JP2015190764A - キャパシタセンサー、センサー装置、及び外力検出方法 - Google Patents

キャパシタセンサー、センサー装置、及び外力検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】動作時の消費電力を低減し、省電力化を図る。【解決手段】高分子キャパシタ１６は、個別電極１３と、共通電極１２と、個別電極１３と共通電極１２との間に介挿された高分子部材（誘電体）１４とから構成されている。高分子キャパシタ１６は、所定のタイミングで、電源から電力を供給して蓄電させる。操作レバー１５が押下されると、押下量に応じて共通電極１２が変動し、当該共通電極１２に押圧され、高分子キャパシタ１６の電極間距離が収縮する。高分子キャパシタ１６の電極間距離が収縮すると、静電容量が増大し、端子電圧Ｖａが低下する。当該端子電圧Ｖａの低下を検出することで、操作レバーがＺ軸方向に押下されたと判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、キャパシタセンサー、センサー装置、及び外力検出方法に関する。
従来、外力を検出するセンサーとしては、圧力を与えると、抵抗成分や、電極間の静電容量、共振周波数などが変化するセンサーを用いていた。
例えば、外力が印加されると電極間の距離が変化するキャパシタセンサーを用いて、電極間の距離によって決まる静電容量や共振周波数の変化に基づいて物理量を検出する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。
また、容量性カップリングを利用したセンサーを用いて、外力が印加されると可撓的な可動バンドの接近面積の変化に基づいて、物体の変位または位置を検出する技術が提案されている（例えば特許文献２参照）。
特開２０１３−２１０１９４号公報 特許第３０２３１５８号公報
しかしながら、上記従来技術では、いずれの場合も検出時に電力を要するため、携帯型の電子機器などでは省電力化を図ることが難しいという問題があった。
そこで本発明は、動作時の消費電力を低減し、省電力化を図ることを目的とする。
この発明は、第１の電極と、外力が印加される第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿され、弾性を有する高分子部材と、から構成される高分子キャパシタを備え、前記第１の電極と前記第２の電極とに所定の電圧を所定のタイミングで印加することによって前記高分子キャパシタを蓄電させた状態で、前記外力が印加されると、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿された前記高分子部材が伸縮することによって生じる、前記高分子キャパシタの容量変化を、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化として出力する、ことを特徴とするキャパシタセンサーである。
この発明は、第１の電極と、外力が印加される第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿され、弾性を有する高分子部材とから構成される高分子キャパシタと、前記第１の電極と前記第２の電極とに所定の電圧を所定のタイミングで印加することによって前記高分子キャパシタを蓄電させる蓄電手段と、前記蓄電手段による蓄電後、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿された前記高分子部材が伸縮することによって生じる、前記高分子キャパシタの容量変化を、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化として検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化に基づいて、前記外力が印加されたか否かを判定する判定手段と、を備えることを特徴とするセンサー装置である。
この発明は、第１の電極と、外力が印加される第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿され、弾性を有する高分子部材とから構成される高分子キャパシタを、前記第１の電極と前記第２の電極とに所定の電圧を所定のタイミングで印加することによって蓄電させるステップと、蓄電後、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿された前記高分子部材が伸縮することによって生じる、前記高分子キャパシタの容量変化を、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化として検出するステップと、前記検出された前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化に基づいて、前記外力が印加されたか否かを判定するステップと、を含むことを特徴とする外力検出方法である。
この発明によれば、動作時の消費電力を低減し、省電力化を図ることができる。
本発明の第１実施形態によるキャパシタセンサー１０の構成を示す図である。 本第１実施形態によるキャパシタセンサー１０を用いたセンサー装置２０の構成を示すブロック図である。 本第１実施形態によるキャパシタセンサー１０において、操作レバーを押下した場合のキャパシタ変化を示す等価回路図である。 本第１実施形態によるセンサー装置２０の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態によるキャパシタセンサー３０の構成を示す図である。 本第２実施形態によるキャパシタセンサー３０を用いたセンサー装置４０の構成を示すブロック図である。 本第２実施形態によるキャパシタセンサー３０において、操作レバー３５を一水平方向（Ｘ軸方向）に押圧した場合の構造変化を示す断面図である。 操作レバー３５を一水平方向（Ｘ軸方向）に押圧した場合の方向判定を説明するための概念図である。 本第２実施形態によるセンサー装置４０の動作を説明するためのフローチャートである。 本第２実施形態によるセンサー装置４０の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第３実施形態によるキャパシタセンサー５０の構成を示す平面図である。 本第３実施形態によるキャパシタセンサー５０の等価回路を示す回路図である。 本第３実施形態によるキャパシタセンサー５０において、操作レバー５５を押下した場合の構造変化を示す断面図である。 本第３実施形態によるキャパシタセンサー５０において、操作レバー５５を一水平方向（Ｘ軸方向）に押圧した場合の構造変化を示す断面図である。 本第３実施形態によるキャパシタセンサー５０を用いたセンサー装置６０の構成を示すブロック図である。 本第３実施形態によるセンサー装置６０の動作を説明するためのフローチャートである。 本第３実施形態によるセンサー装置６０の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の第４実施形態によるキャパシタセンサー７０の構造を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
Ａ．第１実施形態
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態によるキャパシタセンサー１０の構成を示す図である。図１（ａ）は、キャパシタセンサー１０の全体を示す上面図、図１（ｂ）は、キャパシタセンサー１０の断面図である。図において、キャパシタセンサー１０は、台座１１と、共通電極１２と、台座１１上に配設された個別電極１３と、個別電極１３と共通電極１２との間に介挿された高分子部材（誘電体）１４と、共通電極１２上に形成された操作レバー１５とから構成される。
高分子部材（誘電体）１４は、電気二重層の構成をし、大きな容量を持ち、且つ、リーク電流が極めて少ない。したがって、高分子部材（誘電体）１４は、わずかな時間、一定電圧を加えて一度電荷を蓄電するだけで、電荷保持が長時間に及ぶため、長期間の使用が可能となる。また、高分子部材（誘電体）１４は、比較的柔らかい組成を持ち、形状の自由度があるため、取り付け場所に合わせた設計が可能である。高分子部材（誘電体）１４上には、導電性の共通電極１２が配設されている。すなわち、個別電極１３と、共通電極１２と、個別電極１３と共通電極１２との間に介挿された高分子部材（誘電体）１４とから高分子キャパシタ１６が構成されている。共通電極１２上には、例えば手や指で操作する、Ｚ軸方向に延設された操作レバー１５が形成されている。引き出し端子ａは、個別電極１３に電気的に接続された端子であり、引き出し端子ｇは、共通電極１２に電気的に接続されたＧＮＤ端子である。
高分子部材（誘電体）１４は、上述したように、柔軟性を有する材料から形成されているので、ユーザが手や指で操作レバー１５を押下すると、押下量に応じて変動する共通電極１２に押圧され、高分子キャパシタ１６の電極間距離が収縮するようになっている。高分子キャパシタ１６の電極間距離が収縮すると、静電容量が増大し、端子電圧Ｖａが低下する。本第１実施形態では、端子電圧Ｖａの低下を検出することで、操作レバー１５がＺ軸方向に押下されたと判定する。より詳細については後述する。
図２は、本第１実施形態によるキャパシタセンサー１０を用いたセンサー装置２０の構成を示すブロック図である。センサー装置２０は、キャパシタセンサー１０、電源Ｖ０、抵抗Ｒ１、スイッチＳＷａ、制御部２１から構成される。電源Ｖ０は、二次電池などのバッテリからなり、当該センサー装置２０が搭載される電子機器の電源である。高分子キャパシタ１６は、スイッチＳＷａ、抵抗Ｒ１を介して、電源Ｖ０に接続されている。スイッチＳＷａは、制御部２１からの制御に従って、ＯＮ／ＯＦＦ動作する。
制御部２１は、電源投入時や、所定の時間間隔で、スイッチＳＷａをＯＮ状態とし、電源Ｖ０からキャパシタセンサー１０に電力を供給して蓄電させ、蓄電後、スイッチＳＷａをＯＦＦ状態とする。また、制御部２１は、所定のサンプリング間隔で、キャパシタセンサー１０の端子電圧Ｖａを取り込み、当該端子電圧Ｖａが所定の電圧値以下になったか否かを判定する。制御部２１は、端子電圧Ｖａが所定の電圧値以下になった場合に、操作レバー１５がＺ軸方向に押下されたと判定する。
図３は、本第１実施形態によるキャパシタセンサー１０において、操作レバー１５を押下した場合のキャパシタ変化を示す等価回路図である。図１（ｂ）において、ユーザが手や指で操作レバー１５を押下すると、押下量に応じて共通電極１２が変動し、高分子キャパシタ１６の電極間距離が収縮する。高分子キャパシタ１６の静電容量Ｃは以下の式で表される。
Ｃ＝ε（Ｓ／ｄ）
ここで、Ｃは静電容量、εは誘電率、Ｓは電極面積、ｄは電極間距離である。
図３に示すように、収縮前の電極間距離がｄａ１、収縮後の電極距離がｄａ２とすると、Ｃａ１＝ε（Ｓ／ｄａ１）、Ｃａ２＝ε（Ｓ／ｄａ２）となり、ｄａ１＞ｄａ２であるので、Ｃａ１＜Ｃａ２となる。このように、高分子キャパシタ１６の電極間が縦方向（Ｚ軸方向）に収縮し、その電極間が縮小すると、静電容量Ｃが増大する。
そして、収縮前の端子電圧がＶａ１、収縮後の端子電圧がＶａ２とすると、Ｖａ１＝Ｑ／Ｃａ１、Ｖａ２＝Ｑ／Ｃａ２であるので（電荷Ｑは一定）、Ｖａ１＞Ｖａ２となる。
このように、高分子キャパシタ１６の静電容量Ｃが増大すると、端子電圧Ｖａが低い電圧を示す。したがって、高分子キャパシタ１６の端子電圧Ｖａが低下した場合、操作レバー１５がＺ軸方向に押下されたと判定することができる。また、端子電圧Ｖａの減少値から押下量（押された距離）も判定することができる。
また、図示の例では、操作レバー１５が押下された場合について説明したが、操作レバー１５が上方向に引かれた場合でも同様に判定することが可能である。すなわち、高分子キャパシタ１６の端子電圧Ｖａが増加した場合、操作レバー１５がＺ軸の上方向に引かれたと判定することができる。
図４は、本第１実施形態によるセンサー装置２０の動作を説明するためのフローチャートである。制御部２１は、まず、蓄電タイミングであるか否かを判断する（ステップＳ１０）。蓄電タイミングは、上述したように、電源投入時や、所定の時間間隔となる。本発明で用いる高分子キャパシタ１６は、自然放電し難い特性を有するため、一度、蓄電すると、相当な時間、電荷を保持することが可能である。例えば、ユーザ操作がないタイミングで高分子キャパシタ１６の端子電圧Ｖａを検出し、所定の電圧以下となっていた場合を蓄電タイミングとしてもよい。
そして、蓄電タイミングである場合には（ステップＳ１０のＹＥＳ）、制御部２１は、スイッチＳＷａをＯＮ状態とし、高分子キャパシタ１６を蓄電する（ステップＳ１２）。その後、制御部２１は、スイッチＳＷａをオフ状態とする（ステップＳ１４）。この一連の動作によって、高分子キャパシタ１６は蓄電される。一方、蓄電タイミングでない場合には（ステップＳ１０のＮＯ）、上記処理を省いてステップＳ１６に進む。
次に、制御部２１は、高分子キャパシタ１６の端子電圧Ｖａを取り込み（ステップＳ１６）、当該端子電圧Ｖａが所定の電圧値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１８）。ここで、所定の電圧値を比較的大きい値に設定すると、操作レバー１５が少し押下されただけでも押下されたと判定され、所定の電圧値を比較的小さな値に設定すると、操作レバー１５が強く押下されないと押下されたと判定されない。したがって、所定の電圧値は、所望する操作レバー１５の押下程度に応じて適宜設定することが好ましい。
そして、当該端子電圧Ｖａが所定の電圧以下である場合には（ステップＳ１８のＹＥＳ）、操作レバー１５がＺ軸方向（下方向）に押下されたことを示す出力信号ＯＵＴを出力する（ステップＳ２０）。その後、上記ステップＳ１０に戻り、上述した処理を繰り返す。一方、当該端子電圧Ｖａが所定の電圧値以下でない場合には（ステップＳ１８のＮＯ）、操作レバー１５がＺ軸方向（下方向）に押下されたと判定することなく、上記ステップＳ１０に戻り、上述した処理を繰り返す。
上述した第１実施形態によれば、電気二重層の構成をし、大きな容量を持ち、且つ、リーク電流が極めて少ない高分子キャパシタに対して、わずかな時間一定電圧を加えて電荷を一度蓄電するだけで、１軸方向の押圧力を容易に検出することができ、かつ省電力化を図ることができる。
なお、上述した第１実施形態では、端子電圧Ｖａが所定の電圧値以下となった場合に、Ｚ軸方向に押下されたと判定するようにしたが、これに限らず、逐次取り込む端子電圧Ｖａと基準電圧（蓄電直後の端子電圧Ｖａ）との差分を求め、該差分が所定の差分以上となった場合に、Ｚ軸方向に押下されたと判定するようにしてもよい。
Ｂ．第２実施形態
図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態によるキャパシタセンサー３０の構成を示す図である。図５（ａ）は、キャパシタセンサー３０の全体を示す上面図、図５（ｂ）は、キャパシタセンサー３０の断面図である。図において、キャパシタセンサー３０は、台座３１と、共通電極３２と、台座３１上に配設された個別電極３３ａ、３３ｂと、個別電極３３ａ、３３ｂと共通電極３２との間に介挿された高分子部材（誘電体）３４ａ、３４ｂと、共通電極３２上に形成された操作レバー３５とから構成される。
本第２実施形態では、個別電極３３ａ、３３ｂと、共通電極３２と、個別電極３３ａ、３３ｂと共通電極３２との間に介挿された高分子部材（誘電体）３４ａ、３４ｂとから高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂが構成されている。引き出し端子ａは、個別電極３３ａに電気的に接続された端子であり、引き出し端子ｂは、個別電極３３ｂに電気的に接続された端子であり、引き出し端子ｇは、共通電極３２に電気的に接続されたＧＮＤ端子である。
本第２実施形態では、ユーザが手や指で操作レバー３５を押下すると、押下量に応じて変動する共通電極３２に押圧され、高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂが収縮し、それぞれの電極間距離が縮小するようになっている。高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂの電極間距離がほぼ均等に収縮した場合には、それぞれの端子電圧Ｖａ、Ｖｂがほぼ同程度で低下する。本第２実施形態では、端子電圧Ｖａ、Ｖｂがほぼ同程度に低下したことを検出することで、操作レバー３５がＺ軸方向に押下されたと判定する。
また、本第２実施形態では、ユーザが手や指で操作レバー３５をＸ軸方向に押圧すると、押圧方向、及び押圧量に応じて変動する共通電極３２に押圧され、高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂのいずれか一方が収縮し、その電極間距離が縮小するようになっている。高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂのいずれか一方の電極間距離が収縮した場合には、収縮した方の端子電圧がより大きく低下する。本第２実施形態では、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分を検出することで、操作レバー３５がＸ軸方向（右側ｏｒ左側）に押圧されたと判定する。
図６は、本第２実施形態によるキャパシタセンサー３０を用いたセンサー装置４０の構成を示すブロック図である。なお、図２に対応する部分には同一の符号を付けて説明を省略する。センサー装置４０は、キャパシタセンサー３０、電源Ｖ０、抵抗Ｒ１、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷａ、ＳＷｂ、制御部４１から構成される。キャパシタセンサー３０の高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂは、各々、スイッチＳＷａ、ＳＷｂ、スイッチＳＷ１、抵抗Ｒ１を介して、電源Ｖ０に接続されている。スイッチＳＷ１、ＳＷａ、ＳＷｂは、制御部４１からの制御に従って、ＯＮ／ＯＦＦ動作する。
制御部４１は、電源投入時や、所定の時間間隔で、スイッチＳＷ１、ＳＷａ、ＳＷｂをＯＮ状態とし、電源Ｖ０から高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂに電力を供給して蓄電させ、蓄電後、スイッチＳＷ１、ＳＷａ、ＳＷｂをＯＦＦ状態とする。また、制御部４１は、所定のサンプリング間隔で、高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂの端子電圧Ｖａ、Ｖｂを取り込み、当該端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分に基づいて、端子電圧Ｖａ、Ｖｂがほぼ均等に低下したか否か（端子電圧Ｖａ、Ｖｂが低下して所定の許容誤差範囲で同一値になったか否か）を判定する。制御部４１は、端子電圧Ｖａ、Ｖｂがほぼ均等に低下した場合に、操作レバー３５がＺ軸方向に押下されたと判定する。
また、制御部４１は、上記端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分が正であるか、負であるかを判定する。制御部４１は、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分が負である場合に、Ｘ軸左側に押圧されたと判定し、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分が正である場合には、Ｘ軸右側に押圧されたと判定する。
高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂは、自然放電し難い特性を有するものの、使用環境（温度、湿度など）、使用状況（操作頻度、操作方向の偏りなど）によっては、操作レバー３５が操作されていないときの高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂの端子電圧Ｖａ、Ｖｂにばらつきが生じる可能性がある。高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂの端子電圧Ｖａ、Ｖｂにばらつきが生じると、操作レバー３５の操作方向に誤判定が生じる。そこで、制御部４１は、所定のタイミングで、高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂの端子電圧Ｖａ、Ｖｂに生じるばらつきを解消する。
より具体的には、制御部４１は、操作レバー３５が操作されていないときの高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂの端子電圧Ｖａ、Ｖｂに生じるばらつきを解消するために、高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂの端子電圧Ｖａ、Ｖｂを同じ電圧値になるよう再設定する。リセットの方法としては、再度、電源Ｖ０で蓄電することも可能であるが、この場合、電力を消費することになる。そこで、本第２実施形態では、図６において、スイッチＳＷ１をＯＦＦとした状態で、スイッチＳＷａ、ＳＷｂをＯＮ状態とし、引き出し端子ａ、ｂを短絡させ、高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂの端子電圧Ｖａ、Ｖｂを同じ電圧値にする方法を採用する。この方法によれば、電力を全く消費することなく、高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂの端子電圧Ｖａ、Ｖｂにばらつきが生じるのを防止することができる。
また、リセットするタイミングとしては、所定の時間間隔や、あるいは、操作レバー３５の操作頻度が所定回数以上になった時点、あるいは、操作レバー３５が操作されていないときに、端子電圧Ｖａ、Ｖｂを測定し、当該端子電圧Ｖａ、Ｖｂに所定値以上のばらつきが生じている時点などが考えられる。
図７は、本第２実施形態によるキャパシタセンサー３０において、操作レバー３５を一水平方向（Ｘ軸方向）に押圧した場合の構造変化を示す断面図である。図８（ａ）〜（ｃ）は、操作レバー３５を一水平方向（Ｘ軸方向）に押圧した場合の方向判定を説明するための概念図である。ユーザが手や指で操作レバー３５を水平方向（Ｘ軸方向）に押圧すると、押圧量に応じて共通電極３２が傾き、引き出し端子ａに繋がる高分子キャパシタ３６ａは圧力を受け、その電極間距離が短くなり、逆に高分子キャパシタ３６ｂの電極間距離は変化がないか、若干伸びることになる。
高分子キャパシタ３６ａの静電容量Ｃａ、高分子キャパシタ３６ｂの静電容量Ｃｂとすると、圧力をかけない場合には、Ｃａ＝Ｃｂとして同じ電荷を持たせた場合、端子電圧はＶａ＝Ｖｂとなる。この状態において、矢印方向に押圧すると、図７、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、高分子キャパシタ３６ａの電極間距離ｄａが狭く、高分子キャパシタ３６ｂの電極間距離ｄｂが広くなる。この場合、それぞれの静電容量Ｃａ、Ｃｂに差が生じ、電荷量Ｑは変化しないため、端子電圧Ｖａが低く、端子電圧Ｖｂが高くなる（Ｖａ＜Ｖｂ）。すなわち、図８（ｃ）に示すように、減算器（コンパレータ）４２で端子電圧Ｖａ、Ｖｂとの差分（Ｖａ−Ｖｂ）を算出し、当該差分（Ｖａ−Ｖｂ）＜０であれば、Ｘ軸左側に押圧されたと判定することができ、逆であれば（Ｖａ−Ｖｂ＞０）、Ｘ軸右側に押圧されたと判定することができる。
図９、及び図１０は、本第２実施形態によるセンサー装置４０の動作を説明するためのフローチャートである。制御部４１は、まず、蓄電タイミングであるか否かを判断する（ステップＳ３０）。蓄電タイミングは、電源投入時や、所定の時間間隔となる。例えば、ユーザ操作がないタイミングで高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂの端子電圧Ｖａ、Ｖｂ検出し、所定の電圧以下となっていた場合を蓄電タイミングとしてもよい。
そして、蓄電タイミングである場合には（ステップＳ３０のＹＥＳ）、制御部４１は、スイッチＳＷ１、ＳＷａ、ＳＷｂをＯＮ状態とし、高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂを蓄電する（ステップＳ３２）。その後、制御部４１は、スイッチＳＷ１、ＳＷａ、ＳＷｂをオフ状態とする（ステップＳ３４）。この一連の動作によって、高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂは蓄電される。次に、制御部４１は、蓄電直後の端子電圧Ｖａ、Ｖｂを取り込み、初期電圧として保持する（ステップＳ３６）。一方、蓄電タイミングでない場合には（ステップＳ３０のＮＯ）、上記処理を省いてステップＳ３８に進む。
次に、制御部４１は、高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂの端子電圧Ｖａ、Ｖｂを取り込み（ステップＳ３８）、端子電圧Ｖａ、Ｖｂとの差分を算出する（ステップＳ４０）。次に、制御部４１は、端子電圧Ｖａ、Ｖｂとの差分に基づいて、端子電圧Ｖａ、Ｖｂがほぼ均等に低下したか否か（端子電圧Ｖａ、Ｖｂが低下して所定の許容誤差範囲で同一値になったか否か）を判断する（ステップＳ４０）。そして、端子電圧Ｖａ、Ｖｂがほぼ均等に低下した場合には（ステップＳ４０のＹＥＳ）、操作レバー３５がＺ軸方向（下方向）に押下されたことを示す出力信号ＯＵＴを出力する（ステップＳ４２）。
一方、端子電圧Ｖａ、Ｖｂがほぼ均等に低下していない場合には（ステップＳ４０のＮＯ）、制御部４１は、操作レバー３５がＺ軸方向（下方向）に押下されていないので、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）が負（＜０）であるか否かを判断する（図１０のステップＳ４４）。そして、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）が負（＜０）である場合には（ステップＳ４４のＹＥＳ）、操作レバー３５がＸ軸方向（左側）に押圧されたことを示す出力信号ＯＵＴを出力する（ステップＳ４６）。
一方、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）が負（＜０）でない場合には（ステップＳ４４のＮＯ）、制御部４１は、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）が正（＞０）であるか否かを判断する（ステップＳ４８）。そして、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）が正（＞０）である場合には（ステップＳ４８のＹＥＳ）、操作レバー３５がＸ軸方向（右側）に押圧されたとことを示す出力信号ＯＵＴを出力する（ステップＳ５０）。
ステップＳ４２、Ｓ４６、Ｓ５０の終了後、制御部４１は、リセットタイミングであるか否かを判断する（図１０のステップＳ５２）。リセットするタイミングとしては、所定の時間間隔、あるいは操作レバー３５の操作頻度が所定回数以上になった時点、操作レバー３５が操作されていないときに、端子電圧Ｖａ、Ｖｂを測定し、当該端子電圧Ｖａ、Ｖｂに所定値以上のばらつきが生じている場合など、が考えられる。
そして、リセットタイミングでない場合には（ステップＳ５２のＮＯ）、制御部４１は、図９のステップＳ３０に戻り、上述した処理を繰り返す。一方、リセットタイミングである場合には（ステップＳ５２のＹＥＳ）、制御部４１は、スイッチＳＷ１をＯＦＦ状態とし、スイッチＳＷａ、ＳＷｂをＯＮ状態とし、高分子キャパシタ３６ａ、３６ｂの引き出し端子ａ、ｂを短絡することで、端子電圧Ｖａ、Ｖｂを同一値にリセットする（ステップＳ５４）。次に、制御部４１は、スイッチＳＷａ、ＳＷｂをＯＦＦ状態に戻し（ステップＳ５６）、図９のステップＳ３０に戻り、上述した処理を繰り返す。
上述した第２実施形態によれば、電気二重層の構成をし、大きな容量を持ち、且つ、リーク電流が極めて少ない高分子キャパシタに対して、わずかな時間一定電圧を加えて電荷を一度蓄電するだけで、２軸方向の押圧力を容易に検出することができ、かつ省電力化を図ることができる。
Ｃ．第３実施形態
図１１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３実施形態によるキャパシタセンサー５０の構成を示す平面図である。図１１（ａ）は、キャパシタセンサー５０の全体を示す上面図、図１１（ｂ）、（ｃ）は、キャパシタセンサー５０の部分構成を示す分解上面図である。図において、キャパシタセンサー５０は、台座５１と、共通電極５２と、台座５１上に配設された個別電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄと、個別電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄの各々と共通電極５２との間に介挿された高分子部材（誘電体）５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄと、共通電極５２上に形成された操作レバー５５とから構成される。台座５１は、弾性部材から成る絶縁材からなり、Ｘ軸方向とＹ軸方向に延設された十字形状を有する。
個別電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄは、十字形状の台座５１の各片に配設されている。さらに、それぞれの個別電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ上には、高分子部材（誘電体）５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄが配設されている。高分子部材（誘電体）５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄは、比較的柔らかい組成を持ち、形状の自由度があるため、取り付け場所に合わせた設計が可能である。高分子部材（誘電体）５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ上には、導電性の共通電極５２が配設されている。すなわち、個別電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄと、共通電極５２と、個別電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄと共通電極５２との間に介挿された高分子部材（誘電体）５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄとから、４つの高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄが構成されている。共通電極５２上には、例えば手や指で操作する、Ｚ軸方向に延設された操作レバー５５が形成されている。引き出し端子ａ、ｂ、ｃ、ｄは、それぞれ個別電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄに電気的に接続された端子であり、引き出し端子ｇは、共通電極５２に電気的に接続された端子である。
図１２は、本第３実施形態によるキャパシタセンサー５０の等価回路を示す回路図である。なお、図１１に対応する部分には同一の符号を付けている。図２に示すように、本第３実施形態によるキャパシタセンサー５０は、一端を電気的に共通接続した４つの高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄからなる。高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄは、各々、静電容量Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄを有する。高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄの一方は、操作レバー５５の操作に応じて変動する共通電極５２である。したがって、それぞれの電極間距離は、操作レバー５５の操作に応じて伸縮することになり、静電容量Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄも変化することになる。以下、詳細に説明する。
図１３は、本第３実施形態によるキャパシタセンサー５０において、操作レバー５５を押下した場合の構造変化を示す断面図である。なお、図１１に対応する部分には同一の符号を付けている。図１３には、図１１（ａ）の線分Ｌ１で切った断面図を示している。上述した第２実施形態でも説明したように、ユーザが手や指で操作レバー５５を押下すると、押下量に応じて共通電極５２が変動し、４つある高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ（図示では高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂのみ）の電極間距離が（所定の許容誤差範囲で）均等に収縮する。
このように、高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄの電極間が均一に縦方向（Ｚ軸方向）に収縮すると、それぞれの静電容量Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄが増大する。そして、高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄの静電容量Ｃが増大すると、それぞれの端子電圧Ｖが低い電圧を示す。したがって、高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄの端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄがほぼ均等に低下した場合（低下して所定の許容誤差範囲で同一値になった場合）、操作レバー５５がＺ軸方向に押下されたと判定することができる。また、端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄの減少値から押下量（押された距離）も判定することができる。
なお、図示の例では、操作レバー５５が押下されると、同時に若干、台座５１も押下方向にたわむことができるよう、台座５１の下部にある程度の空間を開けるためにギャップ材５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄ（図示ではギャップ材５７ａ、５７ｂのみ）を配置している。但し、使用状況に応じて無くすことも可能である。
また、図示の例では、操作レバー５５が押下された場合について説明したが、操作レバー５５が上方向に引かれた場合でも同様に判定することが可能である。すなわち、高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄの端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄがほぼ均等に増加した場合（増加して所定の許容誤差範囲で同一値になった場合）、操作レバー５５がＺ軸の上方向に引かれたと判定することができる。
図１４は、本第３実施形態によるキャパシタセンサー５０において、操作レバー５５を一水平方向（Ｘ軸方向）に押圧した場合の構造変化を示す断面図である。ユーザが手や指で操作レバー５５を水平方向（Ｘ軸方向）に押圧すると、押圧量に応じて共通電極５２が傾き、引き出し端子ａに繋がる高分子キャパシタ５６ａは圧力を受け、その電極間距離が短くなり、逆に高分子キャパシタ５６ｂの電極間距離は伸びることになる。
このように、図１４のように、矢印方向に押圧されて、高分子キャパシタ５６ａの電極間距離が狭く、高分子キャパシタ５６ｂの電極間距離が広くなると、端子電圧Ｖａが低く、端子電圧Ｖｂが高くなる（Ｖａ＜Ｖｂ）。すなわち、Ｖａ−Ｖｂ＜０であれば、Ｘ軸左側に押圧されたと判定することができ、逆であればＸ軸右側に押圧されたと判定することができる。同様のことが、高分子キャパシタ５６ｃ−５６ｄ方向（Ｙ軸）でも行える。すなわち、高分子キャパシタ５６ｃの端子電圧Ｖｃ、高分子キャパシタ５６ｄの端子電圧Ｖｄが、Ｖｃ−Ｖｄ＜０であれば、Ｙ軸上側に押圧されたと判定することができ、逆であればＹ軸下側に押圧されたと判定することができる。
このように、外部からの押圧力、押圧方向に応じて、高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄのいずれかの電極間距離が縮小し、該当する高分子キャパシタの静電容量Ｃが増大すると、該当する端子電圧Ｖが低い電圧を示す。したがって、高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄの端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄの差分を検出することで、操作レバー５５がＸ軸方向左右のいずれか、Ｙ軸方向上下のいずれかに押圧されたと判定することができる。また、端子電圧Ｖの低下値から押圧量（押された距離）も判定することができる。
図１５は、本第３実施形態によるキャパシタセンサー５０を用いたセンサー装置６０の構成を示すブロック図である。センサー装置６０は、キャパシタセンサー５０、電源Ｖ０、抵抗Ｒ１、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃ、ＳＷｄ、及び制御部６１から構成される。キャパシタセンサー５０の高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄは、各々、スイッチＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃ、ＳＷｄ、スイッチＳＷ１、抵抗Ｒ１を介して、電源Ｖ０に接続されている。スイッチＳＷ１、ＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃ、ＳＷｄは、制御部６１からの制御に従って、ＯＮ／ＯＦＦ動作する。
制御部６１は、電源投入時や、所定の時間間隔で、スイッチＳＷ１、ＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃ、ＳＷｄをＯＮ状態とし、電源Ｖ０から高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄに電力を供給して蓄電させ、蓄電後、スイッチＳＷ１、ＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃ、ＳＷｄをＯＦＦ状態とする。また、制御部６１は、所定のサンプリング間隔で、高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄの端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄを取り込み、当該端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄの差分に基づいて、端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄがほぼ均等に低下したか否か（端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄが低下して所定の許容誤差範囲で同一値になったか否か）を判定する。制御部６１は、端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄがほぼ均等に低下した場合に、操作レバー５５がＺ軸方向に押下されたと判定する。
また、制御部６１は、上記端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分、及び端子電圧Ｖｃ、Ｖｄの差分が正であるか、負であるかを判定する。制御部６１は、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分が負である場合に、Ｘ軸左側に押圧されたと判定し、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分が正である場合には、Ｘ軸右側に押圧されたと判定する。また、制御部６１は、端子電圧Ｖｃ、Ｖｄの差分が負である場合に、Ｙ軸上側に押圧されたと判定し、端子電圧Ｖｃ、Ｖｄの差分が正である場合には、Ｙ軸下側に押圧されたと判定する。
また、本第３実施形態でも、上述した第２実施形態と同様に、制御部６１は、操作レバー５５が操作されていないときの高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄの端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄに生じるばらつきを解消するために、高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄの端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄを同じ電圧値になるよう再設定する。リセット方法、リセットタイミングは、第２実施形態と同様であるので説明を省略する。
図１６、及び図１７は、本第３実施形態によるセンサー装置６０の動作を説明するためのフローチャートである。制御部６１は、まず、蓄電タイミングであるか否かを判断する（ステップＳ７０）。蓄電タイミングは、電源投入時や、所定の時間間隔となる。例えば、ユーザ操作がないタイミングで高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄの端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ検出し、所定の電圧以下となっていた場合を蓄電タイミングとしてもよい。
そして、蓄電タイミングである場合には（ステップＳ７０のＹＥＳ）、制御部６１は、スイッチＳＷ１、ＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃ、ＳＷｄをＯＮ状態とし、高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄを蓄電する（ステップＳ７２）。その後、制御部６１は、スイッチＳＷ１、ＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃ、ＳＷｄをオフ状態とする（ステップＳ７４）。この一連の動作によって、高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄは蓄電される。次に、制御部６１は、蓄電直後の端子電圧Ｖａ〜Ｖｄを取り込み（ステップＳ７６）、端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄの差分を算出する（ステップＳ７８）。次に、制御部６１は、端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄの差分に基づいて、端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄがほぼ均等に低下したか否か（端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄが低下して所定の許容誤差範囲で同一値になったか否か）を判断する（ステップＳ８０）。そして、端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄがほぼ均等に低下した場合には（ステップＳ８０のＹＥＳ）、制御部６１は、操作レバー５５がＺ軸方向（下方向）に押下されたことを示す出力信号ＯＵＴを出力する（ステップＳ８２）。
一方、端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄがほぼ均等に低下していない場合には（ステップＳ８０のＮＯ）、制御部６１は、操作レバー５５がＺ軸方向（下方向）に押下されていないので、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）が負（＜０）であるか否かを判断する（図１７のステップＳ８４）。そして、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）が負（＜０）である場合には（ステップＳ８４のＹＥＳ）、制御部６１は、操作レバー３５がＸ軸方向（左側）に押圧されたことを示す出力信号ＯＵＴを出力する（ステップＳ８６）。
一方、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）が負（＜０）でない場合には（ステップＳ８４のＮＯ）、制御部６１は、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）が正（＞０）であるか否かを判断する（ステップＳ８８）。そして、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）が正（＞０）である場合には（ステップＳ８８のＹＥＳ）、制御部６１は、操作レバー３５がＸ軸方向（右側）に押圧されたことを示す出力信号ＯＵＴを出力する（ステップＳ９０）。
一方、端子電圧Ｖａ、Ｖｂの差分（Ｖａ−Ｖｂ）が正（＞０）でない場合には（ステップＳ８８のＮＯ）、制御部６１は、端子電圧Ｖｃ、Ｖｄの差分（Ｖｃ−Ｖｄ）が負（＜０）であるか否かを判断する（ステップＳ９２）。そして、端子電圧Ｖｃ、Ｖｄの差分（Ｖｃ−Ｖｄ）が負（＜０）である場合には（ステップＳ９２のＹＥＳ）、制御部６１は、操作レバー３５がＹ軸方向（上側）に押圧されたことを示す出力信号ＯＵＴを出力する（ステップＳ９４）。
一方、端子電圧Ｖｃ、Ｖｄの差分（Ｖｃ−Ｖｄ）が負（＜０）でない場合には（ステップＳ９２のＮＯ）、制御部６１は、端子電圧Ｖｃ、Ｖｄの差分（Ｖｃ−Ｖｄ）が正（＞０）であるか否かを判断する（ステップＳ９６）。そして、端子電圧Ｖｃ、Ｖｄの差分（Ｖｃ−Ｖｄ）が正（＞０）である場合には（ステップＳ９６のＹＥＳ）、制御部６１は、操作レバー３５がＹ軸方向（下側）に押圧されたことを示す出力信号ＯＵＴを出力する（ステップＳ９８）。
ステップＳ８２、Ｓ８６、Ｓ９０、Ｓ９４、Ｓ９８の終了後、制御部６１は、リセットタイミングであるか否かを判断する（ステップＳ１００）。リセットするタイミングとしては、所定の時間間隔、あるいは操作レバー５５の操作頻度が所定回数以上になった時点、操作レバー５５が操作されていないときに、端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄを測定し、当該端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄに所定値以上のばらつきが生じている場合など、が考えられる。
そして、リセットタイミングでない場合には（ステップＳ１００のＮＯ）、制御部６１は、図１７のステップＳ７０に戻り、上述した処理を繰り返す。一方、リセットタイミングである場合には（ステップＳ１００のＹＥＳ）、制御部６１は、スイッチＳＷ１をＯＦＦ状態とし、スイッチＳＷａ〜ＳＷｄをＯＮ状態とし、高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄの引き出し端子ａ、ｂ、ｃ、ｄを短絡することで、端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄを同一値にリセットする（ステップＳ１０２）。次に、制御部６１は、スイッチＳＷａ〜ＳＷｄをＯＦＦ状態に戻し（ステップＳ１０４）、図１７のステップＳ７０に戻り、上述した処理を繰り返す。
上述した第３実施形態によれば、電気二重層の構成をし、大きな容量を持ち、且つ、リーク電流が極めて少ない高分子キャパシタに対して、わずかな時間一定電圧を加えて電荷を一度蓄電するだけで、３軸方向の押圧力を容易に検出することができ、かつ省電力化を図ることができる。
なお、上述した第３実施形態では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向への外力を検出するようにしたが、これに限らず、端子電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄの差分を組み合わせることによって、ＸＹ平面においては０度、４５度、９０度、１３５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度を含む８方向への外力を検出するようにしてもよい。具体的には、前述した第３実施形態の４つの方向（０度、９０度、１８０度、２７０度）に加えて、Ｖａ-Ｖｂ＞０で、かつＶｃ−Ｖｄ＜０の場合に４５度、Ｖａ−Ｖｂ＜０で、かつＶｃ−Ｖｄ＜０の場合に１３５度、Ｖａ−Ｖｂ＜０で、かつＶｃ−Ｖｄ＞０の場合に２２５度、そして、Ｖａ-Ｖｂ＞０で、かつＶｃ−Ｖｄ＜０の場合に３１５度へ外力が印加されたと判定すればよい。
Ｄ．第４実施形態
図１８（ａ）、（ｂ）は、本発明の第４実施形態によるキャパシタセンサー７０の構造を示す図である。なお、図１８（ｂ）には、図１８（ａ）の線分Ｌ２で切った断面図を示している。図１８（ａ）、（ｂ）において、図１１に対応する部分には同一の符号を付けて説明を省略する。
本第４実施形態によるキャパシタセンサー７０は、プリント基板７１上に、個別電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄを配設し、第１乃至第３実施形態と同様に、個別電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄと共通電極５２との間に高分子部材（誘電体）５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄを介挿して４つの高分子キャパシタ５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄを構成している。共通電極５２上には、操作レバー１５が配設される。このように、キャパシタセンサー７０は、簡単な構造であるので、プリント基板７１上に容易に実装することができ、省スペース、省電力化を図ることが可能となる。
上述した第４実施形態によれば、プリント基板７１上に容易に実装することができ、省スペース、省電力化を図ることが可能となる。したがって、リスト機器などの小型機器等にも容易に組み込むことができる。
上述した第１乃至第４実施形態によれば、電気二重層の構成をし、大きな容量を持ち、且つ、リーク電流が極めて少ない高分子キャパシタに対して、わずかな時間、一定電圧を加えて一度電荷を蓄電するだけで、電荷保持が長時間に及ぶため、長期間の使用が可能となる。
また、第１乃至第４実施形態によれば、電気二重層の構成をし、大きな容量を持ち、且つ、リーク電流が極めて少ない高分子キャパシタを用いたので、動作時の電力ロスがないため、省電力で実現することができる。
また、第２乃至第４実施形態によれば、高分子キャパシタの容量にばらつきが生じても、回路構成上、高分子キャパシタの端子電圧を一定にすることができるので、精度の高い検出が極めて省電力で実現することができる。
また、第２乃至第４実施形態によれば、仮に高分子キャパシタの端子電圧にばらつきが生じても、所定のタイミングで高分子キャパシタの端子電圧を同電位にするリセット処理を施すようにしたので、精度の高い検出を継続することができる。
なお、高分子キャパシタに応力をかけると電圧が発生する（ピエゾも同様）可能性があるが、その影響による検出精度への悪影響は極めて少ない。
以上、この発明のいくつかの実施形態について説明したが、この発明は、これらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲を含むものである。
以下に、本願出願の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
（付記１）
付記１に記載の発明は、第１の電極と、外力が印加される第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿され、弾性を有する高分子部材と、から構成される高分子キャパシタを備え、前記第１の電極と前記第２の電極とに所定の電圧を所定のタイミングで印加することによって前記高分子キャパシタを蓄電させた状態で、前記外力が印加されると、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿された前記高分子部材が伸縮することによって生じる、前記高分子キャパシタの容量変化を、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化として出力する、ことを特徴とするキャパシタセンサーである。
（付記２）
付記２に記載の発明は、前記外力は、前記第２の電極の垂直方向に対する外力を含む、ことを特徴とする付記１に記載のキャパシタセンサーである。
（付記３）
付記３に記載の発明は、前記第１の電極は、前記外力が印加される前記第２の電極と平行な一操作軸上に少なくとも独立して２つ配設され、前記高分子部材は、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間に介挿され、前記外力が印加されると、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間に介挿された前記高分子部材が伸縮することによって生じる、前記高分子キャパシタの容量変化を、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧の変化として出力する、ことを特徴とする付記１に記載のキャパシタセンサーである。
（付記４）
付記４に記載の発明は、前記外力は、前記第２の電極の垂直方向に対する外力と、前記一操作軸の方向に対する外力を含む、ことを特徴とする付記３に記載のキャパシタセンサーである。
（付記５）
付記５に記載の発明は、前記第１の電極は、前記外力が印加される前記第２の電極と平行な第１の操作軸上に少なくとも独立して２つ配設されるとともに、前記外力が印加される前記第２の電極と平行な第２の操作軸上に少なくとも独立して２つ配設され、前記高分子部材は、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間に介挿され、前記外力が印加されると、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間に介挿された前記高分子部材が伸縮することによって生じる、前記高分子キャパシタの容量変化を、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧の変化として出力する、ことを特徴とする付記１に記載のキャパシタセンサーである。
（付記６）
付記６に記載の発明は、前記外力は、前記第２の電極の垂直方向に対する外力と、前記第１の操作軸の方向に対する外力と、前記第２の操作軸の方向に対する外力とを含む、ことを特徴とする付記５に記載のキャパシタセンサーである。
（付記７）
付記７に記載の発明は、前記第１の操作軸と前記第２の操作軸とは直交する、ことを特徴とする付記５または６に記載のキャパシタセンサーである。
（付記８）
付記８に記載の発明は、前記外力は、前記第２の電極の垂直方向に対する外力と、前記第１の操作軸の方向に対する外力と、前記第２の操作軸の方向に対する外力と、前記第１の操作軸の方向と前記第２の操作軸の方向とに対する合成外力とを含む、ことを特徴とする付記５に記載のキャパシタセンサーである。
（付記９）
付記９に記載の発明は、第１の電極と、外力が印加される第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿され、弾性を有する高分子部材とから構成される高分子キャパシタと、前記第１の電極と前記第２の電極とに所定の電圧を所定のタイミングで印加することによって前記高分子キャパシタを蓄電させる蓄電手段と、前記蓄電手段による蓄電後、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿された前記高分子部材が伸縮することによって生じる、前記高分子キャパシタの容量変化を、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化として検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化に基づいて、前記外力が印加されたか否かを判定する判定手段と、を備えることを特徴とするセンサー装置である。
（付記１０）
付記１０に記載の発明は、前記判定手段は、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化に基づいて、前記第２の電極の垂直方向に対する外力が印加されたか否かを判定する、ことを特徴とする付記９に記載のセンサー装置である。
（付記１１）
付記１１に記載の発明は、前記第１の電極は、前記外力が印加される前記第２の電極と平行な一操作軸上に少なくとも独立して２つ配設され、前記高分子部材は、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間に介挿され、前記検出手段は、前記高分子キャパシタの各々の容量変化を、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧の変化として検出し、前記判定手段は、前記検出手段によって検出された前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧の変化に基づいて、前記外力が印加されたか否かを判定する、ことを特徴とする付記９に記載のセンサー装置である。
（付記１２）
付記１２に記載の発明は、前記判定手段は、前記第１の電極の一方と前記第２の電極との間の第１の電圧と、前記第１の電極の他方と前記第２の電極との間の第２の電圧との差分に基づいて、前記第２の電極の垂直方向に対する外力、または前記一操作軸の方向に対する外力のいずれが印加されたか否かを判定する、ことを特徴とする付記１１に記載のセンサー装置である。
（付記１３）
付記１３に記載の発明は、前記第１の電極は、前記外力が印加される前記第２の電極と平行な第１の操作軸上に少なくとも独立して２つ配設されるとともに、前記外力が印加される前記第２の電極と平行な第２の操作軸上に少なくとも独立して２つ配設され、前記高分子部材は、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間に介挿され、前記検出手段は、前記高分子キャパシタの各々の容量変化を、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧の変化として検出し、前記判定手段は、前記検出手段によって検出された前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧の変化に基づいて、前記外力が印加されたか否かを判定する、ことを特徴とする付記９に記載のセンサー装置である。
（付記１４）
付記１４に記載の発明は、前記判定手段は、前記第１の操作軸上に配設された第１の電極の一方と前記第２の電極との間の第１の電圧と、前記第１の操作軸上に配設された前記第１の電極の他方と前記第２の電極との間の第２の電圧との差分に基づいて、前記第１の操作軸の方向に対する外力が印加されたか否かを判定し、前記第２の操作軸上に配設された第１の電極の一方と前記第２の電極との間の第３の電圧と、前記第２の操作軸上に配設された前記第１の電極の他方と前記第２の電極との間の第４の電圧との差分に基づいて、前記第２の操作軸の方向に対する外力が印加されたか否かを判定する、ことを特徴とする付記１３に記載のセンサー装置である。
（付記１５）
付記１５に記載の発明は、前記判定手段は、前記第１の操作軸上に配設された第１の電極の一方と前記第２の電極との間の第１の電圧と、前記第１の操作軸上に配設された前記第１の電極の他方と前記第２の電極との間の第２の電圧との差分に基づいて、前記第１の操作軸の方向に対する外力が印加されたか否かを判定し、前記第２の操作軸上に配設された第１の電極の一方と前記第２の電極との間の第３の電圧と、前記第２の操作軸上に配設された前記第１の電極の他方と前記第２の電極との間の第４の電圧との差分に基づいて、前記第２の操作軸の方向に対する外力が印加されたか否かを判定し、前記第１の電圧と前記第２の電圧との差分と、前記第３の電圧と前記第４の電圧との差分とに基づいて、前記第１の操作軸の方向と前記第２の操作軸の方向とに対する合成外力のいずれが印加されたか否かを判定する、ことを特徴とする付記１３に記載のセンサー装置である。
（付記１６）
付記１６に記載の発明は、所定のタイミングで、前記第１の電極の各々を短絡させることで、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧を同電位とする電位調整手段を更に備えることを特徴とする付記１１乃至１５の何れか１項に記載のセンサー装置である。
（付記１７）
付記１７に記載の発明は、第１の電極と、外力が印加される第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿され、弾性を有する高分子部材とから構成される高分子キャパシタを、前記第１の電極と前記第２の電極とに所定の電圧を所定のタイミングで印加することによって蓄電させるステップと、蓄電後、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿された前記高分子部材が伸縮することによって生じる、前記高分子キャパシタの容量変化を、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化として検出するステップと、前記検出された前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化に基づいて、前記外力が印加されたか否かを判定するステップと、を含むことを特徴とする外力検出方法である。
１０、３０、５０ キャパシタセンサー
１１、３１、５１ 台座
１２、３２、５２ 共通電極
１３、３３ａ〜３３ｂ、５３ａ〜５３ｄ 個別電極
１４、３４ａ〜３４ｂ、５４ａ〜５４ｄ 高分子部材（誘電体）
１５、３５、５５ 操作レバー
１６、３６ａ、３６ｂ、５６ａ〜５６ｄ 高分子キャパシタ
２０、４０、６０ センサー装置
２１、４１、６１ 制御部
７１ プリント基板
ＳＷ１、ＳＷａ、ＳＷｂ、ＳＷｃ、ＳＷｄ スイッチ
Ｒ１ 抵抗
電源 Ｖ０
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｇ 引き出し端子

Claims (17)

  1. 第１の電極と、
    外力が印加される第２の電極と、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿され、弾性を有する高分子部材と、
    から構成される高分子キャパシタを備え、
    前記第１の電極と前記第２の電極とに所定の電圧を所定のタイミングで印加することによって前記高分子キャパシタを蓄電させた状態で、
    前記外力が印加されると、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿された前記高分子部材が伸縮することによって生じる、前記高分子キャパシタの容量変化を、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化として出力する、
    ことを特徴とするキャパシタセンサー。
  2. 前記外力は、
    前記第２の電極の垂直方向に対する外力を含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載のキャパシタセンサー。
  3. 前記第１の電極は、
    前記外力が印加される前記第２の電極と平行な一操作軸上に少なくとも独立して２つ配設され、
    前記高分子部材は、
    前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間に介挿され、
    前記外力が印加されると、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間に介挿された前記高分子部材が伸縮することによって生じる、前記高分子キャパシタの容量変化を、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧の変化として出力する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のキャパシタセンサー。
  4. 前記外力は、前記第２の電極の垂直方向に対する外力と、前記一操作軸の方向に対する外力を含む、
    ことを特徴とする請求項３に記載のキャパシタセンサー。
  5. 前記第１の電極は、
    前記外力が印加される前記第２の電極と平行な第１の操作軸上に少なくとも独立して２つ配設されるとともに、前記外力が印加される前記第２の電極と平行な第２の操作軸上に少なくとも独立して２つ配設され、
    前記高分子部材は、
    前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間に介挿され、
    前記外力が印加されると、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間に介挿された前記高分子部材が伸縮することによって生じる、前記高分子キャパシタの容量変化を、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧の変化として出力する、
    ことを特徴とする請求項１に記載のキャパシタセンサー。
  6. 前記外力は、
    前記第２の電極の垂直方向に対する外力と、前記第１の操作軸の方向に対する外力と、前記第２の操作軸の方向に対する外力とを含む、
    ことを特徴とする請求項５に記載のキャパシタセンサー。
  7. 前記第１の操作軸と前記第２の操作軸とは直交する、
    ことを特徴とする請求項５または６に記載のキャパシタセンサー。
  8. 前記外力は、
    前記第２の電極の垂直方向に対する外力と、前記第１の操作軸の方向に対する外力と、前記第２の操作軸の方向に対する外力と、前記第１の操作軸の方向と前記第２の操作軸の方向とに対する合成外力とを含む、
    ことを特徴とする請求項５に記載のキャパシタセンサー。
  9. 第１の電極と、外力が印加される第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿され、弾性を有する高分子部材とから構成される高分子キャパシタと、
    前記第１の電極と前記第２の電極とに所定の電圧を所定のタイミングで印加することによって前記高分子キャパシタを蓄電させる蓄電手段と、
    前記蓄電手段による蓄電後、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿された前記高分子部材が伸縮することによって生じる、前記高分子キャパシタの容量変化を、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化として検出する検出手段と、
    前記検出手段によって検出された前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化に基づいて、前記外力が印加されたか否かを判定する判定手段と、
    を備えることを特徴とするセンサー装置。
  10. 前記判定手段は、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化に基づいて、前記第２の電極の垂直方向に対する外力が印加されたか否かを判定する、
    ことを特徴とする請求項９に記載のセンサー装置。
  11. 前記第１の電極は、
    前記外力が印加される前記第２の電極と平行な一操作軸上に少なくとも独立して２つ配設され、
    前記高分子部材は、
    前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間に介挿され、
    前記検出手段は、
    前記高分子キャパシタの各々の容量変化を、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧の変化として検出し、
    前記判定手段は、
    前記検出手段によって検出された前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧の変化に基づいて、前記外力が印加されたか否かを判定する、
    ことを特徴とする請求項９に記載のセンサー装置。
  12. 前記判定手段は、
    前記第１の電極の一方と前記第２の電極との間の第１の電圧と、前記第１の電極の他方と前記第２の電極との間の第２の電圧との差分に基づいて、前記第２の電極の垂直方向に対する外力、または前記一操作軸の方向に対する外力のいずれが印加されたか否かを判定する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のセンサー装置。
  13. 前記第１の電極は、
    前記外力が印加される前記第２の電極と平行な第１の操作軸上に少なくとも独立して２つ配設されるとともに、前記外力が印加される前記第２の電極と平行な第２の操作軸上に少なくとも独立して２つ配設され、
    前記高分子部材は、
    前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間に介挿され、
    前記検出手段は、前記高分子キャパシタの各々の容量変化を、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧の変化として検出し、
    前記判定手段は、
    前記検出手段によって検出された前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧の変化に基づいて、前記外力が印加されたか否かを判定する、
    ことを特徴とする請求項９に記載のセンサー装置。
  14. 前記判定手段は、
    前記第１の操作軸上に配設された第１の電極の一方と前記第２の電極との間の第１の電圧と、前記第１の操作軸上に配設された前記第１の電極の他方と前記第２の電極との間の第２の電圧との差分に基づいて、前記第１の操作軸の方向に対する外力が印加されたか否かを判定し、
    前記第２の操作軸上に配設された第１の電極の一方と前記第２の電極との間の第３の電圧と、前記第２の操作軸上に配設された前記第１の電極の他方と前記第２の電極との間の第４の電圧との差分に基づいて、前記第２の操作軸の方向に対する外力が印加されたか否かを判定する、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のセンサー装置。
  15. 前記判定手段は、
    前記第１の操作軸上に配設された第１の電極の一方と前記第２の電極との間の第１の電圧と、前記第１の操作軸上に配設された前記第１の電極の他方と前記第２の電極との間の第２の電圧との差分に基づいて、前記第１の操作軸の方向に対する外力が印加されたか否かを判定し、
    前記第２の操作軸上に配設された第１の電極の一方と前記第２の電極との間の第３の電圧と、前記第２の操作軸上に配設された前記第１の電極の他方と前記第２の電極との間の第４の電圧との差分に基づいて、前記第２の操作軸の方向に対する外力が印加されたか否かを判定し、
    前記第１の電圧と前記第２の電圧との差分と、前記第３の電圧と前記第４の電圧との差分とに基づいて、前記第１の操作軸の方向と前記第２の操作軸の方向とに対する合成外力のいずれが印加されたか否かを判定する、
    ことを特徴とする請求項１３に記載のセンサー装置。
  16. 所定のタイミングで、前記第１の電極の各々を短絡させることで、前記第１の電極の各々と前記第２の電極との間の電圧を同電位とする電位調整手段を更に備えることを特徴とする請求項１１乃至１５の何れか１項に記載のセンサー装置。
  17. 第１の電極と、外力が印加される第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿され、弾性を有する高分子部材とから構成される高分子キャパシタを、前記第１の電極と前記第２の電極とに所定の電圧を所定のタイミングで印加することによって蓄電させるステップと、
    蓄電後、前記第１の電極と前記第２の電極との間に介挿された前記高分子部材が伸縮することによって生じる、前記高分子キャパシタの容量変化を、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化として検出するステップと、
    前記検出された前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の変化に基づいて、前記外力が印加されたか否かを判定するステップと、
    を含むことを特徴とする外力検出方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024024360A1 (ja) * 2022-07-28 2024-02-01 正毅 千葉 圧力センサ

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