JP2001330527A - 力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で安価で、測定精度の高い静電容量式の
力検出装置を提供する。 【解決手段】 セラミック基板１１０上に、シリコンゴ
ムからなる変位生成体１２０が配置される。変位生成体
１２０は、作用部１２１と、肉薄円環状の可撓部１２２
と、その周囲の固定部１２３によって構成され、固定部
材１４０によって基板１１０上に固定される。基板１１
０上には、電極Ｅ１〜Ｅ５と、その上を覆う絶縁層Ｉ１
〜Ｉ５が形成され、作用部１２１の下面には、導電性ゴ
ムからなる弾性導電層１３０が形成される。弾性導電層
１３０の下面には多数の凹凸構造が形成され、作用部１
２１に加えられた力に応じて凹凸構造が潰れ、絶縁層Ｉ
１〜Ｉ５に対する接触状態が変化する。各電極Ｅ１〜Ｅ
５と弾性導電層１３０との間の静電容量値の変化に基づ
いて、作用した力の方向と大きさを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は力検出装置に関し、
特に、コンピュータゲーム用や小型電子機器用の入力装
置などに用いるのに適した力検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な力検出装置としては、ピエゾ抵
抗素子、圧電素子、容量素子などを利用した種々のタイ
プのものが普及している。これらの力検出装置は、マン
・マシンインターフェイスとして、様々な装置に対する
操作量検出装置としても利用することが可能である。た
とえば、コンピュータゲーム用の入力装置や、携帯電話
などの小型電子機器用の入力装置としては、種々の力検
出装置が利用されている。特に、容量素子を利用した力
検出装置は、構造が単純であり、安価に供給することが
できるというメリットを有するため、コストダウンが要
求される電子機器の入力装置として様々な分野で利用さ
れている。

【０００３】容量素子を利用した一般的な力検出装置
は、固定部材側に形成された固定電極と、変位部材側に
形成された変位電極と、によって容量素子を構成し、こ
れら一対の電極間隔の変化を容量素子の静電容量値とし
て検出するものである。変位部材側に力が作用したとき
に、この作用した力の大きさに応じて変位が生じるよう
にすれば、作用した力の大きさを静電容量値の変化とし
て検出することができる。しかも、検出に必要な構成要
素は、固定部材および変位部材と、これらの対向面に形
成される一対の電極と、この一対の電極によって構成さ
れる容量素子の静電容量値を測定する回路と、を用意し
ておけばよいので、構造は非常に単純になり、コストダ
ウンを図ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の静電容量式の力検出装置には、十分な測定精度
を確保することが困難であるという問題点がある。一般
に、静電容量は、様々な外乱による影響を受けやすく、
精度の高い検出を行うためには、電極面積をできるだけ
広くするか、電極間隔をできるだけ狭くして、静電容量
の絶対量を多くするようにしなければならない。しかし
ながら、電極面積を広くすれば、装置の小型化を図るこ
とができなくなる。また、電極間隔を狭くするには、機
械的な構造部分の寸法精度を向上させる必要があり、コ
ストダウンを図ることができなくなる。

【０００５】そこで、本発明は、小型で安価で、かつ、
測定精度の高い静電容量式の力検出装置を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】(1) 本発明の第１の態
様は、容量素子を用いた力検出装置において、平板状の
電極と、この電極の上面を覆う絶縁層と、を有する固定
部材と、少なくとも底部が弾性変形を生じる導電性材料
からなり、この底部の下面に凹凸構造からなる粗面もし
くは凹凸面が形成された変位部材と、を設け、変位部材
を、固定部材の上方に上下方向に変位可能となるように
配置し、絶縁層を挟んで電極の上面と粗面もしくは凹凸
面とにより容量素子が形成されるようにし、この容量素
子の静電容量値に基づいて変位部材に作用した力を検出
できるようにしたものである。

【０００７】(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１
の態様に係る力検出装置において、変位部材を下方に変
位させる力が作用したときに、粗面もしくは凹凸面が絶
縁層の上面に押圧されて凹凸構造が変形し、この凹凸構
造の変形状態を容量素子の静電容量値として検出できる
ようにしたものである。

【０００８】(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１
の態様に係る力検出装置において、絶縁層の厚みと粗面
の表面粗さもしくは凹凸面の凹凸度合いとの関係を、粗
面もしくは凹凸面の凹凸構造の変形に基づいて生じる静
電容量値の変化が有意に検出できる関係となるようにし
たものである。

【０００９】(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１
〜第３の態様に係る力検出装置において、検出対象とな
る力が作用していない状態においては、絶縁層の上面と
粗面もしくは凹凸面とが初期接触状態を維持するように
し、検出対象となる力が作用している状態においては、
粗面もしくは凹凸面の凹凸構造の変形に起因して、絶縁
層の上面と粗面もしくは凹凸面との接触状態が、作用し
た力に応じて変化するようにしたものである。

【００１０】(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１
〜第３の態様に係る力検出装置において、検出対象とな
る力が作用していない状態においては、絶縁層の上面と
粗面もしくは凹凸面とが所定間隔をあけて非接触状態を
維持するようにし、所定以上の大きさをもった下方への
力成分が作用している状態においては、絶縁層の上面と
粗面もしくは凹凸面とが接触状態となり、この接触状態
が、粗面もしくは凹凸面の凹凸構造の変形に起因して、
作用した力に応じて変化するようにしたものである。

【００１１】(6) 本発明の第６の態様は、ＸＹＺ三次
元座標系において、所定の作用点に作用した外力または
この外力と同等の押圧力を検出する力検出装置におい
て、座標系におけるＸＹ平面に沿った上面を有する主基
板と、主基板の上面のほぼ中心位置に座標系の原点を定
義したときに、主基板のＸ軸正領域上に形成された第１
の電極と、主基板のＸ軸負領域上に形成された第２の電
極と、各電極の上面を覆う絶縁層と、主基板の上方に配
置された作用部と、主基板に固定された固定部と、作用
部と固定部との間に形成された可撓部と、を有する変位
生成体と、作用部の底面に形成され、弾性変形を生じる
導電性材料からなり、下面に多数の凹凸構造からなる粗
面もしくは凹凸面が形成された弾性導電層と、を設け、
絶縁層を挟んで、第１の電極と弾性導電層とにより第１
の容量素子が、第２の電極と弾性導電層とにより第２の
容量素子が、それぞれ形成されるようにし、第１の容量
素子の静電容量値と第２の容量素子の静電容量値との差
に基づいて、作用部内の作用点に作用した外力のＸ軸方
向成分または当該外力と同等の変位を作用部に生じさせ
る押圧力を検出できるようにしたものである。

【００１２】(7) 本発明の第７の態様は、上述の第６
の態様に係る力検出装置において、主基板のＹ軸正領域
上に形成された第３の電極と、主基板のＹ軸負領域上に
形成された第４の電極と、これらの電極の上面を覆う絶
縁層と、を更に設け、絶縁層を挟んで、第３の電極と弾
性導電層とにより第３の容量素子が、第４の電極と弾性
導電層とにより第４の容量素子が、それぞれ形成される
ようにし、第３の容量素子の静電容量値と第４の容量素
子の静電容量値との差に基づいて、作用部内の作用点に
作用した外力のＹ軸方向成分または当該外力と同等の変
位を作用部に生じさせる押圧力を更に検出できるように
したものである。

【００１３】(8) 本発明の第８の態様は、上述の第６
または第７の態様に係る力検出装置において、主基板の
上面に形成された第５の電極と、この電極の上面を覆う
絶縁層と、を更に設け、絶縁層を挟んで、第５の電極と
弾性導電層とにより第５の容量素子が形成されるように
し、第５の容量素子の静電容量値に基づいて、作用部内
の作用点に作用した外力のＺ軸方向成分または当該外力
と同等の変位を作用部に生じさせる押圧力を更に検出で
きるようにしたものである。

【００１４】(9) 本発明の第９の態様は、上述の第６
〜第８の態様に係る力検出装置において、検出対象とな
る力が作用していない状態においては、絶縁層の上面と
弾性導電層の粗面もしくは凹凸面とが初期接触状態を維
持し、検出対象となる力が作用している状態において
は、粗面もしくは凹凸面の凹凸構造の変形に起因して、
絶縁層の上面と弾性導電層の粗面もしくは凹凸面との接
触状態が、作用した力に応じて変化するように、作用部
が可撓部によって支持されるようにしたものである。

【００１５】(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第
６〜第８の態様に係る力検出装置において、検出対象と
なる力が作用していない状態においては、絶縁層の上面
と弾性導電層の粗面もしくは凹凸面とが所定間隔をあけ
て非接触状態を維持し、所定以上の大きさをもった下方
への力成分が作用している状態においては、絶縁層の上
面と弾性導電層の粗面もしくは凹凸面とが接触状態とな
り、この接触状態が、粗面もしくは凹凸面の凹凸構造の
変形に起因して、作用した力に応じて変化するように、
作用部が可撓部によって支持されるようにしたものであ
る。

【００１６】(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第
１０の態様に係る力検出装置において、主基板の上面
に、スイッチ動作用電極を更に設け、所定以上の大きさ
をもった下方への力成分が作用している状態において
は、スイッチ動作用電極の上面と弾性導電層の粗面もし
くは凹凸面とが電気的に接触するようにし、スイッチの
ＯＮ／ＯＦＦ状態の検出を行う機能を付加するようにし
たものである。

【００１７】(12) 本発明の第１２の態様は、上述の第
１１の態様に係る力検出装置において、スイッチ動作用
電極を、物理的に分離された一対の電極によって構成
し、これら一対の電極間の導通状態を電気的に検出する
ことにより、ＯＮ／ＯＦＦ状態の検出を行うことができ
るようにしたものである。

【００１８】(13) 本発明の第１３の態様は、上述の第
６〜第１２の態様に係る力検出装置において、作用部の
上面に複数の指標を配置し、個々の指標位置に加えられ
た押圧力によって作用部が主基板に対して変位を生じる
ように構成し、どの指標位置にどれだけの押圧力が加え
られたかを検出できるようにしたものである。

【００１９】(14) 本発明の第１４の態様は、上述の第
６〜第１３の態様に係る力検出装置において、少なくと
も作用部と弾性導電層とを同一の材料による一体構造と
したものである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示する実施形態
に基づいて説明する。

【００２１】§１．基本的な実施形態 はじめに、本発明の基本的な実施形態を述べる。図１
は、この基本的な実施形態に係る力検出装置の側断面図
である。この装置の主たる構成要素は、固定部材１０と
変位部材２０である。固定部材１０は、平板状の電極１
１と、この電極の上面を覆う絶縁層１２によって構成さ
れている。一方、変位部材２０は、作用部２１と弾性導
電層２２によって構成されている。弾性導電層２２は、
変位部材２０の底部を構成しており、弾性変形を生じる
導電性材料（たとえば、導電性ゴム）からなる。しか
も、この弾性導電層２２の下面には、多数の凹凸構造か
らなる粗面（いわゆる梨地面）が形成されている。

【００２２】変位部材２０は、固定部材１０の上方に配
置されているが、固定部材１０とは別体となっており、
上下方向に変位可能である。ここでは、基本原理を示す
ために、固定部材１０の上面に変位部材２０を載置した
だけの構造からなる力検出装置を示すが、実用上は、§
２で述べる実施形態のように、両者を可撓性をもった構
造体によって連結するのが好ましい。固定部材１０側の
電極１１と、変位部材２０側の弾性導電層２２とは、い
ずれも導電性材料から構成された層である。したがっ
て、絶縁層１２を挟んで、電極１１の上面と弾性導電層
２２の下面（粗面）により容量素子が形成されることに
なる。

【００２３】いま、図２に示すように、作用部２１の上
面に、下方向を向いた力Ｆが加わった場合を考えると、
弾性導電層２２は弾性変形を生じる材料から構成されて
いるため、力Ｆに基づいて加わる押圧力により、上下方
向に潰れて変形することになる。このとき、弾性導電層
２２の下面を構成する粗面には、凹凸構造による多数の
空隙部が形成されているため、この空隙部を埋めるよう
な変形が起こることになる。ここで、検出対象となる力
が何ら加えられていない図１の状態（変位部材２０を固
定部材１０の上に載置した場合、変位部材２０の自重に
よる力が加わることになるが、これは検出対象となる力
ではない）と、変位部材２０の上面から下方への力Ｆが
加えられた図２の状態とを比べると、弾性導電層２２の
下面と絶縁層１２の上面との間の接触状態が変わり、電
極１１と弾性導電層２２とによって構成された容量素子
の静電容量値に変化することになる。

【００２４】ここで、図１に示すように、検出対象とな
る力が加えられていないときの接触状態を初期接触状態
と呼ぶことにすると、この初期接触状態では、弾性導電
層２２の下面の凹凸構造により多数の空隙部が確保され
ている。容量素子の電極間隔は、電極１１の上面と弾性
導電層２２の下面との間隔ということになるが、弾性導
電層２２の下面は凹凸構造をもった粗面であるため、個
々の部分ごとに電極間隔は異なる。したがって、この初
期接触状態における容量素子の静電容量値は、両者の平
均的な間隔によって定まることになる。ところが、図２
に示すように、力Ｆが加えられて弾性導電層２２が上下
に潰れた接触状態になると、空隙部を埋めるように弾性
導電層２２が充填されることになるので、平均的な電極
間隔は小さくなり、電極の面積も若干広くなる。このた
め、図２に示す接触状態における容量素子の静電容量値
は、図１に示す初期接触状態におけるものよりも大きく
なる。

【００２５】結局、変位部材２０を下方に変位させる力
Ｆが作用すると、弾性導電層２２の下面に形成された粗
面が、絶縁層１２の上面に押圧されて凹凸構造が変形
し、この凹凸構造の変形状態を容量素子の静電容量値と
して検出できることになる。しかも、弾性導電層２２の
変形の程度は、力Ｆの大きさが所定の範囲内をとる間
は、力Ｆが大きくなればなるほど大きくなる。したがっ
て、力Ｆの大きさと、容量素子の静電容量値との間に
は、線形関係は得られないかもしれないが、力Ｆが大き
くなれば静電容量値も大きくなる一価の関係が得られる
ことになる（両者の関係は、弾性導電層２２の材質や、
凹凸構造の形状などによって定まり、現在のところ、理
論的な解析は行っていない）。そこで、この両者の関係
を予め求めておけば、電極１１と弾性導電層２２との間
の静電容量値を測定することにより、作用部２１の上面
に加えられた下方向の力Ｆの大きさを検出することがで
きる。これが、本発明の基本原理である。

【００２６】もちろん、力Ｆの大きさが所定のしきい値
を越えると、弾性導電層２２の変形がそれ以上は生じな
くなり、力Ｆの大きさを検出することはできなくなる。
したがって、このしきい値までの力の検出しか行うこと
はできないが、このしきい値は、弾性導電層２２の材
質、厚み、凹凸構造の形状などによって支配される値で
あるため、用途に応じて、所望の検出範囲に適合するよ
うな弾性導電層２２を設計するようにすれば、実用上は
問題は生じない。

【００２７】なお、実用上の設計を行う上では、絶縁層
１２の厚みと弾性導電層２２の粗面の表面粗さ（凹凸構
造の大きさ）との関係にも留意する必要がある。たとえ
ば、絶縁層１２の厚みが１ｍｍ程度であるのに対し、粗
面を構成する凹凸構造の凹部と凸部との高低差が１μｍ
程度しかなかったとすると、容量素子の電極間隔は、検
出のフルレンジにおいて１０００〜１００１μｍ程度の
差しか生じなくなり、十分な精度の検出は期待できな
い。結局、実用上、十分な精度の力検出装置を実現する
ためには、粗面の凹凸構造の変形に基づいて生じる静電
容量値の変化が有意に検出できるように、絶縁層１２の
厚みと弾性導電層２２の粗面の表面粗さ（凹凸構造の大
きさ）との関係を設定する必要がある。

【００２８】逆言すれば、絶縁層１２の厚みと弾性導電
層２２の粗面の表面粗さとの関係を適切に設定し（たと
えば、絶縁層１２の厚みと弾性導電層２２の凹凸高低差
とを同程度に設定する）、設定どおりの厚みと粗さを有
する構造体を製造することができれば、単純な構造であ
っても、十分に高精度な検出結果が得られる力検出装置
を実現することが可能になる。近年、成膜技術、印刷技
術、金型技術はかなり進歩しており、設定どおりの厚み
や粗さを有する構造体を量産することは比較的容易にで
きるようになってきている。したがって、本発明を利用
すれば、小型で安価で、かつ、測定精度の高い静電容量
式の力検出装置を量産することが可能になる。すなわ
ち、所定の設計寸法どおりの固定部材１０および変位部
材２０を用意することができれば、図１に示すように、
固定部材１０の上に変位部材２０を載置するだけで、高
精度の力検出装置が製造できることになる。細かな位置
合わせ作業や、精度の高い位置決めを行うための部材な
どは、一切必要ない。また、弾性導電層２２の大きさ
（層面の広さ）と電極１１の大きさ（層面の広さ）を同
一にせずに、図の例のように一方が他方より大きくなる
ように設計しておけば、平面的な位置ずれに基づく検出
値への影響を少なくすることができる。結局、この力検
出装置の検出精度は、絶縁層１２および弾性導電層２２
の寸法精度に依存して定まることになる。

【００２９】なお、図１に示す実施形態では、検出対象
となる力が作用していない状態においては、絶縁層１２
の上面と弾性導電層２２の粗面とが初期接触状態を維持
するようにし、検出対象となる力が作用している状態に
おいては、粗面の凹凸構造の変形に起因して、絶縁層１
２の上面と粗面との接触状態が、作用した力に応じて変
化するようにしているが、検出対象となる力が作用して
いない状態において、必ずしも初期接触状態が維持され
るようにする必要はない。たとえば、検出対象となる力
が作用していない状態においては、絶縁層１２の上面と
弾性導電層２２の粗面とが所定間隔をあけて非接触状態
を維持するようにしてもよい。この場合、変位部材２０
は固定部材１０の上方の離れた位置に配置されることに
なるので、変位部材２０を固定部材１０に対して浮いた
状態に支持する支持部材を用意する必要がある。

【００３０】後に§３で述べる実施形態では、可撓性を
もった支持部材によって変位部材２０を浮いた状態で支
持できるようにしている。この場合、変位部材２０に対
して、所定以上の大きさをもった下方への力成分が作用
すると、可撓性をもった支持部材が撓み、弾性導電層２
２の粗面が絶縁層１２の上面に接触する状態となる。し
かも、このときの接触状態は、粗面の凹凸構造の変形に
起因して、作用した力に応じて変化することになる。詳
細は§３において述べる。

【００３１】§２．実用的な実施形態（その１） 図３は、本発明の第１の実用的な実施形態に係る力検出
装置の基本構成を示す側断面図である。§１で述べた基
本的な実施形態は、図の下方への力Ｆのみを検出する一
次元力検出装置であったが、ここで述べる実施形態は、
ＸＹＺ三次元座標系において、所定の作用点に作用した
外力を各座標軸方向成分ごとに検出することができる三
次元力検出装置である。

【００３２】ここに示す力検出装置の主要な構成要素
は、主基板１１０と、変位生成体１２０と、弾性導電層
１３０と、固定部材１４０と、５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５
と、絶縁層Ｉ１〜Ｉ５である。主基板１１０は、この力
検出装置の支持層となる基板であり、この実施形態で
は、セラミック基板、ガラス基板あるいはガラスエポキ
シ基板などの絶縁基板を主基板１１０として用いている
が、ポリイミドフィルムなどのフィルム材料を主基板１
１０として用いることも可能であるし（本発明における
「基板」とは、このようなフィルムまでも含む広い概念
で用いている。）、金属などの導電性基板を主基板１１
０として用いることも可能である。ただし、主基板１１
０の上面には複数の電極を形成するため、導電性基板を
主基板１１０として用いた場合には、上面に絶縁膜を形
成する必要がある。ここでは、説明の便宜上、この主基
板１１０の上面の中心位置に原点Ｏを定義し、図におけ
る右方向にＸ軸、上方向にＺ軸、紙面に対して垂直な方
向にＹ軸をそれぞれとることにより、ＸＹＺ三次元座標
系を定義することにする。主基板１１０の上面は、この
座標系におけるＸＹ平面に沿った面ということになる。

【００３３】変位生成体１２０は、この主基板１１０の
上に配置された部材であり、図示のとおり、中心部分の
作用部１２１と、その周囲に形成された可撓部１２２
と、更にその周囲に形成された固定部１２３と、の３つ
の部分から構成されている。図４に、この変位生成体１
２０の上面図を示す。作用部１２１は、中央の円柱状の
部分であり、§１で述べた力検出装置における作用部２
１に相当する部分である。ここでは、この作用部１２１
の上面中心位置に作用点Ｐを定義し、この作用点Ｐに加
えられた力を検出する例について、以下の説明を行うこ
とにする。可撓部１２２は、作用部１２１を周囲から支
持する円環状の部分であり、図３の側断面図に示されて
いるように、肉厚が非常に薄くなっており可撓性を有し
ている。固定部１２３は、可撓部１２２の更に外側の部
分であり、変位生成体１２０を主基板１１０に固定する
機能を有している。固定部１２３の下面には、４か所に
突起部１２４が形成されており、この突起部１２４を主
基板１１０側の貫通孔１１１に嵌合することにより、変
位生成体１２０の位置決めを行うことができる。

【００３４】この実施形態では、絶縁性のシリコンゴム
あるいは絶縁性のエラストマーを一体成型することによ
り変位生成体１２０を形成している。したがって、変位
生成体１２０は弾性変形する性質を有しており、特に、
作用部１２１と固定部１２３との間に形成され、肉厚が
薄くなった可撓部１２２は、弾性変形によって容易に撓
む構造となっており、この可撓部１２２が撓むことによ
り、作用部１２１はある程度の自由度をもって、主基板
１１０に対して変位を生じることができる。もっとも、
変位生成体１２０は、可撓部１２２がある程度の可撓性
をもつのであれば、どのような材質で形成してもかまわ
ない。

【００３５】図５は、主基板１１０の上面図である。４
か所に形成された貫通孔１１１は、上述したように、変
位生成体１２０の位置決めを行うためのものである。主
基板１１０の上面には、５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５（§１で
述べた力検出装置における電極１１に相当）が形成され
ており、これらの電極は、それぞれ絶縁層Ｉ１〜Ｉ５
（§１で述べた力検出装置における絶縁層１２に相当）
によって覆われた状態となっている。電極Ｅ１〜Ｅ４
は、図に破線で示されているとおり、扇形をした平板状
の電極であり、第１の電極Ｅ１はＸ軸正領域上に、第２
の電極Ｅ２はＸ軸負領域上に、第３の電極Ｅ３はＹ軸正
領域上に、第４の電極Ｅ４はＹ軸負領域上に、それぞれ
形成されている。いずれも、Ｘ軸もしくはＹ軸に対して
線対称となる形状を有し、線対称となる位置に配置され
ている。一方、第５の電極Ｅ５は、円盤状の電極であ
り、中心が原点Ｏの位置にくるように配置されている。
これらの電極は、導電性材料であれば、どのような材質
で構成してもかまわないが、銅やアルミニウムなどの金
属を用いれば、プリント基板で利用されている印刷手法
を用いて容易に形成することができる。

【００３６】絶縁層Ｉ１〜Ｉ５は、これらの各電極Ｅ１
〜Ｅ５の上面を覆うようにして形成されている。ここで
は、半導体デバイスに一般的に利用されているレジスト
によって絶縁層Ｉ１〜Ｉ５を形成しているが、絶縁性材
料であれば、どのような材質を用いてもかまわない。ま
た、ここに示す例では、個々の電極Ｅ１〜Ｅ５のそれぞ
れについて、別個に絶縁層Ｉ１〜Ｉ５を形成している
が、全電極Ｅ１〜Ｅ５を覆う領域に単一の絶縁層を形成
するようにしてもよい。

【００３７】図３に示すように、円柱状の作用部１２１
は、ちょうどこれら５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５の上方に配置
されていることになる。作用部１２１の円形底面は、ち
ょうど、５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５の外輪郭線にほぼ等しい
大きさを有している。この作用部１２１の円形底面に
は、弾性導電層１３０（§１で述べた力検出装置におけ
る弾性導電層２２に相当）が形成されている。この弾性
導電層１３０は、５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５に対向する共通
電極Ｅ０として機能することになる。すなわち、各絶縁
層Ｉ１〜Ｉ５を挟んで、第１の電極Ｅ１と共通電極Ｅ０
とによって第１の容量素子Ｃ１が形成され、第２の電極
Ｅ２と共通電極Ｅ０とによって第２の容量素子Ｃ２が形
成され、第３の電極Ｅ３と共通電極Ｅ０とによって第３
の容量素子Ｃ３が形成され、第４の電極Ｅ４と共通電極
Ｅ０とによって第４の容量素子Ｃ４が形成され、第５の
電極Ｅ５と共通電極Ｅ０とによって第５の容量素子Ｃ５
が形成される。

【００３８】しかも、この作用部１２１の底面に形成さ
れた円盤状の弾性導電層１３０は、弾性変形を生じる導
電性材料からなり、下面に多数の凹凸構造からなる粗面
が形成されている。具体的には、導電性シリコンゴムや
導電性のエラストマーなどによって、弾性導電層１３０
を構成することができる。また、弾性導電層１３０の下
面に形成する粗面の構造については、§１で述べたとお
りである。ここで、作用部１２１に対して、検出対象と
なる力が作用していない状態においては、絶縁層Ｉ１〜
Ｉ５の上面と弾性導電層１３０の下面（粗面）とが、図
３に示すとおり初期接触状態を維持しているが、作用部
１２１に対して、検出対象となる力が作用すると、粗面
の凹凸構造の変形に起因して、個々の絶縁層Ｉ１〜Ｉ５
の上面と弾性導電層１３０の粗面との接触状態が、作用
した力に応じて変化することになる。

【００３９】図６は、図３に示す力検出装置の上面図で
あり、この図６に示す装置をＸ軸に沿って切断した断面
が図３に示されていることになる。上述したように、主
基板１１０の上に変位生成体１２０が載置されており、
固定部１２３はその周囲において固定部材１４０によっ
て主基板１１０に固定されている。ここでは、この力検
出装置が、コンピュータゲームや小型電子機器用の入力
操作用装置として用いられる場合を例にとって、この力
検出装置の動作を説明する。この場合、操作者は、作用
部１２１の上面を指で操作することにより、種々の操作
入力を行うことになる。

【００４０】まず、操作者が、作用部１２１をＸ軸正方
向に倒す操作を行ったとしよう。この場合、作用点Ｐを
下方へと押し込む力−Ｆｚとともに、Ｘ軸正方向へ移動
させる力＋Ｆｘが加わることになる。すなわち、図３に
おいて、作用部１２１に対して図の右下方向への押圧力
が加わることになる。その結果、弾性導電層１３０の各
部に加わる押圧力に差が生じることになる。具体的に
は、弾性導電層１３０のうち、絶縁層Ｉ１の上面に接触
している部分は、絶縁層Ｉ２の上面に接触している部分
に比べて強い押圧力を受けることになる。したがって、
第１の容量素子Ｃ１の静電容量値は、第２の容量素子Ｃ
２の静電容量値よりも大きくなり、結局、両者の差が、
作用点Ｐに作用した力のＸ軸方向成分の大きさを示すこ
とになる。

【００４１】逆に、操作者が、作用部１２１をＸ軸負方
向に倒す操作を行うと、作用点Ｐを下方へと押し込む力
−Ｆｚとともに、Ｘ軸負方向へ移動させる力−Ｆｘが加
わることになる。この場合は、弾性導電層１３０のう
ち、絶縁層Ｉ２の上面に接触している部分が、絶縁層Ｉ
１の上面に接触している部分に比べて強い押圧力を受け
ることになり、第２の容量素子Ｃ２の静電容量値が、第
１の容量素子Ｃ１の静電容量値よりも大きくなる。した
がって、第１の容量素子Ｃ１の静電容量値から第２の容
量素子Ｃ２の静電容量値を減じる演算を行うようにすれ
ば、この演算結果の符号が、作用点Ｐについて、Ｘ軸方
向に作用した力の向き（Ｘ軸正方向か負方向か）を示
し、この演算結果の絶対値が、Ｘ軸方向に作用した力の
大きさを示すことになる。

【００４２】このような検出原理は、Ｙ軸方向に作用し
た力についても全く同様である。すなわち、第３の容量
素子Ｃ３の静電容量値から第４の容量素子Ｃ４の静電容
量値を減じる演算を行うようにすれば、この演算結果の
符号が、作用点Ｐについて、Ｙ軸方向に作用した力の向
き（Ｙ軸正方向か負方向か）を示し、この演算結果の絶
対値が、Ｙ軸方向に作用した力の大きさを示すことにな
る。一方、Ｚ軸方向に作用した力は、第５の容量素子Ｃ
５の静電容量値に基づいて求めることができる。これ
は、§１で述べた基本的実施形態と同様である。

【００４３】もっとも、ここに示す実施形態の場合、Ｚ
軸負方向の力（図３における下方向の力）の検出につい
ては、§１で述べた原理に基づいて行うことができる
が、Ｚ軸正方向の力（図３における上方向の力）が作用
した場合には（操作者が作用部１２１を持ち上げるよう
な操作を行った場合ということになるので、実用上は、
このような力を検出する必要が生じるケースは少な
い）、弾性導電層１３０が絶縁層Ｉ１〜Ｉ５から浮き上
がった状態となるので、「弾性導電層１３０の粗面の凹
凸構造の変化に基づいて生じる静電容量値の変化を検出
する」という原理による検出はできなくなる。ただ、弾
性導電層１３０と電極Ｅ５との距離に変化が生じること
には変わりないので、Ｚ軸正方向の力が作用した場合
に、これを第５の容量素子Ｃ５の静電容量値に基づいて
検出することは可能である。

【００４４】図７は、図３に示す力検出装置を用いて、
作用点Ｐに加えられた力の各座標軸方向成分を検出する
ための検出回路の一例を示す回路図である。図の左端に
示すＣ１〜Ｃ５は、上述した第１〜第５の容量素子Ｃ１
〜Ｃ５を示しており、これらの容量素子は、第１〜第５
の電極Ｅ１〜Ｅ５と共通電極Ｅ０（弾性導電層１３０）
とによって構成されている。この検出回路では、各容量
素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値を、ＣＶ変換回路１５１〜
１５５を用いて電圧値Ｖ１〜Ｖ５に変換し、更に、差動
増幅器１６１，１６２を用いて、（Ｖ１−Ｖ２）なる差
を求める演算および（Ｖ３−Ｖ４）なる差を求める演算
を行っている。その結果、出力端子Ｔｘには、第１の容
量素子Ｃ１の静電容量値から第２の容量素子Ｃ２の静電
容量値を減じた演算結果、すなわち、作用点Ｐに加えら
れた力のＸ軸方向を示す値が得られ、出力端子Ｔｙに
は、第３の容量素子Ｃ３の静電容量値から第４の容量素
子Ｃ４の静電容量値を減じた演算結果、すなわち、作用
点Ｐに加えられた力のＹ軸方向を示す値が得られ、出力
端子Ｔｚには、第５の容量素子Ｃ５の静電容量値、すな
わち、作用点Ｐに加えられた力のＺ軸方向を示す値が得
られる。

【００４５】§３．実用的な実施形態（その２） 図８は、本発明の第２の実用的な実施形態に係る力検出
装置の基本構成を示す側断面図である。ここで述べる実
施形態は、§２で述べた実施形態の変形例に相当するも
のであり、ＸＹＺ三次元座標系において、所定の作用点
に作用した外力を各座標軸方向成分ごとに検出する三次
元力検出装置としての機能に、押しボタンスイッチのＯ
Ｎ／ＯＦＦ状態の検出を行う機能を付加したものであ
る。

【００４６】この力検出装置の主要な構成要素は、§２
で述べた装置とほぼ同様である。すなわち、主基板２１
０と、変位生成体２２０と、弾性導電層２３０と、固定
部材２４０と、５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５と、絶縁層Ｉであ
る。この他に、２枚のスイッチ動作用電極Ｅ６，Ｅ７が
付加されている。ここで、主基板２１０は、ガラス基板
あるいはガラスエポキシ基板などの絶縁基板からなる基
板であり、ここでも、この主基板２１０の上面の中心位
置に原点Ｏを定義し、図示のように、ＸＹＺ三次元座標
系を定義する。

【００４７】変位生成体２２０は、絶縁性のシリコンゴ
ムあるいは絶縁性のエラストマーを一体成型することに
より形成された部材であり、§２の実施形態における変
位生成体１２０とほぼ同じ構成を有する。すなわち、円
柱状の作用部２２１と、その周囲に形成された可撓部２
２２と、更にその周囲に形成された固定部２２３と、の
３つの部分から構成されており、各部の機能も、変位生
成体１２０と同じである。固定部２２３の下面には突起
部２２４が形成されており、主基板２１０に形成された
貫通孔２１１に嵌合させることにより位置決めがなされ
る。また、作用部２２１の下面には、円盤状の弾性導電
層２３０が形成されており、この弾性導電層２３０が、
導電性シリコンゴムや導電性のエラストマーなど、弾性
変形を生じる導電性材料からなり、下面に多数の凹凸構
造からなる粗面が形成されている点も§２の実施形態と
同様である。

【００４８】ただ、可撓部２２２の形状は、§２の実施
形態とは若干異なっている。すなわち、図３に示す可撓
部１２２は、ＸＹ平面に平行な円環状であったのに対
し、図８に示す可撓部２２２は、円形ドームの一部をな
す形状となっている。可撓部２２２がこのような形状を
有しているため、検出対象となる力が作用していない状
態では、図８に示すように、作用部２２１は主基板２１
０の上方に浮いたような状態となっている。作用部２２
１の上面に、所定の大きさをもった下方への力−Ｆｚが
加えられると、図９に示すように、可撓部２２２が変形
し、作用部２２１が下方へと変位することになる。

【００４９】図１０は、主基板２１０の上面図である。
４か所に形成された貫通孔２１１は、上述したように、
変位生成体２２０の位置決めを行うためのものである。
主基板２１０の上面には、５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５と、２
枚のスイッチ動作用電極Ｅ６，Ｅ７とが形成されてい
る。図１０に示す５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５は、図５に示す
５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５と形状は若干異なっているが、全
く同一の機能を果たす電極である。これに対して、２枚
のスイッチ動作用電極Ｅ６，Ｅ７は、この実施形態に特
有の付加機能のために設けられた電極である。絶縁層Ｉ
は、５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５の上面を覆うための共通の絶
縁層である。ただし、スイッチ動作用電極Ｅ６，Ｅ７の
表面は絶縁層Ｉに覆われることなしに露出している。図
８に示すように、スイッチ動作用電極Ｅ６，Ｅ７の上面
は、絶縁層Ｉの上面と同位置になるように設定されてい
る。したがって、図９に示すように、作用部２２１に対
して下方への力−Ｆｚが加えられ、弾性導電層２３０の
粗面が絶縁層Ｉの上面に接触する状態になると、スイッ
チ動作用電極Ｅ６，Ｅ７の上面も弾性導電層２３０の粗
面に接触した状態になる。

【００５０】この図８に示す力検出装置における力検出
動作は、図３に示す力検出装置と全く同様である。すな
わち、５枚の電極Ｅ１〜Ｅ５と、弾性導電層２３０（共
通電極Ｅ０として機能する）とによって、それぞれ容量
素子Ｃ１〜Ｃ５が形成され、これら容量素子Ｃ１〜Ｃ５
に、たとえば、図７に示すような検出回路を付加すれ
ば、ＸＹＺ三次元座標系において加えられた力の各座標
軸方向成分を検出することができる。

【００５１】この図８に示す力検出装置の特徴は、更
に、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態の検出機能を付加した
点にある。すなわち、図８に示すように、検出対象とな
る力が作用していない状態においては、絶縁層Ｉおよび
スイッチ動作用電極Ｅ６，Ｅ７の上面と弾性導電層２３
０の粗面とが所定間隔をあけて非接触状態を維持してい
る。このときのスイッチの状態はＯＦＦである。一方、
作用部２２１の上面に対し、下方向の力−Ｆｚを加えて
ゆくと、この力−Ｆｚの大きさが所定以上の大きさにな
ったときに、図９に示すように、可撓部２２２が一部分
で折れ曲がるように変形し、作用部２２１が下方へと変
位する。その結果、弾性導電層２３０の粗面が、絶縁層
Ｉおよびスイッチ動作用電極Ｅ６，Ｅ７の上面に接触し
た状態になる。このときのスイッチの状態はＯＮであ
る。

【００５２】結局、この力検出装置に付加的に設けられ
たスイッチの機能は、図８の状態ではＯＦＦであるが、
図９のように、作用部２２１を押しボタンのように押し
込むことによりＯＮとなる。このＯＮ／ＯＦＦ状態は、
弾性導電層２３０（共通電極Ｅ０）とスイッチ動作用電
極Ｅ６，Ｅ７とが電気的に接触したか否かにより検出す
ることができる。このように、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ
状態は、主基板２１０側に設けられたスイッチ動作用電
極と、作用部２２１側に設けられた弾性導電層２３０と
の物理的な接触の有無を電気的に検出することにより認
識する。したがって、原理的には、主基板２１０側のス
イッチ動作用電極は、１つだけあれば十分である。た
だ、この実施形態のように、スイッチ動作用電極を、物
理的に分離された一対の電極Ｅ６，Ｅ７によって構成し
ておけば、これら一対の電極Ｅ６，Ｅ７間の導通状態を
電気的に検出することにより、ＯＮ／ＯＦＦ状態の検出
を行うことができるようになるメリットが得られる。す
なわち、この実施形態の場合、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ
を検出するための配線は、主基板２１０側についてのみ
行えばよいことになる。

【００５３】この力検出装置における本来の力検出の機
能は、図９に示すように、スイッチがＯＮ状態になった
後に行われる（もちろん、図８に示すように作用部２２
１が主基板２１０の上方に浮いたような状態となってい
る場合でも、容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量値に基づく
力検出は可能であるが、測定される静電容量値がかなり
小さいため、本来の精度をもった力検出はできな
い。）。したがって、操作者の操作としては、まず、作
用部２２１を下方へと押し込む操作をしてスイッチをＯ
Ｎ状態とする。上述したように、図８に示すスイッチＯ
ＦＦ状態から、図９に示すスイッチＯＮ状態へと移行す
るためには、作用部２２１の上面に対してある程度の大
きさの力を加えて、可撓部２２２の変形を誘発させる必
要がある。しかも弾性導電層２３０の粗面が絶縁層Ｉお
よびスイッチ動作用電極Ｅ６，Ｅ７の上面に到達した瞬
間に、操作者の指先には大きな抵抗力が伝わる。このた
め、ＯＮ状態への移行操作時には、操作者の指先に独特
のクリック感が伝わることになり、操作者は、触覚を通
じて、スイッチがＯＮ状態になったことを確実に認識す
ることができる。

【００５４】こうして、スイッチがＯＮ状態となった
ら、このＯＮ状態を維持したまま、更に、所定の座標軸
方向への力を加えるようにすれば、§２で述べた力検出
装置と同様に、加えられた力を各座標軸方向成分ごとに
検出することができる。このように、この力検出装置で
は、力検出動作が行われるときには、必ずスイッチがＯ
Ｎ状態となっているので、弾性導電層２３０に対する配
線を行う必要がない。すなわち、力検出動作が行われる
際には、図９に示すように、弾性導電層２３０はスイッ
チ動作用電極Ｅ６，Ｅ７に接触した状態となるので、こ
のスイッチ動作用電極Ｅ６，Ｅ７の配線を、そのまま弾
性導電層２３０（共通電極Ｅ０）への配線として利用す
ることができる。別言すれば、配線は、主基板２１０側
に対してのみ行えば十分であり、変位生成体２２０に対
する配線は一切不要になる。これは、製造プロセスを単
純化する上で大きなメリットである。なお、ここでは、
図が繁雑になるのを避けるため、配線についての図示は
省略している（もちろん、図３に示す実施形態の場合
も、主基板１１０側に弾性導電層１３０に接触する配線
用電極を設けることにより、変位生成体１２０に対する
配線は不要になる。）。

【００５５】図１１は、この実施形態に係る力検出装置
の上面図である。主基板２１０上に変位生成体２２０が
配置され、その周囲が固定部材２４０によって固定され
ている点は、§２で述べた力検出装置と同様である。た
だ、この実施形態では、作用部２２１の上面に複数の指
標Ｍ１〜Ｍ５が描かれており、操作者は、いずれかの指
標の位置に対して押圧力を加えることにより、必要な操
作入力を行うことができる。操作者がいずれかの指標位
置に対して押圧力を加えると、この指標位置に加えられ
た押圧力によって作用部２２１が主基板２１０に対して
変位を生じることになるが、その変位の態様は、押圧力
が加えられた指標位置に応じて異なる。具体的には、図
１１において、指標Ｍ１の位置に対して押圧力を加える
と、作用点ＰにＸ軸正方向の力成分＋Ｆｘを含む外力が
作用したのと同等の変位が生じることになる。同様に、
指標Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５の位置に対して押圧力を加
えると、それぞれ作用点Ｐに、Ｘ軸負方向の力成分−Ｆ
ｘ，Ｙ軸正方向の力成分＋Ｆｙ，Ｙ軸負方向の力成分−
Ｆｙ，Ｚ軸負方向の力成分−Ｆｚを含む外力が作用した
のと同等の変位が生じることになる。

【００５６】したがって、図７に示す検出回路を用いれ
ば、出力端子Ｔｘの出力電圧に基づいて、指標Ｍ１，Ｍ
２に対する押圧力を検出することができ（出力電圧が正
なら指標Ｍ１への押圧力を示し、負なら指標Ｍ２への押
圧力を示す）、出力端子Ｔｙの出力電圧に基づいて、指
標Ｍ３，Ｍ４に対する押圧力を検出することができ（出
力電圧が正なら指標Ｍ３への押圧力を示し、負なら指標
Ｍ４への押圧力を示す）、出力端子Ｔｚの出力電圧に基
づいて、指標Ｍ５に対する押圧力を検出することができ
る。このように、どの指標位置にどれだけの押圧力が加
えられたかを検出することができる。もちろん、作用点
Ｐに作用した外力の各座標軸方向成分を検出すること
と、各指標Ｍ１〜Ｍ５に加えられた押圧力を検出するこ
ととは、物理現象を説明する上での把握の仕方が異なる
だけであり、実際に起こっている物理現象は同じもので
ある。したがって、操作者がこの力検出装置に対して操
作入力を行う上では、特定の指標位置に対する押圧操作
を行ったのか、作用点Ｐを特定の方向へ移動させる力を
加えたのか、ということを意識する必要はなく、上下左
右のいずれかの方向への指示を与えた、という漠然とし
た意識で操作を行えば十分である。もちろん、§２で述
べた力検出装置にも、同じような指標を描くことができ
る。

【００５７】§４．弾性導電層の凹凸構造 最後に、本発明に用いられる変位部材の底面に形成され
る弾性導電層の凹凸構造の変形例を示しておく。図１２
(a) は、この変形例に係る変位部材２０の底面図であ
り、弾性導電層２２の下面が示されている。図１２(b)
は、この変位部材２０を切断線Ａ−Ａに沿って切った側
断面図である。図１２(a) の底面図に示されているよう
に、弾性導電層２２の下面には、多数の同心円状凸部が
形成されている。各凸部は、いわゆる土手のように、中
心点を幾重にも取り巻くように配置されており、その断
面は、図１２(b) に示すように三角形状をしている。ち
ょうど、図１２(b) に示すような平面図形を、その左右
の中心位置を軸として回転して得られる回転体が、変位
部材２０の形状となっている。なお、図１２(a) では、
図示の便宜上、同心円状凸部の峰筋部分を実線で示し、
谷筋部分を破線で示して区別してある。

【００５８】図１３(a) は、また別な変形例に係る変位
部材２０の底面図であり、弾性導電層２２の下面が示さ
れている。図１３(b) は、この変位部材２０を切断線Ａ
−Ａに沿って切った側断面図であり、作用部２１の下面
は円錐状をなしている。図１３(a) の底面図に示されて
いるように、弾性導電層２２は、８個の錐状凸部２３を
作用部２１の円錐面上に放射状に配置してなる。図１３
(c) は、この錐状凸部２３の斜視図である。図示のとお
り、錐状凸部２３は、ほぼ三角錐の形状をしており、図
の奥に描かれた頂点Ｏが、図１３(a) における中心点に
配置されることになる。なお、図１３(a) では、図示の
便宜上、この錐状凸部２３からなる凹凸構造の峰筋部分
（図１３(c) の２３ａの部分）を実線で示し、谷筋部分
（図１３(c) の２３ｂの部分）を破線で示して区別して
ある。

【００５９】図１４(a) は、更に別な変形例に係る変位
部材２０の底面図であり、弾性導電層２２の下面が示さ
れている。図１４(b) は、この変位部材２０を切断線Ａ
−Ａに沿って切った側断面図である。図１４(a) の底面
図に示されているように、弾性導電層２２は、１０個の
錐状凸部２４を互いに隣接して配置することにより構成
される。図１４(c) は、この錐状凸部２４の斜視図であ
る。図示のとおり、錐状凸部２４は、ほぼ四角錐の形状
（いわゆるピラミッド形）をしており、四方に隣接する
ピラミッド同士の底辺が互いに接触するように配置され
ている。

【００６０】以上、弾性導電層の下面に形成する凹凸構
造のいくつかの例を示したが、もちろん、この凹凸構造
はどのような形状のものでもかまわない。また、これま
での説明では、この凹凸構造をもった面を「粗面」と呼
んできたが、本発明において弾性導電層の下面に形成す
る凹凸構造は、「凹凸面」と呼ぶことができる面であれ
ば、必ずしもザラザラとした感触をもった面（比較的凹
凸構造が小さな面）である必要はなく、デコボコとした
感触をもった面（比較的凹凸構造が大きな面）であって
もかまわない。要するに、弾性導電層の下面は、押圧力
によって凹凸構造が変化する性質を有していれば、ザラ
ザラした感触のいわゆる「粗面あるいは梨地面」でもよ
いし、デコボコした感触の「凹凸面」であってもよい。
実際、これまでに述べてきた実施形態やその変形例の場
合、凹凸構造を構成する凹部と凸部との段差は０．２〜
０．５ｍｍ程度であり、たとえば、図１４(c) に示すピ
ラミッド形の錐状凸部２４の場合、底辺が１ｍｍ程度、
高さが０．５ｍｍ程度であるが、検出対象となる押圧力
によって凹凸構造が変化し、静電容量値の変化が生じる
ような構造であれば、凹部と凸部との段差をより大きく
設定した「凹凸面」にしてもかまわない。

【００６１】以上、本発明を図示するいくつかの実施形
態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限
定されるものではなく、この他にも種々の形態で実施可
能である。たとえば、§２および§３に示す実施形態
は、三次元座標系における３つの座標軸方向成分の力
（もしくは、これらの座標軸方向を示す指標に対する押
圧力）を検出する三次元力検出装置としての機能を有し
ているが、二次元力検出装置あるいは一次元力検出装置
としての機能で十分な場合には、一部の電極は不要にな
る。具体的に言えば、Ｘ軸方向に関する力検出には、電
極Ｅ１，Ｅ２があれば十分であり、Ｙ軸方向に関する力
検出には、電極Ｅ３，Ｅ４があれば十分であり、Ｚ軸方
向に関する力検出には、電極Ｅ５があれば十分である。
また、上述の実施形態で述べた各部の材料は、あくまで
も一例を示したものであり、これらと同等の機能を果た
す材料であれば、もちろん、他の材料を代用してもかま
わない。たとえば、上述の実施形態では、作用部と弾性
導電層とを別な材料によって構成しているが、両者を同
一材料（たとえば導電性ゴム）によって構成して一体構
造とすることもできる。もちろん、作用部、可撓部、固
定部、弾性導電層をすべて同一材料で構成し、一体形成
してもよい。また、図３あるいは図８に示す実施形態で
は、弾性導電層１３０，２３０の直径と、電極Ｅ１〜Ｅ
４の外周部の直径とを、ほぼ同じ寸法にしているが、製
造プロセスにおいて発生するＸＹ平面に沿った方向に関
する位置ずれに対する対策という意味では、前者を後者
より大きく設計しておくのが好ましい。更に、ヒステリ
シスや零点温度特性を考慮すると、図３のような接触式
の構造よりも、図８のように非接触式の構造の方が、容
量素子を構成する一対の電極間隔が離れているために優
れている。したがって、基本的には図３のような構造を
もった製品を設計する場合であっても、ヒステリシスや
零点温度特性が問題となる場合には、絶縁層と弾性導電
層との間を若干空けるような構造にするとよい。

【００６２】

【発明の効果】以上のとおり本発明によれば、小型で安
価で、かつ、測定精度の高い静電容量式の力検出装置を
提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的な実施形態に係る力検出装置の
構成を示す側断面図である。

【図２】図１に示す力検出装置に力Ｆが加わったときの
状態を示す側断面図である。

【図３】本発明の実用的な実施形態に係る力検出装置の
構成を示す側断面図である。

【図４】図３に示す力検出装置における変位生成体１２
０の上面図である。

【図５】図３に示す力検出装置における主基板１１０の
上面図である。

【図６】図３に示す力検出装置全体の上面図であり、こ
の装置をＸ軸に沿って切断した断面が図３に相当する。

【図７】図３に示す力検出装置に利用される検出回路の
一例を示す回路図である。

【図８】本発明の別な実用的実施形態に係る力検出装置
の構成を示す側断面図である。

【図９】図８に示す力検出装置に力−Ｆｚが加わったと
きの状態を示す側断面図である。

【図１０】図８に示す力検出装置における主基板２１０
の上面図である。

【図１１】図８に示す力検出装置全体の上面図であり、
この装置をＸ軸に沿って切断した断面が図８に相当す
る。

【図１２】本発明に用いられる弾性導電層の凹凸構造の
第１の変形例を示す図であり、図(a) は底面図、図(b)
は側断面図である。

【図１３】本発明に用いられる弾性導電層の凹凸構造の
第２の変形例を示す図であり、図(a) は底面図、図(b)
は側断面図、図(c) は単一の錐状凸部２３の斜視図であ
る。

【図１４】本発明に用いられる弾性導電層の凹凸構造の
第３の変形例を示す図であり、図(a) は底面図、図(b)
は側断面図、図(c) は単一の錐状凸部２４の斜視図であ
る。

【符号の説明】

１０…固定部材 １１…電極 １２…絶縁層 ２０…変位部材 ２１…作用部 ２２…弾性導電層 ２３…錐状凸部 ２３ａ…峰筋部分 ２３ｂ…谷筋部分 ２４…錐状凸部 １１０…主基板 １１１…貫通孔 １２０…変位生成体 １２１…作用部 １２２…可撓部 １２３…固定部 １２４…突起部 １３０…弾性導電層（共通電極Ｅ０） １４０…固定部材 １５１〜１５５…ＣＶ変換回路 １６１，１６２…差動増幅器 ２１０…主基板 ２１１…貫通孔 ２２０…変位生成体 ２２１…作用部 ２２２…可撓部 ２２３…固定部 ２２４…突起部 ２３０…弾性導電層（共通電極Ｅ０） ２４０…固定部材 Ｃ１〜Ｃ５…容量素子 Ｅ０…共通電極（弾性導電層） Ｅ１〜Ｅ５…電極 Ｅ５，Ｅ６…スイッチ動作用電極 Ｉ，Ｉ１〜Ｉ５…絶縁層 Ｍ１〜Ｍ５…指標 Ｏ…座標系の原点 Ｐ…作用点 Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ…出力端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷口 伸光 埼玉県上尾市菅谷四丁目73番地 株式会社 ワコー内 (72)発明者 岡田 和廣 埼玉県上尾市菅谷四丁目73番地 株式会社 ワコー内 Ｆターム(参考） 2F051 AA21 AB06 BA07 DA01 DA02 DA03

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板状の電極と、この電極の上面を覆う
   絶縁層と、を有する固定部材と、 少なくとも底部が弾性変形を生じる導電性材料からな
   り、この底部の下面に凹凸構造からなる粗面もしくは凹
   凸面が形成された変位部材と、 を備え、前記固定部材の上方に前記変位部材が上下方向
   に変位可能となるように配置され、前記絶縁層を挟んで
   前記電極の上面と前記粗面もしくは凹凸面とにより容量
   素子が形成されるようにし、この容量素子の静電容量値
   に基づいて前記変位部材に作用した力を検出できるよう
   にしたことを特徴とする力検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の力検出装置において、 変位部材を下方に変位させる力が作用したときに、粗面
   もしくは凹凸面が絶縁層の上面に押圧されて凹凸構造が
   変形し、この凹凸構造の変形状態を容量素子の静電容量
   値として検出できるようにしたことを特徴とする力検出
   装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の力検出装置において、 絶縁層の厚みと粗面の表面粗さもしくは凹凸面の凹凸度
   合いとの関係が、前記粗面もしくは凹凸面の凹凸構造の
   変形に基づいて生じる静電容量値の変化が有意に検出で
   きる関係に設定されていることを特徴とする力検出装
   置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載の力検出
   装置において、 検出対象となる力が作用していない状態においては、絶
   縁層の上面と粗面もしくは凹凸面とが初期接触状態を維
   持するようにし、 検出対象となる力が作用している状態においては、粗面
   もしくは凹凸面の凹凸構造の変形に起因して、絶縁層の
   上面と粗面もしくは凹凸面との接触状態が、作用した力
   に応じて変化するようにしたことを特徴とする力検出装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれかに記載の力検出
   装置において、 検出対象となる力が作用していない状態においては、絶
   縁層の上面と粗面もしくは凹凸面とが所定間隔をあけて
   非接触状態を維持するようにし、 所定以上の大きさをもった下方への力成分が作用してい
   る状態においては、絶縁層の上面と粗面もしくは凹凸面
   とが接触状態となり、前記接触状態が、粗面もしくは凹
   凸面の凹凸構造の変形に起因して、作用した力に応じて
   変化するようにしたことを特徴とする力検出装置。
6. 【請求項６】 ＸＹＺ三次元座標系において、所定の作
   用点に作用した外力またはこの外力と同等の押圧力を検
   出する力検出装置であって、 前記座標系におけるＸＹ平面に沿った上面を有する主基
   板と、 前記主基板の上面のほぼ中心位置に前記座標系の原点を
   定義したときに、前記主基板のＸ軸正領域上に形成され
   た第１の電極と、前記主基板のＸ軸負領域上に形成され
   た第２の電極と、 前記各電極の上面を覆う絶縁層と、 前記主基板の上方に配置された作用部と、前記主基板に
   固定された固定部と、前記作用部と前記固定部との間に
   形成された可撓部と、を有する変位生成体と、前記作用
   部の底面に形成され、弾性変形を生じる導電性材料から
   なり、下面に多数の凹凸構造からなる粗面もしくは凹凸
   面が形成された弾性導電層と、 を備え、 前記絶縁層を挟んで、前記第１の電極と前記弾性導電層
   とにより第１の容量素子が、前記第２の電極と前記弾性
   導電層とにより第２の容量素子が、それぞれ形成され、
   前記第１の容量素子の静電容量値と前記第２の容量素子
   の静電容量値との差に基づいて、前記作用部内の作用点
   に作用した外力のＸ軸方向成分または当該外力と同等の
   変位を前記作用部に生じさせる押圧力を検出できるよう
   にしたことを特徴とする力検出装置。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の力検出装置において、 主基板のＹ軸正領域上に形成された第３の電極と、主基
   板のＹ軸負領域上に形成された第４の電極と、これらの
   電極の上面を覆う絶縁層と、を更に有し、 絶縁層を挟んで、前記第３の電極と弾性導電層とにより
   第３の容量素子が、前記第４の電極と弾性導電層とによ
   り第４の容量素子が、それぞれ形成され、前記第３の容
   量素子の静電容量値と前記第４の容量素子の静電容量値
   との差に基づいて、作用部内の作用点に作用した外力の
   Ｙ軸方向成分または当該外力と同等の変位を前記作用部
   に生じさせる押圧力を更に検出できるようにしたことを
   特徴とする力検出装置。
8. 【請求項８】 請求項６または７に記載の力検出装置に
   おいて、 主基板の上面に形成された第５の電極と、この電極の上
   面を覆う絶縁層と、を更に有し、 絶縁層を挟んで、前記第５の電極と弾性導電層とにより
   第５の容量素子が形成され、前記第５の容量素子の静電
   容量値に基づいて、作用部内の作用点に作用した外力の
   Ｚ軸方向成分または当該外力と同等の変位を前記作用部
   に生じさせる押圧力を更に検出できるようにしたことを
   特徴とする力検出装置。
9. 【請求項９】 請求項６〜８のいずれかに記載の力検出
   装置において、 検出対象となる力が作用していない状態においては、絶
   縁層の上面と弾性導電層の粗面もしくは凹凸面とが初期
   接触状態を維持し、 検出対象となる力が作用している状態においては、粗面
   もしくは凹凸面の凹凸構造の変形に起因して、絶縁層の
   上面と弾性導電層の粗面もしくは凹凸面との接触状態
   が、作用した力に応じて変化するように、作用部が可撓
   部によって支持されていることを特徴とする力検出装
   置。
10. 【請求項１０】 請求項６〜８のいずれかに記載の力検
    出装置において、 検出対象となる力が作用していない状態においては、絶
    縁層の上面と弾性導電層の粗面もしくは凹凸面とが所定
    間隔をあけて非接触状態を維持し、 所定以上の大きさをもった下方への力成分が作用してい
    る状態においては、絶縁層の上面と弾性導電層の粗面も
    しくは凹凸面とが接触状態となり、前記接触状態が、粗
    面もしくは凹凸面の凹凸構造の変形に起因して、作用し
    た力に応じて変化するように、作用部が可撓部によって
    支持されていることを特徴とする力検出装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の力検出装置におい
    て、 主基板の上面に、スイッチ動作用電極を更に設け、所定
    以上の大きさをもった下方への力成分が作用している状
    態においては、前記スイッチ動作用電極の上面と弾性導
    電層の粗面もしくは凹凸面とが電気的に接触するように
    し、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ状態の検出を行う付加的な
    機能を更に有することを特徴とする力検出装置。
12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の力検出装置におい
    て、 スイッチ動作用電極が、物理的に分離された一対の電極
    から構成され、これら一対の電極間の導通状態を電気的
    に検出することにより、ＯＮ／ＯＦＦ状態の検出を行う
    ことができるようにしたことを特徴とする力検出装置。
13. 【請求項１３】 請求項６〜１２のいずれかに記載の力
    検出装置において、 作用部の上面に複数の指標を配置し、個々の指標位置に
    加えられた押圧力によって作用部が主基板に対して変位
    を生じるように構成し、どの指標位置にどれだけの押圧
    力が加えられたかを検出できるようにしたことを特徴と
    する力検出装置。
14. 【請求項１４】 請求項６〜１３のいずれかに記載の力
    検出装置において、 少なくとも作用部と弾性導電層とを同一の材料による一
    体構造としたことを特徴とする力検出装置。