JP2023183073A - 静電容量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】力の検出可能領域を拡大することができる静電容量センサを提供する。【解決手段】静電容量センサ１は、上電極１１と、上電極１１との間の静電容量Ｃを検出するための下電極１１と、誘電性及び弾性を有し、上下の電極１１，１１の間に配置された基材１２と、を備える。基材１２の上基材層部１２ａ及び下基材層部１２ｂは、同一の力が作用したときの弾性変形量が互いに異なるように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、力を検出するための静電容量センサに関する。

従来、静電容量センサとして特許文献１に記載されたものが知られている。この静電容量センサは、圧力検出用のものであり、可撓性を有するフレキシブル基板及び硬質基板などを備えている。フレキシブル基板の下面には、第１可動電極及び第２可動電極からなる可動電極と、可動電極に接続された信号線とが取り付けられている。

この静電容量センサの場合、圧力がフレキシブル基板における可動電極の上側の部分に作用した場合、可動電極が固定電極側に移動し、電極間の距離が変化するのに伴って静電容量が変化し、それより、圧力が検出される。

特開２０１９－９０７２９号公報

近年、ロボットなどの産業機械においては、静電容量センサとして、力の検出可能範囲の広いものが望まれている。これに対して、上記従来の静電容量センサによれば、可動電極と固定電極との間が空間になっている関係上、力の検出可能領域が狭くなってしまうという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、力の検出可能領域を拡大することができる静電容量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る静電容量センサ１は、第１電極（上下の電極１１，１１の一方）と、第１電極に対向するように配置され、第１電極との間の静電容量Ｃを検出するための第２電極（上下の電極１１，１１の他方）と、誘電性及び弾性を有し、第１電極及び第２電極に接する状態で第１電極及び第２電極の間に配置された基材１２と、を備え、基材１２は、第１電極及び第２電極の対向方向に並ぶように設けられた複数の基材層（上基材層部１２ａ、下基材層部１２ｂ）を有しており、複数の基材層は、同一の力が作用したときの弾性変形量が互いに異なるように構成されていることを特徴とする。

この静電容量センサによれば、誘電性及び弾性を有する基材が、第１電極及び第２電極に接する状態で両者の間に配置されている。この基材は、第１電極及び第２電極の対向方向に並ぶように設けられた複数の基材層を有しており、複数の基材層は、同一の力が作用したときの弾性変形量が互いに異なるように構成されている。

それにより、２つの電極間の距離が減少するような力が第１電極及び第２電極の一方に作用した際、基材は複数の基材層の各々における弾性変形量が異なる状態で弾性変形することになる。それにより、同一の力に対して弾性変形しやすい方の基材層の弾性変形によって、小さい領域の力を検出することができると同時に、同一の力に対して弾性変形しにくい方の基材層の弾性変形によって、大きい領域の力を検出することができる。その結果、力の検出可能領域を拡大することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の静電容量センサ１において、第１電極及び第２電極の各々は、誘電性及び弾性を有する電極基板（上下の電極基板１０，１０）に設けられていることを特徴とする。

この静電容量センサによれば、第１電極及び第２電極の各々は、誘電性及び弾性を有する電極基板に設けられているので、第１電極及び第２電極の双方を力の作用する側に配置することが可能になる。

前述した目的を達成するために、請求項３に係る静電容量センサ２は、互いに対向する一対の第１電極２１，２１と、互いに対向する一対の第２電極２２，２２と、誘電性及び弾性を有し、一対の第１電極に接する状態で一対の第１電極の間に配置された第１基材２３と、誘電性及び弾性を有し、一対の第２電極に接する状態で一対の第２電極の間に配置された第２基材２４と、誘電性及び弾性を有し、一対の第１電極の一方及び一対の第２電極の一方が設けられた共通電極基板（中電極基板２０）と、を備え、第１基材及び第２基材は、同一の力が作用したときの弾性変形量が互いに異なるように構成されていることを特徴とする。

この静電容量センサによれば、一対の第１電極の間には第１基材が配置され、一対の第２電極の間には第２基材が配置され、共通電極基板には、一対の第１電極の一方及び一対の第２電極の一方が設けられている。そして、第１基材及び第２基材は、同一の力が作用したときの弾性変形量が互いに異なるように構成されている。それにより、同一の力が作用したときの、一対の第１電極間の静電容量の変化度合いと、一対の第２電極間の静電容量の変化度合いとを自在に設定することができることで、力の検出可能領域を拡大することができる。同じ理由により、一対の第１電極及び一対の第２電極の配置の自由度を向上させることができ、静電容量センサの設計の自由度を向上させることができる。さらに、一対の第１電極の一方と、一対の第２電極の一方は、同一の共通電極基板に設けられていることにより、一方の第１電極と、一方の第２電極を別々の電極基板に設けた場合と比べて、製造コストを削減することができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の静電容量センサ２において、一対の第１電極の他方及び第２電極の他方の各々は、誘電性及び弾性を有する他の電極基板（上下の電極基板２０）に設けられていることを特徴とする。

この静電容量センサによれば、一対の第１電極の他方及び第２電極の他方の各々は、誘電性及び弾性を有する他の電極基板に設けられているので、他方の第１電極及び他方の第２電極の双方を力の作用する側に配置することが可能になる。

本発明の第１実施形態に係る静電容量センサの構成を示す平面図である。 図１のII-II線に沿う断面を示す図である。 力が静電容量センサに作用した状態を示す図である。 図３Ａよりも大きい力が静電容量センサに作用した状態を示す図である。 図３Ｂよりも大きい力が静電容量センサに作用した状態を示す図である。 第１実施形態の静電容量センサにおける力－静電容量の特性曲線を示す図である。 力が比較例の静電容量センサに作用していない状態を示す図である。 力が比較例の静電容量センサに作用した状態を示す図である。 図５Ｂよりも大きい力が比較例の静電容量センサに作用した状態を示す図である。 図５Ｃよりも大きい力が比較例の静電容量センサに作用した状態を示す図である。 比較例の静電容量センサにおける力－静電容量の特性曲線を示す図である。 静電容量センサの一変形例を示す図である。 静電容量センサの一変形例を示す図である。 静電容量センサの一変形例を示す図である。 第２実施形態に係る静電容量センサの構成を示す断面図である。 第２実施形態の静電容量センサにおける力－静電容量の特性曲線を示す図である。 第２実施形態の静電容量センサの一変形例を示す図である。 第２実施形態の静電容量センサの一変形例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る静電容量センサについて説明する。本実施形態の図１に示す静電容量センサ１は、図示しない電線を介して力検出装置４０に接続されている。この力検出装置４０は、後述するように、静電容量センサ１による静電容量Ｃの検出結果に基づいて、静電容量センサ１に作用する力（荷重）を検出するものである。

本実施形態の静電容量センサ１は、図１及び図２に示すように、上下の電極基板１０，１０と、上下一対の電極１１，１１を１組として複数組（図２に１組のみ図示）の電極１１，１１と、複数（図１に９個のみ図示）の基材１２などを備えている。

なお、以下の説明では、便宜上、図１の左側を「左」、図１の右側を「右」、図１の下側を「前」、図１の上側を「後ろ」、図１の手前側を「上」、図１の奥側を「下」という。

上下の電極基板１０，１０は、半透明の板状のものであり、誘電性及び弾性（又は可撓性）を有する材質（例えば、シリコンゴム）で構成されている。

上下一対の電極１１，１１は、平面視正方形の板状のフレキシブル電極で構成され、図示しないフレキシブル電線を介して、力検出装置４０に接続されている。また、上下一対の電極１１，１１は、これらを平面視したときに全体が互いに重なるように配置されている。

さらに、上電極１１は、その下面が上電極基板１０の下面と面一になる状態で上電極基板１０に取り付けられており、下電極１１は、その上面が下電極基板１０の上面と面一になる状態で下電極基板１０に取り付けられている（図２参照）。なお、本実施形態では、上電極１１が第１電極及び第２電極の一方に相当し、下電極１１が、第１電極及び第２電極の他方に相当する。

一方、基材１２は、上下の電極１１，１１の間に配置されており、その上端面が上電極１１に固定され、下端面が下電極１１及び下電極基板１０に固定されている。基材１２は、平面視したときに、基材１２の中心が上下の電極１１，１１の中心と一致するように設けられている。

基材１２は、誘電性及び弾性を有する材質（例えば、シリコンゴム）で構成されており、上基材層部１２ａ及び下基材層部１２ｂを備えている。これらの上基材層部１２ａ及び下基材層部１２ｂは一体成形されている。

なお、上基材層部１２ａ及び下基材層部１２ｂを積層することによって基材１２が構成されてもよい。また、上基材層部１２ａと下基材層部１２ｂの連続部分の形状を丸面取りのような曲面形状としてもよい。本実施形態では、上基材層部１２ａが複数の基材層の１つに相当し、下基材層部１２ｂが複数の基材層の他の１つに相当する。

上基材層部１２ａは、四角錐台状に形成されており、その上端面が上電極１１の下面と一致する形状及びサイズになっている。また、下基材層部１２ｂは、四角柱状で上基材層部１２ａの下端から下方に延びており、その下端面は、下電極１１の上面よりも大きい正方形のサイズになっている。

以上の構成により、この基材１２では、力が基材１２に作用した際の上基材層部１２ａの弾性変形量と下基材層部１２ｂの弾性変形量が異なるようになっている。これは、静電容量センサ１において、力に対する静電容量の変化が後述する特性（図４参照）を示すようにするためである。

一方、力検出装置４０は、マイクロコンピュータ及び電気回路を組み合わせて構成されている。この力検出装置４０では、上下の電極１１，１１の間に電圧を印加することにより、上下の電極１１，１１の間の静電容量Ｃが検出され、この静電容量Ｃに基づき、図示しない演算式により、静電容量センサ１に対して下向きに作用する力（荷重）が演算される。

次に、以上のように構成された本実施形態の静電容量センサ１の動作及び機能について説明する。まず、本実施形態の静電容量センサ１と比較するために、図５Ａに示す比較例の静電容量センサ１Ｘ（以下「比較例センサ１Ｘ」という）について説明する。

この比較例センサ１Ｘの場合、図５Ａに示すように、静電容量センサ１と比べて、基材１２に代えて基材１２Ｘを備えている点のみが異なっているので、静電容量センサ１と同じ構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。

この基材１２Ｘは、基材１２と同じ材質で構成されており、四角柱状で上下の電極１１，１１の間に延びているとともに、その上下の端面が上下の電極１１，１１と同じサイズの正方形になっている。

次に、この比較例センサ１Ｘの動作及び機能について説明する。なお、以下の説明においては、上下一対の電極１１，１１の間における静電容量Ｃの変化を例にとって説明する。

比較例センサ１Ｘでは、垂直荷重Ｆ（以下単に「荷重Ｆ」という））が作用した場合、基材１２Ｘが図５Ａに示す状態から弾性変形する。この基材１２Ｘの弾性変形によって、上下の電極１１，１１間の距離が減少し、それに伴い、電極１１，１１の間の静電容量Ｃが図６に示す特性曲線のように変化する。

例えば、図５Ｂに示すように、所定荷重Ｆｘ１が比較例センサ１Ｘに上方から作用した場合、基材１２Ｘが図５Ｂに示す状態まで弾性変形する。それに伴い、電極１１，１１間の静電容量Ｃが図６に示すように上昇する。

さらに、所定荷重Ｆｘ１よりも大きい荷重Ｆが上方から比較例センサ１Ｘに作用した場合、基材１２Ｘはその弾性変形量が増大し、それに伴い、電極１１，１１間の静電容量Ｃが図６に示すように上昇する。

そして、所定荷重Ｆｘ１よりも大きい所定荷重Ｆｘ２が上方から比較例センサ１Ｘに作用した場合、基材１２Ｘが図５Ｃに示す限界変形状態まで弾性変形する。この図５Ｃに示す限界変形状態は、基材１２Ｘがこれ以上弾性変形できない状態に相当する。

それにより、例えば、図５Ｄに示すように、所定荷重Ｆｘ２よりも大きい所定荷重Ｆｘ３が上方から比較例センサ１Ｘに作用した際、基材１２Ｘの弾性変形量が変化しなくなる。その結果、図６に示すように、電極１１，１１間の静電容量Ｃが所定荷重Ｆｘ２以上の領域で変化しない状態となる。したがって、比較例センサ１Ｘの場合、荷重Ｆの検出可能領域は０≦Ｆ≦Ｆｘ２となる。

これに対して、本実施形態の静電容量センサ１（以下「本発明センサ１」という）の場合、例えば、図３Ａに示すように、所定荷重Ｆ１が本発明センサ１に上方から作用した場合、基材１２の下基材層部１２ｂがほとんど弾性変形することなく、上基材層部１２ａのみが図３Ａに示す状態まで弾性変形する。それに伴い、電極１１，１１間の静電容量Ｃが図４に実線で示す特性曲線のように上昇する。

また、所定荷重Ｆ１よりも大きい荷重Ｆが本発明センサ１に上方から作用した場合、基材１２の下基材層部１２ｂがほとんど弾性変形することなく、上基材層部１２ａの弾性変形量が増大する。それに伴い、電極１１，１１間の静電容量Ｃが図４に実線で示す特性曲線のように上昇する。

そして、図３Ｂに示すように、所定荷重Ｆ１よりも大きい所定荷重Ｆ２が本発明センサ１に上方から作用した際、基材１２の下基材層部１２ｂがほとんど弾性変形することなく、上基材層部１２ａのみが図３Ｂに示す限界変形状態になる。

それにより、所定荷重Ｆ２よりも大きい荷重Ｆが本発明センサ１に上方から作用した際、基材１２の上基材層部１２ａがほとんど弾性変形することなく、下基材層部１２ｂの弾性変形量が増大することになる。それに伴い、Ｆ≧Ｆ２の領域において、電極１１，１１間の静電容量Ｃが図４に実線で示す特性曲線のように上昇する。すなわち、本発明センサの場合、上基材層部１２ａが限界変形状態まで弾性変形した以降、下基材層部１２ｂの方が弾性変形することによって、電極１１，１１間の静電容量Ｃが２段階に変化する。

そして、所定荷重Ｆ２よりも大きい所定荷重Ｆ３が本発明センサ１に上方から作用した際、基材１２の下基材層部１２ｂも限界変形状態になる。それにより、所定荷重Ｆ３よりも大きい荷重Ｆが上方から本発明センサ１に作用した際、基材１２の弾性変形量が変化しなくなる。その結果、図４に実線で示すように、電極１１，１１間の静電容量Ｃが所定荷重Ｆ３以上の領域で変化しない状態となる。すなわち、本発明センサ１における荷重Ｆの検出可能領域は０≦Ｆ≦Ｆ３となる。

この場合、図４中に破線で示す曲線は、比較例センサ１Ｘの荷重Ｆに対する静電容量Ｃの変化を示しており、所定荷重Ｆ３は、Ｆ３＞Ｆｘ２が成立する値になっている。すなわち、比較例センサ１Ｘの場合、荷重Ｆの検出可能領域が０≦Ｆ≦Ｆｘ２であるのに対して、本発明センサ１の場合、荷重Ｆの検出可能領域がより広い領域０≦Ｆ≦Ｆ３となっており、比較例センサ１Ｘと比べて荷重Ｆの検出可能領域を拡大できることが判る。

以上のように、本実施形態の静電容量センサ１によれば、荷重Ｆ（力）が作用した際、上下の電極１１，１１の間隔が減少するように、基材１２が弾性変形する。その際、基材１２の上基材層部１２ａが、０≦Ｆ≦Ｆ２の範囲内の荷重Ｆに対して静電容量Ｃが変化するように弾性変形し、下基材層部１２ｂが、Ｆ２≦Ｆ≦Ｆ３の範囲内の荷重Ｆに対して静電容量Ｃが変化するように弾性変形する。それにより、静電容量センサ１における荷重Ｆの検出可能範囲が０≦Ｆ≦Ｆ３となることで、単一層の基材１２Ｘを備えた比較例センサ１Ｘと比べて、検出可能範囲を拡大することができる。

また、上下の電極１１，１１が、誘電性及び弾性を有する上下の電極基板１０，１０にそれぞれ設けられているので、静電容量センサ１に対して上下双方から作用する荷重Ｆを検出することができる。

なお、本実施形態の静電容量センサ１における上下の電極１１，１１の配置及び形状を変更してせん断力も検出するように構成した場合、図２に示す形状の基材１２の方が図５Ａに示す形状の基材１２Ｘと比べて、せん断力の検出可能領域が広くなり、検出感度の点で有利である。

また、第１実施形態は、平面視正方形の上下の電極１１，１１を用いた例であるが、上下の電極１１，１１の平面視形状は、正方形以外の多角形又は円形であってもよい。

また、第１実施形態は、四角錐台状の上基材層部１２ａと四角柱状の下基材層部１２ｂとを有する基材１２を用いた例であるが、基材１２の形状はこれに限らず、同じ力が作用した際に上基材層部１２ａと下基材層部１２ｂの弾性変形量が異なることで、図４に示すような特性曲線が得られるような形状であればよい。例えば、上基材層部１２ａが五角形以上の角錐台状で、下基材層部１２ｂが五角形以上の角柱状となるように、基材１２を構成してもよい。また、上基材層部１２ａが円錐台状で、下基材層部１２ｂが円柱状となるように、基材１２を構成してもよい。

さらに、基材１２において、上基材層部１２ａが弾性変形する荷重の領域と下基材層部１２ｂが弾性変形する荷重の領域を、両者の一部が重複するように構成してもよい。

また、第１実施形態は、基材１２を上基材層部１２ａ及び下基材層部１２ｂの２層構造とした例であるが、これに代えて、基材１２を３層以上の基材層を備えるように構成してもよい。

一方、第１実施形態の静電容量センサ１に代えて、本発明の静電容量センサを図７～９に示す静電容量センサ１Ａ～１Ｃのように構成してもよい。なお、以下の静電容量センサ１Ａ～１Ｃの場合、静電容量センサ１と比較したときに、基材１２に代えて基材１２Ａ～１２Ｃを備えている点のみが異なっているので、以下、これらの基材１２Ａ～１２Ｃを中心に説明する。

図７に示すように、静電容量センサ１Ａの基材１２Ａは、上基材層部１２Ａａ及び下基材層部１２Ａｂを備えている。これらの上基材層部１２Ａａ及び下基材層部１２Ａｂは、基材１２と同一の材質で構成され、同心の状態で一体成形されている。

上基材層部１２Ａａは、四角柱状の形状を有し、平面視したときに上電極１１と同一サイズの正方形に形成されている。下基材層部１２Ａｂも、四角柱状の形状を有し、平面視したときに上基材層部１２ａよりも大きいサイズの正方形に形成されている。

以上のように構成された静電容量センサ１Ａによれば、荷重が作用した際、上基材層部１２Ａａ及び下基材層部１２Ａｂは、前述した基材１２の上基材層部１２ａ及び下基材層部１２ｂと同様に弾性変形する。それにより、静電容量センサ１Ａにおける荷重と静電容量の関係は、前述した図４の特性曲線と同様の傾向になる。すなわち、この静電容量センサ１Ａにおいても、第１実施形態の静電容量センサ１と同様の作用効果を得ることができる。

また、図８に示すように、静電容量センサ１Ｂの基材１２Ｂは、上基材層部１２Ｂａ及び下基材層部１２Ｂｂを備えている。これらの上基材層部１２Ｂａ及び下基材層部１２Ｂｂは、基材１２と同一の材質で構成され、一体成形されている。

上基材層部１２Ｂａは、基材１２の上基材層部１２ａの上下を逆様にした形状及びサイズを有しており、下基材層部１２Ｂｂは、基材１２の下基材層部１２ｂと同一の形状及びサイズを有している。

以上のように構成された静電容量センサ１Ｂによれば、荷重が作用した際、上基材層部１２Ｂａ及び下基材層部１２Ｂｂは、前述した基材１２の上基材層部１２ａ及び下基材層部１２ｂと同様に弾性変形する。それにより、静電容量センサ１Ｂにおける荷重と静電容量の関係は、前述した図４の特性曲線と同様の傾向になる。すなわち、この静電容量センサ１Ｂにおいても、第１実施形態の静電容量センサ１と同様の作用効果を得ることができる。

また、図９に示すように、静電容量センサ１Ｃの基材１２Ｃは、上基材層部１２Ｃａ及び下基材層部１２Ｃｂを備えている。

これらの上基材層部１２Ｃａ及び下基材層部１２Ｃｂはいずれも、互いに同一サイズの四角柱状に形成され、誘電性及び弾性を有する材質（例えば、シリコンゴム）で構成されている。上基材層部１２Ｃａは、下基材層部１２Ｃｂよりも小さい弾性係数を備えている。

より具体的には、上基材層部１２Ｃａ及び下基材層部１２Ｃｂにおける弾性係数は、荷重が静電容量センサ１Ｃに作用した際、前述した基材１２の上基材層部１２ａ及び下基材層部１２ｂと同様の弾性変形状態になるように構成されている。

それにより、荷重が作用した際の静電容量センサ１Ｃにおける荷重と静電容量の関係は、前述した図４の特性曲線と同様の傾向になる。すなわち、この静電容量センサ１Ｃにおいても、第１実施形態の静電容量センサ１と同様の作用効果を得ることができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る静電容量センサについて説明する。図１０に示すように、本実施形態の静電容量センサ２は、上中下３つの電極基板２０，２０，２０と、上下一対の第１電極２１，２１を１組として複数組（図１０に２組のみ図示）の第１電極２１，２１と、複数（図１０に２つのみ図示）の第１基材２３と、上下一対の第２電極２２，２２を１組として複数組（図１０に１組のみ図示）の第２電極２２，２２と、複数（図１０に１つのみ図示）の第２基材２４を備えている。

上中下の電極基板２０，２０，２０の各々は、半透明の板状のものであり、誘電性及び弾性（又は可撓性）を有する材質（例えば、シリコンゴム）で構成されている。なお、本実施形態では、中電極基板２０が共通電極基板に相当し、上下の電極基板２０，２０が他の電極基板に相当する。

上下の第１電極２１，２１は、平面視正方形（図示せず）の板状のフレキシブル電極で構成され、図示しないフレキシブル電線を介して、力検出装置４０と同様の図示しない力検出装置に接続されている。また、上下の第１電極２１，２１は、これらを平面視したときに全体が互いに重なるように配置されている。

上第１電極２１は、その下面が上電極基板２０の下面に面一になる状態で、上電極基板２０に取り付けられている。また、下第１電極２１は、その上面が中電極基板２０の上面と面一になる状態で、中電極基板２０に取り付けられている。

一方、第１基材２３は、前述した基材１２と同じ材質で構成されており、四角柱状で上下の第１電極２１，２１の間に延びている。第１基材２３は、その上下の端面が上下の第１電極２１，２１と同じサイズの正方形になっており、平面視したときに、上下の第１電極２１，２１と全体が互いに重なるように配置されている。

上下の第２電極２２，２２は、平面視矩形（図示せず）の板状のフレキシブル電極で構成され、図示しないフレキシブル電線を介して、力検出装置４０と同様の図示しない力検出装置に接続されている。また、上下の第２電極２２，２２は、これらを平面視したときに全体が互いに重なるように配置されている。

上第２電極２２は、その下面が中電極基板２０の下面に面一になるとともに、下第１電極２１との間に上下方向に間隔を存する状態で、中電極基板２０に取り付けられている。また、下第２電極２２は、その上面が下電極基板２０の上面と面一になる状態で、下電極基板２０に取り付けられている。

一方、第２基材２４は、前述した基材１２と同じ材質で構成されており、四角柱状で上下の第２電極２２，２２の間に延びている。第２基材２４は、その上下の端面が上下の第２電極２２，２２よりも大きいサイズの矩形になっており、平面視したときに、上下の第２電極２２，２２全体がカバーされるように配置されている。

また、第２基材２４は、第１基材２３よりも大きな平面積を有しており、それにより、第２基材２４は、荷重Ｆが小さい領域において、第１基材２３よりも弾性変形量が小さくなるように構成されている。すなわち、第１基材２３及び第２基材２４は、同じ荷重Ｆに対して弾性変形量が異なるように構成されている。

以上のように構成された本実施形態の静電容量センサ２によれば、荷重Ｆが作用した場合、第１基材２３及び第２基材２４が弾性変形することにより、上下の第１電極２１，２１間の静電容量Ｃ１（以下「第１静電容量Ｃ１」という）と、上下の第２電極２２，２２間の静電容量（以下「第２静電容量Ｃ２」という）が図１１に示すように変化する。

すなわち、第１静電容量Ｃ１は、荷重Ｆが値０と所定荷重Ｆ５の間の領域では、荷重Ｆが上昇するのに伴って急激に上昇するとともに、Ｆ５≦Ｆの領域では、ほとんど変化しなくなる。これは、所定荷重Ｆ５が静電容量センサ２に作用した際、第１基材２３が限界変形状態になるのに伴い、Ｆ５≦Ｆの領域では、第１基材２３がほとんど変化しなくなることによる。

一方、第２静電容量Ｃ２は、０≦Ｆ＜Ｆ５の領域では、荷重Ｆが上昇するのに伴い、第１静電容量Ｃ１の曲線よりも緩やかに上昇するとともに、Ｆ５≦Ｆ≦Ｆ６の領域では、０≦Ｆ≦Ｆ５の領域より大きい勾配で変化する。この所定荷重Ｆ６は、所定荷重Ｆ５よりも大きい荷重Ｆの所定値である。また、図示しないが、第２静電容量Ｃ２は、Ｆ６＜Ｆの領域ではほとんど変化しない状態となる。

以上のように、本実施形態の静電容量センサ２によれば、第１静電容量Ｃ１及び第２静電容量Ｃ２の値に基づいて、荷重Ｆを０≦Ｆ≦Ｆ６の領域において検出することができ、荷重Ｆの検出可能領域を拡大することができる。また、第１基材２３及び第２基材２４における形状及び材質を変更することによって、同一の力（荷重Ｆ）が作用したときの第１静電容量Ｃ１及び第２静電容量Ｃ２の変化状態及び変化領域を自在に設定することができる。同じ理由により、一対の第１電極２１，２１及び一対の第２電極２２，２２の配置の自由度を向上させることができる。その結果、静電容量センサ２の設計の自由度を向上させることができる。

さらに、静電容量センサ２の場合、下第１電極２１及び上第２電極２２が、同一の中電極基板２０に設けられていることにより、下第１電極２１及び上第２電極２２を別々の電極基板に設けた場合と比べて、製造コストを削減することができる。

なお、第２実施形態の静電容量センサ２は、２層構造の検出部（上下一対の第１電極２１，２１及び第１基材２３、上下一対の第２電極２２，２２及び第２基材２４）によって２つの静電容量Ｃ１，Ｃ２を検出するように構成した例であるが、１層以上の検出部（他の一対の電極と他の基材）を追加することによって、３つ以上の静電容量を検出できるように構成してもよい。

また、第２実施形態の静電容量センサ２に代えて、本発明の静電容量センサを図１２に示す静電容量センサ２Ａのように構成してもよい。なお、この静電容量センサ２Ａの場合、図１０と図１２を比較すると明らかなように、第２基材２４に代えて２つの第２基材２４Ａ，２４Ａを備えている点のみが異なっているので、以下、これらの第２基材２４Ａ，２４Ａを中心に説明する。

図１２に示すように、静電容量センサ２Ａの第２基材２４Ａ，２４Ａは、基材１２と同一の材質で構成され、平面視矩形（図示せず）の四角柱状に形成されている。第２基材２４Ａ，２４Ａは、両者の間に小さい間隔を存する状態で配置されており、この間隔の分、第２基材２４よりも平面積が小さくなるように構成されている。

以上のように構成された静電容量センサ２Ａによれば、荷重が作用した際、第２基材２４Ａ，２４Ａは、前述した第２基材２４とほぼ同様に弾性変形する。それにより、静電容量センサ２Ａにおける荷重Ｆと第２静電容量Ｃ２の関係は、前述した図１１の特性曲線と同様の傾向になる。すなわち、この静電容量センサ２Ａにおいても、第２実施形態の静電容量センサ２と同様の作用効果を得ることができる。

さらに、第２実施形態の静電容量センサ２に代えて、本発明の静電容量センサを図１３に示す静電容量センサ２Ｂのように構成してもよい。なお、この静電容量センサ２Ｂの場合、図１０と図１３を比較すると明らかなように、第１基材２３に代えて、第１基材２３Ｂを備えている点のみが異なっているので、以下、この第１基材２３Ｂを中心に説明する。

この静電容量センサ２Ｂの場合、第１基材２３Ｂは、基材１２と同一の材質で構成され、前述した基材１２Ｂの上基材層部１２Ｂａと同様に、四角錐台の上下を逆にした形状を有している。

以上のように構成された静電容量センサ２Ｂによれば、荷重が作用した際、第１基材２３Ｂは、前述した第１基材２３とほぼ同じ傾向で弾性変形する。それにより、静電容量センサ２Ｂにおける荷重Ｆと第１静電容量Ｃ１の関係は、前述した図１１の特性曲線と同様の傾向になる。すなわち、この静電容量センサ２Ｂにおいても、第２実施形態の静電容量センサ２と同様の作用効果を得ることができる。

１ 静電容量センサ
１０ 電極基板
１１ 上電極（第１電極及び第２電極の一方）
１１ 下電極（第１電極及び第２電極の他方）
１２ 基材
１２ａ 上基材層部（複数の基材層の１つ）
１２ｂ 下基材層部（複数の基材層の他の１つ）
Ｃ 静電容量
２ 静電容量センサ
２０ 上電極基板（他の電極基板）
２０ 中電極基板（共通電極基板）
２０ 下電極基板（他の電極基板）
２１ 第１電極
２２ 第２電極
２３ 第１基材
２４ 第２基材

Claims (4)

1. 第１電極と、
   当該第１電極に対向するように配置され、当該第１電極との間の静電容量を検出するための第２電極と、
   誘電性及び弾性を有し、前記第１電極及び前記第２電極に接する状態で前記第１電極及び前記第２電極の間に配置された基材と、
   を備え、
   当該基材は、前記第１電極及び前記第２電極の対向方向に並ぶように設けられた複数の基材層を有しており、
   当該複数の基材層は、同一の力が作用したときの弾性変形量が互いに異なるように構成されていることを特徴とする静電容量センサ。
2. 請求項１に記載の静電容量センサにおいて、
   前記第１電極及び前記第２電極の各々は、誘電性及び弾性を有する電極基板に設けられていることを特徴とする静電容量センサ。
3. 互いに対向する一対の第１電極と、
   互いに対向する一対の第２電極と、
   誘電性及び弾性を有し、前記一対の第１電極に接する状態で前記一対の第１電極の間に配置された第１基材と、
   誘電性及び弾性を有し、前記一対の第２電極に接する状態で前記一対の第２電極の間に配置された第２基材と、
   誘電性及び弾性を有し、前記一対の第１電極の一方及び前記一対の第２電極の一方が設けられた共通電極基板と、
   を備え、
   前記第１基材及び前記第２基材は、同一の力が作用したときの弾性変形量が互いに異なるように構成されていることを特徴とする静電容量センサ。
4. 請求項３に記載の静電容量センサにおいて、
   前記一対の第１電極の他方及び前記第２電極の他方の各々は、誘電性及び弾性を有する他の電極基板に設けられていることを特徴とする静電容量センサ。

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