸負方向を向いた加速度であるので、α４は負の値をとり、ΔＶ＝０におけるグラフＧ３の容量差はΔＣ＝−５ｆＦになる。
【０１３８】
この場合も、制御ユニット５０によって、容量差ΔＣを０に維持するフィードバック制御が行われ、制御系を検出点Ｐ４の状態へもってゆく処理がなされる。やはり、ΔＶ＝０における容量差ΔＣが負の値をとっているので、制御系を検出点Ｐ４の状態へもってゆくためには、印加電圧差ΔＶも負にする必要がある。そして、制御系が検出点Ｐ４の状態となったときの印加電圧差ΔＶ（＝Ｖα４）が、作用した加速度α４の検出値として出力される。ここで、Ｖα４は負の値をとる。
【０１３９】
このように、従来の閉ループ式検出方法は、フィードバック制御により、常に作用体の変位が０の状態で測定を行うことが前提となっている。たとえば、図１３〜図１６のグラフＧ１〜Ｇ４に示す具体的な事例の場合、常に、制御系を検出点Ｐ１〜Ｐ４の状態にもってゆき、この状態での印加電圧差Ｖα１〜Ｖα４を検出値として出力することが前提となっている。別言すれば、理想的なフィードバック制御が行われなかったために、制御系を検出点Ｐ１〜Ｐ４の位置に正確にもってゆくことができなかった場合（ΔＣが正確に０にはならなかった場合）、検出値として出力された印加電圧差ΔＶは誤差を含んだものになる。このように、検出精度は、フィードバック制御の精度に依存したものになってしまう。
【０１４０】
もちろん、図１１に示す制御ユニット５０や、図１２に示す制御ユニット５００に、より高精度のフィードバック制御機能をもたせておけば、より高精度の検出値を得ることは可能である。しかしながら、高精度のフィードバック制御機能を実現するためには、より高度で複雑な制御系が必要になり、それだけ製造コストも高騰せざるを得ない。一般に、フィードバック制御系において、性能を高めるために制御ゲインを上げると、制御系が発振する弊害が知られている。このため、安定した制御系を設計するためには、高度の技術が必要とされ、また、複雑なハードウエアが要求される。
【０１４１】
本発明は、上述したような容量素子を用いた閉ループ式の力検出装置において、比較的単純な制御系を用いながら、高精度な検出結果を得ることができる技術を提供することを目的とするものである。続いて、本発明の基本概念を、§７および§８で説明する。
【０１４２】
＜＜＜ §７． 本発明の閉ループ式検出方法（その１） ＞＞＞
上述したとおり、従来の閉ループ式検出方法は、「作用体の変位が０の状態で測定を行う」ことが前提となっているため、検出精度を高めるためには、制御精度も高める必要が生じる。これに対して、本発明の基本概念は、「作用体の変位が０の状態で測定を行う」という前提には捕われない検出を行う点にある。この§７で述べる第１の方法では、「作用体の変位が、必要とされる検出精度に応じた所定の線形領域内であれば測定を行う」という方針をとる。したがって、従来の閉ループ式検出方法のように、作用体の位置を正確に基準位置に維持させるような高精度な制御を行う必要がなくなり、比較的単純な制御系を用いた装置を実現できる。
【０１４３】
もちろん、作用体の位置が基準位置からずれている状態では、印加電圧差ΔＶは正確な検出値にはならないので、このときの印加電圧差ΔＶをそのまま検出値として出力するのは不適切である。そこで、本発明では、このときの印加電圧差ΔＶと容量値ΔＣとを用いて、Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは比例係数）なる演算を行い、得られた値Ｖαを作用体に作用した力を示す検出値として出力するのである。ここで、ΔＶは、検出値の粗い成分に相当し、ｋ・ΔＣは、検出値の密な成分に相当する。ｋは、印加電圧のスケールと容量値のスケールとを調整する比例係数である。
【０１４４】
続いて、図１７〜図２０のグラフを参照しながら、本発明の基本原理を、具体例に即して説明する。図１７〜図２０に示すグラフＧ１〜Ｇ４は、図１３〜図１６に示すグラフＧ１〜Ｇ４に対応するものであり、図１１に示す例において、作用体３１０に加速度α１，α２，α３，α４が作用しているときの本発明に係る検出原理を示している。
【０１４５】
まず、図１７を参照しながら、加速度α１が作用しているときの検出原理を説明する。加速度α１は正の加速度であり、この加速度α１の作用を受け、作用体３１０は図１１の上方に変位することになる。そこで、この変位を０にするようなフィードバック制御を行えば、制御系の状態が、グラフＧ１に沿って遷移することは、既に述べたとおりである。このとき、従来の閉ループ式検出方法では、制御系の状態を正確に検出点Ｐ１へもってゆく制御を行うことになるが、ここで述べる本発明に係る方法では、図に一点鎖線で示す正の基準レベルＬ１と負の基準レベルＬ２との間（以下、検出可能帯と呼ぶ）へもってゆく制御が行われれば十分である。
【０１４６】
たとえば、図１７において、グラフＧ１上のサンプル点Ｑ１は、検出可能帯に位置する点であるので、制御系の状態が、当該サンプル点Ｑ１にある場合、その時点で測定を行うことができる。制御系の状態が検出可能帯にあるか否かは、その時点で検出手段によって検出された容量差ΔＣが、Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１の範囲内にあるか否かによって判定することができる。
【０１４７】
制御系の状態が、サンプル点Ｑ１にある場合の検出処理は、次のようにして行われる。まず、この時点における容量差ΔＣ（Ｑ１）と印加電圧差ΔＶ（Ｑ１）を求める。ここで、容量差ΔＣ（Ｑ１）は、図１１に示す制御ユニット５０に、この時点で入力されているデジタル検出信号Ｄ（＋）とＤ（−）との差「Ｄ（＋）−Ｄ（−）」として求めることができ、印加電圧差ΔＶ（Ｑ１）は、図１１に示す制御ユニット５０が、この時点で出力しているデジタル駆動信号Ｅ（＋）とＥ（−）との差「Ｅ（−）−Ｅ（＋）」として求めることができる。
【０１４８】
こうして求められた印加電圧差ΔＶ（Ｑ１）は、図１７に示すように、サンプル点Ｑ１の横座標値であるから、作用している角速度α１の正確な検出値にはならない（正確な検出値は、検出点Ｐ１の横座標値Ｖα１である）。ただ、検出可能帯内のグラフＧ１が直線であると仮定すると、その誤差（Ｖα１−ΔＶ（Ｑ１））は、ΔＣ（Ｑ１）に比例した値になる。この比例係数をｋとすれば、正確な検出値Ｖα１は、図１７の右下に示すとおり、Ｖα１＝ΔＶ（Ｑ１）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ１）なる演算によって求まる。ここで、比例係数ｋは、グラフＧ１の傾きに応じて定まる値である。
【０１４９】
同様に、正の加速度α２が作用している場合、図１８において、グラフＧ２上のサンプル点Ｑ２は、検出可能帯に位置する点であるので、制御系の状態が、当該サンプル点Ｑ２にある場合、その時点で測定を行うことができる。具体的には、この時点における容量差ΔＣ（Ｑ２）と印加電圧差ΔＶ（Ｑ２）を求めれば、正確な検出値Ｖα２は、検出可能帯内のグラフＧ２が直線であるとの仮定の下で、図１８の右下に示すとおり、Ｖα２＝ΔＶ（Ｑ２）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ２）なる演算によって求まる。ここで、比例係数ｋは、グラフＧ２の傾きに応じて定まる値である。
【０１５０】
続いて、負の加速度α３が作用している場合を考えよう。この場合、図１９において、グラフＧ３上のサンプル点Ｒ３は、検出可能帯に位置する点である（ここでは説明の便宜上、ΔＣ＞０なる縦座標値をもったサンプル点をＱを冠した符号で示し、ΔＣ＜０なる縦座標値をもったサンプル点をＲを冠した符号で示すことにする）。したがって、制御系の状態が、当該サンプル点Ｒ３にある場合、その時点で測定を行うことができる。具体的には、まず、この時点における容量差ΔＣ（Ｒ３）と印加電圧差ΔＶ（Ｒ３）を求める。図示の例の場合、容量差ΔＣ（Ｒ３）および印加電圧差ΔＶ（Ｒ３）は、いずれも負の値になる。次に、正確な検出値Ｖα３（負の値をとる）を、検出可能帯内のグラフＧ３が直線であるとの仮定の下で、図１９の左上に示すとおり、Ｖα３＝ΔＶ（Ｒ３）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ３）なる演算によって求めればよい。ここで、比例係数ｋは、グラフＧ３の傾きに応じて定まる値である。
【０１５１】
負の加速度α４が作用している場合は、図２０のようになる。図２０に示されているグラフＧ４上のサンプル点Ｒ４は、検出可能帯に位置する点であるので、制御系の状態が、当該サンプル点Ｒ４にある場合、その時点で測定を行うことができる。具体的には、まず、この時点における容量差ΔＣ（Ｒ４）と印加電圧差ΔＶ（Ｒ４）を求める。図示の例の場合、容量差ΔＣ（Ｒ４）および印加電圧差ΔＶ（Ｒ４）は、いずれも負の値になる。次に、正確な検出値Ｖα４（負の値をとる）を、検出可能帯内のグラフＧ４が直線であるとの仮定の下で、図２０の左上に示すとおり、Ｖα４＝ΔＶ（Ｒ４）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ４）なる演算によって求めればよい。ここで、比例係数ｋは、グラフＧ４の傾きに応じて定まる値である。
【０１５２】
以上、図１７，図１８に示す例では、ΔＣ＞０なる縦座標値をもったサンプル点Ｑ１，Ｑ２を用いた検出動作を説明し、図１９，図２０に示す例では、ΔＣ＜０なる縦座標値をもったサンプル点Ｒ３，Ｒ４を用いた検出動作を説明したが、いずれの場合も、検出動作に利用するサンプル点は、検出可能帯内の点であれば、その縦座標値の符号は不問である。
【０１５３】
たとえば、図１７に示す例において、ΔＣ＞０なる縦座標値をもったサンプル点Ｑ１の代わりに、ΔＣ＜０なる縦座標値をもったサンプル点Ｒ１を用いた場合でも、サンプル点Ｒ１が検出可能帯内の点であれば、Ｖα１＝ΔＶ（Ｒ１）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ１）なる演算によって正確な検出値Ｖα１を得ることができる。この場合、ΔＶ（Ｒ１）＞Ｖα１になるが、ΔＣ（Ｒ１）が負の値をとるので、正しい検出値Ｖα１が得られる。同様に、図１９に示す例において、ΔＣ＜０なる縦座標値をもったサンプル点Ｒ３の代わりに、ΔＣ＞０なる縦座標値をもったサンプル点Ｑ３を用いた場合でも、サンプル点Ｑ３が検出可能帯内の点であれば、Ｖα３＝ΔＶ（Ｑ３）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ３）なる演算によって正確な検出値Ｖα３を得ることができる。この場合、ΔＶ（Ｒ３）＜Ｖα３になるが（いずれも負の値をとる）、ΔＣ（Ｑ３）が正の値をとるので、正しい検出値Ｖα３が得られる。
【０１５４】
結局、図１７〜図２０のいずれの場合も、制御ユニット５０は、サンプル点が検出可能帯内にある所定時点において（別言すれば、容量差ΔＣが、Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１の範囲内にある所定時点において）、容量差ΔＣと印加電圧差ΔＶを用いて、Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは比例係数）なる演算を行い、得られた値Ｖαを作用体に作用した力を示す検出値として出力する処理を行えばよい。
【０１５５】
ここで、容量差ΔＣに関する正の基準レベルＬ１と負の基準レベルＬ２は、検出可能帯を定める役割を果たすので、用途が異なる個々の力検出装置ごとに、それぞれ適当なレベルを予め定めておくようにする。上述の検出原理では、検出可能帯内のグラフＧ１〜Ｇ４が直線であるとの仮定が必要である。そこで、印加電圧差ΔＶと容量差ΔＣとの関係が、検出に必要な精度の範囲内で線形性を維持するとみなせる領域を線形領域と定め、基準レベルＬ１〜Ｌ２の範囲が当該線形領域内に収まるように、基準レベルＬ１，Ｌ２を設定すればよい。
【０１５６】
前述したとおり、図１３〜図２０では、グラフＧ１〜Ｇ４は、便宜上、直線のグラフとして描かれているが、クーロン力は印加電圧の２乗に比例する量であり、また、加えたクーロン力と変位との間にも必ずしも線形関係は維持されず、しかも変位（電極間隔）と静電容量値との間にも線形関係は成り立たないので、実際には、各グラフＧ１〜Ｇ４は直線にはならない。しかしながら、作用体の位置が基準位置ｄ０に近くなればなるほど（すなわち、変位が０に近くなればなるほど）、印加電圧差ΔＶと容量差ΔＣとの関係は線形関係に近似してくる。すなわち、図１３〜図２０に示すグラフＧ１〜Ｇ４の場合、検出点Ｐ１〜Ｐ４に近い部分ほど、直線に近いグラフが得られることになる。そこで、検出に必要な精度の範囲内で線形性を維持するとみなせる領域内に検出可能帯が定義されるように、基準レベルＬ１，Ｌ２を設定すればよい。
【０１５７】
具体的には、より高い精度が要求される力検出装置の場合は、正の基準レベルＬ１をなるべく低く、負の基準レベルＬ２をなるべく高く設定し、検出可能帯を狭くすればよい。そうすれば、検出可能帯内のグラフＧ１〜Ｇ４の線形性はより高まり、より正確な検出値を得ることができる。但し、検出を行うためには、容量差ΔＣが検出可能帯に入るようなフィードバック制御を行う必要があるので、検出可能帯を狭く設定すればするほど、より高精度の制御を行う必要が生じる。それでも、容量差ΔＣ＝０を目標とする従来の閉ループ式制御に比べれば、制御系の負担は大幅に軽減される。
【０１５８】
逆に、それほど高い精度が要求されない力検出装置の場合は、正の基準レベルＬ１をなるべく高く、負の基準レベルＬ２をなるべく低く設定し、検出可能帯を広くすればよい。そうすれば、容量差ΔＣが検出可能帯に入るようなフィードバック制御の負担は軽減され、比較的単純な制御系で対応できる。もっとも、検出可能帯を広くすると、検出可能帯内のグラフＧ１〜Ｇ４の線形性は低下し、得られる検出値の精度は落ちることになる。それでも、§２で述べた従来の開ループ式制御に比べれば、より精度の高い検出値を得ることができる。
【０１５９】
なお、サンプル点が検出可能帯内に入っていない場合には（すなわち、Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１を満足する容量差ΔＣが得られていない場合には）、検出可能帯内のサンプル点が得られるようなフィードバック制御が行われる。このようなフィードバック制御は、既に、§５，§６で述べたとおりである。要するに、容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２に基づいて、ΔＣ＞０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させる制御を行えばよい。
【０１６０】
ところで、図１１に示す例の場合、制御ユニット５０は、容量差ΔＣを求めるための値Ｄ（＋），Ｄ（−）をデジタルデータとして入力し、印加電圧差ΔＶを定める値Ｅ（＋），Ｅ（−）をデジタルデータとして出力する機能を有しており、上述したフィードバック制御や検出処理は、クロック信号に同期したデジタル処理として実行されることになる。このようなデジタル処理を行うためには、具体的には、所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣを繰り返し求め、各サンプリング時に、予め設定された正の基準レベルＬ１と負の基準レベルＬ２とを参照して、
（処理Ａ）ΔＣ＞Ｌ１の場合には、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを増加させる制御を行う、
（処理Ｂ）ΔＣ＜Ｌ２の場合には、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを減少させる制御を行う、
（処理Ｃ）Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１の場合には、印加電圧差ΔＶを増減させる制御を行わずに前サンプリング時におけるΔＶをそのまま維持させ、現サンプリング時におけるΔＶとΔＣとを用いて、「Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは予め定められた定数）」なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力する、
のいずれかの処理を実行すればよい。
【０１６１】
図２１は、上記デジタル処理の手順を示す流れ図である。まず、ステップＳ１１において、容量差ΔＣ（ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２）が正の基準レベルＬ１と比較される。ここで、ΔＣ＞Ｌ１であった場合は、ステップＳ１２へと進み、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを増加させる制御が行われる（上記処理Ａ）。ここで、ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１であるから、ΔＶを増加させる制御は、Ｖ２を増加させてもよいし、Ｖ１を減少させてもよい。
【０１６２】
一方、ステップＳ１１において、ΔＣ≦Ｌ１であった場合は、ステップＳ１３へと進み、容量差ΔＣが負の基準レベルＬ２と比較される。ここで、ΔＣ＜Ｌ２であった場合は、ステップＳ１４へと進み、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを減少させる制御が行われる（上記処理Ｂ）。ここで、ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１であるから、ΔＶを減少させる制御は、Ｖ２を減少させてもよいし、Ｖ１を増加させてもよい。
【０１６３】
ステップＳ１３において、ΔＣ≧Ｌ２であった場合は、Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１なる条件を満足し、検出可能帯内に入っていることになるので、ステップＳ１５へと進み、印加電圧差ΔＶを増減させる制御を行わずに前サンプリング時におけるΔＶをそのまま維持させ、現サンプリング時におけるΔＶとΔＣとを用いて、「Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ」なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力する（上記処理Ｃ）。
【０１６４】
なお、上記「Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ」なる演算で用いる比例定数ｋは、前述したとおり、グラフＧ１〜Ｇ４の傾きに基づいて決定される定数であり、予め所定の定数として設定しておくことができる。
【０１６５】
図１３〜図２０に示されているグラフＧ１〜Ｇ４は、いずれも同じ傾きをもった直線として描かれているが、前述したとおり、厳密に言えば、これらのグラフは直線にはならない。ただ、検出可能帯内では、ほぼ直線とみなすことができるので、定数ｋは、この近似的な直線の傾きに基づいて決定すればよい。もちろん、厳密には、この近似直線の傾きも、グラフＧ１〜Ｇ４について同一にはならないが、試作品の装置を利用して予め平均的な傾きを求め、この平均的な傾きに基づいて、所定の定数ｋを設定すればよい。
【０１６６】
このように、Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１なる条件を満足し、検出可能帯内に入っている場合は、印加電圧差ΔＶを増減させる制御を行う必要はないので、制御系の負担は大幅に軽減される。別言すれば、検出可能帯に入るまでは、上記処理Ａまたは処理Ｂによって、検出可能帯に入る方向へのフィードバック制御が行われるが、一旦、検出可能帯に入ってしまえば、検出可能帯から出るまでは、印加電圧差ΔＶの増減は行われないことになる。このような制御は、常にΔＣ＝０とするためのフィードバック制御（従来の閉ループ式検出の制御）に比べると、極めて負担の軽い制御であり、比較的単純な制御系を用いても、安定した制御動作が実現できる。
【０１６７】
制御ユニット５０を、プロセッサと、このプロセッサに実行させるべきプログラムが格納されたメモリと、を有するマイクロコンピュータによって構成した場合、図２１の流れ図に示す手順は、プログラムとして記述される。プロセッサは、このプログラムに基づいて、必要な演算および制御を実行する。
【０１６８】
以上、図１１に示す一次元の力検出装置用の制御ユニット５０の動作を説明したが、図１２に示す三次元の力検出装置用の制御ユニット５００の動作も全く同様である。すなわち、制御ユニット５００は、Ｘ軸に関する検出動作、Ｙ軸に関する検出動作、Ｚ軸に関する検出動作を別個独立して実行する機能を有し、個々の軸に関する検出動作は、制御ユニット５０の検出動作と全く同様である。
【０１６９】
＜＜＜ §８． 本発明の閉ループ式検出方法（その２） ＞＞＞
続いて、本発明に係る閉ループ式検出の第２の方法を説明する。この第２の方法も、§７で述べた第１の方法と同様に、「作用体の変位が０の状態で測定を行う」という前提には捕われない検出方法を採る。したがって、従来の閉ループ式検出方法のように、作用体の位置を正確に基準位置に維持させるような高精度な制御を行う必要がなくなり、比較的単純な制御系を用いた装置を実現できる。
【０１７０】
この第２の方法の重要な特徴は、正の容量差ΔＣが得られる第１のサンプル点と、負の容量差ΔＣが得られる第２のサンプル点と、の２点を利用する点にある。これを図２２および図２３のグラフを参照して説明しよう。
【０１７１】
図２２に示すグラフＧ１は、図１７に示すグラフＧ１と同じものであり、図１１に示す例において、作用体３１０に上方向の加速度α１が作用しているときのフィードバック制御動作を示している。加速度α１は正の加速度であり、この加速度α１の作用を受け、作用体３１０は図１１の上方に変位することになる。そこで、この変位を０にするようなフィードバック制御を行えば、制御系の状態は、グラフＧ１に沿って遷移する。
【０１７２】
従来の閉ループ式検出方法では、制御系の状態を正確に検出点Ｐ１へもってゆく制御を行うことになるが、ここで述べる方法では、正の容量差ΔＣ（Ｑ１）をもつサンプル点Ｑ１と、負の容量差ΔＣ（Ｒ１）をもつサンプル点Ｒ１とが得られれば、作用した加速度α１の検出が可能になる。また、ここで述べる方法の場合、§７で述べた方法で利用した基準レベルＬ１，Ｌ２の設定は不要である。
【０１７３】
いま、図２２に示すグラフＧ１上のサンプル点Ｑ１の縦座標値ΔＣ（Ｑ１）および横座標値ΔＶ（Ｑ１）が求まり、更に、サンプル点Ｒ１の縦座標値ΔＣ（Ｒ１）および横座標値ΔＶ（Ｒ１）が求まったとしよう（ΔＣ（Ｒ１）は負の値、他は正の値になる）。ここで、グラフＧ１の少なくとも２点Ｑ１，Ｒ１間が直線であると仮定すれば、検出点Ｐ１の横座標値Ｖα１（正確な検出値）は、２点Ｑ１，Ｒ１の座標値から幾何学的に求めることができる。
【０１７４】
一方、図２３に示すグラフＧ３は、図１９に示すグラフＧ３と同じものであり、図１１に示す例において、作用体３１０に下方向の加速度α３が作用しているときのフィードバック制御動作を示している。加速度α３は負の加速度であり、この加速度α３の作用を受け、作用体３１０は図１１の下方に変位することになる。そこで、この変位を０にするようなフィードバック制御を行えば、制御系の状態は、グラフＧ３に沿って遷移する。
【０１７５】
この場合も、正の容量差ΔＣ（Ｑ３）をもつサンプル点Ｑ３と、負の容量差ΔＣ（Ｒ３）をもつサンプル点Ｒ３とが得られれば、作用した加速度α３の検出が可能になる。すなわち、図２３に示すグラフＧ３上のサンプル点Ｑ３の縦座標値ΔＣ（Ｑ３）および横座標値ΔＶ（Ｑ３）が求まり、更に、サンプル点Ｒ３の縦座標値ΔＣ（Ｒ３）および横座標値ΔＶ（Ｒ３）が求まったとしよう（ΔＣ（Ｑ３）は正の値、他は負の値になる）。ここで、グラフＧ３の少なくとも２点Ｑ３，Ｒ３間が直線であると仮定すれば、検出点Ｐ３の横座標値Ｖα３（正確な検出値）は、２点Ｑ３，Ｒ３の座標値から幾何学的に求めることができる。
【０１７６】
図２４は、この幾何学的な演算式を算出するためのグラフであり、図２５は、このグラフを利用して算出された演算式を示す図である。ここで、図２４に示すように、印加電圧差ΔＶと容量差ΔＣとの関係を示すグラフＧが直線をなすものとし、グラフＧ上の点Ｑの縦座標値をΔＣ（Ｑ）、横座標値をΔＶ（Ｑ）、グラフＧ上の点Ｐの縦座標値を０、横座標値をＶα、グラフＧ上の点Ｒの縦座標値をΔＣ（Ｒ）、横座標値をΔＶ（Ｒ）とする。図示のとおり、直角三角形Ｔ１，Ｔ２は相似形なので、辺ＭＰの長さが、辺ＭＱの長さ（ΔＣ（Ｑ）の絶対値）のｋ倍であるとすると、辺ＮＰの長さは、辺ＮＲの長さ（ΔＣ（Ｒ）の絶対値）のｋ倍になる。
【０１７７】
ここで、２点ＭＮ間の距離を、辺ＭＰの長さと辺ＮＰの長さの和として表すと、ｋ・ΔＣ（Ｑ）−ｋ・ΔＣ（Ｒ）＝ｋ・（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））になる（ΔＣ（Ｒ）は負の値をとるので、絶対値は−ΔＣ（Ｒ）になる）。一方、この２点ＭＮ間の距離は、ΔＶ（Ｒ）−ΔＶ（Ｑ）と表すこともできるので、図２５に示すとおり、
ｋ・（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））＝ΔＶ（Ｒ）−ΔＶ（Ｑ）
が成り立ち、
ｋ＝（ΔＶ（Ｒ）−ΔＶ（Ｑ））／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））
が得られる。
【０１７８】
ここで、正しい検出値Ｖαは、
Ｖα＝ΔＶ（Ｑ）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ）
なる演算、もしくは、
Ｖα＝ΔＶ（Ｒ）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ）
なる演算によって求めることができるので、結局、図２５の下段に示すとおり、
Ｖα＝（ΔＶ（Ｒ）・ΔＣ（Ｑ）−ΔＶ（Ｑ）・ΔＣ（Ｒ））
／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））
なる演算で求められる。
【０１７９】
上記演算式には、比例係数ｋは含まれていない。これは、２点Ｑ，Ｒの座標値に、比例係数ｋに関する情報が含まれているためである。§７で述べた第１の方法では、比例係数ｋの値を近似的な直線の傾きに基づいて予め決定しておき、近似的な定数として取り扱うことになるが、ここで述べる第２の方法では、そのような必要はない。したがって、図１３〜図２０に示されているグラフＧ１〜Ｇ４が、それぞれ異なる傾きをもった直線になったとしても、各直線の傾きの情報は、２点Ｑ，Ｒの座標値として正確に反映されることになる。
【０１８０】
この第２の方法を制御ユニット５０や制御ユニット５００で実行する場合、やはりクロック信号に同期したデジタル処理として実行することになる。このようなデジタル処理を行うには、所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣを繰り返し求め、ΔＣ＞０の場合には印加電圧差ΔＶを増加させ、ΔＣ＜０の場合には印加電圧差ΔＶを減少させるフィードバック制御を行えばよい。そして、正の容量差ΔＣが得られた時点Ｑでの当該容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とし、負の容量差ΔＣが得られた時点Ｒでの当該容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）として、
ｋ＝（ΔＶ（Ｒ）−ΔＶ（Ｑ））／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））
なる演算で比例係数ｋを決定し、
Ｖα＝ΔＶ（Ｑ）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ）なる演算、もしくは、
Ｖα＝ΔＶ（Ｒ）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ）なる演算
によって、検出値Ｖαを求める演算処理を行えばよい。
【０１８１】
具体的には、図２５に示すように、
Ｖα＝（ΔＶ（Ｒ）・ΔＣ（Ｑ）−ΔＶ（Ｑ）・ΔＣ（Ｒ））
／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））
なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力する処理を行えばよい。
【０１８２】
なお、上述の演算式を導出するためには、図２４に示すグラフＧが、２点Ｑ，Ｒ間で直線をなす、という前提が必要であった。しかしながら、既に述べたとおり、印加電圧差ΔＶと容量差ΔＣとの関係を示すグラフＧは、厳密には直線にはならず、検出点Ｐの近傍において近似的に直線とみなすことができるにすぎない。したがって、上述の演算式によって求めた検出値Ｖαの精度をより高めるためには、２点Ｑ，Ｒはできるだけ近接しているのが好ましい。
【０１８３】
そこで、実用上は、容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２に基づいて、ΔＣ＞０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行い、このフィードバック制御の過程において、容量差ΔＣの符号が正から負に反転したときには、反転直前の時点Ｑでの容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とし、反転直後の時点Ｒでの容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）とし、容量差ΔＣの符号が負から正に反転したときには、反転直前の時点Ｒでの容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）とし、反転直後の時点Ｑでの容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とするのが好ましい。
【０１８４】
図２６は、上記デジタル処理の手順を示す流れ図である。まず、ステップＳ２１において、所定のサンプリングタイミングで求めた容量差ΔＣの符号判定が行われる。ここで、ΔＣ＞０であった場合は、ステップＳ３１へと進み、現サンプリング時の容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）として記憶する処理が行われる。そして、ステップＳ３２へ進み、印加電圧差ΔＶを増加させる処理を行う。その結果、容量差ΔＣは減少することになる。続くステップＳ３３では、次のサンプリングタイミングで求めた容量差ΔＣの符号が調べられる。ここで、容量差ΔＣの符号反転が生じているかどうかが判定され、符号反転が生じていない場合にはステップＳ３１からの処理が繰り返される。
【０１８５】
こうして、ΔＣの符号が、正から負に反転すると、ステップＳ３３からステップＳ３４に進むことになり、現サンプリング時（反転直後）の容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）として記憶する処理が行われる。その結果、反転直前の容量差がΔＣ（Ｑ）、印加電圧差がΔＶ（Ｑ）として記憶され（Ｓ３１）、反転直後の容量差がΔＣ（Ｒ）、印加電圧差がΔＶ（Ｒ）として記憶される（Ｓ３４）ことになる。そこで、ステップＳ３５へ進み、図２５に示す演算式を用いて検出値Ｖαを求め、これを出力する処理が実行された後、再び、ステップＳ２１からの処理が繰り返される。
【０１８６】
一方、ステップＳ２１において、ΔＣ＜０であった場合は、ステップＳ４１へと進み、現サンプリング時の容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）として記憶する処理が行われる。そして、ステップＳ４２へ進み、印加電圧差ΔＶを減少させる処理を行う。その結果、容量差ΔＣは増加することになる。続くステップＳ４３では、次のサンプリングタイミングで求めた容量差ΔＣの符号が調べられる。ここで、容量差ΔＣの符号反転が生じているかどうかが判定され、符号反転が生じていない場合にはステップＳ４１からの処理が繰り返される。
【０１８７】
こうして、ΔＣの符号が、負から正に反転すると、ステップＳ４３からステップＳ４４に進むことになり、現サンプリング時（反転直後）の容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）として記憶する処理が行われる。その結果、反転直前の容量差がΔＣ（Ｒ）、印加電圧差がΔＶ（Ｒ）として記憶され（Ｓ４１）、反転直後の容量差がΔＣ（Ｑ）、印加電圧差がΔＶ（Ｑ）として記憶される（Ｓ４４）ことになる。そこで、ステップＳ４５へ進み、図２５に示す演算式を用いて検出値Ｖαを求め、これを出力する処理が実行された後、再び、ステップＳ２１からの処理が繰り返される。
【０１８８】
なお、ステップＳ２１において、ΔＣ＝０と判定された場合は、ステップＳ２２へと進み、印加電圧差ΔＶを増加または減少させる制御（どちらでもかまわない）が行われ、再び、ステップＳ２１からの処理が繰り返される。
【０１８９】
この図２６の流れ図に基づく処理を実行すれば、所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣの値を繰り返し求めてゆき、その符号が反転した直前および直後のサンプル点を用いて、図２５の演算式に基づく演算を行うことができる。このように、符号反転の直前および直後のサンプル点の間は、グラフＧの直線近似度が非常に高くなるので、得られる検出値Ｖαも精度の高いものになる。
【０１９０】
制御ユニット５０を、プロセッサと、このプロセッサに実行させるべきプログラムが格納されたメモリと、を有するマイクロコンピュータによって構成した場合、図２６の流れ図に示す手順は、プログラムとして記述される。プロセッサは、このプログラムに基づいて、必要な演算および制御を実行する。
【０１９１】
以上、この第２の方法についても、図１１に示す一次元の力検出装置用の制御ユニット５０の動作を説明したが、図１２に示す三次元の力検出装置用の制御ユニット５００の動作も全く同様である。すなわち、制御ユニット５００は、Ｘ軸に関する検出動作、Ｙ軸に関する検出動作、Ｚ軸に関する検出動作を別個独立して実行する機能を有し、個々の軸に関する検出動作は、制御ユニット５０の検出動作と全く同様である。
【０１９２】
＜＜＜ §９． 図１に示す主要構造部の特徴 ＞＞＞
ここでは、図１に示す主要構造部の特徴とそのメリットを述べておく。既に述べたとおり、この主要構造部を構成する作用体３１０は、板状部材から構成されており、可撓性接続部として機能する橋梁部３３１〜３３４は、この板状部材からなる作用体３１０の側面の一部を筐体に対して接続している。なお、可撓性接続部を橋梁部で構成する代わりに、作用体３１０の側面全部を筐体に対して接続するダイアフラム部によって構成してもかまわない。
【０１９３】
また、この板状部材からなる作用体３１０の上面に対向して上方基板１００が配置されており、下面に対向して下方基板２００が配置されている。これら上方基板１００および下方基板２００は、作用体３１０を収容する筐体の一部をなしている。そして、上方基板１００の下面および下方基板２００の上面には、それぞれ固定電極Ｅ１１〜Ｅ２５が形成されており、板状部材からなる作用体３１０は、導電性材料によって構成されているため、その上面および下面が変位電極として機能する。主要構造部をこのような構成にすることにより、極めて単純な構造の装置が実現でき、また、半導体基板などの加工技術を利用して装置の製造を行うことが可能になる。
【０１９４】
また、図１に示す主要構造部における容量素子Ｃ１１〜Ｃ２５の配置は、ＸＹＺ三次元座標系における各座標軸方向の力を独立して検出するのに適した配置となっている。すなわち、板状部材からなる作用体３１０の重心位置に原点Ｏをもち、ＸＹ平面がこの板状部材の上面に平行となるように、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義すれば、各容量素子の配置は次のようになっている。
【０１９５】
まず、Ｘ軸の正領域の上方に第１の上方容量素子Ｃ１１が配置され、Ｘ軸の正領域の下方に第１の下方容量素子Ｃ２１が配置され、Ｘ軸の負領域の上方に第２の上方容量素子Ｃ１２が配置され、Ｘ軸の負領域の下方に第２の下方容量素子Ｃ２２が配置されている。また、Ｙ軸の正領域の上方に第３の上方容量素子Ｃ１３が配置され、Ｙ軸の正領域の下方に第３の下方容量素子Ｘ２３が配置され、Ｙ軸の負領域の上方に第４の上方容量素子Ｃ１４が配置され、Ｙ軸の負領域の下方に第４の下方容量素子Ｃ２４が配置されている。更に、Ｚ軸の正領域を中心とした位置に第５の上方容量素子が配置され、Ｚ軸の負領域を中心とした位置に第５の下方容量素子が配置されている。
【０１９６】
このような配置を行えば、第１の上方容量素子Ｃ１１および第２の下方容量素子Ｃ２２を正側容量素子とし、第１の下方容量素子Ｃ２１および第２の上方容量素子Ｃ１２を負側容量素子とすることにより、Ｘ軸方向に作用した力の検出を行うことができる。また、第３の上方容量素子Ｃ１３および第４の下方容量素子Ｃ２４を正側容量素子とし、第３の下方容量素子Ｃ２３および第４の上方容量素子Ｃ１４を負側容量素子とすることにより、Ｙ軸方向に作用した力の検出を行うことができる。更に、第５の上方容量素子Ｃ１５を正側容量素子とし、第５の下方容量素子Ｃ２５を負側容量素子とすることにより、Ｚ軸方向に作用した力の検出を行うことができる。かくして、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向に作用した力をそれぞれ独立した検出値として出力することが可能になる。
【０１９７】
また、各容量素子の形状および配置が対称性を有している点も重要である。このような対称性を確保することにより、他軸成分の干渉を抑制し、各座標軸方向の力をそれぞれ独立して検出することが可能になる。
【０１９８】
すなわち、第１の上方容量素子Ｃ１１，第１の下方容量素子Ｃ２１，第２の上方容量素子Ｃ１２，第２の下方容量素子Ｃ２２は、いずれもＸＺ平面に関して対称となる形状をなし、第１の上方容量素子Ｃ１１と第２の上方容量素子Ｃ１２とはＹＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、第１の下方容量素子Ｃ２１と第２の下方容量素子Ｃ２２とはＹＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置されている。
【０１９９】
また、第３の上方容量素子Ｃ１３，第３の下方容量素子Ｃ２３，第４の上方容量素子Ｃ１４，第４の下方容量素子Ｃ２４は、いずれもＹＺ平面に関して対称となる形状をなし、第３の上方容量素子Ｃ１３と第４の上方容量素子Ｃ１４とはＸＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、第３の下方容量素子Ｃ２３と第４の下方容量素子Ｃ２４とはＸＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置されている。
【０２００】
更に、第５の上方容量素子Ｃ１５および第５の下方容量素子Ｃ２５は、いずれもＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となる形状をなし、かつ、第５の上方容量素子Ｃ１５と第５の下方容量素子Ｃ２５とはＸＹ平面に関して互いに対称となる形状をなし互いに対称となる位置に配置されている。
【０２０１】
また、図３に示すように、この主要構造部を構成する作用体３１０は、Ｘ軸の正領域に配置された第１の翼状部３１１と、Ｘ軸の負領域に配置された第２の翼状部３１２と、Ｙ軸の正領域に配置された第３の翼状部３１３と、Ｙ軸の負領域に配置された第４の翼状部３１４と、原点Ｏに配置され４組の翼状部を相互に接合する中央部３１５と、を有する板状部材によって構成されており、４本の橋梁部３３１〜３３４が、中央部３１５に接続されている。
【０２０２】
このような平面形状をもった作用体３１０を用いれば、第１の翼状部３１１の上面に第１の上方容量素子Ｃ１１を構成する変位電極を形成し、第１の翼状部３１１の下面に第１の下方容量素子Ｃ２１を構成する変位電極を形成し、第２の翼状部３１２の上面に第２の上方容量素子Ｃ１２を構成する変位電極を形成し、第２の翼状部３１２の下面に第２の下方容量素子Ｃ２２を構成する変位電極を形成し、第３の翼状部３１３の上面に第３の上方容量素子Ｃ１３を構成する変位電極を形成し、第３の翼状部３１３の下面に第３の下方容量素子Ｃ２３を構成する変位電極を形成し、第４の翼状部３１４の上面に第４の上方容量素子Ｃ１４を構成する変位電極を形成し、第４の翼状部３１４の下面に第４の下方容量素子Ｃ２４を構成する変位電極を形成し、中央部３１５の上面に第５の上方容量素子Ｃ１５を構成する変位電極を形成し、中央部３１５の下面に第５の下方容量素子Ｃ２５を構成する変位電極を形成することができる。
【０２０３】
＜＜＜ §１０． 本発明の変形例 ＞＞＞
最後に、本発明に係る力検出装置の変形例をいくつか述べておく。
【０２０４】
（１）検出用容量素子と駆動用容量素子との分離
これまで述べた実施形態では、１つの容量素子を検出用容量素子として利用するとともに、駆動用容量素子としても利用していた。たとえば、図１２において、１０組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ２５は、いずれも静電容量値を検出するための検出用容量素子と、クーロン力を作用させるための駆動用容量素子とを兼ねている。
【０２０５】
これに対して、検出用容量素子と駆動用容量素子とをそれぞれ別個独立した容量素子によって構成することも可能である。すなわち、正側容量素子を、検出用正側容量素子と駆動用正側容量素子とによって構成し、負側容量素子を検出用負側容量素子と駆動用負側容量素子とによって構成し、検出手段は、検出用正側容量素子および検出用負側容量素子の静電容量値を検出するようにし、駆動手段は、駆動用正側容量素子および駆動用負側容量素子を構成する電極間に駆動電圧を印加してクーロン力を作用させるようにすればよい。
【０２０６】
たとえば、１０組の容量素子Ｃ１１〜Ｃ２５を用いる場合でも、第１〜第５の上方容量素子Ｃ１１〜Ｃ１５および第１〜第５の下方容量素子Ｃ２１〜Ｃ２５のそれぞれを、検出用容量素子と駆動用容量素子との一対の容量素子によって構成するようにし、検出手段は、各検出用容量素子の静電容量値を検出し、駆動手段は、各駆動用容量素子を構成する電極間に駆動電圧を印加してクーロン力を作用させるようにすればよい。
【０２０７】
具体的には、図２に示す上方基板１００の代わりに、図２７に示す上方基板１５０を用い、図６に示す下方基板２００の代わりに、図２８に示す下方基板２５０を用いて、主要構造部を構成すればよい。なお、図２７および図２８におけるハッチングは電極形状を示すためのものであり、断面を示すものではない。
【０２０８】
図２７に示す上方基板１５０には、１０枚の固定電極が形成されている。ここで、固定電極Ｅ１１Ａ〜Ｅ１５Ａは検出用固定電極であり、対向する変位電極（作用体３１０の上面）とによって、それぞれ検出用容量素子Ｃ１１Ａ〜Ｃ１５Ａが形成される。一方、固定電極Ｅ１１Ｂ〜Ｅ１５Ｂは駆動用固定電極であり、対向する変位電極（作用体３１０の上面）とによって、それぞれ駆動用容量素子Ｃ１１Ｂ〜Ｃ１５Ｂが形成される。
【０２０９】
同様に、図２８に示す下方基板２５０にも、１０枚の固定電極が形成されている。ここで、固定電極Ｅ２１Ａ〜Ｅ２５Ａは検出用固定電極であり、対向する変位電極（作用体３１０の下面）とによって、それぞれ検出用容量素子Ｃ２１Ａ〜Ｃ２５Ａが形成される。一方、固定電極Ｅ２１Ｂ〜Ｅ２５Ｂは駆動用固定電極であり、対向する変位電極（作用体３１０の下面）とによって、それぞれ駆動用容量素子Ｃ２１Ｂ〜Ｃ２５Ｂが形成される。
【０２１０】
このように、検出用容量素子と駆動用容量素子とをそれぞれ別個独立した容量素子によって構成すれば、検出手段や駆動手段を直接接続することが可能になり、カップリング用容量素子や抵抗素子を用いる必要がなくなる。
【０２１１】
図２９は、このような変形例に係る力検出装置に用いる閉ループ式検出回路の一例を示す回路図である。図２９の回路図を図１２の回路図と比較すれば、その特徴が理解できよう。すなわち、両回路の基本的な処理機能は同じであるが、図２９の回路図の場合、各容量素子が検出用容量素子（符号末尾にＡが付されている）と駆動用容量素子と（符号末尾にＢが付されている）とに分けられているため、図１２の回路図に示されているカップリング用容量素子Ｃ４１１〜Ｃ４１６や、抵抗素子Ｒ４４１〜Ｒ４４６は、図２９の回路図では省略されている。
【０２１２】
（２）制御ユニットの構成
これまで述べた実施形態では、制御ユニットをマイクロコンピュータで構成した例を示したが、制御ユニットは必ずしもマイクロコンピュータで構成する必要はない。たとえば、ハードウエアからなる論理素子を組み合わせて、制御ユニットを構成してもよいし、アナログ制御回路によって制御ユニットを構成してもかまわない。アナログ制御回路を用いた場合、制御動作は、アナログ信号によって行われることになるため、Ａ／Ｄ変換回路やＤ／Ａ変換回路は不要になる。
【０２１３】
（３）加速度センサや角速度センサへの利用
本発明は、直接的には力検出装置に係る発明であるが、加速度に起因して作用体に生じる力を求めることにより、加速度の検出を行う機能を有する加速度センサにも適用することが可能である。実際、これまで述べた実施形態は、本発明を加速度センサに利用した実施例になっている
【０２１４】
また、本発明に係る力検出装置に、作用体を所定の運動軌跡に沿って周期運動させる運動手段を付加すれば、角速度の検出を行う機能を有する角速度センサを実現することも可能である。たとえば、ＸＹＺ三次元直交座標系において、作用体を第１の座標軸に沿って振動させた状態とし、このときに第２の座標軸方向に加わるコリオリ力を本発明に係る力検出装置によって検出すれば、当該検出値は、第３の座標軸まわりの角速度を示す値になる。
【図面の簡単な説明】
【０２１５】
【図１】本発明の基本的実施形態に係る力検出装置の主要構造部の側断面図である。
【図２】図１に示す主要構造部の上方基板１００の下面図である。
【図３】図１に示す主要構造部の中間基板３００の上面図である。
【図４】図１に示す主要構造部を切断線４に沿って切った断面を示す横断面図である。
【図５】図１に示す主要構造部をＸＹ平面に沿って切った断面を示す横断面図である。
【図６】図１に示す主要構造部の下方基板２００の上面図である。
【図７】図１に示す主要構造部の作用体３１０にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用した状態を示す側断面図である。
【図８】図１に示す主要構造部の作用体３１０にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用した状態を示す側断面図である。
【図９】図１に示す主要構造部に適用可能な開ループ式検出回路の一例を示す回路図である。
【図１０】図１に示す主要構造部の作用体３１０に作用した加速度αと変位ｄとの関係を示すグラフである。
【図１１】閉ループ式の検出を行うために利用されるフィードバック制御回路の基本構成を示す回路図である。
【図１２】図１に示す主要構造部に適用可能な閉ループ式検出回路の一例を示す回路図である。
【図１３】従来の一般的な閉ループ式検出方法によるフィードバック制御動作を示す第１のグラフである。
【図１４】従来の一般的な閉ループ式検出方法によるフィードバック制御動作を示す第２のグラフである。
【図１５】従来の一般的な閉ループ式検出方法によるフィードバック制御動作を示す第３のグラフである。
【図１６】従来の一般的な閉ループ式検出方法によるフィードバック制御動作を示す第４のグラフである。
【図１７】本発明に係る第１の閉ループ式検出方法の原理を示す第１のグラフである。
【図１８】本発明に係る第１の閉ループ式検出方法の原理を示す第２のグラフである。
【図１９】本発明に係る第１の閉ループ式検出方法の原理を示す第３のグラフである。
【図２０】本発明に係る第１の閉ループ式検出方法の原理を示す第４のグラフである。
【図２１】本発明に係る第１の閉ループ式検出方法の手順を示す流れ図である。
【図２２】本発明に係る第２の閉ループ式検出方法の原理を示す第１のグラフである。
【図２３】本発明に係る第２の閉ループ式検出方法の原理を示す第２のグラフである。
【図２４】本発明に係る第２の閉ループ式検出方法に利用する演算式を算出するためのグラフである。
【図２５】本発明に係る第２の閉ループ式検出方法に利用する演算式を示す図である。
【図２６】本発明に係る第２の閉ループ式検出方法の手順を示す流れ図である。
【図２７】本発明の変形例に係る力検出装置の主要構造部を構成する上方基板１５０の下面図である（ハッチングは電極形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図２８】本発明の変形例に係る力検出装置の主要構造部を構成する下方基板２５０の上面図である（ハッチングは電極形状を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図２９】本発明の変形例に係る力検出装置に用いる閉ループ式検出回路の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【０２１６】
４：切断線
４１，４５：Ｃ／Ｖ変換回路
４２，４６：Ａ／Ｄ変換回路
４３，４７：Ｄ／Ａ変換回路
４４，４８：ドライバ回路
５０：制御ユニット
１００，１５０：上方基板
２００，２５０：下方基板
３００：中間基板
３１０：作用体（板状部材）
３１１〜３１４：翼状部
３１５：中央部
３２０：台座
３３１〜３３４：橋梁部（可撓性接続部材）
４１１〜４１６：Ｃ／Ｖ変換回路
４２１〜４２６：Ａ／Ｄ変換回路
４３１〜４３６：Ｄ／Ａ変換回路
４４１〜４４６：ドライバ回路
５００：制御ユニット（マイクロコンピュータ）
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１１〜Ｃ２５：容量素子（静電容量値）
Ｃ１１Ａ〜Ｃ２５Ａ：検出用容量素子
Ｃ１１Ｂ〜Ｃ２５Ｂ：駆動用容量素子
Ｃ４１，Ｃ４５，Ｃ４１１〜Ｃ４１６：カップリング用容量素子
Ｄ（＋），Ｄ（−）：デジタル検出信号
Ｄ（Ｘ＋），Ｄ（Ｘ−），Ｄ（Ｙ＋），Ｄ（Ｙ−），Ｄ（Ｚ＋），Ｄ（Ｚ−）：デジタル検出信号
Ｄ（α），Ｄ（αｘ），Ｄ（αｙ），Ｄ（αｚ）：力の検出値
ｄ，ｄ１，ｄ２：変位
ｄ０：基準位置
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ１１〜Ｅ２５：固定電極
Ｅ１１Ａ〜Ｅ２５Ａ，Ｅ１１Ｂ〜Ｅ２５Ｂ：固定電極
Ｅ（＋），Ｅ（−）：デジタル駆動信号
Ｅ（Ｘ＋），Ｅ（Ｘ−），Ｅ（Ｙ＋），Ｅ（Ｙ−），Ｅ（Ｚ＋），Ｅ（Ｚ−）：デジタル駆動信号
Ｆｘ，Ｆｚ：座標軸方向に作用した力
Ｇ：作用体の重心
Ｇ，Ｇ１〜Ｇ４：グラフ
ｋ：比例係数
Ｌ１，Ｌ２：基準レベル
Ｍ，Ｎ：直角三角形の頂点
Ｏ：座標系の原点
Ｐ，Ｐ１〜Ｐ４：検出点
Ｑ，Ｑ１〜Ｑ３：正のサンプル点
Ｒ，Ｒ１〜Ｒ４：負のサンプル点
Ｒ４４，Ｒ４８，Ｒ４４１〜Ｒ４４６：抵抗素子
Ｓ１１〜Ｓ４５：流れ図の各ステップ
Ｔ１，Ｔ２：直角三角形
Ｖ１，Ｖ２：駆動電圧
Ｖα，Ｖα１〜Ｖα４：力の検出値
Ｘ，Ｙ，Ｚ：三次元直交座標系の各座標軸（力の検出軸）
Ｘ′，Ｙ′：Ｘ，Ｙを４５°回転させた座標軸
α，α１〜α４：加速度
ΔＣ：容量差（Ｃ１−Ｃ２）
ΔＣ（Ｑ），ΔＣ（Ｒ）：各サンプル点の縦座標値
ΔＣ（Ｑ１）〜ΔＣ（Ｑ３）：各サンプル点の縦座標値
ΔＣ（Ｒ１）〜ΔＣ（Ｒ４）：各サンプル点の縦座標値
ΔＶ：印加電圧差（Ｖ２−Ｖ１）
ΔＶ（Ｑ），ΔＶ（Ｒ）：各サンプル点の横座標値
ΔＶ（Ｑ１）〜ΔＶ（Ｑ３）：各サンプル点の横座標値
ΔＶ（Ｒ１）〜ΔＶ（Ｒ４）：各サンプル点の横座標値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正負が定義された所定の検出軸方向に作用した力を検出する力検出装置であって、
検出対象となる力を作用させるための作用体と、
前記作用体を収容する筐体と、
前記作用体を前記筐体に対して接続する可撓性接続部材と、
前記作用体に固定された変位電極と前記筐体に固定された固定電極とによって構成され、前記作用体が前記検出軸の正方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなる正側容量素子と、
前記作用体に固定された変位電極と前記筐体に固定された固定電極とによって構成され、前記作用体が前記検出軸の正方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなる負側容量素子と、
前記正側容量素子の静電容量値Ｃ１と前記負側容量素子の静電容量値Ｃ２とを検出する検出手段と、
前記正側容量素子を構成する電極間に駆動電圧Ｖ１を印加してクーロン力を作用させる機能と、前記負側容量素子を構成する電極間に駆動電圧Ｖ２を印加してクーロン力を作用させる機能と、を有する駆動手段と、
容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２に基づいて、ΔＣ＞０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行う機能を有し、所定時点におけるΔＶとΔＣとを用いて、Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは比例係数）なる演算を行い、得られた値Ｖαを前記作用体に作用した力を示す検出値として出力する制御手段と、
を備え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、
制御手段が、所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣを繰り返し求め、各サンプリング時に、予め設定された正の基準レベルＬ１と負の基準レベルＬ２とを参照して、
（処理Ａ）ΔＣ＞Ｌ１の場合には、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを増加させる制御を行う、
（処理Ｂ）ΔＣ＜Ｌ２の場合には、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを減少させる制御を行う、
（処理Ｃ）Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１の場合には、印加電圧差ΔＶを増減させる制御を行わずに前サンプリング時におけるΔＶをそのまま維持させ、現サンプリング時におけるΔＶとΔＣとを用いて、Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは予め定められた定数）なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力する、
のいずれかの処理を実行することを特徴とする力検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の力検出装置において、
印加電圧差ΔＶと容量差ΔＣとの関係が、検出に必要な精度の範囲内で線形性を維持するとみなせる領域を線形領域と定め、基準レベルＬ１〜Ｌ２の範囲が前記線形領域内に収まるように、基準レベルＬ１，Ｌ２が設定されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載の力検出装置において、
制御手段が、
所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣを繰り返し求め、ΔＣ＞０の場合には印加電圧差ΔＶを増加させ、ΔＣ＜０の場合には印加電圧差ΔＶを減少させるフィードバック制御を行い、
正の容量差ΔＣが得られた時点Ｑでの当該容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とし、負の容量差ΔＣが得られた時点Ｒでの当該容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）として、
ｋ＝（ΔＶ（Ｒ）−ΔＶ（Ｑ））／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））
なる演算で比例係数ｋを決定し、
Ｖα＝ΔＶ（Ｑ）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ）なる演算、もしくは、
Ｖα＝ΔＶ（Ｒ）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ）なる演算
によって、検出値Ｖαを求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の力検出装置において、
制御手段が、
Ｖα＝（ΔＶ（Ｒ）・ΔＣ（Ｑ）−ΔＶ（Ｑ）・ΔＣ（Ｒ））／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力することを特徴とする力検出装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の力検出装置において、
容量差ΔＣの符号が正から負に反転したときに、反転直前の時点Ｑでの容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とし、反転直後の時点Ｒでの容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）とし、
容量差ΔＣの符号が負から正に反転したときに、反転直前の時点Ｒでの容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）とし、反転直後の時点Ｑでの容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とすることを特徴とする力検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の力検出装置において、
各容量素子を構成する電極のうち、変位電極が共通の接地電位に維持され、駆動手段が、個々の固定電極に所定の駆動電圧を印加することにより、クーロン力を作用させ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、
駆動手段が、正側容量素子を構成する固定電極に駆動電圧Ｖ１（Ｖ１≧０）を印加してクーロン引力を作用させる機能と、負側容量素子を構成する固定電極に駆動電圧Ｖ２（Ｖ２≧０）を印加してクーロン引力を作用させる機能と、を有し、
制御手段が、ΔＣ＞０の場合には、駆動電圧Ｖ１を減少させて、駆動電圧Ｖ２を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、駆動電圧Ｖ２を減少させて、駆動電圧Ｖ１を増加させる制御を行う機能を有することを特徴とする力検出装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の力検出装置において、
検出手段が、静電容量値を電圧に変換するＣ／Ｖ変換回路と、このＣ／Ｖ変換回路で変換されたアナログ検出電圧をデジタル検出信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、を有し、
制御手段が、前記デジタル検出信号に基づいて、所定の駆動電圧を示すデジタル駆動信号を出力するデジタル処理装置を有し、
駆動手段が、前記デジタル駆動信号をアナログ駆動信号に変換するＤ／Ａ変換回路と、前記アナログ駆動信号に基づく所定の駆動電圧を電極に印加するドライバ回路と、を有することを特徴とする力検出装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の力検出装置において、
正側容量素子もしくは負側容量素子に、検出手段と駆動手段との双方が接続されており、
前記検出手段は、カップリング用容量素子を介して前記正側容量素子もしくは負側容量素子に接続され、
前記駆動手段は、抵抗素子を介して前記正側容量素子もしくは負側容量素子に接続されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の力検出装置において、
正側容量素子が検出用正側容量素子と駆動用正側容量素子とによって構成されており、
負側容量素子が検出用負側容量素子と駆動用負側容量素子とによって構成されており、
検出手段は、前記検出用正側容量素子および前記検出用負側容量素子の静電容量値を検出し、
駆動手段は、前記駆動用正側容量素子および前記駆動用負側容量素子を構成する電極間に駆動電圧を印加してクーロン力を作用させることを特徴とする力検出装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の力検出装置において、
制御手段が、プロセッサと、このプロセッサに実行させるべきプログラムが格納されたメモリと、を有するマイクロコンピュータによって構成されており、前記プログラムに基づいて、演算および制御が実行されることを特徴とする力検出装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の力検出装置において、
作用体が板状部材から構成されており、
可撓性接続部が前記板状部材の側面の一部もしくは全部を筐体に対して接続し、
前記板状部材の上面に対向して配置された上方基板と、前記板状部材の下面に対向して配置された下方基板とが、筐体の一部をなし、
前記板状部材の上面および下面に変位電極が形成され、前記上方基板の下面および前記下方基板の上面に固定電極が形成されてい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、
板状部材からなる作用体の重心位置に原点Ｏをもち、ＸＹ平面が前記板状部材の上面に平行となるように、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、
Ｘ軸の正領域の上方に第１の上方容量素子が配置され、Ｘ軸の正領域の下方に第１の下方容量素子が配置され、Ｘ軸の負領域の上方に第２の上方容量素子が配置され、Ｘ軸の負領域の下方に第２の下方容量素子が配置され、
Ｙ軸の正領域の上方に第３の上方容量素子が配置され、Ｙ軸の正領域の下方に第３の下方容量素子が配置され、Ｙ軸の負領域の上方に第４の上方容量素子が配置され、Ｙ軸の負領域の下方に第４の下方容量素子が配置され、
Ｚ軸の正領域を中心とした位置に第５の上方容量素子が配置され、Ｚ軸の負領域を中心とした位置に第５の下方容量素子が配置され、
前記第１の上方容量素子および前記第２の下方容量素子を正側容量素子とし、前記第１の下方容量素子および前記第２の上方容量素子を負側容量素子とすることにより、Ｘ軸方向に作用した力の検出が行われ、
前記第３の上方容量素子および前記第４の下方容量素子を正側容量素子とし、前記第３の下方容量素子および前記第４の上方容量素子を負側容量素子とすることにより、Ｙ軸方向に作用した力の検出が行われ、
前記第５の上方容量素子を正側容量素子とし、前記第５の下方容量素子を負側容量素子とすることにより、Ｚ軸方向に作用した力の検出が行われ、
Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向に作用した力をそれぞれ独立した検出値として出力す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〜第５の上方容量素子および第１〜第５の下方容量素子のそれぞれが、検出用容量素子と駆動用容量素子との一対の容量素子によって構成されており、
検出手段は、各検出用容量素子の静電容量値を検出し、
駆動手段は、各駆動用容量素子を構成する電極間に駆動電圧を印加してクーロン力を作用させることを特徴とする力検出装置。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の力検出装置において、
第１の上方容量素子，第１の下方容量素子，第２の上方容量素子，第２の下方容量素子が、いずれもＸＺ平面に関して対称となる形状をなし、第１の上方容量素子と第２の上方容量素子とはＹＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、第１の下方容量素子と第２の下方容量素子とはＹＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、
第３の上方容量素子，第３の下方容量素子，第４の上方容量素子，第４の下方容量素子が、いずれもＹＺ平面に関して対称となる形状をなし、第３の上方容量素子と第４の上方容量素子とはＸＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、第３の下方容量素子と第４の下方容量素子とはＸＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、
第５の上方容量素子および第５の下方容量素子が、いずれもＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となる形状をなし、かつ、第５の上方容量素子と第５の下方容量素子とはＸＹ平面に関して互いに対称となる形状をなし互いに対称となる位置に配置されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１７】
請求項１４〜１６のいずれかに記載の力検出装置において、
Ｘ軸およびＹ軸をＸＹ平面上で４５°回転させた軸をそれぞれＸ′軸およびＹ′軸と定義したときに、Ｘ′軸の正領域に平行な橋梁部、Ｘ′軸の負領域に平行な橋梁部、Ｙ′軸の正領域に平行な橋梁部、Ｙ′軸の負領域に平行な橋梁部によって、可撓性接続部材が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１７に記載の力検出装置において、
Ｘ軸の正領域に配置された第１の翼状部と、Ｘ軸の負領域に配置された第２の翼状部と、Ｙ軸の正領域に配置された第３の翼状部と、Ｙ軸の負領域に配置された第４の翼状部と、原点Ｏに配置され前記４組の翼状部を相互に接合する中央部と、を有する板状部材によって作用体が構成され、
４本の橋梁部は、前記中央部に接続されており、
前記第１の翼状部の上面に第１の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第１の翼状部の下面に第１の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第２の翼状部の上面に第２の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第２の翼状部の下面に第２の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第３の翼状部の上面に第３の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第３の翼状部の下面に第３の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第４の翼状部の上面に第４の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第４の翼状部の下面に第４の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記中央部の上面に第５の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記中央部の下面に第５の下方容量素子を構成する変位電極が形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１〜１８のいずれかに記載の力検出装置において、
作用体が導電性材料で構成されており、この作用体の表層における個々の固定電極に対する対向領域が個々の変位電極を形成することを特徴とする力検出装置。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれかに記載の力検出装置を含み、作用した加速度に起因して作用体に生じる力を求めることにより、加速度の検出を行う機能を有する加速度センサ。
【請求項２１】
請求項１〜１９のいずれかに記載の力検出装置に、作用体を所定の運動軌跡に沿って周期運動させる運動手段を付加し、作用体が前記周期運動しているときに、前記力検出装置の力の検出軸方向に加わるコリオリ力を求めることにより、角速度の検出を行う機能を有する角速度センサ。
【請求項１】
正負が定義された所定の検出軸方向に作用した力を検出する力検出装置であって、
検出対象となる力を作用させるための作用体と、
前記作用体を収容する筐体と、
前記作用体を前記筐体に対して接続する可撓性接続部材と、
前記作用体に固定された変位電極と前記筐体に固定された固定電極とによって構成され、前記作用体が前記検出軸の正方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなる正側容量素子と、
前記作用体に固定された変位電極と前記筐体に固定された固定電極とによって構成され、前記作用体が前記検出軸の正方向への力を受けて変位すると電極間隔が広くなり、負方向への力を受けて変位すると電極間隔が狭くなる負側容量素子と、
前記正側容量素子の静電容量値Ｃ１と前記負側容量素子の静電容量値Ｃ２とを検出する検出手段と、
前記正側容量素子を構成する電極間に駆動電圧Ｖ１を印加してクーロン力を作用させる機能と、前記負側容量素子を構成する電極間に駆動電圧Ｖ２を印加してクーロン力を作用させる機能と、を有する駆動手段と、
容量差ΔＣ＝Ｃ１−Ｃ２に基づいて、ΔＣ＞０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、印加電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を減少させるフィードバック制御を行う機能を有し、所定時点におけるΔＶとΔＣとを用いて、Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは比例係数）なる演算を行い、得られた値Ｖαを前記作用体に作用した力を示す検出値として出力する制御手段と、
を備え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、
制御手段が、所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣを繰り返し求め、各サンプリング時に、予め設定された正の基準レベルＬ１と負の基準レベルＬ２とを参照して、
（処理Ａ）ΔＣ＞Ｌ１の場合には、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを増加させる制御を行う、
（処理Ｂ）ΔＣ＜Ｌ２の場合には、ΔＣ＝０となるように、印加電圧差ΔＶを減少させる制御を行う、
（処理Ｃ）Ｌ２≦ΔＣ≦Ｌ１の場合には、印加電圧差ΔＶを増減させる制御を行わずに前サンプリング時におけるΔＶをそのまま維持させ、現サンプリング時におけるΔＶとΔＣとを用いて、Ｖα＝ΔＶ＋ｋ・ΔＣ（但し、ｋは予め定められた定数）なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力する、
のいずれかの処理を実行することを特徴とする力検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の力検出装置において、
印加電圧差ΔＶと容量差ΔＣとの関係が、検出に必要な精度の範囲内で線形性を維持するとみなせる領域を線形領域と定め、基準レベルＬ１〜Ｌ２の範囲が前記線形領域内に収まるように、基準レベルＬ１，Ｌ２が設定されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項４】
請求項１に記載の力検出装置において、
制御手段が、
所定のサンプリングタイミングで容量差ΔＣを繰り返し求め、ΔＣ＞０の場合には印加電圧差ΔＶを増加させ、ΔＣ＜０の場合には印加電圧差ΔＶを減少させるフィードバック制御を行い、
正の容量差ΔＣが得られた時点Ｑでの当該容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とし、負の容量差ΔＣが得られた時点Ｒでの当該容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）として、
ｋ＝（ΔＶ（Ｒ）−ΔＶ（Ｑ））／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））
なる演算で比例係数ｋを決定し、
Ｖα＝ΔＶ（Ｑ）＋ｋ・ΔＣ（Ｑ）なる演算、もしくは、
Ｖα＝ΔＶ（Ｒ）＋ｋ・ΔＣ（Ｒ）なる演算
によって、検出値Ｖαを求めることを特徴とする力検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の力検出装置において、
制御手段が、
Ｖα＝（ΔＶ（Ｒ）・ΔＣ（Ｑ）−ΔＶ（Ｑ）・ΔＣ（Ｒ））／（ΔＣ（Ｑ）−ΔＣ（Ｒ））なる演算で得られた値Ｖαを検出値として出力することを特徴とする力検出装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の力検出装置において、
容量差ΔＣの符号が正から負に反転したときに、反転直前の時点Ｑでの容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とし、反転直後の時点Ｒでの容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）とし、
容量差ΔＣの符号が負から正に反転したときに、反転直前の時点Ｒでの容量差をΔＣ（Ｒ）、印加電圧差をΔＶ（Ｒ）とし、反転直後の時点Ｑでの容量差をΔＣ（Ｑ）、印加電圧差をΔＶ（Ｑ）とすることを特徴とする力検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の力検出装置において、
各容量素子を構成する電極のうち、変位電極が共通の接地電位に維持され、駆動手段が、個々の固定電極に所定の駆動電圧を印加することにより、クーロン力を作用させ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、
駆動手段が、正側容量素子を構成する固定電極に駆動電圧Ｖ１（Ｖ１≧０）を印加してクーロン引力を作用させる機能と、負側容量素子を構成する固定電極に駆動電圧Ｖ２（Ｖ２≧０）を印加してクーロン引力を作用させる機能と、を有し、
制御手段が、ΔＣ＞０の場合には、駆動電圧Ｖ１を減少させて、駆動電圧Ｖ２を増加させ、ΔＣ＜０の場合には、駆動電圧Ｖ２を減少させて、駆動電圧Ｖ１を増加させる制御を行う機能を有することを特徴とする力検出装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の力検出装置において、
検出手段が、静電容量値を電圧に変換するＣ／Ｖ変換回路と、このＣ／Ｖ変換回路で変換されたアナログ検出電圧をデジタル検出信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、を有し、
制御手段が、前記デジタル検出信号に基づいて、所定の駆動電圧を示すデジタル駆動信号を出力するデジタル処理装置を有し、
駆動手段が、前記デジタル駆動信号をアナログ駆動信号に変換するＤ／Ａ変換回路と、前記アナログ駆動信号に基づく所定の駆動電圧を電極に印加するドライバ回路と、を有することを特徴とする力検出装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の力検出装置において、
正側容量素子もしくは負側容量素子に、検出手段と駆動手段との双方が接続されており、
前記検出手段は、カップリング用容量素子を介して前記正側容量素子もしくは負側容量素子に接続され、
前記駆動手段は、抵抗素子を介して前記正側容量素子もしくは負側容量素子に接続されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の力検出装置において、
正側容量素子が検出用正側容量素子と駆動用正側容量素子とによって構成されており、
負側容量素子が検出用負側容量素子と駆動用負側容量素子とによって構成されており、
検出手段は、前記検出用正側容量素子および前記検出用負側容量素子の静電容量値を検出し、
駆動手段は、前記駆動用正側容量素子および前記駆動用負側容量素子を構成する電極間に駆動電圧を印加してクーロン力を作用させることを特徴とする力検出装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の力検出装置において、
制御手段が、プロセッサと、このプロセッサに実行させるべきプログラムが格納されたメモリと、を有するマイクロコンピュータによって構成されており、前記プログラムに基づいて、演算および制御が実行されることを特徴とする力検出装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の力検出装置において、
作用体が板状部材から構成されており、
可撓性接続部が前記板状部材の側面の一部もしくは全部を筐体に対して接続し、
前記板状部材の上面に対向して配置された上方基板と、前記板状部材の下面に対向して配置された下方基板とが、筐体の一部をなし、
前記板状部材の上面および下面に変位電極が形成され、前記上方基板の下面および前記下方基板の上面に固定電極が形成されてい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、
板状部材からなる作用体の重心位置に原点Ｏをもち、ＸＹ平面が前記板状部材の上面に平行となるように、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、
Ｘ軸の正領域の上方に第１の上方容量素子が配置され、Ｘ軸の正領域の下方に第１の下方容量素子が配置され、Ｘ軸の負領域の上方に第２の上方容量素子が配置され、Ｘ軸の負領域の下方に第２の下方容量素子が配置され、
Ｙ軸の正領域の上方に第３の上方容量素子が配置され、Ｙ軸の正領域の下方に第３の下方容量素子が配置され、Ｙ軸の負領域の上方に第４の上方容量素子が配置され、Ｙ軸の負領域の下方に第４の下方容量素子が配置され、
Ｚ軸の正領域を中心とした位置に第５の上方容量素子が配置され、Ｚ軸の負領域を中心とした位置に第５の下方容量素子が配置され、
前記第１の上方容量素子および前記第２の下方容量素子を正側容量素子とし、前記第１の下方容量素子および前記第２の上方容量素子を負側容量素子とすることにより、Ｘ軸方向に作用した力の検出が行われ、
前記第３の上方容量素子および前記第４の下方容量素子を正側容量素子とし、前記第３の下方容量素子および前記第４の上方容量素子を負側容量素子とすることにより、Ｙ軸方向に作用した力の検出が行われ、
前記第５の上方容量素子を正側容量素子とし、前記第５の下方容量素子を負側容量素子とすることにより、Ｚ軸方向に作用した力の検出が行われ、
Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向に作用した力をそれぞれ独立した検出値として出力す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〜第５の上方容量素子および第１〜第５の下方容量素子のそれぞれが、検出用容量素子と駆動用容量素子との一対の容量素子によって構成されており、
検出手段は、各検出用容量素子の静電容量値を検出し、
駆動手段は、各駆動用容量素子を構成する電極間に駆動電圧を印加してクーロン力を作用させることを特徴とする力検出装置。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の力検出装置において、
第１の上方容量素子，第１の下方容量素子，第２の上方容量素子，第２の下方容量素子が、いずれもＸＺ平面に関して対称となる形状をなし、第１の上方容量素子と第２の上方容量素子とはＹＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、第１の下方容量素子と第２の下方容量素子とはＹＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、
第３の上方容量素子，第３の下方容量素子，第４の上方容量素子，第４の下方容量素子が、いずれもＹＺ平面に関して対称となる形状をなし、第３の上方容量素子と第４の上方容量素子とはＸＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、第３の下方容量素子と第４の下方容量素子とはＸＺ平面に関して互いに対称となる位置に配置され、
第５の上方容量素子および第５の下方容量素子が、いずれもＸＺ平面およびＹＺ平面の双方に関して対称となる形状をなし、かつ、第５の上方容量素子と第５の下方容量素子とはＸＹ平面に関して互いに対称となる形状をなし互いに対称となる位置に配置されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１７】
請求項１４〜１６のいずれかに記載の力検出装置において、
Ｘ軸およびＹ軸をＸＹ平面上で４５°回転させた軸をそれぞれＸ′軸およびＹ′軸と定義したときに、Ｘ′軸の正領域に平行な橋梁部、Ｘ′軸の負領域に平行な橋梁部、Ｙ′軸の正領域に平行な橋梁部、Ｙ′軸の負領域に平行な橋梁部によって、可撓性接続部材が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１７に記載の力検出装置において、
Ｘ軸の正領域に配置された第１の翼状部と、Ｘ軸の負領域に配置された第２の翼状部と、Ｙ軸の正領域に配置された第３の翼状部と、Ｙ軸の負領域に配置された第４の翼状部と、原点Ｏに配置され前記４組の翼状部を相互に接合する中央部と、を有する板状部材によって作用体が構成され、
４本の橋梁部は、前記中央部に接続されており、
前記第１の翼状部の上面に第１の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第１の翼状部の下面に第１の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第２の翼状部の上面に第２の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第２の翼状部の下面に第２の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第３の翼状部の上面に第３の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第３の翼状部の下面に第３の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第４の翼状部の上面に第４の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記第４の翼状部の下面に第４の下方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記中央部の上面に第５の上方容量素子を構成する変位電極が形成され、前記中央部の下面に第５の下方容量素子を構成する変位電極が形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１〜１８のいずれかに記載の力検出装置において、
作用体が導電性材料で構成されており、この作用体の表層における個々の固定電極に対する対向領域が個々の変位電極を形成することを特徴とする力検出装置。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれかに記載の力検出装置を含み、作用した加速度に起因して作用体に生じる力を求めることにより、加速度の検出を行う機能を有する加速度センサ。
【請求項２１】
請求項１〜１９のいずれかに記載の力検出装置に、作用体を所定の運動軌跡に沿って周期運動させる運動手段を付加し、作用体が前記周期運動しているときに、前記力検出装置の力の検出軸方向に加わるコリオリ力を求めることにより、角速度の検出を行う機能を有する角速度センサ。
【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】
【公開番号】特開２０１０−２５８４０（Ｐ２０１０−２５８４０Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８９５６３（Ｐ２００８−１８９５６３）
【出願日】平成２０年７月２３日（２００８．７．２３）
【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２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２３日（２００８．７．２３）
【出願人】（３９００１３３４３）株式会社ワコー (34)
【Ｆターム（参考）】
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