JP5248182B2 - Force detection device - Google Patents
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Description
本発明は力検出装置に関し、特に、力とモーメントとを独立して検出するのに適した力検出装置に関する。 The present invention relates to a force detection device, and more particularly, to a force detection device suitable for detecting force and moment independently.
ロボットや産業機械の動作制御を行うために、種々のタイプの力検出装置が利用されている。また、電子機器の入力装置のマン・マシンインターフェイスとしても、小型の力検出装置が組み込まれている。このような用途に用いる力検出装置には、小型化およびコストダウンを図るために、できるだけ構造を単純にするとともに、三次元空間内での各座標軸に関する力をそれぞれ独立して検出できるようにすることが要求される。 Various types of force detection devices are used to control the operation of robots and industrial machines. Also, a small force detection device is incorporated as a man-machine interface of an input device of an electronic device. In order to reduce the size and reduce the cost, the force detection device used for such an application has a simple structure as much as possible and can independently detect forces related to each coordinate axis in a three-dimensional space. Is required.
一般に、力検出装置の検出対象には、所定の座標軸方向を向いた力成分と、所定の座標軸まわりのモーメント成分とがある。三次元空間内にXYZ三次元座標系を定義した場合、検出対象は、各座標軸方向の力成分Fx,Fy,Fzと、各座標軸まわりのモーメント成分Mx,My,Mzとの6つの成分になる。 In general, the detection target of the force detection device includes a force component directed in a predetermined coordinate axis direction and a moment component around the predetermined coordinate axis. When the XYZ three-dimensional coordinate system is defined in the three-dimensional space, the detection target is six components including force components Fx, Fy, Fz in the respective coordinate axis directions and moment components Mx, My, Mz around the respective coordinate axes. .
このような6つの力成分をそれぞれ独立して検出することができる力検出装置として、たとえば、下記の特許文献1には、比較的単純な構造をもった装置が開示されている。この特許文献1に開示された技術は、既に米国特許第6915709号・米国特許第7121147号・欧州特許第1464939号が付与されている技術であり、受力体と支持基板とを複数の柱状体で接続した構造物を用意し、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定することにより、受力体に加わった力の各成分を検出するものである。また、下記の特許文献2に開示されている技術も、既に米国特許第7219561号が付与されている技術である。この技術によれば、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定するセンサとして静電容量素子を用い、この静電容量素子を構成する特定の電極間に配線を施すことにより、受力体に加わった力の各成分を検出するための演算を単純化することが可能になる。
上述したとおり、特許文献1および2に開示されている力検出装置は、比較的単純な構造により、各座標軸方向の力成分Fx,Fy,Fzと、各座標軸まわりのモーメント成分Mx,My,Mzとの6つの成分をそれぞれ独立して検出することが可能である。しかしながら、実用上は、他軸成分の干渉を完全に排除した状態で、必要な成分のみの正確な測定値を得ることは困難であり、他軸成分の干渉による測定精度の低下は避けられない。もちろん、このような他軸成分の干渉程度が、個々の用途に応じた許容誤差範囲内であれば支障はないが、最近は、様々な利用分野において、より測定精度の高い力検出装置が望まれている。 As described above, the force detection devices disclosed in Patent Documents 1 and 2 have force components Fx, Fy, and Fz in the direction of each coordinate axis and moment components Mx, My, and Mz around each coordinate axis by a relatively simple structure. 6 components can be detected independently of each other. However, in practice, it is difficult to obtain accurate measurement values of only the necessary components with the interference of other axis components completely eliminated, and a decrease in measurement accuracy due to interference of other axis components is inevitable. . Of course, there is no problem as long as the interference of other axis components is within an allowable error range according to each application, but recently, a force detection device with higher measurement accuracy is desired in various fields of use. It is rare.
そこで本発明は、できるたけ単純な構造をもち、しかも他軸成分の干渉を排除し、力とモーメントとを区別して検出することが可能な力検出装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a force detection device that has a simple structure as much as possible, eliminates interference of other axis components, and can detect force and moment separately.
(1) 本発明の第1の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための第1の柱状体と、支持基板と受力体とを接続するための第2の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
第1の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続され、第1の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して支持基板に接続され、
第2の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続され、第2の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して支持基板に接続され、
XY平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
第1の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、
第2の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置されるようにし、
第1の柱状体の下端近傍に配置され、第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第1の柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第1のセンサと、
第2の柱状体の下端近傍に配置され、第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第2の柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第2のセンサと、
第1のセンサの検出結果と第2のセンサの検出結果とに基づいて、受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを求め、これを出力する処理を行う検出回路と、
を更に設け、
検出回路は、
第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx*を求める演算機能と、
第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との差Myを求める演算機能と、
所定の係数αを用いた演算式「Fx=Fx*−α・My」に基づいて、受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを求める演算機能と、
を有するようにし、
係数αが、Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる和Fx*の値Fx*(0)および差Myの値My(0)を用いた式「α=Fx*(0)/My(0)」で与えられる値に設定されているようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention includes a support substrate, a force receiving body disposed above the support substrate, a first columnar body for connecting the support substrate and the power receiving body, and a support A force detection device that detects a force acting on the force receiving member in a state where the support substrate is fixed, and a second columnar body for connecting the substrate and the force receiving member;
The upper end of the first columnar body is connected to the force receiving body via a flexible member, and the lower end of the first columnar body is connected to the support substrate via a flexible member. ,
The upper end of the second columnar body is connected to the power receiving body via a flexible member, and the lower end of the second columnar body is connected to the support substrate via a flexible member. ,
The XY plane is positioned on or above the upper surface of the support substrate so as to be parallel to the upper surface of the support substrate. Thus, when the XYZ three-dimensional coordinate system is defined,
The first columnar body is arranged at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects the positive part of the X axis,
The second columnar body is arranged such that its central axis is parallel to the Z axis and its central axis intersects the negative part of the X axis,
A detector that is disposed near the lower end of the first columnar body and detects the inclination of the first columnar body in the X-axis direction, and a force in the Z-axis direction that is applied to the support substrate from the entire first columnar body. A first sensor having a detector for detecting
A detector that is disposed near the lower end of the second columnar body and detects the inclination of the second columnar body in the X-axis direction, and a force in the Z-axis direction that is applied to the support substrate from the entire second columnar body. A second sensor having a detector for detecting
A detection circuit that performs processing for obtaining an X-axis direction component Fx of the force acting on the force receiving body based on the detection result of the first sensor and the detection result of the second sensor, and outputting the same;
Further provided,
The detection circuit
An arithmetic function for obtaining a sum Fx * of the inclination of the first columnar body in the X-axis direction and the inclination of the second columnar body in the X-axis direction;
A calculation function for obtaining a difference My between the force in the Z-axis direction applied by the first columnar body and the force in the Z-axis direction applied by the second columnar body;
An arithmetic function for obtaining an X-axis direction component Fx of the force acting on the force receiving body based on an arithmetic expression “Fx = Fx * −α · My” using a predetermined coefficient α;
And have
The coefficient α is an expression “α = Fx * (0) / using the value Fx * (0) of the sum Fx * and the value My (0) of the difference My obtained in an environment where only the moment about the Y-axis acts. This is set to a value given by “My (0)”.
(2) 本発明の第2の態様は、上述した第1の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、求めた差Myを、受力体に作用した力のY軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うようにしたものである。
(2) According to a second aspect of the present invention, in the force detection device according to the first aspect described above,
The detection circuit performs processing for outputting the obtained difference My as a moment component around the Y axis of the force acting on the force receiving body.
(3) 本発明の第3の態様は、上述した第1または第2の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との和Fzを求める演算機能を更に有し、求めた和Fzを、受力体に作用した力のZ軸方向成分として出力する処理を行うようにしたものである。
(3) According to a third aspect of the present invention, in the force detection device according to the first or second aspect described above,
The detection circuit further has a calculation function for obtaining a sum Fz of the force in the Z-axis direction applied by the first columnar body and the force in the Z-axis direction applied by the second columnar body, and the obtained sum Fz Is output as a Z-axis direction component of the force acting on the force receiving body.
(4) 本発明の第4の態様は、上述した第1〜第3の態様に係る力検出装置において、
第1のセンサが、第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子を更に有し、第2のセンサが、第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子を更に有し、
検出回路が、第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との差Mzを求める演算機能を更に有し、求めた差Mzを、受力体に作用した力のZ軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うようにしたものである。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the force detection device according to the first to third aspects described above,
Detection in which the first sensor further includes a detector that detects the inclination of the first columnar body in the Y-axis direction, and the second sensor detects the inclination of the second columnar body in the Y-axis direction. Have a child,
The detection circuit further has a calculation function for obtaining a difference Mz between the inclination of the first columnar body in the Y-axis direction and the inclination of the second columnar body in the Y-axis direction. A process for outputting the force acting on the body as a moment component around the Z-axis is performed.
(5) 本発明の第5の態様は、上述した第1〜第4の態様に係る力検出装置において、
各柱状体の上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、上端側肉薄部は、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、
各柱状体の下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されているようにしたものである。
(5) According to a fifth aspect of the present invention, in the force detection device according to the first to fourth aspects described above,
The upper end side thin portion having flexibility is connected to the upper end of each columnar body, the upper end side thin portion is connected to the power receiving body around the upper end side thin portion, and the lower surface center portion is the upper end of the columnar body. Connected to
A flexible lower end side thin portion is connected to the lower end of each columnar body, and the lower end side thin portion is located above the upper surface of the support substrate at a predetermined distance from the upper surface of the support substrate. The periphery of the columnar body is connected to the support substrate through the pedestal, and the center of the upper surface is connected to the lower end of the columnar body.
(6) 本発明の第6の態様は、上述した第5の態様に係る力検出装置において、
各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、
柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子として、
支持基板の上面において、x座標値が正となる領域に形成された第1の電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の電極に対向する位置に形成された第1の対向電極と、によって構成される第1の容量素子と、
支持基板の上面において、x座標値が負となる領域に形成された第2の電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の電極に対向する位置に形成された第2の対向電極と、によって構成される第2の容量素子と、
を有し、第1の容量素子の静電容量値C1と第2の容量素子の静電容量値C2との差を柱状体のX軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、
柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子が必要な場合には、当該検出子として、
支持基板の上面において、y座標値が正となる領域に形成された第3の電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の電極に対向する位置に形成された第3の対向電極と、によって構成される第3の容量素子と、
支持基板の上面において、y座標値が負となる領域に形成された第4の電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の電極に対向する位置に形成された第4の対向電極と、によって構成される第4の容量素子と、
を有し、第3の容量素子の静電容量値C3と第4の容量素子の静電容量値C4との差を柱状体のY軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、
柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子として、
支持基板の上面に形成された第5の電極と、下端側肉薄部の下面において、第5の電極に対向する位置に形成された第5の対向電極と、によって構成される第5の容量素子を有し、第5の容量素子の静電容量値C5を柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力として求める検出子が用いられ、
第1の電極自身および第2の電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、第1の電極と第2の電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、
第3の電極自身および第4の電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、第3の電極と第4の電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、
第5の電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしているようにしたものである。
(6) According to a sixth aspect of the present invention, in the force detection device according to the fifth aspect described above,
For each columnar body, an xy two-dimensional local coordinate having an origin at the intersection of the central axis of the columnar body and the upper surface of the support substrate, an x-axis parallel to the X-axis, and a y-axis parallel to the Y-axis When defining a system,
As a detector for detecting the inclination of the columnar body in the X-axis direction,
A first electrode formed in a region where the x-coordinate value is positive on the upper surface of the support substrate; and a first counter electrode formed in a position facing the first electrode on the lower surface of the lower end side thin portion; A first capacitive element constituted by:
A second electrode formed in a region where the x-coordinate value is negative on the upper surface of the support substrate; and a second counter electrode formed at a position facing the second electrode on the lower surface of the lower end side thin portion; A second capacitive element constituted by:
And a detector for obtaining a difference between the capacitance value C1 of the first capacitive element and the capacitance value C2 of the second capacitive element as an inclination in the X-axis direction of the columnar body is used.
When a detector that detects the inclination of the columnar body in the Y-axis direction is necessary,
A third electrode formed in a region where the y coordinate value is positive on the upper surface of the support substrate; and a third counter electrode formed at a position facing the third electrode on the lower surface of the lower end side thin portion; A third capacitive element constituted by:
A fourth electrode formed in a region where the y-coordinate value is negative on the upper surface of the support substrate; and a fourth counter electrode formed in a position facing the fourth electrode on the lower surface of the lower end side thin portion; A fourth capacitive element constituted by:
And a detector for determining the difference between the capacitance value C3 of the third capacitive element and the capacitance value C4 of the fourth capacitive element as the inclination in the Y-axis direction of the columnar body is used.
As a detector for detecting the force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire columnar body,
A fifth capacitive element configured by a fifth electrode formed on the upper surface of the support substrate and a fifth counter electrode formed at a position facing the fifth electrode on the lower surface of the thin portion on the lower end side. And a detector for determining the capacitance value C5 of the fifth capacitive element as a force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire columnar body,
Each of the first electrode itself and the second electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to the x-axis, and an electrode group that includes the first electrode and the second electrode is line-symmetrical with respect to the y-axis. Has a shape that
Each of the third electrode and the fourth electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to the y-axis, and an electrode group that includes the third electrode and the fourth electrode is line-symmetric with respect to the x-axis. Has a shape that
The fifth electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to both the x-axis and the y-axis.
(7) 本発明の第7の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための第1の柱状体と、支持基板と受力体とを接続するための第2の柱状体と、支持基板と受力体とを接続するための第3の柱状体と、支持基板と受力体とを接続するための第4の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
第1の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続され、第1の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して支持基板に接続され、
第2の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続され、第2の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して支持基板に接続され、
第3の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続され、第3の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して支持基板に接続され、
第4の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して受力体に接続され、第4の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して支持基板に接続されるようにし、
XY平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
第1の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、
第2の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、
第3の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、
第4の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置されるようにし、
第1の柱状体の下端近傍に配置され、第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第1の柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第1のセンサと、
第2の柱状体の下端近傍に配置され、第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第2の柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第2のセンサと、
第3の柱状体の下端近傍に配置され、第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第3の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第3の柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第3のセンサと、
第4の柱状体の下端近傍に配置され、第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第4の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、第4の柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第4のセンサと、
第1のセンサの検出結果、第2のセンサの検出結果、第3のセンサの検出結果、および第4のセンサの検出結果、に基づいて、受力体に作用した力のX軸方向成分FxおよびY軸方向成分Fyを求め、これらを出力する処理を行う検出回路と、
を更に設け、
検出回路は、
「第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx1*」もしくは「第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx2*」もしくは「第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx3*」のいずれかを和Fx*として求める演算機能と、
「第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との和Fy1*」もしくは「第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との和Fy2*」もしくは「第3の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との和Fy3*」のいずれかを和Fy*として求める演算機能と、
第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との差Myを求める演算機能と、
第3の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第4の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との差Mxを求める演算機能と、
所定の係数αを用いた演算式「Fx=Fx*−α・My」に基づいて、受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを求める演算機能と、
所定の係数βを用いた演算式「Fy=Fy*+β・Mx」に基づいて、受力体に作用した力のY軸方向成分Fyを求める演算機能と、
を有し、
係数αが、Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる和Fx*の値Fx*(0)および差Myの値My(0)を用いた式「α=Fx*(0)/My(0)」で与えられる値に設定され、
係数βが、X軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる和Fy*の値Fy*(0)および差Mxの値Mx(0)を用いた式「β=−Fy*(0)/Mx(0)」で与えられる値に設定されているようにしたものである。
(7) According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a support substrate, a force receiving body disposed above the support substrate, a first columnar body for connecting the support substrate and the force receiving body, and a support A second columnar body for connecting the substrate and the force receiving body; a third columnar body for connecting the support substrate and the power receiving body; and a second columnar body for connecting the support substrate and the power receiving body. A force detection device that detects a force acting on a force receiving body in a state where the support substrate is fixed.
The upper end of the first columnar body is connected to the force receiving body via a flexible member, and the lower end of the first columnar body is connected to the support substrate via a flexible member. ,
The upper end of the second columnar body is connected to the power receiving body via a flexible member, and the lower end of the second columnar body is connected to the support substrate via a flexible member. ,
The upper end of the third columnar body is connected to the force receiving body via a flexible member, and the lower end of the third columnar body is connected to the support substrate via a flexible member. ,
The upper end of the fourth columnar body is connected to the force receiving body via a flexible member, and the lower end of the fourth columnar body is connected to the support substrate via a flexible member. And
The XY plane is positioned on or above the upper surface of the support substrate so as to be parallel to the upper surface of the support substrate. Thus, when the XYZ three-dimensional coordinate system is defined,
The first columnar body is arranged at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects the positive part of the X axis,
The second columnar body is disposed at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects the negative part of the X axis.
The third columnar body is arranged at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects the positive part of the Y axis,
The fourth columnar body is arranged such that its central axis is parallel to the Z axis and its central axis intersects the negative part of the Y axis,
A detector that is disposed in the vicinity of the lower end of the first columnar body and detects the inclination of the first columnar body in the X-axis direction; and a detector that detects the inclination of the first columnar body in the Y-axis direction; A first sensor having a detector for detecting a force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire first columnar body;
A detector that is disposed near the lower end of the second columnar body and detects the inclination of the second columnar body in the X-axis direction; and a detector that detects the inclination of the second columnar body in the Y-axis direction; A second sensor having a detector for detecting a force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire second columnar body;
A detector that is disposed near the lower end of the third columnar body and detects the inclination of the third columnar body in the X-axis direction; and a detector that detects the inclination of the third columnar body in the Y-axis direction; A third sensor having a detector for detecting a force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire third columnar body;
A detector that is arranged near the lower end of the fourth columnar body and detects the inclination of the fourth columnar body in the X-axis direction; and a detector that detects the inclination of the fourth columnar body in the Y-axis direction; A detector for detecting a force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire fourth columnar body, and a fourth sensor having
Based on the detection result of the first sensor, the detection result of the second sensor, the detection result of the third sensor, and the detection result of the fourth sensor, the X-axis direction component Fx of the force acting on the force receiving body And a detection circuit that performs processing for obtaining the Y-axis direction component Fy and outputting these components,
Further provided,
The detection circuit
“The degree of inclination of the first columnar body in the X-axis direction, the degree of inclination of the second columnar body in the X-axis direction, the degree of inclination of the third columnar body in the X-axis direction, and the X-axis direction of the fourth columnar body. "Fx1 * " with the inclination, or "Fx2 * with the inclination of the first columnar body in the X-axis direction and the inclination of the second columnar body in the X-axis direction" or "X of the third columnar body An arithmetic function for calculating any one of the sums Fx3 * of the inclination with respect to the axial direction and the inclination with respect to the X-axis direction of the fourth columnar body as a sum Fx * ;
“The inclination of the first columnar body in the Y-axis direction, the inclination of the second columnar body in the Y-axis direction, the inclination of the third columnar body in the Y-axis direction, and the Y-axis direction of the fourth columnar body. Y sum Fy1 * "or" the sum of the inclination and the inclination about the Y-axis direction of the second columnar member in the Y-axis direction of the first columnar body Fy2 * "or" the third columnar body of the slope An arithmetic function for calculating any one of the sums Fy3 * of the inclination in the axial direction and the inclination in the Y-axis direction of the fourth columnar body as the sum Fy * ;
A calculation function for obtaining a difference My between the force in the Z-axis direction applied by the first columnar body and the force in the Z-axis direction applied by the second columnar body;
A calculation function for obtaining a difference Mx between a force in the Z-axis direction applied by the third columnar body and a force in the Z-axis direction applied by the fourth columnar body;
An arithmetic function for obtaining an X-axis direction component Fx of the force acting on the force receiving body based on an arithmetic expression “Fx = Fx * −α · My” using a predetermined coefficient α;
An arithmetic function for obtaining a Y-axis direction component Fy of a force acting on the force receiving body based on an arithmetic expression “Fy = Fy * + β · Mx” using a predetermined coefficient β;
Have
The coefficient α is an expression “α = Fx * (0) / using the value Fx * (0) of the sum Fx * and the value My (0) of the difference My obtained in an environment where only the moment about the Y-axis acts. Set to the value given by “My (0)”,
Coefficient beta is only moment about the X axis is the sum Fy * that is obtained in an environment which acts value Fy * (0) and the formula using a difference Mx value Mx (0) "β = -Fy * (0) / Mx (0) "is set to a value given.
(8) 本発明の第8の態様は、上述した第7の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、求めた差Myを、受力体に作用した力のY軸まわりのモーメント成分として出力し、求めた差Mxを、受力体に作用した力のX軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うようにしたものである。
(8) According to an eighth aspect of the present invention, in the force detection device according to the seventh aspect described above,
The detection circuit outputs the obtained difference My as a moment component around the Y axis of the force acting on the force receiving body, and outputs the obtained difference Mx as a moment component around the X axis of the force acting on the force receiving body. The processing to be performed is performed.
(9) 本発明の第9の態様は、上述した第7または第8の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第3の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第4の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との和Fzを求める演算機能を更に有し、求めた和Fzを、受力体に作用した力のZ軸方向成分Fzとして出力する処理を行うようにしたものである。
(9) According to a ninth aspect of the present invention, in the force detection device according to the seventh or eighth aspect described above,
The detection circuit includes a force in the Z-axis direction applied by the first columnar body, a force in the Z-axis direction applied by the second columnar body, a force in the Z-axis direction applied by the third columnar body, and the first 4 further includes a calculation function for obtaining a sum Fz with the force in the Z-axis direction applied by the four columnar bodies, and outputting the obtained sum Fz as a Z-axis direction component Fz of the force acting on the force receiving body. It is what I do.
(10) 本発明の第10の態様は、上述した第7〜第9の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、「第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和と、第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和と、の差Mz1」もしくは「第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との差Mz2」もしくは「第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との差Mz3」のいずれかを差Mzとして求める演算機能を更に有し、求めた差Mzを、受力体に作用した力のZ軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うようにしたものである。
(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the seventh to ninth aspects described above,
The detection circuit detects that the sum of the slope of the first columnar body in the Y-axis direction and the slope of the fourth columnar body in the X-axis direction, the slope of the second columnar body in the Y-axis direction, and the third The difference Mz1 between the sum of the inclination of the columnar body in the X-axis direction and the difference Mz2 between the inclination of the first columnar body in the Y-axis direction and the inclination of the second columnar body in the Y-axis direction. Or “the difference Mz3 between the inclination of the fourth columnar body in the X-axis direction and the inclination of the third columnar body in the X-axis direction” as the difference Mz. A process of outputting the difference Mz as a moment component around the Z-axis of the force acting on the force receiving body is performed.
(11) 本発明の第11の態様は、上述した第7〜第10の態様に係る力検出装置において、
各柱状体の上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、上端側肉薄部は、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、
各柱状体の下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されているようにしたものである。
(11) An eleventh aspect of the present invention is the force detection device according to the seventh to tenth aspects described above,
The upper end side thin portion having flexibility is connected to the upper end of each columnar body, the upper end side thin portion is connected to the power receiving body around the upper end side thin portion, and the lower surface center portion is the upper end of the columnar body. Connected to
A flexible lower end side thin portion is connected to the lower end of each columnar body, and the lower end side thin portion is located above the upper surface of the support substrate at a predetermined distance from the upper surface of the support substrate. The periphery of the columnar body is connected to the support substrate through the pedestal, and the center of the upper surface is connected to the lower end of the columnar body.
(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、
各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、
柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子として、
支持基板の上面において、x座標値が正となる領域に形成された第1の電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の電極に対向する位置に形成された第1の対向電極と、によって構成される第1の容量素子と、
支持基板の上面において、x座標値が負となる領域に形成された第2の電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の電極に対向する位置に形成された第2の対向電極と、によって構成される第2の容量素子と、
を有し、第1の容量素子の静電容量値C1と第2の容量素子の静電容量値C2との差を柱状体のX軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、
柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子として、
支持基板の上面において、y座標値が正となる領域に形成された第3の電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の電極に対向する位置に形成された第3の対向電極と、によって構成される第3の容量素子と、
支持基板の上面において、y座標値が負となる領域に形成された第4の電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の電極に対向する位置に形成された第4の対向電極と、によって構成される第4の容量素子と、
を有し、第3の容量素子の静電容量値C3と第4の容量素子の静電容量値C4との差を柱状体のY軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、
柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子として、
支持基板の上面に形成された第5の電極と、下端側肉薄部の下面において、第5の電極に対向する位置に形成された第5の対向電極と、によって構成される第5の容量素子を有し、第5の容量素子の静電容量値C5を柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力として求める検出子が用いられ、
第1の電極自身および第2の電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、第1の電極と第2の電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、
第3の電極自身および第4の電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、第3の電極と第4の電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、
第5の電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしているようにしたものである。
(12) A twelfth aspect of the present invention is the force detection device according to the eleventh aspect described above,
For each columnar body, an xy two-dimensional local coordinate having an origin at the intersection of the central axis of the columnar body and the upper surface of the support substrate, an x-axis parallel to the X-axis, and a y-axis parallel to the Y-axis When defining a system,
As a detector for detecting the inclination of the columnar body in the X-axis direction,
A first electrode formed in a region where the x-coordinate value is positive on the upper surface of the support substrate; and a first counter electrode formed in a position facing the first electrode on the lower surface of the lower end side thin portion; A first capacitive element constituted by:
A second electrode formed in a region where the x-coordinate value is negative on the upper surface of the support substrate; and a second counter electrode formed at a position facing the second electrode on the lower surface of the lower end side thin portion; A second capacitive element constituted by:
And a detector for obtaining a difference between the capacitance value C1 of the first capacitive element and the capacitance value C2 of the second capacitive element as an inclination in the X-axis direction of the columnar body is used.
As a detector for detecting the inclination of the columnar body in the Y-axis direction,
A third electrode formed in a region where the y coordinate value is positive on the upper surface of the support substrate; and a third counter electrode formed at a position facing the third electrode on the lower surface of the lower end side thin portion; A third capacitive element constituted by:
A fourth electrode formed in a region where the y-coordinate value is negative on the upper surface of the support substrate; and a fourth counter electrode formed in a position facing the fourth electrode on the lower surface of the lower end side thin portion; A fourth capacitive element constituted by:
And a detector for determining the difference between the capacitance value C3 of the third capacitive element and the capacitance value C4 of the fourth capacitive element as the inclination in the Y-axis direction of the columnar body is used.
As a detector for detecting the force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire columnar body,
A fifth capacitive element configured by a fifth electrode formed on the upper surface of the support substrate and a fifth counter electrode formed at a position facing the fifth electrode on the lower surface of the thin portion on the lower end side. And a detector for determining the capacitance value C5 of the fifth capacitive element as a force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire columnar body,
Each of the first electrode itself and the second electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to the x-axis, and an electrode group that includes the first electrode and the second electrode is line-symmetrical with respect to the y-axis. Has a shape that
Each of the third electrode and the fourth electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to the y-axis, and an electrode group that includes the third electrode and the fourth electrode is line-symmetric with respect to the x-axis. Has a shape that
The fifth electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to both the x-axis and the y-axis.
(13) 本発明の第13の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための4本の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
4本の柱状体の各上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、4本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
上端側肉薄部は、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、
下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、
XY平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
4本の柱状体は、その中心軸がいずれもZ軸に平行になるように配置されており、第1の柱状体は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、
第1の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第1のセンサが構成され、
第2の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第2のセンサが構成され、
第3の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第3のセンサが構成され、
第4の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第4のセンサが構成され、
第1のセンサを構成する容量素子の候補として、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C11と、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C12と、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C13と、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C14と、
第1の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C15と、
の5種類の容量素子を定義し、
第2のセンサを構成する容量素子の候補として、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C21と、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C22と、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C23と、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C24と、
第2の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C25と、
の5種類の容量素子を定義し、
第3のセンサを構成する容量素子の候補として、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C31と、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C32と、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C33と、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C34と、
第3の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C35と、
の5種類の容量素子を定義し、
第4のセンサを構成する容量素子の候補として、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C41と、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C42と、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C43と、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C44と、
第4の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C45と、
の5種類の容量素子を定義し、
受力体に作用した力のX軸方向成分をFx、Y軸方向成分をFy、Z軸方向成分をFz、X軸まわりのモーメント成分をMx、Y軸まわりのモーメント成分をMy、Z軸まわりのモーメント成分をMzとし、Fx,Fyを求める過程で用いる中間段階の値をそれぞれFx*,Fy*とし、各容量素子の静電容量値をそれぞれ各容量素子の符号と同じ符号で示すこととし、
Fx*を求める式として、
Fx1*=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)
Fx2*=(C11−C12)+(C21−C22)
Fx3*=(C31−C32)+(C41−C42)
なる3通りの式を定義し、
Fy*を求める式として、
Fy1*=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)
Fy2*=(C13−C14)+(C23−C24)
Fy3*=(C33−C34)+(C43−C44)
なる3通りの式を定義し、
Fzを求める式として、
Fz1=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45))
Fz2=−((C11+C12+C13+C14)+(C21+C22+C23+C24)+(C31+C32+C33+C34)+(C41+C42+C43+C44))
Fz3=−(C15+C25+C35+C45)
なる3通りの式を定義し、
Mxを求める式として、
Mx1=(C41+C42+C43+C44+C45)−(C31+C32+C33+C34+C35)
Mx2=(C41+C42+C43+C44)−(C31+C32+C33+C34)
Mx3=(C45−C35)
なる3通りの式を定義し、
Myを求める式として、
My1=(C11+C12+C13+C14+C15)−(C21+C22+C23+C24+C25)
My2=(C11+C12+C13+C14)−(C21+C22+C23+C24)
My3=(C15−C25)
なる3通りの式を定義し、
Mzを求める式として、
Mz1=((C13−C14)+(C41−C42))−((C23−C24)+(C31−C32))
Mz2=(C13−C14)−(C23−C24)
Mz3=(C41−C42)−(C31−C32)
なる3通りの式を定義したときに、
候補となる容量素子の中から、
Fx=Fxi*−αij・Myj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)
Fy=Fyi*+βij・Mxj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)
Fz=Fzi(但し、i=1〜3のいずれか)
Mx=Mxi(但し、i=1〜3のいずれか)
My=Myi(但し、i=1〜3のいずれか)
Mz=Mzi(但し、i=1〜3のいずれか)
なる6つの式の中から選択された式(但し、Fxの式およびFyの式の選択は必須)に基づく演算を行うために必要な容量素子が実際に形成されており、かつ、当該演算を行う検出回路が設けられており、
係数αijが、Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られるFxi*の値Fxi*(0)およびMyjの値Myj(0)を用いた式「αij=Fxi*(0)/Myj(0)」で与えられる値に設定されており、
係数βijが、X軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られるFyi*の値Fyi*(0)およびMxjの値Mxj(0)を用いた式「βij=−Fyi*(0)/Mxj(0)」で与えられる値に設定されているようにしたものである。
(13) A thirteenth aspect of the present invention includes a support substrate, a force receiving body disposed above the support substrate, and four columnar bodies for connecting the support substrate and the power receiving body. In a state where the support substrate is fixed, a force detection device that detects the force acting on the force receiving body,
A flexible upper end side thin portion is connected to each upper end of the four columnar bodies, and a flexible lower end side thin portion is connected to each lower end of the four columnar bodies. Is connected,
The upper end side thin part is connected to the power receiving body at the periphery, and the lower surface center part is connected to the upper end of the columnar body,
The lower end side thin portion is connected to the support substrate via a pedestal so that the lower end side thin portion is arranged in parallel to the upper surface of the support substrate at an upper position with a predetermined distance from the upper surface of the support substrate. The part is connected to the lower end of the columnar body,
The XY plane is positioned on or above the upper surface of the support substrate so as to be parallel to the upper surface of the support substrate. Thus, when the XYZ three-dimensional coordinate system is defined,
The four columnar bodies are arranged so that their central axes are parallel to the Z axis, and the first columnar body is arranged at a position where the central axis intersects the positive part of the X axis. The second columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the negative portion of the X axis, and the third columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the positive portion of the Y axis. The fourth columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the negative part of the Y axis,
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion, and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the first columnar body and the upper surface of the support substrate facing the first columnar body. A first sensor composed of a plurality of capacitive elements formed in
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion, and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the second columnar body and the upper surface of the support substrate facing the second columnar body. A second sensor comprising a plurality of capacitive elements formed in
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion, and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the third columnar body and the upper surface of the support substrate facing the third columnar body. A third sensor comprising a plurality of capacitive elements formed in
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the fourth columnar body and the upper surface of the support substrate facing the fourth columnar body. A fourth sensor comprising a plurality of capacitive elements formed in
As a candidate of the capacitive element constituting the first sensor,
When the first columnar body is tilted in the positive direction of the X axis, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the first columnar body is tilted in the negative direction of the X axis, the electrostatic capacity is increased by increasing the electrode interval. When the capacitance value decreases and the first columnar body inclines in the positive direction of the Y axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the first columnar body is Y A capacitance element C11 formed such that when the electrode is inclined in the negative direction, a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened, so that the capacitance value does not change;
When the first columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is reduced by increasing the electrode interval, and when the first columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the first columnar body inclines in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the first columnar body is Y A capacitive element C12 formed so that a capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode interval while expanding another part when tilted in the negative axis direction;
When the first columnar body is tilted in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the first columnar body is tilted in the X-axis negative direction. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value increases by narrowing the electrode spacing when the first columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C13 formed such that when the first columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, the capacitance value is reduced by increasing the electrode spacing;
When the first columnar body is tilted in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the first columnar body is tilted in the X-axis negative direction. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value decreases by widening the electrode spacing when the first columnar body tilts in the positive Y-axis direction. And a capacitive element C14 formed such that when the first columnar body is inclined in the negative Y-axis direction, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed;
When the first columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the electrostatic capacity value is reduced by widening the electrode interval, and when the first columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed. When the capacitance value increases and the first columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened. A capacitive element C15 formed so that the capacitance value does not change;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the second sensor,
When the second columnar body is inclined in the positive direction of the X axis, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed, and when the second columnar body is inclined in the negative direction of the X axis, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the second columnar body is inclined in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change, and the second columnar body is Y A capacitive element C21 formed so that a capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode spacing while widening another part when tilted in the negative axis direction;
When the second columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is reduced by increasing the electrode interval, and when the second columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the second columnar body is inclined in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change, and the second columnar body is Y A capacitive element C22 formed so that a capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode interval while expanding another part when tilted in the negative axis direction;
When the second columnar body is tilted in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened and the capacitance value does not change, and the second columnar body is tilted in the X-axis negative direction. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value increases by narrowing the electrode spacing when the second columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C23 formed such that when the second columnar body is inclined in the negative direction of the Y-axis, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval;
When the second columnar body is tilted in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened and the capacitance value does not change, and the second columnar body is tilted in the X-axis negative direction. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value decreases by widening the electrode spacing when the second columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C24 formed such that when the second columnar body inclines in the negative Y-axis direction, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed;
When the second columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the second columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed to reduce the electrostatic capacity. When the capacitance value increases and the second columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened. A capacitive element C25 formed so that the capacitance value does not change;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the third sensor,
When the third columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the third columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the third columnar body is tilted in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change and the third columnar body is Y A capacitive element C31 formed so that a capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode interval but widening another part when tilted in the negative axis direction;
When the third columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is reduced by increasing the electrode interval, and when the third columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the third columnar body is inclined in the positive direction of the Y axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the third columnar body is Y A capacitive element C32 formed so that a capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode interval while expanding another part when tilted in the negative axis direction;
When the third columnar body is inclined in the positive direction of the X axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the third columnar body is inclined in the negative direction of the X axis. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value increases by narrowing the electrode spacing when the third columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C33 formed such that when the third columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, the capacitance value is reduced due to an increase in electrode spacing;
When the third columnar body is inclined in the positive direction of the X axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the third columnar body is inclined in the negative direction of the X axis. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value decreases by widening the electrode spacing when the third columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C34 formed such that when the third columnar body is inclined in the negative direction of the Y-axis, the capacitance value is increased by reducing the electrode interval;
When the third columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the third columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed to reduce the electrostatic capacity. When the capacitance value increases and the third columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened. A capacitive element C35 formed so that the capacitance value does not change;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate of the capacitive element constituting the fourth sensor,
When the fourth columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the fourth columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the fourth columnar body is inclined in the positive direction of the Y axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change and the fourth columnar body is Y A capacitive element C41 formed so that the capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode interval while expanding another part when tilted in the negative axis direction;
When the fourth columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is reduced by increasing the electrode interval, and when the fourth columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the fourth columnar body tilts in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the fourth columnar body is Y A capacitive element C42 formed so that a capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode interval while expanding another part when tilted in the negative axis direction;
When the fourth columnar body is tilted in the positive direction of the X axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, so that the capacitance value does not change, and the fourth columnar body is tilted in the negative direction of the X axis. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value increases by narrowing the electrode spacing when the fourth columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C43 formed such that when the fourth columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, the capacitance value is reduced by increasing the electrode spacing;
When the fourth columnar body is tilted in the positive direction of the X axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, so that the capacitance value does not change, and the fourth columnar body is tilted in the negative direction of the X axis. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value decreases by widening the electrode spacing when the fourth columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C44 formed such that when the fourth columnar body is inclined in the negative direction of the Y-axis, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval;
When the fourth columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the fourth columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed to reduce the electrostatic capacity. When the capacitance value increases and the fourth columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened. A capacitive element C45 formed so that the capacitance value does not change;
5 types of capacitive elements are defined,
The X-axis direction component of the force acting on the force receiving body is Fx, the Y-axis direction component is Fy, the Z-axis direction component is Fz, the moment component around the X-axis is Mx, the moment component around the Y-axis is My, and around the Z-axis the moment component and Mz, Fx, the value of the intermediate stage, respectively used in the process of obtaining the Fy Fx *, and Fy *, and to exhibit capacitance values of the capacitance elements in each same reference numerals of the capacitive elements ,
As a formula for calculating Fx * ,
Fx1 * = (C11-C12) + (C21-C22) + (C31-C32) + (C41-C42)
Fx2 * = (C11-C12) + (C21-C22)
Fx3 * = (C31-C32) + (C41-C42)
Define the following three formulas,
As a formula for obtaining Fy * ,
Fy1 * = (C13-C14) + (C23-C24) + (C33-C34) + (C43-C44)
Fy2 * = (C13-C14) + (C23-C24)
Fy3 * = (C33-C34) + (C43-C44)
Define the following three formulas,
As an expression for calculating Fz,
Fz1 = − ((C11 + C12 + C13 + C14 + C15) + (C21 + C22 + C23 + C24 + C25) + (C31 + C32 + C33 + C34 + C35) + (C41 + C42 + C43 + C44 + C45))
Fz2 = − ((C11 + C12 + C13 + C14) + (C21 + C22 + C23 + C24) + (C31 + C32 + C33 + C34) + (C41 + C42 + C43 + C44))
Fz3 = − (C15 + C25 + C35 + C45)
Define the following three formulas,
As an expression for obtaining Mx,
Mx1 = (C41 + C42 + C43 + C44 + C45) − (C31 + C32 + C33 + C34 + C35)
Mx2 = (C41 + C42 + C43 + C44)-(C31 + C32 + C33 + C34)
Mx3 = (C45-C35)
Define the following three formulas,
As an expression for calculating My,
My1 = (C11 + C12 + C13 + C14 + C15) − (C21 + C22 + C23 + C24 + C25)
My2 = (C11 + C12 + C13 + C14) − (C21 + C22 + C23 + C24)
My3 = (C15-C25)
Define the following three formulas,
As an expression for obtaining Mz,
Mz1 = ((C13-C14) + (C41-C42))-((C23-C24) + (C31-C32))
Mz2 = (C13-C14)-(C23-C24)
Mz3 = (C41-C42)-(C31-C32)
When defining the following three formulas,
From the candidate capacitive elements,
Fx = Fxi * −αij · Myj (where i = 1 to 3, j = 1 to 3)
Fy = Fyi * + βij · Mxj (where i = 1 to 3, j = 1 to 3)
Fz = Fzi (where i = 1 to 3)
Mx = Mxi (where i = 1 to 3)
My = Myi (where i = 1 to 3)
Mz = Mzi (where i = 1 to 3)
Capacitance elements necessary for performing an operation based on an expression selected from the following six expressions (however, selection of the Fx expression and the Fy expression is essential) are actually formed, and A detection circuit to perform is provided,
The coefficient αij is an expression “αij = Fxi * (0) / Myj () using a value Fxi * (0) of Fxi * and a value Myj (0) of Myj obtained in an environment in which only a moment around the Y-axis acts. 0) "is set to the value given by
The coefficient “βij” is an expression “βij = −Fyi * (0) / Mxj using a value Fyi * (0) of Fyi * and a value Mxj (0) of Mxj obtained in an environment in which only a moment around the X axis acts. The value is set to the value given by (0) ".
(14) 本発明の第14の態様は、上述した第13の態様に係る力検出装置において、この第13の態様として記載された容量素子の候補に代えて、
各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、
第1のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C11と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C12と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C13と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C14と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第1の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C15と、
の5種類の容量素子を定義し、
第2のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C21と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C22と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C23と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C24と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第2の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C25と、
の5種類の容量素子を定義し、
第3のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C31と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C32と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C33と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C34と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第3の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C35と、
の5種類の容量素子を定義し、
第4のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C41と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C42と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C43と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C44と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第4の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C45と、
の5種類の容量素子を定義し、
各柱状体用電極のそれぞれについて、
x軸正側電極自身およびx軸負側電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、x軸正側電極とx軸負側電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、
y軸正側電極自身およびy軸負側電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、y軸正側電極とy軸負側電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、
Z軸変位検出用電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしているようにしたものである。
(14) According to a fourteenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the thirteenth aspect described above, instead of the capacitive element candidate described as the thirteenth aspect,
For each columnar body, an xy two-dimensional local coordinate having an origin at the intersection of the central axis of the columnar body and the upper surface of the support substrate, an x-axis parallel to the X-axis, and a y-axis parallel to the Y-axis When defining a system,
As a candidate of the capacitive element constituting the first sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body x-axis positive side electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C11 formed by a counter electrode formed at a position facing the first columnar x-axis positive electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body x-axis negative electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C12 constituted by a counter electrode formed at a position facing the first columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body y-axis positive side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C13 configured by a counter electrode formed at a position facing the first y-axis positive electrode for the columnar body;
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body y-axis negative electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C14 configured by a counter electrode formed at a position facing the first y-axis negative electrode for the columnar body;
On the upper surface of the support substrate, the first columnar body Z-axis displacement detection electrode formed at a predetermined position in the local coordinate system for the first columnar body, and the first columnar body on the lower surface of the lower end side thin portion A capacitive element C15 constituted by a counter electrode formed at a position facing the Z-axis displacement detection electrode for use;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the second sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the lower surface of the second columnar body x-axis positive side electrode formed in the region where the x coordinate value in the local coordinate system of the second columnar body is positive, and the lower end side thin portion, A capacitance element C21 configured by a counter electrode formed at a position facing the second columnar x-axis positive electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the second columnar body x-axis negative electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system for the second columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C22 configured by a counter electrode formed at a position facing the second columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the second columnar y-axis positive side electrode formed in the region where the y coordinate value in the local coordinate system is positive, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C23 configured by a counter electrode formed at a position facing the second columnar y-axis positive side electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the second columnar body y-axis negative side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system for the second columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C24 configured by a counter electrode formed at a position facing the second columnar y-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, the second columnar body is formed at a predetermined position in the local coordinate system for the second columnar body, and the second columnar body is formed on the lower surface of the lower end side thin portion. A capacitive element C25 constituted by a counter electrode formed at a position facing the Z-axis displacement detection electrode for use;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the third sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body x-axis positive side electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system of the third columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C31 constituted by a counter electrode formed at a position facing the third columnar x-axis positive electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body x-axis negative electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C32 configured by a counter electrode formed at a position facing the third columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body y-axis positive side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C33 constituted by a counter electrode formed at a position facing the third columnar y-axis positive electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body y-axis negative side electrode formed in the region where the y coordinate value in the local coordinate system is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C34 constituted by a counter electrode formed at a position facing the third columnar y-axis negative electrode,
A third columnar body Z-axis displacement detection electrode formed at a predetermined position in the local coordinate system of the third columnar body on the upper surface of the support substrate and a third columnar body on the lower surface of the lower end side thin portion. A capacitive element C35 constituted by a counter electrode formed at a position facing the Z-axis displacement detection electrode for use;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate of the capacitive element constituting the fourth sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the fourth columnar x-axis positive electrode formed in the region where the x coordinate value in the local coordinate system is positive, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C41 constituted by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar x-axis positive side electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the fourth columnar x-axis negative electrode formed in the region where the x coordinate value in the local coordinate system is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C42 constituted by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the fourth y-axis positive side electrode for the columnar body formed in the region where the y coordinate value in the local coordinate system for the fourth columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C43 constituted by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar y-axis positive electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the fourth columnar body y-axis negative side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system of the fourth columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C44 configured by a counter electrode formed at a position facing the fourth y-axis negative electrode for the columnar body;
On the upper surface of the support substrate, the fourth columnar body is formed at a predetermined position in the local coordinate system of the fourth columnar body, and the fourth columnar body is formed on the lower surface of the lower end side thin portion. A capacitive element C45 constituted by a counter electrode formed at a position facing the Z-axis displacement detection electrode for use;
5 types of capacitive elements are defined,
For each columnar electrode,
Each of the x-axis positive electrode itself and the x-axis negative electrode itself has a shape that is line symmetric with respect to the x-axis, and the electrode group that includes the x-axis positive electrode and the x-axis negative electrode is the y-axis. Has a line-symmetric shape with respect to
Each of the y-axis positive electrode itself and the y-axis negative electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to the y-axis, and the electrode group that includes the y-axis positive electrode and the y-axis negative electrode is an x-axis. Has a line-symmetric shape with respect to
The Z-axis displacement detection electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to both the x-axis and the y-axis.
(15) 本発明の第15の態様は、上述した第6、第12〜第14の態様に係る力検出装置において、
静電容量値の和を算出する対象となる複数の容量素子については、互いに電気的な並列接続がなされるような配線を施すことにより、検出回路における和を算出する演算を省略し、
各容量素子を、係数α,β,αij,βijが1になるように設定することにより、検出回路における係数を用いた積を算出する演算を省略するようにしたものである。
(15) According to a fifteenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the sixth, twelfth to fourteenth aspects described above,
For a plurality of capacitive elements that are targets for calculating the sum of capacitance values, by performing wiring that is electrically connected to each other, the calculation for calculating the sum in the detection circuit is omitted,
By setting each of the capacitive elements so that the coefficients α, β, αij, and βij are 1, the calculation for calculating the product using the coefficients in the detection circuit is omitted.
(16) 本発明の第16の態様は、支持基板と、この支持基板の上方に配置された受力体と、支持基板と受力体とを接続するための4本の柱状体と、を備え、支持基板を固定した状態において、受力体に作用した力を検出する力検出装置において、
4本の柱状体の各上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、4本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
上端側肉薄部は、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、
下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、
XY平面が、支持基板の上面もしくはその上方に、支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
4本の柱状体は、その中心軸がいずれもZ軸に平行になるように配置されており、第1の柱状体は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、
第1の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第1のセンサが構成され、
第2の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第2のセンサが構成され、
第3の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第3のセンサが構成され、
第4の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第4のセンサが構成され、
第1のセンサを構成する容量素子の候補として、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C11と、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C12と、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C13と、
第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C14と、
第1の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C15と、
の5種類の容量素子を定義し、
第2のセンサを構成する容量素子の候補として、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C21と、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C22と、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C23と、
第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C24と、
第2の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C25と、
の5種類の容量素子を定義し、
第3のセンサを構成する容量素子の候補として、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C31と、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C32と、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C33と、
第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C34と、
第3の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C35と、
の5種類の容量素子を定義し、
第4のセンサを構成する容量素子の候補として、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C41と、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C42と、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C43と、
第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C44と、
第4の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C45と、
の5種類の容量素子を定義し、
受力体に作用した力のX軸方向成分をFx、Y軸方向成分をFy、Z軸方向成分をFz、X軸まわりのモーメント成分をMx、Y軸まわりのモーメント成分をMy、Z軸まわりのモーメント成分をMzとし、Fx,Fyを求める過程で用いる中間段階の値をそれぞれFx*,Fy*とし、各容量素子の静電容量値をそれぞれ各容量素子の符号と同じ符号で示すこととし、
Fx*を求める式として、
Fx1*=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)
Fx2*=(C11−C12)+(C21−C22)
Fx3*=(C31−C32)+(C41−C42)
なる3通りの式を定義し、
Fy*を求める式として、
Fy1*=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)
Fy2*=(C13−C14)+(C23−C24)
Fy3*=(C33−C34)+(C43−C44)
なる3通りの式を定義し、
Fzを求める式として、
Fz1=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45))
Fz2=−((C11+C12+C13+C14)+(C21+C22+C23+C24)+(C31+C32+C33+C34)+(C41+C42+C43+C44))
Fz3=−(C15+C25+C35+C45)
なる3通りの式を定義し、
Mxを求める式として、
Mx1=(C41+C42+C43+C44+C45)−(C31+C32+C33+C34+C35)
Mx2=(C41+C42+C43+C44)−(C31+C32+C33+C34)
Mx3=(C45−C35)
なる3通りの式を定義し、
Myを求める式として、
My1=(C11+C12+C13+C14+C15)−(C21+C22+C23+C24+C25)
My2=(C11+C12+C13+C14)−(C21+C22+C23+C24)
My3=(C15−C25)
なる3通りの式を定義し、
Mzを求める式として、
Mz1=((C13−C14)+(C41−C42))−((C23−C24)+(C31−C32))
Mz2=(C13−C14)−(C23−C24)
Mz3=(C41−C42)−(C31−C32)
なる3通りの式を定義したときに、
候補となる容量素子の中から、
Fx=Fxi*−Myj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)
Fy=Fyi*+Mxj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)
Fz=Fzi(但し、i=1〜3のいずれか)
Mx=Mxi(但し、i=1〜3のいずれか)
My=Myi(但し、i=1〜3のいずれか)
Mz=Mzi(但し、i=1〜3のいずれか)
なる6つの式の中から選択された式(但し、Fxの式およびFyの式の選択は必須)に基づく演算を行うために必要な容量素子が実際に形成されており(同一符号の静電容量値が、異なる複数の式で用いられている場合には、物理的に別体の容量素子が形成されており)、かつ、当該演算を行う検出回路が設けられており、
実際に形成されている容量素子のうち、選択された式に基づく演算において静電容量値の和を算出する対象となる複数の容量素子については、互いに電気的な並列接続がなされるような配線が施されており、
Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られるFxi*の値Fxi*(0)およびMyjの値Myj(0)について、Fxi*(0)=Myj(0)が成り立つように、Fxi*の算出に用いられる容量素子と、Myjの算出に用いられる容量素子と、が設定されており、
X軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られるFyi*の値Fyi*(0)およびMxjの値Mxj(0)について、−Fyi*(0)=Mxj(0)が成り立つように、Fyi*の算出に用いられる容量素子と、Mxjの算出に用いられる容量素子と、が設定されているようにしたものである。
(16) According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided a support substrate, a force receiving body arranged above the support substrate, and four columnar bodies for connecting the support substrate and the power receiving body. In a state where the support substrate is fixed, a force detection device that detects the force acting on the force receiving body,
A flexible upper end side thin portion is connected to each upper end of the four columnar bodies, and a flexible lower end side thin portion is connected to each lower end of the four columnar bodies. Is connected,
The upper end side thin part is connected to the power receiving body at the periphery, and the lower surface center part is connected to the upper end of the columnar body,
The lower end side thin portion is connected to the support substrate via a pedestal so that the lower end side thin portion is arranged in parallel to the upper surface of the support substrate at an upper position with a predetermined distance from the upper surface of the support substrate. The part is connected to the lower end of the columnar body,
The XY plane is positioned on or above the upper surface of the support substrate so as to be parallel to the upper surface of the support substrate. Thus, when the XYZ three-dimensional coordinate system is defined,
The four columnar bodies are arranged so that their central axes are parallel to the Z axis, and the first columnar body is arranged at a position where the central axis intersects the positive part of the X axis. The second columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the negative portion of the X axis, and the third columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the positive portion of the Y axis. The fourth columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the negative part of the Y axis,
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion, and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the first columnar body and the upper surface of the support substrate facing the first columnar body. A first sensor composed of a plurality of capacitive elements formed in
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion, and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the second columnar body and the upper surface of the support substrate facing the second columnar body. A second sensor comprising a plurality of capacitive elements formed in
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion, and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the third columnar body and the upper surface of the support substrate facing the third columnar body. A third sensor comprising a plurality of capacitive elements formed in
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion and the other electrode is the upper surface of the support substrate in a space sandwiched between the lower end thin portion of the fourth columnar body and the upper surface of the support substrate facing the fourth columnar body. A fourth sensor comprising a plurality of capacitive elements formed in
As a candidate of the capacitive element constituting the first sensor,
When the first columnar body is tilted in the positive direction of the X axis, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the first columnar body is tilted in the negative direction of the X axis, the electrostatic capacity is increased by increasing the electrode interval. When the capacitance value decreases and the first columnar body inclines in the positive direction of the Y axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the first columnar body is Y A capacitance element C11 formed such that when the electrode is inclined in the negative direction, a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened, so that the capacitance value does not change;
When the first columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is reduced by increasing the electrode interval, and when the first columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the first columnar body inclines in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the first columnar body is Y A capacitive element C12 formed so that a capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode interval while expanding another part when tilted in the negative axis direction;
When the first columnar body is tilted in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the first columnar body is tilted in the X-axis negative direction. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value increases by narrowing the electrode spacing when the first columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C13 formed such that when the first columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, the capacitance value is reduced by increasing the electrode spacing;
When the first columnar body is tilted in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the first columnar body is tilted in the X-axis negative direction. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value decreases by widening the electrode spacing when the first columnar body tilts in the positive Y-axis direction. And a capacitive element C14 formed such that when the first columnar body is inclined in the negative Y-axis direction, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed;
When the first columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the electrostatic capacity value is reduced by widening the electrode interval, and when the first columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed. When the capacitance value increases and the first columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened. A capacitive element C15 formed so that the capacitance value does not change;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the second sensor,
When the second columnar body is inclined in the positive direction of the X axis, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed, and when the second columnar body is inclined in the negative direction of the X axis, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the second columnar body is inclined in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change, and the second columnar body is Y A capacitive element C21 formed so that a capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode spacing while widening another part when tilted in the negative axis direction;
When the second columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is reduced by increasing the electrode interval, and when the second columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the second columnar body is inclined in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change, and the second columnar body is Y A capacitive element C22 formed so that a capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode interval while expanding another part when tilted in the negative axis direction;
When the second columnar body is tilted in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened and the capacitance value does not change, and the second columnar body is tilted in the X-axis negative direction. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value increases by narrowing the electrode spacing when the second columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C23 formed such that when the second columnar body is inclined in the negative direction of the Y-axis, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval;
When the second columnar body is tilted in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened and the capacitance value does not change, and the second columnar body is tilted in the X-axis negative direction. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value decreases by widening the electrode spacing when the second columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C24 formed such that when the second columnar body inclines in the negative Y-axis direction, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed;
When the second columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the second columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed to reduce the electrostatic capacity. When the capacitance value increases and the second columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened. A capacitive element C25 formed so that the capacitance value does not change;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the third sensor,
When the third columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the third columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the third columnar body is tilted in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change and the third columnar body is Y A capacitive element C31 formed so that a capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode interval but widening another part when tilted in the negative axis direction;
When the third columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is reduced by increasing the electrode interval, and when the third columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the third columnar body is inclined in the positive direction of the Y axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the third columnar body is Y A capacitive element C32 formed so that a capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode interval while expanding another part when tilted in the negative axis direction;
When the third columnar body is inclined in the positive direction of the X axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the third columnar body is inclined in the negative direction of the X axis. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value increases by narrowing the electrode spacing when the third columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C33 formed such that when the third columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, the capacitance value is reduced due to an increase in electrode spacing;
When the third columnar body is inclined in the positive direction of the X axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the third columnar body is inclined in the negative direction of the X axis. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value decreases by widening the electrode spacing when the third columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C34 formed such that when the third columnar body is inclined in the negative direction of the Y-axis, the capacitance value is increased by reducing the electrode interval;
When the third columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the third columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed to reduce the electrostatic capacity. When the capacitance value increases and the third columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened. A capacitive element C35 formed so that the capacitance value does not change;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate of the capacitive element constituting the fourth sensor,
When the fourth columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the fourth columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the fourth columnar body is inclined in the positive direction of the Y axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change and the fourth columnar body is Y A capacitive element C41 formed so that the capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode interval while expanding another part when tilted in the negative axis direction;
When the fourth columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is reduced by increasing the electrode interval, and when the fourth columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the fourth columnar body tilts in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the fourth columnar body is Y A capacitive element C42 formed so that a capacitance value does not change by narrowing a part of the electrode interval while expanding another part when tilted in the negative axis direction;
When the fourth columnar body is tilted in the positive direction of the X axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, so that the capacitance value does not change, and the fourth columnar body is tilted in the negative direction of the X axis. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value increases by narrowing the electrode spacing when the fourth columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C43 formed such that when the fourth columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, the capacitance value is reduced by increasing the electrode spacing;
When the fourth columnar body is tilted in the positive direction of the X axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, so that the capacitance value does not change, and the fourth columnar body is tilted in the negative direction of the X axis. Sometimes, the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode spacing but widening another part, and the capacitance value decreases by widening the electrode spacing when the fourth columnar body tilts in the positive Y-axis direction. A capacitive element C44 formed such that when the fourth columnar body is inclined in the negative direction of the Y-axis, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval;
When the fourth columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the fourth columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed to reduce the electrostatic capacity. When the capacitance value increases and the fourth columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened. A capacitive element C45 formed so that the capacitance value does not change;
5 types of capacitive elements are defined,
The X-axis direction component of the force acting on the force receiving body is Fx, the Y-axis direction component is Fy, the Z-axis direction component is Fz, the moment component around the X-axis is Mx, the moment component around the Y-axis is My, and around the Z-axis the moment component and Mz, Fx, the value of the intermediate stage, respectively used in the process of obtaining the Fy Fx *, and Fy *, and to exhibit capacitance values of the capacitance elements in each same reference numerals of the capacitive elements ,
As a formula for calculating Fx * ,
Fx1 * = (C11-C12) + (C21-C22) + (C31-C32) + (C41-C42)
Fx2 * = (C11-C12) + (C21-C22)
Fx3 * = (C31-C32) + (C41-C42)
Define the following three formulas,
As a formula for obtaining Fy * ,
Fy1 * = (C13-C14) + (C23-C24) + (C33-C34) + (C43-C44)
Fy2 * = (C13-C14) + (C23-C24)
Fy3 * = (C33-C34) + (C43-C44)
Define the following three formulas,
As an expression for calculating Fz,
Fz1 = − ((C11 + C12 + C13 + C14 + C15) + (C21 + C22 + C23 + C24 + C25) + (C31 + C32 + C33 + C34 + C35) + (C41 + C42 + C43 + C44 + C45))
Fz2 = − ((C11 + C12 + C13 + C14) + (C21 + C22 + C23 + C24) + (C31 + C32 + C33 + C34) + (C41 + C42 + C43 + C44))
Fz3 = − (C15 + C25 + C35 + C45)
Define the following three formulas,
As an expression for obtaining Mx,
Mx1 = (C41 + C42 + C43 + C44 + C45) − (C31 + C32 + C33 + C34 + C35)
Mx2 = (C41 + C42 + C43 + C44)-(C31 + C32 + C33 + C34)
Mx3 = (C45-C35)
Define the following three formulas,
As an expression for calculating My,
My1 = (C11 + C12 + C13 + C14 + C15) − (C21 + C22 + C23 + C24 + C25)
My2 = (C11 + C12 + C13 + C14) − (C21 + C22 + C23 + C24)
My3 = (C15-C25)
Define the following three formulas,
As an expression for obtaining Mz,
Mz1 = ((C13-C14) + (C41-C42))-((C23-C24) + (C31-C32))
Mz2 = (C13-C14)-(C23-C24)
Mz3 = (C41-C42)-(C31-C32)
When defining the following three formulas,
From the candidate capacitive elements,
Fx = Fxi * −Myj (where i = 1 to 3, j = 1 to 3)
Fy = Fyi * + Mxj (where i = 1 to 3, j = 1 to 3)
Fz = Fzi (where i = 1 to 3)
Mx = Mxi (where i = 1 to 3)
My = Myi (where i = 1 to 3)
Mz = Mzi (where i = 1 to 3)
Capacitance elements necessary to perform an operation based on an expression selected from the following six expressions (however, selection of the Fx expression and the Fy expression is indispensable) are actually formed. When the capacitance value is used in a plurality of different expressions, a separate capacitor element is physically formed), and a detection circuit for performing the calculation is provided.
Among the capacitive elements that are actually formed, wiring that is electrically connected to each other for a plurality of capacitive elements that are targets of calculating the sum of capacitance values in the calculation based on the selected formula Is given,
For Fxi only moment around the Y axis is obtained in an environment which acts * values Fxi * (0) and MYJ value Myj (0), Fxi * ( 0) = Myj (0) As is true, Fxi * And a capacitive element used for calculating Myj and a capacitive element used for calculating Myj are set.
For the Fyi * value Fyi * (0) and the Mxj value Mxj (0) obtained in an environment in which only the moment about the X-axis acts, Fyi * (0) = Mxj (0) is satisfied. The capacitive element used for calculating * and the capacitive element used for calculating Mxj are set.
(17) 本発明の第17の態様は、上述した第16の態様に係る力検出装置において、この第16の態様として記載した容量素子の候補に代えて、
各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、
第1のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C11と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C12と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C13と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C14と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第1の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第1の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C15と、
の5種類の容量素子を定義し、
第2のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C21と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C22と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C23と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C24と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第2の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第2の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C25と、
の5種類の容量素子を定義し、
第3のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C31と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C32と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C33と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C34と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第3の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第3の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C35と、
の5種類の容量素子を定義し、
第4のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C41と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C42と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C43と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C44と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第4の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、第4の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C45と、
の5種類の容量素子を定義し、
各柱状体用電極のそれぞれについて、
x軸正側電極自身およびx軸負側電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、x軸正側電極とx軸負側電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、
y軸正側電極自身およびy軸負側電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、y軸正側電極とy軸負側電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、
Z軸変位検出用電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしているようにしたものである。
(17) According to a seventeenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the sixteenth aspect described above, instead of the capacitive element candidate described as the sixteenth aspect,
For each columnar body, an xy two-dimensional local coordinate having an origin at the intersection of the central axis of the columnar body and the upper surface of the support substrate, an x-axis parallel to the X-axis, and a y-axis parallel to the Y-axis When defining a system,
As a candidate of the capacitive element constituting the first sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body x-axis positive side electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C11 formed by a counter electrode formed at a position facing the first columnar x-axis positive electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body x-axis negative electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C12 constituted by a counter electrode formed at a position facing the first columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body y-axis positive side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C13 configured by a counter electrode formed at a position facing the first y-axis positive electrode for the columnar body;
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body y-axis negative electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C14 configured by a counter electrode formed at a position facing the first y-axis negative electrode for the columnar body;
On the upper surface of the support substrate, the first columnar body Z-axis displacement detection electrode formed at a predetermined position in the local coordinate system for the first columnar body, and the first columnar body on the lower surface of the lower end side thin portion A capacitive element C15 constituted by a counter electrode formed at a position facing the Z-axis displacement detection electrode for use;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the second sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the lower surface of the second columnar body x-axis positive side electrode formed in the region where the x coordinate value in the local coordinate system of the second columnar body is positive, and the lower end side thin portion, A capacitance element C21 configured by a counter electrode formed at a position facing the second columnar x-axis positive electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the second columnar body x-axis negative electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system for the second columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C22 configured by a counter electrode formed at a position facing the second columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the second columnar y-axis positive side electrode formed in the region where the y coordinate value in the local coordinate system is positive, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C23 configured by a counter electrode formed at a position facing the second columnar y-axis positive side electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the second columnar body y-axis negative side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system for the second columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C24 configured by a counter electrode formed at a position facing the second columnar y-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, the second columnar body is formed at a predetermined position in the local coordinate system for the second columnar body, and the second columnar body is formed on the lower surface of the lower end side thin portion. A capacitive element C25 constituted by a counter electrode formed at a position facing the Z-axis displacement detection electrode for use;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the third sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body x-axis positive side electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system of the third columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C31 constituted by a counter electrode formed at a position facing the third columnar x-axis positive electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body x-axis negative electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C32 configured by a counter electrode formed at a position facing the third columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body y-axis positive side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C33 constituted by a counter electrode formed at a position facing the third columnar y-axis positive electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body y-axis negative side electrode formed in the region where the y coordinate value in the local coordinate system is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C34 constituted by a counter electrode formed at a position facing the third columnar y-axis negative electrode,
A third columnar body Z-axis displacement detection electrode formed at a predetermined position in the local coordinate system of the third columnar body on the upper surface of the support substrate and a third columnar body on the lower surface of the lower end side thin portion. A capacitive element C35 constituted by a counter electrode formed at a position facing the Z-axis displacement detection electrode for use;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate of the capacitive element constituting the fourth sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the fourth columnar x-axis positive electrode formed in the region where the x coordinate value in the local coordinate system is positive, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C41 constituted by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar x-axis positive side electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the fourth columnar x-axis negative electrode formed in the region where the x coordinate value in the local coordinate system is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C42 constituted by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the fourth y-axis positive side electrode for the columnar body formed in the region where the y coordinate value in the local coordinate system for the fourth columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C43 constituted by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar y-axis positive electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the fourth columnar body y-axis negative side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system of the fourth columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C44 configured by a counter electrode formed at a position facing the fourth y-axis negative electrode for the columnar body;
On the upper surface of the support substrate, the fourth columnar body is formed at a predetermined position in the local coordinate system of the fourth columnar body, and the fourth columnar body is formed on the lower surface of the lower end side thin portion. A capacitive element C45 constituted by a counter electrode formed at a position facing the Z-axis displacement detection electrode for use;
5 types of capacitive elements are defined,
For each columnar electrode,
Each of the x-axis positive electrode itself and the x-axis negative electrode itself has a shape that is line symmetric with respect to the x-axis, and the electrode group that includes the x-axis positive electrode and the x-axis negative electrode is the y-axis. Has a line-symmetric shape with respect to
Each of the y-axis positive electrode itself and the y-axis negative electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to the y-axis, and the electrode group that includes the y-axis positive electrode and the y-axis negative electrode is an x-axis. Has a line-symmetric shape with respect to
The Z-axis displacement detection electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to both the x-axis and the y-axis.
(18) 本発明の第18の態様は、上述した第6、第12〜第17の態様に係る力検出装置において、
特定の一容量素子を構成する一方の電極が、離隔して配置された複数の部分電極の集合体により構成されているようにしたものである。
(18) According to an eighteenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the sixth, twelfth to seventeenth aspects described above,
One electrode constituting a specific one-capacitance element is constituted by an assembly of a plurality of partial electrodes arranged apart from each other.
(19) 本発明の第19の態様は、上述した第6、第12〜第17の態様に係る力検出装置において、
複数の容量素子についての支持基板の上面側に形成される電極もしくは下端側肉薄部側に形成される電極が物理的に単一の共通電極によって構成されているようにしたものである。
(19) According to a nineteenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the sixth, twelfth to seventeenth aspects described above,
The electrode formed on the upper surface side of the support substrate or the electrode formed on the lower end side thin portion side of the plurality of capacitive elements is physically constituted by a single common electrode.
(20) 本発明の第20の態様は、上述した第19の態様に係る力検出装置において、
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が単一の共通電極として機能するようにしたものである。
(20) According to a twentieth aspect of the present invention, in the force detection device according to the nineteenth aspect described above,
Each lower end side thin portion is made of a conductive material, and the lower end side thin portion itself functions as a single common electrode.
(21) 本発明の第21の態様は、上述した第1〜第20の態様に係る力検出装置において、
各柱状体の形状および配置が、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっているようにしたものである。
(21) According to a twenty-first aspect of the present invention, in the force detection device according to the first to twentieth aspects described above,
The shape and arrangement of each columnar body are symmetrical with respect to both the XZ plane and the YZ plane.
本発明に係る力検出装置によれば、受力体と支持基板とを複数の柱状体で接続し、各柱状体から支持基板に加わる押圧力や各柱状体の傾斜を個別に測定することにより、受力体に加わった力の各成分を検出することができるため、構造が非常に単純な検出装置を実現することができる。しかも、柱状体の傾斜として検出されるモーメント成分による他軸干渉を、柱状体から支持基板に加わる力として検出されるモーメント成分によって相殺するようにしたため、受力体に作用した所定軸方向の力成分を、柱状体の傾斜として検出する場合にも、モーメント成分による他軸干渉を排除することが可能になる。かくして、非常に単純な構造をもち、しかも、他軸成分の干渉を排除し、力とモーメントとを区別して検出することが可能な力検出装置が実現できる。 According to the force detection device of the present invention, the force receiving body and the support substrate are connected by a plurality of columnar bodies, and the pressing force applied from each columnar body to the support substrate and the inclination of each columnar body are individually measured. Since each component of the force applied to the force receiving body can be detected, a detection device having a very simple structure can be realized. In addition, since the other-axis interference due to the moment component detected as the inclination of the columnar body is canceled by the moment component detected as the force applied from the columnar body to the support substrate, the force in the predetermined axial direction acting on the force receiving body Even when the component is detected as the inclination of the columnar body, it is possible to eliminate other-axis interference due to the moment component. Thus, it is possible to realize a force detection device that has a very simple structure, can eliminate interference of other axis components, and can detect force and moment separately.
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
<<< §1. 装置の基本構造 >>>
はじめに、本発明に係る力検出装置の基本構造を説明する。なお、この基本構造それ自身は、前述した特許文献1,2において、既に開示されているものである。
<<< §1. Basic structure of equipment >>
First, the basic structure of the force detection device according to the present invention will be described. This basic structure itself has already been disclosed in Patent Documents 1 and 2 described above.
図1に示すとおり、本発明に係る力検出装置の基本構成要素は、受力体10、第1の柱状体11、第2の柱状体12、第3の柱状体13、第4の柱状体14、支持基板20、第1のセンサ21、第2のセンサ22、第3のセンサ23、第4のセンサ24、検出回路30である。 As shown in FIG. 1, the basic components of the force detection device according to the present invention include a force receiving body 10, a first columnar body 11, a second columnar body 12, a third columnar body 13, and a fourth columnar body. 14, support substrate 20, first sensor 21, second sensor 22, third sensor 23, fourth sensor 24, and detection circuit 30.
ここでは、説明の便宜上、XYZ三次元座標系と、これを上方に平行移動させたX′Y′Z′補助座標系を定義する。図示の例の場合、XYZ三次元座標系の原点Oは、支持基板20の上面中心位置に定義されており、支持基板20の上面がXY平面に含まれるようになっている。図の右方がX軸正方向、図の斜め奥がY軸正方向、図の上方がZ軸正方向である。一方、X′Y′Z′補助座標系の原点O′は、原点OをZ軸正方向に所定距離移動させた位置にある。具体的には、原点O′は受力体10の中心部に位置している。したがって、X軸とX′軸とは平行であり、Y軸とY′軸とは平行であり、Z軸とZ′軸とは重なり合っている。 Here, for convenience of explanation, an XYZ three-dimensional coordinate system and an X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system obtained by translating the coordinate system upward are defined. In the case of the illustrated example, the origin O of the XYZ three-dimensional coordinate system is defined at the center position of the upper surface of the support substrate 20, and the upper surface of the support substrate 20 is included in the XY plane. The right side of the figure is the X-axis positive direction, the diagonally back side of the figure is the Y-axis positive direction, and the upper side of the figure is the Z-axis positive direction. On the other hand, the origin O ′ of the X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system is at a position obtained by moving the origin O by a predetermined distance in the positive direction of the Z axis. Specifically, the origin O ′ is located at the center of the force receiving body 10. Therefore, the X axis and the X ′ axis are parallel, the Y axis and the Y ′ axis are parallel, and the Z axis and the Z ′ axis overlap each other.
受力体10は、検出対象となる力を受ける構成要素であり、X′Y′Z′補助座標系の原点O′を受力体10の中心部にとったのは、この受力体10に作用する力を説明するための便宜である。図には、受力体10に対して作用する、X軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fy、Z軸方向の力Fzを、それぞれX′軸、Y′軸、Z′軸に沿った矢印として示してあるが、もちろん、これらの力はそれぞれX軸、Y軸、Z軸にも平行な力であり、受力体10に対して加えられた力のX軸方向成分、Y軸方向成分、Z軸方向成分を示すものになる。 The force receiving body 10 is a component that receives a force to be detected, and the force receiving body 10 has the origin O ′ of the X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system at the center of the force receiving body 10. This is a convenience for explaining the force acting on the. In the figure, the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, and the force Fz in the Z-axis direction acting on the force receiving body 10 are respectively shown along the X ′ axis, the Y ′ axis, and the Z ′ axis. Of course, these forces are forces parallel to the X-axis, Y-axis, and Z-axis, respectively, and the X-axis direction component of the force applied to the force receiving member 10 is represented by the Y-axis. This indicates the direction component and the Z-axis direction component.
このように、力Fx,Fy,Fzについては、X′Y′Z′補助座標系の各座標軸に沿った力と考えても、XYZ三次元座標系の各座標軸に沿った力と考えても、物理量としての本質に相違はないが、モーメントMx,My,Mzについては、座標系の原点位置をどこにとるかによって物理量としての本質は変わってくる。特に、本発明は、他軸成分の干渉を排除した高い測定精度をもつ力検出装置に係るものであるため、ここでは、XYZ三次元座標系とX′Y′Z′補助座標系とを明確に区別して取り扱うことにする。 As described above, the forces Fx, Fy, and Fz may be considered as forces along the coordinate axes of the X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system or forces along the coordinate axes of the XYZ three-dimensional coordinate system. Although there is no difference in the essence as a physical quantity, the essence as a physical quantity varies depending on where the origin position of the coordinate system is taken for the moments Mx, My, and Mz. In particular, since the present invention relates to a force detection device having high measurement accuracy that eliminates interference of other axis components, here, an XYZ three-dimensional coordinate system and an X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system are clearly defined. We will treat them separately.
すなわち、本発明に係る力検出装置の検出対象となる力Fx,Fy,FzおよびモーメントMx,My,Mzは、あくまでもXYZ三次元座標系の各座標軸方向に作用する力および各座標軸まわりに作用するモーメントであり、図1において、モーメントMx,Myを示す矢印がそれぞれX軸およびY軸まわりに描かれているのはこのためである(Z軸とZ′軸とは重なるので、モーメントMzはZ′軸まわりのモーメントと考えても支障ない)。別言すれば、モーメントMxやMyが直接的に作用する物体は受力体10であるが、これらのモーメントは、受力体10を、その中心位置にある原点O′を中心として回転させる作用を果たすのではなく、受力体10を、XYZ三次元座標系の原点Oを中心として回転させる作用を果たすことになる。 That is, the forces Fx, Fy, Fz and moments Mx, My, Mz to be detected by the force detection device according to the present invention are applied to the forces acting around the coordinate axes in the XYZ three-dimensional coordinate system and around the coordinate axes. This is why the arrows indicating the moments Mx and My are drawn around the X axis and the Y axis in FIG. 1 (the Z axis and the Z ′ axis overlap each other, so the moment Mz is Z It can be considered as a moment around the 'axis). In other words, the object to which the moments Mx and My directly act is the force receiving body 10, but these moments act to rotate the force receiving body 10 about the origin O 'at the center position. Rather than fulfilling the above, the force receiving body 10 is rotated around the origin O of the XYZ three-dimensional coordinate system.
結局、この力検出装置は、XYZ三次元座標系において、受力体10に作用する力のX軸方向成分Fx、Y軸方向成分Fy、Z軸方向成分Fzと、X軸まわりのモーメント成分Mx、Y軸まわりのモーメント成分My、Z軸まわりのモーメント成分Mzをそれぞれ独立して検出する機能を有することになる。 Eventually, this force detection device has an X-axis direction component Fx, a Y-axis direction component Fy, a Z-axis direction component Fz, and a moment component Mx around the X-axis in the XYZ three-dimensional coordinate system. , The moment component My around the Y axis and the moment component Mz around the Z axis are independently detected.
なお、本願では、「力」という文言は、特定の座標軸方向の力成分を意味する場合と、モーメント成分を含めた集合的な力を意味する場合とを、適宜使い分けることにする。たとえば、図1において、力Fx,Fy,Fzと言った場合は、モーメントではない各座標軸方向の力成分を意味しているが、6つの力Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzと言った場合は、各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分とを含む集合的な力を意味することになる。 In the present application, the term “force” is appropriately used when it means a force component in a specific coordinate axis direction and when it means a collective force including a moment component. For example, in FIG. 1, the forces Fx, Fy, and Fz mean force components in the coordinate axis directions that are not moments, but six forces Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz. In this case, it means a collective force including a force component in each coordinate axis direction and a moment component around each coordinate axis.
支持基板20は、受力体10の下方に配置され、受力体10を支持する機能を果たす構成要素である。上述したように、ここに示す例の場合、支持基板20の上面は、XY平面に含まれる。この力検出装置は、この支持基板20を固定した状態において、受力体10に作用した力を検出することになる。 The support substrate 20 is a component that is disposed below the force receiving body 10 and fulfills the function of supporting the force receiving body 10. As described above, in the example shown here, the upper surface of the support substrate 20 is included in the XY plane. This force detection device detects a force acting on the force receiving body 10 in a state where the support substrate 20 is fixed.
第1の柱状体11〜第4の柱状体14は、受力体10と支持基板20とを接続する部材であり、いずれもその中心軸がZ軸に平行になるように配置されている。しかも、第1の柱状体11は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体12は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体13は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体14は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置されている。 The first columnar body 11 to the fourth columnar body 14 are members that connect the force receiving body 10 and the support substrate 20, and are all disposed so that the central axis thereof is parallel to the Z axis. Moreover, the first columnar body 11 is arranged at a position where the central axis intersects the positive part of the X axis, and the second columnar body 12 is a position where the central axis intersects the negative part of the X axis. The third columnar body 13 is disposed at a position where its central axis intersects the positive part of the Y axis, and the fourth columnar body 14 is disposed at a position where the central axis intersects the negative part of the Y axis. It is arranged at the position to do.
また、実用上は、第1の柱状体11〜第4の柱状体14は、全く同じ材質、全く同じサイズにするのが好ましい。これは、これらの材質やサイズを同一にしておけば、第1のセンサ21〜第4のセンサ24による検出感度を同一にすることができるためである。相互の材質やサイズが異なると、各センサの感度を同一にそろえることが困難になり、感度補正のための工夫が必要になる。同様の理由により、各柱状体の形状および配置は、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっているのが好ましい。 In practice, it is preferable that the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14 have the same material and the same size. This is because the detection sensitivity of the first sensor 21 to the fourth sensor 24 can be made the same if these materials and sizes are made the same. If the materials and sizes are different from each other, it is difficult to make the sensitivity of each sensor the same, and a device for correcting the sensitivity is required. For the same reason, the shape and arrangement of each columnar body are preferably plane-symmetric with respect to both the XZ plane and the YZ plane.
なお、図1には示されていないが、各柱状体11〜14の上端は、受力体10に対して、可撓性をもった部材を介して接続されており、各柱状体11〜14の下端は、支持基板20に対して、可撓性をもった接続部材を介して接続されている。要するに、第1の柱状体11〜第4の柱状体14は、受力体10に対しても、支持基板20に対しても、可撓性をもって接続されていることになる。ここで、可撓性とは弾力性と同義であり、受力体10に対して何ら力が作用していない状態では、受力体10は支持基板20に対して定位置をとるが、受力体10に何らかの力が作用すると、可撓性をもった接続部材が弾性変形を生じ、受力体10と支持基板20との相対位置に変化が生じることになる。もちろん、受力体10に作用する力がなくなると、受力体10はもとどおりの定位置に戻る。 Although not shown in FIG. 1, the upper ends of the respective columnar bodies 11 to 14 are connected to the force receiving body 10 through flexible members, and the respective columnar bodies 11 to 11 are connected. The lower end of 14 is connected to the support substrate 20 via a flexible connection member. In short, the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14 are connected to the force receiving body 10 and the support substrate 20 with flexibility. Here, flexibility is synonymous with elasticity, and in a state where no force is applied to the force receiving body 10, the force receiving body 10 takes a fixed position with respect to the support substrate 20. When some force is applied to the force body 10, the flexible connecting member is elastically deformed, and the relative position between the force receiving body 10 and the support substrate 20 is changed. Of course, when the force acting on the force receiving body 10 disappears, the force receiving body 10 returns to the original fixed position.
結局、図1に示す例の場合、第1の柱状体11〜第4の柱状体14の上端部および下端部が、それぞれ可撓性をもった接続部材によって構成されていることになる(もちろん、第1の柱状体11〜第4の柱状体14の全体が可撓性をもった材料により構成されていてもかまわない)。そして、この接続部材が、ある程度の弾性変形を生じるため、第1の柱状体11〜第4の柱状体14は、受力体10や支持基板20に対して傾斜することができる。また、この接続部材は、図の上下方向(Z軸方向)にも伸縮することが可能であり、受力体10を図の上方向(+Z軸方向)に動かすと、接続部材が伸縮し、受力体10と支持基板20との距離は広がり、逆に、受力体10を図の下方向(−Z軸方向)に動かすと、接続部材が伸縮し、受力体10と支持基板20との距離は狭まることになる。もちろん、このような変位や傾斜の度合いは、受力体10に作用した力の大きさに応じて大きくなる。 After all, in the case of the example shown in FIG. 1, the upper end portion and the lower end portion of the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14 are each constituted by a flexible connecting member (of course. The whole of the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14 may be made of a flexible material). And since this connection member produces a certain amount of elastic deformation, the 1st columnar body 11-the 4th columnar body 14 can incline with respect to the force receiving body 10 and the support substrate 20. FIG. Further, this connecting member can be expanded and contracted in the vertical direction (Z-axis direction) in the figure, and when the force receiving body 10 is moved in the upward direction (+ Z-axis direction) in the figure, the connecting member expands and contracts, The distance between the force receiving body 10 and the support substrate 20 increases. Conversely, when the force receiving body 10 is moved in the downward direction (−Z-axis direction) in the figure, the connecting member expands and contracts, and the force receiving body 10 and the support substrate 20 are expanded. The distance to will be narrowed. Of course, the degree of such displacement and inclination increases according to the magnitude of the force acting on the force receiving body 10.
第1のセンサ21〜第4のセンサ24は、それぞれ第1の柱状体11〜第4の柱状体14の傾斜を検出するとともに、第1の柱状体11〜第4の柱状体14から支持基板20に向かって加えられるZ軸方向に関する力を検出する力センサである。具体的には、後述するように、それぞれ複数の容量素子から構成されている。受力体10に力が作用すると、この力は、各柱状体11〜14を介して、支持基板20へと伝達されることになる。各センサ21〜24は、こうして伝達される力によって、各柱状体11〜14の下端部近傍に生じる力学的な現象を検出する機能を有している。より具体的には、後に詳述するように、柱状体が傾斜することにより生じる力を検出することにより、柱状体の傾斜度を検知する機能と、柱状体全体が、支持基板に対して加える押圧力(図の下方−Z軸方向の力)もしくは引っ張り力(図の上方+Z軸方向の力)を検知する機能と、を有している。 The first sensor 21 to the fourth sensor 24 detect the inclination of the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14, respectively, and support substrates from the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14. 20 is a force sensor that detects a force in the Z-axis direction that is applied toward 20. Specifically, as will be described later, each capacitor is composed of a plurality of capacitive elements. When a force is applied to the force receiving body 10, the force is transmitted to the support substrate 20 through the columnar bodies 11 to 14. Each of the sensors 21 to 24 has a function of detecting a dynamic phenomenon generated in the vicinity of the lower end portion of each of the columnar bodies 11 to 14 by the force transmitted in this way. More specifically, as described in detail later, the function of detecting the inclination of the columnar body by detecting the force generated by the tilting of the columnar body and the entire columnar body are applied to the support substrate. And a function of detecting a pressing force (downward in the figure-force in the Z-axis direction) or a pulling force (upward in the figure + force in the Z-axis direction).
検出回路30は、各センサ21〜24を構成する複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体10に作用した力もしくはモーメントを検出する処理を行う構成要素であり、XYZ三次元座標系における各座標軸方向の力成分Fx,Fy,Fzを示す信号と各座標軸まわりのモーメント成分Mx,My,Mzを示す信号を出力する。実際には、上述した柱状体の傾斜度や、支持基板に対して加えられる押圧力/引っ張り力に基づいて、力やモーメントの検出が行われる。 The detection circuit 30 is a component that performs processing for detecting a force or moment applied to the force receiving body 10 based on capacitance values of a plurality of capacitive elements constituting the sensors 21 to 24, and is an XYZ three-dimensional. A signal indicating force components Fx, Fy, Fz in each coordinate axis direction in the coordinate system and a signal indicating moment components Mx, My, Mz around each coordinate axis are output. Actually, detection of force or moment is performed based on the inclination of the columnar body and the pressing force / tensile force applied to the support substrate.
<<< §2. 装置の動作原理 >>>
続いて、図2の正面図を参照しながら、図1に示す力検出装置の基本的な動作原理を説明する。なお、ここでは、説明の便宜上、第1の柱状体11および第2の柱状体12に関連する動作のみを示すが、第3の柱状体13および第4の柱状体14に関連する動作も同様である。
<<< §2. Operating principle of the device >>>
Next, the basic operation principle of the force detection device shown in FIG. 1 will be described with reference to the front view of FIG. Here, for convenience of explanation, only the operations related to the first columnar body 11 and the second columnar body 12 are shown, but the operations related to the third columnar body 13 and the fourth columnar body 14 are also the same. It is.
図2(a) は、この力検出装置に何ら力が作用していない状態を示しており、受力体10は、支持基板20に対して定位置を維持している。もちろん、この状態においても、受力体10などの重量が支持基板20上に加わっているので、支持基板20は、第1の柱状体11や第2の柱状体12から、何らかの力を受けているが、この状態で受けている力は定常状態での力であり、このような力が第1のセンサ21や第2のセンサ22によって検出されたとしても、検出回路30から出力される力やモーメントの検出値は0になるように調整されている。別言すれば、検出回路30は、このような定常状態における各センサ21〜24の検出結果を基準として、何らかの変化が生じた場合に、この変化を受力体10に作用した力もしくはモーメントとして検出する機能を有している。 FIG. 2A shows a state in which no force is applied to the force detection device, and the force receiving body 10 maintains a fixed position with respect to the support substrate 20. Of course, even in this state, since the weight of the force receiving member 10 and the like is applied on the support substrate 20, the support substrate 20 receives some force from the first columnar body 11 and the second columnar body 12. However, the force received in this state is a force in a steady state, and even if such a force is detected by the first sensor 21 or the second sensor 22, the force output from the detection circuit 30. And the detected value of moment is adjusted to be zero. In other words, the detection circuit 30 is based on the detection results of the sensors 21 to 24 in such a steady state as a reference, and when any change occurs, the change is expressed as a force or moment acting on the force receiving body 10. It has a function to detect.
さて、ここでは、まず図2(b) に示すように、受力体10に対して、X軸正方向の力+Fxが作用した場合を考えてみる。ちょうど原点O′の位置を、図の右方向へと押すような力が加わった場合に相当する。この場合、図示のとおり、受力体10は図の右方向へとスライド運動することになり、第1の柱状体11および第2の柱状体12は、図の右方向へと傾斜することになる。ここでは、このときの第1の柱状体11の傾斜度をθ1、第2の柱状体12の傾斜度をθ2と呼ぶことにする。また、このようにXZ平面内におけるX軸に向かう方向への傾斜の程度を示す角度θ1,θ2を、「X軸方向に関する傾斜度」と呼ぶことにする。同様に、YZ平面内におけるY軸に向かう方向への傾斜の程度を示す角度を、「Y軸方向に関する傾斜度」と呼ぶ。図示の例の場合、2本の柱状体11,12は、X軸上に配置されているので、Y軸方向の傾斜度は0である。 Now, let us consider a case where a force + Fx in the positive direction of the X axis is applied to the force receiving member 10 as shown in FIG. 2 (b). This corresponds to the case where a force that pushes the position of the origin O ′ in the right direction in the figure is applied. In this case, as shown in the figure, the force receiving body 10 slides in the right direction in the figure, and the first columnar body 11 and the second columnar body 12 are inclined in the right direction in the figure. Become. Here, the inclination of the first columnar body 11 at this time is referred to as θ1, and the inclination of the second columnar body 12 is referred to as θ2. Also, the angles θ1 and θ2 indicating the degree of inclination in the direction toward the X axis in the XZ plane are referred to as “degree of inclination in the X axis direction”. Similarly, an angle indicating the degree of inclination in the direction toward the Y axis in the YZ plane is referred to as “degree of inclination in the Y axis direction”. In the case of the illustrated example, since the two columnar bodies 11 and 12 are arranged on the X axis, the inclination in the Y axis direction is zero.
なお、各柱状体11,12が傾斜すると、受力体10と支持基板20との距離は若干縮まることになるので、厳密に言えば、受力体10はX軸方向に完全な平行移動を行うわけではなく、わずかながら−Z軸方向への移動も行うことになるが、傾斜度が比較的小さい場合、−Z軸方向への移動量は無視することができるので、ここでは説明の便宜上、受力体10がX軸方向のみに移動したものと考えることにする。 Note that when the columnar bodies 11 and 12 are inclined, the distance between the force receiving body 10 and the support substrate 20 is slightly reduced. Strictly speaking, the force receiving body 10 performs a complete parallel movement in the X-axis direction. However, if the inclination is relatively small, the amount of movement in the −Z-axis direction can be ignored, so here, for convenience of explanation. Suppose that the force receiving body 10 has moved only in the X-axis direction.
一方、図2(c) に示すように、受力体10に対して、Y軸まわりのモーメント+Myが作用した場合を考えてみよう。図2(c) において、Y軸は原点Oの位置において紙面の裏側へと向かう垂直方向の軸であるから、図では、モーメント+Myは、原点Oを中心に、受力体10を時計まわりの方向に回転させるような力に相当する。なお、本願では、所定の座標軸の正方向に右ネジを進める場合の当該右ネジの回転方向を、当該座標軸まわりの正のモーメントと定義することにする。前述したとおり、モーメント+Myは、受力体10を原点O′を中心として回転させる力ではなく、原点Oを中心として回転させる力になる(両者の誤差が許容範囲であれば、モーメントを原点O′を中心とする回転力として取り扱っても問題ない。)。 On the other hand, let us consider a case where a moment + My around the Y-axis acts on the force receiving member 10 as shown in FIG. In FIG. 2 (c), since the Y axis is a vertical axis toward the back side of the paper surface at the position of the origin O, in the figure, the moment + My is the clockwise rotation of the force receiving member 10 around the origin O. It corresponds to a force that rotates in the direction. In the present application, the rotation direction of the right screw when the right screw is advanced in the positive direction of a predetermined coordinate axis is defined as a positive moment around the coordinate axis. As described above, the moment + My is not a force that rotates the force receiving member 10 about the origin O ′ but a force that rotates the origin 10 about the origin O (if the error between the two is within an allowable range, the moment is converted to the origin O It can be handled as a rotational force centered on ′.)
さて、この場合、図示のとおり、第1の柱状体11については縮小力が作用し、第2の柱状体12については伸張力が作用することになる。その結果、第1の柱状体11から支持基板20に対しては、押圧力(−Z軸方向の力:ここでは、力−fzと示すことにする)が作用し、第2の柱状体12から支持基板20に対しては、引っ張り力(+Z軸方向の力:ここでは、力+fzと示すことにする)が作用する。 In this case, as shown in the figure, a reduction force acts on the first columnar body 11 and an extension force acts on the second columnar body 12. As a result, a pressing force (force in the −Z axis direction: here, referred to as force −fz) acts on the support substrate 20 from the first columnar body 11, and the second columnar body 12. Therefore, a pulling force (+ Z-axis direction force: here, referred to as force + fz) is applied to the support substrate 20.
このように、図2に示すような動的挙動をとる構造体を有する力検出装置では、受力体10にX軸方向の力Fxが作用した場合と、Y軸まわりのモーメントMyが作用した場合とでは、2本の柱状体11,12を介して支持基板20に伝達される力の態様が異なることになる。したがって、両者を区別して、それぞれ別個に検出することが可能である。 As described above, in the force detection device having the structure that takes a dynamic behavior as shown in FIG. 2, the force Fx in the X-axis direction acts on the force receiving member 10 and the moment My around the Y-axis acts. In some cases, the mode of the force transmitted to the support substrate 20 via the two columnar bodies 11 and 12 is different. Therefore, both can be distinguished and detected separately.
すなわち、X軸方向の力Fxが作用した場合は、図2(b) に示すように、2本の柱状体11,12は、X軸方向に傾斜し、傾斜度θ1,θ2を生じることになり、このような傾斜に応じた力が支持基板20へと伝達される。ここで、第1の柱状体11および第2の柱状体12と、これらを支持基板20に接続するための可撓性をもった各接続部材とを、同一材料、同一サイズにしておき、この力検出装置が、図のYZ平面に関して左右対称となる構造にしておけば、傾斜度θ1=θ2になる。よって両者の和(θ1+θ2)は、X軸方向の力Fxを示す値になる。傾斜度θに符号を付して取り扱えば(たとえば、X軸正方向への傾斜の場合を正、X軸負方向への傾斜の場合を負として取り扱えば)、作用したX軸方向の力Fxを符号を含めて検出することが可能である。 That is, when the force Fx in the X-axis direction is applied, as shown in FIG. 2 (b), the two columnar bodies 11 and 12 are inclined in the X-axis direction to generate the inclinations θ1 and θ2. Thus, a force according to such an inclination is transmitted to the support substrate 20. Here, the first columnar body 11 and the second columnar body 12 and the flexible connecting members for connecting them to the support substrate 20 are made of the same material and the same size. If the force detection device is configured to be bilaterally symmetric with respect to the YZ plane in the figure, the inclination θ1 = θ2. Therefore, the sum (θ1 + θ2) of both is a value indicating the force Fx in the X-axis direction. If the inclination θ is handled with a sign (for example, if the inclination in the X-axis positive direction is treated as positive, and the inclination in the X-axis negative direction is treated as negative), the applied force X in the X-axis direction Fx Can be detected including the sign.
もっとも、本発明では、後述するように、第1の柱状体11および第2の柱状体12の傾斜度は、第1のセンサ21および第2のセンサ22によって、支持基板20に加えられる力として検出されることになる。このような検出を行うには、各柱状体から支持基板20に対して加えられる力を、個々の部分ごとに検知すればよい。たとえば、図2(b) において、第1の柱状体11と支持基板20との接続部分に生じる応力を考えてみると、第1の柱状体11の底部の右側部分と左側部分とでは、生じる応力の向きが異なることがわかる。すなわち、図示の例では、第1の柱状体11は右側に傾斜しているので、第1の柱状体11の底部の右側部分については押圧力が生じ、支持基板20の上面を下方に押圧する力が生じているのに対し、左側部分については引っ張り力が生じ、支持基板20の上面を上方へ引っ張り上げる力が生じている。このように第1の柱状体11の底部の左右の各部における応力の相違を検出することにより、第1の柱状体11の傾斜度を得ることができる。その具体的な方法については、§3で詳述する。 However, in the present invention, as will be described later, the inclination of the first columnar body 11 and the second columnar body 12 is the force applied to the support substrate 20 by the first sensor 21 and the second sensor 22. Will be detected. In order to perform such detection, the force applied from each columnar body to the support substrate 20 may be detected for each individual portion. For example, in FIG. 2B, when the stress generated in the connection portion between the first columnar body 11 and the support substrate 20 is considered, the stress is generated in the right side portion and the left side portion of the bottom portion of the first columnar body 11. It can be seen that the direction of the stress is different. That is, in the illustrated example, since the first columnar body 11 is inclined to the right side, a pressing force is generated on the right side portion of the bottom of the first columnar body 11 and presses the upper surface of the support substrate 20 downward. While a force is generated, a pulling force is generated in the left portion, and a force is generated that pulls the upper surface of the support substrate 20 upward. Thus, by detecting the difference in stress between the left and right portions of the bottom of the first columnar body 11, the inclination of the first columnar body 11 can be obtained. The specific method will be described in detail in §3.
結局、この力検出装置によって、X軸方向の力Fxを検出するには、第1のセンサ21には、第1の柱状体11の支持基板20に対するX軸方向への傾斜状態を検知する機能をもたせておき、第2のセンサ22には、第2の柱状体12の支持基板20に対するX軸方向への傾斜状態を検知する機能をもたせておけばよい。第1のセンサ21が、第1の柱状体11のX軸方向に関する傾斜度θ1を検知する機能を有し、第2のセンサ22が、第2の柱状体12のX軸方向に関する傾斜度を検知する機能を有していれば、検出回路30は、第1のセンサ21によって検知されたX軸方向に関する傾斜度θ1と、第2のセンサ22によって検知されたX軸方向に関する傾斜度θ2と、の和に基づいて、受力体10に作用した力のX軸方向成分Fxを検出する処理を行うことができる。 After all, in order to detect the force Fx in the X-axis direction by this force detection device, the first sensor 21 has a function of detecting the tilt state of the first columnar body 11 in the X-axis direction with respect to the support substrate 20. The second sensor 22 may be provided with a function of detecting the inclined state of the second columnar body 12 in the X-axis direction with respect to the support substrate 20. The first sensor 21 has a function of detecting the inclination θ1 of the first columnar body 11 in the X-axis direction, and the second sensor 22 determines the inclination of the second columnar body 12 in the X-axis direction. If the detection circuit 30 has a function of detecting, the detection circuit 30 has an inclination θ1 in the X-axis direction detected by the first sensor 21 and an inclination θ2 in the X-axis direction detected by the second sensor 22. Based on the sum of, a process of detecting the X-axis direction component Fx of the force acting on the force receiving body 10 can be performed.
一方、Y軸まわりのモーメントMyが作用した場合は、図2(c) に示すように、2本の柱状体11,12から支持基板20に対して、押圧力−fzと引っ張り力+fzとが伝達される。このようにして伝達される力は、柱状体が傾斜した場合の力とは異なっている。すなわち、図2(b) に示すように柱状体が傾斜した場合は、その底部に生じる応力は、右側部分と左側部分とで異なるものとなった。ところが、図2(c) に示すようにモーメントMyが作用した場合は、第1の柱状体11全体により押圧力−fzが加えられ、第2の柱状体12全体により引っ張り力+fzが加えられることになる。 On the other hand, when the moment My around the Y-axis acts, as shown in FIG. 2C, the pressing force −fz and the pulling force + fz are applied to the support substrate 20 from the two columnar bodies 11 and 12. Communicated. The force transmitted in this way is different from the force when the columnar body is inclined. That is, when the columnar body is inclined as shown in FIG. 2 (b), the stress generated at the bottom of the columnar body is different between the right side portion and the left side portion. However, when the moment My is applied as shown in FIG. 2 (c), the pressing force -fz is applied by the entire first columnar body 11, and the tensile force + fz is applied by the entire second columnar body 12. become.
このように、X軸方向の力Fxの作用に対しては、図2(b) に示すように、第1の柱状体11および第2の柱状体12に関して、同じ方向への傾斜という同等の事象が生じるのに対して、Y軸まわりのモーメントMyの作用に対しては、図2(c) に示すように、第1の柱状体11および第2の柱状体12に関して、一方は押圧力−fzを与え、他方は引っ張り力+fzを与えるという相反する事象が生じることになる。したがって、作用したモーメントMyは、引っ張り力+fzと押圧力−fzとの差、すなわち、(+fz)−(−fz)=2fzとして求めることができる。 As described above, with respect to the action of the force Fx in the X-axis direction, as shown in FIG. 2B, the first columnar body 11 and the second columnar body 12 are equivalently inclined in the same direction. Whereas an event occurs, with respect to the action of the moment My around the Y-axis, as shown in FIG. 2 (c), one of the first columnar body 11 and the second columnar body 12 is pressed. There will be a conflicting event of giving -fz and the other giving a pulling force + fz. Therefore, the applied moment My can be obtained as a difference between the pulling force + fz and the pressing force −fz, that is, (+ fz) − (− fz) = 2fz.
要するに、この力検出装置によって、Y軸まわりのモーメントMyを検出するには、第1のセンサ21には、第1の柱状体11全体から支持基板20に対して加えられる力を検知する機能をもたせ、第2のセンサ22には、第2の柱状体12全体から支持基板20に対して加えられる力を検知する機能をもたせておけばよい。第1のセンサ21が、第1の柱状体11全体から支持基板20に対して加えられるZ軸方向に関する力を検知する機能を有し、第2のセンサ22が、第2の柱状体12全体から支持基板20に対して加えられるZ軸方向に関する力を検知する機能を有していれば、検出回路30は、第1のセンサ21によって検知されたZ軸方向に関する力と、第2のセンサ22によって検知されたZ軸方向に関する力と、の差に基づいて、受力体10に作用した力のY軸まわりのモーメントMyを検出する処理を行うことができる。 In short, in order to detect the moment My around the Y-axis by this force detection device, the first sensor 21 has a function of detecting the force applied to the support substrate 20 from the entire first columnar body 11. Therefore, the second sensor 22 may have a function of detecting a force applied to the support substrate 20 from the entire second columnar body 12. The first sensor 21 has a function of detecting a force in the Z-axis direction applied to the support substrate 20 from the entire first columnar body 11, and the second sensor 22 is the entire second columnar body 12. If the detection circuit 30 has a function of detecting a force applied to the support substrate 20 from the Z-axis direction, the detection circuit 30 can detect the force detected by the first sensor 21 and the second sensor. Based on the difference between the force in the Z-axis direction detected by 22 and the moment My around the Y-axis of the force acting on the force receiving body 10 can be detected.
以上、図2を参照しながら、第1の柱状体11および第2の柱状体12に関連する動作のみを説明したが、第3の柱状体13および第4の柱状体14に関連する動作も同様である。すなわち、図2の動作説明におけるX軸をY軸におきかえれば、第3のセンサ23および第4のセンサ24の検知機能を利用して、受力体10に作用したY軸方向の力FyおよびX軸まわりのモーメントMxを検出することが可能である。 As described above, only the operation related to the first columnar body 11 and the second columnar body 12 has been described with reference to FIG. 2, but the operation related to the third columnar body 13 and the fourth columnar body 14 is also performed. It is the same. That is, if the X axis in the explanation of the operation in FIG. 2 is replaced with the Y axis, the force Fy in the Y axis direction applied to the force receiving body 10 using the detection function of the third sensor 23 and the fourth sensor 24. It is possible to detect the moment Mx around the X axis.
また、受力体10に、Z軸負方向の力−Fzが作用した場合は、4本の柱状体11〜14のすべてから支持基板20に対して押圧力−fzが加わることになり、Z軸正方向の力+Fzが作用した場合は、4本の柱状体11〜14のすべてから支持基板20に対して引っ張り力+fzが加わることになる。したがって、作用したZ軸方向の力Fzは、4本の柱状体11〜14から加えられた押圧力−fzの和もしくは引っ張り力+fzの和として求めることができる。 Further, when a force −Fz in the negative Z-axis direction is applied to the force receiving body 10, a pressing force −fz is applied to the support substrate 20 from all of the four columnar bodies 11 to 14. When the force + Fz in the positive axial direction is applied, the tensile force + fz is applied to the support substrate 20 from all of the four columnar bodies 11 to 14. Therefore, the applied force Fz in the Z-axis direction can be obtained as the sum of the pressing forces −fz applied from the four columnar bodies 11 to 14 or the sum of the pulling forces + fz.
更に、受力体10に、Z軸まわりのモーメントMzが作用した場合は、4本の柱状体11〜14が、上方から観察したときに、時計まわりもしくは反時計まわりに傾斜することになるので、4本の柱状体11〜14それぞれの傾斜方向を検知することにより、モーメントMzの検出も可能である。 Furthermore, when the moment Mz around the Z-axis is applied to the force receiving body 10, the four columnar bodies 11 to 14 are inclined clockwise or counterclockwise when observed from above. The moment Mz can also be detected by detecting the inclination directions of the four columnar bodies 11 to 14.
<<< §3. 本発明に用いる力センサ >>>
図1に示す力検出装置には、第1のセンサ21〜第4のセンサ24が設けられている。これらのセンサは、それぞれ第1の柱状体11〜第4の柱状体14より、支持基板20に対して加えられる力を検出する力センサであるが、§2で説明した原理に基づいて、力Fx、Fy、Fz、モーメントMx、My、Mzを検出するためには、各柱状体11〜14の傾斜によりその下端部に生じる力と、各柱状体11〜14全体によって与えられる引っ張り力/押圧力と、をそれぞれ独立して検出する機能が必要になる。
<<< §3. Force sensor used in the present invention >>>
The force detection device shown in FIG. 1 is provided with a first sensor 21 to a fourth sensor 24. These sensors are force sensors that detect the force applied to the support substrate 20 from the first columnar body 11 to the fourth columnar body 14, respectively, but based on the principle described in §2, In order to detect Fx, Fy, Fz, moments Mx, My, and Mz, the force generated at the lower end of each columnar body 11-14 due to the inclination of each columnar body 11-14 and the tensile force / push applied by the entire columnar body 11-14. A function for detecting the pressure independently is required.
そこで本発明では、各センサ21〜24として、複数の容量素子を有する静電容量式の力センサを用いている。図3は、このような静電容量素子式の多軸力センサの一例を示す側断面図である。図示のとおり、この多軸力センサは、板状の支持基板40と、その上に配置された椀状接続部材50と、柱状体60と、支持基板40の上面に配置された固定電極E1〜E5と、によって構成されている。図4の上面図に示すとおり、椀状接続部材50は、円形の平底状の椀を伏せた形状を有している。 Therefore, in the present invention, as each of the sensors 21 to 24, a capacitive force sensor having a plurality of capacitive elements is used. FIG. 3 is a side sectional view showing an example of such a capacitive element type multi-axis force sensor. As shown in the figure, this multi-axis force sensor includes a plate-like support substrate 40, a bowl-shaped connection member 50 disposed thereon, a columnar body 60, and fixed electrodes E <b> 1 to E1 disposed on the upper surface of the support substrate 40. E5. As shown in the top view of FIG. 4, the hook-shaped connection member 50 has a shape in which a circular flat-bottomed hook is turned down.
ここでは、説明の便宜上、支持基板40の上面中心部にローカル原点をとり、図示の方向にx,y,z軸をそれぞれ定義したxyz三次元座標系を定義する。この小文字で示すxyz三次元座標系は、個々の柱状体11〜14の下端部に定義されるローカルな座標系であり、大文字で示すXYZ三次元座標系に対して正則である。すなわち、x軸とX軸とは平行、y軸とY軸とは平行、z軸とZとは平行である。 Here, for convenience of explanation, an xyz three-dimensional coordinate system is defined in which the local origin is set at the center of the upper surface of the support substrate 40 and the x, y, and z axes are respectively defined in the illustrated direction. The xyz three-dimensional coordinate system indicated by lowercase letters is a local coordinate system defined at the lower ends of the individual columnar bodies 11 to 14, and is regular with respect to the XYZ three-dimensional coordinate system indicated by uppercase letters. That is, the x axis and the X axis are parallel, the y axis and the Y axis are parallel, and the z axis and Z are parallel.
椀状接続部材50は、図3の側断面図に示されているとおり、椀の平底部分に相当する円板状の肉薄部51と、その周囲を支持する円筒状の側壁部52と、この側壁部52を支持基板40の上面に固定するための固定部53と、の各部から構成されており、肉薄部51の上面中央部には、円柱状の柱状体60が接続されている。この円柱状の柱状体60の中心軸の延長線と支持基板40の上面との交点位置にローカル原点が定義されていることになる。 As shown in the side sectional view of FIG. 3, the bowl-shaped connecting member 50 includes a disk-shaped thin part 51 corresponding to the flat bottom part of the bowl, a cylindrical side wall part 52 that supports the periphery thereof, The side wall portion 52 includes a fixing portion 53 for fixing the side wall portion 52 to the upper surface of the support substrate 40, and a cylindrical columnar body 60 is connected to the central portion of the upper surface of the thin portion 51. The local origin is defined at the intersection point between the extension line of the central axis of the cylindrical columnar body 60 and the upper surface of the support substrate 40.
ここで、この例の場合、支持基板40および柱状体60は、十分な剛性をもっているが、椀状接続部材50は、可撓性(別言すれば、弾性変形を生じる性質)を有している。この例では、椀状接続部材50は、金属の薄板によって構成されており、支持基板40および柱状体60は絶縁体材料によって構成されている。 Here, in this example, the support substrate 40 and the columnar body 60 have sufficient rigidity, but the hook-shaped connection member 50 has flexibility (in other words, a property that causes elastic deformation). Yes. In this example, the hook-shaped connection member 50 is configured by a thin metal plate, and the support substrate 40 and the columnar body 60 are configured by an insulating material.
図5の上面図に示されているとおり、板状の支持基板40の上面には、5枚の固定電極E1〜E5が形成されている。ここで、固定電極E1はx軸の正の部分に配置され、固定電極E2はx軸の負の部分に配置され、固定電極E3はy軸の正の部分に配置され、固定電極E4はy軸の負の部分に配置されており、いずれも各座標軸に関して線対称となる扇形をした同一形状、同一サイズの電極になっている。一方、固定電極E5はローカル原点の位置に配置された円形の電極である。 As shown in the top view of FIG. 5, five fixed electrodes E <b> 1 to E <b> 5 are formed on the top surface of the plate-like support substrate 40. Here, the fixed electrode E1 is arranged in the positive part of the x axis, the fixed electrode E2 is arranged in the negative part of the x axis, the fixed electrode E3 is arranged in the positive part of the y axis, and the fixed electrode E4 is y They are arranged in the negative part of the axis, and all are electrodes having the same shape and the same size in the shape of a fan that is line-symmetric with respect to each coordinate axis. On the other hand, the fixed electrode E5 is a circular electrode arranged at the position of the local origin.
図5に破線で示すのは、支持基板40の上に固定される椀状接続部材50の各部の位置である。図示のとおり、肉薄部51は、各固定電極E1〜E5のすべてに対向するように、支持基板40の上方に配置されることになる。肉薄部51を金属板などの導電性材料で構成しておけば、肉薄部51は、可撓性および導電性を有することになり、それ自身が1枚の共通変位電極として機能し、対向する各固定電極E1〜E5との間で容量素子を形成することになる。ここでは、各固定電極E1〜E5と、共通変位電極として機能する肉薄部51とによって構成される5組の容量素子を、それぞれ容量素子C1〜C5と呼ぶことにする。 The broken lines in FIG. 5 indicate the position of each part of the hook-shaped connection member 50 fixed on the support substrate 40. As illustrated, the thin portion 51 is disposed above the support substrate 40 so as to face all of the fixed electrodes E1 to E5. If the thin portion 51 is made of a conductive material such as a metal plate, the thin portion 51 has flexibility and conductivity, and the thin portion 51 itself functions as one common displacement electrode and faces it. A capacitive element is formed between each of the fixed electrodes E1 to E5. Here, the five sets of capacitive elements configured by the fixed electrodes E1 to E5 and the thin portion 51 functioning as a common displacement electrode are referred to as capacitive elements C1 to C5, respectively.
続いて、柱状体60に種々の方向成分をもった力が作用した場合に、椀状接続部材50がどのように変形し、各容量素子C1〜C5の静電容量値にどのような変化が生じるかを考えてみる。 Subsequently, when forces having various directional components are applied to the columnar body 60, how the hook-like connecting member 50 is deformed and what changes are made in the capacitance values of the capacitive elements C1 to C5. Think about what happens.
まず、図6に示すように、柱状体60の上部に、x軸正方向への力+fxが加えられた場合を考える。これは、柱状体60を右側(x軸正方向)へと傾斜させる力が働いたことを意味する。この場合、可撓性をもった椀状接続部材50は、図のように変形し、肉薄部51は、右側部分が下方に、左側部分が上方に、それぞれ移動するように傾斜する。その結果、容量素子C1の両電極(固定電極E1と肉薄部51)の距離は狭まり、静電容量値は増加するが、容量素子C2の両電極(固定電極E2と肉薄部51)の距離は広まり、静電容量値は減少する。このとき、他の3組の容量素子C3〜C5については、右半分については電極間距離が狭まるが、左半分については電極間距離が広まるため、トータルでの静電容量値は変化しない。 First, as shown in FIG. 6, consider a case where a force + fx in the positive x-axis direction is applied to the upper portion of the columnar body 60. This means that a force that tilts the columnar body 60 to the right side (the positive direction of the x-axis) is applied. In this case, the flexible hook-shaped connecting member 50 is deformed as shown in the figure, and the thin portion 51 is inclined so that the right portion moves downward and the left portion moves upward. As a result, the distance between both electrodes (the fixed electrode E1 and the thin portion 51) of the capacitive element C1 is reduced and the capacitance value increases, but the distance between both electrodes (the fixed electrode E2 and the thin portion 51) of the capacitive element C2 is As it spreads, the capacitance value decreases. At this time, for the other three sets of capacitive elements C3 to C5, the distance between the electrodes is reduced in the right half, but the distance between the electrodes is increased in the left half, so that the total capacitance value does not change.
一方、図7に示すように、柱状体60の上部に、x軸負方向への力−fxが加えられた場合を考える。これは、柱状体60を左側(x軸負方向)へと傾斜させる力が働いたことを意味する。この場合、可撓性をもった椀状接続部材50は、図のように変形し、肉薄部51は、左側部分が下方に、右側部分が上方に、それぞれ移動するように傾斜する。その結果、容量素子C1の静電容量値は減少し、容量素子C2の静電容量値は増加する。 On the other hand, as shown in FIG. 7, consider a case where a force −fx in the negative x-axis direction is applied to the upper portion of the columnar body 60. This means that a force that tilts the columnar body 60 to the left (in the negative x-axis direction) is applied. In this case, the flexible hook-shaped connection member 50 is deformed as shown in the figure, and the thin portion 51 is inclined so that the left portion moves downward and the right portion moves upward. As a result, the capacitance value of the capacitive element C1 decreases and the capacitance value of the capacitive element C2 increases.
結局、柱状体60に対して作用したx軸方向の力fxは、第1の容量素子C1の静電容量値と第2の容量素子C2の静電容量値との差として求めることができる。求めた差の大きさは作用した力の大きさを示し、求めた差の符号は作用した力の方向を示すものになる。全く同様の原理により、柱状体60に対して作用したy軸方向の力fyは、第3の容量素子C3の静電容量値と第4の容量素子C4の静電容量値との差として求めることができる。 Eventually, the force fx in the x-axis direction applied to the columnar body 60 can be obtained as a difference between the capacitance value of the first capacitance element C1 and the capacitance value of the second capacitance element C2. The magnitude of the obtained difference indicates the magnitude of the applied force, and the sign of the obtained difference indicates the direction of the applied force. Based on the same principle, the force fy in the y-axis direction applied to the columnar body 60 is obtained as a difference between the capacitance value of the third capacitance element C3 and the capacitance value of the fourth capacitance element C4. be able to.
こうして求めた力fxは、柱状体60のx軸方向に関する傾斜度を示すものであり、力fyは、柱状体60のy軸方向に関する傾斜度を示すものになる。結局、柱状体60のx軸方向に関する傾斜度は、第1の容量素子C1の静電容量値と第2の容量素子C2の静電容量値との差として求めることができ、柱状体60のy軸方向に関する傾斜度は、第3の容量素子C3の静電容量値と第4の容量素子C4の静電容量値との差として求めることができる。別言すれば、柱状体60の下端の第1の部分から加えられる力と、柱状体60の下端の第2の部分から加えられる力と、の差に基づいて、柱状体60の支持基板40に対する傾斜度を検知することができる。 The force fx thus obtained indicates the degree of inclination of the columnar body 60 in the x-axis direction, and the force fy indicates the degree of inclination of the columnar body 60 in the y-axis direction. Eventually, the inclination of the columnar body 60 in the x-axis direction can be obtained as a difference between the capacitance value of the first capacitive element C1 and the capacitance value of the second capacitive element C2, and The inclination with respect to the y-axis direction can be obtained as a difference between the capacitance value of the third capacitance element C3 and the capacitance value of the fourth capacitance element C4. In other words, the support substrate 40 of the columnar body 60 is based on the difference between the force applied from the first portion at the lower end of the columnar body 60 and the force applied from the second portion at the lower end of the columnar body 60. Can be detected.
続いて、図8に示すように、柱状体60に対して、z軸負方向への力−fzが加えられた場合を考える。この場合、柱状体60全体に対して、図の下方への力が加わることになるので、柱状体60は傾斜することなしに、柱状体60全体により、椀状接続部材50に対して下方への押圧力を作用させることになり、可撓性をもった椀状接続部材50は、図のように変形し、5組の容量素子C1〜C5のすべての電極間隔が狭まり、静電容量値が増加する。逆に、柱状体60を上方へと引き上げる力+fzが加えられた場合は、柱状体60全体により、椀状接続部材50に対して上方への引っ張り力が働くことになり、5組の容量素子C1〜C5のすべての電極間隔が広まり、静電容量値が減少する。 Next, as shown in FIG. 8, consider a case where a force −fz in the negative z-axis direction is applied to the columnar body 60. In this case, since a downward force in the figure is applied to the entire columnar body 60, the columnar body 60 is not inclined and is moved downward with respect to the bowl-shaped connecting member 50 by the entire columnar body 60. The flexible hook-shaped connecting member 50 is deformed as shown in the figure, and the gap between all the electrodes of the five capacitive elements C1 to C5 is narrowed. Will increase. Conversely, when a force + fz for pulling up the columnar body 60 is applied, the columnar body 60 as a whole exerts an upward pulling force on the bowl-shaped connection member 50, and five sets of capacitive elements All the electrode intervals of C1 to C5 are widened, and the capacitance value is reduced.
結局、柱状体60に対してz軸方向の力fzのみが作用している環境下では、第1〜第5の容量素子C1〜C5のいずれかの静電容量値を検出すれば、作用した力fzを求めることができる。ただし、他の軸方向成分の力fx,fyが混在する環境下では、たとえば、容量素子C1の静電容量値を単独で求めたり、容量素子C3の静電容量値を単独で求めたりしても、これらは必ずしもz軸方向の力fzを示す値にはならない。どのような環境下においても、z軸方向の力fzを検出するためには、容量素子C5の静電容量値を利用すればよい。上述したように、x軸方向の力fxやy軸方向の力fyが作用した場合は、容量素子C5の静電容量値には変化は生じないので、容量素子C5の静電容量値を利用すれば、z軸方向の力fzのみを独立して検出することが可能になる。 After all, in an environment where only the force fz in the z-axis direction is acting on the columnar body 60, if any one of the capacitance values of the first to fifth capacitive elements C1 to C5 is detected, it acts. The force fz can be determined. However, in an environment where forces fx and fy of other axial components are mixed, for example, the capacitance value of the capacitive element C1 is obtained alone, or the capacitance value of the capacitive element C3 is obtained alone. However, these are not necessarily values indicating the force fz in the z-axis direction. In any environment, in order to detect the force fz in the z-axis direction, the capacitance value of the capacitive element C5 may be used. As described above, when the force fx in the x-axis direction or the force fy in the y-axis direction is applied, the capacitance value of the capacitive element C5 does not change, so the capacitance value of the capacitive element C5 is used. Then, only the force fz in the z-axis direction can be detected independently.
もっとも、z軸方向の力fzのみを独立して検出するためには、別な方法をとることも可能である。たとえば、容量素子C1の静電容量値と容量素子C2の静電容量値との和を求め、これをz軸方向の力fzの検出値として利用することも可能である。x軸方向の力fxの作用に対しては、容量素子C1の静電容量値の増減と容量素子C2の静電容量値の増減は相補的な関係にあるため、両者の和をとることにより、x軸方向の力fxの成分を相殺することができ、z軸方向の力fzの検出値のみを取り出すことができる。同様に、容量素子C3の静電容量値と容量素子C4の静電容量値との和を求め、これをz軸方向の力fzの検出値として利用することも可能である。更に、4組の容量素子C1〜C4の静電容量値の和や、5組の容量素子C1〜C5の静電容量値の和を求め、これをz軸方向の力fzの検出値として利用することも可能である。 However, another method may be used to independently detect only the force fz in the z-axis direction. For example, the sum of the capacitance value of the capacitive element C1 and the capacitance value of the capacitive element C2 can be obtained and used as a detected value of the force fz in the z-axis direction. For the action of the force fx in the x-axis direction, the increase / decrease in the capacitance value of the capacitive element C1 and the increase / decrease in the capacitance value of the capacitive element C2 have a complementary relationship. The component of the force fx in the x-axis direction can be canceled, and only the detected value of the force fz in the z-axis direction can be taken out. Similarly, the sum of the capacitance value of the capacitive element C3 and the capacitance value of the capacitive element C4 can be obtained and used as a detected value of the force fz in the z-axis direction. Further, the sum of the capacitance values of the four sets of capacitance elements C1 to C4 and the sum of the capacitance values of the five sets of capacitance elements C1 to C5 are obtained and used as the detection value of the force fz in the z-axis direction. It is also possible to do.
以上述べたとおり、図3に示す多軸力センサを用いれば、柱状体60のx軸方向に関する傾斜度(力fx)と、柱状体60のy軸方向に関する傾斜度(力fy)と、柱状体60全体から支持基板40に対して加えられる力(力fz)と、を検出することが可能である。これは、この図3に示す多軸力センサが、図1に示す力検出装置における各センサ21〜24として利用できることを意味している。 As described above, when the multi-axis force sensor shown in FIG. 3 is used, the inclination degree (force fx) of the columnar body 60 in the x-axis direction, the inclination degree (force fy) of the columnar body 60 in the y-axis direction, and the columnar shape The force (force fz) applied to the support substrate 40 from the entire body 60 can be detected. This means that the multi-axis force sensor shown in FIG. 3 can be used as each of the sensors 21 to 24 in the force detection device shown in FIG.
結局、一般論として説明すれば、柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子としては、支持基板40の上面において、x座標値が正となる領域に形成された第1の電極E1(x軸正側電極)と、肉薄部の下面において、第1の電極E1に対向する位置に形成された第1の対向電極と、によって構成される第1の容量素子C1と、支持基板40の上面において、x座標値が負となる領域に形成された第2の電極E2(x軸負側電極)と、肉薄部の下面において、第2の電極E2に対向する位置に形成された第2の対向電極と、によって構成される第2の容量素子C2と、を有し、第1の容量素子の静電容量値C1と第2の容量素子の静電容量値C2との差を柱状体のX軸方向に関する傾斜度として求める検出子を用意すればよい。 After all, as a general theory, as a detector for detecting the inclination of the columnar body in the X-axis direction, the first electrode E1 formed in the region where the x coordinate value is positive on the upper surface of the support substrate 40. (Supporting substrate 40), a first capacitive element C1 composed of the (x-axis positive side electrode), a first counter electrode formed at a position facing the first electrode E1 on the lower surface of the thin portion. The second electrode E2 (x-axis negative side electrode) formed in a region where the x-coordinate value is negative on the upper surface of the first electrode and the second electrode E2 formed on the lower surface of the thin portion at a position facing the second electrode E2. A second capacitance element C2 constituted by two counter electrodes, and the difference between the capacitance value C1 of the first capacitance element and the capacitance value C2 of the second capacitance element is columnar What is necessary is just to prepare the detector calculated | required as the inclination degree regarding the X-axis direction of a body.
また、柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子としては、支持基板40の上面において、y座標値が正となる領域に形成された第3の電極E3(y軸正側電極)と、肉薄部の下面において、第3の電極E3に対向する位置に形成された第3の対向電極と、によって構成される第3の容量素子C3と、支持基板40の上面において、y座標値が負となる領域に形成された第4の電極E4(y軸負側電極)と、肉薄部の下面において、第4の電極E4に対向する位置に形成された第4の対向電極と、によって構成される第4の容量素子C4と、を有し、第3の容量素子の静電容量値C3と第4の容量素子の静電容量値C4との差を柱状体のY軸方向に関する傾斜度として求める検出子を用意すればよい。 Further, as a detector for detecting the inclination of the columnar body in the Y-axis direction, a third electrode E3 (y-axis positive electrode) formed in a region where the y coordinate value is positive on the upper surface of the support substrate 40. And a third capacitive element C3 formed on the lower surface of the thin portion at a position facing the third electrode E3, and a y-coordinate value on the upper surface of the support substrate 40. A fourth electrode E4 (y-axis negative side electrode) formed in a negative region, and a fourth counter electrode formed at a position facing the fourth electrode E4 on the lower surface of the thin portion, And a difference between the capacitance value C3 of the third capacitance element and the capacitance value C4 of the fourth capacitance element is inclined with respect to the Y-axis direction of the columnar body. What is necessary is just to prepare the detector calculated | required as a degree.
更に、柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子としては、支持基板40の上面に形成された第5の電極E5(Z軸変位検出用電極)と、肉薄部の下面において、第5の電極E5に対向する位置に形成された第5の対向電極と、によって構成される第5の容量素子C5を有し、この第5の容量素子の静電容量値C5を柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力として求める検出子を用意すればよい。 Furthermore, as a detector for detecting the force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire columnar body, a fifth electrode E5 (Z-axis displacement detection electrode) formed on the upper surface of the support substrate 40, and On the lower surface of the thin portion, there is a fifth capacitive element C5 composed of a fifth counter electrode formed at a position facing the fifth electrode E5, and the capacitance of the fifth capacitive element What is necessary is just to prepare the detector which calculates | requires value C5 as the force regarding the Z-axis direction applied with respect to a support substrate from the whole columnar body.
なお、各検出子が、それぞれ受け持ちとなる検出対象のみを独立して検出できるようにするためには、実用上、各電極の形状および配置に、次のような対称性が維持されるようにするのが好ましい。まず、第1の電極E1自身および第2の電極E2自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、第1の電極E1と第2の電極E2とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしているようにする。また、第3の電極E3自身および第4の電極自身E4は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、第3の電極E3と第4の電極E4とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしているようにする。一方、第5の電極E5自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしているようにする。 In order to allow each detector to independently detect only the detection object that it takes charge of, the following symmetry is practically maintained in the shape and arrangement of each electrode. It is preferable to do this. First, each of the first electrode E1 itself and the second electrode E2 itself has a shape that is line-symmetric with respect to the x-axis, and the electrode group composed of the first electrode E1 and the second electrode E2 is: The shape is symmetrical with respect to the y-axis. In addition, the third electrode E3 itself and the fourth electrode itself E4 have a shape that is line-symmetric with respect to the y-axis, and the electrode group composed of the third electrode E3 and the fourth electrode E4 is: The shape is symmetrical with respect to the x axis. On the other hand, the fifth electrode E5 itself has a shape that is line-symmetric with respect to both the x-axis and the y-axis.
各電極の配置や形状に、このような対称性が維持されていなくても、各検出子に、それぞれ受け持ちとなる検出対象のみを検出させることは可能であるが、様々な補正項を用いた演算等が必要になるため実用上は好ましくない。したがって、実用上は、上記対称性を満たす電極構成を行うのが好ましい。 Even if such symmetry is not maintained in the arrangement and shape of each electrode, it is possible to cause each detector to detect only the detection target, but various correction terms are used. This is not preferable in practice because it requires operations and the like. Therefore, in practice, it is preferable to perform an electrode configuration that satisfies the above symmetry.
<<< §4. 具体的な実施形態の構造 >>>
続いて、本発明の具体的な実施形態に係る力検出装置の主たる構造部分を、図9〜図16を用いて説明する。なお、ここで述べる具体的な実施形態も、前述した特許文献1,2において、既に開示されているものである。
<<< §4. Structure of specific embodiment >>
Subsequently, main structural portions of the force detection device according to the specific embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The specific embodiments described here are also already disclosed in Patent Documents 1 and 2 described above.
図9は、本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の上面図である。この装置を、XZ平面で切断した側断面図が図10に示されており、YZ平面で切断した側断面図が図11に示されている。図10もしくは図11に示されているとおり、この力検出装置の基本的な構成要素は、受力体100、中間体200、支持基板300であり、いずれも上面がXY平面に平行な正方形状をした板状の部材を基本形態としている。図10および図11は、互いに切断位置が異なる側断面図であるが、図面に現れている幾何学的な構造は全く同一である。両者の相違は、各部の符号だけである。これは、この装置の基本構造が、XZ平面に関して面対称であり、かつ、YZ平面に関しても面対称であるためである。 FIG. 9 is a top view of the force detection device according to the basic embodiment of the present invention. FIG. 10 shows a side sectional view of the device taken along the XZ plane, and FIG. 11 shows a side sectional view taken along the YZ plane. As shown in FIG. 10 or FIG. 11, basic components of the force detection device are a force receiving body 100, an intermediate body 200, and a support substrate 300, all of which have a square shape whose upper surface is parallel to the XY plane. The plate-shaped member which did is made into the basic form. 10 and 11 are side cross-sectional views at different cutting positions, but the geometric structures appearing in the drawings are exactly the same. The difference between them is only the sign of each part. This is because the basic structure of this device is plane symmetric with respect to the XZ plane and also plane symmetric with respect to the YZ plane.
§1で述べた例と同様に、この例でも、XYZ三次元座標系と、これをZ軸方向に平行移動したX′Y′Z′補助座標系とが定義されている。X′Y′Z′補助座標系は、受力体100の中心位置に原点O′をもった座標系である。一方、XYZ三次元座標系の原点Oは、支持基板300の上面中心点を、Z軸正方向に若干ずらした位置に定義されている。図10および図11において、原点Oが支持基板300の上面から若干上方にずれており、X軸およびY軸が支持基板300の上面位置から若干上方にずれているのはこのためである。 Similar to the example described in §1, in this example, an XYZ three-dimensional coordinate system and an X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system obtained by translating the coordinate system in the Z-axis direction are defined. The X′Y′Z ′ auxiliary coordinate system is a coordinate system having the origin O ′ at the center position of the force receiving body 100. On the other hand, the origin O of the XYZ three-dimensional coordinate system is defined at a position where the upper surface center point of the support substrate 300 is slightly shifted in the positive direction of the Z axis. 10 and 11, the origin O is slightly shifted from the upper surface of the support substrate 300, and the X axis and the Y axis are slightly shifted from the upper surface position of the support substrate 300 for this reason.
そもそもXYZ三次元座標系は、概念的に定義された座標系であり、その原点Oをどの位置に定義しようが、この力検出装置の物理的構造に影響があるわけではない。しかしながら、この力検出装置を用いて、高精度の測定を行うことを意図している利用者に対しては、この検出装置によって正確に検出されるモーメントが、特定の原点Oをもつ座標軸まわりのモーメントであることを明確にしておく必要がある。そして、後述するように、本発明のポイントとなる他軸干渉を排除するための補正は、当該特定の原点Oをもつ座標軸まわりのモーメントについての干渉を相殺するような補正となる。したがって、本発明を実施する上では、このような補正が正確な意味をもつようにするために、特定の原点Oを設定しておく必要がある。 In the first place, the XYZ three-dimensional coordinate system is a conceptually defined coordinate system, and no matter where the origin O is defined, the physical structure of the force detection device is not affected. However, for a user who intends to perform highly accurate measurement using this force detection device, the moment accurately detected by this detection device is about a coordinate axis having a specific origin O. It is necessary to clarify that it is a moment. As will be described later, the correction for eliminating the other-axis interference that is the point of the present invention is a correction that cancels out the interference with respect to the moment around the coordinate axis having the specific origin O. Therefore, in carrying out the present invention, it is necessary to set a specific origin O so that such correction has an accurate meaning.
この特定の原点Oは、§1で述べた例と同様に、支持基板300の上面中心点の位置に定義してもかまわない。ただ、本願発明者は、ここに図示する実施形態の場合は、この原点Oの位置を、若干上方に定義した方が、より好ましい結果が得られると考えている。これは、§3で述べたとおり、本発明では、図3に示すような静電容量式センサを用いて、各柱状体の下端に作用した力(傾斜度)の検出が行われるため、この静電容量式センサの中心位置、すなわち、容量素子を構成する一対の電極間の中間位置に、XY平面が位置するような座標系を定義するのが最も好ましいと考えられるからである。したがって、ここに示す実施形態の場合、原点Oの位置は、電極の厚みを無視した場合、支持基板300の上面の中心点を、容量素子を構成する一対の電極間距離の1/2だけ上方に移動させた位置ということになる。 This specific origin O may be defined at the position of the upper surface center point of the support substrate 300 as in the example described in §1. However, in the case of the embodiment shown here, the present inventor believes that a more preferable result can be obtained if the position of the origin O is defined slightly upward. This is because, as described in §3, in the present invention, the force (inclination) acting on the lower end of each columnar body is detected using a capacitive sensor as shown in FIG. This is because it is considered most preferable to define a coordinate system in which the XY plane is located at the center position of the capacitive sensor, that is, at an intermediate position between a pair of electrodes constituting the capacitive element. Therefore, in the case of the embodiment shown here, the position of the origin O is above the center point of the upper surface of the support substrate 300 by ½ of the distance between the pair of electrodes constituting the capacitive element, when the thickness of the electrode is ignored. It will be the position moved to.
もっとも、原点Oの理想的な位置を理論的に解析することは容易ではないので、実際の力検出装置の構造によっては、必ずしも上述の位置に原点Oを定義するのが最適であるとは限らない。原点Oの位置は、それほど厳密に定義する必要はなく、支持基板の中央付近の上面もしくはその上方の所定点に定義しておけば、実用上、本発明の効果は十分に得られる。 However, since it is not easy to theoretically analyze the ideal position of the origin O, it is not always optimal to define the origin O at the above-mentioned position depending on the structure of the actual force detection device. Absent. The position of the origin O does not need to be defined so strictly. If it is defined at the upper surface near the center of the support substrate or a predetermined point above it, the effect of the present invention can be obtained sufficiently in practice.
さて、上面が正方形状をした板状の部材からなる受力体100、中間体200、支持基板300は、いずれも上下両面がXY平面に平行になるように、かつ、各辺がX軸もしくはY軸に平行になるように配置されている。 Now, the force receiving body 100, the intermediate body 200, and the support substrate 300 made of a plate-like member having a square top surface are all parallel to the XY plane, and each side has an X axis or They are arranged so as to be parallel to the Y axis.
受力体100は、図9に示すとおり、基本的には、上面が正方形状をした板状部材であるが、下面からは、4本の円柱突起部110,120,130,140が下方へと伸びている。図12は、この受力体100をX′Y′平面で切断した状態を示す横断面図である。 As shown in FIG. 9, the force receiving body 100 is basically a plate-like member having a square upper surface, but the four cylindrical protrusions 110, 120, 130, and 140 are directed downward from the lower surface. It is growing. FIG. 12 is a cross-sectional view showing a state where the force receiving body 100 is cut along the X′Y ′ plane.
図12に示されているとおり、4本の円柱突起部110,120,130,140の付け根部分の周囲には、円環状の溝部G11,G12,G13,G14が形成されており、この溝部G11,G12,G13,G14の形成により、板状の受力体100には、図9,図10,図11に示すように、可撓性をもった上端側肉薄部115,125,135,145が形成されている。結局、4本の円柱突起部110,120,130,140は、上端側肉薄部115,125,135,145を介して、板状の受力体100に接続されていることになる。 As shown in FIG. 12, annular grooves G11, G12, G13, and G14 are formed around the base portions of the four cylindrical protrusions 110, 120, 130, and 140, and the groove G11. , G12, G13, and G14, the plate-shaped force receiving member 100 has a flexible upper end side thin portion 115, 125, 135, 145 as shown in FIGS. Is formed. Eventually, the four cylindrical protrusions 110, 120, 130, and 140 are connected to the plate-shaped force receiving body 100 through the upper-end-side thin portions 115, 125, 135, and 145.
一方、中間体200は、支持基板300の上面に接合された部材であり、基本的には、上面が正方形状をした板状部材である。図10,図11に示すように、この中間体200の上面からは、4本の円柱突起部210,220,230,240が上方へと伸びている。これら4本の円柱突起部210,220,230,240の付け根部分の周囲には、円環状の溝部G21,G22,G23,G24が形成されており、更に、この中間体200の下面には、円柱状の溝部G31,G32,G33,G34が形成されている。中間体200の上面に設けられた溝部G21,G22,G23,G24と、下面に設けられた溝部G31,G32,G33,G34とは、いずれも円柱突起部210,220,230,240の中心軸の位置を中心とした同サイズの円形の輪郭を有している。 On the other hand, the intermediate body 200 is a member bonded to the upper surface of the support substrate 300, and is basically a plate-shaped member having a square upper surface. As shown in FIGS. 10 and 11, four cylindrical protrusions 210, 220, 230, and 240 extend upward from the upper surface of the intermediate body 200. Annular grooves G21, G22, G23, and G24 are formed around the base portions of the four cylindrical protrusions 210, 220, 230, and 240. Further, on the lower surface of the intermediate body 200, Cylindrical grooves G31, G32, G33, and G34 are formed. The groove portions G21, G22, G23, G24 provided on the upper surface of the intermediate body 200 and the groove portions G31, G32, G33, G34 provided on the lower surface are all center axes of the cylindrical protrusion portions 210, 220, 230, 240. It has a circular outline of the same size around the position of.
図10に示すとおり、溝部G21とG31との間には、下端側肉薄部215が境界壁として存在し、溝部G22とG32との間には、下端側肉薄部225が境界壁として存在する。また、図11に示すとおり、溝部G23とG33との間には、下端側肉薄部235が境界壁として存在し、溝部G24とG34との間には、下端側肉薄部245が境界壁として存在する。 As shown in FIG. 10, the lower end side thin portion 215 exists as a boundary wall between the groove portions G21 and G31, and the lower end side thin portion 225 exists as a boundary wall between the groove portions G22 and G32. Further, as shown in FIG. 11, the lower end side thin portion 235 exists as a boundary wall between the groove portions G23 and G33, and the lower end side thin portion 245 exists as a boundary wall between the groove portions G24 and G34. To do.
図13は、この図10,図11に示す中間体200を、切断線13−13に沿って切断した状態を示す横断面図である。4本の円柱突起部210,220,230,240の周囲に、溝部G21,G22,G23,G24が形成されている状態が明瞭に示されている。また、図14は、この図10,図11に示す中間体200を、XY平面に沿って切断した状態を示す横断面図であり、溝部G31,G32,G33,G34の配置が明瞭に示されている。 FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state in which the intermediate body 200 shown in FIGS. 10 and 11 is cut along a cutting line 13-13. The state in which the groove portions G21, G22, G23, and G24 are formed around the four cylindrical protrusion portions 210, 220, 230, and 240 is clearly shown. FIG. 14 is a cross-sectional view showing a state in which the intermediate body 200 shown in FIGS. 10 and 11 is cut along the XY plane, and the arrangement of the grooves G31, G32, G33, and G34 is clearly shown. ing.
この中間体200の下面に接合された支持基板300は、図15に示すように、上面が正方形状をした完全な板状部材であり、その上面には、固定電極E11〜E15,E21〜E25,E31〜E35,E41〜E45が配置されている。 As shown in FIG. 15, the support substrate 300 bonded to the lower surface of the intermediate body 200 is a complete plate-like member having a square upper surface, and fixed electrodes E11 to E15, E21 to E25 are formed on the upper surface. , E31 to E35, E41 to E45 are arranged.
受力体100側から下方に伸びた4本の円柱突起部110,120,130,140の下面は、中間体200側から上方に伸びた4本の円柱突起部210,220,230,240の上面に接合されている。ここでは、図10に示すように、円柱突起部110と円柱突起部210とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第1の柱状体T1と呼び、円柱突起部120と円柱突起部220とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第2の柱状体T2と呼ぶことにする。また、図11に示すように、円柱突起部130と円柱突起部230とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第3の柱状体T3と呼び、円柱突起部140と円柱突起部240とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第4の柱状体T4と呼ぶことにする。 The bottom surfaces of the four cylindrical protrusions 110, 120, 130, 140 extending downward from the force receiving body 100 side are the four cylindrical protrusions 210, 220, 230, 240 extending upward from the intermediate body 200 side. Bonded to the top surface. Here, as shown in FIG. 10, the columnar structure formed by joining the columnar projection 110 and the columnar projection 210 is referred to as a first columnar body T1, and the columnar projection 120 and the columnar projection A columnar structure formed by joining the portion 220 will be referred to as a second columnar body T2. In addition, as shown in FIG. 11, a columnar structure formed by joining the columnar projection 130 and the columnar projection 230 is referred to as a third columnar body T3, and the columnar projection 140 and the columnar projection A columnar structure formed by joining 240 is referred to as a fourth columnar body T4.
図9の上面図を見ればわかるように、この4本の柱状体T1〜T4のXY平面上への投影位置を考えると、第1の柱状体T1は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体T2は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体T3は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体T4は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置されている。 As can be seen from the top view of FIG. 9, when the projection positions of the four columnar bodies T1 to T4 on the XY plane are considered, the first columnar body T1 has a central axis parallel to the Z axis. And the central axis of the second columnar body T2 is parallel to the Z axis, and the central axis is the X axis of the X axis. The third columnar body T3 is disposed at a position intersecting with the negative portion, and the third columnar body T3 is disposed at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects with the positive portion of the Y axis. The fourth columnar body T4 is disposed at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects the negative portion of the Y axis.
また、図10に示すとおり、第1の柱状体T1の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部115を接続部材として受力体100に接続されており、第2の柱状体T2の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部125を接続部材として受力体100に接続されており、図11に示すとおり、第3の柱状体T3の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部135を接続部材として受力体100に接続されており、第4の柱状体T4の上端は、可撓性をもった上端側肉薄部145を接続部材として受力体100に接続されている。このように、各上端側肉薄部115,125,135,145は、その周囲が受力体100に接続され、その下面中心部が各柱状体T1,T2,T3,T4の上端に接続されていることになる。。 Further, as shown in FIG. 10, the upper end of the first columnar body T1 is connected to the force receiving body 100 using the flexible upper end side thin portion 115 as a connecting member, and the second columnar body T2 The upper end is connected to the force receiving body 100 using the flexible upper end side thin portion 125 as a connecting member. As shown in FIG. 11, the upper end of the third columnar body T3 has flexibility. The upper end side thin portion 135 is connected to the force receiving body 100 as a connecting member, and the upper end of the fourth columnar body T4 is connected to the force receiving body 100 using the flexible upper end side thin portion 145 as a connecting member. Has been. Thus, each upper end side thin portion 115, 125, 135, 145 is connected to the power receiving body 100 at its periphery, and its lower surface central portion is connected to the upper end of each columnar body T1, T2, T3, T4. Will be. .
一方、図10に示すとおり、第1の柱状体T1の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部215の中央に接合されており、下端側肉薄部215の周囲は、中間体200を介して支持基板300に接続されており、第2の柱状体T2の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部225の中央に接合されており、下端側肉薄部225の周囲は、中間体200を介して支持基板300に接続されている。同様に、図11に示すとおり、第3の柱状体T3の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部235の中央に接合されており、下端側肉薄部235の周囲は、中間体200を介して支持基板300に接続されており、第4の柱状体T4の下面は、接続部材として機能する下端側肉薄部245の中央に接合されており、下端側肉薄部245の周囲は、中間体200を介して支持基板300に接続されている。 On the other hand, as shown in FIG. 10, the lower surface of the first columnar body T1 is joined to the center of the lower end side thin portion 215 that functions as a connecting member, and the periphery of the lower end side thin portion 215 is interposed via the intermediate body 200. Are connected to the support substrate 300, and the lower surface of the second columnar body T2 is joined to the center of the lower end side thin portion 225 functioning as a connecting member. And connected to the support substrate 300. Similarly, as shown in FIG. 11, the lower surface of the third columnar body T3 is joined to the center of the lower end side thin portion 235 that functions as a connecting member. The lower surface of the fourth columnar body T4 is joined to the center of the lower end side thin portion 245 functioning as a connecting member, and the periphery of the lower end side thin portion 245 is an intermediate body. It is connected to the support substrate 300 through 200.
下端側肉薄部215,225,235,245も、可撓性をもった円板状の部材であり、中間体200の一部が、この円板状の部材を支持基板300上に支持する台座として機能している。結局、下端側肉薄部215,225,235,245は、支持基板300の上面から所定距離をおいた上方位置に、支持基板300の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して支持基板300に接続されており、その上面中心部が各柱状体T1,T2,T3,T4の下端に接続されていることになる。 The lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are also disk-shaped members having flexibility, and a part of the intermediate body 200 supports the disk-shaped member on the support substrate 300. Is functioning as Eventually, the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are pedestal around so that the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are arranged parallel to the upper surface of the support substrate 300 at an upper position at a predetermined distance from the upper surface of the support substrate 300. The center of the upper surface is connected to the lower end of each columnar body T1, T2, T3, T4.
図示の実施形態では、受力体100は絶縁性基板(たとえば、セラミック基板)、中間体200は導電性基板(たとえば、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属基板)、支持基板300は絶縁性基板(たとえば、セラミック基板)によって構成されている。もちろん、各部の材質はこれらに限定されるものではなく、たとえば、受力体100を、ステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属基板で構成してもかまわない。上端側肉薄部115,125,135,145や下端側肉薄部215,225,235,245は、基板の他の部分に比べて肉厚を薄くすることにより可撓性をもつように構成された部分である。 In the illustrated embodiment, the power receiving body 100 is an insulating substrate (for example, a ceramic substrate), the intermediate body 200 is a conductive substrate (for example, a metal substrate such as stainless steel, aluminum, titanium, etc.), and the support substrate 300 is an insulating substrate (for example). For example, a ceramic substrate is used. Of course, the material of each part is not limited to these, For example, you may comprise the power receiving body 100 with metal substrates, such as stainless steel, aluminum, and titanium. The upper end side thin portions 115, 125, 135, and 145 and the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are configured to have flexibility by making the thickness thinner than other portions of the substrate. Part.
この実施形態では、下端側肉薄部215,225,235,245は、導電性材料から構成されているため、可撓性を有するとともに導電性を有しており、それ自身が共通変位電極としての機能を果たす。これは、図3に示す多軸力センサの構成と全く同様である。 In this embodiment, since the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are made of a conductive material, they have flexibility and conductivity, and themselves serve as common displacement electrodes. Fulfills the function. This is exactly the same as the configuration of the multi-axis force sensor shown in FIG.
図15に示すように、支持基板300の上面には、第1の柱状体T1の下端近傍位置に固定電極E11〜E15が形成され、第2の柱状体T2の下端近傍位置に固定電極E21〜E25が形成され、第3の柱状体T3の下端近傍位置に固定電極E31〜E35が形成され、第4の柱状体T4の下端近傍位置に固定電極E41〜E45が形成されている。これらの各固定電極は、いずれも図5に示されている固定電極E1〜E5と等価な構成要素である。円形の固定電極E15,E25,E35,E45の中心には、それぞれ図5に示すローカル座標系xyの原点を定義することができる。 As shown in FIG. 15, on the upper surface of the support substrate 300, fixed electrodes E11 to E15 are formed near the lower end of the first columnar body T1, and fixed electrodes E21 to E21 are positioned near the lower end of the second columnar body T2. E25 is formed, fixed electrodes E31 to E35 are formed near the lower end of the third columnar body T3, and fixed electrodes E41 to E45 are formed near the lower end of the fourth columnar body T4. Each of these fixed electrodes is a component equivalent to the fixed electrodes E1 to E5 shown in FIG. At the center of each of the circular fixed electrodes E15, E25, E35, E45, the origin of the local coordinate system xy shown in FIG. 5 can be defined.
また、図10に示す下端側肉薄部215,225、および図11に示す下端側肉薄部235,245は、いずれも図3に示されている肉薄部51と等価な構成要素である。したがって、図10に示す溝G31の周辺および溝G32の周辺には、それぞれ図3に示す多軸力センサと同等の機能をもったセンサS1,S2が構成されていることになり、図11に示す溝G33の周辺および溝G34の周辺にも、それぞれ図3に示す多軸力センサと同等の機能をもったセンサS3,S4が構成されていることになる。 Also, the lower end side thin portions 215 and 225 shown in FIG. 10 and the lower end side thin portions 235 and 245 shown in FIG. 11 are components equivalent to the thin portion 51 shown in FIG. Therefore, sensors S1 and S2 having functions equivalent to those of the multiaxial force sensor shown in FIG. 3 are formed around the groove G31 and the groove G32 shown in FIG. Sensors S3 and S4 having functions equivalent to those of the multiaxial force sensor shown in FIG. 3 are also formed around the groove G33 and the groove G34.
ここで、センサS1は、第1の柱状体T1のX軸方向に関する傾斜度と、Y軸方向に関する傾斜度と、第1の柱状体T1全体から支持基板300に対して加えられるZ軸方向に関する力と、を検知する機能を有しており、センサS2は、第2の柱状体T2のX軸方向に関する傾斜度と、Y軸方向に関する傾斜度と、第2の柱状体T2全体から支持基板300に対して加えられるZ軸方向に関する力と、を検知する機能を有している。同様に、センサS3は、第3の柱状体T3のX軸方向に関する傾斜度と、Y軸方向に関する傾斜度と、第3の柱状体T3全体から支持基板300に対して加えられるZ軸方向に関する力と、を検知する機能を有しており、センサS4は、第4の柱状体T4のX軸方向に関する傾斜度と、Y軸方向に関する傾斜度と、第4の柱状体T4全体から支持基板300に対して加えられるZ軸方向に関する力と、を検知する機能を有している。 Here, the sensor S1 relates to the inclination of the first columnar body T1 with respect to the X-axis direction, the inclination with respect to the Y-axis direction, and the Z-axis direction applied to the support substrate 300 from the entire first columnar body T1. The sensor S2 has a function of detecting the inclination of the second columnar body T2 with respect to the X-axis direction, the inclination with respect to the Y-axis direction, and the entire second columnar body T2. It has a function of detecting a force applied to 300 in the Z-axis direction. Similarly, the sensor S3 relates to the inclination of the third columnar body T3 in the X-axis direction, the inclination in the Y-axis direction, and the Z-axis direction applied to the support substrate 300 from the entire third columnar body T3. The sensor S4 has a function of detecting the inclination of the fourth columnar body T4 in the X-axis direction, the inclination in the Y-axis direction, and the entire fourth columnar body T4. It has a function of detecting a force applied to 300 in the Z-axis direction.
こうしてみると、結局、図9〜図15に示す力検出装置は、図1に示す力検出装置と同等の構成要素を備えていることがわかる。すなわち、板状の受力体100は受力体10に対応し、板状の支持基板300は支持基板20に対応し、各柱状体T1〜T4は各柱状体11〜14に対応し、各センサS1〜S4は各センサ21〜24に対応する。したがって、この図9〜図15に示す構造体に、検出回路30を付加すれば、図1に示した力検出装置を実現することができる。 In this way, it can be understood that the force detection device shown in FIGS. 9 to 15 is provided with the same components as the force detection device shown in FIG. That is, the plate-shaped power receiving body 100 corresponds to the power receiving body 10, the plate-shaped support substrate 300 corresponds to the support substrate 20, the columnar bodies T1 to T4 correspond to the columnar bodies 11 to 14, Sensors S1 to S4 correspond to the sensors 21 to 24, respectively. Therefore, if the detection circuit 30 is added to the structure shown in FIGS. 9 to 15, the force detection device shown in FIG. 1 can be realized.
なお、実用上は、図16に示す例のように、中間体200の周囲輪郭部分を上方へと伸ばし、制御壁250および260を形成した構造にするのが好ましい。制御壁250は、受力体100の周囲を四方から囲む壁であり、制御壁260は、受力体100の上面の周囲を枠状に取り囲む壁である。このような構造体では、受力体100の下面と中間体200の上面との間に寸法d1の空隙部が形成され、受力体100の上面と制御壁260との間に寸法d2の空隙部が形成され、受力体100の側面と制御壁250との間に寸法d3の空隙部が形成される。したがって、受力体100に対して過度の力が加わったとしても、受力体100の下方、上方、側方への変位は、それぞれd1,d2,d3に制限されることになり、各柱状部T1〜T4等の構造部分が破損するのを防ぐことができる。 In practice, it is preferable to have a structure in which the peripheral contour portion of the intermediate body 200 is extended upward and the control walls 250 and 260 are formed as in the example shown in FIG. The control wall 250 is a wall that surrounds the periphery of the force receiving body 100 from four directions, and the control wall 260 is a wall that surrounds the periphery of the upper surface of the force receiving body 100 in a frame shape. In such a structure, a gap having a dimension d1 is formed between the lower surface of the force receiving body 100 and the upper surface of the intermediate body 200, and a gap having a dimension d2 is formed between the upper surface of the force receiving body 100 and the control wall 260. A gap is formed between the side surface of the force receiving body 100 and the control wall 250 with a dimension d3. Therefore, even if an excessive force is applied to the force receiving body 100, the downward, upward, and lateral displacements of the force receiving body 100 are limited to d1, d2, and d3, respectively. It is possible to prevent the structural parts such as the parts T1 to T4 from being damaged.
<<< §5. 具体的な実施形態の動作原理 >>>
続いて、§4で述べた力検出装置の基本的な動作原理を、図17〜図21を用いて説明する。§2で説明したとおり、この装置は、受力体100に作用したX軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fy、Z軸方向の力Fz、X軸まわりのモーメントMx、Y軸まわりのモーメントMy、Z軸まわりのモーメントMzという力の6成分を独立して検出する機能を有している。
<<< §5. Principle of operation of specific embodiment >>>
Subsequently, the basic operation principle of the force detection device described in §4 will be described with reference to FIGS. As described in §2, this apparatus is configured to operate on the force receiving body 100 in the X-axis direction force Fx, the Y-axis direction force Fy, the Z-axis direction force Fz, the X-axis moment Mx, and the Y-axis rotation. It has a function of independently detecting six components of the force, the moment My and the moment Mz around the Z axis.
いま、図15に示す20枚の固定電極E11〜E15,E21〜E25,E31〜E35,E41〜E45と、これに対向する共通変位電極(下端側肉薄部215,225,235,245)と、によって構成される20組の容量素子を、それぞれC11〜C15,C21〜C25,C31〜C35,C41〜C45と呼ぶことにする。図15に括弧で示したC11〜C45は、各固定電極によって構成される個々の容量素子を示している。§3で述べた力センサの原理によれば、これら各容量素子C11〜C45は、次のような機能をもっていることになる。 Now, 20 fixed electrodes E11 to E15, E21 to E25, E31 to E35, E41 to E45 shown in FIG. 15 and common displacement electrodes (lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245) opposed thereto, The 20 sets of capacitive elements constituted by the above are referred to as C11 to C15, C21 to C25, C31 to C35, and C41 to C45, respectively. C11 to C45 shown in parentheses in FIG. 15 indicate individual capacitive elements constituted by the fixed electrodes. According to the principle of the force sensor described in §3, these capacitive elements C11 to C45 have the following functions.
<容量素子C11>
第1の柱状体T1がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体T1がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体T1がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体T1がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。
<Capacitance element C11>
When the first columnar body T1 is tilted in the positive direction of the X axis, the capacitance between the electrodes is increased by narrowing the electrode interval, and when the first columnar body T1 is tilted in the negative direction of the X axis, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the first columnar body T1 is tilted in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change and the first columnar shape is changed. When the body T1 is tilted in the negative Y-axis direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change.
<容量素子C12>
第1の柱状体T1がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体T1がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体T1がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体T1がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。
<Capacitance element C12>
When the first columnar body T1 is tilted in the positive direction of the X axis, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the first columnar body T1 is tilted in the negative direction of the X axis, the electrode interval is narrowed. When the capacitance value increases and the first columnar body T1 is tilted in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change and the first columnar shape is changed. When the body T1 is tilted in the negative Y-axis direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change.
<容量素子C13>
第1の柱状体T1がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体T1がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体T1がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体T1がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少する。
<Capacitance element C13>
When the first columnar body T1 is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the first columnar body T1 is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change. When the first columnar body T1 is tilted in the positive direction of the Y axis, the electrode interval is narrowed, so that the capacitance When the value increases and the first columnar body T1 tilts in the negative Y-axis direction, the capacitance value decreases due to an increase in the electrode spacing.
<容量素子C14>
第1の柱状体T1がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体T1がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第1の柱状体T1がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体T1がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加する。
<Capacitance element C14>
When the first columnar body T1 is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the first columnar body T1 is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval narrows, but another part widens, so that the capacitance value does not change. When the first columnar body T1 tilts in the positive direction of the Y axis, the electrode interval widens, thereby increasing the capacitance. When the value decreases and the first columnar body T1 tilts in the negative Y-axis direction, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed.
<容量素子C15>
第1の柱状体T1がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第1の柱状体T1がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第1の柱状体T1がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。
<Capacitance element C15>
When the first columnar body T1 is displaced in the positive direction of the Z axis, the capacitance between the electrodes decreases due to the electrode interval being widened. When the first columnar body T1 is displaced in the negative direction of the Z axis, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the first columnar body T1 tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is reduced, but another part is The capacitance value does not change by spreading.
<容量素子C21>
第2の柱状体T2がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体T2がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体T2がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体T2がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。
<Capacitance element C21>
When the second columnar body T2 is inclined in the positive direction of the X-axis, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the second columnar body T2 is inclined in the negative direction of the X-axis, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the second columnar body T2 is tilted in the positive direction of the Y axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the second columnar shape When the body T2 is tilted in the negative Y-axis direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change.
<容量素子C22>
第2の柱状体T2がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体T2がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体T2がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体T2がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。
<Capacitance element C22>
When the second columnar body T2 is inclined in the positive direction of the X axis, the capacitance value is reduced by increasing the electrode interval, and when the second columnar body T2 is inclined in the negative direction of the X axis, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the second columnar body T2 is tilted in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change and the second columnar shape is changed. When the body T2 is tilted in the negative Y-axis direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change.
<容量素子C23>
第2の柱状体T2がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体T2がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体T2がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体T2がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少する。
<Capacitance element C23>
When the second columnar body T2 is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the second columnar body T2 is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval narrows, but another part widens, so that the capacitance value does not change. When the second columnar body T2 tilts in the positive direction of the Y-axis, the electrode interval narrows. When the value increases and the second columnar body T2 tilts in the negative Y-axis direction, the capacitance value decreases as the electrode spacing increases.
<容量素子C24>
第2の柱状体T2がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体T2がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第2の柱状体T2がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体T2がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加する。
<Capacitance element C24>
When the second columnar body T2 is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the second columnar body T2 is in the X-axis negative direction When tilted, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change. When the second columnar body T2 is tilted in the positive direction of the Y axis, the electrode interval is widened to When the value decreases and the second columnar body T2 tilts in the negative Y-axis direction, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed.
<容量素子C25>
第2の柱状体T2がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第2の柱状体T2がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第2の柱状体T2がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。
<Capacitance element C25>
When the second columnar body T2 is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the second columnar body T2 is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed. When the capacitance value increases and the second columnar body T2 is inclined in the positive X-axis direction, the negative X-axis direction, the positive Y-axis direction, or the negative Y-axis direction, a part of the electrode interval is reduced, but another part is The capacitance value does not change by spreading.
<容量素子C31>
第3の柱状体T3がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体T3がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体T3がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体T3がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。
<Capacitance element C31>
When the third columnar body T3 is tilted in the positive direction of the X axis, the capacitance between the electrodes is increased by narrowing the electrode interval, and when the third columnar body T3 is tilted in the negative direction of the X axis, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the third columnar body T3 is tilted in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change and the third columnar shape is changed. When the body T3 is tilted in the negative Y-axis direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change.
<容量素子C32>
第3の柱状体T3がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体T3がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体T3がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体T3がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。
<Capacitance element C32>
When the third columnar body T3 is inclined in the positive direction of the X axis, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the third columnar body T3 is inclined in the negative direction of the X axis, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the third columnar body T3 tilts in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change and the third columnar shape is changed. When the body T3 is tilted in the negative Y-axis direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change.
<容量素子C33>
第3の柱状体T3がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体T3がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体T3がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体T3がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少する。
<Capacitance element C33>
When the third columnar body T3 is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the third columnar body T3 is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change. When the third columnar body T3 is tilted in the positive direction of the Y axis, the electrode interval is narrowed. When the value increases and the third columnar body T3 tilts in the negative Y-axis direction, the capacitance value decreases as the electrode spacing increases.
<容量素子C34>
第3の柱状体T3がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体T3がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第3の柱状体T3がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体T3がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加する。
<Capacitance element C34>
When the third columnar body T3 is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the third columnar body T3 is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval narrows, but another part widens, so that the capacitance value does not change. When the third columnar body T3 tilts in the positive direction of the Y-axis, the electrode spacing increases, thereby causing a capacitance. When the value decreases and the third columnar body T3 tilts in the negative Y-axis direction, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed.
<容量素子C35>
第3の柱状体T3がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第3の柱状体T3がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第3の柱状体T3がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。
<Capacitance element C35>
When the third columnar body T3 is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the third columnar body T3 is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the third columnar body T3 tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is reduced, but another part is The capacitance value does not change by spreading.
<容量素子C41>
第4の柱状体T4がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体T4がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体T4がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体T4がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。
<Capacitance element C41>
When the fourth columnar body T4 is tilted in the positive direction of the X axis, the capacitance between the electrodes is increased by narrowing the electrode interval, and when the fourth columnar body T4 is tilted in the negative direction of the X axis, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the fourth columnar body T4 is inclined in the positive direction of the Y axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change and the fourth columnar shape is changed. When the body T4 is tilted in the negative Y-axis direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change.
<容量素子C42>
第4の柱状体T4がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体T4がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体T4がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体T4がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。
<Capacitance element C42>
When the fourth columnar body T4 is inclined in the positive direction of the X axis, the capacitance value is reduced by increasing the electrode interval, and when the fourth columnar body T4 is inclined in the negative direction of the X axis, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the fourth columnar body T4 is tilted in the positive direction of the Y axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change and the fourth columnar shape is changed. When the body T4 is tilted in the negative Y-axis direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change.
<容量素子C43>
第4の柱状体T4がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体T4がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体T4がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体T4がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少する。
<Capacitance element C43>
When the fourth columnar body T4 is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the fourth columnar body T4 is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change. When the fourth columnar body T4 is tilted in the positive direction of the Y axis, the electrode interval is narrowed, thereby causing a capacitance. When the value increases and the fourth columnar body T4 is tilted in the negative Y-axis direction, the capacitance value decreases due to the electrode interval being widened.
<容量素子C44>
第4の柱状体T4がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体T4がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、第4の柱状体T4がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体T4がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加する。
<Capacitance element C44>
When the fourth columnar body T4 is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change. When tilted, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change. When the fourth columnar body T4 is tilted in the positive direction of the Y axis, the electrode interval is widened to When the value decreases and the fourth columnar body T4 tilts in the negative Y-axis direction, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed.
<容量素子C45>
第4の柱状体T4がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、第4の柱状体T4がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、第4の柱状体T4がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しない。
<Capacitance element C45>
When the fourth columnar body T4 is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the fourth columnar body T4 is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed. When the capacitance value increases and the fourth columnar body T4 tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is reduced, but another part is The capacitance value does not change by spreading.
ここで、図10,図11に示す位置に原点OをとったXYZ三次元座標系において、受力体100に対して、X軸正方向の力+Fx,Y軸正方向の力+Fy,Z軸正方向の力+Fz,X軸まわりの正方向のモーメント+Mx,Y軸まわりの正方向のモーメント+My,Z軸まわりの正方向のモーメント+Mzがそれぞれ作用した場合に、上述した機能をもった20組の各容量素子C11〜C45の静電容量値の変化を考えてみる。 Here, in the XYZ three-dimensional coordinate system having the origin O at the position shown in FIGS. 10 and 11, the force X in the positive direction of the X axis + Fx, the force in the positive direction of the Y axis + Fy, the Z axis 20 sets having the above-described functions when a positive force + Fz, a positive moment around the X axis + Mx, a positive moment around the Y axis + My, and a positive moment around the Z axis + Mz are applied. Consider changes in the capacitance values of the capacitive elements C11 to C45.
図17は、図16に示す力検出装置において、受力体100にX軸正方向の力+Fxが作用したときの構造体の変形態様を示す側断面図である。同様に、図18は、Z軸正方向の力+Fzが作用したときの変形態様を示し、図19は、Y軸まわりの正方向のモーメント+Myが作用したときの変形態様を示している。 FIG. 17 is a side sectional view showing a deformation mode of the structure when a force + Fx in the X-axis positive direction acts on the force receiving body 100 in the force detection device shown in FIG. Similarly, FIG. 18 shows a deformation mode when a positive force + Fz in the Z axis acts, and FIG. 19 shows a deformation mode when a positive moment + My around the Y axis acts.
一方、図20は、このときの各容量素子C11〜C45の静電容量値の変化の態様を示すテーブルであり、「0」は変化なし、「+Δ」は増加、「−Δ」は減少を示している。なお、このテーブルにおける各欄のΔの絶対値は、たとえ作用する力の絶対値が同一であっても、必ずしもすべてが同一の値をとるわけではなく、それぞれ各容量素子の形状や配置によって決定される所定の固有値になる。 On the other hand, FIG. 20 is a table showing how the capacitance values of the capacitive elements C11 to C45 change at this time. “0” indicates no change, “+ Δ” increases, and “−Δ” decreases. Show. Note that the absolute value of Δ in each column in this table does not necessarily take the same value even if the absolute value of the acting force is the same, and is determined by the shape and arrangement of each capacitive element. To a predetermined eigenvalue.
より具体的に言えば、形状や配置に対称性が確保された容量素子についての同一行の欄に記載されたΔの絶対値は互いに等しくなるが、すべての欄についてのΔの絶対値が互いに等しいわけではない。たとえば、第3行目(+Fzの行)におけるC11〜C14,C21〜C24,C31〜C34,C41〜C44の各欄に示すΔの絶対値は、これらの容量素子の形状や配置に対称性が確保されているため互いに等しくなるが、同じ第3行目であっても、C11の欄のΔとC15の欄のΔとは、互いに絶対値が異なることになる。また、同じC11の欄のΔであっても、たとえば、第1行目と第3行目とでは、互いに絶対値が異なることになる。 More specifically, the absolute values of Δ described in the column of the same row for the capacitive elements having symmetry in shape and arrangement are equal to each other, but the absolute values of Δ for all the columns are mutually Not equal. For example, the absolute value of Δ shown in each column of C11 to C14, C21 to C24, C31 to C34, and C41 to C44 in the third row (+ Fz row) has symmetry in the shape and arrangement of these capacitive elements. Since they are secured, they are equal to each other, but even in the same third row, Δ in the C11 column and Δ in the C15 column have different absolute values. Further, even if Δ in the same C11 column, for example, the absolute values of the first row and the third row are different from each other.
各容量素子の静電容量値が、このテーブルのように変化する理由は、図17〜図19に示す構造体の各変化態様と、図6〜図8に示す多軸力センサの変形態様を見れば理解できよう。 The reason why the capacitance value of each capacitive element changes as shown in this table is that the change modes of the structure shown in FIGS. 17 to 19 and the deformation modes of the multiaxial force sensor shown in FIGS. You can understand if you look at it.
たとえば、受力体100に対して、X軸正方向の力+Fxが作用すると、図17に示されているように、各柱状体T1〜T4は、いずれも図の右方向(X軸正方向)に傾斜することになるので、図15の平面図を参照すれば、容量素子C11,C21,C31,C41の電極間隔は狭まり、静電容量値が増加するのに対して、容量素子C12,C22,C32,C42の電極間隔は広がり、静電容量値が減少することがわかる。他の容量素子については、電極間隔は一部は広がり、一部は狭まるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図20(a) ,(b) のテーブルの第1行目(+Fxの行)は、各容量素子C11〜C45についてのこのような静電容量値の変化を示している。 For example, when a force + Fx in the X-axis positive direction acts on the force receiving body 100, as shown in FIG. 17, each of the columnar bodies T1 to T4 is in the right direction (X-axis positive direction). Therefore, referring to the plan view of FIG. 15, the electrode intervals of the capacitive elements C11, C21, C31, C41 are narrowed and the capacitance value is increased, whereas the capacitive elements C12, It can be seen that the electrode spacing of C22, C32, and C42 increases and the capacitance value decreases. For other capacitive elements, the electrode spacing is partially expanded and partially decreased, so that the capacitance value does not change in total. The first row (+ Fx row) of the tables of FIGS. 20A and 20B shows such a change in capacitance value for each of the capacitive elements C11 to C45.
逆に、X軸負方向の力−Fxが作用すると、各柱状体T1〜T4は、いずれも図17に示す例とは反対の左方向(X軸負方向)に傾斜することになるので、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、図20(a) ,(b) のテーブルの第1行目(+Fxの行)とは「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。 On the contrary, when the force -Fx in the negative X-axis direction is applied, each of the columnar bodies T1 to T4 is inclined in the left direction (X-axis negative direction) opposite to the example shown in FIG. The relationship between the increase and decrease of the capacitance value is reversed, and the result of reversing “+” and “−” is obtained from the first row (+ Fx row) of the tables of FIGS. 20 (a) and 20 (b). Will be.
一方、受力体100に対して、Y軸正方向の力+Fyが作用した場合は、上述した力+Fxが作用した場合の変化態様を、上面からみて90°回転させた現象が起こることになる。すなわち、図15の平面図を参照すれば、容量素子C13,C23,C33,C43の電極間隔は狭まり、静電容量値が増加するのに対して、容量素子C14,C24,C34,C44の電極間隔は広がり、静電容量値が減少することがわかる。他の容量素子については、電極間隔は一部は広がり、一部は狭まるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図20(a) ,(b) のテーブルの第2行目(+Fyの行)は、各容量素子C11〜C45についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、Y軸負方向の力−Fyが作用した場合は、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。 On the other hand, when a force + Fy in the Y-axis positive direction is applied to the force receiving body 100, a phenomenon occurs in which the change mode when the force + Fx is applied is rotated by 90 ° when viewed from the top. . That is, referring to the plan view of FIG. 15, the electrode intervals of the capacitive elements C13, C23, C33, and C43 are narrowed and the capacitance value is increased, whereas the electrodes of the capacitive elements C14, C24, C34, and C44 are increased. It can be seen that the interval increases and the capacitance value decreases. For other capacitive elements, the electrode spacing is partially expanded and partially decreased, so that the capacitance value does not change in total. The second row (+ Fy row) of the tables of FIGS. 20A and 20B shows such a change in capacitance value for each of the capacitive elements C11 to C45. On the contrary, when the force -Fy in the negative Y-axis direction is applied, the relationship between the increase and decrease of the capacitance value is reversed, and the result of reversing “+” and “−” is obtained.
また、受力体100に対して、Z軸正方向の力+Fzが作用すると、図18に示されているように、各柱状体T1〜T4は、いずれも支持基板300の上面に対して引っ張り力を作用させることになるので、全容量素子C11〜C45の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図20(a) ,(b) のテーブルの第3行目(+Fzの行)は、このような変化を示している。逆に、受力体100に対して、Z軸負方向の力−Fzが作用すると、各柱状体T1〜T4は、いずれも支持基板300の上面に対して押圧力を作用させることになるので、全容量素子C11〜C45の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。したがって、図20(a) ,(b) のテーブルの第3行目(+Fzの行)に示された結果に対して、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。 Further, when a force + Fz in the positive direction of the Z-axis is applied to the force receiving body 100, each of the columnar bodies T1 to T4 is pulled against the upper surface of the support substrate 300 as shown in FIG. Since force is applied, the electrode spacing of all the capacitive elements C11 to C45 is widened, and the capacitance value is reduced. The third row (+ Fz row) in the tables of FIGS. 20A and 20B shows such a change. On the contrary, when the force −Fz in the negative Z-axis direction acts on the force receiving body 100, each of the columnar bodies T1 to T4 exerts a pressing force on the upper surface of the support substrate 300. The electrode spacing of all the capacitive elements C11 to C45 is narrowed, and the capacitance value is increased. Accordingly, a result obtained by reversing “+” and “−” with respect to the result shown in the third row (+ Fz row) of the tables of FIGS. 20A and 20B is obtained. .
次に、受力体100に対して、モーメントが作用した場合を考えてみよう。図19には、受力体100にY軸まわりの正方向のモーメント+Myが作用した場合の変化態様が示されている。すなわち、柱状体T1から支持基板300に対しては下方への押圧力−fzが加わり、柱状体T2から支持基板300に対しては上方への引っ張り力+fzが加わっている。したがって、図15の平面図を参照すれば、容量素子C11〜C15の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。一方、容量素子C21〜C25の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図20(a) ,(b) のテーブルの第5行目(+Myの行)は、各容量素子C11〜C45についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、Y軸まわりの負方向のモーメント−Myが作用すると、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。 Next, let us consider a case where a moment acts on the force receiving member 100. FIG. 19 shows a change mode when a positive moment + My around the Y-axis acts on the force receiving member 100. That is, a downward pressing force −fz is applied to the support substrate 300 from the columnar body T1, and an upward pulling force + fz is applied to the support substrate 300 from the columnar body T2. Therefore, referring to the plan view of FIG. 15, the electrode spacing of the capacitive elements C11 to C15 is narrowed, and the capacitance value is increased. On the other hand, the electrode interval of the capacitive elements C21 to C25 is increased, and the capacitance value is decreased. The fifth row (+ My row) of the tables of FIGS. 20A and 20B shows such a change in capacitance value for each of the capacitive elements C11 to C45. Conversely, when a negative moment -My around the Y axis acts, the relationship between the increase and decrease of the capacitance value is reversed, and the result of reversing "+" and "-" is obtained.
また、受力体100にX軸まわりの正方向のモーメント+Mxが作用した場合は、上述したモーメント+Myが作用した場合の変化態様を、上面からみて90°回転させた現象が起こることになる。すなわち、柱状体T4から支持基板300に対しては下方への押圧力−fzが加わり、柱状体T3から支持基板300に対しては上方への引っ張り力+fzが加わっている。したがって、容量素子C41〜C45の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。一方、容量素子C31〜C35の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図20(a) ,(b) のテーブルの第4行目(+Mxの行)は、各容量素子C11〜C45についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、X軸まわりの負方向のモーメント−Mxが作用すると、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。 Further, when a positive moment + Mx around the X axis is applied to the force receiving member 100, a phenomenon occurs in which the change mode when the above-described moment + My is applied is rotated by 90 ° when viewed from the top. That is, a downward pressing force −fz is applied to the support substrate 300 from the columnar body T4, and an upward pulling force + fz is applied to the support substrate 300 from the columnar body T3. Therefore, the electrode interval of the capacitive elements C41 to C45 is narrowed, and the capacitance value is increased. On the other hand, the electrode interval of the capacitive elements C31 to C35 is increased, and the capacitance value is decreased. The fourth row (+ Mx row) of the tables of FIGS. 20A and 20B shows such a change in capacitance value for each of the capacitive elements C11 to C45. Conversely, when a negative moment -Mx around the X axis is applied, the relationship between the increase and decrease of the capacitance value is reversed, and the result of reversing "+" and "-" is obtained.
最後に、受力体100に対して、Z軸まわりのモーメントMzが作用した場合を考えてみる。まず、図15を参照しながら、受力体100にZ軸まわりの正方向のモーメント+Mz(図15の平面図上では、反時計まわりのモーメントになる)が加わった場合、4本の柱状体T1〜T4がどの方向に傾斜するかを考えてみよう。 Finally, let us consider a case where a moment Mz around the Z-axis acts on the force receiving body 100. First, referring to FIG. 15, when a positive moment + Mz (a counterclockwise moment on the plan view of FIG. 15) is applied to the force receiving member 100, four columnar bodies. Let us consider in which direction T1 to T4 are inclined.
この場合、第1の柱状体T1(図の固定電極E15の上に配置されている)は、図15における上方に傾斜し、容量素子C13の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C14の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。容量素子C11,C12,C15の静電容量値は変化しない。第2の柱状体T2(図の固定電極E25の上に配置されている)は、図15における下方に傾斜し、容量素子C24の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C23の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。容量素子C21,C22,C25の静電容量値は変化しない。第3の柱状体T3(図の固定電極E35の上に配置されている)は、図15における左方に傾斜し、容量素子C32の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C31の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。容量素子C33,C34,C35の静電容量値は変化しない。第4の柱状体T4(図の固定電極E45の上に配置されている)は、図15における右方に傾斜し、容量素子C41の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C42の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。容量素子C43,C44,C45の静電容量値は変化しない。 In this case, the first columnar body T1 (arranged on the fixed electrode E15 in the figure) is inclined upward in FIG. 15, the electrode interval of the capacitive element C13 is narrowed, the capacitance value is increased, and the capacitance is increased. The electrode interval of the element C14 is increased and the capacitance value is decreased. The capacitance values of the capacitive elements C11, C12, C15 do not change. The second columnar body T2 (arranged on the fixed electrode E25 in the figure) is inclined downward in FIG. 15, the electrode interval of the capacitive element C24 is narrowed, and the capacitance value is increased. The electrode spacing is increased and the capacitance value is reduced. The capacitance values of the capacitive elements C21, C22, C25 do not change. The third columnar body T3 (arranged on the fixed electrode E35 in the figure) is inclined to the left in FIG. 15, the electrode interval of the capacitive element C32 is narrowed, and the capacitance value is increased, and the capacitive element C31. The electrode interval becomes wider and the capacitance value decreases. The capacitance values of the capacitive elements C33, C34, and C35 do not change. The fourth columnar body T4 (arranged on the fixed electrode E45 in the figure) is inclined to the right in FIG. 15, the electrode interval of the capacitive element C41 is narrowed, and the capacitance value is increased, and the capacitive element C42. The electrode interval becomes wider and the capacitance value decreases. The capacitance values of the capacitive elements C43, C44, and C45 do not change.
結局、受力体100にZ軸まわりの正方向のモーメント+Mzが作用した場合は、図20の第6行目に示すような増減結果が得られることになる。また、受力体100にZ軸まわりの負方向のモーメント−Mzが作用した場合は、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。 Eventually, when a positive moment + Mz around the Z-axis acts on the force receiving body 100, an increase / decrease result as shown in the sixth line of FIG. 20 is obtained. Further, when a negative moment -Mz around the Z-axis acts on the force receiving member 100, the relationship between the increase and decrease of the capacitance value is reversed, and the result that "+" and "-" are reversed is obtained. Will be.
この図20(a) ,(b) のテーブルに示すような結果が得られることを踏まえると、検出回路30として、20組の容量素子C11〜C45の静電容量値(ここでは、静電容量の値自身も、同じ符号C11〜C45で示すことにする)に基づいて、図21に示す式に基づく演算を行う回路を用意しておけば、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分を得ることができる。 Considering that the results shown in the tables of FIGS. 20A and 20B are obtained, as the detection circuit 30, the capacitance values (here, capacitance values) of 20 sets of capacitive elements C11 to C45. If the circuit which performs the operation based on the formula shown in FIG. 21 is prepared based on the same value C11 to C45), Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz Six components can be obtained.
たとえば、図21に示すFx=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)なる式は、図20(a) ,(b) のテーブルの第1行目(+Fxの行)の結果を踏まえたものであり、第1〜第4のセンサS1〜S4によって検知された各柱状体T1〜T4のX軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、受力体100に作用した力のX軸方向成分Fxが検出できることを意味している。これは、図2(b) に示す検出原理に基づくものである。 For example, the formula Fx = (C11−C12) + (C21−C22) + (C31−C32) + (C41−C42) shown in FIG. 21 is the first row of the tables of FIGS. 20 (a) and 20 (b). Based on the result of the eye (the row of + Fx), the force is received based on the sum of the inclinations in the X-axis direction of the columnar bodies T1 to T4 detected by the first to fourth sensors S1 to S4. This means that the X-axis direction component Fx of the force acting on the body 100 can be detected. This is based on the detection principle shown in FIG.
また、図21に示すFy=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)なる式は、図20(a) ,(b) のテーブルの第2行目(+Fyの行)の結果を踏まえたものであり、第1〜第4のセンサS1〜S4によって検知された各柱状体T1〜T4のY軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、受力体100に作用した力のY軸方向成分Fyが検出できることを意味している。これも、図2(b) に示す検出原理に基づくものである。 Further, the expression Fy = (C13−C14) + (C23−C24) + (C33−C34) + (C43−C44) shown in FIG. 21 is the second row of the tables of FIGS. 20 (a) and 20 (b). Based on the result of the eye (the row of + Fy), the force is received based on the sum of the inclinations in the Y-axis direction of the columnar bodies T1 to T4 detected by the first to fourth sensors S1 to S4. This means that the Y-axis direction component Fy of the force acting on the body 100 can be detected. This is also based on the detection principle shown in FIG.
更に、図21に示すFz=−(C15+C25+C35+C45)なる式は、図20(a) ,(b) のテーブルの第3行目(+Fzの行)の結果を踏まえたものであり、第1〜第4のセンサS1〜S4によって検知された各柱状体T1〜T4のZ軸方向に関する力の和に基づいて、受力体100に作用した力のZ軸方向成分Fzが検出できることを意味している。先頭のマイナス符号は、Z軸方向のとり方によるものである。 Further, the formula Fz = − (C15 + C25 + C35 + C45) shown in FIG. 21 is based on the results of the third row (+ Fz row) of the tables of FIGS. 20 (a) and 20 (b). This means that the Z-axis direction component Fz of the force acting on the force receiving body 100 can be detected based on the sum of the forces in the Z-axis direction of the columnar bodies T1 to T4 detected by the four sensors S1 to S4. . The leading minus sign is based on the Z axis direction.
一方、図21に示すMx=(C41+C42+C43+C44+C45)−(C31+C32+C33+C34+C35)なる式は、図20(a) ,(b) のテーブルの第4行目(+Mxの行)の結果を踏まえたものであり、第4のセンサS4によって検知された第4の柱状体T4のZ軸方向に関する力の和と、第3のセンサS3によって検知された第3の柱状体T3のZ軸方向に関する力の和と、の差に基づいて、受力体100に作用した力のX軸まわりのモーメントMxが検出できることを意味している。これは、図2(c) に示す検出原理に基づくものである。 On the other hand, the equation Mx = (C41 + C42 + C43 + C44 + C45)-(C31 + C32 + C33 + C34 + C35) shown in FIG. 21 is based on the result of the fourth row (+ Mx row) of the tables of FIGS. A sum of forces related to the Z-axis direction of the fourth columnar body T4 detected by the fourth sensor S4 and a sum of forces related to the Z-axis direction of the third columnar body T3 detected by the third sensor S3. This means that the moment Mx around the X axis of the force acting on the force receiving body 100 can be detected based on the difference. This is based on the detection principle shown in FIG.
また、図21に示すMy=(C11+C12+C13+C14+C15)−(C21+C22+C23+C24+C25)なる式は、図20(a) ,(b) のテーブルの第5行目(+Myの行)の結果を踏まえたものであり、第1のセンサS1によって検知された第1の柱状体T1のZ軸方向に関する力の和と、第2のセンサS2によって検知された第2の柱状体T2のZ軸方向に関する力の和と、の差に基づいて、受力体100に作用した力のY軸まわりのモーメントMyが検出できることを意味している。これは、図2(c) に示す検出原理に基づくものである。 Further, the equation My = (C11 + C12 + C13 + C14 + C15) − (C21 + C22 + C23 + C24 + C25) shown in FIG. 21 is based on the result of the fifth row (+ My row) of the tables of FIGS. A sum of forces in the Z-axis direction of the first columnar body T1 detected by the first sensor S1 and a sum of forces in the Z-axis direction of the second columnar body T2 detected by the second sensor S2. This means that the moment My around the Y axis of the force acting on the force receiving body 100 can be detected based on the difference. This is based on the detection principle shown in FIG.
最後に、図15に示すMz=((C13−C14)+(C41−C42))−((C23−C24)+(C31−C32))なる式は、図20(a) ,(b) のテーブルの第6行目(+Mzの行)の結果を踏まえたものであり、第1のセンサS1によって検知された第1の柱状体T1のY軸方向に関する傾斜度と、第4のセンサS4によって検知された第4の柱状体T4のX軸方向に関する傾斜度と、の和と、第2のセンサS2によって検知された第2の柱状体T2のY軸方向に関する傾斜度と、第3のセンサS3によって検知された第3の柱状体T3のX軸方向に関する傾斜度と、の和と、の差に基づいて、受力体100に作用した力のZ軸まわりのモーメントMzが検出できることを意味している。 Finally, the equation Mz = ((C13−C14) + (C41−C42)) − ((C23−C24) + (C31−C32)) shown in FIG. 15 is expressed by the following equations (a) and (b) in FIG. Based on the result of the sixth row (+ Mz row) of the table, the inclination of the first columnar body T1 detected by the first sensor S1 in the Y-axis direction and the fourth sensor S4 The sum of the detected inclination of the fourth columnar body T4 in the X-axis direction, the inclination of the second columnar body T2 detected in the Y-axis direction detected by the second sensor S2, and the third sensor Meaning that the moment Mz around the Z-axis of the force acting on the force receiving body 100 can be detected based on the difference between the sum of the inclination in the X-axis direction of the third columnar body T3 detected in S3. doing.
なお、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分を得るための式は、図21に示す式に限定されるものではなく、後述するように、それぞれいくつかのバリエーションが存在する。たとえば、図21に示す第3の式(Fzの式)では、第1のセンサS1によって検知された第1の柱状体T1のZ軸方向に関する力として、C15なる1つの容量素子の静電容量値を用いているのに対し、第5の式(Myの式)では、同じく、第1のセンサS1によって検知された第1の柱状体T1のZ軸方向に関する力として、(C11+C12+C13+C14+C15)なる5つの容量素子の静電容量値の総和を用いている。これは、§3で述べたとおり、図3に示すタイプの多軸力センサを用いて、Z軸方向に関する力を求める方法に複数通りのバリエーションがあるためである。 Note that the equations for obtaining the six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz are not limited to the equations shown in FIG. 21, and there are several variations, as will be described later. For example, in the third formula (Fz formula) shown in FIG. 21, the capacitance of one capacitive element C15 is used as the force in the Z-axis direction of the first columnar body T1 detected by the first sensor S1. In contrast, in the fifth equation (My equation), similarly, the force in the Z-axis direction of the first columnar body T1 detected by the first sensor S1 is (C11 + C12 + C13 + C14 + C15) 5 The sum of the capacitance values of the two capacitive elements is used. This is because, as described in §3, there are a plurality of variations in the method for obtaining the force in the Z-axis direction using the multi-axis force sensor of the type shown in FIG.
したがって、たとえば、図21の第3の式は、Fz=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45))としてもかまわない。同様に、第5の式は、My=(C15−C25)としてもかまわない。これらのバリエーションについては、後に一覧表として提示して説明する。 Therefore, for example, the third equation in FIG. 21 may be Fz = − ((C11 + C12 + C13 + C14 + C15) + (C21 + C22 + C23 + C24 + C25) + (C31 + C32 + C33 + C34 + C35) + (C41 + C42 + C43 + C44 + C45)). Similarly, the fifth expression may be My = (C15−C25). These variations will be described later as a list.
このように、1つの力検出装置でありながら、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分を得ることができる装置は、産業上、極めて有用である。ロボットや産業機械の動作制御などへの用途では、力とモーメントとをはっきり区別して検出することが可能な力検出装置の需要が決して少なくない。ここに示す力検出装置は、正に、このような用途に適した装置ということができる。たとえば、図16に示す力検出装置を、ロボットの腕と手首との関節部分として利用するのであれば、支持基板300を腕側に取り付け、受力体100を手首側に取り付ければよい。そうすれば、腕に対して手首側に加えられた力およびモーメントを検出することが可能である。 As described above, an apparatus that can obtain six components of Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz while being one force detection apparatus is extremely useful industrially. In applications such as operation control of robots and industrial machines, there is a great demand for force detection devices that can detect force and moment clearly. The force detection device shown here can be said to be a device suitable for such an application. For example, if the force detection device shown in FIG. 16 is used as a joint portion between a robot arm and a wrist, the support substrate 300 may be attached to the arm side and the force receiving body 100 may be attached to the wrist side. Then, it is possible to detect the force and moment applied to the wrist side with respect to the arm.
<<< §6. 高精度の検出を行う上での問題点 >>>
さて、§5では、§4で説明した具体的な構造をもつ実施形態について、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分を得るための動作原理を述べた。この動作原理は、これら6成分の力が単独で作用した場合に、各容量素子C11〜C45の静電容量値の変化の態様が、図20(a) ,(b) のテーブルに示すようになる、という前提に立つものである。そして、この前提が成り立つ限り、6成分の検出値は他の成分の干渉を受けることがないので、6成分の検出値をそれぞれ独立して得ることができる。
<<< §6. Problems in high-precision detection >>>
Now, in §5, the operation principle for obtaining six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz is described for the embodiment having the specific structure described in §4. In this operation principle, when these six component forces act independently, the change in the capacitance value of each of the capacitive elements C11 to C45 is as shown in the tables of FIGS. 20 (a) and 20 (b). It is based on the premise that As long as this premise is established, the detected values of the six components are not affected by the interference of other components, so that the detected values of the six components can be obtained independently.
しかしながら、実際には、§4で説明した具体的な構造をもつ実施形態の場合、他軸成分の干渉を完全に排除した状態で、必要な成分のみの正確な測定値を得ることはできない。もちろん、測定値に含まれる他軸干渉成分の割合が、許容誤差範囲内であれば、図20(a) ,(b) に示すテーブルを前提として、§5で説明した動作原理に基づく検出を行っても支障はない。ただ、最近は、様々な利用分野において、より測定精度の高い力検出装置が望まれており、他軸成分の干渉をより低減する工夫が求められている。本発明は、このような要求に応じてなされたものであり、他軸成分の干渉を排除したより正確な検出値を得るための新技術を提案するものである。 However, in practice, in the case of the embodiment having the specific structure described in §4, it is not possible to obtain an accurate measurement value of only a necessary component in a state where interference of other axis components is completely eliminated. Of course, if the ratio of the other-axis interference component included in the measurement value is within the allowable error range, the detection based on the operation principle described in §5 is performed on the premise of the tables shown in FIGS. 20 (a) and (b). There is no hindrance to go. However, recently, a force detection device with higher measurement accuracy is desired in various fields of use, and a device for further reducing interference of other axis components is required. The present invention has been made in response to such a demand, and proposes a new technique for obtaining a more accurate detection value that eliminates interference of other axis components.
本願発明者が、§4で述べた実施形態に係る装置を、§5で述べた原理で動作させたときに得られる6成分の検出値を詳細に解析したところ、モーメント成分が所定軸方向の力成分の一部として検出されている事実が確認できた。具体的には、§5で述べた動作原理では、Y軸まわりのモーメント成分Myが、力のX軸方向成分Fxの検出結果に干渉し、X軸まわりのモーメント成分Mxが、力のY軸方向成分Fyの検出結果に干渉していることが確認できた。このような他軸干渉が生じる原因は、次のような理由で説明できる。 The inventor of the present application analyzed in detail the detection values of the six components obtained when the apparatus according to the embodiment described in §4 is operated according to the principle described in §5. The fact that it was detected as part of the force component was confirmed. Specifically, in the operating principle described in §5, the moment component My around the Y axis interferes with the detection result of the force X-axis direction component Fx, and the moment component Mx around the X-axis becomes the force Y-axis. It was confirmed that the detection result of the direction component Fy interfered. The cause of such other-axis interference can be explained for the following reason.
まず、図2を再び参照しながら、力FxとモーメントMyの検出原理の相違を考えてみよう。この図2を用いた説明では、図2(b) に示すように、受力体10に力+Fxが作用すると、2本の柱状体11,12がX軸正方向に傾斜するので、この傾斜度をセンサで検知すれば、力+Fxの値が得られると述べた。また、図2(c) に示すように、受力体10にモーメント+Myが作用すると、支持基板20に対して、第1の柱状体11からは押圧力−fzが加わり、第2の柱状体12からは引っ張り力+fzが加わるので、このZ軸方向に関する力をセンサで検知すれば、モーメント+Myの値が得られると述べた。 First, referring again to FIG. 2, let us consider the difference in the detection principle of the force Fx and the moment My. In the description using FIG. 2, as shown in FIG. 2 (b), when the force + Fx is applied to the force receiving body 10, the two columnar bodies 11 and 12 are inclined in the positive direction of the X axis. It was stated that if the degree is detected by a sensor, the value of force + Fx can be obtained. Further, as shown in FIG. 2 (c), when the moment + My acts on the force receiving body 10, a pressing force -fz is applied from the first columnar body 11 to the support substrate 20, and the second columnar body. Since a pulling force + fz is applied from 12, a value of moment + My can be obtained by detecting the force in the Z-axis direction with a sensor.
この説明は、受力体10にモーメント+Myが作用した場合、2本の柱状体11,12は傾斜しないという前提に立つものであり、実際、図2(c) には、2本の柱状体11,12が全く傾斜していない状態が示されている。しかしながら、§4に示すような具体的な構造をもつ実施形態では、受力体10にモーメント+Myが作用した場合、2本の柱状体11,12に傾斜が生じることは避けられない。もちろん、モーメントMyが作用した場合に生じる傾斜の程度は、力Fxが作用した場合に生じる傾斜の程度に比べれば小さいので、それが許容誤差範囲内であれば、図2(c) に示すように、生じる傾斜を無視しても支障はない。しかしながら、より厳密な精度が要求される場合は、このような傾斜を無視することはできない。 This explanation is based on the premise that when the moment + My acts on the force receiving body 10, the two columnar bodies 11 and 12 do not incline. In fact, FIG. 2 (c) shows two columnar bodies. 11 and 12 are not inclined at all. However, in the embodiment having a specific structure as shown in §4, when the moment + My acts on the force receiving body 10, it is inevitable that the two columnar bodies 11 and 12 are inclined. Of course, the degree of inclination that occurs when the moment My acts is smaller than the degree of inclination that occurs when the force Fx acts, so if it is within the allowable error range, as shown in FIG. In addition, there is no problem even if the resulting inclination is ignored. However, when more precise accuracy is required, such a tilt cannot be ignored.
もちろん、モーメントMyが作用した場合に、2本の柱状体11,12の傾斜度をできるだけ小さくするように、構造を工夫を施すことも可能である。たとえば、柱状体11,12と受力体10との間の接続部分に、リンク機構やカム構造など、機械的な構造体を組み込むようにすれば、図2(c) に示すような理想的な状態に近づけることができるかもしれない。しかしながら、そのような機械的な構造体を組み込めば、それだけ構造が複雑になり、コストも高騰することになるので、商業的な観点からは好ましくない。構造をできるだけ単純化して、コストを低減する、という産業界の要望に応えるためには、肉薄部などの可撓性部材を介して、柱状体11,12を受力体10に接続するのが最良である。ところが、このような可撓性部材を介して両者を接続する構造をとれば、モーメントMyが作用した場合に、2本の柱状体11,12が傾斜を生じることは避けられない。 Of course, when the moment My acts, the structure can be devised so that the inclination of the two columnar bodies 11 and 12 is as small as possible. For example, if a mechanical structure such as a link mechanism or a cam structure is incorporated in the connecting portion between the columnar bodies 11 and 12 and the force receiving body 10, an ideal as shown in FIG. It may be possible to get close to the state. However, if such a mechanical structure is incorporated, the structure becomes complicated and the cost increases, which is not preferable from a commercial viewpoint. In order to meet the demands of the industry for simplifying the structure as much as possible and reducing the cost, it is necessary to connect the columnar bodies 11 and 12 to the force receiving body 10 through a flexible member such as a thin portion. Is the best. However, if a structure in which both are connected via such a flexible member is taken, it is inevitable that the two columnar bodies 11 and 12 are inclined when the moment My acts.
§5の動作原理の説明で用いた図19には、受力体100にモーメント+Myが作用した場合、支持基板300に対して、第1の柱状体T1から下方への押圧力−fzが作用し、第2の柱状体T2から上方への引っ張り力+fzが作用する様子が示されている。ここで、図示された第1の柱状体T1および第2の柱状体T2には、全く傾斜が生じていない。これは、図2(c) の原理図に対応させたものであり、第1の柱状体T1および第2の柱状体T2に生じる傾斜を無視した状態が描かれている。 In FIG. 19 used in the description of the operating principle of §5, when the moment + My acts on the force receiving member 100, a downward pressing force −fz from the first columnar body T1 acts on the support substrate 300. In addition, a state in which an upward pulling force + fz acts from the second columnar body T2 is shown. Here, the illustrated first columnar body T1 and second columnar body T2 are not inclined at all. This corresponds to the principle diagram of FIG. 2 (c), and depicts a state in which the inclination generated in the first columnar body T1 and the second columnar body T2 is ignored.
しかしながら、第1の柱状体T1および第2の柱状体T2を、可撓性をもった肉薄部を介して受力体100に接続する構造を採る限り、受力体100にモーメント+Myが作用すると、第1の柱状体T1および第2の柱状体T2がX軸正方向に傾斜することは避けられない。すなわち、モーメント+Myが作用した場合の変形態様は、実際には、図19ではなく、図22に示すような形態になる。 However, as long as a structure in which the first columnar body T1 and the second columnar body T2 are connected to the force receiving body 100 via a thin wall portion having flexibility, a moment + My acts on the force receiving body 100. It is inevitable that the first columnar body T1 and the second columnar body T2 are inclined in the positive X-axis direction. That is, the deformation mode when the moment + My acts is actually a mode as shown in FIG. 22 instead of FIG.
この図22に示す変形態様が生じた場合も、支持基板300に対して、第1の柱状体T1から下方への押圧力−fzが作用し、第2の柱状体T2から上方への引っ張り力+fzが作用する点に変わりはなく、このような力の作用が主たる現象であることに変わりはない。しかしながら、第1の柱状体T1および第2の柱状体T2には、X軸正方向への傾斜も若干加わるため、図20(a) の第5行目(+Myの行)の結果は、厳密には不正確なものになる。 Even when the deformation mode shown in FIG. 22 occurs, the downward pressing force -fz from the first columnar body T1 acts on the support substrate 300, and the upward pulling force from the second columnar body T2 The point at which + fz acts does not change, and the action of such a force is the main phenomenon. However, since the first columnar body T1 and the second columnar body T2 are also slightly inclined in the X-axis positive direction, the result of the fifth row (+ My row) in FIG. Will be inaccurate.
すなわち、図20(a) の第5行目(+Myの行)を見ると、C11〜C15の変化態様はいずれも「+Δ」となっており、C21〜C25の変化態様はいずれも「−Δ」となっている。これは、図19に示すような変形態様が生じたために、容量素子C11〜C15の電極間隔が一様に狭まり、容量素子C21〜C25の電極間隔が一様に広まる、という現象が生じることを前提とした結果を示すものであり、このような前提では、形状および配置に対称性をもったC11〜C14およびC21〜C24の欄のΔの絶対値は互いに等しくなる。 That is, in the fifth row (+ My row) in FIG. 20A, the change modes of C11 to C15 are all “+ Δ”, and the change modes of C21 to C25 are all “−Δ. " This is because a deformation mode as shown in FIG. 19 occurs, so that the electrode intervals of the capacitive elements C11 to C15 are uniformly narrowed, and the electrode intervals of the capacitive elements C21 to C25 are uniformly widened. The assumption results are shown. Under such assumption, the absolute values of Δ in the columns C11 to C14 and C21 to C24 having symmetry in shape and arrangement are equal to each other.
しかしながら、実際には、図22に示すとおり、第1のセンサS1を構成する容量素子C11〜C15の電極間隔は一様に狭まるわけではない。もちろん、全体的な傾向としては、何の力も作用していない状態に比べて、容量素子C11〜C15の電極間隔はいずれも狭まるが、第1の柱状体T1がX軸正方向へ傾斜するため、容量素子C11の狭まり方はより顕著になり、容量素子C12の狭まり方は緩慢になる。同様に、第2のセンサS2を構成する容量素子C21〜C25の電極間隔も一様に広がるわけではない。もちろん、全体的な傾向としては、何の力も作用していない状態に比べて、容量素子C21〜C25の電極間隔はいずれも広がるが、第2の柱状体T2がX軸正方向へ傾斜するため、容量素子C22の広がり方はより顕著になり、容量素子C21の広がり方は緩慢になる。 However, in practice, as shown in FIG. 22, the electrode spacing of the capacitive elements C11 to C15 constituting the first sensor S1 is not uniformly narrowed. Of course, as an overall trend, the electrode spacing of the capacitive elements C11 to C15 is narrower than that in the state where no force is applied, but the first columnar body T1 is inclined in the positive direction of the X axis. The narrowing of the capacitive element C11 becomes more prominent, and the narrowing of the capacitive element C12 becomes slow. Similarly, the electrode intervals of the capacitive elements C21 to C25 constituting the second sensor S2 are not uniformly widened. Of course, as an overall trend, the electrode spacing of the capacitive elements C21 to C25 is larger than that in the state where no force is applied, but the second columnar body T2 is inclined in the positive direction of the X axis. The way in which the capacitive element C22 spreads becomes more prominent, and the way in which the capacitive element C21 spreads becomes slow.
したがって、受力体100にモーメントMyが作用したときに、第1の柱状体T1および第2の柱状体T2の傾斜を無視した場合に生じる静電容量値の変化分をΔとし、第1の柱状体T1および第2の柱状体T2の傾斜によって生じる静電容量値の変化分をδとすれば、図20(a) の第5行目(+Myの行)のC11の欄は実際には「+Δ+δ」となり、C12の欄は実際には「+Δ−δ」となる。C13〜C15の欄については、第1の柱状体T1の傾斜の影響は部分部分で相殺されると考えられるので、「+Δ」のままでよい。同様に、図20(a) の第5行目(+Myの行)のC21の欄は実際には「−Δ+δ」となり、C22の欄は実際には「−Δ−δ」となる。C23〜C25の欄については、第1の柱状体T1の傾斜の影響は部分部分で相殺されると考えられるので、「−Δ」のままでよい。 Therefore, when the moment My acts on the force receiving body 100, Δ is a change in the capacitance value that occurs when the inclination of the first columnar body T1 and the second columnar body T2 is ignored. If the change in capacitance value caused by the inclination of the columnar body T1 and the second columnar body T2 is δ, the column C11 in the fifth row (+ My row) in FIG. “+ Δ + δ”, and the column of C12 is actually “+ Δ−δ”. About the column of C13-C15, since it is thought that the influence of the inclination of 1st columnar body T1 is canceled by a partial part, it may remain "+ (DELTA)". Similarly, the column C21 in the fifth row (+ My row) in FIG. 20A is actually “−Δ + δ”, and the column C22 is actually “−Δ−δ”. About the column of C23-C25, since it is thought that the influence of the inclination of 1st columnar body T1 is canceled by a partial part, it may remain "-(DELTA)".
全く同様の現象が、第3の柱状体T3および第4の柱状体T4に関しても生じることになる。すなわち、図20(b) の第5行目(+Myの行)の行の各欄はいずれも「0」となっており、モーメントMyが作用したときに、容量素子C31〜C35,C41〜C45については、静電容量値に変化は生じない、という結果が示されているが、これはモーメントMyが作用しても、第3の柱状体T3および第4の柱状体T4は傾斜しない、という前提に基づく結果である。しかしながら、実際には、モーメントMyの作用により、第3の柱状体T3および第4の柱状体T4はX軸正方向への傾斜を生じることになる。 Exactly the same phenomenon occurs with respect to the third columnar body T3 and the fourth columnar body T4. That is, each column of the fifth row (+ My row) in FIG. 20B is “0”, and when the moment My is applied, the capacitive elements C31 to C35, C41 to C45. The results show that there is no change in the capacitance value, but the third columnar body T3 and the fourth columnar body T4 are not inclined even when the moment My is applied. The result is based on assumptions. However, in practice, the third columnar body T3 and the fourth columnar body T4 are inclined in the positive direction of the X-axis by the action of the moment My.
したがって、受力体100にモーメントMyが作用したときに、第3の柱状体T3および第4の柱状体T4の傾斜によって生じる静電容量値の変化分をδとすれば、図20(b) の第5行目(+Myの行)のC31の欄は実際には「0+δ」となり、C32の欄は実際には「0−δ」となる。C33〜C35の欄については、第3の柱状体T3の傾斜の影響は部分部分で相殺されると考えられるので、「0」のままでよい。同様に、図20(b) の第5行目(+Myの行)のC41の欄は実際には「0+δ」となり、C42の欄は実際には「0−δ」となる。C43〜C45の欄については、第4の柱状体T4の傾斜の影響は部分部分で相殺されると考えられるので、「0」のままでよい。 Accordingly, when the change in the capacitance value caused by the inclination of the third columnar body T3 and the fourth columnar body T4 when the moment My acts on the force receiving body 100 is represented by δ, FIG. The column C31 in the fifth row (+ My row) is actually “0 + δ”, and the column C32 is actually “0−δ”. About the column of C33-C35, since it is thought that the influence of the inclination of 3rd columnar body T3 is canceled by a partial part, it may remain "0". Similarly, the column C41 in the fifth row (+ My row) in FIG. 20B is actually “0 + δ”, and the column C42 is actually “0−δ”. About the column of C43-C45, since it is thought that the influence of the inclination of 4th columnar body T4 is canceled by a partial part, it may remain "0".
以上、受力体100にモーメントMyが作用したときの厳密な取り扱いを述べたが、受力体100にモーメントMxが作用したときの厳密な取り扱いも全く同様であり、図20(a) ,(b) に示すテーブルにおける第4行目(+Mxの行)の各欄のうち、各柱状体T1〜T4の傾斜が影響する欄については、傾斜によって生じる静電容量値の変化分δを修正項として付加する必要がある。 Although the strict handling when the moment My acts on the force receiving body 100 has been described above, the strict handling when the moment Mx acts on the force receiving body 100 is exactly the same, and FIG. Among the columns of the fourth row (+ Mx row) in the table shown in b), for the column affected by the inclination of each columnar body T1 to T4, the change amount δ of the capacitance value caused by the inclination is corrected. It is necessary to add as.
図23(a) ,(b) に示すテーブルは、図20(a) ,(b) に示すテーブルに、このような変化分δの修正項を付加したものである。枠を太線で囲った欄が、変化分δの修正項が付加された欄である。結局、§4で説明した具体的な構造をもった実施形態の場合、6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzが作用した場合の各容量素子C11〜C45の静電容量値の本来の変化態様は、図23(a) ,(b) のテーブルに示すようなものになり、このような変化態様を前提として、6成分の検出値を得る必要がある。ただ、変化分δが許容誤差範囲内であれば、図23(a) ,(b) のテーブルにおいて、δ=0としても支障はなく、図20(a) ,(b) のテーブルを代用しても問題は生じないことになる。 The tables shown in FIGS. 23 (a) and 23 (b) are obtained by adding such a correction term for the change δ to the tables shown in FIGS. 20 (a) and 20 (b). A column in which the frame is surrounded by a thick line is a column to which a correction term for the change δ is added. Eventually, in the case of the embodiment having the specific structure described in §4, the original capacitance values of the capacitive elements C11 to C45 when the six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz are applied. The change modes are as shown in the tables of FIGS. 23A and 23B, and it is necessary to obtain six component detection values on the premise of such a change mode. However, if the change δ is within the allowable error range, there is no problem even if δ = 0 in the tables of FIGS. 23 (a) and 23 (b), and the tables of FIGS. 20 (a) and 20 (b) are substituted. However, there will be no problem.
逆に言えば、変化分δを許容誤差範囲として取り扱うことができない高精度な測定が必要になる場合には、図23(a) ,(b) のテーブルを前提とした取り扱いが必要になる。そこで、図20(a) ,(b) のテーブルに代わりに、図23(a) ,(b) のテーブルを用いた場合、§5で述べた6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの検出原理にどのような影響が及ぶかを考えてみよう。 In other words, when high-precision measurement that cannot handle the change δ as the allowable error range is required, it is necessary to treat the table shown in FIGS. 23 (a) and 23 (b). Therefore, when the tables of FIGS. 23 (a) and (b) are used instead of the tables of FIGS. 20 (a) and (b), the six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, Let's consider how this affects the detection principle of Mz.
図23(a) ,(b) のテーブルにおいて、変化分δの修正項が記載されている欄に対応する容量素子C11〜C14、C21〜C24、C31〜C34、C41〜C44は、いずれも形状および配置に対称性が確保されている素子であるので、このテーブルに記載されているδの絶対値はすべて等しいと考えてよい。そうすると、このような修正項が付加されたとしても、+δおよび−δを含めた演算によって、変化分δが相殺されてしまうような演算式は、修正項の付加による影響を全く受けない。 In the tables of FIGS. 23 (a) and 23 (b), the capacitance elements C11 to C14, C21 to C24, C31 to C34, and C41 to C44 corresponding to the column in which the correction term of the change δ is described are all in the shape. Since the elements have symmetry in arrangement, it can be considered that the absolute values of δ described in this table are all equal. Then, even if such a correction term is added, an arithmetic expression in which the change δ is canceled by the calculation including + δ and −δ is not affected at all by the addition of the correction term.
このような観点から、図21に示す6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの演算式をチェックすれば、修正項の付加によって影響を受ける演算式は、Fx,Fyを算出する演算式のみであることがわかる。図24は、変化分δの修正項を考慮して、図12に示す6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの演算式を新たに書き直したものである。図24の第1の式は、図21の第1の式における左辺FxをFx*に置き換えたものであり、図24の第2の式は、図21の第2の式における左辺FyをFy*に置き換えたものである(各式の右辺の内容には変わりはない)。また、図24の第3〜第6の式は、図21の第3〜第6の式と全く同一の式である。 From this point of view, if the arithmetic expressions of the six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz shown in FIG. 21 are checked, the arithmetic expression that is affected by the addition of the correction term is an arithmetic operation that calculates Fx and Fy. It turns out that it is only a formula. FIG. 24 is a rewrite of the arithmetic expression for the six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz shown in FIG. 12 in consideration of the correction term for the change δ. The first formula in FIG. 24 is obtained by replacing the left side Fx in the first formula in FIG. 21 with Fx * . The second formula in FIG. 24 is the left side Fy in the second formula in FIG. * Replaced by (the contents of the right side of each expression remain the same). Also, the third to sixth expressions in FIG. 24 are exactly the same as the third to sixth expressions in FIG.
図24の第1の式の左辺がFx*になっているのは、この式の右辺の値が正しい力Fxを示すものにはなっていないためである。たとえば、この力検出装置の受力体に、6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzのすべてを含む合成力が作用した場合を考えてみる。この場合、各容量素子C11〜C45には、図23(a) ,(b) の各欄に示す静電容量値の変化が生じることになる。図24の第1の式の右辺は、図23(a) ,(b) の第1行目(+Fxの行)の各欄に示す静電容量値の変化に基づいて、X軸方向の力成分Fxを検出することを意図した式になっている。この例の場合、第1行目(+Fxの行)の各欄に示す静電容量値を考慮して右辺を演算すると、右辺の演算値=8Δになるので、この値8Δが、本来意図した検出値として出力されるべき値になる。 The reason why the left side of the first equation in FIG. 24 is Fx * is that the value on the right side of this equation does not indicate the correct force Fx. For example, consider a case where a combined force including all six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz is applied to the force receiving body of this force detection device. In this case, the capacitance values shown in the respective columns of FIGS. 23A and 23B change in the capacitive elements C11 to C45. The right side of the first equation in FIG. 24 shows the force in the X-axis direction based on the change in capacitance value shown in each column of the first row (+ Fx row) in FIGS. 23 (a) and 23 (b). The equation is intended to detect the component Fx. In the case of this example, if the right side is calculated in consideration of the capacitance value shown in each column of the first row (+ Fx row), the calculated value on the right side becomes 8Δ, so this value 8Δ is originally intended. The value to be output as the detection value.
この場合、他軸成分の干渉が全く生じなければ、力Fxの検出値は、他の5成分Fy,Fz,Mx,My,Mzの影響を全く受けないはずである。実際、図24の第1の式の右辺の値は、他の4成分Fy,Fz,Mx,Mzには左右されない。すなわち、図23(a) ,(b) の第2行目(+Fyの行)の各欄に示す静電容量値の変化に基づいて図24の第1の式の右辺を演算した結果は0になり、図23(a) ,(b) の第3行目(+Fzの行)の各欄、第4行目(+Mxの行)の各欄、もしくは第6行目(+Mzの行)の各欄に示す静電容量値の変化に基づいて図24の第1の式の右辺を演算した結果も0になる。ところが、第5行目(+Myの行)の各欄に示す静電容量値の変化に基づいて図24の第1の式の右辺を演算した結果は8δとなってしまう。 In this case, if there is no interference with other axis components, the detected value of the force Fx should not be affected by the other five components Fy, Fz, Mx, My, and Mz. Actually, the value on the right side of the first expression in FIG. 24 does not depend on the other four components Fy, Fz, Mx, and Mz. That is, the result of calculating the right side of the first equation in FIG. 24 based on the change in capacitance value shown in each column of the second row (+ Fy row) in FIGS. 23 (a) and 23 (b) is 0. 23 (a) and 23 (b), each column of the third row (+ Fz row), each column of the fourth row (+ Mx row), or the sixth row (+ Mz row). The result of calculating the right side of the first equation in FIG. 24 based on the change in capacitance value shown in each column is also zero. However, the result of calculating the right side of the first equation of FIG. 24 based on the change in capacitance value shown in each column of the fifth row (+ My row) is 8δ.
結局、図24の第1の式の右辺の演算値=8Δ+8δとなり、本来得られるべきFx=8Δに対して、誤差8δを生じる結果となる。図24の第1の式の左辺を、Fx*としたのは、この値が正確なFxの値ではなく、誤差を含んだFx+8δなる値になっているためである。このような誤差が生じるのは、図24の第1の式の右辺各項の下方に「+δ」,「−δ」という吹き出しで示したように、各静電容量値の変化分に、本来のΔだけでなく、モーメントMyの作用で生じる柱状体のX軸方向に関する傾斜に起因する変化分δが含まれているためである。 Eventually, the calculated value on the right side of the first equation in FIG. 24 = 8Δ + 8δ, resulting in an error 8δ with respect to Fx = 8Δ that should be originally obtained. The reason why the left side of the first equation in FIG. 24 is set to Fx * is that this value is not an accurate Fx value but a value of Fx + 8δ including an error. Such an error is caused by the change in each capacitance value as indicated by the balloons “+ δ” and “−δ” below each term on the right side of the first expression in FIG. This is because a change δ caused by the inclination of the columnar body in the X-axis direction caused by the action of the moment My is included.
全く同様の理由により、図24の第2の式の右辺の演算値=8Δ−8δとなり、本来得られるべきFy=8Δに対して、誤差8δを生じる結果となる。図24の第2の式の左辺を、Fy*としたのは、この値が正確なFyの値ではなく、誤差を含んだFy−8δなる値になっているためである。このような誤差が生じるのは、図24の第2の式の右辺各項の下方に「+δ」,「−δ」という吹き出しで示したように、各静電容量値の変化分に、本来のΔだけでなく、モーメントMxの作用で生じる柱状体のY軸方向に関する傾斜に起因する変化分δが含まれているためである。 For exactly the same reason, the calculated value on the right side of the second equation in FIG. 24 is 8Δ−8δ, resulting in an error 8δ with respect to Fy = 8Δ that should be originally obtained. The reason why the left side of the second equation in FIG. 24 is Fy * is that this value is not an accurate Fy value but a value of Fy-8δ including an error. Such an error is caused by the change in each capacitance value as indicated by the balloons “+ δ” and “−δ” below each term on the right side of the second expression in FIG. This is because a change δ caused by the inclination of the columnar body in the Y-axis direction caused by the action of the moment Mx is included.
このように、検出対象となる力の6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzのうち、Fz,Mx,My,Mzについては、図24の第3〜第6の式に基づく演算を行うことにより、他軸干渉のない正確な値を得ることができるが、Fx,Fyについては、図24の第1の式で示されている近似値Fx*、第2の式で示されている近似値Fy*しか得ることができない。誤差となる値8δが許容範囲内であれば、近似的にFx=Fx*、Fy=Fy*とする取り扱いを行うことができるが、高精度な測定が必要になる場合には、このような誤差を排除する工夫が必要になる。 As described above, among the six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz of the force to be detected, for Fz, Mx, My, and Mz, calculations based on the third to sixth expressions in FIG. By performing this, an accurate value free from other-axis interference can be obtained. For Fx and Fy, the approximate value Fx * shown by the first equation in FIG. 24 is shown by the second equation. Only approximate value Fy * can be obtained. If the error value 8δ is within an allowable range, it can be handled approximately as Fx = Fx * and Fy = Fy *. However, when high-precision measurement is required, A device to eliminate the error is required.
<<< §7. 本発明に係る各力成分の検出処理 >>>
さて、§6では、図24に示す各式によって、6成分Fx*,Fy*,Fz,Mx,My,Mzを算出できることを述べた。ここで、Fx*,Fy*は、他軸干渉成分を含むFx,Fyの不正確な値である。§6で述べたとおり、Fx*に含まれる他軸成分は、モーメント成分Myであり、Fy*に含まれる他軸成分は、モーメント成分Mxである。本発明の基本的な考え方は、このFx*,Fy*に含まれている他軸成分My,Mxを、別な方法で求めたモーメント成分My,Mxに基づいて補正する、というものである。
<<< §7. Detection processing of each force component according to the present invention >>>
Now, in §6, it was described that the six components Fx * , Fy * , Fz, Mx, My, and Mz can be calculated by the equations shown in FIG. Here, Fx * and Fy * are inaccurate values of Fx and Fy including other-axis interference components. As described in §6, the other-axis component included in Fx * is the moment component My, and the other-axis component included in Fy * is the moment component Mx. The basic idea of the present invention is to correct other axis components My and Mx included in Fx * and Fy * based on moment components My and Mx obtained by another method.
そこで、まず、この図24に示す6成分Fx*,Fy*,Fz,Mx,My,Mzを算出する式のバリエーションの一覧を図25に示しておく。この図25に示す各式は、§4で述べた具体的な実施形態で用いられている20組の容量素子C11〜C45(図15に示す20枚の固定電極E11〜E45と、これらに対向する導電性をもった下端側肉薄部とによって構成される容量素子)の静電容量値C11〜C45によって、6成分Fx*,Fy*,Fz,Mx,My,Mzを算出する演算を示すものである。 First, FIG. 25 shows a list of variations of equations for calculating the six components Fx * , Fy * , Fz, Mx, My, and Mz shown in FIG. Each formula shown in FIG. 25 is expressed by 20 sets of capacitive elements C11 to C45 (20 fixed electrodes E11 to E45 shown in FIG. 15 and opposed to them) used in the specific embodiment described in §4. The calculation of the six components Fx * , Fy * , Fz, Mx, My, and Mz based on the capacitance values C11 to C45 of the capacitive element having a conductive lower end side thin portion) It is.
ここで、容量素子C11〜C15は、第1の柱状体T1についての検出を行う第1のセンサS1を構成し、容量素子C21〜C25は、第2の柱状体T2についての検出を行う第2のセンサS2を構成し、容量素子C31〜C35は、第3の柱状体T3についての検出を行う第3のセンサS3を構成し、容量素子C41〜C45は、第4の柱状体T4についての検出を行う第4のセンサS4を構成する。 Here, the capacitive elements C11 to C15 constitute a first sensor S1 that performs detection for the first columnar body T1, and the capacitive elements C21 to C25 perform second detection for the second columnar body T2. The capacitive elements C31 to C35 constitute a third sensor S3 that performs detection for the third columnar body T3, and the capacitive elements C41 to C45 detect for the fourth columnar body T4. A fourth sensor S4 for performing the above is configured.
より具体的に説明すれば、第1のセンサS1は、第1の柱状体T1の下端側肉薄部215とこれに対向する支持基板300の上面とによって挟まれた空間内に形成された複数の容量素子C11〜C15によって構成されている。これらの容量素子は、一方の電極が下端側肉薄部215の下面に形成され、他方の電極E11〜E15が支持基板300の上面に形成されている。 More specifically, the first sensor S1 includes a plurality of spaces formed between the lower end side thin portion 215 of the first columnar body T1 and the upper surface of the support substrate 300 facing the first sensor S1. It is comprised by the capacitive elements C11-C15. In these capacitive elements, one electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion 215, and the other electrodes E <b> 11 to E <b> 15 are formed on the upper surface of the support substrate 300.
第2のセンサS2は、第2の柱状体T2の下端側肉薄部225とこれに対向する支持基板300の上面とによって挟まれた空間内に形成された複数の容量素子C21〜C25によって構成されている。これらの容量素子は、一方の電極が下端側肉薄部225の下面に形成され、他方の電極E21〜E25が支持基板300の上面に形成されている。 The second sensor S2 includes a plurality of capacitive elements C21 to C25 formed in a space sandwiched between the lower end side thin portion 225 of the second columnar body T2 and the upper surface of the support substrate 300 facing the second sensor S2. ing. In these capacitive elements, one electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion 225, and the other electrodes E <b> 21 to E <b> 25 are formed on the upper surface of the support substrate 300.
第3のセンサS3は、第3の柱状体T3の下端側肉薄部235とこれに対向する支持基板300の上面とによって挟まれた空間内に形成された複数の容量素子C31〜C35によって構成されている。これらの容量素子は、一方の電極が下端側肉薄部235の下面に形成され、他方の電極E31〜E35が支持基板300の上面に形成されている。 The third sensor S3 includes a plurality of capacitive elements C31 to C35 formed in a space sandwiched between the lower end side thin portion 235 of the third columnar body T3 and the upper surface of the support substrate 300 facing the third sensor S3. ing. In these capacitive elements, one electrode is formed on the lower surface of the lower end side thin portion 235, and the other electrodes E <b> 31 to E <b> 35 are formed on the upper surface of the support substrate 300.
第4のセンサS4は、第4の柱状体T4の下端側肉薄部245とこれに対向する支持基板300の上面とによって挟まれた空間内に形成された複数の容量素子C41〜C45によって構成されている。これらの容量素子は、一方の電極が下端側肉薄部245の下面に形成され、他方の電極E41〜E45が支持基板300の上面に形成されている。 The fourth sensor S4 is configured by a plurality of capacitive elements C41 to C45 formed in a space sandwiched between the lower end side thin portion 245 of the fourth columnar body T4 and the upper surface of the support substrate 300 facing the fourth sensor S4. ing. In these capacitive elements, one electrode is formed on the lower surface of the lower end side thin portion 245, and the other electrodes E <b> 41 to E <b> 45 are formed on the upper surface of the support substrate 300.
なお、各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されている場合は、この下端側肉薄部自身を単一の共通電極として機能させることができるので、下端側肉薄部の下面に別体の電極を形成する必要はない。前述した具体的な実施形態の場合、下端側肉薄部215,225,235,245が導電性材料から構成されているため、これら肉薄部自身が共通電極として機能することになる。 In addition, when each lower end side thin part is comprised with the electroconductive material, since this lower end side thin part itself can be functioned as a single common electrode, it is a separate electrode on the lower surface of the lower end side thin part. There is no need to form. In the case of the specific embodiment described above, since the lower end side thin portions 215, 225, 235, 245 are made of a conductive material, these thin portions themselves function as a common electrode.
もちろん、ここに示す実施形態とは逆に、下端側肉薄部を絶縁性材料によって構成し、下端側肉薄部の下面に個別の電極を形成し、支持基板の上面側に形成される固定電極を物理的に単一の共通電極としてもかまわない。 Of course, contrary to the embodiment shown here, the lower end side thin portion is made of an insulating material, individual electrodes are formed on the lower surface of the lower end side thin portion, and the fixed electrode formed on the upper surface side of the support substrate is A physically single common electrode may be used.
図25には、各センサS1〜S4を構成する20個の容量素子C11〜C45の静電容量値C11〜C45(各容量素子と同じ符号を用いて示す)によって、6成分Fx*,Fy*,Fz,Mx,My,Mzを算出する演算として、それぞれ3とおりのバリエーションが示されている。 In FIG. 25, six components Fx * and Fy * are represented by electrostatic capacitance values C11 to C45 (shown using the same reference numerals as the respective capacitive elements) of the 20 capacitive elements C11 to C45 constituting the sensors S1 to S4 . , Fz, Mx, My, and Mz, three variations are shown for each calculation.
まず、Fx*を求める式として、Fx1*=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)、Fx2*=(C11−C12)+(C21−C22)、Fx3*=(C31−C32)+(C41−C42)なる3通りの式が定義されている。図24に示されているFx*の式は、上記Fx1*の式に対応するものであり、4本の柱状体T1〜T4すべてのX軸傾斜度の和を求めるものである。これに対して、上記Fx2*の式は、2本の柱状体T1,T2のX軸傾斜度の和を求めるものであり、上記Fx3*の式は、2本の柱状体T3,T4のX軸傾斜度の和を求めるものである。 First, as expressions for obtaining Fx * , Fx1 * = (C11−C12) + (C21−C22) + (C31−C32) + (C41−C42), Fx2 * = (C11−C12) + (C21−C22) Fx3 * = (C31−C32) + (C41−C42) are defined. The formula of Fx * shown in FIG. 24 corresponds to the formula of Fx1 * , and obtains the sum of the X-axis gradients of all four columnar bodies T1 to T4. On the other hand, the formula of Fx2 * is to obtain the sum of the X-axis inclinations of the two columnar bodies T1 and T2, and the formula of Fx3 * is the X of the two columnar bodies T3 and T4. The sum of the shaft inclinations is obtained.
また、Fy*を求める式として、Fy1*=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)、Fy2*=(C13−C14)+(C23−C24)、Fy3*=(C33−C34)+(C43−C44)なる3通りの式が定義されている。図24に示されているFy*の式は、上記Fy1*の式に対応するものであり、4本の柱状体T1〜T4すべてのY軸傾斜度の和を求めるものである。これに対して、上記Fy2*の式は、2本の柱状体T1,T2のY軸傾斜度の和を求めるものであり、上記Fy3*の式は、2本の柱状体T3,T4のY軸傾斜度の和を求めるものである。 Further, as expressions for obtaining Fy * , Fy1 * = (C13-C14) + (C23-C24) + (C33-C34) + (C43-C44), Fy2 * = (C13-C14) + (C23-C24) , Fy3 * = (C33−C34) + (C43−C44) are defined. The equation of Fy * shown in FIG. 24 corresponds to the equation of Fy1 * , and obtains the sum of the Y-axis gradients of all four columnar bodies T1 to T4. On the other hand, the formula of Fy2 * is to obtain the sum of the Y-axis inclinations of the two columnar bodies T1 and T2, and the formula of Fy3 * is Y of the two columnar bodies T3 and T4. The sum of the shaft inclinations is obtained.
次に、Fzを求める式として、Fz1=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45))、Fz2=−((C11+C12+C13+C14)+(C21+C22+C23+C24)+(C31+C32+C33+C34)+(C41+C42+C43+C44))、Fz3=−(C15+C25+C35+C45)なる3通りの式が定義されている。図24に示されているFzの式は、上記Fz3の式に対応するものである。上記Fz1の式は、各センサを構成する5組の容量素子すべてを利用してZ軸方向に関する力を検出する式である。これに対して、上記Fz2の式は、各センサを構成する4組の容量素子を利用してZ軸方向に関する力を検出する式であり、上記Fz3の式は、各センサを構成する中央の1組の容量素子を利用してZ軸方向に関する力を検出する式である。 Next, as a formula for obtaining Fz, Fz1 = − ((C11 + C12 + C13 + C13 + C14) + (C21 + C22 + C43 + C34 + C34 + C34 + C34 + C34 + C34 + C34 + C34 + C35) , Fz3 = − (C15 + C25 + C35 + C45) are defined. The formula of Fz shown in FIG. 24 corresponds to the formula of Fz3. The equation of Fz1 is an equation for detecting a force in the Z-axis direction by using all five sets of capacitive elements constituting each sensor. On the other hand, the formula of Fz2 is a formula for detecting a force in the Z-axis direction using four sets of capacitive elements that constitute each sensor, and the formula of Fz3 is a central formula that constitutes each sensor. This is an expression for detecting a force in the Z-axis direction using a set of capacitive elements.
なお、Fzを求める別な式として、2本の柱状体のみを利用して、たとえば、Fz1′=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25))、Fz2′=−((C11+C12+C13+C14)+(C21+C22+C23+C24))、Fz3′=−(C15+C25)なる式を用いることも可能であるが、実用上は、安定した検出を行うために、上述したFz1,Fz2,Fz3の式を用いるのが好ましい。 As another formula for obtaining Fz, using only two columnar bodies, for example, Fz1 ′ = − ((C11 + C12 + C13 + C15) + (C21 + C22 + C23 + C24 + C25)), Fz2 ′ = − ((C11 + C12 + C13 + C14) + (C21 + C22 + C24)) Fz3 ′ = − (C15 + C25) can be used. However, in practice, it is preferable to use the above-described formulas of Fz1, Fz2, and Fz3 in order to perform stable detection.
一方、Mxを求める式として、Mx1=(C41+C42+C43+C44+C45)−(C31+C32+C33+C34+C35)、Mx2=(C41+C42+C43+C44)−(C31+C32+C33+C34)、Mx3=(C45−C35)なる3通りの式が定義されている。図24に示されているMxの式は、上記Mx1の式に対応するものであり、センサS3,S4のそれぞれを構成する5組の容量素子すべてを利用してZ軸方向に関する力を検出する式である。これに対して、上記Mx2の式は、センサS3,S4のそれぞれを構成する4組の容量素子を利用してZ軸方向に関する力を検出する式であり、上記Mx3の式は、各センサS3,S4のそれぞれを構成する中央の1組の容量素子を利用してZ軸方向に関する力を検出する式である。 On the other hand, three formulas are defined as Mx1 = (C41 + C42 + C43 + C44 + C45) − (C31 + C32 + C33 + C34 + C35), Mx2 = (C41 + C42 + C43 + C44) − (C31 + C32 + C33 + C34), Mx3 = (C45−C35). The expression Mx shown in FIG. 24 corresponds to the expression Mx1 described above, and detects the force in the Z-axis direction using all the five sets of capacitive elements constituting each of the sensors S3 and S4. It is a formula. On the other hand, the expression of Mx2 is an expression for detecting a force in the Z-axis direction by using four sets of capacitive elements constituting each of the sensors S3 and S4, and the expression of Mx3 is an expression for each sensor S3. , S4 is an expression for detecting a force in the Z-axis direction by using a central set of capacitive elements constituting each of S4.
また、Myを求める式として、My1=(C11+C12+C13+C14+C15)−(C21+C22+C23+C24+C25)、My2=(C11+C12+C13+C14)−(C21+C22+C23+C24)、My3=(C15−C25)なる3通りの式が定義されている。図24に示されているMyの式は、上記My1の式に対応するものであり、センサS1,S2のそれぞれを構成する5組の容量素子すべてを利用してZ軸方向に関する力を検出する式である。これに対して、上記My2の式は、センサS1,S2のそれぞれを構成する4組の容量素子を利用してZ軸方向に関する力を検出する式であり、上記My3の式は、各センサS1,S2のそれぞれを構成する中央の1組の容量素子を利用してZ軸方向に関する力を検出する式である。 In addition, three formulas are defined as My1 = (C11 + C12 + C13 + C14 + C15) − (C21 + C22 + C23 + C24 + C25), My2 = (C11 + C12 + C13 + C14) − (C21 + C22 + C23 + C24), My3 = (C15−C25). The My equation shown in FIG. 24 corresponds to the My1 equation described above, and detects the force in the Z-axis direction using all of the five capacitive elements constituting each of the sensors S1 and S2. It is a formula. On the other hand, the expression of My2 is an expression for detecting a force in the Z-axis direction using four sets of capacitive elements constituting each of the sensors S1 and S2, and the expression of My3 is an expression for each sensor S1. , S2 is an expression for detecting a force in the Z-axis direction using a central set of capacitive elements constituting each of S2.
更に、Mzを求める式として、Mz1=((C13−C14)+(C41−C42))−((C23−C24)+(C31−C32))、Mz2=(C13−C14)−(C23−C24)、Mz3=(C41−C42)−(C31−C32)なる3通りの式が定義されている。図24に示されているMzの式は、上記Mz1の式に対応するものであり、4本の柱状体T1〜T4すべてのX軸もしくはY軸傾斜度を考慮した式になっている。これに対して、上記Mz2の式は、2本の柱状体T1,T2のX軸もしくはY軸傾斜度のみを考慮した式になっており、上記Mz3の式は、2本の柱状体T3,T4のX軸もしくはY軸傾斜度のみを考慮した式になっている。 Further, Mz1 = ((C13−C14) + (C41−C42)) − ((C23−C24) + (C31−C32)), Mz2 = (C13−C14) − (C23−C24) ), Mz3 = (C41−C42) − (C31−C32) are defined. The equation of Mz shown in FIG. 24 corresponds to the equation of Mz1, and is an equation that considers the X-axis or Y-axis inclination of all four columnar bodies T1 to T4. On the other hand, the equation of Mz2 is an equation considering only the X-axis or Y-axis inclination of the two columnar bodies T1 and T2, and the equation of Mz3 is the two columnar bodies T3 and T3. This is an equation considering only the X-axis or Y-axis inclination of T4.
さて、静電容量値C11〜C45によって、6成分Fx*,Fy*,Fz,Mx,My,Mzを算出する演算式は、図25に示すようなバリエーションがあるので、必要に応じて、これらのバリエーションの中から任意の演算式を選択することにより、所望の成分を算出することができる。図24に示す式は、図25に示すバリエーションの中から、Fx1*,Fy1*,Fz3,Mx1,My1,Mz1なる特定の式を選択して組み合わせたものである。もちろん、本発明を実施する上では、この他にも様々な組み合わせが可能である。 Now, there are variations as shown in FIG. 25 for calculating the six components Fx * , Fy * , Fz, Mx, My, and Mz based on the capacitance values C11 to C45. A desired component can be calculated by selecting an arbitrary arithmetic expression from among the variations. The formula shown in FIG. 24 is a combination of specific formulas Fx1 * , Fy1 * , Fz3, Mx1, My1, and Mz1 selected from the variations shown in FIG. Of course, various other combinations are possible in carrying out the present invention.
また、6成分すべてを求める必要がない場合には、必要な式のみを選択して組み合わせればよい。たとえば、モーメントMx,Myの2成分のみを検出すれば足りる場合には、Mx3=(C45−C35)なる式と、My3=(C15−C25)なる式と、を組み合わせるだけで、要件が満たされることになる。この場合、20組の静電容量素子C11〜C45をすべて実際に設ける必要はなく、4つの容量素子C15,C25,C35,C45を設けるだけで足りる。 If it is not necessary to obtain all six components, only necessary formulas may be selected and combined. For example, when it is sufficient to detect only the two components of moments Mx and My, the requirement is satisfied by combining the expression Mx3 = (C45−C35) and the expression My3 = (C15−C25). It will be. In this case, it is not necessary to actually provide all the 20 sets of capacitance elements C11 to C45, and it is sufficient to provide four capacitance elements C15, C25, C35, and C45.
ただ、誤差を含まない力成分Fxを検出する必要がある場合には、モーメント成分Myの他軸干渉の影響を排除する補正が必要になるので、成分Fx*とともに成分Myを検出する必要がある。同様に、誤差を含まない力成分Fyを検出する必要がある場合には、モーメント成分Mxの他軸干渉の影響を排除する補正が必要になるので、成分Fy*とともに成分Mxを検出する必要がある。この場合、成分Fx*や成分Myの検出、あるいは成分Fy*や成分Mxの検出にも、図25に示すバリエーションの中から、特定の式を選択して組み合わせることができる。 However, when it is necessary to detect a force component Fx that does not include an error, correction that eliminates the influence of the other-axis interference of the moment component My is necessary, and thus it is necessary to detect the component My together with the component Fx *. . Similarly, when it is necessary to detect a force component Fy that does not include an error, correction that eliminates the influence of other-axis interference of the moment component Mx is necessary, and thus it is necessary to detect the component Mx together with the component Fy *. is there. In this case, a specific expression can be selected and combined from the variations shown in FIG. 25 for the detection of the component Fx * and the component My or the detection of the component Fy * and the component Mx.
誤差の補正は、基本的には、誤差成分を除外する減算によって行うことができる。たとえば、図24の第1の式Fx*の右辺の値は、前述したとおり、「8Δ+8δ」となるので、誤差「8δ」を除外する演算を行えば、誤差を含まない正確な値Fx(=8Δ)を求めることができる。したがって、誤差補正に必要な演算は、「Fx=Fx*−8δ」ということになる。ここで、δは、Y軸まわりのモーメントMyに起因して生じた誤差であるので、成分Myの検出値に所定の係数を生じることにより求めることができる。したがって、誤差補正に必要な演算式は「Fx=Fx*−α・My」で与えられる。 Basically, the error can be corrected by subtraction that excludes the error component. For example, the value on the right side of the first expression Fx * in FIG. 24 is “8Δ + 8δ” as described above. Therefore, if an operation that excludes the error “8δ” is performed, an accurate value Fx (= 8Δ) can be obtained. Therefore, the calculation required for error correction is “Fx = Fx * −8δ”. Here, since δ is an error caused by the moment My around the Y axis, it can be obtained by generating a predetermined coefficient in the detected value of the component My. Accordingly, an arithmetic expression necessary for error correction is given by “Fx = Fx * −α · My”.
ここで、係数αは、成分Fx*や成分Myを求めるために用いた式や、実際の容量素子を構成する電極の面積などに依存した量になる。図25に示すように、同一の成分を求める演算式にはいくつかのバリエーションが存在し、これらバリエーションから選択したいずれの式を採用しても、正しい値を得ることが可能であるが、ここで言う「正しい値」とは、物理量の単位まで規定した絶対値を意味するものではない。したがって、いずれの式を採用したとしても、最終的には、それぞれ固有のスケーリングを行う必要がある。上記誤差補正の演算式「Fx=Fx*−α・My」は、成分Fx*と成分Myとの差をとる式であるので、両者のスケーリングが正しく行われていないと意味がない。係数αは、このスケーリングの整合性をとるための比例係数ということになる。 Here, the coefficient α is an amount that depends on the equation used to obtain the component Fx * and the component My, the area of the electrodes that constitute the actual capacitive element, and the like. As shown in FIG. 25, there are several variations in the arithmetic expression for obtaining the same component, and even if any expression selected from these variations is adopted, a correct value can be obtained. The “correct value” in the above does not mean an absolute value defined up to the unit of physical quantity. Therefore, no matter which formula is adopted, it is necessary to finally perform a specific scaling. The error correction arithmetic expression “Fx = Fx * −α · My” is an expression that takes the difference between the component Fx * and the component My, and therefore, it is meaningless if the scaling of both is not performed correctly. The coefficient α is a proportional coefficient for achieving this scaling consistency.
一方、図24の第2の式Fy*の右辺の値は、前述したとおり、「8Δ−8δ」となるので、誤差「8δ」を補填する演算を行えば、誤差を含まない正確な値Fy(=8Δ)を求めることができる。したがって、誤差補正に必要な演算は、「Fy=Fy*+8δ」ということになる。ここで、δは、X軸まわりのモーメントMxに起因して生じた誤差であるので、成分Mxの検出値に所定の係数を生じることにより求めることができる。したがって、誤差補正に必要な演算式は「Fy=Fy*−β・Mx」で与えられる。ここで、係数βは、成分Fy*や成分Mxを求めるために用いた式や、実際の容量素子を構成する電極の面積などに依存した量になり、やはりスケーリングの整合性をとるための比例係数である。 On the other hand, since the value on the right side of the second expression Fy * in FIG. 24 is “8Δ−8δ” as described above, an accurate value Fy that does not include an error can be obtained by performing an operation to compensate for the error “8δ”. (= 8Δ) can be obtained. Therefore, the calculation necessary for error correction is “Fy = Fy * + 8δ”. Here, since δ is an error caused by the moment Mx around the X axis, it can be obtained by generating a predetermined coefficient in the detected value of the component Mx. Therefore, an arithmetic expression necessary for error correction is given by “Fy = Fy * −β · Mx”. Here, the coefficient β is an amount that depends on the expression used to obtain the component Fy * and the component Mx, the area of the electrode that constitutes the actual capacitive element, and the like. It is a coefficient.
結局、誤差補正に必要な演算式は、図26に示すように、力のX軸方向成分Fxについては「Fx=Fxi*−αij・Myj」となり、力のY軸方向成分Fyについては「Fy=Fyi*−βij・Mxj」となる。ここで、iは、成分Fx*もしくはFy*を算出するために、図25に示す3通りのバリエーションのうちの何番目の式を選択したかを示すパラメータ(i=1〜3)であり、jは、成分MyもしくはMxを算出するために、図25に示す3通りのバリエーションのうちの何番目の式を選択したかを示すパラメータ(j=1〜3)である。また、係数αijは、成分Fx*を算出するために第i番目の式を選択し、成分Myを算出するために第j番目の式を選択した場合に、算出値Fxi*と算出値Myjとのスケーリングの整合性を確保するための比例定数である。同様に、係数βijは、成分Fy*を算出するために第i番目の式を選択し、成分Mxを算出するために第j番目の式を選択した場合に、算出値Fyi*と算出値Mxjとのスケーリングの整合性を確保するための比例定数である。 As a result, as shown in FIG. 26, the calculation formula necessary for error correction is “Fx = Fxi * −αij · Myj” for the force X-axis direction component Fx and “Fy” for the force Y-axis direction component Fy. = Fyi * −βij · Mxj ”. Here, i is a parameter (i = 1 to 3) indicating which number of the three variations shown in FIG. 25 is selected in order to calculate the component Fx * or Fy * . j is a parameter (j = 1 to 3) indicating which number of the three variations shown in FIG. 25 is selected in order to calculate the component My or Mx. The coefficient αij selects the i-th equation in order to calculate the component Fx *, if you select the j-th equation in order to calculate the component My, calculated values Fxi * and the calculated value Myj It is a proportionality constant for ensuring the consistency of scaling. Similarly, the coefficient βij is calculated when the i-th equation is selected to calculate the component Fy * and the j-th equation is selected to calculate the component Mx, and the calculated value Fyi * and the calculated value Mxj. It is a proportionality constant to ensure the consistency of scaling.
このように、力のX軸方向成分Fxを求めるには、まず、図25に示すFxi*のいずれかの式を選択して(iの値を1〜3のいずれかに決定して)、中間段階の値Fxi*を求め、図25に示すMyjのいずれかの式を選択して(jの値を1〜3のいずれかに決定して)、Myjの値を求め、最後にi,jに応じた係数αijを用いて、「Fx=Fxi*−αij・Myj」なる演算を行えばよい。同様に、力のY軸方向成分Fyを求めるには、まず、図25に示すFyi*のいずれかの式を選択して(iの値を1〜3のいずれかに決定して)、中間段階の値Fyi*を求め、図25に示すMxjのいずれかの式を選択して(jの値を1〜3のいずれかに決定して)、Mxjの値を求め、最後にi,jに応じた係数βijを用いて、「Fy=Fyi*−βij・Mxj」なる演算を行えばよい。 Thus, to obtain the X-axis direction component Fx of the force, first, select one of the formulas of Fxi * shown in FIG. 25 (determine the value of i to any one of 1 to 3), An intermediate stage value Fxi * is obtained, and one of the expressions Myj shown in FIG. 25 is selected (j is determined to be any one of 1 to 3) to obtain a value of Myj, and finally i, The calculation “Fx = Fxi * −αij · Myj” may be performed using the coefficient αij corresponding to j. Similarly, in order to obtain the Y-axis direction component Fy of the force, first, one of the expressions of Fyi * shown in FIG. 25 is selected (i is determined to be any one of 1 to 3), The step value Fyi * is obtained, one of the expressions Mxj shown in FIG. 25 is selected (the value of j is determined to be any one of 1 to 3), and the value of Mxj is obtained. The calculation “Fy = Fyi * −βij · Mxj” may be performed using the coefficient βij according to the above.
結局、力の6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzすべてを検出するには、図16に示すような具体的な構造をもった力検出装置の本体を用意し、図25に示すバリエーションの中から、Fx*,Fy*,Fz,Mx,My,Mzを算出する演算式を任意に選択し、用意した構造体に含まれる全20組の容量素子C11〜C45の静電容量値を電気的に検出し、得られた各検出値を、選択された各演算式に代入することにより、Fx*,Fy*,Fz,Mx,My,Mzを算出すればよい。ここで、算出されたFz,Mx,My,Mzは、そのまま各成分として出力することができるが、Fx*,Fy*については、係数αij,βijを用いた上記式に基づく補正を施した後に、Fx,Fyの成分として出力することになる。 In the end, in order to detect all six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz of the force, a main body of a force detection device having a specific structure as shown in FIG. 16 is prepared, and shown in FIG. Arithmetic expressions for calculating Fx * , Fy * , Fz, Mx, My, and Mz are arbitrarily selected from the variations, and the capacitance values of all 20 sets of capacitive elements C11 to C45 included in the prepared structure. Fx * , Fy * , Fz, Mx, My, and Mz may be calculated by substituting each detected value into each selected arithmetic expression. Here, the calculated Fz, Mx, My, and Mz can be output as they are as they are, but Fx * and Fy * are subjected to correction based on the above equations using the coefficients αij and βij. , Fx and Fy are output as components.
もちろん、6成分すべてを求める必要がない場合には、必要な式のみを選択すればよい。この場合、20組の容量素子C11〜C45をすべて実際に設ける必要はなく、選択された演算式に必要な素子のみを設ければ足りる。 Of course, if it is not necessary to find all six components, only the necessary equations need be selected. In this case, it is not necessary to actually provide all the 20 sets of capacitive elements C11 to C45, and it is sufficient to provide only the elements necessary for the selected arithmetic expression.
結局、本発明に係る力検出装置を設計する際には、まず第1段階のプロセスとして、図25および図26に示す各式を「演算式の候補」として定義し、この「演算式の候補」の中から所望の力成分の検出に必要になる演算式を選択する作業を行うことになる。たとえば、6成分すべてを求める機能をもった力検出装置を設計するのであれば、(1)Fx=Fxi*−αij・Myj、(2)Fy=Fyi*+βij・Mxj、(3)Fz=Fzi、(4)Mx=Mxi、(5)My=Myi、(6)Mz=Mzi、という6つの演算式の選択を行うことになる。ここで、i,jは、1〜3のうちのいずれかのパラメータであり、6つの演算式ごとに、それぞれ所望のパラメータ値を決定すればよい。なお、これら演算式における係数αij,βijの実際の値の求め方については、§8で詳述する。 Eventually, when designing the force detection device according to the present invention, first, as the first stage process, the equations shown in FIG. 25 and FIG. 26 are defined as “candidate equations”, The operation of selecting an arithmetic expression necessary for detecting a desired force component is performed. For example, when designing a force detection device having a function for obtaining all six components, (1) Fx = Fxi * −αij · Myj, (2) Fy = Fyi * + βij · Mxj, (3) Fz = Fzi , (4) Mx = Mxi, (5) My = Myi, and (6) Mz = Mzi are selected. Here, i and j are any one of parameters 1 to 3, and a desired parameter value may be determined for each of the six arithmetic expressions. The method for obtaining the actual values of the coefficients αij and βij in these arithmetic expressions will be described in detail in §8.
続いて、第2段階のプロセスとして、図15に示す20組の容量素子C11〜C45を「容量素子の候補」として定義し、第1段階のプロセスで選択した演算式に基づく演算を行うために必要な容量素子を、この「容量素子の候補」の中から選択する作業を行うことになる。 Subsequently, as a second stage process, in order to define 20 sets of capacitive elements C11 to C45 shown in FIG. 15 as “capacitance element candidates” and perform an operation based on the arithmetic expression selected in the first stage process. An operation of selecting a necessary capacitor element from the “capacitor element candidates” is performed.
たとえば、図24に示すような演算式の選択が行われた場合には、図15に示す20組の容量素子C11〜C45のすべてを選択する必要があるが、別な演算式の選択が行われた場合には、場合によっては、この20組の容量素子C11〜C45のすべてを選択する必要はなくなる。実際の力検出装置には、このような選択によって必要となった静電容量素子のみを設けておけば十分である。 For example, when an arithmetic expression as shown in FIG. 24 is selected, it is necessary to select all of the 20 capacitive elements C11 to C45 shown in FIG. 15, but another arithmetic expression is selected. In some cases, it is not necessary to select all of the 20 capacitive elements C11 to C45. In an actual force detection device, it is sufficient to provide only the capacitance element required by such selection.
図1に示す検出回路30は、選択された容量素子の静電容量値に基づいて、選択された演算式に基づく演算を行い、所望とされる各力成分を出力する機能をもった回路である。たとえば、6成分すべてを求める機能をもった力検出装置に用いられる検出回路30には、次のような各演算機能を設けておけばよい。 The detection circuit 30 shown in FIG. 1 is a circuit having a function of performing calculation based on a selected arithmetic expression based on the capacitance value of the selected capacitive element and outputting each desired force component. is there. For example, the following arithmetic functions may be provided in the detection circuit 30 used in the force detection device having a function for obtaining all six components.
<Fx*演算機能>
「第1の柱状体T1のX軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体T2のX軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体T3のX軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体T4のX軸方向に関する傾斜度との和Fx1*」もしくは「第1の柱状体T1のX軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体T2のX軸方向に関する傾斜度との和Fx2*」もしくは「第3の柱状体T3のX軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体T4のX軸方向に関する傾斜度との和Fx3*」のいずれかを和Fx*として求める演算機能。
<Fx * Calculation function>
“The inclination of the first columnar body T1 in the X-axis direction, the inclination of the second columnar body T2 in the X-axis direction, the inclination of the third columnar body T3 in the X-axis direction, and the fourth columnar body T4 “Fx1 * ” with the inclination with respect to the X-axis direction or “Fx2 * with the inclination with respect to the X-axis direction of the first columnar body T1 and the inclination with respect to the X-axis direction of the second columnar body T2” or “No. gradient sum Fx3 * "or a calculation function for obtaining a sum Fx * of the inclination about the X-axis direction of the fourth columnar body T4 about 3 in the X-axis direction of the columnar body T3.
<Fy*演算機能>
「第1の柱状体T1のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体T2のY軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体T3のY軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体T4のY軸方向に関する傾斜度との和Fy1*」もしくは「第1の柱状体T1のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体T2のY軸方向に関する傾斜度との和Fy2*」もしくは「第3の柱状体T3のY軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体T4のY軸方向に関する傾斜度との和Fy3*」のいずれかを和Fy*として求める演算機能。
<Fy * Calculation function>
“The inclination of the first columnar body T1 in the Y-axis direction, the inclination of the second columnar body T2 in the Y-axis direction, the inclination of the third columnar body T3 in the Y-axis direction, and the fourth columnar body T4 the sum of the sum Fy1 * "or" slope and inclination about the Y-axis direction of the second columnar member T2 in the Y-axis direction of the first columnar body T1 of inclination in the Y-axis directions Fy2 * "or" second gradient sum Fy3 * "or a calculation function for obtaining a sum Fy * in the inclination about the Y-axis direction of the fourth columnar body T4 about 3 in the Y-axis direction of the columnar body T3.
<Fz演算機能>
第1の柱状体T1によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体T2によって加えられたZ軸方向に関する力と第3の柱状体T3によって加えられたZ軸方向に関する力と第4の柱状体T4によって加えられたZ軸方向に関する力との和Fzを求める演算機能(なお、若干、安定性は劣るが、第1の柱状体T1によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体T2によって加えられたZ軸方向に関する力との和をFzとしたり、第3の柱状体T3によって加えられたZ軸方向に関する力と第4の柱状体T4によって加えられたZ軸方向に関する力との和をFzとしたりすることも可能である。)。
<Fz calculation function>
The force in the Z-axis direction applied by the first columnar body T1, the force in the Z-axis direction applied by the second columnar body T2, the force in the Z-axis direction applied by the third columnar body T3, and the fourth Calculation function for obtaining the sum Fz of the force in the Z-axis direction applied by the columnar body T4 (note that the stability is slightly inferior, but the second force and the force in the Z-axis direction applied by the first columnar body T1) The sum of the force in the Z-axis direction applied by the columnar body T2 is Fz, or the force in the Z-axis direction applied by the third columnar body T3 and the Z-axis direction applied by the fourth columnar body T4 It is also possible to use Fz as the sum of the force with respect to.
<Mx演算機能>
第3の柱状体T3によって加えられたZ軸方向に関する力と第4の柱状体T4によって加えられたZ軸方向に関する力との差Mxを求める演算機能。
<Mx calculation function>
A calculation function for obtaining a difference Mx between a force in the Z-axis direction applied by the third columnar body T3 and a force in the Z-axis direction applied by the fourth columnar body T4.
<My演算機能>
第1の柱状体T1によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体T2によって加えられたZ軸方向に関する力との差Myを求める演算機能。
<My calculation function>
A calculation function for obtaining a difference My between the force in the Z-axis direction applied by the first columnar body T1 and the force in the Z-axis direction applied by the second columnar body T2.
<Mz演算機能>
「第1の柱状体T1のY軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体T4のX軸方向に関する傾斜度との和と、第2の柱状体T2のY軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体T3のX軸方向に関する傾斜度との和と、の差Mz1」もしくは「第1の柱状体T1のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体T2のY軸方向に関する傾斜度との差Mz2」もしくは「第4の柱状体T4のX軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体T3のX軸方向に関する傾斜度との差Mz3」のいずれかを差Mzとして求める演算機能。
<Mz calculation function>
“The sum of the inclination of the first columnar body T1 in the Y-axis direction and the inclination of the fourth columnar body T4 in the X-axis direction, the inclination of the second columnar body T2 in the Y-axis direction, and the third The difference between the sum of the inclination of the columnar body T3 in the X-axis direction and the difference Mz1 or the inclination of the first columnar body T1 in the Y-axis direction and the inclination of the second columnar body T2 in the Y-axis direction. A calculation function for obtaining either “difference Mz2” or “difference Mz3 between the inclination of the fourth columnar body T4 in the X-axis direction and the inclination of the third columnar body T3 in the X-axis direction” as the difference Mz.
<Fx演算機能>
所定の係数αを用いた演算式「Fx=Fx*−α・My」に基づく補正演算機能。
<Fx calculation function>
A correction operation function based on an arithmetic expression “Fx = Fx * −α · My” using a predetermined coefficient α.
<Fy演算機能>
所定の係数βを用いた演算式「Fy=Fy*+β・Mx」に基づく補正演算機能。
<Fy calculation function>
A correction operation function based on an arithmetic expression “Fy = Fy * + β · Mx” using a predetermined coefficient β.
なお、個々の容量素子についての静電容量値を電気的に検出するための具体的な回路や、各演算式に基づく演算を行うための具体的な回路は、既に公知の技術によって実現できる回路であるため、ここでは詳しい説明は省略する。 Note that a specific circuit for electrically detecting the capacitance value of each capacitive element and a specific circuit for performing an operation based on each arithmetic expression are circuits that can be realized by a known technique. Therefore, detailed description is omitted here.
<<< §8. 係数αij,βijの決定方法 >>>
§7で述べたとおり、係数αijおよびβijは、スケーリングファクターとして機能する定数であるので、実際の装置の具体的な構造が定まらないと決定できない。すなわち、図16に示すような装置の各部の形状、大きさ、寸法、材質、特に、各容量素子C11〜C45を構成する電極E11〜E45の形状、大きさ、位置、そして対向電極間の距離などが、係数αijおよびβijの値を定める重要な要素となる。
<<< §8. Method for determining coefficients αij and βij >>
As described in §7, since the coefficients αij and βij are constants that function as scaling factors, they cannot be determined unless the specific structure of the actual device is determined. That is, the shape, size, dimensions, and material of each part of the apparatus as shown in FIG. 16, in particular, the shape, size, position, and distance between the counter electrodes of the electrodes E11 to E45 constituting the capacitive elements C11 to C45. Are important factors for determining the values of the coefficients αij and βij.
したがって、係数αijおよびβijの値を定める最も実用的な方法は、実際に力検出装置の試作品を製造し、この試作品を用いた実測に基づいて定める方法である。以下、この試作品を用いた実測により、係数αijおよびβijの値を定める具体的な方法の一例を説明する。 Therefore, the most practical method for determining the values of the coefficients αij and βij is a method in which a prototype of the force detection device is actually manufactured and determined based on actual measurement using the prototype. Hereinafter, an example of a specific method for determining the values of the coefficients αij and βij by actual measurement using the prototype will be described.
図27は、図26に示す係数αij,βijを決定するための実験方法の一例を示す側断面図である。図示されている装置は、試作品として実際に製造した図16に示す装置本体に、測定用治具400を取り付けたものである。この測定用治具400は、図示のとおり、接続部410、上蓋部420、側壁部430、フランジ部440からなり、装置本体の上半分をそっくりと覆うカバーを構成している。このような測定用治具400を取り付けて実験を行うのは、受力体100に対して、正確な力を作用させるためである。 FIG. 27 is a side sectional view showing an example of an experimental method for determining the coefficients αij and βij shown in FIG. In the illustrated apparatus, a measuring jig 400 is attached to the apparatus main body shown in FIG. 16 actually manufactured as a prototype. As shown in the figure, the measuring jig 400 includes a connection portion 410, an upper lid portion 420, a side wall portion 430, and a flange portion 440, and constitutes a cover that covers the upper half of the apparatus body. The reason why the measurement jig 400 is attached to perform an experiment is to apply an accurate force to the force receiving body 100.
既に述べたとおり、ここで述べる実施形態の場合、XYZ三次元座標系は、XY平面が、支持基板300の上面近傍に、支持基板300の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が支持基板300の上面のほぼ中心位置を通るように定義される。より正確に言えば、XY平面が、4枚の下端側肉薄部215,225,235,245と支持基板300の上面との間に挟まれるように、XYZ三次元座標系の定義が行われている。これは、§4で述べたとおり、本願発明者は、XYZ三次元座標系のXY平面の位置を、容量素子を構成する一対の電極間の中心位置に設定するのが最も好ましいと考えているためである。このため、以下に示す実験も、このような位置に原点Oが定義されているという前提で行う場合を例にとって説明する。 As described above, in the embodiment described here, the XYZ three-dimensional coordinate system is positioned so that the XY plane is in the vicinity of the upper surface of the support substrate 300 and parallel to the upper surface of the support substrate 300, and The Z axis, which is positive and negative in the lower side, is defined so as to pass through the substantially central position of the upper surface of the support substrate 300. More precisely, the XYZ three-dimensional coordinate system is defined so that the XY plane is sandwiched between the four lower thin portions 215, 225, 235, 245 and the upper surface of the support substrate 300. Yes. As described in §4, the present inventor believes that it is most preferable to set the position of the XY plane of the XYZ three-dimensional coordinate system to the center position between the pair of electrodes constituting the capacitive element. Because. For this reason, the following experiment will be described by taking as an example a case where the origin O is defined at such a position.
もっとも、既に述べたとおり、原点Oは概念的な位置であり、必ずしも厳密な定義を行う必要はない。実際は、支持基板300の中央付近の上面近傍の所定点に定義しておけば、実用上、本発明の効果は十分に得られる。したがって、たとえば、支持基板300の上面をXY平面とするXYZ三次元座標系を定義してもかまわない。この場合、得られた力検出装置は、そのようなXYZ三次元座標系における各座標軸に関する6成分の力を正確に検出する機能をもった装置ということになる。 However, as already described, the origin O is a conceptual position and does not necessarily need to be strictly defined. Actually, if it is defined at a predetermined point near the upper surface near the center of the support substrate 300, the effect of the present invention can be obtained sufficiently in practice. Therefore, for example, an XYZ three-dimensional coordinate system in which the upper surface of the support substrate 300 is the XY plane may be defined. In this case, the obtained force detection device is a device having a function of accurately detecting six-component forces relating to each coordinate axis in such an XYZ three-dimensional coordinate system.
さて、図27に示すような測定用治具400を用いると、受力体100に対して、XYZ三次元座標系の各軸方向の力Fx,Fy,Fzおよび各軸まわりのモーメントMx,My,Mzを正確に作用させる実験が可能になる。たとえば、図のフランジ部440の右端の作用点P1にワイヤを取り付け、図の右方向に水平に引っ張れば、力成分+Fxを作用させることができる。逆に、フランジ部440の左端の作用点P2にワイヤを取り付け、図の左方向に水平に引っ張れば、力成分−Fxを作用させることができる。一方、Y軸方向の力成分+Fy,−Fyを作用させる場合は、図示されていないフランジ部440の手前側もしくは奥側の作用点を利用すればよい。これらの作用点は、XY平面上の位置にとられているので、作用させた各力成分は、X軸もしくはY軸方向の正確な力成分になる。 Now, when a measuring jig 400 as shown in FIG. 27 is used, forces Fx, Fy, Fz in the respective axial directions of the XYZ three-dimensional coordinate system and moments Mx, My around the respective axes in the XYZ three-dimensional coordinate system are used. , Mz can be operated accurately. For example, if a wire is attached to the action point P1 at the right end of the flange portion 440 in the drawing and pulled horizontally in the right direction in the drawing, the force component + Fx can be applied. On the contrary, if a wire is attached to the action point P2 at the left end of the flange portion 440 and pulled horizontally in the left direction in the figure, the force component -Fx can be applied. On the other hand, when the force components + Fy and −Fy in the Y-axis direction are applied, an action point on the near side or the far side of the flange portion 440 that is not illustrated may be used. Since these action points are located at positions on the XY plane, the applied force components become accurate force components in the X-axis or Y-axis direction.
また、上蓋部420の中心に位置する作用点P3にワイヤを取り付け、図の垂直上方に引っ張れば、力成分+Fzを作用させることができ、逆に、作用点P3の部分を、何らかの器具で図の垂直下方に押し込むようにすれば、力成分−Fzを作用させることができる。もちろん、複数の作用点を利用して、力Fx,Fy,Fzを作用させることも可能である。この場合、座標軸に関して対称性を有する位置に複数の作用点を設定すればよい。 In addition, if a wire is attached to the action point P3 located at the center of the upper lid part 420 and pulled vertically upward in the figure, the force component + Fz can be applied. The force component -Fz can be applied by pushing it down vertically. Of course, the forces Fx, Fy, and Fz can be applied using a plurality of action points. In this case, a plurality of action points may be set at positions having symmetry with respect to the coordinate axes.
一方、受力体100に対して、各軸まわりのモーメントMx,My,Mzを作用させるには、座標軸に関して対称性を有する2つの作用点に相補的な力(偶力)を加えればよい。たとえば、Y軸まわりの正方向のモーメント+Myを作用させるには、作用点P1に取り付けたワイヤーを図の垂直下方に引っ張り、作用点P2に取り付けたワイヤーを図の垂直上方に引っ張るようにし、両ワイヤーを引く力の絶対値を等しくすればよい。もちろん、この場合、図示の寸法r1,r2(原点Oから作用点P1,P2までの距離)が互いに等しくなるようにしておく必要がある。ワイヤーを引く向きを左右で入れ換えれば、Y軸まわりの負方向のモーメント−Myを作用させることができる。 On the other hand, in order to apply moments Mx, My, Mz around each axis to the force receiving body 100, complementary forces (couples) may be applied to two action points having symmetry with respect to the coordinate axes. For example, in order to apply a positive moment + My around the Y axis, the wire attached to the action point P1 is pulled vertically downward in the figure, and the wire attached to the action point P2 is pulled vertically upward in the figure. What is necessary is just to make the absolute value of the force which pulls a wire equal. Of course, in this case, the illustrated dimensions r1 and r2 (distances from the origin O to the action points P1 and P2) must be equal to each other. If the direction in which the wire is pulled is interchanged between the left and right, a negative moment -My around the Y axis can be applied.
同様に、X軸まわりのモーメント+Mx,−Mxを作用させる場合は、図示されていないフランジ部440の手前側もしくは奥側の作用点を利用し、一方を上方、他方を下方に引く相補的な力を加えればよい。また、Z軸まわりの正方向のモーメント+Mzを作用させる場合は、作用点P1に取り付けたワイヤーをXY平面に沿って図の奥方向に引っ張り、作用点P2に取り付けたワイヤーをXY平面に沿って図の手前方向に引っ張るようにすればよいし、Z軸まわりの負方向のモーメント−Mzを作用させる場合は、ワイヤーを引く向きを左右で入れ換えればよい。 Similarly, when the moments + Mx and -Mx around the X axis are applied, a point of action on the front side or the back side of the flange portion 440 (not shown) is used, and one of them is complementarily drawn upward and the other downward. You just need to add power. In addition, when a positive moment + Mz around the Z axis is applied, the wire attached to the action point P1 is pulled in the back direction in the drawing along the XY plane, and the wire attached to the action point P2 is taken along the XY plane. What is necessary is just to pull in the near direction of a figure, and when applying the negative moment -Mz around a Z-axis, the direction which pulls a wire should be replaced with right and left.
このような実験を行えば、実際にワイヤーに作用させた力の絶対値と、図25に示す各演算式を用いて得られる各力成分の値とを比較することにより、各力成分の出力値のスケーリングを行うことが可能である。なお、モーメント成分についてのスケーリングを行うには、図示の寸法r1,r2の絶対値も必要になる。 If such an experiment is performed, the output of each force component is obtained by comparing the absolute value of the force actually applied to the wire with the value of each force component obtained by using each arithmetic expression shown in FIG. It is possible to scale values. Note that the absolute values of the dimensions r1 and r2 shown in the figure are also required for scaling the moment component.
さて、この§8の本題は、係数αij,βijを決定することである。まず、係数αijの決定方法を説明する。係数αijは、「Fx=Fxi*−αij・Myj」なる補正演算に用いる比例定数であり、Y軸まわりのモーメント成分の検出値Myj(図25のMyに関する第j番目の演算式によって算出した値)によって、不正確なX軸方向の力成分Fxi*(図25のFx*に関する第i番目の演算式によって算出した値)に含まれる誤差を相殺するための係数である。 Now, the main subject of this §8 is to determine the coefficients αij and βij. First, a method for determining the coefficient αij will be described. The coefficient αij is a proportional constant used for the correction calculation of “Fx = Fxi * −αij · Myj”, and is a detected value Myj of the moment component around the Y-axis (a value calculated by the jth calculation formula regarding My in FIG. 25). ) To cancel an error included in an inaccurate force component Fxi * in the X-axis direction (a value calculated by the i-th arithmetic expression relating to Fx * in FIG. 25).
そこで、図27に示すような測定用治具400付きの力検出装置の試作品を用意し、支持基板300を固定した状態で、受力体100にY軸まわりのモーメント成分Myのみを作用させる。上述した方法によれば、力成分Fx,Fy,Fzや、モーメント成分Mx,Mzが作用するのを排除し、モーメント成分Myのみを作用させることが可能である。このような環境において、検出回路30によって算出される演算値Fxi*およびMyjを測定する実験を行う。 Therefore, a prototype of a force detection device with a measurement jig 400 as shown in FIG. 27 is prepared, and only the moment component My around the Y axis is applied to the force receiving body 100 with the support substrate 300 fixed. . According to the method described above, it is possible to eliminate the action of the force components Fx, Fy, Fz and the moment components Mx, Mz, and to apply only the moment component My. In such an environment, an experiment for measuring the calculated values Fxi * and Myj calculated by the detection circuit 30 is performed.
ここでは、このように、モーメント成分Myのみを作用させたときに得られるFxi*およびMyjの値を、それぞれFxi*(0)およびMyj(0)と記すことにする。図28の上段に示すグラフは、このような実験によって得られたFxi*(0)およびMyj(0)を示している。グラフの横軸は、測定用治具400を介して加えられたY軸まわりのモーメントMyの大きさを示しており、グラフの縦軸は、得られたFxi*(0)およびMyj(0)の実測値(検出回路30による算出値)を示している。 Here, the values of Fxi * and Myj obtained when only the moment component My is applied are described as Fxi * (0) and Myj (0), respectively. The graph shown in the upper part of FIG. 28 shows Fxi * (0) and Myj (0) obtained by such an experiment. The horizontal axis of the graph indicates the magnitude of the moment My around the Y axis applied via the measurement jig 400, and the vertical axis of the graph indicates the obtained Fxi * (0) and Myj (0). The actual measurement value (calculated value by the detection circuit 30) is shown.
いずれのグラフも、加えられたモーメントMyの大きさを示すものであり、得られたFxi*(0)およびMyj(0)の実測値は、実用的な精度において、Myの大きさに比例した値になる。したがって、両グラフは図示のとおり線形になる。ただ、同じMyに対応する実測値であっても、得られるFxi*(0)の値とMyj(0)の値とは相違する。たとえば、図のグラフの場合、My=Mykの場合の実測値は、Fxi*(0)=αiであるのに対して、Myj(0)=αjとなっている。これは、演算式Fxi*によるモーメントMyの測定感度と、演算式MyjによるモーメントMyの測定感度とが異なるためであり、グラフの傾きを示すαi,αjは、この感度を示していることになる。 Both graphs show the magnitude of the applied moment My, and the measured values of Fxi * (0) and Myj (0) obtained were proportional to the magnitude of My in practical accuracy. Value. Therefore, both graphs are linear as shown. However, even for actual measurement values corresponding to the same My, the value of Fxi * (0) obtained is different from the value of Myj (0). For example, in the case of the graph in the figure, the actually measured value when My = Myk is Fxi * (0) = αi, whereas Myj (0) = αj. This is because the measurement sensitivity of the moment My according to the arithmetic expression Fxi * is different from the measurement sensitivity of the moment My according to the arithmetic expression Myj. .
この感度は、主として、演算式に関与する容量素子の電極面積、電極間距離、およびその配置に基づいて決定される。すなわち、電極面積が大きくなればなるほど感度は大きくなり、電極間距離が小さくなればなるほど感度は大きくなる(もっとも本願実施形態では、電極間距離は全容量素子について一定である)。また、柱状体の傾斜度を検出するための容量素子の場合、ローカル原点から遠い位置に配置されている容量素子ほど感度は大きくなる。 This sensitivity is mainly determined based on the electrode area of the capacitive element involved in the arithmetic expression, the distance between the electrodes, and the arrangement thereof. That is, the sensitivity increases as the electrode area increases, and the sensitivity increases as the interelectrode distance decreases (although in the present embodiment, the interelectrode distance is constant for all capacitive elements). Further, in the case of a capacitive element for detecting the inclination of the columnar body, the sensitivity increases as the capacitive element is located farther from the local origin.
そこで、いま、係数αijを、図28の中段に示すように、αij=Fxi*(0)/Myj(0)=αi/αjに設定してみる。要するに、演算式Fxi*によるMy検出感度と演算式MyjによるMy検出感度との比が、係数αijとして設定されたことになる。そうすると、Fxi*(0)=αij・Myj(0)が成り立つ。ここで、図26の補正演算式「Fx=Fxi*−αij・Myj」を、モーメント成分Myのみが作用している環境下の式「Fx(0)=Fxi*(0)−αij・Myj(0)」に書き直し、右辺第2項の「αij・Myj(0)」を「Fxi*(0)」に置き換えれば、「Fx(0)=Fxi*(0)−Fxi*(0)=0」となり、モーメント成分Myのみが作用している環境下での補正後の力成分Fx(0)は0になることがわかる。 Therefore, the coefficient αij is set to αij = Fxi * (0) / Myj (0) = αi / αj as shown in the middle part of FIG. In short, the ratio between the My detection sensitivity based on the arithmetic expression Fxi * and the My detection sensitivity based on the arithmetic expression Myj is set as the coefficient αij. Then, Fxi * (0) = αij · Myj (0) is established. Here, the correction arithmetic expression “Fx = Fxi * −αij · Myj” in FIG. 26 is replaced with the expression “Fx (0) = Fxi * (0) −αij · Myj () under the environment where only the moment component My acts. 0) ”and“ αij · Myj (0) ”in the second term on the right side is replaced with“ Fxi * (0) ”,“ Fx (0) = Fxi * (0) −Fxi * (0) = 0 ” It can be seen that the force component Fx (0) after correction in an environment in which only the moment component My is acting becomes zero.
結局、係数αij=αi/αjに設定し、補正演算式「Fx=Fxi*−αij・Myj」によって成分Fxを求めれば、得られたFxの値には、モーメントMyに起因する誤差成分は全く含まれていないことになる。かくして、上記補正演算式によって、誤差成分を含まない正確な力成分Fxが得られることになる。なお、図28の上段のグラフには、正方向のモーメント+Myを加えたときの実測値しか示されていないが、実際には、負方向のモーメント−Myを加えたときの実測値も求めるようにして、両者の結果から、各グラフの傾斜αi,αjを決定するのが好ましい。 After all, if the coefficient αij = αi / αj is set, and the component Fx is obtained by the correction arithmetic expression “Fx = Fxi * −αij · Myj”, the error component resulting from the moment My is completely absent in the obtained Fx value. It will not be included. Thus, an accurate force component Fx that does not include an error component can be obtained by the correction calculation formula. In the upper graph of FIG. 28, only the actual measurement value when the positive moment + My is added is shown, but actually the actual measurement value when the negative moment -My is added is also obtained. Thus, it is preferable to determine the inclinations αi and αj of each graph from both results.
図28の下段には、i=3,j=3を選択した場合の具体例が示されている。この場合、図25に示す各演算式の中から、Fxi*の演算式として、「Fx3*=(C31−C32)+(C41−C42)」が選択され、Myjの演算式として、「My3=(C15−C25)」が選択されることになり、具体的な補正演算式は、図示のとおり、「Fx=Fx3*−α33・My3=((C31−C32)+(C41−C42))−α33・(C15−C25)」ということになる。ここで、係数α33は、上述したように、モーメント成分Myのみを作用させる実験によって得られたFx3*の実測値のグラフの傾きと、My3の実測値のグラフの傾きとの比として求められることになる。 The lower part of FIG. 28 shows a specific example when i = 3 and j = 3 are selected. In this case, “Fx3 * = (C31−C32) + (C41−C42)” is selected as the calculation formula of Fxi * from the calculation formulas shown in FIG. 25, and “My3 = (C15−C25) ”is selected, and a specific correction calculation formula is“ Fx = Fx3 * −α33 · My3 = ((C31−C32) + (C41−C42)) − as shown in the figure. α33 · (C15-C25) ”. Here, as described above, the coefficient α33 is obtained as a ratio between the slope of the graph of the actual measurement value of Fx3 * obtained by the experiment in which only the moment component My is applied and the slope of the graph of the actual measurement value of My3. become.
続いて、係数βijの決定方法を説明する。係数βijは、「Fy=Fyi*+βij・Mxj」なる補正演算に用いる比例定数であり、X軸まわりのモーメント成分の検出値Mxj(図25のMxに関する第j番目の演算式によって算出した値)によって、不正確なY軸方向の力成分Fyi*(図25のFy*に関する第i番目の演算式によって算出した値)に含まれる誤差を相殺するための係数である。 Next, a method for determining the coefficient βij will be described. The coefficient βij is a proportional constant used for the correction calculation of “Fy = Fyi * + βij · Mxj”, and a detected value Mxj of the moment component around the X axis (a value calculated by the jth calculation formula regarding Mx in FIG. 25). Is a coefficient for canceling out an error included in an inaccurate force component Fyi * in the Y-axis direction (a value calculated by the i-th arithmetic expression relating to Fy * in FIG. 25).
そこで、やはり図27に示すような測定用治具400付きの力検出装置の試作品を用意し、支持基板300を固定した状態で、受力体100にX軸まわりのモーメント成分Mxのみを作用させる。上述した方法によれば、力成分Fx,Fy,Fzや、モーメント成分My,Mzが作用するのを排除し、モーメント成分Mxのみを作用させることが可能である。このような環境において、検出回路30によって算出される演算値Fyi*およびMxjを測定する実験を行う。 Therefore, a prototype of a force detection device with a measuring jig 400 as shown in FIG. 27 is prepared, and only the moment component Mx around the X axis acts on the force receiving body 100 with the support substrate 300 fixed. Let According to the method described above, it is possible to eliminate the action of the force components Fx, Fy, Fz and the moment components My, Mz, and to apply only the moment component Mx. In such an environment, an experiment for measuring the calculation values Fyi * and Mxj calculated by the detection circuit 30 is performed.
ここでは、このように、モーメント成分Mxのみを作用させたときに得られるFyi*およびMxjの値を、それぞれFyi*(0)およびMxj(0)と記すことにする。図29の上段に示すグラフは、このような実験によって得られた−Fyi*(0)およびMxj(0)を示している。本願の説明では、所定の座標軸の正方向に右ネジを進める場合の当該右ネジの回転方向を、当該座標軸まわりの正のモーメントと定義することにしているため、モーメント成分Mxは、Fyi*の演算式において負の誤差成分として現れる。グラフの−Fyi*にマイナス符号が付されているのはこのためである。このグラフの横軸は、測定用治具400を介して加えられたX軸まわりのモーメントMxの大きさを示しており、グラフの縦軸は、得られた−Fyi*(0)およびMxj(0)の実測値(検出回路30による算出値)を示している。 Here, the values of Fyi * and Mxj obtained when only the moment component Mx is applied are described as Fyi * (0) and Mxj (0), respectively. The graph shown in the upper part of FIG. 29 shows -Fyi * (0) and Mxj (0) obtained by such an experiment. In the description of the present application, since the rotation direction of the right screw when the right screw is advanced in the positive direction of the predetermined coordinate axis is defined as a positive moment around the coordinate axis, the moment component Mx is Fy * Appears as a negative error component in the arithmetic expression. This is why a minus sign is attached to -Fyi * in the graph. The horizontal axis of the graph indicates the magnitude of the moment Mx about the X axis applied via the measurement jig 400, and the vertical axis of the graph indicates the obtained −Fyi * (0) and Mxj ( 0) measured values (calculated values by the detection circuit 30).
いずれのグラフも、加えられたモーメントMxの大きさを示すものであり、得られた−Fyi*(0)およびMxj(0)の実測値は、実用的な精度において、Mxの大きさに比例した値になる。したがって、両グラフは図示のとおり線形になる。ただ、同じMxに対応する実測値であっても、得られる−Fyi*(0)の値とMxj(0)の値とは相違する。たとえば、図のグラフの場合、Mx=Mxkの場合の実測値は、−Fyi*(0)=βiであるのに対して、Mxj(0)=βjとなっている。これは、演算式−Fyi*によるモーメントMxの測定感度と、演算式MxjによるモーメントMxの測定感度とが異なるためであり、グラフの傾きを示すβi,βjは、この感度を示していることになる。前述したとおり、この感度は、主として、演算式に関与する容量素子の電極面積、電極間距離、およびその配置に基づいて決定される。 Both graphs show the magnitude of the applied moment Mx, and the measured values of -Fyi * (0) and Mxj (0) obtained are proportional to the magnitude of Mx in practical accuracy. It becomes the value. Therefore, both graphs are linear as shown. However, even if the measured values correspond to the same Mx, the value of -Fyi * (0) and the value of Mxj (0) obtained are different. For example, in the case of the graph in the figure, the actual measurement value when Mx = Mxk is −Fyi * (0) = βi, whereas Mxj (0) = βj. This is because the measurement sensitivity of the moment Mx according to the arithmetic expression -Fyi * is different from the measurement sensitivity of the moment Mx according to the arithmetic expression Mxj. Become. As described above, this sensitivity is mainly determined based on the electrode area of the capacitive element involved in the arithmetic expression, the distance between the electrodes, and the arrangement thereof.
そこで、いま、係数βijを、図29の中段に示すように、βij=−Fyi*(0)/Mxj(0)=βi/βjに設定してみる。要するに、演算式Fyi*によるMx検出感度と演算式MxjによるMx検出感度との比が、係数βijとして設定されたことになる。そうすると、−Fyi*(0)=βij・Mxj(0)が成り立つ。ここで、図26の補正演算式「Fy=Fyi*+βij・Mxj」を、モーメント成分Mxのみが作用している環境下の式「Fy(0)=Fyi*(0)+βij・Mxj(0)」に書き直し、右辺第2項の「βij・Mxj(0)」を「−Fyi*(0)」に置き換えれば、「Fx(0)=Fxi*(0)−Fxi*(0)=0」となり、モーメント成分Mxのみが作用している環境下での補正後の力成分Fy(0)は0になることがわかる。 Therefore, the coefficient βij is set to βij = −Fyi * (0) / Mxj (0) = βi / βj as shown in the middle part of FIG. In short, the ratio between the Mx detection sensitivity based on the arithmetic expression Fyi * and the Mx detection sensitivity based on the arithmetic expression Mxj is set as the coefficient βij. Then, -Fyi * (0) = βij · Mxj (0) is established. Here, the correction arithmetic expression “Fy = Fyi * + βij · Mxj” in FIG. 26 is replaced with an expression “Fy (0) = Fyi * (0) + βij · Mxj (0) under an environment in which only the moment component Mx acts. And “βij · Mxj (0)” in the second term on the right side is replaced with “−Fyi * (0)”, “Fx (0) = Fxi * (0) −Fxi * (0) = 0” Thus, it can be seen that the corrected force component Fy (0) in an environment in which only the moment component Mx is acting becomes zero.
結局、係数βij=βi/βjに設定し、補正演算式「Fy=Fyi*+βij・Mxj」によって成分Fyを求めれば、得られたFyの値には、モーメントMxに起因する誤差成分は全く含まれていないことになる。かくして、上記補正演算式によって、誤差成分を含まない正確な力成分Fyが得られることになる。なお、図29の上段のグラフには、正方向のモーメント+Mxを加えたときの実測値しか示されていないが、実際には、負方向のモーメント−Mxを加えたときの実測値も求めるようにして、両者の結果から、各グラフの傾斜βi,βjを決定するのが好ましい。 After all, if the coefficient βij = βi / βj is set and the component Fy is obtained by the correction arithmetic expression “Fy = Fyi * + βij · Mxj”, the obtained Fy value does not include any error component due to the moment Mx. It will not be. Thus, an accurate force component Fy that does not include an error component can be obtained by the correction calculation formula. In the upper graph of FIG. 29, only the actual measurement value when the positive moment + Mx is added is shown, but actually the actual measurement value when the negative moment -Mx is added is also obtained. Thus, it is preferable to determine the slopes βi and βj of each graph from the results of both.
図29の下段には、i=3,j=3を選択した場合の具体例が示されている。この場合、図25に示す各演算式の中から、Fyi*の演算式として、「Fy3*=(C33−C34)+(C43−C44)」が選択され、Mxjの演算式として、「Mx3=(C45−C35)」が選択されることになり、具体的な補正演算式は、図示のとおり、「Fy=Fy3*+β33・Mx3=((C33−C34)+(C43−C44))+β33・(C45−C35)」ということになる。ここで、係数β33は、上述したように、モーメント成分Mxのみを作用させる実験によって得られた−Fy3*の実測値のグラフの傾きと、Mx3の実測値のグラフの傾きとの比として求められることになる。 The lower part of FIG. 29 shows a specific example when i = 3 and j = 3 are selected. In this case, “Fy3 * = (C33−C34) + (C43−C44)” is selected as the calculation formula of Fyi * from the calculation formulas shown in FIG. 25, and “Mx3 = (C45−C35) ”is selected, and a specific correction calculation formula is“ Fy = Fy3 * + β33 · Mx3 = ((C33−C34) + (C43−C44)) + β33 · (C45-C35) ". Here, as described above, the coefficient β33 is obtained as a ratio between the slope of the graph of the actual measurement value of −Fy3 * obtained by the experiment in which only the moment component Mx is applied and the slope of the graph of the actual measurement value of Mx3 . It will be.
以上、試作品を用いた実測により、係数αij,βijを求める方法を説明したが、もちろん、コンピュータによって、試作品を用いた実測値と同等の力学現象をシミュレートすることができるなら、実測の代わりに、コンピュータシミュレーションによって、係数αij,βijを求めることも可能である。 As described above, the method of obtaining the coefficients αij and βij by actual measurement using a prototype has been described. Of course, if a computer can simulate a mechanical phenomenon equivalent to the actual measurement value using the prototype, Alternatively, the coefficients αij and βij can be obtained by computer simulation.
<<< §9. 検出回路の単純化 >>>
本発明に用いる検出回路30は、図25および図26に示す演算式に基づく演算を行うことにより、所望の力成分の値を求める機能を有している。ここで、図25の各演算式を見ると、複数の静電容量値の和を算出する演算が随所に含まれていることがわかる。このような数値の和を求める演算は、アナログ加算器を用いて行うこともできるし、デジタル演算器を用いて行うこともできるが、「静電容量値の和」という物理的性質に着目すると、「電気的な並列接続」という単純な方法により、特別な演算器を用いることなしに、和を求めることができる。
<<< §9. Simplification of detection circuit >>
The detection circuit 30 used in the present invention has a function of obtaining a desired force component value by performing a calculation based on the calculation formulas shown in FIGS. Here, when each arithmetic expression of FIG. 25 is seen, it turns out that the calculation which calculates the sum of a several electrostatic capacitance value is included everywhere. Such a calculation for calculating the sum of numerical values can be performed using an analog adder or a digital calculator, but focusing on the physical property of “sum of capacitance values” The sum can be obtained by a simple method of “electrical parallel connection” without using a special arithmetic unit.
たとえば、2つの容量素子Ca,Cbについての静電容量値の和「Csum=Ca+Cb」を求める必要がある場合、個々の静電容量値Ca,Cbを電気的にアナログ値もしくはデジタル値として検出し、アナログ加算器やデジタル演算器を用いた演算により、Csumを得ることができる。しかしながら、2つの容量素子Ca,Cbの一方の電極同士を配線で接続し、他方の電極同士も配線で接続して、両者を並列接続した形にすれば、この並列接続された容量素子Cabについての静電容量値は、個々の静電容量値Ca,Cbの和「Csum=Ca+Cb」に等しくなる。 For example, when it is necessary to obtain the sum of capacitance values “Csum = Ca + Cb” for two capacitance elements Ca and Cb, the individual capacitance values Ca and Cb are detected as analog values or digital values. Csum can be obtained by an arithmetic operation using an analog adder or a digital arithmetic unit. However, if one electrode of the two capacitive elements Ca and Cb is connected by wiring and the other electrode is also connected by wiring, and the two are connected in parallel, the capacitive element Cab connected in parallel is connected. Is equal to the sum “Csum = Ca + Cb” of the individual capacitance values Ca and Cb.
このような方針に基づき、静電容量値の和を算出する対象となる複数の容量素子については、互いに電気的な並列接続がなされるような配線を施すことにより、検出回路30における和を算出する演算を省略することが可能になる。 Based on such a policy, for a plurality of capacitive elements for which the sum of capacitance values is to be calculated, the sum in the detection circuit 30 is calculated by providing wirings that are electrically connected to each other. It is possible to omit the operation to be performed.
図30の上段は、力Fxの検出を行うために、i=1,j=3というパラメータ設定を行った場合の支持基板300上の配線を示す上面図である。この場合、図の下段に示すとおり、用いる演算式は「Fx=Fx1*−α13・My3」ということになり、具体的な静電容量値についての式は、「Fx=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)−α13・(C15−C25)」になる。この式を書き直すと、「Fx=(C11+C21+C31+C41)−(C12+C22+C32+C42)−α13・(C15−C25)」になる。この式において、右辺第1項の「C11+C21+C31+C41」は、予め4つの容量素子C11,C21,C31,C41を並列接続するように配線しておけば、特別な演算器を用いることなしに、この並列接続された容量素子の全体の静電容量値として得ることができる。同様に、右辺第2項の「C12+C22+C32+C42」も、予め4つの容量素子C12,C22,C32,C42を並列接続するように配線しておけば、特別な演算器を用いることなしに、この並列接続された容量素子の全体の静電容量値として得ることができる。 The upper part of FIG. 30 is a top view showing wiring on the support substrate 300 when the parameter setting of i = 1 and j = 3 is performed to detect the force Fx. In this case, as shown in the lower part of the figure, the arithmetic expression to be used is “Fx = Fx1 * −α13 · My3”, and the specific expression for the capacitance value is “Fx = (C11−C12) +”. (C21−C22) + (C31−C32) + (C41−C42) −α13 · (C15−C25) ”. When this equation is rewritten, “Fx = (C11 + C21 + C31 + C41) − (C12 + C22 + C32 + C42) −α13 · (C15−C25)”. In this equation, “C11 + C21 + C31 + C41” in the first term on the right side can be obtained by connecting the four capacitive elements C11, C21, C31, C41 in advance so as to be connected in parallel without using a special arithmetic unit. It can be obtained as the overall capacitance value of the connected capacitive elements. Similarly, “C12 + C22 + C32 + C42” in the second term on the right side can also be connected in parallel without using a special arithmetic unit if the four capacitive elements C12, C22, C32, C42 are wired in advance. It can be obtained as the overall capacitance value of the capacitive element.
ここで、仮に、係数α13=1であったとすると、この演算はより単純になる。すなわち、係数α13=1であれば、上式は「Fx=(C11+C21+C31+C41+C25)−(C12+C22+C32+C42+C15)」になるので、予め5つの容量素子C11,C21,C31,C41,C25を並列接続するように配線し、予め5つの容量素子C12,C22,C32,C42,C15を並列接続するように配線しておけばよい。 Here, if the coefficient α13 = 1, this calculation becomes simpler. That is, if the coefficient α13 = 1, the above equation becomes “Fx = (C11 + C21 + C31 + C41 + C25) − (C12 + C22 + C32 + C42 + C15)”, so that the five capacitive elements C11, C21, C31, C41, and C25 are wired in advance. The five capacitive elements C12, C22, C32, C42, and C15 may be wired in advance so as to be connected in parallel.
図30の上段は、このような配線を示すものである。すなわち、支持基板300側の固定電極について、E11,E21,E31,E41,E25を端子Tfx1に接続し、E12,E22,E32,E42,E15を端子Tfx2に接続している。図30には示されていないが、これら各固定電極に対する対向電極として、導電性をもった下端側肉薄部215,225,235,245が設けられており、これらは導電性をもった中間体200に接続されているので、中間体200と端子Tfx1との間の静電容量値は「C11+C21+C31+C41+C25」の合計に対応するものになり、中間体200と端子Tfx2との間の静電容量値は「C12+C22+C32+C42+C15」の合計に対応するものになる。 The upper part of FIG. 30 shows such wiring. That is, for the fixed electrode on the support substrate 300 side, E11, E21, E31, E41, E25 are connected to the terminal Tfx1, and E12, E22, E32, E42, E15 are connected to the terminal Tfx2. Although not shown in FIG. 30, conductive lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245 are provided as counter electrodes for these fixed electrodes, and these are intermediates having conductivity. 200, the capacitance value between the intermediate body 200 and the terminal Tfx1 corresponds to the sum of “C11 + C21 + C31 + C41 + C25”, and the capacitance value between the intermediate body 200 and the terminal Tfx2 is This corresponds to the sum of “C12 + C22 + C32 + C42 + C15”.
ここで、中間体200を接地端子に接続しておけば(実用上は、このように中間体200の電位を接地電位に固定するのが好ましい)、結局、端子Tfx1と接地端子との間の静電容量値と、端子Tfx2と接地端子との間の静電容量値と、の差を求めるだけで、力Fxの検出値を得ることができ、検出回路30の演算負担は大幅に軽減される。すなわち、演算式に含まれる静電容量値の和を求める演算は、容量素子の並列接続によって省略することができ、演算式に含まれる係数α13との乗算は、係数α13=1に設定することによって省略することができる。 Here, if the intermediate body 200 is connected to the ground terminal (practically, it is preferable to fix the potential of the intermediate body 200 to the ground potential in this manner), the end result is that between the terminal Tfx1 and the ground terminal. By simply obtaining the difference between the capacitance value and the capacitance value between the terminal Tfx2 and the ground terminal, the detection value of the force Fx can be obtained, and the calculation burden on the detection circuit 30 is greatly reduced. The That is, the calculation for obtaining the sum of the capacitance values included in the calculation formula can be omitted by parallel connection of the capacitive elements, and the multiplication with the coefficient α13 included in the calculation formula is set to the coefficient α13 = 1. Can be omitted.
ところで、係数α13は、前述したとおり、固定電極の面積と配置、および対向電極との間の距離に基づいて決定される定数である。したがって、これらのファクターを調整することにより、係数α13=1に設定することができる。ここで述べる実施形態の場合、対向電極との距離は一定であるので、実質的には、固定電極の面積もしくは配置を調整することにより、係数α13=1なる設定を実現することができる。具体的には、図30において、円板状の固定電極E15,E25の個々の面積をA1とし、扇形の固定電極E11,E12,E21,E22,E31,E32,E41,E42の個々の面積をA2とすれば、A1を大きくすればするほど、係数α13は小さくなり(図28の上段のグラフにおけるαjが大きくなるので、αijは小さくなる)、A1を小さくすればするほど、係数α13は大きくなる。 Incidentally, the coefficient α13 is a constant determined based on the area and arrangement of the fixed electrodes and the distance between the counter electrodes as described above. Therefore, the coefficient α13 = 1 can be set by adjusting these factors. In the case of the embodiment described here, since the distance from the counter electrode is constant, the setting of the coefficient α13 = 1 can be substantially realized by adjusting the area or arrangement of the fixed electrode. Specifically, in FIG. 30, the individual areas of the disk-shaped fixed electrodes E15 and E25 are A1, and the individual areas of the sector-shaped fixed electrodes E11, E12, E21, E22, E31, E32, E41, and E42. Assuming A2, the larger α1 is, the smaller the coefficient α13 is (because αj is larger in the upper graph of FIG. 28, αij is smaller), and the smaller is A1, the larger the coefficient α13 is. Become.
係数α13=1にするための面積A1,A2は、試作品を用いた試行錯誤によって決定することができる。たとえば、ある試作品で実測を行った結果、図28の上段のグラフに示すような結果が得られたものとし、αij=1/3という結果が得られたものとしよう。この場合、面積A1を現在の1/3倍に変更するか、面積A2を現在の3倍に修正すればよいことになる。したがって、たとえば、円板状の固定電極E15,E25の直径を1/√3に設計変更すれば、係数α13=1という設定が可能になる。 The areas A1 and A2 for setting the coefficient α13 = 1 can be determined by trial and error using a prototype. For example, it is assumed that the result shown in the upper graph of FIG. 28 is obtained as a result of actual measurement using a prototype, and the result of αij = 1/3 is obtained. In this case, it is only necessary to change the area A1 to the current 1/3 times or to correct the area A2 to the current 3 times. Therefore, for example, if the design of the diameters of the disk-shaped fixed electrodes E15 and E25 is changed to 1 / √3, the coefficient α13 = 1 can be set.
もちろん、実際には、そのような設計変更を行っても、種々の要因で係数α13=1という正確な結果が得られない場合もあるが、実用上は、数回程度の試行錯誤を繰り返すことにより、測定に必要な精度で係数α13=1を満たす設計が可能である。あるいは、前述したように、コンピュータシミュレーションを併用すれば、試行錯誤の回数を減らすことも可能である。 Of course, in practice, even if such a design change is made, there may be cases where an accurate result of the coefficient α13 = 1 cannot be obtained due to various factors, but in practice, trial and error are repeated several times. Therefore, it is possible to design to satisfy the coefficient α13 = 1 with the accuracy required for measurement. Alternatively, as described above, if computer simulation is used in combination, the number of trial and error can be reduced.
図31の上段は、力Fyの検出を行うために、i=1,j=3というパラメータ設定を行った場合の支持基板300上の配線を示す上面図である。この場合、図の下段に示すとおり、用いる演算式は「Fy=Fy1*+β13・Mx3」ということになり、具体的な静電容量値についての式は、「Fy=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)+β13・(C45−C35)」になる。 ここでも、係数β13=1に設定することができれば、この演算はより単純になる。すなわち、係数β13=1であれば、上式は「Fy=(C13+C23+C33+C43+C45)−(C14+C24+C34+C44+C35)」になるので、予め5つの容量素子C13,C23,C33,C43,C45を並列接続するように配線し、予め5つの容量素子C14,C24,C34,C44,C35を並列接続するように配線しておけばよい。 The upper part of FIG. 31 is a top view showing wiring on the support substrate 300 when the parameter setting of i = 1 and j = 3 is performed in order to detect the force Fy. In this case, as shown in the lower part of the figure, an arithmetic expression to be used is “Fy = Fy1 * + β13 · Mx3”, and a specific expression for the capacitance value is “Fy = (C13−C14) + ( C23−C24) + (C33−C34) + (C43−C44) + β13 · (C45−C35) ”. Again, this calculation is simpler if the coefficient β13 = 1 can be set. That is, if the coefficient β13 = 1, the above equation becomes “Fy = (C13 + C23 + C33 + C43 + C45) − (C14 + C24 + C34 + C44 + C35)”, so that the five capacitance elements C13, C23, C33, C43, and C45 are wired in advance. The five capacitive elements C14, C24, C34, C44, and C35 may be wired in advance so as to be connected in parallel.
図31の上段は、このような配線を示すものである。すなわち、支持基板300側の固定電極について、E13,E23,E33,E43,E45を端子Tfy1に接続し、E14,E24,E34,E44,E35を端子Tfx2に接続している。前述したとおり、これら各固定電極に対する対向電極となる下端側肉薄部215,225,235,245を中間体200を介して接地しておけば、結局、端子Tfy1と接地端子との間の静電容量値と、端子Tfy2と接地端子との間の静電容量値と、の差を求めるだけで、力Fyの検出値を得ることができ、検出回路30の演算負担は大幅に軽減される。 The upper part of FIG. 31 shows such wiring. That is, for the fixed electrode on the support substrate 300 side, E13, E23, E33, E43, E45 are connected to the terminal Tfy1, and E14, E24, E34, E44, E35 are connected to the terminal Tfx2. As described above, if the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245, which serve as counter electrodes for these fixed electrodes, are grounded via the intermediate body 200, the electrostatic capacitance between the terminal Tfy1 and the ground terminal is eventually obtained. Only by obtaining the difference between the capacitance value and the capacitance value between the terminal Tfy2 and the ground terminal, the detection value of the force Fy can be obtained, and the calculation burden on the detection circuit 30 is greatly reduced.
なお、係数β13=1にするための各容量素子の設定方法は、係数α13=1にするための設定方法と全く同様である。具体的には、図31において、円板状の固定電極E35,E45の個々の面積をA1とし、扇形の固定電極E13,E14,E23,E24,E33,E34,E43,E44の個々の面積をA2とすれば、A1を大きくすればするほど、係数β13は小さくなり(図29の上段にグラフにおけるβjが大きくなるので、βijは小さくなる)、A1を小さくすればするほど、係数β13は大きくなる。 The setting method of each capacitive element for setting the coefficient β13 = 1 is exactly the same as the setting method for setting the coefficient α13 = 1. Specifically, in FIG. 31, each area of the disk-shaped fixed electrodes E35 and E45 is A1, and each area of the fan-shaped fixed electrodes E13, E14, E23, E24, E33, E34, E43, and E44 is Assuming A2, the larger the A1, the smaller the coefficient β13 (because βj in the graph in the upper part of FIG. 29 becomes larger, βij becomes smaller), and the smaller the A1, the larger the coefficient β13 becomes. Become.
図32は、力Fzの検出を行うために、i=3というパラメータ設定を行った場合の支持基板300上の配線を示す上面図である。この場合、図の下段に示すとおり、用いる演算式は「Fz=−(C15+C25+C35+C45)」ということになる。そこで、予め5つの容量素子C15,C25,C35,C45を並列接続するように配線しておけば、検出回路30による加算処理を省略することができる。 FIG. 32 is a top view showing wiring on the support substrate 300 when the parameter setting i = 3 is performed in order to detect the force Fz. In this case, as shown in the lower part of the figure, the arithmetic expression to be used is “Fz = − (C15 + C25 + C35 + C45)”. Therefore, if the five capacitive elements C15, C25, C35, and C45 are wired in advance so as to be connected in parallel, the addition process by the detection circuit 30 can be omitted.
図32は、このような配線を示すものである。すなわち、支持基板300側の固定電極について、E15,E25,E35,E45を端子Tfzに接続している。前述したとおり、これら各固定電極に対する対向電極となる下端側肉薄部215,225,235,245を中間体200を介して接地しておけば、結局、端子Tfzと接地端子との間の静電容量値を求めるだけで、力Fzの検出値を得ることができ、検出回路30の演算負担は大幅に軽減される。 FIG. 32 shows such wiring. That is, E15, E25, E35, E45 are connected to the terminal Tfz for the fixed electrode on the support substrate 300 side. As described above, if the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245, which are counter electrodes to these fixed electrodes, are grounded via the intermediate body 200, the electrostatic capacitance between the terminal Tfz and the ground terminal is eventually obtained. Only by obtaining the capacitance value, the detection value of the force Fz can be obtained, and the calculation burden on the detection circuit 30 is greatly reduced.
図33は、モーメントMxの検出を行うために、i=2というパラメータ設定を行った場合の支持基板300上の配線を示す上面図である。この場合、図の下段に示すとおり、用いる演算式は「Mx=(C41+C42+C43+C44)−(C31+C32+C33+C34)」ということになる。そこで、予め4つの容量素子C41,C42,C43,C44を並列接続するように配線し、予め4つの容量素子C31,C32,C33,C34を並列接続するように配線しておけば、検出回路30による加算処理を省略することができる。 FIG. 33 is a top view showing wiring on the support substrate 300 when the parameter setting i = 2 is performed in order to detect the moment Mx. In this case, as shown in the lower part of the figure, the arithmetic expression to be used is “Mx = (C41 + C42 + C43 + C44) − (C31 + C32 + C33 + C34)”. Therefore, if the four capacitive elements C41, C42, C43, and C44 are wired in advance to be connected in parallel, and the four capacitive elements C31, C32, C33, and C34 are wired in advance to be connected in parallel, the detection circuit 30 The addition process by can be omitted.
図33は、このような配線を示すものである。すなわち、支持基板300側の固定電極について、E31,E32,E33,E34を端子Tmx1に接続し、E41,E42,E43,E44を端子Tmx2に接続している。前述したとおり、これら各固定電極に対する対向電極となる下端側肉薄部235,245を中間体200を介して接地しておけば、結局、端子Tmx1と接地端子との間の静電容量値と、端子Tmx2と接地端子との間の静電容量値と、の差を求めるだけで、モーメントMxの検出値を得ることができ、検出回路30の演算負担は大幅に軽減される。 FIG. 33 shows such wiring. That is, for the fixed electrode on the support substrate 300 side, E31, E32, E33, E34 are connected to the terminal Tmx1, and E41, E42, E43, E44 are connected to the terminal Tmx2. As described above, if the lower end side thin portions 235 and 245 serving as counter electrodes to these fixed electrodes are grounded via the intermediate body 200, the capacitance value between the terminal Tmx1 and the ground terminal is eventually obtained. Only by obtaining the difference between the capacitance value between the terminal Tmx2 and the ground terminal, the detection value of the moment Mx can be obtained, and the calculation load of the detection circuit 30 is greatly reduced.
図34は、モーメントMyの検出を行うために、i=3というパラメータ設定を行った場合の支持基板300上の配線を示す上面図である。この場合、図の下段に示すとおり、用いる演算式は「My=C15−C25」ということになる。この場合、加算演算は不要であるから、図示のとおり、E15を端子Tmy1に接続し、E25を端子Tmy2に接続すればよい。これら各固定電極に対する対向電極となる下端側肉薄部215,225を中間体200を介して接地しておけば、端子Tmy1と接地端子との間の静電容量値と、端子Tmy2と接地端子との間の静電容量値と、の差を求めることにより、モーメントMyの検出値を得ることができる。 FIG. 34 is a top view showing the wiring on the support substrate 300 when the parameter setting of i = 3 is performed in order to detect the moment My. In this case, as shown in the lower part of the figure, the arithmetic expression to be used is “My = C15−C25”. In this case, since addition operation is unnecessary, E15 may be connected to the terminal Tmy1 and E25 may be connected to the terminal Tmy2 as illustrated. If the lower end side thin portions 215 and 225 that serve as counter electrodes for these fixed electrodes are grounded via the intermediate body 200, the capacitance value between the terminal Tmy1 and the ground terminal, the terminal Tmy2 and the ground terminal The detected value of the moment My can be obtained by obtaining the difference between the capacitance values of the two.
図35は、モーメントMzの検出を行うために、i=1というパラメータ設定を行った場合の支持基板300上の配線を示す上面図である。この場合、図の下段に示すとおり、用いる演算式は「Mz=(C13+C24+C32+C41)−(C14+C23+C31+C42)」ということになる。そこで、予め4つの容量素子C13,C24,C32,C41を並列接続するように配線し、予め4つの容量素子C14,C23,C31,C42を並列接続するように配線しておけば、検出回路30による加算処理を省略することができる。 FIG. 35 is a top view showing wiring on the support substrate 300 when the parameter setting of i = 1 is performed in order to detect the moment Mz. In this case, as shown in the lower part of the figure, the arithmetic expression to be used is “Mz = (C13 + C24 + C32 + C41) − (C14 + C23 + C31 + C42)”. Therefore, if the four capacitive elements C13, C24, C32, and C41 are wired in advance and the four capacitive elements C14, C23, C31, and C42 are wired in advance, the detection circuit 30 The addition process by can be omitted.
図35は、このような配線を示すものである。すなわち、支持基板300側の固定電極について、E13,E24,E32,E41を端子Tmz1に接続し、E14,E23,E31,E42を端子Tmz2に接続している。前述したとおり、これら各固定電極に対する対向電極となる下端側肉薄部215,225,235,245を中間体200を介して接地しておけば、結局、端子Tmz1と接地端子との間の静電容量値と、端子Tmz2と接地端子との間の静電容量値と、の差を求めるだけで、モーメントMzの検出値を得ることができ、検出回路30の演算負担は大幅に軽減される。 FIG. 35 shows such wiring. That is, for the fixed electrodes on the support substrate 300 side, E13, E24, E32, E41 are connected to the terminal Tmz1, and E14, E23, E31, E42 are connected to the terminal Tmz2. As described above, if the lower end side thin portions 215, 225, 235, and 245, which are opposed electrodes to these fixed electrodes, are grounded via the intermediate body 200, the electrostatic capacitance between the terminal Tmz1 and the ground terminal is eventually obtained. Only by obtaining the difference between the capacitance value and the capacitance value between the terminal Tmz2 and the ground terminal, the detection value of the moment Mz can be obtained, and the calculation burden on the detection circuit 30 is greatly reduced.
このように、実際に形成されている容量素子のうち、用いる演算式において静電容量値の和を算出する対象となる複数の容量素子については、互いに電気的な並列接続がなされるような配線が施すことにより、検出回路30における加算を省略することが可能になる。また、Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られるFxi*の値Fxi*(0)およびMyjの値Myj(0)について、Fxi*(0)=Myj(0)が成り立つように、Fxi*の算出に用いられる容量素子と、Myjの算出に用いられる容量素子とを設定すれば、係数αij=1とすることができ、検出回路30における乗算を省略することが可能になる。同様に、X軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られるFyi*の値Fyi*(0)およびMxjの値Mxj(0)について、−Fyi*(0)=Mxj(0)が成り立つように、Fyi*の算出に用いられる容量素子と、Mxjの算出に用いられる容量素子とを設定すれば、係数βij=1とすることができ、検出回路30における乗算を省略することが可能になる。 In this way, among the capacitive elements that are actually formed, the wirings that are electrically connected in parallel with each other for the plurality of capacitive elements that are the targets for calculating the sum of the capacitance values in the arithmetic expression to be used As a result, the addition in the detection circuit 30 can be omitted. As for Fxi only moment around the Y axis is obtained in an environment which acts * values Fxi * (0) and MYJ value Myj (0), Fxi * ( 0) = Myj (0) As is established, If the capacitive element used for calculating Fxi * and the capacitive element used for calculating Myj are set, the coefficient αij = 1 can be set, and the multiplication in the detection circuit 30 can be omitted. Similarly, the value of only the moment about the X-axis Fyi obtained in an environment which acts * Fyi * (0) and MXJ value Mxj (0), -Fyi * ( 0) = Mxj (0) so that holds In addition, if the capacitive element used for calculating Fyi * and the capacitive element used for calculating Mxj are set, the coefficient βij = 1 can be set, and the multiplication in the detection circuit 30 can be omitted. .
<<< §10. 実際の電極構成 >>>
ところで、図30〜図35には、6つの力成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzを求めるための配線をそれぞれ別個に示したが、この6成分すべてを検出する機能をもつ力検出装置の場合、同一の電極に、複数とおりの配線を行うことはできない。たとえば、図31に示す電極E13は端子Tfy1に接続されており、図35に示す電極E13は端子Tmz1に接続されているが、同一の電極E13に対して、これら2通りの配線を同時に行ってしまうと、端子Tfy1と端子Tmz1とが電極E13を仲介して短絡してしまうことになり、正しい検出結果を得ることはできない。
<<< §10. Actual electrode configuration >>
Incidentally, in FIGS. 30 to 35, wirings for obtaining six force components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz are shown separately, but force detection having a function of detecting all six components is shown. In the case of a device, a plurality of wirings cannot be performed on the same electrode. For example, the electrode E13 shown in FIG. 31 is connected to the terminal Tfy1, and the electrode E13 shown in FIG. 35 is connected to the terminal Tmz1, but these two wirings are performed simultaneously on the same electrode E13. As a result, the terminal Tfy1 and the terminal Tmz1 are short-circuited via the electrode E13, and a correct detection result cannot be obtained.
したがって、§9で述べた方法により、複数の容量素子を配線で並列接続する場合、同一符号の静電容量値が、異なる複数の式で用いられている場合には、物理的に別体の容量素子を設ける必要がある。上述の例の場合、電極E13として機能する2つの独立した電極を設け、一方は端子Tfy1に接続し、他方は端子Tmz1に接続すればよい。 Therefore, when a plurality of capacitive elements are connected in parallel by wiring according to the method described in §9, when capacitance values with the same sign are used in a plurality of different expressions, they are physically separated. It is necessary to provide a capacitive element. In the case of the above-described example, two independent electrodes functioning as the electrode E13 may be provided, one connected to the terminal Tfy1 and the other connected to the terminal Tmz1.
図36は、これまで述べてきた基本的な実施形態に係るセンサ構成用の電極配置の基本例を示す平面図である。図示のとおり、中心位置には、xyローカル座標系の原点Oが定義されており、x軸およびy軸上に、扇形状の固定電極E1,E2,E3,E4が配置され、原点Oの位置に円板状の固定電極E5が配置されている。なお、図36〜図40,図42におけるハッチングは、各電極の形状を明瞭に示すためのものであり、断面を示すものではない。 FIG. 36 is a plan view showing a basic example of electrode arrangement for sensor configuration according to the basic embodiment described so far. As shown, the origin O of the xy local coordinate system is defined at the center position, fan-shaped fixed electrodes E1, E2, E3, E4 are arranged on the x-axis and the y-axis, and the position of the origin O A disk-shaped fixed electrode E5 is disposed on the surface. The hatching in FIGS. 36 to 40 and 42 is for clearly showing the shape of each electrode, and does not show a cross section.
既に§3で述べたとおり、固定電極E1は、柱状体のx軸方向の傾斜度の検出に利用されるx軸正側電極であり、ローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成されている。また、固定電極E2は、柱状体のx軸方向の傾斜度の検出に利用されるx軸負側電極であり、ローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成されている。ここで、電極E1,E2それ自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなしている。しかも、電極E1と電極E2とからなる電極群に注目すると、当該電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしている。 As already described in §3, the fixed electrode E1 is an x-axis positive electrode used for detecting the inclination of the columnar body in the x-axis direction, and is formed in a region where the x-coordinate value in the local coordinate system is positive. Has been. The fixed electrode E2 is an x-axis negative side electrode used for detecting the inclination of the columnar body in the x-axis direction, and is formed in a region where the x-coordinate value in the local coordinate system is negative. Here, the electrodes E1 and E2 themselves have a shape that is line-symmetric with respect to the x-axis. Moreover, when attention is paid to an electrode group composed of the electrodes E1 and E2, the electrode group has a shape that is line-symmetric with respect to the y-axis.
同様に、固定電極E3は、柱状体のy軸方向の傾斜度の検出に利用されるy軸正側電極であり、ローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成されている。また、固定電極E4は、柱状体のy軸方向の傾斜度の検出に利用されるy軸負側電極であり、ローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成されている。ここで、電極E3,E4それ自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなしている。しかも、電極E3と電極E4とからなる電極群に注目すると、当該電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしている。 Similarly, the fixed electrode E3 is a y-axis positive electrode that is used to detect the inclination of the columnar body in the y-axis direction, and is formed in a region where the y-coordinate value in the local coordinate system is positive. The fixed electrode E4 is a y-axis negative electrode used for detecting the inclination of the columnar body in the y-axis direction, and is formed in a region where the y-coordinate value in the local coordinate system is negative. Here, the electrodes E3 and E4 themselves have a shape that is line-symmetric with respect to the y-axis. Moreover, when attention is paid to an electrode group including the electrodes E3 and E4, the electrode group has a shape that is line-symmetric with respect to the x-axis.
一方、固定電極E5は、柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力の検出に利用されるZ軸変位検出用電極である。この電極E5自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしている。 On the other hand, the fixed electrode E5 is a Z-axis displacement detection electrode used for detecting a force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire columnar body. The electrode E5 itself has a shape that is line symmetric with respect to both the x-axis and the y-axis.
各電極のこのような座標軸対称性は、既に述べたとおり、他軸干渉を防ぐ意味で重要である。このような座標軸対称性が確保されていなくても、理論上は、本発明のセンサを構成する検出子としての機能を果たさせることは可能であるが、検出値に係数を乗じるような複雑な処理が必要になるため、実用上は好ましくない。換言すれば、このような座標軸対称性を有していれば、各電極の形状および配置は、図36に例示するものに限定されるものではない。 Such coordinate axis symmetry of each electrode is important in the sense of preventing other-axis interference as described above. Even if such coordinate axis symmetry is not ensured, it is theoretically possible to perform the function as the detector constituting the sensor of the present invention, but the detection value is complicated by multiplying by a coefficient. This is not practically preferable because it requires a special treatment. In other words, as long as it has such coordinate axis symmetry, the shape and arrangement of each electrode are not limited to those illustrated in FIG.
図37は、センサ構成用の電極配置の第1の変形例を示す平面図である。ここで、電極E1aおよびE1bは、図36の電極E1と同等の機能を果たし、電極E2aおよびE2bは、図36の電極E2と同等の機能を果たす。但し、柱状体のx軸方向の傾斜度を検出する検出子を構成する組み合わせは、電極E1aとE2aにするか、電極E1bとE2bにする(組み合わせによって構成される電極群はy軸に関して線対称となる)。もちろん、E1aとE2bという組み合わせや、電極E1bとE2aという組み合わせによって、柱状体のx軸方向の傾斜度の検出子を構成することも理論上は可能であるが、対称性が確保されていないため、検出された静電容量値に個々の電極の面積に応じた係数を乗じるなどの処理が必要になり、実用上は好ましくない。 FIG. 37 is a plan view showing a first modification of the electrode arrangement for the sensor configuration. Here, the electrodes E1a and E1b perform the same function as the electrode E1 of FIG. 36, and the electrodes E2a and E2b perform the same function as the electrode E2 of FIG. However, the combination constituting the detector for detecting the inclination of the columnar body in the x-axis direction is the electrodes E1a and E2a or the electrodes E1b and E2b (the electrode group constituted by the combination is line-symmetric with respect to the y-axis. Become). Of course, it is theoretically possible to form a detector for the inclination of the columnar body in the x-axis direction by a combination of E1a and E2b or a combination of electrodes E1b and E2a, but symmetry is not ensured. Therefore, it is necessary to perform a process such as multiplying the detected capacitance value by a coefficient corresponding to the area of each electrode.
同様に、電極E3aおよびE3bは、図36の電極E3と同等の機能を果たし、電極E4aおよびE4bは、図36の電極E4と同等の機能を果たす。ここでも、柱状体のy軸方向の傾斜度を検出する検出子を構成する組み合わせは、検出子を構成する電極群がx軸に関して線対称となるようにするために、実用上は、電極E3aとE4aにするか、電極E3bとE4bにする。 Similarly, the electrodes E3a and E3b perform the same function as the electrode E3 in FIG. 36, and the electrodes E4a and E4b perform the same function as the electrode E4 in FIG. Also in this case, the combination constituting the detector for detecting the inclination of the columnar body in the y-axis direction is practically the electrode E3a so that the electrode group constituting the detector is axisymmetric with respect to the x-axis. And E4a, or electrodes E3b and E4b.
また、電極E5aおよびE5bは、図36の電極E5と同等の機能を果たす。すなわち、柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力の検出を行う検出子を構成する。電極E5aおよびE5bは、いずれもx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状という条件を満たしている。 Electrodes E5a and E5b perform the same function as electrode E5 in FIG. That is, a detector that detects the force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire columnar body is configured. The electrodes E5a and E5b both satisfy the condition of a shape that is line symmetric with respect to both the x axis and the y axis.
結局、図37に示す電極構成を採用すれば、図36に示す電極E1〜E5と同等の機能を果たす電極が、それぞれ2組ずつ得られることになる。もちろん、3組以上の電極を得る構成も可能である。このように、同一の機能を果たす電極は、必要に応じて複数組設けることができるので、複数の容量素子を配線で並列接続する場合、同一符号の静電容量値が、異なる複数の式で用いられている場合には、物理的に別体の容量素子を設けることが可能になり、これら別体の容量素子を構成する個々の電極に対して、それぞれ独立した配線を施すことが可能になる。 After all, if the electrode configuration shown in FIG. 37 is adopted, two sets of electrodes each having the same function as the electrodes E1 to E5 shown in FIG. 36 can be obtained. Of course, a configuration in which three or more sets of electrodes are obtained is also possible. As described above, a plurality of sets of electrodes having the same function can be provided as necessary. Therefore, when a plurality of capacitive elements are connected in parallel by wiring, the capacitance values with the same sign are expressed by a plurality of different expressions. When used, it is possible to physically provide separate capacitive elements, and it is possible to provide independent wiring to the individual electrodes constituting these separate capacitive elements. Become.
たとえば、図31に示す配線を行うために、電極E13を端子Tfy1に接続するとともに、図35に示す配線を行うために、同一の電極E13を端子Tmz1に接続する必要がある場合、図37に示す電極E3aを端子Tfy1に接続し、図37に示す電極E3bを端子Tmz1に接続すれば、端子Tfy1と端子Tmz1とが短絡することはない。もちろん、この場合、図37に示す電極E4aを端子Tfy2に接続し、図37に示す電極E4bを端子Tmz2に接続し、x軸に関する対称性が確保できるようにする。 For example, when it is necessary to connect the electrode E13 to the terminal Tfy1 to perform the wiring shown in FIG. 31 and to connect the same electrode E13 to the terminal Tmz1 to perform the wiring shown in FIG. If the electrode E3a shown is connected to the terminal Tfy1 and the electrode E3b shown in FIG. 37 is connected to the terminal Tmz1, the terminal Tfy1 and the terminal Tmz1 are not short-circuited. Of course, in this case, the electrode E4a shown in FIG. 37 is connected to the terminal Tfy2, and the electrode E4b shown in FIG. 37 is connected to the terminal Tmz2, so that symmetry about the x axis can be ensured.
以上、図36に示す個々の電極E1〜E5と同等の機能を果たす電極を複数組設ける例を示したが、これとは逆に、1つの電極を複数の部分電極の集合体として構成することもできる。たとえば、図38は、センサ構成用の電極配置の第2の変形例を示す平面図である。ここにも、図36に類似した電極構成が示されているが、これらの電極構成は、たとえば、次のようにして、図36に示す電極E1〜E5と対応づけることができる。 As described above, an example in which a plurality of sets of electrodes having the same functions as those of the individual electrodes E1 to E5 shown in FIG. 36 are provided has been described. On the contrary, one electrode is configured as an assembly of a plurality of partial electrodes. You can also. For example, FIG. 38 is a plan view showing a second modification of the electrode arrangement for sensor configuration. Here, electrode configurations similar to those in FIG. 36 are shown, but these electrode configurations can be associated with the electrodes E1 to E5 shown in FIG. 36 as follows, for example.
すなわち、図38に示されている一対の部分電極E1−1およびE1−2の集合体を、図36に示す電極E1として取り扱い、図38に示されている一対の部分電極E2−1およびE2−2の集合体を、図36に示す電極E2として取り扱い、図38に示されている一対の部分電極E3−1およびE3−2の集合体を、図36に示す電極E3として取り扱い、図38に示されている一対の部分電極E4−1およびE4−2の集合体を、図36に示す電極E4として取り扱い、図38に示されている一対の部分電極E5−1およびE5−2の集合体もしくは、一対の部分電極E5−3およびE5−4の集合体を、図36に示す電極E5として取り扱うのである。 That is, the assembly of the pair of partial electrodes E1-1 and E1-2 shown in FIG. 38 is handled as the electrode E1 shown in FIG. 36, and the pair of partial electrodes E2-1 and E2 shown in FIG. -2 is handled as the electrode E2 shown in FIG. 36, and the assembly of the pair of partial electrodes E3-1 and E3-2 shown in FIG. 38 is handled as the electrode E3 shown in FIG. The assembly of the pair of partial electrodes E4-1 and E4-2 shown in FIG. 36 is handled as the electrode E4 shown in FIG. 36, and the assembly of the pair of partial electrodes E5-1 and E5-2 shown in FIG. A body or an assembly of a pair of partial electrodes E5-3 and E5-4 is handled as an electrode E5 shown in FIG.
これらの部分電極は、単独では、座標軸に関する対称性を維持していないが、複数の集合体としては、座標軸に関する対称性を維持することになる。たとえば、電極E1−1は、単独では、x軸について対称性をもった図形ではないが、一対の部分電極E1−1およびE1−2の集合体は、x軸について対称性をもった図形になる。同様に、部分電極E5−1は、単独では、x軸についての対称性を有するものの、y軸についての対称性は有していない。しかし、一対の部分電極E5−1およびE5−2の集合体は、x軸およびy軸の双方に関して対称性を有している。 These partial electrodes alone do not maintain symmetry with respect to the coordinate axis, but as a plurality of aggregates, symmetry with respect to the coordinate axis is maintained. For example, the electrode E1-1 alone is not a figure having symmetry with respect to the x axis, but the aggregate of the pair of partial electrodes E1-1 and E1-2 has a figure having symmetry with respect to the x axis. Become. Similarly, the partial electrode E5-1 alone has symmetry with respect to the x-axis, but does not have symmetry with respect to the y-axis. However, the assembly of the pair of partial electrodes E5-1 and E5-2 has symmetry with respect to both the x-axis and the y-axis.
もちろん、上記の対応づけは、ほんの一例を示すものであり、この他にも様々な対応づけが可能である。たとえば、8枚の部分電極E1−1,E1−2,E2−1,E2−2,E3−1,E3−2,E4−1,E4−2からなる集合体は、x軸およびy軸の双方に関して対称性を有しているので、これを図36に示す電極E5として取り扱うことも可能である。 Of course, the above association is merely an example, and various other associations are possible. For example, an assembly composed of eight partial electrodes E1-1, E1-2, E2-1, E2-2, E3-1, E3-2, E4-1, and E4-2 has an x-axis and a y-axis. Since both have symmetry, it can be handled as an electrode E5 shown in FIG.
同様のことは、図37に示す電極構成にも言える。たとえば、図37における電極E1aは、単独では、図36に示す電極E1として取り扱うことができ、図37における電極E2aは、単独では、図36に示す電極E2として取り扱うことができるが、図37における電極E1a,E2aの集合体は、x軸およびy軸の双方に関して対称性を有しているので、これを図36に示す電極E5として取り扱うことも可能である。 The same applies to the electrode configuration shown in FIG. For example, the electrode E1a in FIG. 37 alone can be handled as the electrode E1 shown in FIG. 36, and the electrode E2a in FIG. 37 alone can be handled as the electrode E2 shown in FIG. Since the assembly of the electrodes E1a and E2a has symmetry with respect to both the x-axis and the y-axis, it can be handled as an electrode E5 shown in FIG.
要するに、特定の一容量素子を構成する一方の電極を、離隔して配置された複数の部分電極の集合体により構成することが可能であり、このような部分電極によって、必要な容量素子の電極を構成するようにすれば、電極構成パターンの自由度は極めて広範なものになる。 In short, it is possible to configure one electrode constituting a specific capacitive element by an assembly of a plurality of partial electrodes arranged apart from each other, and by using such partial electrodes, electrodes of necessary capacitive elements can be formed. If this is configured, the degree of freedom of the electrode configuration pattern becomes extremely wide.
なお、これまで例示した電極は、いずれも円を基調とした図形をしていたが、もちろん、電極の形状は必ずしも円を基調としたものに限定されるわけではない。図39は、センサ構成用の電極配置の第3の変形例を示す平面図である。この変形例は、図37に示す各電極E1a〜E5bの形状を、円を基調とした図形から矩形を基調とした図形に変更したものである。このように矩形を基調とした図形からなる電極構成をとった場合でも、座標軸に関する対称性はそのまま維持されている。 In addition, although all the electrodes illustrated so far were a figure based on a circle, of course, the shape of the electrode is not necessarily limited to that based on a circle. FIG. 39 is a plan view showing a third modification of the electrode arrangement for sensor configuration. In this modification, the shape of each of the electrodes E1a to E5b shown in FIG. 37 is changed from a figure based on a circle to a figure based on a rectangle. Thus, even when the electrode configuration is made of a figure based on a rectangle, the symmetry with respect to the coordinate axis is maintained as it is.
最後に、このような電極構成パターンの自由度を利用して、力の6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzすべての検出が可能な力検出装置に最適と思われる電極構成の例を述べておく。実際、このような電極構成パターンにより、成分Fx,Fyの算出に必要な係数α33およびβ23を1に設定することができる。 Finally, an example of an electrode configuration that seems to be optimal for a force detection device that can detect all six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz of force by using the degree of freedom of the electrode configuration pattern. Let me mention. In fact, the coefficients α33 and β23 necessary for calculating the components Fx and Fy can be set to 1 by such an electrode configuration pattern.
図40は、このような電極構成の第1の例を示す支持基板300の上面図であり、図41は、この電極構成における個々の電極の配線方法を示す図である。各電極に付した符号は、図15に示す電極E11〜E45との対応関係を示すものであり、後続する括弧付きの英文字(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz)は、当該電極が、力の6成分のいずれの検出に利用されるかを示している。また、各電極のハッチングは、この6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzに対応したハッチングパターンとなっている。すなわち、ドットによるハッチングが施された電極は、力成分Fx,Fy,Fzの検出に利用される電極であり(粗い点はFx,細かい点はFy,太点はFzを示す)、斜線によるハッチングが施された電極は、モーメント成分Mx,My,Mzの検出に利用される電極である(右上左下方向の斜線はMx,左上右下方向の斜線はMy,網目斜線はMzを示す)。視覚的な理解を助けるため、図41にも、対応するハッチングパターンを示してある。 FIG. 40 is a top view of a support substrate 300 showing a first example of such an electrode configuration, and FIG. 41 is a diagram showing a wiring method of individual electrodes in this electrode configuration. Symbols attached to the respective electrodes indicate correspondences with the electrodes E11 to E45 shown in FIG. 15, and the following English letters with parentheses (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) Indicates which of the six components of force is used for detection. The hatching of each electrode is a hatching pattern corresponding to these six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz. That is, the hatched electrode is an electrode used for detecting force components Fx, Fy, and Fz (coarse points indicate Fx, fine points indicate Fy, and thick points indicate Fz), and hatched hatching. Are applied to detection of moment components Mx, My, and Mz (the upper right lower left oblique line is Mx, the upper left lower right oblique line is My, and the mesh oblique line is Mz). To aid visual understanding, FIG. 41 also shows the corresponding hatch pattern.
図41には、これら各電極の配線とともに、各成分の検出に利用される演算式(図25に示す演算式の中からパラメータi,jで選択された特定の演算式)が示されている。 FIG. 41 shows the calculation formulas (specific calculation formulas selected by parameters i and j from the calculation formulas shown in FIG. 25) used for detecting each component, together with the wiring of these electrodes. .
まず、成分Fxについては、i=3,j=3に設定し、「Fx=Fx3*−α33・My3」なる演算式が選択されている。ここで、図40に示す電極パターンでは、α33=1になるので、実際の静電容量値を用いた式は、「Fx=(C31+C41+C25)−(C32+C42+C15)」となる。したがって、図示のとおり、電極E31(Fx),E41(Fx),E25(Fx)を端子Tfx1に配線し、電極E32(Fx),E42(Fx),E15(Fx)を端子Tfx2に配線すれば、両端子に生じる電気信号の差によって、成分Fxを得ることができる。 First, for the component Fx, i = 3 and j = 3 are set, and an arithmetic expression “Fx = Fx3 * −α33 · My3” is selected. Here, in the electrode pattern shown in FIG. 40, α33 = 1, so the equation using the actual capacitance value is “Fx = (C31 + C41 + C25) − (C32 + C42 + C15)”. Therefore, as shown in the figure, the electrodes E31 (Fx), E41 (Fx), and E25 (Fx) are wired to the terminal Tfx1, and the electrodes E32 (Fx), E42 (Fx), and E15 (Fx) are wired to the terminal Tfx2. The component Fx can be obtained by the difference between the electrical signals generated at both terminals.
このような方法によって、成分Fxが得られるのは、一対の電極E31(Fx),E32(Fx)に生じる信号の差によって、第3の柱状体T3のX軸方向の傾斜度を検出し、一対の電極E41(Fx),E42(Fx)に生じる信号の差によって、第4の柱状体T4のX軸方向の傾斜度を検出し、これら傾斜度の和によって誤差を含んだ成分Fx*を求め、当該誤差(成分Myの他軸干渉)を、一対の電極E15(Fx),E25(Fx)に生じる信号の差によって相殺しているためである。 By such a method, the component Fx is obtained by detecting the inclination of the third columnar body T3 in the X-axis direction based on the difference between signals generated at the pair of electrodes E31 (Fx) and E32 (Fx). The inclination of the fourth columnar body T4 in the X-axis direction is detected based on the difference between the signals generated at the pair of electrodes E41 (Fx) and E42 (Fx), and a component Fx * including an error is detected by the sum of these inclinations. This is because the obtained error (other-axis interference of the component My) is canceled by the difference between the signals generated at the pair of electrodes E15 (Fx) and E25 (Fx).
成分Fyについては、i=2,j=3に設定し、「Fy=Fy2*+β23・Mx3」なる演算式が選択されている。やはり、図40に示す電極パターンでは、β23=1になるので、実際の静電容量値を用いた式は、「Fy=(C13+C23+C45)−(C14+C24+C35)」となる。したがって、図示のとおり、電極E13(Fy),E23(Fy),E45(Fy)を端子Tfy1に配線し、電極E14(Fy),E24(Fy),E35(Fy)を端子Tfy2に配線すれば、両端子に生じる電気信号の差によって、成分Fyを得ることができる。 For the component Fy, i = 2 and j = 3 are set, and an arithmetic expression “Fy = Fy2 * + β23 · Mx3” is selected. Again, since β23 = 1 in the electrode pattern shown in FIG. 40, the formula using the actual capacitance value is “Fy = (C13 + C23 + C45) − (C14 + C24 + C35)”. Therefore, as shown in the drawing, the electrodes E13 (Fy), E23 (Fy), and E45 (Fy) are wired to the terminal Tfy1, and the electrodes E14 (Fy), E24 (Fy), and E35 (Fy) are wired to the terminal Tfy2. The component Fy can be obtained by the difference between the electrical signals generated at both terminals.
このような方法によって、成分Fyが得られるのは、一対の電極E13(Fy),E14(Fy)に生じる信号の差によって、第1の柱状体T1のY軸方向の傾斜度を検出し、一対の電極E23(Fy),E24(Fy)に生じる信号の差によって、第2の柱状体T2のY軸方向の傾斜度を検出し、これら傾斜度の和によって誤差を含んだ成分Fy*を求め、当該誤差(成分Mxの他軸干渉)を、一対の電極E35(Fy),E45(Fy)に生じる信号の差によって相殺しているためである。 By such a method, the component Fy is obtained by detecting the inclination of the first columnar body T1 in the Y-axis direction based on the difference between signals generated at the pair of electrodes E13 (Fy) and E14 (Fy). The inclination of the second columnar body T2 in the Y-axis direction is detected based on the difference between the signals generated at the pair of electrodes E23 (Fy) and E24 (Fy), and a component Fy * including an error is detected by the sum of these inclinations. This is because the obtained error (other-axis interference of the component Mx) is canceled out by the difference between the signals generated at the pair of electrodes E35 (Fy) and E45 (Fy).
成分Fzについては、i=3に設定し、「Fz=Fz3」なる演算式が選択されており、実際の静電容量値を用いた式は、「Fz=−(C15+C25+C35+C45)」となる。したがって、図示のとおり、電極E15(Fz),E25(Fz),E35(Fz),E45(Fz)を端子Tfz(−)に配線すれば、端子Tfz(−)に生じる電気信号の符号を逆転することによって、成分Fzを得ることができる。 For the component Fz, i = 3 is set, and an arithmetic expression “Fz = Fz3” is selected, and an expression using an actual capacitance value is “Fz = − (C15 + C25 + C35 + C45)”. Therefore, as shown in the figure, if the electrodes E15 (Fz), E25 (Fz), E35 (Fz), and E45 (Fz) are wired to the terminal Tfz (−), the sign of the electric signal generated at the terminal Tfz (−) is reversed. By doing so, the component Fz can be obtained.
成分Mxについては、i=3に設定し、「Mx=Mx3」なる演算式が選択されており、実際の静電容量値を用いた式は、「Mx=C45−C35」となる。したがって、図示のとおり、電極E35(Mx)を端子Tmx1に配線し、電極E45(Mx)を端子Tmx2に配線すれば、両端子に生じる電気信号の差によって、成分Mxを得ることができる。 For the component Mx, i = 3 is set, and an arithmetic expression “Mx = Mx3” is selected, and an expression using an actual capacitance value is “Mx = C45−C35”. Therefore, as shown in the drawing, if the electrode E35 (Mx) is wired to the terminal Tmx1 and the electrode E45 (Mx) is wired to the terminal Tmx2, the component Mx can be obtained by the difference between the electrical signals generated at both terminals.
成分Myについては、i=3に設定し、「My=My3」なる演算式が選択されており、実際の静電容量値を用いた式は、「My=C15−C25」となる。したがって、図示のとおり、電極E15(My)を端子Tmy1に配線し、電極E25(My)を端子Tmy2に配線すれば、両端子に生じる電気信号の差によって、成分Myを得ることができる。 For the component My, i = 3 is set, and an arithmetic expression “My = My3” is selected, and an expression using an actual capacitance value is “My = C15−C25”. Therefore, as shown in the drawing, if the electrode E15 (My) is wired to the terminal Tmy1 and the electrode E25 (My) is wired to the terminal Tmy2, the component My can be obtained due to the difference between the electrical signals generated at both terminals.
成分Mzについては、i=1に設定し、「Mz=Mz1」なる演算式が選択されており、実際の静電容量値を用いた式は、「Mz=(C13+C24+C32+C41)−(C14+C23+C31+C42)」となる。したがって、図示のとおり、電極E13(Mz),E24(Mz),E32(Mz),E41(Mz)を端子Tmz1に配線し、電極E14(Mz),E23(Mz),E31(Mz),E42(Mz)を端子Tmz2に配線すれば、両端子に生じる電気信号の差によって、成分Mzを得ることができる。 For the component Mz, the calculation formula “Mz = Mz1” is selected by setting i = 1, and the formula using the actual capacitance value is “Mz = (C13 + C24 + C32 + C41) − (C14 + C23 + C31 + C42)”. Become. Therefore, as illustrated, the electrodes E13 (Mz), E24 (Mz), E32 (Mz), and E41 (Mz) are wired to the terminal Tmz1, and the electrodes E14 (Mz), E23 (Mz), E31 (Mz), and E42 are connected. If (Mz) is wired to the terminal Tmz2, the component Mz can be obtained by the difference between the electrical signals generated at both terminals.
図42は、力の6成分Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzすべての検出が可能な力検出装置に最適と思われる電極構成の第2の例を示す支持基板300の上面図であり、図43は、この電極構成における個々の電極の配線方法を示す図である。やはり各電極に付した符号は、図15に示す電極E11〜E45との対応関係を示すものであり、後続する括弧付きの英文字(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz)は、当該電極が、力の6成分のいずれの検出に利用されるかを示している。また、各電極のハッチングの意味も、前述した第1の例と同様である。視覚的な理解を助けるため、図43にも、対応するハッチングパターンを示してある。 FIG. 42 is a top view of the support substrate 300 showing a second example of an electrode configuration that seems to be optimal for a force detection device capable of detecting all six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz of force. FIG. 43 is a diagram showing a wiring method of individual electrodes in this electrode configuration. The reference numerals attached to the respective electrodes indicate the correspondence with the electrodes E11 to E45 shown in FIG. 15, and the following English letters with parentheses (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) It shows which of the six components of force the electrode is used for detection. Further, the meaning of hatching of each electrode is the same as that in the first example. To aid in visual understanding, FIG. 43 also shows the corresponding hatch pattern.
まず、成分Fxについては、i=3,j=3に設定し、「Fx=Fx3*−α33・My3」なる演算式が選択されている。ここで、図42に示す電極パターンでは、α33=1になるので、実際の静電容量値を用いた式は、「Fx=(C31+C41+C25)−(C32+C42+C15)」となる。したがって、図示のとおり、電極E31(Fx),E41(Fx),E25−1(Fx),E25−2(Fx)を端子Tfx1に配線し、電極E32(Fx),E42(Fx),E15−1(Fx),E15−2(Fx)を端子Tfx2に配線すれば、両端子に生じる電気信号の差によって、成分Fxを得ることができる。 First, for the component Fx, i = 3 and j = 3 are set, and an arithmetic expression “Fx = Fx3 * −α33 · My3” is selected. Here, in the electrode pattern shown in FIG. 42, α33 = 1, so the formula using the actual capacitance value is “Fx = (C31 + C41 + C25) − (C32 + C42 + C15)”. Therefore, as shown, the electrodes E31 (Fx), E41 (Fx), E25-1 (Fx), E25-2 (Fx) are wired to the terminal Tfx1, and the electrodes E32 (Fx), E42 (Fx), E15- If 1 (Fx) and E15-2 (Fx) are wired to the terminal Tfx2, the component Fx can be obtained by the difference between the electrical signals generated at both terminals.
ここで、電極E15−1(Fx),E15−2(Fx)は、それぞれ部分電極であり、両者の集合体が、電極E15(Fx)として機能する。同様に、電極E25−1(Fx),E25−2(Fx)は、それぞれ部分電極であり、両者の集合体が、電極E25(Fx)として機能する。 Here, the electrodes E15-1 (Fx) and E15-2 (Fx) are partial electrodes, respectively, and the aggregate of both functions as the electrode E15 (Fx). Similarly, the electrodes E25-1 (Fx) and E25-2 (Fx) are partial electrodes, respectively, and the aggregate of both functions as the electrode E25 (Fx).
このような方法によって、成分Fxが得られるのは、一対の電極E31(Fx),E32(Fx)に生じる信号の差によって、第3の柱状体T3のX軸方向の傾斜度を検出し、一対の電極E41(Fx),E42(Fx)に生じる信号の差によって、第4の柱状体T4のX軸方向の傾斜度を検出し、これら傾斜度の和によって誤差を含んだ成分Fx*を求め、当該誤差(成分Myの他軸干渉)を、電極E15(Fx)[実際には、部分電極E15−1(Fx)とE15−2(Fx)との集合体]と、電極E25(Fx)[実際には、部分電極E25−1(Fx)とE25−2(Fx)との集合体]と、に生じる信号の差によって相殺しているためである。 By such a method, the component Fx is obtained by detecting the inclination of the third columnar body T3 in the X-axis direction based on the difference between signals generated at the pair of electrodes E31 (Fx) and E32 (Fx). The inclination of the fourth columnar body T4 in the X-axis direction is detected based on the difference between the signals generated at the pair of electrodes E41 (Fx) and E42 (Fx), and a component Fx * including an error is detected by the sum of these inclinations. The error (the other-axis interference of the component My) is obtained, and the electrode E15 (Fx) [actually, an assembly of the partial electrodes E15-1 (Fx) and E15-2 (Fx)] and the electrode E25 (Fx This is because the difference is caused by the difference in signal generated between the partial electrodes E25-1 (Fx) and E25-2 (Fx).
成分Fyについては、i=2,j=3に設定し、「Fy=Fy2*+β23・Mx3」なる演算式が選択されている。やはり、図42に示す電極パターンでは、β23=1になるので、実際の静電容量値を用いた式は、「Fy=(C13+C23+C45)−(C14+C24+C35)」となる。したがって、図示のとおり、電極E13(Fy),E23(Fy),E45−1(Fy),E45−2(Fy)を端子Tfy1に配線し、電極E14(Fy),E24(Fy),E35−1(Fy),E35−2(Fy)を端子Tfy2に配線すれば、両端子に生じる電気信号の差によって、成分Fyを得ることができる。 For the component Fy, i = 2 and j = 3 are set, and an arithmetic expression “Fy = Fy2 * + β23 · Mx3” is selected. Again, β23 = 1 in the electrode pattern shown in FIG. 42, so the equation using the actual capacitance value is “Fy = (C13 + C23 + C45) − (C14 + C24 + C35)”. Therefore, as shown, the electrodes E13 (Fy), E23 (Fy), E45-1 (Fy), E45-2 (Fy) are wired to the terminal Tfy1, and the electrodes E14 (Fy), E24 (Fy), E35- If 1 (Fy) and E35-2 (Fy) are wired to the terminal Tfy2, the component Fy can be obtained by the difference between the electrical signals generated at both terminals.
ここで、電極E35−1(Fy),E35−2(Fy)は、それぞれ部分電極であり、両者の集合体が、電極E35(Fy)として機能する。同様に、電極E45−1(Fy),E45−2(Fy)は、それぞれ部分電極であり、両者の集合体が、電極E45(Fy)として機能する。 Here, the electrodes E35-1 (Fy) and E35-2 (Fy) are partial electrodes, respectively, and the aggregate of both functions as the electrode E35 (Fy). Similarly, the electrodes E45-1 (Fy) and E45-2 (Fy) are partial electrodes, respectively, and the aggregate of both functions as the electrode E45 (Fy).
このような方法によって、成分Fyが得られるのは、一対の電極E13(Fy),E14(Fy)に生じる信号の差によって、第1の柱状体T1のY軸方向の傾斜度を検出し、一対の電極E23(Fy),E24(Fy)に生じる信号の差によって、第2の柱状体T2のY軸方向の傾斜度を検出し、これら傾斜度の和によって誤差を含んだ成分Fy*を求め、当該誤差(成分Mxの他軸干渉)を、電極E35(Fy)[実際には、部分電極E35−1(Fy)とE35−2(Fy)との集合体]と、電極E45(Fy)[実際には、部分電極E45−1(Fy)とE45−2(Fy)との集合体]と、に生じる信号の差によって相殺しているためである。 By such a method, the component Fy is obtained by detecting the inclination of the first columnar body T1 in the Y-axis direction based on the difference between signals generated at the pair of electrodes E13 (Fy) and E14 (Fy). The inclination of the second columnar body T2 in the Y-axis direction is detected based on the difference between the signals generated at the pair of electrodes E23 (Fy) and E24 (Fy), and a component Fy * including an error is detected by the sum of these inclinations. The error (the other-axis interference of the component Mx) is obtained by using the electrode E35 (Fy) [actually, an assembly of the partial electrodes E35-1 (Fy) and E35-2 (Fy)] and the electrode E45 (Fy This is because they are canceled by the difference in signal generated between the partial electrodes E45-1 (Fy) and E45-2 (Fy).
成分Fzについては、i=3に設定し、「Fz=Fz3」なる演算式が選択されており、実際の静電容量値を用いた式は、「Fz=−(C15+C25+C35+C45)」となる。したがって、図示のとおり、電極E15(Fz),E25(Fz),E35(Fz),E45(Fz)を端子Tfz(−)に配線すれば、端子Tfz(−)に生じる電気信号の符号を逆転することによって、成分Fzを得ることができる。 For the component Fz, i = 3 is set, and an arithmetic expression “Fz = Fz3” is selected, and an expression using an actual capacitance value is “Fz = − (C15 + C25 + C35 + C45)”. Therefore, as shown in the figure, if the electrodes E15 (Fz), E25 (Fz), E35 (Fz), and E45 (Fz) are wired to the terminal Tfz (−), the sign of the electric signal generated at the terminal Tfz (−) is reversed. By doing so, the component Fz can be obtained.
成分Mxについては、i=3に設定し、「Mx=Mx3」なる演算式が選択されており、実際の静電容量値を用いた式は、「Mx=C45−C35」となる。したがって、図示のとおり、電極E35−1(Mx),E35−2(Mx)を端子Tmx1に配線し、電極E45−1(Mx),E45−2(Mx)を端子Tmx2に配線すれば、両端子に生じる電気信号の差によって、成分Mxを得ることができる。ここで、電極E35−1(Mx),E35−2(Mx)は、それぞれ部分電極であり、両者の集合体が、電極E35(Mx)として機能する。同様に、電極E45−1(Mx),E45−2(Mx)は、それぞれ部分電極であり、両者の集合体が、電極E45(Mx)として機能する。 For the component Mx, i = 3 is set, and an arithmetic expression “Mx = Mx3” is selected, and an expression using an actual capacitance value is “Mx = C45−C35”. Therefore, as shown in the drawing, if the electrodes E35-1 (Mx) and E35-2 (Mx) are wired to the terminal Tmx1, and the electrodes E45-1 (Mx) and E45-2 (Mx) are wired to the terminal Tmx2, both ends The component Mx can be obtained by the difference in the electrical signal generated in the child. Here, the electrodes E35-1 (Mx) and E35-2 (Mx) are partial electrodes, respectively, and the aggregate of both functions as the electrode E35 (Mx). Similarly, the electrodes E45-1 (Mx) and E45-2 (Mx) are partial electrodes, respectively, and the aggregate of both functions as the electrode E45 (Mx).
成分Myについては、i=3に設定し、「My=My3」なる演算式が選択されており、実際の静電容量値を用いた式は、「My=C15−C25」となる。したがって、図示のとおり、電極E15−1(My),E15−2(My)を端子Tmy1に配線し、電極E25−1(My),E25−2(My)を端子Tmy2に配線すれば、両端子に生じる電気信号の差によって、成分Myを得ることができる。ここで、電極E15−1(My),E15−2(My)は、それぞれ部分電極であり、両者の集合体が、電極E15(My)として機能する。同様に、電極E25−1(My),E25−2(My)は、それぞれ部分電極であり、両者の集合体が、電極E25(My)として機能する。 For the component My, i = 3 is set, and an arithmetic expression “My = My3” is selected, and an expression using an actual capacitance value is “My = C15−C25”. Therefore, as shown in the drawing, if the electrodes E15-1 (My) and E15-2 (My) are wired to the terminal Tmy1, and the electrodes E25-1 (My) and E25-2 (My) are wired to the terminal Tmy2, both ends The component My can be obtained by the difference between the electrical signals generated in the child. Here, the electrodes E15-1 (My) and E15-2 (My) are partial electrodes, respectively, and the aggregate of both functions as the electrode E15 (My). Similarly, the electrodes E25-1 (My) and E25-2 (My) are partial electrodes, respectively, and the aggregate of both functions as the electrode E25 (My).
成分Mzについては、i=1に設定し、「Mz=Mz1」なる演算式が選択されており、実際の静電容量値を用いた式は、「Mz=(C13+C24+C32+C41)−(C14+C23+C31+C42)」となる。したがって、図示のとおり、電極E13(Mz),E24(Mz),E32(Mz),E41(Mz)を端子Tmz1に配線し、電極E14(Mz),E23(Mz),E31(Mz),E42(Mz)を端子Tmz2に配線すれば、両端子に生じる電気信号の差によって、成分Mzを得ることができる。 For the component Mz, the calculation formula “Mz = Mz1” is selected by setting i = 1, and the formula using the actual capacitance value is “Mz = (C13 + C24 + C32 + C41) − (C14 + C23 + C31 + C42)”. Become. Therefore, as illustrated, the electrodes E13 (Mz), E24 (Mz), E32 (Mz), and E41 (Mz) are wired to the terminal Tmz1, and the electrodes E14 (Mz), E23 (Mz), E31 (Mz), and E42 are connected. If (Mz) is wired to the terminal Tmz2, the component Mz can be obtained by the difference between the electrical signals generated at both terminals.
10:受力体
11:第1の柱状体
12:第2の柱状体
13:第3の柱状体
14:第4の柱状体
20:支持基板
21:第1のセンサ
22:第2のセンサ
23:第3のセンサ
24:第4のセンサ
30:検出回路
40:支持基板
50:椀状接続部材
51:肉薄部(共通変位電極)
52:側壁部
53:固定部
60:柱状体
100:受力体
110:円柱突起部
115:上端側肉薄部
120:円柱突起部
125:上端側肉薄部
130:円柱突起部
135:上端側肉薄部
140:円柱突起部
145:上端側肉薄部
200:中間体
210:円柱突起部
215:下端側肉薄部
220:円柱突起部
225:下端側肉薄部
230:円柱突起部
235:下端側肉薄部
240:円柱突起部
245:下端側肉薄部
250:制御壁
260:制御壁
300:支持基板
400:測定用治具
410:接続部
420:上蓋部
430:側壁部
440:フランジ部
C11〜C45:容量素子/容量素子の静電容量値
d1〜d3:空隙寸法
E1〜E5,E1a〜E5b:固定電極
E11〜E15:第1のセンサ用の個々の固定電極
E21〜E25:第2のセンサ用の個々の固定電極
E31〜E35:第3のセンサ用の個々の固定電極
E41〜E45:第4のセンサ用の個々の固定電極
Fx:X軸方向の力
fx,:x軸方向の力
Fx*,Fx1*〜Fx3*,Fxi*:Fxを算出する中間段階の値
Fy:Y軸方向の力
Fy*,Fy1*〜Fy3*,Fyi*:Fyを算出する中間段階の値
Fz,Fz1〜Fz3:Z軸方向の力
fz:支持基板に対して作用する引っ張り力/押圧力
G11〜G34:溝部
Mx,Mx1〜Mx3,Mxj:X軸まわりのモーメント
My,My1〜My3,Myj:Y軸まわりのモーメント
Mz,Mz1〜Mz3:Z軸まわりのモーメント
O:座標系の原点
O′:補助座標系の原点
P1〜P3:作用点
r1,r2:原点から作用点までの長さ
S1〜S4:多軸力センサ
T1〜T4:柱状体
Tfx1,Tfx2:力Fx検出用の端子
Tfy1,Tfy2:力Fy検出用の端子
Tfz:力Fz検出用の端子
Tmx1,Tmx2:モーメントMx検出用の端子
Tmy1,Tmy2:モーメントMy検出用の端子
Tmz1,Tmz2:モーメントMz検出用の端子
XYZ:検出対象となる力を定義するための三次元座標系
X′Y′Z′:受力体の中心位置に原点をもつ補助座標系
xyz:支持基板の上面に定義されたローカル座標系
αi,αj:演算値
α,αij:補正係数
βi,βj:演算値
β,βij:補正係数
θ1,θ2:柱状体11,12の傾斜角
10: Power receiving body 11: First columnar body 12: Second columnar body 13: Third columnar body 14: Fourth columnar body 20: Support substrate 21: First sensor 22: Second sensor 23 : Third sensor 24: fourth sensor 30: detection circuit 40: support substrate 50: bowl-shaped connection member 51: thin part (common displacement electrode)
52: Side wall part 53: Fixed part 60: Columnar body 100: Power receiving body 110: Columnar projection part 115: Upper end side thin part 120: Columnar projection part 125: Upper end side thin part 130: Columnar projection part 135: Upper end side thin part 140: Columnar projection 145: Upper end thin portion 200: Intermediate 210: Columnar projection 215: Lower end thin portion 220: Columnar projection 225: Lower end thin portion 230: Columnar projection 235: Lower end thin portion 240: Cylindrical protrusion 245: Lower end thin portion 250: Control wall 260: Control wall 300: Support substrate 400: Measuring jig 410: Connection portion 420: Upper lid portion 430: Side wall portion 440: Flange portions C11 to C45: Capacitance element / Capacitance values d1 to d3 of the capacitive elements: gap sizes E1 to E5, E1a to E5b: fixed electrodes E11 to E15: individual fixed electrodes E21 to E25 for the first sensor: second sensor Individual fixed electrode E31~E35: third individual fixed electrode sensor E41~E45: fourth individual fixed electrode sensor Fx: X-axis direction force fx,: force in the x-axis direction Fx * , Fx1 * to Fx3 * , Fxi * : intermediate stage value for calculating Fx Fy: force Yy direction Fy * , Fy1 * to Fy3 * , Fyi * : intermediate stage value Fz for calculating Fy, Fz1 to Fz3 : Force in the Z-axis direction fz: Tensile force / pressing force acting on the support substrate G11 to G34: Grooves Mx, Mx1 to Mx3, Mxj: Moments My, My1 to My3, Myj around the X axis Moments Mz, Mz1 to Mz3: Moment around Z axis: Origin of coordinate system O ′: Origin of auxiliary coordinate system P1 to P3: Action points r1, r2: Length from origin to action point S1 to S4: Multi-axis Force T1-T4: Columnar bodies Tfx1, Tfx2: Force Fx detection terminals Tfy1, Tfy2: Force Fy detection terminals Tfz: Force Fz detection terminals Tmx1, Tmx2: Moment Mx detection terminals Tmy1, Tmy2: Moment My detection terminals Tmz1, Tmz2: Moment Mz detection terminals XYZ: Three-dimensional coordinate system X'Y'Z 'for defining a force to be detected: Auxiliary coordinates having an origin at the center position of the force receiving body System xyz: Local coordinate system αi, αj defined on the upper surface of the support substrate: Calculation values α, αij: Correction coefficients βi, βj: Calculation values β, βij: Correction coefficients θ1, θ2: Inclination angles of the columnar bodies 11, 12
Claims (21)
前記第1の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続され、前記第1の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して前記支持基板に接続され、
前記第2の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続され、前記第2の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して前記支持基板に接続され、
XY平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
前記第1の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、
前記第2の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、
前記第1の柱状体の下端近傍に配置され、前記第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第1の柱状体全体から前記支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第1のセンサと、
前記第2の柱状体の下端近傍に配置され、前記第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第2の柱状体全体から前記支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第2のセンサと、
前記第1のセンサの検出結果と前記第2のセンサの検出結果とに基づいて、前記受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを求め、これを出力する処理を行う検出回路と、
を更に備え、
前記検出回路は、
前記第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と前記第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx*を求める演算機能と、
前記第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と前記第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との差Myを求める演算機能と、
所定の係数αを用いた演算式「Fx=Fx*−α・My」に基づいて、前記受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを求める演算機能と、
を有し、
前記係数αが、Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる前記和Fx*の値Fx*(0)および前記差Myの値My(0)を用いた式「α=Fx*(0)/My(0)」で与えられる値に設定されていることを特徴とする力検出装置。 A support substrate, a force receiving body disposed above the support substrate, a first columnar body for connecting the support substrate and the force receiving body, and connecting the support substrate and the force receiving body. And a second columnar body for detecting the force acting on the power receiving body in a state where the support substrate is fixed,
An upper end of the first columnar body is connected to the power receiving body via a flexible member, and a lower end of the first columnar body is supported by the flexible member. Connected to the board,
The upper end of the second columnar body is connected to the force receiving body via a flexible member, and the lower end of the second columnar body is supported by the flexible member. Connected to the board,
An XY plane is positioned so as to be parallel to the upper surface of the support substrate at or above the upper surface of the support substrate, and the Z axis with the upper side being positive and the lower side being negative is substantially the center of the upper surface of the support substrate When defining the XYZ three-dimensional coordinate system to pass through the position,
The first columnar body is disposed at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects the positive part of the X axis,
The second columnar body is arranged at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects the negative part of the X axis,
A detector that is disposed near the lower end of the first columnar body and detects the inclination of the first columnar body in the X-axis direction, and Z that is applied to the support substrate from the entire first columnar body A first sensor having a detector for detecting a force in the axial direction;
A detector that is disposed near the lower end of the second columnar body and detects the inclination of the second columnar body in the X-axis direction, and Z that is applied to the support substrate from the entire second columnar body A second sensor having a detector for detecting a force in the axial direction;
A detection circuit that performs processing for obtaining an X-axis direction component Fx of the force acting on the force receiving body and outputting the obtained force based on the detection result of the first sensor and the detection result of the second sensor;
Further comprising
The detection circuit includes:
A calculation function for obtaining a sum Fx * of the inclination of the first columnar body in the X-axis direction and the inclination of the second columnar body in the X-axis direction
A calculation function for obtaining a difference My between the force in the Z-axis direction applied by the first columnar body and the force in the Z-axis direction applied by the second columnar body;
An arithmetic function for obtaining an X-axis direction component Fx of the force acting on the force receiving body based on an arithmetic expression “Fx = Fx * −α · My” using a predetermined coefficient α;
Have
The coefficient α is an expression “α = Fx * () using the value Fx * (0) of the sum Fx * and the value My (0) of the difference My obtained in an environment where only the moment about the Y-axis acts. 0) / My (0) ”is set to a value given by the force detection device.
検出回路が、求めた差Myを、受力体に作用した力のY軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うことを特徴とする力検出装置。 The force detection device according to claim 1,
A force detection device, wherein the detection circuit performs a process of outputting the obtained difference My as a moment component around the Y axis of the force acting on the force receiving body.
検出回路が、第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との和Fzを求める演算機能を更に有し、求めた和Fzを、受力体に作用した力のZ軸方向成分として出力する処理を行うことを特徴とする力検出装置。 The force detection device according to claim 1 or 2,
The detection circuit further has a calculation function for obtaining a sum Fz of the force in the Z-axis direction applied by the first columnar body and the force in the Z-axis direction applied by the second columnar body, and the obtained sum Fz Is output as a Z-axis direction component of the force acting on the force receiving body.
第1のセンサが、第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子を更に有し、第2のセンサが、第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子を更に有し、
検出回路が、第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との差Mzを求める演算機能を更に有し、求めた差Mzを、受力体に作用した力のZ軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うことを特徴とする力検出装置。 In the force detection apparatus in any one of Claims 1-3,
Detection in which the first sensor further includes a detector that detects the inclination of the first columnar body in the Y-axis direction, and the second sensor detects the inclination of the second columnar body in the Y-axis direction. Have a child,
The detection circuit further has a calculation function for obtaining a difference Mz between the inclination of the first columnar body in the Y-axis direction and the inclination of the second columnar body in the Y-axis direction. A force detection device that performs a process of outputting a force acting on a body as a moment component around a Z-axis.
各柱状体の上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、前記上端側肉薄部は、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、
各柱状体の下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、前記下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されていることを特徴とする力検出装置。 In the force detection device according to any one of claims 1 to 4,
The upper end side thin portion having flexibility is connected to the upper end of each columnar body, the upper end side thin portion is connected to the power receiving body at the periphery, and the lower surface center portion is the columnar body. Connected to the top edge,
A flexible lower end side thin portion is connected to the lower end of each columnar body, and the lower end side thin portion is located at an upper position at a predetermined distance from the upper surface of the support substrate. The force detection device is characterized in that the periphery thereof is connected to the support substrate via a pedestal and the center portion of the upper surface thereof is connected to the lower end of the columnar body so as to be arranged in parallel with each other.
各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、
柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子として、
支持基板の上面において、x座標値が正となる領域に形成された第1の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の電極に対向する位置に形成された第1の対向電極と、によって構成される第1の容量素子と、
支持基板の上面において、x座標値が負となる領域に形成された第2の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の電極に対向する位置に形成された第2の対向電極と、によって構成される第2の容量素子と、
を有し、前記第1の容量素子の静電容量値C1と前記第2の容量素子の静電容量値C2との差を柱状体のX軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、
柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子が必要な場合には、当該検出子として、
支持基板の上面において、y座標値が正となる領域に形成された第3の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の電極に対向する位置に形成された第3の対向電極と、によって構成される第3の容量素子と、
支持基板の上面において、y座標値が負となる領域に形成された第4の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の電極に対向する位置に形成された第4の対向電極と、によって構成される第4の容量素子と、
を有し、前記第3の容量素子の静電容量値C3と前記第4の容量素子の静電容量値C4との差を柱状体のY軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、
柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子として、
支持基板の上面に形成された第5の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第5の電極に対向する位置に形成された第5の対向電極と、によって構成される第5の容量素子を有し、前記第5の容量素子の静電容量値C5を柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力として求める検出子が用いられ、
前記第1の電極自身および前記第2の電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、前記第1の電極と前記第2の電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、
前記第3の電極自身および前記第4の電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、前記第3の電極と前記第4の電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、
前記第5の電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしていることを特徴とする力検出装置。 The force detection device according to claim 5,
For each columnar body, an xy two-dimensional local coordinate having an origin at the intersection of the central axis of the columnar body and the upper surface of the support substrate, an x-axis parallel to the X-axis, and a y-axis parallel to the Y-axis When defining a system,
As a detector for detecting the inclination of the columnar body in the X-axis direction,
A first electrode formed in a region where the x-coordinate value is positive on the upper surface of the support substrate, and a first counter electrode formed at a position facing the first electrode on the lower surface of the lower end side thin portion A first capacitive element configured by:
A second electrode formed in a region where the x-coordinate value is negative on the upper surface of the support substrate, and a second counter electrode formed at a position facing the second electrode on the lower surface of the lower end side thin portion A second capacitive element configured by:
And a detector for obtaining a difference between the capacitance value C1 of the first capacitive element and the capacitance value C2 of the second capacitive element as an inclination in the X-axis direction of the columnar body,
When a detector that detects the inclination of the columnar body in the Y-axis direction is necessary,
A third electrode formed in a region where the y coordinate value is positive on the upper surface of the support substrate, and a third counter electrode formed at a position facing the third electrode on the lower surface of the lower end side thin portion. A third capacitive element configured by:
A fourth electrode formed in a region where the y-coordinate value is negative on the upper surface of the support substrate, and a fourth counter electrode formed at a position facing the fourth electrode on the lower surface of the lower end side thin portion. A fourth capacitive element configured by:
And a detector that obtains a difference between the capacitance value C3 of the third capacitive element and the capacitance value C4 of the fourth capacitive element as an inclination in the Y-axis direction of the columnar body is used.
As a detector for detecting the force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire columnar body,
A fifth capacitor formed by a fifth electrode formed on the upper surface of the support substrate and a fifth counter electrode formed at a position facing the fifth electrode on the lower surface of the lower end side thin portion. A detector having an element, and obtaining a capacitance value C5 of the fifth capacitive element as a force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire columnar body,
Each of the first electrode itself and the second electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to the x-axis, and the electrode group that includes the first electrode and the second electrode has a y-axis Has a line-symmetric shape with respect to
Each of the third electrode and the fourth electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to the y-axis, and the electrode group that includes the third electrode and the fourth electrode has an x-axis Has a line-symmetric shape with respect to
The force detection device according to claim 5, wherein the fifth electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to both the x-axis and the y-axis.
前記第1の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続され、前記第1の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して前記支持基板に接続され、
前記第2の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続され、前記第2の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して前記支持基板に接続され、
前記第3の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続され、前記第3の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して前記支持基板に接続され、
前記第4の柱状体の上端は、可撓性をもった部材を介して前記受力体に接続され、前記第4の柱状体の下端は、可撓性をもった部材を介して前記支持基板に接続され、
XY平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
前記第1の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、
前記第2の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、
前記第3の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、
前記第4の柱状体は、その中心軸がZ軸に平行になり、かつ、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、
前記第1の柱状体の下端近傍に配置され、前記第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第1の柱状体全体から前記支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第1のセンサと、
前記第2の柱状体の下端近傍に配置され、前記第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第2の柱状体全体から前記支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第2のセンサと、
前記第3の柱状体の下端近傍に配置され、前記第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第3の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第3の柱状体全体から前記支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第3のセンサと、
前記第4の柱状体の下端近傍に配置され、前記第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第4の柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子と、前記第4の柱状体全体から前記支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子と、を有する第4のセンサと、
前記第1のセンサの検出結果、前記第2のセンサの検出結果、前記第3のセンサの検出結果、および前記第4のセンサの検出結果、に基づいて、前記受力体に作用した力のX軸方向成分FxおよびY軸方向成分Fyを求め、これらを出力する処理を行う検出回路と、
を更に備え、
前記検出回路は、
「前記第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と前記第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と前記第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と前記第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx1*」もしくは「前記第1の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と前記第2の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx2*」もしくは「前記第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と前記第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和Fx3*」のいずれかを和Fx*として求める演算機能と、
「前記第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と前記第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と前記第3の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と前記第4の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との和Fy1*」もしくは「前記第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と前記第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との和Fy2*」もしくは「前記第3の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と前記第4の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との和Fy3*」のいずれかを和Fy*として求める演算機能と、
前記第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と前記第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との差Myを求める演算機能と、
前記第3の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と前記第4の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との差Mxを求める演算機能と、
所定の係数αを用いた演算式「Fx=Fx*−α・My」に基づいて、前記受力体に作用した力のX軸方向成分Fxを求める演算機能と、
所定の係数βを用いた演算式「Fy=Fy*+β・Mx」に基づいて、前記受力体に作用した力のY軸方向成分Fyを求める演算機能と、
を有し、
前記係数αが、Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる前記和Fx*の値Fx*(0)および前記差Myの値My(0)を用いた式「α=Fx*(0)/My(0)」で与えられる値に設定され、
前記係数βが、X軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる前記和Fy*の値Fy*(0)および前記差Mxの値Mx(0)を用いた式「β=−Fy*(0)/Mx(0)」で与えられる値に設定されていることを特徴とする力検出装置。 A support substrate, a force receiving body disposed above the support substrate, a first columnar body for connecting the support substrate and the force receiving body, and connecting the support substrate and the force receiving body. A second columnar body for connecting, a third columnar body for connecting the support substrate and the power receiving body, and a fourth columnar body for connecting the support substrate and the power receiving body And a force detection device that detects a force acting on the force receiving body in a state where the support substrate is fixed,
An upper end of the first columnar body is connected to the power receiving body via a flexible member, and a lower end of the first columnar body is supported by the flexible member. Connected to the board,
The upper end of the second columnar body is connected to the force receiving body via a flexible member, and the lower end of the second columnar body is supported by the flexible member. Connected to the board,
An upper end of the third columnar body is connected to the power receiving body via a flexible member, and a lower end of the third columnar body is supported by the flexible member. Connected to the board,
The upper end of the fourth columnar body is connected to the power receiving body via a flexible member, and the lower end of the fourth columnar body is supported by the flexible member. Connected to the board,
An XY plane is positioned so as to be parallel to the upper surface of the support substrate at or above the upper surface of the support substrate, and the Z axis with the upper side being positive and the lower side being negative is substantially the center of the upper surface of the support substrate When defining the XYZ three-dimensional coordinate system to pass through the position,
The first columnar body is disposed at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects the positive part of the X axis,
The second columnar body is arranged at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects the negative part of the X axis,
The third columnar body is arranged at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects the positive part of the Y axis,
The fourth columnar body is arranged at a position where the central axis is parallel to the Z axis and the central axis intersects the negative part of the Y axis,
A detector that is arranged near the lower end of the first columnar body and detects the inclination of the first columnar body in the X-axis direction, and a detection that detects the inclination of the first columnar body in the Y-axis direction. A first sensor comprising: a detector; and a detector for detecting a force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire first columnar body;
A detector that is arranged near the lower end of the second columnar body and detects the inclination of the second columnar body in the X-axis direction, and a detection that detects the inclination of the second columnar body in the Y-axis direction. A second sensor comprising: a detector; and a detector for detecting a force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire second columnar body;
A detector that is disposed near the lower end of the third columnar body and detects the inclination of the third columnar body in the X-axis direction, and a detection that detects the inclination of the third columnar body in the Y-axis direction. A third sensor comprising: a detector; and a detector for detecting a force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire third columnar body;
A detector that is arranged near the lower end of the fourth columnar body and detects the inclination of the fourth columnar body in the X-axis direction, and a detection that detects the inclination of the fourth columnar body in the Y-axis direction. A fourth sensor comprising: a detector; and a detector for detecting a force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire fourth columnar body;
Based on the detection result of the first sensor, the detection result of the second sensor, the detection result of the third sensor, and the detection result of the fourth sensor, the force acting on the force receiving body A detection circuit that performs processing for obtaining an X-axis direction component Fx and a Y-axis direction component Fy and outputting them;
Further comprising
The detection circuit includes:
“The inclination of the first columnar body in the X-axis direction, the inclination of the second columnar body in the X-axis direction, the inclination of the third columnar body in the X-axis direction, and the fourth columnar body "Fx1 * " with the inclination with respect to the X-axis direction or "Fx2 * with the inclination with respect to the X-axis direction of the first columnar body and the inclination with respect to the X-axis direction of the second columnar body" An arithmetic function for obtaining any one of the sums Fx3 * of the inclination of the third columnar body in the X-axis direction and the inclination of the fourth columnar body in the X-axis direction as a sum Fx * ;
“The inclination of the first columnar body in the Y-axis direction, the inclination of the second columnar body in the Y-axis direction, the inclination of the third columnar body in the Y-axis direction, and the fourth columnar body sum Fy2 * "or" said sum Fy1 * "or" inclination in the Y-axis directions of inclination and the second columnar body in the Y-axis direction of the first columnar body of the inclination about the Y-axis direction An arithmetic function for obtaining any one of the sums Fy3 * of the inclination of the third columnar body in the Y-axis direction and the inclination of the fourth columnar body in the Y-axis direction as a sum Fy * ;
A calculation function for obtaining a difference My between the force in the Z-axis direction applied by the first columnar body and the force in the Z-axis direction applied by the second columnar body;
A calculation function for obtaining a difference Mx between a force in the Z-axis direction applied by the third columnar body and a force in the Z-axis direction applied by the fourth columnar body;
An arithmetic function for obtaining an X-axis direction component Fx of the force acting on the force receiving body based on an arithmetic expression “Fx = Fx * −α · My” using a predetermined coefficient α;
An arithmetic function for obtaining a Y-axis direction component Fy of the force acting on the force receiving body based on an arithmetic expression “Fy = Fy * + β · Mx” using a predetermined coefficient β;
Have
The coefficient α is an expression “α = Fx * () using the value Fx * (0) of the sum Fx * and the value My (0) of the difference My obtained in an environment where only the moment about the Y-axis acts. 0) / My (0) ”,
The coefficient β is an expression “β = −Fy * ” using the value Fy * (0) of the sum Fy * and the value Mx (0) of the difference Mx obtained in an environment in which only the moment about the X axis acts . (0) / Mx (0) ”is set to a value given by the force detection device.
検出回路が、求めた差Myを、受力体に作用した力のY軸まわりのモーメント成分として出力し、求めた差Mxを、受力体に作用した力のX軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うことを特徴とする力検出装置。 The force detection device according to claim 7,
The detection circuit outputs the obtained difference My as a moment component around the Y axis of the force acting on the force receiving body, and outputs the obtained difference Mx as a moment component around the X axis of the force acting on the force receiving body. A force detection apparatus characterized by performing processing to perform.
検出回路が、第1の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第2の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第3の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力と第4の柱状体によって加えられたZ軸方向に関する力との和Fzを求める演算機能を更に有し、求めた和Fzを、受力体に作用した力のZ軸方向成分Fzとして出力する処理を行うことを特徴とする力検出装置。 The force detection device according to claim 7 or 8,
The detection circuit includes a force in the Z-axis direction applied by the first columnar body, a force in the Z-axis direction applied by the second columnar body, a force in the Z-axis direction applied by the third columnar body, and the first 4 further includes a calculation function for obtaining a sum Fz with the force in the Z-axis direction applied by the four columnar bodies, and outputting the obtained sum Fz as a Z-axis direction component Fz of the force acting on the force receiving body. A force detection device characterized by performing.
検出回路が、「第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和と、第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との和と、の差Mz1」もしくは「第1の柱状体のY軸方向に関する傾斜度と第2の柱状体のY軸方向に関する傾斜度との差Mz2」もしくは「第4の柱状体のX軸方向に関する傾斜度と第3の柱状体のX軸方向に関する傾斜度との差Mz3」のいずれかを差Mzとして求める演算機能を更に有し、求めた差Mzを、受力体に作用した力のZ軸まわりのモーメント成分として出力する処理を行うことを特徴とする力検出装置。 In the force detection device according to any one of claims 7 to 9,
The detection circuit detects that the sum of the slope of the first columnar body in the Y-axis direction and the slope of the fourth columnar body in the X-axis direction, the slope of the second columnar body in the Y-axis direction, and the third The difference Mz1 between the sum of the inclination of the columnar body in the X-axis direction and the difference Mz2 between the inclination of the first columnar body in the Y-axis direction and the inclination of the second columnar body in the Y-axis direction. Or “the difference Mz3 between the inclination of the fourth columnar body in the X-axis direction and the inclination of the third columnar body in the X-axis direction” as the difference Mz. A force detection device that performs a process of outputting the difference Mz as a moment component around the Z-axis of a force acting on a force receiving body.
各柱状体の上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、前記上端側肉薄部は、その周囲が受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、
各柱状体の下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、前記下端側肉薄部は、支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されていることを特徴とする力検出装置。 In the force detection apparatus in any one of Claims 7-10,
The upper end side thin portion having flexibility is connected to the upper end of each columnar body, the upper end side thin portion is connected to the power receiving body at the periphery, and the lower surface center portion is the columnar body. Connected to the top edge,
A flexible lower end side thin portion is connected to the lower end of each columnar body, and the lower end side thin portion is located at an upper position at a predetermined distance from the upper surface of the support substrate. The force detection device is characterized in that the periphery thereof is connected to the support substrate via a pedestal and the center portion of the upper surface thereof is connected to the lower end of the columnar body so as to be arranged in parallel with each other.
各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、
柱状体のX軸方向に関する傾斜度を検出する検出子として、
支持基板の上面において、x座標値が正となる領域に形成された第1の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の電極に対向する位置に形成された第1の対向電極と、によって構成される第1の容量素子と、
支持基板の上面において、x座標値が負となる領域に形成された第2の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の電極に対向する位置に形成された第2の対向電極と、によって構成される第2の容量素子と、
を有し、前記第1の容量素子の静電容量値C1と前記第2の容量素子の静電容量値C2との差を柱状体のX軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、
柱状体のY軸方向に関する傾斜度を検出する検出子として、
支持基板の上面において、y座標値が正となる領域に形成された第3の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の電極に対向する位置に形成された第3の対向電極と、によって構成される第3の容量素子と、
支持基板の上面において、y座標値が負となる領域に形成された第4の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の電極に対向する位置に形成された第4の対向電極と、によって構成される第4の容量素子と、
を有し、前記第3の容量素子の静電容量値C3と前記第4の容量素子の静電容量値C4との差を柱状体のY軸方向に関する傾斜度として求める検出子が用いられ、
柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力を検出する検出子として、
支持基板の上面に形成された第5の電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第5の電極に対向する位置に形成された第5の対向電極と、によって構成される第5の容量素子を有し、前記第5の容量素子の静電容量値C5を柱状体全体から支持基板に対して加えられるZ軸方向に関する力として求める検出子が用いられ、
前記第1の電極自身および前記第2の電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、前記第1の電極と前記第2の電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、
前記第3の電極自身および前記第4の電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、前記第3の電極と前記第4の電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、
前記第5の電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしていることを特徴とする力検出装置。 The force detection device according to claim 11.
For each columnar body, an xy two-dimensional local coordinate having an origin at the intersection of the central axis of the columnar body and the upper surface of the support substrate, an x-axis parallel to the X-axis, and a y-axis parallel to the Y-axis When defining a system,
As a detector for detecting the inclination of the columnar body in the X-axis direction,
A first electrode formed in a region where the x-coordinate value is positive on the upper surface of the support substrate, and a first counter electrode formed at a position facing the first electrode on the lower surface of the lower end side thin portion A first capacitive element configured by:
A second electrode formed in a region where the x-coordinate value is negative on the upper surface of the support substrate, and a second counter electrode formed at a position facing the second electrode on the lower surface of the lower end side thin portion A second capacitive element configured by:
And a detector for obtaining a difference between the capacitance value C1 of the first capacitive element and the capacitance value C2 of the second capacitive element as an inclination in the X-axis direction of the columnar body,
As a detector for detecting the inclination of the columnar body in the Y-axis direction,
A third electrode formed in a region where the y coordinate value is positive on the upper surface of the support substrate, and a third counter electrode formed at a position facing the third electrode on the lower surface of the lower end side thin portion. A third capacitive element configured by:
A fourth electrode formed in a region where the y-coordinate value is negative on the upper surface of the support substrate, and a fourth counter electrode formed at a position facing the fourth electrode on the lower surface of the lower end side thin portion. A fourth capacitive element configured by:
And a detector that obtains a difference between the capacitance value C3 of the third capacitive element and the capacitance value C4 of the fourth capacitive element as an inclination in the Y-axis direction of the columnar body is used.
As a detector for detecting the force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire columnar body,
A fifth capacitor formed by a fifth electrode formed on the upper surface of the support substrate and a fifth counter electrode formed at a position facing the fifth electrode on the lower surface of the lower end side thin portion. A detector having an element, and obtaining a capacitance value C5 of the fifth capacitive element as a force in the Z-axis direction applied to the support substrate from the entire columnar body,
Each of the first electrode itself and the second electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to the x-axis, and the electrode group that includes the first electrode and the second electrode has a y-axis Has a line-symmetric shape with respect to
Each of the third electrode and the fourth electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to the y-axis, and the electrode group that includes the third electrode and the fourth electrode has an x-axis Has a line-symmetric shape with respect to
The force detection device according to claim 5, wherein the fifth electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to both the x-axis and the y-axis.
前記4本の柱状体の各上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、前記4本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
前記上端側肉薄部は、その周囲が前記受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、
前記下端側肉薄部は、前記支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、
XY平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
前記4本の柱状体は、その中心軸がいずれもZ軸に平行になるように配置されており、第1の柱状体は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、
前記第1の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第1のセンサが構成され、
前記第2の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第2のセンサが構成され、
前記第3の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第3のセンサが構成され、
前記第4の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第4のセンサが構成され、
前記第1のセンサを構成する容量素子の候補として、
前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C11と、
前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C12と、
前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C13と、
前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C14と、
前記第1の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C15と、
の5種類の容量素子を定義し、
前記第2のセンサを構成する容量素子の候補として、
前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C21と、
前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C22と、
前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C23と、
前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C24と、
前記第2の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C25と、
の5種類の容量素子を定義し、
前記第3のセンサを構成する容量素子の候補として、
前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C31と、
前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C32と、
前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C33と、
前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C34と、
前記第3の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C35と、
の5種類の容量素子を定義し、
前記第4のセンサを構成する容量素子の候補として、
前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C41と、
前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C42と、
前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C43と、
前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C44と、
前記第4の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C45と、
の5種類の容量素子を定義し、
前記受力体に作用した力のX軸方向成分をFx、Y軸方向成分をFy、Z軸方向成分をFz、X軸まわりのモーメント成分をMx、Y軸まわりのモーメント成分をMy、Z軸まわりのモーメント成分をMzとし、Fx,Fyを求める過程で用いる中間段階の値をそれぞれFx*,Fy*とし、前記各容量素子の静電容量値をそれぞれ各容量素子の符号と同じ符号で示すこととし、
Fx*を求める式として、
Fx1*=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)
Fx2*=(C11−C12)+(C21−C22)
Fx3*=(C31−C32)+(C41−C42)
なる3通りの式を定義し、
Fy*を求める式として、
Fy1*=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)
Fy2*=(C13−C14)+(C23−C24)
Fy3*=(C33−C34)+(C43−C44)
なる3通りの式を定義し、
Fzを求める式として、
Fz1=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45))
Fz2=−((C11+C12+C13+C14)+(C21+C22+C23+C24)+(C31+C32+C33+C34)+(C41+C42+C43+C44))
Fz3=−(C15+C25+C35+C45)
なる3通りの式を定義し、
Mxを求める式として、
Mx1=(C41+C42+C43+C44+C45)−(C31+C32+C33+C34+C35)
Mx2=(C41+C42+C43+C44)−(C31+C32+C33+C34)
Mx3=(C45−C35)
なる3通りの式を定義し、
Myを求める式として、
My1=(C11+C12+C13+C14+C15)−(C21+C22+C23+C24+C25)
My2=(C11+C12+C13+C14)−(C21+C22+C23+C24)
My3=(C15−C25)
なる3通りの式を定義し、
Mzを求める式として、
Mz1=((C13−C14)+(C41−C42))−((C23−C24)+(C31−C32))
Mz2=(C13−C14)−(C23−C24)
Mz3=(C41−C42)−(C31−C32)
なる3通りの式を定義したときに、
候補となる容量素子の中から、
Fx=Fxi*−αij・Myj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)
Fy=Fyi*+βij・Mxj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)
Fz=Fzi(但し、i=1〜3のいずれか)
Mx=Mxi(但し、i=1〜3のいずれか)
My=Myi(但し、i=1〜3のいずれか)
Mz=Mzi(但し、i=1〜3のいずれか)
なる6つの式の中から選択された式(但し、Fxの式およびFyの式の選択は必須)に基づく演算を行うために必要な容量素子が実際に形成されており、かつ、当該演算を行う検出回路を備えており、
前記係数αijが、Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる前記Fxi*の値Fxi*(0)および前記Myjの値Myj(0)を用いた式「αij=Fxi*(0)/Myj(0)」で与えられる値に設定されており、
前記係数βijが、X軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる前記Fyi*の値Fyi*(0)および前記Mxjの値Mxj(0)を用いた式「βij=−Fyi*(0)/Mxj(0)」で与えられる値に設定されていることを特徴とする力検出装置。 A support substrate, a force receiving body disposed above the support substrate, and four columnar bodies for connecting the support substrate and the force receiving body, in a state where the support substrate is fixed A force detection device for detecting a force acting on the force receiving body,
The upper ends of the four columnar bodies are respectively connected to flexible thin portions on the upper end side, and the lower ends of the four columnar bodies are respectively connected to the lower end sides having flexibility. The thin part is connected,
The upper end side thin part is connected to the power receiving body at the periphery thereof, and the center part of the lower surface is connected to the upper end of the columnar body,
The lower end side thin portion is connected to the support substrate via a pedestal so that the lower end side thin portion is disposed parallel to the upper surface of the support substrate at an upper position with a predetermined distance from the upper surface of the support substrate. The center of the upper surface is connected to the lower end of the columnar body,
An XY plane is positioned so as to be parallel to the upper surface of the support substrate at or above the upper surface of the support substrate, and the Z axis with the upper side being positive and the lower side being negative is substantially the center of the upper surface of the support substrate When defining the XYZ three-dimensional coordinate system to pass through the position,
The four columnar bodies are arranged so that their central axes are parallel to the Z axis, and the first columnar body is arranged at a position where the central axis intersects the positive part of the X axis. The second columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the negative portion of the X axis, and the third columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the positive portion of the Y axis. And the fourth columnar body is arranged at a position where the central axis intersects the negative part of the Y-axis,
One electrode is formed on the lower surface of the lower end side thin portion in a space sandwiched between the lower end side thin portion of the first columnar body and the upper surface of the support substrate facing the first columnar body, and the other electrode is the support A first sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is configured,
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion in a space sandwiched between the lower end thin portion of the second columnar body and the upper surface of the support substrate opposed thereto, and the other electrode is the support A second sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate;
One electrode is formed on the lower surface of the lower-side thin portion in a space sandwiched between the lower-side thin portion of the third columnar body and the upper surface of the support substrate facing the third columnar body, and the other electrode is the support A third sensor composed of a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is configured,
One electrode is formed on the lower surface of the lower-side thin portion in a space sandwiched between the lower-side thin portion of the fourth columnar body and the upper surface of the support substrate facing the fourth columnar body, and the other electrode is the support A fourth sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is configured,
As a capacitor element candidate constituting the first sensor,
When the first columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the first columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the first columnar body is inclined in the positive direction of the Y axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the first columnar body is not changed. When the columnar body is inclined in the negative Y-axis direction, a capacitance element C11 is formed so that a part of the electrode interval is narrowed while another part is widened so that the capacitance value does not change.
When the first columnar body inclines in the X-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the first columnar body inclines in the X-axis negative direction, the electrode interval decreases. When the capacitance value increases and the first columnar body is tilted in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change and the first columnar body is not changed. When the columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, a capacitance element C12 is formed so that a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened so that the capacitance value does not change.
When the first columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the first columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval narrows, but another part widens, so that the capacitance value does not change. When the first columnar body tilts in the positive Y-axis direction, the electrode interval narrows, resulting in a capacitance. A capacitance element C13 formed so that the capacitance value decreases when the value increases and when the first columnar body is inclined in the negative Y-axis direction, the electrode interval is widened;
When the first columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the first columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode spacing is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change. When the first columnar body is tilted in the positive direction of the Y axis, the spacing between the electrodes is widened to increase the capacitance. A capacitance element C14 formed such that the capacitance value increases when the value decreases and when the first columnar body is inclined in the negative Y-axis direction, the electrode interval is narrowed;
When the first columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the first columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed. When the capacitance value increases and the first columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is reduced, but another part is A capacitive element C15 formed so that the capacitance value does not change by spreading,
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the second sensor,
When the second columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the second columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the second columnar body is inclined in the Y-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change and the second columnar body is not changed. When the columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, a capacitance element C21 is formed so that a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened so that the capacitance value does not change.
When the second columnar body is inclined in the positive X-axis direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the second columnar body is inclined in the negative X-axis direction, the electrode interval is reduced. When the capacitance value increases and the second columnar body is inclined in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change and the second value is not changed. When the columnar body is inclined in the negative Y-axis direction, a capacitive element C22 formed so that a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened so that the capacitance value does not change;
When the second columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the second columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change. When the second columnar body is tilted in the positive direction of the Y axis, the electrode interval is narrowed, thereby causing a capacitance. A capacitance element C23 formed so that the capacitance value decreases when the value increases and the second columnar body inclines in the negative direction of the Y-axis to increase the electrode interval;
When the second columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the second columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval narrows, but another part widens, so that the capacitance value does not change. When the second columnar body tilts in the positive direction of the Y-axis, the electrode spacing increases, thereby increasing the capacitance. A capacitance element C24 formed such that the capacitance value increases when the value decreases and the second columnar body tilts in the negative Y-axis direction, and the electrode interval is narrowed;
When the second columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the second columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed. When the capacitance value increases and the second columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is A capacitance element C25 formed so that the capacitance value does not change by spreading,
5 types of capacitive elements are defined,
As a capacitive element candidate constituting the third sensor,
When the third columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the third columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the third columnar body tilts in the positive Y-axis direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the third value is not changed. When the columnar body is inclined in the negative Y-axis direction, a capacitance element C31 is formed so that a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened so that the capacitance value does not change.
When the third columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the third columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the third columnar body is inclined in the positive direction of the Y axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change, and the third value is not changed. When the columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, a capacitance element C32 is formed so that a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened so that the capacitance value does not change.
When the third columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the third columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change. When the third columnar body is tilted in the positive direction of the Y axis, the electrode interval is narrowed, so that the capacitance A capacitance element C33 formed such that the capacitance value decreases when the value increases and the third columnar body inclines in the negative direction of the Y-axis to increase the electrode interval;
When the third columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the third columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval narrows, but another part widens, so that the capacitance value does not change. When the third columnar body tilts in the positive direction of the Y-axis, the electrode spacing increases, thereby increasing the capacitance. A capacitance element C34 formed such that when the value decreases and the third columnar body inclines in the negative Y-axis direction, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed;
When the third columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the third columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed. When the capacitance value increases and the third columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is reduced, but another part is A capacitive element C35 formed such that the capacitance value does not change by spreading,
5 types of capacitive elements are defined,
As a capacitive element candidate constituting the fourth sensor,
When the fourth columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the fourth columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the fourth columnar body is inclined in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change, and the fourth value When the columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, a capacitive element C41 formed such that a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened so that the capacitance value does not change;
When the fourth columnar body is inclined in the positive X-axis direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the fourth columnar body is inclined in the negative X-axis direction, the electrode interval is reduced. When the capacitance value increases and the fourth columnar body is inclined in the Y-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change, and the fourth value is not changed. When the columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, a capacitance element C42 formed so that the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode interval but widening another portion,
When the fourth columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the fourth columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode spacing narrows, but another part widens, so that the capacitance value does not change. When the fourth columnar body tilts in the positive direction of the Y axis, the spacing between the electrodes narrows, resulting in a capacitance. A capacitance element C43 formed so that the capacitance value decreases when the value increases and the fourth columnar body is inclined in the negative direction of the Y-axis, and the electrode interval is widened;
When the fourth columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the fourth columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval narrows, but another part widens, so that the capacitance value does not change, and when the fourth columnar body tilts in the positive direction of the Y axis, the electrode spacing increases, thereby increasing the capacitance. A capacitance element C44 formed such that when the value decreases and the fourth columnar body inclines in the negative Y-axis direction, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed;
When the fourth columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the fourth columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed. When the capacitance value increases and the fourth columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is A capacitive element C45 formed so that the capacitance value does not change by spreading,
5 types of capacitive elements are defined,
The X-axis direction component of the force acting on the force receiving member is Fx, the Y-axis direction component is Fy, the Z-axis direction component is Fz, the moment component around the X-axis is Mx, the moment component around the Y-axis is My, Z-axis The moment component around is Mz, the intermediate values used in the process of obtaining Fx and Fy are Fx * and Fy * , respectively, and the capacitance values of the capacitive elements are indicated by the same symbols as the symbols of the capacitive elements, respectively. I mean,
As a formula for calculating Fx * ,
Fx1 * = (C11-C12) + (C21-C22) + (C31-C32) + (C41-C42)
Fx2 * = (C11-C12) + (C21-C22)
Fx3 * = (C31-C32) + (C41-C42)
Define the following three formulas,
As a formula for obtaining Fy * ,
Fy1 * = (C13-C14) + (C23-C24) + (C33-C34) + (C43-C44)
Fy2 * = (C13-C14) + (C23-C24)
Fy3 * = (C33-C34) + (C43-C44)
Define the following three formulas,
As an expression for calculating Fz,
Fz1 = − ((C11 + C12 + C13 + C14 + C15) + (C21 + C22 + C23 + C24 + C25) + (C31 + C32 + C33 + C34 + C35) + (C41 + C42 + C43 + C44 + C45))
Fz2 = − ((C11 + C12 + C13 + C14) + (C21 + C22 + C23 + C24) + (C31 + C32 + C33 + C34) + (C41 + C42 + C43 + C44))
Fz3 = − (C15 + C25 + C35 + C45)
Define the following three formulas,
As an expression for obtaining Mx,
Mx1 = (C41 + C42 + C43 + C44 + C45) − (C31 + C32 + C33 + C34 + C35)
Mx2 = (C41 + C42 + C43 + C44)-(C31 + C32 + C33 + C34)
Mx3 = (C45-C35)
Define the following three formulas,
As an expression for calculating My,
My1 = (C11 + C12 + C13 + C14 + C15) − (C21 + C22 + C23 + C24 + C25)
My2 = (C11 + C12 + C13 + C14) − (C21 + C22 + C23 + C24)
My3 = (C15-C25)
Define the following three formulas,
As an expression for obtaining Mz,
Mz1 = ((C13-C14) + (C41-C42))-((C23-C24) + (C31-C32))
Mz2 = (C13-C14)-(C23-C24)
Mz3 = (C41-C42)-(C31-C32)
When defining the following three formulas,
From the candidate capacitive elements,
Fx = Fxi * −αij · Myj (where i = 1 to 3, j = 1 to 3)
Fy = Fyi * + βij · Mxj (where i = 1 to 3, j = 1 to 3)
Fz = Fzi (where i = 1 to 3)
Mx = Mxi (where i = 1 to 3)
My = Myi (where i = 1 to 3)
Mz = Mzi (where i = 1 to 3)
Capacitance elements necessary for performing an operation based on an expression selected from the following six expressions (however, selection of the Fx expression and the Fy expression is essential) are actually formed, and Equipped with a detection circuit to perform,
The coefficient αij is an expression “αij = Fxi * (0) using the value Fxi * (0) of the Fxi * and the value Myj (0) of the Myj obtained in an environment where only the moment about the Y-axis acts. / Myj (0) ”is set to the value given by
As for the coefficient βij, an expression “βij = −Fyi * (0) using the value Fyi * (0) of the Fyi * and the value Mxj (0) of the Mxj obtained in an environment in which only a moment around the X axis acts. ) / Mxj (0) ”, the force detection device is characterized by being set.
各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、
第1のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C11と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C12と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C13と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C14と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第1の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C15と、
の5種類の容量素子を定義し、
第2のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C21と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C22と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C23と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C24と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第2の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C25と、
の5種類の容量素子を定義し、
第3のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C31と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C32と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C33と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C34と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第3の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C35と、
の5種類の容量素子を定義し、
第4のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C41と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C42と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C43と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C44と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第4の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C45と、
の5種類の容量素子を定義し、
各柱状体用電極のそれぞれについて、
x軸正側電極自身およびx軸負側電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、x軸正側電極とx軸負側電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、
y軸正側電極自身およびy軸負側電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、y軸正側電極とy軸負側電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、
Z軸変位検出用電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしていることを特徴とする力検出装置。 In the force detection device according to claim 13, instead of the capacitive element candidate according to claim 13,
For each columnar body, an xy two-dimensional local coordinate having an origin at the intersection of the central axis of the columnar body and the upper surface of the support substrate, an x-axis parallel to the X-axis, and a y-axis parallel to the Y-axis When defining a system,
As a candidate of the capacitive element constituting the first sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body x-axis positive side electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitance element C11 including a counter electrode formed at a position facing the first x-axis positive electrode for the columnar body,
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body x-axis negative electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C12 constituted by a counter electrode formed at a position facing the first columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body y-axis positive side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C13 configured by a counter electrode formed at a position facing the first y-axis positive electrode for the columnar body;
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body y-axis negative electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C14 configured by a counter electrode formed at a position facing the first y-axis negative electrode for the columnar body;
On the upper surface of the support substrate, the first columnar body Z-axis displacement detection electrode formed at a predetermined position in the local coordinate system of the first columnar body, and the lower surface of the lower end side thin portion, the first columnar body A capacitive element C15 configured by a counter electrode formed at a position facing the body Z-axis displacement detection electrode;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the second sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the lower surface of the second columnar body x-axis positive side electrode formed in the region where the x coordinate value in the local coordinate system of the second columnar body is positive, and the lower end side thin portion, A capacitance element C21 configured by a counter electrode formed at a position facing the second columnar x-axis positive side electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the second columnar body x-axis negative electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system for the second columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitance element C22 including a counter electrode formed at a position facing the second columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the second columnar y-axis positive side electrode formed in the region where the y coordinate value in the local coordinate system is positive, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitance element C23 constituted by a counter electrode formed at a position facing the second columnar y-axis positive side electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the second columnar body y-axis negative side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system for the second columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitance element C24 constituted by a counter electrode formed at a position facing the second columnar y-axis negative electrode,
A second columnar body Z-axis displacement detection electrode formed at a predetermined position in the local coordinate system of the second columnar body on the upper surface of the support substrate, and a lower surface of the lower end side thin portion, the second columnar shape A capacitive element C25 constituted by a counter electrode formed at a position facing the body Z-axis displacement detection electrode;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the third sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body x-axis positive side electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system of the third columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C31 configured by a counter electrode formed at a position facing the third columnar x-axis positive electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body x-axis negative electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C32 configured by a counter electrode formed at a position facing the third columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body y-axis positive side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C33 configured by a counter electrode formed at a position facing the third columnar y-axis positive electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body y-axis negative side electrode formed in the region where the y coordinate value in the local coordinate system is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C34 constituted by a counter electrode formed at a position facing the third y-axis negative electrode for the columnar body;
The third columnar body Z-axis displacement detection electrode formed at a predetermined position in the local coordinate system of the third columnar body on the upper surface of the support substrate, and the lower surface of the lower end side thin portion, the third columnar shape A capacitive element C35 composed of a counter electrode formed at a position facing the body Z-axis displacement detection electrode;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate of the capacitive element constituting the fourth sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the fourth columnar x-axis positive electrode formed in the region where the x coordinate value in the local coordinate system is positive, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitance element C41 configured by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar x-axis positive side electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the fourth columnar x-axis negative electrode formed in the region where the x coordinate value in the local coordinate system is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C42 constituted by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the fourth y-axis positive side electrode for the columnar body formed in the region where the y coordinate value in the local coordinate system for the fourth columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C43 configured by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar y-axis positive side electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the fourth columnar body y-axis negative side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system of the fourth columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C44 constituted by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar y-axis negative electrode,
A fourth columnar body Z-axis displacement detection electrode formed at a predetermined position in the local coordinate system of the fourth columnar body on the upper surface of the support substrate, and a lower surface of the lower end side thin portion, the fourth columnar shape A capacitive element C45 constituted by a counter electrode formed at a position facing the body Z-axis displacement detection electrode;
5 types of capacitive elements are defined,
For each columnar electrode,
Each of the x-axis positive electrode itself and the x-axis negative electrode itself has a shape that is line symmetric with respect to the x-axis, and the electrode group that includes the x-axis positive electrode and the x-axis negative electrode is the y-axis. Has a line-symmetric shape with respect to
Each of the y-axis positive electrode itself and the y-axis negative electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to the y-axis, and the electrode group that includes the y-axis positive electrode and the y-axis negative electrode is an x-axis. Has a line-symmetric shape with respect to
A force detection device, wherein the Z-axis displacement detection electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to both the x-axis and the y-axis.
静電容量値の和を算出する対象となる複数の容量素子については、互いに電気的な並列接続がなされるような配線を施すことにより、検出回路における和を算出する演算を省略し、
各容量素子を、係数α,β,αij,βijが1になるように設定することにより、検出回路における前記係数を用いた積を算出する演算を省略したことを特徴とする力検出装置。 The force detection device according to any one of claims 6, 12 to 14,
For a plurality of capacitive elements that are targets for calculating the sum of capacitance values, by performing wiring that is electrically connected to each other, the calculation for calculating the sum in the detection circuit is omitted,
A force detection device characterized in that the calculation of the product using the coefficient in the detection circuit is omitted by setting each capacitance element so that the coefficients α, β, αij, and βij are 1.
前記4本の柱状体の各上端には、それぞれ可撓性をもった上端側肉薄部が接続されており、前記4本の柱状体の各下端には、それぞれ可撓性をもった下端側肉薄部が接続されており、
前記上端側肉薄部は、その周囲が前記受力体に接続され、その下面中心部が柱状体の上端に接続されており、
前記下端側肉薄部は、前記支持基板の上面から所定距離をおいた上方位置に前記支持基板の上面に対して平行に配置されるように、その周囲が台座を介して前記支持基板に接続され、その上面中心部が柱状体の下端に接続されており、
XY平面が、前記支持基板の上面もしくはその上方に、前記支持基板の上面に対して平行となるように位置し、上方を正とし下方を負とするZ軸が前記支持基板の上面のほぼ中心位置を通るように、XYZ三次元座標系を定義したときに、
前記4本の柱状体は、その中心軸がいずれもZ軸に平行になるように配置されており、第1の柱状体は、その中心軸がX軸の正の部分に交差する位置に配置され、第2の柱状体は、その中心軸がX軸の負の部分に交差する位置に配置され、第3の柱状体は、その中心軸がY軸の正の部分に交差する位置に配置され、第4の柱状体は、その中心軸がY軸の負の部分に交差する位置に配置され、
前記第1の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第1のセンサが構成され、
前記第2の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第2のセンサが構成され、
前記第3の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第3のセンサが構成され、
前記第4の柱状体の下端側肉薄部とこれに対向する前記支持基板の上面とによって挟まれた空間内に、一方の電極が下端側肉薄部の下面に形成され、他方の電極が前記支持基板の上面に形成された複数の容量素子からなる第4のセンサが構成され、
前記第1のセンサを構成する容量素子の候補として、
前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C11と、
前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C12と、
前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C13と、
前記第1の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第1の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C14と、
前記第1の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第1の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第1の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C15と、
の5種類の容量素子を定義し、
前記第2のセンサを構成する容量素子の候補として、
前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C21と、
前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C22と、
前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C23と、
前記第2の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第2の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C24と、
前記第2の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第2の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第2の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C25と、
の5種類の容量素子を定義し、
前記第3のセンサを構成する容量素子の候補として、
前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C31と、
前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C32と、
前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C33と、
前記第3の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第3の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C34と、
前記第3の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第3の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第3の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C35と、
の5種類の容量素子を定義し、
前記第4のセンサを構成する容量素子の候補として、
前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C41と、
前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C42と、
前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少するように形成された容量素子C43と、
前記第4の柱状体がX軸正方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がX軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化せず、前記第4の柱状体がY軸正方向に傾斜したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がY軸負方向に傾斜したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加するように形成された容量素子C44と、
前記第4の柱状体がZ軸正方向に変位したときには電極間隔が広がることにより静電容量値が減少し、前記第4の柱状体がZ軸負方向に変位したときには電極間隔が狭まることにより静電容量値が増加し、前記第4の柱状体がX軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、もしくはY軸負方向に傾斜したときには電極間隔の一部分は狭まるが別な一部分は広がることにより静電容量値が変化しないように形成された容量素子C45と、
の5種類の容量素子を定義し、
前記受力体に作用した力のX軸方向成分をFx、Y軸方向成分をFy、Z軸方向成分をFz、X軸まわりのモーメント成分をMx、Y軸まわりのモーメント成分をMy、Z軸まわりのモーメント成分をMzとし、Fx,Fyを求める過程で用いる中間段階の値をそれぞれFx*,Fy*とし、前記各容量素子の静電容量値をそれぞれ各容量素子の符号と同じ符号で示すこととし、
Fx*を求める式として、
Fx1*=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)
Fx2*=(C11−C12)+(C21−C22)
Fx3*=(C31−C32)+(C41−C42)
なる3通りの式を定義し、
Fy*を求める式として、
Fy1*=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)
Fy2*=(C13−C14)+(C23−C24)
Fy3*=(C33−C34)+(C43−C44)
なる3通りの式を定義し、
Fzを求める式として、
Fz1=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45))
Fz2=−((C11+C12+C13+C14)+(C21+C22+C23+C24)+(C31+C32+C33+C34)+(C41+C42+C43+C44))
Fz3=−(C15+C25+C35+C45)
なる3通りの式を定義し、
Mxを求める式として、
Mx1=(C41+C42+C43+C44+C45)−(C31+C32+C33+C34+C35)
Mx2=(C41+C42+C43+C44)−(C31+C32+C33+C34)
Mx3=(C45−C35)
なる3通りの式を定義し、
Myを求める式として、
My1=(C11+C12+C13+C14+C15)−(C21+C22+C23+C24+C25)
My2=(C11+C12+C13+C14)−(C21+C22+C23+C24)
My3=(C15−C25)
なる3通りの式を定義し、
Mzを求める式として、
Mz1=((C13−C14)+(C41−C42))−((C23−C24)+(C31−C32))
Mz2=(C13−C14)−(C23−C24)
Mz3=(C41−C42)−(C31−C32)
なる3通りの式を定義したときに、
候補となる容量素子の中から、
Fx=Fxi*−Myj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)
Fy=Fyi*+Mxj(但し、i=1〜3のいずれか,j=1〜3のいずれか)
Fz=Fzi(但し、i=1〜3のいずれか)
Mx=Mxi(但し、i=1〜3のいずれか)
My=Myi(但し、i=1〜3のいずれか)
Mz=Mzi(但し、i=1〜3のいずれか)
なる6つの式の中から選択された式(但し、Fxの式およびFyの式の選択は必須)に基づく演算を行うために必要な容量素子が実際に形成されており(同一符号の静電容量値が、異なる複数の式で用いられている場合には、物理的に別体の容量素子が形成されており)、かつ、当該演算を行う検出回路を備えており、
実際に形成されている容量素子のうち、選択された式に基づく演算において静電容量値の和を算出する対象となる複数の容量素子については、互いに電気的な並列接続がなされるような配線が施されており、
Y軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる前記Fxi*の値Fxi*(0)および前記Myjの値Myj(0)について、Fxi*(0)=Myj(0)が成り立つように、前記Fxi*の算出に用いられる容量素子と、前記Myjの算出に用いられる容量素子と、が設定されており、
X軸まわりのモーメントのみが作用した環境下で得られる前記Fyi*の値Fyi*(0)および前記Mxjの値Mxj(0)について、−Fyi*(0)=Mxj(0)が成り立つように、前記Fyi*の算出に用いられる容量素子と、前記Mxjの算出に用いられる容量素子と、が設定されていることを特徴とする力検出装置。 A support substrate, a force receiving body disposed above the support substrate, and four columnar bodies for connecting the support substrate and the force receiving body, in a state where the support substrate is fixed A force detection device for detecting a force acting on the force receiving body,
The upper ends of the four columnar bodies are respectively connected to flexible thin portions on the upper end side, and the lower ends of the four columnar bodies are respectively connected to the lower end sides having flexibility. The thin part is connected,
The upper end side thin part is connected to the power receiving body at the periphery thereof, and the center part of the lower surface is connected to the upper end of the columnar body,
The lower end side thin portion is connected to the support substrate via a pedestal so that the lower end side thin portion is disposed parallel to the upper surface of the support substrate at an upper position with a predetermined distance from the upper surface of the support substrate. The center of the upper surface is connected to the lower end of the columnar body,
An XY plane is positioned so as to be parallel to the upper surface of the support substrate at or above the upper surface of the support substrate, and the Z axis with the upper side being positive and the lower side being negative is substantially the center of the upper surface of the support substrate When defining the XYZ three-dimensional coordinate system to pass through the position,
The four columnar bodies are arranged so that their central axes are parallel to the Z axis, and the first columnar body is arranged at a position where the central axis intersects the positive part of the X axis. The second columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the negative portion of the X axis, and the third columnar body is disposed at a position where the central axis intersects the positive portion of the Y axis. And the fourth columnar body is arranged at a position where the central axis intersects the negative part of the Y-axis,
One electrode is formed on the lower surface of the lower end side thin portion in a space sandwiched between the lower end side thin portion of the first columnar body and the upper surface of the support substrate facing the first columnar body, and the other electrode is the support A first sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is configured,
One electrode is formed on the lower surface of the lower end thin portion in a space sandwiched between the lower end thin portion of the second columnar body and the upper surface of the support substrate opposed thereto, and the other electrode is the support A second sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate;
One electrode is formed on the lower surface of the lower-side thin portion in a space sandwiched between the lower-side thin portion of the third columnar body and the upper surface of the support substrate facing the third columnar body, and the other electrode is the support A third sensor composed of a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is configured,
One electrode is formed on the lower surface of the lower-side thin portion in a space sandwiched between the lower-side thin portion of the fourth columnar body and the upper surface of the support substrate facing the fourth columnar body, and the other electrode is the support A fourth sensor comprising a plurality of capacitive elements formed on the upper surface of the substrate is configured,
As a capacitor element candidate constituting the first sensor,
When the first columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the first columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the first columnar body is inclined in the positive direction of the Y axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the first columnar body is not changed. When the columnar body is inclined in the negative Y-axis direction, a capacitance element C11 is formed so that a part of the electrode interval is narrowed while another part is widened so that the capacitance value does not change.
When the first columnar body inclines in the X-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the first columnar body inclines in the X-axis negative direction, the electrode interval decreases. When the capacitance value increases and the first columnar body is tilted in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change and the first columnar body is not changed. When the columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, a capacitance element C12 is formed so that a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened so that the capacitance value does not change.
When the first columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the first columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval narrows, but another part widens, so that the capacitance value does not change. When the first columnar body tilts in the positive Y-axis direction, the electrode interval narrows, resulting in a capacitance. A capacitance element C13 formed so that the capacitance value decreases when the value increases and when the first columnar body is inclined in the negative Y-axis direction, the electrode interval is widened;
When the first columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the first columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode spacing is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change. When the first columnar body is tilted in the positive direction of the Y axis, the spacing between the electrodes is widened to increase the capacitance. A capacitance element C14 formed such that the capacitance value increases when the value decreases and when the first columnar body is inclined in the negative Y-axis direction, the electrode interval is narrowed;
When the first columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the first columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed. When the capacitance value increases and the first columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is reduced, but another part is A capacitive element C15 formed so that the capacitance value does not change by spreading,
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the second sensor,
When the second columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the second columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the second columnar body is inclined in the Y-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change and the second columnar body is not changed. When the columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, a capacitance element C21 is formed so that a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened so that the capacitance value does not change.
When the second columnar body is inclined in the positive X-axis direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the second columnar body is inclined in the negative X-axis direction, the electrode interval is reduced. When the capacitance value increases and the second columnar body is inclined in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change and the second value is not changed. When the columnar body is inclined in the negative Y-axis direction, a capacitive element C22 formed so that a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened so that the capacitance value does not change;
When the second columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the second columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change. When the second columnar body is tilted in the positive direction of the Y axis, the electrode interval is narrowed, thereby causing a capacitance. A capacitance element C23 formed so that the capacitance value decreases when the value increases and the second columnar body inclines in the negative direction of the Y-axis to increase the electrode interval;
When the second columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the second columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval narrows, but another part widens, so that the capacitance value does not change. When the second columnar body tilts in the positive direction of the Y-axis, the electrode spacing increases, thereby increasing the capacitance. A capacitance element C24 formed such that the capacitance value increases when the value decreases and the second columnar body tilts in the negative Y-axis direction, and the electrode interval is narrowed;
When the second columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the second columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed. When the capacitance value increases and the second columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is A capacitance element C25 formed so that the capacitance value does not change by spreading,
5 types of capacitive elements are defined,
As a capacitive element candidate constituting the third sensor,
When the third columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the third columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the third columnar body tilts in the positive Y-axis direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the third value is not changed. When the columnar body is inclined in the negative Y-axis direction, a capacitance element C31 is formed so that a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened so that the capacitance value does not change.
When the third columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the third columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is decreased. When the capacitance value increases and the third columnar body is inclined in the positive direction of the Y axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change, and the third value is not changed. When the columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, a capacitance element C32 is formed so that a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened so that the capacitance value does not change.
When the third columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the third columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change. When the third columnar body is tilted in the positive direction of the Y axis, the electrode interval is narrowed, so that the capacitance A capacitance element C33 formed such that the capacitance value decreases when the value increases and the third columnar body inclines in the negative direction of the Y-axis to increase the electrode interval;
When the third columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is expanded, and the capacitance value does not change, and the third columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval narrows, but another part widens, so that the capacitance value does not change. When the third columnar body tilts in the positive direction of the Y-axis, the electrode spacing increases, thereby increasing the capacitance. A capacitance element C34 formed such that when the value decreases and the third columnar body inclines in the negative Y-axis direction, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed;
When the third columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the third columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed. When the capacitance value increases and the third columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is reduced, but another part is A capacitive element C35 formed such that the capacitance value does not change by spreading,
5 types of capacitive elements are defined,
As a capacitive element candidate constituting the fourth sensor,
When the fourth columnar body is inclined in the X-axis positive direction, the capacitance value is increased by narrowing the electrode interval, and when the fourth columnar body is inclined in the X-axis negative direction, the electrode interval is increased. When the capacitance value decreases and the fourth columnar body is inclined in the positive direction of the Y-axis, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change, and the fourth value When the columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, a capacitive element C41 formed such that a part of the electrode interval is narrowed but another part is widened so that the capacitance value does not change;
When the fourth columnar body is inclined in the positive X-axis direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the fourth columnar body is inclined in the negative X-axis direction, the electrode interval is reduced. When the capacitance value increases and the fourth columnar body is inclined in the Y-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened so that the capacitance value does not change, and the fourth value is not changed. When the columnar body is tilted in the negative Y-axis direction, a capacitance element C42 formed so that the capacitance value does not change by narrowing part of the electrode interval but widening another portion,
When the fourth columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the fourth columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode spacing narrows, but another part widens, so that the capacitance value does not change. When the fourth columnar body tilts in the positive direction of the Y axis, the spacing between the electrodes narrows, resulting in a capacitance. A capacitance element C43 formed so that the capacitance value decreases when the value increases and the fourth columnar body is inclined in the negative direction of the Y-axis, and the electrode interval is widened;
When the fourth columnar body is inclined in the X-axis positive direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is widened, so that the capacitance value does not change, and the fourth columnar body is in the X-axis negative direction. When tilted, a part of the electrode interval narrows, but another part widens, so that the capacitance value does not change, and when the fourth columnar body tilts in the positive direction of the Y axis, the electrode spacing increases, thereby increasing the capacitance. A capacitance element C44 formed such that when the value decreases and the fourth columnar body inclines in the negative Y-axis direction, the capacitance value increases due to the electrode interval being narrowed;
When the fourth columnar body is displaced in the Z-axis positive direction, the capacitance value is reduced by widening the electrode interval, and when the fourth columnar body is displaced in the Z-axis negative direction, the electrode interval is narrowed. When the capacitance value increases and the fourth columnar body tilts in the X-axis positive direction, the X-axis negative direction, the Y-axis positive direction, or the Y-axis negative direction, a part of the electrode interval is narrowed, but another part is A capacitive element C45 formed so that the capacitance value does not change by spreading,
5 types of capacitive elements are defined,
The X-axis direction component of the force acting on the force receiving member is Fx, the Y-axis direction component is Fy, the Z-axis direction component is Fz, the moment component around the X-axis is Mx, the moment component around the Y-axis is My, Z-axis The moment component around is Mz, the intermediate values used in the process of obtaining Fx and Fy are Fx * and Fy * , respectively, and the capacitance values of the capacitive elements are indicated by the same symbols as the symbols of the capacitive elements, respectively. I mean,
As a formula for calculating Fx * ,
Fx1 * = (C11-C12) + (C21-C22) + (C31-C32) + (C41-C42)
Fx2 * = (C11-C12) + (C21-C22)
Fx3 * = (C31-C32) + (C41-C42)
Define the following three formulas,
As a formula for obtaining Fy * ,
Fy1 * = (C13-C14) + (C23-C24) + (C33-C34) + (C43-C44)
Fy2 * = (C13-C14) + (C23-C24)
Fy3 * = (C33-C34) + (C43-C44)
Define the following three formulas,
As an expression for calculating Fz,
Fz1 = − ((C11 + C12 + C13 + C14 + C15) + (C21 + C22 + C23 + C24 + C25) + (C31 + C32 + C33 + C34 + C35) + (C41 + C42 + C43 + C44 + C45))
Fz2 = − ((C11 + C12 + C13 + C14) + (C21 + C22 + C23 + C24) + (C31 + C32 + C33 + C34) + (C41 + C42 + C43 + C44))
Fz3 = − (C15 + C25 + C35 + C45)
Define the following three formulas,
As an expression for obtaining Mx,
Mx1 = (C41 + C42 + C43 + C44 + C45) − (C31 + C32 + C33 + C34 + C35)
Mx2 = (C41 + C42 + C43 + C44)-(C31 + C32 + C33 + C34)
Mx3 = (C45-C35)
Define the following three formulas,
As an expression for calculating My,
My1 = (C11 + C12 + C13 + C14 + C15) − (C21 + C22 + C23 + C24 + C25)
My2 = (C11 + C12 + C13 + C14) − (C21 + C22 + C23 + C24)
My3 = (C15-C25)
Define the following three formulas,
As an expression for obtaining Mz,
Mz1 = ((C13-C14) + (C41-C42))-((C23-C24) + (C31-C32))
Mz2 = (C13-C14)-(C23-C24)
Mz3 = (C41-C42)-(C31-C32)
When defining the following three formulas,
From the candidate capacitive elements,
Fx = Fxi * −Myj (where i = 1 to 3, j = 1 to 3)
Fy = Fyi * + Mxj (where i = 1 to 3, j = 1 to 3)
Fz = Fzi (where i = 1 to 3)
Mx = Mxi (where i = 1 to 3)
My = Myi (where i = 1 to 3)
Mz = Mzi (where i = 1 to 3)
Capacitance elements necessary to perform an operation based on an expression selected from the following six expressions (however, selection of the Fx expression and the Fy expression is indispensable) are actually formed. When the capacitance value is used in a plurality of different expressions, a separate capacitive element is physically formed), and a detection circuit that performs the calculation is provided.
Among the capacitive elements that are actually formed, wiring that is electrically connected to each other for a plurality of capacitive elements that are targets of calculating the sum of capacitance values in the calculation based on the selected formula Is given,
For the Fxi * value Fxi * (0) and the Myj value Myj (0) obtained in an environment in which only the moment about the Y-axis acts, Fxi * (0) = Myj (0) holds. A capacitive element used for calculating the Fxi * and a capacitive element used for calculating the Myj are set.
-Fyi * (0) = Mxj (0) is satisfied with respect to the value Fyi * (0) of Fyi * and the value Mxj (0) of Mxj obtained in an environment in which only a moment around the X axis acts. A force detection device in which a capacitive element used for calculating Fyi * and a capacitive element used for calculating Mxj are set.
各柱状体について、それぞれ、当該柱状体の中心軸と支持基板の上面との交点に原点を有し、X軸に平行なx軸、Y軸に平行なy軸をもったxy二次元ローカル座標系を定義したときに、
第1のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C11と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C12と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第1の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C13と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第1の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C14と、
支持基板の上面において、第1の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第1の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第1の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C15と、
の5種類の容量素子を定義し、
第2のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C21と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C22と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第2の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C23と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第2の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C24と、
支持基板の上面において、第2の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第2の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第2の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C25と、
の5種類の容量素子を定義し、
第3のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C31と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C32と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第3の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C33と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第3の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C34と、
支持基板の上面において、第3の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第3の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第3の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C35と、
の5種類の容量素子を定義し、
第4のセンサを構成する容量素子の候補として、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用x軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用x軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C41と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるx座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用x軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用x軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C42と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が正となる領域に形成された第4の柱状体用y軸正側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用y軸正側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C43と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系におけるy座標値が負となる領域に形成された第4の柱状体用y軸負側電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用y軸負側電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C44と、
支持基板の上面において、第4の柱状体についてのローカル座標系における所定位置に形成された第4の柱状体用Z軸変位検出用電極と、下端側肉薄部の下面において、前記第4の柱状体用Z軸変位検出用電極に対向する位置に形成された対向電極と、によって構成される容量素子C45と、
の5種類の容量素子を定義し、
各柱状体用電極のそれぞれについて、
x軸正側電極自身およびx軸負側電極自身は、いずれもx軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、x軸正側電極とx軸負側電極とからなる電極群は、y軸に関して線対称となる形状をなしており、
y軸正側電極自身およびy軸負側電極自身は、いずれもy軸に関して線対称となる形状をなし、かつ、y軸正側電極とy軸負側電極とからなる電極群は、x軸に関して線対称となる形状をなしており、
Z軸変位検出用電極自身はx軸およびy軸の双方に関して線対称となる形状をなしていることを特徴とする力検出装置。 In the force detection device according to claim 16, in place of the capacitive element candidate according to claim 16,
For each columnar body, an xy two-dimensional local coordinate having an origin at the intersection of the central axis of the columnar body and the upper surface of the support substrate, an x-axis parallel to the X-axis, and a y-axis parallel to the Y-axis When defining a system,
As a candidate of the capacitive element constituting the first sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body x-axis positive side electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitance element C11 including a counter electrode formed at a position facing the first x-axis positive electrode for the columnar body,
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body x-axis negative electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C12 constituted by a counter electrode formed at a position facing the first columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body y-axis positive side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C13 configured by a counter electrode formed at a position facing the first y-axis positive electrode for the columnar body;
On the upper surface of the support substrate, on the first columnar body y-axis negative electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system for the first columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C14 configured by a counter electrode formed at a position facing the first y-axis negative electrode for the columnar body;
On the upper surface of the support substrate, the first columnar body Z-axis displacement detection electrode formed at a predetermined position in the local coordinate system of the first columnar body, and the lower surface of the lower end side thin portion, the first columnar body A capacitive element C15 configured by a counter electrode formed at a position facing the body Z-axis displacement detection electrode;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the second sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the lower surface of the second columnar body x-axis positive side electrode formed in the region where the x coordinate value in the local coordinate system of the second columnar body is positive, and the lower end side thin portion, A capacitance element C21 configured by a counter electrode formed at a position facing the second columnar x-axis positive side electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the second columnar body x-axis negative electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system for the second columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitance element C22 including a counter electrode formed at a position facing the second columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the second columnar y-axis positive side electrode formed in the region where the y coordinate value in the local coordinate system is positive, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitance element C23 constituted by a counter electrode formed at a position facing the second columnar y-axis positive side electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the second columnar body y-axis negative side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system for the second columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitance element C24 constituted by a counter electrode formed at a position facing the second columnar y-axis negative electrode,
A second columnar body Z-axis displacement detection electrode formed at a predetermined position in the local coordinate system of the second columnar body on the upper surface of the support substrate, and a lower surface of the lower end side thin portion, the second columnar shape A capacitive element C25 constituted by a counter electrode formed at a position facing the body Z-axis displacement detection electrode;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate for the capacitive element constituting the third sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body x-axis positive side electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system of the third columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C31 configured by a counter electrode formed at a position facing the third columnar x-axis positive electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body x-axis negative electrode formed in a region where the x coordinate value in the local coordinate system is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C32 configured by a counter electrode formed at a position facing the third columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body y-axis positive side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C33 configured by a counter electrode formed at a position facing the third columnar y-axis positive electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the third columnar body y-axis negative side electrode formed in the region where the y coordinate value in the local coordinate system is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C34 constituted by a counter electrode formed at a position facing the third y-axis negative electrode for the columnar body;
The third columnar body Z-axis displacement detection electrode formed at a predetermined position in the local coordinate system of the third columnar body on the upper surface of the support substrate, and the lower surface of the lower end side thin portion, the third columnar shape A capacitive element C35 composed of a counter electrode formed at a position facing the body Z-axis displacement detection electrode;
5 types of capacitive elements are defined,
As a candidate of the capacitive element constituting the fourth sensor,
On the upper surface of the support substrate, on the fourth columnar x-axis positive electrode formed in the region where the x coordinate value in the local coordinate system is positive, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitance element C41 configured by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar x-axis positive side electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the fourth columnar x-axis negative electrode formed in the region where the x coordinate value in the local coordinate system is negative, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C42 constituted by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar x-axis negative electrode,
On the upper surface of the support substrate, on the fourth y-axis positive side electrode for the columnar body formed in the region where the y coordinate value in the local coordinate system for the fourth columnar body is positive, and on the lower surface of the lower end side thin portion, A capacitive element C43 configured by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar y-axis positive side electrode;
On the upper surface of the support substrate, on the fourth columnar body y-axis negative side electrode formed in a region where the y coordinate value in the local coordinate system of the fourth columnar body is negative, and on the lower surface of the lower end thin portion, A capacitive element C44 constituted by a counter electrode formed at a position facing the fourth columnar y-axis negative electrode,
A fourth columnar body Z-axis displacement detection electrode formed at a predetermined position in the local coordinate system of the fourth columnar body on the upper surface of the support substrate, and a lower surface of the lower end side thin portion, the fourth columnar shape A capacitive element C45 constituted by a counter electrode formed at a position facing the body Z-axis displacement detection electrode;
5 types of capacitive elements are defined,
For each columnar electrode,
Each of the x-axis positive electrode itself and the x-axis negative electrode itself has a shape that is line symmetric with respect to the x-axis, and the electrode group that includes the x-axis positive electrode and the x-axis negative electrode is the y-axis. Has a line-symmetric shape with respect to
Each of the y-axis positive electrode itself and the y-axis negative electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to the y-axis, and the electrode group that includes the y-axis positive electrode and the y-axis negative electrode is an x-axis. Has a line-symmetric shape with respect to
A force detection device, wherein the Z-axis displacement detection electrode itself has a shape that is line-symmetric with respect to both the x-axis and the y-axis.
特定の一容量素子を構成する一方の電極が、離隔して配置された複数の部分電極の集合体により構成されていることを特徴とする力検出装置。 The force detection device according to any one of claims 6, 12 to 17,
One of the electrodes constituting a specific one-capacitance element is constituted by an assembly of a plurality of partial electrodes arranged apart from each other.
複数の容量素子についての支持基板の上面側に形成される電極もしくは下端側肉薄部側に形成される電極が物理的に単一の共通電極によって構成されていることを特徴とする力検出装置。 The force detection device according to any one of claims 6, 12 to 17,
An electrode formed on an upper surface side of a support substrate or an electrode formed on a lower end side thin portion side of a plurality of capacitive elements is physically constituted by a single common electrode.
各下端側肉薄部が導電性材料によって構成されており、この下端側肉薄部自身が単一の共通電極として機能することを特徴とする力検出装置。 The force detection device according to claim 19,
Each of the lower end side thin portions is made of a conductive material, and the lower end side thin portion itself functions as a single common electrode.
各柱状体の形状および配置が、XZ平面およびYZ平面の双方に関して、面対称になっていることを特徴とする力検出装置。 In the force detection device according to claim 1-20,
A force detection device characterized in that the shape and arrangement of each columnar body are plane-symmetric with respect to both the XZ plane and the YZ plane.
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