力傳感器的制造方法
【專利摘要】在XY平面上以Z軸為中心軸設置具有剛性的受力環(huán)（100），在其內側設置具有可撓性的檢測環(huán)（200），在檢測環(huán)的內側設置圓筒狀的固定輔助體（350）。檢測環(huán)（200）的兩處固定點（P1、P2）固定于支撐基板（300），兩處作用點（Q1、Q2）通過連接部件（410、420）與受力環(huán)（100）連接。在固定了支撐基板（300）狀態(tài)下對受力環(huán)（100）作用力、力矩，則檢測環(huán)（200）彈性變形。利用靜電電容元件等測定測定點（R1～R4）對固定輔助體（350）的距離（d1～d4）及對支撐基板（300）的距離（d5、d7），通過識別檢測環(huán)（200）彈性變形的方式及大小，從而檢測作用的力、力矩的方向及大小。
【專利說明】力傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及力傳感器，尤其涉及適用于檢測三維正交坐標系中的各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩的薄型傳感器。
【背景技術】
[0002]為了對機器人、工業(yè)機械的動作進行控制，各種類型的力傳感器被利用。另外，小型力傳感器還被裝入作為電子設備輸入裝置的人機接口。對于用于這種用途的力傳感器，為了實現(xiàn)小型化以及降低成本，要求盡量使結構簡化的同時，還能夠分別獨立檢測出關于三維空間內的各坐標軸的力。
[0003]現(xiàn)在，通常所利用的多軸力傳感器分類為如下類型:將對機械結構部作用的力的指定的方向成分檢測作為在指定的部分產生的位移的類型、以及檢測為在指定的部分產生的機械形變的類型。前者的檢測位移類型的代表例為靜電電容元件式力傳感器，其由一對電極構成電容元件，并根據電容元件的靜電電容值檢測由作用的力在其中一個電極上產生的位移。例如，日本特開2004-325367號公報(美國專利第7219561號公報)、日本特開2004-354049號公報(美國專利第6915709號公報)中公開有這種靜電電容式多軸力傳感器。
[0004]另一方面，后者的檢測機械形變類型的代表例為應變式力傳感器，其是將由作用的力產生的機械形變檢測為應變片(strain gauge)等的電阻變化的傳感器。例如，日本特開平8-122178號公報(美國專利第5490427號公報)中公開有這種應變式多軸力傳感器。
[0005]但是，上述各專利文獻所公開的多軸力傳感器中的任一種的機械結構部的厚度都不可避免地增大，裝置整體難以薄型化。與其相反，在機器人、工業(yè)機械、電子設備用輸入裝置等領域，希望開發(fā)出更薄型的力傳感器。

【發(fā)明內容】

[0006]因此，本發(fā)明的目的在于提供一種結構簡單且能夠實現(xiàn)薄型化的力傳感器。
[0007](I)本發(fā)明第一方面的力傳感器檢測XYZ三維正交坐標系中的各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩中、關于至少一個軸的力或力矩，其中，力傳感器包括:受力環(huán)，在XY平面上設置成以Z軸為中心軸，受力環(huán)受到作為檢測對象的力或者力矩的作用；檢測環(huán)，在XY平面上設置成以Z軸為中心軸且設置在受力環(huán)的內側或外側，由于作為檢測對象的力或者力矩的作用而在至少一部分產生彈性變形；支撐基板，具有與XY平面平行的上表面，間隔著規(guī)定間隔地設置在受力環(huán)及檢測環(huán)的下方；連接部件，檢測環(huán)在規(guī)定的作用點的位置與受力環(huán)連接；固定部件，檢測環(huán)在規(guī)定的固定點的位置固定于支撐基板；檢測元件，電檢測檢測環(huán)的彈性變形；以及檢測電路，根據檢測元件的檢測結果，在固定了支撐基板的狀態(tài)下，輸出對受力環(huán)作用的規(guī)定的坐標軸方向的力或繞規(guī)定的坐標軸的力矩的檢測值，其中，作用點向XY平面的投影圖像與固定點向XY平面的投影圖像形成于不同的位置。
[0008](2)根據本發(fā)明第一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第二方面中，在沿著檢測環(huán)的輪廓的環(huán)狀路徑，交替設置有復數(shù)η個作用點和復數(shù)η個固定點，檢測元件對定義在鄰接設置的作用點與固定點之間的位置的測定點附近的檢測環(huán)的彈性變形進行電檢測。
[0009](3)根據本發(fā)明第二方面的力傳感器，在本發(fā)明的第三方面中，在沿著檢測環(huán)的輪廓的環(huán)狀路徑，按照第一作用點、第一固定點、第二作用點、第二固定點的順序設置兩個作用點以及兩個固定點，分別定義了設置在環(huán)狀路徑中的第一作用點與第一固定點之間的位置上的第一測定點、設置在環(huán)狀路徑中的第一固定點與第二作用點之間的位置上的第二測定點、設置在環(huán)狀路徑中的第二作用點與第二固定點之間的位置上的第三測定點、設置在環(huán)狀路徑中的第二固定點與第一作用點之間的位置上的第四測定點時，檢測元件對第一測定點?第四測定點附近的檢測環(huán)的彈性變形進行電檢測。
[0010](4)根據本發(fā)明第三方面的力傳感器，在本發(fā)明的第四方面中，分別將第一作用點設置在X軸正區(qū)域、將第一固定點設置在Y軸正區(qū)域、將第二作用點設置在X軸負區(qū)域、將第二固定點設置在Y軸負區(qū)域，通過沿著X軸正區(qū)域延伸的第一連接部件，檢測環(huán)的第一作用點附近與受力環(huán)連接，通過沿著X軸負區(qū)域延伸的第二連接部件，檢測環(huán)的第二作用點附近與受力環(huán)連接，檢測元件對分別設置在XY平面的第一象限、第二象限、第三象限、第四象限的第一測定點、第二測定點、第三測定點、第四測定點附近的檢測環(huán)的彈性變形進行電檢測。
[0011](5)根據本發(fā)明第四方面的力傳感器，在本發(fā)明的第五方面中，在定義了 V軸和W軸時，分別將第一測定點設置在V軸正區(qū)域、將第二測定點設置在W軸正區(qū)域、將第三測定點設置在V軸負區(qū)域、將第四測定點設置在W軸負區(qū)域，V軸通過XYZ三維正交坐標系中的原點O、正區(qū)域位于XY平面的第一象限、負區(qū)域位于XY平面的第三象限、與X軸成45°，W軸通過XYZ三維正交坐標系中的原點O、正區(qū)域位于XY平面的第二象限、負區(qū)域位于XY平面的第四象限、與V軸正交。
[0012](6)根據本發(fā)明第一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第六方面中，在沿著檢測環(huán)的輪廓的環(huán)狀路徑，交替設置有復數(shù)η個作用點和復數(shù)η個固定點，檢測環(huán)的η個作用點的附近部分構成比其他部分厚度薄的隔膜部，復數(shù)η個連接部件與各隔膜部連接，檢測元件對各隔膜部的彈性變形進行電檢測。
[0013](7)根據本發(fā)明第六方面的力傳感器，在本發(fā)明的第七方面中，在沿著檢測環(huán)的輪廓的環(huán)狀路徑，按照第一作用點、第一固定點、第二作用點、第二固定點、第三作用點、第三固定點、第四作用點、第四固定點的順序設置四個作用點以及四個固定點，檢測環(huán)的第一作用點的附近部分構成第一隔膜部，檢測環(huán)的第二作用點的附近部分構成第二隔膜部，檢測環(huán)的第三作用點的附近部分構成第三隔膜部，檢測環(huán)的第四作用點的附近部分構成第四隔膜部，檢測元件對第一隔膜部?第四隔膜部的彈性變形進行電檢測。
[0014](8)根據本發(fā)明第七方面的力傳感器，在本發(fā)明的第八方面中，分別將第一作用點設置在X軸正區(qū)域、將第二作用點設置在Y軸正區(qū)域、將第三作用點設置在X軸負區(qū)域、將第四作用點設置在Y軸負區(qū)域，第一隔膜部位于X軸正區(qū)域、第二隔膜部位于Y軸正區(qū)域、第三隔膜部位于X軸負區(qū)域、第四隔膜部位于Y軸負區(qū)域，定義了 V軸和W軸時，分別將第一固定點設置在V軸正區(qū)域、將第二固定點設置在W軸正區(qū)域、將第三固定點設置在V軸負區(qū)域、將第四固定點設置在W軸負區(qū)域，V軸通過XYZ三維正交坐標系中的原點O、正區(qū)域位于XY平面的第一象限、負區(qū)域位于XY平面的第三象限、與X軸成45°，W軸通過XYZ三維正交坐標系中的原點O、正區(qū)域位于XY平面的第二象限、負區(qū)域位于XY平面的第四象限、與V軸正交，通過沿著X軸正區(qū)域延伸的第一連接部件，第一隔膜部與受力環(huán)連接，通過沿著Y軸正區(qū)域延伸的第二連接部件，第二隔膜部與受力環(huán)連接，通過沿著X軸負區(qū)域延伸的第三連接部件，第三隔膜部與受力環(huán)連接，通過沿著Y軸負區(qū)域延伸的第四連接部件，第四隔膜部與受力環(huán)連接。
[0015](9)根據本發(fā)明第一方面至第八方面中任一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第九方面中，固定部件將檢測環(huán)的下表面和支撐基板的上表面連接。
[0016](10)根據本發(fā)明第一方面至第八方面中任一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第十方面中，以受力環(huán)在外側、檢測環(huán)在內側的方式設置兩環(huán)，在檢測環(huán)的更內側設置有固定輔助體，該固定輔助體的下表面被固定于支撐基板的上表面，固定部件將檢測環(huán)的內周面與固定輔助體的外周面連接。
[0017](11)根據本發(fā)明第一方面至第十方面中任一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第十一方面中，力傳感器還設置有受力基板，受力基板具有與XY平面平行的上表面，間隔著規(guī)定間隔地設置在受力環(huán)及檢測環(huán)的上方，受力基板的下表面的一部分與受力環(huán)的上表面連接，受力基板的下表面與檢測環(huán)的上表面之間形成有規(guī)定的空隙部。
[0018](12)根據本發(fā)明第十一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第十二方面中，受力基板的下表面外周部與包容受力環(huán)及檢測環(huán)的包容筒狀體連接，包容筒狀體的下端部與支撐基板的外周部之間形成有空隙部，空隙部的尺寸設定成對受力基板作用超過規(guī)定的允許范圍的力或力矩的情況下，包容筒狀體的下端部與支撐基板的外周部接觸，限制受力基板的位移。
[0019](13)根據本發(fā)明第一方面至第十二方面中任一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第十三方面中，在受力環(huán)的規(guī)定地點形成有上下貫通的貫通孔，在受力環(huán)的上表面的貫通孔的位置形成有比貫通孔直徑大的槽部，力傳感器還具備位移控制螺絲，位移控制螺絲插通貫通孔，且前端部固定于支撐基板，而頭部收容在槽部內，位移控制螺絲與貫通孔的內表面及槽部的內表面之間形成有空隙部，空隙部的尺寸設定成對受力環(huán)作用超過規(guī)定的允許范圍的力或力矩的情況下，位移控制螺絲與貫通孔的內表面或槽部的內表面接觸，限制受力環(huán)的位移。
[0020](14)根據本發(fā)明第一方面至第十三方面中任一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第十四方面中，受力環(huán)由只要作用的力或力矩在規(guī)定的允許范圍內則不產生實質上的變形的剛體構成。
[0021](15)根據本發(fā)明第一方面至第十四方面中任一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第十五方面中，受力環(huán)以及檢測環(huán)兩者是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)。
[0022](16)根據本發(fā)明第一方面至第十五方面中任一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第十六方面中，將安裝了構成檢測電路的電子部件的檢測電路基板設置于支撐基板的上表面。
[0023](17)根據本發(fā)明第一方面至第十六方面中任一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第十七方面中，檢測元件對檢測環(huán)的規(guī)定的測定點的位移進行電檢測。
[0024](18)根據本發(fā)明第十七方面的力傳感器，在本發(fā)明的第十八方面中，檢測元件對檢測環(huán)的測定點附近的測定對象面和受力環(huán)的與測定對象面相對的相對基準面之間的距離進行電檢測。[0025](19)根據本發(fā)明第十七方面的力傳感器，在本發(fā)明的第十九方面中，以受力環(huán)在外側、檢測環(huán)在內側的方式設置兩環(huán)，在檢測環(huán)的更內側設置有固定輔助體，該固定輔助體的下表面被固定于支撐基板的上表面，檢測元件對檢測環(huán)的內周面的位于測定點附近的測定對象面和位于固定輔助體的外周且與測定對象面相對的相對基準面之間的距離進行電檢測。
[0026](20)根據本發(fā)明第十七方面的力傳感器，在本發(fā)明的第二十方面中，檢測元件對檢測環(huán)的下表面的位于測定點附近的測定對象面和位于支撐基板的上表面且與測定對象面相對的相對基準面之間的距離進行電檢測。
[0027](21)根據本發(fā)明第十八方面至第二十方面中任一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第二十一方面中，檢測元件由電容元件構成，電容元件包括設置于測定對象面的位移電極和設置于相對基準面的固定電極。
[0028](22)根據本發(fā)明第二i^一方面的 力傳感器，在本發(fā)明的第二十二方面中，檢測環(huán)由具有可撓性的導電性材料構成，以檢測環(huán)的表面作為公共位移電極而構成電容元件。
[0029](23)根據本發(fā)明第十八方面至第二十方面中任一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第二十三方面中，檢測環(huán)的至少測定對象面由導電性材料構成，檢測元件由設置于相對基準面的渦電流位移計構成。
[0030](24)根據本發(fā)明第十八方面至第二十方面中任一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第二十四方面中，檢測環(huán)的至少測定對象面由磁鐵構成，檢測元件由設置于相對基準面的霍爾元件構成。
[0031](25)根據本發(fā)明第十八方面至第二十方面中任一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第二十五方面中，檢測元件由光束照射器、光束接收器以及測定電路構成，光束照射器固定于相對基準面，從傾斜方向向測定對象面照射光束，光束接收器固定于相對基準面，接收被測定對象面反射的光束，測定電路根據光束接收器接收光束的光接收位置，輸出距離測量值。
[0032](26)根據本發(fā)明第一方面至第十六方面中任一方面的力傳感器，在本發(fā)明的第二十六方面中，檢測元件對檢測環(huán)的規(guī)定的測定點附近位置的機械形變進行電檢測。
[0033](27)根據本發(fā)明第二十六方面的力傳感器，在本發(fā)明的第二十七方面中，檢測元件由應變片構成，應變片在檢測環(huán)的測定點附近的表面，以沿著沿檢測環(huán)的輪廓的環(huán)狀路徑的方向為檢測方向的方式被安裝。
[0034](28)根據本發(fā)明第五方面的力傳感器，在本發(fā)明的第二十八方面中，受力環(huán)以及檢測環(huán)兩者是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)，以受力環(huán)在外側、檢測環(huán)在內側的方式設置兩環(huán)，在檢測環(huán)的更內側設置有圓柱狀的固定輔助體，該固定輔助體的下表面固定于支撐基板的上表面且以Z軸為中心軸，檢測元件包括第一電容元件、第二電容元件、第三電容元件、第四電容元件、第五電容元件、第六電容元件、第七電容元件以及第八電容元件，第一電容元件由設置在檢測環(huán)的內周面的第一測定點附近位置的第一位移電極、以及設置在固定輔助體的外周面的與第一位移電極相對的位置的第一固定電極構成，第二電容元件由設置在檢測環(huán)的內周面的第二測定點附近位置的第二位移電極、以及設置在固定輔助體的外周面的與第二位移電極相對的位置的第二固定電極構成，第三電容元件由設置在檢測環(huán)的內周面的第三測定點附近位置的第三位移電極、以及設置在固定輔助體的外周面的與第三位移電極相對的位置的第三固定電極構成，第四電容元件由設置在檢測環(huán)的內周面的第四測定點附近位置的第四位移電極、以及設置在固定輔助體的外周面的與第四位移電極相對的位置的第四固定電極構成，第五電容元件由設置在檢測環(huán)的下表面的第一測定點附近位置的第五位移電極、以及設置在支撐基板的上表面的與第五位移電極相對的位置的第五固定電極構成，第六電容元件由設置在檢測環(huán)的下表面的第二測定點附近位置的第六位移電極、以及設置在支撐基板的上表面的與第六位移電極相對的位置的第六固定電極構成，第七電容元件由設置在檢測環(huán)的下表面的第三測定點附近位置的第七位移電極、以及設置在支撐基板的上表面的與第七位移電極相對的位置的第七固定電極構成，第八電容元件由設置在檢測環(huán)的下表面的第四測定點附近位置的第八位移電極、以及設置在支撐基板的上表面的與第八位移電極相對的位置的第八固定電極構成，其中，構成各電容元件的一個電極投影于另一個電極的形成面的投影圖像包括在另一個電極的內部，將第一電容元件的靜電電容值設定為Cl、第二電容元件的靜電電容值設定為C2、第三電容元件的靜電電容值設定為C3、第四電容元件的靜電電容值設定為C4、第五電容元件的靜電電容值設定為C5、第六電容元件的靜電電容值設定為C6、第七電容元件的靜電電容值設定為C7、第八電容元件的靜電電容值設定為C8時，檢測電路根據以下運算式，輸出X軸方向的力Fx、Y軸方向的力Fy、Z軸方向的力Fz、繞X軸的力矩Mx、繞Y軸的力矩My、繞Z軸的力矩Mz的檢測值，
[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)根據本發(fā)明第五方面的力傳感器，在本發(fā)明的第二十九方面中，受力環(huán)以及檢測環(huán)兩者是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)，以受力環(huán)在外側、檢測環(huán)在內側的方式設置兩環(huán)，在檢測環(huán)的更內側設置有圓柱狀的固定輔助體，該固定輔助體的下表面被固定于支撐基板的上表面且以Z軸為中心軸，以第一作用點作為第五測定點、以第二作用點作為第六測定點，檢測元件包括第一電容元件、第二電容元件、第三電容元件、第四電容元件、第五電容元件以及第六電容元件，第一電容元件由設置在檢測環(huán)的內周面的第一測定點附近位置的第一位移電極、以及設置在固定輔助體的外周面的與第一位移電極相對的位置的第一固定電極構成，第二電容元件由設置在檢測環(huán)的內周面的第二測定點附近位置的第二位移電極、以及設置在固定輔助體的外周面的與第二位移電極相對的位置的第二固定電極構成，第三電容元件由設置在檢測環(huán)的內周面的第三測定點附近位置的第三位移電極、以及設置在固定輔助體的外周面的與第三位移電極相對的位置的第三固定電極構成，第四電容元件由設置在檢測環(huán)的內周面的第四測定點附近位置的第四位移電極、以及設置在固定輔助體的外周面的與第四位移電極相對的位置的第四固定電極構成，第五電容元件由設置在檢測環(huán)的下表面的第五測定點附近位置的第五位移電極、以及設置在支撐基板的上表面的與第五位移電極相對的位置的第五固定電極構成，第六電容兀件由設置在檢測環(huán)的下表面的第六測定點附近位置的第六位移電極、以及設置在支撐基板的上表面的與第六位移電極相對的位置上的第六固定電極構成，其中，構成各電容兀件的一個電極投影于另一個電極的形成面的投影圖像包括在另一個電極的內部，當將第一電容元件的靜電電容值設定為Cl、將第二電容元件的靜電電容值設定為C2、將第三電容元件的靜電電容值設定為C3、將第四電容元件的靜電電容值設定為C4、將第五電容元件的靜電電容值設定為C9、將第六電容元件的靜電電容值設定為ClO時，檢測電路根據以下的運算式，輸出X軸方向的力Fx、Y軸方向的力Fy、Z軸方向的力Fz、繞Y軸的力矩My、繞Z軸的力矩Mz的檢測值，
[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)根據本發(fā)明第二十八方面或第二十九方面的力傳感器，在本發(fā)明的第三十方面中，檢測環(huán)由具有可撓性的導電性材料構成，以檢測環(huán)的表面作為公共位移電極地構成各電容元件。
[0048](31)根據本發(fā)明第五方面的力傳感器，在本發(fā)明的第三十一方面中，受力環(huán)以及檢測環(huán)兩者由在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)構成，以受力環(huán)在外側、檢測環(huán)在內側的方式設置兩環(huán)，檢測元件包括多個應變片，應變片在檢測環(huán)的第一測定點?第四測定點附近的表面，以沿著沿檢測環(huán)的輪廓的環(huán)狀路徑的方向為檢測方向的方式被安裝，將檢測環(huán)的內周面以及外周面中的任一方定義為橫向設置面、將檢測環(huán)的上表面以及下表面中的任一方定義為縱向設置面時，多個應變片由以下具有八種屬性的應變片中的任一種構成，第一屬性的應變片，安裝在橫向設置面的第一測定點的附近位置，第二屬性的應變片，安裝在橫向設置面的第二測定點的附近位置，第三屬性的應變片，安裝在橫向設置面的第三測定點的附近位置，第四屬性的應變片，安裝在橫向設置面的第四測定點的附近位置，第五屬性的應變片，安裝在縱向設置面的第一測定點的附近位置，第六屬性的應變片，安裝在的縱向設置面的第二測定點的附近位置，第七屬性的應變片，安裝在縱向設置面的第三測定點的附近位置，第八屬性的應變片，安裝在縱向設置面的第四測定點的附近位置，檢測電路通過以第一屬性的應變片和第四屬性的應變片為第一對邊、以第二屬性的應變片和第三屬性的應變片為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出X軸方向的力Fx的檢測值，通過以第一屬性的應變片和第二屬性的應變片為第一對邊、以第三屬性的應變片和第四屬性的應變片為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出Y軸方向的力Fy的檢測值，通過以第五屬性的應變片和第六屬性的應變片為第一對邊、以第七屬性的應變片和第八屬性的應變片為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞X軸的力矩Mx的檢測值，通過以第五屬性的應變片和第八屬性的應變片為第一對邊、以第六屬性的應變片和第七屬性的應變片為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞Y軸的力矩My的檢測值，通過以第一屬性的應變片和第三屬性的應變片為第一對邊、以第二屬性的應變片和第四屬性的應變片為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞Z軸的力矩Mz的檢測值。
[0049](32)根據本發(fā)明第五方面的力傳感器，在本發(fā)明的第三十二方面中，受力環(huán)以及檢測環(huán)兩者由在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)構成，以受力環(huán)在外側、檢測環(huán)在內側的方式設置兩環(huán)，檢測元件包括多個應變片，應變片在檢測環(huán)的第一測定點?第四測定點附近的表面，以沿著沿檢測環(huán)的輪廓的環(huán)狀路徑的方向為檢測方向的方式被安裝，將檢測環(huán)的內周面以及外周面中的任一方定義為橫向設置面、將檢測環(huán)的上表面以及下表面中的任一方定義為第一縱向設置面、另一方定義為第二縱向設置面時，多個應變片由以下具有十二種屬性的應變片中的任一種構成，第一屬性的應變片，安裝在橫向設置面的第一測定點的附近位置，第二屬性的應變片，安裝在橫向設置面的第二測定點的附近位置，第三屬性的應變片，安裝在橫向設置面的第三測定點的附近位置，第四屬性的應變片，安裝在橫向設置面的第四測定點的附近位置，第五屬性的應變片，安裝在檢測環(huán)的第一縱向設置面的第一測定點的附近位置，第六屬性的應變片，安裝在檢測環(huán)的第一縱向設置面的第二測定點的附近位置，第七屬性的應變片，安裝在檢測環(huán)的第一縱向設置面的第三測定點的附近位置，第八屬性的應變片，安裝在檢測環(huán)的第一縱向設置面的第四測定點的附近位置，第九屬性的應變片，安裝在檢測環(huán)的第二縱向設置面的第一測定點的附近位置，第十屬性的應變片，安裝在檢測環(huán)的第二縱向設置面的第二測定點的附近位置，第十一屬性的應變片，安裝在檢測環(huán)的第二縱向設置面的第三測定點的附近位置，第十二屬性的應變片，安裝在檢測環(huán)的第二縱向設置面的第四測定點的附近位置，檢測電路通過以第一屬性的應變片和第四屬性的應變片為第一對邊、以第二屬性的應變片和第三屬性的應變片為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出X軸方向的力Fx的檢測值，通過以第一屬性的應變片和第二屬性的應變片為第一對邊、以第三屬性的應變片和第四屬性的應變片為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出Y軸方向的力Fy的檢測值，通過以第五屬性的應變片和第六屬性的應變片的串聯(lián)邊以及第七屬性的應變片和第八屬性的應變片的串聯(lián)邊為第一對邊、以第九屬性的應變片和第十屬性的應變片的串聯(lián)邊以及第十一屬性的應變片和第十二屬性的應變片的串聯(lián)邊為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出Z軸方向的力Fz的檢測值，通過以第五屬性的應變片和第六屬性的應變片為第一對邊、以第七屬性的應變片和第八屬性的應變片為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞X軸的力矩Mx的檢測值，通過以第五屬性的應變片和第八屬性的應變片為第一對邊、以第六屬性的應變片和第七屬性的應變片為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞Y軸的力矩My的檢測值，通過以第一屬性的應變片和第三屬性的應變片為第一對邊、以第二屬性的應變片和第四屬性的應變片為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞Z軸的力矩Mz的檢測值。
[0050](33)根據本發(fā)明第八方面的力傳感器，在本發(fā)明的第三十三方面中，受力環(huán)以及檢測環(huán)兩者由在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)構成，以受力環(huán)在外側、檢測環(huán)在內側的方式設置兩環(huán)，在檢測環(huán)的更內側設置有圓柱狀的固定輔助體，該固定輔助體的下表面被固定于支撐基板的上表面且以Z軸為中心軸,檢測兀件包括:第一電容兀件組，由多個電容兀件構成，多個電容兀件由第一位移電極組和第一固定電極組構成，第一位移電極組由在檢測環(huán)的內周面的第一隔膜部分被設置的多個位移電極構成，第一固定電極組由在固定輔助體的外周面的與第一位移電極組的各個位移電極分別相對的位置被設置的多個固定電極構成；第二電容元件組，由多個電容元件構成，多個電容元件由第二位移電極組和第二固定電極組構成，第二位移電極組由在檢測環(huán)的內周面的第二隔膜部分被設置的多個位移電極構成，第二固定電極組由在固定輔助體的外周面的與第二位移電極組的各個位移電極分別相對的位置被設置的多個固定電極構成；第三電容元件組，由多個電容元件構成，多個電容元件由第三位移電極組和第三固定電極組構成，第三位移電極組由在檢測環(huán)的內周面的第三隔膜部分被設置的多個位移電極構成，第三固定電極組由在固定輔助體的外周面的與第三位移電極組的各個位移電極分別相對的位置被設置的多個固定電極構成；以及第四電容元件組，由多個電容元件構成，多個電容元件由第四位移電極組和第四固定電極組構成，第四位移電極組由在檢測環(huán)的內周面的第四隔膜的部分被設置的多個位移電極構成，第四固定電極組由在固定輔助體的外周面的與第四位移電極組的各個位移電極分別相對的位置被設置的多個固定電極構成，其中，構成各電容元件的一個電極投影于另一個電極的形成面的投影圖像包括在另一個電極的內部，檢測電路根據各電容元件的靜電電容值輸出檢測值。
[0051](34)根據本發(fā)明第三十三方面的力傳感器，在本發(fā)明的第三十四方面中，第一電容元件組包括:設置在X軸上的第一組的軸上電容元件；在Y軸正方向與第一組的軸上電容元件鄰接設置的第一組的第一電容元件；在Y軸負方向與第一組的軸上電容元件鄰接設置的第一組的第二電容元件；在Z軸正方向與第一組的軸上電容元件鄰接設置的第一組的第三電容元件；以及在Z軸負方向與第一組的軸上電容元件鄰接設置的第一組的第四電容元件，第二電容元件組包括:設置在Y軸上的第二組的軸上電容元件；在X軸正方向與第二組的軸上電容元件鄰接設置的第二組的第一電容元件；在X軸負方向與第二組的軸上電容元件鄰接設置的第二組的第二電容元件；在Z軸正方向與第二組的軸上電容元件鄰接設置的第二組的第三電容元件；以及在Z軸負方向與第二組的軸上電容元件鄰接設置的第二組的第四電容元件，第三電容元件組包括:設置在X軸上的第三組的軸上電容元件；在￥軸正方向與第三組的軸上電容元件鄰接設置的第三組的第一電容元件；在Y軸負方向與第三組的軸上電容元件鄰接設置的第三組的第二電容元件；在Z軸正方向與第三組的軸上電容元件鄰接設置的第三組的第三電容元件；以及在Z軸負方向與第三組的軸上電容元件鄰接設置的第三組的第四電容元件，第四電容元件組包括:設置在Y軸上的第四組的軸上電容元件；在X軸正方向與第四組的軸上電容元件鄰接設置的第四組的第一電容元件；在父軸負方向與第四組的軸上電容元件鄰接設置的第四組的第二電容元件；在Z軸正方向與第四組的軸上電容元件鄰接設置的第四組的第三電容元件；以及在Z軸負方向與第四組的軸上電容元件鄰接設置的第四組的第四電容元件，在將第一組的第一電容元件的靜電電容值設定為CU、將第一組的第二電容元件的靜電電容值設定為C12、將第一組的第三電容元件的靜電電容值設定為C13、將 第一組的第四電容元件的靜電電容值設定為C14、將第一組的軸上電容元件的靜電電容值設定為C15，將第二組的第一電容元件的靜電電容值設定為C21、將第二組的第二電容元件的靜電電容值設定為C22、將第二組的第三電容元件的靜電電容值設定為C23、將第二組的第四電容元件的靜電電容值設定為C24、將第二組的軸上電容元件的靜電電容值設定為C25，將第三組的第一電容元件的靜電電容值設定為C31、將第三組的第二電容元件的靜電電容值設定為C32、將第三組的第三電容元件的靜電電容值設定為C33、將第三組的第四電容元件的靜電電容值設定為C34、將第三組的軸上電容元件的靜電電容值設定為C35，將第四組的第一電容元件的靜電電容值設定為C41、將第四組的第二電容元件的靜電電容值設定為C42、將第四組的第三電容元件的靜電電容值設定為C43、將第四組的第四電容元件的靜電電容值設定為C44、將第四組的軸上電容元件的靜電電容值設定為C45時，檢測電路根據以下的運算式，輸出X軸方向的力Fx、Y軸方向的力Fy、Z軸方向的力Fz、繞X軸的力矩Mx、繞Y軸的力矩My、繞Z軸的力矩Mz的檢測值，[0052]Fx=- (Cl1+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=(Cll+C21+C32+C42)
[0067]-(C12+C22+C31+C41)。
[0068](35)根據本發(fā)明第三十三方面或第三十四方面的力傳感器，在本發(fā)明的第三十五方面中，檢測環(huán)的至少隔膜部由具有可撓性的導電性材料構成，以隔膜部的表面作為公共位移電極地構成各電容元件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0069]圖1是本發(fā)明的基本實施方式所涉及的力傳感器的基本結構部的俯視圖(上段的圖)以及立體圖(下段的圖)。
[0070]圖2是用XY平面截斷圖1所示的基本結構部后的橫向剖視圖(上段的圖)以及用XZ平面截斷后的縱向剖視圖(下段的圖)。
[0071]圖3是圖1所示的基本結構部的支撐基板300以及固定部件510、520的俯視圖(上段的圖)、以及用YZ平面截斷該基本結構部后的縱向剖視圖(下段的圖)。
[0072]圖4是表示對圖1所示的基本結構部的受力環(huán)100作用X軸正方向的力+Fx時的變形狀態(tài)的XY平面中的橫向剖視圖(上段的圖)以及XZ平面中的縱向剖視圖(下段的圖)。
[0073]圖5是表示對圖1所示的基本結構部的受力環(huán)100作用Z軸正方向的力+Fz時的變形狀態(tài)的XZ平面中的縱向剖視圖。
[0074]圖6是表示對圖1所示的基本結構部的受力環(huán)100作用正向繞Y軸的力矩+My時的變形狀態(tài)的XZ平面中的縱向剖視圖。
[0075]圖7是表示對圖1所示的基本結構部的受力環(huán)100作用正向繞Z軸的力矩+Mz時的變形狀態(tài)的XY平面中的橫向剖視圖。
[0076]圖8是表示在圖1所示的基本結構部附加有位移檢測用固定輔助體350的實施方式的俯視圖(上段的圖)以及立體圖(下段的圖)。
[0077]圖9是用XY平面截斷圖8所示的基本結構部后的橫向剖視圖(上段的圖)以及用VZ平面截斷后的縱向剖視圖(下段的圖)。[0078]圖10是表示圖8所示基本結構部中的距離測量位置的俯視圖。
[0079]圖11是表示對圖10所示的基本結構部作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的距離dl?d8的變化的表格。
[0080]圖12是表示圖8所示的基本結構部中的距離測量位置的變形例的俯視圖。
[0081]圖13是表示對圖12所示的基本結構部作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的距離dl?d4、d9、dlO的變化的表格。
[0082]圖14是使用電容元件的實施方式所涉及的用XY平面截斷力傳感器后的橫向剖視圖(上段的圖)以及用VZ平面截斷后的縱向剖視圖(下段的圖)。
[0083]圖15是表示圖14所示的力傳感器所使用的各電容元件的對向電極的尺寸關系的立體圖。
[0084]圖16是表示對圖14所示的力傳感器作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的電容元件Cl?C8的靜電電容值的變化的表格。
[0085]圖17是表示用于計算對圖14所示的力傳感器作用的各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩的運算式的圖。
[0086]圖18是表示圖14所示的力傳感器所使用的檢測電路的電路圖。
[0087]圖19是表示對圖12所示的變形例所涉及的力傳感器作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的電容元件Cl?C4、C9、ClO的靜電電容值的變化的表格。
[0088]圖20是表示用于計算對圖12所示變形例所涉及的力傳感器作用的各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩的運算式的圖。
[0089]圖21是用XY平面截斷利用由導電性材料構成的檢測環(huán)200本身作為多個位移電極的變形例所涉及的力傳感器后的橫向剖視圖(上段的圖)以及用VZ平面截斷后的縱向剖視圖(下段的圖)。
[0090]圖22是用XY平面截斷使用應變片的實施方式所涉及的力傳感器后的橫向剖視圖(圖示的應變片Gl?G8實際上由分別相互平行的多片應變片構成)。
[0091]圖23是表示對圖22所示的力傳感器作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的應變片Gl?G8的電阻變化的表格。
[0092]圖24是表示對圖22所示的力傳感器作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的應變片Gl?G8被作用的應力(單位:MPa)的具體測量值的表格。
[0093]圖25是圖22所示的實施方式中進一步附加有應變片G9?G12的變形例所涉及的力傳感器的俯視圖。
[0094]圖26是表示圖25所示的變形例所涉及的力傳感器中用于檢測各坐標軸方向的力的檢測電路的電路圖。
[0095]圖27是表示圖25所示的變形例所涉及的力傳感器中用于檢測繞各坐標軸的力矩的檢測電路的電路圖。
[0096]圖28是表示對圖1所示的基本結構部附加有受力基板600的方式的XZ平面中的縱向剖視圖。
[0097]圖29是表示改變圖1所示的基本結構部中的檢測環(huán)200的固定方法后的變形例的俯視圖。
[0098]圖30是表不對圖1所不的基本結構部附加有位移控制結構的不例的俯視圖。[0099]圖31是用XZ平面截斷圖30所示的示例后的縱向剖視圖。
[0100]圖32是使用了電容元件的實用實施例所涉及的力傳感器的俯視圖。
[0101]圖33是用XZ平面截斷圖32所示力傳感器后的縱向剖視圖。
[0102]圖34是用VZ平面截斷圖32所示力傳感器后的縱向剖視圖。
[0103]圖35是用XY平面截斷形成有隔膜部的實施方式的基本結構部后的橫向剖視圖(上段的圖)以及用XZ平面截斷后的縱向剖視圖(下段的圖)。
[0104]圖36是用VZ平面截斷圖35所示基本結構部后的縱向剖視圖。
[0105]圖37是用XY平面截斷由在圖35所示基本結構部附加電容元件而構成的力傳感器后的橫向剖視圖。
[0106]圖38是表示圖37所示的力傳感器所使用的各電容元件的電極結構的表格(示出分別以向上方向作為Z軸正方向、從圖38的視點el?e4觀察到的狀態(tài))。
[0107]圖39是表示對圖37所示的力傳感器作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的電容元件Cll?C45的靜電電容值的變化的表格。
[0108]圖40是表示對圖37所示的力傳感器作用Z軸正方向的力+Fz時的變形狀態(tài)的XZ平面中的縱向剖視圖(為了便于說明，將各部變形)。
[0109]圖41是表示對圖37所示的力傳感器作用正向繞Z軸的力矩+Mz時的變形狀態(tài)的XY平面中的橫向剖視圖(為了便于 說明，將各部變形)。
[0110]圖42是表示用于計算對圖37所示的力傳感器作用的各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩的運算式的圖。
[0111]圖43是表示圖37所示的力傳感器的隔膜部的變形例的主視圖。
[0112]圖44是表示圖37所示的力傳感器的電極組的變形例的俯視圖(陰影線用于清楚地顯示各電極的形狀而并非顯示剖面)。
[0113]圖45是用XY平面截斷使用渦電流位移計/霍爾元件/光束距離測量器的變形例所涉及的力傳感器后的橫向剖視圖。
[0114]圖46是表示基于渦電流位移計的距離測量原理的立體圖以及框圖。
【具體實施方式】
[0115]〈〈〈§ 1、力傳感器的基本結構以及原理》〉
[0116]首先，對本發(fā)明所涉及的力傳感器的基本結構部的結構、以及利用了該基本結構部的力和力矩的檢測原理進行說明。本發(fā)明所涉及的力傳感器具有對關于XYZ三維正交坐標系中的各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩中的至少一個軸的力或力矩進行檢測的功能。以下，對將該力傳感器的基本結構部的結構設置在XYZ三維正交坐標系中的狀態(tài)進行說明。
[0117]圖1是本發(fā)明的基本實施方式所涉及的力傳感器的基本結構部的俯視圖(上段的圖)以及立體圖(下段的圖)。俯視圖中，將圖的右方向設置為X軸、將圖的上方向設置為Y軸、垂直紙面的前面方向設置為Z軸方向。另一方面，立體圖中，將圖的右方向設置為X軸、圖的上方向設置為Z軸、垂直紙面里側方向設置為Y軸方向。如圖所示，該基本結構部由受力環(huán)100、檢測環(huán)200、支撐基板300、連接部件410、420、以及固定部件510、520構成。
[0118]受力環(huán)100是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形平板狀(墊片狀)的環(huán)，夕卜周面和內表面都構成圓柱面。受力環(huán)100的功能是接收作為檢測對象的力或力矩的作用，如果進一步詳細說明，則其功能是向檢測環(huán)200傳遞作為檢測對象的力或力矩。
[0119]另一方面，與受力環(huán)100相同，檢測環(huán)200也是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形平板狀(墊片狀)的環(huán)，外周面和內表面都構成圓柱面。此處所示的示例中，檢測環(huán)200設置在受力環(huán)100的內側。即，受力環(huán)100是設置在XY平面上的外側環(huán)，檢測環(huán)200是設置在XY平面上的內側環(huán)。其中，檢測環(huán)200的特征為基于作為檢測對象的力或力矩的作用而至少一部分產生彈性變形這點。
[0120]連接部件410、420是用于連接受力環(huán)100和檢測環(huán)200的部件。圖示的示例中，連接部件410在沿著X軸正區(qū)域的位置將受力環(huán)100的內周面與檢測環(huán)200的外周面連接，連接部件420在沿著X軸負區(qū)域的位置將受力環(huán)100的內周面與檢測環(huán)200的外周面連接。因此，受力環(huán)100與檢測環(huán)200之間如圖所示確保有空隙部H1，檢測環(huán)200內側如圖所示確保有空隙部H2。
[0121]如觀察側視圖所知，受力環(huán)100和檢測環(huán)200的厚度(Z軸方向的尺寸)相同，側視圖中檢測環(huán)200處于完全隱藏在受力環(huán)100內側的狀態(tài)。兩環(huán)的厚度不必一定相同，考慮到實現(xiàn)薄型傳感器(Z軸方向的尺寸盡量小的傳感器)，優(yōu)選為兩環(huán)厚度相同。
[0122]支撐基板300是直徑與受力環(huán)100外徑相等的圓盤狀基板，其具有與XY平面平行的上表面，且間隔著規(guī)定的距離被設置在受力環(huán)100以及檢測環(huán)200下方。固定部件510、520是用于將檢測環(huán)200固定在支撐基板300上的部件。側視圖中，固定部件510隱藏在固定部件520內側而未顯示，固定部件510、520起到將檢測環(huán)200的下表面與支撐基板300的上表面連接的作用。如俯視圖中虛線所示，固定部件510、520設置在沿著Y軸的位置上。
[0123]圖2是用XY平面截斷圖1所示的基本結構部后的橫向剖視圖(上段的圖)以及用XZ平面截斷后的縱向剖視圖(下段的圖)。用XY平面截斷后的橫向剖視圖的中心表示XYZ三維正交坐標系的原點O。該圖2中清楚地顯示出，檢測環(huán)200在左右兩處通過沿著X軸設置的連接部件410、420與受力環(huán)100連接的狀態(tài)。
[0124]圖3是圖1所示的基本結構部的支撐基板300以及固定部件510、520的俯視圖(上段的圖)、以及用YZ平面截斷該基本結構部后的縱向剖視圖(下段的圖)。圖3的俯視圖相當于將圖1的俯視圖逆時針旋轉90°后的狀態(tài)，向左方向變成Y軸。而且，圖3的俯視圖中檢測環(huán)200的位置以虛線表示。另一方面，圖3的縱向剖視圖清楚地顯示出，檢測環(huán)200通過固定部件510、520固定在支撐基板300的上方的狀態(tài)。
[0125]接著，對利用了該基本結構部的力以及力矩的檢測原理進行說明。首先，在固定了支撐基板300狀態(tài)下，對受力環(huán)100作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時，考慮該基本結構部產生何種現(xiàn)象。
[0126]如上所述，此處所示示例中，受力環(huán)100以及檢測環(huán)200兩者都是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓環(huán)。但是，檢測環(huán)200必須基于作為檢測對象的力或力矩的作用而在至少一部分產生彈性變形。換言之，需要至少一部分具有可撓性。這是因為本發(fā)明所涉及的力傳感器根據在檢測環(huán)200產生的彈性變形，對作用的力或力矩進行檢測。
[0127]另一方面，如上所述，受力環(huán)100是實現(xiàn)向檢測環(huán)200傳遞作用的力或力矩的功能的結構要素，理論上可以由產生彈性變形的彈性體構成，也可以由不產生彈性變形的剛體構成。但是實用上，只要作用的力或力矩在規(guī)定的允許范圍內，則受力環(huán)100優(yōu)選由不產生實質性變形的剛體構成。這是為了盡量有效地將作用的力或力矩傳遞給檢測環(huán)200。
[0128]本發(fā)明中，基本結構部的各部分可以由任意材料構成，但考慮到商業(yè)利用，優(yōu)選采用由金屬(例如鋁合金、鐵類合金)、塑料等一般的工業(yè)材料構成。由這種一般工業(yè)材料形成的部件通?；谄湫螒B(tài)而形成彈性體或形成剛體。例如在金屬的情況下，如果是塊狀金屬塊則可能作為剛體動作，如果是薄板狀則可能作為彈性體動作。因此，即使受力環(huán)100以及檢測環(huán)200由相同材料構成，通過改變其形態(tài)頁能夠實現(xiàn)各自被賦予的功能。
[0129]例如，即使受力環(huán)100以及檢測環(huán)200由相同的鋁合金構成，如圖2的橫向剖視圖所示，受力環(huán)100某種程度增大其寬度，從而能夠使其實際上作為不產生彈性變形的剛體起作用，檢測環(huán)200則某種程度縮小其寬度，能夠使其實際上作為整體產生彈性變形的彈性體起作用。即，檢測環(huán)200形成整體具有可撓性的環(huán)。
[0130]當然，如果對受力環(huán)100作用力、力矩，則嚴格地說，受力環(huán)100本身也產生若干彈性變形，但與檢測環(huán)200所產生的彈性變形相比，只要是微小的彈性變形則可以忽視，實際上并不妨礙將受力環(huán)100考慮為剛體。因此，以下，以受力環(huán)100為剛體、對基于力、力矩產生的彈性變形主要是僅由檢測環(huán)200所產生的彈性變形為例進行說明。
[0131]首先，在固定了支撐基板300狀態(tài)下，對受力環(huán)100作用X軸方向的力時，嘗試考慮該基本結構部產生何種變化。圖4是表示對圖1所示的基本結構部的受力環(huán)100作用X軸正方向的力+Fx時的變形狀態(tài)的XY平面中的橫向剖視圖(上段的圖)以及XZ平面中的縱向剖視圖(下段的圖)。支撐基板300由于被固定而不動，受力環(huán)100由于X軸正方向的力+Fx而向圖的右方向移動。其結果，檢測環(huán)200如圖所示地變形。此外，圖示的虛線表示移動或變形前的各環(huán)的位置。
[0132]此處，為了便于說明該實施方式，考慮兩個固定點P1、P2、以及兩個作用點Q1、Q2。固定點P1、P2是定義在Y軸上的點，與圖1所示固定部件510、520的位置對應。S卩，檢測環(huán)200在該固定點P1、P2的位置處通過固定部件510、520被固定于支撐基板300。另一個面，作用點Ql、Q2是定義在X軸上的點，檢測環(huán)200在該作用點Ql、Q2的位置處通過連接部件410,420與受力環(huán)100連接。
[0133]這樣，本發(fā)明中，作用點是連接有連接部件的位置，而固定點是連接有固定部件的位置。并且，重要之處在于作用點和固定點被配置在不同位置。圖4所示的示例的情況下，作用點PU P2和固定點Ql、Q2設置在XY平面上的不同位置。這是由于如果作用點和固定點占據同一位置，則檢測環(huán)200無法產生彈性變形。此外，此處所示示例的情況下，作用點P1、P2和固定點Q1、Q2中的任一個被定義在XY平面上，但作用點以及固定點不必一定定義在XY平面上。無論作用點以及固定點是否在XY平面上，總之只要作用點在XY平面的正投影投影圖像和固定點在XY平面的正投影投影圖像形成于不同的位置，則能夠使檢測環(huán)200產生本發(fā)明所需的彈性變形。
[0134]此外，如果對受力環(huán)100作用X軸正方向的力+Fx，則如圖4所示，檢測環(huán)200的作用點Q1、Q2被施加朝向圖的右方向的力。但是由于檢測環(huán)200的固定點P1、P2的位置被固定，因此具有可撓性的檢測環(huán)200由基準的圓形狀態(tài)變形為如圖所示的歪曲狀態(tài)(此外，為了強調顯示變形狀態(tài)，本申請中的表示變形狀態(tài)的圖多少被變形，并不一定表示正確的變形狀態(tài))。具體而言，如圖所示，點Pl-Ql之間以及點P2-Q1之間，檢測環(huán)200的四分之一圓弧的兩端被作用拉伸力而使四分之一圓弧向內側收縮，而點P1-Q2之間以及點P2-Q2之間，檢測環(huán)200的四分之一圓弧的兩端被作用推壓力而使四分之一圓弧向外側膨脹。
[0135]對受力環(huán)100作用X軸負方向的力-Fx時，出現(xiàn)與圖4左右相反的現(xiàn)象。另外，對受力環(huán)100作用Y軸正方向的力+Fy以及Y軸負方向的力-Fy時，出現(xiàn)使圖4上段中的變形狀態(tài)旋轉90°的現(xiàn)象。
[0136]其次，在固定了支撐基板300狀態(tài)下對受力環(huán)100作用Z軸方向的力時，嘗試考慮該基本結構部產生何種變化。圖5是表示對圖1所示的基本結構部的受力環(huán)100作用Z軸正方向的力+Fz時的變形狀態(tài)的XZ平面中的縱向剖視圖。支撐基板300由于被固定而不動，受力環(huán)100由于Z軸正方向的力+Fz而向圖的上方向移動。其結果，檢測環(huán)200如圖所示變形。此外，圖示的虛線表示移動或變形前的各環(huán)的位置。
[0137]此處同樣,變形方式的根本在于，兩個固定點PU P2的位置(被固定部件510、520固定的位置)不動，兩個作用點Ql、Q2的位置向上方移動。檢測環(huán)200從固定點P1、P2的位置向作用點Q1、Q2的位置緩慢變形。另外，對受力環(huán)100作用Z軸負方向的力-Fz時，受力環(huán)100向圖的下方向移動。其結果，檢測環(huán)200的變形方式與圖5上下相反。
[0138]其次，在固定了支撐基板300狀態(tài)下對受力環(huán)100作用繞Y軸的力矩時，嘗試考慮該基本結構部產生何種變化。圖6是表示對圖1所示的基本結構部的受力環(huán)100作用繞Y軸的力矩+My時的變形狀態(tài)的XZ平面中的縱向剖視圖。此外，本申請中，將對規(guī)定的繞坐標軸作用的力矩的符號設定為:當使得右手螺旋向該坐標軸的正方向前進時，該右手螺旋的旋轉方向為正。例如，圖6所示力矩+My的旋轉方向是使得右手螺旋向Y軸正方向前進的旋轉方向。
[0139]在這種情況下也同樣，支撐基板300被固定而不動，受力環(huán)100受到正向繞Y軸的力矩+My，以圖的原點O為中心順時針旋轉。其結果，作用點Ql向下方移動，作用點Q2向上方移動。檢測環(huán)200從固定點P1、P2的位置(被固定部件510、520固定的位置)向作用點QU Q2的位置緩慢變形。對受力環(huán)100作用逆向繞Y軸的力矩-My時，出現(xiàn)與圖6左右相反的現(xiàn)象。另外，對受力環(huán)100作用正向繞X軸的力矩+Mx以及逆向繞X軸的力矩-Mx時，出現(xiàn)使俯視圖中的變形狀態(tài)旋轉90°的現(xiàn)象。
[0140]最后，在固定了支撐基板300狀態(tài)下對受力環(huán)100作用繞Z軸的力矩時，嘗試考慮該基本結構部產生何種變化。圖7是表示對圖1所示的基本結構部的受力環(huán)100作用正向繞Z軸的力矩+Mz時的變形狀態(tài)的XY平面中的橫向剖視圖。在這種情況下也同樣，支撐基板300被固定而不動，受力環(huán)100受到正向繞Z軸的力矩+Mz，以圖的原點O為中心逆時針旋轉。
[0141]其結果，圖中檢測環(huán)200的作用點Ql、Q2被施加逆時針旋轉的力。但是由于檢測環(huán)200的固定點P1、P2的位置被固定，因此具有可撓性的檢測環(huán)200由基準的圓形狀態(tài)變形為如圖所示的歪曲狀態(tài)。具體而言，如圖所示，點P2-Q1之間以及點P1-Q2之間，檢測環(huán)200的四分之一圓弧的兩端被作用拉伸力而使四分之一圓弧向內側收縮，而點Pl-Ql之間以及點P2-Q2之間，檢測環(huán)200的四分之一圓弧的兩端被作用推壓力而使四分之一圓弧向外側膨脹，從而檢測環(huán)200整體變形為橢圓形。另一方面，對受力環(huán)100作用逆向繞Z軸的力矩-Mz時，由于受力環(huán)100以圖的原點O為中心順時針旋轉，從而出現(xiàn)將圖7翻轉后的變形狀態(tài)。
[0142]以上，對在圖1所示的基本結構部的支撐基板300被固定狀態(tài)下，對受力環(huán)100作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時，檢測環(huán)200產生的變形狀態(tài)進行了說明，這些變形狀態(tài)彼此不同，并且，隨著作用的力、力矩的大小不同變形量也不同。因此，如果對檢測環(huán)200的彈性變形進行檢測、并收集有關其方式和大小的信息，則能夠對各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩分別各自獨立進行檢測。這是本發(fā)明所涉及的力傳感器的基本原理。
[0143]為了進行基于這種基本原理的檢測，本發(fā)明所涉及的力傳感器除了圖1所示基本結構部之外，還包括:檢測元件，用于對檢測環(huán)200的彈性變形進行電檢測；以及檢測電路，根據該檢測元件的檢測結果，在固定了支撐基板300狀態(tài)下，輸出對受力環(huán)100作用的規(guī)定的坐標軸方向的力或繞規(guī)定的坐標軸的力矩的檢測值。關于這種檢測元件以及檢測電路的具體結構例，將在§3以后進行詳細說明。
[0144]如后所述，由于檢測元件以及檢測電路能夠裝入圖1所示基本結構部的內部，因此本發(fā)明所涉及的力傳感器的尺寸實質上能夠采用與該基本結構部相同的尺寸。如觀察圖1下段所示立體圖可知，該基本結構部具有適于薄型化的結構。即，該基本結構整體的厚度(Z軸方向的尺寸)為受力環(huán)100的厚度(檢測環(huán)200的厚度)、固定部件510、520的厚度、以及支撐基板300的厚度之和。其中，檢測環(huán)200設定為對于設置后述檢測元件而足夠的厚度即可，固定部件510、520設定為不妨礙檢測環(huán)200向下方變形的足夠的厚度即可，支撐基板300設定為對于支撐其他結構要素足夠的厚度即可。
[0145]這樣，本發(fā)明所涉及的力傳感器具有能夠對XYZ三維正交坐標系中的各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩分別獨立地進行檢測的功能，并且與現(xiàn)有的力傳感器相比，結構簡單且能夠實現(xiàn)薄型化。
`[0146]此外，圖1所示基本結構部是將受力環(huán)100設置在外側、檢測環(huán)200設置在內側的示例，也可以將兩環(huán)的內側和外側關系交換，可以采用將受力環(huán)100設置在內側、檢測環(huán)200設置在外側的結構。但是，如果變形狀態(tài)的檢測環(huán)200與外部物體接觸，則存在由于變形方式受到干擾而無法得到正確的檢測值的可能性。因此，實用上優(yōu)選如此處所示示例那樣，采用受力環(huán)100設置在外側、檢測環(huán)200設置在內側的結構，以防止檢測環(huán)200與外部物體接觸。
[0147]〈〈〈 § 2、位移的檢測》〉
[0148]如上所述，本發(fā)明所涉及的力傳感器中，通過檢測檢測環(huán)200的彈性變形的方式以及大小來計算作用的力、力矩的方向以及大小。此處，作為檢測彈性變形的方式以及大小的方法之一，對用于檢測檢測環(huán)200的指定位置(此處稱為測定點)的位移的方法進行說明。即，此處所示實施方式中，使用具有對檢測環(huán)200的規(guī)定的測定點的位移進行電檢測的功能的元件作為檢測元件。
[0149]圖8是表示對圖1所示的基本結構部附加了位移檢測用的固定輔助體350的實施方式的俯視圖(上段的圖)以及立體圖(下段的圖)。如圖所示，該基本結構部中，檢測環(huán)200設置在受力環(huán)100的內側，而進一步在內側設置有固定輔助體350。該固定輔助體350是以Z軸為中心軸的圓柱狀的物體，下表面被固定于支撐基板的上表面。固定輔助體350的外周面隔著空隙部H2與檢測環(huán)200的內周面相對。
[0150]圖9是用XY平面截斷圖8所示的基本結構部后的橫向剖視圖(上段的圖)以及用VZ平面截斷后的縱向剖視圖(下段的圖)。此處，V軸是通過XYZ三維正交坐標系中的原點O、正區(qū)域位于XY平面的第一象限、負區(qū)域位于XY平面的第三象限、與X軸形成45°的軸。并且，W軸是通過XYZ三維正交坐標系中的原點O、正區(qū)域位于XY平面的第二象限、負區(qū)域位于XY平面的第四象限、與V軸正交的軸。圖9上段所示的橫向剖視圖是以V軸正方向為右方向、以W軸的正方形為上方向得到的圖，與對圖2上段所示的基本結構部附加固定輔助體350、再將其順時針旋轉45°后得到的圖相對應。并且，圖9的下段的縱向剖視圖是用VZ平面截斷后的縱向剖視圖，因此右方向為V軸正方向。
[0151]如§ I所述，在檢測環(huán)200上，Y軸上設置有兩個固定點P1、P2，X軸上設置有兩個作用點Q1、Q2。此處，進一步定義四個測定點Rl?R4。如圖所示，分別將第一測定點Rl設置在V軸正區(qū)域，將第二測定點R2設置在W軸正區(qū)域，將第三測定點R3設置在V軸負區(qū)域，將第四測定點R4設置在W軸負區(qū)域。結果，圖9上段的橫向剖視圖中，當定義位于檢測環(huán)200的外周輪廓圓與內周輪廓圓中間的中間圓時，各點Q1、R1、P1、R2、Q2、R3、P2、R4按照此順序等間隔地設置在該中間圓上。將四個測定點Rl?R4定義在這種位置的原因是由于檢測環(huán)200的彈性變形而產生的位移最明顯。
[0152]為了檢測該四個測定點Rl?R4的半徑方向的位移，只要測量圖9的上段橫向剖視圖中箭頭所示的距離dl、d2、d3、d4即可。這些距離dl、d2、d3、d4是測定對象面與相對基準面之間的距離，其中，該測定對象面在檢測環(huán)200的內周面上且位于各測定點Rl、R2、R3、R4附近，該相對基準面位于固定輔助體350的外周且與測定對象面相對，如果該距離增大則表示測定點附近部分沿著半徑方向膨脹，而如果該距離減小則表示測定點附近部分沿著半徑方向收縮。因此，如果事先預備對這些距離進行電檢測的檢測元件，就能夠測量各測定點附近部分的有關半徑方向的變形量。
[0153]或者，也可以采用測量圖9的上段的橫向剖視圖中箭頭所示的距離dl’、d2’、d3’、d4’的方法。這些距離dl’、d2’、d3’、d4’是測定對象面與相對基準面之間的距離，其中，該測定對象面在檢測環(huán)200的外周面的位于各測定點R1、R2、R3、R4附近，該相對基準面位于受力環(huán)100的內周面且與測定對象面相對。但是，由于受力環(huán)100本身也產生位移，因此這些距離的測量值表示受力環(huán)100的位移和檢測環(huán)200的位移的差分。因此，為了計算各測定點的位移需要進行某種補正處理，因此實用上優(yōu)選測量距離dl、d2、d3、d4。
[0154]此外，測量距離dl’、d2’、d3’、d4’時，不需要設置固定輔助體350。測量受力環(huán)100與檢測環(huán)200之間距離時，檢測元件只要對位于檢測環(huán)200的各測定點Rl、R2、R3、R4附近的測定對象面和受力環(huán)100的與測定對象面相對的相對基準面之間的距離進行電檢測即可，因此不需要設置固定輔助體350，并且，還能夠適用于將受力環(huán)100設置在內側、檢測環(huán)200設置在外側的情況。
[0155]另一方面，為了檢測四個測定點Rl?R4的上下方向(Z軸方向)的位移，只要測量圖9下段的縱向剖視圖中箭頭所示的距離d5、d7以及未圖示的距離d6、d8 (距離d6是位于固定輔助體350的里側的測定點R2的正下方的距離，距離d8是位于固定輔助體350的前側的測定點R4的正下方的距離)即可。這些距離d5、d6、d7、d8是測定對象面與相對基準面之間的距離，其中，該測定對象面在檢測環(huán)200的下表面的、位于各測定點Rl、R2、R3、R4附近，該相對基準面位于支撐基板300的上表面且與測定對象面相對，如果該距離增大則表示測定點附近部分向上方向位移，而如果該距離減小則表示測定點附近部分向下方向位移。因此，如果事先預備用于對這些距離進行電檢測的檢測元件，就能夠測量有關各測定點附近部分的上下方向的變形量。
[0156]這樣，如果能夠測定四個測定點Rl?R4的半徑方向的位移和上下方向的位移，則能夠掌握檢測環(huán)200整體的變形方式以及變形量，從而能夠對XYZ三維正交坐標系中的各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩的6軸成分進行檢測。圖10是表示用于檢測該6軸成分所需的距離測定地點的俯視圖。即，本例中，如上所述，對于第一測定點Rl，測量距離dl (半徑方向的位移)和距離d5 (上下方向的位移)，對于第二測定點R2，測量距離d2 (半徑方向的位移)和距離d6 (上下方向的位移)，對于第三測定點R3，測量距離d3 (半徑方向的位移)和距離d7 (上下方向的位移)，對于第四測定點R4，測量距離d4 (半徑方向的位移)和距離d8 (上下方向的位移)。
[0157]圖11是表示圖10所示的基本結構部中，在固定了支撐基板300的狀態(tài)下，對受力環(huán)100作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的距離dl?d8的變化的表格。該表格中“ + ”表示距離增大，表示距離減小，“O”表示距離不變。如果考慮§ I中所說明的檢測環(huán)200的具體變形方式，則能夠容易地理解可以得到這種結果。
[0158]例如，對受力環(huán)100作用X軸正方向的力+Fx時，如圖4所示，檢測環(huán)200以點P1-QI之間以及點P2-QI之間的四分之一圓弧向內側收縮、而點P1-Q2之間以及點P2-Q2之間的四分之一圓弧向外側膨脹的 方式變形。因此，距離dl、d4減小，而距離d2、d3增大。此時，檢測環(huán)200不產生上下方向的變形，因此距離d5?d8不變。圖11表格中的+Fx行示出這種結果?；谕瑯拥睦碛桑琘軸正方向的力+Fy作用時，能夠得到圖11表格中的+Fy行所示的結果。
[0159]并且，對受力環(huán)100作用Z軸正方向的力+Fz時，如圖5所示，檢測環(huán)200變形，因此距離d5?d8增大。此時，檢測環(huán)200不產生半徑方向的變形，因此距離dl?d4不變。圖11表格中的+Fz行示出這種結果。
[0160]然后，對受力環(huán)100作用正向繞Y軸的力矩+My時，如圖6所示，檢測環(huán)200變形，圖的右半部分向下方位移而圖的左半部分向上方位移，因此距離d5、d8減小，而距離d6、d7增大。此時，檢測環(huán)200不產生半徑方向的變形，因此距離dl?d4不變。圖11表格中的+My行示出這種結果。基于同樣的理由，正向繞X軸的力矩+Mx作用時，能夠得到圖11表格中的+Mx行所示的結果。
[0161]最后，對受力環(huán)100作用正向繞Z軸的力矩+Mz時，如圖7所示，檢測環(huán)200變形，以點P1-QI之間以及點P2-Q2之間的四分之一圓弧向外側膨脹、而點P1-Q2之間以及點P2-Q1之間的四分之一圓弧向內側收縮的方式變形。因此，距離dl、d3增大，而距離d2、d4減小。此時，檢測環(huán)200不產生上下方向的變形，因此距離d5?d8不變。圖11表格中的+Mz行示出這種結果。
[0162]此外，圖11的表格示出作用正方向的力以及正向轉動力矩時的結果，而作用負方向的力以及負向轉動力矩時能夠得到“ + ”和逆轉的結果。結果，距離dl?d8的變化模式在作用6軸成分的各個情況中各自不同，并且作用的力、力矩越大則距離的變化量也越大。然后，如果利用檢測電路根據這些距離dl?d8的測量值進行規(guī)定的運算，則能夠獨立輸出6軸成分的檢測值。關于具體的運算式，在§3的實施方式中詳細說明。
[0163]此外，在不需要得到所有的6軸成分的檢測值的情況下，則不需要對八種距離進行測定。例如，圖12是表示圖8所示的基本結構部中的距離測定位置的變形例的俯視圖。圖10所示示例中對八種距離dl?d8進行了測量，但圖12所示示例中只要對六種距離dl?d4、d9、dlO進行測量就足夠了。
[0164]其中，距離dl?d4與上述示例相同。S卩，距離dl表示有關第一測定點Rl的半徑方向的位移，距離d2表示有關第二測定點R2的半徑方向的位移，距離d3表示有關第三測定點R3的半徑方向的位移，距離d4表示有關第四測定點R4的半徑方向的位移。另一方面，沒有對有關這四個測定點Rl?R4的上下方向的位移進行測定。換言之，沒有對上述示例中的距離d5?d8進行測量。取而代之，以第一作用點Ql作為第五測定點并對其上下方向的位移進行測定，以第二作用點Q2作為第六測定點并對其上下方向的位移進行測定。
[0165]S卩，圖12所示的距離d9是測定對象面與相對基準面之間的距離，其中，該測定對象面在檢測環(huán)200的下表面的位于第一作用點Ql (第五測定點)附近，該相對基準面位于支撐基板300的上表面且與測定對象面相對，圖12所示的距離dlO是測定對象面與相對基準面之間的距離，其中，該測定對象面在檢測環(huán)200的下表面的位于第二作用點Q2(第六測定點)附近，該相對基準面位于支撐基板300的上表面且與測定對象面相對。
[0166]圖13是表示圖12所示的基本結構部中，在固定了支撐基板300的狀態(tài)下，對受力環(huán)100作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的距離dl?d4、d9、dlO的變化的表格。同樣，其中“ + ”表示距離增大，表示距離減小，“O”表示距離不變。距離dl?d4能夠得到這種結果的原因已經在上面進行了闡述。
[0167]另一方面，關于距離d9、dlO，如果考慮§ I中所說明的檢測環(huán)200的具體變形方式，則能夠容易地理解可以得到這種結果。即，即使作用X軸正方向的力+Fx、Y軸正方向的力+Fy，由于作用點Ql、Q2在上下方向沒有變化，因此關于距離d9、dlO, +Fx以及+Fy行是“O”。但是，如果作用Z軸方向的力+Fz，則由于作用點Q1、Q2向上方位移，因此關于距離d9、dlO，+Fz 打是 “ + ”。
[0168]另外，作用正向繞X軸的力矩+Mx時，由于位于X軸上的作用點Q1、Q2成為旋轉軸上的點，因此在上下方向沒 有變化。因此關于距離d9、dl0，+Mx行是“O”。但是，如果正向繞Y軸的力矩+My作用，則由于作用點Ql向下方位移、作用點Q2向上方位移，因此+My行中距離d9為“_，，、距離dlO是“ + ”。最后，作用正向繞Z軸的力矩+Mz時，由于作用點Q1、Q2在上下方向沒有變化，因此關于距離d9、dl0，+Mz行是“O”。作用負方向的力以及負向轉動力矩時，能夠得到圖13所示的表格中的“ + ”和逆轉的結果。
[0169]結果,距離dl?d4、d9、dl0的變化模式在作用6軸成分的各個情況中各自不同，且作用的力、力矩越大則距離的變化量也越大。但是，如果查看圖13表格的+Mx行，則得到所有的距離都為“O”的結果。這顯示即使測量距離dl?d4、d9、dlO，也無法得到有關繞X軸的力矩Mx的信息。但是，可以得到有關除此之外的5軸成分的信息。然后，如果利用檢測電路根據這些距離dl?d4、d9、dlO的測量值進行規(guī)定的計算，則能夠獨立輸出除力矩Mx以外的5軸成分的檢測值。關于具體的運算式，在§3的實施方式中詳細說明。
[0170]這樣，本發(fā)明所涉及的力傳感器能夠獨立檢測Fx、Fy、FZ、Mx、My、MZ這6軸成分，而對于不需要得到這6軸成分的所有檢測值的情況，可以適當省略檢測元件，實現(xiàn)降低成本。
[0171]另外，圖9示出設置有兩個作用點Q1、Q2和兩個固定點P1、P2的示例，本發(fā)明所涉及的力傳感器中的作用點的數(shù)量以及固定點的數(shù)量不一定限制為兩個。即，此處所述基本實施方式的情況中，復數(shù)η個作用點和復數(shù)η個固定點交替設置于沿著檢測環(huán)200的輪廓的環(huán)狀路徑，檢測元件只要能夠對在鄰接設置的作用點和固定點之間的位置上定義的測定點附近的檢測環(huán)的彈性變形進行電檢測即可。
[0172]因此，例如可以設定n=3，三個作用點和三個固定點交替設置。這種情況下，檢測環(huán)200在三處作用點的位置上通過連接部件與受力環(huán)100連接，在三處固定點的位置上通過固定部件被固定于支撐基板300。
[0173]但是在實用上，如圖9所示示例較為有效，即:在沿著檢測環(huán)200的輪廓的環(huán)狀路徑，兩個作用點以及兩個固定點按照第一作用點Q1、第一固定點P1、第二作用點Q2、第二固定點P2的順序設置，在該環(huán)狀路徑中的第一作用點Ql與第一固定點Pl之間定義第一測定點R1，第一固定點Pl與第二作用點Q2之間定義第二測定點R2，第二作用點Q2與第二固定點P2之間定義第三測定點R3，第二固定點P2與第一作用點Ql之間定義第四測定點R4，然后通過檢測元件對上述第一測定點?第四測定點Rl?R4附近的檢測環(huán)200的彈性變形進行電檢測。
[0174]特別是，圖9所示示例中，基本結構部的結構為關于XZ平面成面對稱且關于YZ平面也成面對稱，因此圖11、圖13所示的表格中以“ + ”或表示的位移量產生對稱性，從而能夠通過比較簡單的檢測電路得到各軸方向的力以及繞各軸的力矩的檢測值。
[0175]因此，在實用上優(yōu)選為如圖9所示示例那樣，分別將第一作用點Ql設置在X軸正區(qū)域、將第一固定點Pl設置在Y軸正區(qū)域、將第二作用點Q2設置在X軸負區(qū)域、將第二固定點P2設置在Y軸負區(qū)域，通過沿著X軸正區(qū)域延伸的第一連接部件410，檢測環(huán)200的第一作用點Ql附近與受力環(huán)100連接，通過沿著X軸負區(qū)域延伸的第二連接部件420，檢測環(huán)200的第二作用點Q2附近與受力環(huán)100連接，檢測元件對分別設置在XY平面的第一象限、第二象限、第三象限、第四象限上的第一測定點RU第二測定點R2、第三測定點R3、第四測定點R4附近的檢測環(huán)200的彈性變形進行電檢測。
[0176]各測定點Rl?R4不必一定定義在V軸上或W軸上，但是如上所述，起因于檢測環(huán)200的彈性變形而產生的位移在V`軸上或W軸上最明顯，因此在提高檢測靈敏度方面，優(yōu)選為如圖9所示示例那樣，分別將第一測定點Rl定義在V軸正區(qū)域上、將第二測定點R2定義在W軸正區(qū)域上、將第三測定點R3定義在V軸負區(qū)域上、將第四測定點R4定義在W軸負區(qū)域上。
[0177]〈〈〈§3、使用電容元件的實施方式》〉
[0178]此處，對使用靜電電容元件作為檢測元件的實施方式進行說明。如上所述，靜電電容元件式的多軸力傳感器是將對機械結構部作用的力的指定的方向成分作為在指定部分上產生的位移進行檢測的傳感器。即采用如下原理:由一對電極構成電容元件，根據電容元件的靜電電容值對由于作用的力而在其中一個電極產生的位移進行檢測。
[0179]因此，此處，圖10所示的基本結構部中，對利用電容元件檢測八種距離dl?d8的實施方式進行說明。圖14是該實施方式所涉及的用XY平面截斷力傳感器后的橫向剖視圖(上段的圖)以及用VZ平面截斷后的縱向剖視圖(下段的圖)。該圖14所示的力傳感器由對圖9所示的基本結構部追加16個電極Ell?E18、E21?E28以及規(guī)定的檢測電路而構成。由16個電極構成的八組電容元件作為測量上述八種距離dl?d8的檢測元件起作用。
[0180]如圖14上段的橫向剖視圖所示，在檢測環(huán)200內周面的、四個測定點Rl?R4的附件部分(測定對象面)分別設置有位移電極E21?E24。而且，在檢測環(huán)200下表面的、四個測定點Rl?R4附件部分(測定對象面)分別設置有位移電極E25?E28 (圖中以虛線表示)。從字面上看，這八個位移電極E21?E28是基于檢測環(huán)200的變形而產生位移的電極。
[0181]另一方面，在與這八個位移電極E21?E28相對的位置(相對基準面)設置有八個固定電極Ell?E18。如上述，這八個固定電極Ell?E18是直接或間接固定于支撐基板300的電極，無論檢測環(huán)200如何變形，始終維持固定位置。具體而言，在圓柱狀的固定輔助體350的外周面上，在與位移電極E21?E24相對的位置設置有固定電極Ell?E14，這些電極通過固定輔助體350間接固定于支撐基板300。并且，在支撐基板300的上表面，固定電極E15?E18直接固定于與位移電極E25?E28相對的位置(圖14下段的縱向剖視圖中只顯示了位移電極E15、E17，位移電極E16位于固定輔助體350的里側，位移電極E18位于固定輔助體350的外側)。
[0182]結果，本實施方式中，由八組位移電極E21?E28和八組固定電極Ell?E18構成八組電容元件，其中，八組位移電極E21?E28設置在位于檢測環(huán)200內周面及下表面的、各測定點Rl?R4附近的測定對象面，八組固定電極Ell?E18設置在固定輔助體350的外周面及支撐基板300的上表面的、在與各測定對象面相對位置定義的相對基準面。這八組電容元件作為本發(fā)明中的檢測元件起作用，實現(xiàn)對檢測環(huán)200的彈性變形進行電檢測的功能。
[0183]此處為了便于說明，將由固定電極El I?E18以及與其相對的位移電極E21?E28構成的電容兀件分別稱為電容兀件Cl?C8,且其靜電電容值也用相同的符號Cl?C8表示。通常，電容元件的靜電電容值隨著構成該電容元件的一對對向電極的距離增大而減小，隨著距離減小而增大。因此，如果對各電容元件Cl?CS的靜電電容值進行電測量，則能夠求得圖10所示距離dl?d8，且根據圖11所示表格，能夠檢測作用的力或力矩。
[0184]但是，電容元件的靜電電容值還隨著一對對向電極的有效相對面積而變化，如果有效相對面積增大則靜電電容值也增大，而如果有效相對面積減小則靜電電容值也減小。因此，為了根據上述原理準確測量距離dl?d8，需要設計為即使檢測環(huán)200產生位移，各電容元件的有效相對面積也不發(fā)生變化。因此，設計為使構成各電容元件Cl?CS的一個電極投影于另一個電極的形成面的投影圖像包括在另一個電極的內部。
[0185]圖15是表示圖14所示的力傳感器所使用的各電容元件Cl?C8的對向電極的尺寸關系的立體圖。圖中示出電極Ea和電極Eb相對設置的狀態(tài)。該例中兩電極Ea、Eb中的任一個都是矩形的板狀電極，電極Ea的縱向尺寸以及橫向尺寸都比電極Eb的縱向尺寸以及橫向尺寸大。并且，兩電極Ea、Eb設置在各自的中心點相對的位置上，因此電極Eb投影于電極Ea的形成面的投影圖像A (正交投影投影圖像)被包括在電極Ea的內部?？傊?，電極Ea的尺寸比Eb的尺寸大一圈。
[0186]如果構成圖14所示的力傳感器所使用的各電容元件Cl?C8的一對對向電極的關系為如圖15所示的關系，則即使檢測環(huán)200產生位移，只要該位移在規(guī)定的允許范圍內，各電容元件的有效相對面積就不產生變化。即，在圖15所示示例的情況中，虛線所示投影圖像A的內部面積形成該電容元件的有效相對面積，即使兩電極Ea、Eb在與電極面平行方向上位移，只要投影圖像A包括在電極Ea內，則有效相對面積一定。
[0187]在圖14所示力傳感器的情況下，關于構成各電容元件Cl?CS的一對對向電極，設定為各位移電極E21?E28尺寸比各固定電極Ell?E18尺寸大一圈,相反也可以設定為各固定電極Ell?E18尺寸比各位移電極E21?E28尺寸大一圈。另外，在未作用任何作為檢測對象的力、力矩的基準狀態(tài)下，一對對向電極的位置關系為:一個電極投影于另一個電極的形成面的投影圖像(例如，在與連接兩電極中心點的線平行的方向上投影的投影圖像)包括在另一個電極的內部。
[0188]兩電極的尺寸差是決定檢測環(huán)200的位移的允許范圍(有效相對面積維持一定的范圍)的參數(shù)。因此，為了設定較大的檢測值的動態(tài)范圍，需要將兩電極的尺寸差也設定得較大，即，將圖15中的投影圖像A的外側空白區(qū)域設定得較大。如果檢測環(huán)200的位移在允許范圍內，則各電容元件Cl?C8的有效相對面積維持一定，因此靜電電容值Cl?C8的變動主要表示距離距離dl?d8的變化。
[0189]在這種前提下，圖16是表示對圖14所示的力傳感器作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的電容元件Cl?C8的靜電電容值的變化的表格。該表格中“ + ”表示靜電電容值增加，表示靜電電容值減小，“O”表示靜電電容值不變。此外，表格中“Cl?C8”欄中備注的括號內容表不構成各電容兀件的一對對向電極。例如，Cl欄的(E11&E21)表示電容元件Cl由一對對向電極Ell、E21構成。
[0190]該圖16所示的表格能夠通過交換圖11所示表格中各欄的“ + ”和而得到。圖11所示的表格表示距離dl?d8的增減，而圖16所示的表格表示靜電電容值Cl?CS的增減。由于構成電容元件的一對對向電極的電極間距離增加時靜電電容值減少，而電極間距離減少時靜電電容值增加，因此可以容易地理解通過圖11所示的表格能夠得到圖16所示的表格。
[0191]如圖16表格所示，靜電電容值Cl?C8的變化模式在作用6軸成分的各個情況中各自不同，并且作用的力、力矩越大，靜電電容值的變化量也越大。因此，如果基于這些靜電電容值Cl?CS的測量值，通過檢測電路進行規(guī)定的運算，則能夠獨立輸出6軸成分的檢測值。
[0192]圖17是表示用于求得對圖14所示的力傳感器作用的各坐標軸方向的力Fx、Fy、Fz以及繞各坐標軸的力矩Mx、My、Mz的具體運算式的圖。如果參照圖16所示的表格，就可以理解根據這種運算式能夠得到各個檢測值的理由。例如，如果參照圖16表格的+Fx行則可知，根據“ + ”記載的C1、C4的和與記載的C2、C3的和的差，從而能夠得到+Fx的檢測值。關于其他檢測值也相同。
[0193]另外，在負方向的力-Fx、-Fy、_Fz以及負向轉動的力矩-Mx、-My、_Mz作用的情況下，圖16表格中的“ + ”和逆轉，因此如果直接利用圖17所示的運算式，則能夠得到負的各檢測值。由于該圖17所示的6軸成分的運算式不受其他軸成分的干涉，因此能夠獨立得到關于6軸成分的各檢測值。例如，在+Fy作用的情況中，Cl、C2減少，C3、C4增加，而在關于Fx的運算式中，這些減少成分以及增加成分彼此抵消，因此關于Fx的檢測值中不包含F(xiàn)y成分。
[0194]如圖17所示，力Fz以外的運算式是計算與兩組電容值的和有關的差分的形式?；谝韵略蚨鴥?yōu)選這種差分檢測:即使基本結構部隨著溫度環(huán)境的變化而膨脹或收縮，對向電極間距離產生變化誤差，而由于產生的誤差相互抵消，因此也能夠得到不包含干擾成分的準確的檢測結果。此外，在對于Fz也進行差分檢測的情況下，在檢測環(huán)200的上表面追加位移電極，在其上方設置固定于支撐基板300的輔助基板，在該輔助基板的下表面設置固定電極，追加用于測量檢測環(huán)200的上表面和輔助基板之間的距離的電容元件，并計算這些電容元件的電容值和電容元件C5?C8的電容值之間的差分即可。
[0195]圖18是表示圖14所示的力傳感器所使用的檢測電路的電路圖。該檢測電路是根據圖17所示的運算式，將力Fx、Fy、Fz以及力矩Mx、My、Mz的檢測值作為電壓值輸出的電路。首先，八組電容元件Cl?C8的靜電電容值Cl?C8通過C/V轉換器11?18分別轉換為電壓值Vl?V8。然后，通過運算器21?30分別計算出兩組電壓值的和，進而通過運算器31?35得到差分，分別作為Fx、Fy、MZ、My、Mx的檢測值而被輸出。并且，通過運算器36得到四組電壓值的和，將符號反轉后的值作為Fz的檢測值輸出。
[0196]當然，該圖18所示的檢測電路示出了一個示例，只要能夠理論上輸出基于圖17的運算式的檢測結果，則可以使用任何電路。例如，如果一對電容元件并聯(lián)連接，則連接后的電容元件對的靜電電容值為各個電容元件的靜電電容值的和，因此圖18所示的電路圖中，例如如果電容元件Cl和C4并聯(lián)連接，則連接后的電容元件對的靜電電容值為“C1+C4”，因此能夠省略運算器21。根據同樣的方法，也能夠省略運算器22?30、36。
[0197]另外，圖18示出了使用模擬運算器的檢測電路，當然圖17所示的運算也可以通過數(shù)字運算進行。例如，如果在C/ν轉換器11?18的后段連接A/D轉換器，則能夠將靜電電容值Cl?CS分別作為數(shù)字值處理，因此通過微型計算機等數(shù)字電路進行圖17所示的運算，且能夠將各檢測值作為數(shù)字值輸出。
[0198]此處，對使用圖14所示的電容元件的力傳感器的特征進行匯總，則能夠總結如下。首先，基本結構部具有如下特征:受力環(huán)100以及檢測環(huán)200兩者都是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)，兩環(huán)設置成受力環(huán)100在外側、檢測環(huán)200在內側，在檢測環(huán)200的更內側設置下表面固定于支撐基板300的上表面且以Z軸為中心軸的圓柱狀的固定輔助體350。
[0199]然后，作為檢測元件，設置有如下八組電容元件。
[0200](I)第一電容兀件Cl:由第一位移電極E21和第一固定電極Ell構成,該第一位移電極E21設置在檢測環(huán)200的內周面的第一測定點Rl的附近位置，該第一固定電極Ell設置在固定輔助體350的外周面的與第一位移電極E21相對的位置。
[0201](2)第二電容元件C2:由第二位移電極E22和第二固定電極E12構成，該第二位移電極E22設置在檢測環(huán)200的內周面的第二測定點R2的附近位置，該第二固定電極E12設置在固定輔助體350的外周面的與第二位移電極E22相對的位置。
[0202](3)第三電容元件C3:由第三位移電極E23和第三固定電極E13構成，該第三位移電極E23設置在檢測環(huán)200的內周面的第三測定點R3的附近位置，該第三固定電極E13設置在固定輔助體350的外周面的與第三位移電極E23相對的位置。
[0203](4)第四電容元件C4:由第四位移電極E24和第四固定電極E14構成，該第四位移電極E24設置在檢測環(huán)200的內周面的第四測定點R4的附近位置，該第四固定電極E14設置在固定輔助體350的外周面的與第四位移電極E24相對的位置。
[0204](5)第五電容元件C5:由第五位移電極E25和第五固定電極E15構成，該第五位移電極E25設置在檢測環(huán)200的下表面的第一測定點Rl的附近位置，該第五固定電極E15設置在支撐基板300的上表面的與第五位移電極E25相對的位置。
[0205](6)第六電容兀件C6:由第六位移電極E26和第六固定電極E16構成,該第六位移電極E26設置在檢測環(huán)200的下表面的第二測定點R2的附近位置，該第六固定電極E16設置在支撐基板300的上表面的與第六位移電極E26相對的位置。
[0206](7)第七電容元件C7:由第七位移電極E27和第七固定電極E17構成，該第七位移電極E27設置在檢測環(huán)200的下表面的第三測定點R3的附近位置，該第七固定電極E17設置在支撐基板300的上表面的與第七位移電極E27相對的位置。
[0207](8)第八電容元件CS:由第八位移電極E28和第八固定電極E18構成，該第八位移電極E28設置在檢測環(huán)200的下表面的第四測定點R4的附近位置，該第八固定電極E18設置在支撐基板300的上表面的與第八位移電極E28相對的位置。
[0208]其中，構成各電容元件Cl?CS的一個電極投影于另一個電極的形成面的投影圖像包含在另一個電極內部，只要檢測環(huán)200的位移在規(guī)定的允許范圍內，則各電容元件的
有效相對面積維持一定。
[0209]另一方面，該力傳感器的檢測電路具有以下功能:用相同的符號Cl?CS表示各電容元件Cl?C8的靜電電容值時，根 據以下運算式，輸出X軸方向的力Fx、Y軸方向的力Fy、Z軸方向的力FzJ^ X軸的力矩Mx、繞Y軸的力矩My、繞Z軸的力矩Mz的檢測值，
[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，對圖14所示的力傳感器的檢測原理以及使用該傳感器的檢測電路進行了說明。該圖14所示的力傳感器是利用電容元件測量圖10所示八種距離dl?d8的設備。其次，對利用電容元件測量圖12所示的六種距離dl?d4、d9、dl0的類型的力傳感器進行簡單說明。這種情況下，為了測量距離dl?d4而設置電容元件Cl?C4(固定電極Ell?E14和位移電極E21?E24)這一點，與圖14所不的力傳感器相同。但是，由于不對距離d5?d8進行測量，因此不需要圖14所示的力傳感器中所使用的電容元件C5?CS (固定電極E15?E18和位移電極E25?E28)。
[0217]取而代之，為了測量圖12所示的距離d9、dlO而設置有電容元件C9、C10。此處，電容元件C9由位移電極E29和固定電極E19構成，該位移電極E29設置在檢測環(huán)200的下表面的作用點Ql (作為第五測定點起作用)附近的位置，該固定電極E19設置在支撐基板300的上表面的與位移電極E29相對的位置，電容元件ClO由位移電極E30和固定電極E20構成，該位移電極E30設置在檢測環(huán)200的下表面的作用點Q2 (作為第六測定點起作用)附近的位置，該固定電極E20設置在支撐基板300的上表面的與位移電極E30相對的位置。此處同樣，設法維持構成電容元件C9、C10的一個電極投影于另一個電極的形成面的投影圖像包含在另一個電極內部的關系，從而維持有效相對面積一定。
[0218]圖19是表示對這種力傳感器作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的電容元件Cl?C4、C9、C10的靜電電容值的變化的表格。該表格中同樣，“ + ”表示靜電電容值增加，表示靜電電容值減小，“O”表示靜電電容值不變，表格中的“Cl?C4、C9、C10”欄備注的括號內容表不構成各電容兀件的一對對向電極。如上所述，由于距離和靜電電容值增減關系逆轉，因此該圖19所示的表格能夠通過交換圖13所示的表格中各欄的“ + ”和 而得到。
[0219]如圖19的表格所示，靜電電容值Cl?C4、C9、C10的變化模式在作用6軸成分的各個情況中各自不同，且作用的力、力矩越大，靜電電容值的變化量也越大。因此，如果通過檢測電路，實施基于這些靜電電容值Cl?C4、C9、ClO的測量值的規(guī)定的運算，則能夠獨立輸出各軸成分的檢測值。但是，如§2所述，關于力矩Mx的所有電容值都得到“O”(不變)這種結果，因此通過該力傳感器無法檢測。
[0220]圖20是表示用于求得對該力傳感器作用的力Fx、Fy、Fz以及力矩My、Mz的具體運算式的圖。如果參照圖19所示的表格，則可以容易地理解根據這種運算式能夠得到各個檢測值的理由。對于根據這種運算式輸出5軸成分的檢測值，只要準備以圖18為基準的檢測電路即可。當然，如果將一對電容元件并聯(lián)連接，則能夠省略運算器的一部分，如果通過A/D轉換器將靜電電容值Cl?C4、C9、ClO分別作為數(shù)字值處理，則作為數(shù)字運算的結果，還能夠將各檢測值作為數(shù)字值輸出。
[0221]結果，該力傳感器省略圖14所示的力傳感器中的電容元件C5?CS，取而代之具有如下結構:以第一作用點Ql作為第五測定點，以第二作用點Q2作為第六測定點，并設置有第五電容元件C9和第六電容元件C10。此處，第五電容元件C9由第五位移電極E29和第五固定電極E19構成，該第五位移電極E29設置在檢測環(huán)200的下表面的第五測定點Ql的附近位置，該第五固定電極E19設置在支撐基板300的上表面的與第五位移電極E29相對的位置，第六電容兀件ClO由第六位移電極E30和第六固定電極E20構成,該第六位移電極E30設置在檢測環(huán)200的下表面的第六測定點Q2的附近位置，該第六固定電極E20設置在支撐基板300的上表面的與第六位移電極E30相對的位置。
[0222]并且，構成各電容元件Cl?C4、C9、C10的一個電極投影在另一個電極的形成面的投影圖像包含在另一個電極的內 部，只要檢測環(huán)200的位移在規(guī)定的允許范圍內，則各電容元件的有效相對面積維持一定。
[0223]此外，該力傳感器的檢測電路具有以下功能:用相同的符號Cl?C4、C9、C10表示各電容元件Cl?C4、C9、C10的靜電電容值時，根據以下運算式，輸出X軸方向的力Fx、Y軸方向的力Fy、Z軸方向的力Fz、繞Y軸的力矩My、繞Z軸的力矩Mz的檢測值，
[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，對使用電容元件的力傳感器能夠適用的實用技巧進行說明。圖21是對圖14所示的力傳感器實施該實用工夫后的變形例所涉及的力傳感器用XY平面截斷后的橫向剖視圖(上段的圖)以及用VZ平面截斷后的縱向剖視圖(下段的圖)。該變形例的特征在于，檢測環(huán)200由具有可撓性的導電性材料(例如鋁合金等金屬)構成，以檢測環(huán)200的表面為公共位移電極EO而構成電容元件Cl?C8。如果檢測環(huán)200的至少表面部分由導電性材料構成，則該表面整體作為一個公共位移電極EO起作用，因此能夠利用作為兼用作圖14所示的力傳感器中的八片位移電極E21?E28的電極。[0230]如觀察圖21可知，檢測環(huán)200表面上未形成另外的位移電極，例如檢測環(huán)200外周面上的、與固定電極Ell相對的一部分區(qū)域作為圖14所示的位移電極E21起作用，從而形成電容元件Cl。同樣，檢測環(huán)200的下表面上的、與固定電極E15相對的一部分區(qū)域作為圖14所示的位移電極E25起作用，從而形成電容元件C5。
[0231]當然，如果使用一個公共位移電極EO (檢測環(huán)200表面)取代八個位移電極E21?E28 ,則圖18所示的電路圖中所示的位移電極E21?E28相互短路,但是對檢測電路的動作沒有任何妨礙。S卩，在位移電極E21?E28接地狀態(tài)下，C/V轉換器11?18中的任何一個都能夠將該接地節(jié)點與各固定電極Ell?E18之間的靜電電容值Cl?C8分別獨立地轉換為電壓值Vl?V8，因此即使將接地的位移電極E21?E28置換為公共位移電極EO也不會產生問題。
[0232]結果，在圖 21所示的變形例中，實質上需要的電極是設置在固定輔助體350的
外周面上的四個固定電極Ell?E14、以及設置在支撐基板300上表面的四個,電極
E15?E18，傳感器整體的結構變得極為簡單。并且，公共位移電極EO是檢測環(huán)200的整個表面，因此實現(xiàn)圖15所示的電極Ea的功能，并且還滿足構成各電容元件的一個電極投影于另一個電極的形成面的投影圖像包含在另一個電極內部這樣的條件。此外，由于各固定電極Ell?E18需要相互電絕緣，因此固定輔助體350的至少表面的一部分(固定電極Ell?E14的形成部)以及支撐基板300的至少上表面的一部分(固定電極E15?E18的形成部)需要由絕緣材料構成，其他結構要素可以由金屬等導電性材料構成。
[0233]〈〈〈§4、使用應變片的實施方式》〉
[0234]本發(fā)明所涉及的力傳感器的共同特征在于，通過檢測檢測環(huán)200的彈性變形的方式以及大小來求得作用的力、力矩的方向以及大小?！?2中作為檢測彈性變形的方式以及大小的方法之一，對檢測測定點的位移的方法進行了說明，§ 3中作為位移檢測的具體方法，對使用電容元件的實施方式進行了說明。此處，作為檢測彈性變形的方式以及大小的其他方法，對通過檢測元件對檢測環(huán)200的規(guī)定的測定點Rl?R4附近位置的機械形變進行電檢測的方法進行說明。特別是，對使用應變片作為檢測形變的檢測元件的【具體實施方式】進行說明。
[0235]圖22是用XY平面截斷使用應變片的實施方式所涉及的力傳感器后的剖視圖。該力傳感器的基本結構部與圖1所示的基本結構部完全相同，且與圖14所示的使用電容元件的實施方式的基本結構部完全相同。但是，不同之處在于:通過使用應變片作為檢測元件來檢測機械形變，取代使用電容元件作為檢測元件來檢測測定點的位移。圖22所示的四個測定點Rl?R4與圖14所示的四個測定點Rl?R4完全相同，都是設置在V軸或W軸上的點。
[0236]該力傳感器中，為了對四個測定點Rl?R4附近的形變進行電檢測而使用總共八種應變片Gl?G8。S卩，如圖22所示，應變片Gl?G4分別安裝在檢測環(huán)200的內周面的測定點Rl?R4附近，應變片G5?G8 (圖中以虛線表示)分別安裝在檢測環(huán)200的下表面的測定點Rl?R4附近。
[0237]此處，各應變片Gl?G8中的任一個都安裝成在檢測環(huán)200的測定點Rl?R4附近的表面，沿著沿檢測環(huán)200的輪廓的環(huán)狀路徑的方向為長度方向(應力的檢測方向)。因此，能夠將所安裝的表面上產生的、有關沿著檢測環(huán)200的圓周的方向的機械形變，作為關于各應變片Gl?G8的長度方向的電阻的變化進行檢測。
[0238]圖23是表示對圖22所示的力傳感器作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的應變片Gl?G8的電阻的變化的表格。該表格中“ + ”表示電阻增加，表示電阻減少，“O”表示電阻的變化為可以無視的程度。通過對§ I中所說明的檢測環(huán)200的具體變形方式進行解析，能夠得到這種結果。
[0239]例如，對受力環(huán)100作用X軸正方向的力+Fx時，檢測環(huán)200如圖4所示變形。因此，如果考慮對張貼在檢測環(huán)200的內周面的應變片Gl?G4沿著長度方向作用的應力，則由于對G1、G4沿著伸展方向作用應力，因此電阻增加，而由于對G2、G3沿著收縮方向作用應力，因此電阻減少。另一方面，關于張貼在檢測環(huán)200的下表面的應變片G5?G8，其電阻的變化為可以無視的程度(有關具體數(shù)值在后文說明)。圖23的表格的+Fx行示出這種結果?；谕瑯拥睦碛?，Y軸正方向的力+Fy作用時，能夠得到圖23的表格的+Fy行所示的結果。
[0240]另外，如果對受力環(huán)100作用Z軸正方向的力+Fz，則檢測環(huán)200如圖5所示變形。此時，關于張貼在檢測環(huán)200的內周面的應變片Gl?G4，其電阻的變化為可以無視的程度，而由于對張貼在檢測環(huán)200的下表面的應變片G5?G8沿著伸展方向作用應力，因此電阻增加。圖23的表格的+Fz行示出這種結果。
[0241]此外，如果對受力環(huán)100作用正向繞Y軸的力矩+My，則檢測環(huán)200如圖6所示變形，圖的右半部分向下方位移，而圖的左半部分向上方位移。此時，關于張貼在檢測環(huán)200的內周面的應變片Gl?G4，其電阻的變化為可以無視的程度，而張貼在檢測環(huán)200的下表面的應變片G5?G8中，由于對G5、G8沿著收縮方向作用應力，因此電阻減少，而由于對G6、G7沿著伸展方向作用應力，因此電阻增加。圖23的表格的+My行示出這種結果?；谕瑯拥睦碛?，正向繞X軸的力矩+Mx作用時`，能夠得到圖23的表格的+Mx行所示的結果。
[0242]最后，如果對受力環(huán)100作用正向繞Z軸的力矩+Mz，則檢測環(huán)200如圖7所示變形。此時，關于張貼在檢測環(huán)200的下表面的應變片G5?G8，其電阻的變化為可以無視的程度，而張貼在檢測環(huán)200的內周面的應變片Gl?G4中，由于對G2、G4沿著伸展方向作用應力，因此電阻增加，而由于對G1、G3沿著收縮方向作用應力，因此電阻減少。圖23的表格的+Mz行示出這種結果。
[0243]此外，圖23的表格示出正方向的力以及正向轉動力矩作用時的結果，而作用負方向的力以及負向轉動力矩時能夠得到“ + ”和逆轉的結果。結果，八組應變片Gl?G8的電阻的變化模式在6軸成分作用的各個情況中各自不同，并且作用的力、力矩越大則距離電阻的變化量也越大。因此，如果利用檢測電路進行基于這些電阻的測量值的規(guī)定的運算，則能夠獨立輸出6軸成分的檢測值。
[0244]圖24是表示通過有限要素法分析對圖22所示的力傳感器作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的應變片Gl?G8被施加的應力(單位:MPa)后得到的具體解析結果的表格。圖23的表格根據圖24的表格制作而成。如上所述，圖23表格的“O”欄并非表示電阻的變化為“0”，而是表示比表格的其他欄中的變化小，作為測量值是可以無視的程度。
[0245]然而，這些測量值是否可以無視取決于力傳感器所要求的精度，如果是只要求低精度的力傳感器，則能夠進行無視這些測量值的處理，而要求高精度的力傳感器則可能是絕不能無視的值。實際上，關于圖23所示的表格中記載為“O”的欄，如果產生電阻的變化值，則產生其他軸成分的干涉，從而無法得到高精度檢測值。這種情況下，根據需要，優(yōu)選通過微型計算機等進行補正運算。
[0246]在圖23表格中的“O”欄的電阻變化能夠近似作為“O”處理的情況下，對該力傳感器作用的力Fx、Fy以及力矩Mx、My、Mz的檢測值,能夠利用由簡單的惠斯通電橋構成的檢測電路輸出。并且，為了同樣能夠通過簡單的惠斯通電橋得到力Fz的檢測值，且通過由簡單的惠斯通電橋構成的檢測電路輸出所有的6軸成分，則只要對檢測環(huán)200的上表面追加應變片G9?G12即可。
[0247]圖25是圖22所示的實施方式中進一步附加有應變片G9?G12的變形例所涉及的力傳感器的俯視圖。圖22所示的應變片G5?G8設置在檢測環(huán)200的下表面，而圖25所示的應變片G9?G12設置在檢測環(huán)200的上表面。更具體而言，應變片G9?G12是分別
設置在應變片G5?G8正上方的相同形狀、相同尺寸的應變片(’ 一夕抵抗)。因此，
應變片G9?G12的電阻的增減與圖23的表格所示應變片G5?G8的電阻的增減成相反的關系。
[0248]這樣，如果利用總計12種應變片Gl?G12，則能夠通過由惠斯通電橋構成的檢測電路輸出所有的6軸成分的檢測值。圖26是表示圖25所示的變形例所涉及的力傳感器中用于檢測各坐標軸方向的力Fx、Fy、Fz的檢測電路的電路圖，圖27是表示圖25所示的變形例所涉及的力傳感器中用于檢測繞各坐標軸的力矩Mx、My、Mz的檢測電路的電路圖。無論哪一種電路圖都是由接受電源40供電后動作的惠斯通電橋構成的電路。
[0249]如果參照圖23的表格的+Fx行，則Gl、G4為“ + ”，G2、G3為因此能夠容易地理解由圖26上段所示的惠斯通電橋輸出的電壓VFx是X軸方向的力Fx的檢測值?；谕瑯拥睦碛桑蓤D26中段所示的惠斯通電橋輸出的電壓VFy是Y軸方向的力Fy的檢測值。另夕卜，如果參照圖23的表格的+Fz行，則G5?G8為“ +，，，G9?G12為與其相反的因此同樣能夠容易地理解由圖26下段所示的惠斯通電橋輸出的電壓VFz是Z軸方向的力Fz的檢測值。
[0250]另一方面，如果參照圖23的表格的+Mx行，則G5、G6為“_”，G7、G8為“ + ”，因此能夠容易地理解由圖27上段所示的惠斯通電橋輸出的電壓VMx是X軸轉動力矩Mx的檢測值?；谕瑯拥睦碛?，由圖27中段所示惠斯通電橋輸出的電壓VMy是Y軸轉動力矩My的檢測值。另外，如果參照圖23的表格的+Mz行，則G1、G3為“-”，G2、G4為“ + ”，因此同樣能夠容易地理解由圖27下段所示的惠斯通電橋輸出的電壓VMz是繞Z軸的力矩Mz的檢測值。
[0251]因此，對該力傳感器作用的力Fx、Fy、Fz以及力矩Mx、My、Mz的6軸成分的檢測值，通過由簡單的惠斯通電橋構成的檢測電路進行輸出。此外，為了使輸出值的符號成為正確的軸方向以及正確的繞軸的符號，需要將與各惠斯通電橋連接的電源40的極性分別設定為適當?shù)姆较颉?br> [0252]此外，組成如圖26以及圖27所示的由惠斯通電橋構成的檢測電路時，由于需要使各個惠斯通電橋構成電獨立的電橋，因此即使是電路圖中以相同符號表示的應變片，實際上也需要事先使用電獨立的其他的應變片。例如，圖26的上段電路所示的G1、中段電路所示的G1、圖27的下段電路所示的Gl中的任何一個都以相同的符號表示，但實際上是各自獨立的應變片。
[0253]因此，圖22、圖25所示的應變片Gl實際上表示相互電獨立的多個(構成各自獨立的惠斯通電橋所需的數(shù)量)應變片的束。換言之，至此所述的應變片Gl?G12表示分別具有不同設置屬性的12種應變片，實際的力傳感器通過如下方式而構成，S卩:只以構成圖26以及圖27所示的惠斯通電橋所需的數(shù)量，設置具有該12種屬性中任一種的應變片。
[0254]當然，對于只要檢測除力Fz以外的5軸成分Fx、Fy、Mx、My、Mz就足夠的情況，可以省略設置在檢測環(huán)200的上表面的應變片G9?G12，可以只使用具有八種屬性的應變片Gl?G8構成力傳感器。
[0255]此外，圖22所示的示例中，應變片Gl?G4設置在檢測環(huán)200的內側面，反之也可以設置在檢測環(huán)200的外表面。同樣，圖22所示的示例中，應變片G5?G8設置在檢測環(huán)200的下表面，反之也可以設置在檢測環(huán)200的上表面。雖然內側面與外側面、或者上表面與下表面中，應力的施加方向逆轉，圖23所示的表格中“ + ”和逆轉，但是通過上述惠斯通電橋能夠得到各檢測值這一點不變。
[0256]結果，如果對具有這種5軸成分的檢測功能的力傳感器的特征進行匯總，則可以總結為如下特征。首先，基本結構部是受力環(huán)100以及檢測環(huán)200兩者是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)，且以受力環(huán)100在外側、檢測環(huán)200在內側的方式設置兩環(huán)。
[0257]其次，使用在檢測環(huán)200的第一測定點?第四測定點Rl?R4附近的表面、以沿著沿檢測環(huán)200的輪廓的環(huán)狀路徑的方向為檢測方向安裝的多個應變片Gl?G8作為檢測元件。其中，將檢測環(huán)200的內表面以及外周面中的任一方定義為橫向設置面(圖22示例的情況中，內表面為橫向設置面)、將檢測環(huán)200的上表面以及下表面中的任一方定義為縱向設置面(圖22示例的情況中，下表面為縱向設置面)時，檢測元件由具有以下八種屬性的應變片中的任一種構成。
[0258](I)第一屬性的應變片Gl:安裝在橫向設置面的第一測定點Rl的附近位置。
[0259](2)第二屬性的應變片G2:安裝在橫向設置面的第二測定點R2的附近位置。
[0260](3)第三屬性的應變片G3:安裝在橫向設置面的第三測定點R3的附近位置。
[0261](4)第四屬性的應變片G4:安裝在橫向設置面的第四測定點R4的附近位置。
[0262](5)第五屬性的應變片G5:安裝在縱向設置面的第一測定點Rl的附近位置。
[0263](6)第六屬性的應變片G6:安裝在縱向設置面的第二測定點R2的附近位置。
[0264](7)第七屬性的應變片G7:安裝在縱向設置面的第三測定點R3的附近位置。
[0265](8)第八屬性的應變片G8:安裝在縱向設置面的第四測定點R4的附近位置。
[0266]然后，檢測電路如圖26上段所示，通過以第一屬性的應變片Gl和第四屬性的應變片G4為第一對邊、以第二屬性的應變片G2和第三屬性的應變片G3為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出X軸方向的力Fx的檢測值VFx，如圖26中段所示，通過以第一屬性的應變片Gl和第二屬性的應變片G2為第一對邊、以第三屬性的應變片G3和第四屬性的應變片G4為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出Y軸方向的力Fy的檢測值VFy。
[0267]另一方面，檢測電路如圖27上段所示，通過以第五屬性的應變片G5和第六屬性的應變片G6為第一對邊、以第七屬性的應變片G7和第八屬性的應變片G8為第二對邊的惠斯通電橋電路,輸出繞X軸的力矩Mx的檢測值VMx，如圖27中段所示，通過以第五屬性的應變片G5和第八屬性的應變片G8為第一對邊、以第六屬性的應變片G6和第七屬性的應變片G7為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞Y軸的力矩My的檢測值VMy，如圖27下段所示，通過以第一屬性的應變片Gl和第三屬性的應變片G3為第一對邊、以第二屬性的應變片G2和第四屬性的應變片G4為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞Z軸的力矩Mz的檢測值Wz0
[0268]其次，對于構成用于檢測含有力Fz的6軸成分的力傳感器的情況，如圖25所示，只要進一步附加設置在檢測環(huán)200的上表面的應變片G9?G12即可。此外，在將設置在檢測環(huán)200上表面的應變片作為G5?G8、將設置在檢測環(huán)200下表面的應變片作為G9?G12、改變在上表面/下表面形成的應變片的屬性的稱呼方式的情況中同樣，能夠通過圖26以及圖27所示惠斯通電橋電路進行檢測這一點不變。因此，將檢測環(huán)200的內周面以及外周面中的任一方定義為橫向設置面、將檢測環(huán)200的上表面以及下表面中的任一方定義為第一縱向設置面、另一方定義為第二縱向設置面時，檢測元件由具有以下12種屬性的應變片中的任一種構成。
[0269](I)第一屬性的應變片Gl:安裝在橫向設置面的第一測定點Rl的附近位置。
[0270](2)第二屬性的應變片G2:安裝在橫向設置面的第二測定點R2的附近位置。
[0271](3)第三屬性的應變片G3:安裝在橫向設置面的第三測定點R3的附近位置。
[0272](4)第四屬性的應變片G4:安裝在橫向設置面的第四測定點R4的附近位置。
[0273](5)第五屬性的應變片G5:安裝在檢測環(huán)200的第一縱向設置面的第一測定點Rl的附近位置。
[0274](6)第六屬性的應變片G6:安裝在檢測環(huán)200的第一縱向設置面的第二測定點R2的附近位置。
[0275](7)第七屬性的應變片G7:安裝在檢測環(huán)200的第一縱向設置面的第三測定點R3的附近位置。
[0276](8)第八屬性的應變片G8:安裝在檢測環(huán)200的第一縱向設置面的第四測定點R4的附近位置。
[0277](9)第九屬性的應變片G9:安裝在檢測環(huán)200的第二縱向設置面的第一測定點Rl的附近位置。
[0278](10)第十屬性的應變片GlO:安裝在檢測環(huán)200的第二縱向設置面的第二測定點R2的附近位置。
[0279](11)第十一屬性的應變片Gll:安裝在檢測環(huán)200的第二縱向設置面的第三測定點R3的附近位置。
[0280](12)第十二屬性的應變片G12:安裝在檢測環(huán)200的第二縱向設置面的第四測定點R4的附近位置。
[0281]其次，檢測電路如圖26上段所示，通過以第一屬性的應變片Gl和第四屬性的應變片G4為第一對邊、以第二屬性的應變片G2和第三屬性的應變片G3為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出X軸方向的力Fx的檢測值VFx，如圖26中段所示，通過以第一屬性的應變片Gl和第二屬性的應變片G2為第一對邊、以第三屬性的應變片G3和第四屬性的應變片G4為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出Y軸方向的力Fy的檢測值VFy，如圖26下段所示，通過以第五屬性的應變片G5和第六屬性的應變片G6的串聯(lián)邊以及第七屬性的應變片G7和第八屬性的應變片G8的串聯(lián)邊為第一對邊、以第九屬性的應變片G9和第十屬性的應變片GlO的串聯(lián)邊以及第十一屬性的應變片Gll和第十二屬性的應變片G12的串聯(lián)邊為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出Z軸方向的力Fz的檢測值VFz。
[0282]另外，檢測電路如圖27上段所示，通過以第五屬性的應變片G5和第六屬性的應變片G6為第一對邊、以第七屬性的應變片G7和第八屬性的應變片G8為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞X軸的力矩Mx的檢測值VMx，如圖27中段所示，通過以第五屬性的應變片G5和第八屬性的應變片G8為第一對邊、以第六屬性的應變片G6和第七屬性的應變片G7為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞Y軸的力矩My的檢測值VMy，如圖27下段所示，通過以第一屬性的應變片Gl和第三屬性的應變片G3為第一對邊、以第二屬性的應變片G2和第四屬性的應變片G4為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞Z軸的力矩Mz的檢測值Wz0
[0283]?< § 5、適于安裝的技巧>>>
[0284]此處，對適于將至此所述的力傳感器安裝在機器人、工業(yè)機械等上時的技巧進行說明。
[0285]<5-1.受力基板〉
[0286]圖28是表示圖1所示的基本結構部中附加有受力基板600的方式的XZ平面中的縱向剖視圖。實際上，該基本結構部中附加有電容元件、應變片等檢測元件，此處為了便于說明，只示出基本結構部。
[0287]如圖所示，受力基板600是隔著規(guī)定的距離設置在受力環(huán)100以及檢測環(huán)200的上方的基板，受力基板600具有與XY平面平行的上表面。此處，受力基板600的下表面的一部分(圖示示例中為外周附近)與受力環(huán)100的上表面連接。并且，在受力基板600的下表面與檢測環(huán)200的上表 面之間形成有規(guī)定的空隙部H3。這是由于受力基板600的下表面的內側部分比外側部分厚度小。由于設置有這種空隙部H3，因此受力基板600不妨礙檢測環(huán)200位移。
[0288]至此所述的實施方式是在固定了支撐基板300的狀態(tài)下，檢測對受力環(huán)100作用的力、力矩，而圖28所示的示例是在固定了支撐基板300的狀態(tài)下，檢測對受力基板600作用的力、力矩。換言之，受力基板600所受的力、力矩被傳遞給受力環(huán)100。
[0289]這樣，設置有受力基板600的力傳感器安裝在機器人手臂等中繼部分時，容易安裝。例如，如果將受力基板600的上表面與機器人的手部接合，將支撐基板300的下表面與機器人的臂部接合，則該力傳感器能夠安裝在機器人的手腕上，從而能夠檢測對手部施加的力、力矩。
[0290]〈5-2、檢測環(huán)的其他固定方法〉
[0291]圖29是表示改變圖1所示的基本結構部中的檢測環(huán)200的固定方法后的變形例的俯視圖。此處同樣，實際上，該基本結構部中也附加有電容元件、應變片等檢測元件，為了便于說明，只示出基本結構部。
[0292]在圖1所示的基本結構部中，檢測環(huán)200通過固定部件510、520被固定于支撐基板300。其中，固定部件510、520實現(xiàn)連接檢測環(huán)200下表面與支撐基板300上表面的功能。與此相對，在圖29所示的基本結構部中，檢測環(huán)200通過固定部件515、525被固定于固定輔助體350。
[0293]采用這種固定方法的前提是:兩環(huán)設置成受力環(huán)100位于外側、檢測環(huán)200位于內側，且進一步在檢測環(huán)200更內側設置下表面固定于支撐基板300上表面的固定輔助體350。圖14、圖21所示的力傳感器具備符合這種前提的基本結構部。受力環(huán)100和檢測環(huán)200通過沿著X軸的連接部件410、420連接這點與圖14、圖21所示的力傳感器相同，而在圖29所示的力傳感器的情況中，為了將檢測環(huán)200固定于支撐基板300上，固定部件515、525將檢測環(huán)200的內周面與固定輔助體350的外周面連接。
[0294]固定部件515、525沿著Y軸設置，因此檢測環(huán)200上定義的固定點P1、P2的位置、作用點Ql、Q2的位置與至此所述的實施方式相同。因此，雖然采用了與至此的固定方法不同的固定方法，但是作為力傳感器的基本動作與至此所述的實施方式相同。檢測環(huán)200通過固定部件515、525以及固定輔助體350相對于支撐基板300固定。由于與支撐基板300的上表面接合的部件只有固定輔助體350，因此與至此所述的實施方式相比，組裝工序多少被簡化。特別是在最后階段將固定輔助體350與支撐基板300接合而安裝該力傳感器的這種環(huán)境中，安裝變得容易。
[0295]〈5-3、位移控制結構(其I) >
[0296]圖30是表示圖1所示的基本結構部中附加有位移控制結構的示例的俯視圖，圖31是該示例用XZ平面截斷后的縱向剖視圖。如圖31所示，受力環(huán)100的左右兩端附近形成有貫通上下的貫通孔105、107，在受力環(huán)100的上表面的貫通孔105、107位置處，形成有比貫通孔105、107直徑大的槽部101、103。
[0297]而且，以插通該貫通孔105、107的方式嵌入位移控制螺絲111、113。該位移控制螺絲111、113處于前端部固定在形成于支撐基板300的上表面的螺絲孔中，頭部容納在槽部101、103內的狀態(tài)。并且，位移控制螺絲111與貫通孔105的內表面和槽部101的內表面之間形成有空隙部，位移控制螺絲113、與貫通孔107的內表面和槽部103內表面之間形成有空隙部。
[0298]圖31是XZ剖視圖，因此只顯示出兩根位移控制螺絲111、113及其周圍的結構，而實際上，如圖30的俯視圖所示，四根位移控制螺絲111、112、113、114設置在規(guī)定位置(該例中為，X軸正和負以及Y軸正和負共計四處)，其周圍結構中的任何一個都相同。四根位移控制螺絲111、112、113、114的頭部分別容納在槽部101、102、103、104內，而兩者之間形成有空隙部。這意味著各位移控制螺絲111?114不起固定受力環(huán)100的作用。
[0299]各位移控制螺絲111?114由于其前端部固定在形成于支撐基板300的上表面的螺絲孔中，因此位移控制螺絲本身以相對于支撐基板300垂直豎立的狀態(tài)被固定。另一方面，受力環(huán)100并未被位移控制螺絲111?114固定，因此當力或力矩作用時產生位移。但是，如果位移量增大，則位移控制螺絲111?114與貫通孔105?108的內表面或者槽部101?104的內表面接觸，從而限制受力環(huán)100的位移。
[0300]此處，對受力100作用超過規(guī)定的允許范圍的力或力矩時，如果以通過位移控制螺絲111?114限制受力環(huán)100的位移的方式事先設定空隙部的尺寸，則能夠限制受力環(huán)100過度位移。如果這樣事先設置限制受力環(huán)100位移的控制結構，則即使過度的力、力矩作用時，也能夠防止基本結構部受到機械損傷。特別是，檢測環(huán)200是具有可撓性的部件，對在規(guī)定的允許范圍內作用的力產生彈性變形，但是當作用超過允許范圍的力時，則存在損傷的可能性。因此，如此處所示示例那樣，實用上優(yōu)選事先設置某種位移控制結構。
[0301]〈5-4、位移控制結構(其2) >
[0302]此處，對控制受力環(huán)100過度位移的其他結構例進行說明。此處所示示例是利用設置在受力環(huán)100的上方的受力基板600來實現(xiàn)位移的控制結構的示例。即，此處所述示例是將使用§ 3所述電容元件的實施方式改良為更適于安裝的形式的力傳感器的示例，基本的結構與圖21所示的力傳感器完全相同。
[0303]圖32是該力傳感器的俯視圖，圖33是用XZ平面截斷該力傳感器后的縱向剖視圖，圖34是用VZ平面截斷該力傳感器后的縱向剖視圖。此處，V軸以及W軸與圖21所示的實施方式中定義的V軸以及W軸相同，是位于XY平面內且相對于X軸或Y軸傾斜45°的坐標軸。
[0304]如圖32所示，該力傳感器上部被圓盤狀的受力基板600A覆蓋。圖32中繪制的虛線表示受力環(huán)100A的位置。如圖所示,在位于受力基板600A的X軸以及Y軸上方這四處形成有圓形的槽部601、603、605、607，在這些槽部的中心位置形成貫通孔，其中插通有固定螺絲611、613、615、617。該固定螺絲611、613、615、617起將受力基板600A固定于受力環(huán)100A的作用。
[0305]圖33中明確示出固定螺絲611、615被固定在受力環(huán)100A的上表面形成的螺絲孔中的狀態(tài)。固定螺絲611、615的頭部容納在槽部601、605內。固定螺絲613、615的固定狀態(tài)也相同。此外，在支撐基板300A的下表面的固定螺絲611、613、615、617的正下方的位置，分別形成有螺絲孔301、303、305、307。這些螺絲孔起將支撐基板300A固定于其下方的物體(例如機器人的臂部)的作用。
[0306]另一方面，如圖32所示，在位于受力基板600A的V軸以及W軸的上方的四處形成有圓形貫通孔602、604、606、608，在其內部嵌入有圓筒狀間隔物622、624、626、628，進一步在上述間隔物內部插通有固定螺絲612、614、616、618。這些固定螺絲612、614、616、618起將受力環(huán)100A固定于受力基板600A的上方的物體(例如機器人的手部)的作用。
[0307]圖34明確示出固定螺絲612、616及其周圍結構。固定螺絲612的頭部容納在受力環(huán)100A的下表面形成的槽部121內，其前端部經由受力環(huán)100A上形成的貫通孔以及受力基板600A上形成的貫通孔602向 上方突出。該固定螺絲612與貫通孔602內壁面之間嵌入有圓筒狀的間隔物622。同樣，固定螺絲616的頭部容納在受力環(huán)100A的下表面形成的槽部126內，其前端部經由在受力環(huán)100A形成的貫通孔以及在受力基板600A形成的貫通孔606向上方突出。在該固定螺絲616與貫通孔606內壁面之間嵌入有圓筒狀間隔物626。固定螺絲614、618的周圍的結構也相同。
[0308]如果事先在受力基板600A的上方物體(例如機器人的手部)的下表面形成與固定螺絲612、614、616、618前端部螺合的螺絲孔，則該物體通過這些固定螺絲被牢固地固定在間隔物622、624、626、628的上端位置處。
[0309]如圖33以及圖34所示，受力基板600A的下表面外周部與包容受力環(huán)100A及檢測環(huán)200A的包容筒狀體650 (本例中為圓筒狀的物體)連接(圖示示例中，受力基板600A與包容筒狀體650形成一體的結構體)。并且,包容筒狀體650的下端部和支撐基板300A的外周部之間形成有空隙部H4、H5。即，本例中，支撐基板300A的邊緣部設置有階梯部，包容筒狀體650的下端面與階梯部之間形成有空隙部H4。并且，包容筒狀體650的內壁面與支撐基板300A的階梯內側的邊緣部之間形成有空隙部H5。
[0310]此處，對受力基板600A作用超過允許范圍的力或力矩時，對空隙部H4、H5的尺寸進行設定，以使包容筒狀體650的下端部與支撐基板300A的外周部接觸，從而限制受力基板600A的位移。因此，在這種力傳感器的情況下也同樣，當過度的力、力矩作用時，也能夠防止基本結構部受到機械損傷。
[0311]此外，該力傳感器中安裝有構成檢測電路的電子部件的檢測電路基板380設置在支撐基板300A的上表面。圖示示例中，檢測電路基板380是環(huán)繞固定輔助體350A的周圍的墊片狀電路基板，如圖34所示，固定電極E15、E16、E17、E18設置在該檢測電路基板380的上表面。此外，圖中省略了安裝在檢測電路基板380上的電子部件，這些電子部件是例如構成圖18所示電路的部件。在這些電子部件與公共位移電極EO (即檢測環(huán)200A)以及各固定電極Ell?E18之間進行配線。
[0312]這樣，如果在支撐基板300A的上表面設置檢測電路基板380并安裝檢測電路的部件，則能夠將作為力傳感器所需的結構要素全部裝入內部。從而能夠實現(xiàn)裝置整體的省空間化、薄型化。
[0313]〈〈〈§6、形成隔膜部的實施方式》〉
[0314]至此所述實施方式中，使用整體具有可撓性的圓環(huán)狀的環(huán)作為檢測環(huán)200，但本發(fā)明所使用的檢測環(huán)200不必整體都具有可撓性，只要是至少一部分產生彈性變形的環(huán)即可。此處，對在檢測環(huán)200的一部分形成隔膜部、且該隔膜部實現(xiàn)彈性變形功能的實施方式進行說明。
[0315]圖35是檢測環(huán)上形成有隔膜部的實施方式的基本結構部用XY平面截斷后的橫向剖視圖(上段的圖)以及用XZ平面截斷后的縱向剖視圖(下段的圖)。此處同樣，V軸以及W軸與至此所述實施方式中定義的V軸以及W軸相同，是位于XY平面內且相對于X軸或Y軸傾斜45°的坐標軸。
[0316]此處所示基本結構部具有如下結構:檢測環(huán)200B設置在受力環(huán)100B的內側，進一步在檢測環(huán)200B的內側設置固定輔助體350B，并在這些部件下方設置支撐基板300B。受力環(huán)100B與檢測環(huán)200B之間確保有空隙部H6，檢測環(huán)200B與固定輔助體350B之間確保有空隙部H7。而且，受力環(huán)100B和檢測環(huán)200B被支撐在懸浮在支撐基板300B上方的位置，因此檢測環(huán)200B能夠在規(guī)定的允許范圍內變形以及位移。
[0317]受力環(huán)100B以及檢測環(huán)200B的中任一個都是圓環(huán)狀的環(huán)，在XY平面上以Z軸為中心軸設置。而且，支撐基板300B具有與XY平面平行的上表面，并隔著規(guī)定的距離設置在受力環(huán)100B以及檢測環(huán)200B的下方。并且，固定輔助體350B是以Z軸為中心軸設置的圓柱狀的結構體，其下表面與支撐基板300B的上表面接合。這種特征與圖8所示的基本結構部相同。
[0318]但是，此處所示的實施方式的情況下，檢測環(huán)200B并非幾何學上的完美的圓環(huán)，如圖35上段的橫向剖視圖所示，在其一部分上設置有四組隔膜部Dl?D4。而且，連接受力環(huán)100B和檢測環(huán)200B的四根連接部件431?434是以X軸或Y軸為中心軸的圓柱狀部件，其內側端與各隔膜部Dl?D4的中心位置連接。因此，各隔膜部Dl?D4的中心位置分別作為作用點Qll?Q14起作用。在實用上，受力環(huán)100B、檢測環(huán)200B、連接部件431?434可以用金屬等的相同材料制造成一體的結構體。
[0319]另一方面，如圖所示，在檢測環(huán)200B的V軸以及W軸上定義固定點Pll?P14。并且，檢測環(huán)200B的固定點Pll?P14的位置為通過固定部件531?534固定于支撐基板300B的上表面。圖35中，以虛線繪制的固定部件531?534設置在檢測環(huán)200B的固定點Pll?P14的位置的下面。圖36是圖35所示的基本結構部用VZ平面截斷后的縱向剖視圖。該圖中明確示出如下狀態(tài):檢測環(huán)200B的固定點Pll的附近的下表面通過固定部件531固定在支撐基板300B的上表面，檢測環(huán)200B的固定點P13附近的下表面通過固定部件533固定于支撐基板300B的上表面。
[0320]結果，如圖35上段的橫向剖視圖所示，檢測環(huán)200B在四處固定點Pll?P14的位置處被固定于支撐基板300B的狀態(tài)下，在四處作用點Qll?Q14的位置處受力。隔膜部Dl?D4是在檢測環(huán)200B上形成的、比其他部分厚度薄的部分，并具有可撓性。因此，如果從受力環(huán)100B經由四根連接部件431?434對各用點Qll?Q14作用力，則主要在隔膜部Dl?D4產生彈性變形。當然，檢測環(huán)200B的各部由相同材料構成的情況下，嚴格的說，雖然隔膜部Dl?D4以外的部分也多少產生彈性變形，但是實質上，彈性變形集中在隔膜部Dl ?D4。
[0321]因此，此處所示實施方式中通過檢測元件對該隔膜部Dl?D4產生的彈性變形進行電檢測。具體而言，與§3所述實施方式相同，采用利用電容元件測定隔膜部Dl?D4產生的位移，然后根據其結果識別彈性變形方式的方法。如后所述，在支撐基板300B被固定狀態(tài)下，對受力環(huán)100B作用各坐標軸方向的力Fx、Fy、Fz以及繞各坐標軸的力矩Mx、My、Mz時，隔膜部Dl?D4的變形方式各自不同，因此通過測定隔膜部Dl?D4產生的位移，能夠分別獨立檢測6軸成分。
[0322]圖37是通過在圖35所示的基本結構部附加電容元件而構成的力傳感器用XY平面截斷后的橫向剖視圖。該力傳感器中設置有共計40個電極，并構成20組電容元件。此處為了方便，以設置在彼此附近的五個電極作為一個電極組，構成共計八組電極組，進行說明。圖37中，以符號T10、T20、T30、T40表示的電極組是各自由五個位移電極構成的位移電極組，設置在檢測環(huán)200B的內周面的各隔膜部D1、D2、D3、D4的位置。與此相對，以符號U10、U20、U30、U40表示的電極組是各自由五個固定電極構成的固定電極組，設置在固定輔助體350B的外周面的、與各個位移電極組T10、T20、T30、T40相對的位置。
[0323]由于難以在圖37中詳細示出這八組電極組(40個電極)，因此各電極的形狀以及設置示于圖38的表格。該表格中，附有標題T10、T20、T30、T40的欄中示出圖37所示位移電極組Τ10、Τ20、Τ30、Τ40的俯視圖，附有標題U10、U20、U30、U40的欄中示出圖37所示的固定電極組UlO、U20、U30、U40的俯視圖。各俯視圖分別示出從圖37所示的視點el、e2、e3、e4的位置觀察到的各電極組的狀態(tài)。為了明確相對于XYZ坐標系的位置關系，各俯視圖中分別示出X、Y、Z軸的方向。任何一個俯視圖中Z軸都指向上方。此外，固定電極組U10、U20、U30、U40的俯視圖中的虛線示出屬于與相對的位移電極組Τ10、Τ20、Τ30、Τ40的位移電極的投影圖像(在X軸或Y軸方向上的投影圖像)。
[0324]例如，圖38的“Τ10”欄示出屬于位移電極組TlO的五個位移電極Tll?Τ15的俯視圖。該俯視圖從圖37所示的視點el的位置觀察X軸正方向而得到。位移電極Tll?T15中的任一個都設置在檢測環(huán)200B的內周面的隔膜部Dl的部分。因此，實際上，各電極雖然在曲面上形成，但為了便于說明，圖38中作為設置在平面上的圖顯示。位移電極Tll?T14是尺寸相同的梯形電極，位移電極T15是正方形電極。位移電極T15設置成中心點位于X軸上，位移電極Tll?T14設置成圍繞在位移電極T15周圍。圖示俯視圖中，該位移電極組TlO對Y軸、對Z軸都具有對稱性。[0325]另一方面，圖38的“U10”欄示出屬于固定電極組UlO的五個固定電極Ull?U15的俯視圖。該俯視圖從圖37所示的視點el的位置觀察X軸負方向而得到。固定電極Ull?U15分別設置在與位移電極Tll?T15相對的位置。圖示俯視圖中，該固定電極組UlO對Y軸、對Z軸都具有對稱性。如上所述，圖中的虛線示出相對的位移電極組Tll?T15的投影圖像(在X軸方向上的投影圖像)。
[0326]由于五個位移電極Tll?T15與五個固定電極Ull?U15分別相對，因此形成五組電容元件Cll?C15。并且，如圖38中“U10”欄所示，實線所示固定電極Ull?U15分別包含在虛線所示位移電極組Tll?T15的投影圖像內。這意味著各對向電極具有圖15所示的電極Ea、Eb的關系。S卩，電容元件Cll?C15滿足一個電極投影在另一個電極的形成面上的投影圖像被包含在該另一個電極的內部這種條件，只要隔膜部Dl的位移在規(guī)定的允許范圍內，則各電容元件Cll?C15的有效相對面積維持一定。
[0327]圖38的“T20”、“T30”、“T40”的各欄所示的位移電極組以及“U20”、“U30”、“U40”
的各欄所不的固定電極組也完全相同。結果，由位移電極Tll?T15和固定電極Ull?U15形成電容元件Cll?C15 (以下稱為電容元件組C10)，由位移電極T21?T25和固定電極U21?U25形成電容元件C21?C25 (以下稱為電容元件組C20)，由位移電極T31?T35和固定電極U31?U35形成電容元件C31?C35 (以下稱為電容元件組C30)，由位移電極T41?T45和固定電極U41?U45形成電容元件C41?C45 (以下稱為電容元件組C40)。此處，電容元件組C10、C20、C30、C40分別作為檢測隔膜部D1、D2、D3、D4的位移(彈性變形)的檢測元件起作用。
[0328]然后，研究該力傳感器中，在固定了支撐基板300B的狀態(tài)下，對受力環(huán)100B作用各坐標軸方向的力+Fx、+Fy、+Fz以及繞各坐標軸的力矩+Mx、+My、+Mz時，電容元件組C10、C20、C30、C40的靜電電容值如何發(fā)生變化。圖39是表示對圖37所示力傳感器作用各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩時的電容元件Cll?C45的靜電電容值的變化的表格。該表格中“ + ”表示靜電電容值增加，表示靜電電容值減少，“O”表示靜電電容值不變。如果考慮檢測環(huán)200B的具體變形方式，則能夠理解可以得到這種結果。
[0329]例如圖37中，如果對受力環(huán)100B作用X軸正方向的力+Fx，則隔膜部Dl被向右方向拉伸，而隔膜部D3被向右方向擠壓。其結果，電容元件組ClO的電極間距離擴大靜電電容值減少，而電容元件組C30的電極間距離縮小靜電電容值增加。此時，電容元件組C20、C40雖然產生向X軸方向的位移，但電極間距離和有效相對面積部產生實質的變化，因此靜電電容值不變。圖39表格中的+Fx行示出這種結果?；谕瑯拥睦碛桑饔肶軸正方向的力+Fy時，能夠得到圖39表格中的+Fx行所示的結果。
[0330]其次，考慮對受力環(huán)100B作用Z軸正方向的力+Fz時的情況。圖40是表示作用力+Fz時的變形狀態(tài)的XZ平面中的縱向剖視圖。為了便于說明，只提取需要的結構要素、并變形顯示各部。因此，各部分的形狀并不準確顯示實際的變形方式。如圖所示，如果受力環(huán)100B向上方移動，則經由連接部件431、433向隔膜部Dl、D3的中央部分傳遞向上方的力。其結果，隔膜部D1、D3如圖所示傾斜。圖中，隔膜部D1、D3繪制成平板，而實際上形成產生扭曲的復雜形狀。但是，如果考慮與固定輔助體350B外周面的距離的變化，則如圖所示，上部的距離d (上)減小，而下部的距離d (下)增大。
[0331]其結果，圖38所示表格中，由設置在上部的電極對形成的電容元件C13、C23、C33、C43的靜電電容值增加，而由設置在下部的電極對形成的電容元件C14、C24、C34、C44的靜電電容值減少。另一方面，設置在中央、左右的電極對的距離，上半部分減小而下半部分增大，因此兩者抵消，由這些電極對形成的電容元件的靜電電容值不變。圖39表格中的+Fz行示出這種結果。
[0332]然后，考慮對受力環(huán)100B作用正向繞Y軸的力矩+My時的情況。這種情況下，圖37中受力環(huán)100B的左端向Z軸正方向(從紙面向外方向)移動，因此隔膜部D3與圖40同樣地傾斜，上部的距離d (上)減小，而下部的距離d (下)增大。從而，電容元件C33的靜電電容值增加，而電容元件C34的靜電電容值減少。反之，受力環(huán)100B的右端向Z軸負方向(從紙面向內側方向)移動，因此隔膜部Dl向與圖40相反方向傾斜，上部的距離d (上)增大，而下部的距離d (下)減小。從而，電容元件C13的靜電電容值減少，而電容元件C14的靜電電容值增加。其他電容元件的靜電電容值不變。圖39表格中的+My行示出這種結果?；谕瑯拥睦碛桑饔谜蚶@X軸的力矩+Mx時，能夠得到圖39表格中的+Mx行所示的結果O
[0333]最后，考慮對受力環(huán)100B作用正向繞Z軸的力矩+Mz時的情況。圖41是表示作用力矩+Mz時的變形狀態(tài)的XZ平面的縱向剖視圖。為了便于說明，該圖中同樣也只提取需要的結構要素、并變形顯示各部。因此，各部分的形狀并不準確顯示實際的變形方式。如圖所示，如果力矩+Mz作用，則受力環(huán)100B逆時針旋轉，因此隔膜部Dl如圖所示傾斜。此處同樣，隔膜部Dl繪制成平板，而實際上形成產生扭曲的復雜形狀。但是，如果考慮與固定輔助體350B的外周面的距離的變化，則如圖所示，從視點el觀察時，左側(圖41中的上側)的距離d (左)減小，而右側(圖41中的下側)的距離d (右)增大。其結果，電容元件Cll的靜電電容值增加，而電容元件C12的靜電電容值減少?；谕瑯拥睦碛桑娙菰﨏21、C32、C42的靜電電容值增加，而電容元件C22、C31、C41的靜電電容值減少。其他電容元件的靜電電容值不變。圖39表格中的+Mz行示出這種結果。
[0334]此外，圖39的表格示出作用正方向的力以及正向轉動力矩時的結果，而作用負方向的力以及負向轉動力矩時能夠得到“ + ”和逆轉的結果。結果，20組電容元件Cll?C45的靜電電容值的變化模式在6軸成分作用的各個情況中各自不同，并且作用的力、力矩越大則變化量也越大。然后，如果利用檢測電路根據這些靜電電容值的測量值進行規(guī)定的運算，則能夠獨立輸出6軸成分的檢測值。
[0335]圖42是表示用于計算對圖37所示的力傳感器作用的各坐標軸方向的力Fx、Fy、Fz以及繞各坐標軸的力矩Mx、My、Mz的具體運算式的圖。該式中的Cll?C45分別表示以相同的符號表不的電容兀件Cll?C45的靜電電容值。如果參照圖39所不表格,就可以理解根據這種運算式能夠得到各個檢測值的理由。例如，有關Fx的第一式是圖39表格的+Fx行中標記為“ + ”的五組電容元件的電容值總和與標記為的五組電容元件的電容值總和的差分。第二式以及第三式是只使用五組電容元件中的四組或一組時的運算式。關于其他檢測值也相同。
[0336]另外，在作用負方向的力-Fx、-Fy、_Fz以及負向轉動力矩-Mx、-My、_Mz的情況中，圖39表格中的“ + ”和逆轉，因此如果直接利用圖42所示運算式，則能夠得到負的各檢測值。由于該圖42所示6軸成分的運算式不受其他軸成分的干涉，因此能夠獨立獲得關于6軸成分的各檢測值。并且，根據該運算式，由于其中任何一個都是進行求取差值的計算，因此即使基本結構部由于溫度環(huán)境變化而膨脹或收縮、從而產生對向電極間距離變化的誤差，由于產生的誤差能夠相互抵消，因此也能夠得到不包含干擾成分的準確的檢測結果。
[0337]此處，雖然省略了根據該圖42所示運算式輸出6軸成分檢測值的檢測電路的舉例，但是能夠構成以圖18所示電路圖為基準的檢測電路。當然，如果將多個電容元件并聯(lián)連接，則能夠省略用于進行加法計算的運算器，并且，如果通過A/D轉換器將靜電電容值Cll?C45分別作為數(shù)字值處理，則作為數(shù)字計算結果，能夠將各檢測值作為數(shù)字值輸出。
[0338]另外，圖37所示的力傳感器的結構只示出一例，具體結構部分的規(guī)格在設計上可以適當改變。例如，如圖43的(a)所示(從X軸方向觀察原點O方向的圖)，圖37所示的力傳感器的隔膜部Dl的輪廓為矩形，其中心位置上接合有連接部件431 (示出截面)。這種形狀的隔膜部Dl能夠通過對檢測環(huán)200B的一部分進行切削加工而形成，制造工藝比較簡單。但是，隔膜部的形狀并不一定限制為矩形。
[0339]圖43的(b)所示示例(也是從X軸方向觀察原點O方向的圖)是形成輪廓為圓形的隔膜部D1’的示例。隔膜部D1’的中心位置上接合有連接部件431這點相同，但隔膜部D1’通過在檢測環(huán)200B上挖圓形槽而形成，其周圍全部被檢測環(huán)200B的厚壁部分圍繞。
[0340]另一方面，圖44是表示圖37所示的力傳感器的電極組的變形例的俯視圖(陰影線用于清楚地顯示各電極的形狀而并非顯示剖面)。如圖38的俯視圖所示，在圖37所示的力傳感器中，由一個正方形電極和四個梯形電極共五個電極構成一組電極組，但構成各電極組的電極的數(shù)量、形狀、設置并不僅限于圖38所示示例。圖44的(a)是由四個等腰三角形形成的電極構成一組電極組的示例。另外，圖44的(b)是由一個正方形電極和四個L字形電極共五個電極構成一組電極組的示例。而且，圖44的(c)是由四個正方形電極構成一組電極組的示例。當然還可以考慮其他各種電極構成。
[0341]此處，省略了有關采用該圖44中作為變形例示出的電極結構時的6軸成分的檢測方法的詳細說明，但其中任何一種情況都可以制成以圖39為基準的表格，并且根據該表格能夠定義以圖42為基準的運算 式。
[0342]最后，對該§6所述實施方式的特征進行總結。首先第一，如圖35所示，在沿著檢測環(huán)200B輪廓的環(huán)狀路徑，交替設置有四個作用點Qll?Q14和四個固定點Pll?P14，檢測環(huán)200B的四個作用點Qll?Q14的附近部分構成比其他部分厚度薄的隔膜部Dl?D4。而且，四個連接部件431?434在作用點Qll?Q14的位置處與各隔膜部Dl?D4連接，四
個固定部件531?534在點Pl?P4的位置與檢測環(huán)200B的下表面連接。
[0343]作用點以及固定點的數(shù)量不必一定限定為四個，可以設定為任意的復數(shù)η個?？傊?，在沿著檢測環(huán)200Β輪廓的環(huán)狀路徑，交替設置有復數(shù)η個作用點Qll?Qln和復數(shù)η個固定點Pll?Pin，檢測環(huán)200B的η個作用點Qll?Qln的附近部分構成比其他部分厚度薄的隔膜部Dl?Dn，η個連接部件與各隔膜部連接，η個固定部件將各固定點Pl I?Pln固定于支撐基板300Β即可。然后，對具有這種結構的基本結構部附加對各隔膜部Dl?Dn的彈性變形進行電檢測的檢測元件即可。
[0344]但是實用上，如上述實施方式那樣，如果在沿著檢測環(huán)200Β輪廓的環(huán)狀路徑上，按照第一作用點Q11、第一固定點Ρ11、第二作用點Q12、第二固定點Ρ12、第三作用點Q13、第三固定點Ρ13、第四作用點Q14、第四固定點Ρ14的順序設置四個作用點以及四個固定點，檢測環(huán)200B的第一作用點Qll的附近部分構成第一隔膜部D1，檢測環(huán)的第二作用點Q12的附近部分構成第二隔膜部D2，檢測環(huán)的第三作用點Q13的附近部分構成第三隔膜部D3，檢測環(huán)的第四作用點Q14的附近部分構成第四隔膜部D4，并通過檢測元件對上述第一隔膜部?第四隔膜部Dl?D4的彈性變形進行電檢測，就能夠非常有效地進行檢測。
[0345]特別是，對于實現(xiàn)能夠獨立檢測XYZ三維正交坐標系中的各坐標軸方向的力Fx、Fy、Fz以及繞各坐標軸的力矩Mx、My、Mz的6軸成分的力傳感器而言，采用上述實施方式的結構最有效。具體而言，關于作用點，分別將第一作用點Qll設置在X軸正區(qū)域、第二作用點Q12設置在Y軸正區(qū)域、第三作用點Q13設置在X軸負區(qū)域、第四作用點Q14設置在Y軸負區(qū)域，第一隔膜部Dl位于X軸正區(qū)域、第二隔膜部D2位于Y軸正區(qū)域、第三隔膜部D3位于X軸負區(qū)域、第四隔膜部D4位于Y軸負區(qū)域。
[0346]并且，通過沿著X軸正區(qū)域延伸的第一連接部件431，第一隔膜部Dl與受力環(huán)100B連接，通過沿著Y軸正區(qū)域延伸的第二連接部件432，第二隔膜部D2與受力環(huán)100B連接，通過沿著X軸負區(qū)域延伸的第三連接部件433，第三隔膜部D3與受力環(huán)100B連接，通過沿著Y軸負區(qū)域延伸的第四連接部件434，第四隔膜部D4與受力環(huán)100B連接。
[0347]另一方面，關于固定點，定義了 V軸和W軸時,分別將第一固定點Pll設置在V軸正區(qū)域、將第二固定點P12設置在W軸正區(qū)域、將第三固定點P13設置在V軸負區(qū)域、將第四固定點P14設置在W軸負區(qū)域，在各固定點的位置上，檢測環(huán)200B相對于支撐基板300B被固定即可，上述V軸通過XYZ三維正交坐標系中的原點O、正區(qū)域位于XY平面的第一象限、負區(qū)域位于XY平面的第三象限、與X軸成45°的V軸，上述W軸通過XYZ三維正交坐標系中的原點O、正區(qū)域位于XY平面的第二象限、負區(qū)域位于XY平面的第四象限、與V軸正交的W軸。
[0348]此處，對各隔膜部Dl?D4的彈性變形進行電檢測，可以采用利用電容元件等測定各部位移的方法，也可以采用利用應變片等測定各部所產生的機械形變的方法。圖37所示的力傳感器采用前者的方法進行了如下設計，以便能夠利用電容元件有效地進行位移測定。
[0349]首先，將受力環(huán)100B以及檢測環(huán)200B兩者設計為在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)，且兩環(huán)設置成受力環(huán)100B位于外側而檢測環(huán)200B位于內側。并且，為了支撐固定電極，而在檢測環(huán)200B的更內側設置圓柱狀的固定輔助體350B,其下表面固定于支撐基板300B的上表面且以Z軸為中心軸。
[0350]其次，檢測元件由以下四組電容元件組構成。
[0351](I)第一電容元件組C10，由多個電容元件Cll?C15構成，上述多個電容元件Cll?C15由第一位移電極組TlO和第一固定電極組UlO構成,其中，該第一位移電極組TlO由設置在檢測環(huán)200B的內周面的第一隔膜Dl部分的多個位移電極Tll?T15構成，第一固定電極組UlO由設置在固定輔助體350B的外周面的與第一位移電極組TlO的各個位移電極分別相對的位置上的多個固定電極Ull?U15構成。
[0352](2)第二電容元件組C20，由多個電容元件C21?C25構成，上述多個電容元件C21?C25由第二位移電極組T20和第二固定電極組U20構成，其中，該第二位移電極組T20由設置在檢測環(huán)200B的內周面的第二隔膜D2部分的多個位移電極T21?T25構成，第二固定電極組U20由設置在固定輔助體350B的外周面的與第二位移電極組T20的各個位移電極分別相對的位置上的多個固定電極U21?U25構成。
[0353](3)第三電容元件組C30，由多個電容元件C31?C35構成，上述多個電容元件C31?C35由第三位移電極組T30和第三固定電極組U30構成，其中，該第三位移電極組T30
由設置在檢測環(huán)200B的內周面的丨,隔膜D3部分的多個位移電極T31?T35構成，第三
固定電極組U30由設置在固定輔助體350B的外周面的與第三位移電極組T30的各個位移電極分別相對的位置上的多個固定電極U31?U35構成。
[0354](4)第四電容元件組C40，由多個電容元件C41?C45構成，上述多個電容元件C41?C45由第四位移電極組T40和第四固定電極組U40構成，其中，該第四位移電極組T40由設置在檢測環(huán)200B的內周面的第四隔膜D4部分的多個位移電極T41?T45構成，第四固定電極組U40包括設置在固定輔助體350B的外周面的與第四位移電極組T40的各個位移電極分別相對的位置上的多個固定電極U41?U45構成。
[0355]其中，構成各電容元件Cll?C45的一個電極投影于另一個電極的形成面的投影圖像具有被包含在該另一個電極的內部的關系。然后，利用檢測電路，根據各電容元件Cll?C45的靜電電容值輸出規(guī)定的檢測值。
[0356]如圖44所例示那樣，作為各電容元件組的成員的各個電容元件的電極的數(shù)量、形狀、設置模式可以考慮各種變化，在采用圖38所示實施方式的力傳感器的情況中，各電容元件組的結構如下。
[0357](I)第一電容元件組ClO包括:設置在X軸上的第一組的軸上電容元件C15 ;相對于第一組的軸上電容元件C15與Y軸正方向鄰接設置的第一組的第一電容元件Cll ;相對于第一組的軸上電容元件C15與Y軸負方向鄰接設置的第一組的第二電容元件C12 ;相對于第一組的軸上電容元件C15與Z軸正方向鄰接設置的第一組的第三電容元件C13 ；以及相對于第一組的軸上電容元件C15與Z軸負方向鄰接設置的第一組的第四電容元件C14。
[0358](2)第二電容元件組C20包括:設置在Y軸上的第二組的軸上電容元件C25 ;相對于第二組的軸上電容元件C25與X軸正方向鄰接設置的第二組的第一電容元件C21 ;相對于第二組的軸上電容元件C25與X軸負方向鄰接設置的第二組的第二電容元件C22 ;相對于第二組的軸上電容元件C25與Z軸正方向鄰接設置的第二組的第三電容元件C23 ;以及相對于第二組的軸上電容元件C25與Z軸負方向鄰接設置的第二組的第四電容元件C24。
[0359](3)第三電容元件組C30包括:設置在X軸上的第三組的軸上電容元件C35 ;相對于第三組的軸上電容元件C35與Y軸正方向鄰接設置的第三組的第一電容元件C31 ;相對于第三組的軸上電容元件C35與Y軸負方向鄰接設置的第三組的第二電容元件C32 ;相對于第三組的軸上電容元件C35與Z軸正方向鄰接設置的第三組的第三電容元件C33 ;以及相對于第三組的軸上電容元件C35與Z軸負方向鄰接設置的第三組的第四電容元件C34。
[0360](4)第四電容元件組C40包括:設置在Y軸上的第四組的軸上電容元件C45 ;相對于第四組的軸上電容元件C45與X軸正方向鄰接設置的第四組的第一電容元件C41 ;相對于第四組的軸上電容元件C45與X軸負方向鄰接設置的第四組的第二電容元件C42 ;相對于第四組的軸上電容元件C45與Z軸正方向鄰接設置的第四組的第三電容元件C43 ;以及相對于第四組的軸上電容元件C45與Z軸負方向鄰接設置的第四組的第四電容元件C44。
[0361]在使用包括上述結構的電容元件組的實施方式的情況下，檢測電路通過分別以相同的符號Cll?C45表不各電容兀件Cll?C45的靜電電容值,根據以下運算式,能夠輸出X軸方向的力Fx、Y軸方向的力Fy、Z軸方向的力Fz、繞X軸的力矩Mx、繞Y軸的力矩My、繞Z軸的力矩Mz的檢測值。
[0362]Fx=-(Cl1+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=(Cll+C21+C32+C42)
[0377]-(C12+C22+C31+C41)。
[0378]此外，圖37所示實施方式同樣，如果檢測環(huán)200B的至少隔膜部Dl?D4由具有可撓性的導電性材料構成，則能夠以該隔膜部的表面作為公共位移電極EO構成各電容元件Cll?C45。實用上，整個檢測環(huán)200B由鋁合金等金屬構成，只要厚度薄的隔膜部Dl?D4具有可撓性即可。這種情況下，檢測環(huán)200B的隔膜部Dl?D4本身作為位移電極組T10、T20、T30、T40起作用，因此沒有必要另外設置位移電極。
[0379]?< § 7、其他變形例 >》
[0380]最后，對能夠適用于至此說明的實施方式的變形例進行說明。
[0381]〈7-1、關于位移檢測的變形例〉
[0382]§3和§6中對利用電容元件檢測檢測環(huán)規(guī)定地點的位移的實施方式進行了說明，但用于位移檢測的檢測元件并不一定限定為電容元件，通常，只要是能夠檢測距離的元件則可以利用任何檢測元件。
[0383]圖45是為了測量圖10所示的基本結構部中的距離dl?d4，在固定輔助體350的外周面的V軸以及W軸上設置有距離檢測元件Ml?M4的變形例所涉及的力傳感器用XY平面截斷后的橫向剖視圖。此處省略了距離檢測元件Ml?M4內部結構的圖示，只要是用于距離檢測的一般元件，則可以使用任何元件。
[0384]例如，如果檢測環(huán)200的至少測定對象面(圖示示例中為V軸以及W軸附近的內表面)由導電性材料構成，則可以利用渦電流位移計作為設置在其相對基準面上的距離檢測兀件Ml?M4。圖46是表不基于潤電流位移計的距尚測量的基本原理的圖。潤電流位移計是由高頻振蕩電路71和線圈72構成的裝置，其具有對設置在線圈72附近的導電性檢測物體73與線圈72之間的距離進行電檢測的功能。[0385]基于潤電流位移計的距尚檢測的基本原理如下。首先，聞頻電流從聞頻振蕩電路71流向線圈72，線圈72產生高頻磁場74，通過該高頻磁場74的電磁感應作用，使得渦電流75在導電性檢測物體73中流動。然后，由于該渦電流75，線圈72的電阻改變，其結果，高頻振蕩電路71的震蕩狀態(tài)產生變化。線圈72的電阻變化量對應于線圈72和檢測物體73的距離，因此如果在高頻振蕩電路71中設置檢測震蕩狀態(tài)變化的電路，則能夠對線圈72和檢測物體73的距離進行電檢測。
[0386]另外，如果測環(huán)200的至少測定對象面由磁鐵構成，則可以利用霍爾元件作為設置在其相對基準面上的距離檢測元件Ml?M4?；魻栐蔷哂型ㄟ^霍爾效應檢測磁場的功能的元件，因此如果測環(huán)200的測定對象面由磁鐵構成，則根據磁場的變化能夠檢測測定對象面的位移。具體而言，整個檢測環(huán)200由磁鐵構成(這種情況下，需要使用具有能夠抵抗變形的機械強度的磁鐵)，或者將磁鐵固定在檢測環(huán)200的內周面。對作為距離檢測元件Ml?M4設置的霍爾元件作用的磁場的強度，隨著測定對象面的位移而變化，因此能夠使用基于霍爾元件的磁場的檢測值作為距離測量值。
[0387]除此之外，還可以使用利用光束的距離測量器作為距離檢測元件Ml?M4。例如，準備如下的測定電路即可:將從傾斜方向對測定對象面(圖示示例中為V軸以及W軸附近的內表面)照射光束的光束照射器，以及接收該測定對象面反射的光束的光束接收器固定在與該測定對象面相對的相對基準面(圖示示例中為固定輔助體350的外周面)上，根據由光束接收器接收光束的位置輸出距離測量值。如果檢測環(huán)200的測定對象面(內周面)產生位移，則光束的照射位置以及反射光束的射出方向改變，因此由光束接收器接收光束的位置也改變。因此，測定電路能夠根據該光接收位置輸出距離測量值。
[0388]〈7-2、有關各部的形狀以及設置的變形例>
[0389]至此所述的實施方式中使用圓環(huán)狀部件作為受力環(huán)100以及檢測環(huán)200，但這些環(huán)沒有必要一定是圓形環(huán)狀體，也可以是具有開口部的環(huán)狀部件。例如，可以是正八邊形、正六邊形、正方形形狀的環(huán)狀體，也可以是任意形狀的環(huán)狀體。
[0390]但是實用上，如至此所述的實施方式所示，優(yōu)選為圓形的環(huán)狀體。如果使用圓環(huán)狀部件作為受力環(huán)100以及檢測環(huán)200，并采用兩者以Z軸為中心軸的同心設置的結構，則基本結構部具有關于XZ平面以及YZ平面兩者面對稱的結構。其中，如至此所述的實施方式所示，如果各檢測元件的設置也關于XZ平面以及YZ平面兩者面對稱，則基于檢測電路的信號處理也被簡化。
[0391]例如，如圖17、圖20、圖42所示運算式中，表示靜電電容值的各項未乘以系數(shù)，這是為了確保上述對稱性。在檢測環(huán)200由任意形狀的環(huán)構成的情況下，產生對上述運算式各項乘以規(guī)定的系數(shù)的必要性，從而不得不使實際檢測電路的結構復雜化。
[0392]另外，構成電容元件的位移電極和固定電極的形狀也不必局限于至此所述的實施方式所示的形狀，可以采用任意形狀的電極。但是，如上所述，為了簡化用于獲得各軸成分的檢測值的運算式，電極的形成模式也優(yōu)選為關于XZ平面以及YZ平面兩者面對稱的模式。
[0393]〈7-3、省略檢測所不需要的結構要素〉
[0394]至此所述的實施方式是主要進行6軸成分檢測的類型的力傳感器，本發(fā)明所涉及的力傳感器只要具有檢測XYZ三維正交坐標系中的各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩中的至少關于一個軸的力或力矩的功能即可。因此，本發(fā)明也可以適用于只檢測對X軸方向作用的力Fx的力傳感器、只檢測對Y軸作用的轉動力矩My的力傳感器。
[0395]這樣，在制造用于只檢測指定成分的特殊化力傳感器方面，能夠省略檢測所不需要的結構要素。例如，圖37所示的力傳感器具有檢測所有6軸成分的功能，在能夠只檢測對X軸方向作用的力Fx即可的情況下，如圖42的Fx欄所示，最低限度只要設置電容元件C15以及C35即可。同樣，在能夠只檢測對Y軸作用的轉動力矩My即可的情況下，如圖42的My欄所示，只要設置電容元件C13、C14、C33、C34即可。
[0396]〈7-4、公開的技術思想的組合〉
[0397]以上，對本發(fā)明的技術思想的各種實施方式進行了說明，并對各種變形例所涉及的技術思想進行了說明，但本申請所述的眾多技術思想只要沒有特別的妨礙理由，則可以自由組合使用。例如，將受力環(huán)100和檢測環(huán)200的內外位置關系逆轉的技術思想，就能夠適用于至此所述的各種實施方式。另外，為了檢測圖35所示的基本結構部的彈性變形，還可以使用應變片(這種情況下，不需要固定輔助體350B)，在圖35所示的基本結構部中，也可以通過固定部件將檢測環(huán)200B固定于固定輔助體350B。
[0398]本申請說明書中，并未對覆蓋有關公開的各種技術思想的所有組合的實施方式進行說明，只要是本領域技術人員，則可以通過對本申請公開的各種技術思想進行組合，自由設計本申請未直接公開的實施方式。
[0399]工業(yè)上的可利用性
[0400]本發(fā)明所涉及的力傳感器最適合為了對機器人、工業(yè)機械的動作進行控制而檢測力、力矩的用途。另外，還可以用作電子設備的人機界面。特別是，能夠用作用于檢測XYZ三維正交坐標系中的各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩的6軸成分的薄型力傳感器。
【權利要求】
1.一種力傳感器，所述力傳感器檢測XYZ三維正交坐標系中的各坐標軸方向的力以及繞各坐標軸的力矩中、關于至少一個軸的力或力矩，所述力傳感器的特征在于， 所述力傳感器包括: 受力環(huán)(100、100AU00B)，在XY平面上設置成以Z軸為中心軸，所述受力環(huán)受到作為檢測對象的力或者力矩的作用； 檢測環(huán)(200、200A、200B)，在XY平面上設置成以Z軸為中心軸且設置在所述受力環(huán)(100U00AU00B)的內側或外側，由于作為檢測對象的力或者力矩的作用而在至少一部分產生彈性變形； 支撐基板(300、300A、300B)，具有與XY平面平行的上表面，間隔著規(guī)定間隔地設置在所述受力環(huán)(100、10 、10( )及所述檢測環(huán)(200、20( 20( 的下方； 連接部件(410、420、410A、420A、431?434)，所述檢測環(huán)(200、200A、200B)在規(guī)定的作用點(Q1、Q2，Qll?Q14)的位置與所述受力環(huán)連接； 固定部件(510、520、515、525、531?534)，所述檢測環(huán)(200、200A、200B)在規(guī)定的固定點(P1、P2，P11?P14)的位置固定于所述支撐基板(300、300A、300B)； 檢測元件(Cl -CIO,Gl?G12、C11?C45)，電檢測所述檢測環(huán)(200、200A、200B)的彈性變形；以及 檢測電路(380)，根據所述檢測元件(Cl?C10、G1?G12、C11?C45)的檢測結果，在固定了所述支撐基板(300、300A、300B)的狀態(tài)下，輸出對所述受力環(huán)(100、100A、100B)作用的規(guī)定的坐標軸方向的力或繞規(guī)定的坐標軸的力矩的檢測值， 其中，所述作用點(Ql、Q2、Qll?Q14)向XY平面的投影圖像與所述固定點(P1、P2，Pll?P14)向XY平面的投影圖像形成于不同的位置。
2.根據權利要求1所述的力傳感器，其特征在于， 在沿著檢測環(huán)(200)的輪廓的環(huán)狀路徑，交替設置有復數(shù)η個作用點(Q1、Q2)和復數(shù)η個固定點(Ρ1、Ρ2)， 檢測元件(Cl?CS、Gl?G12)對定義在鄰接設置的作用點與固定點之間的位置的測定點(Rl?R4)附近的檢測環(huán)(200)的彈性變形進行電檢測。
3.根據權利要求2所述的力傳感器，其特征在于， 在沿著檢測環(huán)(200)的輪廓的環(huán)狀路徑，按照第一作用點(Q1)、第一固定點(Ρ1)、第二作用點(Q2)、第二固定點(Ρ2)的順序設置兩個作用點以及兩個固定點， 分別定義了設置在所述環(huán)狀路徑中的所述第一作用點(Ql)與所述第一固定點(Pl)之間的位置上的第一測定點(R1)、設置在所述環(huán)狀路徑中的所述第一固定點(Pl)與所述第二作用點(Q2)之間的位置上的第二測定點(R2)、設置在所述環(huán)狀路徑中的所述第二作用點(Q2)與所述第二固定點(Ρ2)之間的位置上的第三測定點(R3)、設置在所述環(huán)狀路徑中的所述第二固定點(Ρ2)與所述第一作用點(Ql)之間的位置上的第四測定點(R4)時，檢測元件(Cl?CS、Gl?G12)對所述第一測定點?所述第四測定點(Rl?R4)附近的檢測環(huán)(200)的彈性變形進行電檢測。
4.根據權利要求3所述的力傳感器，其特征在于， 分別將第一作用點(Ql)設置在X軸正區(qū)域、將第一固定點(Pl)設置在Y軸正區(qū)域、將第二作用點(Q2)設置在X軸負區(qū)域、將第二固定點(Ρ2)設置在Y軸負區(qū)域，通過沿著X軸正區(qū)域延伸的第一連接部件(410)，檢測環(huán)(200)的所述第一作用點(Ql)附近與受力環(huán)(100)連接，通過沿著X軸負區(qū)域延伸的第二連接部件(420)，檢測環(huán)(200)的所述第二作用點(Q2)附近與受力環(huán)(100)連接， 檢測元件對分別設置在XY平面的第一象限、第二象限、第三象限、第四象限的第一測定點(R1)、第二測定點(R2)、第三測定點(R3)、第四測定點(R4)附近的檢測環(huán)(200)的彈性變形進行電檢測。
5.根據權利要求4所述的力傳感器，其特征在于， 在定義了 V軸和W軸時，分別將第一測定點(Rl)設置在V軸正區(qū)域、將第二測定點(R2)設置在W軸正區(qū)域、將第三測定點(R3)設置在V軸負區(qū)域、將第四測定點(R4)設置在W軸負區(qū)域，所述V軸通過XYZ三維正交坐標系中的原點O、正區(qū)域位于XY平面的第一象限、負區(qū)域位于XY平面的第三象限、與X軸成45°，所述W軸通過XYZ三維正交坐標系中的原點O、正區(qū)域位于XY平面的第二象限、負區(qū)域位于XY平面的第四象限、與V軸正交。
6.根據權利要求1所述的力傳感器，其特征在于， 在沿著檢測環(huán)(200B)的輪廓的環(huán)狀路徑，交替設置有復數(shù)η個作用點(Qll?Q14)和復數(shù)η個固定點(Pll?Ρ14)， 所述檢測環(huán)(200Β)的所述η個作用點(Qll?Q14)的附近部分構成比其他部分厚度薄的隔膜部(Dl?D4)， 復數(shù)η個連接部件(431?4·34)與所述各隔膜部(Dl?D4)連接， 檢測元件(Cll?C45)對所述各隔膜部(Dl?D4)的彈性變形進行電檢測。
7.根據權利要求6所述的力傳感器，其特征在于， 在沿著檢測環(huán)(200Β)的輪廓的環(huán)狀路徑，按照第一作用點(Q11)、第一固定點(Ρ11)、第二作用點(Q12)、第二固定點(Ρ12)、第三作用點(Q13)、第三固定點(Ρ13)、第四作用點(Q14)、第四固定點(Ρ14)的順序設置四個作用點以及四個固定點， 所述檢測環(huán)(200Β)的所述第一作用點(Qll)的附近部分構成第一隔膜部(D1)，所述檢測環(huán)(200Β)的所述第二作用點(Q12)的附近部分構成第二隔膜部(D2)，所述檢測環(huán)(200Β)的所述第三作用點(Q13)的附近部分構成第三隔膜部(D3)，所述檢測環(huán)(200Β)的所述第四作用點(Q14)的附近部分構成第四隔膜部(D4)， 檢測元件(Cll?C45)對所述第一隔膜部?所述第四隔膜部(Dl?D4)的彈性變形進行電檢測。
8.根據權利要求7所述的力傳感器，其特征在于， 分別將第一作用點(Qll)設置在X軸正區(qū)域、將第二作用點(Q12)設置在Y軸正區(qū)域、將第三作用點(Q13)設置在X軸負區(qū)域、將第四作用點(Q14)設置在Y軸負區(qū)域，第一隔膜部(Dl)位于X軸正區(qū)域、第二隔膜部(D2)位于Y軸正區(qū)域、第三隔膜部(D3)位于X軸負區(qū)域、第四隔膜部(D4)位于Y軸負區(qū)域， 定義了 V軸和W軸時，分別將第一固定點(Pll)設置在V軸正區(qū)域、將第二固定點(Ρ12)設置在W軸正區(qū)域、將第三固定點(Ρ13)設置在V軸負區(qū)域、將第四固定點(Ρ14)設置在W軸負區(qū)域，所述V軸通過XYZ三維正交坐標系中的原點O、正區(qū)域位于XY平面的第一象限、負區(qū)域位于XY平面的第三象限、與X軸成45°，所述W軸通過XYZ三維正交坐標系中的原點O、正區(qū)域位于XY平面的第二象限、負區(qū)域位于XY平面的第四象限、與V軸正交，通過沿著X軸正區(qū)域延伸的第一連接部件(431 )，第一隔膜部(Dl)與受力環(huán)(100B)連接，通過沿著Y軸正區(qū)域延伸的第二連接部件(432)，第二隔膜部(D2)與受力環(huán)(IOOB)連接，通過沿著X軸負區(qū)域延伸的第三連接部件(433)，第三隔膜部(D3)與受力環(huán)(100B)連接，通過沿著Y軸負區(qū)域延伸的第四連接部件(434)，第四隔膜部(D4)與受力環(huán)(100B)連接。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的力傳感器，其特征在于， 固定部件(510、520、531?534)將檢測環(huán)(200、200A、200B)的下表面和支撐基板(300、300A.300B)的上表面連接。
10.根據權利要求1至8中任一項所述的力傳感器，其特征在于， 以受力環(huán)(100)在外側、檢測環(huán)(200)在內側的方式設置兩環(huán)， 在所述檢測環(huán)(200)的更內側設置有固定輔助體(350)，該固定輔助體(350)的下表面被固定于支撐基板(300)的上表面， 固定部件(515、525)將所述檢測環(huán)(200)的內周面與所述固定輔助體(350)的外周面連接。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的力傳感器，其特征在于， 所述力傳感器還設置有受力基板(600、600A)，所述受力基板(600、600A)具有與XY平面平行的上表面，間隔著規(guī)定間隔地設置在受力環(huán)(100U00A)及檢測環(huán)(200、200A)的上方， 所述受力基板(600、600A)的`下表面的一部分與受力環(huán)(100U00A)的上表面連接， 所述受力基板(600、600A)的下表面與檢測環(huán)(200、200A)的上表面之間形成有規(guī)定的空隙部(H3)。
12.根據權利要求11所述的力傳感器，其特征在于， 受力基板(600A)的下表面外周部與包容受力環(huán)(100A)及檢測環(huán)(200A)的包容筒狀體(650)連接，所述包容筒狀體(650)的下端部與支撐基板(300A)的外周部之間形成有空隙部(H4、H5)， 所述空隙部(H4、H5)的尺寸設定成對所述受力基板(600A)作用超過規(guī)定的允許范圍的力或力矩的情況下，所述包容筒狀體(650)的下端部與所述支撐基板(300A)的外周部接觸，限制所述受力基板(600A)的位移。
13.根據權利要求1至12中任一項所述的力傳感器，其特征在于， 在受力環(huán)(100)的規(guī)定地點形成有上下貫通的貫通孔(105、107)，在所述受力環(huán)的上表面的貫通孔的位置形成有比所述貫通孔直徑大的槽部(101?104)， 所述力傳感器還具備位移控制螺絲(111?114)，所述位移控制螺絲(111?114)插通所述貫通孔(105、107)，且前端部固定于支撐基板(300)，而頭部收容在所述槽部(101?104)內，所述位移控制螺絲與所述貫通孔的內表面及所述槽部的內表面之間形成有空隙部， 所述空隙部的尺寸設定成對所述受力環(huán)(100)作用超過規(guī)定的允許范圍的力或力矩的情況下，所述位移控制螺絲(111?114)與所述貫通孔的內表面或所述槽部的內表面接觸，限制所述受力環(huán)(100)的位移。
14.根據權利要求1至13中任一項所述的力傳感器，其特征在于，受力環(huán)(100、100A、100B)由只要作用的力或力矩在規(guī)定的允許范圍內則不產生實質上的變形的剛體構成。
15.根據權利要求1至14中任一項所述的力傳感器，其特征在于， 受力環(huán)(100U00AU00B)以及檢測環(huán)(200、200A、200B)兩者是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)。
16.根據權利要求1至15中任一項所述的力傳感器，其特征在于， 將安裝了構成檢測電路的電子部件的檢測電路基板(380)設置于支撐基板(300A)的上表面。
17.根據權利要求1至16中任一項所述的力傳感器，其特征在于， 檢測元件(Cl?CIO、Cll?C45)對檢測環(huán)(200、200A、200B)的規(guī)定的測定點(Rl?R4)的位移進行電檢測。
18.根據權利要求17所述的力傳感器，其特征在于， 檢測元件對檢測環(huán)(200)的測定點(Rl?R4)附近的測定對象面和受力環(huán)(100)的與所述測定對象面相對的相對基準面之間的距離(dl’?d4’ )進行電檢測。
19.根據權利要求17所述的力傳感器，其特征在于， 以受力環(huán)(100、100A、100B)在外側、檢測環(huán)(200、200A、200B)在內側的方式設置兩環(huán)， 在所述檢測環(huán)(200、200A、200B )的更內側設置有固定輔助體(350 )，該固定輔助體的下表面被固定于支撐基板(3 00、300A、300B)的上表面， 檢測元件對檢測環(huán)(200、200A、200B)的內周面的位于測定點(Rl?R4)附近的測定對象面和位于所述固定輔助體(350)外周且與所述測定對象面相對的相對基準面之間的距離(dl?d4)進行電檢測。
20.根據權利要求17所述的力傳感器，其特征在于， 檢測元件對檢測環(huán)(200、200A)的下表面的位于測定點(Rl?R4)附近的測定對象面和位于支撐基板(300、300A)的上表面且與所述測定對象面相對的相對基準面之間的距離(d5?d8、d9、dlO)進行電檢測。
21.根據權利要求18至20中任一項所述的力傳感器，其特征在于， 檢測元件由電容元件(Cl?C10)構成，所述電容元件包括設置于測定對象面的位移電極(E21?E30)和設置于相對基準面的固定電極(Ell?E20)。
22.根據權利要求21所述的力傳感器，其特征在于， 檢測環(huán)(200)由具有可撓性的導電性材料構成，以檢測環(huán)的表面作為公共位移電極而構成電容元件(Cl?C8)。
23.根據權利要求18至20中任一項所述的力傳感器，其特征在于， 檢測環(huán)(200)的至少測定對象面由導電性材料構成， 檢測元件由設置于相對基準面的渦電流位移計(Ml?M4)構成。
24.根據權利要求18至20中任一項所述的力傳感器，其特征在于， 檢測環(huán)(200)的至少測定對象面由磁鐵構成， 檢測元件由設置于相對基準面的霍爾元件(Ml?M4)構成。
25.根據權利要求18至20中任一項所述的力傳感器，其特征在于， 檢測元件(Ml?M4)由光束照射器、光束接收器以及測定電路構成，所述光束照射器固定于相對基準面，從傾斜方向向測定對象面照射光束， 所述光束接收器固定于相對基準面，接收被所述測定對象面反射的光束， 所述測定電路根據所述光束接收器接收光束的光接收位置，輸出距離測量值。
26.根據權利要求1至16中任一項所述的力傳感器，其特征在于， 檢測元件(Gl?G12)對檢測環(huán)(200)的規(guī)定的測定點(Rl?R4)附近位置的機械形變進行電檢測。
27.根據權利要求26所述的力傳感器，其特征在于， 檢測元件由應變片(Gl?G12)構成，所述應變片在檢測環(huán)(200)的測定點(Rl?R4)附近的表面，以沿著沿所述檢測環(huán)(200)的輪廓的環(huán)狀路徑的方向為檢測方向的方式被安裝。
28.根據權利要求5所述的力傳感器，其特征在于， 受力環(huán)(100)以及檢測環(huán)(200)兩者是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)， 以所述受力環(huán)(100 )在外側、所述檢測環(huán)(200 )在內側的方式設置兩環(huán)， 在所述檢測環(huán)(200)的更內側設置有圓柱狀的固定輔助體(350)，該固定輔助體的下表面固定于支撐基板(300)的上表面且以Z軸為中心軸， 檢測元件包括第一電容元件(Cl)、第二電容元件(C2)、第三電容元件(C3)、第四電容元件(C4)、第五電容元件(C5)、第六電容元件(C6)、第七電容元件(C7)以及第八電容元件(C8)， 所述第一電容元件(Cl)由設置在所述檢測環(huán)(200)的內周面的第一測定點(Rl)附近位置的第一位移電極(E21)、以及設置在所述固定輔助體(350)的外周面的與所述第一位移電極(E21)相對的位置的第一固定電極(Ell)構成， 所述第二電容元件(C2)由設置在所述檢測環(huán)(200)的內周面的第二測定點(R2)附近位置的第二位移電極(E22)、以及設置在所述固定輔助體(350)的外周面的與所述第二位移電極(E22)相對的位置的第二固定電極(E12)構成， 所述第三電容元件(C3)由設置在所述檢測環(huán)(200)的內周面的第三測定點(R3)附近位置的第三位移電極(E23)、以及設置在所述固定輔助體(350)的外周面的與所述第三位移電極(E23)相對的位置的第三固定電極(E13)構成， 所述第四電容元件(C4)由設置在所述檢測環(huán)(200)的內周面的第四測定點(R4)附近位置的第四位移電極(E24)、以及設置在所述固定輔助體(350)的外周面的與所述第四位移電極(E24 )相對的位置的第四固定電極(E14 )構成， 所述第五電容元件(C5)由設置在所述檢測環(huán)(200)的下表面的第一測定點(Rl)附近位置的第五位移電極(E25)、以及設置在所述支撐基板(300)的上表面的與所述第五位移電極(E25)相對的位置的第五固定電極(E15)構成， 所述第六電容元件(C6)由設置在所述檢測環(huán)(200)的下表面的第二測定點(R2)附近位置的第六位移電極(E26)、以及設置在所述支撐基板(300)的上表面的與所述第六位移電極(E26)相對的位置的第六固定電極(E16)構成， 所述第七電容元件(C7)由設置在所述檢測環(huán)(200)的下表面的第三測定點(R3)附近位置的第七位移電極(E27)、以及設置在所述支撐基板(300)的上表面的與所述第七位移電極(E27)相對的位置的第七固定電極(E17)構成， 所述第八電容元件(CS)由設置在所述檢測環(huán)(200)的下表面的第四測定點(R4)附近位置的第八位移電極(E28)、以及設置在所述支撐基板(300)的上表面的與所述第八位移電極(E28)相對的位置的第八固定電極(E18)構成， 其中，構成所述各電容元件(Cl?CS)的一個電極投影于另一個電極的形成面的投影圖像包括在所述另一個電極的內部， 將所述第一電容兀件(Cl)的靜電電容值設定為Cl、所述第二電容兀件(C2)的靜電電容值設定為C2、所述第三電容元件(C3)的靜電電容值設定為03、所述第四電容元件(04)的靜電電容值設定為C4、所述第五電容兀件(C5)的靜電電容值設定為C5、所述第六電容兀件(C6)的靜電電容值設定為C6、所述第七電容元件(C7)的靜電電容值設定為C7、所述第八電容元件(C8)的靜電電容值設定為C8時，檢測電路(380)根據以下運算式，輸出X軸方向的力Fx、Y軸方向的力Fy、Z軸方向的力X軸的力矩Mx、繞Y軸的力矩My、繞Z軸的力矩Mz的檢測值，
Fx= (C1+C4)-(C2+C3)
Fy= (C3+C4)-(C1+C2)
Fz=- (C5+C6+C7+C8)
Mx= (C7+C8)-(C5+C6)
My= (C5+C8)-(C6+C7 )
Mz=(C2+C4)-(Cl+C3)。
29.根據權利要求5所述的力傳感器，其特征在于， 受力環(huán)(100)以及檢測環(huán)(200)兩者是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)， 以所述受力環(huán)(100 )在外側、所述檢測環(huán)(200 )在內側的方式設置兩環(huán)， 在所述檢測環(huán)(200)的更內側設置有圓柱狀的固定輔助體(350)，該固定輔助體的下表面被固定于支撐基板(300)的上表面且以Z軸為中心軸， 以第一作用點(Ql)作為第五測定點、以第二作用點(Q6)作為第六測定點，檢測元件包括第一電容元件(Cl)、第二電容元件(C2)、第三電容元件(C3)、第四電容元件(C4)、第五電容元件(C9)以及第六電容元件(C10)， 所述第一電容元件(Cl)由設置在所述檢測環(huán)(200)的內周面的第一測定點(Rl)附近位置的第一位移電極(E21)、以及設置在所述固定輔助體(350)的外周面的與所述第一位移電極(E21)相對的位置的第一固定電極(ElI)構成， 所述第二電容元件(C2)由設置在所述檢測環(huán)(200)的內周面的第二測定點(R2)附近位置的第二位移電極(E22)、以及設置在所述固定輔助體(350)的外周面的與所述第二位移電極(E22)相對的位置的第二固定電極(E12)構成， 所述第三電容元件(C3)由設置在所述檢測環(huán)(200)的內周面的第三測定點(R3)附近位置的第三位移電極(E23)、以及設置在所述固定輔助體(350)的外周面的與所述第三位移電極(E23)相對的位置的第三固定電極(E13)構成， 所述第四電容元件(C4)由設置在所述檢測環(huán)(200)的內周面的第四測定點(R4)附近位置的第四位移電極(E24)、以及設置在所述固定輔助體(350)的外周面的與所述第四位移電極(E24)相對的位置的第四固定電極(E14)構成， 所述第五電容元件(C9)由設置在所述檢測環(huán)(200)的下表面的第五測定點(Ql)附近位置的第五位移電極(E29)、以及設置在所述支撐基板(300)的上表面的與所述第五位移電極(E29)相對的位置的第五固定電極(E19)構成， 所述第六電容元件(ClO)由設置在所述檢測環(huán)(200)的下表面的第六測定點(Q2)附近位置的第六位移電極(E30)、以及設置在所述支撐基板(300)的上表面的與所述第六位移電極(E30)相對的位置上的第六固定電極(E20)構成， 其中，構成所述各電容兀件(Cl?C4、C9、C10)的一個電極投影于另一個電極的形成面的投影圖像包括在所述另一個電極的內部， 當將所述第一電容元件(Cl)的靜電電容值設定為Cl、將所述第二電容元件(C2)的靜電電容值設定為C2、將所述第三電容元件(C3)的靜電電容值設定為C3、將所述第四電容元件(C4)的靜電電容值設定為C4、將所述第五電容元件(C9)的靜電電容值設定為C9、將所述第六電容元件(ClO)的靜電電容值設定為ClO時，檢測電路(380)根據以下的運算式，輸出X軸方向的力Fx、Y軸方向的力Fy、Z軸方向的力Fz、繞Y軸的力矩My、繞Z軸的力矩Mz的檢測值，
Fx= (C1+C4)-(C2+C3)
Fy= (C3+C4)-(C1+C2)
Fz=-(C9+C10)
My=C9-C10
Mz=(C2+C4)-(Cl+C3)。
30.根據權利要求28或29所述的力傳感器，其特征在于， 檢測環(huán)(200)由具有可撓性的導電性材料構成，以檢測環(huán)的表面作為公共位移電極地構成各電容元件(Cl?C10)。
31.根據權利要求5所述的力傳感器，其特征在于， 受力環(huán)(100)以及檢測環(huán)(200)兩者是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)， 以所述受力環(huán)(100 )在外側、所述檢測環(huán)(200 )在內側的方式設置兩環(huán)， 檢測元件包括多個應變片(Gl?G8)，所述應變片在所述檢測環(huán)(200)的第一測定點?第四測定點(Rl?R4)附近的表面，以沿著沿所述檢測環(huán)(200)的輪廓的環(huán)狀路徑的方向為檢測方向的方式被安裝， 將所述檢測環(huán)(200)的內周面以及外周面中的任一方定義為橫向設置面、將所述檢測環(huán)(200)的上表面以及下表面中的任一方定義為縱向設置面時，所述多個應變片由以下具有八種屬性的應變片中的任一種構成， 第一屬性的應變片(G1)，安裝在所述橫向設置面的第一測定點(Rl)的附近位置， 第二屬性的應變片(G2)，安裝在所述橫向設置面的第二測定點(R2)的附近位置， 第三屬性的應變片(G3)，安裝在所述橫向設置面的第三測定點(R3)的附近位置， 第四屬性的應變片(G4)，安裝在所述橫向設置面的第四測定點(R4)的附近位置， 第五屬性的應變片(G5)，安裝在所述縱向設置面的第一測定點(Rl)的附近位置， 第六屬性的應變片(G6)，安裝在的所述縱向設置面的第二測定點(R2)的附近位置，第七屬性的應變片(G7)，安裝在所述縱向設置面的第三測定點(R3)的附近位置， 第八屬性的應變片(G8)，安裝在所述縱向設置面的第四測定點(R4)的附近位置， 檢測電路(380) 通過以所述第一屬性的應變片(Gl)和所述第四屬性的應變片(G4)為第一對邊、以所述第二屬性的應變片(G2)和所述第三屬性的應變片(G3)為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出X軸方向的力Fx的檢測值， 通過以所述第一屬性的應變片(Gl)和所述第二屬性的應變片(G2)為第一對邊、以所述第三屬性的應變片(G3)和所述第四屬性的應變片(G4)為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出Y軸方向的力Fy的檢測值， 通過以所述第五屬性的應變片(G5)和所述第六屬性的應變片(G6)為第一對邊、以所述第七屬性的應變片(G7)和所述第八屬性的應變片(G8)為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞X軸的力矩Mx的檢測值， 通過以所述第五屬性的應變片(G5)和所述第八屬性的應變片(G8)為第一對邊、以所述第六屬性的應變片(G6)和所述第七屬性的應變片(G7)為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞Y軸的力矩My的檢測值， 通過以所述第一屬性的應變片(Gl)和所述第三屬性的應變片(G3)為第一對邊、以所述第二屬性的應變片(G2)和所述第四屬性的應變片(G4)為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞Z軸的力矩Mz的檢測值。
32.根據權利要求5所述的力傳感器，其特征在于， 受力環(huán)(100)以及檢測環(huán)(200)兩者是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)， 以所述受力環(huán)(100)在外側、所述檢測環(huán)(200)在內側的方式設置兩環(huán)， 檢測元件包括多個應變片(Gl?G12)，所述應變片在所述檢測環(huán)(200)的第一測定點?第四測定點(Rl?R4)附近的表面，以沿著沿所述檢測環(huán)(200)的輪廓的環(huán)狀路徑的方向為檢測方向的方式被安裝， 將所述檢測環(huán)(200)的內周面以及外周面中的任一方定義為橫向設置面、將所述檢測環(huán)(200)的上表面以及下表面中的任一方定義為第一縱向設置面、另一方定義為第二縱向設置面時，所述多個應變片由以下具有十二種屬性的應變片中的任一種構成， 第一屬性的應變片(G1)，安裝在所述橫向設置面的第一測定點(Rl)的附近位置， 第二屬性的應變片(G2)，安裝在所述橫向設置面的第二測定點(R2)的附近位置， 第三屬性的應變片(G3)，安裝在所述橫向設置面的第三測定點(R3)的附近位置， 第四屬性的應變片(G4)，安裝在所述橫向設置面的第四測定點(R4)的附近位置， 第五屬性的應變片(G5)，安裝在所述檢測環(huán)(200)的所述第一縱向設置面的第一測定點(Rl)的附近位置， 第六屬性的應變片(G6)，安裝在所述檢測環(huán)(200)的所述第一縱向設置面的第二測定點(R2)的附近位置， 第七屬性的應變片(G7)，安裝在所述檢測環(huán)(200)的所述第一縱向設置面的第三測定點(R3)的附近位置， 第八屬性的應變片(G8)，安裝在所述檢測環(huán)(200)的所述第一縱向設置面的第四測定點(R4)的附近位置， 第九屬性的應變片(G9)，安裝在所述檢測環(huán)(200)的所述第二縱向設置面的第一測定點(Rl)的附近位置， 第十屬性的應變片(G10)，安裝在所述檢測環(huán)(200)的所述第二縱向設置面的第二測定點(R2)的附近位置， 第十一屬性的應變片(G11)，安裝在所述檢測環(huán)(200)的所述第二縱向設置面的第三測定點(R3)的附近位置， 第十二屬性的應變片(G12)，安裝在所述檢測環(huán)(200)的所述第二縱向設置面的第四測定點(R4)的附近位置， 檢測電路(380) 通過以所述第一屬性的應變片(Gl)和所述第四屬性的應變片(G4)為第一對邊、以所述第二屬性的應變片(G2)和所述第三屬性的應變片(G3)為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出X軸方向的力Fx的檢測值， 通過以所述第一屬性的應變片(Gl)和所述第二屬性的應變片(G2)為第一對邊、以所述第三屬性的應變片(G3)和所述第四屬性的應變片(G4)為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出Y軸方向的力Fy的檢測值， 通過以所述第五屬性的應變片(G5)和所述第六屬性的應變片(G6)的串聯(lián)邊以及所述第七屬性的應變片(G7)和所·述第八屬性的應變片(G8)的串聯(lián)邊為第一對邊、以所述第九屬性的應變片(G9)和所述第十屬性的應變片(GlO)的串聯(lián)邊以及所述第十一屬性的應變片(Gll)和所述第十二屬性的應變片(G12)的串聯(lián)邊為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出Z軸方向的力Fz的檢測值， 通過以所述第五屬性的應變片(G5)和所述第六屬性的應變片(G6)為第一對邊、以所述第七屬性的應變片(G7)和所述第八屬性的應變片(G8)為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞X軸的力矩Mx的檢測值， 通過以所述第五屬性的應變片(G5)和所述第八屬性的應變片(G8)為第一對邊、以所述第六屬性的應變片(G6)和所述第七屬性的應變片(G7)為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞Y軸的力矩My的檢測值， 通過以所述第一屬性的應變片(Gl)和所述第三屬性的應變片(G3)為第一對邊、以所述第二屬性的應變片(G2)和所述第四屬性的應變片(G4)為第二對邊的惠斯通電橋電路，輸出繞Z軸的力矩Mz的檢測值。
33.根據權利要求8所述的力傳感器，其特征在于， 受力環(huán)(100B )以及檢測環(huán)(200B )兩者是在XY平面上設置成以Z軸為中心軸的圓形的環(huán)， 以所述受力環(huán)(100B)在外側、所述檢測環(huán)(200B)在內側的方式設置兩環(huán)， 在所述檢測環(huán)(200B)的更內側設置有圓柱狀的固定輔助體(350B)，該固定輔助體的下表面被固定于支撐基板(300B)的上表面且以Z軸為中心軸， 檢測元件包括: 第一電容元件組(C10)，由多個電容元件(Cll?C15)構成，所述多個電容元件由第一位移電極組(TlO)和第一固定電極組(UlO)構成，所述第一位移電極組(TlO)由在所述檢測環(huán)(200B)的內周面的第一隔膜(Dl)部分被設置的多個位移電極(Tll?T15)構成，所述第一固定電極組(UlO)由在所述固定輔助體(350B)的外周面的與所述第一位移電極組(TlO)的各個位移電極分別相對的位置被設置的多個固定電極(Ull?U15)構成； 第二電容元件組(C20)，由多個電容元件(C21?C25)構成，所述多個電容元件由第二位移電極組(T20 )和第二固定電極組(U20 )構成，所述第二位移電極組(T20 )由在所述檢測環(huán)(200B)的內周面的第二隔膜(D2)部分被設置的多個位移電極(T21?T25)構成，所述第二固定電極組(U20)由在所述固定輔助體(350B)的外周面的與所述第二位移電極組(T20)的各個位移電極分別相對的位置被設置的多個固定電極(U21?U25)構成； 第三電容元件組(C30)，由多個電容元件(C31?C35)構成，所述多個電容元件由第三位移電極組(T30 )和第三固定電極組(U30 )構成，所述第三位移電極組(T30 )由在所述檢測環(huán)(200B)的內周面的第三隔膜(D3)部分被設置的多個位移電極(T31?T35)構成，所述第三固定電極組(U30)由在所述固定輔助體(350B)的外周面的與所述第三位移電極組(T30)的各個位移電極分別相對的位置被設置的多個固定電極(U31?U35)構成；以及 第四電容元件組(C40)，由多個電容元件(C41?C45)構成，所述多個電容元件由第四位移電極組(T40 )和第四固定電極組(U40 )構成，所述第四位移電極組(T40 )由在所述檢測環(huán)(200B)的內周面的第四隔膜(D4)的部分被設置的多個位移電極(T41?T45)構成，所述第四固定電極組(U40)由在所述固定輔助體(350B)的外周面的與所述第四位移電極組(T40)的各個位移電極分別相對的位置被設置的多個固定電極(U41?U45)構成， 其中，構成所述各電容元件(Cll?C15、C21?C25、C31?C35、C41?C45)的一個電極投影于另一個電極的形成面的投影圖像包括在所述另一個電極的內部， 檢測電路(380)根據所述各電容元件(Cll?C15、C21?C25、C31?C35、C41?C45)的靜電電容值輸出檢測值。
34.根據權利要求33所述的力傳感器，其特征在于， 第一電容元件組(ClO)包括:設置在X軸上的第一組的軸上電容元件(C15);在Y軸正方向與所述第一組的軸上電容元件(C15)鄰接設置的第一組的第一電容元件(C11);在Y軸負方向與所述第一組的軸上電容元件(C15)鄰接設置的第一組的第二電容元件(C12);在Z軸正方向與所述第一組的軸上電容元件(C15)鄰接設置的第一組的第三電容元件(C13)；以及在Z軸負方向與所述第一組的軸上電容元件(C15)鄰接設置的第一組的第四電容元件(C14)， 第二電容元件組(C20)包括:設置在Y軸上的第二組的軸上電容元件(C25);在夂軸正方向與所述第二組的軸上電容元件(C25)鄰接設置的第二組的第一電容元件(C21);在X軸負方向與所述第二組的軸上電容元件(C25)鄰接設置的第二組的第二電容元件(C22);在Z軸正方向與所述第二組的軸上電容元件(C25)鄰接設置的第二組的第三電容元件(C23)；以及在Z軸負方向與所述第二組的軸上電容元件(C25)鄰接設置的第二組的第四電容元件(C24)， 第三電容元件組(C30)包括:設置在X軸上的第三組的軸上電容元件(C35);在丫軸正方向與所述第三組的軸上電容元件(C35)鄰接設置的第三組的第一電容元件(C31);在Y軸負方向與所述第三組的軸上電容元件(C35)鄰接設置的第三組的第二電容元件(C32);在Z軸正方向與所述第三組的軸上電容元件(C35)鄰接設置的第三組的第三電容元件(C33)；以及在Z軸負方向與所述第三組的軸上電容元件(C35)鄰接設置的第三組的第四電容元件(C34)， 第四電容元件組(C40)包括:設置在Y軸上的第四組的軸上電容元件(C45);在X軸正方向與所述第四組的軸上電容元件(C45)鄰接設置的第四組的第一電容元件(C41);在X軸負方向與所述第四組的軸上電容元件(C45)鄰接設置的第四組的第二電容元件(C42);在Z軸正方向與所述第四組的軸上電容元件(C45)鄰接設置的第四組的第三電容元件(C43);以及在Z軸負方向與所述第四組的軸上電容元件(C45)鄰接設置的第四組的第四電容元件(C44)， 在將所述第一組的第一電容元件(Cll)的靜電電容值設定為CU、將所述第一組的第二電容元件(C12)的靜電電容值設定為C12、將所述第一組的第三電容元件(C13)的靜電電容值設定為C13、將所述第一組的第四電容元件(C14)的靜電電容值設定為C14、將所述第一組的軸上電容元件(C15)的靜電電容值設定為C15， 將所述第二組的第一電容元件(C21)的靜電電容值設定為C21、將所述第二組的第二電容元件(C22)的靜電電容值設定為C22、將所述第二組的第三電容元件(C23)的靜電電容值設定為C23、將所述第二組的第四電容元件(C24)的靜電電容值設定為C24、將所述第二組的軸上電容元件(C25)的靜電電容值設定為C25， 將所述第三組的第一電容元件(C31)的靜電電容值設定為C31、將所述第三組的第二電容元件(C32)的靜電電容值設定為C32、將所述第三組的第三電容元件(C33)的靜電電容值設定為C33、將所述第三組的第四電容元件(C34)的靜電電容值設定為C34、將所述第三組的軸上電容元件(C35)的靜電電容值設定為C35， 將所述第四組的第一電容元件(C41)的靜電電容值設定為C41、將所述第四組的第二電容元件(C42)的靜電電容值設定為C42、將所述第四組的第三電容元件(C43)的靜電電容值設定為C43、將所述第四組的`第四電容元件(C44)的靜電電容值設定為C44、將所述第四組的軸上電容元件(C45)的靜電電容值設定為C45時， 檢測電路(380)根據以下的運算式，輸出X軸方向的力Fx、Y軸方向的力Fy、Z軸方向的力Fz、繞X軸的力矩Mx、繞Y軸的力矩My、繞Z軸的力矩Mz的檢測值，
Fx=-(Cl1+C12+C13+C14+C15) + (C31+C32+C33+C34+C35)或 =-(C11+C12+C13+C14) +(C31+C32+C33+C34)或 =-C15+C35
Fy=-(C21+C22+C23+C24+C25) + (C41+C42+C43+C44+C45)或 =-(C21+C22+C23+C24) +(C41+C42+C43+C44)或 =-C25+C45
Fz=(C13+C23+C33+C43)
-(C14+C24+C34+C44)
Mx=(C23+C44)-(C24+C43)My=(C14+C33)-(C13+C34)
Mz=(Cll+C21+C32+C42)
-(C12+C22+C31+C41)。
35.根據權利要求33或34所述的力傳感器，其特征在于， 檢測環(huán)(200B)的至少隔膜部(Dl?D4)由具有可撓性的導電性材料構成，以所述隔膜部的表面作為公共位移電極地構成各電容元件(Cll?C15、C21?C25、C31?C35、C41?C45) 。
【文檔編號】G01L5/16GK103430000SQ201180069443
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2011年7月27日 優(yōu)先權日:2011年7月27日
【發(fā)明者】岡田和廣, 西沖暢久 申請人:三角力量管理株式會社