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JP3136188U - Force detection device - Google Patents

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JP3136188U
JP3136188U JP2007005985U JP2007005985U JP3136188U JP 3136188 U JP3136188 U JP 3136188U JP 2007005985 U JP2007005985 U JP 2007005985U JP 2007005985 U JP2007005985 U JP 2007005985U JP 3136188 U JP3136188 U JP 3136188U
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force
substrate
flexible portion
detection
flexible
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JP2007005985U
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和廣 岡田
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Abstract

【課題】 製造コストを低減し、電気的ノイズの混入を阻止する。
【解決手段】 金属からなる受力体400と装置筐体900とが、導電線W0で短絡されアースされる。ダイアフラム510を有する基板500とダイアフラム610を有する基板600とは、樹脂材料から構成され、その表面の一部には金属の鍍金層P(太線部分)が形成される。両基板500,600は、柱状体520,620を介して接合される。ダイアフラム610の下面の鍍金層は共通電極Ecを形成し、対向する個別電極Eとの間に容量素子が形成される。この容量素子は、配線W1〜W3を経て、検出用基板700の下面の検出回路750に接続される。受力体400に外力が作用すると、各ダイアフラムに撓みが生じる。検出回路750は、この撓みに起因した各容量素子の静電容量値の変化に基づいて、作用した外力に関する3軸方向への力および3軸まわりのモーメントを検出する。
【選択図】図19
PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce manufacturing costs and prevent electrical noise from being mixed.
A power receiving body 400 made of metal and an apparatus housing 900 are short-circuited by a conductive wire W0 and grounded. The substrate 500 having the diaphragm 510 and the substrate 600 having the diaphragm 610 are made of a resin material, and a metal plating layer P (thick line portion) is formed on a part of the surface thereof. Both substrates 500 and 600 are joined via columnar bodies 520 and 620. The plating layer on the lower surface of the diaphragm 610 forms a common electrode Ec, and a capacitive element is formed between the opposing individual electrodes E. This capacitive element is connected to the detection circuit 750 on the lower surface of the detection substrate 700 via the wirings W1 to W3. When an external force acts on the force receiving body 400, each diaphragm is bent. The detection circuit 750 detects the force in the three-axis direction and the moment about the three axes related to the applied external force based on the change in the capacitance value of each capacitive element due to the bending.
[Selection] Figure 19

Description

本考案は、力検出装置に関し、特に、力とモーメントとを独立して検出するのに適した力検出装置に関する。   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 the force relating to each coordinate axis in the 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。このような6つの成分を検出する機能をもった力検出装置は、一般に「6軸力覚センサ」と呼ばれている。従来、これらの各成分をそれぞれ独立して検出するためには、かなり複雑な三次元構造体をもった力検出装置を用いる必要があったが、本願考案者は、より単純な構造をもった「6軸力覚センサ」を案出した。たとえば、下記の特許文献1および2には、本願考案者の発明に係るユニークな「6軸力覚センサ」の基本原理が開示されている。
特開2004−325367号公報 特開2004−354049号公報
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. . Such a force detection device having a function of detecting six components is generally called a “6-axis force sensor”. Conventionally, in order to detect each of these components independently, it has been necessary to use a force detection device having a fairly complicated three-dimensional structure, but the present inventor has a simpler structure. Invented "6-axis force sensor". For example, Patent Documents 1 and 2 below disclose the basic principle of a unique “6-axis force sensor” according to the invention of the present inventor.
JP 2004-325367 A JP 2004-354049 A

前掲の各特許文献に記載されている「6軸力覚センサ」をはじめとして、多くの力検出装置は、可撓性をもった部材に、作用した外力に基づいて撓みを生じさせ、この撓みの態様を検出することにより、作用した外力の向きや大きさを検出する構成をとる。このような力検出装置は、通常、アルミニウムやステンレス鋼などの金属材料からなる可撓性部材を用いて構成される。このため、製造コストが高騰するという問題がある。   Many force detection devices, including the “6-axis force sensor” described in the above-mentioned patent documents, cause a flexible member to bend based on the applied external force, and this bend. By detecting this aspect, the direction and the magnitude of the applied external force are detected. Such a force detection device is usually configured using a flexible member made of a metal material such as aluminum or stainless steel. For this reason, there exists a problem that manufacturing cost rises.

一般に、最もコストが安い金属加工はプレス加工であるが、力検出装置用の可撓性部材を金属のプレス加工で形成するのは好ましくない。これは、金属材料に対して、プレス加工のように圧力を加える成形処理を施すと、内部に機械的な応力が残留し、この残留応力が、「生じた撓みに基づいて力を検出する」という力検出装置の本来の検出機能に悪影響を与えてしまうためである。このため、金属の可撓性部材を形成するためには、切削加工、放電加工、ワイヤーカット加工という、比較的コストの高い加工方法を採らざるを得ず、装置全体の製造コストを高騰させる要因になっていた。   Generally, the metal processing with the lowest cost is press processing, but it is not preferable to form the flexible member for the force detection device by metal pressing. This is because when a metal material is subjected to a forming process that applies pressure like pressing, a mechanical stress remains inside, and this residual stress is “detects a force based on the generated deflection”. This is because the original detection function of the force detection device is adversely affected. For this reason, in order to form a metal flexible member, it is necessary to adopt a relatively expensive machining method such as cutting, electric discharge machining, and wire cutting, which is a factor that increases the manufacturing cost of the entire apparatus. It was.

また、構成要素として、金属材料からなる部材を用いると、検出結果に電気的なノイズ成分が混入しやすくなるという別な問題も発生する。   Further, when a member made of a metal material is used as a constituent element, another problem that an electrical noise component is likely to be mixed into the detection result occurs.

そこで本考案は、より製造コストの低減を図ることができる力検出装置を提供することを目的とし、更に、電気的なノイズ成分の混入を阻止できる力検出装置を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a force detection device that can further reduce the manufacturing cost, and further to provide a force detection device that can prevent electrical noise components from being mixed.

(1) 本考案の第1の態様は、力検出装置において、
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成され、この上部可撓部の中心から下方へ伸びる上部柱状体を有する上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成され、この下部可撓部の中心から上方へ伸びる下部柱状体を有する下方基板と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
下方基板が固定された装置筐体と、
下部可撓部の撓み具合に基づいて、受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を設け、
上方基板および下方基板は、樹脂材料から構成されており、
上部柱状体の下端と下部柱状体の上端とは相互に接合されており、これら両柱状体を介して、上方基板は下方基板の上方に支持されており、
受力体は、上方基板の上方に位置するように、上方基板に対して接合されており、
検出用基板は、検出領域が下部可撓部の下方に位置するように、下方基板の下面に接合されており、
下部可撓部は、下方基板の下面位置よりも、下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、下部可撓部の下面と各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
検出回路は、各個別電極と共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力を検出するようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention is a force detector,
A power receiving body that receives the force to be detected;
An upper substrate having an upper columnar body that is formed in a part of “an upper flexible part that is thinner than other parts and at least a part of which is flexible” and extends downward from the center of the upper flexible part; ,
A lower substrate having a lower columnar body that is formed in a part of “a lower flexible part that is thinner than other parts and at least a part of which is flexible” and extends upward from the center of the lower flexible part; ,
A plurality of individual electrodes are formed in the detection region on the upper surface, and a detection substrate made of an insulating material;
A device housing to which the lower substrate is fixed;
A detection circuit that detects a force acting on the force receiving body based on a degree of bending of the lower flexible portion;
Provided,
The upper substrate and the lower substrate are made of a resin material,
The lower end of the upper columnar body and the upper end of the lower columnar body are joined to each other, and the upper substrate is supported above the lower substrate through these two columnar bodies,
The power receiving body is bonded to the upper substrate so as to be positioned above the upper substrate,
The detection substrate is bonded to the lower surface of the lower substrate so that the detection region is located below the lower flexible portion,
The lower flexible portion is formed at a position such that the lower surface position of the lower flexible portion is higher than the lower surface position of the lower substrate, and between the lower surface of the lower flexible portion and the upper surface of each individual electrode. Has a void,
A common electrode made of a metal plating layer is formed on the lower surface of the lower flexible portion,
The detection circuit is configured to detect a force acting on the force receiving body based on capacitance values of a plurality of capacitive elements configured by the individual electrodes and the common electrode.

(2) 本考案の第2の態様は、力検出装置において、
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成された上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成され、この下部可撓部の中心から上方へ伸びる柱状体を有する下方基板と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
下方基板が固定された装置筐体と、
下部可撓部の撓み具合に基づいて、受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を設け、
上方基板および下方基板は、樹脂材料から構成されており、
柱状体の上端は上部可撓部の下面中心に接合されており、柱状体を介して、上方基板は下方基板の上方に支持されており、
受力体は、上方基板の上方に位置するように、上方基板に対して接合されており、
検出用基板は、検出領域が下部可撓部の下方に位置するように、下方基板の下面に接合されており、
下部可撓部は、下方基板の下面位置よりも、下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、下部可撓部の下面と各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
検出回路は、各個別電極と共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力を検出するようにしたものである。
(2) A second aspect of the present invention is a force detector,
A power receiving body that receives the force to be detected;
An upper substrate on which a “thin flexible portion at least partially flexible with at least a portion being thinner than other portions” is formed;
A lower substrate having a columnar body that is formed in a part of “a lower flexible part that is thinner than other parts and at least a part of which is flexible” and extends upward from the center of the lower flexible part;
A plurality of individual electrodes are formed in the detection region on the upper surface, and a detection substrate made of an insulating material;
A device housing to which the lower substrate is fixed;
A detection circuit that detects a force acting on the force receiving body based on a degree of bending of the lower flexible portion;
Provided,
The upper substrate and the lower substrate are made of a resin material,
The upper end of the columnar body is joined to the lower surface center of the upper flexible portion, and the upper substrate is supported above the lower substrate via the columnar body,
The power receiving body is bonded to the upper substrate so as to be positioned above the upper substrate,
The detection substrate is bonded to the lower surface of the lower substrate so that the detection region is located below the lower flexible portion,
The lower flexible portion is formed at a position such that the lower surface position of the lower flexible portion is higher than the lower surface position of the lower substrate, and between the lower surface of the lower flexible portion and the upper surface of each individual electrode. Has a void,
A common electrode made of a metal plating layer is formed on the lower surface of the lower flexible portion,
The detection circuit is configured to detect a force acting on the force receiving body based on capacitance values of a plurality of capacitive elements configured by the individual electrodes and the common electrode.

(3) 本考案の第3の態様は、力検出装置において、
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成され、この上部可撓部の中心から下方へ伸びる柱状体を有する上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成された下方基板と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
下方基板が固定された装置筐体と、
下部可撓部の撓み具合に基づいて、受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を設け、
上方基板および下方基板は、樹脂材料から構成されており、
柱状体の下端は、下部可撓部の上面中心に接合されており、柱状体を介して、上方基板は下方基板の上方に支持されており、
受力体は、上方基板の上方に位置するように、上方基板に対して接合されており、
検出用基板は、検出領域が下部可撓部の下方に位置するように、下方基板の下面に接合されており、
下部可撓部は、下方基板の下面位置よりも、下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、下部可撓部の下面と各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
検出回路は、各個別電極と共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力を検出するようにしたものである。
(3) According to a third aspect of the present invention, in the force detection device,
A power receiving body that receives the force to be detected;
An upper substrate having a columnar body that is formed in a portion of “an upper flexible portion that is thinner than other portions and at least a portion of which is flexible” and extends downward from the center of the upper flexible portion;
A lower substrate in which a “lower flexible part having a smaller thickness than other parts and at least a part of which is flexible” is formed in part;
A plurality of individual electrodes are formed in the detection region on the upper surface, and a detection substrate made of an insulating material;
A device housing to which the lower substrate is fixed;
A detection circuit that detects a force acting on the force receiving body based on a degree of bending of the lower flexible portion;
Provided,
The upper substrate and the lower substrate are made of a resin material,
The lower end of the columnar body is joined to the center of the upper surface of the lower flexible portion, and the upper substrate is supported above the lower substrate via the columnar body,
The power receiving body is bonded to the upper substrate so as to be positioned above the upper substrate,
The detection substrate is bonded to the lower surface of the lower substrate so that the detection region is located below the lower flexible portion,
The lower flexible portion is formed at a position such that the lower surface position of the lower flexible portion is higher than the lower surface position of the lower substrate, and between the lower surface of the lower flexible portion and the upper surface of each individual electrode. Has a void,
A common electrode made of a metal plating layer is formed on the lower surface of the lower flexible portion,
The detection circuit is configured to detect a force acting on the force receiving body based on capacitance values of a plurality of capacitive elements configured by the individual electrodes and the common electrode.

(4) 本考案の第4の態様は、力検出装置において、
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成された上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成された下方基板と、
上端が上部可撓部の下面中心に接合され、下端が下部可撓部の上面中心に接合された柱状体と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
下方基板が固定された装置筐体と、
下部可撓部の撓み具合に基づいて、受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を設け、
上方基板および下方基板は、樹脂材料から構成されており、
柱状体を介して、上方基板は下方基板の上方に支持されており、
受力体は、上方基板の上方に位置するように、上方基板に対して接合されており、
検出用基板は、検出領域が下部可撓部の下方に位置するように、下方基板の下面に接合されており、
下部可撓部は、下方基板の下面位置よりも、下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、下部可撓部の下面と各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
検出回路は、各個別電極と共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力を検出するようにしたものである。
(4) A fourth aspect of the present invention is a force detector,
A power receiving body that receives the force to be detected;
An upper substrate on which a “thin flexible portion at least partially flexible with at least a portion being thinner than other portions” is formed;
A lower substrate in which a “lower flexible part having a smaller thickness than other parts and at least a part of which is flexible” is formed in part;
A columnar body having an upper end bonded to the center of the lower surface of the upper flexible portion and a lower end bonded to the center of the upper surface of the lower flexible portion;
A plurality of individual electrodes are formed in the detection region on the upper surface, and a detection substrate made of an insulating material;
A device housing to which the lower substrate is fixed;
A detection circuit that detects a force acting on the force receiving body based on a degree of bending of the lower flexible portion;
Provided,
The upper substrate and the lower substrate are made of a resin material,
The upper substrate is supported above the lower substrate via the columnar body,
The power receiving body is bonded to the upper substrate so as to be positioned above the upper substrate,
The detection substrate is bonded to the lower surface of the lower substrate so that the detection region is located below the lower flexible portion,
The lower flexible portion is formed at a position such that the lower surface position of the lower flexible portion is higher than the lower surface position of the lower substrate, and between the lower surface of the lower flexible portion and the upper surface of each individual electrode. Has a void,
A common electrode made of a metal plating layer is formed on the lower surface of the lower flexible portion,
The detection circuit is configured to detect a force acting on the force receiving body based on capacitance values of a plurality of capacitive elements configured by the individual electrodes and the common electrode.

(5) 本考案の第5の態様は、上述した第1〜第4の態様に係る力検出装置において、
下部可撓部の上面にも、金属の鍍金層を形成するようにしたものである。
(5) A fifth aspect of the present invention is the force detection device according to the first to fourth aspects described above,
A metal plating layer is also formed on the upper surface of the lower flexible portion.

(6) 本考案の第6の態様は、上述した第5の態様に係る力検出装置において、
上部可撓部の上下両面にも、金属の鍍金層が形成されているようにしたものである。
(6) A sixth aspect of the present invention is the force detection device according to the fifth aspect described above,
A metal plating layer is formed on both upper and lower surfaces of the upper flexible portion.

(7) 本考案の第7の態様は、上述した第6の態様に係る力検出装置において、
上方基板および下方基板の表面のほぼ全面に、金属の鍍金層が形成されているようにしたものである。
(7) A seventh aspect of the present invention is the force detection apparatus according to the sixth aspect described above,
A metal plating layer is formed on almost the entire surface of the upper substrate and the lower substrate.

(8) 本考案の第8の態様は、上述した第7の態様に係る力検出装置において、
上方基板と下方基板との接続部分に、鍍金層が形成されていない鍍金切欠部を設け、上方基板の表面に形成された鍍金層と下方基板の表面に形成された鍍金層とが電気的に絶縁されるようにしたものである。
(8) An eighth aspect of the present invention is the force detection device according to the seventh aspect described above,
A plating notch in which a plating layer is not formed is provided at a connection portion between the upper substrate and the lower substrate, and the plating layer formed on the surface of the upper substrate and the plating layer formed on the surface of the lower substrate are electrically It is designed to be insulated.

(9) 本考案の第9の態様は、上述した第1〜第8の態様に係る力検出装置において、
受力体を金属材料によって構成したものである。
(9) A ninth aspect of the present invention is the force detection device according to the first to eighth aspects described above,
The power receiving body is made of a metal material.

(10) 本考案の第10の態様は、上述した第9の態様に係る力検出装置において、
装置筐体を金属材料によって構成し、受力体と装置筐体との間を電気的に短絡する導電線を設けるようにしたものである。
(10) A tenth aspect of the present invention is the force detection device according to the ninth aspect described above,
The apparatus casing is made of a metal material, and a conductive wire that electrically short-circuits between the force receiving body and the apparatus casing is provided.

(11) 本考案の第11の態様は、上述した第1〜第10の態様に係る力検出装置において、
検出回路が、検出用基板の下面に設けられており、
検出用基板の上面に形成された各個別電極と検出回路との間の配線が、検出用基板に設けられたスルーホールを介してなされているようにしたものである。
(11) An eleventh aspect of the present invention is the force detection device according to the first to tenth aspects described above,
The detection circuit is provided on the lower surface of the detection substrate,
Wiring between each individual electrode formed on the upper surface of the detection substrate and the detection circuit is made through a through hole provided in the detection substrate.

(12) 本考案の第12の態様は、上述した第11の態様に係る力検出装置において、
下部可撓部の下面に形成された共通電極から配線層が伸びており、この配線層の端部が下方基板の下面に配置され、
検出用基板が、その貫通孔を挿通する導電性ネジによって下方基板の下面に接合されており、導電性ネジは、配線層の端部を挿通しており、この導電性ネジを利用して、共通電極と検出回路との間の配線がなされているようにしたものである。
(12) A twelfth aspect of the present invention is the force detection device according to the eleventh aspect described above,
A wiring layer extends from the common electrode formed on the lower surface of the lower flexible portion, and an end of the wiring layer is disposed on the lower surface of the lower substrate,
The detection substrate is joined to the lower surface of the lower substrate by a conductive screw that passes through the through-hole, and the conductive screw passes through the end of the wiring layer, and using this conductive screw, Wiring between the common electrode and the detection circuit is made.

(13) 本考案の第13の態様は、上述した第1〜12の態様に係る力検出装置において、
上部可撓部の上面中心近傍に隆起部が形成されており、この隆起部および上部可撓部を挿通するネジによって、柱状体もしくは下部可撓部に対する接合が行われているようにしたものである。
(13) A thirteenth aspect of the present invention is the force detection device according to the first to twelfth aspects described above,
A raised portion is formed in the vicinity of the center of the upper surface of the upper flexible portion, and the columnar body or the lower flexible portion is joined by a screw that passes through the raised portion and the upper flexible portion. is there.

(14) 本考案の第14の態様は、上述した第1〜13の態様に係る力検出装置において、
上方基板には複数N組の上部可撓部が形成され、下方基板には複数N組の下部可撓部が形成され、上下でそれぞれ対応する一対の可撓部が、合計N本の柱状体を介して互いに接合されており、合計N本の柱状体を介して、上方基板は下方基板の上方に支持されており、
検出用基板の上面には、それぞれが複数の個別電極を有する複数N組の検出領域が設けられており、複数N組の下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極がそれぞれ形成されており、
検出回路は、複数N組の検出領域のそれぞれについて形成されている容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力を検出するようにしたものである。
(14) According to a fourteenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the first to thirteenth aspects described above,
A plurality of N sets of upper flexible portions are formed on the upper substrate, and a plurality of N sets of lower flexible portions are formed on the lower substrate. And the upper substrate is supported above the lower substrate through a total of N columnar bodies,
A plurality of N detection regions each having a plurality of individual electrodes are provided on the upper surface of the detection substrate, and a common electrode made of a metal plating layer is provided on the lower surface of the plurality of N lower flexible portions. Each formed,
The detection circuit detects a force acting on the force receiving body based on the capacitance value of the capacitive element formed for each of the plurality of N sets of detection regions.

(15) 本考案の第15の態様は、上述した第1〜14の態様に係る力検出装置において、
上部可撓部および下部可撓部の双方もしくは一方を、基板の他の部分よりも肉厚が薄いために全体的に可撓性を帯びているダイアフラムによって構成したものである。
(15) According to a fifteenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the first to fourteenth aspects described above,
Both or one of the upper flexible portion and the lower flexible portion is constituted by a diaphragm having overall flexibility because the wall thickness is thinner than other portions of the substrate.

(16) 本考案の第16の態様は、上述した第1〜14の態様に係る力検出装置において、
上部可撓部および下部可撓部の双方もしくは一方を、変位板と、この変位板を周囲から支持するビーム部と、によって構成し、少なくともビーム部が可撓性をもっているようにしたものである。
(16) According to a sixteenth aspect of the present invention, in the force detection device according to the first to fourteenth aspects described above,
Either or both of the upper flexible portion and the lower flexible portion are constituted by a displacement plate and a beam portion that supports the displacement plate from the periphery, and at least the beam portion is flexible. .

(17) 本考案の第15の態様は、力検出装置において、
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった可撓部」が一部分に形成された基板と、
基板が固定された装置筐体と、
受力体が受けた力を可撓部へ伝達する力伝達体と、
可撓部の撓み具合に基づいて、受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を設け、
基板は樹脂材料から構成されており、可撓部の上下両面には、金属の鍍金層が形成されているようにしたものである。
(17) According to a fifteenth aspect of the present invention, in the force detection device,
A power receiving body that receives the force to be detected;
A substrate on which a “flexible portion having a smaller thickness than other portions and at least a portion of which is flexible” is formed in part;
A device housing to which the substrate is fixed;
A force transmission body for transmitting the force received by the force receiving body to the flexible portion;
A detection circuit for detecting a force acting on the force receiving body based on a bending degree of the flexible portion;
Provided,
The substrate is made of a resin material, and a metal plating layer is formed on the upper and lower surfaces of the flexible portion.

本考案に係る力検出装置によれば、「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった可撓部」が形成された基板を樹脂材料によって構成し、更に、この可撓部の必要な箇所に金属鍍金層を形成するようにしたため、金属材料を用いることなしに、可撓部の形成が可能になる。よって、製造コストの低減を図ることができるようになり、また、電気的なノイズ成分の混入を阻止するような構造も可能になる。   According to the force detection device of the present invention, a substrate on which a “flexible portion having a thickness smaller than other portions and at least a portion having flexibility” is formed of a resin material. Since the metal plating layer is formed at a necessary portion of the flexible portion, the flexible portion can be formed without using a metal material. Therefore, the manufacturing cost can be reduced, and a structure that prevents the mixing of electrical noise components is also possible.

以下、本考案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 embodiment.

<<< §1. 先行技術実施形態の基本概念 >>>
本考案は、前掲の特許文献1(特開2004−325367号公報)および特許文献2(特開2004−354049号公報)に開示されている基礎発明に係る力検出装置を実用化する上で着想した改良部分に関するものである。そこで、まず、この§1では、この基礎発明に係る力検出装置の一例として、前掲の特許文献1に開示されている実施形態(以下、先行技術実施形態という)の基本概念を説明する。
<<< §1. Basic concept of prior art embodiment >>
The present invention is conceived for practical application of the force detection device according to the basic invention disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-325367) and Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-354049). It relates to the improved part. Therefore, in this §1, first, as an example of the force detection device according to the basic invention, a basic concept of an embodiment (hereinafter referred to as a prior art embodiment) disclosed in Patent Document 1 described above will be described.

図1は、先行技術実施形態に係る力検出装置の構成を示す斜視図(一部はブロック図)である。図示のとおり、この力検出装置の基本構成要素は、受力体10、第1の力伝達体11、第2の力伝達体12、第3の力伝達体13、第4の力伝達体14、支持体20、第1のセンサ21、第2のセンサ22、第3のセンサ23、第4のセンサ24、検出回路30である。   FIG. 1 is a perspective view (partially a block diagram) showing a configuration of a force detection device according to a prior art embodiment. As shown in the figure, the basic components of the force detection device are a force receiving body 10, a first force transmitting body 11, a second force transmitting body 12, a third force transmitting body 13, and a fourth force transmitting body 14. , Support 20, first sensor 21, second sensor 22, third sensor 23, fourth sensor 24, and detection circuit 30.

受力体10は、検出対象となる力を受ける構成要素であり、ここでは説明の便宜上、この受力体10の中心位置に原点Oを定義し、図示のとおり、XYZ三次元座標系を定義している。図示の例では、受力体10および支持体20を板状部材で構成しているが、これらは必ずしも板状にする必要はなく、任意の形状でかまわない。受力体10に作用する力の成分は、この座標系における各座標軸方向の力成分Fx,Fy,Fzと各座標軸まわりのモーメント成分Mx,My,Mzである。   The force receiving body 10 is a component that receives a force to be detected. Here, for convenience of explanation, an origin O is defined at the center position of the force receiving body 10, and an XYZ three-dimensional coordinate system is defined as illustrated. is doing. In the illustrated example, the force receiving body 10 and the support body 20 are configured by plate-like members, but these do not necessarily have to be plate-like, and may have any shape. The components of the force acting on the force receiving body 10 are force components Fx, Fy, Fz in each coordinate axis direction and moment components Mx, My, Mz around each coordinate axis in this coordinate system.

なお、以下の説明では、「力」という文言は、特定の座標軸方向の力を意味する場合と、モーメント成分を含めた集合的な力を意味する場合とを、適宜使い分けることにする。たとえば、図1において、力Fx,Fy,Fzと言った場合は、モーメントではない各座標軸方向の力成分を意味しているが、6つの力Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzと言った場合は、各座標軸方向の力成分と各座標軸まわりのモーメント成分とを含む集合的な力を意味することになる。   In the following description, the term “force” is appropriately used when it means a force 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 the 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.

支持体20は、受力体10の下方に配置され、受力体10を支持する機能を果たす構成要素である。上述したように、受力体10や支持体20は、必ずしも板状の形態をとる必要はない。ただ、後述するように、第1のセンサ21〜第4のセンサ24によって、各座標軸X,Y,Zに関する力の検出を行う上では、前述したXYZ三次元座標系におけるXY平面に平行な上面を有する支持体20を用いるのが好ましく、実用上は、受力体10や支持体20は、いずれも板状形態にするのが好ましい。ここでは、説明の便宜上、支持体20の上面に、xy平面を定義することにする。この小文字で示すxy平面は、大文字で示すXY平面に平行な平面となっており、x軸とX軸とは平行、y軸とY軸とは平行である。   The support body 20 is a component that is disposed below the force receiving body 10 and performs a function of supporting the force receiving body 10. As described above, the power receiving body 10 and the support body 20 do not necessarily have a plate-like form. However, as will be described later, the upper surface parallel to the XY plane in the XYZ three-dimensional coordinate system described above is used to detect the force related to the coordinate axes X, Y, and Z by the first sensor 21 to the fourth sensor 24. It is preferable to use the support body 20 having the above. In practice, it is preferable that both the power receiving body 10 and the support body 20 have a plate shape. Here, for convenience of explanation, an xy plane is defined on the upper surface of the support 20. The xy plane indicated by lowercase letters is a plane parallel to the XY plane indicated by uppercase letters, and the x axis and the X axis are parallel, and the y axis and the Y axis are parallel.

第1の力伝達体11〜第4の力伝達体14は、受力体10と支持体20とを接続する部材であり、Z軸に沿って配置された構造体であり、しかもこの4本は、xy平面上で互いに所定間隔をおいて配置されている。図示の例では、これら力伝達体11〜14は、いずれも柱状の構造体となっており、その長手方向がZ軸に平行な方向を向いて配置されているが、原理的には任意の形状をもった構造体で構成してかまわない。ただ、実用上は、図示のような柱状の構造体にするのが、単純な構造を実現する上で好ましい。また、実用上は、第1の力伝達体11〜第4の力伝達体14は、全く同じ材質、全く同じサイズにするのが好ましい。これは、これらの材質やサイズを同一にしておけば、第1のセンサ21〜第4のセンサ24による検出感度を同一にすることができるためである。相互の材質やサイズが異なると、各センサの感度を同一にそろえることが困難になり、感度補正のための工夫が必要になる。   The first force transmission body 11 to the fourth force transmission body 14 are members that connect the force receiving body 10 and the support body 20, and are structures disposed along the Z axis. Are arranged at predetermined intervals on the xy plane. In the illustrated example, each of these force transmission bodies 11 to 14 is a columnar structure, and the longitudinal direction thereof is arranged in a direction parallel to the Z axis. A structure having a shape may be used. However, in practice, it is preferable to use a columnar structure as illustrated in order to realize a simple structure. In practice, the first force transmission body 11 to the fourth force transmission body 14 are preferably made of 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 becomes difficult to make the sensitivity of each sensor the same, and a device for correcting the sensitivity is required.

ここで重要な点は、各力伝達体11〜14の上端が、受力体10に対して、可撓性をもった接続部材(図には示されていない)を介して接続されており、各力伝達体11〜14の下端が、支持体20に対して、可撓性をもった接続部材(図には示されていない)を介して接続されている点である。要するに、第1の力伝達体11〜第4の力伝達体14は、受力体10に対しても、支持体20に対しても、可撓性をもって接続されていることになる。ここで、可撓性とは弾力性と同義であり、受力体10に対して何ら力が作用していない状態では、受力体10は支持体20に対して定位置をとるが、受力体10に何らかの力が作用すると、可撓性をもった接続部材が弾性変形を生じ、受力体10と支持体20との相対位置に変化が生じることになる。もちろん、受力体10に作用する力がなくなると、受力体10はもとどおりの定位置に戻る。   The important point here is that the upper ends of the force transmitting bodies 11 to 14 are connected to the force receiving body 10 via flexible connecting members (not shown in the figure). The lower ends of the force transmission bodies 11 to 14 are connected to the support body 20 via flexible connection members (not shown in the drawing). In short, the first force transmission body 11 to the fourth force transmission body 14 are connected to the force receiving body 10 and the support body 20 with flexibility. Here, flexibility is synonymous with elasticity, and in the 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 20, but 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 body 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、柱状の第1の力伝達体11〜第4の力伝達体14の上端部および下端部が、それぞれ可撓性をもった接続部材によって構成されていることになる(もちろん、第1の力伝達体11〜第4の力伝達体14の全体が可撓性をもった材料により構成されていてもかまわない)。そして、この接続部材が、ある程度の弾性変形を生じるため、第1の力伝達体11〜第4の力伝達体14は、受力体10や支持体20に対して傾斜することができる。また、この接続部材は、図の上下方向(Z軸方向)にも伸縮することが可能であり、受力体10を図の上方向(+Z軸方向)に動かすと、接続部材が伸び、受力体10と支持体20との距離は広がり、逆に、受力体10を図の下方向(−Z軸方向)に動かすと、接続部材が縮み、受力体10と支持体20との距離は狭まることになる。もちろん、このような変位や傾斜の度合いは、受力体10に作用した力の大きさに応じて大きくなる。   After all, in the example shown in FIG. 1, the upper end portion and the lower end portion of the columnar first force transmission body 11 to the fourth force transmission body 14 are respectively configured by flexible connection members. (Of course, the entirety of the first force transmission body 11 to the fourth force transmission body 14 may be made of a flexible material). And since this connection member produces a certain amount of elastic deformation, the 1st force transmission body 11-the 4th force transmission body 14 can incline with respect to the force receiving body 10 and the support body 20. As shown in FIG. The connecting member can also 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 is extended and received. The distance between the force body 10 and the support body 20 is widened. Conversely, when the force receiving body 10 is moved in the downward direction (−Z-axis direction) in the figure, the connecting member contracts, and the force receiving body 10 and the support body 20 are separated. The distance 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の力伝達体11〜第4の力伝達体14から、支持体20に向かって加えられる力を検出する力センサであり、後述するように、それぞれ複数の容量素子から構成されている。受力体10に力が作用すると、この力は、各力伝達体11〜14を介して、支持体20へと伝達されることになる。各センサ21〜24は、こうして伝達される力を検出する機能を有しており、より具体的には、後に詳述するように、力伝達体が傾斜することにより生じる力を検出することにより、力伝達体の傾斜度を検知する機能と、力伝達体全体が、支持体に対して加える押圧力(図の下方−Z軸方向の力)もしくは引っ張り力(図の上方+Z軸方向の力)を検知する機能と、を有している。   The first sensor 21 to the fourth sensor 24 are force sensors that detect forces applied from the first force transmission body 11 to the fourth force transmission body 14 toward the support body 20, respectively, and will be described later. Thus, each is comprised from several capacitive element. When a force acts on the force receiving body 10, this force is transmitted to the support body 20 via the force transmitting bodies 11 to 14. Each of the sensors 21 to 24 has a function of detecting the force transmitted in this way, and more specifically, by detecting the force generated by the inclination of the force transmission body, as will be described in detail later. , The function of detecting the inclination of the force transmission body, and the entire force transmission body applies a pressing force (downward in the figure-force in the Z-axis direction) or 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、上述した力伝達体の傾斜度や、支持体に対して加えられる押圧力/引っ張り力に基づいて、力やモーメントの検出が行われる。その具体的な方法については後述する。   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 and moment is performed based on the inclination of the force transmission body and the pressing force / pulling force applied to the support. The specific method will be described later.

続いて、図2の正面図を参照しながら、図1に示す力検出装置の基本的な動作原理を説明する。なお、ここでは、説明の便宜上、第1の力伝達体11および第2の力伝達体12に関連する動作のみを示すが、第3の力伝達体13および第4の力伝達体14に関連する動作も同様である。   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 operations related to the first force transmission body 11 and the second force transmission body 12 are shown, but related to the third force transmission body 13 and the fourth force transmission body 14. The operation to perform is the same.

図2(a) は、この力検出装置に何ら力が作用していない状態を示しており、受力体10は、支持体20に対して定位置を維持している。もちろん、この状態においても、受力体10などの重量が支持体20上に加わっているので、支持体20は、第1の力伝達体11や第2の力伝達体12から、何らかの力を受けているが、この状態で受けている力は定常状態での力であり、このような力が第1のセンサ21や第2のセンサ22によって検出されたとしても、検出回路30から出力される力やモーメントの検出値は0になるように調整されている。別言すれば、検出回路30は、このような定常状態における各センサ21〜24の検出結果を基準として、何らかの変化が生じた場合には、この変化を受力体10に作用した力もしくはモーメントとして検出する機能を有している。   FIG. 2 (a) shows a state where no force is applied to the force detection device, and the force receiving body 10 maintains a fixed position with respect to the support body 20. Of course, even in this state, since the weight of the force receiving body 10 and the like is applied on the support body 20, the support body 20 receives some force from the first force transmission body 11 and the second force transmission body 12. Although the force received in this state is a force in a steady state, even if such a force is detected by the first sensor 21 or the second sensor 22, it is output from the detection circuit 30. The detected force and moment detection values are adjusted to be zero. In other words, the detection circuit 30, when any change occurs with reference to the detection results of the sensors 21 to 24 in such a steady state, causes the force or moment applied to the force receiving body 10. It has the function to detect as.

さて、ここでは、まず図2(b) に示すように、受力体10に対して、X軸正方向の力+Fxが作用した場合を考えてみる。ちょうど原点Oの位置を、図の右方向へと押すような力が加わった場合に相当する。この場合、図示のとおり、受力体10は図の右方向へとスライド運動することになり、第1の力伝達体11および第2の力伝達体12は、図の右方向へと傾斜することになる。ここでは、このときの第1の力伝達体11の傾斜度をθ1、第2の力伝達体12の傾斜度をθ2と呼ぶことにする。また、このようにXZ平面に平行な平面内におけるx軸に向かう方向への傾斜の程度を示す角度θ1,θ2を、「X軸方向に関する傾斜度」と呼ぶことにする。同様に、YZ平面に平行な平面内におけるy軸に向かう方向への傾斜の程度を示す角度を、「Y軸方向に関する傾斜度」と呼ぶ。図示の例の場合、2本の力伝達体11,12は、x軸に沿って並んで配置されているので、Y軸方向の傾斜度は0である。   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 a case where a force that pushes the position of the origin O rightward 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 force transmitting body 11 and the second force transmitting body 12 are inclined in the right direction in the figure. It will be. Here, the inclination of the first force transmission body 11 at this time is referred to as θ1, and the inclination of the second force transmission body 12 is referred to as θ2. In addition, the angles θ1 and θ2 indicating the degree of inclination in the direction toward the x-axis in a plane parallel to the XZ plane are referred to as “inclination in the X-axis direction”. Similarly, an angle indicating the degree of inclination in the direction toward the y-axis in a plane parallel to 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 force transmission bodies 11 and 12 are arranged along the x axis, the inclination in the Y axis direction is zero.

なお、各力伝達体11,12が傾斜すると、受力体10と支持体20との距離は若干縮まることになるので、厳密に言えば、受力体10はX軸方向に完全な平行移動を行うわけではなく、わずかながら−Z軸方向への移動も行うことになるが、傾斜度が比較的小さい場合、−Z軸方向への移動量は無視することができるので、ここでは説明の便宜上、受力体10がX軸方向のみに移動したものと考えることにする。   In addition, if each force transmission body 11 and 12 inclines, since the distance of the power receiving body 10 and the support body 20 will shrink a little, strictly speaking, the power receiving body 10 will be completely translated in the X-axis direction. However, if the inclination is relatively small, the amount of movement in the -Z-axis direction can be ignored. For convenience, it is assumed 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軸は紙面の裏側へと向かう垂直方向の軸であるから、図では、モーメント+Myは、原点Oを中心に、受力体10全体を時計まわりの方向に回転させるような力に相当する。なお、ここでは、所定の座標軸の正方向に右ネジを進める場合の当該右ネジの回転方向を、当該座標軸まわりの正のモーメントと定義することにする。さて、この場合、図示のとおり、第1の力伝達体11については縮小力が作用し、第2の力伝達体12については伸張力が作用することになる。その結果、第1の力伝達体11から支持体20に対しては、押圧力(−Z軸方向の力:ここでは、力−fzと示すことにする)が作用し、第2の力伝達体12から支持体20に対しては、引っ張り力(+Z軸方向の力:ここでは、力+fzと示すことにする)が作用する。   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 page, in the figure, the moment + My rotates the entire force receiving member 10 in the clockwise direction around the origin O. It corresponds to such a force. Here, 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. In this case, as shown in the figure, a reduction force acts on the first force transmission body 11 and an extension force acts on the second force transmission body 12. As a result, a pressing force (a force in the −Z-axis direction: here, referred to as a force −fz) acts on the support body 20 from the first force transmission body 11, and the second force transmission. A tensile force (+ Z-axis direction force: here, referred to as force + fz) acts on the support body 20 from the body 12.

このように、図示の力検出装置では、受力体10にX軸方向の力Fxが作用した場合と、Y軸まわりのモーメントMyが作用した場合とでは、2本の力伝達体11,12を介して支持体20に伝達される力の態様が異なることになる。したがって、両者を区別して、それぞれ別個に検出することが可能である。   As described above, in the illustrated force detection device, the two force transmission bodies 11 and 12 are generated when the force Fx in the X-axis direction acts on the force receiving body 10 and when the moment My around the Y-axis acts. The mode of the force transmitted to the support body 20 via this will be 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本の力伝達体11,12は、X軸方向に傾斜し、傾斜度θ1,θ2を生じることになり、このような傾斜に応じた力が支持体20へと伝達される。ここで、第1の力伝達体11および第2の力伝達体12と、これらを支持体20に接続するための可撓性をもった各接続部材とを、同一材料、同一サイズにしておき、この力検出装置が、図のZ軸に関して左右対称となる構造にしておけば、傾斜度θ1=θ2になる。よって両者の和(θ1+θ2)は、X軸方向の力Fxを示す値になる。傾斜度θに符号を付して取り扱えば(たとえば、X軸正方向への傾斜の場合を正、X軸負方向への傾斜の場合を負として取り扱えば)、作用したX軸方向の力Fxを符号を含めて検出することが可能である。   That is, when the force Fx in the X-axis direction is applied, as shown in FIG. 2 (b), the two force transmission bodies 11 and 12 are inclined in the X-axis direction to generate the inclinations θ1 and θ2. Thus, a force corresponding to such an inclination is transmitted to the support 20. Here, the first force transmission body 11 and the second force transmission body 12 and the flexible connection members for connecting them to the support body 20 are made of the same material and the same size. If this force detection device is configured to be bilaterally symmetric with respect to the Z axis 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、この力検出装置では、後述するように、第1の力伝達体11および第2の力伝達体12の傾斜度は、第1のセンサ21および第2のセンサ22によって、支持体20に加えられる力として検出されることになる。このような検出を行うには、各力伝達体から支持体20に対して加えられる力を、個々の部分ごとに検知すればよい。たとえば、図2(b) において、第1の力伝達体11と支持体20との接続部分に生じる応力を考えてみると、第1の力伝達体11の底部の右側部分と左側部分とでは、生じる応力の向きが異なることがわかる。すなわち、図示の例では、第1の力伝達体11は右側に傾斜しているので、第1の力伝達体11の底部の右側部分については押圧力が生じ、支持体20の上面を下方に押圧する力が生じているのに対し、左側部分については引っ張り力が生じ、支持体20の上面を上方へ引っ張り上げる力が生じている。このように第1の力伝達体11の底部の左右の各部における応力の相違を検出することにより、第1の力伝達体11の傾斜度を得ることができる。その具体的な方法については、§2で詳述する。   However, in this force detection device, as described later, the inclinations of the first force transmission body 11 and the second force transmission body 12 are applied to the support body 20 by the first sensor 21 and the second sensor 22. It will be detected as an applied force. In order to perform such detection, the force applied from each force transmission body to the support 20 may be detected for each individual portion. For example, in FIG. 2B, when considering the stress generated in the connection portion between the first force transmission body 11 and the support body 20, the right side portion and the left side portion of the bottom portion of the first force transmission body 11 are It can be seen that the direction of the generated stress is different. That is, in the illustrated example, since the first force transmission body 11 is inclined to the right side, a pressing force is generated on the right side portion of the bottom portion of the first force transmission body 11, and the upper surface of the support body 20 is directed downward. While a pressing force is generated, a pulling force is generated on the left side portion, and a force that pulls the upper surface of the support 20 upward is generated. Thus, by detecting the difference in stress between the left and right portions of the bottom of the first force transmission body 11, the inclination of the first force transmission body 11 can be obtained. The specific method will be described in detail in §2.

結局、この力検出装置によって、X軸方向の力Fxを検出するには、第1のセンサ21には、第1の力伝達体11の支持体20に対するx軸方向への傾斜状態を検知する機能をもたせておき、第2のセンサ22には、第2の力伝達体12の支持体20に対するx軸方向への傾斜状態を検知する機能をもたせておけばよい。第1のセンサ21が、第1の力伝達体11のX軸方向に関する傾斜度θ1を検知する機能を有し、第2のセンサ22が、第2の力伝達体12のX軸方向に関する傾斜度を検知する機能を有していれば、検出回路30は、第1のセンサ21によって検知されたX軸方向に関する傾斜度θ1と、第2のセンサ22によって検知されたX軸方向に関する傾斜度θ2と、の和に基づいて、受力体10に作用した力のX軸方向成分Fxを検出する処理を行うことができる。   In the end, in order to detect the force Fx in the X-axis direction by this force detection device, the first sensor 21 detects the tilt state of the first force transmission body 11 in the x-axis direction with respect to the support body 20. It is sufficient that the second sensor 22 has a function of detecting the tilt state of the second force transmission body 12 in the x-axis direction with respect to the support body 20. The first sensor 21 has a function of detecting the degree of inclination θ1 in the X-axis direction of the first force transmission body 11, and the second sensor 22 is inclined in the X-axis direction of the second force transmission body 12. If it has a function of detecting the degree, the detection circuit 30 has the inclination degree θ1 related to the X-axis direction detected by the first sensor 21 and the inclination degree related to the X-axis direction detected by the second sensor 22. Based on the sum of [theta] 2, the 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本の力伝達体11,12から支持体20に対して、押圧力−fzと引っ張り力+fzとが伝達される。このようにして伝達される力は、力伝達体が傾斜した場合の力とは異なっている。すなわち、図2(b) に示すように力伝達体が傾斜した場合は、その底部に生じる応力は、右側部分と左側部分とで異なるものとなった。ところが、図2(c) に示すようにモーメントMyが作用した場合は、第1の力伝達体11全体により押圧力−fzが加えられ、第2の力伝達体12全体により引っ張り力+fzが加えられることになる。   On the other hand, when the moment My around the Y-axis acts, as shown in FIG. 2 (c), the pressing force −fz and the pulling force + fz from the two force transmission bodies 11 and 12 to the support body 20 Is transmitted. The force transmitted in this way is different from the force when the force transmission body is inclined. That is, as shown in FIG. 2 (b), when the force transmission body is inclined, the stress generated at the bottom of the force transmission 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 force transmission body 11, and the tensile force + fz is applied by the entire second force transmission body 12. Will be.

このように、X軸方向の力Fxの作用に対しては、図2(b) に示すように、第1の力伝達体11および第2の力伝達体12に関して、同じ方向への傾斜という同等の事象が生じるのに対して、Y軸まわりのモーメントMyの作用に対しては、図2(c) に示すように、第1の力伝達体11および第2の力伝達体12に関して、一方は押圧力−fzを与え、他方は引っ張り力+fzを与えるという相反する事象が生じることになる。したがって、作用したモーメントMyは、引っ張り力+fzと押圧力−fzとの差、すなわち、(+fz)−(−fz)=2fzとして求めることができる。   Thus, with respect to the action of the force Fx in the X-axis direction, the first force transmission body 11 and the second force transmission body 12 are inclined in the same direction as shown in FIG. While an equivalent event occurs, with respect to the action of the moment My around the Y axis, as shown in FIG. 2 (c), with respect to the first force transmission body 11 and the second force transmission body 12, One contradictory event occurs in which one applies a pressing force -fz and the other provides 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の力伝達体11全体から支持体20に対して加えられる力を検知する機能をもたせ、第2のセンサ22には、第2の力伝達体12全体から支持体20に対して加えられる力を検知する機能をもたせておけばよい。第1のセンサ21が、第1の力伝達体11全体から支持体20に対して加えられるZ軸方向に関する力を検知する機能を有し、第2のセンサ22が、第2の力伝達体12全体から支持体20に対して加えられるZ軸方向に関する力を検知する機能を有していれば、検出回路30は、第1のセンサ21によって検知されたZ軸方向に関する力と、第2のセンサ22によって検知されたZ軸方向に関する力と、の差に基づいて、受力体10に作用した力のY軸まわりのモーメントMyを検出する処理を行うことができる。   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 20 from the entire first force transmission body 11. Therefore, the second sensor 22 may have a function of detecting a force applied to the support 20 from the entire second force transmission body 12. The first sensor 21 has a function of detecting a force in the Z-axis direction applied to the support body 20 from the entire first force transmission body 11, and the second sensor 22 is a second force transmission body. 12 has a function of detecting the force in the Z-axis direction applied to the support 20 from the entire body 12, the detection circuit 30 can detect the force in the Z-axis direction detected by the first sensor 21 and the second Based on the difference between the force in the Z-axis direction detected by the sensor 22, a process for detecting the moment My around the Y-axis of the force acting on the force receiving body 10 can be performed.

以上、図2を参照しながら、第1の力伝達体11および第2の力伝達体12に関連する動作のみを説明したが、第3の力伝達体13および第4の力伝達体14に関連する動作も同様であり、第3のセンサ23および第4のセンサ24の検知機能を利用して、受力体10に作用したX軸方向の力FxおよびY軸まわりのモーメントMyを検出することも可能である。また、図1に示す力検出装置を、Z軸を回転軸として90°回転させ、第1の力伝達体11および第4の力伝達体14に関連する動作を考えてみれば、第1のセンサ21および第4のセンサ24の検知機能を利用して、受力体10に作用したY軸方向の力FyおよびX軸まわりのモーメントMxを検出することが可能になることも理解できよう。同様に、第2の力伝達体12および第3の力伝達体13に関連する動作により、第2のセンサ22および第3のセンサ23の検知機能を利用して、受力体10に作用したY軸方向の力FyおよびX軸まわりのモーメントMxを検出することが可能になる。   As described above, only the operations related to the first force transmission body 11 and the second force transmission body 12 have been described with reference to FIG. 2, but the third force transmission body 13 and the fourth force transmission body 14 The related operation is the same, and the detection function of the third sensor 23 and the fourth sensor 24 is used to detect the force Fx in the X-axis direction and the moment My around the Y-axis acting on the force receiving body 10. It is also possible. Further, if the force detection device shown in FIG. 1 is rotated by 90 ° about the Z axis as a rotation axis, and the operation related to the first force transmission body 11 and the fourth force transmission body 14 is considered, It will be understood that the detection function of the sensor 21 and the fourth sensor 24 can be used to detect the force Fy in the Y-axis direction and the moment Mx around the X-axis that acted on the force receiving member 10. Similarly, the operation related to the second force transmission body 12 and the third force transmission body 13 is applied to the force receiving body 10 using the detection function of the second sensor 22 and the third sensor 23. It becomes possible to detect the force Fy in the Y-axis direction and the moment Mx around the X-axis.

<<< §2. 第1のセンサ〜第4のセンサ >>>
図1に示す力検出装置には、第1のセンサ21〜第4のセンサ24が設けられている。これらのセンサは、それぞれ第1の力伝達体11〜第4の力伝達体14より、支持体20に対して加えられる力を検出する力センサであるが、図2で説明した原理に基づいて、力Fx、Fy、モーメントMx、Myを検出するためには、各力伝達体11〜14の傾斜により生じる力と、各力伝達体11〜14全体によって与えられる引っ張り力/押圧力と、をそれぞれ独立して検出する機能が必要になる。
<<< §2. 1st sensor to 4th sensor >>>
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 20 from the first force transmission body 11 to the fourth force transmission body 14, respectively, but based on the principle described in FIG. In order to detect the forces Fx, Fy, and moments Mx, My, the force generated by the inclination of each force transmitting body 11-14 and the tensile force / pressing force applied by each of the force transmitting bodies 11-14 as a whole A function to detect each independently is required.

このような機能をもった各センサ21〜24としては、複数の容量素子を有する静電容量式の力センサを用いるのが好ましい。図3は、このような静電容量素子式の多軸力センサの基本構造を示す側断面図である。この多軸力センサ自身は、既に公知のセンサであり、種々の分野で実用されているものであるが、ここでは便宜上、この多軸力センサの基本構造および動作を簡単に説明しておく。   As each of the sensors 21 to 24 having such a function, it is preferable to use a capacitive force sensor having a plurality of capacitive elements. FIG. 3 is a side sectional view showing the basic structure of such a capacitive element type multi-axis force sensor. The multi-axis force sensor itself is a known sensor and has been put into practical use in various fields. Here, for convenience, the basic structure and operation of the multi-axis force sensor will be briefly described.

図3の側断面図に示すとおり、この多軸力センサは、板状の支持体40と、その上に配置された椀状接続部材50と、力伝達体60と、支持体40の上面に固定された個別電極E1〜E5と、によって構成されている。図4の上面図に示すとおり、椀状接続部材50は、円形の平底状の椀を伏せた形状を有している。ここでは、説明の便宜上、支持体40の上面中心部に原点Oをとり、図示の方向にx,y,z軸をそれぞれ定義したxyz三次元座標系を定義する。椀状接続部材50は、図3の側断面図に示されているとおり、椀の平底部分に相当する円板状のダイアフラム51と、その周囲を支持する円筒状の側壁部52と、この側壁部52を支持体40の上面に固定するための固定部53と、の各部から構成されており、ダイアフラム51の上面中央部には、円柱状の力伝達体60が接続されている。この円柱状の力伝達体60の軸芯の延長線と支持体40の上面との交点位置に原点Oが定義されていることになる。   As shown in the side sectional view of FIG. 3, this multi-axis force sensor is provided on the upper surface of the plate-like support body 40, the hook-like connection member 50 disposed thereon, the force transmission body 60, and the support body 40. It is comprised by the fixed individual electrode E1-E5. As shown in the top view of FIG. 4, the hook-shaped connecting member 50 has a shape in which a circular flat-bottomed hook is turned down. Here, for convenience of explanation, an xyz three-dimensional coordinate system is defined in which the origin O is at the center of the upper surface of the support 40 and the x, y, and z axes are defined in the illustrated direction. As shown in the side sectional view of FIG. 3, the hook-shaped connecting member 50 includes a disk-shaped diaphragm 51 corresponding to the flat bottom portion of the hook, a cylindrical side wall portion 52 that supports the periphery thereof, and the side wall. The portion 52 includes a fixing portion 53 for fixing the portion 52 to the upper surface of the support body 40, and a cylindrical force transmission body 60 is connected to the center portion of the upper surface of the diaphragm 51. The origin O is defined at the intersection point between the extension of the axis of the cylindrical force transmission body 60 and the upper surface of the support 40.

ここで、この例の場合、支持体40および力伝達体60は、十分な剛性をもっているが、椀状接続部材50は、可撓性(別言すれば、弾性変形を生じる性質)を有している。ここでは、説明の便宜上、椀状接続部材50は、金属の薄板によって構成されており、支持体40および力伝達体60は絶縁体材料によって構成されているものとしよう。   Here, in this example, the support body 40 and the force transmission body 60 have sufficient rigidity, but the hook-shaped connection member 50 has flexibility (in other words, a property that causes elastic deformation). ing. Here, for convenience of explanation, it is assumed that the hook-shaped connection member 50 is made of a thin metal plate, and the support body 40 and the force transmission body 60 are made of an insulating material.

図5の上面図に示されているとおり、板状の支持体40の上面には、5枚の個別電極E1〜E5が形成されている。ここで、個別電極E1はx軸の正の部分に配置され、個別電極E2はx軸の負の部分に配置され、個別電極E3はy軸の正の部分に配置され、個別電極E4はy軸の負の部分に配置されており、いずれも各座標軸に関して線対称となる扇形をした同一形状、同一サイズの電極になっている。一方、個別電極E5は原点Oの位置に配置された円形の電極である。図5に破線で示すのは、この支持体40の上に固定される椀状接続部材50の各部の位置である。図示のとおり、ダイアフラム51は、各個別電極E1〜E5のすべてに対向するように、支持体40の上方に配置されることになる。前述したとおり、ダイアフラム51を金属板などの導電性材料で構成しておけば、ダイアフラム51は、可撓性および導電性を有することになり、それ自身が1枚の変位可能な共通電極として機能し、対向する各個別電極E1〜E5との間で容量素子を形成することになる。ここでは、各個別電極E1〜E5と、共通電極として機能するダイアフラム51とによって構成される5組の容量素子を、それぞれ容量素子C1〜C5と呼ぶことにする。   As shown in the top view of FIG. 5, five individual electrodes E <b> 1 to E <b> 5 are formed on the top surface of the plate-like support body 40. Here, the individual electrode E1 is arranged in the positive part of the x axis, the individual electrode E2 is arranged in the negative part of the x axis, the individual electrode E3 is arranged in the positive part of the y axis, and the individual 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 individual electrode E5 is a circular electrode arranged at the position of the origin O. The broken lines in FIG. 5 indicate the position of each part of the hook-shaped connection member 50 fixed on the support body 40. As illustrated, the diaphragm 51 is disposed above the support 40 so as to face all of the individual electrodes E1 to E5. As described above, if the diaphragm 51 is made of a conductive material such as a metal plate, the diaphragm 51 has flexibility and conductivity, and the diaphragm 51 itself functions as a single displaceable common electrode. Thus, a capacitive element is formed between each of the opposing individual electrodes E1 to E5. Here, five sets of capacitive elements constituted by the individual electrodes E1 to E5 and the diaphragm 51 functioning as a common electrode will be referred to as capacitive elements C1 to C5, respectively.

続いて、力伝達体60に種々の方向成分をもった力が作用した場合に、椀状接続部材50がどのように変形し、各容量素子C1〜C5の静電容量値にどのような変化が生じるかを考えてみる。   Subsequently, when forces having various directional components are applied to the force transmission body 60, how the hook-like connection member 50 is deformed and what changes are made to the capacitance values of the capacitive elements C1 to C5. Think about what happens.

まず、図6に示すように、力伝達体60の上部に、x軸正方向への力+fxが加えられた場合を考える。この場合、力伝達体60を右側へと傾斜させる力が働くことになり、可撓性をもった椀状接続部材50は、図のように変形し、ダイアフラム51は、右側部分が下方に、左側部分が上方に、それぞれ移動するように傾斜する。その結果、容量素子C1の両電極(個別電極E1とダイアフラム51)の距離は狭まり、静電容量値は増加するが、容量素子C2の両電極(個別電極E2とダイアフラム51)の距離は広まり、静電容量値は減少する。このとき、他の3組の容量素子C3〜C5については、右半分については電極間距離が狭まるが、左半分については電極間距離が広まるため、トータルでの静電容量値は変化しない。   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 force transmission body 60. In this case, a force that tilts the force transmission body 60 to the right side acts, and the flexible hook-shaped connection member 50 is deformed as shown in the figure, and the diaphragm 51 has the right side portion downward, The left part is inclined so as to move upward. As a result, the distance between both electrodes (individual electrode E1 and diaphragm 51) of capacitive element C1 is reduced and the capacitance value increases, but the distance between both electrodes (individual electrode E2 and diaphragm 51) of capacitive element C2 is increased. 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.

なお、このような変形は、力伝達体60の下部に、x軸正方向への力+fx′が加えられた場合も同様である。もっとも、てこの原理により、+fxの大きさと+fx′の大きさとが等しい場合であっても、前者の方がより大きな変形を生じさせることになる。   Such deformation is the same when a force + fx ′ in the positive x-axis direction is applied to the lower portion of the force transmission body 60. However, even if the size of + fx and the size of + fx ′ are equal due to the principle of leverage, the former causes a larger deformation.

一方、図7に示すように、力伝達体60の上部に、x軸負方向への力−fxが加えられた場合を考える。この場合、力伝達体60を左側へと傾斜させる力が働くことになり、可撓性をもった椀状接続部材50は、図のように変形し、ダイアフラム51は、左側部分が下方に、右側部分が上方に、それぞれ移動するように傾斜する。その結果、容量素子C1の静電容量値は減少し、容量素子C2の静電容量値は増加する。   On the other hand, as shown in FIG. 7, a case where a force −fx in the negative x-axis direction is applied to the upper portion of the force transmission body 60 will be considered. In this case, a force for inclining the force transmission body 60 to the left side acts, and the flexible hook-shaped connection member 50 is deformed as shown in the figure. The right part is inclined so as to move 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、力伝達体60に対して作用したx軸方向の力fxは、第1の容量素子C1の静電容量値と第2の容量素子C2の静電容量値との差として求めることができる。求めた差の大きさは作用した力の大きさを示し、求めた差の符号は作用した力の方向を示すものになる。全く同様の原理により、力伝達体60に対して作用したy軸方向の力fyは、第3の容量素子C3の静電容量値と第4の容量素子C4の静電容量値との差として求めることができる。   Eventually, the force fx in the x-axis direction applied to the force transmission 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 force transmission body 60 is the difference between the capacitance value of the third capacitance element C3 and the capacitance value of the fourth capacitance element C4. Can be sought.

ところで、こうして求めた力fxは、柱状の力伝達体60のx軸方向に関する傾斜度を示すものであり、力fyは、柱状の力伝達体60のy軸方向に関する傾斜度を示すものに他ならない。結局、力伝達体60のx軸方向に関する傾斜度は、第1の容量素子C1の静電容量値と第2の容量素子C2の静電容量値との差として求めることができ、力伝達体60のy軸方向に関する傾斜度は、第3の容量素子C3の静電容量値と第4の容量素子C4の静電容量値との差として求めることができる。別言すれば、力伝達体60の下端の第1の部分から加えられる力と、力伝達体の下端の第2の部分から加えられる力と、の差に基づいて、力伝達体60の支持体40に対する傾斜度を検知することができる。   By the way, the force fx obtained in this way indicates the inclination of the columnar force transmission body 60 in the x-axis direction, and the force fy indicates the inclination of the columnar force transmission body 60 in the y-axis direction. Don't be. Eventually, the inclination of the force transmission body 60 in the x-axis direction 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, and the force transmission body The inclination of 60 in 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, based on the difference between the force applied from the first portion at the lower end of the force transmitting body 60 and the force applied from the second portion at the lower end of the force transmitting body 60, the support of the force transmitting body 60 is supported. The inclination with respect to the body 40 can be detected.

続いて、図8に示すように、力伝達体60に対して、z軸負方向への力−fzが加えられた場合を考える。この場合、力伝達体60全体に対して、図の下方への力が加わることになるので、力伝達体60は傾斜することなしに、力伝達体60全体により、椀状接続部材50に対して下方への押圧力を作用させることになり、可撓性をもった椀状接続部材50は、図のように変形し、5組の容量素子C1〜C5のすべての電極間隔が狭まり、静電容量値が増加する。逆に、力伝達体60を上方へと引き上げる力+fzが加えられた場合は、力伝達体60全体により、椀状接続部材50に対して上方への引っ張り力が働くことになり、5組の容量素子C1〜C5のすべての電極間隔が広まり、静電容量値が減少する。   Subsequently, as shown in FIG. 8, a case where a force −fz in the negative z-axis direction is applied to the force transmission body 60 will be considered. In this case, since a downward force in the figure is applied to the entire force transmission body 60, the force transmission body 60 is not inclined and is applied to the bowl-shaped connection member 50 by the entire force transmission body 60. As a result, the flexible hook-shaped connecting member 50 is deformed as shown in the figure, and the interval between all the electrodes of the five capacitive elements C1 to C5 is reduced. The capacitance value increases. On the other hand, when a force + fz for pulling up the force transmission body 60 is applied, the force transmission body 60 as a whole exerts an upward pulling force on the hook-like connection member 50, and 5 sets All electrode intervals of the capacitive elements C1 to C5 are widened, and the capacitance value is reduced.

結局、力伝達体60に対してz軸方向の力fzのみが作用している環境下では、第1〜第5の容量素子C1〜C5のいずれかの静電容量値を検出すれば、作用した力fzを求めることができる。ただし、他の軸方向成分の力fx,fyが混在する環境下では、たとえば、容量素子C1の静電容量値を単独で求めたり、容量素子C3の静電容量値を単独で求めたりしても、これらは必ずしもz軸方向の力fzを示す値にはならない。どのような環境下においても、z軸方向の力fzを検出するためには、容量素子C5の静電容量値を利用すればよい。上述したように、x軸方向の力fxやy軸方向の力fyが作用した場合は、容量素子C5の静電容量値には変化は生じないので、容量素子C5の静電容量値を利用すれば、z軸方向の力fzのみを独立して検出することが可能になる。   Eventually, in an environment where only the force fz in the z-axis direction is acting on the force transmission body 60, if any one of the capacitance values of the first to fifth capacitive elements C1 to C5 is detected, the effect is obtained. The applied force fz can be obtained. 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。したがって、原理的には、個別電極E5(容量素子C5)は、必ずしも設ける必要はない。   However, in order to detect only the force fz in the z-axis direction independently, another method can be used. 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 out, 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 a detection value of the force fz in the z-axis direction. It is also possible to do. Therefore, in principle, the individual electrode E5 (capacitance element C5) is not necessarily provided.

以上述べたとおり、図3に示す多軸力センサを用いれば、力伝達体60のx軸方向に関する傾斜度(力fx)と、力伝達体60のy軸方向に関する傾斜度(力fy)と、力伝達体60全体から支持体40に対して加えられる力(力fz)と、を検出することが可能である。これは、この図3に示す多軸力センサが、図1に示す力検出装置における各センサ21〜24として利用できることを意味している。   As described above, when the multi-axis force sensor shown in FIG. 3 is used, the inclination of the force transmission body 60 in the x-axis direction (force fx) and the inclination of the force transmission body 60 in the y-axis direction (force fy) The force (force fz) applied to the support body 40 from the entire force transmission 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.

<<< §3. 先行技術実施形態の構造および原理 >>>
続いて、先行技術実施形態に係る力検出装置の主たる構造部分を、図9〜図13を用いて説明し、この装置の動作原理を、図14,図15を用いて説明し、別な先行技術実施形態に係る力検出装置の主たる構造部分を、図16を用いて説明する。
<<< §3. Structure and principle of prior art embodiment >>
Subsequently, the main structural part of the force detection device according to the prior art embodiment will be described with reference to FIGS. 9 to 13, the operation principle of this device will be described with reference to FIGS. 14 and 15, and another prior art will be described. The main structural part of the force detection device according to the technical embodiment will be described with reference to FIG.

図9は、この先行技術実施形態に係る力検出装置の上面図である。この上面図における切断線10−10に沿った側断面図が図10に示されており、切断線11−11に沿った側断面図が図11に示されている。図10もしくは図11に示されているとおり、この力検出装置の基本的な構成要素は、上方基板100、下方基板200、支持基板300であり、いずれも上面が正方形状をした板状の部材を基本形態としている。図10および図11は、互いに切断位置が異なる側断面図であり、図面に現れている幾何学的な構造は全く同一である。両者の相違は、各部の符号だけである。   FIG. 9 is a top view of the force detection device according to this prior art embodiment. A side cross-sectional view along the cutting line 10-10 in this top view is shown in FIG. 10, and a side cross-sectional view along the cutting line 11-11 is shown in FIG. As shown in FIG. 10 or FIG. 11, the basic components of this force detection device are an upper substrate 100, a lower substrate 200, and a support substrate 300, all of which are plate-like members having a square upper surface. Is the basic form. 10 and 11 are side cross-sectional views at different cutting positions, and the geometric structures appearing in the drawings are exactly the same. The difference between them is only the sign of each part.

上方基板100は、図9に示すとおり、基本的には、上面が正方形状をした板状部材であるが、下面からは、4本の円柱突起部110,120,130,140が下方へと伸びている。ここでは、これらの円柱突起部を、上部柱状体110,120,130,140と呼ぶことにする。図12は、この上方基板100をXY平面で切断した状態を示す横断面図である。ここでは、説明の便宜上、この上方基板100の中心部に、図示のとおり原点Oを定義し、図の右方向にX軸、上方向にY軸、紙面に対して垂直上方向にZ軸をとり、XYZ三次元座標系を定義することにする。上面が正方形状をした板状の部材からなる上方基板100、下方基板200、支持基板300は、いずれも上下両面がXY平面に平行になるように、かつ、各辺がX軸もしくはY軸に平行になるように配置されている。   As shown in FIG. 9, the upper substrate 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. Here, these cylindrical projections are referred to as upper columnar bodies 110, 120, 130, and 140. FIG. 12 is a cross-sectional view showing a state in which the upper substrate 100 is cut along the XY plane. Here, for convenience of explanation, an origin O is defined at the center of the upper substrate 100 as shown in the figure, and the X axis is in the right direction in the figure, the Y axis is in the upward direction, and the Z axis is in the upward direction perpendicular to the paper surface. Therefore, an XYZ three-dimensional coordinate system will be defined. The upper substrate 100, the lower substrate 200, and the support substrate 300 made of a plate-like member having a square upper surface are all parallel to the XY plane, and each side is on the X axis or the Y axis. They are arranged in parallel.

図12に示されているとおり、4本の上部柱状体110,120,130,140の付け根部分の周囲には、円環状の溝部G11,G12,G13,G14が形成されており、この溝部G11,G12,G13,G14の形成により、板状の上方基板100には、図9,図10,図11に示すように、可撓性をもった肉薄部分からなる上部ダイアフラム115,125,135,145が形成されている。結局、4本の上部柱状体110,120,130,140は、上部ダイアフラム115,125,135,145を介して、板状の上方基板100に接続されていることになる。ここで、各上部柱状体の配置を、より詳細に説明すれば、「原点を中心とする位置に配置され、上方基板100の輪郭より小さく、縦横がX軸およびY軸に平行な正方形」の4頂点の位置に、それぞれ中心軸の位置がくるように、各上部柱状体110,120,130,140が配置されていることになる。   As shown in FIG. 12, annular grooves G11, G12, G13, and G14 are formed around the bases of the four upper columnar bodies 110, 120, 130, and 140, and the grooves G11. , G12, G13, and G14, the plate-like upper substrate 100 has an upper diaphragm 115, 125, 135, which is made of a thin portion having flexibility, as shown in FIGS. 145 is formed. Eventually, the four upper columnar bodies 110, 120, 130, and 140 are connected to the plate-like upper substrate 100 via the upper diaphragms 115, 125, 135, and 145. Here, the arrangement of each upper columnar body will be described in more detail. “A square that is arranged at a position centered on the origin and is smaller than the outline of the upper substrate 100 and whose vertical and horizontal directions are parallel to the X and Y axes”. The upper columnar bodies 110, 120, 130, and 140 are arranged so that the positions of the central axes are respectively positioned at the four vertexes.

一方、支持基板300は、図13に示すように、上面が正方形状をした完全な板状部材であり、その上面には、個別電極E11〜E15,E21〜E25,E31〜E35,E41〜E45が配置されている。この支持基板300の上面に接合された下方基板200は、基本的には、上面が正方形状をした板状部材であるが、図10,図11に示すように、上面からは、4本の下部柱状体210,220,230,240が上方へと伸びている。これら4本の下部柱状体210,220,230,240の付け根部分の周囲には、円環状の溝部G21,G22,G23,G24が形成されており、更に、この下方基板200の下面には、円柱状の溝部G31,G32,G33,G34が形成されている。下方基板200の上面に設けられた溝部G21,G22,G23,G24と、下面に設けられた溝部G31,G32,G33,G34とは、いずれも下部柱状体210,220,230,240の中心軸の位置を中心とした同サイズの円形の輪郭を有している。図10に示すとおり、溝部G21とG31との間には、下部ダイアフラム215が境界壁として存在し、溝部G22とG32との間には、下部ダイアフラム225が境界壁として存在する。また、図11に示すとおり、溝部G23とG33との間には、下部ダイアフラム235が境界壁として存在し、溝部G24とG34との間には、下部ダイアフラム245が境界壁として存在する   On the other hand, as shown in FIG. 13, the support substrate 300 is a complete plate-like member having a square upper surface, and the individual electrodes E11 to E15, E21 to E25, E31 to E35, E41 to E45 are formed on the upper surface. Is arranged. The lower substrate 200 bonded to the upper surface of the support substrate 300 is basically a plate-like member having a square upper surface. However, as shown in FIGS. Lower columnar bodies 210, 220, 230, and 240 extend upward. Annular grooves G21, G22, G23, and G24 are formed around the base portions of these four lower columnar bodies 210, 220, 230, and 240. Further, on the lower surface of the lower substrate 200, Cylindrical grooves G31, G32, G33, and G34 are formed. The groove portions G21, G22, G23, and G24 provided on the upper surface of the lower substrate 200 and the groove portions G31, G32, G33, and G34 provided on the lower surface are all center axes of the lower columnar bodies 210, 220, 230, and 240. It has a circular outline of the same size around the position of. As shown in FIG. 10, a lower diaphragm 215 exists as a boundary wall between the groove portions G21 and G31, and a lower diaphragm 225 exists as a boundary wall between the groove portions G22 and G32. Further, as shown in FIG. 11, a lower diaphragm 235 exists as a boundary wall between the grooves G23 and G33, and a lower diaphragm 245 exists as a boundary wall between the grooves G24 and G34.

上方基板100側から下方に伸びた4本の上部柱状体110,120,130,140の下面は、下方基板200側から上方に伸びた4本の下部柱状体210,220,230,240の上面に接合されている。ここでは、図10に示すように、上部柱状体110と下部柱状体210とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第1の力伝達体T1と呼び、上部柱状体120と下部柱状体220とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第2の力伝達体T2と呼ぶことにする。また、図11に示すように、上部柱状体130と下部柱状体230とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第3の力伝達体T3と呼び、上部柱状体140と下部柱状体240とを接合することにより構成される円柱状の構造体を第4の力伝達体T4と呼ぶことにする。図9の上面図を見ればわかるように、XY二次元座標系における4本の力伝達体T1〜T4の配置を考えると、第1の力伝達体T1は第1象限に、第2の力伝達体T2は第2象限に、第3の力伝達体T3は第3象限に、第4の力伝達体T4は第4象限に、それぞれ配置されており、いずれもZ軸に平行な方向を長手方向とする円柱状の構造体となっている。   The lower surfaces of the four upper columnar bodies 110, 120, 130, 140 extending downward from the upper substrate 100 side are the upper surfaces of the four lower columnar bodies 210, 220, 230, 240 extending upward from the lower substrate 200 side. Are joined. Here, as shown in FIG. 10, a columnar structure formed by joining the upper columnar body 110 and the lower columnar body 210 is called a first force transmission body T1, and the upper columnar body 120 and the lower columnar body A columnar structure formed by joining the columnar body 220 will be referred to as a second force transmission body T2. Further, as shown in FIG. 11, a columnar structure formed by joining the upper columnar body 130 and the lower columnar body 230 is called a third force transmission body T3, and the upper columnar body 140 and the lower columnar body A columnar structure formed by joining the body 240 is referred to as a fourth force transmission body T4. As can be seen from the top view of FIG. 9, when the arrangement of the four force transmission bodies T1 to T4 in the XY two-dimensional coordinate system is considered, the first force transmission body T1 has a second force The transmission body T2 is disposed in the second quadrant, the third force transmission body T3 is disposed in the third quadrant, and the fourth force transmission body T4 is disposed in the fourth quadrant, both of which are parallel to the Z axis. It is a columnar structure which is the longitudinal direction.

また、図10に示すとおり、第1の力伝達体T1の上端は、可撓性をもった上部ダイアフラム115を接続部材として上方基板100に接続されており、第2の力伝達体T2の上端は、可撓性をもった上部ダイアフラム125を接続部材として上方基板100に接続されており、図11に示すとおり、第3の力伝達体T3の上端は、可撓性をもった上部ダイアフラム135を接続部材として上方基板100に接続されており、第4の力伝達体T4の上端は、可撓性をもった上部ダイアフラム145を接続部材として上方基板100に接続されていることになる。   Further, as shown in FIG. 10, the upper end of the first force transmission body T1 is connected to the upper substrate 100 with the upper diaphragm 115 having flexibility as a connecting member, and the upper end of the second force transmission body T2 Is connected to the upper substrate 100 with the upper diaphragm 125 having flexibility as a connecting member. As shown in FIG. 11, the upper end of the third force transmitting body T3 is connected to the upper diaphragm 135 having flexibility. Is connected to the upper substrate 100 as a connecting member, and the upper end of the fourth force transmission body T4 is connected to the upper substrate 100 using the upper diaphragm 145 having flexibility as a connecting member.

一方、図10に示すとおり、第1の力伝達体T1の下面は、接続部材として機能する下部ダイアフラム215の中央に接合されており、下部ダイアフラム215の周囲は、下方基板200を介して支持基板300に接続されており、第2の力伝達体T2の下面は、接続部材として機能する下部ダイアフラム225の中央に接合されており、下部ダイアフラム225の周囲は、下方基板200を介して支持基板300に接続されている。同様に、図11に示すとおり、第3の力伝達体T3の下面は、接続部材として機能する下部ダイアフラム235の中央に接合されており、下部ダイアフラム235の周囲は、下方基板200を介して支持基板300に接続されており、第4の力伝達体T4の下面は、接続部材として機能する下部ダイアフラム245の中央に接合されており、下部ダイアフラム245の周囲は、下方基板200を介して支持基板300に接続されている。   On the other hand, as shown in FIG. 10, the lower surface of the first force transmission body T <b> 1 is joined to the center of the lower diaphragm 215 that functions as a connecting member, and the periphery of the lower diaphragm 215 is supported via the lower substrate 200. 300, the lower surface of the second force transmission body T2 is joined to the center of the lower diaphragm 225 functioning as a connecting member, and the periphery of the lower diaphragm 225 is supported by the support substrate 300 via the lower substrate 200. It is connected to the. Similarly, as shown in FIG. 11, the lower surface of the third force transmission body T3 is joined to the center of the lower diaphragm 235 that functions as a connecting member, and the periphery of the lower diaphragm 235 is supported via the lower substrate 200. Connected to the substrate 300, the lower surface of the fourth force transmission body T4 is joined to the center of the lower diaphragm 245 functioning as a connecting member, and the periphery of the lower diaphragm 245 is supported via the lower substrate 200. 300.

図示の先行技術実施形態では、上方基板100および下方基板200は、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンなどの金属から構成されており、支持基板300は、たとえば、ガラスエポキシ製のPCB基板(Print Circuit Board:回路実装用の印刷基板)などの絶縁性基板によって構成されている。上部ダイアフラム115,125,135,145や下部ダイアフラム215,225,235,245は、基板の他の部分に比べて肉厚を薄くすることにより可撓性をもつように構成された部分である。   In the illustrated prior art embodiment, the upper substrate 100 and the lower substrate 200 are made of metal such as stainless steel, aluminum, titanium, and the support substrate 300 is, for example, a PCB substrate (Print Circuit Board: made of glass epoxy). An insulating substrate such as a printed circuit board for circuit mounting). The upper diaphragms 115, 125, 135, 145 and the lower diaphragms 215, 225, 235, 245 are parts configured to have flexibility by making the thickness thinner than other parts of the substrate.

このように、下部ダイアフラム215,225,235,245は、金属から構成されているため、可撓性を有するとともに導電性を有しており、それ自身が共通電極としての機能を果たす。これは、図3に示す多軸力センサの構成と全く同様である。すなわち、図13に示す支持基板300の上面に定義されたxy二次元座標系における第1象限に示されている個別電極E11〜E15、第2象限に示されている個別電極E21〜E25、第3象限に示されている個別電極E31〜E35、第4象限に示されている個別電極E41〜E45は、いずれも図5に示されている個別電極E1〜E5と等価な構成要素であり、図10に示す下部ダイアフラム215,225、および図11に示す下部ダイアフラム235,245は、いずれも図3に示されているダイアフラム51と等価な構成要素である。したがって、図10に示す溝G31の周辺および溝G32の周辺には、それぞれ図3に示す多軸力センサと同等の機能をもったセンサS1,S2が構成されていることになり、図11に示す溝G33の周辺および溝G34の周辺にも、それぞれ図3に示す多軸力センサと同等の機能をもったセンサS3,S4が構成されていることになる。   Thus, since the lower diaphragms 215, 225, 235, and 245 are made of metal, they have flexibility and conductivity, and themselves function as a common electrode. This is exactly the same as the configuration of the multi-axis force sensor shown in FIG. That is, the individual electrodes E11 to E15 shown in the first quadrant in the xy two-dimensional coordinate system defined on the upper surface of the support substrate 300 shown in FIG. 13, the individual electrodes E21 to E25 shown in the second quadrant, The individual electrodes E31 to E35 shown in the third quadrant and the individual electrodes E41 to E45 shown in the fourth quadrant are all equivalent components to the individual electrodes E1 to E5 shown in FIG. The lower diaphragms 215 and 225 shown in FIG. 10 and the lower diaphragms 235 and 245 shown in FIG. 11 are all equivalent components to the diaphragm 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の力伝達体T1のX軸方向に関する傾斜度と、Y軸方向に関する傾斜度と、第1の力伝達体T1全体から支持基板300に対して加えられるZ軸方向に関する力と、を検知する機能を有しており、センサS2は、第2の力伝達体T2のX軸方向に関する傾斜度と、Y軸方向に関する傾斜度と、第2の力伝達体T2全体から支持基板300に対して加えられるZ軸方向に関する力と、を検知する機能を有している。同様に、センサS3は、第3の力伝達体T3のX軸方向に関する傾斜度と、Y軸方向に関する傾斜度と、第3の力伝達体T3全体から支持基板300に対して加えられるZ軸方向に関する力と、を検知する機能を有しており、センサS4は、第4の力伝達体T4のX軸方向に関する傾斜度と、Y軸方向に関する傾斜度と、第4の力伝達体T4全体から支持基板300に対して加えられるZ軸方向に関する力と、を検知する機能を有している。   Here, the sensor S1 includes the inclination of the first force transmission body T1 in the X-axis direction, the inclination in the Y-axis direction, and the Z-axis applied to the support substrate 300 from the entire first force transmission body T1. The sensor S2 has a function of detecting the force related to the direction, and the sensor S2 includes the inclination of the second force transmission body T2 in the X-axis direction, the inclination in the Y-axis direction, and the second force transmission body T2. It has a function of detecting the force in the Z-axis direction applied to the support substrate 300 from the whole. Similarly, the sensor S3 includes the inclination of the third force transmission body T3 in the X-axis direction, the inclination in the Y-axis direction, and the Z-axis applied to the support substrate 300 from the entire third force transmission body T3. The sensor S4 has a function of detecting a force related to the direction, and the sensor S4 has a degree of inclination of the fourth force transmission body T4 in the X-axis direction, a degree of inclination in the Y-axis direction, and a fourth force transmission body T4. It has a function of detecting the force in the Z-axis direction applied to the support substrate 300 from the whole.

こうしてみると、結局、図9〜図13に示す先行技術実施形態に係る力検出装置は、図1に示す力検出装置とほぼ同等の構成要素を備えていることがわかる。すなわち、板状の上方基板100は受力体10に対応し、板状の支持基板300は支持体20に対応し、各力伝達体T1〜T4は各力伝達体11〜14に対応し、各センサS1〜S4は各センサ21〜24に対応する。したがって、この図9〜図13に示す構造体に、検出回路30として機能する配線および回路を付加すれば、図1に示した力検出装置を実現することができる。   In this way, it can be seen that the force detection device according to the prior art embodiment shown in FIGS. 9 to 13 is provided with almost the same components as the force detection device shown in FIG. That is, the plate-like upper substrate 100 corresponds to the force receiving body 10, the plate-like support substrate 300 corresponds to the support body 20, the force transmission bodies T1 to T4 correspond to the force transmission bodies 11 to 14, Each sensor S1-S4 corresponds to each sensor 21-24. Therefore, if a wiring and a circuit functioning as the detection circuit 30 are added to the structures shown in FIGS. 9 to 13, the force detection device shown in FIG. 1 can be realized.

続いて、この先行技術実施形態に係る力検出装置により、上方基板100に作用したX軸方向の力Fx、Y軸方向の力Fy、Z軸方向の力Fz、X軸まわりのモーメントMx、Y軸まわりのモーメントMy、Z軸まわりのモーメントMzという力の6成分を独立して検出する原理を説明する。   Subsequently, by the force detection device according to this prior art embodiment, the force Fx in the X-axis direction, the force Fy in the Y-axis direction, the force Fz in the Z-axis direction, and the moments Mx, Y about the X-axis applied to the upper substrate 100 The principle of independently detecting six components of the force, the moment My around the axis and the moment Mz around the Z axis, will be described.

いま、図13に示す20枚の個別電極E11〜E15,E21〜E25,E31〜E35,E41〜E45と、これに対向する各共通電極(下部ダイアフラム215,225,235,245)と、によって構成される20組の容量素子を、それぞれC11〜C15,C21〜C25,C31〜C35,C41〜C45と呼ぶことにする。図13に括弧で示したC11〜C45は、各個別電極によって構成される個々の容量素子を示している。また、図12に示す上方基板100内の所定位置に原点Oをとり、図示のとおり、XYZ三次元座標系を定義する。そして、この上方基板100に対して、X軸正方向の力+Fx,Y軸正方向の力+Fy,Z軸正方向の力+Fz,X軸まわりの正方向のモーメント+Mx,Y軸まわりの正方向のモーメント+My,Z軸まわりの正方向のモーメント+Mzがそれぞれ作用した場合に、20組の各容量素子C11〜C45の静電容量値の変化を考えてみる。   Now, it is constituted by 20 individual electrodes E11 to E15, E21 to E25, E31 to E35, E41 to E45 shown in FIG. 13 and respective common electrodes (lower diaphragms 215, 225, 235, 245) opposed thereto. These 20 sets of capacitive elements 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. 13 indicate individual capacitive elements constituted by the individual electrodes. Also, the origin O is set at a predetermined position in the upper substrate 100 shown in FIG. 12, and an XYZ three-dimensional coordinate system is defined as shown. Then, with respect to the upper substrate 100, the X-axis positive force + Fx, the Y-axis positive force + Fy, the Z-axis positive force + Fz, the positive moment about the X axis + Mx, the positive direction about the Y-axis Consider the change in the capacitance value of each of the 20 capacitive elements C11 to C45 when the positive moment + My and the positive moment + Mz around the Z-axis act.

図14は、このときの各容量素子C11〜C45の静電容量値の変化の態様を示すテーブルであり、「0」は変化なし、「+」は増加、「−」は減少を示している。各容量素子の静電容量値が、このテーブルのように変化する理由は、図2に示す各力伝達体の変化態様と、図6〜図8に示す多軸力センサの変形態様を見れば理解できよう。   FIG. 14 is a table showing how the capacitance values of the capacitive elements C11 to C45 change at this time. “0” indicates no change, “+” indicates an increase, and “−” indicates a decrease. . The reason why the capacitance value of each capacitive element changes as shown in this table is that if the change mode of each force transmission body shown in FIG. 2 and the deformation mode of the multi-axis force sensor shown in FIGS. I understand.

たとえば、上方基板100に対して、X軸正方向の力+Fxが作用すると、図2(b) に示されているように、各力伝達体T1〜T4は、いずれも図10および図11の右方向(X軸正方向)に傾斜することになるので、図13の平面図を参照すれば、容量素子C11,C21,C31,C41の電極間隔は狭まり、静電容量値が増加するのに対して、容量素子C12,C22,C32,C42の電極間隔は広がり、静電容量値が減少することがわかる。他の容量素子については、電極間隔は一部は広がり、一部は狭まるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図14のテーブルの第1行目(+Fxの行)は、各容量素子C11〜C45についてのこのような静電容量値の変化を示している。   For example, when a force + Fx in the positive direction of the X-axis acts on the upper substrate 100, as shown in FIG. Since it tilts in the right direction (X-axis positive direction), referring to the plan view of FIG. On the other hand, it can be seen that the electrode intervals of the capacitive elements C12, C22, C32, C42 are widened and the capacitance value is decreased. 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 table of FIG. 14 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、各力伝達体T1〜T4は、いずれも図10および図11の左方向(X軸負方向)に傾斜することになるので、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、図14のテーブルの第1行目(+Fxの行)とは「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   On the contrary, when the force -Fx in the negative X-axis direction is applied, each of the force transmission bodies T1 to T4 is inclined in the left direction (X-axis negative direction) in FIGS. The relationship between the increase and decrease of the capacitance value is reversed, and the result of reversing “+” and “−” with respect to the first row (+ Fx row) of the table of FIG. 14 is obtained.

一方、上方基板100に対して、Y軸正方向の力+Fyが作用した場合は、上述した力+Fxが作用した場合の変化態様を、上面からみて90°回転させた現象が起こることになる。すなわち、図13の平面図を参照すれば、容量素子C13,C23,C33,C43の電極間隔は狭まり、静電容量値が増加するのに対して、容量素子C14,C24,C34,C44の電極間隔は広がり、静電容量値が減少することがわかる。他の容量素子については、電極間隔は一部は広がり、一部は狭まるため、トータルでは静電容量値の変化は生じない。図14のテーブルの第2行目(+Fyの行)は、各容量素子C11〜C45についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、Y軸負方向の力−Fxが作用した場合は、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   On the other hand, when the force + Fy in the Y-axis positive direction is applied to the upper substrate 100, a phenomenon occurs in which the change mode when the force + Fx is applied is rotated by 90 ° when viewed from the upper surface. That is, referring to the plan view of FIG. 13, 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 table of FIG. 14 shows such a change in capacitance value for each of the capacitive elements C11 to C45. On the other hand, when the force -Fx in the Y-axis negative direction is applied, the relationship between the increase and decrease in the capacitance value is reversed, and the result of reversing “+” and “−” is obtained.

また、上方基板100に対して、Z軸正方向の力+Fzが作用すると、各力伝達体T1〜T4は、いずれも支持基板300の上面に対して引っ張り力を作用させることになるので、全容量素子C11〜C45の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図14のテーブルの第3行目(+Fzの行)は、このような変化を示している。逆に、上方基板100に対して、Z軸負方向の力−Fzが作用すると、各力伝達体T1〜T4は、いずれも支持基板300の上面に対して押圧力を作用させることになるので、全容量素子C11〜C45の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。したがって、図14のテーブルの第3行目(+Fzの行)に示された結果に対して、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   Further, when a force + Fz in the positive direction of the Z-axis acts on the upper substrate 100, each of the force transmission bodies T1 to T4 applies a tensile force to the upper surface of the support substrate 300. The electrode interval of the capacitive elements C11 to C45 is increased, and the capacitance value is decreased. The third row (+ Fz row) in the table of FIG. 14 shows such a change. On the other hand, when the force −Fz in the negative Z-axis direction acts on the upper substrate 100, each of the force transmission bodies T <b> 1 to T <b> 4 applies a pressing force to 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 table of FIG. 14 is obtained.

次に、上方基板100に対して、モーメントが作用した場合を考えてみよう。図2(c) には、上方基板10にY軸まわりのモーメントMyが作用した場合の、各力伝達体11,12の変化態様が示されている。すなわち、力伝達体11から支持体20に対しては下方への押圧力−fzが加わり、力伝達体12から支持体20に対しては上方への引っ張り力+fzが加わっている。このような変化態様が生じることを踏まえれば、上方基板100に対して、X軸まわりの正方向のモーメント+Mxが作用すると、図9の上面図において、点P3に対しては紙面垂直上方への力+fzが作用し、点P4に対しては紙面垂直下方への力−fzが作用することになる。   Next, let us consider a case where a moment acts on the upper substrate 100. FIG. 2C shows how the force transmission bodies 11 and 12 change when a moment My around the Y-axis acts on the upper substrate 10. That is, a downward pressing force −fz is applied from the force transmission body 11 to the support body 20, and an upward pulling force + fz is applied from the force transmission body 12 to the support body 20. Considering that such a change mode occurs, if a positive moment + Mx around the X axis is applied to the upper substrate 100, in the top view of FIG. A force + fz is applied, and a force −fz perpendicular to the plane of the drawing is applied to the point P4.

したがって、図10に示す第1の力伝達体T1と第2の力伝達体T2には、図の上方への力+fzが加わり、容量素子C11〜C25の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。また、図11に示す第3の力伝達体T3と第4の力伝達体T4には、図の下方への力−fzが加わり、容量素子C31〜C45の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。図14のテーブルの第4行目(+Mxの行)は、各容量素子C11〜C45についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、X軸まわりの負方向のモーメント−Mxが作用すると、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   Therefore, the first force transmission body T1 and the second force transmission body T2 shown in FIG. 10 are applied with an upward force + fz in the figure, the electrode spacing of the capacitive elements C11 to C25 is widened, and the capacitance value is Decrease. Further, the third force transmission body T3 and the fourth force transmission body T4 shown in FIG. 11 are applied with a downward force -fz in the figure, the electrode spacing of the capacitive elements C31 to C45 is reduced, and the capacitance value Will increase. The fourth row (+ Mx row) of the table of FIG. 14 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.

一方、Y軸まわりの正方向のモーメント+Myが作用すると、図9の上面図において、点P1に対しては紙面垂直下方への力−fzが作用し、点P2に対しては紙面垂直上方への力+fzが作用することになる。したがって、図10に示す第1の力伝達体T1と図11に示す第4の力伝達体T4には、図の下方への力−fzが加わり、容量素子C11〜C15およびC41〜C45の電極間隔は狭まり、静電容量値は増加する。また、図10に示す第2の力伝達体T2と図11に示す第3の力伝達体T3には、図の上方への力+fzが加わり、容量素子C21〜C25およびC31〜C35の電極間隔は広がり、静電容量値は減少する。図14のテーブルの第5行目(+Myの行)は、各容量素子C11〜C45についてのこのような静電容量値の変化を示している。逆に、Y軸まわりの負方向のモーメント−Myが作用すると、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   On the other hand, when a positive moment + My around the Y-axis acts, in the top view of FIG. 9, a force −fz perpendicular to the plane of the paper acts on the point P1, and vertically upward on the plane of the point P2. The force + fz is applied. Accordingly, the first force transmission body T1 shown in FIG. 10 and the fourth force transmission body T4 shown in FIG. 11 are applied with a downward force -fz in the figure, and the electrodes of the capacitive elements C11 to C15 and C41 to C45. The interval decreases and the capacitance value increases. Further, the second force transmission body T2 shown in FIG. 10 and the third force transmission body T3 shown in FIG. 11 are subjected to an upward force + fz in the figure, and the electrode spacing between the capacitive elements C21 to C25 and C31 to C35. Spreads and the capacitance value decreases. The fifth row (+ My row) of the table of FIG. 14 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.

最後に、上方基板100に対して、Z軸まわりのモーメントMzが作用した場合を考えてみる。まず、図13を参照しながら、上方基板100にZ軸まわりの正方向のモーメント+Mz(図13の平面図上では、反時計まわりのモーメントになる)が加わった場合、4本の力伝達体T1〜T4がどの方向に傾斜するかを考えてみよう。   Finally, consider a case where a moment Mz about the Z-axis acts on the upper substrate 100. First, referring to FIG. 13, when a positive moment + Mz around the Z-axis (which is a counterclockwise moment on the plan view of FIG. 13) is applied to the upper substrate 100, four force transmission bodies Let us consider in which direction T1 to T4 are inclined.

はじめに、第1象限に配置された第1の力伝達体T1(図の個別電極E15の上に配置されている)は、この図13における左上方向に傾斜することになり、容量素子C12,C13の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C11,C14の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。また、第2象限に配置された第2の力伝達体T2(図の個別電極E25の上に配置されている)は、この図13における左下方向に傾斜することになり、容量素子C22,C24の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C21,C23の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。更に、第3象限に配置された第3の力伝達体T3(図の個別電極E35の上に配置されている)は、この図13における右下方向に傾斜することになり、容量素子C31,C34の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C32,C33の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。最後に、第4象限に配置された第4の力伝達体T4(図の個別電極E45の上に配置されている)は、この図13における右上方向に傾斜することになり、容量素子C41,C43の電極間隔が狭まり静電容量値が増加し、容量素子C42,C44の電極間隔が広まり静電容量値が減少する。なお、容量素子C15,C25,C35,C45の静電容量値については、トータルでは変化が生じない。   First, the first force transmission body T1 arranged in the first quadrant (arranged on the individual electrode E15 in the figure) is inclined in the upper left direction in FIG. 13, and the capacitive elements C12, C13 The electrode interval is reduced and the capacitance value is increased, and the electrode interval of the capacitive elements C11 and C14 is increased and the capacitance value is decreased. Further, the second force transmission body T2 arranged in the second quadrant (arranged on the individual electrode E25 in the figure) is inclined in the lower left direction in FIG. 13, and the capacitive elements C22, C24. The electrode interval is reduced and the capacitance value is increased, and the electrode intervals of the capacitive elements C21 and C23 are increased and the capacitance value is reduced. Further, the third force transmission body T3 (arranged on the individual electrode E35 in the figure) arranged in the third quadrant is inclined in the lower right direction in FIG. The electrode interval of C34 is reduced and the capacitance value is increased, and the electrode interval of the capacitive elements C32 and C33 is increased and the capacitance value is decreased. Finally, the fourth force transmission body T4 (arranged on the individual electrode E45 in the figure) arranged in the fourth quadrant is inclined in the upper right direction in FIG. The electrode interval of C43 is reduced and the capacitance value is increased, and the electrode interval of the capacitive elements C42 and C44 is increased and the capacitance value is decreased. Note that the capacitance values of the capacitive elements C15, C25, C35, and C45 do not change in total.

結局、上方基板100にZ軸まわりの正方向のモーメント+Mzが作用した場合は、図14の第6行目に示すような増減結果が得られることになる。また、上方基板100にZ軸まわりの負方向のモーメント−Mzが作用した場合は、静電容量値の増減変化の関係が逆転し、「+」と「−」とが逆転した結果が得られることになる。   Eventually, when a positive moment + Mz around the Z-axis acts on the upper substrate 100, an increase / decrease result as shown in the sixth row of FIG. 14 is obtained. In addition, when a negative moment -Mz around the Z-axis acts on the upper substrate 100, the relationship between the increase and decrease in the capacitance value is reversed, and the result of reversing "+" and "-" is obtained. It will be.

この図14のテーブルに示すような結果が得られることを踏まえると、検出回路30として、20組の容量素子C11〜C45の静電容量値(ここでは、静電容量の値自身も、同じ符号C11〜C45で示すことにする)に基づいて、図15に示す式に基づく演算を行う回路を用意しておけば、Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mzの6成分を得ることができることが理解できよう。   Considering that the results shown in the table of FIG. 14 are obtained, as the detection circuit 30, the capacitance values of the 20 sets of capacitive elements C11 to C45 (here, the capacitance values themselves are the same sign). If a circuit that performs an operation based on the expression shown in FIG. 15 is prepared based on (C11 to C45), six components Fx, Fy, Fz, Mx, My, and Mz can be obtained. Can understand.

たとえば、図15に示すFx=(C11−C12)+(C21−C22)+(C31−C32)+(C41−C42)なる式は、図14のテーブルの第1行目(+Fxの行)の結果を踏まえたものであり、第1〜第4のセンサによって検知された各力伝達体T1〜T4のX軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、上方基板100に作用した力のX軸方向成分Fxが検出できることを意味している。これは、図2(b) に示す検出原理に基づくものである。   For example, the formula Fx = (C11−C12) + (C21−C22) + (C31−C32) + (C41−C42) shown in FIG. 15 is the first row (+ Fx row) of the table of FIG. Based on the result, the X-axis direction of the force acting on the upper substrate 100 based on the sum of the inclinations of the force transmission bodies T1 to T4 detected by the first to fourth sensors in the X-axis direction. This means that the component Fx can be detected. This is based on the detection principle shown in FIG.

また、図15に示すFy=(C13−C14)+(C23−C24)+(C33−C34)+(C43−C44)なる式は、図14のテーブルの第2行目(+Fyの行)の結果を踏まえたものであり、第1〜第4のセンサによって検知された各力伝達体T1〜T4のY軸方向に関する傾斜度の和に基づいて、上方基板100に作用した力のY軸方向成分Fyが検出できることを意味している。これも、図2(b) に示す検出原理に基づくものである。   Also, the expression Fy = (C13−C14) + (C23−C24) + (C33−C34) + (C43−C44) shown in FIG. 15 is the second row (+ Fy row) of the table of FIG. Based on the result, the Y-axis direction of the force acting on the upper substrate 100 based on the sum of the inclinations of the force transmission bodies T1 to T4 with respect to the Y-axis direction detected by the first to fourth sensors. This means that the component Fy can be detected. This is also based on the detection principle shown in FIG.

更に、図15に示すFz=−(C15+C25+C35+C45)なる式は、図14のテーブルの第3行目(+Fzの行)の結果を踏まえたものであり、第1〜第4のセンサによって検知された各力伝達体T1〜T4のZ軸方向に関する力の和に基づいて、上方基板100に作用した力のZ軸方向成分Fzが検出できることを意味している。先頭のマイナス符号は、Z軸方向のとり方によるものである。   Further, the formula Fz = − (C15 + C25 + C35 + C45) shown in FIG. 15 is based on the result of the third row (+ Fz row) of the table of FIG. 14 and is detected by the first to fourth sensors. This means that the Z-axis direction component Fz of the force acting on the upper substrate 100 can be detected based on the sum of the forces in the Z-axis direction of the force transmission bodies T1 to T4. The leading minus sign is based on the Z axis direction.

一方、図15に示すMx=−(((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25))−((C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45)))なる式は、図14のテーブルの第4行目(+Mxの行)の結果を踏まえたものであり、第1および第2のセンサによって検知されたZ軸方向に関する力の和と、第3および第4のセンサによって検知されたZ軸方向に関する力の和と、の差に基づいて、上方基板100に作用した力のX軸まわりのモーメントMxが検出できることを意味している。これは、図9に示す上面図において、点P3が紙面に対して垂直上方(Z軸正方向)に移動し、点P4が紙面に対して垂直下方(Z軸負方向)に移動した状態での検出であり、図2(c) に示す検出原理に基づくものである。式の先頭のマイナス符号は、モーメントの向きのとり方によるものである。   On the other hand, the equation Mx = − (((C11 + C12 + C13 + C14 + C15) + (C21 + C22 + C23 + C24 + C25)) − ((C31 + C32 + C33 + C34 + C35)) + (C41 + C42 + C43 + C44 + C45)) shown in FIG. The difference between the sum of the forces in the Z-axis direction detected by the first and second sensors and the sum of the forces in the Z-axis direction detected by the third and fourth sensors This means that the moment Mx around the X axis of the force acting on the upper substrate 100 can be detected. In the top view shown in FIG. 9, the point P3 is moved vertically upward (Z-axis positive direction) with respect to the paper surface, and the point P4 is moved vertically downward (Z-axis negative direction) with respect to the paper surface. This is based on the detection principle shown in FIG. The minus sign at the beginning of the formula is due to the way the moment is taken.

また、図15に示すMy=((C11+C12+C13+C14+C15)+(C41+C42+C43+C44+C45))−((C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35))なる式は、図14のテーブルの第5行目(+Myの行)の結果を踏まえたものであり、第1および第4のセンサによって検知されたZ軸方向に関する力の和と、第2および第3のセンサによって検知されたZ軸方向に関する力の和と、の差に基づいて、上方基板100に作用した力のY軸まわりのモーメントMyが検出できることを意味している。これは、図9に示す上面図において、点P1が紙面に対して垂直下方(Z軸負方向)に移動し、点P2が紙面に対して垂直上方(Z軸正方向)に移動した状態での検出であり、図2(c) に示す検出原理に基づくものである。   Further, the equation My = ((C11 + C12 + C13 + C14 + C15) + (C41 + C42 + C43 + C44 + C45)) − ((C21 + C22 + C23 + C24 + C25) + (C31 + C32 + C33 + C34 + C35)) shown in FIG. 15 is based on the fifth row of the table in FIG. And based on the difference between the sum of forces in the Z-axis direction detected by the first and fourth sensors and the sum of forces in the Z-axis direction detected by the second and third sensors, This means that the moment My around the Y axis of the force acting on the upper substrate 100 can be detected. In the top view shown in FIG. 9, the point P1 moves vertically downward (Z-axis negative direction) with respect to the paper surface, and the point P2 moves vertically upward (Z-axis positive direction) with respect to the paper surface. This is based on the detection principle shown in FIG.

最後に、図15に示すMz=(((C31−C32)+(C41−C42))−((C11−C12)+(C21−C22)))+(((C13−C14)+(C43−C44))−((C23−C24)+(C33−C34)))なる式は、図14のテーブルの第6行目(+Mzの行)の結果を踏まえたものであり、第3および第4のセンサによって検知されたX軸方向に関する傾斜度の和と、第1および第2のセンサによって検知されたX軸方向に関する傾斜度の和と、の差を第1の差として求め、第1および第4のセンサによって検知されたY軸方向に関する傾斜度の和と、第2および第3のセンサによって検知されたY軸方向に関する傾斜度の和と、の差を第2の差として求め、第1の差と第2の差との和に基づいて、上方基板100に作用した力のZ軸まわりのモーメントMzが検出できることを意味している。   Finally, Mz = (((C31-C32) + (C41-C42))-((C11-C12) + (C21-C22))) + (((C13-C14) + (C43-) shown in FIG. C44)) − ((C23−C24) + (C33−C34))) is based on the result of the sixth row (+ Mz row) of the table of FIG. A difference between the sum of the inclinations in the X-axis direction detected by the sensors and the sum of the inclinations in the X-axis direction detected by the first and second sensors is obtained as a first difference, and The difference between the sum of the inclinations in the Y-axis direction detected by the fourth sensor and the sum of the inclinations in the Y-axis direction detected by the second and third sensors is obtained as the second difference, Based on the sum of the difference of 1 and the second difference, the upper substrate 10 Moment Mz about the Z-axis of the applied force is meant that can be detected.

このMzの式の意味は、この式を、
Mz=(C12+C13)−(C11+C14)
+(C22+C24)−(C21+C23)
+(C31+C34)−(C32+C33)
+(C41+C43)−(C42+C44)
のような形に書きなおすと、より理解しやすくなる。すなわち、Z軸まわりの正方向のモーメント+Mzが作用した場合、前述したとおり、図13において、個別電極E15の上に配置されている第1の力伝達体T1は、図の左上方向に傾斜することになるが、上式の(C12+C13)−(C11+C14)は、第1の力伝達体T1のこのような傾斜を検出するための項である。同様に、個別電極E25の上に配置されている第2の力伝達体T2は、図の左下方向に傾斜することになるが、上式の(C22+C24)−(C21+C23)は、第2の力伝達体T2のこのような傾斜を検出するための項である。また、個別電極E35の上に配置されている第3の力伝達体T3は、図の右下方向に傾斜することになるが、上式の(C31+C34)−(C32+C33)は、第3の力伝達体T3のこのような傾斜を検出するための項である。更に、個別電極E45の上に配置されている第4の力伝達体T4は、図の右上方向に傾斜することになるが、上式の(C41+C43)−(C42+C44)は、第4の力伝達体T4のこのような傾斜を検出するための項である。上式は、このように、Z軸まわりのモーメントMzが作用した場合の4本の力伝達体T1〜T4の所定方向への傾斜度の検出値の和を示すものになる。
The meaning of this Mz equation is
Mz = (C12 + C13)-(C11 + C14)
+ (C22 + C24)-(C21 + C23)
+ (C31 + C34)-(C32 + C33)
+ (C41 + C43)-(C42 + C44)
If you rewrite it like this, it will be easier to understand. That is, when the positive moment + Mz around the Z-axis acts, as described above, in FIG. 13, the first force transmission body T1 disposed on the individual electrode E15 is inclined in the upper left direction in the figure. Of course, (C12 + C13) − (C11 + C14) in the above expression is a term for detecting such an inclination of the first force transmission body T1. Similarly, the second force transmission body T2 disposed on the individual electrode E25 is inclined in the lower left direction in the figure, but the above formula (C22 + C24) − (C21 + C23) is the second force. This is a term for detecting such an inclination of the transmission body T2. Further, the third force transmission body T3 disposed on the individual electrode E35 is inclined in the lower right direction in the figure, but the above formula (C31 + C34) − (C32 + C33) is the third force. This is a term for detecting such an inclination of the transmission body T3. Further, the fourth force transmission body T4 disposed on the individual electrode E45 is inclined in the upper right direction in the figure, but the above formula (C41 + C43) − (C42 + C44) is the fourth force transmission. This is a term for detecting such a tilt of the body T4. Thus, the above equation shows the sum of the detected values of the inclination in the predetermined direction of the four force transmission bodies T1 to T4 when the moment Mz around the Z axis is applied.

なお、図15の第3の式(Fzの式)では、第1のセンサによって検知された第1の力伝達体T1のZ軸方向に関する力として、C15なる1つの容量素子の静電容量値を用いているのに対し、図15の第4の式(Mxの式)では、同じく、第1のセンサによって検知された第1の力伝達体T1のZ軸方向に関する力として、(C11+C12+C13+C14+C15)なる5つの容量素子の静電容量値の総和を用いている。これは、§2で述べたとおり、図3に示すタイプの多軸力センサを用いて、Z軸方向に関する力を求める方法に複数通りのバリエーションがあることを示したものである。したがって、たとえば、図15の第3の式は、Fz=−((C11+C12+C13+C14+C15)+(C21+C22+C23+C24+C25)+(C31+C32+C33+C34+C35)+(C41+C42+C43+C44+C45))としてもかまわない。同様に、図15の第4の式は、Mx=((C15+C25)−(C35+C45))としてもかまわないし、図15の第5の式は、My=((C15+C45)−(C25+C35))としてもかまわない。もちろん、この他にも何通りかのバリエーションを用いることが可能である。   Note that in the third formula (Fz formula) in FIG. 15, the capacitance value of one capacitive element C15 is the force in the Z-axis direction of the first force transmission body T1 detected by the first sensor. In the fourth equation (Mx equation) in FIG. 15, similarly, the force in the Z-axis direction of the first force transmission body T1 detected by the first sensor is (C11 + C12 + C13 + C14 + C15). The sum of the capacitance values of the five capacitive elements is used. This shows that 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. 3 as described in §2. Therefore, for example, the third equation in FIG. 15 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 fourth equation of FIG. 15 may be Mx = ((C15 + C25) − (C35 + C45)), or the fifth equation of FIG. 15 may be My = ((C15 + C45) − (C25 + C35)). It doesn't matter. Of course, several other variations are possible.

この図15に示す6つの式のうち、力Fx,Fy,Fzに関する式は、4本の力伝達体T1〜T4の配置が任意の位置であっても成立する一般式であり、力Fx,Fy,Fzの検出のみに利用される力検出装置を構成する場合、4本の力伝達体T1〜T4の配置は、必ずしも図9の上面図に示すような配置にする必要はない。ただ、図15に示す6つの式のうち、モーメントMx,My,Mzに関する式は、4本の力伝達体T1〜T4が、図9の上面図に示すように、XY二次元座標系における第1〜第4象限に配置されていることを前提としたものである。   Of the six formulas shown in FIG. 15, formulas relating to the forces Fx, Fy, and Fz are general formulas that are established even when the four force transmission bodies T1 to T4 are arranged at arbitrary positions. When configuring a force detection device used only for detecting Fy and Fz, the four force transmission bodies T1 to T4 need not necessarily be arranged as shown in the top view of FIG. However, among the six formulas shown in FIG. 15, the formulas for the moments Mx, My, and Mz are the four force transmission bodies T1 to T4, as shown in the top view of FIG. It is premised on being arranged in the first to fourth quadrants.

ところで、この先行技術実施形態に係る技術思想は、「図3に示すような従来から公知の多軸力センサを、単に4組用いることにより、検出精度を高めるようにする」という技術とは全く次元が異なる技術思想である。一般に、何らかの測定器を用いた測定を行う場合に、「同じ測定器を複数台設置し、それぞれの測定結果の平均をとることにより、測定精度を向上させる」という手法は常套手段であり、古くから様々な分野において利用されてきている。   By the way, the technical idea according to this prior art embodiment is completely different from the technique of “increasing detection accuracy by simply using four sets of conventionally known multi-axis force sensors as shown in FIG. 3”. It is a technical idea with different dimensions. In general, when performing measurement using any measuring instrument, the technique of “improving measurement accuracy by installing multiple identical measuring instruments and taking the average of each measurement result” is a conventional method. Have been used in various fields.

しかしながら、図2に示す基本概念は、「複数のセンサを用いて検出精度を向上させる」という技術思想ではなく、「所定の座標軸方向の力と、所定の座標軸まわりのモーメントを正確に区別して検出する」という技術思想にある。ここでは、この点について、もう少し詳しい補足説明を行っておく。   However, the basic concept shown in FIG. 2 is not the technical idea of “increasing detection accuracy using a plurality of sensors”, but “detecting by accurately distinguishing the force in the predetermined coordinate axis direction and the moment around the predetermined coordinate axis. It is in the technical idea of “Yes”. Here is a little more detailed supplementary explanation about this point.

まず、図6に示すように、従来から公知の多軸力センサを用いて、x軸正方向の力+fxを検出することを考えよう。このような多軸力センサを開示した一般的な公知文献では、この図6に示す原理により、「容量素子C1(個別電極E1とダイアフラム51)の静電容量値C1と、容量素子C2(個別電極E2とダイアフラム51)の静電容量値C2と、の差(C1−C2)を求めることにより、力伝達体60に作用した力のx軸方向成分fxを求めることができる」旨の説明がなされている。しかしながら、この説明は、厳密な意味では正しくない。なぜなら、静電容量値の差(C1−C2)は、実は、作用した力fxそれ自身ではなく、作用した力fxに起因して生じたy軸まわりのモーメントMyになっているからである。   First, as shown in FIG. 6, let us consider detecting a positive force + fx in the x-axis direction using a conventionally known multi-axis force sensor. In a general publicly known document disclosing such a multi-axis force sensor, according to the principle shown in FIG. The explanation is that the x-axis direction component fx of the force acting on the force transmission body 60 can be obtained by obtaining the difference (C1-C2) between the capacitance value C2 of the electrode E2 and the diaphragm 51). Has been made. However, this explanation is not correct in the strict sense. This is because the difference between the capacitance values (C1-C2) is actually not the applied force fx itself but the moment My around the y-axis caused by the applied force fx.

これは、図6に示すように、力伝達体60の異なる位置に、2通りの力+fxと+fx′とを加えた場合に、どのような出力値が得られるかを考えれば、容易に理解できよう。図示の例において、+fx=+fx′であったとしても、静電容量値の差(C1−C2)として得られる出力値は、+fxを加えた場合の方が、+fx′を加えた場合に比べて大きくなる。これは、+fxを加えた場合の方が、この検出系に対して大きなモーメントを与えることができるためである。要するに、この図6に示すセンサでは、x軸方向の力fxやy軸方向の力fyを直接検出することはできず、それぞれy軸まわりのモーメントMyやx軸まわりのモーメントMxとして検出するしかないのである。   This can be easily understood by considering what output values can be obtained when two types of forces + fx and + fx ′ are applied to different positions of the force transmission body 60 as shown in FIG. I can do it. In the example shown in the figure, even if + fx = + fx ′, the output value obtained as the difference in capacitance value (C1−C2) is greater when + fx is added than when + fx ′ is added. Become bigger. This is because a larger moment can be given to this detection system when + fx is added. In short, the sensor shown in FIG. 6 cannot directly detect the force fx in the x-axis direction and the force fy in the y-axis direction, but can only detect them as the moment My around the y-axis and the moment Mx around the x-axis, respectively. There is no.

もっとも、力fxを作用させる力伝達体60上の位置が、常に定位置となるように決めておけば、y軸まわりのモーメントMyをx軸方向の力fxとして取り扱っても支障は生じない。このため、力とモーメントとを区別して取り扱う必要のない検出対象については、この図6に示す力センサを、x軸方向の力fxやy軸方向の力fyの検出に利用しても、実用上、大きな支障が生じないことになる。   However, if the position on the force transmission body 60 to which the force fx is applied is determined so as to be always a fixed position, there is no problem even if the moment My around the y-axis is handled as the force fx in the x-axis direction. Therefore, even if the force sensor shown in FIG. 6 is used for detection of the force fx in the x-axis direction and the force fy in the y-axis direction, it is practical for detection objects that do not need to handle force and moment separately. On top of that, no major hindrance will occur.

しかしながら、ロボットや産業機械の動作制御などへの用途では、力とモーメントとをはっきり区別して検出することが可能な力検出装置の需要も決して少なくない。前述した力検出装置は、正に、このような用途に適した装置ということができる。たとえば、図10に示す力検出装置を、ロボットの腕と手首との関節部分として利用するのであれば、支持基板300を腕側に取り付け、上方基板100を手首側に取り付ければよい。そうすれば、腕に対して手首側に加えられた力およびモーメントを検出することが可能である。   However, in applications such as robot and industrial machine operation control, there is a considerable demand for force detection devices that can detect force and moment clearly. The above-described force detection device can be said to be a device suitable for such an application. For example, if the force detection device shown in FIG. 10 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 upper substrate 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.

この図10に示す力検出装置を用いれば、上方基板100に対して何らかの力が作用すると、4本の力伝達体T1〜T4の位置や向きに所定の変化が生じることになる。この変化の態様を、センサS1〜S4を構成する複数の容量素子の静電容量値の変化として検出し、図15に示す式に基づく解析を行えば、各軸方向の力Fx,Fy,Fzおよび各軸まわりのモーメントMx,My,Mzをそれぞれ独立して検出することが可能になる。これが本考案の重要な特徴である。   If a force is applied to the upper substrate 100 using the force detection device shown in FIG. 10, a predetermined change occurs in the positions and orientations of the four force transmission bodies T1 to T4. If this change mode is detected as a change in capacitance values of a plurality of capacitive elements constituting the sensors S1 to S4, and an analysis based on the equation shown in FIG. 15 is performed, the forces Fx, Fy, Fz in the respective axial directions And moments Mx, My, and Mz around each axis can be detected independently. This is an important feature of the present invention.

既に上の説明で述べたとおり、この先行技術実施形態に係る力検出装置では、支持基板300の上面に、図13に示すように、個別電極E11〜E15,E21〜E25,E31〜E35,E41〜E45が形成され、これら各個別電極の上方に配置された導電性材料からなる下部ダイアフラム215,225,235,245が各共通電極として機能し、合計20組の容量素子C11〜C15(センサS1),C21〜C25(センサS2),C31〜C35(センサS3),C41〜C45(センサS4)が形成されている。下部ダイアフラム215,225,235,245は、金属からなる下方基板200の一部分であり、電気的には、単一の等電位体として機能するので、すべての共通電極は等電位を維持する。   As already described in the above description, in the force detection device according to this prior art embodiment, the individual electrodes E11 to E15, E21 to E25, E31 to E35, E41 are formed on the upper surface of the support substrate 300 as shown in FIG. E45 are formed, and lower diaphragms 215, 225, 235, and 245 made of a conductive material disposed above these individual electrodes function as common electrodes, and a total of 20 capacitive elements C11 to C15 (sensor S1) ), C21 to C25 (sensor S2), C31 to C35 (sensor S3), and C41 to C45 (sensor S4). The lower diaphragms 215, 225, 235, and 245 are a part of the lower substrate 200 made of metal, and electrically function as a single equipotential body, so that all the common electrodes maintain an equipotential.

ここで、各下部ダイアフラム215,225,235,245の下面は、それぞれ各力伝達体T1〜T4の下部の変位に応じて特有の変位を生じる変位面を構成しているため、図15の各式に示す原理に基づいて、上方基板100に作用した力を、6つの成分ごとに独立して検出することができる。   Here, the lower surfaces of the lower diaphragms 215, 225, 235, and 245 constitute displacement surfaces that generate specific displacements according to the displacements of the lower portions of the force transmission bodies T1 to T4, respectively. Based on the principle shown in the equation, the force acting on the upper substrate 100 can be detected independently for each of the six components.

図15に示す各演算式に基づいて各力成分を求める方法としては、個々の容量素子の静電容量値を電気的に測定し、この測定値に対してアナログあるいはデジタルの演算器などを用いて演算を行い、その結果を出力するような方法を採ることも可能である。ただ、図15に示す式は、基本的に加算と減算のみである。そこで実用上は、静電容量値の加算を演算器で行う代わりに、容量値の加算対象となる複数の容量素子を互いに並列接続することにより、加算演算と同等の結果が得られるようなアプローチを採るのが好ましい。なお、ここでは具体的な回路の説明は省略するが、一般に、容量素子を構成する一対の電極にそれぞれ配線を施すことにより、当該容量素子の静電容量値を電圧値に変換して検出する回路は、種々の回路が公知である。このような回路を、検出回路30として用意しておけば、各軸方向の力Fx,Fy,Fzおよび各軸まわりのモーメントMx,My,Mzをそれぞれ独立した電圧値として出力することができる。   As a method for obtaining each force component based on each arithmetic expression shown in FIG. 15, the electrostatic capacitance value of each capacitive element is electrically measured, and an analog or digital arithmetic unit is used for the measured value. It is also possible to take a method of performing the operation and outputting the result. However, the equation shown in FIG. 15 is basically only addition and subtraction. Therefore, in practice, instead of performing the addition of electrostatic capacitance values with an arithmetic unit, an approach in which a plurality of capacitive elements to be subjected to addition of capacitance values are connected in parallel to each other, and results equivalent to the addition operation can be obtained. It is preferable to adopt. In addition, although description of a specific circuit is abbreviate | omitted here, generally the capacitance value of the said capacitive element is converted into a voltage value and detected by providing wiring to a pair of electrode which comprises a capacitive element, respectively. Various circuits are known. If such a circuit is prepared as the detection circuit 30, the forces Fx, Fy, Fz in the respective axial directions and the moments Mx, My, Mz around the respective axes can be output as independent voltage values.

以上、図9〜図15を参照しながら、前掲の特許文献1に開示されている先行技術実施形態を説明したが、本考案の適用対象となる力検出装置は、必ずしも上述した先行技術実施形態に限定されるものではない。特に、上方基板100と下方基板200との間に形成される各力伝達体の本数やその配置などには、さまざまなバリエーションが存在し、前掲の特許文献1や特許文献2には、このようなバリエーションが掲載されている。また、各個別電極の形状、枚数、配置などにも、様々なバリエーションが存在する。本考案は、これらのバリエーションにも同様に適用可能である。   As described above, the prior art embodiment disclosed in Patent Document 1 described above has been described with reference to FIGS. 9 to 15, but the force detection device to which the present invention is applied is not necessarily the above-described prior art embodiment. It is not limited to. In particular, there are various variations in the number and arrangement of the force transmission members formed between the upper substrate 100 and the lower substrate 200. Patent Document 1 and Patent Document 2 described above include such variations. Various variations are posted. There are also various variations in the shape, number, and arrangement of each individual electrode. The present invention is applicable to these variations as well.

また、本考案は、図10に示す構造に代えて、図16に示すような構造を有する力検出装置にも、当然、適用可能である。図10に示す装置では、上部ダイアフラム115,125が上方基板100の上面に揃う位置に形成され、溝部G11,G12が、上方基板100の下面側に形成されていた。これに対して、図16に示す装置では、上部ダイアフラム115A,125Aが上方基板100Aの下面に揃う位置に形成され、溝部G11A,G12Aが、上方基板100Aの上面側に形成されている。図16に示す上部柱状部110A,120Aは、図10に示す上部柱状部110,120に比べて、若干、長さが短くなっているが、下部柱状部210,220の上面に接続されることにより、力伝達体T1,T2の一部をなす点に変わりはない。なお、図11に示す上部ダイアフラム135,145の位置も、同様に、上方基板100Aの下面側に移動する形態をとる(図示省略)。   Further, the present invention is naturally applicable to a force detection device having a structure shown in FIG. 16 instead of the structure shown in FIG. In the apparatus shown in FIG. 10, the upper diaphragms 115 and 125 are formed at positions aligned with the upper surface of the upper substrate 100, and the grooves G <b> 11 and G <b> 12 are formed on the lower surface side of the upper substrate 100. On the other hand, in the apparatus shown in FIG. 16, the upper diaphragms 115A and 125A are formed at positions aligned with the lower surface of the upper substrate 100A, and the grooves G11A and G12A are formed on the upper surface side of the upper substrate 100A. The upper columnar portions 110A and 120A shown in FIG. 16 are slightly shorter than the upper columnar portions 110 and 120 shown in FIG. 10, but are connected to the upper surfaces of the lower columnar portions 210 and 220. Thus, there is no change in the point that forms part of the force transmission bodies T1, T2. Similarly, the positions of the upper diaphragms 135 and 145 shown in FIG. 11 are also moved to the lower surface side of the upper substrate 100A (not shown).

要するに、本考案は、上方基板100には複数N組の上部ダイアフラムが形成され、下方基板200には複数N組の下部ダイアフラムが形成され、上下でそれぞれ対応する一対のダイアフラムが、合計N本の柱状体を介して互いに接合されており、合計N本の柱状体を介して、上方基板100が下方基板200の上方に支持されており、下部ダイアフラムの下面に設けられた共通電極とその下方に設けられた個別電極とによって形成されている容量素子の静電容量値に基づいて、上方基板100に作用した力を検出する機能をもった力検出装置に広く適用可能な技術である。   In short, according to the present invention, a plurality of N sets of upper diaphragms are formed on the upper substrate 100, and a plurality of N sets of lower diaphragms are formed on the lower substrate 200. The upper substrate 100 is supported above the lower substrate 200 via a total of N columnar bodies, and is connected to the common electrode provided on the lower surface of the lower diaphragm and below the common electrode. This is a technique that can be widely applied to a force detection device having a function of detecting a force acting on the upper substrate 100 based on a capacitance value of a capacitive element formed by provided individual electrodes.

<<< §4. 本考案の基本的な技術思想 >>>
さて、ここでは、これまで述べてきた先行技術実施形態を量産する場合の各部の材質を考えてみる。具体的には、図16に示す力検出装置を構成する場合を考える。前述の説明では、上方基板100Aおよび下方基板200を、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンなどの金属から構成し、支持基板300をガラスエポキシ製のPCB基板などの絶縁性基板によって構成する例を述べた。また、個別電極E11〜E45は、銅や金などの金属をパターニングした層によって構成すればよい。
<<< §4. Basic technical idea of the present invention >>>
Now, let us consider the material of each part when mass-producing the prior art embodiments described so far. Specifically, consider the case of configuring the force detection device shown in FIG. In the above description, the upper substrate 100A and the lower substrate 200 are made of a metal such as stainless steel, aluminum, titanium, and the support substrate 300 is made of an insulating substrate such as a glass epoxy PCB substrate. The individual electrodes E11 to E45 may be configured by a layer obtained by patterning a metal such as copper or gold.

下方基板200を金属材料によって構成する第1のメリットは、下部ダイアフラム215,225,235,245が下方基板200の一部分(他の部分よりも肉厚が薄く可撓性をもった部分)として構成されるため、それ自身を、個別電極E11〜E15に対向する共通電極、個別電極E21〜E25に対向する共通電極、個別電極E31〜E35に対向する共通電極、個別電極E41〜E45に対向する共通電極、として機能させることが可能になる点である。また、下方基板200を金属材料によって構成する第2のメリットは、金属からなるダイアフラムは、板バネとしての性質を有し、加えられた外力と当該外力に起因して生じる変位との関係がフックの法則に従い、ほぼ線形に近い関係を維持することができる点である。この第2のメリットは、上方基板100を金属材料によって構成した場合のメリットにもなる。したがって、ダイアフラムの機能に着目すれば、図16に示す力検出装置における上方基板100Aや下方基板200は、金属によって構成するのが好ましい。   The first merit of configuring the lower substrate 200 with a metal material is that the lower diaphragms 215, 225, 235, and 245 are configured as a part of the lower substrate 200 (a portion that is thinner and more flexible than the other portions). Therefore, the common electrode facing the individual electrodes E11 to E15, the common electrode facing the individual electrodes E21 to E25, the common electrode facing the individual electrodes E31 to E35, and the common electrode facing the individual electrodes E41 to E45. This is a point that can function as an electrode. The second merit of forming the lower substrate 200 from a metal material is that the diaphragm made of metal has a property as a leaf spring, and the relationship between the applied external force and the displacement caused by the external force is a hook. This is the point that a nearly linear relationship can be maintained according to the law. This second merit is also an advantage when the upper substrate 100 is made of a metal material. Therefore, if attention is paid to the function of the diaphragm, the upper substrate 100A and the lower substrate 200 in the force detection device shown in FIG. 16 are preferably made of metal.

しかしながら、上方基板100Aや下方基板200を金属によって構成した場合の最大のデメリットは、製造コストである。既に述べたとおり、最もコストが安い金属加工はプレス加工であるが、図16に示す上方基板100Aや下方基板200を、金属のプレス加工で形成するのは好ましくない。なぜなら、金属材料に対してプレス加工を施すと、内部に機械的な応力が残留し、この残留応力が、上述したダイアフラムの板バネとしての性質に悪影響を及ぼすためである。具体的には、残留応力の影響により、ロットによってはゼロ点の位置がずれてしまったり、検出出力の線形特性が失われたりする。このため、上方基板100Aや下方基板200を、金属材料で構成するためには、切削加工、放電加工、ワイヤーカット加工という、比較的コストの高い加工方法を採らざるを得ず、製造コストは高騰せざる得ない。   However, the biggest disadvantage when the upper substrate 100A and the lower substrate 200 are made of metal is the manufacturing cost. As already described, the metal processing with the lowest cost is press processing, but it is not preferable to form the upper substrate 100A and the lower substrate 200 shown in FIG. 16 by metal pressing. This is because when a metal material is pressed, mechanical stress remains inside, and this residual stress adversely affects the above-described properties of the diaphragm as a leaf spring. Specifically, due to the influence of residual stress, the position of the zero point is shifted depending on the lot, or the linear characteristic of the detection output is lost. For this reason, in order to configure the upper substrate 100A and the lower substrate 200 with a metal material, it is necessary to adopt a relatively expensive processing method such as cutting, electric discharge processing, and wire cut processing, and the manufacturing cost increases. I cannot help it.

上方基板100Aや下方基板200を金属によって構成した場合のもうひとつのデメリットは、検出結果に電気的なノイズ成分が混入しやすくなるという問題である。たとえば、図16に示す装置において、上方基板100Aおよび下方基板200が金属から構成されているとすると、これら全体が一塊の導電体のブロックを構成することになるので、たとえば、外力を作用させるときに、上方基板100Aの一部に手が触れたりして電位変動が生じたとすると、当該電位変動は、共通電極として機能する下部ダイアフラム215,225等へも伝達されることになり、電気的な検出系統にノイズ成分を与える要因になる。   Another disadvantage when the upper substrate 100A and the lower substrate 200 are made of metal is a problem that electrical noise components are likely to be mixed into the detection result. For example, in the apparatus shown in FIG. 16, if the upper substrate 100A and the lower substrate 200 are made of metal, the whole of them constitutes a block of conductors, so that, for example, when applying an external force Furthermore, if a potential fluctuation occurs due to a hand touching a part of the upper substrate 100A, the potential fluctuation is also transmitted to the lower diaphragms 215, 225 and the like functioning as a common electrode. It becomes a factor which gives a noise component to a detection system.

このようなデメリットを克服するために、本考案では、図16に示す装置における上方基板100Aおよび下方基板200を、基本的には樹脂材料から構成するようにし、必要な部分に、金属の鍍金層を形成する、という手法を採る。樹脂材料は、型を利用した賦形により任意形状に加工することが極めて容易であり、任意形状の基板を低コストで量産することが可能になる。また、一般的な樹脂材料は絶縁性を有しているため、外部からの電気的なノイズの媒体にもならない。したがって、上述した「金属材料を用いるデメリット」は克服できる。   In order to overcome such demerits, in the present invention, the upper substrate 100A and the lower substrate 200 in the apparatus shown in FIG. Is used. The resin material is extremely easy to be processed into an arbitrary shape by shaping using a mold, and a substrate having an arbitrary shape can be mass-produced at a low cost. Further, since a general resin material has an insulating property, it does not serve as a medium for electrical noise from the outside. Therefore, the above-mentioned “demerit using a metal material” can be overcome.

但し、この場合、金属の鍍金層を、少なくとも下部ダイアフラム215,225の下面に(そして、図16には示されていないが、下部ダイアフラム235,245の下面にも)設ける必要がある。これは、各個別電極E11〜E45に対向する共通電極を、金属の鍍金層で構成する必要があるためである。このように、各基板を樹脂材料で構成したとしても、下部ダイアフラムの下面に金属の鍍金層を形成すれば、これを各個別電極に対向する共通電極として機能させることができる。   However, in this case, it is necessary to provide a metal plating layer at least on the lower surfaces of the lower diaphragms 215 and 225 (and not shown in FIG. 16, but also on the lower surfaces of the lower diaphragms 235 and 245). This is because the common electrode facing each of the individual electrodes E11 to E45 needs to be composed of a metal plating layer. Thus, even if each substrate is made of a resin material, if a metal plating layer is formed on the lower surface of the lower diaphragm, it can function as a common electrode facing each individual electrode.

一般に、樹脂材料からなる構造体は、機械的な変形に対してヒステリシスを有しており、加えられた外力と、この外力に起因して生じる撓み(変位)との間に、正確な線形性は得られない。これは、極端な例として、ウレタン樹脂などを考えてみれば容易に理解できよう。ウレタン樹脂からなるブロックに外力を加えて圧縮した場合、圧縮の度合いと加えた外力との間には、正確な線形性は見られない。また、外力を除去した後も、ウレタン樹脂からなるブロックは直ちに元の状態には復帰せず、残留応力の影響がしばらくの間だけ維持される。すなわち、樹脂材料からなる構造体は、そのままでは、フックの法則に従う板バネとして用いるには不適切である。   In general, a structure made of a resin material has a hysteresis with respect to mechanical deformation, and an accurate linearity between an applied external force and a deflection (displacement) caused by the external force. Cannot be obtained. This can be easily understood by considering urethane resin as an extreme example. When an external force is applied to a block made of a urethane resin and compressed, accurate linearity is not seen between the degree of compression and the applied external force. Moreover, even after the external force is removed, the block made of urethane resin does not immediately return to the original state, and the influence of the residual stress is maintained for a while. That is, a structure made of a resin material is not suitable for use as a leaf spring according to the hook law.

しかしながら、本願考案者が行った実験によると、ダイアフラムを樹脂材料によって構成した場合であっても、少なくともその片面に金属の鍍金層が形成されていると、全体としては、金属からなるダイアフラムに近い機械的変形特性が得られた。たとえば、図16に示す例の場合、PPSなる樹脂材料を用いて、厚みが6mmの下方基板200の一部に、厚みが1mmの下部ダイアフラム215,225を形成し、その下面に、厚みが10〜20μmの鍍金層(銅の層の上に金の層を鍍金したもの)を形成したところ、当該ダイアフラムの機械的な変形特性は、ほぼフックの法則に従うものとなった。すなわち、樹脂材料からなるダイアフラムであっても、その下面に金属の鍍金層を形成することにより、金属製の板バネに近い線形な機械的変形特性が得られることになる。   However, according to an experiment conducted by the inventors of the present application, even when the diaphragm is made of a resin material, if a metal plating layer is formed on at least one surface of the diaphragm, the whole is close to a diaphragm made of metal. Mechanical deformation characteristics were obtained. For example, in the example shown in FIG. 16, the lower diaphragms 215 and 225 having a thickness of 1 mm are formed on a part of the lower substrate 200 having a thickness of 6 mm using a resin material of PPS, and the thickness is 10 on the lower surface thereof. When a plating layer having a thickness of ˜20 μm (a gold layer plated on a copper layer) was formed, the mechanical deformation characteristics of the diaphragm almost conformed to Hooke's law. That is, even when the diaphragm is made of a resin material, a linear mechanical deformation characteristic close to that of a metal leaf spring can be obtained by forming a metal plating layer on the lower surface thereof.

もちろん、より金属製の板バネに近い線形な機械的変形特性を得るためには、下部ダイアフラム215,225の上下両面に(そして、図16には示されていないが、下部ダイアフラム235,245の上下両面にも)、金属の鍍金層を形成するのが好ましい。また、上部ダイアフラムについても、同様の理由により、上下両面に金属の鍍金層を形成するのが好ましい。   Of course, in order to obtain a linear mechanical deformation characteristic closer to that of a metal leaf spring, the upper and lower surfaces of the lower diaphragms 215 and 225 (and although not shown in FIG. 16, the lower diaphragms 235 and 245 It is preferable to form a metal plating layer on both the upper and lower surfaces. For the upper diaphragm, for the same reason, it is preferable to form a metal plating layer on both the upper and lower surfaces.

<<< §5. 本考案の実施形態 >>>
ここでは、図16に示す力検出装置に本考案を適用した具体的な実施形態を、図17〜図24に示す側断面図を参照しながら述べる。なお、図17〜図24は、いずれも図9に示す先行技術実施形態における切断線10−10に沿った側断面を示すものであるが、切断線11−11に沿った側断面の構造も全く同じである。また、力を検出する動作は、§1〜§3で述べた先行技術実施形態に係る装置のものと同じである。
<<< §5. Embodiment of the Invention >>
Here, a specific embodiment in which the present invention is applied to the force detection device shown in FIG. 16 will be described with reference to side sectional views shown in FIGS. FIGS. 17 to 24 all show a side cross section along the cutting line 10-10 in the prior art embodiment shown in FIG. 9, but the structure of the side cross section along the cutting line 11-11 is also shown. Exactly the same. The operation for detecting the force is the same as that of the apparatus according to the prior art embodiment described in §1 to §3.

(1) 第1の実施形態
図17は、本考案の第1の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。図示のとおり、この装置の主たる構成要素は、受力体400、上方基板500、下方基板600、検出用基板700、検出回路750、台座800、装置筐体900である。
(1) First Embodiment FIG. 17 is a cross-sectional side view of a force detection device according to a first embodiment of the present invention. As shown in the figure, main components of the apparatus are a force receiving body 400, an upper substrate 500, a lower substrate 600, a detection substrate 700, a detection circuit 750, a pedestal 800, and an apparatus housing 900.

受力体400は、上面が正方形状の基板状の構成要素であり、上方基板500の上方に位置するように、上方基板500に対して接合されている。この受力体400は、検出対象となる力を受け、これを上方基板500へ伝達する機能を果たす。図示のとおり、受力体400の周囲部上面の数ヶ所には、溝部G1が形成されており、ネジN1によって上方基板500の上面に固定されている。なお、受力体400の上面に形成された溝部G2は、内部にネジ山が形成されたネジ溝になっており、必要に応じて、ここに様々な物体(検出対象となる力を直接的に受ける物体)を取り付けることができる。受力体400の材質は、金属でも、樹脂などの絶縁体でもかまわないが、ネジ溝G2を利用して、物体の着脱を行うことを考えると、機械的な耐久性を確保する上では、金属材料によって受力体400を構成するのが好ましい。   The force receiving member 400 is a substrate-like component having a square upper surface, and is joined to the upper substrate 500 so as to be positioned above the upper substrate 500. The force receiving member 400 has a function of receiving a force to be detected and transmitting the force to the upper substrate 500. As shown in the figure, grooves G1 are formed in several places on the upper surface of the periphery of the force receiving member 400, and are fixed to the upper surface of the upper substrate 500 by screws N1. The groove portion G2 formed on the upper surface of the force receiving member 400 is a screw groove having a screw thread formed therein, and various objects (forces to be detected can be directly applied thereto as necessary. Can be attached. The material of the force receiving member 400 may be a metal or an insulating material such as a resin. However, in consideration of attaching and detaching an object using the screw groove G2, in order to ensure mechanical durability, The power receiving member 400 is preferably made of a metal material.

上方基板500は、図16における上方基板100Aに対応する構成要素であり、本考案の場合、たとえば、ABS、PPS、デルリン(登録商標)などの樹脂材料によって構成されている。この上方基板500の上面には、溝部G3が設けられており、その結果、他の部分よりも肉厚が薄く可撓性をもった上部ダイアフラム510が一部分に形成されている(実際には、4箇所に形成されている)。また、上方基板500は、上部ダイアフラム510の中心から下方へ伸びる上部柱状体520を有している。   The upper substrate 500 is a component corresponding to the upper substrate 100A in FIG. 16, and is configured by a resin material such as ABS, PPS, and Delrin (registered trademark) in the present invention. A groove portion G3 is provided on the upper surface of the upper substrate 500. As a result, an upper diaphragm 510 having a thickness smaller than other portions and having flexibility is formed in part (actually, 4). The upper substrate 500 has an upper columnar body 520 extending downward from the center of the upper diaphragm 510.

一方、下方基板600は、図16における下方基板200に対応する構成要素であり、本考案の場合、やはりABS、PPS、デルリン(登録商標)などの樹脂材料によって構成されている。この下方基板600は、上方基板500の下方に、空隙部G4を挟んで配置されており、上面に溝部G5を設けることにより、他の部分よりも肉厚が薄く可撓性をもった下部ダイアフラム610が一部分に形成されている(実際には、4箇所に形成されている)。また、下方基板600は、下部ダイアフラム610の中心から上方へ伸びる下部柱状体620を有している。ここで、下部ダイアフラム610は、下方基板600の下面位置よりも、下部ダイアフラム610の下面位置の方が上方になるような位置に形成されている。その結果、下部ダイアフラム610の下面と各個別電極Eの上面との間には空隙部G6が形成されている。   On the other hand, the lower substrate 600 is a component corresponding to the lower substrate 200 in FIG. 16, and in the case of the present invention, is also made of a resin material such as ABS, PPS, Delrin (registered trademark). The lower substrate 600 is disposed below the upper substrate 500 with a gap G4 interposed therebetween. By providing a groove G5 on the upper surface, the lower diaphragm 600 is thinner and flexible than other portions. 610 is formed in a part (actually, it is formed in four places). The lower substrate 600 has a lower columnar body 620 extending upward from the center of the lower diaphragm 610. Here, the lower diaphragm 610 is formed at a position such that the lower surface position of the lower diaphragm 610 is higher than the lower surface position of the lower substrate 600. As a result, a gap G6 is formed between the lower surface of the lower diaphragm 610 and the upper surface of each individual electrode E.

上部柱状体520の下端と下部柱状体620の上端とは、ネジN2によって相互に接合されており、両柱状体によって1本の力伝達体が形成されている。実際には、合計4本の力伝達体が構成されており、これら4本の力伝達体を介して、上方基板500および受力体400は下方基板600の上方に支持されている。   The lower end of the upper columnar body 520 and the upper end of the lower columnar body 620 are joined to each other by a screw N2, and one force transmission body is formed by both the columnar bodies. Actually, a total of four force transmission bodies are formed, and the upper substrate 500 and the force receiving body 400 are supported above the lower substrate 600 through these four force transmission bodies.

このように、上方基板500および下方基板600を樹脂材料から構成することにより、製造コストを大幅に低減させることが可能になる。樹脂材料は任意の形状に成形することが可能であり、大量生産に適している。しかも、型を用いた賦形によって製造すれば、金属に対するプレス加工のような残留応力の問題も生じることはない。   As described above, by forming the upper substrate 500 and the lower substrate 600 from a resin material, it is possible to greatly reduce the manufacturing cost. The resin material can be molded into an arbitrary shape and is suitable for mass production. Moreover, if it is manufactured by shaping using a mold, there will be no problem of residual stress as in press working on metal.

検出用基板700は、図16における支持基板300に対応する構成要素であり、その上面には、図13の上面図に示すように、各個別電極E11〜E45が形成されている(図17では、図が繁雑になるのを避けるため、各個別電極を単に符号Eで示してある)。各個別電極E11〜E45は、それぞれ電気的に互いに絶縁されている必要があるので、検出用基板700(の少なくとも上面)は、絶縁性材料によって構成されている。ここに示す例の場合、検出用基板700は、検出回路の回路基板も兼ねており、ガラスエポキシ製のPCB基板によって構成されており、ネジN3によって、下方基板600の下面に接合されている。個別電極E11〜E15が形成されている円形の領域、個別電極E21〜E25が形成されている円形の領域、個別電極E31〜E35が形成されている円形の領域、個別電極E41〜E45が形成されている円形の領域、はそれぞれ独立した検出領域を構成しており、各検出領域は、それぞれ下部ダイアフラム610の下方に位置している。   The detection substrate 700 is a component corresponding to the support substrate 300 in FIG. 16, and the individual electrodes E11 to E45 are formed on the upper surface thereof as shown in the top view of FIG. 13 (in FIG. 17). In order to avoid complication of the figure, each individual electrode is simply indicated by the symbol E). Since the individual electrodes E11 to E45 need to be electrically insulated from each other, the detection substrate 700 (at least the upper surface thereof) is made of an insulating material. In the case of the example shown here, the detection board 700 also serves as a circuit board of the detection circuit, is configured by a glass epoxy PCB board, and is joined to the lower surface of the lower board 600 by screws N3. A circular region where the individual electrodes E11 to E15 are formed, a circular region where the individual electrodes E21 to E25 are formed, a circular region where the individual electrodes E31 to E35 are formed, and the individual electrodes E41 to E45 are formed. Each of the circular areas constitutes an independent detection area, and each detection area is located below the lower diaphragm 610.

検出回路750は、検出用基板700の下面に配置された回路であり、検出用基板700の下方に確保された空隙部G7内に収容されている。便宜上、図17では、検出回路750を1つのブロックとして示してあるが、実際には、この検出回路は、検出用基板700の下面に形成された種々の回路構成要素からなる。上述したとおり、検出用基板700は、回路基板を兼ねており、図15の原理に基づいて力の検出値を求める検出回路750は、この検出用基板700上に実装された多数の電子部品によって構成されており、下部ダイアフラム610の撓み具合に基づいて、受力体400に作用した力を検出する機能を果たす。   The detection circuit 750 is a circuit disposed on the lower surface of the detection substrate 700, and is accommodated in a gap G7 secured below the detection substrate 700. For convenience, the detection circuit 750 is shown as one block in FIG. 17, but actually, this detection circuit is composed of various circuit components formed on the lower surface of the detection substrate 700. As described above, the detection board 700 also serves as a circuit board, and the detection circuit 750 for obtaining the detection value of the force based on the principle of FIG. It is comprised and the function which detects the force which acted on the power receiving body 400 based on the bending condition of the lower diaphragm 610 is fulfill | performed.

台座800は、装置筐体900の底部上面に固定された構成要素であり、その上部には、検出回路750を収容するための空隙部G7が確保されている。台座800の周囲に設けられた溝部G8には、ネジN4が挿入されており、このネジN4によって、下方基板600が台座800の上面に固定されている。かくして、下方基板600は、台座800を介して、装置筐体900に固定されている。装置筐体900は、天面が開いた箱状の構造体であり、上述した力検出装置の主要部を内部に収容する機能を果たす。台座800や装置筐体900は、金属材料で構成してもよいし、樹脂などの絶縁材料で構成してもかまわない。   The pedestal 800 is a component fixed to the upper surface of the bottom of the apparatus housing 900, and a gap G7 for accommodating the detection circuit 750 is secured in the upper part. A screw N4 is inserted into a groove G8 provided around the base 800, and the lower substrate 600 is fixed to the upper surface of the base 800 by the screw N4. Thus, the lower substrate 600 is fixed to the apparatus housing 900 via the pedestal 800. The device housing 900 is a box-like structure with an open top surface, and fulfills the function of accommodating the main part of the force detection device described above. The pedestal 800 and the device casing 900 may be made of a metal material or an insulating material such as a resin.

下部ダイアフラム610の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極Ecが形成されている。図では、この鍍金層を太線で示してある。個別電極Eは、個々の検出領域ごとに設けられた共通電極Ecと対向する位置に配置されており、各個別電極Eと共通電極Ecとによってそれぞれ容量素子が形成されている。検出回路750は、これら複数の容量素子の静電容量値に基づいて、受力体400に作用した力を検出する処理を行う。   A common electrode Ec made of a metal plating layer is formed on the lower surface of the lower diaphragm 610. In the figure, this plating layer is indicated by a bold line. The individual electrode E is disposed at a position facing the common electrode Ec provided for each detection region, and a capacitive element is formed by each individual electrode E and the common electrode Ec. The detection circuit 750 performs a process of detecting a force acting on the force receiving body 400 based on the capacitance values of the plurality of capacitive elements.

検出回路750において、このような検出処理を行うためには、各個別電極Eおよび共通電極Ecから検出回路750まで、電気的な配線を行う必要がある。そのために、図示の実施形態では、下部ダイアフラム610の下面に形成された共通電極Ecから、溝部G6の側面を伝わるように配線層W1(図の太線)を伸ばし、この配線層W1の端部が下方基板600の下面までくるようにしている。実際には、このような配線層W1は、共通電極Ecと同様に金属の鍍金層によって構成すればよい。   In order to perform such detection processing in the detection circuit 750, it is necessary to perform electrical wiring from the individual electrodes E and the common electrode Ec to the detection circuit 750. Therefore, in the illustrated embodiment, the wiring layer W1 (thick line in the figure) is extended from the common electrode Ec formed on the lower surface of the lower diaphragm 610 so as to travel along the side surface of the groove G6, and the end of the wiring layer W1 is The bottom surface of the lower substrate 600 is reached. In practice, such a wiring layer W1 may be formed of a metal plating layer in the same manner as the common electrode Ec.

検出用基板700は、前述したとおり、その貫通孔を挿通するネジN3によって下方基板600の下面に接合されている。したがって、このネジN3を金属などからなる導電性ネジにしておき、この導電性ネジN3が、配線層W1の端部を挿通して下方基板600の下部に螺合するようにすれば、この導電性ネジN3を利用して、共通電極Ecと検出回路750との間の配線を行うことができる。すなわち、図が繁雑になるのを避けるため、図17には描かれていないが、検出用基板700の下面に沿って、導電性ネジN3から検出回路750まで配線を施せば、当該配線〜導電性ネジN3〜配線層W1〜共通電極Ecという経路を辿って、共通電極Ecへの配線を行うことができる。   As described above, the detection substrate 700 is joined to the lower surface of the lower substrate 600 by the screw N3 inserted through the through hole. Therefore, if this screw N3 is a conductive screw made of metal or the like, and this conductive screw N3 is inserted through the end of the wiring layer W1 and screwed into the lower portion of the lower substrate 600, this conductive Wiring between the common electrode Ec and the detection circuit 750 can be performed using the sex screw N3. That is, to avoid complication of the figure, although not depicted in FIG. 17, if wiring is provided from the conductive screw N <b> 3 to the detection circuit 750 along the lower surface of the detection substrate 700, the wiring to the conductive The wiring to the common electrode Ec can be performed by following the path of the sex screw N3 to the wiring layer W1 to the common electrode Ec.

一方、各個別電極Eと検出回路750との間の配線は、検出用基板700に設けられたスルーホールを介して行うことが可能である。図に示す配線W2は、このようなスルーホールを介して設けられた配線を示すものであり、配線W3は、検出用基板700の下面に沿って設けられた、配線W2から検出回路750までの配線である。図が繁雑になるのを避けるため、図17では、一部の個別電極Eに対する配線のみしか示されていないが、実際には、個々の個別電極Eに対して、このようなスルーホールを介した配線が独立してなされることになる。   On the other hand, wiring between each individual electrode E and the detection circuit 750 can be performed through a through hole provided in the detection substrate 700. The wiring W2 shown in the figure indicates a wiring provided through such a through hole, and the wiring W3 extends from the wiring W2 to the detection circuit 750 provided along the lower surface of the detection substrate 700. Wiring. In FIG. 17, only wirings for some of the individual electrodes E are shown in order to avoid complication of the figure, but in reality, such individual through holes are provided to the individual electrodes E. Wiring is performed independently.

上方基板500および下方基板600は、絶縁性をもった樹脂材料によって構成されているため、たとえ受力体400を金属材料で構成したとしても、受力体400に侵入した電気的なノイズ成分が、上方基板500および下方基板600を伝わって容量素子(たとえば、共通電極Ec)や検出回路750まで伝達されることはない。かくして、この実施形態に係る力検出装置では、製造コストを低減し、電気的ノイズの混入を阻止することが可能になる。   Since the upper substrate 500 and the lower substrate 600 are made of an insulating resin material, even if the power receiving body 400 is made of a metal material, an electrical noise component that has entered the power receiving body 400 is not generated. In addition, it is not transmitted to the capacitive element (for example, the common electrode Ec) or the detection circuit 750 through the upper substrate 500 and the lower substrate 600. Thus, in the force detection device according to this embodiment, it is possible to reduce manufacturing costs and prevent electrical noise from being mixed.

なお、図17では、図示の便宜上、各部の寸法比は正確に再現されていない。そこで、以下、参考までに、各主要部の実寸を例示しておく。まず、受力体400、上方基板500、下方基板600は、いずれもほぼ30mm角の正方形の基板であり、受力体400の厚みは8mm、上方基板500の厚みは6mm、下方基板600の厚みは6mmである。また、上方基板500の下面と下方基板600の上面との距離(空隙部G4の上下方向の距離)は0.2mm、上部ダイアフラム510の厚みは1.5mm、下部ダイアフラム610の厚みは1.5mmである。また、個別電極Eの厚みは10μm、共通電極Ec(金属の鍍金層)の厚みは10〜20μmである。更に、各ダイアフラム510,610は、直径8mmの円盤状をなし、上部柱状部520および下部柱状部620は、直径4.5mmの円柱状をなしている。   In FIG. 17, for convenience of illustration, the dimensional ratio of each part is not accurately reproduced. Therefore, the actual size of each main part is illustrated below for reference. First, the force receiving member 400, the upper substrate 500, and the lower substrate 600 are all square substrates of approximately 30 mm square, the thickness of the force receiving member 400 is 8 mm, the thickness of the upper substrate 500 is 6 mm, and the thickness of the lower substrate 600. Is 6 mm. The distance between the lower surface of the upper substrate 500 and the upper surface of the lower substrate 600 (the distance in the vertical direction of the gap G4) is 0.2 mm, the thickness of the upper diaphragm 510 is 1.5 mm, and the thickness of the lower diaphragm 610 is 1.5 mm. It is. The individual electrode E has a thickness of 10 μm, and the common electrode Ec (metal plating layer) has a thickness of 10 to 20 μm. Further, each of the diaphragms 510 and 610 has a disk shape with a diameter of 8 mm, and the upper columnar portion 520 and the lower columnar portion 620 have a columnar shape with a diameter of 4.5 mm.

(2) 第2の実施形態
図18は、本考案の第2の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。この第2の実施形態に係る装置は、前述した第1の実施形態に係る装置とほぼ同じであるが、唯一の相違点は、下部ダイアフラム610の下面だけでなく、その上面にも、金属の鍍金層Pを形成した点である。
(2) Second Embodiment FIG. 18 is a side sectional view of a force detection device according to a second embodiment of the present invention. The device according to the second embodiment is substantially the same as the device according to the first embodiment described above, but the only difference is not only the lower surface of the lower diaphragm 610 but also the upper surface thereof. The plating layer P is formed.

下部ダイアフラム610の下面に設けられた金属の鍍金層は、共通電極Ecとして機能する構成要素になり、この力検出装置の電気的な検出原理上、不可欠の構成要素である。これに対して、下部ダイアフラム610の上面に設けられた金属の鍍金層Pは、電気的な検出には何ら寄与することはない。しかしながら、下部ダイアフラム610の板バネとしての機械的な特性を向上させる役割を果たすことができる。   The metal plating layer provided on the lower surface of the lower diaphragm 610 is a component that functions as the common electrode Ec, and is an indispensable component on the electrical detection principle of the force detection device. On the other hand, the metal plating layer P provided on the upper surface of the lower diaphragm 610 does not contribute to electrical detection at all. However, it can play the role of improving the mechanical characteristics of the lower diaphragm 610 as a leaf spring.

すなわち、§4で述べたとおり、樹脂材料からなるダイアフラムは、そのままでは機械的な変形に対してヒステリシスを有しており、金属からなるダイアフラムのように、フックの法則に従う板バネとして用いるには不適切である。図17に示す第1の実施形態のように、下部ダイアフラム610の下面に金属の鍍金層(共通電極Ec)を形成すると、樹脂材料に特有のヒステリシス特性はかなり改善される。しかしながら、このヒステリシス特性を更に改善し、フックの法則に従う板バネとして用い、十分な線形性を確保する上では、下部ダイアフラム610の上面に金属の鍍金層Pを形成するのが好ましい。   That is, as described in §4, a diaphragm made of a resin material has a hysteresis with respect to mechanical deformation as it is, and like a diaphragm made of metal, it can be used as a leaf spring in accordance with Hooke's law. It is inappropriate. When the metal plating layer (common electrode Ec) is formed on the lower surface of the lower diaphragm 610 as in the first embodiment shown in FIG. 17, the hysteresis characteristic peculiar to the resin material is considerably improved. However, in order to further improve this hysteresis characteristic and use it as a leaf spring that complies with Hooke's law and to ensure sufficient linearity, it is preferable to form a metal plating layer P on the upper surface of the lower diaphragm 610.

図18に示す第2の実施形態では、下部ダイアフラム610の上下両面に金属の鍍金層が形成されており、樹脂材料からなるダイアフラム本体部分が、金属の鍍金層によって上下両面からサンドイッチにされた状態となっている。これにより、下部ダイアフラム610におけるヒステリシス特性は大幅に改善され、金属からなるダイアフラムに近い線形性を得ることができるようになる。   In the second embodiment shown in FIG. 18, metal plating layers are formed on the upper and lower surfaces of the lower diaphragm 610, and the diaphragm main body portion made of a resin material is sandwiched from the upper and lower surfaces by the metal plating layer. It has become. Thereby, the hysteresis characteristic in the lower diaphragm 610 is greatly improved, and linearity close to that of a metal diaphragm can be obtained.

(3) 第3の実施形態
図19は、本考案の第3の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。この第3の実施形態に係る装置は、前述した第2の実施形態に係る装置とほぼ同じであるが、大きな相違点は、下部ダイアフラム610の上下両面だけでなく、上部ダイアフラム510の上下両面にも、金属の鍍金層P(太線で示す)を形成した点である。
(3) Third Embodiment FIG. 19 is a side cross-sectional view of a force detection device according to a third embodiment of the present invention. The device according to the third embodiment is substantially the same as the device according to the second embodiment described above, but the major difference is not only between the upper and lower surfaces of the lower diaphragm 610 but also the upper and lower surfaces of the upper diaphragm 510. Is also a point where a metal plating layer P (indicated by a thick line) is formed.

容量素子の静電容量値に直接的な影響を与えるのは下部ダイアフラム610であるが、上部ダイアフラム510は、受力体400に作用した外力を下部ダイアフラム610まで伝達する経路として機能するため、線形性をもった検出値を得るという点では、この上部ダイアフラム510の機械的変形特性も、ヒステリシスを排除し、フックの法則にできるだけ従った特性になるようにした方が好ましい。   The lower diaphragm 610 has a direct influence on the capacitance value of the capacitive element, but the upper diaphragm 510 functions as a path for transmitting an external force applied to the force receiving body 400 to the lower diaphragm 610. From the viewpoint of obtaining a detection value having the characteristics, it is preferable that the mechanical deformation characteristic of the upper diaphragm 510 is also made to have a characteristic that obeys the Hooke's law as much as possible by eliminating hysteresis.

図19に示す実施形態では、樹脂材料からなる上部ダイアフラム510の本体部分も、金属の鍍金層Pによって上下両面からサンドイッチにされた状態となっているため、ヒステリシス特性は大幅に改善され、金属からなるダイアフラムに近い線形性を得ることができるようになる。   In the embodiment shown in FIG. 19, since the main body portion of the upper diaphragm 510 made of a resin material is also sandwiched from the upper and lower surfaces by the metal plating layer P, the hysteresis characteristics are greatly improved, and The linearity close to the diaphragm can be obtained.

また、この第3の実施形態に係る装置では、受力体400と装置筐体900とは、ステンレス鋼などの金属材料から構成されており、しかも、受力体400と装置筐体900との間を電気的に短絡する導電線W0が設けられている。ここで、装置筐体900を接地電位にして(いわゆるアースして)用いるようにすれば、受力体400に侵入した電気的なノイズ成分を、導電線W0および装置筐体900を介して接地電位へと逃がすことができるため、検出回路750への電気的ノイズの混入を確実に阻止することが可能になる。   In the device according to the third embodiment, the force receiving member 400 and the device housing 900 are made of a metal material such as stainless steel, and the force receiving member 400 and the device housing 900 are separated from each other. A conductive wire W0 that electrically short-circuits between them is provided. Here, if the device casing 900 is used with a ground potential (so-called grounding), an electrical noise component that has entered the power receiving body 400 is grounded via the conductive wire W0 and the device casing 900. Since the potential can be released to the electric potential, it is possible to surely prevent the electric noise from entering the detection circuit 750.

(4) 第4の実施形態
図20は、本考案の第4の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。この第4の実施形態に係る装置は、基本的には、前述した各実施形態に係る装置とほぼ同じであるが、その特徴は、上方基板500および下方基板600の表面のほぼ全面に、金属の鍍金層P(太線で示す)を形成した点である。
(4) Fourth Embodiment FIG. 20 is a side sectional view of a force detector according to a fourth embodiment of the present invention. The device according to the fourth embodiment is basically the same as the device according to each of the above-described embodiments. However, the feature is that the surface of the upper substrate 500 and the lower substrate 600 is substantially entirely covered with metal. The plating layer P (shown by a thick line) is formed.

もっとも、このように、上方基板500および下方基板600の表面全面に、金属の鍍金層Pを形成することは、力検出装置の動作という観点からは好ましくない。まず第1に、受力体400が金属材料で形成されていた場合、受力体400の表面と、鍍金層Pとが導通状態となるため、共通電極Ecや検出回路750への電気的ノイズの混入を助長する可能性がある。そして第2に、検出用基板700の下面に様々な配線層が形成されることを考慮すると、これらの配線層と鍍金層Pとによって無用な容量素子が形成されることになり、回路動作上は好ましくない寄生容量が増える要因になる。   However, it is not preferable to form the metal plating layer P on the entire surface of the upper substrate 500 and the lower substrate 600 from the viewpoint of the operation of the force detection device. First, when the power receiving body 400 is made of a metal material, the surface of the power receiving body 400 and the plating layer P are in a conductive state. There is a possibility of encouraging contamination. Second, considering that various wiring layers are formed on the lower surface of the detection substrate 700, unnecessary capacitance elements are formed by these wiring layers and the plating layer P. Causes an increase in undesirable parasitic capacitance.

図20に示す第4の実施形態に係る力検出装置には、このようなデメリットがあるものの、実用上は、それに見合うだけのメリットも得られる。それは、製造コストを大幅にダウンさせることができるメリットである。これまで述べてきた第1〜第3の実施形態では、上方基板500もしくは下方基板600の表面の特定の一部分にのみ、金属の鍍金層Pを形成していた。しかしながら、特定部分にのみ金属の鍍金層Pを形成するためには、当該特定の部分以外の部分をマスキングした上で、鍍金工程を行うとか、あるいは、全面に鍍金工程を施した後、当該特定の部分以外の鍍金層を剥離する工程を行うというように、余分な工程が必要になり、結果的に、製造コストを高騰させる要因になってしまう。それに対して、図20に示す第4の実施形態に係る力検出装置の場合、上方基板500および下方基板600の表面全面に鍍金層Pを形成すればよいので、上述した余分な工程は不要になり、結果的に、製造コストを低減させることができるのである。   Although the force detection device according to the fourth embodiment shown in FIG. 20 has such a demerit, in practice, there are also merits commensurate with it. That is an advantage that the manufacturing cost can be greatly reduced. In the first to third embodiments described so far, the metal plating layer P is formed only on a specific part of the surface of the upper substrate 500 or the lower substrate 600. However, in order to form the metal plating layer P only on a specific part, the part other than the specific part is masked and the plating process is performed, or after the plating process is performed on the entire surface, the specific part is formed. An extra step is required, such as a step of peeling the plating layer other than the portion, and as a result, the manufacturing cost increases. On the other hand, in the case of the force detection device according to the fourth embodiment shown in FIG. 20, it is only necessary to form the plating layer P on the entire surface of the upper substrate 500 and the lower substrate 600, so that the above-described extra steps are unnecessary. As a result, the manufacturing cost can be reduced.

(5) 第5の実施形態
図21(a)は、図20に示す第4の実施形態の一部を変更することによって得られる第5の実施形態に係る力検出装置の側断面図であり、図21(b)は、その部分拡大図である。上述したとおり、図20に示す第4の実施形態に係る力検出装置には、受力体400の表面と、鍍金層Pとが導通状態となるため、共通電極Ecや検出回路750への電気的ノイズの混入を助長するというデメリットがある。ここに示す第5の実施形態は、このようなデメリットを解消するための工夫を施したものである。
(5) Fifth Embodiment FIG. 21A is a side sectional view of a force detection device according to a fifth embodiment obtained by changing a part of the fourth embodiment shown in FIG. FIG. 21B is a partially enlarged view thereof. As described above, in the force detection device according to the fourth embodiment shown in FIG. 20, the surface of the force receiving body 400 and the plating layer P are in a conductive state, and thus the electric power to the common electrode Ec and the detection circuit 750 is obtained. There is a demerit that promotes the mixing of noise. The fifth embodiment shown here is devised to eliminate such disadvantages.

すなわち、この第5の実施形態では、上方基板500と下方基板600との接続部分に、鍍金層が形成されていない鍍金切欠部525を設け、上方基板500の表面に形成された鍍金層と下方基板600の表面に形成された鍍金層とが電気的に絶縁されるようにしたものである。この様子は、図21(b)の部分拡大図に明瞭に示されている。すなわち、この実施形態の場合、上方基板500と下方基板600とは、上部柱状体520と下部柱状体620とによって接続されているが、上部柱状体520の下端側の表面には、鍍金層が形成されていない鍍金切欠部525が設けられている。この鍍金切欠部525を介在させることにより、上方基板500の表面に形成された鍍金層と下方基板600の表面に形成された鍍金層とが電気的に絶縁されることになる。このため、受力体400の表面に生じた電気的ノイズを、鍍金切欠部525によって遮断することができ、共通電極Ecや検出回路750へ混入することを防ぐことができる。もちろん、鍍金切欠部は、下部柱状体620の上端側の表面に設けてもかまわない。   That is, in the fifth embodiment, a plating notch 525 in which no plating layer is formed is provided at a connection portion between the upper substrate 500 and the lower substrate 600, and the plating layer formed on the surface of the upper substrate 500 and the lower portion The plating layer formed on the surface of the substrate 600 is electrically insulated. This situation is clearly shown in the partially enlarged view of FIG. That is, in the case of this embodiment, the upper substrate 500 and the lower substrate 600 are connected by the upper columnar body 520 and the lower columnar body 620, but a plating layer is formed on the lower surface of the upper columnar body 520. A plating notch 525 that is not formed is provided. By interposing the plating notch 525, the plating layer formed on the surface of the upper substrate 500 and the plating layer formed on the surface of the lower substrate 600 are electrically insulated. For this reason, electrical noise generated on the surface of the force receiving member 400 can be blocked by the plating notch 525, and can be prevented from being mixed into the common electrode Ec and the detection circuit 750. Of course, the plating notch may be provided on the upper end surface of the lower columnar body 620.

(6) 力伝達体として機能する柱状体のバリエーション
ここでは、力伝達体として機能する柱状体のバリエーションをいくつか述べておく。これまで述べてきた第1〜第5の実施形態(図17〜図21)では、力伝達体として機能する柱状体は、上部ダイアフラム510の中心から下方へ伸びる上部柱状体520と下部ダイアフラム610の中心から上方へ伸びる下部柱状体620とを接合することによって構成されていたが、柱状体は、必ずしもこのような構成を採る必要はない。以下、この柱状体のいくつかの変形例を述べておく。
(6) Variations of the columnar body that functions as a force transmission body Here, some variations of the columnar body that functions as a force transmission body will be described. In the first to fifth embodiments (FIGS. 17 to 21) described so far, the columnar body functioning as a force transmission body includes an upper columnar body 520 and a lower diaphragm 610 extending downward from the center of the upper diaphragm 510. Although it is configured by joining the lower columnar body 620 extending upward from the center, the columnar body is not necessarily required to adopt such a configuration. Hereinafter, some modifications of this columnar body will be described.

図22は、柱状体の第1の変形例を示す部分側断面図である。この図では、説明の便宜上、上方基板500Aと下方基板600Aのみを抽出して示す。上方基板500Aには、上部ダイアフラム510が形成されているが、この上部ダイアフラム510の下面は平坦であり、柱状体は設けられていない。一方、下方基板600Aには、溝部G5とG6とに挟まれて、下部ダイアフラム610が形成されており、その中心から上方へ伸びる柱状体630が設けられている。そして、この柱状体630の上端が上部ダイアフラム510の下面中心に接合されており、柱状体630を介して、上方基板500Aが下方基板600Aの上方に支持されている。柱状体630は、空隙部G4を確保するのに適した長さに設定されている。   FIG. 22 is a partial sectional side view showing a first modification of the columnar body. In this figure, for convenience of explanation, only the upper substrate 500A and the lower substrate 600A are extracted and shown. An upper diaphragm 510 is formed on the upper substrate 500A, but the lower surface of the upper diaphragm 510 is flat, and no columnar body is provided. On the other hand, in the lower substrate 600A, a lower diaphragm 610 is formed sandwiched between the grooves G5 and G6, and a columnar body 630 extending upward from the center thereof is provided. The upper end of the columnar body 630 is joined to the center of the lower surface of the upper diaphragm 510, and the upper substrate 500A is supported above the lower substrate 600A via the columnar body 630. The columnar body 630 is set to a length suitable for securing the gap G4.

もちろん、上方基板500Aと下方基板600Aとは樹脂材料から構成されており、その表面の所定部分には金属の鍍金層Pが形成されることになる。このような構造のものでも、これまで述べてきた第1〜第5の実施形態と同等の機能を果たすことができる。   Of course, the upper substrate 500A and the lower substrate 600A are made of a resin material, and a metal plating layer P is formed on a predetermined portion of the surface thereof. Even with such a structure, the same functions as those of the first to fifth embodiments described so far can be achieved.

一方、図23は、柱状体の第2の変形例を示す部分側断面図である。この図では、説明の便宜上、上方基板500Bと下方基板600Bのみを抽出して示す。下方基板600Bには、溝部G5とG6とに挟まれて、下部ダイアフラム610が形成されているが、この下部ダイアフラム610の上面は平坦であり、柱状体は設けられていない。一方、上方基板500Bには、上部ダイアフラム510が形成されており、その中心から下方へ伸びる柱状体530が設けられている。そして、この柱状体530の下端が下部ダイアフラム610の上面中心に接合されており、柱状体530を介して、上方基板500Bが下方基板600Bの上方に支持されている。柱状体530は、空隙部G4を確保するのに適した長さに設定されている。   On the other hand, FIG. 23 is a partial side sectional view showing a second modification of the columnar body. In this figure, for convenience of explanation, only the upper substrate 500B and the lower substrate 600B are extracted and shown. The lower substrate 600B is formed with a lower diaphragm 610 sandwiched between the grooves G5 and G6, but the upper surface of the lower diaphragm 610 is flat, and no columnar body is provided. On the other hand, an upper diaphragm 510 is formed on the upper substrate 500B, and a columnar body 530 extending downward from the center thereof is provided. The lower end of the columnar body 530 is joined to the center of the upper surface of the lower diaphragm 610, and the upper substrate 500B is supported above the lower substrate 600B via the columnar body 530. The columnar body 530 is set to a length suitable for securing the gap G4.

もちろん、上方基板500Bと下方基板600Bとは樹脂材料から構成されており、その表面の所定部分には金属の鍍金層Pが形成されることになる。このような構造のものでも、これまで述べてきた第1〜第5の実施形態と同等の機能を果たすことができる。   Of course, the upper substrate 500B and the lower substrate 600B are made of a resin material, and a metal plating layer P is formed on a predetermined portion of the surface thereof. Even with such a structure, the same functions as those of the first to fifth embodiments described so far can be achieved.

更に、図24は、柱状体の第3の変形例を示す部分側断面図である。この図では、説明の便宜上、上方基板500Cと下方基板600Cのみを抽出して示す。上方基板500Cには、上部ダイアフラム510が形成されているが、この上部ダイアフラム510の下面は平坦であり、柱状体は設けられていない。また、下方基板600Cには、溝部G5とG6とに挟まれて、下部ダイアフラム610が形成されているが、この下部ダイアフラム610の上面は平坦であり、柱状体は設けられていない。この変形例では、別体として柱状体930が設けられており、その上端は、上部ダイアフラム510の下面中心に接合されており、その下端は、下部ダイアフラム610の上面中心に接合されている。その結果、柱状体930を介して、上方基板500Cが下方基板600Cの上方に支持されている。柱状体930は、空隙部G4を確保するのに適した長さに設定されている。   Further, FIG. 24 is a partial side sectional view showing a third modification of the columnar body. In this figure, for convenience of explanation, only the upper substrate 500C and the lower substrate 600C are extracted and shown. An upper diaphragm 510 is formed on the upper substrate 500C, but the lower surface of the upper diaphragm 510 is flat and no columnar body is provided. The lower substrate 600C is formed with a lower diaphragm 610 sandwiched between the grooves G5 and G6. The upper surface of the lower diaphragm 610 is flat, and no columnar body is provided. In this modification, a columnar body 930 is provided as a separate body, the upper end of which is joined to the center of the lower surface of the upper diaphragm 510, and the lower end thereof is joined to the center of the upper surface of the lower diaphragm 610. As a result, the upper substrate 500C is supported above the lower substrate 600C via the columnar body 930. The columnar body 930 is set to a length suitable for securing the gap G4.

もちろん、上方基板500Cと下方基板600Cとは樹脂材料から構成されており、その表面の所定部分には金属の鍍金層Pが形成されることになる。柱状体930は、上方基板500Cや下方基板600Cと同様に樹脂材料で構成してもよいし、別な材質で構成してもかまわない。このような構造のものでも、これまで述べてきた第1〜第5の実施形態と同等の機能を果たすことができる。   Of course, the upper substrate 500C and the lower substrate 600C are made of a resin material, and a metal plating layer P is formed on a predetermined portion of the surface thereof. The columnar body 930 may be made of a resin material like the upper substrate 500C and the lower substrate 600C, or may be made of another material. Even with such a structure, the same functions as those of the first to fifth embodiments described so far can be achieved.

(7) ヒステリシス特性を低減する工夫
これまで、樹脂材料からなるダイアフラムにより、ヒステリシス特性(フックの法則に従った線形特性から外れる特性)が生じることを述べたが、このようなヒステリシス特性は、ネジによる接合によっても誘発される。これまで述べてきた第1〜第5の実施形態(図17〜図21)では、ネジN2を用いて、上部柱状体520と下部柱状体620とを接合しているが、このようなネジN2による接合によっても、ダイアフラムに加わる力と変位との間にヒステリシス特性が生じることになる。
(7) Device to reduce hysteresis characteristics So far, it has been described that a diaphragm made of a resin material generates hysteresis characteristics (characteristics that deviate from linear characteristics in accordance with Hooke's law). It is also induced by the joining. In the first to fifth embodiments (FIGS. 17 to 21) described so far, the upper columnar body 520 and the lower columnar body 620 are joined using the screw N2, but such a screw N2 is used. Even with the joining by means of, hysteresis characteristics occur between the force applied to the diaphragm and the displacement.

本願考案者は、このようなヒステリシス特性を低減するための工夫として、図25に示すような構造が有効であることを確認した。この図25は、図17〜図21に示す実施形態におけるネジN2周辺の拡大図であり、上部ダイアフラム510の上面中心近傍に隆起部515を形成し、この隆起部515および上部ダイアフラム510を挿通するネジN2によって、上部柱状体520と下部柱状体620との接合を行った状態を示している。このように、上部ダイアフラム510の上面中心近傍に隆起部515を形成してネジN2を挿通するようにすると、隆起部515を形成しない場合に比べて、上部ダイアフラム510のヒステリシス特性を抑制することができる。   The inventor of the present application has confirmed that a structure as shown in FIG. 25 is effective as a device for reducing such hysteresis characteristics. FIG. 25 is an enlarged view of the periphery of the screw N2 in the embodiment shown in FIGS. 17 to 21, and a raised portion 515 is formed near the center of the upper surface of the upper diaphragm 510, and the raised portion 515 and the upper diaphragm 510 are inserted. The state where the upper columnar body 520 and the lower columnar body 620 are joined by the screw N2 is shown. As described above, when the raised portion 515 is formed in the vicinity of the center of the upper surface of the upper diaphragm 510 and the screw N2 is inserted, the hysteresis characteristic of the upper diaphragm 510 is suppressed as compared with the case where the raised portion 515 is not formed. it can.

このような隆起部515の形成は、図22に示す変形例についても有効である。図26は、図22に示す変形例について、隆起部515を形成した状態を示すネジN2周辺の拡大図である。もちろん、隆起部515の形成は、図24に示す変形例についても有効であり、この場合、ネジN2は、柱状体930に対して固定されることになる。なお、図23に示す変形例の場合は、下部ダイアフラム610にネジN2を挿通させるのは、一般的には好ましくないため、柱状体530と下部ダイアフラム610との間の接合は接着剤などを用いる方法を採るのが好ましいが、もしネジN2を用いて接合する場合には、やはり上部ダイアフラム510の上面中心近傍に隆起部515を形成することができる。   Such formation of the raised portion 515 is also effective for the modification shown in FIG. FIG. 26 is an enlarged view around the screw N2 showing a state in which the raised portion 515 is formed in the modification shown in FIG. Of course, the formation of the raised portion 515 is also effective for the modification shown in FIG. 24, and in this case, the screw N <b> 2 is fixed to the columnar body 930. In the case of the modification shown in FIG. 23, since it is generally not preferable to insert the screw N2 through the lower diaphragm 610, an adhesive or the like is used for joining between the columnar body 530 and the lower diaphragm 610. Although it is preferable to adopt the method, if the screw N2 is used for joining, the raised portion 515 can be formed in the vicinity of the center of the upper surface of the upper diaphragm 510.

(8) 基板形状や柱状体配置のバリエーション
本考案を実施するにあたって、受力体400、上方基板500、下方基板600等の形状や、各力伝達体の本数やその配置などには、さまざまなバリエーションが存在する。たとえば、これまで述べてきた例では、受力体400、上方基板500、下方基板600は、いずれも正方形状の基板であったが、もちろん、これらを円形の基板によって構成することも可能である。
(8) Variations of substrate shape and columnar body arrangement In carrying out the present invention, there are various shapes such as the force receiving body 400, the upper substrate 500, the lower substrate 600, the number of each force transmitting body and the arrangement thereof. There are variations. For example, in the example described so far, the force receiving member 400, the upper substrate 500, and the lower substrate 600 are all square substrates, but it is of course possible to configure them by circular substrates. .

図27は、輪郭を円形とした変形例に係る下方基板600Dの上面図である。4ヶ所に肉厚の薄い下部ダイアフラム610Dが設けられ、その中心に、上方へと伸びる下部柱状体620Dが設けられている点は、図17〜図21に示されている実施形態における下方基板600と同様であるが、下方基板600Dの輪郭は円形となっており、全体的に円盤状の基板となっている。このように、円盤状の下方基板600Dを用いる場合には、上方基板500や受力体400も同様に円盤状にするのが好ましい。   FIG. 27 is a top view of a lower substrate 600D according to a modified example having a circular outline. A thin lower diaphragm 610D is provided at four locations, and a lower columnar body 620D extending upward is provided at the center thereof. The lower substrate 600 in the embodiment shown in FIGS. Although the outline of the lower substrate 600D is circular, the whole is a disk-shaped substrate. As described above, when the disk-shaped lower substrate 600D is used, it is preferable that the upper substrate 500 and the force receiving body 400 are similarly formed into a disk shape.

もちろん、各力伝達体の本数やその配置にも様々なバリエーションが存在し、たとえば、前掲の特許文献1および特許文献2には、4本の力伝達体の配置を変えた例や、3本もしくは2本の力伝達体を用いた例なども開示されている。本考案は、このようなバリエーションにも適用可能である。   Of course, there are various variations in the number and arrangement of each force transmission body. For example, in Patent Document 1 and Patent Document 2 described above, an example in which the arrangement of four force transmission bodies is changed, or three Alternatively, an example using two force transmission bodies is also disclosed. The present invention can also be applied to such variations.

(9) ビーム部で支持された変位板を用いる変形例
これまで述べた実施形態では、いずれも柱状体の上端および下端をダイアフラムで支持する構造をとっていた。たとえば、前掲の図27に示す例では、下部柱状体620Dは、下部ダイアフラム610Dの中心部から上方(紙面に垂直な方向)へと伸びており、下部ダイアフラム610Dによってその下端が支持されている。下部ダイアフラム610Dは、円盤状の構造体であり、下方基板600Dの他の部分に比べると肉厚が薄いため、全体的に可撓性を帯びている。このように、柱状体の端部を支持する構造として、「基板の他の部分よりも肉厚が薄いために全体的に可撓性を帯びているダイアフラム」を用いる代わりに、「ビーム部で支持された変位板」を用いることも可能である。
(9) Modified Example Using Displacement Plate Supported by Beam Part In the embodiments described so far, all have a structure in which the upper end and the lower end of the columnar body are supported by a diaphragm. For example, in the example shown in FIG. 27, the lower columnar body 620D extends upward from the center of the lower diaphragm 610D (in the direction perpendicular to the paper surface), and the lower end thereof is supported by the lower diaphragm 610D. The lower diaphragm 610D is a disk-like structure, and is thin as compared with other portions of the lower substrate 600D, and therefore has flexibility as a whole. In this way, instead of using a “diaphragm that is totally flexible because it is thinner than the rest of the substrate” as a structure that supports the end of the columnar body, It is also possible to use a “supported displacement plate”.

図28は、このような変形例に係る下方基板600Eの上面図である。この下方基板600Eは、いわば、図27に示す下方基板600Dにおいて、下部ダイアフラム610Dの周縁部4ヶ所に、「ム」の字状の貫通スリットH(厚み方向に貫通したスリット)を形成した構造ということができる。このような貫通スリットHを形成することにより、扇風機の羽根状をした変位板610Eと、この変位板610Eを四方から支持するビーム部640Eが形成される。変位板610Eもビーム部640Eも、いずれも下方基板600Eの他の部分に比べると肉厚が薄い部分であるが、特に、ビーム部640Eは幅も狭いため、十分な可撓性を有することになる。したがって、下部柱状体620Eからの力が加わると、専ら、ビーム部640Eに撓みが集中し、変位板610Eが変位を生じることになる。もちろん、変位板610Eの下面には、共通電極Ecが形成されているので、変位板610Eの変位は、容量素子の静電容量値の変化として、検出回路によって検出される。   FIG. 28 is a top view of a lower substrate 600E according to such a modification. This lower substrate 600E is, so to speak, a structure in which in the lower substrate 600D shown in FIG. 27, “m” -shaped through slits H (slits penetrating in the thickness direction) are formed at four peripheral portions of the lower diaphragm 610D. be able to. By forming such a through slit H, a displacement plate 610E having a fan blade shape and a beam portion 640E that supports the displacement plate 610E from four directions are formed. Both the displacement plate 610E and the beam portion 640E are thin portions compared to other portions of the lower substrate 600E. In particular, since the beam portion 640E is narrow, it has sufficient flexibility. Become. Therefore, when a force from the lower columnar body 620E is applied, the deflection concentrates exclusively on the beam portion 640E, and the displacement plate 610E is displaced. Of course, since the common electrode Ec is formed on the lower surface of the displacement plate 610E, the displacement of the displacement plate 610E is detected by the detection circuit as a change in the capacitance value of the capacitive element.

図28では、下方基板600Eの例を示したが、上方基板500についても、全く同様に、柱状体の端部を支持する構造として、「基板の他の部分よりも肉厚が薄いために全体的に可撓性を帯びているダイアフラム」を用いる代わりに、「ビーム部で支持された変位板」を用いることが可能である。要するに、上方基板の一部分に「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が形成されており、下方基板の一部分に「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が形成されていればよい。図27に示す例は、下部可撓部を、「基板600Dの他の部分よりも肉厚が薄いために全体的に可撓性を帯びているダイアフラム610D」によって実現した例であり、図28に示す例は、下部可撓部を、「変位板610Eと、この変位板610Eを周囲から支持するビーム部640Eと」によって実現した例である。なお、後者の場合、少なくともビーム部640Eが可撓性をもっていれば足り、変位板610Eは可撓性を有していなくてもよい。   In FIG. 28, the lower substrate 600E is shown as an example. However, the upper substrate 500 has a structure that supports the end of the columnar body in the same manner. Instead of using a “flexible diaphragm”, it is possible to use a “displacement plate supported by a beam portion”. In short, a part of the upper substrate is formed with an “upper flexible part having a thickness thinner than that of the other part and at least a part of which is flexible”. It is only necessary to form a “lower flexible portion” that is thin and at least partially flexible. The example shown in FIG. 27 is an example in which the lower flexible portion is realized by a “diaphragm 610D that is totally flexible because it is thinner than other portions of the substrate 600D”. In this example, the lower flexible portion is realized by “the displacement plate 610E and the beam portion 640E that supports the displacement plate 610E from the periphery”. In the latter case, it is sufficient that at least the beam portion 640E has flexibility, and the displacement plate 610E may not have flexibility.

本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置の構成を示す斜視図(一部はブロック図)である。It is a perspective view (a part is block diagram) which shows the structure of the force detection apparatus which concerns on the prior art embodiment which becomes the origin of this invention. 図1に示す力検出装置の基本的な動作原理を示す正面図である。It is a front view which shows the fundamental operation | movement principle of the force detection apparatus shown in FIG. 図1に示す力検出装置における第1のセンサ21〜第4のセンサ24として利用するのに適した多軸力センサの一例を示す側断面図(xz平面で切った断面図)である。It is a sectional side view (cross-sectional view cut by xz plane) which shows an example of the multi-axis force sensor suitable for using as the 1st sensor 21-the 4th sensor 24 in the force detection apparatus shown in FIG. 図3に示す多軸力センサの上面図である。FIG. 4 is a top view of the multi-axis force sensor shown in FIG. 3. 図3に示す多軸力センサにおける支持体40の上面図である(破線は、椀状接続部材の位置を示している)。It is a top view of the support body 40 in the multi-axis force sensor shown in FIG. 3 (a broken line has shown the position of the hook-shaped connection member). 図3に示す多軸力センサに、x軸正方向の力+fxが加えられたときの状態を示す側断面図である。FIG. 4 is a side sectional view showing a state when a force + fx in the x-axis positive direction is applied to the multi-axis force sensor shown in FIG. 3. 図3に示す多軸力センサに、x軸負方向の力−fxが加えられたときの状態を示す側断面図である。FIG. 4 is a side sectional view showing a state when a force −fx in the negative x-axis direction is applied to the multi-axis force sensor shown in FIG. 3. 図3に示す多軸力センサに、z軸負方向の力−fzが加えられたときの状態を示す側断面図である。FIG. 4 is a side sectional view showing a state when a force −fz in the negative z-axis direction is applied to the multi-axis force sensor shown in FIG. 3. 本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置の上面図である。It is a top view of the force detection apparatus which concerns on prior art embodiment which becomes the origin of this invention. 本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置の第1の側断面図であり、図9に示す装置を切断線10−10に沿って切断した断面が示されている。FIG. 10 is a first side cross-sectional view of a force detection device according to a prior art embodiment on which the present invention is based, and shows a cross section of the device shown in FIG. 9 cut along a cutting line 10-10. 本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置の第2の側断面図であり、図9に示す装置を切断線11−11に沿って切断した断面が示されている。It is the 2nd sectional side view of the force detection apparatus which concerns on the prior art embodiment which becomes the origin of this invention, and the cross section which cut | disconnected the apparatus shown in FIG. 9 along the cutting line 11-11 is shown. 本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置をXY平面に沿って切断した状態を示す横断面図である。It is a cross-sectional view which shows the state which cut | disconnected the force detection apparatus which concerns on the prior art embodiment which becomes the origin of this invention along XY plane. 本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置の支持体300の上面図である。It is a top view of the support body 300 of the force detection apparatus which concerns on prior art embodiment which becomes the origin of this invention. 本考案の元になる先行技術実施形態に係る力検出装置による各力成分の検出原理を示すテーブルであり、受力体に各力成分が作用したときの各容量素子の静電容量値の変化の態様を示している。It is a table | surface which shows the detection principle of each force component by the force detection apparatus based on prior art embodiment which becomes the origin of this invention, and the change of the electrostatic capacitance value of each capacitive element when each force component acts on a power receiving body This aspect is shown. 図14に示す各力成分の検出原理を数式を用いて示す図である。It is a figure which shows the detection principle of each force component shown in FIG. 14 using numerical formula. 本考案の元になる別な先行技術実施形態に係る力検出装置の側断面図であり、図10の側断面図と同様の位置(図9に示す切断線10−10と同等の位置)で切断した断面が示されている。FIG. 11 is a side sectional view of a force detection device according to another prior art embodiment on which the present invention is based, in the same position as the side sectional view of FIG. 10 (position equivalent to the cutting line 10-10 shown in FIG. 9) A cut section is shown. 本考案の第1の実施形態(図16に示す先行技術実施形態を基本として実用的な改良を加えた形態)に係る力検出装置の側断面図である。FIG. 17 is a side sectional view of a force detection device according to a first embodiment of the present invention (a mode in which a practical improvement is made based on the prior art embodiment shown in FIG. 16). 図17に示す第1の実施形態の一部を変更することによって得られる第2の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。FIG. 18 is a side sectional view of a force detection device according to a second embodiment obtained by changing a part of the first embodiment shown in FIG. 17. 図17に示す第1の実施形態の一部を変更することによって得られる第3の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。FIG. 18 is a side sectional view of a force detection device according to a third embodiment obtained by changing a part of the first embodiment shown in FIG. 17. 図17に示す第1の実施形態の一部を変更することによって得られる第4の実施形態に係る力検出装置の側断面図である。FIG. 18 is a side sectional view of a force detection device according to a fourth embodiment obtained by changing a part of the first embodiment shown in FIG. 17. 上段の(a)は、図20に示す第4の実施形態の一部を変更することによって得られる第5の実施形態に係る力検出装置の側断面図であり、下段の(b)は、その部分拡大図である。(A) in the upper stage is a side sectional view of the force detection device according to the fifth embodiment obtained by changing a part of the fourth embodiment shown in FIG. 20, and (b) in the lower stage is FIG. 図17〜図20に示す実施形態における柱状体の第1の変形例を示す部分側断面図である。It is a fragmentary sectional side view which shows the 1st modification of the columnar body in embodiment shown in FIGS. 図17〜図20に示す実施形態における柱状体の第2の変形例を示す部分側断面図である。It is a fragmentary sectional side view which shows the 2nd modification of the columnar body in embodiment shown in FIGS. 図17〜図20に示す実施形態における柱状体の第3の変形例を示す部分側断面図である。It is a fragmentary sectional side view which shows the 3rd modification of the columnar body in embodiment shown in FIGS. 図17〜図20に示す実施形態におけるネジ取り付け部の第1の変形例を示す部分拡大側断面図である。It is a partial expanded side sectional view showing the 1st modification of a screw attachment part in an embodiment shown in Drawing 17-Drawing 20. 図17〜図20に示す実施形態におけるネジ取り付け部の第2の変形例を示す部分拡大側断面図である。It is a partial expanded side sectional view showing the 2nd modification of a screw attachment part in an embodiment shown in Drawing 17-Drawing 20. 輪郭を円形とした変形例に係る下方基板600Dの上面図である。It is a top view of lower board | substrate 600D which concerns on the modification which made the outline circular. 図27に示す下部ダイアフラム610Dの代わりに、ビーム部640Eによって支持された変位板610Eを用いた変形例に係る下方基板600Eの上面図である。It is a top view of the lower board | substrate 600E which concerns on the modification using the displacement plate 610E supported by the beam part 640E instead of lower diaphragm 610D shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10:受力体
11:第1の力伝達体
12:第2の力伝達体
13:第3の力伝達体
14:第4の力伝達体
20:支持体
21:第1のセンサ
22:第2のセンサ
23:第3のセンサ
24:第4のセンサ
30:検出回路
40:支持体
50:椀状接続部材
51:ダイアフラム(共通電極)
52:側壁部
53:固定部
60:力伝達体
100,100A:上方基板
110,110A:上部柱状体
115,115A:上部ダイアフラム
120,120A:上部柱状体
125,125A:上部ダイアフラム
130:上部柱状体
135:上部ダイアフラム
140:上部柱状体
145:上部ダイアフラム
200:下方基板
210:下部柱状体
215:下部ダイアフラム
220:下部柱状体
225:下部ダイアフラム
230:下部柱状体
235:下部ダイアフラム
240:下部柱状体
245:下部ダイアフラム
300:支持基板
400:受力体
500,500A,500B,500C:上方基板
510:上部ダイアフラム
515:隆起部
520:上部柱状体
525:鍍金切欠部
530:柱状体
600,600A,600B,600C,600D,600E:下方基板
610,610D:下部ダイアフラム
610E:変位板
620,620D,620E:下部柱状体
630:柱状体
640E:ビーム部
700:検出用基板
750:検出回路
800:台座
900:装置筐体
930:柱状体
C11〜C45:容量素子/容量素子の静電容量値
E,E1〜E5:個別電極
E11〜E15:第1のセンサ用の個々の個別電極
E21〜E25:第2のセンサ用の個々の個別電極
E31〜E35:第3のセンサ用の個々の個別電極
E41〜E45:第4のセンサ用の個々の個別電極
Ec:共通電極
Fx:X軸方向の力
fx,fx′:x軸方向の力
Fy:Y軸方向の力
Fz:Z軸方向の力
fz:支持体に対して作用する引っ張り力/押圧力
G1〜G8:溝部/空隙部
G11〜G34,G11A,G12A:溝部
H:貫通スリット
Mx:X軸まわりのモーメント
My:Y軸まわりのモーメント
Mz:Z軸まわりのモーメント
N1〜N4:ネジ
O:座標系の原点
P:金属の鍍金層
P1〜P4:上方基板100上の点
S1〜S4:多軸力センサ
T1〜T4:力伝達体
W0〜W3:配線
XYZ:受力体の中心位置に原点をもつ座標系
xy:支持体の上面に定義された座標系
θ1,θ2:傾斜角度
10: force receiving body 11: first force transmitting body 12: second force transmitting body 13: third force transmitting body 14: fourth force transmitting body 20: support body 21: first sensor 22: first 2 sensor 23: 3rd sensor 24: 4th sensor 30: detection circuit 40: support body 50: bowl-shaped connection member 51: Diaphragm (common electrode)
52: Side wall part 53: Fixed part 60: Force transmission body 100, 100A: Upper substrate 110, 110A: Upper columnar body 115, 115A: Upper diaphragm 120, 120A: Upper columnar body 125, 125A: Upper diaphragm 130: Upper columnar body 135: Upper diaphragm 140: Upper columnar body 145: Upper diaphragm 200: Lower substrate 210: Lower columnar body 215: Lower diaphragm 220: Lower columnar body 225: Lower diaphragm 230: Lower columnar body 235: Lower diaphragm 240: Lower columnar body 245 : Lower diaphragm 300: Support substrate 400: Power receiving bodies 500, 500 A, 500 B, 500 C: Upper substrate 510: Upper diaphragm 515: Raised portion 520: Upper columnar body 525: Plate notch 530: Columnar bodies 600, 600 A, 600 B, 600C, 600D 600E: Lower substrate 610, 610D: Lower diaphragm 610E: Displacement plates 620, 620D, 620E: Lower columnar body 630: Columnar body 640E: Beam portion 700: Detection substrate 750: Detection circuit 800: Base 900: Device housing 930: Columns C11 to C45: Capacitance elements / capacitance elements E, E1 to E5: Individual electrodes E11 to E15: Individual electrodes E21 to E25 for the first sensor: Individual for the second sensor Individual electrodes E31 to E35: Individual individual electrodes E41 to E45 for the third sensor: Individual individual electrodes Ec for the fourth sensor: Common electrode Fx: Force fx in the X axis direction, fx ': In the x axis direction Force Fy: Force in the Y-axis direction Fz: Force in the Z-axis direction fz: Pulling force / pressing force G1-G8 acting on the support: Groove / gap G11-G34, G11A, G12 : Groove H: Through slit Mx: Moment about X axis My: Moment about Y axis Mz: Moments about Z axis N1 to N4: Screw O: Origin of coordinate system P: Metal plating layer P1 to P4: Upper substrate Points S1 to S4 on 100: Multi-axis force sensors T1 to T4: Force transmission bodies W0 to W3: Wiring XYZ: Coordinate system having an origin at the center position of the force receiving body xy: Coordinate system defined on the upper surface of the support θ1, θ2: Inclination angle

Claims (17)

検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成され、この上部可撓部の中心から下方へ伸びる上部柱状体を有する上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成され、この下部可撓部の中心から上方へ伸びる下部柱状体を有する下方基板と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
前記下方基板が固定された装置筐体と、
前記下部可撓部の撓み具合に基づいて、前記受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を備え、
前記上方基板および前記下方基板は、樹脂材料から構成されており、
前記上部柱状体の下端と前記下部柱状体の上端とは相互に接合されており、これら両柱状体を介して、前記上方基板は前記下方基板の上方に支持されており、
前記受力体は、前記上方基板の上方に位置するように、前記上方基板に対して接合されており、
前記検出用基板は、前記検出領域が前記下部可撓部の下方に位置するように、前記下方基板の下面に接合されており、
前記下部可撓部は、前記下方基板の下面位置よりも、前記下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、前記下部可撓部の下面と前記各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
前記下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
前記検出回路は、前記各個別電極と前記共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、前記受力体に作用した力を検出することを特徴とする力検出装置。
A power receiving body that receives the force to be detected;
An upper substrate having an upper columnar body that is formed in a part of “an upper flexible part that is thinner than other parts and at least a part of which is flexible” and extends downward from the center of the upper flexible part; ,
A lower substrate having a lower columnar body that is formed in a part of “a lower flexible part that is thinner than other parts and at least a part of which is flexible” and extends upward from the center of the lower flexible part; ,
A plurality of individual electrodes are formed in the detection region on the upper surface, and a detection substrate made of an insulating material;
An apparatus housing to which the lower substrate is fixed;
A detection circuit for detecting a force acting on the force receiving body based on a degree of bending of the lower flexible portion;
With
The upper substrate and the lower substrate are made of a resin material,
The lower end of the upper columnar body and the upper end of the lower columnar body are joined to each other, and through these both columnar bodies, the upper substrate is supported above the lower substrate,
The force receiving member is bonded to the upper substrate so as to be positioned above the upper substrate;
The detection substrate is bonded to the lower surface of the lower substrate so that the detection region is located below the lower flexible portion,
The lower flexible portion is formed at a position where the lower surface position of the lower flexible portion is higher than the lower surface position of the lower substrate, and the lower surface of the lower flexible portion and each of the individual electrodes are formed. A gap is formed between the upper surface,
A common electrode made of a metal plating layer is formed on the lower surface of the lower flexible portion,
The detection circuit detects a force acting on the force receiving body based on capacitance values of a plurality of capacitive elements configured by the individual electrodes and the common electrode. .
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成された上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成され、この下部可撓部の中心から上方へ伸びる柱状体を有する下方基板と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
前記下方基板が固定された装置筐体と、
前記下部可撓部の撓み具合に基づいて、前記受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を備え、
前記上方基板および前記下方基板は、樹脂材料から構成されており、
前記柱状体の上端は前記上部可撓部の下面中心に接合されており、前記柱状体を介して、前記上方基板は前記下方基板の上方に支持されており、
前記受力体は、前記上方基板の上方に位置するように、前記上方基板に対して接合されており、
前記検出用基板は、前記検出領域が前記下部可撓部の下方に位置するように、前記下方基板の下面に接合されており、
前記下部可撓部は、前記下方基板の下面位置よりも、前記下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、前記下部可撓部の下面と前記各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
前記下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
前記検出回路は、前記各個別電極と前記共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、前記受力体に作用した力を検出することを特徴とする力検出装置。
A power receiving body that receives the force to be detected;
An upper substrate on which a “thin flexible portion at least partially flexible with at least a portion being thinner than other portions” is formed;
A lower substrate having a columnar body that is formed in a part of “a lower flexible part that is thinner than other parts and at least a part of which is flexible” and extends upward from the center of the lower flexible part;
A plurality of individual electrodes are formed in the detection region on the upper surface, and a detection substrate made of an insulating material;
An apparatus housing to which the lower substrate is fixed;
A detection circuit for detecting a force acting on the force receiving body based on a degree of bending of the lower flexible portion;
With
The upper substrate and the lower substrate are made of a resin material,
The upper end of the columnar body is joined to the lower surface center of the upper flexible portion, and the upper substrate is supported above the lower substrate via the columnar body,
The force receiving member is bonded to the upper substrate so as to be positioned above the upper substrate;
The detection substrate is bonded to the lower surface of the lower substrate so that the detection region is located below the lower flexible portion,
The lower flexible portion is formed at a position where the lower surface position of the lower flexible portion is higher than the lower surface position of the lower substrate, and the lower surface of the lower flexible portion and each of the individual electrodes are formed. A gap is formed between the upper surface,
A common electrode made of a metal plating layer is formed on the lower surface of the lower flexible portion,
The detection circuit detects a force acting on the force receiving body based on capacitance values of a plurality of capacitive elements configured by the individual electrodes and the common electrode. .
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成され、この上部可撓部の中心から下方へ伸びる柱状体を有する上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成された下方基板と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
前記下方基板が固定された装置筐体と、
前記下部可撓部の撓み具合に基づいて、前記受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を備え、
前記上方基板および前記下方基板は、樹脂材料から構成されており、
前記柱状体の下端は、前記下部可撓部の上面中心に接合されており、前記柱状体を介して、前記上方基板は前記下方基板の上方に支持されており、
前記受力体は、前記上方基板の上方に位置するように、前記上方基板に対して接合されており、
前記検出用基板は、前記検出領域が前記下部可撓部の下方に位置するように、前記下方基板の下面に接合されており、
前記下部可撓部は、前記下方基板の下面位置よりも、前記下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、前記下部可撓部の下面と前記各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
前記下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
前記検出回路は、前記各個別電極と前記共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、前記受力体に作用した力を検出することを特徴とする力検出装置。
A power receiving body that receives the force to be detected;
An upper substrate having a columnar body that is formed in a portion of “an upper flexible portion that is thinner than other portions and at least a portion of which is flexible” and extends downward from the center of the upper flexible portion;
A lower substrate in which a “lower flexible part having a smaller thickness than other parts and at least a part of which is flexible” is formed in part;
A plurality of individual electrodes are formed in the detection region on the upper surface, and a detection substrate made of an insulating material;
An apparatus housing to which the lower substrate is fixed;
A detection circuit for detecting a force acting on the force receiving body based on a degree of bending of the lower flexible portion;
With
The upper substrate and the lower substrate are made of a resin material,
The lower end of the columnar body is joined to the center of the upper surface of the lower flexible portion, and the upper substrate is supported above the lower substrate via the columnar body,
The force receiving member is bonded to the upper substrate so as to be positioned above the upper substrate;
The detection substrate is bonded to the lower surface of the lower substrate so that the detection region is located below the lower flexible portion,
The lower flexible portion is formed at a position where the lower surface position of the lower flexible portion is higher than the lower surface position of the lower substrate, and the lower surface of the lower flexible portion and each of the individual electrodes are formed. A gap is formed between the upper surface,
A common electrode made of a metal plating layer is formed on the lower surface of the lower flexible portion,
The detection circuit detects a force acting on the force receiving body based on capacitance values of a plurality of capacitive elements configured by the individual electrodes and the common electrode. .
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった上部可撓部」が一部分に形成された上方基板と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった下部可撓部」が一部分に形成された下方基板と、
上端が前記上部可撓部の下面中心に接合され、下端が前記下部可撓部の上面中心に接合された柱状体と、
上面の検出領域に複数の個別電極が形成され、絶縁性の材料からなる検出用基板と、
前記下方基板が固定された装置筐体と、
前記下部可撓部の撓み具合に基づいて、前記受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を備え、
前記上方基板および前記下方基板は、樹脂材料から構成されており、
前記柱状体を介して、前記上方基板は前記下方基板の上方に支持されており、
前記受力体は、前記上方基板の上方に位置するように、前記上方基板に対して接合されており、
前記検出用基板は、前記検出領域が前記下部可撓部の下方に位置するように、前記下方基板の下面に接合されており、
前記下部可撓部は、前記下方基板の下面位置よりも、前記下部可撓部の下面位置の方が上方になるような位置に形成され、前記下部可撓部の下面と前記各個別電極の上面との間には空隙部が形成されており、
前記下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極が形成されており、
前記検出回路は、前記各個別電極と前記共通電極とによって構成される複数の容量素子の静電容量値に基づいて、前記受力体に作用した力を検出することを特徴とする力検出装置。
A power receiving body that receives the force to be detected;
An upper substrate on which a “thin flexible portion at least partially flexible with at least a portion being thinner than other portions” is formed;
A lower substrate in which a “lower flexible part having a smaller thickness than other parts and at least a part of which is flexible” is formed in part;
A columnar body having an upper end joined to the center of the lower surface of the upper flexible part and a lower end joined to the center of the upper surface of the lower flexible part;
A plurality of individual electrodes are formed in the detection region on the upper surface, and a detection substrate made of an insulating material;
An apparatus housing to which the lower substrate is fixed;
A detection circuit for detecting a force acting on the force receiving body based on a degree of bending of the lower flexible portion;
With
The upper substrate and the lower substrate are made of a resin material,
The upper substrate is supported above the lower substrate via the columnar body,
The force receiving member is bonded to the upper substrate so as to be positioned above the upper substrate;
The detection substrate is bonded to the lower surface of the lower substrate so that the detection region is located below the lower flexible portion,
The lower flexible portion is formed at a position where the lower surface position of the lower flexible portion is higher than the lower surface position of the lower substrate, and the lower surface of the lower flexible portion and each of the individual electrodes are formed. A gap is formed between the upper surface,
A common electrode made of a metal plating layer is formed on the lower surface of the lower flexible portion,
The detection circuit detects a force acting on the force receiving body based on capacitance values of a plurality of capacitive elements configured by the individual electrodes and the common electrode. .
請求項1〜4のいずれかに記載の力検出装置において、
下部可撓部の上面にも、金属の鍍金層が形成されていることを特徴とする力検出装置。
In the force detection device according to any one of claims 1 to 4,
A force detection device, wherein a metal plating layer is also formed on the upper surface of the lower flexible portion.
請求項5に記載の力検出装置において、
上部可撓部の上下両面にも、金属の鍍金層が形成されていることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 5,
A force detection device, wherein a metal plating layer is formed on both upper and lower surfaces of the upper flexible portion.
請求項6に記載の力検出装置において、
上方基板および下方基板の表面のほぼ全面に、金属の鍍金層が形成されていることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 6, wherein
A force detection device, wherein a metal plating layer is formed on substantially the entire surface of an upper substrate and a lower substrate.
請求項7に記載の力検出装置において、
上方基板と下方基板との接続部分に、鍍金層が形成されていない鍍金切欠部を設け、上方基板の表面に形成された鍍金層と下方基板の表面に形成された鍍金層とが電気的に絶縁されるようにしたことを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 7,
A plating notch in which a plating layer is not formed is provided at a connection portion between the upper substrate and the lower substrate, and the plating layer formed on the surface of the upper substrate and the plating layer formed on the surface of the lower substrate are electrically A force detection device characterized by being insulated.
請求項1〜8のいずれかに記載の力検出装置において、
受力体が金属材料から構成されていることを特徴とする力検出装置。
In the force detection device according to any one of claims 1 to 8,
A force detection device, wherein the force receiving member is made of a metal material.
請求項9に記載の力検出装置において、
装置筐体が金属材料から構成されており、受力体と装置筐体との間を電気的に短絡する導電線が設けられていることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 9, wherein
A force detection device, wherein the device casing is made of a metal material, and a conductive wire that electrically short-circuits between the force receiving body and the device casing is provided.
請求項1〜10のいずれかに記載の力検出装置において、
検出回路が、検出用基板の下面に設けられており、
前記検出用基板の上面に形成された各個別電極と前記検出回路との間の配線が、前記検出用基板に設けられたスルーホールを介してなされていることを特徴とする力検出装置。
In the force detection device according to any one of claims 1 to 10,
The detection circuit is provided on the lower surface of the detection substrate,
The force detection device, wherein wiring between each individual electrode formed on the upper surface of the detection substrate and the detection circuit is made through a through hole provided in the detection substrate.
請求項11に記載の力検出装置において、
下部可撓部の下面に形成された共通電極から配線層が伸びており、この配線層の端部が下方基板の下面に配置され、
検出用基板が、その貫通孔を挿通する導電性ネジによって下方基板の下面に接合されており、前記導電性ネジは、前記配線層の端部を挿通しており、前記導電性ネジを利用して、前記共通電極と前記検出回路との間の配線がなされていることを特徴とする力検出装置。
The force detection device according to claim 11.
A wiring layer extends from the common electrode formed on the lower surface of the lower flexible portion, and an end of the wiring layer is disposed on the lower surface of the lower substrate,
The detection substrate is joined to the lower surface of the lower substrate by a conductive screw that passes through the through-hole, and the conductive screw passes through an end of the wiring layer, and uses the conductive screw. In addition, a wiring between the common electrode and the detection circuit is provided.
請求項1〜12のいずれかに記載の力検出装置において、
上部可撓部の上面中心近傍に隆起部が形成されており、この隆起部および上部可撓部を挿通するネジによって、柱状体もしくは下部可撓部に対する接合が行われていることを特徴とする力検出装置。
In the force detection device according to any one of claims 1 to 12,
A raised portion is formed near the center of the upper surface of the upper flexible portion, and the columnar body or the lower flexible portion is joined by a screw that passes through the raised portion and the upper flexible portion. Force detection device.
請求項1〜13のいずれかに記載の力検出装置において、
上方基板には複数N組の上部可撓部が形成され、下方基板には複数N組の下部可撓部が形成され、上下でそれぞれ対応する一対の可撓部が、合計N本の柱状体を介して互いに接合されており、合計N本の柱状体を介して、前記上方基板は前記下方基板の上方に支持されており、
検出用基板の上面には、それぞれが複数の個別電極を有する複数N組の検出領域が設けられており、前記複数N組の下部可撓部の下面には、金属の鍍金層からなる共通電極がそれぞれ形成されており、
検出回路は、複数N組の検出領域のそれぞれについて形成されている容量素子の静電容量値に基づいて、受力体に作用した力を検出することを特徴とする力検出装置。
In the force detection device according to any one of claims 1 to 13,
A plurality of N sets of upper flexible portions are formed on the upper substrate, and a plurality of N sets of lower flexible portions are formed on the lower substrate. And the upper substrate is supported above the lower substrate via a total of N columnar bodies,
A plurality of N sets of detection regions each having a plurality of individual electrodes are provided on the upper surface of the detection substrate, and a common electrode made of a metal plating layer is formed on the lower surface of the plurality of N sets of lower flexible portions. Are formed,
The detection circuit detects a force acting on a force receiving body based on a capacitance value of a capacitive element formed for each of a plurality of N sets of detection regions.
請求項1〜14のいずれかに記載の力検出装置において、
上部可撓部および下部可撓部の双方もしくは一方が、基板の他の部分よりも肉厚が薄いために全体的に可撓性を帯びているダイアフラムによって構成されていることを特徴とする力検出装置。
In the force detection device according to any one of claims 1 to 14,
A force characterized in that both or one of the upper flexible portion and the lower flexible portion is constituted by a diaphragm that is totally flexible because it is thinner than other portions of the substrate. Detection device.
請求項1〜14のいずれかに記載の力検出装置において、
上部可撓部および下部可撓部の双方もしくは一方が、変位板と、この変位板を周囲から支持するビーム部と、によって構成され、少なくとも前記ビーム部が可撓性をもっていることを特徴とする力検出装置。
In the force detection device according to any one of claims 1 to 14,
Either or both of the upper flexible portion and the lower flexible portion are constituted by a displacement plate and a beam portion that supports the displacement plate from the periphery, and at least the beam portion is flexible. Force detection device.
検出対象となる力を受ける受力体と、
「他の部分よりも肉厚が薄く、少なくとも一部分が可撓性をもった可撓部」が一部分に形成された基板と、
前記基板が固定された装置筐体と、
前記受力体が受けた力を前記可撓部へ伝達する力伝達体と、
前記可撓部の撓み具合に基づいて、前記受力体に作用した力を検出する検出回路と、
を備え、
前記基板は樹脂材料から構成されており、前記可撓部の上下両面には、金属の鍍金層が形成されていることを特徴とする力検出装置。
A power receiving body that receives the force to be detected;
A substrate on which a “flexible portion having a smaller thickness than other portions and at least a portion of which is flexible” is formed in part;
An apparatus housing to which the substrate is fixed;
A force transmission body for transmitting the force received by the force receiving body to the flexible portion;
A detection circuit for detecting a force acting on the force receiving body based on a degree of bending of the flexible portion;
With
The said board | substrate is comprised from the resin material, The metal plating layer is formed in the upper and lower surfaces of the said flexible part, The force detection apparatus characterized by the above-mentioned.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009210441A (en) * 2008-03-04 2009-09-17 Niigata Univ Six-force components sensor
JP2009257992A (en) * 2008-04-18 2009-11-05 Wacoh Corp Force detector
JP2015121455A (en) * 2013-12-24 2015-07-02 株式会社マルサン・ネーム Weight sensor and weight sensor unit

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