JP2001027570A - 静電容量式力覚センサ - Google Patents

静電容量式力覚センサ

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JP2001027570A
JP2001027570A JP11198645A JP19864599A JP2001027570A JP 2001027570 A JP2001027570 A JP 2001027570A JP 11198645 A JP11198645 A JP 11198645A JP 19864599 A JP19864599 A JP 19864599A JP 2001027570 A JP2001027570 A JP 2001027570A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 面倒な組み立て作業が少なく、部品点数
を増やすことなく容易に防水及び防塵対策ができ、セ
ンサーとしての感度が高い静電容量式力覚センサを提供
すること 【解決手段】 固定電極群Dx+,Dx−,Dy+,D
y−,Dz+が形成された基板1と、全体がエラストマ
ーより成り且つ少なくとも前記固定電極群と対向する部
分が導電性エラストマーにより形成されている可動電極
板2と、前記可動電極板2と一体又は別体に形成され且
つ可動電極板2に力を伝達できる硬質性の操作部3とを
具備しており、前記固定電極群と可動電極板2とから複
数の可変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,
Cz+が構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、静電容量式力覚
センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】静電容量式力覚センサとして、既に、図
12に示すようなものわが社で開発し、出願している。
【0003】この静電容量式力覚センサは、図12に示す
ように、固定電極群90aが形成された基板90と、全体が
弾性を有するゴムにより成形され且つ少なくとも前記固
定電極群90aと対向する面が導電性ゴムにより構成され
ている可動電極板91と、前記可動電極板91と一体成形さ
れたシリコンゴム製の操作部92とを具備しており、前記
固定電極群90aと可動電極板91とから複数の可変静電容
量部93が構成されていると共に、前記操作部92に加えた
力の大きさと方向に対応して各可変静電容量部93の静電
容量が変化するようにしてある。
【0004】この静電容量式力覚センサの構造を採用し
た場合、従来のセンサの如き面倒な組み立て作業が少な
く且つ部品点数を増やすことなく容易に防水及び防塵対
策ができるというメリットがある。
【0005】しかしながら、上記センサでは、操作部92
に加えた力の一部が当該操作部3の弾性変形力に変換さ
れてしまうことから可動電極板91の変形量が小さく、こ
のため可変静電容量部93における静電容量の変化が少な
いという問題が生じることが判った。すなわち、このセ
ンサは、操作部92に加えた力に対する感度が低いという
問題ある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明で
は、面倒な組み立て作業が少なく、部品点数を増や
すことなく容易に防水及び防塵対策ができ、センサー
としての感度が高い静電容量式力覚センサを提供するこ
とを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】(請求項1記載の発明)
この発明の静電容量式力覚センサは、固定電極群が形成
された基板と、全体がエラストマーより成り且つ少なく
とも前記固定電極群と対向する部分が導電性エラストマ
ーにより形成されている可動電極板と、前記可動電極板
と一体又は別体に形成され且つ可動電極板に力を伝達で
きる硬質性の操作部とを具備しており、前記固定電極群
と可動電極板とから複数の可変静電容量部が構成されて
いると共に、前記操作部に加えた力の大きさと方向に対
応して各可変静電容量部の静電容量が変化するようにし
てある。 (請求項2記載の発明)この発明の静電容量式力覚セン
サは、上記請求項1記載の発明に関して、操作部は、ゴ
ム、樹脂又は金属により構成されている。 (請求項3記載の発明)この発明の静電容量式力覚セン
サは、上記請求項1又は2記載の発明に関して、固定電
極群は、180°間隔で電極が配置されたものであり、
二つの可変静電容量部での静電容量の変化により操作部
に作用したX軸方向の力の大きさ及び正負方向が検出で
きるようにしてある。 (請求項4記載の発明)この発明の静電容量式力覚セン
サは、上記請求項1又は2記載の発明に関して、固定電
極群は、90°間隔で電極が配置されたものであり、一
方の直線上で対向する可変静電容量部の静電容量の変化
により操作部に作用したX軸方向の力の大きさ及び正負
方向が検出でき、他方の直線上で対向する可変静電容量
部の静電容量の変化により操作部に作用したY軸方向の
力及び正負方向が検出できるようにしてある。 (請求項5記載の発明)この発明の静電容量式力覚セン
サは、上記請求項4記載の発明に関して、90°間隔で
配置された四つの電極で囲まれた基板部分に独立する電
極を形成してあり、前記した独立する電極と可動電極板
とにより構成される可変静電容量部の静電容量の変化に
より操作部に作用したZ軸方向の力の大きさ及び正負方
向が検出できるようにしてある。 (請求項6記載の発明)この発明の静電容量式力覚セン
サは、上記請求項1乃至5のいずれかに記載の発明に関
して、可動電極板には操作部を囲む態様で周凸部が形成
されており、前記周凸部を取付部材に押圧する態様で可
動電極板を取り付けたときには、周凸部の弾性復帰力に
より取付部材と可動電極板との間のシール性が確保され
るよにしてある。 (請求項7記載の発明)この発明の静電容量式力覚セン
サは、上記請求項1記載の発明に関して、基板と可動電
極板とを金属フレームで包み込むと共に前記金属フレー
ムの一部を折り曲げて可動電極板が基板及び金属フレー
ムに対して圧接する態様で固定してあり、前記可動電極
板の弾性復帰力によって生じるシール性により可変静電
容量部に異物が外部から侵入しないようにしてある。 (請求項8記載の発明)この発明の静電容量式力覚セン
サは、上記請求項7記載の発明に関して、金属フレーム
が導電性を有するものであり、前記金属フレームを介し
て可動電極板を特定の電圧に保持するようにしてある。 (請求項9記載の発明)この発明の静電容量式力覚セン
サは、上記請求項1乃至8のいずれかに記載の発明に関
して、基板又は可動電極板の対向面のうち少なくともい
ずれか一方に、固定電極群と可動電極板との間の間隙が
あまり小さくならないようにする突起を設けてある。 (請求項10記載の発明)この発明の静電容量式力覚セン
サは、上記請求項5記載の発明に関して、90°間隔で
配置された四つの電極で囲まれた基板部分に独立する接
点用ランドを形成すると共に、前記接点用ランドと対向
する可動電極板部分に電気接点となる突起を形成し、前
記突起と接点用ランドとによりスイッチを構成させてあ
る。
【0008】なお、上記発明の静電容量式力覚センサの
機能については、以下の発明の実施の形態の欄で詳述す
る。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、この発明を実施例として示
した図面に従って説明する。 (実施形態1)図1は、この発明の実施形態1の静電容
量式力覚センサSの断面図を示している。
【0010】この静電容量式力覚センサSは、基本的に
は図1に示すように、基板1と、前記基板1上に配置さ
れた可動電極板2と、前記可動電極板2上に配置され且
つ可動電極板2に力を伝達できる硬質性の操作部3を具
備するものであり、同図に示す如く最下位置にある基板
1をケーシングKの上壁kにビスBにより取り付けるよ
うにして形成されている。
【0011】基板1は、図1や図2に示すように、その
上面に円環状の接点用ランドL、及びレジスタ膜Rで覆
われた固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz
+が形成されていると共に、下面に静電容量/電圧変換
用の電子部品Eが配置されており、また、四隅には上記
ビスBを挿通するための貫通孔hを穿設してある。な
お、固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+
をレジスト膜Rで覆ってあるのは、後述する可動電極板
2と直接接触するようなことがないようにするためであ
る。
【0012】可動電極板2は、平面視円形状の導電性を
付加したシリコンゴムにより成形されており、図1に示
すように、上下の中央部分に、レジスト膜Rで覆われた
部分が入る程度の大きさの円形状の凹み20,21を設ける
態様で、ダイヤフラム部22を形成してある。そして、こ
の可動電極板2は図1に示すように、これの外周部付近
の周凸部29が、ケーシングKの上壁kと基板1とにより
挟圧保持(両方から押圧力が作用した状態での保持)さ
れる態様で設置されている。なお、この実施形態では可
動電極板2をシリコンゴムで構成しているが、これに限
定されることなく、常温付近で大きなゴム弾性を示す高
分子物質(エラストマー)であればよく、例えば、架橋
した天然ゴムや合成ゴム、熱可塑性ウレタンゴム、スパ
ンデックスやポリカーボネート弾性樹脂、スポンジゴム
などが採用できる。
【0013】操作部3は、図1に示すように、硬質樹脂
により形成された短軸状のもので、下端近傍には外周突
出鍔30を具備するものとしてある。そして、この操作部
3は、図1に示すように、これの軸下端と凹み20の底面
とが、外周突出鍔30と上壁kとが、それぞれ当接する態
様で、可動電極板2と上壁kとの間に挟み込まれてい
る。なお、この操作部3に適用できる材料としては、可
動電極板2のダイヤフラム部22よりも剛性が大きいもの
であればゴムであっても使用でき、当然として金属も使
用できる。
【0014】なお、図1に示すように、上記可動電極板
2は操作部3に力を加えるとダイヤフラム部22に応力が
集中して変形する起歪体を形成しており、可動電極板2
の固定電極と対向する部分は、後述するように固定電極
Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+との関係で可
変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,Cz+
を構成する電極Dとして機能するものとしてある。
【0015】ここで、図1に示す如く静電容量式センサ
SをケーシングKへ取り付けた状態では、以下に示す機
能が発揮されている。 可動電極板2の周凸部29が、ケーシングKの上壁kと
基板1とにより挟圧保持される態様で設置されているこ
とから、基板1と下側の周凸部29との圧接により可変静
電容量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,Cz+への
液体やゴミの侵入が阻止(シール性が発揮)されている
と共に、上壁kの下面と上側の周凸部29との圧接により
上壁kに形成された孔Hからの液体やゴミの侵入が阻止
(シール性が発揮)されている。 上記した可動電極板2の周凸部29と接点用ランドLと
の圧接により可動電極板2がGND電位となる。よっ
て、接点用ランドLと固定電極Dx+,Dx−,Dy
+,Dy−,Dz+との間に電位差を設けることにより
可変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,Cz
+とを発生させることができる。 可動電極板2及び操作部3を上板kと基板1との間で
挟み込み、前記上板kに基板1をビスBで止めるだけで
簡単に組み上がる。
【0016】この静電容量式力覚センサSは上記のよう
な構成であるから、操作部3を操作すると以下に示すよ
うに機能する。
【0017】このセンサSでは、操作部3に力を加える
と可動電極2のダイヤフラム部22は変形することとなる
が、操作部3は可動電極板2に比べて剛性が大きいの
で、操作部3に加えた力はダイヤフラム部22に効率良く
伝達される。したがって、当該ダイヤフラム部22は大き
く変形し、電極Dとして機能するダイヤフラム部22と固
定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+により
形成される可変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,C
y−,Cz+の静電容量が大きく変化することになる。
【0018】ここで、操作部3に傾倒する力が加わる
と、図3に示すように、電極Dとして機能するダイヤフ
ラム部22と固定電極Dx+との間のギャップが小さくな
り、可変静電容量部Cx+の静電容量は増加する。これ
に対して、電極Dと固定電極Dx−との間のギャップは
増加又は減少するが、その変化量は電極Dと固定電極D
x+との間の変化に比べて小さく可変静電容量部Cx−
の静電容量の変化量は少ない。更に、この場合におい
て、電極Dと固定電極Dz+との間のギャップは小さく
なるので、可変静電容量部Cz+の静電容量は大きくな
る。
【0019】また、操作部3を押し込む方向に力を加え
ると、図4に示すように、電極Dと固定電極Dz+との
間のギャップは小さくなるため、可変静電容量部Cz+
の静電容量は大きくなる。同様に、電極Dと固定電極D
x+,Dx−,Dy+,Dy−との間のギャップは等し
く小さくなり、それに応じて可変静電容量部Cx+,C
x−,Cy+,Cy−は大きくなる。
【0020】この静電容量式力覚センサSでは、複数の
電子部品Eにより構成された図5に示すような回路(ブ
ロック図)を具備させてあり、可変静電容量部Cx+,
Cx−,Cy+,Cy−,Cz+の静電容量の変化から
操作部3に加えた力の大きさと方向を電圧出力(Vx,
Vy,Vz)として検出できるようにしてある。なお、
図5中、符号Cz−で示されたものはダミーの固定容量
であるが、この固定容量Cz−の存在は絶対条件ではな
い。また、図5中の点線で囲まれた部分を定電圧源に置
き替えても良い。
【0021】図6に、図5の回路と対応する具体的な回
路を示す(Y軸及びZ軸の回路は省略している)。図6
中、符号R1, R2, R3は固定抵抗、符号EXは排他的論理回
路、符号C1は固定容量を示している。 (実施形態2)この実施形態2の静電容量式力覚センサ
Sは上記実施形態1のそれとほぼ同様の構成としてある
が、図7に示すように、ダイヤフラム部22の中央に突起
23を垂下させてあると共に、前記突起23の下端をレジス
ト膜Rに当接(近接)させてある。
【0022】したがって、可動電極板2をシリコンゴム
により構成しているため実施形態1のセンサSではX軸
及びY軸方向の感度に対してZ軸方向の感度が大きすぎ
るものとなっているが、この実施形態2のセンサSでは
突起23の存在によりZ軸方向の感度を抑えたものに調整
されたものになっている。 (実施形態3)この実施形態3の静電容量式力覚センサ
Sは上記実施形態1のそれとほぼ同様の構成としてある
が、操作部3を、図8に示すように、ダイヤフラム部22
の上面に軸状の突起24を設けると共に前記突起24にキャ
ップ31を接着するようにして構成してある。 (実施形態4)この実施形態4の静電容量式力覚センサ
Sは上記実施形態1のそれとほぼ同様の構成としてある
が、操作部3を、図9に示すように、背の低い押しボタ
ンにしたものである。 (実施形態5)この実施形態5の静電容量式力覚センサ
Sは単独での組み立てを考慮したものであり、図10や図
11に示すように、基板1に可動電極板2と操作部3とを
積み上げる態様で金属フレームF内に収容すると共に、
前記金属フレームFにおける上壁f1と折曲片f2とにより
基板1と可動電極板2と操作部3とを積層した状態で挟
圧保持したものである。なお、図10中、符号f3で示され
ているのはハンダ付きリード端子であり、これを介して
可動電極板2と電気的接続状態である接点用ランドLと
固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−との間に電位
差が付与されている。 (その他の実施形態) 基板1又は可動電極板2の対向面のうち少なくともい
ずれか一方に、固定電極と可動電極板2との間の間隙が
あまり小さくならないようにする突起を設けるようにす
ることができる。 90°間隔で配置された固定電極Dx+,Dx−,D
y+,Dy−で囲まれた基板1部分に独立する接点用ラ
ンドを形成すると共に、前記接点用ランドと対向する可
動電極板2部分に電気接点となる突起を形成し、前記突
起と接点用ランドとによりスイッチを構成させるように
することができる。
【0023】
【発明の効果】この発明は上記のような構成であるから
次の効果を有する。
【0024】発明の実施形態の欄の説明から明らかなよ
うに、面倒な組み立て作業が少なく、部品点数を増
やすことなく容易に防水及び防塵対策ができ、センサ
ーとしての感度が高い静電容量式力覚センサを提供でき
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態1の静電容量式力覚センサ
の断面図。
【図2】前記静電容量式力覚センサを構成する基板上に
形成されている固定電極及び接点用ランドの平面図。
【図3】前記静電容量式力覚センサの操作部をX軸方向
に傾倒させた状態を示す断面図。
【図4】前記静電容量式力覚センサの操作部をZ軸方向
に押し込んだ状態を示す断面図。
【図5】前記静電容量式力覚センサに採用されている静
電容量−電圧変換回路のブロック図。
【図6】前記静電容量−電圧変換回路の具体的回路。
【図7】この発明の実施形態2の静電容量式力覚センサ
の断面図。
【図8】この発明の実施形態3の静電容量式力覚センサ
の断面図。
【図9】この発明の実施形態4の静電容量式力覚センサ
の断面図。
【図10】この発明の実施形態5の静電容量式力覚センサ
の断面図。
【図11】この発明の実施形態5の静電容量式力覚センサ
の外観斜視図。
【図12】先行技術の静電容量式力覚センサの断面図。
【符号の説明】
S 静電容量式力覚センサ D 可動電極板 Dx+ 固定電極板 Dx− 固定電極板 Dy+ 固定電極板 Dy− 固定電極板 Dz− 固定電極板 Cx+ 固定電極板 Cx− 固定電極板 Cy+ 固定電極板 Cy− 固定電極板 Cz− 固定電極板 1 基板 2 可動電極板 3 操作部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 和廣 埼玉県大宮市桜木町4−244−1 都築ビ ル4階 Fターム(参考) 2F051 AA00 AB06 AC01 DA03

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固定電極群が形成された基板と、全体が
    エラストマーより成り且つ少なくとも前記固定電極群と
    対向する部分が導電性エラストマーにより形成されてい
    る可動電極板と、前記可動電極板と一体又は別体に形成
    され且つ可動電極板に力を伝達できる硬質性の操作部と
    を具備しており、前記固定電極群と可動電極板とから複
    数の可変静電容量部が構成されていると共に、前記操作
    部に加えた力の大きさと方向に対応して各可変静電容量
    部の静電容量が変化するようにしてあることを特徴とす
    る静電容量式力覚センサ。
  2. 【請求項2】 操作部は、ゴム、樹脂又は金属により構
    成されていることを特徴とする請求項1記載の静電容量
    式力覚センサ。
  3. 【請求項3】 固定電極群は、180°間隔で電極が配
    置されたものであり、二つの可変静電容量部での静電容
    量の変化により操作部に作用したX軸方向の力の大きさ
    及び正負方向が検出できるようにしてあることを特徴と
    する請求項1又は2記載の静電容量式力覚センサ。
  4. 【請求項4】 固定電極群は、90°間隔で電極が配置
    されたものであり、一方の直線上で対向する可変静電容
    量部の静電容量の変化により操作部に作用したX軸方向
    の力の大きさ及び正負方向が検出でき、他方の直線上で
    対向する可変静電容量部の静電容量の変化により操作部
    に作用したY軸方向の力及び正負方向が検出できるよう
    にしてあることを特徴とする請求項1又は2記載の静電
    容量式力覚センサ。
  5. 【請求項5】 90°間隔で配置された四つの電極で囲
    まれた基板部分に独立する電極を形成してあり、前記し
    た独立する電極と可動電極板とにより構成される可変静
    電容量部の静電容量の変化により操作部に作用したZ軸
    方向の力の大きさ及び正負方向が検出できるようにして
    あることを特徴とする請求項4記載の静電容量式力覚セ
    ンサ。
  6. 【請求項6】 可動電極板には操作部を囲む態様で周凸
    部が形成されており、前記周凸部を取付部材に押圧する
    態様で可動電極板を取り付けたときには、周凸部の弾性
    復帰力により取付部材と可動電極板との間のシール性が
    確保されるよにしてあることを特徴とする請求項1乃至
    5のいずれかに記載の静電容量式力覚センサ。
  7. 【請求項7】 基板と可動電極板とを金属フレームで包
    み込むと共に前記金属フレームの一部を折り曲げて可動
    電極板が基板及び金属フレームに対して圧接する態様で
    固定してあり、前記可動電極板の弾性復帰力によって生
    じるシール性により可変静電容量部に異物が外部から侵
    入しないようにしてあることを特徴とする請求項1記載
    の静電容量式力覚センサ。
  8. 【請求項8】 金属フレームが導電性を有するものであ
    り、前記金属フレームを介して可動電極板を特定の電圧
    に保持するようにしてあることを特徴とする請求項7記
    載の静電容量式力覚センサ。
  9. 【請求項9】 基板又は可動電極板の対向面のうち少な
    くともいずれか一方に、固定電極群と可動電極板との間
    の間隙があまり小さくならないようにする突起を設けて
    あることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載
    の静電容量式力覚センサ。
  10. 【請求項10】 90°間隔で配置された四つの電極で囲
    まれた基板部分に独立する接点用ランドを形成すると共
    に、前記接点用ランドと対向する可動電極板部分に電気
    接点となる突起を形成し、前記突起と接点用ランドとに
    よりスイッチを構成させてあることを特徴とする請求項
    5記載の静電容量式力覚センサ。
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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