JP3236098B2

JP3236098B2 - 圧力センサ

Info

Publication number: JP3236098B2
Application number: JP34956692A
Authority: JP
Inventors: 拓也今橋; 日出夫安達; 好紀太田
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 2001-12-04
Anticipated expiration: 2016-12-04
Also published as: JPH06201502A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば内視鏡等に用い
られるセンサに係り、特に対象物に接することにより該
対象物から受ける力の大きさと方向を検出するための圧
覚センサ（以下、圧力センサと称す）に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、内視鏡は体内を観察するための器
具としての機能よりも、観察を行いながら観察対象を操
作するといった機能を重視するようになってきている。
これは、胆嚢摘出手術に硬性鏡が使用されたりする情勢
より容易に推測でき、内視鏡を用いた手術や診断は今後
ますます拡大するものと予想される。このように、対象
物を複雑に操作可能な内視鏡は一般には多機能内視鏡と
呼ばれ、多機能内視鏡の機能の１つには内視鏡挿入時の
患者への苦痛を和らげるための機能がある。

【０００３】この機能を発揮する構造として、内視鏡壁
面に圧力センサを配置することが考えられる。一般には
数多くの種類があるが、多機能内視鏡壁面に配置する圧
力センサとしては多機能内視鏡壁面の面積、多機能内視
鏡の体積の制限から使用可能な圧力センサは限られてく
る。

【０００４】一方、内視鏡のように光を使用する装置に
おいては、当該光を利用することにより省線化が可能で
あると考えられている。そして、この光を使用する圧力
センサとしては、例えば図２２に示すような構成の特開
昭６０−１２０２２９号公報により開示された技術があ
る。さらに、内視鏡に実際に挿着した圧力センサの従来
技術としては、感圧導電ゴムを用いた図２３に示すよう
な構成の特開平２−７７２２６号公報により開示された
技術がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２２
に示すように、光を利用する圧力センサは、光導波路７
２と感圧体となるシート７３の光導波路７２と接する部
分に設けた突起７３ａの接触面積の変化を光導波路７２
からの散乱光として捉え、これにより圧力をセンシング
するため、光導波路７２と感圧シート７３の各突起７３
ａの接触状態の均一化やフォトトランジスタアレイ７４
などの受光素子が必要なため小型化が非常に難しくな
る。

【０００６】また、図２３に示すように、感圧導電ゴム
７５を用いた圧力センサ７６を内視鏡７７に実装した技
術では、導電ゴムが粘弾性体のためヒステリシスが大き
く繰り返し、再現性に乏しいといわれている。本発明は
上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とするとこ
ろは、圧力の大きさだけでなく方向も測定可能とた圧力
センサを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の静電容量型圧力センサでは、所定の位置に
固定された第１の電極（固定電極）と、前記第１の電極
と反対側に凸のドーム状受圧部に含まれると共に、前記
第１の電極と所定の距離を隔てて対向するように配置さ
れ、かつ柔軟性を有する第２の電極（柔軟電極）とを具
備し、前記第１及び第２の電極のうち、少なくともいず
れか一方の電極は、他方の電極と対向する電極部分が複
数に分割されており、前記受圧部が前記第１及び第２の
両電極間の距離方向に変形可能に保持され、前記受圧部
に圧力が加わることによって生じる前記両電極間の静電
容量変動を利用して圧力及び圧力の方向を検出すること
を特徴とする。

【０００８】

【作用】即ち、本発明の静電容量型圧力センサでは、第
１の電極（固定電極）は、所定の位置に固定されてい
る。第２の電極（柔軟電極）は、前記第１の電極と反対
側に凸のドーム状受圧部に含まれると共に、前記第１の
電極と所定の距離を隔てて対向するように配置され、か
つ柔軟性を有している。そして、前記第１及び第２の電
極のうち、少なくともいずれか一方の電極は、他方の電
極と対向する電極部分が複数に分割されている。前記受
圧部は、前記第１及び第２の両電極間の距離方向に変形
可能に保持され、前記受圧部に圧力が加わることによっ
て生じる前記両電極間の静電容量変動が利用されて圧力
及び圧力の方向が検出される。

【０００９】

【実施例】先ず、本発明の実施例の説明に先立ち、本発
明の基本原理について説明する。図２（ａ）乃至（ｃ）
は、本発明の圧力センサの基本原理を示す図である。

【００１０】同図（ａ）乃至（ｃ）に示すように、圧力
センサの圧力受圧部の構成は、圧力に対して撓む程度の
硬さを持つ柔軟性のある導電体の柔軟電極１と、少なく
とも２個以上に等しい面積に分割された固定電極２，３
とからなり、当該固定電極２，３と柔軟電極１とを順次
積層した構成となっている。

【００１１】図２（ａ）において、柔軟電極１は導電材
料からなる柔軟な材料であり、上記固定電極２，３に
は、それぞれ独立した出力端子４，５が設けられてお
り、柔軟電極１にも同様に出力端子６が設けられてい
る。そして、上記柔軟電極１と固定電極２，３とでコン
デンサを構成しており、柔軟電極１の出力端子６と固定
電極２，３の出力端子４，５とに電圧を印加すると、該
柔軟電極１と固定電極２，３との間には、その距離に応
じた静電容量Ｃを発生し、静電容量Ｃは次式（１）のよ
うに与えられる。Ｃ＝εＳ／ｄ …（１）ここで、εは電極間の物質の比誘電率、Ｓはコンデンサ
の面積、ｄは電極間の距離である。

【００１２】即ち、距離ｄが変化すると静電容量Ｃが変
化し、この静電容量変化を検出することにより柔軟電極
１と固定電極２，３間の距離が測定できる。そして、圧
力に対する柔軟電極１の変化量、即ち歪みはフックの法
則により柔軟電極１の材料のヤング率（弾性係数）に主
に依存する。よって、柔軟電極１に使用する材料のヤン
グ率を予め正確に測定しておけば、出力端子４，５，６
から測定される静電容量変化で柔軟電極１に加わる圧力
の測定が可能となる。また、固定電極２，３を分割する
ことにより、圧力が加わった方向の検出も可能となる。

【００１３】例えば、図２（ｂ）のように、柔軟電極１
に対して圧力が垂直に加えられたとき、固定電極２，３
の静電容量Ｃ１，Ｃ２は柔軟電極１と固定電極２，３の
間の平均距離ｄ１が同じ為、上記（１）式より等しくな
る。

【００１４】一方、図２（ｃ）のように、圧力が柔軟電
極１に対してある傾きを持って加えられたとき、固定電
極２と柔軟電極１の距離ｄ２、固定電極と柔軟電極１の
距離ｄ３の両者が異なり、出力端子４，５から出力され
る静電容量Ｃ２，Ｃ３は異なる。そして、静電容量Ｃは
距離ｄが小さくなると大きくなり、距離ｄが大きくなる
と静電容量Ｃは小さくなる。

【００１５】よって、図２（ｃ）のように、圧力が加え
られた時には静電容量Ｃ３の方がＣ２より大きくなり、
このように静電容量を比較することにより、固定電極３
の方向から圧力が加えられたことが判断できる。また、
圧力の大きさは静電容量Ｃ２とＣ３の和より求めること
ができる。即ち、固定電極を分割することにより、分割
された固定電極間の静電容量の大きさを比較することで
圧力の加えられた方向が検知でき、固定電極全体の静電
容量を測定することで圧力の大きさが測定できる。次
に、図３は、このような原理により検出される静電容量
を基にして圧力の方向と大きさを検出する回路の構成を
示す図である。

【００１６】同図において、出力端子４，５より出力さ
れる静電容量Ｃは静電容量検出回路７ａ，７ｂにより電
圧として検出され、さらに、コンデンサの特徴である高
インピーダンスを変換するインピーダンス変換回路８
ａ，８ｂに接続される。そして、ここでの出力を基に固
定電極２，３で構成されるコンデンサの静電容量の差と
和を判断回路９を用いて求め、圧力の方向及び大きさを
求める。ここで、図３に示した固定電極２，３から出力
される静電容量を検出する静電容量検出回路７ａ，７ｂ
の基本構成は図４に示す通りである。

【００１７】同図に示すように、基本構成として交流電
源１１と、上記固定電極２と柔軟電極１若しくは上記固
定電極３と柔軟電極１で構成されるセンシングキャパシ
タＣ_Ｓ１２と、当該センシングキャパシタＣ_Ｓ１２
の静電容量を電圧に変換するためのロードキャパシタＣ
_Ｌ１３とで構成されている。このような構成の回路に
おいて、上記センシングキャパシタＣ_Ｓ１２は出力端
子１４より電圧Ｖ_Ｌとして出力される。尚、ロードキャ
パシタＣ_Ｌ１３を用いる代りに、図５に示すようにロ
ードレジスタンスＲ_Ｌ１５を用いることも可能であ
る。

【００１８】この静電容量検出回路７ａ，７ｂからの出
力電圧Ｖ_Lは、インピーダンスが高く非常に扱いにくい
為、インピーダンス変換を行う必要がある。そこで、図
６に示す基本構成のインピーダンス変換回路を用いてイ
ンピーダンス変換を行う。

【００１９】図６において、１２はセンシングキャパシ
タＣ_S、１３はロードキャパシタＣ_L、１６はＭＯＳト
ランジスタ、１７は接地用の抵抗、１８は出力電圧
Ｖ_L′の出力端子を示し、トランジスタ１６のゲート電
極は図４、図５における出力端子１４に相当する。更
に、この図６におけるロードキャパシタＣ_L１３を図５
に示したようにロードレジスタンスＲ_L１５とすること
も可能である。

【００２０】そして、この回路より出力された電圧
Ｖ_Ｌ’は、他の固定電極と柔軟電極で構成されるコンデ
ンサからの出力電圧Ｖ _Ｌ ’’と出力電圧の比較及び加算
を行う為、図７（ａ），（ｂ）に示すような差動オペア
ンプ１９と加算オペアンプ７０とに入力され、該オペア
ンプ１９，７０の出力を基にして圧力の方向と大きさを
求める。以下、図面を参照して、このような基本原理に
基づく本発明の実施例に係る圧力センサについて説明す
る。図１は本発明の第１の実施例に係る圧力センサを層
状に分解したときの外観図であり、図８は図１の各部を
積層したときの断面図である。

【００２１】同図に示すように、第１の実施例に係る圧
力センサは、基本的にドーム状電極２０と絶縁膜２１
と、分割されギャップ２３により絶縁されて電気的に独
立した固定電極２４乃至２７と、該固定電極２４乃至２
７の配置された基板２８と、ドーム状電極２０、固定電
極２４乃至２７で構成されるコンデンサの静電容量変化
を検出するための基準静電容量用電極として基板２９に
設けた下部固定電極３０乃至３３と、基板２８との間に
積層される誘電体３４とで構成されている。

【００２２】このような構成において、上記ドーム状電
極２０は、例えばウレタンゴム等の材料にカーボンブラ
ック、金属粉末、金属繊維等を混入したヒステリシスが
少なく導電性のある柔軟体で、上記固定電極２４乃至２
７の配置された基板２８の上部に電気的な絶縁膜２１を
介して絶縁膜２１と平行な部位２０ａの部分を接着して
ある。また、上記絶縁膜２１を固定電極２４乃至２７の
上部２１ａにも設けることにより、過大な圧力が加えら
れドーム状電極２０が大きく変形しても固定電極２４乃
至２７との電気的なショートを防ぐことができ、更に絶
縁膜２１とドーム状電極２０が接触しているため過大な
圧力に対するストッパとしても働く。

【００２３】さらに、上記基板２８の下部には固定電極
２４乃至２７と基準用コンデンサを構成するための構造
が存在し、固定電極２４乃至２７と対向する位置に下部
固定電極３０乃至３３を配置する。そして、上記コンデ
ンサはドーム状電極２０と固定電極２４乃至２７で構成
される。コンデンサの静電容量変化を検出するための基
準用のコンデンサとして用いるため、静電容量変化が無
いようにする必要がある。そこで、前記理由により、上
記固定電極２４乃至２７と下部固定電極３０乃至３３の
間３４には電極間の距離変化による静電容量変化を抑え
る構造で温度による電極間の静電容量変化も最小となる
ような物質を充填してある。

【００２４】尚、上記物質は液体であれば、紙などに吸
収させて充填することが考えられ、固体や気体であれば
そのまま充填してもよい。さらに、紙や固体を充填する
ことにより距離変化がなくなり、気体の時には高圧にし
て充填することにより距離変化を抑えることが可能とな
る。

【００２５】そして、上記ドーム状電極２０と下部固定
電極３０乃至３３のそれぞれの端子３５，４０，４１，
４２，４３には外部の交流電源より交流電圧が印加さ
れ、ドーム状電極２０と上記固定電極２４乃至２７で構
成されるコンデンサの静電容量変化は、上記固定電極２
４乃至２７の各々に接続された出力端子３６乃至３９よ
り検出が可能となる。次に、図９は、先に図２に示した
上記固定電極２４乃至２７からの出力端子と先に図３に
示した判断回路９の一例の構成を示す図である。

【００２６】同図において、固定電極２４乃至２７から
の出力された静電容量は静電容量検出回路、インピーダ
ンス変換回路で構成される回路４５ａ乃至４５ｄで電圧
に変換される。この回路４５ａ乃至４５ｄからの各固定
電極からの出力は、同期して駆動するスイッチ４６乃至
４９に接続される。さらに、上記スイッチ４６乃至４９
により回路４５ａ乃至４５ｄからの出力を差動回路５４
と加算回路５５に振り分けることが可能となる。また、
スイッチ４７，４９で端子１に接続した場合、この端子
はスイッチ５０，５１に接続される。このスイッチ５
０，５１は同期して駆動し、当該スイッチ５０，５１を
駆動することにより差動回路５４において比較すべき固
定電極からの出力電圧を振り分ける。よって、差動出力
端子５２からは差動出力が出力され、加算出力端子５３
からは加算出力が出力される。これにより、固定電極に
発生する静電容量の差と和を検出することが可能とな
り、圧力センサに加えられた圧力の方向と大きさの測定
が可能となる。

【００２７】ここで、上記固定電極２４乃至２７からの
出力電圧を、それぞれＶ₁，Ｖ₂，Ｖ₃，Ｖ₄とし、各
出力電圧から圧力の加わっている方向と大きさを求め
る。

【００２８】まず、スイッチ４６乃至４９の端子を全て
“１”にし、スイッチ５０，５１のスイッチを動かすこ
とによりＶ₁とＶ₂の和とＶ₃とＶ₄の和の差Ｖ₁₂₃₄と
Ｖ₁とＶ₄の和とＶ₂とＶ₃の和の差Ｖ₁₄₂₃が計算さ
れ、各差の値より圧力の加えられた方向が求められる。
また、スイッチ４６乃至４９の端子を“２”にすること
によりＶ₁，Ｖ₂，Ｖ₃，Ｖ₄が加算回路に接続され、
加算出力５３より固定電極２４乃至２７の出力静電容量
の総和が出力される。

【００２９】図１０は、静電容量分布の一例の模式図で
あり、同図の状態において圧力の方向と大きさを求める
と、差動出力から出力される電圧はＶ_１２３４において
は正の電圧が出力され加えられた圧力の方向がＸ軸の負
の方向からであることが分かる。また、Ｖ_１４２３にお
いては正と出力されるため、Ｙ軸の正の方向から圧力が
加えられていることが分かる。さらに、両者の比をとる
ことにより方向だけではなく角度も測定することが出来
る。次に、図１１（ａ），（ｂ）は、それぞれ圧力が垂
直方向から加えられたときのセンサの断面図と、そのと
きの電荷の分布を模式的に示した上面図である。いま、
本発明の圧力センサに対象物が触れるなどして圧力が加
わった場合、圧力はドーム状電極２０を変形させる。

【００３０】このとき、図１１（ａ）に示すように、圧
力センサに対して垂直方向に圧力が加わるとドーム状電
極２０は変形し、この時の固定電極２４乃至２７におけ
る静電容量分布は模式的に図１１（ｂ）に示すようにな
る。この時の固定電極２４乃至２７の静電容量変化は先
に図９に示した回路により検出する。この時、検出され
る静電容量は出力端子３６乃至３９において等しくな
り、圧力センサに加わった圧力がセンサに対して垂直方
向からの圧力であることが判定できる。また、出力端子
３６乃至３９から検出される静電容量の総和は加えられ
た圧力の大きさに比例して大きくなるため、静電容量の
総和が加えられた圧力に相当する。

【００３１】図１２乃至１４は、圧力センサに加わる圧
力が該圧力センサに対して斜め方向から加えられたとき
のドーム状電極２０の変形状態と固定電極２４乃至２７
における静電容量分布を模式的に示す図である。即ち、
図１２（ａ），（ｂ）は、それぞれ圧力が右方向から加
えられたときのセンサの断面図及び固定電極の上面図と
そのときの電荷の分布を模式的に描いた上面図であり、
図１３（ａ），（ｂ）は圧力が左方向から加えられたと
きのセンサの断面図及び固定電極の上面図とそのときの
電荷の分布を模式的の描いた上面図であり、図１４
（ａ），（ｂ）は図１２に示した圧力の方向よりさらに
右方向に傾いた圧力が加えられときのセンサの断面図及
び固定電極とそのときの電荷の分布を模式的に描いた上
面図である。このとき、上述のように各固定電極からの
出力端子３６乃至３９からの静電容量を検出し、その各
々を差動回路５４で比較することにより圧力の加わって
いる方向が検出可能である。つまり、図１２においては
出力端子３８，３９の静電容量が出力端子３６，３７の
静電容量よりも大きく、圧力がＸ軸方向負に向かった圧
力方向を持ち、その大きさは加算回路５５で検出した静
電容量変化の総和、出力端子３６乃至３９の出力静電容
量の総和に相当する。

【００３２】そして、図１３においては、出力端子３
６，３７の静電容量が出力端子３８，３９の静電容量よ
りも大きい為、圧力の方向がＸ軸方向正に向かった方向
となる。さらに、図１４においては、出力端子３８，３
９の静電容量が出力端子３６，３７の静電容量よりも大
きく、且つ、図１２のときの出力端子３８，３９からの
出力静電容量に比較しても図１４の方が大きい。そし
て、出力端子３６，３７に関してはこの逆である。即
ち、圧力の傾きが固定電極間の出力静電容量の差となり
現れる。ここで、ドーム状電極２０の受圧面２０ｂをド
ーム状、即ち半球状にすることにより、広い範囲の方向
の力を検出することが可能となると共に、接触面積をあ
らゆる方向において一定に保つことが可能となるため、
接触の仕方により測定される圧力のバラツキが小さくな
る。

【００３３】以上のように、第１の実施例の圧力サンサ
は、圧力の大きさだけでなく方向の測定も可能であり、
特に、多機能内視鏡の壁面に取り付けることにより臓器
の凹凸により圧力測定に影響を受けることなく、圧力の
方向と大きさの測定が可能となり、操作者に圧力のデー
タを出力することにより、操作性が向上し、患者に苦痛
を与えることなく内視鏡の挿入が可能となる。

【００３４】次に、図１５を参照して、第２の実施例に
係る圧力センサについて説明する。同図に示すように、
第２の実施例の圧力センサは、前述した第１実施例の圧
力センサにおいて内部を空洞とした構成となっている。
このため、周囲の温度が下がると空洞内の気体が収縮
し、ドーム状電極２０が半径方向に縮まるため、圧力が
加わらなくても圧力センサは圧力を検出してしまう可能
性がある。そこで、図１５に示すようにドーム状電極２
０の一部に空気穴５７を設けて、外部の空気と同じ気圧
がドーム状電極２０の空洞部分２２にかかるようにして
いる。従って、本実施例の圧力センサによれば、温度変
化による圧力変化の影響を取り除くことが出来る。次
に、図１６を参照して、前述した温度変化による圧力変
化の影響を取り除くための第３実施例に係る圧力センサ
について説明する。

【００３５】同図に示すように、第３の実施例に係る圧
力センサは、その基本構成は第１実施例とほぼ同じであ
るが、ドーム状電極２０の空洞部分２２に液体５８を封
入したことを特徴とする。封入液体５８は熱電導率が低
く誘電率の高い材料を使用する。これにより、本実施例
の圧力センサでは、周囲の温度が変化してもドーム状電
極９と固定電極２４乃至２７間の距離変化は殆ど発生せ
ず、温度変化による圧力への影響は非常に小さくなる。
また、熱膨張係数の低い気体を封入しても同様の効果が
得られる。

【００３６】また、固定電極２４乃至２７は４分割する
ことにより圧力の方向が高精度に検出できるが、圧力の
方向を余り高精度を必要としない場合は４分割する必要
はなく、他の分割数でも良く、１方向のみの分解能でよ
い場合には、２分割で方向の測定が可能である。

【００３７】図１７は、先に図３，４に示した静電容量
検出回路からの出力電圧をその電圧値に応じた発振周波
数に変換する回路の構成を示す図である。ここでは、一
般的なハートレー回路を採用するが、上記のような差動
を行う回路なら他の回路でもよい。このハートレー回路
はトランジスタ５９、コイル６０、アンテナ６１とで構
成されており、トランジスタ５９のベースに図３、図４
における出力端子１４を入力する。この回路は２つのコ
ンデンサＣ_S１２、Ｃ_L１３の静電容量によりトランジ
スタ５９とコイル６０で構成される閉回路に共振が生じ
る。上記閉回路にアンテナ６１を接続することにより、
電波が発振され、電波を用いた出力電圧の伝達が可能と
なり、内視鏡の配線数を非常に少なくすることが可能と
なる。

【００３８】また、図１７に示す回路からの電波は、セ
ンシングキャパシタＣ_S１２の変化を周波数変化として
伝達するため、各固定電極２４乃至２７からの出力は周
波数を比較することにより圧力の測定が可能となり、ま
た、周波数を伝達するため高いＳ／Ｎ比が得られる。次
に、図１８乃至図２１を参照して、本発明の圧力センサ
を実際に内視鏡６２に実装した例について説明する。

【００３９】図１８に示すように、円周方向に本発明の
圧力センサを配置し、これを軸方向にある間隔で配置す
ることにより内視鏡６２に加わる圧力が内視鏡６２の軸
方向に沿ったデータとして検出可能となる。

【００４０】さらに、図１９（ａ），（ｂ）に示すよう
に、本発明の圧力センサを、内視鏡６２の外径とほぼ同
じで内視鏡よりも硬い材料のリング６３上に配置し、当
該リング６３を図１９（ｂ）に示すように内視鏡６２に
はめ込むことにより、内視鏡６２が屈曲してもリング６
３部分では屈曲が起こらず、屈曲による圧力センサへの
影響を低減することが可能となる共に、図１８に示した
実装例と同様の効果が得られる。

【００４１】この他、図２０（ａ）に示すような内視鏡
の外壁より硬い材料の構造物６４を用い、両端のリング
６５，６６の間に図２０（ｂ）に示すように本発明の圧
力センサを配置することもできる。そして、上記モジュ
ール６７を図２０（ｃ）に示すように内視鏡６２にはめ
込み、該内視鏡６２が屈曲すると、この両端のリング６
５，６６で屈曲による内視鏡外壁に発生する力を取り除
くことができ、リング６５，６６の間の本圧力センサは
内視鏡が屈曲しても正確に圧力を検出することが可能と
なる。

【００４２】尚、この図１８、図１９（ａ），（ｂ）、
図２０（ａ）乃至（ｃ）に示した圧力センサの配置の他
に、円周方向に３等分するような間隔で配置する方法
や、その他の等分割数も考えられ、この数は内視鏡操作
者が希望する圧力の内視鏡外壁における分解能に応じて
決定する。また、圧力センサを内視鏡壁面に螺旋状に配
置することも有効であるとも考えられる。

【００４３】

【００４４】さらに、多機能内視鏡等の筒状物の外周に
本圧力センサを設け、これらが対象物と接触したとき圧
力の方向と大きさを検出することが可能となり、一方、
本圧力センサが小型のため圧力の測定による内視鏡の径
の増加にはつながらない。

【００４５】また、圧力検出回路にコンデンサを用いて
いるため、電力消費量が少なくなり、熱による圧力デー
タへの影響を取り除くことが可能となり、且つ、空洞部
分の熱膨張を防ぐための機構を設けることにより、更に
は熱に対する影響を軽減することができる。尚、本発明
は、前述した実施例に限定されるものではなく、円筒状
構造物に加えられる圧力の検出など広く適用が可能であ
る。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、圧力の大きさだけ
でなく方向も測定可能とした圧力センサを提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る圧力センサの感圧
部の層状分解斜視図である。

【図２】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の圧力センサの基本
原理を示す図である。

【図３】本発明の圧力センサにおいて圧力の方向と大き
さを検出する回路のブロック線図である。

【図４】図３に示した固定電極２，３から出力される静
電容量を検出する静電容量検出回路７ａ，７ｂの基本構
成を示す図である。

【図５】図４に示す静電容量検出回路７ａ，７ｂの改良
例の構成を示す図である。

【図６】インピーダンス変換回路の構成を示す図であ
る。

【図７】（ａ），（ｂ）は、それぞれ差動オペアンプ１
９、加算オペアンプ７０の構成を示す図である。

【図８】本発明の第１実施例に係る圧力センサの各部を
積層したときの断面図である。

【図９】図２に示した上記固定電極２４乃至２７からの
出力端子と図３に示した判断回路９の一例の構成を示す
図である。

【図１０】固定電極上の静電容量分布の一例を示す図で
ある。

【図１１】（ａ）圧力が垂直方向から加えられたときの
センサの断面図であり、（ｂ）は固定電極の上面図とそ
のときの電荷の分布を模式的に示した上面図である。

【図１２】（ａ）は圧力が右方向から加えられたときの
センサの断面図であり、（ｂ）は固定電極の上面図とそ
のときの電荷の分布とを模式的に示した図である。

【図１３】（ａ）は圧力が左方向から加えられたときの
センサの断面図であり、（ｂ）は固定電極の上面図とそ
のときの電荷の分布とを模式的に示した図である。

【図１４】（ａ）は圧力が図１２に示した圧力の方向よ
りさらに右方向から加えられたときのセンサの断面図で
あり、（ｂ）は固定電極の上面図とそのときの電荷の分
布とを模式的に示した図である。

【図１５】第２実施例に係る圧力センサの断面図であ
る。

【図１６】温度変化による圧力変化の影響を取り除くた
めの第３実施例に係る圧力センサの断面図である。

【図１７】図３，４に示した静電容量検出回路からの出
力電圧をその電圧値に応じた発振周波数に変換する回路
の構成を示す図である。

【図１８】本発明の圧力センサを内視鏡に実装した例を
示す図である。

【図１９】（ａ）は本発明の圧力センサのリング状アレ
イの斜視図、（ｂ）は当該リング状アレイを内視鏡に実
装した例を示す図である。

【図２０】（ａ）は屈曲リングの斜視図、（ｂ）は当該
屈曲リングに本発明の圧力センサに装着した図、（ｃ）
はリングを用いて本発明の圧力センサを実装した斜視図
である。

【図２２】従来の圧力センサの構成を示す図である。

【図２３】感圧導電ゴムを用いた圧力センサを内視鏡に
実装した従来技術について説明するための図である。

【符号の説明】

１…柔軟電極、２，３…固定電極、４，５…固定電極出
力端子、６…柔軟電極出力端子、７…静電容量検出回
路、８…インピーダンス変換回路、９…判断回路、１０
…感圧部、１１…交流電源、１２…センシングキャパシ
タ、１３…ロードキャパシタ、１４…出力電圧、１５…
ロードレジスタ、１６…ＭＯＳトランジスタ、１７…抵
抗、１８…インピーダンス変換後出力電圧、１９…差動
オペアンプ、２０…ドーム状電極、２１…絶縁膜、２２
…空洞部分、２３…固定電極間ギャップ、２４〜２７…
固定電極、２８…固定電極用基板、２９…下部固定電極
用基板、３０〜３３…下部固定電極、３４…基準用コン
デンサ誘電物質、３５…ドーム状電極出力端子、３６〜
３９…固定電極出力端子、４０〜４３…下部固定電極出
力端子、４４…下部固定電極間ギャップ、４５…回路、
４６〜５１…スイッチ、５２…差動回路出力端子、５３
…加算回路出力端子、５４…差動回路、５５…加算回
路、５６…内視鏡外壁、５７…空気孔、５８…液体、５
９…トランジスタ、６０…コイル、６１…アンテナ、６
２…内視鏡、６３…リング、６４〜６６…リング、６７
…圧力センサモジュール、６８…平板状柔軟電極、６９
…スペーサ、７０…加算オペアンプ、７１…平板、７２
…光導波管、７３…シート、７４…フォトトランジスタ
アレイ、７５…感圧導電ゴム、７６…圧力センサ、７７
…内視鏡。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−171334（ＪＰ，Ａ) 特開平３−24430（ＪＰ，Ａ) 特開平４−337431（ＪＰ，Ａ) 特開平１−92632（ＪＰ，Ａ) 特開平４−198827（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−23734（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4719538（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 5/16 G01L 1/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の位置に固定された第１の電極と、前記第１の電極と反対側に凸のドーム状受圧部に含まれ
ると共に、前記第１の電極と所定の距離を隔てて対向す
るように配置され、かつ柔軟性を有する第２の電極とを
具備し、前記第１及び第２の電極のうち、少なくともいずれか一
方の電極は、他方の電極と対向する電極部分が複数に分
割されており、前記受圧部が前記第１及び第２の両電極間の距離方向に
変形可能に保持され、前記受圧部に圧力が加わることに
よって生じる前記両電極間の静電容量変動を利用して圧
力及び圧力の方向を検出することを特徴とする静電容量
型圧力センサ。
【請求項２】前記第２の電極は、柔軟性を有する導電
材料によりなる部分を有することを特徴とする請求項１
に記載の静電容量型圧力センサ。
【請求項３】前記分割された電極は、他方の電極と対
向する電極部分を等分するように複数の電極に分割され
ていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧
力センサ。
【請求項４】上記分割された電極と対向する他方の電
極との間の静電容量を比較することによって圧力の加え
られた方向を検知することを特徴とする請求項１乃至３
のいずれかに記載の静電容量型圧力センサ。