変位センサおよび力検出装置
【課題】力・モーメントを独立検出する装置の薄型化を図る。
【解決手段】変位基板１０側に電極Ｅ１１，Ｅ１２、固定基板２０側に電極Ｅ２１，Ｅ２２を設け、両基板をバネ３１〜３４で接続する。Ｅ１１，Ｅ２１は、γ軸を中心とした円形電極で、αβ平面上へ投影すると、Ｅ２１はＥ１１内に包含される。Ｅ１２，Ｅ２２は、α軸方向にオフセット配置された矩形電極で、Ｅ１２のβ軸方向幅は、Ｅ２２のβ軸方向幅内に包含される。Ｅ１１，Ｅ２１間の容量値Ｃ１は、変位Ｄγの情報のみを示し、Ｅ１２，Ｅ２２間の容量値Ｃ２は、変位ＤαおよびＤγの合成情報を示すので、両者を用いて、変位Ｄα，Ｄγを独立検出できる。より広い基板の複数Ｎ箇所にローカル原点Ｑを設定し、それぞれ所定の向きにαβγローカル座標系を定め、それぞれに同様の電極を配置する。各原点Ｑについての検出値Ｄα，Ｄγを統合して、基板全体に作用した力・モーメントを検出する。
【解決手段】変位基板１０側に電極Ｅ１１，Ｅ１２、固定基板２０側に電極Ｅ２１，Ｅ２２を設け、両基板をバネ３１〜３４で接続する。Ｅ１１，Ｅ２１は、γ軸を中心とした円形電極で、αβ平面上へ投影すると、Ｅ２１はＥ１１内に包含される。Ｅ１２，Ｅ２２は、α軸方向にオフセット配置された矩形電極で、Ｅ１２のβ軸方向幅は、Ｅ２２のβ軸方向幅内に包含される。Ｅ１１，Ｅ２１間の容量値Ｃ１は、変位Ｄγの情報のみを示し、Ｅ１２，Ｅ２２間の容量値Ｃ２は、変位ＤαおよびＤγの合成情報を示すので、両者を用いて、変位Ｄα，Ｄγを独立検出できる。より広い基板の複数Ｎ箇所にローカル原点Ｑを設定し、それぞれ所定の向きにαβγローカル座標系を定め、それぞれに同様の電極を配置する。各原点Ｑについての検出値Ｄα，Ｄγを統合して、基板全体に作用した力・モーメントを検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位センサおよび力検出装置に関し、特に、力とモーメントとを独立して検出するのに適した力検出装置およびこれに利用するための変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットや産業機械の動作制御を行うために、種々のタイプの力検出装置が利用されている。たとえば、ロボットの手や足の運動状態を把握するためには、手首や足首に力検出装置が取り付けられ、手や足に作用している力やモーメントの検出が行われる。このような用途に用いる力検出装置には、小型化およびコストダウンを図るために、できるだけ構造を単純にするとともに、三次元空間内での各座標軸に関する力やモーメントをそれぞれ独立して検出できるようにすることが要求される。
【０００３】
一般に利用されている多軸力検出装置は、三次元構造体に作用した力の特定の方向成分を、特定の部分に生じた変位として検出するタイプのものと、特定の部分に生じた機械的な歪みとして検出するタイプのものに分類される。前者の変位検出タイプの代表格は、静電容量素子式の力検出装置であり、一対の電極により容量素子を構成しておき、作用した力によって一方の電極に生じた変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出するものである。たとえば、下記の特許文献１には、この静電容量式の力検出装置が開示されている。一方、後者の歪み検出タイプの代表格は、歪みゲージ式の力検出装置であり、作用した力によって生じた機械的な歪みを、ゲージ抵抗などの電気抵抗の変化として検出するものである。たとえば、下記の特許文献２には、この歪みゲージ式の力検出装置が開示されている。しかしながら、これらの装置は、かなり複雑な三次元構造体を用いる必要があり、小型化およびコストダウンを図ることが困難である。
【０００４】
このような問題を解決するために、下記の特許文献３，４には、より単純な構造で、力とモーメントとを独立して検出することができる静電容量素子式の力検出装置が提案されている。これらの装置は、上方基板と下方基板との間を、複数の柱状部材によって接続した単純な構造を有しており、下方基板を固定した状態において、上方基板に外力が作用した場合に、各柱状部材の変位状態を静電容量素子の容量値の変化に基づいて検出することにより、外力として作用した力やモーメントを各座標軸に関して独立して検出することができる。すなわち、三次元空間内にＸＹＺ三次元座標系を定義した場合、各座標軸方向の力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、各座標軸まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとの６つの成分を、それぞれ独立して検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２１５６２７号公報
【特許文献２】特開昭６１−２９２０２９号公報
【特許文献３】特開２００４−３２５３６７号公報
【特許文献４】特開２００４−３５４０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前掲の特許文献３，４に開示されている力検出装置は、上述したとおり、比較的単純な構造により、各座標軸に関する力とモーメントとを独立して検出することが可能な利点を有しているが、各柱状部材の傾斜状態などを検出するために、柱状部材の端部に静電容量素子を配置する必要がある。このため、装置全体が厚くならざるを得ず、薄型化が困難であるという問題がある。現在、実用化されているこれらの力検出装置の場合、厚みは３０〜５０ｍｍ程度であり、商用製品として更に薄型化を図ることは困難である。
【０００７】
これに対して、ロボットの手首や足首などの間接部分に設けられる力検出装置には、更なる薄型化が望まれており、実用上は、１０ｍｍ程度の厚みの製品が好ましいとされている。また、コストダウンを図る上で、構造を更に単純化した製品が望まれている。
【０００８】
そこで本発明は、各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントをそれぞれ独立して検出することができ、しかも構造が単純で、薄型化に適した力検出装置を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような力検出装置への利用に適した変位センサ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】
【０００９】
(1) 本発明の第１の態様は、互いに平行になるように対向して配置された上方基板および下方基板と、上方基板と下方基板とを接続する接続部材と、を有する構造体であって、下方基板を固定した状態において、上方基板に外力を作用させた場合に、上方基板が下方基板に対して変位を生じるように、接続部材の少なくとも一部分が可撓性を有している、そのような構造体について、上記変位を検出する機能をもった変位センサにおいて、
上方基板の下面に形成された第１の上方電極および第２の上方電極と、
下方基板の上面に形成された第１の下方電極および第２の下方電極と、
第１の上方電極と第１の下方電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値Ｃ１と、第２の上方電極と第２の下方電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値Ｃ２と、に基づいて、所定の検出信号を出力する検出回路と、
を設け、
上方基板内の所定位置に原点Ｑを定義し、この原点Ｑを含み、上方基板の基板面に平行な平面上に、原点Ｑを通り互いに直交するα軸およびβ軸を定義し、原点Ｑを通りαβ平面に対して直交するγ軸を定義することにより、αβγ三次元直交座標系を定義したときに、
第１の上方電極および第１の下方電極のαβ平面上への正射影像に関して、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極となる一方の電極の正射影像の領域が包含電極となる他方の電極の正射影像の領域内に包含され、かつ、上方基板が下方基板に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、および、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、上記包含関係が依然として維持されるように、第１の上方電極および第１の下方電極の配置および形状を設定し、
第２の上方電極および第２の下方電極のαβ平面上への正射影像に関して、両正射影像の重複領域の図形形状が、上方基板が下方基板に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに変化し、かつ、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに不変であるように、第２の上方電極および第２の下方電極の配置および形状を設定し、
検出回路が、静電容量値Ｃ１の変動量ΔＣ１を原点Ｑのγ軸方向の変位Ｄγを示す検出信号として出力し、静電容量値Ｃ２の変動量ΔＣ２から変位Ｄγに起因する変動量を除去した値を原点Ｑのα軸方向の変位Ｄαを示す検出信号として出力するようにしたものである。
【００１０】
(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る変位センサにおいて、
上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極のαβ平面上への正射影像が、α軸に関して線対称かつβ軸に関して線対称となるように、被包含電極の配置および形状を設定したものである。
【００１１】
(3) 本発明の第３の態様は、上述した第１の態様に係る変位センサにおいて、
第１の上方電極と第１の下方電極とからなる電極対を複数組設け、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極群のαβ平面上への正射影像からなる平面パターンが、α軸に関して線対称かつβ軸に関して線対称となるように、被包含電極群の配置および形状を設定したものである。
【００１２】
(4) 本発明の第４の態様は、上述した第１の態様に係る変位センサにおいて、
第２の上方電極が内部に開口部を有する形状をなし、第１の上方電極がこの第２の上方電極の開口部内に配置され、第２の下方電極が内部に開口部を有する形状をなし、第１の下方電極がこの第２の下方電極の開口部内に配置されているようにしたものである。
【００１３】
(5) 本発明の第５の態様は、上述した第４の態様に係る変位センサにおいて、
第１の上方電極の外形、第２の上方電極の開口部の形状、第１の下方電極の外形、第２の下方電極の開口部の形状がいずれも円であり、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、これら各円の中心点がγ軸上に位置するようにしたものである。
【００１４】
(6) 本発明の第６の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る変位センサにおいて、
上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、第２の上方電極の外形図形と第２の下方電極の外形図形とについて、
一方の図形を図形Ｆ１、他方の図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１のα軸正方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸正方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ１のα軸負方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸負方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、
一方の図形を図形Ｆ３、他方の図形を図形Ｆ４としたときに、図形Ｆ４のβ軸正方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ４のβ軸負方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸負方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、
図形Ｆ３および図形Ｆ４のαβ平面上への正射影像に関して、図形Ｆ４の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに図形Ｆ３の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなす、
という条件が満たされるようにしたものである。
【００１５】
(7) 本発明の第７の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る変位センサにおいて、
第２の上方電極の外形図形および第２の下方電極の外形図形が、α軸に平行な２辺とβ軸に平行な２辺とをもった矩形をなし、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、これら２つの矩形について、
一方の矩形を矩形Ｆ１、他方の矩形を矩形Ｆ２としたときに、矩形Ｆ１のα軸正方向側の辺が、矩形Ｆ２のα軸正方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、矩形Ｆ１のα軸負方向側の辺が、矩形Ｆ２のα軸負方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、
一方の矩形を矩形Ｆ３、他方の矩形を矩形Ｆ４としたときに、矩形Ｆ４のβ軸正方向側の辺が、矩形Ｆ３のβ軸正方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、矩形Ｆ４のβ軸負方向側の辺が、矩形Ｆ３のβ軸負方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置する、
という条件が満たされるようにしたものである。
【００１６】
(8) 本発明の第８の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る変位センサにおいて、
第２の上方電極および第２の下方電極の平面形状が、それぞれ複数の部分図形の集合体によって構成されており、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、第２の上方電極を構成する部分図形と第２の下方電極を構成する部分図形とについて、
一方の部分図形を図形Ｆ１、他方の部分図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１のα軸正方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸正方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ１のα軸負方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸負方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、
一方の部分図形を図形Ｆ３、他方の部分図形を図形Ｆ４としたときに、図形Ｆ４のβ軸正方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ４のβ軸負方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸負方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、
図形Ｆ３および図形Ｆ４のαβ平面上への正射影像に関して、図形Ｆ４の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに図形Ｆ３の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなす、
という条件が満たされるようにしたものである。
【００１７】
(9) 本発明の第９の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る変位センサにおいて、
第２の上方電極および第２の下方電極の平面形状が、α軸方向に伸びた根幹部と、根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、を有する櫛状図形をなし、
上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、第２の上方電極を構成する櫛状図形と第２の下方電極を構成する櫛状図形とについて、
一方の櫛状図形を図形Ｆ１、他方の櫛状図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１の根幹部は図形Ｆ２の根幹部に比べて、所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、図形Ｆ１の各歯状部は根幹部からβ軸正方向側に伸び、図形Ｆ２の各歯状部は根幹部からβ軸負方向側に伸び、図形Ｆ１の各歯状部のα軸方向に関する配列周期と図形Ｆ２の各歯状部のα軸方向に関する配列周期とは位相がずれており、
一方の櫛状図形を図形Ｆ３、他方の櫛状図形を図形Ｆ４として、αβ平面上へ図形Ｆ３および図形Ｆ４の正射影像を形成した場合に、図形Ｆ３の各歯状部の正射影像は、図形Ｆ４の対応する各歯状部の正射影像に部分的に重なり合い、図形Ｆ３の各歯状部の正射影像の先端部は、図形Ｆ４の根幹部の正射影像までは届かず、図形Ｆ４の各歯状部の正射影像の先端部は、図形Ｆ３の根幹部の正射影像を突き抜け、
図形Ｆ４の各歯状部の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに図形Ｆ３の対応する歯状部および根幹部の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなす、
という条件が満たされるようにしたものである。
【００１８】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述した第９の態様に係る変位センサにおいて、
平面形状が、α軸方向に伸びた根幹部と、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、この根幹部の中央からβ軸方向に伸びる板状部と、を有する櫛状図形をなす第１の櫛状電極を上方基板の下面もしくは下方基板の上面に形成し、板状部および必要に応じてその付け根に位置する根幹部の一部分を第１の上方電極もしくは第１の下方電極とし、第１の櫛状電極の各歯状部および根幹部を第２の上方電極もしくは第２の下方電極とし、
平面形状が、α軸方向に伸びた根幹部と、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、を有する櫛状図形をなす第２の櫛状電極と、板状部に対向する位置に配置された島状電極と、を下方基板の上面もしくは上方基板の下面に形成し、島状電極を第１の下方電極もしくは第１の上方基板とし、第２の櫛状電極を第２の下方電極もしくは第２の上方電極とするようにしたものである。
【００１９】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述した第１〜第１０の態様に係る変位センサを複数Ｎ組用いて構成した力検出装置において、
互いに平行になるように対向して配置された上方基板および下方基板と、
上方基板と下方基板とを接続する部材であって、下方基板を固定した状態において、上方基板に外力を作用させた場合に、上方基板が下方基板に対して変位を生じるように、少なくとも一部分が可撓性を有している接続部材と、
上記複数Ｎ組の変位センサと、
この複数Ｎ組の変位センサを利用して、上方基板に作用した外力を検出する検出ユニットと、
を設け、
複数Ｎ組の変位センサは、それぞれ、上方基板の下面に形成された第１の上方電極および第２の上方電極と、下方基板の上面に形成された第１の下方電極および第２の下方電極と、検出回路と、を有し、
上方基板内の所定のＮ箇所に、それぞれローカルなαβγ三次元直交座標系の原点Ｑが定義され、複数Ｎ組の変位センサは、上方基板の各ローカル原点Ｑの位置についてのγ軸方向の変位Ｄγおよびα軸方向の変位Ｄαを検出できるように配置され、
上方基板内の所定位置にグローバル原点Ｏを定義し、このグローバル原点Ｏを含み、上方基板の基板面に平行な平面上に、グローバル原点Ｏを通り互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定義し、グローバル原点Ｏを通りＸＹ平面に対して直交するＺ軸を定義することにより、グローバルなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、検出ユニットが、複数Ｎ組の変位センサの各検出回路から出力される変位についての検出信号に基づいて、上方基板の原点Ｏの位置に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘ、Ｙ軸方向成分Ｆｙ、Ｚ軸方向成分Ｆｚ、および上方基板の原点Ｏの位置に作用したモーメントのＸ軸まわり成分Ｍｘ、Ｙ軸まわり成分Ｍｙ、Ｚ軸まわり成分Ｍｚの６成分のうちの少なくとも１つを検出するようにしたものである。
【００２０】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述した第１１の態様に係る力検出装置において、
４組の変位センサを用意し、
第１のセンサのローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２のセンサのローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３のセンサのローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４のセンサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１のセンサのα軸正方向がＹ軸正方向を向き、第２のセンサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、第３のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、第４のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向を向くように、この４組のセンサを配置したものである。
【００２１】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述した第１１の態様に係る力検出装置において、
ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離だけ離れた位置にくるように配置された４組の内側センサと、ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離れた位置にくるように配置された４組の外側センサと、を用意し、
第１の内側センサのローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２の内側センサのローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３の内側センサのローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４の内側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１の内側センサのα軸正方向がＹ軸正方向を向き、第２の内側センサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、第３の内側センサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、第４の内側センサのα軸正方向がＸ軸正方向を向くように、この４組の内側センサを配置し、
第１の外側センサのローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２の外側センサのローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３の外側センサのローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４の外側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１の外側センサのα軸正方向が第１の内側センサのα軸負方向を向き、第２の外側センサのα軸正方向が第２の内側センサのα軸負方向を向き、第３の外側センサのα軸正方向が第３の内側センサのα軸負方向を向き、第４の外側センサのα軸正方向が第４の内側センサのα軸負方向を向くように、この４組の外側センサを配置したものである。
【００２２】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述した第１１の態様に係る力検出装置において、
４組の変位センサを用意し、
第１のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第３象限に位置し、第４のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第４象限に位置し、
第１のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、第２のセンサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、第３のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向を向き、第４のセンサのα軸正方向がＹ軸正方向を向くように、この４組のセンサを配置したものである。
【００２３】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述した第１１の態様に係る力検出装置において、
３組の変位センサを用意し、
第１のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３のセンサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第２のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第３のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、この３組のセンサを配置したものである。
【００２４】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述した第１１の態様に係る力検出装置において、
ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離だけ離れた位置にくるように配置された３組の内側センサと、ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離れた位置にくるように配置された３組の外側センサと、を用意し、
第１の外側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の外側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の外側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１の外側センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第２の外側センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第３の外側センサのα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、この３組の外側センサを配置し、
第１の内側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の内側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の内側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１の内側センサのα軸正方向が第１の外側センサのα軸負方向を向き、第２の内側センサのα軸正方向が第２の外側センサのα軸負方向を向き、第３の内側センサのα軸正方向が第３の外側センサのα軸負方向を向くように、この３組の内側センサを配置したものである。
【００２５】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述した第１１の態様に係る力検出装置において、
３組の主センサと、３組の副センサと、を用意し、
第１の主センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の主センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の主センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１の主センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第２の主センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第３の主センサのα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、この３組の主センサを配置し、
第１の副センサのローカル原点Ｑが第１の主センサのローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第２の副センサのローカル原点Ｑが第２の主センサのローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第３の副センサのローカル原点Ｑが第３の主センサのローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、
第１の副センサのα軸正方向が第１の主センサのα軸負方向を向き、第２の副センサのα軸正方向が第２の主センサのα軸負方向を向き、第３の副センサのα軸正方向が第３の主センサのα軸負方向を向くように、この３組の副センサを配置したものである。
【００２６】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述した第１〜第１７の態様に係る変位センサもしくは力検出装置において、
接続部材を、複数のばね、もしくは弾性変形を生じる複数の柱状部材によって構成したものである。
【００２７】
(19) 本発明の第１９の態様は、上述した第１〜第１７の態様に係る変位センサもしくは力検出装置において、
接続部材を、上方基板の周囲に設けられた上方接続用縁部と、下方基板の周囲に設けられた下方接続用縁部と、上方接続用縁部と下方接続用縁部とを接続する複数の柱状部材と、によって構成し、
上方接続用縁部のうち柱状部材の上端が接続された接続部分の近傍と、下方接続用縁部のうち柱状部材の下端が接続された接続部分の近傍とを、ダイアフラムもしくはビーム構造体によって構成したものである。
【００２８】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述した第１〜第１７の態様に係る変位センサもしくは力検出装置において、
接続部材を、上方電極と下方電極との間に配置されたゴム層によって構成したものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る変位センサは、上方基板および下方基板に、形状および配置が所定の幾何学的条件を満足する４種類の電極（第１および第２の上方電極ならびに第１および第２の下方電極）を設けることにより構成される。ここで、これらの電極によって構成される２つの容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、上方基板の原点Ｑの位置におけるα軸方向の変位Ｄαおよびγ軸方向の変位Ｄγを独立して検出することができる。このような機能をもった変位センサは、構造が単純で、薄型化に適した力検出装置を実現するために有用である。
【００３０】
一方、本発明に係る力検出装置は、上方基板および下方基板、ならびにこれらを接続する接続部材を備えた物理的構造体の複数Ｎ箇所に、上記変位センサをそれぞれ特定の向きに配置することによって構成される。このため、複数Ｎ個の変位センサのそれぞれから、各配置場所に定義されたローカルなαβγ三次元直交座標系におけるα軸方向の変位Ｄαおよびγ軸方向の変位Ｄγの検出値が得られることになり、これらの検出値に基づいて、グローバルなＸＹＺ三次元直交座標系上で上方基板に作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントをそれぞれ独立して検出することができる。しかも、上記変位センサを利用したため、構造が単純で、薄型化に適した力検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る変位センサおよびその適用対象となる構造体の物理的構造部を示す斜視図ならびに検出処理部を示すブロック図である。
【図２】図１に示す構造体の上方基板１０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３】図１に示す構造体の下方基板２０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４】図１に示す構造体および電極の上面図である（上方基板１０については透視した状態を示し、バネは図示省略）。
【図５】図１に示す構造体および電極をαγ平面で切断した縦断面図である（バネは図示省略）。
【図６】図１に示す構造体および電極をβγ平面で切断した縦断面図である（バネは図示省略）。
【図７】図５の縦断面図に示されている各構成部分における第１の容量素子Ｃ１の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図である。
【図８】図６の縦断面図に示されている各構成部分における第１の容量素子Ｃ１の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図である。
【図９】図５の縦断面図に示されている各構成部分における第２の容量素子Ｃ２の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図である。
【図１０】図６の縦断面図に示されている各構成部分における第２の容量素子Ｃ２の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図である。
【図１１】図１に示す変位センサにおける各容量素子Ｃ１，Ｃ２と検出回路Ｈとの接続を示す回路図および変位と静電容量値の変動との関係を示すテーブルである。
【図１２】図１に示す各基板および第１の容量素子Ｃ１を形成する上下電極のαβ平面上への正射影投影図である（ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図１３】図１に示す各基板および第２の容量素子Ｃ２を形成する上下電極のαβ平面上への正射影投影図である（ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図１４】図１に示す変位センサにおける検出回路Ｈで行われる演算処理を示すテーブルである。
【図１５】図１４のテーブルに示されている補正係数ｋの設定原理を示すグラフである。
【図１６】図１に示す変位センサにおける検出回路Ｈで行われる演算処理によって変位Ｄγ，Ｄαが得られる原理を示す図である。
【図１７】本発明に係る力検出装置の物理的構造部を示す斜視図（各電極は図示省略）および電気的処理部を示すブロック図である。
【図１８】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、上方基板１００内に定義された４つの配置点の位置および４組のローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す上面図である。
【図１９】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の上方基板１００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２０】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の下方基板２００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２１】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図である（バネは図示省略）。
【図２２】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変位状態を示す正面図である（バネは図示省略）。
【図２３】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの電極の変位状態を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図２４】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの電極の変位状態を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図２５】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変位状態を示す正面図である（バネは図示省略）。
【図２６】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの電極の変位状態を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図２７】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの変位状態を示す正面図である（バネは図示省略）。
【図２８】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの電極の変位状態を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図２９】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときの電極の変位状態を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図３０】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの電極の変位状態を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図３１】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの４組の変位センサの各検出値の変動を示すテーブルである。
【図３２】図３１に示すテーブルに基づいて、作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図３３】本発明に係る力検出装置の第２の実施形態の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図である（バネは図示省略）。
【図３４】図３３に示す８組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。
【図３５】図３３に示す力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの８組のセンサの各検出値の変動を示すテーブルである。
【図３６】図３５に示すテーブルに基づいて、作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図３７】本発明に係る力検出装置の第３の実施形態の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図である（バネは図示省略）。
【図３８】図３７に示す４組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。
【図３９】図３７に示す力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの４組のセンサの各検出値の変動を示すテーブルである。
【図４０】図３９に示すテーブルに基づいて、作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図４１】本発明に係る力検出装置の第４の実施形態の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図である（バネは図示省略）。
【図４２】図４１に示す３組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。
【図４３】図４１に示す力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの３組のセンサの各検出値の変動を示すテーブルである。
【図４４】図４３に示すテーブルに基づいて、作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図４５】図４１に示す力検出装置の３組のセンサの位置をずらした場合に用いられる演算式を示す図である。
【図４６】本発明に係る力検出装置の第５の実施形態に用いられる６組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。
【図４７】図４６に示す力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの６組のセンサの各検出値の変動を示すテーブルである。
【図４８】図４７に示すテーブルに基づいて、作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図４９】本発明に係る力検出装置の第６の実施形態に用いられる６組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。
【図５０】図４９に示す力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの６組のセンサの各検出値の変動を示すテーブルである。
【図５１】図５０に示すテーブルに基づいて、作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図５２】図１に示す構造体および電極のαβ平面上への正射影投影図である（ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。バネは図示省略）。
【図５３】本発明に係る変位センサの第１の変形例の物理的構造部の上面図である（上方基板４０については透視した状態を示し、バネは図示省略）。
【図５４】図５３に示す変位センサの物理的構造部のαβ平面上への正射影投影図である（ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。バネは図示省略）。
【図５５】本発明に係る変位センサの第２の変形例の物理的構造部の上面図である（上方基板６０については透視した状態を示し、バネは図示省略）。
【図５６】図５５に示す変位センサの物理的構造部のαβ平面上への正射影投影図である（ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。バネは図示省略）。
【図５７】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図である（バネについては、取付位置のみ表示）。
【図５８】本発明に係る力検出装置の第１の変形例を示す縦断面図であり、図５７に示す物理的構造部を切断線Ｌに沿って切断した縦断面図に対応する（電極の詳細構造は省略）。
【図５９】本発明に係る力検出装置の第２の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。
【図６０】図５９に示す変形例の接続部材を変更した例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。
【図６１】本発明に係る力検出装置の第３の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。
【図６２】図６１に示す変形例の主要部分のＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図６３】図６１に示す変形例の主要部分の寸法図である（電極の詳細構造は省略）。
【図６４】本発明に係る力検出装置の第４の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。
【図６５】本発明に係る力検出装置の第５の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。
【図６６】本発明に係る力検出装置の第６の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００３３】
＜＜＜ §１．変位センサの物理的構造 ＞＞＞
まず、本発明に係る変位センサの物理的構造を説明する。図１は、本発明に係る変位センサおよびその適用対象となる構造体の物理的構造部を示す斜視図（上段）ならびに検出処理部（下段の検出回路Ｈ）を示すブロック図である。
【００３４】
図１上段の斜視図には、上方基板１０、下方基板２０、バネ３１〜３４によって構成された構造体（本発明に係る変位センサの適用対象となる構造体）が示されている。上方基板１０および下方基板２０は、互いに平行になるように対向して配置された一対の基板であり、バネ３１〜３４は、上方基板１０と下方基板２０とを接続する接続部材としての機能を果たす。ここで、接続部材は、下方基板２０を固定した状態において、上方基板１０に外力を作用させた場合に、上方基板１０が下方基板２０に対して変位を生じるように、少なくとも一部分が可撓性を有している必要がある。バネ３１〜３４は、このような性質をもった接続部材の典型例であるが、接続部材は必ずしもバネに限定されるものではない。接続部材のバリエーションについては、§７で述べることにする。
【００３５】
ここでは、図示のように、この構造体について、上方基板１０内の任意の位置に原点Ｑを定義し、この原点Ｑを含み、上方基板１０の基板面（上面および下面）に平行な平面上に、原点Ｑを通り互いに直交するα軸およびβ軸を定義し、更に、原点Ｑを通りαβ平面に対して直交するγ軸を定義することにより、αβγ三次元直交座標系を定義する。図示の例の場合、図の右方向がα軸の正方向、図の奥方向がβ軸の正方向、図の上方向がγ軸の正方向となるように、αβγ三次元直交座標系を定義している。
【００３６】
なお、ここで、各座標軸の表記を、一般的なＸ，Ｙ，Ｚとせずに、α，β，γとしたのは、後述するように、αβγ三次元直交座標系がローカル原点Ｑについて定義されたローカル座標系であるため、§３以降で言及するグローバルなＸＹＺ三次元直交座標系と区別するための便宜である。
【００３７】
さて、このような構造体では、下方基板２０を固定した状態において、上方基板１０に対して外力を作用させると、上方基板１０は下方基板２０に対して変位を生じることになる。ここでは、特に、上方基板１０内の原点Ｑの位置についての変位を考える。上方基板１０の変位方向は任意であるが、当該変位は、図に白矢印で示すとおり、αβγ三次元直交座標系におけるα軸方向の変位Ｄα，β軸方向の変位Ｄβ，γ軸方向の変位Ｄγの３成分に分解することができる。
【００３８】
本発明に係る変位センサは、この３成分のうち、変位Ｄαと変位Ｄγの２成分を検出する機能を有している。変位Ｄαは、基板面に平行な特定方向についての変位であり、変位Ｄγは、基板面に垂直な方向についての変位である。上方基板１０内の任意の点Ｑの位置について、このような２成分の変位検出を行うことができる変位センサを複数用いれば、§３以降で詳述するとおり、力とモーメントを独立して検出可能な力検出装置を実現することができる。
【００３９】
本発明に係る変位センサの構成要素は、上方基板１０の下面に形成された第１の上方電極Ｅ１１および第２の上方電極Ｅ１２と、下方基板２０の上面に形成された第１の下方電極Ｅ２１および第２の下方電極Ｅ２２と、検出回路Ｈである。第１の上方電極Ｅ１１と第１の下方電極Ｅ２１とは対向しており、両者によって第１の容量素子Ｃ１が形成され、第２の上方電極Ｅ１２と第２の下方電極Ｅ２２とは対向しており、両者によって第２の容量素子Ｃ２が形成される。検出回路Ｈは、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値と、に基づいて、所定の検出信号を出力する機能を果たすが、その詳細な処理動作については、§２で述べることにする。
【００４０】
結局、上方基板１０，下方基板２０，バネ３１〜３４によって構成される構造体について、上方基板１０に生じた変位を検出するための変位センサが設けられていることになり、当該変位センサは、４枚の電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２と検出回路Ｈという単純な要素から構成されていることになる。ここで、４枚の電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２の幾何学的な形状および配置は非常に重要である。
【００４１】
図２は、図１に示す上方基板１０の下面図であり、図３は、図１に示す下方基板２０の上面図である。図２が下面図であるのに対して、図３が上面図であるため、両平面図では、β軸の向きが逆になっている。なお、これら両平面図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。
【００４２】
図２，図３に示されているとおり、第１の上方電極Ｅ１１および第１の下方電極Ｅ２１は、いずれもγ軸（α軸とβ軸との交点において、紙面に直交する方向に伸びる）を中心とした円形の電極であるが、電極Ｅ１１の直径の方が電極Ｅ２１の直径よりも大きくなるように設定されている。一方、第２の上方電極Ｅ１２および第２の下方電極Ｅ２２は、いずれも矩形の電極であり、いずれも内部に円形の開口部を有している。しかも、円形の電極Ｅ１１は、矩形の電極Ｅ１２に形成された円形の開口部Ｒ１内に配置され、円形の電極Ｅ２１は、矩形の電極Ｅ２２に形成された円形の開口部Ｒ２内に配置されている。
【００４３】
ここで、電極Ｅ１１，Ｅ１２の間や、電極Ｅ２１，Ｅ２２の間には、空隙が設けられており、各電極は互いに接触せず、独立した状態となっている。また、上方基板１０および下方基板２０の少なくとも電極形成面は絶縁材料で構成されており、４枚の電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２は相互に電気的な絶縁状態におかれている。前述したとおり、電極Ｅ１１，Ｅ２１は上下に対向する電極対を構成し、第１の容量素子Ｃ１として機能し、電極Ｅ１２，Ｅ２２も上下に対向する電極対を構成し、第２の容量素子Ｃ２として機能する。
【００４４】
図４は、図１に示す構造体および電極の上面図であるが、便宜上、上方基板１０については透視した状態を示す。したがって、図において、上方電極Ｅ１１，Ｅ１２は、実線で描かれており、下方電極Ｅ２１，Ｅ２２は、上方電極によって隠れた部分が破線で描かれている。なお、バネ３１〜３４は図示を省略している。
【００４５】
一方、図５は、図１に示す構造体および電極をαγ平面で切断した縦断面図であり、図６は、図１に示す構造体および電極をβγ平面で切断した縦断面図である。いずれも、バネ３１〜３４は図示を省略している。なお、図１の斜視図に描かれた構造体と、図２〜図６の平面図もしくは断面図に描かれた構造体とでは、各部の寸法に厳密な整合性はない。これは、説明の便宜上、図１の斜視図が、各部の寸法を無視して、全体をデフォルメして描いた図になっているためである。具体的な実施形態における各部の好ましい寸法値は、後に§７で例示する。
【００４６】
図５および図６を見れば、電極Ｅ１１，Ｅ２１が上下で対向して第１の容量素子Ｃ１を形成し、電極Ｅ１２，Ｅ２２が上下で対向して第２の容量素子Ｃ２を形成している様子が理解できよう。ただ、電極Ｅ１１，Ｅ２１は相互に形状や大きさが異なる電極であるから、第１の容量素子Ｃ１の形成に寄与するのは、両電極のうちの平面的に重なり合う一部の領域だけである。同様に、電極Ｅ１２，Ｅ２２も相互に形状や大きさが異なる電極であるから、第２の容量素子Ｃ２の形成に寄与するのは、両電極のうちの平面的に重なり合う一部の領域だけである。
【００４７】
図７は、図５の縦断面図に示されている各構成部分における第１の容量素子Ｃ１の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図であり、図８は、図６の縦断面図に示されている各構成部分における第１の容量素子Ｃ１の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図である。図４の平面図において、円形の電極Ｅ２１は円形の電極Ｅ１１の領域内に包含されているため、結局、上下で対向する領域は、円形の電極Ｅ２１の全領域に相当する部分ということになる。
【００４８】
すなわち、図７および図８に示すとおり、電極Ｅ１１の直径をφ１１とし、電極Ｅ２１の直径をφ２１とすれば、φ１１＞φ２１であるから、第１の容量素子Ｃ１は、実質的に、直径φ２１をもった一対の円盤状電極によって形成された容量素子ということになる。図示のとおり、電極Ｅ１１，Ｅ２１には、端子Ｔ１１，Ｔ２１への配線が施され、検出回路Ｈによって両端子Ｔ１１，Ｔ２１間の静電容量値が測定されることになる。こうして測定された静電容量値は、結局、電極Ｅ１１，Ｅ２１のうち、図のハッチング部分についての静電容量値ということになる。
【００４９】
同様に、図９は、図５の縦断面図に示されている各構成部分における第２の容量素子Ｃ２の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図であり、図１０は、図６の縦断面図に示されている各構成部分における第２の容量素子Ｃ２の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図である。図４の平面図に示すとおり、矩形の電極Ｅ１２，Ｅ２２は、それぞれ円形の開口部Ｒ１，Ｒ２を有しており、しかも大きさや形状が異なり、配置もずれているため、平面的に重なり合う部分のみが、第２の容量素子Ｃ２の形成に寄与する領域ということになる。
【００５０】
図９において、電極Ｅ１２，Ｅ２２は、α軸方向に関して重複区間ξ１において平面的に重なり合っているが、開口部が除外されるため、結局、図のハッチング部分のみが容量素子の形成に寄与することになる。同様に、図１０において、電極Ｅ１２，Ｅ２２は、β軸方向に関して重複区間ξ２において平面的に重なり合っているが、開口部が除外されるため、結局、図のハッチング部分のみが容量素子の形成に寄与することになる。図示のとおり、電極Ｅ１２，Ｅ２２には、端子Ｔ１２，Ｔ２２への配線が施され、検出回路Ｈによって両端子Ｔ１２，Ｔ２２間の静電容量値が測定されることになるが、こうして測定された静電容量値は、結局、電極Ｅ１２，Ｅ２２のうち、図のハッチング部分についての静電容量値ということになる。
【００５１】
＜＜＜ §２．変位センサの検出処理 ＞＞＞
続いて、ここでは、§１で述べた変位センサによる変位検出処理を説明する。図１１は、図１に示す変位センサにおける各容量素子Ｃ１，Ｃ２と検出回路Ｈとの接続を示す回路図（図の左側）および変位と静電容量値の変動との関係を示すテーブル（図の右側）である。
【００５２】
既に述べたとおり、第１の容量素子Ｃ１は、第１の上方電極Ｅ１１と第１の下方電極Ｅ２１との有効領域（平面的に重なりを生じている領域）によって構成される容量素子であり、第２の容量素子Ｃ２は、第２の上方電極Ｅ１２と第２の下方電極Ｅ２２との有効領域（平面的に重なりを生じている領域）によって構成される容量素子である。
【００５３】
各電極Ｅ１１〜Ｅ２２への配線がなされている端子Ｔ１１〜Ｔ２２は、図示のとおり、検出回路Ｈへ接続される。検出回路Ｈは、両端子Ｔ１１，Ｔ２１間の静電容量値を第１の容量素子Ｃ１の静電容量値として検出し、両端子Ｔ１２，Ｔ２２間の静電容量値を第２の容量素子Ｃ２の静電容量値として検出する機能を有している。ここでは、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値を同じ符号「Ｃ１」を用いて表し、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値を同じ符号「Ｃ２」を用いて表すことにする。なお、静電容量値Ｃ１，Ｃ２を電気的に検出する電子回路は、一般に広く利用されている公知の回路であるため、ここでは、その具体的な回路構成についての説明は省略する。
【００５４】
図１１の右側に示すテーブルは、図１に示す構造体において、下方基板２０を固定した状態で上方基板１０の原点Ｑの位置に各座標軸方向の変位＋Ｄα，＋Ｄβ，＋Ｄγが生じたとき、検出回路Ｈによって検出される静電容量値Ｃ１，Ｃ２がどのように変動するかを示している。すなわち、変動欄の「０」は、静電容量値に何ら変動が生じないことを示しており、変動欄の「−ΔＣ１」や「−ΔＣ２」は、静電容量値に変動が生じることを示している。
【００５５】
なお、この図１１の右側に示すテーブルでは（後述する図１４，図１６に示すテーブルも同様）、各座標軸に沿った変位方向が座標軸の正方向なのか負方向なのかを明確にするため、変位量を示す変数Ｄα，Ｄβ，Ｄγは絶対値のみを示し、その頭に「＋」や「−」の符号を付して変位方向を示すことにする。たとえば、テーブルの変位欄に記載されている変位＋Ｄα，＋Ｄβ，＋Ｄγは、いずれも各座標軸の正方向への変位を示している。同様に、静電容量値に生じた変動が、容量値が増加する変動なのか減少する変動なのかを明確にするため、変動量を示す変数ΔＣ１，ΔＣ２は絶対値のみを示し、その頭に「＋」や「−」の符号を付して増加／減少の別を示すことにする。たとえば、テーブルの変動欄に記載されている「−ΔＣ１」や「−ΔＣ２」は、静電容量値が減少することを示している。以下、この図１１の右側のテーブルに示すような結果が得られる理由を個別に説明しよう。
【００５６】
まず、静電容量値Ｃ１の変動について考えてみる。図１２は、図１に示す各基板１０，２０および第１の容量素子Ｃ１を形成する上下電極Ｅ１１，Ｅ２１のαβ平面上への正射影投影図である。ここで、ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。§１で述べたとおり、電極Ｅ１１，Ｅ２１は、γ軸を中心とした同心円状の電極であり、電極Ｅ１１の直径φ１１は、電極Ｅ２１の直径φ２１よりも大きい。したがって、上方基板１０が下方基板２０に対して変位を生じていない状態では、図示のとおり、被包含電極となる電極Ｅ２１の正射影像の領域が、包含電極となる電極Ｅ１１の正射影像の領域内に包含された状態となっている。
【００５７】
次に、上方基板１０が下方基板２０に対して、各座標軸方向に変位を生じた場合を考えよう。たとえば、上方基板１０がα軸正方向への変位＋Ｄαを生じると、第１の上方電極Ｅ１１が、α軸正方向（図１２の右方向）へ移動することになる。この場合、変位量が、所定の許容範囲内であれば、上記包含関係は依然として維持されることになる。すなわち、図１２において、電極Ｅ１１が若干右へ動いたとしても、電極Ｅ２１を包含する状態は維持される。この許容範囲は、図示の例の場合、（φ１１−φ２１）／２ということになる。
【００５８】
上方基板１０がα軸負方向への変位−Ｄαを生じた場合も同様であり、変位量が所定の許容範囲内であれば、上記包含関係は依然として維持される。このような包含関係が維持されている限り、第１の容量素子Ｃ１を形成する電極の有効領域面積は一定である。すなわち、電極Ｅ１１，Ｅ２１の平面的に重なりを生じている領域（図１２にハッチングを施した領域）の面積に変化はない。これは、上方基板１０が下方基板２０に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、静電容量値Ｃ１に変動が生じないことを意味する。図１２を参照すれば、上方基板１０が下方基板２０に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときも、静電容量値Ｃ１に変動が生じないことは、容易に理解できよう。
【００５９】
これに対して、上方基板１０が下方基板２０に対してγ軸の正または負方向に変位を生じた場合は、その変位量にかかわらず、静電容量値Ｃ１に変動が生じることになる。すなわち、図７，図８に示すとおり、上方基板１０のγ軸方向の変位は、両電極Ｅ１１，Ｅ２１の電極間距離を変化させることになるので、変位＋Ｄγ（図の上方向への変位）が生じた場合には、電極間距離が広がり静電容量値Ｃ１は減少し、変位−Ｄγ（図の下方向への変位）が生じた場合には、電極間距離が狭まり静電容量値Ｃ１は増加する。ここで、静電容量値Ｃ１の変動量は、変位量に比例する。
【００６０】
図１１に示す「Ｃ１の変動テーブル」に示されている結果は、このような原理に基づくものである。すなわち、α軸もしくはβ軸方向について、変位＋Ｄα，＋Ｄβが生じても、変位量が所定の許容範囲内であれば、変動欄に「０」と記載されているとおり、静電容量値Ｃ１は変動しない（逆方向の変位−Ｄα，−Ｄβが生じた場合も同じ結果である）。一方、γ軸について、変位＋Ｄγが生じた場合は、変動欄に「−ΔＣ１（γ）」と記載されているとおり、静電容量値Ｃ１は減少する。ここで、「ΔＣ１（γ）」は、前述したように、変位＋Ｄγが生じたときの静電容量値Ｃ１の変動量の絶対値を示しており、先頭のマイナス符号は「静電容量値の減少」を示している。なお、逆方向の変位−Ｄγが生じた場合は、「＋ΔＣ１（γ）」になり、静電容量値は増加する。
【００６１】
続いて、静電容量値Ｃ２の変動について考えてみる。図１３は、図１に示す各基板１０，２０および第２の容量素子Ｃ２を形成する上下電極Ｅ１２，Ｅ２２のαβ平面上への正射影投影図である。ここで、ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。図示のとおり、電極Ｅ１２，Ｅ２２は、α軸方向に関して重複区間ξ１の部分において、β軸方向に関して重複区間ξ２の部分において、互いに平面的に重なり合っているが、円形の開口部Ｒ１が除外されるため、結局、図のハッチング部分のみが容量素子の形成に寄与することになる。
【００６２】
ここで、電極Ｅ１２，Ｅ２２は、いずれも外形が矩形の図形であり、α軸方向に関しては、電極Ｅ１２のα軸正方向側の辺が、電極Ｅ２２のα軸正方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、電極Ｅ１２のα軸負方向側の辺が、電極Ｅ２２のα軸負方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置している。要するに、電極Ｅ１２，Ｅ２２は、α軸に関してオフセットを生じるようにずれて配置されている。
【００６３】
また、β軸方向に関しては、電極Ｅ２２のβ軸正方向側の辺が、電極Ｅ１２のβ軸正方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、電極Ｅ２２のβ軸負方向側の辺が、電極Ｅ１２のβ軸負方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置している。要するに、電極Ｅ２２のβ軸方向の幅が、電極Ｅ１２のβ軸方向の幅よりも大きくなるような寸法設定がなされており、しかも、β軸方向に関しては、電極Ｅ１２が電極Ｅ２２に包含されるような配置がなされている。
【００６４】
次に、上方基板１０が下方基板２０に対して、各座標軸方向に変位を生じた場合を考えよう。たとえば、上方基板１０がα軸正方向への変位＋Ｄαを生じると、第２の上方電極Ｅ１２が、α軸正方向（図１３の右方向）へ移動することになる。そうすると、α軸方向の重複区間ξ１の長さが減少し、第２の容量素子Ｃ２を形成する電極の有効領域面積、すなわち、電極Ｅ１２，Ｅ２２の平面的に重なりを生じている領域（図１３にハッチングを施した領域）の面積は減少する。これは、上方基板１０が下方基板２０に対してα軸の正方向に変位を生じたとき、静電容量値Ｃ２の値が減少することを意味する。
【００６５】
逆に、上方基板１０が下方基板２０に対してα軸の負方向への変位−Ｄαを生じたときは、第２の容量素子Ｃ２を形成する電極の有効領域面積は増加するので、静電容量値Ｃ２の値は増加する。結局、α軸の正もしくは負方向への変位が生じると、静電容量値Ｃ２の値が増減することになる。これは、電極Ｅ１２，Ｅ２２が、α軸に関してオフセットを生じるようにずれて配置されているためである。なお、このようなα軸の正もしくは負方向への変位量が、所定の許容範囲内（図４において、電極Ｅ１２の円形開口部Ｒ１の輪郭が、電極Ｅ２２の円形開口部Ｒ２の輪郭に接するまでの範囲内）であれば、変位量と有効領域面積の変動量とは比例し、静電容量値Ｃ２の変動量は変位量に比例したものになる。したがって、変位量が当該許容範囲内である限り、静電容量値Ｃ２の変動量は、変位量に比例する。
【００６６】
一方、上方基板１０がβ軸正方向への変位＋Ｄβを生じると、第２の上方電極Ｅ１２が、β軸正方向（図１３の上方向）へ移動することになり、上方基板１０がβ軸負方向への変位−Ｄβを生じると、第２の上方電極Ｅ１２が、β軸負方向（図１３の下方向）へ移動することになる。ただ、この場合の変位量が、所定の許容範囲内であれば、具体的には、電極Ｅ１２のβ軸正方向側の辺が、電極Ｅ２２のβ軸正方向側の辺を越えず、電極Ｅ１２のβ軸負方向側の辺が、電極Ｅ２２のβ軸負方向側の辺を越えない範囲内であり、かつ、電極Ｅ１２の円形開口部Ｒ１の輪郭が、電極Ｅ２２の円形開口部Ｒ２の輪郭に接するまでの範囲内であれば、β軸方向に関して、電極Ｅ１２が電極Ｅ２２に包含されるという関係が維持されることになり、図１３にハッチングを施して示した第２の容量素子Ｃ２を形成する電極の有効領域面積は一定になる。これは、上方基板１０が下方基板２０に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、静電容量値Ｃ２に変動が生じないことを意味する。
【００６７】
これに対して、上方基板１０が下方基板２０に対してγ軸の正または負方向に変位を生じた場合は、その変位量にかかわらず、静電容量値Ｃ２に変動が生じることになる。すなわち、図９，図１０に示すとおり、上方基板１０のγ軸方向の変位は、両電極Ｅ１２，Ｅ２２の電極間距離を変化させることになるので、変位＋Ｄγ（図の上方向への変位）が生じた場合には、電極間距離が広がり静電容量値Ｃ２は減少し、変位−Ｄγ（図の下方向への変位）が生じた場合には、電極間距離が狭まり静電容量値Ｃ２は増加する。ここで、静電容量値Ｃ２の変動量は、変位量に比例する。
【００６８】
図１１に示す「Ｃ２の変動テーブル」に示されている結果は、このような原理に基づくものである。すなわち、β軸方向について、変位＋Ｄβが生じても、変位量が所定の許容範囲内であれば、変動欄に「０」と記載されているとおり、静電容量値Ｃ２は変動しない（逆方向の変位−Ｄβが生じた場合も同じ結果である）。
【００６９】
一方、α軸について、変位＋Ｄαが生じた場合は、変動欄に「−ΔＣ２（α）」と記載されているとおり、静電容量値Ｃ２は減少する。ここで、「ΔＣ２（α）」は、前述したように、変位＋Ｄαが生じたときの静電容量値Ｃ２の変動量の絶対値を示しており、先頭のマイナス符号は「静電容量値の減少」を示している。なお、逆方向の変位−Ｄαが生じた場合は、「＋ΔＣ２（α）」になり、静電容量値は増加する。同様に、γ軸について、変位＋Ｄγが生じた場合は、変動欄に「−ΔＣ２（γ）」と記載されているとおり、静電容量値Ｃ２は減少する。ここで、「ΔＣ２（γ）」は、前述したように、変位＋Ｄγが生じたときの静電容量値Ｃ２の変動量の絶対値を示しており、先頭のマイナス符号は「静電容量値の減少」を示している。なお、逆方向の変位−Ｄγが生じた場合は、「＋ΔＣ２（γ）」になり、静電容量値は増加する。
【００７０】
さて、図１１に示す変動テーブルから導出される第１の事項は、「静電容量値Ｃ１は、γ軸方向の変位が生じた場合にのみ変動を生じる」という点であり、「静電容量値Ｃ１の変動は、γ軸方向の変位にのみ起因する」という点である。これは、「静電容量値Ｃ１の変動量は、γ軸方向の変位量を示す」ことに他ならない。そして、第２の事項は、「静電容量値Ｃ２は、α軸方向の変位が生じた場合もしくはγ軸方向の変位が生じた場合に変動を生じる」という点であり、「静電容量値Ｃ２の変動は、α軸方向の変位およびγ軸方法の変位の双方に起因する」という点である。別言すれば、静電容量値Ｃ２の変動分は、α軸方向の変位に起因する変動分とγ軸方向の変位に起因する変動分とを合成したものになる。そこで、この静電容量値Ｃ２の変動分から、γ軸方向の変位に起因する変動分を除去すれば、α軸方向の変位に起因する変動分のみを得ることができる。検出回路Ｈは、このような考え方に基づいて、γ軸方向の変位とα軸方向の変位とを、静電容量値Ｃ１，Ｃ２の変動量から求める処理を行う。
【００７１】
具体的には、図１４の上段に示すように、２つの検出値Ｃａ，Ｃｂを定義する。ここで、検出値Ｃａは、「Ｃａ＝−Ｃ１」なる式で定義される値であり、後述するように、γ軸方向の変位Ｄγを示す検出値になる。一方、検出値Ｃｂは、「Ｃｂ＝−Ｃ２＋ｋ・Ｃ１」なる式で定義される値であり、後述するように、α軸方向の変位Ｄαを示す検出値になる。このような２つの検出値Ｃａ，Ｃｂを定義すると、図１４の下段に示すようなテーブルが得られる。このテーブルは、変位＋Ｄα，＋Ｄβ，＋Ｄγが生じた場合の、検出値Ｃａ，Ｃｂの変動を示すものであり、図１１に示すＣ１，Ｃ２の変動テーブルと、上述した検出値Ｃａ，Ｃｂの定義式とに基づいて導出されるテーブルである。
【００７２】
すなわち、検出値Ｃａは、静電容量値Ｃ１の値の符号を逆転させたものであるから、図１４に示すＣａの変動欄は、図１１に示すＣ１の変動欄の符号を逆転することにより得られる。検出値Ｃａを、「Ｃａ＝−Ｃ１」なる式で定義するのは、図１に示すような方向にα軸，β軸，γ軸を定義すると、図１１の「Ｃ１の変動テーブル」に示されているように、正方向の変位＋Ｄγに対して、−ΔＣ１（γ）なる負の変動量をとる静電容量値Ｃ１の減少が生じ、γ軸方向に関する変位量と静電容量値Ｃ１の変動量との間に符号の逆転現象が生じるためである。検出値Ｃａを、静電容量値Ｃ１の値の符号を逆転させたものとして定義することにより、検出値Ｃａの変動量とγ軸方向に関する変位量との符号を一致させることができ、検出値Ｃａをγ軸方向に関する変位Ｄγを示す値として用いることができるようになる。もちろん、図１において図の下方をγ軸の正方向と定義すれば、Ｃａ＝Ｃ１なる定義を行うことができる。
【００７３】
一方、検出値Ｃｂは、「Ｃｂ＝−Ｃ２＋ｋ・Ｃ１」なる式で定義される値であるから、図１４に示すＣｂの変動欄は、図１１に示すＣ１，Ｃ２の変動欄の内容に、上記式による演算を施すことにより得られる。すなわち、変位＋Ｄαが生じた場合には、Ｃ１の変動は０であるから、「Ｃｂ＝−Ｃ２」なる式により、Ｃｂの変動欄は「＋ΔＣ２（α）」となる。これにより、α軸方向に関する変位量と静電容量値Ｃ２の変動量との間に生じる符号の逆転現象の問題を解消することができる。α軸方向に関する変位Ｄαが生じた場合、検出値Ｃｂが、静電容量値Ｃ２の値の符号を逆転させたものとして定義されるので、検出値Ｃｂの変動量とα軸方向に関する変位量との符号を一致させることができる。
【００７４】
また、変位＋Ｄγが生じた場合のＣｂの変動量は、図１４のテーブルに示すとおり、「＋ΔＣ２（γ）−ｋ・ΔＣ１（γ）」となるが、補正係数ｋを所定値に設定しておけば、「ΔＣ２（γ）＝ｋ・ΔＣ１（γ）」とすることができ、Ｃｂの変動量＝０にすることができる。その理由を、もう少し詳しく説明しよう。図１１の「Ｃ１の変動テーブル」に示されているとおり、「ΔＣ１（γ）」は、変位＋Ｄγが生じた場合の静電容量値Ｃ１の変動量の絶対値である。一方、図１１の「Ｃ２の変動テーブル」に示されているとおり、「ΔＣ２（γ）」は、変位＋Ｄγが生じた場合の静電容量値Ｃ２の変動量の絶対値である。いずれも変位＋Ｄγに起因して生じる変動量の絶対値であるが、同一の変位＋Ｄγが生じた場合でも、一般的には、「ΔＣ２（γ）＝ΔＣ１（γ）」にはならない。これは、第１の容量素子Ｃ１と第２の容量素子Ｃ２とでは、電極の有効領域面積が異なるため、同じ変位量Ｄγに起因して生じる静電容量値の変動量（すなわち、変位量の検出感度）が異なるためである。
【００７５】
補正係数ｋは、このような検出感度の相違を補正するための係数である。図１５は、図１４のテーブルに示されている補正係数ｋの設定原理を示すグラフである。このグラフの横軸は変位Ｄγを示し、縦軸は容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の変動ΔＣ１，ΔＣ２を示している。また、グラフＧ１は、静電容量値Ｃ１の変動ΔＣ１（γ）を示し、グラフＧ２は、静電容量値Ｃ２の変動ΔＣ２（γ）を示している。
【００７６】
なお、このグラフに示されている変数Ｄγ，ΔＣ１，ΔＣ２は、これまでのテーブルに示された変数のような絶対値ではなく、符号を含めた値を示している。したがって、各変数Ｄγ，ΔＣ１，ΔＣ２は、負〜正の範囲内の値をとる。上述したとおり、変位Ｄγが正の場合（γ軸の正方向への変位が生じた場合）、容量値は減少するので、変動ΔＣ１，ΔＣ２は負の値をとる。したがって、グラフＧ１，Ｇ２の傾きはいずれも負となる。ただ、変位Ｄγの絶対値が所定の許容範囲内にあれば、いずれのグラフも線形性を有しており、グラフＧ１，Ｇ２は傾斜が異なるだけである。
【００７７】
そこで、変位Ｄγの値が任意の値ＤγｉのときのグラフＧ１，Ｇ２の値をそれぞれｇ１，ｇ２として、ｋ＝ｇ２／ｇ１となるように補正係数ｋを設定する。グラフＧ１，Ｇ２の傾きをそれぞれｋ１，ｋ２とすれば、ｋ＝ｋ２／ｋ１＝ｇ２／ｇ１ということになる。傾きｋ１は第１の容量素子Ｃ１による変位量Ｄγの検出感度に相当し、傾きｋ２は第２の容量素子Ｃ２による変位量Ｄγの検出感度に相当する。したがって、補正係数ｋは、両者の感度を補正する係数ということになる。図１５に示すグラフの傾きｋ１，ｋ２もしくはグラフの値ｇ１，ｇ２は、各電極の形状、寸法、配置などの幾何学的条件から演算によって求めることもできるし、実際の変位センサを用いた実測によって求めることもできる。したがって、実際の変位センサの物理的構造が定まれば、補正係数ｋを決定することが可能である。
【００７８】
そこで、ｋ＝ｋ２／ｋ１＝ｇ２／ｇ１となるような値に補正係数ｋを設定しておけば、「ΔＣ２（γ）＝ｋ・ΔＣ１（γ）」とすることができ、図１４のテーブルにおいて、変位＋Ｄγが生じたときのＣｂの変動欄「＋ΔＣ２（γ）−ｋ・ΔＣ１（γ）」の値を０にすることができる。したがって、図１４のテーブルは、図１６(a) に示すテーブルに書き直すことができる。なお、各座標軸の負方向への変位−Ｄα，−Ｄβ，−Ｄγが生じた場合は、図１６(b) に示すテーブルのような結果が得られる。
【００７９】
結局、変数Ｃａ，Ｃｂ，Ｄα，Ｄγを、符号を含めた値をもつ変数として取り扱えば、図１６(c) に示すように、検出値Ｃａの変動は、変位Ｄγのみを示す値となり、検出値Ｃｂの変動は、変位Ｄαのみを示す値となり、各変動量の符号は、変位方向（各座標軸の正方向か負方向か）を示すものになる。
【００８０】
したがって、図１１に示す検出回路Ｈでは、まず、静電容量値Ｃ１，Ｃ２を電気信号として測定し、これらの値Ｃ１，Ｃ２を用いて、「Ｃａ＝−Ｃ１」なる式および「Ｃｂ＝−Ｃ２＋ｋ・Ｃ１」なる式に基づく演算を行い、検出値Ｃａ，Ｃｂを求める検出処理を実行すればよい。そうすれば、得られた検出値Ｃａの変動量は変位Ｄγを示し、得られた検出値Ｃｂの変動量は変位Ｄαを示すものになる。
【００８１】
なお、上記各演算は、単純な加減乗算であり、一般的なアナログ演算回路によって実行することも可能であるし（この場合、各静電容量値は電圧値に変換された後に演算される）、デジタル演算回路を用いて実行することも可能である（この場合、各静電容量値は電圧値に変換された後、更にデジタルデータに変換されてから演算される）。このような演算回路は、広く利用されている公知の回路であるため、ここでは詳しい説明は省略する。
【００８２】
このように、図１に示す構造体に、本発明に係る変位センサ（電極Ｅ１１，Ｅ２１からなる容量素子Ｃ１と、電極Ｅ１２，Ｅ２２からなる容量素子Ｃ２と、検出回路Ｈ）を設けておけば、検出回路Ｈにより、静電容量値Ｃ１の変動量ΔＣ１を原点Ｑのγ軸方向の変位Ｄγを示す検出信号として出力し、静電容量値Ｃ２の変動量ΔＣ２から変位Ｄγに起因する変動量を除去した値を原点Ｑのα軸方向の変位Ｄαを示す検出信号として出力することができる。かくして、上方基板１０の原点Ｑの部分について、下方基板２０に対して生じたα軸方向の変位Ｄαとγ軸方向の変位Ｄγとを独立して検出することができる。
【００８３】
＜＜＜ §３．力検出装置の物理的構造 ＞＞＞
続いて、ここでは、本発明に係る力検出装置の物理的構造を説明する。図１７は、本発明に係る力検出装置の物理的構造部を示す斜視図（上段）および電気的処理部を示すブロック図（下段）である。なお、実際には、上段に斜視図として示されている物理的構造部には、複数の電極が含まれるが、当該斜視図においては、図が繁雑になるのを避けるため、これら電極の図示は省略されている（下段のブロック図内には、電極Ｅ１１〜Ｅ２２が回路図として示されている）。
【００８４】
図１７上段の斜視図に示すとおり、この力検出装置の物理的構造部は、上方基板１００、下方基板２００、バネ３１０〜３４０によって構成された構造体と、図示されていない複数の電極と、によって構成される。ここで、上方基板１００、下方基板２００、バネ３１０〜３４０によって構成された構造体は、実質的に、図１に示す上方基板１０、下方基板２０、バネ３１〜３４によって構成された構造体と同じものである。
【００８５】
すなわち、上方基板１００および下方基板２００は、互いに平行になるように対向して配置された基板であり、バネ３１０〜３４０は、この上方基板１００と下方基板２００とを接続する接続部材として機能する。本発明に係る力検出装置において、接続部材は、下方基板２００を固定した状態において、上方基板１００に外力を作用させた場合に、上方基板１００が下方基板２００に対して変位を生じるように、少なくとも一部分が可撓性を有している部材であればよい。バネ３１０〜３４０は、このような性質をもった接続部材の典型例であるが、接続部材は必ずしもバネに限定されるものではなく、§７で述べるように、様々な部材を接続部材として用いることが可能である。
【００８６】
なお、図１に示した上方基板１０および下方基板２０が矩形の基板であるのに対して、図１７に示す上方基板１００および下方基板２００が円形の基板になっているのは、単に、変位センサの取り付け対象となる構造体（図１）と、力検出装置の一部を構成する構造体（図１７）とを区別して説明するための便宜であり、各基板１０，２０，１００，２００の形状は任意でかまわない。
【００８７】
本発明に係る力検出装置は、図１７上段に示されている構造体に、図１７下段に示されている複数Ｎ組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）と、これら変位センサを利用して、上方基板１００に作用した外力を検出する検出ユニットＵと、を付加することにより構成される。各変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）は、既に§１，§２で述べた本発明に係る変位センサであり、電極Ｅ１１，Ｅ２１からなる容量素子Ｃ１と、電極Ｅ１２，Ｅ２２からなる容量素子Ｃ２と、検出回路Ｈとによって構成される。
【００８８】
この複数Ｎ組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）としては、それぞれ電極形状や電極面積の異なるセンサを用いることもできるが、実用上は、共通の構造をもった同一のセンサを用いるのが好ましい。ただ、各変位センサＳの配置は、それぞれ固有の位置および固有の向きになるようにする。
【００８９】
本発明に係る力検出装置は、上方基板１００に作用した力の所定の座標軸方向成分および上方基板１００に作用したモーメントの所定の座標軸まわり成分を独立して検出する機能を有する。そこで、ここでは、上方基板１００内の所定位置に原点Ｏを定義し、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。図示の例では、上方基板１００の中心点（重心点）に原点Ｏを定義し、この原点Ｏを含み、上方基板１００の基板面（上面および下面）に平行な平面上に、原点Ｏを通り互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定義しており、図の右方向をＸ軸正方向、図の奥方向をＹ軸正方向、図の上方向をＺ軸正方向としている。原点Ｏは、必ずしも上方基板１００の中心点（重心点）に定義する必要はないが、実用上は、上方基板１００および下方基板２００の中心をＺ軸が通るような位置に定義するのが好ましい。これは、後述する実施形態のように、Ｚ軸を中心として、その周囲に複数Ｎ組の変位センサＳを配置する形態を採る場合に、各電極を配置しやすくするための配慮である。
【００９０】
ここでは、このＸＹＺ三次元直交座標系をグローバル座標系と呼び、§１，§２で説明したαβγ三次元直交座標系をローカル座標系と呼ぶことにする。αβγローカル座標系は、個々の変位センサＳごとに定義される座標系であり、複数Ｎ組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）を設けた場合、複数Ｎ組のαβγローカル座標系が定義されることになる。ここでは、個々のαβγローカル座標系の原点Ｑの位置を、変位センサの配置点Ｐと呼ぶことにする。
【００９１】
図１７上段に示す配置点Ｐ（１）は、第１番目の変位センサＳ（１）の配置点であり、この配置点Ｐ（１）を原点Ｑとして、第１番目のαβγローカル座標系が定義される。また、図１７上段に示す配置点Ｐ（Ｎ）は、第Ｎ番目の変位センサＳ（Ｎ）の配置点であり、この配置点Ｐ（Ｎ）を原点Ｑとして、第Ｎ番目のαβγローカル座標系が定義される。図１７には示されていないが、もちろん、第２番目〜第（Ｎ−１）番目の変位センサの配置点も所定位置に定義され、それぞれの配置点を原点Ｑとして、それぞれのαβγローカル座標系が定義される。
【００９２】
なお、Ｎ組の配置点Ｐ（１）〜Ｐ（Ｎ）は、いずれもＸＹ平面上に位置し、各ローカル座標系のαβ平面が、グローバル座標系のＸＹ平面に一致するような設定がなされるものとする。したがって、各ローカル座標系のα軸およびβ軸は、ＸＹ平面に含まれ、上方基板１００の基板面に平行な方向を向いた軸になる。また、各ローカル座標系のγ軸は、Ｚ軸に平行になり、上方基板１００の基板面に垂直な方向を向いた軸になる。
【００９３】
図１に示すとおり、１組の変位センサには、第１の上方電極Ｅ１１，第２の上方電極Ｅ１２，第１の下方電極Ｅ２１，第２の下方電極Ｅ２２という４枚の電極が含まれており、これら各電極は、ローカル原点Ｑに対して、図１に示すような相対位置に形成される。したがって、図１７に示す力検出装置の場合、Ｎ組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）を構成する合計（４×Ｎ）枚の電極が、各配置点Ｐ（１）〜Ｐ（Ｎ）に対して、それぞれ所定の相対位置をとる場所に形成されることになる。
【００９４】
たとえば、第１の変位センサＳ（１）は、図示する第１の配置点Ｐ（１）に配置されるセンサであるから、この第１の配置点Ｐ（１）をローカル原点Ｑとする所定の相対位置に、第１の変位センサＳ（１）を構成する４枚の電極が形成されることになる。具体的には、上方基板１００の下面の配置点Ｐ（１）近傍には、第１の上方電極Ｅ１１および第２の上方電極Ｅ１２が形成され、その直下に位置する下方基板２００の上面部分には、第１の下方電極Ｅ２１および第２の下方電極Ｅ２２が形成されることになる。そして、この第１の変位センサＳ（１）は、上方基板１００の配置点Ｐ（１）の位置についてのα軸方向への変位Ｄαと、γ軸方向への変位Ｄγとを検出値として出力する機能を果たす。
【００９５】
同様に、第２の変位センサＳ（２）〜第Ｎの変位センサＳ（Ｎ）は、それぞれ上方基板１００の配置点Ｐ（２）〜Ｐ（Ｎ）の各位置についてのα軸方向への変位Ｄαと、γ軸方向への変位Ｄγとを検出値として出力する機能を果たす。検出ユニットＵは、こうしてＮ組の変位センサから収集したＮ箇所の配置点についての変位Ｄα，Ｄγに基づいて、上方基板１００のグローバル原点Ｏの位置に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘ、Ｙ軸方向成分Ｆｙ、Ｚ軸方向成分Ｆｚ、および上方基板１００のグローバル原点Ｏの位置に作用したモーメントのＸ軸まわり成分Ｍｘ、Ｙ軸まわり成分Ｍｙ、Ｚ軸まわり成分Ｍｚの６成分のうち、所望の成分を独立して検出する処理を行う。
【００９６】
なお、本願では、「力」という文言は、特定の座標軸方向の力を意味する場合と、モーメント成分を含めた集合的な力を意味する場合とを、適宜使い分けることにする。たとえば、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと言った場合は、モーメントではない各座標軸方向の力成分を意味しているが、６つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚと言った場合は、各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分とを含む集合的な力を意味することになる。
【００９７】
本発明に係る力検出装置の基本原理は、図１７上段に示されている構造体において、上方基板１００内に複数Ｎ個の配置点Ｐ（１）〜Ｐ（Ｎ）を定義し、各配置点におけるα軸方向（基板面に平行な所定方向）への変位Ｄαと、γ軸方向（基板面に垂直な方向）への変位Ｄγと、を変位センサＳを用いて検出し、これらの検出結果に基づいて、下方基板２００を固定した状態において上方基板１００に作用した所定の座標軸方向の力成分や、所定の座標軸まわりのモーメント成分を検出する点にある。したがって、定義する配置点の数Ｎ（ローカル原点Ｑの数）、各配置点の位置、各配置点に配置する変位センサの向き（α軸の向き）といった条件は、どの力成分、あるいはどのモーメント成分を検出するか、によって異なってくる。
【００９８】
ここでは、典型的な第１の実施形態として、Ｎ＝４に設定して、Ｘ軸の正領域上、Ｘ軸の負領域上、Ｙ軸の正領域上、Ｙ軸の負領域上にそれぞれ配置点を定義し、合計４組の変位センサを利用して、各配置点における変位を検出し、上方基板１００の原点Ｏの位置に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘ、Ｙ軸方向成分Ｆｙ、Ｚ軸方向成分Ｆｚ、および上方基板の原点Ｏの位置に作用したモーメントのＸ軸まわり成分Ｍｘ、Ｙ軸まわり成分Ｍｙ、Ｚ軸まわり成分Ｍｚの６成分のすべてを検出可能な力検出装置を以下に例示する。
【００９９】
図１８は、この第１の実施形態に係る力検出装置において、上方基板１００内に定義された４つの配置点の位置および４組のローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す上面図である。図示のとおり、この実施形態の場合、Ｘ軸の正領域上に配置点Ｐ（Ｘ＋）、Ｘ軸の負領域上に配置点Ｐ（Ｘ−）、Ｙ軸の正領域上に配置点Ｐ（Ｙ＋）、Ｙ軸の負領域上に配置点Ｐ（Ｙ−）がそれぞれ定義されている（括弧書きで示すＸ＋，Ｘ−，Ｙ＋，Ｙ−なる記号は、それぞれＸ軸の正領域，負領域，Ｙ軸の正領域，負領域を示すものである）。ここで、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）は、ローカル原点Ｏから等距離の位置に定義されている。
【０１００】
また、各配置点の位置をそれぞれ原点Ｑとして、ローカルなαβγ三次元座標系が図示の向きに定義されている。上述したとおり、α軸およびβ軸はＸＹ平面に含まれる軸であり、γ軸は紙面に垂直な軸になる。β軸はα軸をＸＹ平面内で反時計回りに９０°回転して得られる軸であり、γ軸は常にＺ軸に平行な軸であるから、結局、個々のαβγ三次元座標系は、配置点Ｐとα軸の方向を決めてやれば、一意に定まることになる。
【０１０１】
各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）に対応する所定位置には、それぞれ変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）を構成するための電極が形成される（図１８では、電極は示されていない）。図１９は、この第１の実施形態に係る力検出装置の上方基板１００の下面図であり、図２０は、下方基板２００の上面図である。図１９は下面図、図２０は上面図であるため、図におけるＹ軸の向きは逆転している。いずれの図も、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。
【０１０２】
上方基板１００側に形成された電極Ｅ１１，Ｅ１２は、図２に示す電極Ｅ１１，Ｅ１２に対応するものであり、下方基板２００側に形成された電極Ｅ２１，Ｅ２２は、図３に示す電極Ｅ２１，Ｅ２２に対応するものである。
【０１０３】
なお、図１９および図２０では、各電極を示す符号の後ろに、括弧書きでＸ＋，Ｘ−，Ｙ＋，Ｙ−なる記号を付記することにより、４組の変位センサの各電極を相互に区別して示している。たとえば、図１９において、電極Ｅ１１（Ｘ＋），Ｅ１２（Ｘ＋）は、Ｘ軸の正領域に定義された配置点Ｐ（Ｘ＋）に配置された変位センサＳ（Ｘ＋）を構成する上方電極であり、図２０において、電極Ｅ２１（Ｘ＋），Ｅ２２（Ｘ＋）は、Ｘ軸の正領域に定義された配置点Ｐ（Ｘ＋）に配置された変位センサＳ（Ｘ＋）を構成する下方電極である。変位センサＳ（Ｘ＋）は、これら４枚の電極によって構成される容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の変動に基づいて、配置点Ｐ（Ｘ＋）の位置のα軸方向への変位Ｄαおよびγ軸方向への変位Ｄγを検出する機能を果たす。その基本原理は、既に§１，§２で説明したとおりである。
【０１０４】
図２１は、この第１の実施形態に係る力検出装置の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図である（バネは図示省略）。４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）を構成する各電極が、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）の近傍に配置されている状態が明瞭に示されている。もちろん、個々の電極の向きは、図１８に示されている４組のローカルな座標系の座標軸の向きに応じたものになっている。
【０１０５】
結局、図１８において、変位センサＳ（Ｘ＋）は、上方基板１００の配置点Ｐ（Ｘ＋）の近傍部分のＹ軸方向変位（Ｄα）およびＺ軸方向変位（Ｄγ）を検出し、変位センサＳ（Ｘ−）は、上方基板１００の配置点Ｐ（Ｘ−）の近傍部分のＹ軸方向変位（Ｄα）およびＺ軸方向変位（Ｄγ）を検出することができる。同様に、変位センサＳ（Ｙ＋）は、上方基板１００の配置点Ｐ（Ｙ＋）の近傍部分のＸ軸方向変位（Ｄα）およびＺ軸方向変位（Ｄγ）を検出し、変位センサＳ（Ｙ−）は、上方基板１００の配置点Ｐ（Ｙ−）の近傍部分のＹ軸方向変位（Ｄα）およびＺ軸方向変位（Ｄγ）を検出することができる。検出ユニットＵは、これらの検出結果に基づいて、所定の座標軸に関する力成分もしくはモーメント成分を検出する処理を行う。この検出処理の具体的な内容については、§４で詳述する。
【０１０６】
＜＜＜ §４．力検出装置の検出処理 ＞＞＞
ここでは、§３で説明した第１の実施形態に係る力検出装置、すなわち、図１８に示す４箇所の配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）にそれぞれ変位センサを配置した実施形態について、６つの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚをそれぞれ独立して求める検出処理を説明する。
【０１０７】
まず、図１７に示す構造体について、上方基板１００にＸ軸方向の力Ｆｘが作用した場合の変位状態を考える。図２２は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変位状態を示す正面図である（バネは図示省略）。図示のとおり、上方基板１００はＸ軸正方向に平行移動し、変位＋Ｄｘを生じることになる（破線は、上方基板１００の変位前の位置を示す）。
【０１０８】
なお、実際には、図２２において、上方基板１００の左端を図の右方向へ押すなどの方法で力＋Ｆｘを加えると、バネ３１０〜３４０の弾性力が働くため、上方基板１００のバネの取り付け箇所に対しては、Ｚ軸方向に関する力も作用することになる。したがって、そのような方法で力＋Ｆｘを加えた場合、上方基板１００はＸ軸正方向へ厳密な平行移動をするわけではなく、Ｚ軸方向への変位を伴うことになる。このように、上方基板１００に対して、純然たるＸ軸正方向の力＋Ｆｘのみを作用させることは、実用上困難であるが、ここではこの装置の検出原理を説明するため、図示のとおり、上方基板１００が右方向に平行移動した仮想状態を考える。この場合、上方基板１００と下方基板２００とは、平行状態を維持することになる。
【０１０９】
図２３は、図２２に示すように、上方基板１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの４組の変位センサについての矩形電極Ｅ１２，Ｅ２２の位置を示すＸＹ平面上への正射影投影図である（便宜上、円形電極Ｅ１１，Ｅ２１の図示は省略する。以下同様）。この図には、上方基板１００の位置は示されていないが、上方基板１００は、下方基板２００に対して、所定の変位量だけ右方向にずれている。上方基板１００が右側へ変位したため、各上方電極Ｅ１２も右側へ変位している。図の破線は、各上方電極Ｅ１２の変位前の位置を示している（図示の便宜上、図２３における変位量は、図２２に示す変位量よりも小さい）。もちろん、下方基板２００は固定されているため、各下方電極Ｅ２２の位置は変わらない。
【０１１０】
一方、図２４は、上方基板１００にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの４組の変位センサについての電極Ｅ１２，Ｅ２２の位置を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。この図にも、上方基板１００の位置は示されていないが、上方基板１００は、下方基板２００に対して、所定の変位量だけ図の上方向にずれている。上方基板１００が図の上方へ変位したため、各上方電極Ｅ１２も図の上方へ変位している。図の破線は、各上方電極Ｅ１２の変位前の位置を示している。もちろん、下方基板２００は固定されているため、各下方電極Ｅ２２の位置は変わらない。
【０１１１】
次に、上方基板１００にＺ軸方向の力Ｆｚが作用した場合の変位状態を考える。図２５は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変位状態を示す正面図である（バネは図示省略）。図示のとおり、上方基板１００はＺ軸正方向に平行移動し、変位＋Ｄｚを生じることになる（破線は、上方基板１００の変位前の位置を示す）。
【０１１２】
図２６は、図２５に示すように、上方基板１００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの４組の変位センサについての電極Ｅ１２，Ｅ２２の位置を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。変位がＺ軸方向に生じているため、ＸＹ平面上への投影図では、電極の変位は全く見られない。ただ、上方基板１００は、下方基板２００に対して、変位＋Ｄｚを生じているので、上方基板１００側に形成された各上方電極Ｅ１１，Ｅ１２も、変位＋Ｄｚを生じている。そこで、図２６では、各変位センサの電極位置に「＋Ｄｚ」なる記号を付してある。これは、容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離が広がったことを意味する。
【０１１３】
続いて、モーメントが作用した場合を考えよう。図２７は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙが作用したときの変位状態を示す正面図である（バネは図示省略）。ここでは、所定の座標軸まわりのモーメントの向きを、「当該座標軸の正方向に右ネジを進めるための回転方向」と定義することにする。図２７の場合、Ｙ軸の正方向は紙面に対して垂直奥方向であるから、図示のとおり、時計まわりの方向がＹ軸まわりのモーメントＭｙの正方向ということになる。したがって、時計まわりのモーメントが＋Ｍｙ，反時計まわりのモーメントが−Ｍｙとなる。
【０１１４】
さて、図示のとおり、上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｙ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、上方基板１００の右半分の部分（Ｘ軸正領域の部分）は図の下方へと移動して変位−Ｄｚを生じるが、左半分の部分（Ｘ軸負領域の部分）は図の上方へと移動して変位＋Ｄｚを生じることになる。なお、変位量の絶対値は上方基板１００上の位置によって異なり、図２７における左右両端へゆくほど、変位量の絶対値は大きくなる。
【０１１５】
図２８は、図２７に示すように、上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｙ軸まわりのモーメントが＋Ｍｙが作用したときの４組の変位センサについての電極Ｅ１２，Ｅ２２の位置を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。各部の変位は、基本的にＺ軸方向のみであるため、ＸＹ平面上への投影図では、電極の変位は見られない（厳密に言えば、各電極の姿勢はＸＹ平面に平行な状態から若干傾斜した状態へと遷移するため、ＸＹ平面上への投影図では、電極形状は若干変化する）。ただ、上方基板１００の各部は、下方基板２００に対して、変位±Ｄｚを生じることになる。上述したとおり、図の右半分は変位−Ｄｚを生じ、図の左半分は変位＋Ｄｚを生じ、左右両端へゆくほど、変位量の絶対値は大きくなる。
【０１１６】
そこで、図２８では、図の右端に位置する変位センサＳ（Ｘ＋）の電極位置には「−Ｄｚ」なる記号を付してある。これは、変位センサＳ（Ｘ＋）の容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離が狭まったことを意味する。逆に、図の左端に位置する変位センサＳ（Ｘ−）の電極位置には「＋Ｄｚ」なる記号を付してある。これは、変位センサＳ（Ｘ−）の容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離が広がったことを意味する。なお、Ｙ軸上に位置する変位センサＳ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）の電極位置には「０」なる記号を付してある。これは、変位センサＳ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）の容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離は、部分的には狭まり、部分的には広がるため、トータルでの変化は無視しうることを意味する。
【０１１７】
厳密に言えば、円形電極Ｅ１１，Ｅ２１については、図１９，図２０に示すようにＹ軸対称性があるため、半円部分について電極間距離が狭まり、別な半円部分について電極間距離が広がれば、トータルでの静電容量値の変化は０になると言えるが、矩形電極Ｅ１２，Ｅ２２については、図１９，図２０に示すように完全なＹ軸対称性は保たれていないので、トータルでの静電容量値の変化は０になるとは言えない。しかしながら、実用上、極めて高い測定精度を必要としない限り、トータルでの静電容量値の変化は０になるとして取り扱っても問題はない。
【０１１８】
同様に、図２９は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘが作用したときの４組の変位センサについての電極Ｅ１２，Ｅ２２の位置を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。この場合も、各部の変位は、基本的にＺ軸方向のみであるため、ＸＹ平面上への投影図では、電極の変位は見られない。ただ、上方基板１００の各部は、下方基板２００に対して、変位±Ｄｚを生じることになり、図の上半分は変位＋Ｄｚを生じ、図の下半分は変位−Ｄｚを生じ、図の上下両端へゆくほど、変位量の絶対値は大きくなる。
【０１１９】
そこで、この図２９では、図の上端に位置する変位センサＳ（Ｙ＋）の電極位置には「＋Ｄｚ」なる記号を付してある。これは、変位センサＳ（Ｙ＋）の容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離が広がったことを意味する。逆に、図の下端に位置する変位センサＳ（Ｙ−）の電極位置には「−Ｄｚ」なる記号を付してある。これは、変位センサＳ（Ｙ−）の容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離が狭まったことを意味する。また、Ｘ軸上に位置する変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−）の電極位置には「０」なる記号を付してあるが、これは、変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−）の容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離は、部分的には狭まり、部分的には広がるため、トータルでの変化は無視しうることを意味する。
【０１２０】
最後に、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが作用した場合を考えよう。図３０は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｚ軸まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの４組の変位センサについての電極Ｅ１２，Ｅ２２の位置を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。この例の場合、上方基板１００および下方基板２００はいずれも円盤状の基板であるため、投影図上では上方基板１００の変位は認識できないが、上方基板１００がＺ軸を回転中心として、反時計まわりに回転を生じるため、各上方電極Ｅ１２も反時計まわりに回転変位を生じている。図の破線は、各上方電極Ｅ１２の変位前の位置を示している。もちろん、下方基板２００は固定されているため、各下方電極Ｅ２２の位置は変わらない。
【０１２１】
以上、上方基板１００に対して、＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚなる力成分および＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚなるモーメント成分が単独で作用した場合の変位状態を説明した。続いて、これら６通りの変位状態が生じた場合に、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）から出力される検出値Ｃａ，Ｃｂがどのように変動するかを考えてみる。
【０１２２】
図３１は、これまで述べてきた第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）の各検出値Ｃａ，Ｃｂの変動を示すテーブルである。ここで、検出値Ｃａ，Ｃｂは、§２で説明したとおり、図１４の上段の式に示す演算によって求められる値であり、検出値Ｃａの変動量は変位Ｄγを示し、検出値Ｃｂの変動量は変位Ｄαを示している。なお、ここでは、各検出値Ｃａ，Ｃｂの記号に、（Ｘ＋），（Ｘ−），（Ｙ＋），（Ｙ−）なる符号を付記して、どの変位センサによる検出値であるかを区別できるようにしている。
【０１２３】
図３１のテーブルの各欄には、＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚなる力成分および＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚなるモーメント成分が単独で作用した場合に、各検出値Ｃａ，Ｃｂの変動態様が符号で示されている。「０」と記された欄は、変動が生じないこと（もしくは、無視しうること）を示し、「＋」と記された欄は、正の変動が生じること（正方向の変位ＤγもしくはＤαが生じていること）を示し、「−」と記された欄は、負の変動が生じること（負方向の変位ＤγもしくはＤαが生じていること）を示す。
【０１２４】
ここでは、まず、このテーブルにおける「Ｆｘ」の列に記された結果が得られる理由を簡単に説明しよう。「Ｆｘ」の列の各欄は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に＋Ｆｘなる力成分（Ｘ軸正方向を向いた力成分）のみが作用した場合の結果を示している。力成分＋Ｆｘのみが作用したときの変位状態は、既に説明したとおり、図２２および図２３に示すとおりである。この場合、上方基板１００はＸ軸正方向に平行移動するので、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）は、Ｙ軸やＺ軸方向には変位せず、Ｘ軸方向にのみ変位する。
【０１２５】
したがって、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）によって検出される各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）のγ軸方向の変位Ｄγは０であり、検出値Ｃａの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｆｘ」の列の４つの検出値Ｃａ（Ｘ＋），Ｃａ（Ｘ−），Ｃａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。
【０１２６】
一方、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）はＸ軸方向に変位するので、α軸がＸ軸に平行となるようなローカル座標系が定義された配置点についての変位センサからは、変位Ｄαが検出値Ｃｂの変動として検出される。
【０１２７】
具体的には、図１８に示すように、配置点Ｐ（Ｙ−）に定義されたローカル座標系のα軸がＸ軸に平行となっており、向きも等しいので、変位センサＳ（Ｙ−）から出力される検出値Ｃｂ（Ｙ−）の変動は「＋」になる。すなわち、検出値Ｃｂ（Ｙ−）には正の変動量が生じる。また、図１８に示すように、配置点Ｐ（Ｙ＋）に定義されたローカル座標系のα軸がＸ軸に平行となっており、向きは逆なので、変位センサＳ（Ｙ＋）から出力される検出値Ｃｂ（Ｙ＋）の変動は「−」になる。すなわち、検出値Ｃｂ（Ｙ＋）には負の変動量が生じる
【０１２８】
これに対して、図１８に示すように、配置点Ｐ（Ｘ＋）に定義されたローカル座標系のα軸や配置点Ｐ（Ｘ−）に定義されたローカル座標系のα軸は、Ｙ軸に平行となっているため、変位センサＳ（Ｘ＋）や変位センサＳ（Ｘ−）からは、変位Ｄαの検出は行われない。すなわち、変位センサＳ（Ｘ＋）や変位センサＳ（Ｘ−）から出力される検出値Ｃｂ（Ｘ＋）や検出値Ｃｂ（Ｘ−）の変動は「０」になる。
【０１２９】
図３１のテーブルにおける「Ｆｙ」の列に記された結果が得られる理由も全く同様である。「Ｆｙ」の列の各欄は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に＋Ｆｙなる力成分（Ｙ軸正方向を向いた力成分）のみが作用した場合の結果を示している。力成分＋Ｆｙのみが作用したときの変位状態は、既に説明したとおり、図２４に示すとおりである。この場合、上方基板１００はＹ軸正方向に平行移動するので、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）は、Ｘ軸やＺ軸方向には変位せず、Ｙ軸方向にのみ変位する。
【０１３０】
したがって、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）によって検出される各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）のγ軸方向の変位Ｄγは０であり、検出値Ｃａの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｆｙ」の列の４つの検出値Ｃａ（Ｘ＋），Ｃａ（Ｘ−），Ｃａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。
【０１３１】
一方、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）はＹ軸方向に変位するので、α軸がＹ軸に平行となるようなローカル座標系が定義された配置点についての変位センサからは、変位Ｄαが検出値Ｃｂの変動として検出される。
【０１３２】
具体的には、図１８に示すように、配置点Ｐ（Ｘ＋）に定義されたローカル座標系のα軸がＹ軸に平行となっており、向きも等しいので、変位センサＳ（Ｘ＋）から出力される検出値Ｃｂ（Ｘ＋）の変動は「＋」になる。すなわち、検出値Ｃｂ（Ｘ＋）には正の変動量が生じる。また、図１８に示すように、配置点Ｐ（Ｘ−）に定義されたローカル座標系のα軸がＹ軸に平行となっており、向きは逆なので、変位センサＳ（Ｘ−）から出力される検出値Ｃｂ（Ｘ−）の変動は「−」になる。すなわち、検出値Ｃｂ（Ｘ−）には負の変動量が生じる
【０１３３】
これに対して、図１８に示すように、配置点Ｐ（Ｙ＋）に定義されたローカル座標系のα軸や配置点Ｐ（Ｙ−）に定義されたローカル座標系のα軸は、Ｘ軸に平行となっているため、変位センサＳ（Ｙ＋）や変位センサＳ（Ｙ−）からは、変位Ｄαの検出は行われない。すなわち、変位センサＳ（Ｙ＋）や変位センサＳ（Ｙ−）から出力される検出値Ｃｂ（Ｙ＋）や検出値Ｃｂ（Ｙ−）の変動は「０」になる。
【０１３４】
続いて、図３１のテーブルにおける「Ｆｚ」の列に記された結果が得られる理由を説明する。「Ｆｚ」の列の各欄は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に＋Ｆｚなる力成分（Ｚ軸正方向を向いた力成分）のみが作用した場合の結果を示している。力成分＋Ｆｚのみが作用したときの変位状態は、既に説明したとおり、図２５や図２６に示すとおりである。
【０１３５】
この場合、上方基板１００はＺ軸正方向に平行移動するので、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）は、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）のγ軸方向の変位Ｄγを、検出値Ｃａの正の変動として出力する。図３１のテーブルにおける「Ｆｚ」の列の４つの検出値Ｃａ（Ｘ＋），Ｃａ（Ｘ−），Ｃａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の各欄が「＋」となっているのはこのためである。α軸方向の変位Ｄαは検出されないので、検出値Ｃｂの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｆｚ」の列の４つの検出値Ｃｂ（Ｘ＋），Ｃｂ（Ｘ−），Ｃｂ（Ｙ＋），Ｃｂ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。
【０１３６】
次に、図３１のテーブルにおける「Ｍｘ」の列に記された結果が得られる理由を説明する。「Ｍｘ」の列の各欄は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に＋Ｍｘなるモーメント成分（Ｘ軸まわりのモーメント成分）のみが作用した場合の結果を示している。モーメント成分＋Ｍｘのみが作用したときの変位状態は、既に説明したとおり、図２９に示すとおりである。
【０１３７】
この場合、変位センサＳ（Ｙ＋）の配置点Ｐ（Ｙ＋）はＺ軸正方向に変位するので、変位センサＳ（Ｙ＋）は、配置点Ｐ（Ｙ＋）のγ軸方向の変位Ｄγを、検出値Ｃａの正の変動として出力する。図３１のテーブルにおける「Ｍｘ」の列の検出値Ｃａ（Ｙ＋）の欄が「＋」となっているのはこのためである。また、変位センサＳ（Ｙ−）の配置点Ｐ（Ｙ−）はＺ軸負方向に変位するので、変位センサＳ（Ｙ−）は、配置点Ｐ（Ｙ−）のγ軸方向の変位Ｄγを、検出値Ｃａの負の変動として出力する。図３１のテーブルにおける「Ｍｘ」の列の検出値Ｃａ（Ｙ−）の欄が「−」となっているのはこのためである。
【０１３８】
一方、変位センサＳ（Ｘ＋）の配置点Ｐ（Ｘ＋）や変位センサＳ（Ｘ−）の配置点Ｐ（Ｘ−）のＺ軸方向への変位は０である（電極のＺ軸方向への変位は無視できる）。このため、変位センサＳ（Ｘ＋）や変位センサＳ（Ｘ−）によって検出される各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−）のγ軸方向の変位Ｄγは０であり、検出値Ｃａの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｍｘ」の列の検出値Ｃａ（Ｘ＋），Ｃａ（Ｘ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。また、α軸方向の変位Ｄαは検出されないので、検出値Ｃｂの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｍｘ」の列の４つの検出値Ｃｂ（Ｘ＋），Ｃｂ（Ｘ−），Ｃｂ（Ｙ＋），Ｃｂ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。
【０１３９】
図３１のテーブルにおける「Ｍｙ」の列に記された結果が得られる理由も全く同様である。「Ｍｙ」の列の各欄は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に＋Ｍｙなるモーメント成分（Ｙ軸まわりのモーメント成分）のみが作用した場合の結果を示している。モーメント成分＋Ｍｙのみが作用したときの変位状態は、既に説明したとおり、図２７および図２８に示すとおりである。
【０１４０】
この場合、変位センサＳ（Ｘ＋）の配置点Ｐ（Ｘ＋）はＺ軸負方向に変位するので、変位センサＳ（Ｘ＋）は、配置点Ｐ（Ｘ＋）のγ軸方向の変位Ｄγを、検出値Ｃａの負の変動として出力する。図３１のテーブルにおける「Ｍｙ」の列の検出値Ｃａ（Ｘ＋）の欄が「−」となっているのはこのためである。また、変位センサＳ（Ｘ−）の配置点Ｐ（Ｘ−）はＺ軸正方向に変位するので、変位センサＳ（Ｘ−）は、配置点Ｐ（Ｘ−）のγ軸方向の変位Ｄγを、検出値Ｃａの正の変動として出力する。図３１のテーブルにおける「Ｍｙ」の列の検出値Ｃａ（Ｘ−）の欄が「＋」となっているのはこのためである。
【０１４１】
一方、変位センサＳ（Ｙ＋）の配置点Ｐ（Ｙ＋）や変位センサＳ（Ｙ−）の配置点Ｐ（Ｙ−）のＺ軸方向への変位は０である（電極のＺ軸方向への変位は無視できる）。このため、変位センサＳ（Ｙ＋）や変位センサＳ（Ｙ−）によって検出される各配置点Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）のγ軸方向の変位Ｄγは０であり、検出値Ｃａの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｍｙ」の列の検出値Ｃａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。また、α軸方向の変位Ｄαは検出されないので、検出値Ｃｂの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｍｙ」の列の４つの検出値Ｃｂ（Ｘ＋），Ｃｂ（Ｘ−），Ｃｂ（Ｙ＋），Ｃｂ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。
【０１４２】
最後に、図３１のテーブルにおける「Ｍｚ」の列に記された結果が得られる理由を説明する。「Ｍｚ」の列の各欄は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に＋Ｍｚなるモーメント成分（Ｚ軸まわりのモーメント成分）のみが作用した場合の結果を示している。モーメント成分＋Ｍｚのみが作用したときの変位状態は、既に説明したとおり、図３０に示すとおりである。この場合、上方基板１００は下方基板２００に対して平行な状態を維持したまま図の反時計まわりに回転変位する。
【０１４３】
したがって、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）によって検出される各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）のγ軸方向の変位Ｄγは０であり、検出値Ｃａの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｍｚ」の列の４つの検出値Ｃａ（Ｘ＋），Ｃａ（Ｘ−），Ｃａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。
【０１４４】
一方、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）は、図３０において反時計まわりに回転変位し、当該変位は、図１８に示すとおり、α軸方向への変位に相当するので、いずれの変位センサからも、変位Ｄαが検出値Ｃｂの正の変動として出力される。図３１のテーブルにおける「Ｍｚ」の列の４つの検出値Ｃｂ（Ｘ＋），Ｃｂ（Ｘ−），Ｃｂ（Ｙ＋），Ｃｂ（Ｙ−）の各欄が「＋」となっているのはこのためである。
【０１４５】
この図３１に示す各検出値の変動テーブルは、上述したとおり、＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚなる正の力成分および＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚなる正のモーメント成分が単独で作用した場合に、各検出値Ｃａ，Ｃｂの変動態様を示すものであるが、負の力成分−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚや負のモーメント成分−Ｍｘ，−Ｍｙ，−Ｍｚが作用した場合の変動態様は、符号「＋」と「−」を逆転させたものになる。
【０１４６】
また、この変動テーブルでは、変動量の符号（検出値の増減）が「＋」もしくは「−」により示されているだけであるが、４組の変位センサとしては、同一の構造（電極の形状および大きさ）を有するものが用いられており、かつ、図２１に示すように、そのＸＹ平面上への投影像が原点Ｏに関して点対称となっているため、互いに対称位置に配置された変位センサについて生じる変動も対称性をもったものになる。たとえば、「Ｆｘ」の列のＣｂ（Ｙ＋）の欄は「−」，Ｃｂ（Ｙ−）の欄は「＋」となっており、一方が減少すると他方は増加する関係が示されているが、変位センサＳ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）は原点Ｏに関して点対称となるように配置された同一の構造を有するセンサであるから、変動量の絶対値は等しくなる。
【０１４７】
このような点を考慮すれば、上方基板１００の原点Ｏの位置に作用した力のＸ軸方向成分をＦｘ、Ｙ軸方向成分をＦｙ、Ｚ軸方向成分をＦｚとし、上方基板１００の原点Ｏの位置に作用したモーメントのＸ軸まわり成分をＭｘ、Ｙ軸まわり成分をＭｙ、Ｚ軸まわり成分をＭｚとすれば、これら各６成分の値は、図３２に示す演算式で与えられることがわかる。
【０１４８】
たとえば、Ｆｘについては、「Ｆｘ＝Ｃｂ（Ｙ−）−Ｃｂ（Ｙ＋）」なる演算式が示されているが、これは、図３１のテーブルにおける「Ｆｘ」の列において「＋」記号が示されている検出値Ｃｂ（Ｙ−）と、「−」記号が示されている検出値Ｃｂ（Ｙ＋）との差を求める演算を示している。同様に、Ｆｙについては、「Ｆｙ＝Ｃｂ（Ｘ＋）−Ｃｂ（Ｘ−）」なる演算式が示されているが、これは、図３１のテーブルにおける「Ｆｙ」の列において「＋」記号が示されている検出値Ｃｂ（Ｘ＋）と、「−」記号が示されている検出値Ｃｂ（Ｘ−）との差を求める演算を示している。また、Ｆｚについては、「Ｆｚ＝Ｃａ（Ｘ＋）＋Ｃａ（Ｘ−）＋Ｃａ（Ｙ＋）＋Ｃａ（Ｙ−）」なる演算式が示されているが、これは、図３１のテーブルにおける「Ｆｚ」の列において「＋」記号が示されている検出値Ｃａ（Ｘ＋），Ｃａ（Ｘ−），Ｃａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の和を求める演算を示している。
【０１４９】
一方、Ｍｘについては、「Ｍｘ＝Ｃａ（Ｙ＋）−Ｃａ（Ｙ−）」なる演算式が示されているが、これは、図３１のテーブルにおける「Ｍｘ」の列において「＋」記号が示されている検出値Ｃａ（Ｙ＋）と、「−」記号が示されている検出値Ｃａ（Ｙ−）との差を求める演算を示している。同様に、Ｍｙについては、「Ｍｙ＝Ｃａ（Ｘ−）−Ｃａ（Ｘ＋）」なる演算式が示されているが、これは、図３１のテーブルにおける「Ｍｙ」の列において「＋」記号が示されている検出値Ｃａ（Ｘ−）と、「−」記号が示されている検出値Ｃａ（Ｘ＋）との差を求める演算を示している。また、Ｍｚについては、「Ｍｚ＝Ｃｂ（Ｘ＋）＋Ｃｂ（Ｘ−）＋Ｃｂ（Ｙ＋）＋Ｃｂ（Ｙ−）」なる演算式が示されているが、これは、図３１のテーブルにおける「Ｍｚ」の列において「＋」記号が示されている検出値Ｃｂ（Ｘ＋），Ｃｂ（Ｘ−），Ｃｂ（Ｙ＋），Ｃｂ（Ｙ−）の和を求める演算を示している。
【０１５０】
なお、作用した力やモーメントの大きさが、予め設定した所定の測定可能レンジ内のものであれば、上方基板１００の変位を、バネ３１０〜３４０などの接続部材の可撓性部分による弾性変形がフックの法則を満足する範囲内に抑えることができ、作用した力やモーメントの大きさと、そのときに生じる変位量との間には線形関係が得られる。更に、変位量が所定の許容範囲内であれば、生じた変位量と容量素子を構成する有効電極面積の変化との関係、もしくは、生じた変位量と容量素子を構成する電極間距離の変化との関係が、線形関係になるので、各変位センサの検出値Ｃａ，Ｃｂの変動量も、作用した力やモーメントの大きさに比例するものとなる。したがって、所定の測定可能レンジ内の力やモーメントの測定に用いる限り、図３２に示す演算式によって得られる値は、線形な測定値を示すものになる。
【０１５１】
結局、上述した第１の実施形態に係る力検出装置の場合、図１７に示す検出ユニットＵは、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）から与えられる各検出値に基づいて、図３２の演算式に基づく演算を行い、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６成分の検出値を求め、これを電気信号として出力する処理を行うことになる。もちろん、これら６成分のすべてが必要ではない場合には、所望の成分のみについて演算を行い、これを出力すればよい。本発明に係る力検出装置は、これら６成分のうちの少なくとも１つを検出する機能をもっていればよい。
【０１５２】
また、６成分の一部のみが必要な場合は、設ける変位センサの数も減らすことが可能である。たとえば、ＦｙとＭｙの２成分のみの検出を行う力検出装置の場合、変位センサＳ（Ｘ＋）とＳ（Ｘ−）と用意すれば、必要な演算が可能になるので、変位センサＳ（Ｙ＋）とＳ（Ｙ−）とを省略することができる。
【０１５３】
なお、原理的には、４組の変位センサとしては、必ずしも同一の構造（電極の形状および大きさ）を有するものを用いる必要はなく、また、必ずしもＸＹ平面上への投影像が原点Ｏに関して点対称となるように配置する必要はない。ただ、各センサの電極形状および大きさがそれぞれ異なり、配置の対称性も確保されていないと、個々のセンサごとに検出感度が異なることになるので、図３２に示す演算式をそのまま適用することはできず、個々のセンサの検出値にそれぞれ固有の感度補正係数を乗じる必要が生じる。したがって、実用上は、各変位センサとしては、同一構造（電極の形状および大きさ）を有するものを用い、ＸＹ平面上への投影像が原点Ｏに関して点対称となるような配置を行うのが好ましい。
【０１５４】
＜＜＜ §５．力検出装置の別な実施形態 ＞＞＞
＜５−１：本発明に係る力検出装置の特徴＞
さて、§４では、本発明に係る力検出装置の第１の実施形態について、必要な変位センサの配置や、これら変位センサの出力に基づく検出処理の内容を説明した。具体的には、この第１の実施形態では、図２１の投影図に示すように、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）を配置し、これら４組の変位センサによって得られる各検出値Ｃａ，Ｃｂの値が、図３１のテーブルに示すような変動を生じることを利用して、図３２に示すような演算を行うことにより、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６成分を検出することになる。もちろん、このような変位センサの固有の配置や具体的な検出処理は、本発明の一実施形態であり、本発明に係る力検出装置は、この他にも様々な実施形態で実施可能である。
【０１５５】
本発明に係る力検出装置の基本的な特徴は、前述したとおり、図１７上段に示すような基本的な構造体に、複数Ｎ組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）と、検出ユニットＵとを付加した点にある。ここで、複数Ｎ組の変位センサは、§１，§２で説明したとおり、上方基板１００の下面に形成された第１の上方電極Ｅ１１および第２の上方電極Ｅ１２と、下方基板２００の上面に形成された第１の下方電極Ｅ２１および第２の下方電極Ｅ２２と、検出回路Ｈと、によって構成される。そして、上方基板１００内の所定のＮ箇所には、それぞれローカルなαβγ三次元直交座標系の原点Ｑが定義され、複数Ｎ組の変位センサは、この上方基板１００の各ローカル原点Ｑの位置についてのγ軸方向の変位Ｄγおよびα軸方向の変位Ｄαを検出できるように配置される。
【０１５６】
また、図１７上段に示すように、上方基板１００内の所定位置にグローバル原点Ｏを定義し、このグローバル原点Ｏを含み、上方基板１００の基板面に平行な平面上に、グローバル原点Ｏを通り互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定義し、グローバル原点Ｏを通りＸＹ平面に対して直交するＺ軸を定義し、グローバルなＸＹＺ三次元直交座標系を定義した場合に、検出ユニットＵは、複数Ｎ組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）の各検出回路Ｈから出力される変位についての検出信号に基づいて、上方基板１００の原点Ｏの位置に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘ、Ｙ軸方向成分Ｆｙ、Ｚ軸方向成分Ｆｚ、および上方基板１００の原点Ｏの位置に作用したモーメントのＸ軸まわり成分Ｍｘ、Ｙ軸まわり成分Ｍｙ、Ｚ軸まわり成分Ｍｚの６成分のうちの少なくとも１つを検出する機能を果たす。
【０１５７】
ここで、§４で説明した第１の実施形態は、Ｎ＝４として、４組の変位センサを用意し、図１８に示すように、第１のセンサＳ（Ｘ＋）のローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２のセンサＳ（Ｘ−）のローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３のセンサＳ（Ｙ＋）のローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４のセンサＳ（Ｙ−）のローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、第１のセンサＳ（Ｘ＋）のα軸正方向がＹ軸正方向を向き、第２のセンサＳ（Ｘ−）のα軸正方向がＹ軸負方向を向き、第３のセンサＳ（Ｙ＋）のα軸正方向がＸ軸負方向を向き、第４のセンサＳ（Ｙ−）のα軸正方向がＸ軸正方向を向くように、４組のセンサを配置した形態、ということになる。
【０１５８】
ここでは、変位センサの配置を変えたいくつかの別な実施形態を述べる。これらの各実施形態と、§４で述べた第１の実施形態との相違は、変位センサＳの配置と検出ユニットＵで行われる検出処理（演算処理）の内容だけであり、上方基板１００，下方基板２００，接続部材（バネ）３１０〜３４０の構成は全く同じである。もちろん、この§５で述べる各実施形態も、本発明に係る力検出装置の実用的な形態を例示するものであり、本発明は、ここに述べた形態以外にも、様々な形態で実施可能である。
【０１５９】
なお、本願明細書では、「上方基板」や「下方基板」というように、「上下」という文言を用いて装置の説明を行っているが、ここで「上下」の概念を用いているのは、装置を図１や図１７に示すように配置した状態で、その構造を説明するための便宜であり、もちろん実用上は、必ずしも「上方基板」が「下方基板」の上方にくるように設置する必要はない。また、本願明細書では、「下方基板」を固定した状態で「上方基板」に作用した力を検出する例を説明しているが、「一方を固定したときの他方の変位」という概念は、あくまでも相対的なものであり、本発明に係る力検出装置が、「上方基板」を固定した状態で「下方基板」に作用した力を検出できることは自明の理である。
【０１６０】
＜５−２：第２の実施形態＞
図３３は、本発明に係る力検出装置の第２の実施形態の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図であり（バネは図示省略）、図３４は、図３３に示す８組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。図示のとおり、この第２の実施形態では、８組の変位センサが配置される。これら８組の変位センサのうちの４組は内側に配置されており、ここでは内側センサと呼ぶ。残りの４組は外側に配置されており、ここでは外側センサと呼ぶ。８箇所の配置点に定義されたαβγ三次元座標系のα軸およびβ軸の向きは、図３４に示すとおり、個々の配置点ごとに異なるが、γ軸はいずれもＺ軸に平行な方向（図３４の紙面に垂直な方向）であり、上方基板１００から上方に向かう方向がγ軸の正方向となる。
【０１６１】
４組の内側センサＳ（Ｘ１＋），Ｓ（Ｘ１−），Ｓ（Ｙ１＋），Ｓ（Ｙ１−）は、それぞれＸ軸の正領域上、負領域上、Ｙ軸の正領域上、負領域上に定義された配置点Ｐ（Ｘ１＋），Ｐ（Ｘ１−），Ｐ（Ｙ１＋），Ｐ（Ｙ１−）がローカル原点Ｑとなる位置に配置され、その向きは、図３４に示す各αβγローカル座標系に応じた向きになっている。これら４組の内側センサの向きは、図２１に示す第１の実施形態における４組の変位センサの向きと一致する。別言すれば、図３３に示す４組の内側センサＳ（Ｘ１＋），Ｓ（Ｘ１−），Ｓ（Ｙ１＋），Ｓ（Ｙ１−）は、それぞれ図２１に示す変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）を原点Ｏに若干近づけて配置したものと言うことができる。
【０１６２】
一方、４組の外側センサＳ（Ｘ２＋），Ｓ（Ｘ２−），Ｓ（Ｙ２＋），Ｓ（Ｙ２−）は、それぞれＸ軸の正領域上、負領域上、Ｙ軸の正領域上、負領域上に定義された配置点Ｐ（Ｘ２＋），Ｐ（Ｘ２−），Ｐ（Ｙ２＋），Ｐ（Ｙ２−）がローカル原点Ｑとなる位置に配置され、その向きは、図３４に示す各αβγローカル座標系に応じた向きになっている。これら４組の外側センサの向きは、それぞれ隣接配置された内側センサの向きと逆になっている。たとえば、図３４において、外側センサの配置点Ｐ（Ｘ２＋）のα軸正方向と、これに隣接する内側センサの配置点Ｐ（Ｘ１＋）のα軸正方向とは逆になっている。そのため、図３３における内側センサＳ（Ｘ１＋）の向きと外側センサＳ（Ｘ２＋）の向きは逆になっている。その他の隣接する内側センサ／外側センサの対についても、同様に向きが逆になっている。
【０１６３】
なお、４組の内側センサの配置点Ｐ（Ｘ１＋），Ｐ（Ｘ１−），Ｐ（Ｙ１＋），Ｐ（Ｙ１−）は、原点Ｏから等距離（第１の距離）にあり、４組の外側センサの配置点Ｐ（Ｘ２＋），Ｐ（Ｘ２−），Ｐ（Ｙ２＋），Ｐ（Ｙ２−）も、原点Ｏから等距離（第１の距離よりも大きい第２の距離）にある。
【０１６４】
結局、この第２の実施形態に係る力検出装置は、ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離だけ離れた位置にくるように配置された４組の内側センサと、ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離れた位置にくるように配置された４組の外側センサと、を有していることになる。
【０１６５】
ここで、第１の内側センサＳ（Ｘ１＋）のローカル原点ＱはＸ軸の正領域上に位置し、第２の内側センサＳ（Ｘ１−）のローカル原点ＱはＸ軸の負領域上に位置し、第３の内側センサＳ（Ｙ１＋）のローカル原点ＱはＹ軸の正領域上に位置し、第４の内側センサＳ（Ｙ１−）のローカル原点ＱはＹ軸の負領域上に位置している。そして、第１の内側センサＳ（Ｘ１＋）のα軸正方向がＹ軸正方向を向き、第２の内側センサＳ（Ｘ１−）のα軸正方向がＹ軸負方向を向き、第３の内側センサＳ（Ｙ１＋）のα軸正方向がＸ軸負方向を向き、第４の内側センサＳ（Ｙ１−）のα軸正方向がＸ軸正方向を向くように、これら４組の内側センサが配置されている。
【０１６６】
一方、第１の外側センサＳ（Ｘ２＋）のローカル原点ＱはＸ軸の正領域上に位置し、第２の外側センサＳ（Ｘ２−）のローカル原点ＱはＸ軸の負領域上に位置し、第３の外側センサＳ（Ｙ２＋）のローカル原点ＱはＹ軸の正領域上に位置し、第４の外側センサＳ（Ｙ２−）のローカル原点ＱはＹ軸の負領域上に位置している。そして、第１の外側センサＳ（Ｘ２＋）のα軸正方向が第１の内側センサＳ（Ｘ１＋）のα軸負方向を向き、第２の外側センサＳ（Ｘ２−）のα軸正方向が第２の内側センサＳ（Ｘ１−）のα軸負方向を向き、第３の外側センサＳ（Ｙ２＋）のα軸正方向が第３の内側センサＳ（Ｙ１＋）のα軸負方向を向き、第４の外側センサＳ（Ｙ２−）のα軸正方向が第４の内側センサＳ（Ｙ１−）のα軸負方向を向くように、これら４組の外側センサが配置されている。
【０１６７】
この第２の実施形態の場合、上方基板１００に力が作用した場合の各変位センサの検出値Ｃａ，Ｃｂの変動量は、図３５のテーブルに示すようになる。このテーブルでも、各検出値Ｃａ，Ｃｂの記号の後ろに、（Ｘ１＋），（Ｘ２＋）等の符号を付記して、どの変位センサによる検出値であるかを区別できるようにしてあり、「０」は変動なし、「＋」は正の変動、「−」は負の変動が生じることを示している。
【０１６８】
この図３５のテーブルにおいて、４組の内側センサＳ（Ｘ１＋），Ｓ（Ｘ１−），Ｓ（Ｙ１＋），Ｓ（Ｙ１−）の変動は、図３１のテーブルに示す４組のセンサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）の変動と全く同じである。これは、前述したとおり、図３３に示す４組の内側センサは、それぞれ図２１に示す４組の変位センサを原点Ｏに若干近づけて配置したセンサであるためである。一方、４組の外側センサＳ（Ｘ２＋），Ｓ（Ｘ２−），Ｓ（Ｙ２＋），Ｓ（Ｙ２−）の変動は、「Ｆｚ」の列を除いて、それぞれ対応する４組の内側センサＳ（Ｘ１＋），Ｓ（Ｘ１−），Ｓ（Ｙ１＋），Ｓ（Ｙ１−）の変動の符号を逆転させたものになっている。これは、これら４組の外側センサの向きが、それぞれ隣接配置された内側センサの向きと逆になっているためである。
【０１６９】
この実施形態の場合も、８組の変位センサは同一のセンサであり、そのＸＹ平面上への投影像が原点Ｏに関して点対称となるような配置がなされている。したがって、上方基板１００の原点Ｏの位置に力が作用した場合、図３５のテーブルの各欄に示す変動結果を踏まえれば、作用した力の６成分の値は、図３６に示す演算式で与えられることになる。なお、前述したとおり、センサの同一性や配置の対称性が確保されていない場合には、個々のセンサの検出値にそれぞれ固有の感度補正係数を乗じる必要がある。
【０１７０】
第１の実施形態に係る図３２の演算式と、第２の実施形態に係る図３６の演算式とを比べると、Ｆｚの演算式を除いて、前者における各項が、後者では差分項に置き換えられていることがわかる。たとえば、Ｆｘの演算式の場合、前者における項「Ｃｂ（Ｙ−）」，「Ｃｂ（Ｙ＋）」は、後者では、それぞれ差分項「Ｃｂ（Ｙ１−）−Ｃｂ（Ｙ２−）」，「Ｃｂ（Ｙ１＋）−Ｃｂ（Ｙ２＋）」に置き換えられている。これらの差分項は、隣接配置された内側センサと外側センサとについての検出値の差を示すものである。
【０１７１】
隣接配置された内側センサと外側センサとは、向きが逆になっているため、力成分Ｆｚを検出する場合を除いて、両者は相補的な検出値を出力することになる。このため、Ｆｚを除く５成分の検出には、図３６の各演算式に示すように、差分値を利用した検出が可能になる。このような差分値を利用した検出は、検出精度を高めるために有効である。たとえば、この力検出装置の設置場所の温度環境が変化すると、温度変化に起因して装置各部の材質に膨張・収縮が生じ、容量素子を構成する電極面積や電極間距離に変動が生じることになる。差分値を利用した検出を行えば、このような温度変動に基づいて生じる測定誤差を相殺することができるので、より正確な検出値を得ることができる。これが、ここで述べた第２の実施形態のメリットである。
【０１７２】
＜５−３：第３の実施形態＞
図３７は、本発明に係る力検出装置の第３の実施形態の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図であり（バネは図示省略）、図３８は、図３７に示す各変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。図示のとおり、この第３の実施形態では、前述した第１の実施形態と同様に４組の変位センサが用いられるが、その配置が若干異なっている。すなわち、４組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（４）のＸＹ平面上の投影像は、図３７に示すとおり、それぞれＸＹ座標系の第１象限〜第４象限に位置する。
【０１７３】
より具体的には、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなす２本の斜め方向軸Ｗ１，Ｗ２を定義した場合、変位センサＳ（１），Ｓ（３）は、Ｗ１軸上に定義された配置点Ｐ（１），Ｐ（３）がローカル原点Ｑとなる位置に配置され、変位センサＳ（２），Ｓ（４）はＷ２軸上に定義された配置点Ｐ（２），Ｐ（４）がローカル原点Ｑとなる位置に配置される。ここで、各配置点Ｐ（１）〜Ｐ（４）は、原点Ｏから等距離の点である。これら４箇所の配置点に定義されたαβγ三次元座標系のα軸およびβ軸の向きは、図３８に示すとおり、個々の配置点ごとに異なるが、γ軸はいずれもＺ軸に平行な方向（図３８の紙面に垂直な方向）であり、上方基板１００から上方に向かう方向がγ軸の正方向となる。
【０１７４】
結局、この第３の実施形態に係る力検出装置は、４組の変位センサを有し、図３７に示すＸＹ平面上への投影図において、第１のセンサＳ（１）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２のセンサＳ（２）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３のセンサＳ（３）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第３象限に位置し、第４のセンサＳ（４）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第４象限に位置することになる。また、図３８に示すとおり、配置点Ｐ（１）に配置された第１のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、配置点Ｐ（２）に配置された第２のセンサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、配置点Ｐ（３）に配置された第３のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向を向き、配置点Ｐ（４）に配置された第４のセンサのα軸正方向がＹ軸正方向を向くように、これら４組のセンサが配置されていることになる。
【０１７５】
この第３の実施形態の場合、上方基板１００に力が作用した場合の各変位センサの検出値Ｃａ，Ｃｂの変動量は、図３９のテーブルに示すようになる。このテーブルでは、各検出値Ｃａ，Ｃｂの記号の後ろに、（１）〜（４）の符号を付記して、どの変位センサによる検出値であるかを区別できるようにしてある。各欄の符号「０」は変動なし、「＋」は正の変動、「−」は負の変動が生じることを示している。なお、図３７に示す４組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（４）による各検出値Ｃａ，Ｃｂの変動結果が、図３９のテーブルの各欄に示すようになる個々の理由については、ここでは説明を省略する。これらの理由は、各配置点Ｐ（１）〜Ｐ（４）の変位方向と、各配置点Ｐ（１）〜Ｐ（４）に定義されたα軸の向きとを考慮すれば、これまでの説明から容易に理解できよう。
【０１７６】
この実施形態の場合も、４組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（４）は同一のセンサであり、そのＸＹ平面上への投影像が原点Ｏに関して点対称となるような配置がなされている。したがって、上方基板１００の原点Ｏの位置に力が作用した場合、図３９のテーブルの各欄に示す変動結果を踏まえれば、作用した力の６成分の値は、図４０に示す演算式で与えられることになる。なお、前述したとおり、センサの同一性や配置の対称性が確保されていない場合には、個々のセンサの検出値にそれぞれ固有の感度補正係数を乗じる必要がある。
【０１７７】
図２１に示す第１の実施形態における４組の変位センサの配置と、図３７に示す第３の実施形態における４組の変位センサの配置と、を比較すると、後者は前者の配置をＺ軸を回転軸として反時計回りに４５°回転させたものであることがわかる。別言すれば、第３の実施形態において、Ｗ１軸をＸ軸として取り扱い、Ｗ２軸をＹ軸として取り扱えば、Ｗ１，Ｗ２軸方向の力成分や、Ｗ１，Ｗ２軸まわりのモーメント成分の検出も可能になる（センサの向きが４５°傾斜しているので、演算が複雑になり、配慮が必要である）。
【０１７８】
＜５−４：第４の実施形態＞
図４１は、本発明に係る力検出装置の第４の実施形態の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図であり（バネは図示省略）、図４２は、図４１に示す各変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。この第４の実施形態では、３組の変位センサのみが用いられており、その配置は図示のとおりである。
【０１７９】
すなわち、ＸＹ平面上に、原点Ｏを中心にＸ軸を反時計回りに３０°回転させることによって得られる斜め方向軸Ｗ３と、原点Ｏを中心にＸ軸を反時計回りに１５０°回転させることによって得られる斜め方向軸Ｗ４と、を定義する。これら２本の斜め方向軸Ｗ３，Ｗ４は、結局、Ｘ軸に対して３０°の角度をなすことになる。ここで、軸Ｗ３の正領域の軸線，軸Ｗ４の正領域の軸線、Ｙ軸の負領域の軸線に着目すると、これらの各軸線は相互に１２０°の角度をなしている。３組の変位センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）は、この１２０°の角度をなす３つの軸線上に定義された配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）がローカル原点Ｑとなる位置に配置される。ここで、各配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）は、原点Ｏから等距離の点である。これら３箇所の配置点に定義されたαβγ三次元座標系のα軸およびβ軸の向きは、図４２に示すとおり、個々の配置点ごとに異なるが、γ軸はいずれもＺ軸に平行な方向（図４２の紙面に垂直な方向）であり、上方基板１００から上方に向かう方向がγ軸の正方向となる。
【０１８０】
結局、この第４の実施形態に係る力検出装置は、３組の変位センサを有し、図４１に示すＸＹ平面上への投影図において、第１のセンサＳ（１１）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２のセンサＳ（１２）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３のセンサＳ（１３）のローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置することになる。また、図４２に示すとおり、配置点Ｐ（１１）に配置された第１のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向（図の右下方向）を向き、配置点Ｐ（１２）に配置された第２のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向（図の右上方向）を向き、配置点Ｐ（１３）に配置された第３のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向（図の左方向）を向くように、これら３組のセンサが配置されていることになる。
【０１８１】
この第４の実施形態の場合、上方基板１００に力が作用した場合の各変位センサの検出値Ｃａ，Ｃｂの変動量は、図４３のテーブルに示すようになる。このテーブルでは、各検出値Ｃａ，Ｃｂの記号の後ろに、（１１）〜（１３）の符号を付記して、どの変位センサによる検出値であるかを区別できるようにしてある。各欄の符号「０」は変動なし、「＋」は正の変動、「−」は負の変動が生じることを示している。このテーブルの各欄に示すような結果が得られる個々の理由については、ここでは説明を省略するが、各配置点Ｐ（１１）〜Ｐ（１３）の変位方向と、各配置点Ｐ（１１）〜Ｐ（１３）に定義されたα軸の向きとを考慮すれば、これまでの説明から容易に理解できよう。
【０１８２】
この実施形態の場合も、３組の変位センサＳ（１１）〜Ｓ（１３）は同一のセンサである。各センサのＸＹ平面上への投影像は、原点Ｏに関して点対称ではないが、図４１に示すように、各センサを原点Ｏを中心として１２０°回転させると元の配置に重なるような配置がなされている。したがって、上方基板１００の原点Ｏの位置に力が作用した場合、図４３のテーブルの各欄に示す変動結果を踏まえれば、作用した力の６成分の値は、図４４に示す演算式で与えられることになる。ここで、Ｋ１，Ｋ２は、３組の変位センサの検出感度を補正するための感度補正係数である。
【０１８３】
図示の例の場合、上述したとおり、軸Ｗ３，Ｗ４が、Ｘ軸に対して３０°の角度をなすように定義されているため、図４４の演算式において、ＦｘおよびＭｘの式についてのみ感度補正係数Ｋ１，Ｋ２を用いれば足りるが、一般に、軸Ｗ３，Ｗ４のＸ軸に対する角度が任意の場合には、各検出値について、それぞれ固有の感度補正係数を用いた調整が必要になる。図４５に示す演算式は、このような一般的な配置の場合に用いられる演算式であり、Ｋ１１〜Ｋ２６は、各検出値について乗じる固有の感度補正係数である。
【０１８４】
＜５−５：第５の実施形態＞
図４６は、本発明に係る力検出装置の第５の実施形態に用いられる６組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。この図４６に示されている配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）は、図４２に示されている各配置点と全く同じであり、各配置点について定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置方向も全く同じである。
【０１８５】
この第５の実施形態では、これら配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）の内側（原点Ｏに近い側）に、新たな配置点Ｐ（２１），Ｐ（２２），Ｐ（２３）が定義され、それぞれについて、ローカルなαβγ三次元座標系が定義されている。ここで、外側の配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）は、いずれも原点Ｏから等距離にあり、内側の配置点Ｐ（２１），Ｐ（２２），Ｐ（２３）も点Ｏから等距離にある。また、内側の配置点Ｐ（２１），Ｐ（２２），Ｐ（２３）についてのα軸は、隣接する外側の配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）についてのα軸とは逆方向を向くようになっている。なお、γ軸はいずれもＺ軸に平行な方向（図４６の紙面に垂直な方向）であり、上方基板１００から上方に向かう方向がγ軸の正方向となる。
【０１８６】
ここでは、この第５の実施形態の各電極配置を示すＸＹ平面上への正射影投影図は省略するが、図４１に示す３組のセンサＳ（１１）〜Ｓ（１３）を外側センサとして、その内側に、３組の内側センサＳ（２１）〜Ｓ（２３）を逆向きに配置した構成をとることになる。
【０１８７】
要するに、この第５の実施形態に係る力検出装置は、ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離だけ離れた位置にくるように配置された３組の内側センサＳ（２１）〜Ｓ（２３）と、ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離れた位置にくるように配置された３組の外側センサＳ（１１）〜Ｓ（１３）と、を有することになる。
【０１８８】
ここで、第１の外側センサＳ（１１）のローカル原点Ｑは、ＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の外側センサＳ（１２）のローカル原点Ｑは、ＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の外側センサＳ（１３）のローカル原点Ｑは、Ｙ軸の負領域上に位置しており、第１の外側センサＳ（１１）のα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第２の外側センサＳ（１２）のα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第３の外側センサＳ（１３）のα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、３組の外側センサが配置されている。
【０１８９】
また、第１の内側センサＳ（２１）のローカル原点Ｑは、ＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の内側センサＳ（２２）のローカル原点Ｑは、ＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の内側センサＳ（２３）のローカル原点Ｑは、Ｙ軸の負領域上に位置しており、第１の内側センサＳ（２１）のα軸正方向が第１の外側センサＳ（１１）のα軸負方向を向き、第２の内側センサＳ（２２）のα軸正方向が第２の外側センサＳ（１２）のα軸負方向を向き、第３の内側センサＳ（２３）のα軸正方向が第３の外側センサＳ（１３）のα軸負方向を向くように、３組の内側センサが配置されている。
【０１９０】
この第５の実施形態の場合、上方基板１００に力が作用した場合の各変位センサの検出値Ｃａ，Ｃｂの変動量は、図４７のテーブルに示すようになる。このテーブルでは、各検出値Ｃａ，Ｃｂの記号の後ろに、（１１）〜（２３）の符号を付記して、どの変位センサによる検出値であるかを区別できるようにしてある。各欄の符号「０」は変動なし、「＋」は正の変動、「−」は負の変動が生じることを示している。
【０１９１】
この図４７のテーブルにおいて、３組の外側センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の変動は、図４３のテーブルに示すそれぞれセンサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の変動と全く同じである。また、図４７のテーブルにおいて、３組の内側センサＳ（２１），Ｓ（２２），Ｓ（２３）の検出値Ｃａの変動は、それぞれ外側センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の検出値Ｃａの変動と同じになり、３組の内側センサＳ（２１），Ｓ（２２），Ｓ（２３）の検出値Ｃｂの変動は、それぞれ外側センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の検出値Ｃａの変動の符号を逆転させたものになっている。これは、隣接配置された内側センサと外側センサとを比べると、γ軸の方向は同一であるが、α軸の方向が逆になっているためである。
【０１９２】
この実施形態の場合も、６組の変位センサＳ（１１）〜Ｓ（２３）は同一のセンサである。各センサのＸＹ平面上への投影像は、原点Ｏに関して点対称ではないが、各センサを原点Ｏを中心として１２０°回転させると元の配置に重なるような配置がなされている。したがって、上方基板１００の原点Ｏの位置に力が作用した場合、図４７のテーブルの各欄に示す変動結果を踏まえれば、作用した力の６成分の値は、図４８に示す演算式で与えられることになる。ここで、Ｋ１，Ｋ２は、３組の変位センサの検出感度を補正するための感度補正係数である。
【０１９３】
図４６に示すとおり、軸Ｗ３，Ｗ４が、Ｘ軸に対して３０°の角度をなすように定義されているため、図４８の演算式では、ＦｘおよびＭｘの式についてのみ感度補正係数Ｋ１，Ｋ２を用いれば足りるが、一般に、軸Ｗ３，Ｗ４のＸ軸に対する角度が任意の場合には、各検出値について、それぞれ固有の感度補正係数を用いた調整が必要になる。
【０１９４】
第５の実施形態に係る図４８の演算式と、第４の実施形態に係る図４４の演算式とを比べると、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚの演算式については、前者における各項が、後者では差分項に置き換えられていることがわかる。たとえば、Ｆｘの演算式の場合、前者における項「Ｃｂ（１１）」，「Ｃｂ（１２）」，「Ｃｂ（１３）」は、後者では、それぞれ差分項「Ｃｂ（１１）−Ｃｂ（２１）」，「Ｃｂ（１２）−Ｃｂ（２２）」，「Ｃｂ（１３）−Ｃｂ（２３）」に置き換えられている。これらの差分項は、隣接配置された内側センサと外側センサとについての検出値の差を示すものである。
【０１９５】
隣接配置された内側センサと外側センサとは、向きが逆になっているため、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚの演算式に関しては、両者は相補的な検出値を出力することになる。このため、これら３成分の検出には、図４８の各演算式に示すように、差分値を利用した検出が可能になる。このような差分値を利用した検出が、検出精度を高めるために有効であることは既に述べたとおりである。
【０１９６】
＜５−６：第６の実施形態＞
図４９は、本発明に係る力検出装置の第６の実施形態に用いられる６組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。この図４９に示されている３つの配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）は、図４２に示されている各配置点と全く同じであり、各配置点について定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置方向も全く同じである。
【０１９７】
この第６の実施形態では、これら配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）について、ＸＹ平面上で原点Ｏに関して点対称となる位置に、それぞれ新たな配置点Ｐ（３１），Ｐ（３２），Ｐ（３３）が定義され、それぞれについて、ローカルなαβγ三次元座標系が定義されている。ここで、６個の配置点Ｐ（１１）〜Ｐ（３２）は、いずれも原点Ｏから等距離にある。また、互いに点対称となる位置に配置された一対の配置点については、αβγローカル座標系もＸＹ平面上で点対称となるように定義されており、α軸は互いに逆方向を向くようになっている。なお、γ軸はいずれもＺ軸に平行な方向（図４９の紙面に垂直な方向）であり、上方基板１００から上方に向かう方向がγ軸の正方向となる。
【０１９８】
ここでは、この第６の実施形態の各電極配置を示すＸＹ平面上への正射影投影図は省略するが、図４１に示す３組のセンサＳ（１１）〜Ｓ（１３）を主センサとして、それぞれについて、ＸＹ平面上で原点Ｏに関して点対称となる位置に、３組の副センサＳ（３１）〜Ｓ（３３）を配置した構成をとることになる。
【０１９９】
このように、この第６の実施形態に係る力検出装置は、３組の主センサＳ（１１）〜Ｓ（１３）と、３組の副センサＳ（３１）〜Ｓ（３３）と、を有している。ここで、第１の主センサＳ（１１）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の主センサＳ（１２）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の主センサＳ（１３）のローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、第１の主センサＳ（１１）のα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第２の主センサＳ（１２）のα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第３の主センサＳ（１３）のα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、３組の主センサが配置されている。
【０２００】
また、第１の副センサＳ（３１）のローカル原点Ｑが第１の主センサＳ（１１）のローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第２の副センサＳ（３２）のローカル原点Ｑが第２の主センサＳ（１２）のローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第３の副センサＳ（３３）のローカル原点Ｑが第３の主センサＳ（１３）のローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第１の副センサＳ（３１）のα軸正方向が第１の主センサＳ（１１）のα軸負方向を向き、第２の副センサＳ（３２）のα軸正方向が第２の主センサＳ（１２）のα軸負方向を向き、第３の副センサＳ（３３）のα軸正方向が第３の主センサＳ（１３）のα軸負方向を向くように、３組の副センサが配置されている。
【０２０１】
この第６の実施形態の場合、上方基板１００に力が作用した場合の各変位センサの検出値Ｃａ，Ｃｂの変動量は、図５０のテーブルに示すようになる。このテーブルでは、各検出値Ｃａ，Ｃｂの記号の後ろに、（１１）〜（３３）の符号を付記して、どの変位センサによる検出値であるかを区別できるようにしてある。各欄の符号「０」は変動なし、「＋」は正の変動、「−」は負の変動が生じることを示している。
【０２０２】
この図５０のテーブルにおいて、３組の主センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の変動は、図４３のテーブルに示すそれぞれセンサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の変動と全く同じである。また、図５０のテーブルにおいて、３組の副センサＳ（３１），Ｓ（３２），Ｓ（３３）の検出値Ｃａの変動は、「Ｆｚ」の列に関しては、それぞれ主センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の検出値Ｃａの変動と同じになり、「Ｍｘ」，「Ｍｙ」の列に関しては、それぞれ主センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の検出値Ｃａの変動の符号を逆転させたものとなっている。一方、３組の副センサＳ（３１），Ｓ（３２），Ｓ（３３）の検出値Ｃｂの変動は、「Ｍｚ」の列に関しては、それぞれ主センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の検出値Ｃｂの変動と同じになり、「Ｆｘ」，「Ｆｙ」の列に関しては、それぞれ主センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の検出値Ｃｂの変動の符号を逆転させたものとなっている。このようになる理由は、図４９に示す各配置点Ｐ（１１）〜Ｐ（３３）の変位方向と、各配置点Ｐ（１１）〜Ｐ（３３）に定義されたα軸，γ軸の向きとを考慮すれば、これまでの説明から容易に理解できよう。
【０２０３】
この実施形態の場合も、６組の変位センサＳ（１１）〜Ｓ（３３）は同一のセンサである。各センサのＸＹ平面上への投影像は、原点Ｏに関して点対称ではないが、各センサを原点Ｏを中心として６０°回転させると元の配置に重なるような配置がなされている。したがって、上方基板１００の原点Ｏの位置に力が作用した場合、図５０のテーブルの各欄に示す変動結果を踏まえれば、作用した力の６成分の値は、図５１に示す演算式で与えられることになる。ここで、Ｋ１，Ｋ２は、各変位センサの検出感度を補正するための感度補正係数である。
【０２０４】
図４９に示すとおり、軸Ｗ３，Ｗ４が、Ｘ軸に対して３０°の角度をなすように定義されているため、図５１の演算式では、ＦｘおよびＭｘの式についてのみ感度補正係数Ｋ１，Ｋ２を用いれば足りるが、一般に、軸Ｗ３，Ｗ４のＸ軸に対する角度が任意の場合には、各検出値について、それぞれ固有の感度補正係数を用いた調整が必要になる。
【０２０５】
この第６の実施形態に係る図５１の演算式では、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｘ，Ｍｙの演算式について、差分項の演算が行われている。したがって、これら４成分の検出には、差分値を利用した検出が可能になる。このような差分値を利用した検出が、検出精度を高めるために有効であることは既に述べたとおりである。
【０２０６】
＜＜＜ §６．変位センサの変形例 ＞＞＞
§４，§５で述べた第１〜第６の実施形態に係る力検出装置は、いずれも§１，§２で述べた変位センサを複数Ｎ組用いることにより、上方基板１００の各部（各センサの配置点）の変位を検出し、力の６成分を検出するものである。ただ、本発明に係る力検出装置に用いる変位センサは、§１，§２で述べたセンサに限定されるものではない。ここでは、本発明に利用する変位センサに必要な本質的な特徴を説明するとともに、この変位センサのいくつかの変形例を述べることにする。
【０２０７】
＜６−１：本発明に係る変位センサの特徴＞
まず、§１，§２で述べた変位センサ（以下、基本センサと呼ぶ）の電極構造およびその機能を再考してみよう。図５２は、図１に示す構造体および電極のαβ平面上への正射影投影図である。ここで、ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。また、バネ３１〜３４の図示は省略する。
【０２０８】
図５２には、αβγ三次元直交座標系が示されているが、当該座標系の原点Ｑは、図１７に示す力検出装置を構成する上方基板１００（変位センサによる測定対象となる図１の上方基板１０）内の当該変位センサを配置すべき所定の配置点Ｐに定義される。既に述べたとおり、このαβγ三次元直交座標系は、力検出装置全体に定義されるＸＹＺグローバル座標系に対して、個々の配置点Ｐごと（すなわち、個々の変位センサごと）に定義されるローカル座標系となる。ここで、α軸およびβ軸は、原点Ｑを含み、上方基板１００の基板面に平行な平面上に定義され、原点Ｑを通りαβ平面に対して直交する方向にγ軸が定義される。
【０２０９】
この基本センサに要求される基本的な機能は、上方基板１００の配置点Ｐの位置（すなわち、原点Ｑの位置）について、α軸方向の変位Ｄαとγ軸方向の変位Ｄγとを独立して検出することである。ここで、「独立して検出する」とは、他軸成分の干渉を受けずに、検出対象成分のみを正確に取り出すことを意味する。そのような検出を行うために、本発明では、上方基板側に設けられた第１の上方電極Ｅ１１および第２の上方電極Ｅ１２と、下方基板側に設けられた第１の下方電極Ｅ２１および第２の下方電極Ｅ２２という４種類の電極を用意し、第１の上方／下方電極Ｅ１１，Ｅ２１によって第１の容量素子Ｃ１を構成し、第２の上方／下方電極Ｅ１２，Ｅ２２によって第２の容量素子Ｃ２を構成することになる。
【０２１０】
図５２に示す基本センサの場合、第１の上方／下方電極Ｅ１１，Ｅ２１は円形の電極であり、第２の上方／下方電極Ｅ１２，Ｅ２２は矩形の電極であるが、もちろん、各電極の形状はこれらの形状に限定されるわけではない。図にハッチングを施して示す円形領域Ａ１は、第１の容量素子Ｃ１を構成する一対の電極Ｅ１１，Ｅ２１の平面的な重複領域を示しており、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１は、この重複領域Ａ１の面積に比例して定まる。また、図にハッチングを施して示す外形が矩形の領域Ａ２（内部に円形の開口部Ｒ１を有する）は、第２の容量素子Ｃ２を構成する一対の電極Ｅ１２，Ｅ２２の平面的な重複領域を示しており、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２は、この重複領域Ａ２の面積に比例して定まる。
【０２１１】
本発明に係る変位センサにおいて、第１の上方電極Ｅ１１および第１の下方電極Ｅ２１に要求される基本的な条件は、第１の上方電極Ｅ１１および第１の下方電極Ｅ２１のαβ平面上への正射影像に関して、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では（検出対象となる外力が作用していない状態では）、被包含電極となる一方の電極の正射影像の領域が包含電極となる他方の電極の正射影像の領域内に包含され、かつ、上方基板が下方基板に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、および、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、上記包含関係が依然として維持されるように、第１の上方電極Ｅ１１および第１の下方電極Ｅ２１の配置および形状が設定されている、という条件である。なお、上方基板が下方基板に対してγ軸の正または負方向に変位を生じたときに、αβ平面上への正射影像に関して上記包含関係が維持されることは当然である。
【０２１２】
図５２に示す基本センサの場合、第１の上方電極Ｅ１１が包含電極、第１の下方電極Ｅ２１が被包含電極となっており、上方基板が変位を生じていないときでも、α軸もしくはβ軸に所定の許容範囲内の変位を生じたときでも、αβ平面上への正射影像に関して、第１の下方電極Ｅ２１の正射影像は第１の上方電極Ｅ１１の正射影像内に包含される。このような包含関係が維持されている限り、図にハッチングを施して示す重複領域Ａ１の面積は一定になり、γ軸方向の変位がない限り、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１は変化しない。別言すれば、このような包含関係が維持されている限り、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１の変動量ΔＣ１は、γ軸方向の変位を示すことになる。基本センサから出力される検出値Ｃａ（＝−Ｃ１）の変動量を、変位Ｄγのみを示す値として利用できるのは、このためである。
【０２１３】
なお、第１の上方電極Ｅ１１および第１の下方電極Ｅ２１のいずれを包含電極もしくは被包含電極とするかは任意であり、図５２に示す基本センサとは逆に、第１の上方電極Ｅ１１を被包含電極とし、第１の下方電極Ｅ２１を包含電極とする構成を採ってもよい。この場合、第１の下方電極Ｅ２１の方が第１の上方電極Ｅ１１よりも大きな電極ということになる。
【０２１４】
一方、本発明に係る変位センサにおいて、第２の上方電極Ｅ１２および第２の下方電極Ｅ２２に要求される基本的な条件は、第２の上方電極Ｅ１２および第２の下方電極Ｅ２２のαβ平面上への正射影像に関して、両正射影像の重複領域の図形形状（その面積）が、上方基板が下方基板に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに変化し、かつ、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに不変であるように、第２の上方電極Ｅ１２および第２の下方電極Ｅ２２の配置および形状が設定されている、という条件である。
【０２１５】
図５２に示す基本センサの場合、α軸方向の変位が生じた場合、第２の上方電極Ｅ１２が図の左右に移動するため、図にハッチングを施して示す重複領域Ａ２の面積変動量は変位量に比例することになる。これは、第２の上方電極Ｅ１２と第２の下方電極Ｅ２２とが、αβ平面上への正射影像に関して、オフセットを生じるように配置されているためである。一方、β軸方向の変位が生じた場合、第２の上方電極Ｅ１２が図の上下に移動するが、移動量が所定の許容範囲内であれば（電極Ｅ１２の上下の辺が、電極Ｅ２２の上下の辺を越えず、開口部Ｒ１の輪郭が開口部Ｒ２の輪郭に接触しなければ）、重複領域Ａ２の面積は一定になる。これは、β軸方向の変位が生じていない状態において、第２の下方電極Ｅ２２のβ軸方向の幅区間が、第２の上方電極Ｅ１２のβ軸方向の幅区間を包含しており、当該包含関係が、所定の許容範囲内のβ軸方向の変位が生じた場合も維持されるようになっているためである。もちろん、第２の上方電極Ｅ１２のβ軸方向の幅区間が、第２の下方電極Ｅ２２のβ軸方向の幅区間を包含するという、逆の包含関係になっていてもかまわない。
【０２１６】
結局、このようなβ軸方向に関する包含関係が維持されている限り、図にハッチングを施して示す重複領域Ａ２の形状（面積）は、α軸方向の変位が生じた場合には変化し、β軸方向の変位が生じた場合には変化しないので、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２の変化は、α軸方向の変位か、γ軸方向の変位か、のいずれかに起因したものになる。別言すれば、上記β軸方向に関する包含関係が維持されている限り、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２の変動は、α軸方向の変位Ｄαに起因した変動分とγ軸方向の変位Ｄγに起因した変動分とを合成したものになる。ここで、γ軸方向の変位Ｄγは、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１の変動量ΔＣ１として求まるので、静電容量値Ｃ２の変動量ΔＣ２から、変位Ｄγに起因した変動分を除去すれば、α軸方向の変位Ｄαのみを示す検出値を得ることができる。すなわち、検出値Ｃｂを、Ｃｂ＝−Ｃ２＋ｋ・Ｃ１とすれば、当該検出値Ｃｂの変動量が変位Ｄαのみを示す値になる。
【０２１７】
基本センサの検出回路Ｈは、このような原理に基づいて、静電容量値Ｃ１の変動量ΔＣ１を原点Ｑのγ軸方向の変位Ｄγを示す検出信号として出力し、静電容量値Ｃ２の変動量ΔＣ２から変位Ｄγに起因する変動量を除去した値を原点Ｑのα軸方向の変位Ｄαを示す検出信号として出力することになる。もちろん、こうして検出された変位Ｄγの値は、原点Ｑの位置に作用したγ軸方向の力を示す値ということもでき、変位Ｄαの値は、原点Ｑの位置に作用したα軸方向の力を示す値ということもできる。したがって、本発明に係る変位センサは、ローカル原点Ｑの位置に作用した力を検出する力センサということもできる。
【０２１８】
＜６−２：基本センサに固有の特徴＞
続いて、§１，§２で述べた基本センサに固有の特徴を述べる。もちろん、この基本センサも、本発明に係る変位センサの１つであるので、上記「６−１：本発明に係る変位センサの特徴」で述べた特徴をすべて備えているが、この基本センサは、更に、次のような固有の特徴を備えている。
【０２１９】
まず、前述したように、第１の上方電極Ｅ１１および第１の下方電極Ｅ２１の一方を包含電極、他方を被包含電極と呼んだ場合に、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極のαβ平面上への正射影像が、α軸に関して線対称かつβ軸に関して線対称となるように、被包含電極の配置および形状が設定されている、という特徴を有している。具体的には、被包含電極となる第１の下方電極Ｅ２１のαβ平面上への正射影像が円形であり、変位が生じていない状態で、原点Ｑを中心とする位置に配置されている、という構成をとっている。
【０２２０】
このような軸対称性は、上方基板の傾斜を変位として誤検出することを避ける上で効果的である。たとえば、図３１に示すテーブルの「Ｍｙ」の列のＣａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の欄は「０」となっているが、これはモーメントＭｙが作用した場合、変位センサＳ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）から出力される検出値Ｃａ（＝−Ｃ１）の変動がないことを前提とした結果である。しかしながら、モーメントＭｙが作用した場合、上方基板１００は、図２７に示すように傾斜するため、図２６に示すＹ軸上に配置されている変位センサＳ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）を構成する電極の電極間距離は変動することになる。ただ、電極がＹ軸に関して線対称であれば、図２７に示すように傾斜が生じた場合でも、変位センサＳ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）を構成する電極の電極間距離は、右側半分では減少し、左側半分では増加するため、静電容量値Ｃ１の変動は左右で相殺され、トータルでは、静電容量値Ｃ１に変動は生じない。
【０２２１】
よって、図３１に示すテーブルの「Ｍｙ」の列のＣａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の欄を正確に「０」にするためには、被包含電極となる第１の下方電極Ｅ２１のＸＹ平面上への正射影像（すなわち、図５２においてハッチングを施した重複領域Ａ１）がＹ軸について線対称である必要がある。もちろん、このような対称性が維持されていなくても、測定精度上「０」とみなすことができる程度の変動であれば、実用上、大きな問題は生じないので、本発明を実施する上で、上記線対称性は必須条件ではない。ただ、上記線対称性が維持されていれば、測定精度を確実に向上させることができるので、実際には、被包含電極の形状および配置は、α軸およびβ軸に関して線対称を有するようにするのが好ましい。
【０２２２】
同様の理由により、第２の容量素子Ｃ２を構成することになる電極の実効領域、すなわち、図５２においてハッチングを施した重複領域Ａ２についても、変位が生じていない状態で、α軸およびβ軸に関する線対称性が維持されるように、形状および配置が設定されているようにするのが好ましい。
【０２２３】
また、この基本センサでは、図５２に示されているとおり、第２の上方電極Ｅ１２が内部に開口部Ｒ１を有する形状をなし、第１の上方電極Ｅ１１がこの第２の上方電極Ｅ１２の開口部Ｒ１内に配置され、第２の下方電極Ｅ２２が内部に開口部Ｒ２を有する形状をなし、第１の下方電極Ｅ２１がこの第２の下方電極Ｅ２２の開口部内に配置されている。このような入れ子式の電極配置を採ると、次の２つのメリットが得られる。
【０２２４】
第１のメリットは、電極形成領域をローカル原点Ｑ近傍に集約化できる点である。本発明における変位センサは、上方基板１００内に定義された所定の配置点Ｐ（ローカル原点Ｑ）についての変位を検出することを目的としているため、その構成要素となる電極は、できるだけローカル原点Ｑの近傍に配置するのが好ましい。電極の外縁部がローカル原点Ｑから遠くなればなるほど、「ローカル原点Ｑの変位量」としての位置的精度は低下せざるを得ない。このような位置的精度を向上させる観点からは、電極はできるだけ面積を小さくするのが好ましいが、電極面積を小さくすると、容量素子の静電容量値も小さくなるため、検出感度は低下せざるを得ない。上記入れ子式の電極配置を採れば、ある程度の面積をもったすべての電極をローカル原点Ｑの近傍に集約することができる。
【０２２５】
第２のメリットは、前述した対称性確保が容易になる点である。たとえば、図５２に示す例の場合、前述したとおり、ハッチングを施した重複領域Ａ１，Ａ２の形状および配置にα軸およびβ軸に関する線対称性が確保されるのが好ましい。実際、図５２に示す例の場合、このような線対称性が確保されている。一方の電極の開口部内に他方の電極を配置するという入れ子式の電極配置を採れば、重複領域Ａ１，Ａ２の双方について線対称性を確保することが非常に容易になる。
【０２２６】
特に、図５２に示す例の場合、第１の上方電極Ｅ１１の外形、第２の上方電極Ｅ１２の開口部Ｒ１の形状、第１の下方電極Ｅ２１の外形、第２の下方電極Ｅ２２の開口部Ｒ２の形状がいずれも円となっており、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、これら各円の中心点がγ軸上（αβ投影面における原点Ｑ上）に位置するようになっている。このように、電極Ｅ１１，Ｅ２１，開口部Ｒ１，Ｒ２を、γ軸を中心とする円とする実施例は、上述したα軸およびβ軸に関する線対称性を確保することができ、しかも上述した入れ子式の電極配置を容易に実現することができるので、実用上、非常に好ましい実施例ということができる。
【０２２７】
一方、図５２に示す例の場合、第２の上方電極Ｅ１２の外形および第２の下方電極Ｅ２２の外形を矩形としている。前述したように、本発明に係る変位センサにおいて、第２の上方電極Ｅ１２および第２の下方電極Ｅ２２に要求される基本的な条件は、両電極のαβ平面上への正射影像の重複領域Ａ２の図形形状（面積）が、α軸方向に変位を生じたときには変化するが、β軸方向に変位を生じたときに不変である、という条件である。電極Ｅ１２，Ｅ２２の外形を矩形として、両者をα軸に関してオフセット配置するようにすれば、上記条件を満足させる構成を容易に実現することができる。
【０２２８】
もっとも、電極Ｅ１２，Ｅ２２の外形は、必ずしも矩形である必要はない。たとえば、図５２において、電極Ｅ１２の右端部分の形状や、電極Ｅ２２の左端・上端・下端部分の形状は、α軸方向およびβ軸方向の変位量が所定の許容範囲内である限り（これら端部にまで重複領域Ａ２が到達しない限り）、重複領域Ａ２の形状には影響を及ぼすことはない。したがって、上記各端部は必ずしも直線である必要はなく、任意の形状でかまわない。また、電極Ｅ１２の左端・上端・下端部分の形状は、変位量に比例する線形検出値を得る必要がなければ、必ずしも直線である必要はない。結局、図５２に示す電極構成において、重複領域Ａ２の図形形状（面積）が、α軸方向に変位を生じたときには変化するが、β軸方向に変位を生じたときに不変である、という条件を満足させるためには、電極形状については、「電極Ｅ２２の右端部分がβ軸に平行な直線である」という条件が満たされていれば足りる。図５２に示すαβ平面上への正射影像に関して、電極Ｅ２２の右端部分は、電極Ｅ１２と重なりが生じる可能性がある部分であり、電極Ｅ１２がβ軸方向に変位した場合にも、重複領域Ａ２の図形形状を一定に維持するためには、この部分がβ軸に平行な直線である必要がある。
【０２２９】
結局、重複領域Ａ２の図形形状（面積）が、α軸方向に変位を生じたときには変化するが、β軸方向に変位を生じたときに不変である、という条件を満足させるためには、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態において、第２の上方電極Ｅ１２の外形図形と第２の下方電極Ｅ２２の外形図形とについて、次の３条件が満足されていればよい（図５２に示す例は、電極Ｅ１２の外形図形を図形Ｆ１，Ｆ３とし、電極Ｅ２２の外形図形を図形Ｆ２，Ｆ４とした例である）。
【０２３０】
＜条件１：α軸に関するオフセット条件＞
一方の図形を図形Ｆ１、他方の図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１のα軸正方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸正方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ１のα軸負方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸負方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置する（α軸の正負を逆転させても等価）。
【０２３１】
＜条件２：β軸に関する包含条件＞
一方の図形を図形Ｆ３、他方の図形を図形Ｆ４としたときに、図形Ｆ４のβ軸正方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ４のβ軸負方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸負方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置する。
【０２３２】
＜条件３：重複領域の輪郭線条件＞
上記条件２における図形Ｆ３および図形Ｆ４のαβ平面上への正射影像に関して、図形Ｆ４の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに図形Ｆ３の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなす。
【０２３３】
ただ、実用上は、変位量に比例する線形検出値が得られるのが好ましいので、重複領域Ａ２の外形が、常に、α軸に平行な２辺とβ軸に平行な２辺を有する矩形となるようにするのが好ましい。具体的には、上記条件１における図形Ｆ１のα軸負方向側の端部（図５２に示すように、図形Ｆ１＝図形Ｆ３の場合）もしくは図形Ｆ２のα軸正方向側の端部（図５２に示す例において、電極Ｅ１２の縦幅が電極Ｅ２２の縦幅よりも広くなるように設定し、図形Ｆ１＝図形Ｆ４とする場合）が、β軸に平行な直線となるようにし、上記条件２における図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部およびβ軸負方向側の端部が、α軸に平行な直線となるようにすればよい。
【０２３４】
このような観点からは電極Ｅ１２，Ｅ２２の外形図形を矩形にすることは、実用上、非常に好ましい実施例ということができる。より具体的に説明すれば、実用上は、第２の上方電極Ｅ１２の外形図形および第２の下方電極Ｅ２２の外形図形が、α軸に平行な２辺とβ軸に平行な２辺とをもった矩形をなし（これにより、上記条件３：重複領域の輪郭線条件が満たされる）、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、これら２つの矩形について、次の２条件が満足されるような配置を行えばよい。
【０２３５】
＜条件１：α軸に関するオフセット条件＞
一方の矩形を矩形Ｆ１、他方の矩形を矩形Ｆ２としたときに、矩形Ｆ１のα軸正方向側の辺が、矩形Ｆ２のα軸正方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、矩形Ｆ１のα軸負方向側の辺が、矩形Ｆ２のα軸負方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置する（α軸の正負を逆転させても等価）。
【０２３６】
＜条件２：β軸に関する包含条件＞
一方の矩形を矩形Ｆ３、他方の矩形を矩形Ｆ４としたときに、矩形Ｆ４のβ軸正方向側の辺が、矩形Ｆ３のβ軸正方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、矩形Ｆ４のβ軸負方向側の辺が、矩形Ｆ３のβ軸負方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置する。
【０２３７】
＜６−３：第１の変形例＞
続いて、§１，§２で述べた基本センサ（図５２）の変形例を示す。図５３は、この第１の変形例の物理的構造部の上面図であり、上方基板４０および下方基板５０と、これら各基板の表面に形成された個々の電極が示されている。ここで、上方基板４０については透視した状態を示し、バネは図示を省略する。図において、実線で示された電極Ｅ４１Ａ，Ｅ４１Ｂ，Ｅ４２は、上方基板４０の下面に形成された上方電極であり、図において、一部もしくは全部が破線で示された電極Ｅ５１Ａ，Ｅ５１Ｂ，Ｅ５２は、下方基板５０の上面に形成された下方電極である。
【０２３８】
ここで、実線で示された円形電極Ｅ４１Ａ，Ｅ４１Ｂは、図５２に示す基本センサにおける第１の上方電極Ｅ１１に対応する機能を果たし、破線で示された円形電極Ｅ５１Ａ，Ｅ５１Ｂは、図５２に示す基本センサにおける第１の下方電極Ｅ２１に対応する機能を果たす。図示のとおり、円形電極Ｅ４１Ａ，Ｅ５１Ａの投影像は、点ＱＡを中心とした位置に配置され、円形電極Ｅ４１Ｂ，Ｅ５１Ｂの投影像は、点ＱＢを中心とした位置に配置されており、これらの配置位置は、αβγ座標系のローカル原点Ｑとは一致しない。ただ、中心点ＱＡはβ軸正領域上に位置し、中心点ＱＢはβ軸負領域上に位置し、それぞれ原点Ｑから等距離の位置にある。
【０２３９】
一方、矩形電極Ｅ４２は、図５２に示す基本センサにおける第２の上方電極Ｅ１２に対応する機能を果たし、矩形電極Ｅ５２は、図５２に示す基本センサにおける第２の下方電極Ｅ２２に対応する機能を果たす。これら矩形電極Ｅ４２，Ｅ５２の投影像は、原点Ｑの近傍に位置する。
【０２４０】
図５４は、図５３に示す変位センサの物理的構造部のαβ平面上への正射影投影図である。ここで、ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。また、バネは図示を省略する。図示の重複領域Ａ１ＡおよびＡ１Ｂは、それぞれ容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂを構成する電極の実効領域を示し、容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂを並列接続することにより、基本センサの容量素子Ｃ１が形成される。別言すれば、図示の重複領域Ａ１ＡおよびＡ１Ｂは、図５２に示す基本センサにおける重複領域Ａ１に対応する。一方、図示の重複領域Ａ２は、容量素子Ｃ２を構成する電極の実効領域を示し、図５２に示す基本センサにおける重複領域Ａ２に対応する。
【０２４１】
図５２に示す基本センサでは、矩形電極Ｅ１２，Ｅ２２の内部に円形開口部Ｒ１，Ｒ２を設け、この円形開口部Ｒ１，Ｒ２内に円形電極Ｅ１１，Ｅ２１を配置する入れ子式の配置を採っていたが、図５３，図５４に示す変形例では、入れ子式を採用せずに、円形電極を矩形電極の外部に配置する構成を採っている。したがって、矩形電極Ｅ４２，Ｅ５２には開口部は設けられていない。
【０２４２】
この変形例で、円形電極を図の上部（Ｅ４１Ａ，Ｅ５１Ａ）と、図の下部（Ｅ４１Ｂ，Ｅ５１Ｂ）とに分けて配置したのは、α軸に関する対称性を確保するための便宜である。正確な検出を行うために、重複領域の形状がα軸およびβ軸に関して線対称性を有することが好ましいことは、既に述べたとおりである。図５４において、重複領域Ａ１Ａ，Ａ１Ｂは、それぞれ単独ではα軸に関する線対称性は有していないが、両領域を一体の領域として見れば、α軸に関する線対称性が得られることになる。もちろん、β軸に関する線対称性も得られている。
【０２４３】
結局、ここに示す変形例のように、第１の上方電極と第１の下方電極とからなる電極対を複数組設け、各電極対によって構成される容量素子を並列接続することによって第１の容量素子Ｃ１を構成する場合には、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態で、被包含電極群（図５４に示す例では、電極Ｅ５１ＡとＥ５１Ｂ）のαβ平面上への正射影像からなる平面パターンが、α軸に関して線対称かつβ軸に関して線対称となるように、被包含電極群の配置および形状を設定するのが好ましい。
【０２４４】
＜６−４：第２の変形例＞
図５５は、図５２に示す基本センサの別な変形例の物理的構造部の上面図であり、上方基板６０および下方基板７０と、これら各基板の表面に形成された個々の電極が示されている。ここで、上方基板６０については透視した状態を示し、バネは図示を省略する。また、図において、破線は上方基板６０の下面に形成された電極を示し、実線は下方基板７０の上面に形成された電極を示している。なお、便宜上、図の上方向をα軸正方向とし、図の左方向をβ軸正方向として、図が描かれている。
【０２４５】
図に破線で描かれている電極Ｅ６０は、上方基板６０の下面に形成された第１の櫛状電極であり、平面形状が櫛状図形をしている。この第１の櫛状電極Ｅ６０は、α軸方向に伸びた根幹部Ｅ６０Ａと、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数（図示の例では８本）の歯状部Ｅ６０Ｂと、この根幹部Ｅ６０Ａの中央からβ軸方向に伸びる板状部Ｅ６０Ｃと、によって構成された１枚の連続した電極である。
【０２４６】
一方、図に実線で描かれている電極Ｅ７０は、下方基板７０の上面に形成された第２の櫛状電極であり、やはり平面形状が櫛状図形をしている。この第２の櫛状電極Ｅ７０は、α軸方向に伸びた根幹部Ｅ７０Ａと、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数（図示の例では８本）の歯状部Ｅ７０Ｂと、によって構成された１枚の連続した電極である。下方基板７０の上面には、更に、別個独立した島状電極Ｅ７５が形成されている。この島状電極Ｅ７５は、第１の櫛状電極Ｅ６０内の板状部Ｅ６０Ｃに対向する位置に配置されている。ここで、８本の歯状部Ｅ７０Ｂのα軸方向に関する配列周期は、８本の歯状部Ｅ６０Ｂのα軸方向に関する配列周期に対して位相がずれており、それぞれ対応する歯状部のαβ平面上への投影像が部分的に重なり合っている。
【０２４７】
このような電極構成を行えば、板状部Ｅ６０Ｃおよびその付け根に位置する根幹部Ｅ６０Ａの一部分が、図５２に示す基本センサにおける第１の上方電極Ｅ１１の役割を果たし、島状電極Ｅ７５が、図５２に示す基本センサにおける第１の下方電極Ｅ２１の役割を果たすことが理解できよう。すなわち、αβ平面への投影像に関して、板状部Ｅ６０Ｃおよびその付け根に位置する根幹部Ｅ６０Ａの一部分は、島状電極Ｅ７５を包含した状態になっており、上方基板６０が下方基板７０に対してα軸もしくはβ軸方向に所定の許容範囲内の変位を生じても、上記包含関係は依然として維持される。なお、島状電極Ｅ７５の位置を図の左方に若干ずらし、板状部Ｅ６０Ｃの部分に包含されるようにすれば、板状部Ｅ６０Ｃのみによって第１の上方電極Ｅ１１の役割を果たすことができる。
【０２４８】
一方、このような電極構成を行えば、第１の櫛状電極Ｅ６０の構成部分のうち、根幹部Ｅ６０Ａおよび各歯状部Ｅ６０Ｂの部分が、α軸に関するオフセット条件については、図５２に示す基本センサにおける第２の上方電極Ｅ１２の役割を果たし、β軸に関する包含条件については、第２の下方電極Ｅ２２の役割を果たすことが理解できよう。同様に、第２の櫛状電極Ｅ７０（根幹部Ｅ７０Ａと各歯状部Ｅ７０Ｂ）が、α軸に関するオフセット条件については、図５２に示す基本センサにおける第２の下方電極Ｅ２２の役割を果たし、β軸に関する包含条件については、第２の上方電極Ｅ１２の役割を果たすことが理解できよう。図示のとおり、８本の歯状部Ｅ６０Ｂと８本の歯状部Ｅ７０Ｂとは、それぞれ１対１に対応しており、αβ平面への投影像に関して、対応する歯状部が部分的に重なり合うような配置がなされている。しかも、各歯状部の平面的な重複領域の面積は、上方基板６０が下方基板７０に対してα軸方向に変位した場合には増減するが、β軸方向に所定の許容範囲内の変位を生じた場合には一定になる。
【０２４９】
図５６は、図５５に示す変位センサの物理的構造部のαβ平面上への正射影投影図である。ここで、ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。また、バネは図示を省略する。図示の重複領域Ａ１は、第１の容量素子Ｃ１を構成する電極の実効領域を示している。この重複領域Ａ１の外形は、被包含電極である島状電極Ｅ７５の外形に等しい。島状電極Ｅ７５は、図示のとおり矩形をなし、変位が生じていない状態において、ローカル原点Ｑが中心点となるように配置されているため、重複領域Ａ１は、α軸およびβ軸に関する線対称性を有している。上述したとおり、この重複領域Ａ１の面積は、変位が所定の許容範囲内である限り一定である。
【０２５０】
一方、図示の８箇所の重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８は、それぞれ容量素子Ｃ２−１〜Ｃ２−８を構成する電極の実効領域を示し、これら８組の容量素子Ｃ２−１〜Ｃ２−８を並列接続することにより、基本センサの容量素子Ｃ２が形成される。別言すれば、図示の重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８は、図５２に示す基本センサにおける重複領域Ａ２に対応する。図５６に示されている８組の重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８のそれぞれに着目すれば、第２の櫛状電極Ｅ７０の位置を固定した状態において、第１の櫛状電極Ｅ６０をα軸方向に移動させると面積が増減するが、β軸方向に移動させても、変位量が所定の許容範囲内であれば、面積に変化が生じないことが理解できよう。なお、図示の重複領域Ａ０の部分は、α軸方向およびβ軸方向への変位に対して面積が常に一定の領域になり、変位検出には利用されない不使用領域となる。
【０２５１】
ここで、第１の櫛状電極Ｅ６０も、第２の櫛状電極Ｅ７０も、それぞれ連続した１枚の電極であるため、８組の容量素子Ｃ２−１〜Ｃ２−８は、自然に並列接続された状態となり、電極Ｅ６０／Ｅ７０間の静電容量値を求めれば、この８組の容量素子Ｃ２−１〜Ｃ２−８の合計容量を得ることができる。なお、第１の櫛状電極Ｅ６０のうち、板状部Ｅ６０Ｃは、根幹部Ｅ６０Ａに連なっているため、第１の上方電極（Ｅ６０Ｃ）と第２の上方電極（Ｅ６０Ａ，Ｅ６０Ｂ）とが電気的に接続された状態になるが、第１の下方電極（Ｅ７５）と第２の下方電極（Ｅ７０Ａ，Ｅ７０Ｂ）とは、電気的に絶縁された個別電極となっているため、電気的な容量検出について問題が生じることはない。
【０２５２】
以上、第１の櫛状電極Ｅ６０を上方電極とし、第２の櫛状電極Ｅ７０および島状電極Ｅ７５を下方電極とした例を述べたが、もちろん、これら上下の配置を入れ替えてもかまわない。
【０２５３】
このような櫛状電極Ｅ６０，Ｅ７０を用いて構成した変位センサは、検出感度をより高めるために有効である。特に、α軸方向の変位に関する検出感度は、飛躍的に構造する。たとえば、図５４に示す実施例における重複領域Ａ２の面積と、図５６に示す実施例の重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８の合計面積とが等しかった場合、基板上に形成される電極形成部の占有面積はほぼ同程度になる。しかしながら、α軸方向の変位に関する後者の検出感度は前者の検出感度に比べて極めて高くなる。これは、α軸方向に同一の変位量が生じた場合でも、重複領域Ａ２の面積変化に比べて、重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８の合計面積の変化の方が大きくなるためである。
【０２５４】
たとえば、図５４に示す重複領域Ａ２を実効面積とする容量素子の静電容量値が１６ｐＦであり、図５６に示す８組の重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８の合計面積を実効面積とする容量素子の静電容量値も１６ｐＦであったとしよう（１組の重複領域についての容量素子の静電容量値は２ｐＦ）。このように、静電容量値それ自体には変わりはない。しかしながら、図５６に示す変形例の場合、たとえば、各歯状部のα軸方向の幅が２０μｍであり、各重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８のα軸方向の幅が１０μｍであるときに、α軸方向に５μｍの変位が生じたとすれば、１組の重複領域についての容量素子の容量値変動は１ｐＦになるので、合計８ｐＦの容量値変動が得られる。これに対して、図５４に示す変形例の場合、図示の重複領域Ａ２の横方向の長さが５μｍだけ増減するだけなので、容量値変動は、図５６に示す変形例ほどは得られない。
【０２５５】
このように、櫛状電極を利用すると、個々の歯状部についての容量素子ごとに、それぞれ変位量に応じた容量値変動が生じ、これら容量値変動を積算した検出値を得ることができるようになるため、検出感度の向上が図れることになる。
【０２５６】
ここでこの櫛状電極を用いる実施例における第２の上方電極および第２の下方電極の電極構成を一般論として述べれば、まず、第２の上方電極および第２の下方電極の平面形状は、α軸方向に伸びた根幹部と、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、を有する櫛状図形をなしていることになる。
【０２５７】
そして、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、第２の上方電極を構成する櫛状図形と第２の下方電極を構成する櫛状図形とについて、次の３条件が満足されていればよい（図５５に示す例は、実線で描かれた電極Ｅ７０の櫛形図形を図形Ｆ２，Ｆ３とし、破線で描かれた電極Ｅ６０の櫛形図形を図形Ｆ１，Ｆ４とした例である）。
【０２５８】
＜条件１：α軸に関するオフセット条件＞
一方の櫛状図形を図形Ｆ１、他方の櫛状図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１の根幹部は図形Ｆ２の根幹部に比べて、所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、図形Ｆ１の各歯状部は根幹部からβ軸正方向側に伸び、図形Ｆ２の各歯状部は根幹部からβ軸負方向側に伸びており、図形Ｆ１の各歯状部のα軸方向に関する配列周期と図形Ｆ２の各歯状部のα軸方向に関する配列周期とは位相がずれている。
【０２５９】
＜条件２：β軸に関する包含条件＞
一方の櫛状図形を図形Ｆ３、他方の櫛状図形を図形Ｆ４として、αβ平面上へ図形Ｆ３および図形Ｆ４の正射影像を形成した場合に、図形Ｆ３の各歯状部の正射影像は、図形Ｆ４の対応する各歯状部の正射影像に部分的に重なり合い、図形Ｆ３の各歯状部の正射影像の先端部は、図形Ｆ４の根幹部の正射影像までは届かず、図形Ｆ４の各歯状部の正射影像の先端部は、図形Ｆ３の根幹部の正射影像を突き抜けている。
【０２６０】
＜条件３：重複領域の輪郭線条件＞
上記条件２における図形Ｆ４の各歯状部の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに、上記条件２における図形Ｆ３の対応する歯状部および根幹部の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなす。
【０２６１】
この櫛状電極を用いる実施例における第２の上方電極および第２の下方電極の電極構成を別な観点から把握すれば、次のように定義することができる。すなわち、まず、第２の上方電極および第２の下方電極の平面形状は、それぞれ複数の部分図形の集合体によって構成されており、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、第２の上方電極を構成する部分図形と第２の下方電極を構成する部分図形とについて、次の３条件が満足されていればよい（図５５に示す例は、実線で描かれた１本の歯状部Ｅ７０Ｂおよびその付け根に位置する根幹部Ｅ７０Ａの一部分からなる矩形を部分図形Ｆ２，Ｆ３とし、破線で描かれた１本の歯状部Ｅ６０Ｂおよびその付け根に位置する根幹部Ｅ６０Ａの一部分からなる矩形を部分図形Ｆ１，Ｆ４とした例である：図５５の最下段の歯状部参照）。
【０２６２】
＜条件１：α軸に関するオフセット条件＞
一方の部分図形を図形Ｆ１、他方の部分図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１のα軸正方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸正方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ１のα軸負方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸負方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置する。
【０２６３】
＜条件２：β軸に関する包含条件＞
一方の部分図形を図形Ｆ３、他方の部分図形を図形Ｆ４としたときに、図形Ｆ４のβ軸正方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ４のβ軸負方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸負方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置する。
【０２６４】
＜条件３：重複領域の輪郭線条件＞
上記条件２における図形Ｆ３および図形Ｆ４のαβ平面上への正射影像に関して、図形Ｆ４の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに図形Ｆ３の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなす。
【０２６５】
＜＜＜ §７．力検出装置の構造体の変形例 ＞＞＞
ここでは、§３〜§５で述べた力検出装置を構成する構造体の変形例を述べる。図１７の上段に示す実施形態の場合、力検出装置を構成する構造体は、上方基板１００、下方基板２００、バネ３１０〜３４０によって構成されており、この構造体に、変位センサを構成する複数の電極を付加することにより、力検出装置の物理的構造部が形成される。図５７は、本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図であり、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）が配置された状態が示されている。なお、この図では、接続部材（バネ３１０〜３４０）については、その取付位置である接続点Ｊ１〜Ｊ４のみを示してある。
【０２６６】
以下、この第１の実施形態に係る物理的構造部について、いくつかの変形例を示すことにする。なお、以下に述べる各変形例は、§３，§４で述べた第１の実施形態に係る変位センサの配置（電極配置）を採用した例についてのものであるが、もちろん、§５で述べた様々な変位センサの配置を採用することも可能である。
【０２６７】
＜７−１：第１の変形例＞
図５８は、第１の変形例を示す縦断面図であり、図５７に示す物理的構造部を切断線Ｌに沿って切断した縦断面図に対応する（電極の詳細構造は省略）。図５８に示す各構成要素の符号末尾には「Ａ」なる記号が付されているが、当該記号「Ａ」を取り去ると、図１７上段に示す物理的構造部の対応する構成要素と同じ符号になる。たとえば、図５８の上方基板１００Ａは、図１７の上方基板１００に対応する構成要素である。
【０２６８】
この第１の変形例が図１７に示す物理的構造部と相違する点は、各上方電極Ｅ１１，Ｅ１２と上方基板１００Ａとの間に絶縁基板１１０Ａが挿入され、各下方電極Ｅ２１，Ｅ２２と下方基板２００Ａとの間に絶縁基板２１０Ａが挿入されている点である。このように、絶縁基板１１０Ａおよび絶縁基板２１０Ａを付加した構造を用いると、上方基板１００Ａおよび下方基板２００Ａを金属などの導電性材料で構成することが可能になる。すなわち、上方基板１００Ａおよび下方基板２００Ａが導電性基板であっても、絶縁基板１１０Ａおよび絶縁基板２１０Ａを介して各電極を形成するようにすれば、個々の電極が導電性基板によって短絡することを避けることができる。
【０２６９】
量産型の装置の場合、上方基板１００Ａおよび下方基板２００Ａをアルミニウム板やステンレス板などの金属板で構成し、絶縁基板１１０Ａおよび絶縁基板２１０Ａをセラミック板やガラスエポキシ板などの絶縁材料からなる基板で構成するのが好ましい。なお、ばね３１０Ａ〜３４０Ａは、一般的な金属からなるコイル状のバネでもよいし、合成樹脂製のバネでもよい。
【０２７０】
＜７−２：第２の変形例＞
図５９は、第２の変形例を示す縦断面図であり、図５７に示す物理的構造部を切断線Ｌに沿って切断した縦断面図に対応する（電極の詳細構造は省略）。図５９に示す各構成要素の符号末尾には「Ｂ」なる記号が付されているが、当該記号「Ｂ」を取り去ると、図１７上段に示す物理的構造部の対応する構成要素と同じ符号になる。
【０２７１】
この第２の変形例と図１７に示す物理的構造部との第１の相違点は、前述した第１の変形例と同様に、各上方電極Ｅ１１，Ｅ１２と上方基板１００Ｂとの間に絶縁基板１１０Ｂが挿入され、各下方電極Ｅ２１，Ｅ２２と下方基板２００Ｂとの間に絶縁基板２１０Ｂが挿入されている点である。この例でも、上方基板１００Ｂおよび下方基板２００Ｂは、アルミニウム板やステンレス板などの金属板で構成され、絶縁基板１１０Ｂおよび絶縁基板２１０Ｂはセラミック板やガラスエポキシ板などの絶縁材料からなる基板で構成されている。
【０２７２】
第２の相違点は、下方基板２００Ｂが、基板本体部２０１Ｂと台座部２０２Ｂとによって構成されている点である。台座部２０２Ｂは、基板本体部２０１Ｂの周囲下面に形成されており、台座部２０２Ｂの内側には空洞部Ｖが形成されている。この空洞部Ｖには、絶縁基板４１０Ｂを介して、回路素子４２０Ｂが配置されている。この回路素子４２０Ｂは、各変位センサの検出回路Ｈや力検出装置の検出ユニットＵを構成するための電子回路である。各電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２と回路素子４２０Ｂとの間には、図示しない配線が施されている。
【０２７３】
第３の相違点は、ばね３１０〜３４０の代わりに、可撓性をもった柱状部材３１０Ｂ〜３４０Ｂが用いられている点である。本発明において、上方基板と下方基板とを接続する接続部材は、下方基板を固定した状態において、上方基板に外力を作用させた場合に、上方基板が下方基板に対して変位を生じるように、少なくとも一部分が可撓性を有していればよい。したがって、複数のばね３１０〜３４０によって接続部材を構成することもできるし、弾性変形を生じる複数の柱状部材によって接続部材を構成することもできる。図５９に示す例は、接続部材として、扁平の柱状部材３１０Ｂ〜３４０Ｂを用いたものである。これらの柱状部材は、金属や合成樹脂などの弾性材料で構成すればよい。もちろん、用いる柱状部材の本数や形状は任意である。
【０２７４】
図６０は、図５９に示す変形例の接続部材を変更した例を示す縦断面図である。図５９に示す変形例との相違は、扁平の柱状部材３１０Ｂ〜３４０Ｂを、一部に屈曲部を有する扁平の柱状部材３１５Ｂ〜３４５Ｂに置き換えた点のみである。この屈曲部の構造は、柱状部材３１５Ｂおよび３３５Ｂの断面形状に明瞭に示されているように断面がＵ字状となっている。これらの柱状部材は、やはり金属や合成樹脂などの弾性材料で構成することができる。このように、柱状部材の一部に屈曲部を設けると、可撓性をより高める効果が得られる。特に、図示のような断面がＵ字状構造をもった屈曲部は、上方基板１００ＢをＸＹＺ三次元直交座標系上における各座標軸方向に変位させるために効果的である。
【０２７５】
＜７−３：第３の変形例＞
図６１は、第３の変形例を示す縦断面図であり、図５７に示す物理的構造部をＸ軸に沿って切断した縦断面図に対応する（電極の詳細構造は省略）。図６１に示す各構成要素の符号末尾には「Ｃ」なる記号が付されているが、当該記号「Ｃ」を取り去ると、図１７上段に示す物理的構造部の対応する構成要素と同じ符号になる。
【０２７６】
この第３の変形例と図１７に示す物理的構造部との第１の相違点は、前述した第１，第２の変形例と同様に、各上方電極と上方基板１００Ｃとの間に絶縁基板１１０Ｃが挿入され、各下方電極と下方基板２００Ｃとの間に絶縁基板２１０Ｃが挿入されている点である。やはり、上方基板１００Ｃおよび下方基板２００Ｃを、アルミニウム板やステンレス板などの金属板で構成し、絶縁基板１１０Ｃおよび絶縁基板２１０Ｃをセラミック板やガラスエポキシ板などの絶縁材料からなる基板で構成できる。
【０２７７】
第２の相違点は、前述した第２の変形例と同様に、下方基板２００Ｃが、基板本体部２０１Ｃと台座部２０２Ｃとを有し、台座部２０２Ｃの内側には空洞部Ｖが形成されている点である。この空洞部Ｖには、絶縁基板４１０Ｃを介して、検出回路Ｈや検出ユニットＵとして機能する回路素子４２０Ｃが配置されている。
【０２７８】
第３の相違点は、接続部材を、上方基板１００Ｃの周囲に設けられた上方接続用縁部１０４Ｃと、下方基板の周囲に設けられた下方接続用縁部２０４Ｃと、この上方接続用縁部１０４Ｃと下方接続用縁部２０４Ｃとを接続する４本の円柱状の柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃと、によって構成した点である。ここで、上方接続用縁部１０４Ｃのうち柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃの上端が接続された接続部分の近傍は、ダイアフラム１０３Ｃを構成するように厚みが薄くなっており、下方接続用縁部２０４Ｃのうち柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃの下端が接続された接続部分の近傍は、ダイアフラム２０３Ｃを構成するように厚みが薄くなっている。
【０２７９】
図６２は、図６１に示す変形例の主要部分のＸＹ平面上への正射影投影図である。上方基板１００Ｃの外周部分（絶縁基板１１０Ｃより外側の部分）は、円環状の上方接続用縁部１０４Ｃを形成し、この上方接続用縁部１０４Ｃの４箇所には、厚みの薄い円形ダイアフラム１０３Ｃが形成されている。同様に、下方基板２００Ｃの外周部分（絶縁基板２１０Ｃより外側の部分）は、円環状の下方接続用縁部２０４Ｃを形成し、この下方接続用縁部２０４Ｃの４箇所には、厚みの薄い円形ダイアフラム２０３Ｃが形成されている。そして４本の柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃの上端は、円形ダイアフラム１０３Ｃの中心部に接続され、下端は、円形ダイアフラム２０３Ｃの中心部に接続されている。
【０２８０】
上方基板１００Ｃ側に設けられた円形ダイアフラム１０３Ｃと、下方基板２００Ｃ側に設けられた円形ダイアフラム２０３Ｃとは、いずれも可撓性をもった薄膜状の部材である。また、各柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃは可撓性をもった細長い棒状部材である。図示の例では、円形ダイアフラム１０３Ｃおよび上方接続用縁部１０４Ｃを含めた上方基板１００Ｃは、アルミニウムやステンレスなどの金属から構成されており、また、円形ダイアフラム２０３Ｃおよび下方接続用縁部２０４Ｃを含めた下方基板２００Ｃも、アルミニウムやステンレスなどの金属から構成されている。更に、４本の柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃも同じ金属から構成されている。
【０２８１】
上述したとおり、４本の柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃは、細長い棒状部材であるので、Ｘ軸もしくはＹ軸方向に撓みやすいが、Ｚ軸方向への伸縮は起こりにくい。しかしながら、円形ダイアフラム１０３Ｃ，２０３Ｃの部分にも撓みが生じるため、上方基板１００Ｃは下方基板２００Ｃに対して、Ｘ軸およびＹ軸方向に容易に変位するとともに、Ｚ軸方向にも容易に変位することになる。なお、４本の柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃの上端および下端を支持する部分は、必ずしもダイアフラムのような膜状構造体にする必要はなく、ビーム構造体にすることも可能である。たとえば、１本の柱状部材の上端もしくは下端を、複数本のビーム構造体によって周囲から支持する構造を採ることも可能である。
【０２８２】
この第３の変形例では、接続部材を上方基板および下方基板の外周縁部に配置するようにしたため、装置全体の厚みを小さく設計することが可能になり、薄型の力検出装置を実現することができるようになる。図６３は、この変形例の主要部分の寸法図である。以下に、本願発明者が試作した装置についての実際の寸法値を例示しておく。この例の場合、装置全体の厚みは、１５ｍｍとなり、かなり薄型の装置を実現することができる。本願発明者が知る限り、現時点で市販されている力検出装置の中で、力の６成分を検出可能な最も薄型の装置でも、厚みは２８ｍｍ程度である。
上方基板１００Ｃおよび下方基板２００Ｃの径φ１＝８０ｍｍ
絶縁基板１１０Ｃおよび２１０Ｃの径φ２＝５０ｍｍ
空洞部Ｖの径φ３＝４０ｍｍ
ダイアフラム１０３Ｃ，２０３Ｃの径φ４＝６ｍｍ
柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃの径φ５＝２ｍｍ
上方基板１００Ｃの厚みｄ１＝６ｍｍ
下方基板２００Ｃの厚みｄ２＝７．５ｍｍ
上方基板１００Ｃと下方基板２００Ｃとの間の間隙寸法ｄ３＝１．５ｍｍ
絶縁基板１１０Ｃ，２１０Ｃの厚みｄ４＝０．５ｍｍ
ダイアフラム１０３Ｃ，２０３Ｃの厚みｄ５＝０．３ｍｍ
各電極の厚みｄ６＝１．０μｍ
【０２８３】
＜７−４：第４の変形例＞
図６４は、第４の変形例を示す縦断面図であり、図５７に示す物理的構造部をＸ軸に沿って切断した縦断面図に対応する（電極の詳細構造は省略）。図６４に示す各構成要素の符号末尾には「Ｄ」なる記号が付されているが、当該記号「Ｄ」を取り去ると、図１７上段に示す物理的構造部の対応する構成要素と同じ符号になる。
【０２８４】
この第４の変形例と図１７に示す物理的構造部との第１の相違点は、前述した第１〜第３の変形例と同様に、各上方電極と上方基板１００Ｄとの間に絶縁基板１１０Ｄが挿入され、各下方電極と下方基板２００Ｄとの間に絶縁基板２１０Ｄが挿入されている点である。上方基板１００Ｄおよび下方基板２００Ｄを、アルミニウム板やステンレス板などの金属板で構成し、絶縁基板１１０Ｄおよび絶縁基板２１０Ｄをセラミック板やガラスエポキシ板などの絶縁材料からなる基板で構成できる点は、これまでの変形例と同様である。
【０２８５】
第２の相違点は、前述した第２，第３の変形例と同様に、下方基板２００Ｄの下面に空洞部Ｖが形成され、この空洞部Ｖ内に、絶縁基板４１０Ｄを介して、検出回路Ｈや検出ユニットＵとして機能する回路素子４２０Ｄを配置した点である。
【０２８６】
第３の相違点は、接続部材を、上方基板１００Ｄと下方基板２００Ｄとの間に充填されたゴム層３５０Ｄ（エラストマーからなる層）によって構成した点である。実際には、エラストマーの材料となる粘度状の高分子化合物を両基板間に充填した後、これを硬化させることにより、弾力をもったエラストマーからなるゴム層３５０Ｄを形成することができる。
【０２８７】
一般に、ゴム（エラストマー）は金属や合成樹脂に比べると経年劣化しやすい材料であるため、ゴム層３５０Ｄを接続部材として用いた装置は、これまで述べてきたバネや柱状部材を接続部材として用いた装置に比べて、寿命や測定精度の点で劣ることになる。しかしながら、ゴム層３５０Ｄによって接続部材を構成すると、バネや柱状部材を配置するための領域を各基板の周縁部に設ける必要がなくなり、構造が単純になり、装置全体を小型化できるメリットが得られる。
【０２８８】
なお、その他の細かな変更点ではあるが、上方基板１００Ｄの上面にはネジ孔１０７Ｄが設けられ、下方基板２００Ｄの下面にはネジ孔２０７Ｄが設けられている。これらのネジ孔１０７Ｄ，２０７Ｄは、この力検出装置を２つの物体間に接続して用いる場合に利用できる。たとえば、ロボットの手首の部分にこの装置を介挿して利用する場合、ネジ孔１０７Ｄを利用して、上方基板１００Ｄの上面にロボットの手の部分を固定し、ネジ孔２０７Ｄを利用して、下方基板２００Ｄの下面にロボットの腕の部分を固定することができる。
【０２８９】
＜７−５：第５の変形例＞
図６５は、本発明に係る力検出装置の第５の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。この第５の変形例は、図６４に示す第４の変形例のバリエーションであり、対応する各構成要素の符号末尾には、「Ｄ」の代わりに「Ｅ」なる記号を付して示してある。
【０２９０】
前述した第４の変形例では、図６４に示されているように、上方基板１００Ｄと下方基板２００Ｄとの間にエラストマーからなるゴム層３５０Ｄが介挿されているが、図示のとおり、実際にゴム層３５０Ｄの上下両面が接するのは、主として、絶縁基板１１０Ｄ，２１０Ｄおよび各電極ということになる。
【０２９１】
ところが、実際、本願発明者が、絶縁基板１１０Ｄ，２１０Ｄの材質としてガラスエポキシを用い、各電極の材質として銅を用いた試作品を制作してみたところ、エラストマーとガラスエポキシ層との界面、およびエラストマーと銅箔との界面における密着性が不十分であるため、ゴム層３５０Ｄの介挿によって、上方基板１００Ｄ（直接的には、絶縁基板１１０Ｄおよび上方電極）と、下方基板２００Ｄ（直接的には、絶縁基板２１０Ｄおよび下方電極）と、を十分に接着することが困難であった。すなわち、図６４に示す第４の変形例の構造では、ゴム層３５０Ｄによる上下の基板の接着強度が、実用上、必ずしも十分ではないことが判明した。
【０２９２】
図６５に示す第５の変形例は、このような問題を解決するための工夫を加えたものである。すなわち、この第５の変形例では、上方基板１００Ｅの周縁部の数カ所に貫通孔１０７Ｅが設けられ、下方基板２００Ｅの周縁部の数カ所に貫通孔２０７Ｅが設けられている。その他の構成については、第４の変形例と同様である。
【０２９３】
このように、上下の基板に貫通孔１０７Ｅ，２０７Ｅを設けておくと、エラストマーの材料となる粘度状の高分子化合物を両基板間に充填する作業を行った場合に、材料の一部が貫通孔１０７Ｅ，２０７Ｅを通って上方基板１００Ｅの上面および下方基板２００Ｅの下面に食み出してくる。そのまま材料を硬化させると、図示のとおり、貫通孔１０７Ｅ，２０７Ｅの外部にエラストマーからなる係合固定部３５１Ｅ，３５２Ｅが形成される。この係合固定部３５１Ｅ，３５２Ｅは、ゴム層３５０Ｅと一体構造をなす。しかも、係合固定部３５１Ｅは上方基板１００Ｅの上面の貫通孔１０７Ｅ周辺部に係合する構造をもち、係合固定部３５２Ｅは下方基板２００Ｅの下面の貫通孔２０７Ｅ周辺部に係合する構造をもつ。
【０２９４】
このため、上方基板１００Ｅおよび下方基板２００Ｅは、これら係合固定部３５１Ｅ，３５２Ｅによって固定された状態になる。もっとも、係合固定部３５１Ｅ，３５２Ｅは、貫通孔１０７Ｅ，２０７Ｅ内に充填された部分を含めて、ゴム層３５０Ｅと同じ弾力性をもったエラストマーによって構成されているので、上方基板１００Ｅが下方基板２００Ｅに対して三次元の自由度をもって変位可能である点に変わりはない。
【０２９５】
＜７−６：第６の変形例＞
図６６は、本発明に係る力検出装置の第６の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。この第６の変形例も、図６４に示す第４の変形例のバリエーションであり、対応する各構成要素の符号末尾には、「Ｄ」の代わりに「Ｆ」なる記号を付して示してある。
【０２９６】
前述した第４の変形例では、図６４に示されているように、上方基板１００Ｄと下方基板２００Ｄとの間にエラストマーからなるゴム層３５０Ｄが介挿されており、このゴム層３５０Ｄは、上下の基板間に隙間なく充填された構造をなす。
【０２９７】
これに対して、図６６に示す第６の変形例では、上下の基板間に挟まれたゴム層３６０Ｆは、やはりエラストマーからなる層であるが、隙間なく充填された構造ではなく、基底部３６１Ｆの上面に、多数の突起部３６２Ｆを上方に向けて植設した構造をなす。図６６は、この装置をＸＺ平面に沿って切断した側断面図であるが、この装置をＹＺ平面に沿って切断した側断面図も全く同様の図になる。結局、基底部３６１ＦはＸＹ平面に平行な平面に沿って延びるシート状の構成要素であり、多数の突起部３６２Ｆは、この基底部３６１Ｆから上方（Ｚ軸に平行な方向）に生えるようにして伸びる構成要素ということになる。
【０２９８】
このようなゴム層３６０Ｆは、別途の工程で予め成形しておくようにし、これを上下両基板間に挿入して、基底部３６１Ｆの下面を下方電極の上面に接着し、突起部３６２Ｆの上面を上方電極の下面に接着すればよい。個々の突起部３６２Ｆは、図の左右方向および紙面に垂直な方向（すなわち、Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に傾斜しやすい性質を有している。したがって、この第６の変形例では、上方基板１００ＦのＸ軸方向およびＹ軸方向への変位がしやすくなり、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に関する検出感度が向上する。
【０２９９】
図示のとおり、この第６の変形例でも、下方基板２００Ｆは台座部を有する構造をなし、下面に空洞部Ｖを確保できるようにしている。この空洞部Ｖ内には、絶縁基板４１０Ｆおよび回路素子４２０Ｆが収容される。また、この装置全体は、筐体５００内に収容されており、台座部の底面は、筐体５００の底部に固着されている。更に、筐体５００の上部には、庇部５０８が形成され、上方基板１００Ｆの変位量が所定の許容範囲を超えないように制御する制御部材として機能する。
【０３００】
すなわち、円盤状の上方基板１００Ｆの周囲側面には、外形の大きなフランジ部１０８Ｆおよび１０９Ｆが設けられており、筐体５００側に設けられた庇部５０８が、このフランジ部１０８Ｆおよび１０９Ｆの間の溝部に嵌合している。したがって、上方基板１００Ｆが、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向に所定の許容範囲を超えて変位しようとすると、庇部５０８が上方基板１００Ｆの周囲側面に設けられた溝部に当接し、過度の変位を抑制する機能を果たす。同様に、上方基板１００Ｆが、Ｚ軸方向に所定の許容範囲を超えて変位しようとすると、庇部５０８が上方基板１００Ｆの周囲側面に設けられたフランジ部１０８Ｆもしくは１０９Ｆに当接し、過度の変位を抑制する機能を果たす。
【符号の説明】
【０３０１】
１０：上方基板
２０：下方基板
３１〜３４：バネ
４０：上方基板
５０：下方基板
６０：上方基板
７０：下方基板
１００：上方基板
１００Ａ〜１００Ｆ：上方基板
１０１Ｃ：上方基板本体部
１０３Ｃ：ダイアフラム
１０４Ｃ：上方接続用縁部
１０７Ｄ：ネジ孔
１０７Ｅ：貫通孔
１０８Ｆ：フランジ部
１０９Ｆ：フランジ部
１１０Ａ〜１１０Ｆ：絶縁基板
２００：下方基板
２００Ａ〜２００Ｆ：下方基板
２０１Ｂ〜２０１Ｃ：基板本体部
２０２Ｂ〜２０２Ｃ：台座部
２０３Ｃ：ダイアフラム
２０４Ｃ：下方接続用縁部
２０７Ｄ：ネジ孔
２０７Ｅ：貫通孔
２１０Ａ〜２１０Ｆ：絶縁基板
３１０〜３４０：バネ
３１０Ａ〜３４０Ａ：バネ
３１０Ｂ〜３４０Ｂ：柱状部材
３１５Ｂ〜３４５Ｂ：柱状部材
３１０Ｃ〜３４０Ｃ：柱状部材
３５０Ｄ：ゴム層
３５０Ｅ：ゴム層
３５１Ｅ，３５２Ｅ：係合固定部
３６０Ｆ：ゴム層
３６１Ｆ：基底部
３６２Ｆ：突起部
４１０Ｂ〜４１０Ｆ：絶縁基板
４２０Ｂ〜４２０Ｆ：回路素子（検出回路・検出ユニット）
５００：筐体
５０８：庇部
Ａ０：不使用領域
Ａ１：第１の容量素子Ｃ１を構成する一対の電極の平面的な重複領域
Ａ２：第２の容量素子Ｃ２を構成する一対の電極の平面的な重複領域
Ｃ１：第１の容量素子／その静電容量値
Ｃ２：第２の容量素子／その静電容量値
Ｃａ：変位Ｄγを示す検出値
Ｃｂ：変位Ｄαを示す検出値
Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚ：各座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向への変位
Ｄα，Ｄβ，Ｄγ：各座標軸α，β，γ方向への変位
Ｄγｉ：変位Ｄγの任意値
ｄ１〜ｄ６：寸法値
Ｅ１１：第１の上方電極
Ｅ１２：第２の上方電極
Ｅ２１：第１の下方電極
Ｅ２２：第２の下方電極
Ｅ４１Ａ，Ｅ４１Ｂ：第１の上方電極
Ｅ４２：第２の上方電極
Ｅ５１Ａ，Ｅ５１Ｂ：第１の下方電極
Ｅ５２：第２の下方電極
Ｅ６０：第１の櫛状電極
Ｅ６０Ａ：根幹部（第２の上方電極）
Ｅ６０Ｂ：歯状部（第２の上方電極）
Ｅ６０Ｃ：板状部（第１の上方電極）
Ｅ７０：第２の櫛状電極
Ｅ７０Ａ：根幹部（第２の下方電極）
Ｅ７０Ｂ：歯状部（第２の下方電極）
Ｅ７５：島状電極（第１の下方電極）
Ｆ１〜Ｆ４：図形
Ｆｘ：作用した力のＸ軸方向成分
Ｆｙ：作用した力のＹ軸方向成分
Ｆｚ：作用した力のＺ軸方向成分
Ｇ１，Ｇ２：グラフ
ｇ１，ｇ２：グラフの値
Ｈ：検出回路
Ｊ１〜Ｊ４：バネ接続点
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ１１〜Ｋ２６：重み係数
ｋ：補正係数
ｋ１：グラフＧ１の傾き
ｋ２：グラフＧ２の傾き
Ｌ：切断線
Ｍｘ：作用したモーメントのＸ軸まわり成分
Ｍｙ：作用したモーメントのＹ軸まわり成分
Ｍｚ：作用したモーメントのＺ軸まわり成分
Ｎ：用いる変位センサの総数
Ｏ：ＸＹＺ三次元座標系の原点
Ｐ：センサの配置点
Ｑ：αβγ三次元座標系の原点
ＱＡ，ＱＢ：電極の中心点
Ｒ１，Ｒ２：開口部
Ｓ：センサ
Ｔ１１〜Ｔ２２：端子
Ｕ：検出ユニット
Ｖ：空洞部
Ｗ１〜Ｗ４：斜め方向軸
Ｘ，Ｙ，Ｚ：ＸＹＺ三次元座標系（グローバル座標系）の各座標軸
α，β，γ：αβγ三次元座標系（ローカル座標系）の各座標軸
ΔＣ１：静電容量値Ｃ１の変動量
ΔＣ２：静電容量値Ｃ２の変動量
ξ１，ξ２：重複区間
φ１〜φ５：寸法値
φ１１〜φ２２：各電極の直径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変位センサおよび力検出装置に関し、特に、力とモーメントとを独立して検出するのに適した力検出装置およびこれに利用するための変位センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットや産業機械の動作制御を行うために、種々のタイプの力検出装置が利用されている。たとえば、ロボットの手や足の運動状態を把握するためには、手首や足首に力検出装置が取り付けられ、手や足に作用している力やモーメントの検出が行われる。このような用途に用いる力検出装置には、小型化およびコストダウンを図るために、できるだけ構造を単純にするとともに、三次元空間内での各座標軸に関する力やモーメントをそれぞれ独立して検出できるようにすることが要求される。
【０００３】
一般に利用されている多軸力検出装置は、三次元構造体に作用した力の特定の方向成分を、特定の部分に生じた変位として検出するタイプのものと、特定の部分に生じた機械的な歪みとして検出するタイプのものに分類される。前者の変位検出タイプの代表格は、静電容量素子式の力検出装置であり、一対の電極により容量素子を構成しておき、作用した力によって一方の電極に生じた変位を、容量素子の静電容量値に基づいて検出するものである。たとえば、下記の特許文献１には、この静電容量式の力検出装置が開示されている。一方、後者の歪み検出タイプの代表格は、歪みゲージ式の力検出装置であり、作用した力によって生じた機械的な歪みを、ゲージ抵抗などの電気抵抗の変化として検出するものである。たとえば、下記の特許文献２には、この歪みゲージ式の力検出装置が開示されている。しかしながら、これらの装置は、かなり複雑な三次元構造体を用いる必要があり、小型化およびコストダウンを図ることが困難である。
【０００４】
このような問題を解決するために、下記の特許文献３，４には、より単純な構造で、力とモーメントとを独立して検出することができる静電容量素子式の力検出装置が提案されている。これらの装置は、上方基板と下方基板との間を、複数の柱状部材によって接続した単純な構造を有しており、下方基板を固定した状態において、上方基板に外力が作用した場合に、各柱状部材の変位状態を静電容量素子の容量値の変化に基づいて検出することにより、外力として作用した力やモーメントを各座標軸に関して独立して検出することができる。すなわち、三次元空間内にＸＹＺ三次元座標系を定義した場合、各座標軸方向の力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、各座標軸まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚとの６つの成分を、それぞれ独立して検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２１５６２７号公報
【特許文献２】特開昭６１−２９２０２９号公報
【特許文献３】特開２００４−３２５３６７号公報
【特許文献４】特開２００４−３５４０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前掲の特許文献３，４に開示されている力検出装置は、上述したとおり、比較的単純な構造により、各座標軸に関する力とモーメントとを独立して検出することが可能な利点を有しているが、各柱状部材の傾斜状態などを検出するために、柱状部材の端部に静電容量素子を配置する必要がある。このため、装置全体が厚くならざるを得ず、薄型化が困難であるという問題がある。現在、実用化されているこれらの力検出装置の場合、厚みは３０〜５０ｍｍ程度であり、商用製品として更に薄型化を図ることは困難である。
【０００７】
これに対して、ロボットの手首や足首などの間接部分に設けられる力検出装置には、更なる薄型化が望まれており、実用上は、１０ｍｍ程度の厚みの製品が好ましいとされている。また、コストダウンを図る上で、構造を更に単純化した製品が望まれている。
【０００８】
そこで本発明は、各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントをそれぞれ独立して検出することができ、しかも構造が単純で、薄型化に適した力検出装置を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような力検出装置への利用に適した変位センサ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】
【０００９】
(1) 本発明の第１の態様は、互いに平行になるように対向して配置された上方基板および下方基板と、上方基板と下方基板とを接続する接続部材と、を有する構造体であって、下方基板を固定した状態において、上方基板に外力を作用させた場合に、上方基板が下方基板に対して変位を生じるように、接続部材の少なくとも一部分が可撓性を有している、そのような構造体について、上記変位を検出する機能をもった変位センサにおいて、
上方基板の下面に形成された第１の上方電極および第２の上方電極と、
下方基板の上面に形成された第１の下方電極および第２の下方電極と、
第１の上方電極と第１の下方電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値Ｃ１と、第２の上方電極と第２の下方電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値Ｃ２と、に基づいて、所定の検出信号を出力する検出回路と、
を設け、
上方基板内の所定位置に原点Ｑを定義し、この原点Ｑを含み、上方基板の基板面に平行な平面上に、原点Ｑを通り互いに直交するα軸およびβ軸を定義し、原点Ｑを通りαβ平面に対して直交するγ軸を定義することにより、αβγ三次元直交座標系を定義したときに、
第１の上方電極および第１の下方電極のαβ平面上への正射影像に関して、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極となる一方の電極の正射影像の領域が包含電極となる他方の電極の正射影像の領域内に包含され、かつ、上方基板が下方基板に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、および、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、上記包含関係が依然として維持されるように、第１の上方電極および第１の下方電極の配置および形状を設定し、
第２の上方電極および第２の下方電極のαβ平面上への正射影像に関して、両正射影像の重複領域の図形形状が、上方基板が下方基板に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに変化し、かつ、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに不変であるように、第２の上方電極および第２の下方電極の配置および形状を設定し、
検出回路が、静電容量値Ｃ１の変動量ΔＣ１を原点Ｑのγ軸方向の変位Ｄγを示す検出信号として出力し、静電容量値Ｃ２の変動量ΔＣ２から変位Ｄγに起因する変動量を除去した値を原点Ｑのα軸方向の変位Ｄαを示す検出信号として出力するようにしたものである。
【００１０】
(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る変位センサにおいて、
上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極のαβ平面上への正射影像が、α軸に関して線対称かつβ軸に関して線対称となるように、被包含電極の配置および形状を設定したものである。
【００１１】
(3) 本発明の第３の態様は、上述した第１の態様に係る変位センサにおいて、
第１の上方電極と第１の下方電極とからなる電極対を複数組設け、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極群のαβ平面上への正射影像からなる平面パターンが、α軸に関して線対称かつβ軸に関して線対称となるように、被包含電極群の配置および形状を設定したものである。
【００１２】
(4) 本発明の第４の態様は、上述した第１の態様に係る変位センサにおいて、
第２の上方電極が内部に開口部を有する形状をなし、第１の上方電極がこの第２の上方電極の開口部内に配置され、第２の下方電極が内部に開口部を有する形状をなし、第１の下方電極がこの第２の下方電極の開口部内に配置されているようにしたものである。
【００１３】
(5) 本発明の第５の態様は、上述した第４の態様に係る変位センサにおいて、
第１の上方電極の外形、第２の上方電極の開口部の形状、第１の下方電極の外形、第２の下方電極の開口部の形状がいずれも円であり、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、これら各円の中心点がγ軸上に位置するようにしたものである。
【００１４】
(6) 本発明の第６の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る変位センサにおいて、
上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、第２の上方電極の外形図形と第２の下方電極の外形図形とについて、
一方の図形を図形Ｆ１、他方の図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１のα軸正方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸正方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ１のα軸負方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸負方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、
一方の図形を図形Ｆ３、他方の図形を図形Ｆ４としたときに、図形Ｆ４のβ軸正方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ４のβ軸負方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸負方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、
図形Ｆ３および図形Ｆ４のαβ平面上への正射影像に関して、図形Ｆ４の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに図形Ｆ３の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなす、
という条件が満たされるようにしたものである。
【００１５】
(7) 本発明の第７の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る変位センサにおいて、
第２の上方電極の外形図形および第２の下方電極の外形図形が、α軸に平行な２辺とβ軸に平行な２辺とをもった矩形をなし、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、これら２つの矩形について、
一方の矩形を矩形Ｆ１、他方の矩形を矩形Ｆ２としたときに、矩形Ｆ１のα軸正方向側の辺が、矩形Ｆ２のα軸正方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、矩形Ｆ１のα軸負方向側の辺が、矩形Ｆ２のα軸負方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、
一方の矩形を矩形Ｆ３、他方の矩形を矩形Ｆ４としたときに、矩形Ｆ４のβ軸正方向側の辺が、矩形Ｆ３のβ軸正方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、矩形Ｆ４のβ軸負方向側の辺が、矩形Ｆ３のβ軸負方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置する、
という条件が満たされるようにしたものである。
【００１６】
(8) 本発明の第８の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る変位センサにおいて、
第２の上方電極および第２の下方電極の平面形状が、それぞれ複数の部分図形の集合体によって構成されており、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、第２の上方電極を構成する部分図形と第２の下方電極を構成する部分図形とについて、
一方の部分図形を図形Ｆ１、他方の部分図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１のα軸正方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸正方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ１のα軸負方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸負方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、
一方の部分図形を図形Ｆ３、他方の部分図形を図形Ｆ４としたときに、図形Ｆ４のβ軸正方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ４のβ軸負方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸負方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、
図形Ｆ３および図形Ｆ４のαβ平面上への正射影像に関して、図形Ｆ４の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに図形Ｆ３の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなす、
という条件が満たされるようにしたものである。
【００１７】
(9) 本発明の第９の態様は、上述した第１〜第５の態様に係る変位センサにおいて、
第２の上方電極および第２の下方電極の平面形状が、α軸方向に伸びた根幹部と、根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、を有する櫛状図形をなし、
上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、第２の上方電極を構成する櫛状図形と第２の下方電極を構成する櫛状図形とについて、
一方の櫛状図形を図形Ｆ１、他方の櫛状図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１の根幹部は図形Ｆ２の根幹部に比べて、所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、図形Ｆ１の各歯状部は根幹部からβ軸正方向側に伸び、図形Ｆ２の各歯状部は根幹部からβ軸負方向側に伸び、図形Ｆ１の各歯状部のα軸方向に関する配列周期と図形Ｆ２の各歯状部のα軸方向に関する配列周期とは位相がずれており、
一方の櫛状図形を図形Ｆ３、他方の櫛状図形を図形Ｆ４として、αβ平面上へ図形Ｆ３および図形Ｆ４の正射影像を形成した場合に、図形Ｆ３の各歯状部の正射影像は、図形Ｆ４の対応する各歯状部の正射影像に部分的に重なり合い、図形Ｆ３の各歯状部の正射影像の先端部は、図形Ｆ４の根幹部の正射影像までは届かず、図形Ｆ４の各歯状部の正射影像の先端部は、図形Ｆ３の根幹部の正射影像を突き抜け、
図形Ｆ４の各歯状部の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに図形Ｆ３の対応する歯状部および根幹部の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなす、
という条件が満たされるようにしたものである。
【００１８】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述した第９の態様に係る変位センサにおいて、
平面形状が、α軸方向に伸びた根幹部と、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、この根幹部の中央からβ軸方向に伸びる板状部と、を有する櫛状図形をなす第１の櫛状電極を上方基板の下面もしくは下方基板の上面に形成し、板状部および必要に応じてその付け根に位置する根幹部の一部分を第１の上方電極もしくは第１の下方電極とし、第１の櫛状電極の各歯状部および根幹部を第２の上方電極もしくは第２の下方電極とし、
平面形状が、α軸方向に伸びた根幹部と、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、を有する櫛状図形をなす第２の櫛状電極と、板状部に対向する位置に配置された島状電極と、を下方基板の上面もしくは上方基板の下面に形成し、島状電極を第１の下方電極もしくは第１の上方基板とし、第２の櫛状電極を第２の下方電極もしくは第２の上方電極とするようにしたものである。
【００１９】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述した第１〜第１０の態様に係る変位センサを複数Ｎ組用いて構成した力検出装置において、
互いに平行になるように対向して配置された上方基板および下方基板と、
上方基板と下方基板とを接続する部材であって、下方基板を固定した状態において、上方基板に外力を作用させた場合に、上方基板が下方基板に対して変位を生じるように、少なくとも一部分が可撓性を有している接続部材と、
上記複数Ｎ組の変位センサと、
この複数Ｎ組の変位センサを利用して、上方基板に作用した外力を検出する検出ユニットと、
を設け、
複数Ｎ組の変位センサは、それぞれ、上方基板の下面に形成された第１の上方電極および第２の上方電極と、下方基板の上面に形成された第１の下方電極および第２の下方電極と、検出回路と、を有し、
上方基板内の所定のＮ箇所に、それぞれローカルなαβγ三次元直交座標系の原点Ｑが定義され、複数Ｎ組の変位センサは、上方基板の各ローカル原点Ｑの位置についてのγ軸方向の変位Ｄγおよびα軸方向の変位Ｄαを検出できるように配置され、
上方基板内の所定位置にグローバル原点Ｏを定義し、このグローバル原点Ｏを含み、上方基板の基板面に平行な平面上に、グローバル原点Ｏを通り互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定義し、グローバル原点Ｏを通りＸＹ平面に対して直交するＺ軸を定義することにより、グローバルなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、検出ユニットが、複数Ｎ組の変位センサの各検出回路から出力される変位についての検出信号に基づいて、上方基板の原点Ｏの位置に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘ、Ｙ軸方向成分Ｆｙ、Ｚ軸方向成分Ｆｚ、および上方基板の原点Ｏの位置に作用したモーメントのＸ軸まわり成分Ｍｘ、Ｙ軸まわり成分Ｍｙ、Ｚ軸まわり成分Ｍｚの６成分のうちの少なくとも１つを検出するようにしたものである。
【００２０】
(12) 本発明の第１２の態様は、上述した第１１の態様に係る力検出装置において、
４組の変位センサを用意し、
第１のセンサのローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２のセンサのローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３のセンサのローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４のセンサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１のセンサのα軸正方向がＹ軸正方向を向き、第２のセンサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、第３のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、第４のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向を向くように、この４組のセンサを配置したものである。
【００２１】
(13) 本発明の第１３の態様は、上述した第１１の態様に係る力検出装置において、
ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離だけ離れた位置にくるように配置された４組の内側センサと、ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離れた位置にくるように配置された４組の外側センサと、を用意し、
第１の内側センサのローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２の内側センサのローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３の内側センサのローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４の内側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１の内側センサのα軸正方向がＹ軸正方向を向き、第２の内側センサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、第３の内側センサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、第４の内側センサのα軸正方向がＸ軸正方向を向くように、この４組の内側センサを配置し、
第１の外側センサのローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２の外側センサのローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３の外側センサのローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４の外側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１の外側センサのα軸正方向が第１の内側センサのα軸負方向を向き、第２の外側センサのα軸正方向が第２の内側センサのα軸負方向を向き、第３の外側センサのα軸正方向が第３の内側センサのα軸負方向を向き、第４の外側センサのα軸正方向が第４の内側センサのα軸負方向を向くように、この４組の外側センサを配置したものである。
【００２２】
(14) 本発明の第１４の態様は、上述した第１１の態様に係る力検出装置において、
４組の変位センサを用意し、
第１のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第３象限に位置し、第４のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第４象限に位置し、
第１のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、第２のセンサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、第３のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向を向き、第４のセンサのα軸正方向がＹ軸正方向を向くように、この４組のセンサを配置したものである。
【００２３】
(15) 本発明の第１５の態様は、上述した第１１の態様に係る力検出装置において、
３組の変位センサを用意し、
第１のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３のセンサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第２のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第３のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、この３組のセンサを配置したものである。
【００２４】
(16) 本発明の第１６の態様は、上述した第１１の態様に係る力検出装置において、
ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離だけ離れた位置にくるように配置された３組の内側センサと、ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離れた位置にくるように配置された３組の外側センサと、を用意し、
第１の外側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の外側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の外側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１の外側センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第２の外側センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第３の外側センサのα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、この３組の外側センサを配置し、
第１の内側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の内側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の内側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１の内側センサのα軸正方向が第１の外側センサのα軸負方向を向き、第２の内側センサのα軸正方向が第２の外側センサのα軸負方向を向き、第３の内側センサのα軸正方向が第３の外側センサのα軸負方向を向くように、この３組の内側センサを配置したものである。
【００２５】
(17) 本発明の第１７の態様は、上述した第１１の態様に係る力検出装置において、
３組の主センサと、３組の副センサと、を用意し、
第１の主センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の主センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の主センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
第１の主センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第２の主センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第３の主センサのα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、この３組の主センサを配置し、
第１の副センサのローカル原点Ｑが第１の主センサのローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第２の副センサのローカル原点Ｑが第２の主センサのローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第３の副センサのローカル原点Ｑが第３の主センサのローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、
第１の副センサのα軸正方向が第１の主センサのα軸負方向を向き、第２の副センサのα軸正方向が第２の主センサのα軸負方向を向き、第３の副センサのα軸正方向が第３の主センサのα軸負方向を向くように、この３組の副センサを配置したものである。
【００２６】
(18) 本発明の第１８の態様は、上述した第１〜第１７の態様に係る変位センサもしくは力検出装置において、
接続部材を、複数のばね、もしくは弾性変形を生じる複数の柱状部材によって構成したものである。
【００２７】
(19) 本発明の第１９の態様は、上述した第１〜第１７の態様に係る変位センサもしくは力検出装置において、
接続部材を、上方基板の周囲に設けられた上方接続用縁部と、下方基板の周囲に設けられた下方接続用縁部と、上方接続用縁部と下方接続用縁部とを接続する複数の柱状部材と、によって構成し、
上方接続用縁部のうち柱状部材の上端が接続された接続部分の近傍と、下方接続用縁部のうち柱状部材の下端が接続された接続部分の近傍とを、ダイアフラムもしくはビーム構造体によって構成したものである。
【００２８】
(20) 本発明の第２０の態様は、上述した第１〜第１７の態様に係る変位センサもしくは力検出装置において、
接続部材を、上方電極と下方電極との間に配置されたゴム層によって構成したものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る変位センサは、上方基板および下方基板に、形状および配置が所定の幾何学的条件を満足する４種類の電極（第１および第２の上方電極ならびに第１および第２の下方電極）を設けることにより構成される。ここで、これらの電極によって構成される２つの容量素子の静電容量値の変動量に基づいて、上方基板の原点Ｑの位置におけるα軸方向の変位Ｄαおよびγ軸方向の変位Ｄγを独立して検出することができる。このような機能をもった変位センサは、構造が単純で、薄型化に適した力検出装置を実現するために有用である。
【００３０】
一方、本発明に係る力検出装置は、上方基板および下方基板、ならびにこれらを接続する接続部材を備えた物理的構造体の複数Ｎ箇所に、上記変位センサをそれぞれ特定の向きに配置することによって構成される。このため、複数Ｎ個の変位センサのそれぞれから、各配置場所に定義されたローカルなαβγ三次元直交座標系におけるα軸方向の変位Ｄαおよびγ軸方向の変位Ｄγの検出値が得られることになり、これらの検出値に基づいて、グローバルなＸＹＺ三次元直交座標系上で上方基板に作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントをそれぞれ独立して検出することができる。しかも、上記変位センサを利用したため、構造が単純で、薄型化に適した力検出装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る変位センサおよびその適用対象となる構造体の物理的構造部を示す斜視図ならびに検出処理部を示すブロック図である。
【図２】図１に示す構造体の上方基板１０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３】図１に示す構造体の下方基板２０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４】図１に示す構造体および電極の上面図である（上方基板１０については透視した状態を示し、バネは図示省略）。
【図５】図１に示す構造体および電極をαγ平面で切断した縦断面図である（バネは図示省略）。
【図６】図１に示す構造体および電極をβγ平面で切断した縦断面図である（バネは図示省略）。
【図７】図５の縦断面図に示されている各構成部分における第１の容量素子Ｃ１の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図である。
【図８】図６の縦断面図に示されている各構成部分における第１の容量素子Ｃ１の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図である。
【図９】図５の縦断面図に示されている各構成部分における第２の容量素子Ｃ２の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図である。
【図１０】図６の縦断面図に示されている各構成部分における第２の容量素子Ｃ２の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図である。
【図１１】図１に示す変位センサにおける各容量素子Ｃ１，Ｃ２と検出回路Ｈとの接続を示す回路図および変位と静電容量値の変動との関係を示すテーブルである。
【図１２】図１に示す各基板および第１の容量素子Ｃ１を形成する上下電極のαβ平面上への正射影投影図である（ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図１３】図１に示す各基板および第２の容量素子Ｃ２を形成する上下電極のαβ平面上への正射影投影図である（ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない）。
【図１４】図１に示す変位センサにおける検出回路Ｈで行われる演算処理を示すテーブルである。
【図１５】図１４のテーブルに示されている補正係数ｋの設定原理を示すグラフである。
【図１６】図１に示す変位センサにおける検出回路Ｈで行われる演算処理によって変位Ｄγ，Ｄαが得られる原理を示す図である。
【図１７】本発明に係る力検出装置の物理的構造部を示す斜視図（各電極は図示省略）および電気的処理部を示すブロック図である。
【図１８】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、上方基板１００内に定義された４つの配置点の位置および４組のローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す上面図である。
【図１９】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の上方基板１００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２０】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の下方基板２００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２１】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図である（バネは図示省略）。
【図２２】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変位状態を示す正面図である（バネは図示省略）。
【図２３】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの電極の変位状態を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図２４】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの電極の変位状態を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図２５】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変位状態を示す正面図である（バネは図示省略）。
【図２６】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの電極の変位状態を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図２７】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの変位状態を示す正面図である（バネは図示省略）。
【図２８】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＹ軸正まわりのモーメント＋Ｍｙが作用したときの電極の変位状態を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図２９】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＸ軸正まわりのモーメント＋Ｍｘが作用したときの電極の変位状態を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図３０】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００にＺ軸正まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの電極の変位状態を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図３１】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの４組の変位センサの各検出値の変動を示すテーブルである。
【図３２】図３１に示すテーブルに基づいて、作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図３３】本発明に係る力検出装置の第２の実施形態の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図である（バネは図示省略）。
【図３４】図３３に示す８組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。
【図３５】図３３に示す力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの８組のセンサの各検出値の変動を示すテーブルである。
【図３６】図３５に示すテーブルに基づいて、作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図３７】本発明に係る力検出装置の第３の実施形態の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図である（バネは図示省略）。
【図３８】図３７に示す４組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。
【図３９】図３７に示す力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの４組のセンサの各検出値の変動を示すテーブルである。
【図４０】図３９に示すテーブルに基づいて、作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図４１】本発明に係る力検出装置の第４の実施形態の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図である（バネは図示省略）。
【図４２】図４１に示す３組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。
【図４３】図４１に示す力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの３組のセンサの各検出値の変動を示すテーブルである。
【図４４】図４３に示すテーブルに基づいて、作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図４５】図４１に示す力検出装置の３組のセンサの位置をずらした場合に用いられる演算式を示す図である。
【図４６】本発明に係る力検出装置の第５の実施形態に用いられる６組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。
【図４７】図４６に示す力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの６組のセンサの各検出値の変動を示すテーブルである。
【図４８】図４７に示すテーブルに基づいて、作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図４９】本発明に係る力検出装置の第６の実施形態に用いられる６組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。
【図５０】図４９に示す力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの６組のセンサの各検出値の変動を示すテーブルである。
【図５１】図５０に示すテーブルに基づいて、作用した各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを求める演算式を示す図である。
【図５２】図１に示す構造体および電極のαβ平面上への正射影投影図である（ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。バネは図示省略）。
【図５３】本発明に係る変位センサの第１の変形例の物理的構造部の上面図である（上方基板４０については透視した状態を示し、バネは図示省略）。
【図５４】図５３に示す変位センサの物理的構造部のαβ平面上への正射影投影図である（ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。バネは図示省略）。
【図５５】本発明に係る変位センサの第２の変形例の物理的構造部の上面図である（上方基板６０については透視した状態を示し、バネは図示省略）。
【図５６】図５５に示す変位センサの物理的構造部のαβ平面上への正射影投影図である（ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。バネは図示省略）。
【図５７】本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図である（バネについては、取付位置のみ表示）。
【図５８】本発明に係る力検出装置の第１の変形例を示す縦断面図であり、図５７に示す物理的構造部を切断線Ｌに沿って切断した縦断面図に対応する（電極の詳細構造は省略）。
【図５９】本発明に係る力検出装置の第２の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。
【図６０】図５９に示す変形例の接続部材を変更した例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。
【図６１】本発明に係る力検出装置の第３の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。
【図６２】図６１に示す変形例の主要部分のＸＹ平面上への正射影投影図である。
【図６３】図６１に示す変形例の主要部分の寸法図である（電極の詳細構造は省略）。
【図６４】本発明に係る力検出装置の第４の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。
【図６５】本発明に係る力検出装置の第５の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。
【図６６】本発明に係る力検出装置の第６の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
【００３３】
＜＜＜ §１．変位センサの物理的構造 ＞＞＞
まず、本発明に係る変位センサの物理的構造を説明する。図１は、本発明に係る変位センサおよびその適用対象となる構造体の物理的構造部を示す斜視図（上段）ならびに検出処理部（下段の検出回路Ｈ）を示すブロック図である。
【００３４】
図１上段の斜視図には、上方基板１０、下方基板２０、バネ３１〜３４によって構成された構造体（本発明に係る変位センサの適用対象となる構造体）が示されている。上方基板１０および下方基板２０は、互いに平行になるように対向して配置された一対の基板であり、バネ３１〜３４は、上方基板１０と下方基板２０とを接続する接続部材としての機能を果たす。ここで、接続部材は、下方基板２０を固定した状態において、上方基板１０に外力を作用させた場合に、上方基板１０が下方基板２０に対して変位を生じるように、少なくとも一部分が可撓性を有している必要がある。バネ３１〜３４は、このような性質をもった接続部材の典型例であるが、接続部材は必ずしもバネに限定されるものではない。接続部材のバリエーションについては、§７で述べることにする。
【００３５】
ここでは、図示のように、この構造体について、上方基板１０内の任意の位置に原点Ｑを定義し、この原点Ｑを含み、上方基板１０の基板面（上面および下面）に平行な平面上に、原点Ｑを通り互いに直交するα軸およびβ軸を定義し、更に、原点Ｑを通りαβ平面に対して直交するγ軸を定義することにより、αβγ三次元直交座標系を定義する。図示の例の場合、図の右方向がα軸の正方向、図の奥方向がβ軸の正方向、図の上方向がγ軸の正方向となるように、αβγ三次元直交座標系を定義している。
【００３６】
なお、ここで、各座標軸の表記を、一般的なＸ，Ｙ，Ｚとせずに、α，β，γとしたのは、後述するように、αβγ三次元直交座標系がローカル原点Ｑについて定義されたローカル座標系であるため、§３以降で言及するグローバルなＸＹＺ三次元直交座標系と区別するための便宜である。
【００３７】
さて、このような構造体では、下方基板２０を固定した状態において、上方基板１０に対して外力を作用させると、上方基板１０は下方基板２０に対して変位を生じることになる。ここでは、特に、上方基板１０内の原点Ｑの位置についての変位を考える。上方基板１０の変位方向は任意であるが、当該変位は、図に白矢印で示すとおり、αβγ三次元直交座標系におけるα軸方向の変位Ｄα，β軸方向の変位Ｄβ，γ軸方向の変位Ｄγの３成分に分解することができる。
【００３８】
本発明に係る変位センサは、この３成分のうち、変位Ｄαと変位Ｄγの２成分を検出する機能を有している。変位Ｄαは、基板面に平行な特定方向についての変位であり、変位Ｄγは、基板面に垂直な方向についての変位である。上方基板１０内の任意の点Ｑの位置について、このような２成分の変位検出を行うことができる変位センサを複数用いれば、§３以降で詳述するとおり、力とモーメントを独立して検出可能な力検出装置を実現することができる。
【００３９】
本発明に係る変位センサの構成要素は、上方基板１０の下面に形成された第１の上方電極Ｅ１１および第２の上方電極Ｅ１２と、下方基板２０の上面に形成された第１の下方電極Ｅ２１および第２の下方電極Ｅ２２と、検出回路Ｈである。第１の上方電極Ｅ１１と第１の下方電極Ｅ２１とは対向しており、両者によって第１の容量素子Ｃ１が形成され、第２の上方電極Ｅ１２と第２の下方電極Ｅ２２とは対向しており、両者によって第２の容量素子Ｃ２が形成される。検出回路Ｈは、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値と、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値と、に基づいて、所定の検出信号を出力する機能を果たすが、その詳細な処理動作については、§２で述べることにする。
【００４０】
結局、上方基板１０，下方基板２０，バネ３１〜３４によって構成される構造体について、上方基板１０に生じた変位を検出するための変位センサが設けられていることになり、当該変位センサは、４枚の電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２と検出回路Ｈという単純な要素から構成されていることになる。ここで、４枚の電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２の幾何学的な形状および配置は非常に重要である。
【００４１】
図２は、図１に示す上方基板１０の下面図であり、図３は、図１に示す下方基板２０の上面図である。図２が下面図であるのに対して、図３が上面図であるため、両平面図では、β軸の向きが逆になっている。なお、これら両平面図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。
【００４２】
図２，図３に示されているとおり、第１の上方電極Ｅ１１および第１の下方電極Ｅ２１は、いずれもγ軸（α軸とβ軸との交点において、紙面に直交する方向に伸びる）を中心とした円形の電極であるが、電極Ｅ１１の直径の方が電極Ｅ２１の直径よりも大きくなるように設定されている。一方、第２の上方電極Ｅ１２および第２の下方電極Ｅ２２は、いずれも矩形の電極であり、いずれも内部に円形の開口部を有している。しかも、円形の電極Ｅ１１は、矩形の電極Ｅ１２に形成された円形の開口部Ｒ１内に配置され、円形の電極Ｅ２１は、矩形の電極Ｅ２２に形成された円形の開口部Ｒ２内に配置されている。
【００４３】
ここで、電極Ｅ１１，Ｅ１２の間や、電極Ｅ２１，Ｅ２２の間には、空隙が設けられており、各電極は互いに接触せず、独立した状態となっている。また、上方基板１０および下方基板２０の少なくとも電極形成面は絶縁材料で構成されており、４枚の電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２は相互に電気的な絶縁状態におかれている。前述したとおり、電極Ｅ１１，Ｅ２１は上下に対向する電極対を構成し、第１の容量素子Ｃ１として機能し、電極Ｅ１２，Ｅ２２も上下に対向する電極対を構成し、第２の容量素子Ｃ２として機能する。
【００４４】
図４は、図１に示す構造体および電極の上面図であるが、便宜上、上方基板１０については透視した状態を示す。したがって、図において、上方電極Ｅ１１，Ｅ１２は、実線で描かれており、下方電極Ｅ２１，Ｅ２２は、上方電極によって隠れた部分が破線で描かれている。なお、バネ３１〜３４は図示を省略している。
【００４５】
一方、図５は、図１に示す構造体および電極をαγ平面で切断した縦断面図であり、図６は、図１に示す構造体および電極をβγ平面で切断した縦断面図である。いずれも、バネ３１〜３４は図示を省略している。なお、図１の斜視図に描かれた構造体と、図２〜図６の平面図もしくは断面図に描かれた構造体とでは、各部の寸法に厳密な整合性はない。これは、説明の便宜上、図１の斜視図が、各部の寸法を無視して、全体をデフォルメして描いた図になっているためである。具体的な実施形態における各部の好ましい寸法値は、後に§７で例示する。
【００４６】
図５および図６を見れば、電極Ｅ１１，Ｅ２１が上下で対向して第１の容量素子Ｃ１を形成し、電極Ｅ１２，Ｅ２２が上下で対向して第２の容量素子Ｃ２を形成している様子が理解できよう。ただ、電極Ｅ１１，Ｅ２１は相互に形状や大きさが異なる電極であるから、第１の容量素子Ｃ１の形成に寄与するのは、両電極のうちの平面的に重なり合う一部の領域だけである。同様に、電極Ｅ１２，Ｅ２２も相互に形状や大きさが異なる電極であるから、第２の容量素子Ｃ２の形成に寄与するのは、両電極のうちの平面的に重なり合う一部の領域だけである。
【００４７】
図７は、図５の縦断面図に示されている各構成部分における第１の容量素子Ｃ１の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図であり、図８は、図６の縦断面図に示されている各構成部分における第１の容量素子Ｃ１の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図である。図４の平面図において、円形の電極Ｅ２１は円形の電極Ｅ１１の領域内に包含されているため、結局、上下で対向する領域は、円形の電極Ｅ２１の全領域に相当する部分ということになる。
【００４８】
すなわち、図７および図８に示すとおり、電極Ｅ１１の直径をφ１１とし、電極Ｅ２１の直径をφ２１とすれば、φ１１＞φ２１であるから、第１の容量素子Ｃ１は、実質的に、直径φ２１をもった一対の円盤状電極によって形成された容量素子ということになる。図示のとおり、電極Ｅ１１，Ｅ２１には、端子Ｔ１１，Ｔ２１への配線が施され、検出回路Ｈによって両端子Ｔ１１，Ｔ２１間の静電容量値が測定されることになる。こうして測定された静電容量値は、結局、電極Ｅ１１，Ｅ２１のうち、図のハッチング部分についての静電容量値ということになる。
【００４９】
同様に、図９は、図５の縦断面図に示されている各構成部分における第２の容量素子Ｃ２の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図であり、図１０は、図６の縦断面図に示されている各構成部分における第２の容量素子Ｃ２の形成に寄与する部分（ハッチング部分）を示す図である。図４の平面図に示すとおり、矩形の電極Ｅ１２，Ｅ２２は、それぞれ円形の開口部Ｒ１，Ｒ２を有しており、しかも大きさや形状が異なり、配置もずれているため、平面的に重なり合う部分のみが、第２の容量素子Ｃ２の形成に寄与する領域ということになる。
【００５０】
図９において、電極Ｅ１２，Ｅ２２は、α軸方向に関して重複区間ξ１において平面的に重なり合っているが、開口部が除外されるため、結局、図のハッチング部分のみが容量素子の形成に寄与することになる。同様に、図１０において、電極Ｅ１２，Ｅ２２は、β軸方向に関して重複区間ξ２において平面的に重なり合っているが、開口部が除外されるため、結局、図のハッチング部分のみが容量素子の形成に寄与することになる。図示のとおり、電極Ｅ１２，Ｅ２２には、端子Ｔ１２，Ｔ２２への配線が施され、検出回路Ｈによって両端子Ｔ１２，Ｔ２２間の静電容量値が測定されることになるが、こうして測定された静電容量値は、結局、電極Ｅ１２，Ｅ２２のうち、図のハッチング部分についての静電容量値ということになる。
【００５１】
＜＜＜ §２．変位センサの検出処理 ＞＞＞
続いて、ここでは、§１で述べた変位センサによる変位検出処理を説明する。図１１は、図１に示す変位センサにおける各容量素子Ｃ１，Ｃ２と検出回路Ｈとの接続を示す回路図（図の左側）および変位と静電容量値の変動との関係を示すテーブル（図の右側）である。
【００５２】
既に述べたとおり、第１の容量素子Ｃ１は、第１の上方電極Ｅ１１と第１の下方電極Ｅ２１との有効領域（平面的に重なりを生じている領域）によって構成される容量素子であり、第２の容量素子Ｃ２は、第２の上方電極Ｅ１２と第２の下方電極Ｅ２２との有効領域（平面的に重なりを生じている領域）によって構成される容量素子である。
【００５３】
各電極Ｅ１１〜Ｅ２２への配線がなされている端子Ｔ１１〜Ｔ２２は、図示のとおり、検出回路Ｈへ接続される。検出回路Ｈは、両端子Ｔ１１，Ｔ２１間の静電容量値を第１の容量素子Ｃ１の静電容量値として検出し、両端子Ｔ１２，Ｔ２２間の静電容量値を第２の容量素子Ｃ２の静電容量値として検出する機能を有している。ここでは、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値を同じ符号「Ｃ１」を用いて表し、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値を同じ符号「Ｃ２」を用いて表すことにする。なお、静電容量値Ｃ１，Ｃ２を電気的に検出する電子回路は、一般に広く利用されている公知の回路であるため、ここでは、その具体的な回路構成についての説明は省略する。
【００５４】
図１１の右側に示すテーブルは、図１に示す構造体において、下方基板２０を固定した状態で上方基板１０の原点Ｑの位置に各座標軸方向の変位＋Ｄα，＋Ｄβ，＋Ｄγが生じたとき、検出回路Ｈによって検出される静電容量値Ｃ１，Ｃ２がどのように変動するかを示している。すなわち、変動欄の「０」は、静電容量値に何ら変動が生じないことを示しており、変動欄の「−ΔＣ１」や「−ΔＣ２」は、静電容量値に変動が生じることを示している。
【００５５】
なお、この図１１の右側に示すテーブルでは（後述する図１４，図１６に示すテーブルも同様）、各座標軸に沿った変位方向が座標軸の正方向なのか負方向なのかを明確にするため、変位量を示す変数Ｄα，Ｄβ，Ｄγは絶対値のみを示し、その頭に「＋」や「−」の符号を付して変位方向を示すことにする。たとえば、テーブルの変位欄に記載されている変位＋Ｄα，＋Ｄβ，＋Ｄγは、いずれも各座標軸の正方向への変位を示している。同様に、静電容量値に生じた変動が、容量値が増加する変動なのか減少する変動なのかを明確にするため、変動量を示す変数ΔＣ１，ΔＣ２は絶対値のみを示し、その頭に「＋」や「−」の符号を付して増加／減少の別を示すことにする。たとえば、テーブルの変動欄に記載されている「−ΔＣ１」や「−ΔＣ２」は、静電容量値が減少することを示している。以下、この図１１の右側のテーブルに示すような結果が得られる理由を個別に説明しよう。
【００５６】
まず、静電容量値Ｃ１の変動について考えてみる。図１２は、図１に示す各基板１０，２０および第１の容量素子Ｃ１を形成する上下電極Ｅ１１，Ｅ２１のαβ平面上への正射影投影図である。ここで、ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。§１で述べたとおり、電極Ｅ１１，Ｅ２１は、γ軸を中心とした同心円状の電極であり、電極Ｅ１１の直径φ１１は、電極Ｅ２１の直径φ２１よりも大きい。したがって、上方基板１０が下方基板２０に対して変位を生じていない状態では、図示のとおり、被包含電極となる電極Ｅ２１の正射影像の領域が、包含電極となる電極Ｅ１１の正射影像の領域内に包含された状態となっている。
【００５７】
次に、上方基板１０が下方基板２０に対して、各座標軸方向に変位を生じた場合を考えよう。たとえば、上方基板１０がα軸正方向への変位＋Ｄαを生じると、第１の上方電極Ｅ１１が、α軸正方向（図１２の右方向）へ移動することになる。この場合、変位量が、所定の許容範囲内であれば、上記包含関係は依然として維持されることになる。すなわち、図１２において、電極Ｅ１１が若干右へ動いたとしても、電極Ｅ２１を包含する状態は維持される。この許容範囲は、図示の例の場合、（φ１１−φ２１）／２ということになる。
【００５８】
上方基板１０がα軸負方向への変位−Ｄαを生じた場合も同様であり、変位量が所定の許容範囲内であれば、上記包含関係は依然として維持される。このような包含関係が維持されている限り、第１の容量素子Ｃ１を形成する電極の有効領域面積は一定である。すなわち、電極Ｅ１１，Ｅ２１の平面的に重なりを生じている領域（図１２にハッチングを施した領域）の面積に変化はない。これは、上方基板１０が下方基板２０に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、静電容量値Ｃ１に変動が生じないことを意味する。図１２を参照すれば、上方基板１０が下方基板２０に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときも、静電容量値Ｃ１に変動が生じないことは、容易に理解できよう。
【００５９】
これに対して、上方基板１０が下方基板２０に対してγ軸の正または負方向に変位を生じた場合は、その変位量にかかわらず、静電容量値Ｃ１に変動が生じることになる。すなわち、図７，図８に示すとおり、上方基板１０のγ軸方向の変位は、両電極Ｅ１１，Ｅ２１の電極間距離を変化させることになるので、変位＋Ｄγ（図の上方向への変位）が生じた場合には、電極間距離が広がり静電容量値Ｃ１は減少し、変位−Ｄγ（図の下方向への変位）が生じた場合には、電極間距離が狭まり静電容量値Ｃ１は増加する。ここで、静電容量値Ｃ１の変動量は、変位量に比例する。
【００６０】
図１１に示す「Ｃ１の変動テーブル」に示されている結果は、このような原理に基づくものである。すなわち、α軸もしくはβ軸方向について、変位＋Ｄα，＋Ｄβが生じても、変位量が所定の許容範囲内であれば、変動欄に「０」と記載されているとおり、静電容量値Ｃ１は変動しない（逆方向の変位−Ｄα，−Ｄβが生じた場合も同じ結果である）。一方、γ軸について、変位＋Ｄγが生じた場合は、変動欄に「−ΔＣ１（γ）」と記載されているとおり、静電容量値Ｃ１は減少する。ここで、「ΔＣ１（γ）」は、前述したように、変位＋Ｄγが生じたときの静電容量値Ｃ１の変動量の絶対値を示しており、先頭のマイナス符号は「静電容量値の減少」を示している。なお、逆方向の変位−Ｄγが生じた場合は、「＋ΔＣ１（γ）」になり、静電容量値は増加する。
【００６１】
続いて、静電容量値Ｃ２の変動について考えてみる。図１３は、図１に示す各基板１０，２０および第２の容量素子Ｃ２を形成する上下電極Ｅ１２，Ｅ２２のαβ平面上への正射影投影図である。ここで、ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。図示のとおり、電極Ｅ１２，Ｅ２２は、α軸方向に関して重複区間ξ１の部分において、β軸方向に関して重複区間ξ２の部分において、互いに平面的に重なり合っているが、円形の開口部Ｒ１が除外されるため、結局、図のハッチング部分のみが容量素子の形成に寄与することになる。
【００６２】
ここで、電極Ｅ１２，Ｅ２２は、いずれも外形が矩形の図形であり、α軸方向に関しては、電極Ｅ１２のα軸正方向側の辺が、電極Ｅ２２のα軸正方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、電極Ｅ１２のα軸負方向側の辺が、電極Ｅ２２のα軸負方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置している。要するに、電極Ｅ１２，Ｅ２２は、α軸に関してオフセットを生じるようにずれて配置されている。
【００６３】
また、β軸方向に関しては、電極Ｅ２２のβ軸正方向側の辺が、電極Ｅ１２のβ軸正方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、電極Ｅ２２のβ軸負方向側の辺が、電極Ｅ１２のβ軸負方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置している。要するに、電極Ｅ２２のβ軸方向の幅が、電極Ｅ１２のβ軸方向の幅よりも大きくなるような寸法設定がなされており、しかも、β軸方向に関しては、電極Ｅ１２が電極Ｅ２２に包含されるような配置がなされている。
【００６４】
次に、上方基板１０が下方基板２０に対して、各座標軸方向に変位を生じた場合を考えよう。たとえば、上方基板１０がα軸正方向への変位＋Ｄαを生じると、第２の上方電極Ｅ１２が、α軸正方向（図１３の右方向）へ移動することになる。そうすると、α軸方向の重複区間ξ１の長さが減少し、第２の容量素子Ｃ２を形成する電極の有効領域面積、すなわち、電極Ｅ１２，Ｅ２２の平面的に重なりを生じている領域（図１３にハッチングを施した領域）の面積は減少する。これは、上方基板１０が下方基板２０に対してα軸の正方向に変位を生じたとき、静電容量値Ｃ２の値が減少することを意味する。
【００６５】
逆に、上方基板１０が下方基板２０に対してα軸の負方向への変位−Ｄαを生じたときは、第２の容量素子Ｃ２を形成する電極の有効領域面積は増加するので、静電容量値Ｃ２の値は増加する。結局、α軸の正もしくは負方向への変位が生じると、静電容量値Ｃ２の値が増減することになる。これは、電極Ｅ１２，Ｅ２２が、α軸に関してオフセットを生じるようにずれて配置されているためである。なお、このようなα軸の正もしくは負方向への変位量が、所定の許容範囲内（図４において、電極Ｅ１２の円形開口部Ｒ１の輪郭が、電極Ｅ２２の円形開口部Ｒ２の輪郭に接するまでの範囲内）であれば、変位量と有効領域面積の変動量とは比例し、静電容量値Ｃ２の変動量は変位量に比例したものになる。したがって、変位量が当該許容範囲内である限り、静電容量値Ｃ２の変動量は、変位量に比例する。
【００６６】
一方、上方基板１０がβ軸正方向への変位＋Ｄβを生じると、第２の上方電極Ｅ１２が、β軸正方向（図１３の上方向）へ移動することになり、上方基板１０がβ軸負方向への変位−Ｄβを生じると、第２の上方電極Ｅ１２が、β軸負方向（図１３の下方向）へ移動することになる。ただ、この場合の変位量が、所定の許容範囲内であれば、具体的には、電極Ｅ１２のβ軸正方向側の辺が、電極Ｅ２２のβ軸正方向側の辺を越えず、電極Ｅ１２のβ軸負方向側の辺が、電極Ｅ２２のβ軸負方向側の辺を越えない範囲内であり、かつ、電極Ｅ１２の円形開口部Ｒ１の輪郭が、電極Ｅ２２の円形開口部Ｒ２の輪郭に接するまでの範囲内であれば、β軸方向に関して、電極Ｅ１２が電極Ｅ２２に包含されるという関係が維持されることになり、図１３にハッチングを施して示した第２の容量素子Ｃ２を形成する電極の有効領域面積は一定になる。これは、上方基板１０が下方基板２０に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、静電容量値Ｃ２に変動が生じないことを意味する。
【００６７】
これに対して、上方基板１０が下方基板２０に対してγ軸の正または負方向に変位を生じた場合は、その変位量にかかわらず、静電容量値Ｃ２に変動が生じることになる。すなわち、図９，図１０に示すとおり、上方基板１０のγ軸方向の変位は、両電極Ｅ１２，Ｅ２２の電極間距離を変化させることになるので、変位＋Ｄγ（図の上方向への変位）が生じた場合には、電極間距離が広がり静電容量値Ｃ２は減少し、変位−Ｄγ（図の下方向への変位）が生じた場合には、電極間距離が狭まり静電容量値Ｃ２は増加する。ここで、静電容量値Ｃ２の変動量は、変位量に比例する。
【００６８】
図１１に示す「Ｃ２の変動テーブル」に示されている結果は、このような原理に基づくものである。すなわち、β軸方向について、変位＋Ｄβが生じても、変位量が所定の許容範囲内であれば、変動欄に「０」と記載されているとおり、静電容量値Ｃ２は変動しない（逆方向の変位−Ｄβが生じた場合も同じ結果である）。
【００６９】
一方、α軸について、変位＋Ｄαが生じた場合は、変動欄に「−ΔＣ２（α）」と記載されているとおり、静電容量値Ｃ２は減少する。ここで、「ΔＣ２（α）」は、前述したように、変位＋Ｄαが生じたときの静電容量値Ｃ２の変動量の絶対値を示しており、先頭のマイナス符号は「静電容量値の減少」を示している。なお、逆方向の変位−Ｄαが生じた場合は、「＋ΔＣ２（α）」になり、静電容量値は増加する。同様に、γ軸について、変位＋Ｄγが生じた場合は、変動欄に「−ΔＣ２（γ）」と記載されているとおり、静電容量値Ｃ２は減少する。ここで、「ΔＣ２（γ）」は、前述したように、変位＋Ｄγが生じたときの静電容量値Ｃ２の変動量の絶対値を示しており、先頭のマイナス符号は「静電容量値の減少」を示している。なお、逆方向の変位−Ｄγが生じた場合は、「＋ΔＣ２（γ）」になり、静電容量値は増加する。
【００７０】
さて、図１１に示す変動テーブルから導出される第１の事項は、「静電容量値Ｃ１は、γ軸方向の変位が生じた場合にのみ変動を生じる」という点であり、「静電容量値Ｃ１の変動は、γ軸方向の変位にのみ起因する」という点である。これは、「静電容量値Ｃ１の変動量は、γ軸方向の変位量を示す」ことに他ならない。そして、第２の事項は、「静電容量値Ｃ２は、α軸方向の変位が生じた場合もしくはγ軸方向の変位が生じた場合に変動を生じる」という点であり、「静電容量値Ｃ２の変動は、α軸方向の変位およびγ軸方法の変位の双方に起因する」という点である。別言すれば、静電容量値Ｃ２の変動分は、α軸方向の変位に起因する変動分とγ軸方向の変位に起因する変動分とを合成したものになる。そこで、この静電容量値Ｃ２の変動分から、γ軸方向の変位に起因する変動分を除去すれば、α軸方向の変位に起因する変動分のみを得ることができる。検出回路Ｈは、このような考え方に基づいて、γ軸方向の変位とα軸方向の変位とを、静電容量値Ｃ１，Ｃ２の変動量から求める処理を行う。
【００７１】
具体的には、図１４の上段に示すように、２つの検出値Ｃａ，Ｃｂを定義する。ここで、検出値Ｃａは、「Ｃａ＝−Ｃ１」なる式で定義される値であり、後述するように、γ軸方向の変位Ｄγを示す検出値になる。一方、検出値Ｃｂは、「Ｃｂ＝−Ｃ２＋ｋ・Ｃ１」なる式で定義される値であり、後述するように、α軸方向の変位Ｄαを示す検出値になる。このような２つの検出値Ｃａ，Ｃｂを定義すると、図１４の下段に示すようなテーブルが得られる。このテーブルは、変位＋Ｄα，＋Ｄβ，＋Ｄγが生じた場合の、検出値Ｃａ，Ｃｂの変動を示すものであり、図１１に示すＣ１，Ｃ２の変動テーブルと、上述した検出値Ｃａ，Ｃｂの定義式とに基づいて導出されるテーブルである。
【００７２】
すなわち、検出値Ｃａは、静電容量値Ｃ１の値の符号を逆転させたものであるから、図１４に示すＣａの変動欄は、図１１に示すＣ１の変動欄の符号を逆転することにより得られる。検出値Ｃａを、「Ｃａ＝−Ｃ１」なる式で定義するのは、図１に示すような方向にα軸，β軸，γ軸を定義すると、図１１の「Ｃ１の変動テーブル」に示されているように、正方向の変位＋Ｄγに対して、−ΔＣ１（γ）なる負の変動量をとる静電容量値Ｃ１の減少が生じ、γ軸方向に関する変位量と静電容量値Ｃ１の変動量との間に符号の逆転現象が生じるためである。検出値Ｃａを、静電容量値Ｃ１の値の符号を逆転させたものとして定義することにより、検出値Ｃａの変動量とγ軸方向に関する変位量との符号を一致させることができ、検出値Ｃａをγ軸方向に関する変位Ｄγを示す値として用いることができるようになる。もちろん、図１において図の下方をγ軸の正方向と定義すれば、Ｃａ＝Ｃ１なる定義を行うことができる。
【００７３】
一方、検出値Ｃｂは、「Ｃｂ＝−Ｃ２＋ｋ・Ｃ１」なる式で定義される値であるから、図１４に示すＣｂの変動欄は、図１１に示すＣ１，Ｃ２の変動欄の内容に、上記式による演算を施すことにより得られる。すなわち、変位＋Ｄαが生じた場合には、Ｃ１の変動は０であるから、「Ｃｂ＝−Ｃ２」なる式により、Ｃｂの変動欄は「＋ΔＣ２（α）」となる。これにより、α軸方向に関する変位量と静電容量値Ｃ２の変動量との間に生じる符号の逆転現象の問題を解消することができる。α軸方向に関する変位Ｄαが生じた場合、検出値Ｃｂが、静電容量値Ｃ２の値の符号を逆転させたものとして定義されるので、検出値Ｃｂの変動量とα軸方向に関する変位量との符号を一致させることができる。
【００７４】
また、変位＋Ｄγが生じた場合のＣｂの変動量は、図１４のテーブルに示すとおり、「＋ΔＣ２（γ）−ｋ・ΔＣ１（γ）」となるが、補正係数ｋを所定値に設定しておけば、「ΔＣ２（γ）＝ｋ・ΔＣ１（γ）」とすることができ、Ｃｂの変動量＝０にすることができる。その理由を、もう少し詳しく説明しよう。図１１の「Ｃ１の変動テーブル」に示されているとおり、「ΔＣ１（γ）」は、変位＋Ｄγが生じた場合の静電容量値Ｃ１の変動量の絶対値である。一方、図１１の「Ｃ２の変動テーブル」に示されているとおり、「ΔＣ２（γ）」は、変位＋Ｄγが生じた場合の静電容量値Ｃ２の変動量の絶対値である。いずれも変位＋Ｄγに起因して生じる変動量の絶対値であるが、同一の変位＋Ｄγが生じた場合でも、一般的には、「ΔＣ２（γ）＝ΔＣ１（γ）」にはならない。これは、第１の容量素子Ｃ１と第２の容量素子Ｃ２とでは、電極の有効領域面積が異なるため、同じ変位量Ｄγに起因して生じる静電容量値の変動量（すなわち、変位量の検出感度）が異なるためである。
【００７５】
補正係数ｋは、このような検出感度の相違を補正するための係数である。図１５は、図１４のテーブルに示されている補正係数ｋの設定原理を示すグラフである。このグラフの横軸は変位Ｄγを示し、縦軸は容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の変動ΔＣ１，ΔＣ２を示している。また、グラフＧ１は、静電容量値Ｃ１の変動ΔＣ１（γ）を示し、グラフＧ２は、静電容量値Ｃ２の変動ΔＣ２（γ）を示している。
【００７６】
なお、このグラフに示されている変数Ｄγ，ΔＣ１，ΔＣ２は、これまでのテーブルに示された変数のような絶対値ではなく、符号を含めた値を示している。したがって、各変数Ｄγ，ΔＣ１，ΔＣ２は、負〜正の範囲内の値をとる。上述したとおり、変位Ｄγが正の場合（γ軸の正方向への変位が生じた場合）、容量値は減少するので、変動ΔＣ１，ΔＣ２は負の値をとる。したがって、グラフＧ１，Ｇ２の傾きはいずれも負となる。ただ、変位Ｄγの絶対値が所定の許容範囲内にあれば、いずれのグラフも線形性を有しており、グラフＧ１，Ｇ２は傾斜が異なるだけである。
【００７７】
そこで、変位Ｄγの値が任意の値ＤγｉのときのグラフＧ１，Ｇ２の値をそれぞれｇ１，ｇ２として、ｋ＝ｇ２／ｇ１となるように補正係数ｋを設定する。グラフＧ１，Ｇ２の傾きをそれぞれｋ１，ｋ２とすれば、ｋ＝ｋ２／ｋ１＝ｇ２／ｇ１ということになる。傾きｋ１は第１の容量素子Ｃ１による変位量Ｄγの検出感度に相当し、傾きｋ２は第２の容量素子Ｃ２による変位量Ｄγの検出感度に相当する。したがって、補正係数ｋは、両者の感度を補正する係数ということになる。図１５に示すグラフの傾きｋ１，ｋ２もしくはグラフの値ｇ１，ｇ２は、各電極の形状、寸法、配置などの幾何学的条件から演算によって求めることもできるし、実際の変位センサを用いた実測によって求めることもできる。したがって、実際の変位センサの物理的構造が定まれば、補正係数ｋを決定することが可能である。
【００７８】
そこで、ｋ＝ｋ２／ｋ１＝ｇ２／ｇ１となるような値に補正係数ｋを設定しておけば、「ΔＣ２（γ）＝ｋ・ΔＣ１（γ）」とすることができ、図１４のテーブルにおいて、変位＋Ｄγが生じたときのＣｂの変動欄「＋ΔＣ２（γ）−ｋ・ΔＣ１（γ）」の値を０にすることができる。したがって、図１４のテーブルは、図１６(a) に示すテーブルに書き直すことができる。なお、各座標軸の負方向への変位−Ｄα，−Ｄβ，−Ｄγが生じた場合は、図１６(b) に示すテーブルのような結果が得られる。
【００７９】
結局、変数Ｃａ，Ｃｂ，Ｄα，Ｄγを、符号を含めた値をもつ変数として取り扱えば、図１６(c) に示すように、検出値Ｃａの変動は、変位Ｄγのみを示す値となり、検出値Ｃｂの変動は、変位Ｄαのみを示す値となり、各変動量の符号は、変位方向（各座標軸の正方向か負方向か）を示すものになる。
【００８０】
したがって、図１１に示す検出回路Ｈでは、まず、静電容量値Ｃ１，Ｃ２を電気信号として測定し、これらの値Ｃ１，Ｃ２を用いて、「Ｃａ＝−Ｃ１」なる式および「Ｃｂ＝−Ｃ２＋ｋ・Ｃ１」なる式に基づく演算を行い、検出値Ｃａ，Ｃｂを求める検出処理を実行すればよい。そうすれば、得られた検出値Ｃａの変動量は変位Ｄγを示し、得られた検出値Ｃｂの変動量は変位Ｄαを示すものになる。
【００８１】
なお、上記各演算は、単純な加減乗算であり、一般的なアナログ演算回路によって実行することも可能であるし（この場合、各静電容量値は電圧値に変換された後に演算される）、デジタル演算回路を用いて実行することも可能である（この場合、各静電容量値は電圧値に変換された後、更にデジタルデータに変換されてから演算される）。このような演算回路は、広く利用されている公知の回路であるため、ここでは詳しい説明は省略する。
【００８２】
このように、図１に示す構造体に、本発明に係る変位センサ（電極Ｅ１１，Ｅ２１からなる容量素子Ｃ１と、電極Ｅ１２，Ｅ２２からなる容量素子Ｃ２と、検出回路Ｈ）を設けておけば、検出回路Ｈにより、静電容量値Ｃ１の変動量ΔＣ１を原点Ｑのγ軸方向の変位Ｄγを示す検出信号として出力し、静電容量値Ｃ２の変動量ΔＣ２から変位Ｄγに起因する変動量を除去した値を原点Ｑのα軸方向の変位Ｄαを示す検出信号として出力することができる。かくして、上方基板１０の原点Ｑの部分について、下方基板２０に対して生じたα軸方向の変位Ｄαとγ軸方向の変位Ｄγとを独立して検出することができる。
【００８３】
＜＜＜ §３．力検出装置の物理的構造 ＞＞＞
続いて、ここでは、本発明に係る力検出装置の物理的構造を説明する。図１７は、本発明に係る力検出装置の物理的構造部を示す斜視図（上段）および電気的処理部を示すブロック図（下段）である。なお、実際には、上段に斜視図として示されている物理的構造部には、複数の電極が含まれるが、当該斜視図においては、図が繁雑になるのを避けるため、これら電極の図示は省略されている（下段のブロック図内には、電極Ｅ１１〜Ｅ２２が回路図として示されている）。
【００８４】
図１７上段の斜視図に示すとおり、この力検出装置の物理的構造部は、上方基板１００、下方基板２００、バネ３１０〜３４０によって構成された構造体と、図示されていない複数の電極と、によって構成される。ここで、上方基板１００、下方基板２００、バネ３１０〜３４０によって構成された構造体は、実質的に、図１に示す上方基板１０、下方基板２０、バネ３１〜３４によって構成された構造体と同じものである。
【００８５】
すなわち、上方基板１００および下方基板２００は、互いに平行になるように対向して配置された基板であり、バネ３１０〜３４０は、この上方基板１００と下方基板２００とを接続する接続部材として機能する。本発明に係る力検出装置において、接続部材は、下方基板２００を固定した状態において、上方基板１００に外力を作用させた場合に、上方基板１００が下方基板２００に対して変位を生じるように、少なくとも一部分が可撓性を有している部材であればよい。バネ３１０〜３４０は、このような性質をもった接続部材の典型例であるが、接続部材は必ずしもバネに限定されるものではなく、§７で述べるように、様々な部材を接続部材として用いることが可能である。
【００８６】
なお、図１に示した上方基板１０および下方基板２０が矩形の基板であるのに対して、図１７に示す上方基板１００および下方基板２００が円形の基板になっているのは、単に、変位センサの取り付け対象となる構造体（図１）と、力検出装置の一部を構成する構造体（図１７）とを区別して説明するための便宜であり、各基板１０，２０，１００，２００の形状は任意でかまわない。
【００８７】
本発明に係る力検出装置は、図１７上段に示されている構造体に、図１７下段に示されている複数Ｎ組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）と、これら変位センサを利用して、上方基板１００に作用した外力を検出する検出ユニットＵと、を付加することにより構成される。各変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）は、既に§１，§２で述べた本発明に係る変位センサであり、電極Ｅ１１，Ｅ２１からなる容量素子Ｃ１と、電極Ｅ１２，Ｅ２２からなる容量素子Ｃ２と、検出回路Ｈとによって構成される。
【００８８】
この複数Ｎ組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）としては、それぞれ電極形状や電極面積の異なるセンサを用いることもできるが、実用上は、共通の構造をもった同一のセンサを用いるのが好ましい。ただ、各変位センサＳの配置は、それぞれ固有の位置および固有の向きになるようにする。
【００８９】
本発明に係る力検出装置は、上方基板１００に作用した力の所定の座標軸方向成分および上方基板１００に作用したモーメントの所定の座標軸まわり成分を独立して検出する機能を有する。そこで、ここでは、上方基板１００内の所定位置に原点Ｏを定義し、ＸＹＺ三次元直交座標系を定義する。図示の例では、上方基板１００の中心点（重心点）に原点Ｏを定義し、この原点Ｏを含み、上方基板１００の基板面（上面および下面）に平行な平面上に、原点Ｏを通り互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定義しており、図の右方向をＸ軸正方向、図の奥方向をＹ軸正方向、図の上方向をＺ軸正方向としている。原点Ｏは、必ずしも上方基板１００の中心点（重心点）に定義する必要はないが、実用上は、上方基板１００および下方基板２００の中心をＺ軸が通るような位置に定義するのが好ましい。これは、後述する実施形態のように、Ｚ軸を中心として、その周囲に複数Ｎ組の変位センサＳを配置する形態を採る場合に、各電極を配置しやすくするための配慮である。
【００９０】
ここでは、このＸＹＺ三次元直交座標系をグローバル座標系と呼び、§１，§２で説明したαβγ三次元直交座標系をローカル座標系と呼ぶことにする。αβγローカル座標系は、個々の変位センサＳごとに定義される座標系であり、複数Ｎ組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）を設けた場合、複数Ｎ組のαβγローカル座標系が定義されることになる。ここでは、個々のαβγローカル座標系の原点Ｑの位置を、変位センサの配置点Ｐと呼ぶことにする。
【００９１】
図１７上段に示す配置点Ｐ（１）は、第１番目の変位センサＳ（１）の配置点であり、この配置点Ｐ（１）を原点Ｑとして、第１番目のαβγローカル座標系が定義される。また、図１７上段に示す配置点Ｐ（Ｎ）は、第Ｎ番目の変位センサＳ（Ｎ）の配置点であり、この配置点Ｐ（Ｎ）を原点Ｑとして、第Ｎ番目のαβγローカル座標系が定義される。図１７には示されていないが、もちろん、第２番目〜第（Ｎ−１）番目の変位センサの配置点も所定位置に定義され、それぞれの配置点を原点Ｑとして、それぞれのαβγローカル座標系が定義される。
【００９２】
なお、Ｎ組の配置点Ｐ（１）〜Ｐ（Ｎ）は、いずれもＸＹ平面上に位置し、各ローカル座標系のαβ平面が、グローバル座標系のＸＹ平面に一致するような設定がなされるものとする。したがって、各ローカル座標系のα軸およびβ軸は、ＸＹ平面に含まれ、上方基板１００の基板面に平行な方向を向いた軸になる。また、各ローカル座標系のγ軸は、Ｚ軸に平行になり、上方基板１００の基板面に垂直な方向を向いた軸になる。
【００９３】
図１に示すとおり、１組の変位センサには、第１の上方電極Ｅ１１，第２の上方電極Ｅ１２，第１の下方電極Ｅ２１，第２の下方電極Ｅ２２という４枚の電極が含まれており、これら各電極は、ローカル原点Ｑに対して、図１に示すような相対位置に形成される。したがって、図１７に示す力検出装置の場合、Ｎ組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）を構成する合計（４×Ｎ）枚の電極が、各配置点Ｐ（１）〜Ｐ（Ｎ）に対して、それぞれ所定の相対位置をとる場所に形成されることになる。
【００９４】
たとえば、第１の変位センサＳ（１）は、図示する第１の配置点Ｐ（１）に配置されるセンサであるから、この第１の配置点Ｐ（１）をローカル原点Ｑとする所定の相対位置に、第１の変位センサＳ（１）を構成する４枚の電極が形成されることになる。具体的には、上方基板１００の下面の配置点Ｐ（１）近傍には、第１の上方電極Ｅ１１および第２の上方電極Ｅ１２が形成され、その直下に位置する下方基板２００の上面部分には、第１の下方電極Ｅ２１および第２の下方電極Ｅ２２が形成されることになる。そして、この第１の変位センサＳ（１）は、上方基板１００の配置点Ｐ（１）の位置についてのα軸方向への変位Ｄαと、γ軸方向への変位Ｄγとを検出値として出力する機能を果たす。
【００９５】
同様に、第２の変位センサＳ（２）〜第Ｎの変位センサＳ（Ｎ）は、それぞれ上方基板１００の配置点Ｐ（２）〜Ｐ（Ｎ）の各位置についてのα軸方向への変位Ｄαと、γ軸方向への変位Ｄγとを検出値として出力する機能を果たす。検出ユニットＵは、こうしてＮ組の変位センサから収集したＮ箇所の配置点についての変位Ｄα，Ｄγに基づいて、上方基板１００のグローバル原点Ｏの位置に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘ、Ｙ軸方向成分Ｆｙ、Ｚ軸方向成分Ｆｚ、および上方基板１００のグローバル原点Ｏの位置に作用したモーメントのＸ軸まわり成分Ｍｘ、Ｙ軸まわり成分Ｍｙ、Ｚ軸まわり成分Ｍｚの６成分のうち、所望の成分を独立して検出する処理を行う。
【００９６】
なお、本願では、「力」という文言は、特定の座標軸方向の力を意味する場合と、モーメント成分を含めた集合的な力を意味する場合とを、適宜使い分けることにする。たとえば、力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと言った場合は、モーメントではない各座標軸方向の力成分を意味しているが、６つの力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚと言った場合は、各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分とを含む集合的な力を意味することになる。
【００９７】
本発明に係る力検出装置の基本原理は、図１７上段に示されている構造体において、上方基板１００内に複数Ｎ個の配置点Ｐ（１）〜Ｐ（Ｎ）を定義し、各配置点におけるα軸方向（基板面に平行な所定方向）への変位Ｄαと、γ軸方向（基板面に垂直な方向）への変位Ｄγと、を変位センサＳを用いて検出し、これらの検出結果に基づいて、下方基板２００を固定した状態において上方基板１００に作用した所定の座標軸方向の力成分や、所定の座標軸まわりのモーメント成分を検出する点にある。したがって、定義する配置点の数Ｎ（ローカル原点Ｑの数）、各配置点の位置、各配置点に配置する変位センサの向き（α軸の向き）といった条件は、どの力成分、あるいはどのモーメント成分を検出するか、によって異なってくる。
【００９８】
ここでは、典型的な第１の実施形態として、Ｎ＝４に設定して、Ｘ軸の正領域上、Ｘ軸の負領域上、Ｙ軸の正領域上、Ｙ軸の負領域上にそれぞれ配置点を定義し、合計４組の変位センサを利用して、各配置点における変位を検出し、上方基板１００の原点Ｏの位置に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘ、Ｙ軸方向成分Ｆｙ、Ｚ軸方向成分Ｆｚ、および上方基板の原点Ｏの位置に作用したモーメントのＸ軸まわり成分Ｍｘ、Ｙ軸まわり成分Ｍｙ、Ｚ軸まわり成分Ｍｚの６成分のすべてを検出可能な力検出装置を以下に例示する。
【００９９】
図１８は、この第１の実施形態に係る力検出装置において、上方基板１００内に定義された４つの配置点の位置および４組のローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す上面図である。図示のとおり、この実施形態の場合、Ｘ軸の正領域上に配置点Ｐ（Ｘ＋）、Ｘ軸の負領域上に配置点Ｐ（Ｘ−）、Ｙ軸の正領域上に配置点Ｐ（Ｙ＋）、Ｙ軸の負領域上に配置点Ｐ（Ｙ−）がそれぞれ定義されている（括弧書きで示すＸ＋，Ｘ−，Ｙ＋，Ｙ−なる記号は、それぞれＸ軸の正領域，負領域，Ｙ軸の正領域，負領域を示すものである）。ここで、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）は、ローカル原点Ｏから等距離の位置に定義されている。
【０１００】
また、各配置点の位置をそれぞれ原点Ｑとして、ローカルなαβγ三次元座標系が図示の向きに定義されている。上述したとおり、α軸およびβ軸はＸＹ平面に含まれる軸であり、γ軸は紙面に垂直な軸になる。β軸はα軸をＸＹ平面内で反時計回りに９０°回転して得られる軸であり、γ軸は常にＺ軸に平行な軸であるから、結局、個々のαβγ三次元座標系は、配置点Ｐとα軸の方向を決めてやれば、一意に定まることになる。
【０１０１】
各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）に対応する所定位置には、それぞれ変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）を構成するための電極が形成される（図１８では、電極は示されていない）。図１９は、この第１の実施形態に係る力検出装置の上方基板１００の下面図であり、図２０は、下方基板２００の上面図である。図１９は下面図、図２０は上面図であるため、図におけるＹ軸の向きは逆転している。いずれの図も、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。
【０１０２】
上方基板１００側に形成された電極Ｅ１１，Ｅ１２は、図２に示す電極Ｅ１１，Ｅ１２に対応するものであり、下方基板２００側に形成された電極Ｅ２１，Ｅ２２は、図３に示す電極Ｅ２１，Ｅ２２に対応するものである。
【０１０３】
なお、図１９および図２０では、各電極を示す符号の後ろに、括弧書きでＸ＋，Ｘ−，Ｙ＋，Ｙ−なる記号を付記することにより、４組の変位センサの各電極を相互に区別して示している。たとえば、図１９において、電極Ｅ１１（Ｘ＋），Ｅ１２（Ｘ＋）は、Ｘ軸の正領域に定義された配置点Ｐ（Ｘ＋）に配置された変位センサＳ（Ｘ＋）を構成する上方電極であり、図２０において、電極Ｅ２１（Ｘ＋），Ｅ２２（Ｘ＋）は、Ｘ軸の正領域に定義された配置点Ｐ（Ｘ＋）に配置された変位センサＳ（Ｘ＋）を構成する下方電極である。変位センサＳ（Ｘ＋）は、これら４枚の電極によって構成される容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値の変動に基づいて、配置点Ｐ（Ｘ＋）の位置のα軸方向への変位Ｄαおよびγ軸方向への変位Ｄγを検出する機能を果たす。その基本原理は、既に§１，§２で説明したとおりである。
【０１０４】
図２１は、この第１の実施形態に係る力検出装置の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図である（バネは図示省略）。４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）を構成する各電極が、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）の近傍に配置されている状態が明瞭に示されている。もちろん、個々の電極の向きは、図１８に示されている４組のローカルな座標系の座標軸の向きに応じたものになっている。
【０１０５】
結局、図１８において、変位センサＳ（Ｘ＋）は、上方基板１００の配置点Ｐ（Ｘ＋）の近傍部分のＹ軸方向変位（Ｄα）およびＺ軸方向変位（Ｄγ）を検出し、変位センサＳ（Ｘ−）は、上方基板１００の配置点Ｐ（Ｘ−）の近傍部分のＹ軸方向変位（Ｄα）およびＺ軸方向変位（Ｄγ）を検出することができる。同様に、変位センサＳ（Ｙ＋）は、上方基板１００の配置点Ｐ（Ｙ＋）の近傍部分のＸ軸方向変位（Ｄα）およびＺ軸方向変位（Ｄγ）を検出し、変位センサＳ（Ｙ−）は、上方基板１００の配置点Ｐ（Ｙ−）の近傍部分のＹ軸方向変位（Ｄα）およびＺ軸方向変位（Ｄγ）を検出することができる。検出ユニットＵは、これらの検出結果に基づいて、所定の座標軸に関する力成分もしくはモーメント成分を検出する処理を行う。この検出処理の具体的な内容については、§４で詳述する。
【０１０６】
＜＜＜ §４．力検出装置の検出処理 ＞＞＞
ここでは、§３で説明した第１の実施形態に係る力検出装置、すなわち、図１８に示す４箇所の配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）にそれぞれ変位センサを配置した実施形態について、６つの力成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚをそれぞれ独立して求める検出処理を説明する。
【０１０７】
まず、図１７に示す構造体について、上方基板１００にＸ軸方向の力Ｆｘが作用した場合の変位状態を考える。図２２は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｘ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの変位状態を示す正面図である（バネは図示省略）。図示のとおり、上方基板１００はＸ軸正方向に平行移動し、変位＋Ｄｘを生じることになる（破線は、上方基板１００の変位前の位置を示す）。
【０１０８】
なお、実際には、図２２において、上方基板１００の左端を図の右方向へ押すなどの方法で力＋Ｆｘを加えると、バネ３１０〜３４０の弾性力が働くため、上方基板１００のバネの取り付け箇所に対しては、Ｚ軸方向に関する力も作用することになる。したがって、そのような方法で力＋Ｆｘを加えた場合、上方基板１００はＸ軸正方向へ厳密な平行移動をするわけではなく、Ｚ軸方向への変位を伴うことになる。このように、上方基板１００に対して、純然たるＸ軸正方向の力＋Ｆｘのみを作用させることは、実用上困難であるが、ここではこの装置の検出原理を説明するため、図示のとおり、上方基板１００が右方向に平行移動した仮想状態を考える。この場合、上方基板１００と下方基板２００とは、平行状態を維持することになる。
【０１０９】
図２３は、図２２に示すように、上方基板１００にＸ軸正方向の力＋Ｆｘが作用したときの４組の変位センサについての矩形電極Ｅ１２，Ｅ２２の位置を示すＸＹ平面上への正射影投影図である（便宜上、円形電極Ｅ１１，Ｅ２１の図示は省略する。以下同様）。この図には、上方基板１００の位置は示されていないが、上方基板１００は、下方基板２００に対して、所定の変位量だけ右方向にずれている。上方基板１００が右側へ変位したため、各上方電極Ｅ１２も右側へ変位している。図の破線は、各上方電極Ｅ１２の変位前の位置を示している（図示の便宜上、図２３における変位量は、図２２に示す変位量よりも小さい）。もちろん、下方基板２００は固定されているため、各下方電極Ｅ２２の位置は変わらない。
【０１１０】
一方、図２４は、上方基板１００にＹ軸正方向の力＋Ｆｙが作用したときの４組の変位センサについての電極Ｅ１２，Ｅ２２の位置を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。この図にも、上方基板１００の位置は示されていないが、上方基板１００は、下方基板２００に対して、所定の変位量だけ図の上方向にずれている。上方基板１００が図の上方へ変位したため、各上方電極Ｅ１２も図の上方へ変位している。図の破線は、各上方電極Ｅ１２の変位前の位置を示している。もちろん、下方基板２００は固定されているため、各下方電極Ｅ２２の位置は変わらない。
【０１１１】
次に、上方基板１００にＺ軸方向の力Ｆｚが作用した場合の変位状態を考える。図２５は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｚ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの変位状態を示す正面図である（バネは図示省略）。図示のとおり、上方基板１００はＺ軸正方向に平行移動し、変位＋Ｄｚを生じることになる（破線は、上方基板１００の変位前の位置を示す）。
【０１１２】
図２６は、図２５に示すように、上方基板１００にＺ軸正方向の力＋Ｆｚが作用したときの４組の変位センサについての電極Ｅ１２，Ｅ２２の位置を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。変位がＺ軸方向に生じているため、ＸＹ平面上への投影図では、電極の変位は全く見られない。ただ、上方基板１００は、下方基板２００に対して、変位＋Ｄｚを生じているので、上方基板１００側に形成された各上方電極Ｅ１１，Ｅ１２も、変位＋Ｄｚを生じている。そこで、図２６では、各変位センサの電極位置に「＋Ｄｚ」なる記号を付してある。これは、容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離が広がったことを意味する。
【０１１３】
続いて、モーメントが作用した場合を考えよう。図２７は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙが作用したときの変位状態を示す正面図である（バネは図示省略）。ここでは、所定の座標軸まわりのモーメントの向きを、「当該座標軸の正方向に右ネジを進めるための回転方向」と定義することにする。図２７の場合、Ｙ軸の正方向は紙面に対して垂直奥方向であるから、図示のとおり、時計まわりの方向がＹ軸まわりのモーメントＭｙの正方向ということになる。したがって、時計まわりのモーメントが＋Ｍｙ，反時計まわりのモーメントが−Ｍｙとなる。
【０１１４】
さて、図示のとおり、上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｙ軸まわりのモーメント＋Ｍｙが作用すると、上方基板１００の右半分の部分（Ｘ軸正領域の部分）は図の下方へと移動して変位−Ｄｚを生じるが、左半分の部分（Ｘ軸負領域の部分）は図の上方へと移動して変位＋Ｄｚを生じることになる。なお、変位量の絶対値は上方基板１００上の位置によって異なり、図２７における左右両端へゆくほど、変位量の絶対値は大きくなる。
【０１１５】
図２８は、図２７に示すように、上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｙ軸まわりのモーメントが＋Ｍｙが作用したときの４組の変位センサについての電極Ｅ１２，Ｅ２２の位置を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。各部の変位は、基本的にＺ軸方向のみであるため、ＸＹ平面上への投影図では、電極の変位は見られない（厳密に言えば、各電極の姿勢はＸＹ平面に平行な状態から若干傾斜した状態へと遷移するため、ＸＹ平面上への投影図では、電極形状は若干変化する）。ただ、上方基板１００の各部は、下方基板２００に対して、変位±Ｄｚを生じることになる。上述したとおり、図の右半分は変位−Ｄｚを生じ、図の左半分は変位＋Ｄｚを生じ、左右両端へゆくほど、変位量の絶対値は大きくなる。
【０１１６】
そこで、図２８では、図の右端に位置する変位センサＳ（Ｘ＋）の電極位置には「−Ｄｚ」なる記号を付してある。これは、変位センサＳ（Ｘ＋）の容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離が狭まったことを意味する。逆に、図の左端に位置する変位センサＳ（Ｘ−）の電極位置には「＋Ｄｚ」なる記号を付してある。これは、変位センサＳ（Ｘ−）の容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離が広がったことを意味する。なお、Ｙ軸上に位置する変位センサＳ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）の電極位置には「０」なる記号を付してある。これは、変位センサＳ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）の容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離は、部分的には狭まり、部分的には広がるため、トータルでの変化は無視しうることを意味する。
【０１１７】
厳密に言えば、円形電極Ｅ１１，Ｅ２１については、図１９，図２０に示すようにＹ軸対称性があるため、半円部分について電極間距離が狭まり、別な半円部分について電極間距離が広がれば、トータルでの静電容量値の変化は０になると言えるが、矩形電極Ｅ１２，Ｅ２２については、図１９，図２０に示すように完全なＹ軸対称性は保たれていないので、トータルでの静電容量値の変化は０になるとは言えない。しかしながら、実用上、極めて高い測定精度を必要としない限り、トータルでの静電容量値の変化は０になるとして取り扱っても問題はない。
【０１１８】
同様に、図２９は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｘ軸まわりのモーメントＭｘが作用したときの４組の変位センサについての電極Ｅ１２，Ｅ２２の位置を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。この場合も、各部の変位は、基本的にＺ軸方向のみであるため、ＸＹ平面上への投影図では、電極の変位は見られない。ただ、上方基板１００の各部は、下方基板２００に対して、変位±Ｄｚを生じることになり、図の上半分は変位＋Ｄｚを生じ、図の下半分は変位−Ｄｚを生じ、図の上下両端へゆくほど、変位量の絶対値は大きくなる。
【０１１９】
そこで、この図２９では、図の上端に位置する変位センサＳ（Ｙ＋）の電極位置には「＋Ｄｚ」なる記号を付してある。これは、変位センサＳ（Ｙ＋）の容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離が広がったことを意味する。逆に、図の下端に位置する変位センサＳ（Ｙ−）の電極位置には「−Ｄｚ」なる記号を付してある。これは、変位センサＳ（Ｙ−）の容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離が狭まったことを意味する。また、Ｘ軸上に位置する変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−）の電極位置には「０」なる記号を付してあるが、これは、変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−）の容量素子を構成する一対の対向電極の電極間距離は、部分的には狭まり、部分的には広がるため、トータルでの変化は無視しうることを意味する。
【０１２０】
最後に、Ｚ軸まわりのモーメントＭｚが作用した場合を考えよう。図３０は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００の原点Ｏの位置に、Ｚ軸まわりのモーメント＋Ｍｚが作用したときの４組の変位センサについての電極Ｅ１２，Ｅ２２の位置を示すＸＹ平面上への正射影投影図である。この例の場合、上方基板１００および下方基板２００はいずれも円盤状の基板であるため、投影図上では上方基板１００の変位は認識できないが、上方基板１００がＺ軸を回転中心として、反時計まわりに回転を生じるため、各上方電極Ｅ１２も反時計まわりに回転変位を生じている。図の破線は、各上方電極Ｅ１２の変位前の位置を示している。もちろん、下方基板２００は固定されているため、各下方電極Ｅ２２の位置は変わらない。
【０１２１】
以上、上方基板１００に対して、＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚなる力成分および＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚなるモーメント成分が単独で作用した場合の変位状態を説明した。続いて、これら６通りの変位状態が生じた場合に、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）から出力される検出値Ｃａ，Ｃｂがどのように変動するかを考えてみる。
【０１２２】
図３１は、これまで述べてきた第１の実施形態に係る力検出装置において、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に各座標軸方向の力および各座標軸まわりのモーメントを作用させたときの４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）の各検出値Ｃａ，Ｃｂの変動を示すテーブルである。ここで、検出値Ｃａ，Ｃｂは、§２で説明したとおり、図１４の上段の式に示す演算によって求められる値であり、検出値Ｃａの変動量は変位Ｄγを示し、検出値Ｃｂの変動量は変位Ｄαを示している。なお、ここでは、各検出値Ｃａ，Ｃｂの記号に、（Ｘ＋），（Ｘ−），（Ｙ＋），（Ｙ−）なる符号を付記して、どの変位センサによる検出値であるかを区別できるようにしている。
【０１２３】
図３１のテーブルの各欄には、＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚなる力成分および＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚなるモーメント成分が単独で作用した場合に、各検出値Ｃａ，Ｃｂの変動態様が符号で示されている。「０」と記された欄は、変動が生じないこと（もしくは、無視しうること）を示し、「＋」と記された欄は、正の変動が生じること（正方向の変位ＤγもしくはＤαが生じていること）を示し、「−」と記された欄は、負の変動が生じること（負方向の変位ＤγもしくはＤαが生じていること）を示す。
【０１２４】
ここでは、まず、このテーブルにおける「Ｆｘ」の列に記された結果が得られる理由を簡単に説明しよう。「Ｆｘ」の列の各欄は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に＋Ｆｘなる力成分（Ｘ軸正方向を向いた力成分）のみが作用した場合の結果を示している。力成分＋Ｆｘのみが作用したときの変位状態は、既に説明したとおり、図２２および図２３に示すとおりである。この場合、上方基板１００はＸ軸正方向に平行移動するので、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）は、Ｙ軸やＺ軸方向には変位せず、Ｘ軸方向にのみ変位する。
【０１２５】
したがって、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）によって検出される各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）のγ軸方向の変位Ｄγは０であり、検出値Ｃａの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｆｘ」の列の４つの検出値Ｃａ（Ｘ＋），Ｃａ（Ｘ−），Ｃａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。
【０１２６】
一方、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）はＸ軸方向に変位するので、α軸がＸ軸に平行となるようなローカル座標系が定義された配置点についての変位センサからは、変位Ｄαが検出値Ｃｂの変動として検出される。
【０１２７】
具体的には、図１８に示すように、配置点Ｐ（Ｙ−）に定義されたローカル座標系のα軸がＸ軸に平行となっており、向きも等しいので、変位センサＳ（Ｙ−）から出力される検出値Ｃｂ（Ｙ−）の変動は「＋」になる。すなわち、検出値Ｃｂ（Ｙ−）には正の変動量が生じる。また、図１８に示すように、配置点Ｐ（Ｙ＋）に定義されたローカル座標系のα軸がＸ軸に平行となっており、向きは逆なので、変位センサＳ（Ｙ＋）から出力される検出値Ｃｂ（Ｙ＋）の変動は「−」になる。すなわち、検出値Ｃｂ（Ｙ＋）には負の変動量が生じる
【０１２８】
これに対して、図１８に示すように、配置点Ｐ（Ｘ＋）に定義されたローカル座標系のα軸や配置点Ｐ（Ｘ−）に定義されたローカル座標系のα軸は、Ｙ軸に平行となっているため、変位センサＳ（Ｘ＋）や変位センサＳ（Ｘ−）からは、変位Ｄαの検出は行われない。すなわち、変位センサＳ（Ｘ＋）や変位センサＳ（Ｘ−）から出力される検出値Ｃｂ（Ｘ＋）や検出値Ｃｂ（Ｘ−）の変動は「０」になる。
【０１２９】
図３１のテーブルにおける「Ｆｙ」の列に記された結果が得られる理由も全く同様である。「Ｆｙ」の列の各欄は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に＋Ｆｙなる力成分（Ｙ軸正方向を向いた力成分）のみが作用した場合の結果を示している。力成分＋Ｆｙのみが作用したときの変位状態は、既に説明したとおり、図２４に示すとおりである。この場合、上方基板１００はＹ軸正方向に平行移動するので、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）は、Ｘ軸やＺ軸方向には変位せず、Ｙ軸方向にのみ変位する。
【０１３０】
したがって、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）によって検出される各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）のγ軸方向の変位Ｄγは０であり、検出値Ｃａの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｆｙ」の列の４つの検出値Ｃａ（Ｘ＋），Ｃａ（Ｘ−），Ｃａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。
【０１３１】
一方、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）はＹ軸方向に変位するので、α軸がＹ軸に平行となるようなローカル座標系が定義された配置点についての変位センサからは、変位Ｄαが検出値Ｃｂの変動として検出される。
【０１３２】
具体的には、図１８に示すように、配置点Ｐ（Ｘ＋）に定義されたローカル座標系のα軸がＹ軸に平行となっており、向きも等しいので、変位センサＳ（Ｘ＋）から出力される検出値Ｃｂ（Ｘ＋）の変動は「＋」になる。すなわち、検出値Ｃｂ（Ｘ＋）には正の変動量が生じる。また、図１８に示すように、配置点Ｐ（Ｘ−）に定義されたローカル座標系のα軸がＹ軸に平行となっており、向きは逆なので、変位センサＳ（Ｘ−）から出力される検出値Ｃｂ（Ｘ−）の変動は「−」になる。すなわち、検出値Ｃｂ（Ｘ−）には負の変動量が生じる
【０１３３】
これに対して、図１８に示すように、配置点Ｐ（Ｙ＋）に定義されたローカル座標系のα軸や配置点Ｐ（Ｙ−）に定義されたローカル座標系のα軸は、Ｘ軸に平行となっているため、変位センサＳ（Ｙ＋）や変位センサＳ（Ｙ−）からは、変位Ｄαの検出は行われない。すなわち、変位センサＳ（Ｙ＋）や変位センサＳ（Ｙ−）から出力される検出値Ｃｂ（Ｙ＋）や検出値Ｃｂ（Ｙ−）の変動は「０」になる。
【０１３４】
続いて、図３１のテーブルにおける「Ｆｚ」の列に記された結果が得られる理由を説明する。「Ｆｚ」の列の各欄は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に＋Ｆｚなる力成分（Ｚ軸正方向を向いた力成分）のみが作用した場合の結果を示している。力成分＋Ｆｚのみが作用したときの変位状態は、既に説明したとおり、図２５や図２６に示すとおりである。
【０１３５】
この場合、上方基板１００はＺ軸正方向に平行移動するので、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）は、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）のγ軸方向の変位Ｄγを、検出値Ｃａの正の変動として出力する。図３１のテーブルにおける「Ｆｚ」の列の４つの検出値Ｃａ（Ｘ＋），Ｃａ（Ｘ−），Ｃａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の各欄が「＋」となっているのはこのためである。α軸方向の変位Ｄαは検出されないので、検出値Ｃｂの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｆｚ」の列の４つの検出値Ｃｂ（Ｘ＋），Ｃｂ（Ｘ−），Ｃｂ（Ｙ＋），Ｃｂ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。
【０１３６】
次に、図３１のテーブルにおける「Ｍｘ」の列に記された結果が得られる理由を説明する。「Ｍｘ」の列の各欄は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に＋Ｍｘなるモーメント成分（Ｘ軸まわりのモーメント成分）のみが作用した場合の結果を示している。モーメント成分＋Ｍｘのみが作用したときの変位状態は、既に説明したとおり、図２９に示すとおりである。
【０１３７】
この場合、変位センサＳ（Ｙ＋）の配置点Ｐ（Ｙ＋）はＺ軸正方向に変位するので、変位センサＳ（Ｙ＋）は、配置点Ｐ（Ｙ＋）のγ軸方向の変位Ｄγを、検出値Ｃａの正の変動として出力する。図３１のテーブルにおける「Ｍｘ」の列の検出値Ｃａ（Ｙ＋）の欄が「＋」となっているのはこのためである。また、変位センサＳ（Ｙ−）の配置点Ｐ（Ｙ−）はＺ軸負方向に変位するので、変位センサＳ（Ｙ−）は、配置点Ｐ（Ｙ−）のγ軸方向の変位Ｄγを、検出値Ｃａの負の変動として出力する。図３１のテーブルにおける「Ｍｘ」の列の検出値Ｃａ（Ｙ−）の欄が「−」となっているのはこのためである。
【０１３８】
一方、変位センサＳ（Ｘ＋）の配置点Ｐ（Ｘ＋）や変位センサＳ（Ｘ−）の配置点Ｐ（Ｘ−）のＺ軸方向への変位は０である（電極のＺ軸方向への変位は無視できる）。このため、変位センサＳ（Ｘ＋）や変位センサＳ（Ｘ−）によって検出される各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−）のγ軸方向の変位Ｄγは０であり、検出値Ｃａの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｍｘ」の列の検出値Ｃａ（Ｘ＋），Ｃａ（Ｘ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。また、α軸方向の変位Ｄαは検出されないので、検出値Ｃｂの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｍｘ」の列の４つの検出値Ｃｂ（Ｘ＋），Ｃｂ（Ｘ−），Ｃｂ（Ｙ＋），Ｃｂ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。
【０１３９】
図３１のテーブルにおける「Ｍｙ」の列に記された結果が得られる理由も全く同様である。「Ｍｙ」の列の各欄は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に＋Ｍｙなるモーメント成分（Ｙ軸まわりのモーメント成分）のみが作用した場合の結果を示している。モーメント成分＋Ｍｙのみが作用したときの変位状態は、既に説明したとおり、図２７および図２８に示すとおりである。
【０１４０】
この場合、変位センサＳ（Ｘ＋）の配置点Ｐ（Ｘ＋）はＺ軸負方向に変位するので、変位センサＳ（Ｘ＋）は、配置点Ｐ（Ｘ＋）のγ軸方向の変位Ｄγを、検出値Ｃａの負の変動として出力する。図３１のテーブルにおける「Ｍｙ」の列の検出値Ｃａ（Ｘ＋）の欄が「−」となっているのはこのためである。また、変位センサＳ（Ｘ−）の配置点Ｐ（Ｘ−）はＺ軸正方向に変位するので、変位センサＳ（Ｘ−）は、配置点Ｐ（Ｘ−）のγ軸方向の変位Ｄγを、検出値Ｃａの正の変動として出力する。図３１のテーブルにおける「Ｍｙ」の列の検出値Ｃａ（Ｘ−）の欄が「＋」となっているのはこのためである。
【０１４１】
一方、変位センサＳ（Ｙ＋）の配置点Ｐ（Ｙ＋）や変位センサＳ（Ｙ−）の配置点Ｐ（Ｙ−）のＺ軸方向への変位は０である（電極のＺ軸方向への変位は無視できる）。このため、変位センサＳ（Ｙ＋）や変位センサＳ（Ｙ−）によって検出される各配置点Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）のγ軸方向の変位Ｄγは０であり、検出値Ｃａの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｍｙ」の列の検出値Ｃａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。また、α軸方向の変位Ｄαは検出されないので、検出値Ｃｂの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｍｙ」の列の４つの検出値Ｃｂ（Ｘ＋），Ｃｂ（Ｘ−），Ｃｂ（Ｙ＋），Ｃｂ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。
【０１４２】
最後に、図３１のテーブルにおける「Ｍｚ」の列に記された結果が得られる理由を説明する。「Ｍｚ」の列の各欄は、下方基板２００を固定した状態で上方基板１００に＋Ｍｚなるモーメント成分（Ｚ軸まわりのモーメント成分）のみが作用した場合の結果を示している。モーメント成分＋Ｍｚのみが作用したときの変位状態は、既に説明したとおり、図３０に示すとおりである。この場合、上方基板１００は下方基板２００に対して平行な状態を維持したまま図の反時計まわりに回転変位する。
【０１４３】
したがって、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）によって検出される各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）のγ軸方向の変位Ｄγは０であり、検出値Ｃａの変動は０である。図３１のテーブルにおける「Ｍｚ」の列の４つの検出値Ｃａ（Ｘ＋），Ｃａ（Ｘ−），Ｃａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の各欄が「０」となっているのはこのためである。
【０１４４】
一方、各配置点Ｐ（Ｘ＋），Ｐ（Ｘ−），Ｐ（Ｙ＋），Ｐ（Ｙ−）は、図３０において反時計まわりに回転変位し、当該変位は、図１８に示すとおり、α軸方向への変位に相当するので、いずれの変位センサからも、変位Ｄαが検出値Ｃｂの正の変動として出力される。図３１のテーブルにおける「Ｍｚ」の列の４つの検出値Ｃｂ（Ｘ＋），Ｃｂ（Ｘ−），Ｃｂ（Ｙ＋），Ｃｂ（Ｙ−）の各欄が「＋」となっているのはこのためである。
【０１４５】
この図３１に示す各検出値の変動テーブルは、上述したとおり、＋Ｆｘ，＋Ｆｙ，＋Ｆｚなる正の力成分および＋Ｍｘ，＋Ｍｙ，＋Ｍｚなる正のモーメント成分が単独で作用した場合に、各検出値Ｃａ，Ｃｂの変動態様を示すものであるが、負の力成分−Ｆｘ，−Ｆｙ，−Ｆｚや負のモーメント成分−Ｍｘ，−Ｍｙ，−Ｍｚが作用した場合の変動態様は、符号「＋」と「−」を逆転させたものになる。
【０１４６】
また、この変動テーブルでは、変動量の符号（検出値の増減）が「＋」もしくは「−」により示されているだけであるが、４組の変位センサとしては、同一の構造（電極の形状および大きさ）を有するものが用いられており、かつ、図２１に示すように、そのＸＹ平面上への投影像が原点Ｏに関して点対称となっているため、互いに対称位置に配置された変位センサについて生じる変動も対称性をもったものになる。たとえば、「Ｆｘ」の列のＣｂ（Ｙ＋）の欄は「−」，Ｃｂ（Ｙ−）の欄は「＋」となっており、一方が減少すると他方は増加する関係が示されているが、変位センサＳ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）は原点Ｏに関して点対称となるように配置された同一の構造を有するセンサであるから、変動量の絶対値は等しくなる。
【０１４７】
このような点を考慮すれば、上方基板１００の原点Ｏの位置に作用した力のＸ軸方向成分をＦｘ、Ｙ軸方向成分をＦｙ、Ｚ軸方向成分をＦｚとし、上方基板１００の原点Ｏの位置に作用したモーメントのＸ軸まわり成分をＭｘ、Ｙ軸まわり成分をＭｙ、Ｚ軸まわり成分をＭｚとすれば、これら各６成分の値は、図３２に示す演算式で与えられることがわかる。
【０１４８】
たとえば、Ｆｘについては、「Ｆｘ＝Ｃｂ（Ｙ−）−Ｃｂ（Ｙ＋）」なる演算式が示されているが、これは、図３１のテーブルにおける「Ｆｘ」の列において「＋」記号が示されている検出値Ｃｂ（Ｙ−）と、「−」記号が示されている検出値Ｃｂ（Ｙ＋）との差を求める演算を示している。同様に、Ｆｙについては、「Ｆｙ＝Ｃｂ（Ｘ＋）−Ｃｂ（Ｘ−）」なる演算式が示されているが、これは、図３１のテーブルにおける「Ｆｙ」の列において「＋」記号が示されている検出値Ｃｂ（Ｘ＋）と、「−」記号が示されている検出値Ｃｂ（Ｘ−）との差を求める演算を示している。また、Ｆｚについては、「Ｆｚ＝Ｃａ（Ｘ＋）＋Ｃａ（Ｘ−）＋Ｃａ（Ｙ＋）＋Ｃａ（Ｙ−）」なる演算式が示されているが、これは、図３１のテーブルにおける「Ｆｚ」の列において「＋」記号が示されている検出値Ｃａ（Ｘ＋），Ｃａ（Ｘ−），Ｃａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の和を求める演算を示している。
【０１４９】
一方、Ｍｘについては、「Ｍｘ＝Ｃａ（Ｙ＋）−Ｃａ（Ｙ−）」なる演算式が示されているが、これは、図３１のテーブルにおける「Ｍｘ」の列において「＋」記号が示されている検出値Ｃａ（Ｙ＋）と、「−」記号が示されている検出値Ｃａ（Ｙ−）との差を求める演算を示している。同様に、Ｍｙについては、「Ｍｙ＝Ｃａ（Ｘ−）−Ｃａ（Ｘ＋）」なる演算式が示されているが、これは、図３１のテーブルにおける「Ｍｙ」の列において「＋」記号が示されている検出値Ｃａ（Ｘ−）と、「−」記号が示されている検出値Ｃａ（Ｘ＋）との差を求める演算を示している。また、Ｍｚについては、「Ｍｚ＝Ｃｂ（Ｘ＋）＋Ｃｂ（Ｘ−）＋Ｃｂ（Ｙ＋）＋Ｃｂ（Ｙ−）」なる演算式が示されているが、これは、図３１のテーブルにおける「Ｍｚ」の列において「＋」記号が示されている検出値Ｃｂ（Ｘ＋），Ｃｂ（Ｘ−），Ｃｂ（Ｙ＋），Ｃｂ（Ｙ−）の和を求める演算を示している。
【０１５０】
なお、作用した力やモーメントの大きさが、予め設定した所定の測定可能レンジ内のものであれば、上方基板１００の変位を、バネ３１０〜３４０などの接続部材の可撓性部分による弾性変形がフックの法則を満足する範囲内に抑えることができ、作用した力やモーメントの大きさと、そのときに生じる変位量との間には線形関係が得られる。更に、変位量が所定の許容範囲内であれば、生じた変位量と容量素子を構成する有効電極面積の変化との関係、もしくは、生じた変位量と容量素子を構成する電極間距離の変化との関係が、線形関係になるので、各変位センサの検出値Ｃａ，Ｃｂの変動量も、作用した力やモーメントの大きさに比例するものとなる。したがって、所定の測定可能レンジ内の力やモーメントの測定に用いる限り、図３２に示す演算式によって得られる値は、線形な測定値を示すものになる。
【０１５１】
結局、上述した第１の実施形態に係る力検出装置の場合、図１７に示す検出ユニットＵは、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）から与えられる各検出値に基づいて、図３２の演算式に基づく演算を行い、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６成分の検出値を求め、これを電気信号として出力する処理を行うことになる。もちろん、これら６成分のすべてが必要ではない場合には、所望の成分のみについて演算を行い、これを出力すればよい。本発明に係る力検出装置は、これら６成分のうちの少なくとも１つを検出する機能をもっていればよい。
【０１５２】
また、６成分の一部のみが必要な場合は、設ける変位センサの数も減らすことが可能である。たとえば、ＦｙとＭｙの２成分のみの検出を行う力検出装置の場合、変位センサＳ（Ｘ＋）とＳ（Ｘ−）と用意すれば、必要な演算が可能になるので、変位センサＳ（Ｙ＋）とＳ（Ｙ−）とを省略することができる。
【０１５３】
なお、原理的には、４組の変位センサとしては、必ずしも同一の構造（電極の形状および大きさ）を有するものを用いる必要はなく、また、必ずしもＸＹ平面上への投影像が原点Ｏに関して点対称となるように配置する必要はない。ただ、各センサの電極形状および大きさがそれぞれ異なり、配置の対称性も確保されていないと、個々のセンサごとに検出感度が異なることになるので、図３２に示す演算式をそのまま適用することはできず、個々のセンサの検出値にそれぞれ固有の感度補正係数を乗じる必要が生じる。したがって、実用上は、各変位センサとしては、同一構造（電極の形状および大きさ）を有するものを用い、ＸＹ平面上への投影像が原点Ｏに関して点対称となるような配置を行うのが好ましい。
【０１５４】
＜＜＜ §５．力検出装置の別な実施形態 ＞＞＞
＜５−１：本発明に係る力検出装置の特徴＞
さて、§４では、本発明に係る力検出装置の第１の実施形態について、必要な変位センサの配置や、これら変位センサの出力に基づく検出処理の内容を説明した。具体的には、この第１の実施形態では、図２１の投影図に示すように、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）を配置し、これら４組の変位センサによって得られる各検出値Ｃａ，Ｃｂの値が、図３１のテーブルに示すような変動を生じることを利用して、図３２に示すような演算を行うことにより、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚの６成分を検出することになる。もちろん、このような変位センサの固有の配置や具体的な検出処理は、本発明の一実施形態であり、本発明に係る力検出装置は、この他にも様々な実施形態で実施可能である。
【０１５５】
本発明に係る力検出装置の基本的な特徴は、前述したとおり、図１７上段に示すような基本的な構造体に、複数Ｎ組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）と、検出ユニットＵとを付加した点にある。ここで、複数Ｎ組の変位センサは、§１，§２で説明したとおり、上方基板１００の下面に形成された第１の上方電極Ｅ１１および第２の上方電極Ｅ１２と、下方基板２００の上面に形成された第１の下方電極Ｅ２１および第２の下方電極Ｅ２２と、検出回路Ｈと、によって構成される。そして、上方基板１００内の所定のＮ箇所には、それぞれローカルなαβγ三次元直交座標系の原点Ｑが定義され、複数Ｎ組の変位センサは、この上方基板１００の各ローカル原点Ｑの位置についてのγ軸方向の変位Ｄγおよびα軸方向の変位Ｄαを検出できるように配置される。
【０１５６】
また、図１７上段に示すように、上方基板１００内の所定位置にグローバル原点Ｏを定義し、このグローバル原点Ｏを含み、上方基板１００の基板面に平行な平面上に、グローバル原点Ｏを通り互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定義し、グローバル原点Ｏを通りＸＹ平面に対して直交するＺ軸を定義し、グローバルなＸＹＺ三次元直交座標系を定義した場合に、検出ユニットＵは、複数Ｎ組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（Ｎ）の各検出回路Ｈから出力される変位についての検出信号に基づいて、上方基板１００の原点Ｏの位置に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘ、Ｙ軸方向成分Ｆｙ、Ｚ軸方向成分Ｆｚ、および上方基板１００の原点Ｏの位置に作用したモーメントのＸ軸まわり成分Ｍｘ、Ｙ軸まわり成分Ｍｙ、Ｚ軸まわり成分Ｍｚの６成分のうちの少なくとも１つを検出する機能を果たす。
【０１５７】
ここで、§４で説明した第１の実施形態は、Ｎ＝４として、４組の変位センサを用意し、図１８に示すように、第１のセンサＳ（Ｘ＋）のローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２のセンサＳ（Ｘ−）のローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３のセンサＳ（Ｙ＋）のローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４のセンサＳ（Ｙ−）のローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、第１のセンサＳ（Ｘ＋）のα軸正方向がＹ軸正方向を向き、第２のセンサＳ（Ｘ−）のα軸正方向がＹ軸負方向を向き、第３のセンサＳ（Ｙ＋）のα軸正方向がＸ軸負方向を向き、第４のセンサＳ（Ｙ−）のα軸正方向がＸ軸正方向を向くように、４組のセンサを配置した形態、ということになる。
【０１５８】
ここでは、変位センサの配置を変えたいくつかの別な実施形態を述べる。これらの各実施形態と、§４で述べた第１の実施形態との相違は、変位センサＳの配置と検出ユニットＵで行われる検出処理（演算処理）の内容だけであり、上方基板１００，下方基板２００，接続部材（バネ）３１０〜３４０の構成は全く同じである。もちろん、この§５で述べる各実施形態も、本発明に係る力検出装置の実用的な形態を例示するものであり、本発明は、ここに述べた形態以外にも、様々な形態で実施可能である。
【０１５９】
なお、本願明細書では、「上方基板」や「下方基板」というように、「上下」という文言を用いて装置の説明を行っているが、ここで「上下」の概念を用いているのは、装置を図１や図１７に示すように配置した状態で、その構造を説明するための便宜であり、もちろん実用上は、必ずしも「上方基板」が「下方基板」の上方にくるように設置する必要はない。また、本願明細書では、「下方基板」を固定した状態で「上方基板」に作用した力を検出する例を説明しているが、「一方を固定したときの他方の変位」という概念は、あくまでも相対的なものであり、本発明に係る力検出装置が、「上方基板」を固定した状態で「下方基板」に作用した力を検出できることは自明の理である。
【０１６０】
＜５−２：第２の実施形態＞
図３３は、本発明に係る力検出装置の第２の実施形態の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図であり（バネは図示省略）、図３４は、図３３に示す８組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。図示のとおり、この第２の実施形態では、８組の変位センサが配置される。これら８組の変位センサのうちの４組は内側に配置されており、ここでは内側センサと呼ぶ。残りの４組は外側に配置されており、ここでは外側センサと呼ぶ。８箇所の配置点に定義されたαβγ三次元座標系のα軸およびβ軸の向きは、図３４に示すとおり、個々の配置点ごとに異なるが、γ軸はいずれもＺ軸に平行な方向（図３４の紙面に垂直な方向）であり、上方基板１００から上方に向かう方向がγ軸の正方向となる。
【０１６１】
４組の内側センサＳ（Ｘ１＋），Ｓ（Ｘ１−），Ｓ（Ｙ１＋），Ｓ（Ｙ１−）は、それぞれＸ軸の正領域上、負領域上、Ｙ軸の正領域上、負領域上に定義された配置点Ｐ（Ｘ１＋），Ｐ（Ｘ１−），Ｐ（Ｙ１＋），Ｐ（Ｙ１−）がローカル原点Ｑとなる位置に配置され、その向きは、図３４に示す各αβγローカル座標系に応じた向きになっている。これら４組の内側センサの向きは、図２１に示す第１の実施形態における４組の変位センサの向きと一致する。別言すれば、図３３に示す４組の内側センサＳ（Ｘ１＋），Ｓ（Ｘ１−），Ｓ（Ｙ１＋），Ｓ（Ｙ１−）は、それぞれ図２１に示す変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）を原点Ｏに若干近づけて配置したものと言うことができる。
【０１６２】
一方、４組の外側センサＳ（Ｘ２＋），Ｓ（Ｘ２−），Ｓ（Ｙ２＋），Ｓ（Ｙ２−）は、それぞれＸ軸の正領域上、負領域上、Ｙ軸の正領域上、負領域上に定義された配置点Ｐ（Ｘ２＋），Ｐ（Ｘ２−），Ｐ（Ｙ２＋），Ｐ（Ｙ２−）がローカル原点Ｑとなる位置に配置され、その向きは、図３４に示す各αβγローカル座標系に応じた向きになっている。これら４組の外側センサの向きは、それぞれ隣接配置された内側センサの向きと逆になっている。たとえば、図３４において、外側センサの配置点Ｐ（Ｘ２＋）のα軸正方向と、これに隣接する内側センサの配置点Ｐ（Ｘ１＋）のα軸正方向とは逆になっている。そのため、図３３における内側センサＳ（Ｘ１＋）の向きと外側センサＳ（Ｘ２＋）の向きは逆になっている。その他の隣接する内側センサ／外側センサの対についても、同様に向きが逆になっている。
【０１６３】
なお、４組の内側センサの配置点Ｐ（Ｘ１＋），Ｐ（Ｘ１−），Ｐ（Ｙ１＋），Ｐ（Ｙ１−）は、原点Ｏから等距離（第１の距離）にあり、４組の外側センサの配置点Ｐ（Ｘ２＋），Ｐ（Ｘ２−），Ｐ（Ｙ２＋），Ｐ（Ｙ２−）も、原点Ｏから等距離（第１の距離よりも大きい第２の距離）にある。
【０１６４】
結局、この第２の実施形態に係る力検出装置は、ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離だけ離れた位置にくるように配置された４組の内側センサと、ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離れた位置にくるように配置された４組の外側センサと、を有していることになる。
【０１６５】
ここで、第１の内側センサＳ（Ｘ１＋）のローカル原点ＱはＸ軸の正領域上に位置し、第２の内側センサＳ（Ｘ１−）のローカル原点ＱはＸ軸の負領域上に位置し、第３の内側センサＳ（Ｙ１＋）のローカル原点ＱはＹ軸の正領域上に位置し、第４の内側センサＳ（Ｙ１−）のローカル原点ＱはＹ軸の負領域上に位置している。そして、第１の内側センサＳ（Ｘ１＋）のα軸正方向がＹ軸正方向を向き、第２の内側センサＳ（Ｘ１−）のα軸正方向がＹ軸負方向を向き、第３の内側センサＳ（Ｙ１＋）のα軸正方向がＸ軸負方向を向き、第４の内側センサＳ（Ｙ１−）のα軸正方向がＸ軸正方向を向くように、これら４組の内側センサが配置されている。
【０１６６】
一方、第１の外側センサＳ（Ｘ２＋）のローカル原点ＱはＸ軸の正領域上に位置し、第２の外側センサＳ（Ｘ２−）のローカル原点ＱはＸ軸の負領域上に位置し、第３の外側センサＳ（Ｙ２＋）のローカル原点ＱはＹ軸の正領域上に位置し、第４の外側センサＳ（Ｙ２−）のローカル原点ＱはＹ軸の負領域上に位置している。そして、第１の外側センサＳ（Ｘ２＋）のα軸正方向が第１の内側センサＳ（Ｘ１＋）のα軸負方向を向き、第２の外側センサＳ（Ｘ２−）のα軸正方向が第２の内側センサＳ（Ｘ１−）のα軸負方向を向き、第３の外側センサＳ（Ｙ２＋）のα軸正方向が第３の内側センサＳ（Ｙ１＋）のα軸負方向を向き、第４の外側センサＳ（Ｙ２−）のα軸正方向が第４の内側センサＳ（Ｙ１−）のα軸負方向を向くように、これら４組の外側センサが配置されている。
【０１６７】
この第２の実施形態の場合、上方基板１００に力が作用した場合の各変位センサの検出値Ｃａ，Ｃｂの変動量は、図３５のテーブルに示すようになる。このテーブルでも、各検出値Ｃａ，Ｃｂの記号の後ろに、（Ｘ１＋），（Ｘ２＋）等の符号を付記して、どの変位センサによる検出値であるかを区別できるようにしてあり、「０」は変動なし、「＋」は正の変動、「−」は負の変動が生じることを示している。
【０１６８】
この図３５のテーブルにおいて、４組の内側センサＳ（Ｘ１＋），Ｓ（Ｘ１−），Ｓ（Ｙ１＋），Ｓ（Ｙ１−）の変動は、図３１のテーブルに示す４組のセンサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）の変動と全く同じである。これは、前述したとおり、図３３に示す４組の内側センサは、それぞれ図２１に示す４組の変位センサを原点Ｏに若干近づけて配置したセンサであるためである。一方、４組の外側センサＳ（Ｘ２＋），Ｓ（Ｘ２−），Ｓ（Ｙ２＋），Ｓ（Ｙ２−）の変動は、「Ｆｚ」の列を除いて、それぞれ対応する４組の内側センサＳ（Ｘ１＋），Ｓ（Ｘ１−），Ｓ（Ｙ１＋），Ｓ（Ｙ１−）の変動の符号を逆転させたものになっている。これは、これら４組の外側センサの向きが、それぞれ隣接配置された内側センサの向きと逆になっているためである。
【０１６９】
この実施形態の場合も、８組の変位センサは同一のセンサであり、そのＸＹ平面上への投影像が原点Ｏに関して点対称となるような配置がなされている。したがって、上方基板１００の原点Ｏの位置に力が作用した場合、図３５のテーブルの各欄に示す変動結果を踏まえれば、作用した力の６成分の値は、図３６に示す演算式で与えられることになる。なお、前述したとおり、センサの同一性や配置の対称性が確保されていない場合には、個々のセンサの検出値にそれぞれ固有の感度補正係数を乗じる必要がある。
【０１７０】
第１の実施形態に係る図３２の演算式と、第２の実施形態に係る図３６の演算式とを比べると、Ｆｚの演算式を除いて、前者における各項が、後者では差分項に置き換えられていることがわかる。たとえば、Ｆｘの演算式の場合、前者における項「Ｃｂ（Ｙ−）」，「Ｃｂ（Ｙ＋）」は、後者では、それぞれ差分項「Ｃｂ（Ｙ１−）−Ｃｂ（Ｙ２−）」，「Ｃｂ（Ｙ１＋）−Ｃｂ（Ｙ２＋）」に置き換えられている。これらの差分項は、隣接配置された内側センサと外側センサとについての検出値の差を示すものである。
【０１７１】
隣接配置された内側センサと外側センサとは、向きが逆になっているため、力成分Ｆｚを検出する場合を除いて、両者は相補的な検出値を出力することになる。このため、Ｆｚを除く５成分の検出には、図３６の各演算式に示すように、差分値を利用した検出が可能になる。このような差分値を利用した検出は、検出精度を高めるために有効である。たとえば、この力検出装置の設置場所の温度環境が変化すると、温度変化に起因して装置各部の材質に膨張・収縮が生じ、容量素子を構成する電極面積や電極間距離に変動が生じることになる。差分値を利用した検出を行えば、このような温度変動に基づいて生じる測定誤差を相殺することができるので、より正確な検出値を得ることができる。これが、ここで述べた第２の実施形態のメリットである。
【０１７２】
＜５−３：第３の実施形態＞
図３７は、本発明に係る力検出装置の第３の実施形態の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図であり（バネは図示省略）、図３８は、図３７に示す各変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。図示のとおり、この第３の実施形態では、前述した第１の実施形態と同様に４組の変位センサが用いられるが、その配置が若干異なっている。すなわち、４組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（４）のＸＹ平面上の投影像は、図３７に示すとおり、それぞれＸＹ座標系の第１象限〜第４象限に位置する。
【０１７３】
より具体的には、ＸＹ平面上に、原点Ｏを通りＸ軸およびＹ軸に対して４５°をなす２本の斜め方向軸Ｗ１，Ｗ２を定義した場合、変位センサＳ（１），Ｓ（３）は、Ｗ１軸上に定義された配置点Ｐ（１），Ｐ（３）がローカル原点Ｑとなる位置に配置され、変位センサＳ（２），Ｓ（４）はＷ２軸上に定義された配置点Ｐ（２），Ｐ（４）がローカル原点Ｑとなる位置に配置される。ここで、各配置点Ｐ（１）〜Ｐ（４）は、原点Ｏから等距離の点である。これら４箇所の配置点に定義されたαβγ三次元座標系のα軸およびβ軸の向きは、図３８に示すとおり、個々の配置点ごとに異なるが、γ軸はいずれもＺ軸に平行な方向（図３８の紙面に垂直な方向）であり、上方基板１００から上方に向かう方向がγ軸の正方向となる。
【０１７４】
結局、この第３の実施形態に係る力検出装置は、４組の変位センサを有し、図３７に示すＸＹ平面上への投影図において、第１のセンサＳ（１）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２のセンサＳ（２）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３のセンサＳ（３）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第３象限に位置し、第４のセンサＳ（４）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第４象限に位置することになる。また、図３８に示すとおり、配置点Ｐ（１）に配置された第１のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、配置点Ｐ（２）に配置された第２のセンサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、配置点Ｐ（３）に配置された第３のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向を向き、配置点Ｐ（４）に配置された第４のセンサのα軸正方向がＹ軸正方向を向くように、これら４組のセンサが配置されていることになる。
【０１７５】
この第３の実施形態の場合、上方基板１００に力が作用した場合の各変位センサの検出値Ｃａ，Ｃｂの変動量は、図３９のテーブルに示すようになる。このテーブルでは、各検出値Ｃａ，Ｃｂの記号の後ろに、（１）〜（４）の符号を付記して、どの変位センサによる検出値であるかを区別できるようにしてある。各欄の符号「０」は変動なし、「＋」は正の変動、「−」は負の変動が生じることを示している。なお、図３７に示す４組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（４）による各検出値Ｃａ，Ｃｂの変動結果が、図３９のテーブルの各欄に示すようになる個々の理由については、ここでは説明を省略する。これらの理由は、各配置点Ｐ（１）〜Ｐ（４）の変位方向と、各配置点Ｐ（１）〜Ｐ（４）に定義されたα軸の向きとを考慮すれば、これまでの説明から容易に理解できよう。
【０１７６】
この実施形態の場合も、４組の変位センサＳ（１）〜Ｓ（４）は同一のセンサであり、そのＸＹ平面上への投影像が原点Ｏに関して点対称となるような配置がなされている。したがって、上方基板１００の原点Ｏの位置に力が作用した場合、図３９のテーブルの各欄に示す変動結果を踏まえれば、作用した力の６成分の値は、図４０に示す演算式で与えられることになる。なお、前述したとおり、センサの同一性や配置の対称性が確保されていない場合には、個々のセンサの検出値にそれぞれ固有の感度補正係数を乗じる必要がある。
【０１７７】
図２１に示す第１の実施形態における４組の変位センサの配置と、図３７に示す第３の実施形態における４組の変位センサの配置と、を比較すると、後者は前者の配置をＺ軸を回転軸として反時計回りに４５°回転させたものであることがわかる。別言すれば、第３の実施形態において、Ｗ１軸をＸ軸として取り扱い、Ｗ２軸をＹ軸として取り扱えば、Ｗ１，Ｗ２軸方向の力成分や、Ｗ１，Ｗ２軸まわりのモーメント成分の検出も可能になる（センサの向きが４５°傾斜しているので、演算が複雑になり、配慮が必要である）。
【０１７８】
＜５−４：第４の実施形態＞
図４１は、本発明に係る力検出装置の第４の実施形態の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図であり（バネは図示省略）、図４２は、図４１に示す各変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。この第４の実施形態では、３組の変位センサのみが用いられており、その配置は図示のとおりである。
【０１７９】
すなわち、ＸＹ平面上に、原点Ｏを中心にＸ軸を反時計回りに３０°回転させることによって得られる斜め方向軸Ｗ３と、原点Ｏを中心にＸ軸を反時計回りに１５０°回転させることによって得られる斜め方向軸Ｗ４と、を定義する。これら２本の斜め方向軸Ｗ３，Ｗ４は、結局、Ｘ軸に対して３０°の角度をなすことになる。ここで、軸Ｗ３の正領域の軸線，軸Ｗ４の正領域の軸線、Ｙ軸の負領域の軸線に着目すると、これらの各軸線は相互に１２０°の角度をなしている。３組の変位センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）は、この１２０°の角度をなす３つの軸線上に定義された配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）がローカル原点Ｑとなる位置に配置される。ここで、各配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）は、原点Ｏから等距離の点である。これら３箇所の配置点に定義されたαβγ三次元座標系のα軸およびβ軸の向きは、図４２に示すとおり、個々の配置点ごとに異なるが、γ軸はいずれもＺ軸に平行な方向（図４２の紙面に垂直な方向）であり、上方基板１００から上方に向かう方向がγ軸の正方向となる。
【０１８０】
結局、この第４の実施形態に係る力検出装置は、３組の変位センサを有し、図４１に示すＸＹ平面上への投影図において、第１のセンサＳ（１１）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２のセンサＳ（１２）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３のセンサＳ（１３）のローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置することになる。また、図４２に示すとおり、配置点Ｐ（１１）に配置された第１のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向（図の右下方向）を向き、配置点Ｐ（１２）に配置された第２のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向（図の右上方向）を向き、配置点Ｐ（１３）に配置された第３のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向（図の左方向）を向くように、これら３組のセンサが配置されていることになる。
【０１８１】
この第４の実施形態の場合、上方基板１００に力が作用した場合の各変位センサの検出値Ｃａ，Ｃｂの変動量は、図４３のテーブルに示すようになる。このテーブルでは、各検出値Ｃａ，Ｃｂの記号の後ろに、（１１）〜（１３）の符号を付記して、どの変位センサによる検出値であるかを区別できるようにしてある。各欄の符号「０」は変動なし、「＋」は正の変動、「−」は負の変動が生じることを示している。このテーブルの各欄に示すような結果が得られる個々の理由については、ここでは説明を省略するが、各配置点Ｐ（１１）〜Ｐ（１３）の変位方向と、各配置点Ｐ（１１）〜Ｐ（１３）に定義されたα軸の向きとを考慮すれば、これまでの説明から容易に理解できよう。
【０１８２】
この実施形態の場合も、３組の変位センサＳ（１１）〜Ｓ（１３）は同一のセンサである。各センサのＸＹ平面上への投影像は、原点Ｏに関して点対称ではないが、図４１に示すように、各センサを原点Ｏを中心として１２０°回転させると元の配置に重なるような配置がなされている。したがって、上方基板１００の原点Ｏの位置に力が作用した場合、図４３のテーブルの各欄に示す変動結果を踏まえれば、作用した力の６成分の値は、図４４に示す演算式で与えられることになる。ここで、Ｋ１，Ｋ２は、３組の変位センサの検出感度を補正するための感度補正係数である。
【０１８３】
図示の例の場合、上述したとおり、軸Ｗ３，Ｗ４が、Ｘ軸に対して３０°の角度をなすように定義されているため、図４４の演算式において、ＦｘおよびＭｘの式についてのみ感度補正係数Ｋ１，Ｋ２を用いれば足りるが、一般に、軸Ｗ３，Ｗ４のＸ軸に対する角度が任意の場合には、各検出値について、それぞれ固有の感度補正係数を用いた調整が必要になる。図４５に示す演算式は、このような一般的な配置の場合に用いられる演算式であり、Ｋ１１〜Ｋ２６は、各検出値について乗じる固有の感度補正係数である。
【０１８４】
＜５−５：第５の実施形態＞
図４６は、本発明に係る力検出装置の第５の実施形態に用いられる６組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。この図４６に示されている配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）は、図４２に示されている各配置点と全く同じであり、各配置点について定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置方向も全く同じである。
【０１８５】
この第５の実施形態では、これら配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）の内側（原点Ｏに近い側）に、新たな配置点Ｐ（２１），Ｐ（２２），Ｐ（２３）が定義され、それぞれについて、ローカルなαβγ三次元座標系が定義されている。ここで、外側の配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）は、いずれも原点Ｏから等距離にあり、内側の配置点Ｐ（２１），Ｐ（２２），Ｐ（２３）も点Ｏから等距離にある。また、内側の配置点Ｐ（２１），Ｐ（２２），Ｐ（２３）についてのα軸は、隣接する外側の配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）についてのα軸とは逆方向を向くようになっている。なお、γ軸はいずれもＺ軸に平行な方向（図４６の紙面に垂直な方向）であり、上方基板１００から上方に向かう方向がγ軸の正方向となる。
【０１８６】
ここでは、この第５の実施形態の各電極配置を示すＸＹ平面上への正射影投影図は省略するが、図４１に示す３組のセンサＳ（１１）〜Ｓ（１３）を外側センサとして、その内側に、３組の内側センサＳ（２１）〜Ｓ（２３）を逆向きに配置した構成をとることになる。
【０１８７】
要するに、この第５の実施形態に係る力検出装置は、ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離だけ離れた位置にくるように配置された３組の内側センサＳ（２１）〜Ｓ（２３）と、ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離れた位置にくるように配置された３組の外側センサＳ（１１）〜Ｓ（１３）と、を有することになる。
【０１８８】
ここで、第１の外側センサＳ（１１）のローカル原点Ｑは、ＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の外側センサＳ（１２）のローカル原点Ｑは、ＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の外側センサＳ（１３）のローカル原点Ｑは、Ｙ軸の負領域上に位置しており、第１の外側センサＳ（１１）のα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第２の外側センサＳ（１２）のα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第３の外側センサＳ（１３）のα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、３組の外側センサが配置されている。
【０１８９】
また、第１の内側センサＳ（２１）のローカル原点Ｑは、ＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の内側センサＳ（２２）のローカル原点Ｑは、ＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の内側センサＳ（２３）のローカル原点Ｑは、Ｙ軸の負領域上に位置しており、第１の内側センサＳ（２１）のα軸正方向が第１の外側センサＳ（１１）のα軸負方向を向き、第２の内側センサＳ（２２）のα軸正方向が第２の外側センサＳ（１２）のα軸負方向を向き、第３の内側センサＳ（２３）のα軸正方向が第３の外側センサＳ（１３）のα軸負方向を向くように、３組の内側センサが配置されている。
【０１９０】
この第５の実施形態の場合、上方基板１００に力が作用した場合の各変位センサの検出値Ｃａ，Ｃｂの変動量は、図４７のテーブルに示すようになる。このテーブルでは、各検出値Ｃａ，Ｃｂの記号の後ろに、（１１）〜（２３）の符号を付記して、どの変位センサによる検出値であるかを区別できるようにしてある。各欄の符号「０」は変動なし、「＋」は正の変動、「−」は負の変動が生じることを示している。
【０１９１】
この図４７のテーブルにおいて、３組の外側センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の変動は、図４３のテーブルに示すそれぞれセンサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の変動と全く同じである。また、図４７のテーブルにおいて、３組の内側センサＳ（２１），Ｓ（２２），Ｓ（２３）の検出値Ｃａの変動は、それぞれ外側センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の検出値Ｃａの変動と同じになり、３組の内側センサＳ（２１），Ｓ（２２），Ｓ（２３）の検出値Ｃｂの変動は、それぞれ外側センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の検出値Ｃａの変動の符号を逆転させたものになっている。これは、隣接配置された内側センサと外側センサとを比べると、γ軸の方向は同一であるが、α軸の方向が逆になっているためである。
【０１９２】
この実施形態の場合も、６組の変位センサＳ（１１）〜Ｓ（２３）は同一のセンサである。各センサのＸＹ平面上への投影像は、原点Ｏに関して点対称ではないが、各センサを原点Ｏを中心として１２０°回転させると元の配置に重なるような配置がなされている。したがって、上方基板１００の原点Ｏの位置に力が作用した場合、図４７のテーブルの各欄に示す変動結果を踏まえれば、作用した力の６成分の値は、図４８に示す演算式で与えられることになる。ここで、Ｋ１，Ｋ２は、３組の変位センサの検出感度を補正するための感度補正係数である。
【０１９３】
図４６に示すとおり、軸Ｗ３，Ｗ４が、Ｘ軸に対して３０°の角度をなすように定義されているため、図４８の演算式では、ＦｘおよびＭｘの式についてのみ感度補正係数Ｋ１，Ｋ２を用いれば足りるが、一般に、軸Ｗ３，Ｗ４のＸ軸に対する角度が任意の場合には、各検出値について、それぞれ固有の感度補正係数を用いた調整が必要になる。
【０１９４】
第５の実施形態に係る図４８の演算式と、第４の実施形態に係る図４４の演算式とを比べると、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚの演算式については、前者における各項が、後者では差分項に置き換えられていることがわかる。たとえば、Ｆｘの演算式の場合、前者における項「Ｃｂ（１１）」，「Ｃｂ（１２）」，「Ｃｂ（１３）」は、後者では、それぞれ差分項「Ｃｂ（１１）−Ｃｂ（２１）」，「Ｃｂ（１２）−Ｃｂ（２２）」，「Ｃｂ（１３）−Ｃｂ（２３）」に置き換えられている。これらの差分項は、隣接配置された内側センサと外側センサとについての検出値の差を示すものである。
【０１９５】
隣接配置された内側センサと外側センサとは、向きが逆になっているため、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚの演算式に関しては、両者は相補的な検出値を出力することになる。このため、これら３成分の検出には、図４８の各演算式に示すように、差分値を利用した検出が可能になる。このような差分値を利用した検出が、検出精度を高めるために有効であることは既に述べたとおりである。
【０１９６】
＜５−６：第６の実施形態＞
図４９は、本発明に係る力検出装置の第６の実施形態に用いられる６組の変位センサのそれぞれについて定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置を示す平面図である。この図４９に示されている３つの配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）は、図４２に示されている各配置点と全く同じであり、各配置点について定義されたローカルなαβγ三次元座標系の配置方向も全く同じである。
【０１９７】
この第６の実施形態では、これら配置点Ｐ（１１），Ｐ（１２），Ｐ（１３）について、ＸＹ平面上で原点Ｏに関して点対称となる位置に、それぞれ新たな配置点Ｐ（３１），Ｐ（３２），Ｐ（３３）が定義され、それぞれについて、ローカルなαβγ三次元座標系が定義されている。ここで、６個の配置点Ｐ（１１）〜Ｐ（３２）は、いずれも原点Ｏから等距離にある。また、互いに点対称となる位置に配置された一対の配置点については、αβγローカル座標系もＸＹ平面上で点対称となるように定義されており、α軸は互いに逆方向を向くようになっている。なお、γ軸はいずれもＺ軸に平行な方向（図４９の紙面に垂直な方向）であり、上方基板１００から上方に向かう方向がγ軸の正方向となる。
【０１９８】
ここでは、この第６の実施形態の各電極配置を示すＸＹ平面上への正射影投影図は省略するが、図４１に示す３組のセンサＳ（１１）〜Ｓ（１３）を主センサとして、それぞれについて、ＸＹ平面上で原点Ｏに関して点対称となる位置に、３組の副センサＳ（３１）〜Ｓ（３３）を配置した構成をとることになる。
【０１９９】
このように、この第６の実施形態に係る力検出装置は、３組の主センサＳ（１１）〜Ｓ（１３）と、３組の副センサＳ（３１）〜Ｓ（３３）と、を有している。ここで、第１の主センサＳ（１１）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の主センサＳ（１２）のローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の主センサＳ（１３）のローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、第１の主センサＳ（１１）のα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第２の主センサＳ（１２）のα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、第３の主センサＳ（１３）のα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、３組の主センサが配置されている。
【０２００】
また、第１の副センサＳ（３１）のローカル原点Ｑが第１の主センサＳ（１１）のローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第２の副センサＳ（３２）のローカル原点Ｑが第２の主センサＳ（１２）のローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第３の副センサＳ（３３）のローカル原点Ｑが第３の主センサＳ（１３）のローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第１の副センサＳ（３１）のα軸正方向が第１の主センサＳ（１１）のα軸負方向を向き、第２の副センサＳ（３２）のα軸正方向が第２の主センサＳ（１２）のα軸負方向を向き、第３の副センサＳ（３３）のα軸正方向が第３の主センサＳ（１３）のα軸負方向を向くように、３組の副センサが配置されている。
【０２０１】
この第６の実施形態の場合、上方基板１００に力が作用した場合の各変位センサの検出値Ｃａ，Ｃｂの変動量は、図５０のテーブルに示すようになる。このテーブルでは、各検出値Ｃａ，Ｃｂの記号の後ろに、（１１）〜（３３）の符号を付記して、どの変位センサによる検出値であるかを区別できるようにしてある。各欄の符号「０」は変動なし、「＋」は正の変動、「−」は負の変動が生じることを示している。
【０２０２】
この図５０のテーブルにおいて、３組の主センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の変動は、図４３のテーブルに示すそれぞれセンサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の変動と全く同じである。また、図５０のテーブルにおいて、３組の副センサＳ（３１），Ｓ（３２），Ｓ（３３）の検出値Ｃａの変動は、「Ｆｚ」の列に関しては、それぞれ主センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の検出値Ｃａの変動と同じになり、「Ｍｘ」，「Ｍｙ」の列に関しては、それぞれ主センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の検出値Ｃａの変動の符号を逆転させたものとなっている。一方、３組の副センサＳ（３１），Ｓ（３２），Ｓ（３３）の検出値Ｃｂの変動は、「Ｍｚ」の列に関しては、それぞれ主センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の検出値Ｃｂの変動と同じになり、「Ｆｘ」，「Ｆｙ」の列に関しては、それぞれ主センサＳ（１１），Ｓ（１２），Ｓ（１３）の検出値Ｃｂの変動の符号を逆転させたものとなっている。このようになる理由は、図４９に示す各配置点Ｐ（１１）〜Ｐ（３３）の変位方向と、各配置点Ｐ（１１）〜Ｐ（３３）に定義されたα軸，γ軸の向きとを考慮すれば、これまでの説明から容易に理解できよう。
【０２０３】
この実施形態の場合も、６組の変位センサＳ（１１）〜Ｓ（３３）は同一のセンサである。各センサのＸＹ平面上への投影像は、原点Ｏに関して点対称ではないが、各センサを原点Ｏを中心として６０°回転させると元の配置に重なるような配置がなされている。したがって、上方基板１００の原点Ｏの位置に力が作用した場合、図５０のテーブルの各欄に示す変動結果を踏まえれば、作用した力の６成分の値は、図５１に示す演算式で与えられることになる。ここで、Ｋ１，Ｋ２は、各変位センサの検出感度を補正するための感度補正係数である。
【０２０４】
図４９に示すとおり、軸Ｗ３，Ｗ４が、Ｘ軸に対して３０°の角度をなすように定義されているため、図５１の演算式では、ＦｘおよびＭｘの式についてのみ感度補正係数Ｋ１，Ｋ２を用いれば足りるが、一般に、軸Ｗ３，Ｗ４のＸ軸に対する角度が任意の場合には、各検出値について、それぞれ固有の感度補正係数を用いた調整が必要になる。
【０２０５】
この第６の実施形態に係る図５１の演算式では、Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｘ，Ｍｙの演算式について、差分項の演算が行われている。したがって、これら４成分の検出には、差分値を利用した検出が可能になる。このような差分値を利用した検出が、検出精度を高めるために有効であることは既に述べたとおりである。
【０２０６】
＜＜＜ §６．変位センサの変形例 ＞＞＞
§４，§５で述べた第１〜第６の実施形態に係る力検出装置は、いずれも§１，§２で述べた変位センサを複数Ｎ組用いることにより、上方基板１００の各部（各センサの配置点）の変位を検出し、力の６成分を検出するものである。ただ、本発明に係る力検出装置に用いる変位センサは、§１，§２で述べたセンサに限定されるものではない。ここでは、本発明に利用する変位センサに必要な本質的な特徴を説明するとともに、この変位センサのいくつかの変形例を述べることにする。
【０２０７】
＜６−１：本発明に係る変位センサの特徴＞
まず、§１，§２で述べた変位センサ（以下、基本センサと呼ぶ）の電極構造およびその機能を再考してみよう。図５２は、図１に示す構造体および電極のαβ平面上への正射影投影図である。ここで、ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。また、バネ３１〜３４の図示は省略する。
【０２０８】
図５２には、αβγ三次元直交座標系が示されているが、当該座標系の原点Ｑは、図１７に示す力検出装置を構成する上方基板１００（変位センサによる測定対象となる図１の上方基板１０）内の当該変位センサを配置すべき所定の配置点Ｐに定義される。既に述べたとおり、このαβγ三次元直交座標系は、力検出装置全体に定義されるＸＹＺグローバル座標系に対して、個々の配置点Ｐごと（すなわち、個々の変位センサごと）に定義されるローカル座標系となる。ここで、α軸およびβ軸は、原点Ｑを含み、上方基板１００の基板面に平行な平面上に定義され、原点Ｑを通りαβ平面に対して直交する方向にγ軸が定義される。
【０２０９】
この基本センサに要求される基本的な機能は、上方基板１００の配置点Ｐの位置（すなわち、原点Ｑの位置）について、α軸方向の変位Ｄαとγ軸方向の変位Ｄγとを独立して検出することである。ここで、「独立して検出する」とは、他軸成分の干渉を受けずに、検出対象成分のみを正確に取り出すことを意味する。そのような検出を行うために、本発明では、上方基板側に設けられた第１の上方電極Ｅ１１および第２の上方電極Ｅ１２と、下方基板側に設けられた第１の下方電極Ｅ２１および第２の下方電極Ｅ２２という４種類の電極を用意し、第１の上方／下方電極Ｅ１１，Ｅ２１によって第１の容量素子Ｃ１を構成し、第２の上方／下方電極Ｅ１２，Ｅ２２によって第２の容量素子Ｃ２を構成することになる。
【０２１０】
図５２に示す基本センサの場合、第１の上方／下方電極Ｅ１１，Ｅ２１は円形の電極であり、第２の上方／下方電極Ｅ１２，Ｅ２２は矩形の電極であるが、もちろん、各電極の形状はこれらの形状に限定されるわけではない。図にハッチングを施して示す円形領域Ａ１は、第１の容量素子Ｃ１を構成する一対の電極Ｅ１１，Ｅ２１の平面的な重複領域を示しており、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１は、この重複領域Ａ１の面積に比例して定まる。また、図にハッチングを施して示す外形が矩形の領域Ａ２（内部に円形の開口部Ｒ１を有する）は、第２の容量素子Ｃ２を構成する一対の電極Ｅ１２，Ｅ２２の平面的な重複領域を示しており、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２は、この重複領域Ａ２の面積に比例して定まる。
【０２１１】
本発明に係る変位センサにおいて、第１の上方電極Ｅ１１および第１の下方電極Ｅ２１に要求される基本的な条件は、第１の上方電極Ｅ１１および第１の下方電極Ｅ２１のαβ平面上への正射影像に関して、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では（検出対象となる外力が作用していない状態では）、被包含電極となる一方の電極の正射影像の領域が包含電極となる他方の電極の正射影像の領域内に包含され、かつ、上方基板が下方基板に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、および、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、上記包含関係が依然として維持されるように、第１の上方電極Ｅ１１および第１の下方電極Ｅ２１の配置および形状が設定されている、という条件である。なお、上方基板が下方基板に対してγ軸の正または負方向に変位を生じたときに、αβ平面上への正射影像に関して上記包含関係が維持されることは当然である。
【０２１２】
図５２に示す基本センサの場合、第１の上方電極Ｅ１１が包含電極、第１の下方電極Ｅ２１が被包含電極となっており、上方基板が変位を生じていないときでも、α軸もしくはβ軸に所定の許容範囲内の変位を生じたときでも、αβ平面上への正射影像に関して、第１の下方電極Ｅ２１の正射影像は第１の上方電極Ｅ１１の正射影像内に包含される。このような包含関係が維持されている限り、図にハッチングを施して示す重複領域Ａ１の面積は一定になり、γ軸方向の変位がない限り、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１は変化しない。別言すれば、このような包含関係が維持されている限り、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１の変動量ΔＣ１は、γ軸方向の変位を示すことになる。基本センサから出力される検出値Ｃａ（＝−Ｃ１）の変動量を、変位Ｄγのみを示す値として利用できるのは、このためである。
【０２１３】
なお、第１の上方電極Ｅ１１および第１の下方電極Ｅ２１のいずれを包含電極もしくは被包含電極とするかは任意であり、図５２に示す基本センサとは逆に、第１の上方電極Ｅ１１を被包含電極とし、第１の下方電極Ｅ２１を包含電極とする構成を採ってもよい。この場合、第１の下方電極Ｅ２１の方が第１の上方電極Ｅ１１よりも大きな電極ということになる。
【０２１４】
一方、本発明に係る変位センサにおいて、第２の上方電極Ｅ１２および第２の下方電極Ｅ２２に要求される基本的な条件は、第２の上方電極Ｅ１２および第２の下方電極Ｅ２２のαβ平面上への正射影像に関して、両正射影像の重複領域の図形形状（その面積）が、上方基板が下方基板に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに変化し、かつ、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに不変であるように、第２の上方電極Ｅ１２および第２の下方電極Ｅ２２の配置および形状が設定されている、という条件である。
【０２１５】
図５２に示す基本センサの場合、α軸方向の変位が生じた場合、第２の上方電極Ｅ１２が図の左右に移動するため、図にハッチングを施して示す重複領域Ａ２の面積変動量は変位量に比例することになる。これは、第２の上方電極Ｅ１２と第２の下方電極Ｅ２２とが、αβ平面上への正射影像に関して、オフセットを生じるように配置されているためである。一方、β軸方向の変位が生じた場合、第２の上方電極Ｅ１２が図の上下に移動するが、移動量が所定の許容範囲内であれば（電極Ｅ１２の上下の辺が、電極Ｅ２２の上下の辺を越えず、開口部Ｒ１の輪郭が開口部Ｒ２の輪郭に接触しなければ）、重複領域Ａ２の面積は一定になる。これは、β軸方向の変位が生じていない状態において、第２の下方電極Ｅ２２のβ軸方向の幅区間が、第２の上方電極Ｅ１２のβ軸方向の幅区間を包含しており、当該包含関係が、所定の許容範囲内のβ軸方向の変位が生じた場合も維持されるようになっているためである。もちろん、第２の上方電極Ｅ１２のβ軸方向の幅区間が、第２の下方電極Ｅ２２のβ軸方向の幅区間を包含するという、逆の包含関係になっていてもかまわない。
【０２１６】
結局、このようなβ軸方向に関する包含関係が維持されている限り、図にハッチングを施して示す重複領域Ａ２の形状（面積）は、α軸方向の変位が生じた場合には変化し、β軸方向の変位が生じた場合には変化しないので、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２の変化は、α軸方向の変位か、γ軸方向の変位か、のいずれかに起因したものになる。別言すれば、上記β軸方向に関する包含関係が維持されている限り、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値Ｃ２の変動は、α軸方向の変位Ｄαに起因した変動分とγ軸方向の変位Ｄγに起因した変動分とを合成したものになる。ここで、γ軸方向の変位Ｄγは、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値Ｃ１の変動量ΔＣ１として求まるので、静電容量値Ｃ２の変動量ΔＣ２から、変位Ｄγに起因した変動分を除去すれば、α軸方向の変位Ｄαのみを示す検出値を得ることができる。すなわち、検出値Ｃｂを、Ｃｂ＝−Ｃ２＋ｋ・Ｃ１とすれば、当該検出値Ｃｂの変動量が変位Ｄαのみを示す値になる。
【０２１７】
基本センサの検出回路Ｈは、このような原理に基づいて、静電容量値Ｃ１の変動量ΔＣ１を原点Ｑのγ軸方向の変位Ｄγを示す検出信号として出力し、静電容量値Ｃ２の変動量ΔＣ２から変位Ｄγに起因する変動量を除去した値を原点Ｑのα軸方向の変位Ｄαを示す検出信号として出力することになる。もちろん、こうして検出された変位Ｄγの値は、原点Ｑの位置に作用したγ軸方向の力を示す値ということもでき、変位Ｄαの値は、原点Ｑの位置に作用したα軸方向の力を示す値ということもできる。したがって、本発明に係る変位センサは、ローカル原点Ｑの位置に作用した力を検出する力センサということもできる。
【０２１８】
＜６−２：基本センサに固有の特徴＞
続いて、§１，§２で述べた基本センサに固有の特徴を述べる。もちろん、この基本センサも、本発明に係る変位センサの１つであるので、上記「６−１：本発明に係る変位センサの特徴」で述べた特徴をすべて備えているが、この基本センサは、更に、次のような固有の特徴を備えている。
【０２１９】
まず、前述したように、第１の上方電極Ｅ１１および第１の下方電極Ｅ２１の一方を包含電極、他方を被包含電極と呼んだ場合に、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極のαβ平面上への正射影像が、α軸に関して線対称かつβ軸に関して線対称となるように、被包含電極の配置および形状が設定されている、という特徴を有している。具体的には、被包含電極となる第１の下方電極Ｅ２１のαβ平面上への正射影像が円形であり、変位が生じていない状態で、原点Ｑを中心とする位置に配置されている、という構成をとっている。
【０２２０】
このような軸対称性は、上方基板の傾斜を変位として誤検出することを避ける上で効果的である。たとえば、図３１に示すテーブルの「Ｍｙ」の列のＣａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の欄は「０」となっているが、これはモーメントＭｙが作用した場合、変位センサＳ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）から出力される検出値Ｃａ（＝−Ｃ１）の変動がないことを前提とした結果である。しかしながら、モーメントＭｙが作用した場合、上方基板１００は、図２７に示すように傾斜するため、図２６に示すＹ軸上に配置されている変位センサＳ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）を構成する電極の電極間距離は変動することになる。ただ、電極がＹ軸に関して線対称であれば、図２７に示すように傾斜が生じた場合でも、変位センサＳ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）を構成する電極の電極間距離は、右側半分では減少し、左側半分では増加するため、静電容量値Ｃ１の変動は左右で相殺され、トータルでは、静電容量値Ｃ１に変動は生じない。
【０２２１】
よって、図３１に示すテーブルの「Ｍｙ」の列のＣａ（Ｙ＋），Ｃａ（Ｙ−）の欄を正確に「０」にするためには、被包含電極となる第１の下方電極Ｅ２１のＸＹ平面上への正射影像（すなわち、図５２においてハッチングを施した重複領域Ａ１）がＹ軸について線対称である必要がある。もちろん、このような対称性が維持されていなくても、測定精度上「０」とみなすことができる程度の変動であれば、実用上、大きな問題は生じないので、本発明を実施する上で、上記線対称性は必須条件ではない。ただ、上記線対称性が維持されていれば、測定精度を確実に向上させることができるので、実際には、被包含電極の形状および配置は、α軸およびβ軸に関して線対称を有するようにするのが好ましい。
【０２２２】
同様の理由により、第２の容量素子Ｃ２を構成することになる電極の実効領域、すなわち、図５２においてハッチングを施した重複領域Ａ２についても、変位が生じていない状態で、α軸およびβ軸に関する線対称性が維持されるように、形状および配置が設定されているようにするのが好ましい。
【０２２３】
また、この基本センサでは、図５２に示されているとおり、第２の上方電極Ｅ１２が内部に開口部Ｒ１を有する形状をなし、第１の上方電極Ｅ１１がこの第２の上方電極Ｅ１２の開口部Ｒ１内に配置され、第２の下方電極Ｅ２２が内部に開口部Ｒ２を有する形状をなし、第１の下方電極Ｅ２１がこの第２の下方電極Ｅ２２の開口部内に配置されている。このような入れ子式の電極配置を採ると、次の２つのメリットが得られる。
【０２２４】
第１のメリットは、電極形成領域をローカル原点Ｑ近傍に集約化できる点である。本発明における変位センサは、上方基板１００内に定義された所定の配置点Ｐ（ローカル原点Ｑ）についての変位を検出することを目的としているため、その構成要素となる電極は、できるだけローカル原点Ｑの近傍に配置するのが好ましい。電極の外縁部がローカル原点Ｑから遠くなればなるほど、「ローカル原点Ｑの変位量」としての位置的精度は低下せざるを得ない。このような位置的精度を向上させる観点からは、電極はできるだけ面積を小さくするのが好ましいが、電極面積を小さくすると、容量素子の静電容量値も小さくなるため、検出感度は低下せざるを得ない。上記入れ子式の電極配置を採れば、ある程度の面積をもったすべての電極をローカル原点Ｑの近傍に集約することができる。
【０２２５】
第２のメリットは、前述した対称性確保が容易になる点である。たとえば、図５２に示す例の場合、前述したとおり、ハッチングを施した重複領域Ａ１，Ａ２の形状および配置にα軸およびβ軸に関する線対称性が確保されるのが好ましい。実際、図５２に示す例の場合、このような線対称性が確保されている。一方の電極の開口部内に他方の電極を配置するという入れ子式の電極配置を採れば、重複領域Ａ１，Ａ２の双方について線対称性を確保することが非常に容易になる。
【０２２６】
特に、図５２に示す例の場合、第１の上方電極Ｅ１１の外形、第２の上方電極Ｅ１２の開口部Ｒ１の形状、第１の下方電極Ｅ２１の外形、第２の下方電極Ｅ２２の開口部Ｒ２の形状がいずれも円となっており、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、これら各円の中心点がγ軸上（αβ投影面における原点Ｑ上）に位置するようになっている。このように、電極Ｅ１１，Ｅ２１，開口部Ｒ１，Ｒ２を、γ軸を中心とする円とする実施例は、上述したα軸およびβ軸に関する線対称性を確保することができ、しかも上述した入れ子式の電極配置を容易に実現することができるので、実用上、非常に好ましい実施例ということができる。
【０２２７】
一方、図５２に示す例の場合、第２の上方電極Ｅ１２の外形および第２の下方電極Ｅ２２の外形を矩形としている。前述したように、本発明に係る変位センサにおいて、第２の上方電極Ｅ１２および第２の下方電極Ｅ２２に要求される基本的な条件は、両電極のαβ平面上への正射影像の重複領域Ａ２の図形形状（面積）が、α軸方向に変位を生じたときには変化するが、β軸方向に変位を生じたときに不変である、という条件である。電極Ｅ１２，Ｅ２２の外形を矩形として、両者をα軸に関してオフセット配置するようにすれば、上記条件を満足させる構成を容易に実現することができる。
【０２２８】
もっとも、電極Ｅ１２，Ｅ２２の外形は、必ずしも矩形である必要はない。たとえば、図５２において、電極Ｅ１２の右端部分の形状や、電極Ｅ２２の左端・上端・下端部分の形状は、α軸方向およびβ軸方向の変位量が所定の許容範囲内である限り（これら端部にまで重複領域Ａ２が到達しない限り）、重複領域Ａ２の形状には影響を及ぼすことはない。したがって、上記各端部は必ずしも直線である必要はなく、任意の形状でかまわない。また、電極Ｅ１２の左端・上端・下端部分の形状は、変位量に比例する線形検出値を得る必要がなければ、必ずしも直線である必要はない。結局、図５２に示す電極構成において、重複領域Ａ２の図形形状（面積）が、α軸方向に変位を生じたときには変化するが、β軸方向に変位を生じたときに不変である、という条件を満足させるためには、電極形状については、「電極Ｅ２２の右端部分がβ軸に平行な直線である」という条件が満たされていれば足りる。図５２に示すαβ平面上への正射影像に関して、電極Ｅ２２の右端部分は、電極Ｅ１２と重なりが生じる可能性がある部分であり、電極Ｅ１２がβ軸方向に変位した場合にも、重複領域Ａ２の図形形状を一定に維持するためには、この部分がβ軸に平行な直線である必要がある。
【０２２９】
結局、重複領域Ａ２の図形形状（面積）が、α軸方向に変位を生じたときには変化するが、β軸方向に変位を生じたときに不変である、という条件を満足させるためには、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態において、第２の上方電極Ｅ１２の外形図形と第２の下方電極Ｅ２２の外形図形とについて、次の３条件が満足されていればよい（図５２に示す例は、電極Ｅ１２の外形図形を図形Ｆ１，Ｆ３とし、電極Ｅ２２の外形図形を図形Ｆ２，Ｆ４とした例である）。
【０２３０】
＜条件１：α軸に関するオフセット条件＞
一方の図形を図形Ｆ１、他方の図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１のα軸正方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸正方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ１のα軸負方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸負方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置する（α軸の正負を逆転させても等価）。
【０２３１】
＜条件２：β軸に関する包含条件＞
一方の図形を図形Ｆ３、他方の図形を図形Ｆ４としたときに、図形Ｆ４のβ軸正方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ４のβ軸負方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸負方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置する。
【０２３２】
＜条件３：重複領域の輪郭線条件＞
上記条件２における図形Ｆ３および図形Ｆ４のαβ平面上への正射影像に関して、図形Ｆ４の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに図形Ｆ３の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなす。
【０２３３】
ただ、実用上は、変位量に比例する線形検出値が得られるのが好ましいので、重複領域Ａ２の外形が、常に、α軸に平行な２辺とβ軸に平行な２辺を有する矩形となるようにするのが好ましい。具体的には、上記条件１における図形Ｆ１のα軸負方向側の端部（図５２に示すように、図形Ｆ１＝図形Ｆ３の場合）もしくは図形Ｆ２のα軸正方向側の端部（図５２に示す例において、電極Ｅ１２の縦幅が電極Ｅ２２の縦幅よりも広くなるように設定し、図形Ｆ１＝図形Ｆ４とする場合）が、β軸に平行な直線となるようにし、上記条件２における図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部およびβ軸負方向側の端部が、α軸に平行な直線となるようにすればよい。
【０２３４】
このような観点からは電極Ｅ１２，Ｅ２２の外形図形を矩形にすることは、実用上、非常に好ましい実施例ということができる。より具体的に説明すれば、実用上は、第２の上方電極Ｅ１２の外形図形および第２の下方電極Ｅ２２の外形図形が、α軸に平行な２辺とβ軸に平行な２辺とをもった矩形をなし（これにより、上記条件３：重複領域の輪郭線条件が満たされる）、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、これら２つの矩形について、次の２条件が満足されるような配置を行えばよい。
【０２３５】
＜条件１：α軸に関するオフセット条件＞
一方の矩形を矩形Ｆ１、他方の矩形を矩形Ｆ２としたときに、矩形Ｆ１のα軸正方向側の辺が、矩形Ｆ２のα軸正方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、矩形Ｆ１のα軸負方向側の辺が、矩形Ｆ２のα軸負方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置する（α軸の正負を逆転させても等価）。
【０２３６】
＜条件２：β軸に関する包含条件＞
一方の矩形を矩形Ｆ３、他方の矩形を矩形Ｆ４としたときに、矩形Ｆ４のβ軸正方向側の辺が、矩形Ｆ３のβ軸正方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、矩形Ｆ４のβ軸負方向側の辺が、矩形Ｆ３のβ軸負方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置する。
【０２３７】
＜６−３：第１の変形例＞
続いて、§１，§２で述べた基本センサ（図５２）の変形例を示す。図５３は、この第１の変形例の物理的構造部の上面図であり、上方基板４０および下方基板５０と、これら各基板の表面に形成された個々の電極が示されている。ここで、上方基板４０については透視した状態を示し、バネは図示を省略する。図において、実線で示された電極Ｅ４１Ａ，Ｅ４１Ｂ，Ｅ４２は、上方基板４０の下面に形成された上方電極であり、図において、一部もしくは全部が破線で示された電極Ｅ５１Ａ，Ｅ５１Ｂ，Ｅ５２は、下方基板５０の上面に形成された下方電極である。
【０２３８】
ここで、実線で示された円形電極Ｅ４１Ａ，Ｅ４１Ｂは、図５２に示す基本センサにおける第１の上方電極Ｅ１１に対応する機能を果たし、破線で示された円形電極Ｅ５１Ａ，Ｅ５１Ｂは、図５２に示す基本センサにおける第１の下方電極Ｅ２１に対応する機能を果たす。図示のとおり、円形電極Ｅ４１Ａ，Ｅ５１Ａの投影像は、点ＱＡを中心とした位置に配置され、円形電極Ｅ４１Ｂ，Ｅ５１Ｂの投影像は、点ＱＢを中心とした位置に配置されており、これらの配置位置は、αβγ座標系のローカル原点Ｑとは一致しない。ただ、中心点ＱＡはβ軸正領域上に位置し、中心点ＱＢはβ軸負領域上に位置し、それぞれ原点Ｑから等距離の位置にある。
【０２３９】
一方、矩形電極Ｅ４２は、図５２に示す基本センサにおける第２の上方電極Ｅ１２に対応する機能を果たし、矩形電極Ｅ５２は、図５２に示す基本センサにおける第２の下方電極Ｅ２２に対応する機能を果たす。これら矩形電極Ｅ４２，Ｅ５２の投影像は、原点Ｑの近傍に位置する。
【０２４０】
図５４は、図５３に示す変位センサの物理的構造部のαβ平面上への正射影投影図である。ここで、ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。また、バネは図示を省略する。図示の重複領域Ａ１ＡおよびＡ１Ｂは、それぞれ容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂを構成する電極の実効領域を示し、容量素子Ｃ１Ａ，Ｃ１Ｂを並列接続することにより、基本センサの容量素子Ｃ１が形成される。別言すれば、図示の重複領域Ａ１ＡおよびＡ１Ｂは、図５２に示す基本センサにおける重複領域Ａ１に対応する。一方、図示の重複領域Ａ２は、容量素子Ｃ２を構成する電極の実効領域を示し、図５２に示す基本センサにおける重複領域Ａ２に対応する。
【０２４１】
図５２に示す基本センサでは、矩形電極Ｅ１２，Ｅ２２の内部に円形開口部Ｒ１，Ｒ２を設け、この円形開口部Ｒ１，Ｒ２内に円形電極Ｅ１１，Ｅ２１を配置する入れ子式の配置を採っていたが、図５３，図５４に示す変形例では、入れ子式を採用せずに、円形電極を矩形電極の外部に配置する構成を採っている。したがって、矩形電極Ｅ４２，Ｅ５２には開口部は設けられていない。
【０２４２】
この変形例で、円形電極を図の上部（Ｅ４１Ａ，Ｅ５１Ａ）と、図の下部（Ｅ４１Ｂ，Ｅ５１Ｂ）とに分けて配置したのは、α軸に関する対称性を確保するための便宜である。正確な検出を行うために、重複領域の形状がα軸およびβ軸に関して線対称性を有することが好ましいことは、既に述べたとおりである。図５４において、重複領域Ａ１Ａ，Ａ１Ｂは、それぞれ単独ではα軸に関する線対称性は有していないが、両領域を一体の領域として見れば、α軸に関する線対称性が得られることになる。もちろん、β軸に関する線対称性も得られている。
【０２４３】
結局、ここに示す変形例のように、第１の上方電極と第１の下方電極とからなる電極対を複数組設け、各電極対によって構成される容量素子を並列接続することによって第１の容量素子Ｃ１を構成する場合には、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態で、被包含電極群（図５４に示す例では、電極Ｅ５１ＡとＥ５１Ｂ）のαβ平面上への正射影像からなる平面パターンが、α軸に関して線対称かつβ軸に関して線対称となるように、被包含電極群の配置および形状を設定するのが好ましい。
【０２４４】
＜６−４：第２の変形例＞
図５５は、図５２に示す基本センサの別な変形例の物理的構造部の上面図であり、上方基板６０および下方基板７０と、これら各基板の表面に形成された個々の電極が示されている。ここで、上方基板６０については透視した状態を示し、バネは図示を省略する。また、図において、破線は上方基板６０の下面に形成された電極を示し、実線は下方基板７０の上面に形成された電極を示している。なお、便宜上、図の上方向をα軸正方向とし、図の左方向をβ軸正方向として、図が描かれている。
【０２４５】
図に破線で描かれている電極Ｅ６０は、上方基板６０の下面に形成された第１の櫛状電極であり、平面形状が櫛状図形をしている。この第１の櫛状電極Ｅ６０は、α軸方向に伸びた根幹部Ｅ６０Ａと、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数（図示の例では８本）の歯状部Ｅ６０Ｂと、この根幹部Ｅ６０Ａの中央からβ軸方向に伸びる板状部Ｅ６０Ｃと、によって構成された１枚の連続した電極である。
【０２４６】
一方、図に実線で描かれている電極Ｅ７０は、下方基板７０の上面に形成された第２の櫛状電極であり、やはり平面形状が櫛状図形をしている。この第２の櫛状電極Ｅ７０は、α軸方向に伸びた根幹部Ｅ７０Ａと、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数（図示の例では８本）の歯状部Ｅ７０Ｂと、によって構成された１枚の連続した電極である。下方基板７０の上面には、更に、別個独立した島状電極Ｅ７５が形成されている。この島状電極Ｅ７５は、第１の櫛状電極Ｅ６０内の板状部Ｅ６０Ｃに対向する位置に配置されている。ここで、８本の歯状部Ｅ７０Ｂのα軸方向に関する配列周期は、８本の歯状部Ｅ６０Ｂのα軸方向に関する配列周期に対して位相がずれており、それぞれ対応する歯状部のαβ平面上への投影像が部分的に重なり合っている。
【０２４７】
このような電極構成を行えば、板状部Ｅ６０Ｃおよびその付け根に位置する根幹部Ｅ６０Ａの一部分が、図５２に示す基本センサにおける第１の上方電極Ｅ１１の役割を果たし、島状電極Ｅ７５が、図５２に示す基本センサにおける第１の下方電極Ｅ２１の役割を果たすことが理解できよう。すなわち、αβ平面への投影像に関して、板状部Ｅ６０Ｃおよびその付け根に位置する根幹部Ｅ６０Ａの一部分は、島状電極Ｅ７５を包含した状態になっており、上方基板６０が下方基板７０に対してα軸もしくはβ軸方向に所定の許容範囲内の変位を生じても、上記包含関係は依然として維持される。なお、島状電極Ｅ７５の位置を図の左方に若干ずらし、板状部Ｅ６０Ｃの部分に包含されるようにすれば、板状部Ｅ６０Ｃのみによって第１の上方電極Ｅ１１の役割を果たすことができる。
【０２４８】
一方、このような電極構成を行えば、第１の櫛状電極Ｅ６０の構成部分のうち、根幹部Ｅ６０Ａおよび各歯状部Ｅ６０Ｂの部分が、α軸に関するオフセット条件については、図５２に示す基本センサにおける第２の上方電極Ｅ１２の役割を果たし、β軸に関する包含条件については、第２の下方電極Ｅ２２の役割を果たすことが理解できよう。同様に、第２の櫛状電極Ｅ７０（根幹部Ｅ７０Ａと各歯状部Ｅ７０Ｂ）が、α軸に関するオフセット条件については、図５２に示す基本センサにおける第２の下方電極Ｅ２２の役割を果たし、β軸に関する包含条件については、第２の上方電極Ｅ１２の役割を果たすことが理解できよう。図示のとおり、８本の歯状部Ｅ６０Ｂと８本の歯状部Ｅ７０Ｂとは、それぞれ１対１に対応しており、αβ平面への投影像に関して、対応する歯状部が部分的に重なり合うような配置がなされている。しかも、各歯状部の平面的な重複領域の面積は、上方基板６０が下方基板７０に対してα軸方向に変位した場合には増減するが、β軸方向に所定の許容範囲内の変位を生じた場合には一定になる。
【０２４９】
図５６は、図５５に示す変位センサの物理的構造部のαβ平面上への正射影投影図である。ここで、ハッチングは上下電極の平面的な重複領域を示すためのものであり、断面を示すものではない。また、バネは図示を省略する。図示の重複領域Ａ１は、第１の容量素子Ｃ１を構成する電極の実効領域を示している。この重複領域Ａ１の外形は、被包含電極である島状電極Ｅ７５の外形に等しい。島状電極Ｅ７５は、図示のとおり矩形をなし、変位が生じていない状態において、ローカル原点Ｑが中心点となるように配置されているため、重複領域Ａ１は、α軸およびβ軸に関する線対称性を有している。上述したとおり、この重複領域Ａ１の面積は、変位が所定の許容範囲内である限り一定である。
【０２５０】
一方、図示の８箇所の重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８は、それぞれ容量素子Ｃ２−１〜Ｃ２−８を構成する電極の実効領域を示し、これら８組の容量素子Ｃ２−１〜Ｃ２−８を並列接続することにより、基本センサの容量素子Ｃ２が形成される。別言すれば、図示の重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８は、図５２に示す基本センサにおける重複領域Ａ２に対応する。図５６に示されている８組の重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８のそれぞれに着目すれば、第２の櫛状電極Ｅ７０の位置を固定した状態において、第１の櫛状電極Ｅ６０をα軸方向に移動させると面積が増減するが、β軸方向に移動させても、変位量が所定の許容範囲内であれば、面積に変化が生じないことが理解できよう。なお、図示の重複領域Ａ０の部分は、α軸方向およびβ軸方向への変位に対して面積が常に一定の領域になり、変位検出には利用されない不使用領域となる。
【０２５１】
ここで、第１の櫛状電極Ｅ６０も、第２の櫛状電極Ｅ７０も、それぞれ連続した１枚の電極であるため、８組の容量素子Ｃ２−１〜Ｃ２−８は、自然に並列接続された状態となり、電極Ｅ６０／Ｅ７０間の静電容量値を求めれば、この８組の容量素子Ｃ２−１〜Ｃ２−８の合計容量を得ることができる。なお、第１の櫛状電極Ｅ６０のうち、板状部Ｅ６０Ｃは、根幹部Ｅ６０Ａに連なっているため、第１の上方電極（Ｅ６０Ｃ）と第２の上方電極（Ｅ６０Ａ，Ｅ６０Ｂ）とが電気的に接続された状態になるが、第１の下方電極（Ｅ７５）と第２の下方電極（Ｅ７０Ａ，Ｅ７０Ｂ）とは、電気的に絶縁された個別電極となっているため、電気的な容量検出について問題が生じることはない。
【０２５２】
以上、第１の櫛状電極Ｅ６０を上方電極とし、第２の櫛状電極Ｅ７０および島状電極Ｅ７５を下方電極とした例を述べたが、もちろん、これら上下の配置を入れ替えてもかまわない。
【０２５３】
このような櫛状電極Ｅ６０，Ｅ７０を用いて構成した変位センサは、検出感度をより高めるために有効である。特に、α軸方向の変位に関する検出感度は、飛躍的に構造する。たとえば、図５４に示す実施例における重複領域Ａ２の面積と、図５６に示す実施例の重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８の合計面積とが等しかった場合、基板上に形成される電極形成部の占有面積はほぼ同程度になる。しかしながら、α軸方向の変位に関する後者の検出感度は前者の検出感度に比べて極めて高くなる。これは、α軸方向に同一の変位量が生じた場合でも、重複領域Ａ２の面積変化に比べて、重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８の合計面積の変化の方が大きくなるためである。
【０２５４】
たとえば、図５４に示す重複領域Ａ２を実効面積とする容量素子の静電容量値が１６ｐＦであり、図５６に示す８組の重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８の合計面積を実効面積とする容量素子の静電容量値も１６ｐＦであったとしよう（１組の重複領域についての容量素子の静電容量値は２ｐＦ）。このように、静電容量値それ自体には変わりはない。しかしながら、図５６に示す変形例の場合、たとえば、各歯状部のα軸方向の幅が２０μｍであり、各重複領域Ａ２−１〜Ａ２−８のα軸方向の幅が１０μｍであるときに、α軸方向に５μｍの変位が生じたとすれば、１組の重複領域についての容量素子の容量値変動は１ｐＦになるので、合計８ｐＦの容量値変動が得られる。これに対して、図５４に示す変形例の場合、図示の重複領域Ａ２の横方向の長さが５μｍだけ増減するだけなので、容量値変動は、図５６に示す変形例ほどは得られない。
【０２５５】
このように、櫛状電極を利用すると、個々の歯状部についての容量素子ごとに、それぞれ変位量に応じた容量値変動が生じ、これら容量値変動を積算した検出値を得ることができるようになるため、検出感度の向上が図れることになる。
【０２５６】
ここでこの櫛状電極を用いる実施例における第２の上方電極および第２の下方電極の電極構成を一般論として述べれば、まず、第２の上方電極および第２の下方電極の平面形状は、α軸方向に伸びた根幹部と、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、を有する櫛状図形をなしていることになる。
【０２５７】
そして、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、第２の上方電極を構成する櫛状図形と第２の下方電極を構成する櫛状図形とについて、次の３条件が満足されていればよい（図５５に示す例は、実線で描かれた電極Ｅ７０の櫛形図形を図形Ｆ２，Ｆ３とし、破線で描かれた電極Ｅ６０の櫛形図形を図形Ｆ１，Ｆ４とした例である）。
【０２５８】
＜条件１：α軸に関するオフセット条件＞
一方の櫛状図形を図形Ｆ１、他方の櫛状図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１の根幹部は図形Ｆ２の根幹部に比べて、所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、図形Ｆ１の各歯状部は根幹部からβ軸正方向側に伸び、図形Ｆ２の各歯状部は根幹部からβ軸負方向側に伸びており、図形Ｆ１の各歯状部のα軸方向に関する配列周期と図形Ｆ２の各歯状部のα軸方向に関する配列周期とは位相がずれている。
【０２５９】
＜条件２：β軸に関する包含条件＞
一方の櫛状図形を図形Ｆ３、他方の櫛状図形を図形Ｆ４として、αβ平面上へ図形Ｆ３および図形Ｆ４の正射影像を形成した場合に、図形Ｆ３の各歯状部の正射影像は、図形Ｆ４の対応する各歯状部の正射影像に部分的に重なり合い、図形Ｆ３の各歯状部の正射影像の先端部は、図形Ｆ４の根幹部の正射影像までは届かず、図形Ｆ４の各歯状部の正射影像の先端部は、図形Ｆ３の根幹部の正射影像を突き抜けている。
【０２６０】
＜条件３：重複領域の輪郭線条件＞
上記条件２における図形Ｆ４の各歯状部の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに、上記条件２における図形Ｆ３の対応する歯状部および根幹部の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなす。
【０２６１】
この櫛状電極を用いる実施例における第２の上方電極および第２の下方電極の電極構成を別な観点から把握すれば、次のように定義することができる。すなわち、まず、第２の上方電極および第２の下方電極の平面形状は、それぞれ複数の部分図形の集合体によって構成されており、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、第２の上方電極を構成する部分図形と第２の下方電極を構成する部分図形とについて、次の３条件が満足されていればよい（図５５に示す例は、実線で描かれた１本の歯状部Ｅ７０Ｂおよびその付け根に位置する根幹部Ｅ７０Ａの一部分からなる矩形を部分図形Ｆ２，Ｆ３とし、破線で描かれた１本の歯状部Ｅ６０Ｂおよびその付け根に位置する根幹部Ｅ６０Ａの一部分からなる矩形を部分図形Ｆ１，Ｆ４とした例である：図５５の最下段の歯状部参照）。
【０２６２】
＜条件１：α軸に関するオフセット条件＞
一方の部分図形を図形Ｆ１、他方の部分図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１のα軸正方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸正方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ１のα軸負方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸負方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置する。
【０２６３】
＜条件２：β軸に関する包含条件＞
一方の部分図形を図形Ｆ３、他方の部分図形を図形Ｆ４としたときに、図形Ｆ４のβ軸正方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ４のβ軸負方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸負方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置する。
【０２６４】
＜条件３：重複領域の輪郭線条件＞
上記条件２における図形Ｆ３および図形Ｆ４のαβ平面上への正射影像に関して、図形Ｆ４の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに図形Ｆ３の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなす。
【０２６５】
＜＜＜ §７．力検出装置の構造体の変形例 ＞＞＞
ここでは、§３〜§５で述べた力検出装置を構成する構造体の変形例を述べる。図１７の上段に示す実施形態の場合、力検出装置を構成する構造体は、上方基板１００、下方基板２００、バネ３１０〜３４０によって構成されており、この構造体に、変位センサを構成する複数の電極を付加することにより、力検出装置の物理的構造部が形成される。図５７は、本発明の第１の実施形態に係る力検出装置の物理的構造部のＸＹ平面上への正射影投影図であり、４組の変位センサＳ（Ｘ＋），Ｓ（Ｘ−），Ｓ（Ｙ＋），Ｓ（Ｙ−）が配置された状態が示されている。なお、この図では、接続部材（バネ３１０〜３４０）については、その取付位置である接続点Ｊ１〜Ｊ４のみを示してある。
【０２６６】
以下、この第１の実施形態に係る物理的構造部について、いくつかの変形例を示すことにする。なお、以下に述べる各変形例は、§３，§４で述べた第１の実施形態に係る変位センサの配置（電極配置）を採用した例についてのものであるが、もちろん、§５で述べた様々な変位センサの配置を採用することも可能である。
【０２６７】
＜７−１：第１の変形例＞
図５８は、第１の変形例を示す縦断面図であり、図５７に示す物理的構造部を切断線Ｌに沿って切断した縦断面図に対応する（電極の詳細構造は省略）。図５８に示す各構成要素の符号末尾には「Ａ」なる記号が付されているが、当該記号「Ａ」を取り去ると、図１７上段に示す物理的構造部の対応する構成要素と同じ符号になる。たとえば、図５８の上方基板１００Ａは、図１７の上方基板１００に対応する構成要素である。
【０２６８】
この第１の変形例が図１７に示す物理的構造部と相違する点は、各上方電極Ｅ１１，Ｅ１２と上方基板１００Ａとの間に絶縁基板１１０Ａが挿入され、各下方電極Ｅ２１，Ｅ２２と下方基板２００Ａとの間に絶縁基板２１０Ａが挿入されている点である。このように、絶縁基板１１０Ａおよび絶縁基板２１０Ａを付加した構造を用いると、上方基板１００Ａおよび下方基板２００Ａを金属などの導電性材料で構成することが可能になる。すなわち、上方基板１００Ａおよび下方基板２００Ａが導電性基板であっても、絶縁基板１１０Ａおよび絶縁基板２１０Ａを介して各電極を形成するようにすれば、個々の電極が導電性基板によって短絡することを避けることができる。
【０２６９】
量産型の装置の場合、上方基板１００Ａおよび下方基板２００Ａをアルミニウム板やステンレス板などの金属板で構成し、絶縁基板１１０Ａおよび絶縁基板２１０Ａをセラミック板やガラスエポキシ板などの絶縁材料からなる基板で構成するのが好ましい。なお、ばね３１０Ａ〜３４０Ａは、一般的な金属からなるコイル状のバネでもよいし、合成樹脂製のバネでもよい。
【０２７０】
＜７−２：第２の変形例＞
図５９は、第２の変形例を示す縦断面図であり、図５７に示す物理的構造部を切断線Ｌに沿って切断した縦断面図に対応する（電極の詳細構造は省略）。図５９に示す各構成要素の符号末尾には「Ｂ」なる記号が付されているが、当該記号「Ｂ」を取り去ると、図１７上段に示す物理的構造部の対応する構成要素と同じ符号になる。
【０２７１】
この第２の変形例と図１７に示す物理的構造部との第１の相違点は、前述した第１の変形例と同様に、各上方電極Ｅ１１，Ｅ１２と上方基板１００Ｂとの間に絶縁基板１１０Ｂが挿入され、各下方電極Ｅ２１，Ｅ２２と下方基板２００Ｂとの間に絶縁基板２１０Ｂが挿入されている点である。この例でも、上方基板１００Ｂおよび下方基板２００Ｂは、アルミニウム板やステンレス板などの金属板で構成され、絶縁基板１１０Ｂおよび絶縁基板２１０Ｂはセラミック板やガラスエポキシ板などの絶縁材料からなる基板で構成されている。
【０２７２】
第２の相違点は、下方基板２００Ｂが、基板本体部２０１Ｂと台座部２０２Ｂとによって構成されている点である。台座部２０２Ｂは、基板本体部２０１Ｂの周囲下面に形成されており、台座部２０２Ｂの内側には空洞部Ｖが形成されている。この空洞部Ｖには、絶縁基板４１０Ｂを介して、回路素子４２０Ｂが配置されている。この回路素子４２０Ｂは、各変位センサの検出回路Ｈや力検出装置の検出ユニットＵを構成するための電子回路である。各電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２と回路素子４２０Ｂとの間には、図示しない配線が施されている。
【０２７３】
第３の相違点は、ばね３１０〜３４０の代わりに、可撓性をもった柱状部材３１０Ｂ〜３４０Ｂが用いられている点である。本発明において、上方基板と下方基板とを接続する接続部材は、下方基板を固定した状態において、上方基板に外力を作用させた場合に、上方基板が下方基板に対して変位を生じるように、少なくとも一部分が可撓性を有していればよい。したがって、複数のばね３１０〜３４０によって接続部材を構成することもできるし、弾性変形を生じる複数の柱状部材によって接続部材を構成することもできる。図５９に示す例は、接続部材として、扁平の柱状部材３１０Ｂ〜３４０Ｂを用いたものである。これらの柱状部材は、金属や合成樹脂などの弾性材料で構成すればよい。もちろん、用いる柱状部材の本数や形状は任意である。
【０２７４】
図６０は、図５９に示す変形例の接続部材を変更した例を示す縦断面図である。図５９に示す変形例との相違は、扁平の柱状部材３１０Ｂ〜３４０Ｂを、一部に屈曲部を有する扁平の柱状部材３１５Ｂ〜３４５Ｂに置き換えた点のみである。この屈曲部の構造は、柱状部材３１５Ｂおよび３３５Ｂの断面形状に明瞭に示されているように断面がＵ字状となっている。これらの柱状部材は、やはり金属や合成樹脂などの弾性材料で構成することができる。このように、柱状部材の一部に屈曲部を設けると、可撓性をより高める効果が得られる。特に、図示のような断面がＵ字状構造をもった屈曲部は、上方基板１００ＢをＸＹＺ三次元直交座標系上における各座標軸方向に変位させるために効果的である。
【０２７５】
＜７−３：第３の変形例＞
図６１は、第３の変形例を示す縦断面図であり、図５７に示す物理的構造部をＸ軸に沿って切断した縦断面図に対応する（電極の詳細構造は省略）。図６１に示す各構成要素の符号末尾には「Ｃ」なる記号が付されているが、当該記号「Ｃ」を取り去ると、図１７上段に示す物理的構造部の対応する構成要素と同じ符号になる。
【０２７６】
この第３の変形例と図１７に示す物理的構造部との第１の相違点は、前述した第１，第２の変形例と同様に、各上方電極と上方基板１００Ｃとの間に絶縁基板１１０Ｃが挿入され、各下方電極と下方基板２００Ｃとの間に絶縁基板２１０Ｃが挿入されている点である。やはり、上方基板１００Ｃおよび下方基板２００Ｃを、アルミニウム板やステンレス板などの金属板で構成し、絶縁基板１１０Ｃおよび絶縁基板２１０Ｃをセラミック板やガラスエポキシ板などの絶縁材料からなる基板で構成できる。
【０２７７】
第２の相違点は、前述した第２の変形例と同様に、下方基板２００Ｃが、基板本体部２０１Ｃと台座部２０２Ｃとを有し、台座部２０２Ｃの内側には空洞部Ｖが形成されている点である。この空洞部Ｖには、絶縁基板４１０Ｃを介して、検出回路Ｈや検出ユニットＵとして機能する回路素子４２０Ｃが配置されている。
【０２７８】
第３の相違点は、接続部材を、上方基板１００Ｃの周囲に設けられた上方接続用縁部１０４Ｃと、下方基板の周囲に設けられた下方接続用縁部２０４Ｃと、この上方接続用縁部１０４Ｃと下方接続用縁部２０４Ｃとを接続する４本の円柱状の柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃと、によって構成した点である。ここで、上方接続用縁部１０４Ｃのうち柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃの上端が接続された接続部分の近傍は、ダイアフラム１０３Ｃを構成するように厚みが薄くなっており、下方接続用縁部２０４Ｃのうち柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃの下端が接続された接続部分の近傍は、ダイアフラム２０３Ｃを構成するように厚みが薄くなっている。
【０２７９】
図６２は、図６１に示す変形例の主要部分のＸＹ平面上への正射影投影図である。上方基板１００Ｃの外周部分（絶縁基板１１０Ｃより外側の部分）は、円環状の上方接続用縁部１０４Ｃを形成し、この上方接続用縁部１０４Ｃの４箇所には、厚みの薄い円形ダイアフラム１０３Ｃが形成されている。同様に、下方基板２００Ｃの外周部分（絶縁基板２１０Ｃより外側の部分）は、円環状の下方接続用縁部２０４Ｃを形成し、この下方接続用縁部２０４Ｃの４箇所には、厚みの薄い円形ダイアフラム２０３Ｃが形成されている。そして４本の柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃの上端は、円形ダイアフラム１０３Ｃの中心部に接続され、下端は、円形ダイアフラム２０３Ｃの中心部に接続されている。
【０２８０】
上方基板１００Ｃ側に設けられた円形ダイアフラム１０３Ｃと、下方基板２００Ｃ側に設けられた円形ダイアフラム２０３Ｃとは、いずれも可撓性をもった薄膜状の部材である。また、各柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃは可撓性をもった細長い棒状部材である。図示の例では、円形ダイアフラム１０３Ｃおよび上方接続用縁部１０４Ｃを含めた上方基板１００Ｃは、アルミニウムやステンレスなどの金属から構成されており、また、円形ダイアフラム２０３Ｃおよび下方接続用縁部２０４Ｃを含めた下方基板２００Ｃも、アルミニウムやステンレスなどの金属から構成されている。更に、４本の柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃも同じ金属から構成されている。
【０２８１】
上述したとおり、４本の柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃは、細長い棒状部材であるので、Ｘ軸もしくはＹ軸方向に撓みやすいが、Ｚ軸方向への伸縮は起こりにくい。しかしながら、円形ダイアフラム１０３Ｃ，２０３Ｃの部分にも撓みが生じるため、上方基板１００Ｃは下方基板２００Ｃに対して、Ｘ軸およびＹ軸方向に容易に変位するとともに、Ｚ軸方向にも容易に変位することになる。なお、４本の柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃの上端および下端を支持する部分は、必ずしもダイアフラムのような膜状構造体にする必要はなく、ビーム構造体にすることも可能である。たとえば、１本の柱状部材の上端もしくは下端を、複数本のビーム構造体によって周囲から支持する構造を採ることも可能である。
【０２８２】
この第３の変形例では、接続部材を上方基板および下方基板の外周縁部に配置するようにしたため、装置全体の厚みを小さく設計することが可能になり、薄型の力検出装置を実現することができるようになる。図６３は、この変形例の主要部分の寸法図である。以下に、本願発明者が試作した装置についての実際の寸法値を例示しておく。この例の場合、装置全体の厚みは、１５ｍｍとなり、かなり薄型の装置を実現することができる。本願発明者が知る限り、現時点で市販されている力検出装置の中で、力の６成分を検出可能な最も薄型の装置でも、厚みは２８ｍｍ程度である。
上方基板１００Ｃおよび下方基板２００Ｃの径φ１＝８０ｍｍ
絶縁基板１１０Ｃおよび２１０Ｃの径φ２＝５０ｍｍ
空洞部Ｖの径φ３＝４０ｍｍ
ダイアフラム１０３Ｃ，２０３Ｃの径φ４＝６ｍｍ
柱状部材３１０Ｃ〜３４０Ｃの径φ５＝２ｍｍ
上方基板１００Ｃの厚みｄ１＝６ｍｍ
下方基板２００Ｃの厚みｄ２＝７．５ｍｍ
上方基板１００Ｃと下方基板２００Ｃとの間の間隙寸法ｄ３＝１．５ｍｍ
絶縁基板１１０Ｃ，２１０Ｃの厚みｄ４＝０．５ｍｍ
ダイアフラム１０３Ｃ，２０３Ｃの厚みｄ５＝０．３ｍｍ
各電極の厚みｄ６＝１．０μｍ
【０２８３】
＜７−４：第４の変形例＞
図６４は、第４の変形例を示す縦断面図であり、図５７に示す物理的構造部をＸ軸に沿って切断した縦断面図に対応する（電極の詳細構造は省略）。図６４に示す各構成要素の符号末尾には「Ｄ」なる記号が付されているが、当該記号「Ｄ」を取り去ると、図１７上段に示す物理的構造部の対応する構成要素と同じ符号になる。
【０２８４】
この第４の変形例と図１７に示す物理的構造部との第１の相違点は、前述した第１〜第３の変形例と同様に、各上方電極と上方基板１００Ｄとの間に絶縁基板１１０Ｄが挿入され、各下方電極と下方基板２００Ｄとの間に絶縁基板２１０Ｄが挿入されている点である。上方基板１００Ｄおよび下方基板２００Ｄを、アルミニウム板やステンレス板などの金属板で構成し、絶縁基板１１０Ｄおよび絶縁基板２１０Ｄをセラミック板やガラスエポキシ板などの絶縁材料からなる基板で構成できる点は、これまでの変形例と同様である。
【０２８５】
第２の相違点は、前述した第２，第３の変形例と同様に、下方基板２００Ｄの下面に空洞部Ｖが形成され、この空洞部Ｖ内に、絶縁基板４１０Ｄを介して、検出回路Ｈや検出ユニットＵとして機能する回路素子４２０Ｄを配置した点である。
【０２８６】
第３の相違点は、接続部材を、上方基板１００Ｄと下方基板２００Ｄとの間に充填されたゴム層３５０Ｄ（エラストマーからなる層）によって構成した点である。実際には、エラストマーの材料となる粘度状の高分子化合物を両基板間に充填した後、これを硬化させることにより、弾力をもったエラストマーからなるゴム層３５０Ｄを形成することができる。
【０２８７】
一般に、ゴム（エラストマー）は金属や合成樹脂に比べると経年劣化しやすい材料であるため、ゴム層３５０Ｄを接続部材として用いた装置は、これまで述べてきたバネや柱状部材を接続部材として用いた装置に比べて、寿命や測定精度の点で劣ることになる。しかしながら、ゴム層３５０Ｄによって接続部材を構成すると、バネや柱状部材を配置するための領域を各基板の周縁部に設ける必要がなくなり、構造が単純になり、装置全体を小型化できるメリットが得られる。
【０２８８】
なお、その他の細かな変更点ではあるが、上方基板１００Ｄの上面にはネジ孔１０７Ｄが設けられ、下方基板２００Ｄの下面にはネジ孔２０７Ｄが設けられている。これらのネジ孔１０７Ｄ，２０７Ｄは、この力検出装置を２つの物体間に接続して用いる場合に利用できる。たとえば、ロボットの手首の部分にこの装置を介挿して利用する場合、ネジ孔１０７Ｄを利用して、上方基板１００Ｄの上面にロボットの手の部分を固定し、ネジ孔２０７Ｄを利用して、下方基板２００Ｄの下面にロボットの腕の部分を固定することができる。
【０２８９】
＜７−５：第５の変形例＞
図６５は、本発明に係る力検出装置の第５の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。この第５の変形例は、図６４に示す第４の変形例のバリエーションであり、対応する各構成要素の符号末尾には、「Ｄ」の代わりに「Ｅ」なる記号を付して示してある。
【０２９０】
前述した第４の変形例では、図６４に示されているように、上方基板１００Ｄと下方基板２００Ｄとの間にエラストマーからなるゴム層３５０Ｄが介挿されているが、図示のとおり、実際にゴム層３５０Ｄの上下両面が接するのは、主として、絶縁基板１１０Ｄ，２１０Ｄおよび各電極ということになる。
【０２９１】
ところが、実際、本願発明者が、絶縁基板１１０Ｄ，２１０Ｄの材質としてガラスエポキシを用い、各電極の材質として銅を用いた試作品を制作してみたところ、エラストマーとガラスエポキシ層との界面、およびエラストマーと銅箔との界面における密着性が不十分であるため、ゴム層３５０Ｄの介挿によって、上方基板１００Ｄ（直接的には、絶縁基板１１０Ｄおよび上方電極）と、下方基板２００Ｄ（直接的には、絶縁基板２１０Ｄおよび下方電極）と、を十分に接着することが困難であった。すなわち、図６４に示す第４の変形例の構造では、ゴム層３５０Ｄによる上下の基板の接着強度が、実用上、必ずしも十分ではないことが判明した。
【０２９２】
図６５に示す第５の変形例は、このような問題を解決するための工夫を加えたものである。すなわち、この第５の変形例では、上方基板１００Ｅの周縁部の数カ所に貫通孔１０７Ｅが設けられ、下方基板２００Ｅの周縁部の数カ所に貫通孔２０７Ｅが設けられている。その他の構成については、第４の変形例と同様である。
【０２９３】
このように、上下の基板に貫通孔１０７Ｅ，２０７Ｅを設けておくと、エラストマーの材料となる粘度状の高分子化合物を両基板間に充填する作業を行った場合に、材料の一部が貫通孔１０７Ｅ，２０７Ｅを通って上方基板１００Ｅの上面および下方基板２００Ｅの下面に食み出してくる。そのまま材料を硬化させると、図示のとおり、貫通孔１０７Ｅ，２０７Ｅの外部にエラストマーからなる係合固定部３５１Ｅ，３５２Ｅが形成される。この係合固定部３５１Ｅ，３５２Ｅは、ゴム層３５０Ｅと一体構造をなす。しかも、係合固定部３５１Ｅは上方基板１００Ｅの上面の貫通孔１０７Ｅ周辺部に係合する構造をもち、係合固定部３５２Ｅは下方基板２００Ｅの下面の貫通孔２０７Ｅ周辺部に係合する構造をもつ。
【０２９４】
このため、上方基板１００Ｅおよび下方基板２００Ｅは、これら係合固定部３５１Ｅ，３５２Ｅによって固定された状態になる。もっとも、係合固定部３５１Ｅ，３５２Ｅは、貫通孔１０７Ｅ，２０７Ｅ内に充填された部分を含めて、ゴム層３５０Ｅと同じ弾力性をもったエラストマーによって構成されているので、上方基板１００Ｅが下方基板２００Ｅに対して三次元の自由度をもって変位可能である点に変わりはない。
【０２９５】
＜７−６：第６の変形例＞
図６６は、本発明に係る力検出装置の第６の変形例を示す縦断面図である（電極の詳細構造は省略）。この第６の変形例も、図６４に示す第４の変形例のバリエーションであり、対応する各構成要素の符号末尾には、「Ｄ」の代わりに「Ｆ」なる記号を付して示してある。
【０２９６】
前述した第４の変形例では、図６４に示されているように、上方基板１００Ｄと下方基板２００Ｄとの間にエラストマーからなるゴム層３５０Ｄが介挿されており、このゴム層３５０Ｄは、上下の基板間に隙間なく充填された構造をなす。
【０２９７】
これに対して、図６６に示す第６の変形例では、上下の基板間に挟まれたゴム層３６０Ｆは、やはりエラストマーからなる層であるが、隙間なく充填された構造ではなく、基底部３６１Ｆの上面に、多数の突起部３６２Ｆを上方に向けて植設した構造をなす。図６６は、この装置をＸＺ平面に沿って切断した側断面図であるが、この装置をＹＺ平面に沿って切断した側断面図も全く同様の図になる。結局、基底部３６１ＦはＸＹ平面に平行な平面に沿って延びるシート状の構成要素であり、多数の突起部３６２Ｆは、この基底部３６１Ｆから上方（Ｚ軸に平行な方向）に生えるようにして伸びる構成要素ということになる。
【０２９８】
このようなゴム層３６０Ｆは、別途の工程で予め成形しておくようにし、これを上下両基板間に挿入して、基底部３６１Ｆの下面を下方電極の上面に接着し、突起部３６２Ｆの上面を上方電極の下面に接着すればよい。個々の突起部３６２Ｆは、図の左右方向および紙面に垂直な方向（すなわち、Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に傾斜しやすい性質を有している。したがって、この第６の変形例では、上方基板１００ＦのＸ軸方向およびＹ軸方向への変位がしやすくなり、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に関する検出感度が向上する。
【０２９９】
図示のとおり、この第６の変形例でも、下方基板２００Ｆは台座部を有する構造をなし、下面に空洞部Ｖを確保できるようにしている。この空洞部Ｖ内には、絶縁基板４１０Ｆおよび回路素子４２０Ｆが収容される。また、この装置全体は、筐体５００内に収容されており、台座部の底面は、筐体５００の底部に固着されている。更に、筐体５００の上部には、庇部５０８が形成され、上方基板１００Ｆの変位量が所定の許容範囲を超えないように制御する制御部材として機能する。
【０３００】
すなわち、円盤状の上方基板１００Ｆの周囲側面には、外形の大きなフランジ部１０８Ｆおよび１０９Ｆが設けられており、筐体５００側に設けられた庇部５０８が、このフランジ部１０８Ｆおよび１０９Ｆの間の溝部に嵌合している。したがって、上方基板１００Ｆが、Ｘ軸方向もしくはＹ軸方向に所定の許容範囲を超えて変位しようとすると、庇部５０８が上方基板１００Ｆの周囲側面に設けられた溝部に当接し、過度の変位を抑制する機能を果たす。同様に、上方基板１００Ｆが、Ｚ軸方向に所定の許容範囲を超えて変位しようとすると、庇部５０８が上方基板１００Ｆの周囲側面に設けられたフランジ部１０８Ｆもしくは１０９Ｆに当接し、過度の変位を抑制する機能を果たす。
【符号の説明】
【０３０１】
１０：上方基板
２０：下方基板
３１〜３４：バネ
４０：上方基板
５０：下方基板
６０：上方基板
７０：下方基板
１００：上方基板
１００Ａ〜１００Ｆ：上方基板
１０１Ｃ：上方基板本体部
１０３Ｃ：ダイアフラム
１０４Ｃ：上方接続用縁部
１０７Ｄ：ネジ孔
１０７Ｅ：貫通孔
１０８Ｆ：フランジ部
１０９Ｆ：フランジ部
１１０Ａ〜１１０Ｆ：絶縁基板
２００：下方基板
２００Ａ〜２００Ｆ：下方基板
２０１Ｂ〜２０１Ｃ：基板本体部
２０２Ｂ〜２０２Ｃ：台座部
２０３Ｃ：ダイアフラム
２０４Ｃ：下方接続用縁部
２０７Ｄ：ネジ孔
２０７Ｅ：貫通孔
２１０Ａ〜２１０Ｆ：絶縁基板
３１０〜３４０：バネ
３１０Ａ〜３４０Ａ：バネ
３１０Ｂ〜３４０Ｂ：柱状部材
３１５Ｂ〜３４５Ｂ：柱状部材
３１０Ｃ〜３４０Ｃ：柱状部材
３５０Ｄ：ゴム層
３５０Ｅ：ゴム層
３５１Ｅ，３５２Ｅ：係合固定部
３６０Ｆ：ゴム層
３６１Ｆ：基底部
３６２Ｆ：突起部
４１０Ｂ〜４１０Ｆ：絶縁基板
４２０Ｂ〜４２０Ｆ：回路素子（検出回路・検出ユニット）
５００：筐体
５０８：庇部
Ａ０：不使用領域
Ａ１：第１の容量素子Ｃ１を構成する一対の電極の平面的な重複領域
Ａ２：第２の容量素子Ｃ２を構成する一対の電極の平面的な重複領域
Ｃ１：第１の容量素子／その静電容量値
Ｃ２：第２の容量素子／その静電容量値
Ｃａ：変位Ｄγを示す検出値
Ｃｂ：変位Ｄαを示す検出値
Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚ：各座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向への変位
Ｄα，Ｄβ，Ｄγ：各座標軸α，β，γ方向への変位
Ｄγｉ：変位Ｄγの任意値
ｄ１〜ｄ６：寸法値
Ｅ１１：第１の上方電極
Ｅ１２：第２の上方電極
Ｅ２１：第１の下方電極
Ｅ２２：第２の下方電極
Ｅ４１Ａ，Ｅ４１Ｂ：第１の上方電極
Ｅ４２：第２の上方電極
Ｅ５１Ａ，Ｅ５１Ｂ：第１の下方電極
Ｅ５２：第２の下方電極
Ｅ６０：第１の櫛状電極
Ｅ６０Ａ：根幹部（第２の上方電極）
Ｅ６０Ｂ：歯状部（第２の上方電極）
Ｅ６０Ｃ：板状部（第１の上方電極）
Ｅ７０：第２の櫛状電極
Ｅ７０Ａ：根幹部（第２の下方電極）
Ｅ７０Ｂ：歯状部（第２の下方電極）
Ｅ７５：島状電極（第１の下方電極）
Ｆ１〜Ｆ４：図形
Ｆｘ：作用した力のＸ軸方向成分
Ｆｙ：作用した力のＹ軸方向成分
Ｆｚ：作用した力のＺ軸方向成分
Ｇ１，Ｇ２：グラフ
ｇ１，ｇ２：グラフの値
Ｈ：検出回路
Ｊ１〜Ｊ４：バネ接続点
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ１１〜Ｋ２６：重み係数
ｋ：補正係数
ｋ１：グラフＧ１の傾き
ｋ２：グラフＧ２の傾き
Ｌ：切断線
Ｍｘ：作用したモーメントのＸ軸まわり成分
Ｍｙ：作用したモーメントのＹ軸まわり成分
Ｍｚ：作用したモーメントのＺ軸まわり成分
Ｎ：用いる変位センサの総数
Ｏ：ＸＹＺ三次元座標系の原点
Ｐ：センサの配置点
Ｑ：αβγ三次元座標系の原点
ＱＡ，ＱＢ：電極の中心点
Ｒ１，Ｒ２：開口部
Ｓ：センサ
Ｔ１１〜Ｔ２２：端子
Ｕ：検出ユニット
Ｖ：空洞部
Ｗ１〜Ｗ４：斜め方向軸
Ｘ，Ｙ，Ｚ：ＸＹＺ三次元座標系（グローバル座標系）の各座標軸
α，β，γ：αβγ三次元座標系（ローカル座標系）の各座標軸
ΔＣ１：静電容量値Ｃ１の変動量
ΔＣ２：静電容量値Ｃ２の変動量
ξ１，ξ２：重複区間
φ１〜φ５：寸法値
φ１１〜φ２２：各電極の直径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行になるように対向して配置された上方基板および下方基板と、前記上方基板と前記下方基板とを接続する接続部材と、を有する構造体であって、前記下方基板を固定した状態において、前記上方基板に外力を作用させた場合に、前記上方基板が前記下方基板に対して変位を生じるように、前記接続部材の少なくとも一部分が可撓性を有している、そのような構造体について、前記変位を検出する機能をもった変位センサであって、
前記上方基板の下面に形成された第１の上方電極および第２の上方電極と、
前記下方基板の上面に形成された第１の下方電極および第２の下方電極と、
前記第１の上方電極と前記第１の下方電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値Ｃ１と、前記第２の上方電極と前記第２の下方電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値Ｃ２と、に基づいて、所定の検出信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記上方基板内の所定位置に原点Ｑを定義し、この原点Ｑを含み、前記上方基板の基板面に平行な平面上に、前記原点Ｑを通り互いに直交するα軸およびβ軸を定義し、前記原点Ｑを通りαβ平面に対して直交するγ軸を定義することにより、αβγ三次元直交座標系を定義したときに、
前記第１の上方電極および前記第１の下方電極のαβ平面上への正射影像に関して、前記上方基板が前記下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極となる一方の電極の正射影像の領域が包含電極となる他方の電極の正射影像の領域内に包含され、かつ、前記上方基板が前記下方基板に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、および、前記上方基板が前記下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、前記包含関係が依然として維持されるように、前記第１の上方電極および前記第１の下方電極の配置および形状が設定されており、
前記第２の上方電極および前記第２の下方電極のαβ平面上への正射影像に関して、両正射影像の重複領域の図形形状が、前記上方基板が前記下方基板に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに変化し、かつ、前記上方基板が前記下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに不変であるように、前記第２の上方電極および前記第２の下方電極の配置および形状が設定されており、
前記検出回路が、前記静電容量値Ｃ１の変動量ΔＣ１を前記原点Ｑのγ軸方向の変位Ｄγを示す検出信号として出力し、前記静電容量値Ｃ２の変動量ΔＣ２から前記変位Ｄγに起因する変動量を除去した値を前記原点Ｑのα軸方向の変位Ｄαを示す検出信号として出力することを特徴とする変位センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の変位センサにおいて、
上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極のαβ平面上への正射影像が、α軸に関して線対称かつβ軸に関して線対称となるように、前記被包含電極の配置および形状が設定されていることを特徴とする変位センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の変位センサにおいて、
第１の上方電極と第１の下方電極とからなる電極対が複数組設けられており、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極群のαβ平面上への正射影像からなる平面パターンが、α軸に関して線対称かつβ軸に関して線対称となるように、前記被包含電極群の配置および形状が設定されていることを特徴とする変位センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の変位センサにおいて、
第２の上方電極が内部に開口部を有する形状をなし、第１の上方電極がこの第２の上方電極の開口部内に配置され、第２の下方電極が内部に開口部を有する形状をなし、第１の下方電極がこの第２の下方電極の開口部内に配置されていることを特徴とする変位センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の変位センサにおいて、
第１の上方電極の外形、第２の上方電極の開口部の形状、第１の下方電極の外形、第２の下方電極の開口部の形状がいずれも円であり、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、これら各円の中心点がγ軸上に位置することを特徴とする変位センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の変位センサにおいて、
上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、第２の上方電極の外形図形と第２の下方電極の外形図形とについて、
一方の図形を図形Ｆ１、他方の図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１のα軸正方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸正方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ１のα軸負方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸負方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、
一方の図形を図形Ｆ３、他方の図形を図形Ｆ４としたときに、図形Ｆ４のβ軸正方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ４のβ軸負方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸負方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、
前記図形Ｆ３および前記図形Ｆ４のαβ平面上への正射影像に関して、前記図形Ｆ４の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに前記図形Ｆ３の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなすことを特徴とする変位センサ。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の変位センサにおいて、
第２の上方電極の外形図形および第２の下方電極の外形図形が、α軸に平行な２辺とβ軸に平行な２辺とをもった矩形をなし、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、これら２つの矩形について、
一方の矩形を矩形Ｆ１、他方の矩形を矩形Ｆ２としたときに、矩形Ｆ１のα軸正方向側の辺が、矩形Ｆ２のα軸正方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、矩形Ｆ１のα軸負方向側の辺が、矩形Ｆ２のα軸負方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、
一方の矩形を矩形Ｆ３、他方の矩形を矩形Ｆ４としたときに、矩形Ｆ４のβ軸正方向側の辺が、矩形Ｆ３のβ軸正方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、矩形Ｆ４のβ軸負方向側の辺が、矩形Ｆ３のβ軸負方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置することを特徴とする変位センサ。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかに記載の変位センサにおいて、
第２の上方電極および第２の下方電極の平面形状が、それぞれ複数の部分図形の集合体によって構成されており、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、前記第２の上方電極を構成する部分図形と前記第２の下方電極を構成する部分図形とについて、
一方の部分図形を図形Ｆ１、他方の部分図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１のα軸正方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸正方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ１のα軸負方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸負方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、
一方の部分図形を図形Ｆ３、他方の部分図形を図形Ｆ４としたときに、図形Ｆ４のβ軸正方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ４のβ軸負方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸負方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、
前記図形Ｆ３および前記図形Ｆ４のαβ平面上への正射影像に関して、前記図形Ｆ４の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに前記図形Ｆ３の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなすことを特徴とする変位センサ。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれかに記載の変位センサにおいて、
第２の上方電極および第２の下方電極の平面形状が、α軸方向に伸びた根幹部と、前記根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、を有する櫛状図形をなし、
上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、前記第２の上方電極を構成する櫛状図形と前記第２の下方電極を構成する櫛状図形とについて、
一方の櫛状図形を図形Ｆ１、他方の櫛状図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１の根幹部は図形Ｆ２の根幹部に比べて、所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、図形Ｆ１の各歯状部は根幹部からβ軸正方向側に伸び、図形Ｆ２の各歯状部は根幹部からβ軸負方向側に伸び、前記図形Ｆ１の各歯状部のα軸方向に関する配列周期と前記図形Ｆ２の各歯状部のα軸方向に関する配列周期とは位相がずれており、
一方の櫛状図形を図形Ｆ３、他方の櫛状図形を図形Ｆ４として、αβ平面上へ図形Ｆ３および図形Ｆ４の正射影像を形成した場合に、図形Ｆ３の各歯状部の正射影像は、図形Ｆ４の対応する各歯状部の正射影像に部分的に重なり合い、図形Ｆ３の各歯状部の正射影像の先端部は、図形Ｆ４の根幹部の正射影像までは届かず、図形Ｆ４の各歯状部の正射影像の先端部は、図形Ｆ３の根幹部の正射影像を突き抜け、
前記図形Ｆ４の各歯状部の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに前記図形Ｆ３の対応する歯状部および根幹部の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなすことを特徴とする変位センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の変位センサにおいて、
平面形状が、α軸方向に伸びた根幹部と、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、この根幹部の中央からβ軸方向に伸びる板状部と、を有する櫛状図形をなす第１の櫛状電極を上方基板の下面もしくは下方基板の上面に形成し、前記板状部および必要に応じてその付け根に位置する根幹部の一部分を第１の上方電極もしくは第１の下方電極とし、前記第１の櫛状電極の前記各歯状部および前記根幹部を第２の上方電極もしくは第２の下方電極とし、
平面形状が、α軸方向に伸びた根幹部と、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、を有する櫛状図形をなす第２の櫛状電極と、前記板状部に対向する位置に配置された島状電極と、を下方基板の上面もしくは上方基板の下面に形成し、前記島状電極を第１の下方電極もしくは第１の上方基板とし、前記第２の櫛状電極を第２の下方電極もしくは第２の上方電極とすることを特徴とする変位センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の変位センサを複数Ｎ組含む力検出装置であって、
互いに平行になるように対向して配置された上方基板および下方基板と、
前記上方基板と前記下方基板とを接続する部材であって、前記下方基板を固定した状態において、前記上方基板に外力を作用させた場合に、前記上方基板が前記下方基板に対して変位を生じるように、少なくとも一部分が可撓性を有している接続部材と、
前記複数Ｎ組の変位センサと、
前記複数Ｎ組の変位センサを利用して、前記上方基板に作用した外力を検出する検出ユニットと、
を備え、
前記複数Ｎ組の変位センサは、それぞれ、前記上方基板の下面に形成された第１の上方電極および第２の上方電極と、前記下方基板の上面に形成された第１の下方電極および第２の下方電極と、検出回路と、を有し、
前記上方基板内の所定のＮ箇所に、それぞれローカルなαβγ三次元直交座標系の原点Ｑが定義され、前記複数Ｎ組の変位センサは、前記上方基板の各ローカル原点Ｑの位置についてのγ軸方向の変位Ｄγおよびα軸方向の変位Ｄαを検出できるように配置され、
前記上方基板内の所定位置にグローバル原点Ｏを定義し、このグローバル原点Ｏを含み、前記上方基板の基板面に平行な平面上に、前記グローバル原点Ｏを通り互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定義し、前記グローバル原点Ｏを通りＸＹ平面に対して直交するＺ軸を定義することにより、グローバルなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、前記検出ユニットが、前記複数Ｎ組の変位センサの各検出回路から出力される変位についての検出信号に基づいて、前記上方基板の前記原点Ｏの位置に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘ、Ｙ軸方向成分Ｆｙ、Ｚ軸方向成分Ｆｚ、および前記上方基板の原点Ｏの位置に作用したモーメントのＸ軸まわり成分Ｍｘ、Ｙ軸まわり成分Ｍｙ、Ｚ軸まわり成分Ｍｚの６成分のうちの少なくとも１つを検出することを特徴とする力検出装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の力検出装置において、
４組の変位センサを有し、
第１のセンサのローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２のセンサのローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３のセンサのローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４のセンサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１のセンサのα軸正方向がＹ軸正方向を向き、前記第２のセンサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、前記第３のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、前記第４のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向を向くように、前記４組のセンサが配置されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の力検出装置において、
ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離だけ離れた位置にくるように配置された４組の内側センサと、ローカル原点ＱがＺ軸から前記第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離れた位置にくるように配置された４組の外側センサと、を有し、
第１の内側センサのローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２の内側センサのローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３の内側センサのローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４の内側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１の内側センサのα軸正方向がＹ軸正方向を向き、前記第２の内側センサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、前記第３の内側センサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、前記第４の内側センサのα軸正方向がＸ軸正方向を向くように、前記４組の内側センサが配置されており、
第１の外側センサのローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２の外側センサのローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３の外側センサのローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４の外側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１の外側センサのα軸正方向が前記第１の内側センサのα軸負方向を向き、前記第２の外側センサのα軸正方向が前記第２の内側センサのα軸負方向を向き、前記第３の外側センサのα軸正方向が前記第３の内側センサのα軸負方向を向き、前記第４の外側センサのα軸正方向が前記第４の内側センサのα軸負方向を向くように、前記４組の外側センサが配置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１１に記載の力検出装置において、
４組の変位センサを有し、
第１のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第３象限に位置し、第４のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第４象限に位置し、
前記第１のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、前記第２のセンサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、前記第３のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向を向き、前記第４のセンサのα軸正方向がＹ軸正方向を向くように、前記４組のセンサが配置されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１５】
請求項１１に記載の力検出装置において、
３組の変位センサを有し、
第１のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３のセンサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、前記第２のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、前記第３のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、前記３組のセンサが配置されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１６】
請求項１１に記載の力検出装置において、
ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離だけ離れた位置にくるように配置された３組の内側センサと、ローカル原点ＱがＺ軸から前記第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離れた位置にくるように配置された３組の外側センサと、を有し、
第１の外側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の外側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の外側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１の外側センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、前記第２の外側センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、前記第３の外側センサのα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、前記３組の外側センサが配置されており、
第１の内側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の内側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の内側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１の内側センサのα軸正方向が前記第１の外側センサのα軸負方向を向き、前記第２の内側センサのα軸正方向が前記第２の外側センサのα軸負方向を向き、前記第３の内側センサのα軸正方向が前記第３の外側センサのα軸負方向を向くように、前記３組の内側センサが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１１に記載の力検出装置において、
３組の主センサと、３組の副センサと、を有し、
第１の主センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の主センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の主センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１の主センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、前記第２の主センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、前記第３の主センサのα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、前記３組の主センサが配置されており、
第１の副センサのローカル原点Ｑが前記第１の主センサのローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第２の副センサのローカル原点Ｑが前記第２の主センサのローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第３の副センサのローカル原点Ｑが前記第３の主センサのローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、
前記第１の副センサのα軸正方向が前記第１の主センサのα軸負方向を向き、前記第２の副センサのα軸正方向が前記第２の主センサのα軸負方向を向き、前記第３の副センサのα軸正方向が前記第３の主センサのα軸負方向を向くように、前記３組の副センサが配置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１〜１７のいずれかに記載の変位センサもしくは力検出装置において、
接続部材が、複数のばね、もしくは弾性変形を生じる複数の柱状部材によって構成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１９】
請求項１〜１７のいずれかに記載の変位センサもしくは力検出装置において、
接続部材が、上方基板の周囲に設けられた上方接続用縁部と、下方基板の周囲に設けられた下方接続用縁部と、前記上方接続用縁部と前記下方接続用縁部とを接続する複数の柱状部材と、によって構成され、
前記上方接続用縁部のうち前記柱状部材の上端が接続された接続部分の近傍と、前記下方接続用縁部のうち前記柱状部材の下端が接続された接続部分の近傍とが、ダイアフラムもしくはビーム構造体によって構成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項２０】
請求項１〜１７のいずれかに記載の変位センサもしくは力検出装置において、
接続部材が、上方電極と下方電極との間に配置されたゴム層によって構成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１】
互いに平行になるように対向して配置された上方基板および下方基板と、前記上方基板と前記下方基板とを接続する接続部材と、を有する構造体であって、前記下方基板を固定した状態において、前記上方基板に外力を作用させた場合に、前記上方基板が前記下方基板に対して変位を生じるように、前記接続部材の少なくとも一部分が可撓性を有している、そのような構造体について、前記変位を検出する機能をもった変位センサであって、
前記上方基板の下面に形成された第１の上方電極および第２の上方電極と、
前記下方基板の上面に形成された第１の下方電極および第２の下方電極と、
前記第１の上方電極と前記第１の下方電極とによって構成される第１の容量素子の静電容量値Ｃ１と、前記第２の上方電極と前記第２の下方電極とによって構成される第２の容量素子の静電容量値Ｃ２と、に基づいて、所定の検出信号を出力する検出回路と、
を備え、
前記上方基板内の所定位置に原点Ｑを定義し、この原点Ｑを含み、前記上方基板の基板面に平行な平面上に、前記原点Ｑを通り互いに直交するα軸およびβ軸を定義し、前記原点Ｑを通りαβ平面に対して直交するγ軸を定義することにより、αβγ三次元直交座標系を定義したときに、
前記第１の上方電極および前記第１の下方電極のαβ平面上への正射影像に関して、前記上方基板が前記下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極となる一方の電極の正射影像の領域が包含電極となる他方の電極の正射影像の領域内に包含され、かつ、前記上方基板が前記下方基板に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、および、前記上方基板が前記下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたとき、前記包含関係が依然として維持されるように、前記第１の上方電極および前記第１の下方電極の配置および形状が設定されており、
前記第２の上方電極および前記第２の下方電極のαβ平面上への正射影像に関して、両正射影像の重複領域の図形形状が、前記上方基板が前記下方基板に対してα軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに変化し、かつ、前記上方基板が前記下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに不変であるように、前記第２の上方電極および前記第２の下方電極の配置および形状が設定されており、
前記検出回路が、前記静電容量値Ｃ１の変動量ΔＣ１を前記原点Ｑのγ軸方向の変位Ｄγを示す検出信号として出力し、前記静電容量値Ｃ２の変動量ΔＣ２から前記変位Ｄγに起因する変動量を除去した値を前記原点Ｑのα軸方向の変位Ｄαを示す検出信号として出力することを特徴とする変位センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の変位センサにおいて、
上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極のαβ平面上への正射影像が、α軸に関して線対称かつβ軸に関して線対称となるように、前記被包含電極の配置および形状が設定されていることを特徴とする変位センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の変位センサにおいて、
第１の上方電極と第１の下方電極とからなる電極対が複数組設けられており、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、被包含電極群のαβ平面上への正射影像からなる平面パターンが、α軸に関して線対称かつβ軸に関して線対称となるように、前記被包含電極群の配置および形状が設定されていることを特徴とする変位センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の変位センサにおいて、
第２の上方電極が内部に開口部を有する形状をなし、第１の上方電極がこの第２の上方電極の開口部内に配置され、第２の下方電極が内部に開口部を有する形状をなし、第１の下方電極がこの第２の下方電極の開口部内に配置されていることを特徴とする変位センサ。
【請求項５】
請求項４に記載の変位センサにおいて、
第１の上方電極の外形、第２の上方電極の開口部の形状、第１の下方電極の外形、第２の下方電極の開口部の形状がいずれも円であり、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、これら各円の中心点がγ軸上に位置することを特徴とする変位センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の変位センサにおいて、
上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、第２の上方電極の外形図形と第２の下方電極の外形図形とについて、
一方の図形を図形Ｆ１、他方の図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１のα軸正方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸正方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ１のα軸負方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸負方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、
一方の図形を図形Ｆ３、他方の図形を図形Ｆ４としたときに、図形Ｆ４のβ軸正方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ４のβ軸負方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸負方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、
前記図形Ｆ３および前記図形Ｆ４のαβ平面上への正射影像に関して、前記図形Ｆ４の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに前記図形Ｆ３の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなすことを特徴とする変位センサ。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の変位センサにおいて、
第２の上方電極の外形図形および第２の下方電極の外形図形が、α軸に平行な２辺とβ軸に平行な２辺とをもった矩形をなし、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、これら２つの矩形について、
一方の矩形を矩形Ｆ１、他方の矩形を矩形Ｆ２としたときに、矩形Ｆ１のα軸正方向側の辺が、矩形Ｆ２のα軸正方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、矩形Ｆ１のα軸負方向側の辺が、矩形Ｆ２のα軸負方向側の辺よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、
一方の矩形を矩形Ｆ３、他方の矩形を矩形Ｆ４としたときに、矩形Ｆ４のβ軸正方向側の辺が、矩形Ｆ３のβ軸正方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、矩形Ｆ４のβ軸負方向側の辺が、矩形Ｆ３のβ軸負方向側の辺よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置することを特徴とする変位センサ。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかに記載の変位センサにおいて、
第２の上方電極および第２の下方電極の平面形状が、それぞれ複数の部分図形の集合体によって構成されており、上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、前記第２の上方電極を構成する部分図形と前記第２の下方電極を構成する部分図形とについて、
一方の部分図形を図形Ｆ１、他方の部分図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１のα軸正方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸正方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ１のα軸負方向側の端部が、図形Ｆ２のα軸負方向側の端部よりも所定寸法だけα軸正方向側にずれて位置し、
一方の部分図形を図形Ｆ３、他方の部分図形を図形Ｆ４としたときに、図形Ｆ４のβ軸正方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸正方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸正方向側にずれて位置し、図形Ｆ４のβ軸負方向側の端部が、図形Ｆ３のβ軸負方向側の端部よりも所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、
前記図形Ｆ３および前記図形Ｆ４のαβ平面上への正射影像に関して、前記図形Ｆ４の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに前記図形Ｆ３の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなすことを特徴とする変位センサ。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれかに記載の変位センサにおいて、
第２の上方電極および第２の下方電極の平面形状が、α軸方向に伸びた根幹部と、前記根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、を有する櫛状図形をなし、
上方基板が下方基板に対して変位を生じていない状態では、前記第２の上方電極を構成する櫛状図形と前記第２の下方電極を構成する櫛状図形とについて、
一方の櫛状図形を図形Ｆ１、他方の櫛状図形を図形Ｆ２としたときに、図形Ｆ１の根幹部は図形Ｆ２の根幹部に比べて、所定寸法だけβ軸負方向側にずれて位置し、図形Ｆ１の各歯状部は根幹部からβ軸正方向側に伸び、図形Ｆ２の各歯状部は根幹部からβ軸負方向側に伸び、前記図形Ｆ１の各歯状部のα軸方向に関する配列周期と前記図形Ｆ２の各歯状部のα軸方向に関する配列周期とは位相がずれており、
一方の櫛状図形を図形Ｆ３、他方の櫛状図形を図形Ｆ４として、αβ平面上へ図形Ｆ３および図形Ｆ４の正射影像を形成した場合に、図形Ｆ３の各歯状部の正射影像は、図形Ｆ４の対応する各歯状部の正射影像に部分的に重なり合い、図形Ｆ３の各歯状部の正射影像の先端部は、図形Ｆ４の根幹部の正射影像までは届かず、図形Ｆ４の各歯状部の正射影像の先端部は、図形Ｆ３の根幹部の正射影像を突き抜け、
前記図形Ｆ４の各歯状部の正射影像の輪郭線のうち、上方基板が下方基板に対してβ軸の正または負方向に所定の許容範囲内の変位を生じたときに前記図形Ｆ３の対応する歯状部および根幹部の正射影像が重なりを生じる可能性のある部分がβ軸に平行な直線をなすことを特徴とする変位センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の変位センサにおいて、
平面形状が、α軸方向に伸びた根幹部と、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、この根幹部の中央からβ軸方向に伸びる板状部と、を有する櫛状図形をなす第１の櫛状電極を上方基板の下面もしくは下方基板の上面に形成し、前記板状部および必要に応じてその付け根に位置する根幹部の一部分を第１の上方電極もしくは第１の下方電極とし、前記第１の櫛状電極の前記各歯状部および前記根幹部を第２の上方電極もしくは第２の下方電極とし、
平面形状が、α軸方向に伸びた根幹部と、この根幹部からβ軸方向に伸び、α軸方向に所定ピッチで配列された複数の歯状部と、を有する櫛状図形をなす第２の櫛状電極と、前記板状部に対向する位置に配置された島状電極と、を下方基板の上面もしくは上方基板の下面に形成し、前記島状電極を第１の下方電極もしくは第１の上方基板とし、前記第２の櫛状電極を第２の下方電極もしくは第２の上方電極とすることを特徴とする変位センサ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の変位センサを複数Ｎ組含む力検出装置であって、
互いに平行になるように対向して配置された上方基板および下方基板と、
前記上方基板と前記下方基板とを接続する部材であって、前記下方基板を固定した状態において、前記上方基板に外力を作用させた場合に、前記上方基板が前記下方基板に対して変位を生じるように、少なくとも一部分が可撓性を有している接続部材と、
前記複数Ｎ組の変位センサと、
前記複数Ｎ組の変位センサを利用して、前記上方基板に作用した外力を検出する検出ユニットと、
を備え、
前記複数Ｎ組の変位センサは、それぞれ、前記上方基板の下面に形成された第１の上方電極および第２の上方電極と、前記下方基板の上面に形成された第１の下方電極および第２の下方電極と、検出回路と、を有し、
前記上方基板内の所定のＮ箇所に、それぞれローカルなαβγ三次元直交座標系の原点Ｑが定義され、前記複数Ｎ組の変位センサは、前記上方基板の各ローカル原点Ｑの位置についてのγ軸方向の変位Ｄγおよびα軸方向の変位Ｄαを検出できるように配置され、
前記上方基板内の所定位置にグローバル原点Ｏを定義し、このグローバル原点Ｏを含み、前記上方基板の基板面に平行な平面上に、前記グローバル原点Ｏを通り互いに直交するＸ軸およびＹ軸を定義し、前記グローバル原点Ｏを通りＸＹ平面に対して直交するＺ軸を定義することにより、グローバルなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、前記検出ユニットが、前記複数Ｎ組の変位センサの各検出回路から出力される変位についての検出信号に基づいて、前記上方基板の前記原点Ｏの位置に作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘ、Ｙ軸方向成分Ｆｙ、Ｚ軸方向成分Ｆｚ、および前記上方基板の原点Ｏの位置に作用したモーメントのＸ軸まわり成分Ｍｘ、Ｙ軸まわり成分Ｍｙ、Ｚ軸まわり成分Ｍｚの６成分のうちの少なくとも１つを検出することを特徴とする力検出装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の力検出装置において、
４組の変位センサを有し、
第１のセンサのローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２のセンサのローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３のセンサのローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４のセンサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１のセンサのα軸正方向がＹ軸正方向を向き、前記第２のセンサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、前記第３のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、前記第４のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向を向くように、前記４組のセンサが配置されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の力検出装置において、
ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離だけ離れた位置にくるように配置された４組の内側センサと、ローカル原点ＱがＺ軸から前記第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離れた位置にくるように配置された４組の外側センサと、を有し、
第１の内側センサのローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２の内側センサのローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３の内側センサのローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４の内側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１の内側センサのα軸正方向がＹ軸正方向を向き、前記第２の内側センサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、前記第３の内側センサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、前記第４の内側センサのα軸正方向がＸ軸正方向を向くように、前記４組の内側センサが配置されており、
第１の外側センサのローカル原点ＱがＸ軸の正領域上に位置し、第２の外側センサのローカル原点ＱがＸ軸の負領域上に位置し、第３の外側センサのローカル原点ＱがＹ軸の正領域上に位置し、第４の外側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１の外側センサのα軸正方向が前記第１の内側センサのα軸負方向を向き、前記第２の外側センサのα軸正方向が前記第２の内側センサのα軸負方向を向き、前記第３の外側センサのα軸正方向が前記第３の内側センサのα軸負方向を向き、前記第４の外側センサのα軸正方向が前記第４の内側センサのα軸負方向を向くように、前記４組の外側センサが配置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１１に記載の力検出装置において、
４組の変位センサを有し、
第１のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第３象限に位置し、第４のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第４象限に位置し、
前記第１のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向き、前記第２のセンサのα軸正方向がＹ軸負方向を向き、前記第３のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向を向き、前記第４のセンサのα軸正方向がＹ軸正方向を向くように、前記４組のセンサが配置されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１５】
請求項１１に記載の力検出装置において、
３組の変位センサを有し、
第１のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２のセンサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３のセンサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、前記第２のセンサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、前記第３のセンサのα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、前記３組のセンサが配置されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１６】
請求項１１に記載の力検出装置において、
ローカル原点ＱがＺ軸から第１の距離だけ離れた位置にくるように配置された３組の内側センサと、ローカル原点ＱがＺ軸から前記第１の距離よりも大きい第２の距離だけ離れた位置にくるように配置された３組の外側センサと、を有し、
第１の外側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の外側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の外側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１の外側センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、前記第２の外側センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、前記第３の外側センサのα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、前記３組の外側センサが配置されており、
第１の内側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の内側センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の内側センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１の内側センサのα軸正方向が前記第１の外側センサのα軸負方向を向き、前記第２の内側センサのα軸正方向が前記第２の外側センサのα軸負方向を向き、前記第３の内側センサのα軸正方向が前記第３の外側センサのα軸負方向を向くように、前記３組の内側センサが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１１に記載の力検出装置において、
３組の主センサと、３組の副センサと、を有し、
第１の主センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第１象限に位置し、第２の主センサのローカル原点ＱがＸＹ座標系の第２象限に位置し、第３の主センサのローカル原点ＱがＹ軸の負領域上に位置し、
前記第１の主センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸負方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、前記第２の主センサのα軸正方向がＸ軸正方向ベクトルとＹ軸正方向ベクトルとの合成ベクトル方向を向き、前記第３の主センサのα軸正方向がＸ軸負方向を向くように、前記３組の主センサが配置されており、
第１の副センサのローカル原点Ｑが前記第１の主センサのローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第２の副センサのローカル原点Ｑが前記第２の主センサのローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、第３の副センサのローカル原点Ｑが前記第３の主センサのローカル原点Ｑに対して原点Ｏに関して点対称となるように位置し、
前記第１の副センサのα軸正方向が前記第１の主センサのα軸負方向を向き、前記第２の副センサのα軸正方向が前記第２の主センサのα軸負方向を向き、前記第３の副センサのα軸正方向が前記第３の主センサのα軸負方向を向くように、前記３組の副センサが配置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１〜１７のいずれかに記載の変位センサもしくは力検出装置において、
接続部材が、複数のばね、もしくは弾性変形を生じる複数の柱状部材によって構成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項１９】
請求項１〜１７のいずれかに記載の変位センサもしくは力検出装置において、
接続部材が、上方基板の周囲に設けられた上方接続用縁部と、下方基板の周囲に設けられた下方接続用縁部と、前記上方接続用縁部と前記下方接続用縁部とを接続する複数の柱状部材と、によって構成され、
前記上方接続用縁部のうち前記柱状部材の上端が接続された接続部分の近傍と、前記下方接続用縁部のうち前記柱状部材の下端が接続された接続部分の近傍とが、ダイアフラムもしくはビーム構造体によって構成されていることを特徴とする力検出装置。
【請求項２０】
請求項１〜１７のいずれかに記載の変位センサもしくは力検出装置において、
接続部材が、上方電極と下方電極との間に配置されたゴム層によって構成されていることを特徴とする力検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【図６２】
【図６３】
【図６４】
【図６５】
【図６６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【図６２】
【図６３】
【図６４】
【図６５】
【図６６】
【公開番号】特開２０１１−１２８０９６（Ｐ２０１１−１２８０９６Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８８８７２（Ｐ２００９−２８８８７２）
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（３９００１３３４３）株式会社ワコー (34)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（３９００１３３４３）株式会社ワコー (34)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]