技术领域
[0001] 本
发明涉及力传感器，尤其涉及适用于检测三维
正交坐标系中的各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩的薄型传感器。
背景技术
[0002] 为了对
机器人、工业机械的动作进行控制，各种类型的力传感器被利用。另外，小型力传感器还被装入作为
电子设备输入装置的人机
接口。对于用于这种用途的力传感器，为了实现小型化以及降低成本，要求尽量使结构简化的同时，还能够分别独立检测出关于三维空间内的各坐标轴的力。
[0003] 现在，通常所利用的多轴力传感器分类为如下类型：将对机械结构部作用的力的
指定的方向成分检测作为在指定的部分产生的位移的类型、以及检测为在指定的部分产生的机械形变的类型。前者的检测位移类型的代表例为静电电容元件式力传感器，其由一对
电极构成电容元件，并根据电容元件的静电电容值检测由作用的力在其中一个电极上产生的位移。例如，日本特开2004-325367号
公报（美国
专利第7219561号公报）、日本特开2004-354049号公报（美国专利第6915709号公报）中公开有这种静电电容式多轴力传感器。
[0004] 另一方面，后者的检测机械形变类型的代表例为应变式力传感器，其是将由作用的力产生的机械形变检测为应变片（strain gauge）等的电
阻变化的传感器。例如，日本特开平8-122178号公报（美国专利第5490427号公报）中公开有这种应变式多轴力传感器。
[0005] 但是，上述各专利文献所公开的多轴力传感器中的任一种的机械结构部的厚度都不可避免地增大，装置整体难以薄型化。与其相反，在机器人、工业机械、电子设备用输入装置等领域，希望开发出更薄型的力传感器。
发明内容
[0006] 因此，本发明的目的在于提供一种结构简单且能够实现薄型化的力传感器。
[0007] （1）本发明第一方面的力传感器检测XYZ三维正交坐标系中的各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩中、关于至少一个轴的力或力矩，其中，力传感器包括：受力环，在XY平面上设置成以Z轴为中
心轴，受力环受到作为检测对象的力或者力矩的作用；检测环，在XY平面上设置成以Z轴为中心轴且设置在受力环的内侧或外侧，由于作为检测对象的力或者力矩的作用而在至少一部分产生弹性
变形；
支撑基板，具有与XY平面平行的上表面，间隔着规定间隔地设置在受力环及检测环的下方；连接部件，检测环在规定的作用点的
位置与受力环连接；固定部件，检测环在规定的固定点的位置固定于支撑基板；检测元件，电检测检测环的弹性变形；以及检测
电路，根据检测元件的检测结果，在固定了支撑基板的状态下，输出对受力环作用的规定的坐标轴方向的力或绕规定的坐标轴的力矩的检测值，其中，作用点向XY平面的投影图像与固定点向XY平面的投影图像形成于不同的位置。
[0008] （2）根据本发明第一方面的力传感器，在本发明的第二方面中，在沿着检测环的轮廓的环状路径，交替设置有复数n个作用点和复数n个固定点，检测元件对定义在邻接设置的作用点与固定点之间的位置的测定点附近的检测环的弹性变形进行电检测。
[0009] （3）根据本发明第二方面的力传感器，在本发明的第三方面中，在沿着检测环的轮廓的环状路径，按照第一作用点、第一固定点、第二作用点、第二固定点的顺序设置两个作用点以及两个固定点，分别定义了设置在环状路径中的第一作用点与第一固定点之间的位置上的第一测定点、设置在环状路径中的第一固定点与第二作用点之间的位置上的第二测定点、设置在环状路径中的第二作用点与第二固定点之间的位置上的第三测定点、设置在环状路径中的第二固定点与第一作用点之间的位置上的第四测定点时，检测元件对第一测定点～第四测定点附近的检测环的弹性变形进行电检测。
[0010] （4）根据本发明第三方面的力传感器，在本发明的第四方面中，分别将第一作用点设置在X轴正区域、将第一固定点设置在Y轴正区域、将第二作用点设置在X轴负区域、将第二固定点设置在Y轴负区域，通过沿着X轴正区域延伸的第一连接部件，检测环的第一作用点附近与受力环连接，通过沿着X轴负区域延伸的第二连接部件，检测环的第二作用点附近与受力环连接，检测元件对分别设置在XY平面的第一象限、第二象限、第三象限、第四象限的第一测定点、第二测定点、第三测定点、第四测定点附近的检测环的弹性变形进行电检测。
[0011] （5）根据本发明第四方面的力传感器，在本发明的第五方面中，在定义了V轴和W轴时，分别将第一测定点设置在V轴正区域、将第二测定点设置在W轴正区域、将第三测定点设置在V轴负区域、将第四测定点设置在W轴负区域，V轴通过XYZ三维正交坐标系中的原点O、正区域位于XY平面的第一象限、负区域位于XY平面的第三象限、与X轴成45°，W轴通过XYZ三维正交坐标系中的原点O、正区域位于XY平面的第二象限、负区域位于XY平面的第四象限、与V轴正交。
[0012] （6）根据本发明第一方面的力传感器，在本发明的第六方面中，在沿着检测环的轮廓的环状路径，交替设置有复数n个作用点和复数n个固定点，检测环的n个作用点的附近部分构成比其他部分厚度薄的隔膜部，复数ｎ个连接部件与各隔膜部连接，检测元件对各隔膜部的弹性变形进行电检测。
[0013] （7）根据本发明第六方面的力传感器，在本发明的第七方面中，在沿着检测环的轮廓的环状路径，按照第一作用点、第一固定点、第二作用点、第二固定点、第三作用点、第三固定点、第四作用点、第四固定点的顺序设置四个作用点以及四个固定点，检测环的第一作用点的附近部分构成第一隔膜部，检测环的第二作用点的附近部分构成第二隔膜部，检测环的第三作用点的附近部分构成第三隔膜部，检测环的第四作用点的附近部分构成第四隔膜部，检测元件对第一隔膜部～第四隔膜部的弹性变形进行电检测。
[0014] （8）根据本发明第七方面的力传感器，在本发明的第八方面中，分别将第一作用点设置在X轴正区域、将第二作用点设置在Y轴正区域、将第三作用点设置在X轴负区域、将第四作用点设置在Y轴负区域，第一隔膜部位于X轴正区域、第二隔膜部位于Y轴正区域、第三隔膜部位于X轴负区域、第四隔膜部位于Y轴负区域，定义了V轴和W轴时，分别将第一固定点设置在V轴正区域、将第二固定点设置在W轴正区域、将第三固定点设置在V轴负区域、将第四固定点设置在W轴负区域，V轴通过XYZ三维正交坐标系中的原点O、正区域位于XY平面的第一象限、负区域位于XY平面的第三象限、与X轴成45°，W轴通过XYZ三维正交坐标系中的原点O、正区域位于XY平面的第二象限、负区域位于XY平面的第四象限、与V轴正交，通过沿着X轴正区域延伸的第一连接部件，第一隔膜部与受力环连接，通过沿着Y轴正区域延伸的第二连接部件，第二隔膜部与受力环连接，通过沿着X轴负区域延伸的第三连接部件，第三隔膜部与受力环连接，通过沿着Y轴负区域延伸的第四连接部件，第四隔膜部与受力环连接。
[0015] （9）根据本发明第一方面至第八方面中任一方面的力传感器，在本发明的第九方面中，固定部件将检测环的下表面和支撑基板的上表面连接。
[0016] （10）根据本发明第一方面至第八方面中任一方面的力传感器，在本发明的第十方面中，以受力环在外侧、检测环在内侧的方式设置两环，在检测环的更内侧设置有固定辅助体，该固定辅助体的下表面被固定于支撑基板的上表面，固定部件将检测环的内周面与固定辅助体的外周面连接。
[0017] （11）根据本发明第一方面至第十方面中任一方面的力传感器，在本发明的第十一方面中，力传感器还设置有受力基板，受力基板具有与XY平面平行的上表面，间隔着规定间隔地设置在受力环及检测环的上方，受力基板的下表面的一部分与受力环的上表面连接，受力基板的下表面与检测环的上表面之间形成有规定的空隙部。
[0018] （12）根据本发明第十一方面的力传感器，在本发明的第十二方面中，受力基板的下表面外周部与包容受力环及检测环的包容筒状体连接，包容筒状体的下端部与支撑基板的外周部之间形成有空隙部，空隙部的尺寸设定成对受力基板作用超过规定的允许范围的力或力矩的情况下，包容筒状体的下端部与支撑基板的外周部
接触，限制受力基板的位移。
[0019] （13）根据本发明第一方面至第十二方面中任一方面的力传感器，在本发明的第十三方面中，在受力环的规定地点形成有上下贯通的贯通孔，在受力环的上表面的贯通孔的位置形成有比贯通孔直径大的槽部，力传感器还具备位移控制螺丝，位移控制螺丝插通贯通孔，且前端部固定于支撑基板，而头部收容在槽部内，位移控制螺丝与贯通孔的内表面及槽部的内表面之间形成有空隙部，空隙部的尺寸设定成对受力环作用超过规定的允许范围的力或力矩的情况下，位移控制螺丝与贯通孔的内表面或槽部的内表面接触，限制受力环的位移。
[0020] （14）根据本发明第一方面至第十三方面中任一方面的力传感器，在本发明的第十四方面中，受力环由只要作用的力或力矩在规定的允许范围内则不产生实质上的变形的刚体构成。
[0021] （15）根据本发明第一方面至第十四方面中任一方面的力传感器，在本发明的第十五方面中，受力环以及检测环两者是在XY平面上设置成以Z轴为中心轴的圆形的环。
[0022] （16）根据本发明第一方面至第十五方面中任一方面的力传感器，在本发明的第十六方面中，将安装了构成检测电路的电子部件的检测电路基板设置于支撑基板的上表面。
[0023] （17）根据本发明第一方面至第十六方面中任一方面的力传感器，在本发明的第十七方面中，检测元件对检测环的规定的测定点的位移进行电检测。
[0024] （18）根据本发明第十七方面的力传感器，在本发明的第十八方面中，检测元件对检测环的测定点附近的测定对象面和受力环的与测定对象面相对的相对基准面之间的距离进行电检测。
[0025] （19）根据本发明第十七方面的力传感器，在本发明的第十九方面中，以受力环在外侧、检测环在内侧的方式设置两环，在检测环的更内侧设置有固定辅助体，该固定辅助体的下表面被固定于支撑基板的上表面，检测元件对检测环的内周面的位于测定点附近的测定对象面和位于固定辅助体的外周且与测定对象面相对的相对基准面之间的距离进行电检测。
[0026] （20）根据本发明第十七方面的力传感器，在本发明的第二十方面中，检测元件对检测环的下表面的位于测定点附近的测定对象面和位于支撑基板的上表面且与测定对象面相对的相对基准面之间的距离进行电检测。
[0027] （21）根据本发明第十八方面至第二十方面中任一方面的力传感器，在本发明的第二十一方面中，检测元件由电容元件构成，电容元件包括设置于测定对象面的位移电极和设置于相对基准面的固定电极。
[0028] （22）根据本发明第二十一方面的力传感器，在本发明的第二十二方面中，检测环由具有可挠性的
导电性材料构成，以检测环的表面作为公共位移电极而构成电容元件。
[0029] （23）根据本发明第十八方面至第二十方面中任一方面的力传感器，在本发明的第二十三方面中，检测环的至少测定对象面由导电性材料构成，检测元件由设置于相对基准面的涡
电流位移计构成。
[0030] （24）根据本发明第十八方面至第二十方面中任一方面的力传感器，在本发明的第二十四方面中，检测环的至少测定对象面由磁
铁构成，检测元件由设置于相对基准面的霍尔元件构成。
[0031] （25）根据本发明第十八方面至第二十方面中任一方面的力传感器，在本发明的第二十五方面中，检测元件由光束照射器、光束接收器以及测定电路构成，光束照射器固定于相对基准面，从倾斜方向向测定对象面照射光束，光束接收器固定于相对基准面，接收被测定对象面反射的光束，测定电路根据光束接收器接收光束的光接收位置，输出距离测量值。
[0032] （26）根据本发明第一方面至第十六方面中任一方面的力传感器，在本发明的第二十六方面中，检测元件对检测环的规定的测定点附近位置的机械形变进行电检测。
[0033] （27）根据本发明第二十六方面的力传感器，在本发明的第二十七方面中，检测元件由应变片构成，应变片在检测环的测定点附近的表面，以沿着沿检测环的轮廓的环状路径的方向为检测方向的方式被安装。
[0034] （28）根据本发明第五方面的力传感器，在本发明的第二十八方面中，受力环以及检测环两者是在XY平面上设置成以Z轴为中心轴的圆形的环，以受力环在外侧、检测环在内侧的方式设置两环，在检测环的更内侧设置有圆柱状的固定辅助体，该固定辅助体的下表面固定于支撑基板的上表面且以Z轴为中心轴，检测元件包括第一电容元件、第二电容元件、第三电容元件、第四电容元件、第五电容元件、第六电容元件、第七电容元件以及第八电容元件，第一电容元件由设置在检测环的内周面的第一测定点附近位置的第一位移电极、以及设置在固定辅助体的外周面的与第一位移电极相对的位置的第一固定电极构成，第二电容元件由设置在检测环的内周面的第二测定点附近位置的第二位移电极、以及设置在固定辅助体的外周面的与第二位移电极相对的位置的第二固定电极构成，第三电容元件由设置在检测环的内周面的第三测定点附近位置的第三位移电极、以及设置在固定辅助体的外周面的与第三位移电极相对的位置的第三固定电极构成，第四电容元件由设置在检测环的内周面的第四测定点附近位置的第四位移电极、以及设置在固定辅助体的外周面的与第四位移电极相对的位置的第四固定电极构成，第五电容元件由设置在检测环的下表面的第一测定点附近位置的第五位移电极、以及设置在支撑基板的上表面的与第五位移电极相对的位置的第五固定电极构成，第六电容元件由设置在检测环的下表面的第二测定点附近位置的第六位移电极、以及设置在支撑基板的上表面的与第六位移电极相对的位置的第六固定电极构成，第七电容元件由设置在检测环的下表面的第三测定点附近位置的第七位移电极、以及设置在支撑基板的上表面的与第七位移电极相对的位置的第七固定电极构成，第八电容元件由设置在检测环的下表面的第四测定点附近位置的第八位移电极、以及设置在支撑基板的上表面的与第八位移电极相对的位置的第八固定电极构成，其中，构成各电容元件的一个电极投影于另一个电极的形成面的投影图像包括在另一个电极的内部，将第一电容元件的静电电容值设定为C1、第二电容元件的静电电容值设定为C2、第三电容元件的静电电容值设定为C3、第四电容元件的静电电容值设定为C4、第五电容元件的静电电容值设定为C5、第六电容元件的静电电容值设定为C6、第七电容元件的静电电容值设定为C7、第八电容元件的静电电容值设定为C8时，检测电路根据以下运算式，输出X轴方向的力Fx、Y轴方向的力Fy、Z轴方向的力Fz、绕X轴的力矩Mx、绕Y轴的力矩My、绕Z轴的力矩Mz的检测值，
[0035] Fx=(C1+C4)-(C2+C3)
[0036] Fy=(C3+C4)-(C1+C2)
[0037] Fz=-(C5+C6+C7+C8)
[0038] Mx=(C7+C8)-(C5+C6)
[0039] My=(C5+C8)-(C6+C7)
[0040] Mz=(C2+C4)-(C1+C3)。
[0041] （29）根据本发明第五方面的力传感器，在本发明的第二十九方面中，受力环以及检测环两者是在XY平面上设置成以Z轴为中心轴的圆形的环，以受力环在外侧、检测环在内侧的方式设置两环，在检测环的更内侧设置有圆柱状的固定辅助体，该固定辅助体的下表面被固定于支撑基板的上表面且以Z轴为中心轴，以第一作用点作为第五测定点、以第二作用点作为第六测定点，检测元件包括第一电容元件、第二电容元件、第三电容元件、第四电容元件、第五电容元件以及第六电容元件，第一电容元件由设置在检测环的内周面的第一测定点附近位置的第一位移电极、以及设置在固定辅助体的外周面的与第一位移电极相对的位置的第一固定电极构成，第二电容元件由设置在检测环的内周面的第二测定点附近位置的第二位移电极、以及设置在固定辅助体的外周面的与第二位移电极相对的位置的第二固定电极构成，第三电容元件由设置在检测环的内周面的第三测定点附近位置的第三位移电极、以及设置在固定辅助体的外周面的与第三位移电极相对的位置的第三固定电极构成，第四电容元件由设置在检测环的内周面的第四测定点附近位置的第四位移电极、以及设置在固定辅助体的外周面的与第四位移电极相对的位置的第四固定电极构成，第五电容元件由设置在检测环的下表面的第五测定点附近位置的第五位移电极、以及设置在支撑基板的上表面的与第五位移电极相对的位置的第五固定电极构成，第六电容元件由设置在检测环的下表面的第六测定点附近位置的第六位移电极、以及设置在支撑基板的上表面的与第六位移电极相对的位置上的第六固定电极构成，其中，构成各电容元件的一个电极投影于另一个电极的形成面的投影图像包括在另一个电极的内部，当将第一电容元件的静电电容值设定为C1、将第二电容元件的静电电容值设定为C2、将第三电容元件的静电电容值设定为C3、将第四电容元件的静电电容值设定为C4、将第五电容元件的静电电容值设定为C9、将第六电容元件的静电电容值设定为C10时，检测电路根据以下的运算式，输出X轴方向的力Fx、Y轴方向的力Fy、Z轴方向的力Fz、绕Y轴的力矩My、绕Z轴的力矩Mz的检测值，
[0042] Fx=(C1+C4)-(C2+C3)
[0043] Fy=(C3+C4)-(C1+C2)
[0044] Fz=-(C9+C10)
[0045] My=C9-C10
[0046] Mz=(C2+C4)-(C1+C3)。
[0047] （30）根据本发明第二十八方面或第二十九方面的力传感器，在本发明的第三十方面中，检测环由具有可挠性的导电性材料构成，以检测环的表面作为公共位移电极地构成各电容元件。
[0048] （31）根据本发明第五方面的力传感器，在本发明的第三十一方面中，受力环以及检测环两者由在XY平面上设置成以Z轴为中心轴的圆形的环构成，以受力环在外侧、检测环在内侧的方式设置两环，检测元件包括多个应变片，应变片在检测环的第一测定点～第四测定点附近的表面，以沿着沿检测环的轮廓的环状路径的方向为检测方向的方式被安装，将检测环的内周面以及外周面中的任一方定义为横向设置面、将检测环的上表面以及下表面中的任一方定义为纵向设置面时，多个应变片由以下具有八种属性的应变片中的任一种构成，第一属性的应变片，安装在横向设置面的第一测定点的附近位置，第二属性的应变片，安装在横向设置面的第二测定点的附近位置，第三属性的应变片，安装在横向设置面的第三测定点的附近位置，第四属性的应变片，安装在横向设置面的第四测定点的附近位置，第五属性的应变片，安装在纵向设置面的第一测定点的附近位置，第六属性的应变片，安装在的纵向设置面的第二测定点的附近位置，第七属性的应变片，安装在纵向设置面的第三测定点的附近位置，第八属性的应变片，安装在纵向设置面的第四测定点的附近位置，检测电路通过以第一属性的应变片和第四属性的应变片为第一对边、以第二属性的应变片和第三属性的应变片为第二对边的惠斯通电桥电路，输出X轴方向的力Fx的检测值，通过以第一属性的应变片和第二属性的应变片为第一对边、以第三属性的应变片和第四属性的应变片为第二对边的惠斯通电桥电路，输出Y轴方向的力Fy的检测值，通过以第五属性的应变片和第六属性的应变片为第一对边、以第七属性的应变片和第八属性的应变片为第二对边的惠斯通电桥电路，输出绕X轴的力矩Mx的检测值，通过以第五属性的应变片和第八属性的应变片为第一对边、以第六属性的应变片和第七属性的应变片为第二对边的惠斯通电桥电路，输出绕Y轴的力矩My的检测值，通过以第一属性的应变片和第三属性的应变片为第一对边、以第二属性的应变片和第四属性的应变片为第二对边的惠斯通电桥电路，输出绕Z轴的力矩Mz的检测值。
[0049] （32）根据本发明第五方面的力传感器，在本发明的第三十二方面中，受力环以及检测环两者由在XY平面上设置成以Z轴为中心轴的圆形的环构成，以受力环在外侧、检测环在内侧的方式设置两环，检测元件包括多个应变片，应变片在检测环的第一测定点～第四测定点附近的表面，以沿着沿检测环的轮廓的环状路径的方向为检测方向的方式被安装，将检测环的内周面以及外周面中的任一方定义为横向设置面、将检测环的上表面以及下表面中的任一方定义为第一纵向设置面、另一方定义为第二纵向设置面时，多个应变片由以下具有十二种属性的应变片中的任一种构成，第一属性的应变片，安装在横向设置面的第一测定点的附近位置，第二属性的应变片，安装在横向设置面的第二测定点的附近位置，第三属性的应变片，安装在横向设置面的第三测定点的附近位置，第四属性的应变片，安装在横向设置面的第四测定点的附近位置，第五属性的应变片，安装在检测环的第一纵向设置面的第一测定点的附近位置，第六属性的应变片，安装在检测环的第一纵向设置面的第二测定点的附近位置，第七属性的应变片，安装在检测环的第一纵向设置面的第三测定点的附近位置，第八属性的应变片，安装在检测环的第一纵向设置面的第四测定点的附近位置，第九属性的应变片，安装在检测环的第二纵向设置面的第一测定点的附近位置，第十属性的应变片，安装在检测环的第二纵向设置面的第二测定点的附近位置，第十一属性的应变片，安装在检测环的第二纵向设置面的第三测定点的附近位置，第十二属性的应变片，安装在检测环的第二纵向设置面的第四测定点的附近位置，检测电路通过以第一属性的应变片和第四属性的应变片为第一对边、以第二属性的应变片和第三属性的应变片为第二对边的惠斯通电桥电路，输出X轴方向的力Fx的检测值，通过以第一属性的应变片和第二属性的应变片为第一对边、以第三属性的应变片和第四属性的应变片为第二对边的惠斯通电桥电路，输出Y轴方向的力Fy的检测值，通过以第五属性的应变片和第六属性的应变片的
串联边以及第七属性的应变片和第八属性的应变片的串联边为第一对边、以第九属性的应变片和第十属性的应变片的串联边以及第十一属性的应变片和第十二属性的应变片的串联边为第二对边的惠斯通电桥电路，输出Z轴方向的力Fz的检测值，通过以第五属性的应变片和第六属性的应变片为第一对边、以第七属性的应变片和第八属性的应变片为第二对边的惠斯通电桥电路，输出绕X轴的力矩Mx的检测值，通过以第五属性的应变片和第八属性的应变片为第一对边、以第六属性的应变片和第七属性的应变片为第二对边的惠斯通电桥电路，输出绕Y轴的力矩My的检测值，通过以第一属性的应变片和第三属性的应变片为第一对边、以第二属性的应变片和第四属性的应变片为第二对边的惠斯通电桥电路，输出绕Z轴的力矩Mz的检测值。
[0050] （33）根据本发明第八方面的力传感器，在本发明的第三十三方面中，受力环以及检测环两者由在XY平面上设置成以Z轴为中心轴的圆形的环构成，以受力环在外侧、检测环在内侧的方式设置两环，在检测环的更内侧设置有圆柱状的固定辅助体，该固定辅助体的下表面被固定于支撑基板的上表面且以Z轴为中心轴，检测元件包括：第一电容元件组，由多个电容元件构成，多个电容元件由第一位移电极组和第一固定电极组构成，第一位移电极组由在检测环的内周面的第一隔膜部分被设置的多个位移电极构成，第一固定电极组由在固定辅助体的外周面的与第一位移电极组的各个位移电极分别相对的位置被设置的多个固定电极构成；第二电容元件组，由多个电容元件构成，多个电容元件由第二位移电极组和第二固定电极组构成，第二位移电极组由在检测环的内周面的第二隔膜部分被设置的多个位移电极构成，第二固定电极组由在固定辅助体的外周面的与第二位移电极组的各个位移电极分别相对的位置被设置的多个固定电极构成；第三电容元件组，由多个电容元件构成，多个电容元件由第三位移电极组和第三固定电极组构成，第三位移电极组由在检测环的内周面的第三隔膜部分被设置的多个位移电极构成，第三固定电极组由在固定辅助体的外周面的与第三位移电极组的各个位移电极分别相对的位置被设置的多个固定电极构成；以及第四电容元件组，由多个电容元件构成，多个电容元件由第四位移电极组和第四固定电极组构成，第四位移电极组由在检测环的内周面的第四隔膜的部分被设置的多个位移电极构成，第四固定电极组由在固定辅助体的外周面的与第四位移电极组的各个位移电极分别相对的位置被设置的多个固定电极构成，其中，构成各电容元件的一个电极投影于另一个电极的形成面的投影图像包括在另一个电极的内部，检测电路根据各电容元件的静电电容值输出检测值。
[0051] （34）根据本发明第三十三方面的力传感器，在本发明的第三十四方面中，第一电容元件组包括：设置在X轴上的第一组的轴上电容元件；在Y轴正方向与第一组的轴上电容元件邻接设置的第一组的第一电容元件；在Y轴负方向与第一组的轴上电容元件邻接设置的第一组的第二电容元件；在Z轴正方向与第一组的轴上电容元件邻接设置的第一组的第三电容元件；以及在Z轴负方向与第一组的轴上电容元件邻接设置的第一组的第四电容元件，第二电容元件组包括：设置在Y轴上的第二组的轴上电容元件；在X轴正方向与第二组的轴上电容元件邻接设置的第二组的第一电容元件；在X轴负方向与第二组的轴上电容元件邻接设置的第二组的第二电容元件；在Z轴正方向与第二组的轴上电容元件邻接设置的第二组的第三电容元件；以及在Z轴负方向与第二组的轴上电容元件邻接设置的第二组的第四电容元件，第三电容元件组包括：设置在X轴上的第三组的轴上电容元件；在Y轴正方向与第三组的轴上电容元件邻接设置的第三组的第一电容元件；在Y轴负方向与第三组的轴上电容元件邻接设置的第三组的第二电容元件；在Z轴正方向与第三组的轴上电容元件邻接设置的第三组的第三电容元件；以及在Z轴负方向与第三组的轴上电容元件邻接设置的第三组的第四电容元件，第四电容元件组包括：设置在Y轴上的第四组的轴上电容元件；在X轴正方向与第四组的轴上电容元件邻接设置的第四组的第一电容元件；在X轴负方向与第四组的轴上电容元件邻接设置的第四组的第二电容元件；在Z轴正方向与第四组的轴上电容元件邻接设置的第四组的第三电容元件；以及在Z轴负方向与第四组的轴上电容元件邻接设置的第四组的第四电容元件，在将第一组的第一电容元件的静电电容值设定为C11、将第一组的第二电容元件的静电电容值设定为C12、将第一组的第三电容元件的静电电容值设定为C13、将第一组的第四电容元件的静电电容值设定为C14、将第一组的轴上电容元件的静电电容值设定为C15，将第二组的第一电容元件的静电电容值设定为C21、将第二组的第二电容元件的静电电容值设定为C22、将第二组的第三电容元件的静电电容值设定为C23、将第二组的第四电容元件的静电电容值设定为C24、将第二组的轴上电容元件的静电电容值设定为C25，将第三组的第一电容元件的静电电容值设定为C31、将第三组的第二电容元件的静电电容值设定为C32、将第三组的第三电容元件的静电电容值设定为C33、将第三组的第四电容元件的静电电容值设定为C34、将第三组的轴上电容元件的静电电容值设定为C35，将第四组的第一电容元件的静电电容值设定为C41、将第四组的第二电容元件的静电电容值设定为C42、将第四组的第三电容元件的静电电容值设定为C43、将第四组的第四电容元件的静电电容值设定为C44、将第四组的轴上电容元件的静电电容值设定为C45时，检测电路根据以下的运算式，输出X轴方向的力Fx、Y轴方向的力Fy、Z轴方向的力Fz、绕X轴的力矩Mx、绕Y轴的力矩My、绕Z轴的力矩Mz的检测值，
[0052] Fx=-(C11+C12+C13+C14+C15)
[0053] +(C31+C32+C33+C34+C35)或
[0054] =-(C11+C12+C13+C14)
[0055] +(C31+C32+C33+C34)或
[0056] =-C15+C35
[0057] Fy=-(C21+C22+C23+C24+C25)
[0058] +(C41+C42+C43+C44+C45)或
[0059] =-(C21+C22+C23+C24)
[0060] +(C41+C42+C43+C44)或
[0061] =-C25+C45
[0062] Fz=(C13+C23+C33+C43)
[0063] -(C14+C24+C34+C44)
[0064] Mx=(C23+C44)-(C24+C43)
[0065] My=(C14+C33)-(C13+C34)
[0066] Mz=(C11+C21+C32+C42)
[0067] -(C12+C22+C31+C41)。
[0068] （35）根据本发明第三十三方面或第三十四方面的力传感器，在本发明的第三十五方面中，检测环的至少隔膜部由具有可挠性的导电性材料构成，以隔膜部的表面作为公共位移电极地构成各电容元件。
附图说明
[0069] 图1是本发明的基本实施方式所涉及的力传感器的基本结构部的俯视图（上段的图）以及立体图（下段的图）。
[0070] 图2是用XY平面截断图1所示的基本结构部后的横向剖视图（上段的图）以及用XZ平面截断后的纵向剖视图（下段的图）。
[0071] 图3是图1所示的基本结构部的支撑基板300以及固定部件510、520的俯视图（上段的图）、以及用YZ平面截断该基本结构部后的纵向剖视图（下段的图）。
[0072] 图4是表示对图1所示的基本结构部的受力环100作用X轴正方向的力+Fx时的变形状态的XY平面中的横向剖视图（上段的图）以及XZ平面中的纵向剖视图（下段的图）。
[0073] 图5是表示对图1所示的基本结构部的受力环100作用Z轴正方向的力+Fz时的变形状态的XZ平面中的纵向剖视图。
[0074] 图6是表示对图1所示的基本结构部的受力环100作用正向绕Y轴的力矩+My时的变形状态的XZ平面中的纵向剖视图。
[0075] 图7是表示对图1所示的基本结构部的受力环100作用正向绕Z轴的力矩+Mz时的变形状态的XY平面中的横向剖视图。
[0076] 图8是表示在图1所示的基本结构部附加有位移检测用固定辅助体350的实施方式的俯视图（上段的图）以及立体图（下段的图）。
[0077] 图9是用XY平面截断图8所示的基本结构部后的横向剖视图（上段的图）以及用VZ平面截断后的纵向剖视图（下段的图）。
[0078] 图10是表示图8所示基本结构部中的距离测量位置的俯视图。
[0079] 图11是表示对图10所示的基本结构部作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的距离d1～d8的变化的表格。
[0080] 图12是表示图8所示的基本结构部中的距离测量位置的变形例的俯视图。
[0081] 图13是表示对图12所示的基本结构部作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的距离d1～d4、d9、d10的变化的表格。
[0082] 图14是使用电容元件的实施方式所涉及的用XY平面截断力传感器后的横向剖视图（上段的图）以及用VZ平面截断后的纵向剖视图（下段的图）。
[0083] 图15是表示图14所示的力传感器所使用的各电容元件的对向电极的尺寸关系的立体图。
[0084] 图16是表示对图14所示的力传感器作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的电容元件C1～C8的静电电容值的变化的表格。
[0085] 图17是表示用于计算对图14所示的力传感器作用的各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩的运算式的图。
[0086] 图18是表示图14所示的力传感器所使用的检测电路的电路图。
[0087] 图19是表示对图12所示的变形例所涉及的力传感器作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的电容元件C1～C4、C9、C10的静电电容值的变化的表格。
[0088] 图20是表示用于计算对图12所示变形例所涉及的力传感器作用的各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩的运算式的图。
[0089] 图21是用XY平面截断利用由导电性材料构成的检测环200本身作为多个位移电极的变形例所涉及的力传感器后的横向剖视图（上段的图）以及用VZ平面截断后的纵向剖视图（下段的图）。
[0090] 图22是用XY平面截断使用应变片的实施方式所涉及的力传感器后的横向剖视图（图示的应变片G1～G8实际上由分别相互平行的多片应变片构成）。
[0091] 图23是表示对图22所示的力传感器作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的应变片G1～G8的
电阻变化的表格。
[0092] 图24是表示对图22所示的力传感器作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的应变片G1～G8被作用的
应力（单位：MPa）的具体测量值的表格。
[0093] 图25是图22所示的实施方式中进一步附加有应变片G9～G12的变形例所涉及的力传感器的俯视图。
[0094] 图26是表示图25所示的变形例所涉及的力传感器中用于检测各坐标轴方向的力的检测电路的电路图。
[0095] 图27是表示图25所示的变形例所涉及的力传感器中用于检测绕各坐标轴的力矩的检测电路的电路图。
[0096] 图28是表示对图1所示的基本结构部附加有受力基板600的方式的XZ平面中的纵向剖视图。
[0097] 图29是表示改变图1所示的基本结构部中的检测环200的固定方法后的变形例的俯视图。
[0098] 图30是表示对图1所示的基本结构部附加有位移控制结构的示例的俯视图。
[0099] 图31是用XZ平面截断图30所示的示例后的纵向剖视图。
[0100] 图32是使用了电容元件的实用
实施例所涉及的力传感器的俯视图。
[0101] 图33是用XZ平面截断图32所示力传感器后的纵向剖视图。
[0102] 图34是用VZ平面截断图32所示力传感器后的纵向剖视图。
[0103] 图35是用XY平面截断形成有隔膜部的实施方式的基本结构部后的横向剖视图（上段的图）以及用XZ平面截断后的纵向剖视图（下段的图）。
[0104] 图36是用VZ平面截断图35所示基本结构部后的纵向剖视图。
[0105] 图37是用XY平面截断由在图35所示基本结构部附加电容元件而构成的力传感器后的横向剖视图。
[0106] 图38是表示图37所示的力传感器所使用的各电容元件的电极结构的表格（示出分别以向上方向作为Z轴正方向、从图38的视点e1～e4观察到的状态）。
[0107] 图39是表示对图37所示的力传感器作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的电容元件C11～C45的静电电容值的变化的表格。
[0108] 图40是表示对图37所示的力传感器作用Z轴正方向的力+Fz时的变形状态的XZ平面中的纵向剖视图（为了便于说明，将各部变形）。
[0109] 图41是表示对图37所示的力传感器作用正向绕Z轴的力矩+Mz时的变形状态的XY平面中的横向剖视图（为了便于说明，将各部变形）。
[0110] 图42是表示用于计算对图37所示的力传感器作用的各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩的运算式的图。
[0111] 图43是表示图37所示的力传感器的隔膜部的变形例的主视图。
[0112] 图44是表示图37所示的力传感器的电极组的变形例的俯视图（阴影线用于清楚地显示各电极的形状而并非显示剖面）。
[0113] 图45是用XY平面截断使用涡电流位移计/霍尔元件/光束距离测量器的变形例所涉及的力传感器后的横向剖视图。
[0114] 图46是表示基于涡电流位移计的距离测量原理的立体图以及
框图。
具体实施方式
[0115] <<<§1、力传感器的基本结构以及原理>>>
[0116] 首先，对本发明所涉及的力传感器的基本结构部的结构、以及利用了该基本结构部的力和力矩的检测原理进行说明。本发明所涉及的力传感器具有对关于XYZ三维正交坐标系中的各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩中的至少一个轴的力或力矩进行检测的功能。以下，对将该力传感器的基本结构部的结构设置在XYZ三维正交坐标系中的状态进行说明。
[0117] 图1是本发明的基本实施方式所涉及的力传感器的基本结构部的俯视图（上段的图）以及立体图（下段的图）。俯视图中，将图的右方向设置为X轴、将图的上方向设置为Y轴、垂直纸面的前面方向设置为Z轴方向。另一方面，立体图中，将图的右方向设置为X轴、图的上方向设置为Z轴、垂直纸面里侧方向设置为Y轴方向。如图所示，该基本结构部由受力环100、检测环200、支撑基板300、连接部件410、420、以及固定部件510、520构成。
[0118] 受力环100是在XY平面上设置成以Z轴为中心轴的圆形平板状（
垫片状）的环，外周面和内表面都构成圆柱面。受力环100的功能是接收作为检测对象的力或力矩的作用，如果进一步详细说明，则其功能是向检测环200传递作为检测对象的力或力矩。
[0119] 另一方面，与受力环100相同，检测环200也是在XY平面上设置成以Z轴为中心轴的圆形平板状（垫片状）的环，外周面和内表面都构成圆柱面。此处所示的示例中，检测环200设置在受力环100的内侧。即，受力环100是设置在XY平面上的外侧环，检测环200是设置在XY平面上的内侧环。其中，检测环200的特征为基于作为检测对象的力或力矩的作用而至少一部分产生弹性变形这点。
[0120] 连接部件410、420是用于连接受力环100和检测环200的部件。图示的示例中，连接部件410在沿着X轴正区域的位置将受力环100的内周面与检测环200的外周面连接，连接部件420在沿着X轴负区域的位置将受力环100的内周面与检测环200的外周面连接。因此，受力环100与检测环200之间如图所示确保有空隙部H1，检测环200内侧如图所示确保有空隙部H2。
[0121] 如观察侧视图所知，受力环100和检测环200的厚度（Z轴方向的尺寸）相同，侧视图中检测环200处于完全隐藏在受力环100内侧的状态。两环的厚度不必一定相同，考虑到实现薄型传感器（Z轴方向的尺寸尽量小的传感器），优选为两环厚度相同。
[0122] 支撑基板300是直径与受力环100外径相等的圆盘状基板，其具有与XY平面平行的上表面，且间隔着规定的距离被设置在受力环100以及检测环200下方。固定部件510、520是用于将检测环200固定在支撑基板300上的部件。侧视图中，固定部件510隐藏在固定部件520内侧而未显示，固定部件510、520起到将检测环200的下表面与支撑基板300的上表面连接的作用。如俯视图中虚线所示，固定部件510、520设置在沿着Y轴的位置上。
[0123] 图2是用XY平面截断图1所示的基本结构部后的横向剖视图（上段的图）以及用XZ平面截断后的纵向剖视图（下段的图）。用XY平面截断后的横向剖视图的中心表示XYZ三维正交坐标系的原点O。该图2中清楚地显示出，检测环200在左右两处通过沿着X轴设置的连接部件410、420与受力环100连接的状态。
[0124] 图3是图1所示的基本结构部的支撑基板300以及固定部件510、520的俯视图（上段的图）、以及用YZ平面截断该基本结构部后的纵向剖视图（下段的图）。图3的俯视图相当于将图1的俯视图逆
时针旋转90°后的状态，向左方向变成Y轴。而且，图3的俯视图中检测环200的位置以虚线表示。另一方面，图3的纵向剖视图清楚地显示出，检测环200通过固定部件510、520固定在支撑基板300的上方的状态。
[0125] 接着，对利用了该基本结构部的力以及力矩的检测原理进行说明。首先，在固定了支撑基板300状态下，对受力环100作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时，考虑该基本结构部产生何种现象。
[0126] 如上所述，此处所示示例中，受力环100以及检测环200两者都是在XY平面上设置成以Z轴为中心轴的圆环。但是，检测环200必须基于作为检测对象的力或力矩的作用而在至少一部分产生弹性变形。换言之，需要至少一部分具有可挠性。这是因为本发明所涉及的力传感器根据在检测环200产生的弹性变形，对作用的力或力矩进行检测。
[0127] 另一方面，如上所述，受力环100是实现向检测环200传递作用的力或力矩的功能的结构要素，理论上可以由产生弹性变形的弹性体构成，也可以由不产生弹性变形的刚体构成。但是实用上，只要作用的力或力矩在规定的允许范围内，则受力环100优选由不产生实质性变形的刚体构成。这是为了尽量有效地将作用的力或力矩传递给检测环200。
[0128] 本发明中，基本结构部的各部分可以由任意材料构成，但考虑到商业利用，优选采用由金属（例如
铝合金、铁类合金）、塑料等一般的工业材料构成。由这种一般工业材料形成的部件通常基于其形态而形成弹性体或形成刚体。例如在金属的情况下，如果是
块状金属块则可能作为刚体动作，如果是薄板状则可能作为弹性体动作。因此，即使受力环100以及检测环200由相同材料构成，通过改变其形态页能够实现各自被赋予的功能。
[0129] 例如，即使受力环100以及检测环200由相同的
铝合金构成，如图2的横向剖视图所示，受力环100某种程度增大其宽度，从而能够使其实际上作为不产生弹性变形的刚体起作用，检测环200则某种程度缩小其宽度，能够使其实际上作为整体产生弹性变形的弹性体起作用。即，检测环200形成整体具有可挠性的环。
[0130] 当然，如果对受力环100作用力、力矩，则严格地说，受力环100本身也产生若干弹性变形，但与检测环200所产生的弹性变形相比，只要是微小的弹性变形则可以忽视，实际上并不妨碍将受力环100考虑为刚体。因此，以下，以受力环100为刚体、对基于力、力矩产生的弹性变形主要是仅由检测环200所产生的弹性变形为例进行说明。
[0131] 首先，在固定了支撑基板300状态下，对受力环100作用X轴方向的力时，尝试考虑该基本结构部产生何种变化。图4是表示对图1所示的基本结构部的受力环100作用X轴正方向的力+Fx时的变形状态的XY平面中的横向剖视图（上段的图）以及XZ平面中的纵向剖视图（下段的图）。支撑基板300由于被固定而不动，受力环100由于X轴正方向的力+Fx而向图的右方向移动。其结果，检测环200如图所示地变形。此外，图示的虚线表示移动或变形前的各环的位置。
[0132] 此处，为了便于说明该实施方式，考虑两个固定点P1、P2、以及两个作用点Q1、Q2。固定点P1、P2是定义在Y轴上的点，与图1所示固定部件510、520的位置对应。即，检测环
200在该固定点P1、P2的位置处通过固定部件510、520被固定于支撑基板300。另一个面，作用点Q1、Q2是定义在X轴上的点，检测环200在该作用点Q1、Q2的位置处通过连接部件
410、420与受力环100连接。
[0133] 这样，本发明中，作用点是连接有连接部件的位置，而固定点是连接有固定部件的位置。并且，重要之处在于作用点和固定点被配置在不同位置。图4所示的示例的情况下，作用点P1、P2和固定点Q1、Q2设置在XY平面上的不同位置。这是由于如果作用点和固定点占据同一位置，则检测环200无法产生弹性变形。此外，此处所示示例的情况下，作用点P1、P2和固定点Q1、Q2中的任一个被定义在XY平面上，但作用点以及固定点不必一定定义在XY平面上。无论作用点以及固定点是否在XY平面上，总之只要作用点在XY平面的正投影投影图像和固定点在XY平面的正投影投影图像形成于不同的位置，则能够使检测环200产生本发明所需的弹性变形。
[0134] 此外，如果对受力环100作用X轴正方向的力+Fx，则如图4所示，检测环200的作用点Q1、Q2被施加朝向图的右方向的力。但是由于检测环200的固定点P1、P2的位置被固定，因此具有可挠性的检测环200由基准的圆形状态变形为如图所示的歪曲状态（此外，为了强调显示变形状态，本
申请中的表示变形状态的图多少被变形，并不一定表示正确的变形状态）。具体而言，如图所示，点P1-Q1之间以及点P2-Q1之间，检测环200的四分之一圆弧的两端被作用拉伸力而使四分之一圆弧向内侧收缩，而点P1-Q2之间以及点P2-Q2之间，检测环200的四分之一圆弧的两端被作用推压力而使四分之一圆弧向外侧膨胀。
[0135] 对受力环100作用X轴负方向的力-Fx时，出现与图4左右相反的现象。另外，对受力环100作用Y轴正方向的力+Fy以及Y轴负方向的力-Fy时，出现使图4上段中的变形状态旋转90°的现象。
[0136] 其次，在固定了支撑基板300状态下对受力环100作用Z轴方向的力时，尝试考虑该基本结构部产生何种变化。图5是表示对图1所示的基本结构部的受力环100作用Z轴正方向的力+Fz时的变形状态的XZ平面中的纵向剖视图。支撑基板300由于被固定而不动，受力环100由于Z轴正方向的力+Fz而向图的上方向移动。其结果，检测环200如图所示变形。此外，图示的虚线表示移动或变形前的各环的位置。
[0137] 此处同样，变形方式的根本在于，两个固定点P1、P2的位置（被固定部件510、520固定的位置）不动，两个作用点Q1、Q2的位置向上方移动。检测环200从固定点P1、P2的位置向作用点Q1、Q2的位置缓慢变形。另外，对受力环100作用Z轴负方向的力-Fz时，受力环100向图的下方向移动。其结果，检测环200的变形方式与图5上下相反。
[0138] 其次，在固定了支撑基板300状态下对受力环100作用绕Y轴的力矩时，尝试考虑该基本结构部产生何种变化。图6是表示对图1所示的基本结构部的受力环100作用绕Y轴的力矩+My时的变形状态的XZ平面中的纵向剖视图。此外，本申请中，将对规定的绕坐标轴作用的力矩的符号设定为：当使得右手螺旋向该坐标轴的正方向前进时，该右手螺旋的旋转方向为正。例如，图6所示力矩+My的旋转方向是使得右手螺旋向Y轴正方向前进的旋转方向。
[0139] 在这种情况下也同样，支撑基板300被固定而不动，受力环100受到正向绕Y轴的力矩+My，以图的原点O为中心顺时针旋转。其结果，作用点Q1向下方移动，作用点Q2向上方移动。检测环200从固定点P1、P2的位置（被固定部件510、520固定的位置）向作用点Q1、Q2的位置缓慢变形。对受力环100作用逆向绕Y轴的力矩-My时，出现与图6左右相反的现象。另外，对受力环100作用正向绕X轴的力矩+Mx以及逆向绕X轴的力矩-Mx时，出现使俯视图中的变形状态旋转90°的现象。
[0140] 最后，在固定了支撑基板300状态下对受力环100作用绕Z轴的力矩时，尝试考虑该基本结构部产生何种变化。图7是表示对图1所示的基本结构部的受力环100作用正向绕Z轴的力矩+Mz时的变形状态的XY平面中的横向剖视图。在这种情况下也同样，支撑基板300被固定而不动，受力环100受到正向绕Z轴的力矩+Mz，以图的原点O为中心逆时针旋转。
[0141] 其结果，图中检测环200的作用点Q1、Q2被施加逆时针旋转的力。但是由于检测环200的固定点P1、P2的位置被固定，因此具有可挠性的检测环200由基准的圆形状态变形为如图所示的歪曲状态。具体而言，如图所示，点P2-Q1之间以及点P1-Q2之间，检测环200的四分之一圆弧的两端被作用拉伸力而使四分之一圆弧向内侧收缩，而点P1-Q1之间以及点P2-Q2之间，检测环200的四分之一圆弧的两端被作用推压力而使四分之一圆弧向外侧膨胀，从而检测环200整体变形为椭圆形。另一方面，对受力环100作用逆向绕Z轴的力矩-Mz时，由于受力环100以图的原点O为中心顺时针旋转，从而出现将图7翻转后的变形状态。
[0142] 以上，对在图1所示的基本结构部的支撑基板300被固定状态下，对受力环100作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时，检测环200产生的变形状态进行了说明，这些变形状态彼此不同，并且，随着作用的力、力矩的大小不同变形量也不同。因此，如果对检测环200的弹性变形进行检测、并收集有关其方式和大小的信息，则能够对各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩分别各自独立进行检测。这是本发明所涉及的力传感器的基本原理。
[0143] 为了进行基于这种基本原理的检测，本发明所涉及的力传感器除了图1所示基本结构部之外，还包括：检测元件，用于对检测环200的弹性变形进行电检测；以及检测电路，根据该检测元件的检测结果，在固定了支撑基板300状态下，输出对受力环100作用的规定的坐标轴方向的力或绕规定的坐标轴的力矩的检测值。关于这种检测元件以及检测电路的具体结构例，将在§3以后进行详细说明。
[0144] 如后所述，由于检测元件以及检测电路能够装入图1所示基本结构部的内部，因此本发明所涉及的力传感器的尺寸实质上能够采用与该基本结构部相同的尺寸。如观察图1下段所示立体图可知，该基本结构部具有适于薄型化的结构。即，该基本结构整体的厚度（Z轴方向的尺寸）为受力环100的厚度（检测环200的厚度）、固定部件510、520的厚度、以及支撑基板300的厚度之和。其中，检测环200设定为对于设置后述检测元件而足够的厚度即可，固定部件510、520设定为不妨碍检测环200向下方变形的足够的厚度即可，支撑基板300设定为对于支撑其他结构要素足够的厚度即可。
[0145] 这样，本发明所涉及的力传感器具有能够对XYZ三维正交坐标系中的各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩分别独立地进行检测的功能，并且与现有的力传感器相比，结构简单且能够实现薄型化。
[0146] 此外，图1所示基本结构部是将受力环100设置在外侧、检测环200设置在内侧的示例，也可以将两环的内侧和外侧关系交换，可以采用将受力环100设置在内侧、检测环200设置在外侧的结构。但是，如果变形状态的检测环200与外部物体接触，则存在由于变形方式受到干扰而无法得到正确的检测值的可能性。因此，实用上优选如此处所示示例那样，采用受力环100设置在外侧、检测环200设置在内侧的结构，以防止检测环200与外部物体接触。
[0147] <<<§2、位移的检测>>>
[0148] 如上所述，本发明所涉及的力传感器中，通过检测检测环200的弹性变形的方式以及大小来计算作用的力、力矩的方向以及大小。此处，作为检测弹性变形的方式以及大小的方法之一，对用于检测检测环200的指
定位置（此处称为测定点）的位移的方法进行说明。即，此处所示实施方式中，使用具有对检测环200的规定的测定点的位移进行电检测的功能的元件作为检测元件。
[0149] 图8是表示对图1所示的基本结构部附加了位移检测用的固定辅助体350的实施方式的俯视图（上段的图）以及立体图（下段的图）。如图所示，该基本结构部中，检测环200设置在受力环100的内侧，而进一步在内侧设置有固定辅助体350。该固定辅助体350是以Z轴为中心轴的圆柱状的物体，下表面被固定于支撑基板的上表面。固定辅助体350的外周面隔着空隙部H2与检测环200的内周面相对。
[0150] 图9是用XY平面截断图8所示的基本结构部后的横向剖视图（上段的图）以及用VZ平面截断后的纵向剖视图（下段的图）。此处，V轴是通过XYZ三维正交坐标系中的原点O、正区域位于XY平面的第一象限、负区域位于XY平面的第三象限、与X轴形成45°的轴。并且，W轴是通过XYZ三维正交坐标系中的原点O、正区域位于XY平面的第二象限、负区域位于XY平面的第四象限、与V轴正交的轴。图9上段所示的横向剖视图是以V轴正方向为右方向、以W轴的正方形为上方向得到的图，与对图2上段所示的基本结构部附加固定辅助体350、再将其顺时针旋转45°后得到的图相对应。并且，图9的下段的纵向剖视图是用VZ平面截断后的纵向剖视图，因此右方向为V轴正方向。
[0151] 如§1所述，在检测环200上，Y轴上设置有两个固定点P1、P2，X轴上设置有两个作用点Q1、Q2。此处，进一步定义四个测定点R1～R4。如图所示，分别将第一测定点R1设置在V轴正区域，将第二测定点R2设置在W轴正区域，将第三测定点R3设置在V轴负区域，将第四测定点R4设置在W轴负区域。结果，图9上段的横向剖视图中，当定义位于检测环200的外周轮廓圆与内周轮廓圆中间的中间圆时，各点Q1、R1、P1、R2、Q2、R3、P2、R4按照此顺序等间隔地设置在该中间圆上。将四个测定点R1～R4定义在这种位置的原因是由于检测环200的弹性变形而产生的位移最明显。
[0152] 为了检测该四个测定点R1～R4的半径方向的位移，只要测量图9的上段横向剖视图中箭头所示的距离d1、d2、d3、d4即可。这些距离d1、d2、d3、d4是测定对象面与相对基准面之间的距离，其中，该测定对象面在检测环200的内周面上且位于各测定点R1、R2、R3、R4附近，该相对基准面位于固定辅助体350的外周且与测定对象面相对，如果该距离增大则表示测定点附近部分沿着半径方向膨胀，而如果该距离减小则表示测定点附近部分沿着半径方向收缩。因此，如果事先预备对这些距离进行电检测的检测元件，就能够测量各测定点附近部分的有关半径方向的变形量。
[0153] 或者，也可以采用测量图9的上段的横向剖视图中箭头所示的距离d1’、d2’、d3’、d4’的方法。这些距离d1’、d2’、d3’、d4’是测定对象面与相对基准面之间的距离，其中，该测定对象面在检测环200的外周面的位于各测定点R1、R2、R3、R4附近，该相对基准面位于受力环100的内周面且与测定对象面相对。但是，由于受力环100本身也产生位移，因此这些距离的测量值表示受力环100的位移和检测环200的位移的差分。因此，为了计算各测定点的位移需要进行某种补正处理，因此实用上优选测量距离d1、d2、d3、d4。
[0154] 此外，测量距离d1’、d2’、d3’、d4’时，不需要设置固定辅助体350。测量受力环100与检测环200之间距离时，检测元件只要对位于检测环200的各测定点R1、R2、R3、R4附近的测定对象面和受力环100的与测定对象面相对的相对基准面之间的距离进行电检测即可，因此不需要设置固定辅助体350，并且，还能够适用于将受力环100设置在内侧、检测环200设置在外侧的情况。
[0155] 另一方面，为了检测四个测定点R1～R4的上下方向（Z轴方向）的位移，只要测量图9下段的纵向剖视图中箭头所示的距离d5、d7以及未图示的距离d6、d8（距离d6是位于固定辅助体350的里侧的测定点R2的正下方的距离，距离d8是位于固定辅助体350的前侧的测定点R4的正下方的距离）即可。这些距离d5、d6、d7、d8是测定对象面与相对基准面之间的距离，其中，该测定对象面在检测环200的下表面的、位于各测定点R1、R2、R3、R4附近，该相对基准面位于支撑基板300的上表面且与测定对象面相对，如果该距离增大则表示测定点附近部分向上方向位移，而如果该距离减小则表示测定点附近部分向下方向位移。因此，如果事先预备用于对这些距离进行电检测的检测元件，就能够测量有关各测定点附近部分的上下方向的变形量。
[0156] 这样，如果能够测定四个测定点R1～R4的半径方向的位移和上下方向的位移，则能够掌握检测环200整体的变形方式以及变形量，从而能够对XYZ三维正交坐标系中的各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩的6轴成分进行检测。图10是表示用于检测该6轴成分所需的距离测定地点的俯视图。即，本例中，如上所述，对于第一测定点R1，测量距离d1（半径方向的位移）和距离d5（上下方向的位移），对于第二测定点R2，测量距离d2（半径方向的位移）和距离d6（上下方向的位移），对于第三测定点R3，测量距离d3（半径方向的位移）和距离d7（上下方向的位移），对于第四测定点R4，测量距离d4（半径方向的位移）和距离d8（上下方向的位移）。
[0157] 图11是表示图10所示的基本结构部中，在固定了支撑基板300的状态下，对受力环100作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的距离d1～d8的变化的表格。该表格中“+”表示距离增大，“-”表示距离减小，“0”表示距离不变。如果考虑§1中所说明的检测环200的具体变形方式，则能够容易地理解可以得到这种结果。
[0158] 例如，对受力环100作用X轴正方向的力+Fx时，如图4所示，检测环200以点P1-Q1之间以及点P2-Q1之间的四分之一圆弧向内侧收缩、而点P1-Q2之间以及点P2-Q2之间的四分之一圆弧向外侧膨胀的方式变形。因此，距离d1、d4减小，而距离d2、d3增大。此时，检测环200不产生上下方向的变形，因此距离d5～d8不变。图11表格中的+Fx行示出这种结果。基于同样的理由，Y轴正方向的力+Fy作用时，能够得到图11表格中的+Fy行所示的结果。
[0159] 并且，对受力环100作用Z轴正方向的力+Fz时，如图5所示，检测环200变形，因此距离d5～d8增大。此时，检测环200不产生半径方向的变形，因此距离d1～d4不变。图11表格中的+Fz行示出这种结果。
[0160] 然后，对受力环100作用正向绕Y轴的力矩+My时，如图6所示，检测环200变形，图的右半部分向下方位移而图的左半部分向上方位移，因此距离d5、d8减小，而距离d6、d7增大。此时，检测环200不产生半径方向的变形，因此距离d1～d4不变。图11表格中的+My行示出这种结果。基于同样的理由，正向绕X轴的力矩+Mx作用时，能够得到图11表格中的+Mx行所示的结果。
[0161] 最后，对受力环100作用正向绕Z轴的力矩+Mz时，如图7所示，检测环200变形，以点P1-Q1之间以及点P2-Q2之间的四分之一圆弧向外侧膨胀、而点P1-Q2之间以及点P2-Q1之间的四分之一圆弧向内侧收缩的方式变形。因此，距离d1、d3增大，而距离d2、d4减小。此时，检测环200不产生上下方向的变形，因此距离d5～d8不变。图11表格中的+Mz行示出这种结果。
[0162] 此外，图11的表格示出作用正方向的力以及正向转动力矩时的结果，而作用负方向的力以及负向转动力矩时能够得到“+”和“-”逆转的结果。结果，距离d1～d8的变化模式在作用6轴成分的各个情况中各自不同，并且作用的力、力矩越大则距离的变化量也越大。然后，如果利用检测电路根据这些距离d1～d8的测量值进行规定的运算，则能够独立输出6轴成分的检测值。关于具体的运算式，在§3的实施方式中详细说明。
[0163] 此外，在不需要得到所有的6轴成分的检测值的情况下，则不需要对八种距离进行测定。例如，图12是表示图8所示的基本结构部中的距离测定位置的变形例的俯视图。图10所示示例中对八种距离d1～d8进行了测量，但图12所示示例中只要对六种距离d1～d4、d9、d10进行测量就足够了。
[0164] 其中，距离d1～d4与上述示例相同。即，距离d1表示有关第一测定点R1的半径方向的位移，距离d2表示有关第二测定点R2的半径方向的位移，距离d3表示有关第三测定点R3的半径方向的位移，距离d4表示有关第四测定点R4的半径方向的位移。另一方面，没有对有关这四个测定点R1～R4的上下方向的位移进行测定。换言之，没有对上述示例中的距离d5～d8进行测量。取而代之，以第一作用点Q1作为第五测定点并对其上下方向的位移进行测定，以第二作用点Q2作为第六测定点并对其上下方向的位移进行测定。
[0165] 即，图12所示的距离d9是测定对象面与相对基准面之间的距离，其中，该测定对象面在检测环200的下表面的位于第一作用点Q1（第五测定点）附近，该相对基准面位于支撑基板300的上表面且与测定对象面相对，图12所示的距离d10是测定对象面与相对基准面之间的距离，其中，该测定对象面在检测环200的下表面的位于第二作用点Q2（第六测定点）附近，该相对基准面位于支撑基板300的上表面且与测定对象面相对。
[0166] 图13是表示图12所示的基本结构部中，在固定了支撑基板300的状态下，对受力环100作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的距离d1～d4、d9、d10的变化的表格。同样，其中“+”表示距离增大，“-”表示距离减小，“0”表示距离不变。距离d1～d4能够得到这种结果的原因已经在上面进行了阐述。
[0167] 另一方面，关于距离d9、d10，如果考虑§1中所说明的检测环200的具体变形方式，则能够容易地理解可以得到这种结果。即，即使作用X轴正方向的力+Fx、Y轴正方向的力+Fy，由于作用点Q1、Q2在上下方向没有变化，因此关于距离d9、d10，+Fx以及+Fy行是“0”。但是，如果作用Z轴方向的力+Fz，则由于作用点Q1、Q2向上方位移，因此关于距离d9、d10，+Fz行是“+”。
[0168] 另外，作用正向绕X轴的力矩+Mx时，由于位于X轴上的作用点Q1、Q2成为旋
转轴上的点，因此在上下方向没有变化。因此关于距离d9、d10，+Mx行是“0”。但是，如果正向绕Y轴的力矩+My作用，则由于作用点Q1向下方位移、作用点Q2向上方位移，因此+My行中距离d9为“-”、距离d10是“+”。最后，作用正向绕Z轴的力矩+Mz时，由于作用点Q1、Q2在上下方向没有变化，因此关于距离d9、d10，+Mz行是“0”。作用负方向的力以及负向转动力矩时，能够得到图13所示的表格中的“+”和“-”逆转的结果。
[0169] 结果，距离d1～d4、d9、d10的变化模式在作用6轴成分的各个情况中各自不同，且作用的力、力矩越大则距离的变化量也越大。但是，如果查看图13表格的+Mx行，则得到所有的距离都为“0”的结果。这显示即使测量距离d1～d4、d9、d10，也无法得到有关绕X轴的力矩Mx的信息。但是，可以得到有关除此之外的5轴成分的信息。然后，如果利用检测电路根据这些距离d1～d4、d9、d10的测量值进行规定的计算，则能够独立输出除力矩Mx以外的5轴成分的检测值。关于具体的运算式，在§3的实施方式中详细说明。
[0170] 这样，本发明所涉及的力传感器能够独立检测Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz这6轴成分，而对于不需要得到这6轴成分的所有检测值的情况，可以适当省略检测元件，实现降低成本。
[0171] 另外，图9示出设置有两个作用点Q1、Q2和两个固定点P1、P2的示例，本发明所涉及的力传感器中的作用点的数量以及固定点的数量不一定限制为两个。即，此处所述基本实施方式的情况中，复数n个作用点和复数n个固定点交替设置于沿着检测环200的轮廓的环状路径，检测元件只要能够对在邻接设置的作用点和固定点之间的位置上定义的测定点附近的检测环的弹性变形进行电检测即可。
[0172] 因此，例如可以设定n=3，三个作用点和三个固定点交替设置。这种情况下，检测环200在三处作用点的位置上通过连接部件与受力环100连接，在三处固定点的位置上通过固定部件被固定于支撑基板300。
[0173] 但是在实用上，如图9所示示例较为有效，即：在沿着检测环200的轮廓的环状路径，两个作用点以及两个固定点按照第一作用点Q1、第一固定点P1、第二作用点Q2、第二固定点P2的顺序设置，在该环状路径中的第一作用点Q1与第一固定点P1之间定义第一测定点R1，第一固定点P1与第二作用点Q2之间定义第二测定点R2，第二作用点Q2与第二固定点P2之间定义第三测定点R3，第二固定点P2与第一作用点Q1之间定义第四测定点R4，然后通过检测元件对上述第一测定点～第四测定点R1～R4附近的检测环200的弹性变形进行电检测。
[0174] 特别是，图9所示示例中，基本结构部的结构为关于XZ平面成面对称且关于YZ平面也成面对称，因此图11、图13所示的表格中以“+”或“-”表示的位移量产生对称性，从而能够通过比较简单的检测电路得到各轴方向的力以及绕各轴的力矩的检测值。
[0175] 因此，在实用上优选为如图9所示示例那样，分别将第一作用点Q1设置在X轴正区域、将第一固定点P1设置在Y轴正区域、将第二作用点Q2设置在X轴负区域、将第二固定点P2设置在Y轴负区域，通过沿着X轴正区域延伸的第一连接部件410，检测环200的第一作用点Q1附近与受力环100连接，通过沿着X轴负区域延伸的第二连接部件420，检测环200的第二作用点Q2附近与受力环100连接，检测元件对分别设置在XY平面的第一象限、第二象限、第三象限、第四象限上的第一测定点R1、第二测定点R2、第三测定点R3、第四测定点R4附近的检测环200的弹性变形进行电检测。
[0176] 各测定点R1～R4不必一定定义在V轴上或W轴上，但是如上所述，起因于检测环200的弹性变形而产生的位移在V轴上或W轴上最明显，因此在提高检测灵敏度方面，优选为如图9所示示例那样，分别将第一测定点R1定义在V轴正区域上、将第二测定点R2定义在W轴正区域上、将第三测定点R3定义在V轴负区域上、将第四测定点R4定义在W轴负区域上。
[0177] <<<§3、使用电容元件的实施方式>>>
[0178] 此处，对使用静电电容元件作为检测元件的实施方式进行说明。如上所述，静电电容元件式的多轴力传感器是将对机械结构部作用的力的指定的方向成分作为在指定部分上产生的位移进行检测的传感器。即采用如下原理：由一
对电极构成电容元件，根据电容元件的静电电容值对由于作用的力而在其中一个电极产生的位移进行检测。
[0179] 因此，此处，图10所示的基本结构部中，对利用电容元件检测八种距离d1～d8的实施方式进行说明。图14是该实施方式所涉及的用XY平面截断力传感器后的横向剖视图（上段的图）以及用VZ平面截断后的纵向剖视图（下段的图）。该图14所示的力传感器由对图9所示的基本结构部追加16个电极E11～E18、E21～E28以及规定的检测电路而构成。由16个电极构成的八组电容元件作为测量上述八种距离d1～d8的检测元件起作用。
[0180] 如图14上段的横向剖视图所示，在检测环200内周面的、四个测定点R1～R4的附件部分（测定对象面）分别设置有位移电极E21～E24。而且，在检测环200下表面的、四个测定点R1～R4附件部分（测定对象面）分别设置有位移电极E25～E28（图中以虚线表示）。从字面上看，这八个位移电极E21～E28是基于检测环200的变形而产生位移的电极。
[0181] 另一方面，在与这八个位移电极E21～E28相对的位置（相对基准面）设置有八个固定电极E11～E18。如上述，这八个固定电极E11～E18是直接或间接固定于支撑基板300的电极，无论检测环200如何变形，始终维持固定位置。具体而言，在圆柱状的固定辅助体350的外周面上，在与位移电极E21～E24相对的位置设置有固定电极E11～E14，这些电极通过固定辅助体350间接固定于支撑基板300。并且，在支撑基板300的上表面，固定电极E15～E18直接固定于与位移电极E25～E28相对的位置（图14下段的纵向剖视图中只显示了位移电极E15、E17，位移电极E16位于固定辅助体350的里侧，位移电极E18位于固定辅助体350的外侧）。
[0182] 结果，本实施方式中，由八组位移电极E21～E28和八组固定电极E11～E18构成八组电容元件，其中，八组位移电极E21～E28设置在位于检测环200内周面及下表面的、各测定点R1～R4附近的测定对象面，八组固定电极E11～E18设置在固定辅助体350的外周面及支撑基板300的上表面的、在与各测定对象面相对位置定义的相对基准面。这八组电容元件作为本发明中的检测元件起作用，实现对检测环200的弹性变形进行电检测的功能。
[0183] 此处为了便于说明，将由固定电极E11～E18以及与其相对的位移电极E21～E28构成的电容元件分别称为电容元件C1～C8，且其静电电容值也用相同的符号C1～C8表示。通常，电容元件的静电电容值随着构成该电容元件的一对对向电极的距离增大而减小，随着距离减小而增大。因此，如果对各电容元件C1～C8的静电电容值进行电测量，则能够求得图10所示距离d1～d8，且根据图11所示表格，能够检测作用的力或力矩。
[0184] 但是，电容元件的静电电容值还随着一对对向电极的有效相对面积而变化，如果有效相对面积增大则静电电容值也增大，而如果有效相对面积减小则静电电容值也减小。因此，为了根据上述原理准确测量距离d1～d8，需要设计为即使检测环200产生位移，各电容元件的有效相对面积也不发生变化。因此，设计为使构成各电容元件C1～C8的一个电极投影于另一个电极的形成面的投影图像包括在另一个电极的内部。
[0185] 图15是表示图14所示的力传感器所使用的各电容元件C1～C8的对向电极的尺寸关系的立体图。图中示出电极Ea和电极Eb相对设置的状态。该例中两电极Ea、Eb中的任一个都是矩形的板状电极，电极Ea的纵向尺寸以及横向尺寸都比电极Eb的纵向尺寸以及横向尺寸大。并且，两电极Ea、Eb设置在各自的中心点相对的位置上，因此电极Eb投影于电极Ea的形成面的投影图像A（正交投影投影图像）被包括在电极Ea的内部。总之，电极Ea的尺寸比Eb的尺寸大一圈。
[0186] 如果构成图14所示的力传感器所使用的各电容元件C1～C8的一对对向电极的关系为如图15所示的关系，则即使检测环200产生位移，只要该位移在规定的允许范围内，各电容元件的有效相对面积就不产生变化。即，在图15所示示例的情况中，虚线所示投影图像A的内部面积形成该电容元件的有效相对面积，即使两电极Ea、Eb在与电极面平行方向上位移，只要投影图像A包括在电极Ea内，则有效相对面积一定。
[0187] 在图14所示力传感器的情况下，关于构成各电容元件C1～C8的一对对向电极，设定为各位移电极E21～E28尺寸比各固定电极E11～E18尺寸大一圈，相反也可以设定为各固定电极E11～E18尺寸比各位移电极E21～E28尺寸大一圈。另外，在未作用任何作为检测对象的力、力矩的基准状态下，一对对向电极的位置关系为：一个电极投影于另一个电极的形成面的投影图像（例如，在与连接两电极中心点的线平行的方向上投影的投影图像）包括在另一个电极的内部。
[0188] 两电极的尺寸差是决定检测环200的位移的允许范围（有效相对面积维持一定的范围）的参数。因此，为了设定较大的检测值的动态范围，需要将两电极的尺寸差也设定得较大，即，将图15中的投影图像A的外侧空白区域设定得较大。如果检测环200的位移在允许范围内，则各电容元件C1～C8的有效相对面积维持一定，因此静电电容值C1～C8的变动主要表示距离距离d1～d8的变化。
[0189] 在这种前提下，图16是表示对图14所示的力传感器作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的电容元件C1～C8的静电电容值的变化的表格。该表格中“+”表示静电电容值增加，“-”表示静电电容值减小，“0”表示静电电容值不变。此外，表格中“C1～C8”栏中备注的括号内容表示构成各电容元件的一对对向电极。例如，C1栏的（E11&E21）表示电容元件C1由一对对向电极E11、E21构成。
[0190] 该图16所示的表格能够通过交换图11所示表格中各栏的“+”和“-”而得到。图11所示的表格表示距离d1～d8的增减，而图16所示的表格表示静电电容值C1～C8的增减。由于构成电容元件的一对对向电极的电极间距离增加时静电电容值减少，而电极间距离减少时静电电容值增加，因此可以容易地理解通过图11所示的表格能够得到图16所示的表格。
[0191] 如图16表格所示，静电电容值C1～C8的变化模式在作用6轴成分的各个情况中各自不同，并且作用的力、力矩越大，静电电容值的变化量也越大。因此，如果基于这些静电电容值C1～C8的测量值，通过检测电路进行规定的运算，则能够独立输出6轴成分的检测值。
[0192] 图17是表示用于求得对图14所示的力传感器作用的各坐标轴方向的力Fx、Fy、Fz以及绕各坐标轴的力矩Mx、My、Mz的具体运算式的图。如果参照图16所示的表格，就可以理解根据这种运算式能够得到各个检测值的理由。例如，如果参照图16表格的+Fx行则可知，根据“+”记载的C1、C4的和与“-”记载的C2、C3的和的差，从而能够得到+Fx的检测值。关于其他检测值也相同。
[0193] 另外，在负方向的力-Fx、-Fy、-Fz以及负向转动的力矩-Mx、-My、-Mz作用的情况下，图16表格中的“+”和“-”逆转，因此如果直接利用图17所示的运算式，则能够得到负的各检测值。由于该图17所示的6轴成分的运算式不受其他轴成分的干涉，因此能够独立得到关于6轴成分的各检测值。例如，在+Fy作用的情况中，C1、C2减少，C3、C4增加，而在关于Fx的运算式中，这些减少成分以及增加成分彼此抵消，因此关于Fx的检测值中不包含Fy成分。
[0194] 如图17所示，力Fz以外的运算式是计算与两组电容值的和有关的差分的形式。基于以下原因而优选这种差分检测：即使基本结构部随着
温度环境的变化而膨胀或收缩，对向电极间距离产生变化误差，而由于产生的误差相互抵消，因此也能够得到不包含干扰成分的准确的检测结果。此外，在对于Fz也进行差分检测的情况下，在检测环200的上表面追加位移电极，在其上方设置固定于支撑基板300的辅助基板，在该辅助基板的下表面设置固定电极，追加用于测量检测环200的上表面和辅助基板之间的距离的电容元件，并计算这些电容元件的电容值和电容元件C5～C8的电容值之间的差分即可。
[0195] 图18是表示图14所示的力传感器所使用的检测电路的电路图。该检测电路是根据图17所示的运算式，将力Fx、Fy、Fz以及力矩Mx、My、Mz的检测值作为
电压值输出的电路。首先，八组电容元件C1～C8的静电电容值C1～C8通过C/V转换器11～18分别转换为电压值V1～V8。然后，通过运算器21～30分别计算出两组电压值的和，进而通过运算器31～35得到差分，分别作为Fx、Fy、Mz、My、Mx的检测值而被输出。并且，通过运算器36得到四组电压值的和，将符号反转后的值作为Fz的检测值输出。
[0196] 当然，该图18所示的检测电路示出了一个示例，只要能够理论上输出基于图17的运算式的检测结果，则可以使用任何电路。例如，如果一对电容元件并联连接，则连接后的电容元件对的静电电容值为各个电容元件的静电电容值的和，因此图18所示的电路图中，例如如果电容元件C1和C4并联连接，则连接后的电容元件对的静电电容值为“C1+C4”，因此能够省略运算器21。根据同样的方法，也能够省略运算器22～30、36。
[0197] 另外，图18示出了使用模拟运算器的检测电路，当然图17所示的运算也可以通过数字运算进行。例如，如果在C/V转换器11～18的后段连接A/D转换器，则能够将静电电容值C1～C8分别作为数字值处理，因此通过微型计算机等数字电路进行图17所示的运算，且能够将各检测值作为数字值输出。
[0198] 此处，对使用图14所示的电容元件的力传感器的特征进行汇总，则能够总结如下。首先，基本结构部具有如下特征：受力环100以及检测环200两者都是在XY平面上设置成以Z轴为中心轴的圆形的环，两环设置成受力环100在外侧、检测环200在内侧，在检测环200的更内侧设置下表面固定于支撑基板300的上表面且以Z轴为中心轴的圆柱状的固定辅助体350。
[0199] 然后，作为检测元件，设置有如下八组电容元件。
[0200] （1）第一电容元件C1：由第一位移电极E21和第一固定电极E11构成，该第一位移电极E21设置在检测环200的内周面的第一测定点R1的附近位置，该第一固定电极E11设置在固定辅助体350的外周面的与第一位移电极E21相对的位置。
[0201] （2）第二电容元件C2：由第二位移电极E22和第二固定电极E12构成，该第二位移电极E22设置在检测环200的内周面的第二测定点R2的附近位置，该第二固定电极E12设置在固定辅助体350的外周面的与第二位移电极E22相对的位置。
[0202] （3）第三电容元件C3：由第三位移电极E23和第三固定电极E13构成，该第三位移电极E23设置在检测环200的内周面的第三测定点R3的附近位置，该第三固定电极E13设置在固定辅助体350的外周面的与第三位移电极E23相对的位置。
[0203] （4）第四电容元件C4：由第四位移电极E24和第四固定电极E14构成，该第四位移电极E24设置在检测环200的内周面的第四测定点R4的附近位置，该第四固定电极E14设置在固定辅助体350的外周面的与第四位移电极E24相对的位置。
[0204] （5）第五电容元件C5：由第五位移电极E25和第五固定电极E15构成，该第五位移电极E25设置在检测环200的下表面的第一测定点R1的附近位置，该第五固定电极E15设置在支撑基板300的上表面的与第五位移电极E25相对的位置。
[0205] （6）第六电容元件C6：由第六位移电极E26和第六固定电极E16构成，该第六位移电极E26设置在检测环200的下表面的第二测定点R2的附近位置，该第六固定电极E16设置在支撑基板300的上表面的与第六位移电极E26相对的位置。
[0206] （7）第七电容元件C7：由第七位移电极E27和第七固定电极E17构成，该第七位移电极E27设置在检测环200的下表面的第三测定点R3的附近位置，该第七固定电极E17设置在支撑基板300的上表面的与第七位移电极E27相对的位置。
[0207] （8）第八电容元件C8：由第八位移电极E28和第八固定电极E18构成，该第八位移电极E28设置在检测环200的下表面的第四测定点R4的附近位置，该第八固定电极E18设置在支撑基板300的上表面的与第八位移电极E28相对的位置。
[0208] 其中，构成各电容元件C1～C8的一个电极投影于另一个电极的形成面的投影图像包含在另一个电极内部，只要检测环200的位移在规定的允许范围内，则各电容元件的有效相对面积维持一定。
[0209] 另一方面，该力传感器的检测电路具有以下功能：用相同的符号C1～C8表示各电容元件C1～C8的静电电容值时，根据以下运算式，输出X轴方向的力Fx、Y轴方向的力Fy、Z轴方向的力Fz、绕X轴的力矩Mx、绕Y轴的力矩My、绕Z轴的力矩Mz的检测值，
[0210] Fx=(C1+C4)-(C2+C3)
[0211] Fy=(C3+C4)-(C1+C2)
[0212] Fz=-(C5+C6+C7+C8)
[0213] Mx=(C7+C8)-(C5+C6)
[0214] My=(C5+C8)-(C6+C7)
[0215] Mz=(C2+C4)-(C1+C3)。
[0216] 以上，对图14所示的力传感器的检测原理以及使用该传感器的检测电路进行了说明。该图14所示的力传感器是利用电容元件测量图10所示八种距离d1～d8的设备。其次，对利用电容元件测量图12所示的六种距离d1～d4、d9、d10的类型的力传感器进行简单说明。这种情况下，为了测量距离d1～d4而设置电容元件C1～C4（固定电极E11～E14和位移电极E21～E24）这一点，与图14所示的力传感器相同。但是，由于不对距离d5～d8进行测量，因此不需要图14所示的力传感器中所使用的电容元件C5～C8（固定电极E15～E18和位移电极E25～E28）。
[0217] 取而代之，为了测量图12所示的距离d9、d10而设置有电容元件C9、C10。此处，电容元件C9由位移电极E29和固定电极E19构成，该位移电极E29设置在检测环200的下表面的作用点Q1（作为第五测定点起作用）附近的位置，该固定电极E19设置在支撑基板300的上表面的与位移电极E29相对的位置，电容元件C10由位移电极E30和固定电极E20构成，该位移电极E30设置在检测环200的下表面的作用点Q2（作为第六测定点起作用）附近的位置，该固定电极E20设置在支撑基板300的上表面的与位移电极E30相对的位置。此处同样，设法维持构成电容元件C9、C10的一个电极投影于另一个电极的形成面的投影图像包含在另一个电极内部的关系，从而维持有效相对面积一定。
[0218] 图19是表示对这种力传感器作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的电容元件C1～C4、C9、C10的静电电容值的变化的表格。该表格中同样，“+”表示静电电容值增加，“-”表示静电电容值减小，“0”表示静电电容值不变，表格中的“C1～C4、C9、C10”栏备注的括号内容表示构成各电容元件的一对对向电极。如上所述，由于距离和静电电容值增减关系逆转，因此该图19所示的表格能够通过交换图13所示的表格中各栏的“+”和“-”而得到。
[0219] 如图19的表格所示，静电电容值C1～C4、C9、C10的变化模式在作用6轴成分的各个情况中各自不同，且作用的力、力矩越大，静电电容值的变化量也越大。因此，如果通过检测电路，实施基于这些静电电容值C1～C4、C9、C10的测量值的规定的运算，则能够独立输出各轴成分的检测值。但是，如§2所述，关于力矩Mx的所有电容值都得到“0”（不变）这种结果，因此通过该力传感器无法检测。
[0220] 图20是表示用于求得对该力传感器作用的力Fx、Fy、Fz以及力矩My、Mz的具体运算式的图。如果参照图19所示的表格，则可以容易地理解根据这种运算式能够得到各个检测值的理由。对于根据这种运算式输出5轴成分的检测值，只要准备以图18为基准的检测电路即可。当然，如果将一对电容元件并联连接，则能够省略运算器的一部分，如果通过A/D转换器将静电电容值C1～C4、C9、C10分别作为数字值处理，则作为数字运算的结果，还能够将各检测值作为数字值输出。
[0221] 结果，该力传感器省略图14所示的力传感器中的电容元件C5～C8，取而代之具有如下结构：以第一作用点Q1作为第五测定点，以第二作用点Q2作为第六测定点，并设置有第五电容元件C9和第六电容元件C10。此处，第五电容元件C9由第五位移电极E29和第五固定电极E19构成，该第五位移电极E29设置在检测环200的下表面的第五测定点Q1的附近位置，该第五固定电极E19设置在支撑基板300的上表面的与第五位移电极E29相对的位置，第六电容元件C10由第六位移电极E30和第六固定电极E20构成，该第六位移电极E30设置在检测环200的下表面的第六测定点Q2的附近位置，该第六固定电极E20设置在支撑基板300的上表面的与第六位移电极E30相对的位置。
[0222] 并且，构成各电容元件C1～C4、C9、C10的一个电极投影在另一个电极的形成面的投影图像包含在另一个电极的内部，只要检测环200的位移在规定的允许范围内，则各电容元件的有效相对面积维持一定。
[0223] 此外，该力传感器的检测电路具有以下功能：用相同的符号C1～C4、C9、C10表示各电容元件C1～C4、C9、C10的静电电容值时，根据以下运算式，输出X轴方向的力Fx、Y轴方向的力Fy、Z轴方向的力Fz、绕Y轴的力矩My、绕Z轴的力矩Mz的检测值，
[0224] Fx=(C1+C4)-(C2+C3)
[0225] Fy=(C3+C4)-(C1+C2)
[0226] Fz=-(C9+C10)
[0227] My=C9-C10
[0228] Mz=(C2+C4)-(C1+C3)。
[0229] 最后，对使用电容元件的力传感器能够适用的实用技巧进行说明。图21是对图14所示的力传感器实施该实用工夫后的变形例所涉及的力传感器用XY平面截断后的横向剖视图（上段的图）以及用VZ平面截断后的纵向剖视图（下段的图）。该变形例的特征在于，检测环200由具有可挠性的导电性材料（例如铝合金等金属）构成，以检测环200的表面为公共位移电极E0而构成电容元件C1～C8。如果检测环200的至少表面部分由导电性材料构成，则该表面整体作为一个公共位移电极E0起作用，因此能够利用作为兼用作图14所示的力传感器中的八片位移电极E21～E28的电极。
[0230] 如观察图21可知，检测环200表面上未形成另外的位移电极，例如检测环200外周面上的、与固定电极E11相对的一部分区域作为图14所示的位移电极E21起作用，从而形成电容元件C1。同样，检测环200的下表面上的、与固定电极E15相对的一部分区域作为图14所示的位移电极E25起作用，从而形成电容元件C5。
[0231] 当然，如果使用一个公共位移电极E0（检测环200表面）取代八个位移电极E21～E28，则图18所示的电路图中所示的位移电极E21～E28相互
短路，但是对检测电路的动作没有任何妨碍。即，在位移电极E21～E28接地状态下，C/V转换器11～18中的任何一个都能够将该接地
节点与各固定电极E11～E18之间的静电电容值C1～C8分别独立地转换为电压值V1～V8，因此即使将接地的位移电极E21～E28置换为公共位移电极E0也不会产生问题。
[0232] 结果，在图21所示的变形例中，实质上需要的电极是设置在固定辅助体350的外周面上的四个固定电极E11～E14、以及设置在支撑基板300上表面的四个 电极E15～E18，传感器整体的结构变得极为简单。并且，公共位移电极E0是检测环200的整个表面，因此实现图15所示的电极Ea的功能，并且还满足构成各电容元件的一个电极投影于另一个电极的形成面的投影图像包含在另一个电极内部这样的条件。此外，由于各固定电极E11～E18需要相互电绝缘，因此固定辅助体350的至少表面的一部分（固定电极E11～E14的形成部）以及支撑基板300的至少上表面的一部分（固定电极E15～E18的形成部）需要由绝缘材料构成，其他结构要素可以由金属等导电性材料构成。
[0233] <<<§4、使用应变片的实施方式>>>
[0234] 本发明所涉及的力传感器的共同特征在于，通过检测检测环200的弹性变形的方式以及大小来求得作用的力、力矩的方向以及大小。§2中作为检测弹性变形的方式以及大小的方法之一，对检测测定点的位移的方法进行了说明，§3中作为位移检测的具体方法，对使用电容元件的实施方式进行了说明。此处，作为检测弹性变形的方式以及大小的其他方法，对通过检测元件对检测环200的规定的测定点R1～R4附近位置的机械形变进行电检测的方法进行说明。特别是，对使用应变片作为检测形变的检测元件的具体实施方式进行说明。
[0235] 图22是用XY平面截断使用应变片的实施方式所涉及的力传感器后的剖视图。该力传感器的基本结构部与图1所示的基本结构部完全相同，且与图14所示的使用电容元件的实施方式的基本结构部完全相同。但是，不同之处在于：通过使用应变片作为检测元件来检测机械形变，取代使用电容元件作为检测元件来检测测定点的位移。图22所示的四个测定点R1～R4与图14所示的四个测定点R1～R4完全相同，都是设置在V轴或W轴上的点。
[0236] 该力传感器中，为了对四个测定点R1～R4附近的形变进行电检测而使用总共八种应变片G1～G8。即，如图22所示，应变片G1～G4分别安装在检测环200的内周面的测定点R1～R4附近，应变片G5～G8（图中以虚线表示）分别安装在检测环200的下表面的测定点R1～R4附近。
[0237] 此处，各应变片G1～G8中的任一个都安装成在检测环200的测定点R1～R4附近的表面，沿着沿检测环200的轮廓的环状路径的方向为长度方向（应力的检测方向）。因此，能够将所安装的表面上产生的、有关沿着检测环200的圆周的方向的机械形变，作为关于各应变片G1～G8的长度方向的电阻的变化进行检测。
[0238] 图23是表示对图22所示的力传感器作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的应变片G1～G8的电阻的变化的表格。该表格中“+”表示电阻增加，“-”表示电阻减少，“0”表示电阻的变化为可以无视的程度。通过对§1中所说明的检测环200的具体变形方式进行解析，能够得到这种结果。
[0239] 例如，对受力环100作用X轴正方向的力+Fx时，检测环200如图4所示变形。因此，如果考虑对张贴在检测环200的内周面的应变片G1～G4沿着长度方向作用的应力，则由于对G1、G4沿着伸展方向作用应力，因此电阻增加，而由于对G2、G3沿着收缩方向作用应力，因此电阻减少。另一方面，关于张贴在检测环200的下表面的应变片G5～G8，其电阻的变化为可以无视的程度（有关具体数值在后文说明）。图23的表格的+Fx行示出这种结果。基于同样的理由，Y轴正方向的力+Fy作用时，能够得到图23的表格的+Fy行所示的结果。
[0240] 另外，如果对受力环100作用Z轴正方向的力+Fz，则检测环200如图5所示变形。此时，关于张贴在检测环200的内周面的应变片G1～G4，其电阻的变化为可以无视的程度，而由于对张贴在检测环200的下表面的应变片G5～G8沿着伸展方向作用应力，因此电阻增加。图23的表格的+Fz行示出这种结果。
[0241] 此外，如果对受力环100作用正向绕Y轴的力矩+My，则检测环200如图6所示变形，图的右半部分向下方位移，而图的左半部分向上方位移。此时，关于张贴在检测环200的内周面的应变片G1～G4，其电阻的变化为可以无视的程度，而张贴在检测环200的下表面的应变片G5～G8中，由于对G5、G8沿着收缩方向作用应力，因此电阻减少，而由于对G6、G7沿着伸展方向作用应力，因此电阻增加。图23的表格的+My行示出这种结果。基于同样的理由，正向绕X轴的力矩+Mx作用时，能够得到图23的表格的+Mx行所示的结果。
[0242] 最后，如果对受力环100作用正向绕Z轴的力矩+Mz，则检测环200如图7所示变形。此时，关于张贴在检测环200的下表面的应变片G5～G8，其电阻的变化为可以无视的程度，而张贴在检测环200的内周面的应变片G1～G4中，由于对G2、G4沿着伸展方向作用应力，因此电阻增加，而由于对G1、G3沿着收缩方向作用应力，因此电阻减少。图23的表格的+Mz行示出这种结果。
[0243] 此外，图23的表格示出正方向的力以及正向转动力矩作用时的结果，而作用负方向的力以及负向转动力矩时能够得到“+”和“-”逆转的结果。结果，八组应变片G1～G8的电阻的变化模式在6轴成分作用的各个情况中各自不同，并且作用的力、力矩越大则距离电阻的变化量也越大。因此，如果利用检测电路进行基于这些电阻的测量值的规定的运算，则能够独立输出6轴成分的检测值。
[0244] 图24是表示通过有限要素法分析对图22所示的力传感器作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的应变片G1～G8被施加的应力（单位：MPa）后得到的具体解析结果的表格。图23的表格根据图24的表格制作而成。如上所述，图23表格的“0”栏并非表示电阻的变化为“0”，而是表示比表格的其他栏中的变化小，作为测量值是可以无视的程度。
[0245] 然而，这些测量值是否可以无视取决于力传感器所要求的
精度，如果是只要求低精度的力传感器，则能够进行无视这些测量值的处理，而要求高精度的力传感器则可能是绝不能无视的值。实际上，关于图23所示的表格中记载为“0”的栏，如果产生电阻的变化值，则产生其他轴成分的干涉，从而无法得到高精度检测值。这种情况下，根据需要，优选通过微型计算机等进行补正运算。
[0246] 在图23表格中的“0”栏的电阻变化能够近似作为“0”处理的情况下，对该力传感器作用的力Fx、Fy以及力矩Mx、My、Mz的检测值，能够利用由简单的惠斯通电桥构成的检测电路输出。并且，为了同样能够通过简单的惠斯通电桥得到力Fz的检测值，且通过由简单的惠斯通电桥构成的检测电路输出所有的6轴成分，则只要对检测环200的上表面追加应变片G9～G12即可。
[0247] 图25是图22所示的实施方式中进一步附加有应变片G9～G12的变形例所涉及的力传感器的俯视图。图22所示的应变片G5～G8设置在检测环200的下表面，而图25所示的应变片G9～G12设置在检测环200的上表面。更具体而言，应变片G9～G12是分别设置在应变片G5～G8正上方的相同形状、相同尺寸的 应变片（ケージ抵抗）。因此，应变片G9～G12的电阻的增减与图23的表格所示应变片G5～G8的电阻的增减成相反的关系。
[0248] 这样，如果利用总计12种应变片G1～G12，则能够通过由惠斯通电桥构成的检测电路输出所有的6轴成分的检测值。图26是表示图25所示的变形例所涉及的力传感器中用于检测各坐标轴方向的力Fx、Fy、Fz的检测电路的电路图，图27是表示图25所示的变形例所涉及的力传感器中用于检测绕各坐标轴的力矩Mx、My、Mz的检测电路的电路图。无论哪一种电路图都是由接受电源40供电后动作的惠斯通电桥构成的电路。
[0249] 如果参照图23的表格的+Fx行，则G1、G4为“+”，G2、G3为“-”，因此能够容易地理解由图26上段所示的惠斯通电桥输出的电压VFx是X轴方向的力Fx的检测值。基于同样的理由，由图26中段所示的惠斯通电桥输出的电压VFy是Y轴方向的力Fy的检测值。另外，如果参照图23的表格的+Fz行，则G5～G8为“+”，G9～G12为与其相反的“-”，因此同样能够容易地理解由图26下段所示的惠斯通电桥输出的电压VFz是Z轴方向的力Fz的检测值。
[0250] 另一方面，如果参照图23的表格的+Mx行，则G5、G6为“-”，G7、G8为“+”，因此能够容易地理解由图27上段所示的惠斯通电桥输出的电压VMx是X轴转动力矩Mx的检测值。基于同样的理由，由图27中段所示惠斯通电桥输出的电压VMy是Y轴转动力矩My的检测值。另外，如果参照图23的表格的+Mz行，则G1、G3为“-”，G2、G4为“+”，因此同样能够容易地理解由图27下段所示的惠斯通电桥输出的电压VMz是绕Z轴的力矩Mz的检测值。
[0251] 因此，对该力传感器作用的力Fx、Fy、Fz以及力矩Mx、My、Mz的6轴成分的检测值，通过由简单的惠斯通电桥构成的检测电路进行输出。此外，为了使输出值的符号成为正确的轴方向以及正确的绕轴的符号，需要将与各惠斯通电桥连接的电源40的极性分别设定为适当的方向。
[0252] 此外，组成如图26以及图27所示的由惠斯通电桥构成的检测电路时，由于需要使各个惠斯通电桥构成电独立的电桥，因此即使是电路图中以相同符号表示的应变片，实际上也需要事先使用电独立的其他的应变片。例如，图26的上段电路所示的G1、中段电路所示的G1、图27的下段电路所示的G1中的任何一个都以相同的符号表示，但实际上是各自独立的应变片。
[0253] 因此，图22、图25所示的应变片G1实际上表示相互电独立的多个（构成各自独立的惠斯通电桥所需的数量）应变片的束。换言之，至此所述的应变片G1～G12表示分别具有不同设置属性的12种应变片，实际的力传感器通过如下方式而构成，即：只以构成图26以及图27所示的惠斯通电桥所需的数量，设置具有该12种属性中任一种的应变片。
[0254] 当然，对于只要检测除力Fz以外的5轴成分Fx、Fy、Mx、My、Mz就足够的情况，可以省略设置在检测环200的上表面的应变片G9～G12，可以只使用具有八种属性的应变片G1～G8构成力传感器。
[0255] 此外，图22所示的示例中，应变片G1～G4设置在检测环200的内侧面，反之也可以设置在检测环200的外表面。同样，图22所示的示例中，应变片G5～G8设置在检测环200的下表面，反之也可以设置在检测环200的上表面。虽然内侧面与外侧面、或者上表面与下表面中，应力的施加方向逆转，图23所示的表格中“+”和“-”逆转，但是通过上述惠斯通电桥能够得到各检测值这一点不变。
[0256] 结果，如果对具有这种5轴成分的检测功能的力传感器的特征进行汇总，则可以总结为如下特征。首先，基本结构部是受力环100以及检测环200两者是在XY平面上设置成以Z轴为中心轴的圆形的环，且以受力环100在外侧、检测环200在内侧的方式设置两环。
[0257] 其次，使用在检测环200的第一测定点～第四测定点R1～R4附近的表面、以沿着沿检测环200的轮廓的环状路径的方向为检测方向安装的多个应变片G1～G8作为检测元件。其中，将检测环200的内表面以及外周面中的任一方定义为横向设置面（图22示例的情况中，内表面为横向设置面）、将检测环200的上表面以及下表面中的任一方定义为纵向设置面（图22示例的情况中，下表面为纵向设置面）时，检测元件由具有以下八种属性的应变片中的任一种构成。
[0258] （1）第一属性的应变片G1：安装在横向设置面的第一测定点R1的附近位置。
[0259] （2）第二属性的应变片G2：安装在横向设置面的第二测定点R2的附近位置。
[0260] （3）第三属性的应变片G3：安装在横向设置面的第三测定点R3的附近位置。
[0261] （4）第四属性的应变片G4：安装在横向设置面的第四测定点R4的附近位置。
[0262] （5）第五属性的应变片G5：安装在纵向设置面的第一测定点R1的附近位置。
[0263] （6）第六属性的应变片G6：安装在纵向设置面的第二测定点R2的附近位置。
[0264] （7）第七属性的应变片G7：安装在纵向设置面的第三测定点R3的附近位置。
[0265] （8）第八属性的应变片G8：安装在纵向设置面的第四测定点R4的附近位置。
[0266] 然后，检测电路如图26上段所示，通过以第一属性的应变片G1和第四属性的应变片G4为第一对边、以第二属性的应变片G2和第三属性的应变片G3为第二对边的惠斯通电桥电路，输出X轴方向的力Fx的检测值VFx，如图26中段所示，通过以第一属性的应变片G1和第二属性的应变片G2为第一对边、以第三属性的应变片G3和第四属性的应变片G4为第二对边的惠斯通电桥电路，输出Y轴方向的力Fy的检测值VFy。
[0267] 另一方面，检测电路如图27上段所示，通过以第五属性的应变片G5和第六属性的应变片G6为第一对边、以第七属性的应变片G7和第八属性的应变片G8为第二对边的惠斯通电桥电路，输出绕X轴的力矩Mx的检测值VMx，如图27中段所示，通过以第五属性的应变片G5和第八属性的应变片G8为第一对边、以第六属性的应变片G6和第七属性的应变片G7为第二对边的惠斯通电桥电路，输出绕Y轴的力矩My的检测值VMy，如图27下段所示，通过以第一属性的应变片G1和第三属性的应变片G3为第一对边、以第二属性的应变片G2和第四属性的应变片G4为第二对边的惠斯通电桥电路，输出绕Z轴的力矩Mz的检测值VMz。
[0268] 其次，对于构成用于检测含有力Fz的6轴成分的力传感器的情况，如图25所示，只要进一步附加设置在检测环200的上表面的应变片G9～G12即可。此外，在将设置在检测环200上表面的应变片作为G5～G8、将设置在检测环200下表面的应变片作为G9～G12、改变在上表面/下表面形成的应变片的属性的称呼方式的情况中同样，能够通过图26以及图27所示惠斯通电桥电路进行检测这一点不变。因此，将检测环200的内周面以及外周面中的任一方定义为横向设置面、将检测环200的上表面以及下表面中的任一方定义为第一纵向设置面、另一方定义为第二纵向设置面时，检测元件由具有以下12种属性的应变片中的任一种构成。
[0269] （1）第一属性的应变片G1：安装在横向设置面的第一测定点R1的附近位置。
[0270] （2）第二属性的应变片G2：安装在横向设置面的第二测定点R2的附近位置。
[0271] （3）第三属性的应变片G3：安装在横向设置面的第三测定点R3的附近位置。
[0272] （4）第四属性的应变片G4：安装在横向设置面的第四测定点R4的附近位置。
[0273] （5）第五属性的应变片G5：安装在检测环200的第一纵向设置面的第一测定点R1的附近位置。
[0274] （6）第六属性的应变片G6：安装在检测环200的第一纵向设置面的第二测定点R2的附近位置。
[0275] （7）第七属性的应变片G7：安装在检测环200的第一纵向设置面的第三测定点R3的附近位置。
[0276] （8）第八属性的应变片G8：安装在检测环200的第一纵向设置面的第四测定点R4的附近位置。
[0277] （9）第九属性的应变片G9：安装在检测环200的第二纵向设置面的第一测定点R1的附近位置。
[0278] （10）第十属性的应变片G10：安装在检测环200的第二纵向设置面的第二测定点R2的附近位置。
[0279] （11）第十一属性的应变片G11：安装在检测环200的第二纵向设置面的第三测定点R3的附近位置。
[0280] （12）第十二属性的应变片G12：安装在检测环200的第二纵向设置面的第四测定点R4的附近位置。
[0281] 其次，检测电路如图26上段所示，通过以第一属性的应变片G1和第四属性的应变片G4为第一对边、以第二属性的应变片G2和第三属性的应变片G3为第二对边的惠斯通电桥电路，输出X轴方向的力Fx的检测值VFx，如图26中段所示，通过以第一属性的应变片G1和第二属性的应变片G2为第一对边、以第三属性的应变片G3和第四属性的应变片G4为第二对边的惠斯通电桥电路，输出Y轴方向的力Fy的检测值VFy，如图26下段所示，通过以第五属性的应变片G5和第六属性的应变片G6的串联边以及第七属性的应变片G7和第八属性的应变片G8的串联边为第一对边、以第九属性的应变片G9和第十属性的应变片G10的串联边以及第十一属性的应变片G11和第十二属性的应变片G12的串联边为第二对边的惠斯通电桥电路，输出Z轴方向的力Fz的检测值VFz。
[0282] 另外，检测电路如图27上段所示，通过以第五属性的应变片G5和第六属性的应变片G6为第一对边、以第七属性的应变片G7和第八属性的应变片G8为第二对边的惠斯通电桥电路，输出绕X轴的力矩Mx的检测值VMx，如图27中段所示，通过以第五属性的应变片G5和第八属性的应变片G8为第一对边、以第六属性的应变片G6和第七属性的应变片G7为第二对边的惠斯通电桥电路，输出绕Y轴的力矩My的检测值VMy，如图27下段所示，通过以第一属性的应变片G1和第三属性的应变片G3为第一对边、以第二属性的应变片G2和第四属性的应变片G4为第二对边的惠斯通电桥电路，输出绕Z轴的力矩Mz的检测值VMz。
[0283] <<<§5、适于安装的技巧>>>
[0284] 此处，对适于将至此所述的力传感器安装在机器人、工业机械等上时的技巧进行说明。
[0285] <5-1.受力基板>
[0286] 图28是表示图1所示的基本结构部中附加有受力基板600的方式的XZ平面中的纵向剖视图。实际上，该基本结构部中附加有电容元件、应变片等检测元件，此处为了便于说明，只示出基本结构部。
[0287] 如图所示，受力基板600是隔着规定的距离设置在受力环100以及检测环200的上方的基板，受力基板600具有与XY平面平行的上表面。此处，受力基板600的下表面的一部分（图示示例中为外周附近）与受力环100的上表面连接。并且，在受力基板600的下表面与检测环200的上表面之间形成有规定的空隙部H3。这是由于受力基板600的下表面的内侧部分比外侧部分厚度小。由于设置有这种空隙部H3，因此受力基板600不妨碍检测环200位移。
[0288] 至此所述的实施方式是在固定了支撑基板300的状态下，检测对受力环100作用的力、力矩，而图28所示的示例是在固定了支撑基板300的状态下，检测对受力基板600作用的力、力矩。换言之，受力基板600所受的力、力矩被传递给受力环100。
[0289] 这样，设置有受力基板600的力传感器安装在
机器人手臂等中继部分时，容易安装。例如，如果将受力基板600的上表面与机器人的手部接合，将支撑基板300的下表面与机器人的臂部接合，则该力传感器能够安装在机器人的
手腕上，从而能够检测对手部施加的力、力矩。
[0290] <5-2、检测环的其他固定方法>
[0291] 图29是表示改变图1所示的基本结构部中的检测环200的固定方法后的变形例的俯视图。此处同样，实际上，该基本结构部中也附加有电容元件、应变片等检测元件，为了便于说明，只示出基本结构部。
[0292] 在图1所示的基本结构部中，检测环200通过固定部件510、520被固定于支撑基板300。其中，固定部件510、520实现连接检测环200下表面与支撑基板300上表面的功能。与此相对，在图29所示的基本结构部中，检测环200通过固定部件515、525被固定于固定辅助体350。
[0293] 采用这种固定方法的前提是：两环设置成受力环100位于外侧、检测环200位于内侧，且进一步在检测环200更内侧设置下表面固定于支撑基板300上表面的固定辅助体350。图14、图21所示的力传感器具备符合这种前提的基本结构部。受力环100和检测环
200通过沿着X轴的连接部件410、420连接这点与图14、图21所示的力传感器相同，而在图29所示的力传感器的情况中，为了将检测环200固定于支撑基板300上，固定部件515、
525将检测环200的内周面与固定辅助体350的外周面连接。
[0294] 固定部件515、525沿着Y轴设置，因此检测环200上定义的固定点P1、P2的位置、作用点Q1、Q2的位置与至此所述的实施方式相同。因此，虽然采用了与至此的固定方法不同的固定方法，但是作为力传感器的基本动作与至此所述的实施方式相同。检测环200通过固定部件515、525以及固定辅助体350相对于支撑基板300固定。由于与支撑基板300的上表面接合的部件只有固定辅助体350，因此与至此所述的实施方式相比，组装工序多少被简化。特别是在最后阶段将固定辅助体350与支撑基板300接合而安装该力传感器的这种环境中，安装变得容易。
[0295] <5-3、位移控制结构（其1）>
[0296] 图30是表示图1所示的基本结构部中附加有位移控制结构的示例的俯视图，图31是该示例用XZ平面截断后的纵向剖视图。如图31所示，受力环100的左右两端附近形成有贯通上下的贯通孔105、107，在受力环100的上表面的贯通孔105、107位置处，形成有比贯通孔105、107直径大的槽部101、103。
[0297] 而且，以插通该贯通孔105、107的方式嵌入位移控制螺丝111、113。该位移控制螺丝111、113处于前端部固定在形成于支撑基板300的上表面的螺丝孔中，头部容纳在槽部101、103内的状态。并且，位移控制螺丝111与贯通孔105的内表面和槽部101的内表面之间形成有空隙部，位移控制螺丝113、与贯通孔107的内表面和槽部103内表面之间形成有空隙部。
[0298] 图31是XZ剖视图，因此只显示出两根位移控制螺丝111、113及其周围的结构，而实际上，如图30的俯视图所示，四根位移控制螺丝111、112、113、114设置在规定位置（该例中为，X轴正和负以及Y轴正和负共计四处），其周围结构中的任何一个都相同。四根位移控制螺丝111、112、113、114的头部分别容纳在槽部101、102、103、104内，而两者之间形成有空隙部。这意味着各位移控制螺丝111～114不起固定受力环100的作用。
[0299] 各位移控制螺丝111～114由于其前端部固定在形成于支撑基板300的上表面的螺丝孔中，因此位移控制螺丝本身以相对于支撑基板300垂直竖立的状态被固定。另一方面，受力环100并未被位移控制螺丝111～114固定，因此当力或力矩作用时产生位移。但是，如果位移量增大，则位移控制螺丝111～114与贯通孔105～108的内表面或者槽部101～104的内表面接触，从而限制受力环100的位移。
[0300] 此处，对受力100作用超过规定的允许范围的力或力矩时，如果以通过位移控制螺丝111～114限制受力环100的位移的方式事先设定空隙部的尺寸，则能够限制受力环100过度位移。如果这样事先设置限制受力环100位移的控制结构，则即使过度的力、力矩作用时，也能够防止基本结构部受到机械损伤。特别是，检测环200是具有可挠性的部件，对在规定的允许范围内作用的力产生弹性变形，但是当作用超过允许范围的力时，则存在损伤的可能性。因此，如此处所示示例那样，实用上优选事先设置某种位移控制结构。
[0301] <5-4、位移控制结构（其2）>
[0302] 此处，对控制受力环100过度位移的其他结构例进行说明。此处所示示例是利用设置在受力环100的上方的受力基板600来实现位移的控制结构的示例。即，此处所述示例是将使用§3所述电容元件的实施方式改良为更适于安装的形式的力传感器的示例，基本的结构与图21所示的力传感器完全相同。
[0303] 图32是该力传感器的俯视图，图33是用XZ平面截断该力传感器后的纵向剖视图，图34是用VZ平面截断该力传感器后的纵向剖视图。此处，V轴以及W轴与图21所示的实施方式中定义的V轴以及W轴相同，是位于XY平面内且相对于X轴或Y轴倾斜45°的坐标轴。
[0304] 如图32所示，该力传感器上部被圆盘状的受力基板600A
覆盖。图32中绘制的虚线表示受力环100A的位置。如图所示，在位于受力基板600A的X轴以及Y轴上方这四处形成有圆形的槽部601、603、605、607，在这些槽部的中心位置形成贯通孔，其中插通有固定螺丝611、613、615、617。该固定螺丝611、613、615、617起将受力基板600A固定于受力环100A的作用。
[0305] 图33中明确示出固定螺丝611、615被固定在受力环100A的上表面形成的螺丝孔中的状态。固定螺丝611、615的头部容纳在槽部601、605内。固定螺丝613、615的固定状态也相同。此外，在支撑基板300A的下表面的固定螺丝611、613、615、617的正下方的位置，分别形成有螺丝孔301、303、305、307。这些螺丝孔起将支撑基板300A固定于其下方的物体（例如机器人的臂部）的作用。
[0306] 另一方面，如图32所示，在位于受力基板600A的V轴以及W轴的上方的四处形成有圆形贯通孔602、604、606、608，在其内部嵌入有圆筒状间隔物622、624、626、628，进一步在上述间隔物内部插通有固定螺丝612、614、616、618。这些固定螺丝612、614、616、618起将受力环100A固定于受力基板600A的上方的物体（例如机器人的手部）的作用。
[0307] 图34明确示出固定螺丝612、616及其周围结构。固定螺丝612的头部容纳在受力环100A的下表面形成的槽部121内，其前端部经由受力环100A上形成的贯通孔以及受力基板600A上形成的贯通孔602向上方突出。该固定螺丝612与贯通孔602内壁面之间嵌入有圆筒状的间隔物622。同样，固定螺丝616的头部容纳在受力环100A的下表面形成的槽部126内，其前端部经由在受力环100A形成的贯通孔以及在受力基板600A形成的贯通孔606向上方突出。在该固定螺丝616与贯通孔606内壁面之间嵌入有圆筒状间隔物626。固定螺丝614、618的周围的结构也相同。
[0308] 如果事先在受力基板600A的上方物体（例如机器人的手部）的下表面形成与固定螺丝612、614、616、618前端部螺合的螺丝孔，则该物体通过这些固定螺丝被牢固地固定在间隔物622、624、626、628的上端位置处。
[0309] 如图33以及图34所示，受力基板600A的下表面外周部与包容受力环100A及检测环200A的包容筒状体650（本例中为圆筒状的物体）连接（图示示例中，受力基板600A与包容筒状体650形成一体的结构体）。并且，包容筒状体650的下端部和支撑基板300A的外周部之间形成有空隙部H4、H5。即，本例中，支撑基板300A的边缘部设置有阶梯部，包容筒状体650的下端面与阶梯部之间形成有空隙部H4。并且，包容筒状体650的内壁面与支撑基板300A的阶梯内侧的边缘部之间形成有空隙部H5。
[0310] 此处，对受力基板600A作用超过允许范围的力或力矩时，对空隙部H4、H5的尺寸进行设定，以使包容筒状体650的下端部与支撑基板300A的外周部接触，从而限制受力基板600A的位移。因此，在这种力传感器的情况下也同样，当过度的力、力矩作用时，也能够防止基本结构部受到机械损伤。
[0311] 此外，该力传感器中安装有构成检测电路的电子部件的检测电路基板380设置在支撑基板300A的上表面。图示示例中，检测电路基板380是环绕固定辅助体350A的周围的垫片状电路基板，如图34所示，固定电极E15、E16、E17、E18设置在该检测电路基板380的上表面。此外，图中省略了安装在检测电路基板380上的电子部件，这些电子部件是例如构成图18所示电路的部件。在这些电子部件与公共位移电极E0（即检测环200A）以及各固定电极E11～E18之间进行配线。
[0312] 这样，如果在支撑基板300A的上表面设置检测电路基板380并安装检测电路的部件，则能够将作为力传感器所需的结构要素全部装入内部。从而能够实现装置整体的省空间化、薄型化。
[0313] <<<§6、形成隔膜部的实施方式>>>
[0314] 至此所述实施方式中，使用整体具有可挠性的圆环状的环作为检测环200，但本发明所使用的检测环200不必整体都具有可挠性，只要是至少一部分产生弹性变形的环即可。此处，对在检测环200的一部分形成隔膜部、且该隔膜部实现弹性变形功能的实施方式进行说明。
[0315] 图35是检测环上形成有隔膜部的实施方式的基本结构部用XY平面截断后的横向剖视图（上段的图）以及用XZ平面截断后的纵向剖视图（下段的图）。此处同样，V轴以及W轴与至此所述实施方式中定义的V轴以及W轴相同，是位于XY平面内且相对于X轴或Y轴倾斜45°的坐标轴。
[0316] 此处所示基本结构部具有如下结构：检测环200B设置在受力环100B的内侧，进一步在检测环200B的内侧设置固定辅助体350B，并在这些部件下方设置支撑基板300B。受力环100B与检测环200B之间确保有空隙部H6，检测环200B与固定辅助体350B之间确保有空隙部H7。而且，受力环100B和检测环200B被支撑在悬浮在支撑基板300B上方的位置，因此检测环200B能够在规定的允许范围内变形以及位移。
[0317] 受力环100B以及检测环200B的中任一个都是圆环状的环，在XY平面上以Z轴为中心轴设置。而且，支撑基板300B具有与XY平面平行的上表面，并隔着规定的距离设置在受力环100B以及检测环200B的下方。并且，固定辅助体350B是以Z轴为中心轴设置的圆柱状的结构体，其下表面与支撑基板300B的上表面接合。这种特征与图8所示的基本结构部相同。
[0318] 但是，此处所示的实施方式的情况下，检测环200B并非几何学上的完美的圆环，如图35上段的横向剖视图所示，在其一部分上设置有四组隔膜部D1～D4。而且，连接受力环100B和检测环200B的四根连接部件431～434是以X轴或Y轴为中心轴的圆柱状部件，其内侧端与各隔膜部D1～D4的中心位置连接。因此，各隔膜部D1～D4的中心位置分别作为作用点Q11～Q14起作用。在实用上，受力环100B、检测环200B、连接部件431～434可以用金属等的相同材料制造成一体的结构体。
[0319] 另一方面，如图所示，在检测环200B的V轴以及W轴上定义固定点P11～P14。并且，检测环200B的固定点P11～P14的位置为通过固定部件531～534固定于支撑基板300B的上表面。图35中，以虚线绘制的固定部件531～534设置在检测环200B的固定点P11～P14的位置的下面。图36是图35所示的基本结构部用VZ平面截断后的纵向剖视图。该图中明确示出如下状态：检测环200B的固定点P11的附近的下表面通过固定部件
531固定在支撑基板300B的上表面，检测环200B的固定点P13附近的下表面通过固定部件
533固定于支撑基板300B的上表面。
[0320] 结果，如图35上段的横向剖视图所示，检测环200B在四处固定点P11～P14的位置处被固定于支撑基板300B的状态下，在四处作用点Q11～Q14的位置处受力。隔膜部D1～D4是在检测环200B上形成的、比其他部分厚度薄的部分，并具有可挠性。因此，如果从受力环100B经由四根连接部件431～434对各用点Q11～Q14作用力，则主要在隔膜部D1～D4产生弹性变形。当然，检测环200B的各部由相同材料构成的情况下，严格的说，虽然隔膜部D1～D4以外的部分也多少产生弹性变形，但是实质上，弹性变形集中在隔膜部D1～D4。
[0321] 因此，此处所示实施方式中通过检测元件对该隔膜部D1～D4产生的弹性变形进行电检测。具体而言，与§3所述实施方式相同，采用利用电容元件测定隔膜部D1～D4产生的位移，然后根据其结果识别弹性变形方式的方法。如后所述，在支撑基板300B被固定状态下，对受力环100B作用各坐标轴方向的力Fx、Fy、Fz以及绕各坐标轴的力矩Mx、My、Mz时，隔膜部D1～D4的变形方式各自不同，因此通过测定隔膜部D1～D4产生的位移，能够分别独立检测6轴成分。
[0322] 图37是通过在图35所示的基本结构部附加电容元件而构成的力传感器用XY平面截断后的横向剖视图。该力传感器中设置有共计40个电极，并构成20组电容元件。此处为了方便，以设置在彼此附近的五个电极作为一个电极组，构成共计八组电极组，进行说明。图37中，以符号T10、T20、T30、T40表示的电极组是各自由五个位移电极构成的位移电极组，设置在检测环200B的内周面的各隔膜部D1、D2、D3、D4的位置。与此相对，以符号U10、U20、U30、U40表示的电极组是各自由五个固定电极构成的固定电极组，设置在固定辅助体350B的外周面的、与各个位移电极组T10、T20、T30、T40相对的位置。
[0323] 由于难以在图37中详细示出这八组电极组（40个电极），因此各电极的形状以及设置示于图38的表格。该表格中，附有标题T10、T20、T30、T40的栏中示出图37所示位移电极组T10、T20、T30、T40的俯视图，附有标题U10、U20、U30、U40的栏中示出图37所示的固定电极组U10、U20、U30、U40的俯视图。各俯视图分别示出从图37所示的视点e1、e2、e3、e4的位置观察到的各电极组的状态。为了明确相对于XYZ坐标系的位置关系，各俯视图中分别示出X、Y、Z轴的方向。任何一个俯视图中Z轴都指向上方。此外，固定电极组U10、U20、U30、U40的俯视图中的虚线示出属于与相对的位移电极组T10、T20、T30、T40的位移电极的投影图像（在X轴或Y轴方向上的投影图像）。
[0324] 例如，图38的“T10”栏示出属于位移电极组T10的五个位移电极T11～T15的俯视图。该俯视图从图37所示的视点e1的位置观察X轴正方向而得到。位移电极T11～T15中的任一个都设置在检测环200B的内周面的隔膜部D1的部分。因此，实际上，各电极虽然在曲面上形成，但为了便于说明，图38中作为设置在平面上的图显示。位移电极T11～T14是尺寸相同的梯形电极，位移电极T15是正方形电极。位移电极T15设置成中心点位于X轴上，位移电极T11～T14设置成围绕在位移电极T15周围。图示俯视图中，该位移电极组T10对Y轴、对Z轴都具有对称性。
[0325] 另一方面，图38的“U10”栏示出属于固定电极组U10的五个固定电极U11～U15的俯视图。该俯视图从图37所示的视点e1的位置观察X轴负方向而得到。固定电极U11～U15分别设置在与位移电极T11～T15相对的位置。图示俯视图中，该固定电极组U10对Y轴、对Z轴都具有对称性。如上所述，图中的虚线示出相对的位移电极组T11～T15的投影图像（在X轴方向上的投影图像）。
[0326] 由于五个位移电极T11～T15与五个固定电极U11～U15分别相对，因此形成五组电容元件C11～C15。并且，如图38中“U10”栏所示，实线所示固定电极U11～U15分别包含在虚线所示位移电极组T11～T15的投影图像内。这意味着各对向电极具有图15所示的电极Ea、Eb的关系。即，电容元件C11～C15满足一个电极投影在另一个电极的形成面上的投影图像被包含在该另一个电极的内部这种条件，只要隔膜部D1的位移在规定的允许范围内，则各电容元件C11～C15的有效相对面积维持一定。
[0327] 图38的“T20”、“T30”、“T40”的各栏所示的位移电极组以及“U20”、“U30”、“U40”的各栏所示的固定电极组也完全相同。结果，由位移电极T11～T15和固定电极U11～U15形成电容元件C11～C15（以下称为电容元件组C10），由位移电极T21～T25和固定电极U21～U25形成电容元件C21～C25（以下称为电容元件组C20），由位移电极T31～T35和固定电极U31～U35形成电容元件C31～C35（以下称为电容元件组C30），由位移电极T41～T45和固定电极U41～U45形成电容元件C41～C45（以下称为电容元件组C40）。此处，电容元件组C10、C20、C30、C40分别作为检测隔膜部D1、D2、D3、D4的位移（弹性变形）的检测元件起作用。
[0328] 然后，研究该力传感器中，在固定了支撑基板300B的状态下，对受力环100B作用各坐标轴方向的力+Fx、+Fy、+Fz以及绕各坐标轴的力矩+Mx、+My、+Mz时，电容元件组C10、C20、C30、C40的静电电容值如何发生变化。图39是表示对图37所示力传感器作用各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩时的电容元件C11～C45的静电电容值的变化的表格。该表格中“+”表示静电电容值增加，“-”表示静电电容值减少，“0”表示静电电容值不变。
如果考虑检测环200B的具体变形方式，则能够理解可以得到这种结果。
[0329] 例如图37中，如果对受力环100B作用X轴正方向的力+Fx，则隔膜部D1被向右方向拉伸，而隔膜部D3被向右方向
挤压。其结果，电容元件组C10的电极间距离扩大静电电容值减少，而电容元件组C30的电极间距离缩小静电电容值增加。此时，电容元件组C20、C40虽然产生向X轴方向的位移，但电极间距离和有效相对面积部产生实质的变化，因此静电电容值不变。图39表格中的+Fx行示出这种结果。基于同样的理由，作用Y轴正方向的力+Fy时，能够得到图39表格中的+Fx行所示的结果。
[0330] 其次，考虑对受力环100B作用Z轴正方向的力+Fz时的情况。图40是表示作用力+Fz时的变形状态的XZ平面中的纵向剖视图。为了便于说明，只提取需要的结构要素、并变形显示各部。因此，各部分的形状并不准确显示实际的变形方式。如图所示，如果受力环100B向上方移动，则经由连接部件431、433向隔膜部D1、D3的中央部分传递向上方的力。其结果，隔膜部D1、D3如图所示倾斜。图中，隔膜部D1、D3绘制成平板，而实际上形成产生扭曲的复杂形状。但是，如果考虑与固定辅助体350B外周面的距离的变化，则如图所示，上部的距离d（上）减小，而下部的距离d（下）增大。
[0331] 其结果，图38所示表格中，由设置在上部的电极对形成的电容元件C13、C23、C33、C43的静电电容值增加，而由设置在下部的电极对形成的电容元件C14、C24、C34、C44的静电电容值减少。另一方面，设置在中央、左右的电极对的距离，上半部分减小而下半部分增大，因此两者抵消，由这些电极对形成的电容元件的静电电容值不变。图39表格中的+Fz行示出这种结果。
[0332] 然后，考虑对受力环100B作用正向绕Y轴的力矩+My时的情况。这种情况下，图37中受力环100B的左端向Z轴正方向（从纸面向外方向）移动，因此隔膜部D3与图40同样地倾斜，上部的距离d（上）减小，而下部的距离d（下）增大。从而，电容元件C33的静电电容值增加，而电容元件C34的静电电容值减少。反之，受力环100B的右端向Z轴负方向（从纸面向内侧方向）移动，因此隔膜部D1向与图40相反方向倾斜，上部的距离d（上）增大，而下部的距离d（下）减小。从而，电容元件C13的静电电容值减少，而电容元件C14的静电电容值增加。其他电容元件的静电电容值不变。图39表格中的+My行示出这种结果。
基于同样的理由，作用正向绕X轴的力矩+Mx时，能够得到图39表格中的+Mx行所示的结果。
[0333] 最后，考虑对受力环100B作用正向绕Z轴的力矩+Mz时的情况。图41是表示作用力矩+Mz时的变形状态的XZ平面的纵向剖视图。为了便于说明，该图中同样也只提取需要的结构要素、并变形显示各部。因此，各部分的形状并不准确显示实际的变形方式。如图所示，如果力矩+Mz作用，则受力环100B逆时针旋转，因此隔膜部D1如图所示倾斜。此处同样，隔膜部D1绘制成平板，而实际上形成产生扭曲的复杂形状。但是，如果考虑与固定辅助体350B的外周面的距离的变化，则如图所示，从视点e1观察时，左侧（图41中的上侧）的距离d（左）减小，而右侧（图41中的下侧）的距离d（右）增大。其结果，电容元件C11的静电电容值增加，而电容元件C12的静电电容值减少。基于同样的理由，电容元件C21、C32、C42的静电电容值增加，而电容元件C22、C31、C41的静电电容值减少。其他电容元件的静电电容值不变。图39表格中的+Mz行示出这种结果。
[0334] 此外，图39的表格示出作用正方向的力以及正向转动力矩时的结果，而作用负方向的力以及负向转动力矩时能够得到“+”和“-”逆转的结果。结果，20组电容元件C11～C45的静电电容值的变化模式在6轴成分作用的各个情况中各自不同，并且作用的力、力矩越大则变化量也越大。然后，如果利用检测电路根据这些静电电容值的测量值进行规定的运算，则能够独立输出6轴成分的检测值。
[0335] 图42是表示用于计算对图37所示的力传感器作用的各坐标轴方向的力Fx、Fy、Fz以及绕各坐标轴的力矩Mx、My、Mz的具体运算式的图。该式中的C11～C45分别表示以相同的符号表示的电容元件C11～C45的静电电容值。如果参照图39所示表格，就可以理解根据这种运算式能够得到各个检测值的理由。例如，有关Fx的第一式是图39表格的+Fx行中标记为“+”的五组电容元件的电容值总和与标记为“-”的五组电容元件的电容值总和的差分。第二式以及第三式是只使用五组电容元件中的四组或一组时的运算式。关于其他检测值也相同。
[0336] 另外，在作用负方向的力-Fx、-Fy、-Fz以及负向转动力矩-Mx、-My、-Mz的情况中，图39表格中的“+”和“-”逆转，因此如果直接利用图42所示运算式，则能够得到负的各检测值。由于该图42所示6轴成分的运算式不受其他轴成分的干涉，因此能够独立获得关于6轴成分的各检测值。并且，根据该运算式，由于其中任何一个都是进行求取差值的计算，因此即使基本结构部由于温度环境变化而膨胀或收缩、从而产生对向电极间距离变化的误差，由于产生的误差能够相互抵消，因此也能够得到不包含干扰成分的准确的检测结果。
[0337] 此处，虽然省略了根据该图42所示运算式输出6轴成分检测值的检测电路的举例，但是能够构成以图18所示电路图为基准的检测电路。当然，如果将多个电容元件并联连接，则能够省略用于进行加法计算的运算器，并且，如果通过A/D转换器将静电电容值C11～C45分别作为数字值处理，则作为数字计算结果，能够将各检测值作为数字值输出。
[0338] 另外，图37所示的力传感器的结构只示出一例，具体结构部分的规格在设计上可以适当改变。例如，如图43的（a）所示（从X轴方向观察原点O方向的图），图37所示的力传感器的隔膜部D1的轮廓为矩形，其中心位置上接合有连接部件431（示出截面）。这种形状的隔膜部D1能够通过对检测环200B的一部分进行切削加工而形成，制造工艺比较简单。但是，隔膜部的形状并不一定限制为矩形。
[0339] 图43的（b）所示示例（也是从X轴方向观察原点O方向的图）是形成轮廓为圆形的隔膜部D1’的示例。隔膜部D1’的中心位置上接合有连接部件431这点相同，但隔膜部D1’通过在检测环200B上挖圆形槽而形成，其周围全部被检测环200B的厚壁部分围绕。
[0340] 另一方面，图44是表示图37所示的力传感器的电极组的变形例的俯视图（阴影线用于清楚地显示各电极的形状而并非显示剖面）。如图38的俯视图所示，在图37所示的力传感器中，由一个正方形电极和四个梯形电极共五个电极构成一组电极组，但构成各电极组的电极的数量、形状、设置并不仅限于图38所示示例。图44的（a）是由四个等腰三
角形形成的电极构成一组电极组的示例。另外，图44的（b）是由一个正方形电极和四个L字形电极共五个电极构成一组电极组的示例。而且，图44的（c）是由四个正方形电极构成一组电极组的示例。当然还可以考虑其他各种电极构成。
[0341] 此处，省略了有关采用该图44中作为变形例示出的电极结构时的6轴成分的检测方法的详细说明，但其中任何一种情况都可以制成以图39为基准的表格，并且根据该表格能够定义以图42为基准的运算式。
[0342] 最后，对该§6所述实施方式的特征进行总结。首先第一，如图35所示，在沿着检测环200B轮廓的环状路径，交替设置有四个作用点Q11～Q14和四个固定点P11～P14，检测环200B的四个作用点Q11～Q14的附近部分构成比其他部分厚度薄的隔膜部D1～D4。而且，四个连接部件431～434在作用点Q11～Q14的位置处与各隔膜部D1～D4连接，四个固定部件531～534在 点P1～P4的位置与检测环200B的下表面连接。
[0343] 作用点以及固定点的数量不必一定限定为四个，可以设定为任意的复数n个。总之，在沿着检测环200B轮廓的环状路径，交替设置有复数n个作用点Q11～Q1n和复数n个固定点P11～P1n，检测环200B的n个作用点Q11～Q1n的附近部分构成比其他部分厚度薄的隔膜部D1～Dn，n个连接部件与各隔膜部连接，n个固定部件将各固定点P11～P1n固定于支撑基板300B即可。然后，对具有这种结构的基本结构部附加对各隔膜部D1～Dn的弹性变形进行电检测的检测元件即可。
[0344] 但是实用上，如上述实施方式那样，如果在沿着检测环200B轮廓的环状路径上，按照第一作用点Q11、第一固定点P11、第二作用点Q12、第二固定点P12、第三作用点Q13、第三固定点P13、第四作用点Q14、第四固定点P14的顺序设置四个作用点以及四个固定点，检测环200B的第一作用点Q11的附近部分构成第一隔膜部D1，检测环的第二作用点Q12的附近部分构成第二隔膜部D2，检测环的第三作用点Q13的附近部分构成第三隔膜部D3，检测环的第四作用点Q14的附近部分构成第四隔膜部D4，并通过检测元件对上述第一隔膜部～第四隔膜部D1～D4的弹性变形进行电检测，就能够非常有效地进行检测。
[0345] 特别是，对于实现能够独立检测XYZ三维正交坐标系中的各坐标轴方向的力Fx、Fy、Fz以及绕各坐标轴的力矩Mx、My、Mz的6轴成分的力传感器而言，采用上述实施方式的结构最有效。具体而言，关于作用点，分别将第一作用点Q11设置在X轴正区域、第二作用点Q12设置在Y轴正区域、第三作用点Q13设置在X轴负区域、第四作用点Q14设置在Y轴负区域，第一隔膜部D1位于X轴正区域、第二隔膜部D2位于Y轴正区域、第三隔膜部D3位于X轴负区域、第四隔膜部D4位于Y轴负区域。
[0346] 并且，通过沿着X轴正区域延伸的第一连接部件431，第一隔膜部D1与受力环100B连接，通过沿着Y轴正区域延伸的第二连接部件432，第二隔膜部D2与受力环100B连接，通过沿着X轴负区域延伸的第三连接部件433，第三隔膜部D3与受力环100B连接，通过沿着Y轴负区域延伸的第四连接部件434，第四隔膜部D4与受力环100B连接。
[0347] 另一方面，关于固定点，定义了V轴和W轴时，分别将第一固定点P11设置在V轴正区域、将第二固定点P12设置在W轴正区域、将第三固定点P13设置在V轴负区域、将第四固定点P14设置在W轴负区域，在各固定点的位置上，检测环200B相对于支撑基板300B被固定即可，上述V轴通过XYZ三维正交坐标系中的原点O、正区域位于XY平面的第一象限、负区域位于XY平面的第三象限、与X轴成45°的V轴，上述W轴通过XYZ三维正交坐标系中的原点O、正区域位于XY平面的第二象限、负区域位于XY平面的第四象限、与V轴正交的W轴。
[0348] 此处，对各隔膜部D1～D4的弹性变形进行电检测，可以采用利用电容元件等测定各部位移的方法，也可以采用利用应变片等测定各部所产生的机械形变的方法。图37所示的力传感器采用前者的方法进行了如下设计，以便能够利用电容元件有效地进行位移测定。
[0349] 首先，将受力环100B以及检测环200B两者设计为在XY平面上设置成以Z轴为中心轴的圆形的环，且两环设置成受力环100B位于外侧而检测环200B位于内侧。并且，为了支撑固定电极，而在检测环200B的更内侧设置圆柱状的固定辅助体350B，其下表面固定于支撑基板300B的上表面且以Z轴为中心轴。
[0350] 其次，检测元件由以下四组电容元件组构成。
[0351] （1）第一电容元件组C10，由多个电容元件C11～C15构成，上述多个电容元件C11～C15由第一位移电极组T10和第一固定电极组U10构成，其中，该第一位移电极组T10由设置在检测环200B的内周面的第一隔膜D1部分的多个位移电极T11～T15构成，第一固定电极组U10由设置在固定辅助体350B的外周面的与第一位移电极组T10的各个位移电极分别相对的位置上的多个固定电极U11～U15构成。
[0352] （2）第二电容元件组C20，由多个电容元件C21～C25构成，上述多个电容元件C21～C25由第二位移电极组T20和第二固定电极组U20构成，其中，该第二位移电极组T20由设置在检测环200B的内周面的第二隔膜D2部分的多个位移电极T21～T25构成，第二固定电极组U20由设置在固定辅助体350B的外周面的与第二位移电极组T20的各个位移电极分别相对的位置上的多个固定电极U21～U25构成。
[0353] （3）第三电容元件组C30，由多个电容元件C31～C35构成，上述多个电容元件C31～C35由第三位移电极组T30和第三固定电极组U30构成，其中，该第三位移电极组T30由设置在检测环200B的内周面的 隔膜D3部分的多个位移电极T31～T35构成，第三固定电极组U30由设置在固定辅助体350B的外周面的与第三位移电极组T30的各个位移电极分别相对的位置上的多个固定电极U31～U35构成。
[0354] （4）第四电容元件组C40，由多个电容元件C41～C45构成，上述多个电容元件C41～C45由第四位移电极组T40和第四固定电极组U40构成，其中，该第四位移电极组T40由设置在检测环200B的内周面的第四隔膜D4部分的多个位移电极T41～T45构成，第四固定电极组U40包括设置在固定辅助体350B的外周面的与第四位移电极组T40的各个位移电极分别相对的位置上的多个固定电极U41～U45构成。
[0355] 其中，构成各电容元件C11～C45的一个电极投影于另一个电极的形成面的投影图像具有被包含在该另一个电极的内部的关系。然后，利用检测电路，根据各电容元件C11～C45的静电电容值输出规定的检测值。
[0356] 如图44所例示那样，作为各电容元件组的成员的各个电容元件的电极的数量、形状、设置模式可以考虑各种变化，在采用图38所示实施方式的力传感器的情况中，各电容元件组的结构如下。
[0357] （1）第一电容元件组C10包括：设置在X轴上的第一组的轴上电容元件C15；相对于第一组的轴上电容元件C15与Y轴正方向邻接设置的第一组的第一电容元件C11；相对于第一组的轴上电容元件C15与Y轴负方向邻接设置的第一组的第二电容元件C12；相对于第一组的轴上电容元件C15与Z轴正方向邻接设置的第一组的第三电容元件C13；以及相对于第一组的轴上电容元件C15与Z轴负方向邻接设置的第一组的第四电容元件C14。
[0358] （2）第二电容元件组C20包括：设置在Y轴上的第二组的轴上电容元件C25；相对于第二组的轴上电容元件C25与X轴正方向邻接设置的第二组的第一电容元件C21；相对于第二组的轴上电容元件C25与X轴负方向邻接设置的第二组的第二电容元件C22；相对于第二组的轴上电容元件C25与Z轴正方向邻接设置的第二组的第三电容元件C23；以及相对于第二组的轴上电容元件C25与Z轴负方向邻接设置的第二组的第四电容元件C24。
[0359] （3）第三电容元件组C30包括：设置在X轴上的第三组的轴上电容元件C35；相对于第三组的轴上电容元件C35与Y轴正方向邻接设置的第三组的第一电容元件C31；相对于第三组的轴上电容元件C35与Y轴负方向邻接设置的第三组的第二电容元件C32；相对于第三组的轴上电容元件C35与Z轴正方向邻接设置的第三组的第三电容元件C33；以及相对于第三组的轴上电容元件C35与Z轴负方向邻接设置的第三组的第四电容元件C34。
[0360] （4）第四电容元件组C40包括：设置在Y轴上的第四组的轴上电容元件C45；相对于第四组的轴上电容元件C45与X轴正方向邻接设置的第四组的第一电容元件C41；相对于第四组的轴上电容元件C45与X轴负方向邻接设置的第四组的第二电容元件C42；相对于第四组的轴上电容元件C45与Z轴正方向邻接设置的第四组的第三电容元件C43；以及相对于第四组的轴上电容元件C45与Z轴负方向邻接设置的第四组的第四电容元件C44。
[0361] 在使用包括上述结构的电容元件组的实施方式的情况下，检测电路通过分别以相同的符号C11～C45表示各电容元件C11～C45的静电电容值，根据以下运算式，能够输出X轴方向的力Fx、Y轴方向的力Fy、Z轴方向的力Fz、绕X轴的力矩Mx、绕Y轴的力矩My、绕Z轴的力矩Mz的检测值。
[0362] Fx=-(C11+C12+C13+C14+C15)
[0363] +(C31+C32+C33+C34+C35)或
[0364] =-(C11+C12+C13+C14)
[0365] +(C31+C32+C33+C34)或
[0366] =-C15+C35
[0367] Fy=-(C21+C22+C23+C24+C25)
[0368] +(C41+C42+C43+C44+C45)或
[0369] =-(C21+C22+C23+C24)
[0370] +(C41+C42+C43+C44)或
[0371] =-C25+C45
[0372] Fz=(C13+C23+C33+C43)
[0373] -(C14+C24+C34+C44)
[0374] Mx=(C23+C44)-(C24+C43)
[0375] My=(C14+C33)-(C13+C34)
[0376] Mz=(C11+C21+C32+C42)
[0377] -(C12+C22+C31+C41)。
[0378] 此外，图37所示实施方式同样，如果检测环200B的至少隔膜部D1～D4由具有可挠性的导电性材料构成，则能够以该隔膜部的表面作为公共位移电极E0构成各电容元件C11～C45。实用上，整个检测环200B由铝合金等金属构成，只要厚度薄的隔膜部D1～D4具有可挠性即可。这种情况下，检测环200B的隔膜部D1～D4本身作为位移电极组T10、T20、T30、T40起作用，因此没有必要另外设置位移电极。
[0379] <<<§7、其他变形例>>>
[0380] 最后，对能够适用于至此说明的实施方式的变形例进行说明。
[0381] <7-1、关于位移检测的变形例>
[0382] §3和§6中对利用电容元件检测检测环规定地点的位移的实施方式进行了说明，但用于位移检测的检测元件并不一定限定为电容元件，通常，只要是能够检测距离的元件则可以利用任何检测元件。
[0383] 图45是为了测量图10所示的基本结构部中的距离d1～d4，在固定辅助体350的外周面的V轴以及W轴上设置有距离检测元件M1～M4的变形例所涉及的力传感器用XY平面截断后的横向剖视图。此处省略了距离检测元件M1～M4内部结构的图示，只要是用于距离检测的一般元件，则可以使用任何元件。
[0384] 例如，如果检测环200的至少测定对象面（图示示例中为V轴以及W轴附近的内表面）由导电性材料构成，则可以利用涡电流位移计作为设置在其相对基准面上的距离检测元件M1～M4。图46是表示基于涡电流位移计的距离测量的基本原理的图。涡电流位移计是由高频振荡电路71和线圈72构成的装置，其具有对设置在线圈72附近的导电性检测物体73与线圈72之间的距离进行电检测的功能。
[0385] 基于涡电流位移计的距离检测的基本原理如下。首先，高频电流从高频振荡电路71流向线圈72，线圈72产生高频
磁场74，通过该高频磁场74的
电磁感应作用，使得涡电流
75在导电性检测物体73中流动。然后，由于该涡电流75，线圈72的电阻改变，其结果，高频振荡电路71的震荡状态产生变化。线圈72的电阻变化量对应于线圈72和检测物体73的距离，因此如果在高频振荡电路71中设置检测震荡状态变化的电路，则能够对线圈72和检测物体73的距离进行电检测。
[0386] 另外，如果测环200的至少测定对象面由
磁铁构成，则可以利用霍尔元件作为设置在其相对基准面上的距离检测元件M1～M4。霍尔元件是具有通过霍尔效应检测磁场的功能的元件，因此如果测环200的测定对象面由磁铁构成，则根据磁场的变化能够检测测定对象面的位移。具体而言，整个检测环200由磁铁构成（这种情况下，需要使用具有能够抵抗变形的机械强度的磁铁），或者将磁铁固定在检测环200的内周面。对作为距离检测元件M1～M4设置的霍尔元件作用的磁场的强度，随着测定对象面的位移而变化，因此能够使用基于霍尔元件的磁场的检测值作为距离测量值。
[0387] 除此之外，还可以使用利用光束的距离测量器作为距离检测元件M1～M4。例如，准备如下的测定电路即可：将从倾斜方向对测定对象面（图示示例中为V轴以及W轴附近的内表面）照射光束的光束照射器，以及接收该测定对象面反射的光束的光束接收器固定在与该测定对象面相对的相对基准面（图示示例中为固定辅助体350的外周面）上，根据由光束接收器接收光束的位置输出距离测量值。如果检测环200的测定对象面（内周面）产生位移，则光束的照射位置以及反射光束的射出方向改变，因此由光束接收器接收光束的位置也改变。因此，测定电路能够根据该光接收位置输出距离测量值。
[0388] <7-2、有关各部的形状以及设置的变形例>
[0389] 至此所述的实施方式中使用圆环状部件作为受力环100以及检测环200，但这些环没有必要一定是圆形环状体，也可以是具有开口部的环状部件。例如，可以是正八边形、正六边形、正方形形状的环状体，也可以是任意形状的环状体。
[0390] 但是实用上，如至此所述的实施方式所示，优选为圆形的环状体。如果使用圆环状部件作为受力环100以及检测环200，并采用两者以Z轴为中心轴的同心设置的结构，则基本结构部具有关于XZ平面以及YZ平面两者面对称的结构。其中，如至此所述的实施方式所示，如果各检测元件的设置也关于XZ平面以及YZ平面两者面对称，则基于检测电路的
信号处理也被简化。
[0391] 例如，如图17、图20、图42所示运算式中，表示静电电容值的各项未乘以系数，这是为了确保上述对称性。在检测环200由任意形状的环构成的情况下，产生对上述运算式各项乘以规定的系数的必要性，从而不得不使实际检测电路的结构复杂化。
[0392] 另外，构成电容元件的位移电极和固定电极的形状也不必局限于至此所述的实施方式所示的形状，可以采用任意形状的电极。但是，如上所述，为了简化用于获得各轴成分的检测值的运算式，电极的形成模式也优选为关于XZ平面以及YZ平面两者面对称的模式。
[0393] <7-3、省略检测所不需要的结构要素>
[0394] 至此所述的实施方式是主要进行6轴成分检测的类型的力传感器，本发明所涉及的力传感器只要具有检测XYZ三维正交坐标系中的各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩中的至少关于一个轴的力或力矩的功能即可。因此，本发明也可以适用于只检测对X轴方向作用的力Fx的力传感器、只检测对Y轴作用的转动力矩My的力传感器。
[0395] 这样，在制造用于只检测指定成分的特殊化力传感器方面，能够省略检测所不需要的结构要素。例如，图37所示的力传感器具有检测所有6轴成分的功能，在能够只检测对X轴方向作用的力Fx即可的情况下，如图42的Fx栏所示，最低限度只要设置电容元件C15以及C35即可。同样，在能够只检测对Y轴作用的转动力矩My即可的情况下，如图42的My栏所示，只要设置电容元件C13、C14、C33、C34即可。
[0396] <7-4、公开的技术思想的组合>
[0397] 以上，对本发明的技术思想的各种实施方式进行了说明，并对各种变形例所涉及的技术思想进行了说明，但本申请所述的众多技术思想只要没有特别的妨碍理由，则可以自由组合使用。例如，将受力环100和检测环200的内外位置关系逆转的技术思想，就能够适用于至此所述的各种实施方式。另外，为了检测图35所示的基本结构部的弹性变形，还可以使用应变片（这种情况下，不需要固定辅助体350B），在图35所示的基本结构部中，也可以通过固定部件将检测环200B固定于固定辅助体350B。
[0398] 本申请
说明书中，并未对覆盖有关公开的各种技术思想的所有组合的实施方式进行说明，只要是本领域技术人员，则可以通过对本申请公开的各种技术思想进行组合，自由设计本申请未直接公开的实施方式。
[0399] 工业上的可利用性
[0400] 本发明所涉及的力传感器最适合为了对机器人、工业机械的动作进行控制而检测力、力矩的用途。另外，还可以用作电子设备的
人机界面。特别是，能够用作用于检测XYZ三维正交坐标系中的各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩的6轴成分的薄型力传感器。
