JP3242204B2 - 力検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は力検出装置、特に、作用
した力を静電容量の変化を利用して検出する力検出装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】作用した力を電気信号として検出する力
検出装置は、産業機械をはじめとする種々の機械で利用
されている。特に、近年では、作用した力を多次元方向
成分ごとに検出することができる装置の需要が高まって
きている。このように、多次元方向成分についての力検
出を行うことができ、しかも構造が比較的単純な力検出
装置として、静電容量素子を用いた装置が提案されてい
る。

【０００３】たとえば、特開平４−１４８８３３号公報
には、２枚の基板を向かい合わせて配置し、各基板の対
向面に複数の電極を配置することにより複数組の静電容
量素子を形成した力検出装置が開示されている。一方の
基板は、検出対象となる力の作用により撓みを生じるよ
うな構造となっている。力の作用によってこの基板に撓
みが生じると、各静電容量素子の静電容量が、作用した
力の方向に基づいて変化することになる。そこで、これ
らの静電容量素子の静電容量の変化を利用して、ＸＹＺ
三次元座標系において作用した力を各座標軸方向成分ご
とに検出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した静電容量素子
を利用した力検出装置において、検出精度を左右する重
要な要素は、静電容量素子を形成する一対の電極の距離
と平行度である。電極間距離は、静電容量を直接的に変
化させる重要な要素であるため、この電極間距離に製品
ごとのばらつきが生じていると、製品ごとの感度にばら
つきが生じてしまうことになり、精度良い検出値を得る
ことができなくなる。また、電極対の平行度が失われる
と、一方向成分の検出値へ他軸方向成分の干渉が生じる
という弊害が生じる。

【０００５】このような理由から、精度良い検出装置を
実現するためには、製品ごとにばらつきのない一定の電
極間距離を確保し、しかも両電極の平行度を保つ必要が
ある。ところが、電極間距離の精度や平行度を向上させ
るためには、厳しい機械的加工精度が要求される。この
ため、製造コストが高騰してしまう結果になる。

【０００６】最近では、この種の力検出装置の需要は、
産業機械だけにとどまらず、コンピュータ関連機器の入
力装置としての需要も高まってきている。たとえば、家
庭向けの遊戯用コンピュータでは、ゲームソフトウエア
に用いるためのいわゆる「ジョイスティック」なる入力
機器が利用されている。このような家電製品の付属品と
して利用される機器には、低コストで量産できるという
条件が非常に重要になるため、高度な機械加工を必要と
する従来の静電容量型の力検出装置は不適当である。

【０００７】そこで本発明は、高度な機械加工を必要と
せず、比較的低コストで量産できる力検出装置を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

(1) 本願第１の発明は、装置筐体に固定されるか又は
装置筐体の一部をなす固定基板と、この固定基板の上方
に所定の距離を保って対向するように配置された変位基
板と、固定基板の上面に形成された固定電極と、変位基
板の下面の固定電極に対向する位置に形成された変位電
極と、固定電極と変位電極との間に介挿され、弾力性を
もった材料から構成される第１の弾性体と、変位基板の
上面に設けられ、弾力性をもった材料から構成される第
２の弾性体と、第２の弾性体を、その上面が固定基板に
対して所定の距離を保つように支持する支持部材と、変
位基板に対して力を作用させるための作用体と、により
力検出装置を構成したものである。

【０００９】(2) 本願第２の発明は、装置筐体に固定
されるか又は装置筐体の一部をなす固定基板と、この固
定基板の上方に所定の距離を保って対向するように配置
された変位基板と、固定基板の上面に形成された複数の
固定電極と、変位基板の下面の各固定電極のそれぞれに
対向する位置に形成された複数の変位電極と、各固定電
極と各変位電極との間に介挿され、弾力性をもった材料
から構成される第１の弾性板状部材と、変位基板の上面
周囲部分に設けられ、弾力性をもった材料から構成され
る第２の弾性板状部材と、第２の弾性板状部材を、その
上面が固定基板に対して所定の距離を保つように支持す
る支持部材と、変位基板の上面中央部分に取り付けら
れ、変位基板に対して力を作用させるための作用体と、
により力検出装置を構成したものである。

【００１０】(3) 本願第３の発明は、上述の第２の発
明に係る力検出装置において、支持部材を、固定基板の
周囲部分から上方に伸びるように形成された側部筐体
と、この側部筐体の上端から中心に向かってほぼ水平に
伸びるように形成された押圧爪と、によって構成し、押
圧爪によって第２の弾性板状部材を固定基板に対して押
圧しながら支持できるようにしたものである。

【００１１】(4) 本願第４の発明は、上述の第２の発
明に係る力検出装置において、固定基板の上面に対して
平行な平面上でＸ軸およびＹ軸が交わるようなＸＹＺ三
次元座標系を定義し、第１の固定電極および第１の変位
電極をＸ軸の正の領域に配置し、第２の固定電極および
第２の変位電極をＸ軸の負の領域に配置し、第３の固定
電極および第３の変位電極をＹ軸の正の領域に配置し、
第４の固定電極および第４の変位電極をＹ軸の負の領域
に配置し、第５の固定電極および第５の変位電極を原点
に対応する位置に配置したものである。

【００１２】(5) 本願第５の発明は、装置筐体に固定
されるか又は装置筐体の一部をなす固定基板と、 この固
定基板の上方に所定の距離を保って対向するように配置
された変位基板と、 この変位基板の上方に所定の距離を
保って対向するように配置され、中央部に孔が形成され
た上蓋基板と、 固定基板の上面に形成された複数の固定
電極と、 変位基板の下面の各固定電極のそれぞれに対向
する位置に形成された複数の変位電極と、 変位基板の上
面に形成された複数の補助変位電極と、 上蓋基板の下面
の各補助変位電極のそれぞれに対向する位置に形成され
た複数の補助固定電極と、 上蓋基板を固定基板に対して
所定の距離を保った位置に支持する支持部材と、 上蓋基
板の孔を挿通して変位基板の上面中央部分に取り付けら
れ、変位基板に対して力を作用させるための作用体と、
によって力検出装置を構成し、外部からの力が作用して
いないときには、変位基板が固定基板と上蓋基板との間
の定位置を維持し、外部からの力が作用体を介して変位
基板に作用したときには、変位基板が定位置に対して、
作用した力に応じた変位を生じるように構成したもので
ある。(6) 本願第６の発明は、装置筐体に固定されるか又は
装置筐体の一部をなす固定基板と、この固定基板の上方
に所定の距離を保って対向するように配置された変位基
板と、この変位基板の上方に所定の距離を保って対向す
るように配置され、中央部に孔が形成された上蓋基板
と、固定基板の上面に形成された複数の固定電極と、変
位基板の下面の各固定電極のそれぞれに対向する位置に
形成された複数の変位電極と、変位基板の上面に形成さ
れた複数の補助変位電極と、上蓋基板の下面の各補助変
位電極のそれぞれに対向する位置に形成された複数の補
助固定電極と、各固定電極と各変位電極との間に介挿さ
れ、弾力性をもった材料から構成される第１の弾性板状
部材と、各補助固定電極と各補助変位電極との間に介挿
され、弾力性をもった材料から構成され、中央部に孔を
有する第２の弾性板状部材と、上蓋基板を固定基板に対
して所定の距離を保った位置に支持する支持部材と、上
蓋基板の孔および第２の弾性板状部材の孔を挿通して変
位基板の上面中央部分に取り付けられ、変位基板に対し
て力を作用させるための作用体と、によって力検出装置
を構成したものである。

【００１３】(7) 本願第７の発明は、上述の第５また
は第６の発明に係る力検出装置において、支持部材を、
固定基板の周囲部分から上方に伸びるように形成された
側部筐体と、この側部筐体の上端から中心に向かってほ
ぼ水平に伸びるように形成された押圧爪と、によって構
成し、押圧爪によって上蓋基板を固定基板に対して押圧
しながら支持できるようにしたものである。

【００１４】(8) 本願第８の発明は、上述の第５また
は第６の発明に係る力検出装置において、固定基板の上
面に対して平行な平面上でＸ軸およびＹ軸が交わるよう
なＸＹＺ三次元座標系を定義し、第１の固定電極、第１
の変位電極、第１の補助変位電極、および第１の補助固
定電極を、それぞれＸ軸の正の領域に配置し、第２の固
定電極、第２の変位電極、第２の補助変位電極、および
第２の補助固定電極を、それぞれＸ軸の負の領域に配置
し、第３の固定電極、第３の変位電極、第３の補助変位
電極、および第３の補助固定電極を、それぞれＹ軸の正
の領域に配置し、第４の固定電極、第４の変位電極、第
４の補助変位電極、および第４の補助固定電極を、それ
ぞれＸ軸の負の領域に配置し、第５の固定電極、第５の
変位電極、第５の補助変位電極、および第５の補助固定
電極を、それぞれ原点に対応する位置に配置したもので
ある。

【００１５】(9) 本願第９の発明は、上述の第２〜８
のいずれかの発明に係る力検出装置において、複数の固
定電極または複数の変位電極のいずれか一方を、単一の
電極層によって構成したものである。

【００１６】(10) 本願第１０の発明は、上述の第９の
発明に係る力検出装置において、固定基板または変位基
板を導電性材料によって構成し、この基板自身を単一の
電極層として用いるようにしたものである。

【００１７】(11) 本願第１１の発明は、上述の第５〜
８のいずれかの発明に係る力検出装置において、複数の
補助変位電極または複数の補助固定電極のいずれか一方
を、単一の電極層によって構成したものである。

【００１８】(12) 本願第１２の発明は、上述の第１１
の発明に係る力検出装置において、変位基板または上蓋
基板を導電性材料によって構成し、この基板自身を単一
の電極層として用いるようにしたものである。

【００１９】

【作 用】静電容量の変化を利用する力検出装置では、
一対の基板の対向面にそれぞれ電極が形成され、向かい
合った電極により静電容量素子が形成される。本発明の
特徴は、この向かい合った電極間に弾性体を挿入するよ
うにした点にある。平板状の弾性体を用いるようにすれ
ば、一方の電極は弾性体の下面に接触し、他方の電極は
弾性体の上面に接触した状態で支持されるようになる。
このため、両電極間の距離は板状弾性体の厚みによって
支配され、両電極の平行度は板状弾性体の上下両面の平
行度によって支配される。一定の厚みをもち、上下両面
が平行な板状弾性体を量産することは比較的容易である
ので、精度良い力検出装置を低コストで量産することが
可能になる。

【００２０】また、変位基板は第２の弾性体を介して固
定基板に対して支持される。別言すれば、変位基板は、
下方からは第１の弾性体により支持され、上方からは第
２の弾性体により支持された状態となっている。このよ
うに、上下から弾性体によって支持されている変位基板
に作用体からの力が加わると、弾性体の弾性変形によ
り、変位基板はある程度の自由度をもって変位すること
が可能になる。そして、この変位は静電容量の変化とし
て電気的に検出され、結果的に、作用した力を検出する
ことが可能になる。また、変位基板は上下から支持され
ているため、作用体から過度の力が加わったとしても、
変位量は一定の範囲内に制限される。したがって、過負
荷に対するストッパーとしての機能が備わることにな
る。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて説
明する。図１は本発明の一実施例に係る力検出装置の側
断面図、図２はこの装置の上面図である。固定基板１０
は、円盤状の基板であり、この装置の筐体の一部をな
す。この固定基板１０の上方には、同じく円盤状の基板
である変位基板２０が配置されている。固定基板１０の
上面には、５枚の固定電極層Ｅ１〜Ｅ５が形成され、変
位基板２０の下面には、５枚の変位電極層Ｆ１〜Ｆ５が
形成されている（図１には、これら電極層の一部のみが
現れている）。また、固定電極層Ｅ１〜Ｅ５と変位電極
層Ｆ１〜Ｆ５との間には、弾性板状部材３０が介挿され
ている。この弾性板状部材３０は、弾力性をもった材料
から構成された円盤状の板である。変位基板２０の上面
には、もうひとつの弾性板状部材４０が配置されてい
る。この弾性板状部材４０も弾力性をもった材料から構
成されているが、図２に示されているように、変位基板
２０の上面周囲部分に配置できるようにいわゆるドーナ
ツ盤状をしている。

【００２２】更に、これら変位基板２０、弾性板状部材
３０、弾性板状部材４０の周囲を囲むように、円筒状の
側部筐体５０が設けられている。この側部筐体５０の下
端は固定基板１０の上面に固着されており、また、上端
には押圧爪５１が形成されており、この押圧爪５１によ
って弾性板状部材４０を固定基板１０に対して押圧する
力が加えられている。すなわち、図１の側断面図におい
て、弾性板状部材４０は押圧爪５１によって図の下方に
押し付けられている。このため、弾性板状部材３０およ
び弾性板状部材４０には、常に、厚み方向に対して圧力
が加わった状態となっている。また、変位基板２０の上
面中央部から上方に向けて、作用体６０が取り付けられ
ている。この作用体６０は、円柱状をした棒状の部材で
あり、外部から与えられる力を変位基板２０へ伝達する
機能を果たす。なお、弾性板状部材４０、側部筐体５
０、作用体６０の平面的な位置関係は、図２の上面図に
明瞭に示されている（図２において、側部筐体５０は一
部を切り欠いた状態で示されている）。

【００２３】本明細書では、図１に示すように、作用体
６０の上端の中心位置に作用点Ｐを定義し、この作用点
Ｐに作用した力を検出する動作について説明を行うこと
にする。ここでは、説明の便宜上、図１および図２に一
点鎖線で示すような３つの座標軸ＸＹＺを定め、作用点
Ｐを原点とするＸＹＺ三次元座標系を定義する。この力
検出装置は、作用点Ｐに作用した力のＸ軸方向成分Ｆ
ｘ、Ｙ軸方向成分Ｆｙ、Ｚ軸方向成分Ｆｚをそれぞれ別
個に検出することが可能である。

【００２４】このような各軸方向成分ごとの検出を行う
ためには、特有の電極配置を行う必要がある。図３は、
固定基板１０の上面に形成された５枚の固定電極層Ｅ１
〜Ｅ５の形状および配置を示す図である。固定電極層Ｅ
１〜Ｅ４は、いずれも扇形をした電極層であり、それぞ
れ、Ｘ軸の正の領域および負の領域、ならびにＹ軸の正
の領域および負の領域に配置されている。また、固定電
極層Ｅ５は、円形をした電極層であり、原点に対応する
領域に配置されている。一方、図４は、変位基板２０の
下面に形成された５枚の変位電極層Ｆ１〜Ｆ５の形状お
よび配置を示す図である。変位電極層Ｆ１〜Ｆ４は、い
ずれも扇形をした電極層であり、それぞれ、Ｘ軸の正の
領域および負の領域、ならびにＹ軸の正の領域および負
の領域に配置されている。また、変位電極層Ｆ５は、円
形をした電極層であり、原点に対応する領域に配置され
ている。結局、固定電極層Ｅ１〜Ｅ５と、変位電極層Ｆ
１〜Ｆ５とは、互いに対向する位置に配置されているこ
とになる。ここでは、これら５組の対向する電極層対に
よって構成される静電容量素子を、それぞれ容量素子Ｃ
１〜Ｃ５と呼ぶことにする。たとえば、固定電極層Ｅ１
とこれに対向する変位電極層Ｆ１とによって構成される
静電容量素子は、容量素子Ｃ１と呼ばれることになる。

【００２５】さて、各容量素子Ｃ１〜Ｃ５を構成する電
極対間には、弾性板状部材３０が介挿されている。した
がって、この力検出装置に何ら力が作用していない定常
状態における両電極対の距離は、弾性板状部材３０の厚
みおよびこの厚み方向に作用している圧力（押圧爪５１
による押圧力）によって定まり、両電極対の平行度は、
この弾性板状部材３０の上面と下面との平行度によって
定まることになる。このため、弾性板状部材３０とし
て、厚みが一様な板状部材を用いれば、電極間距離がば
らつくことがなく、しかも両電極が一定の平行度に保た
れた製品を量産することが可能である。従来製品のよう
な精密な機械加工は要求されないため、量産化に適し、
製造コストを低減することができる。

【００２６】この実施例では、弾性板状部材３０および
弾性板状部材４０として、市販のフィルム状ゴムを用い
ている。このようなフィルム状ゴムは、厚みがほぼ一様
であり上述の条件を満たす上、比較的安価である。しか
も、ゴムは空気に比べて誘電率が高いため、従来の力検
出装置のように両電極間に空気しか存在しない静電容量
素子に比べて、本願装置の静電容量素子は感度が大幅に
増大する。誘電率は用いるゴムによって異なるが、たと
えば、シリコンゴムの比誘電率は８〜９程度、天然ゴム
の比誘電率は２．４程度、ネオプレンゴムの比誘電率は
５〜７程度であり、いずれも空気に比べてかなり高くな
る。また、図１に示す実施例では、固定基板１０および
変位基板２０は、セラミックスまたはガラスエポキシ製
の基板であり、各電極層はこれらの基板上に金属を蒸着
することによって形成された層である。また、側部筐体
５０および作用体６０は、いずれもプラスチック製また
は金属製であり、全体的に低コストで製造することがで
きる。なお、図１における各部の厚みは、説明の便宜
上、実際の寸法比にはなっていない。特に、各電極層お
よび弾性板状部材３０の厚みは、実際よりもかなり厚く
示されている。

【００２７】続いて、この力検出装置の動作原理を説明
する。いま、たとえば、図５に示すように、この装置の
作用点ＰにＸ軸方向の力Ｆｘが作用した場合に、各容量
素子Ｃ１〜Ｃ５にどのような変化が生じるかを考える。
力Ｆｘが作用すると、図に示すように、弾性板状部材３
０および弾性板状部材４０が弾性変形し、電極層Ｅ１，
Ｆ１間の距離は縮み、電極層Ｅ２，Ｆ２間の距離は広が
ることになる。このため、電極層Ｅ１，Ｆ１によって構
成される容量素子Ｃ１の静電容量は増加し、電極層Ｅ
２，Ｆ２によって構成される容量素子Ｃ２の静電容量は
減少する。増加／減少の程度は、作用した力の大きさに
応じて大きくなる。また、作用する力の方向が逆転し、
力−Ｆｘが作用した場合、増減の関係が逆転する。した
がって、容量素子Ｃ１，Ｃ２の静電容量値をモニタして
いれば、Ｘ軸方向に作用した力の向きと大きさとを検出
することが可能になる。

【００２８】ところで、図５に示すように、Ｘ軸方向の
力Ｆｘのみが作用した状態においては、他の容量素子Ｃ
３，Ｃ４，Ｃ５の静電容量値には変化は生じない。なぜ
なら、電極層Ｅ３，Ｆ３間の距離、電極層Ｅ４，Ｆ４間
の距離、電極層Ｅ５，Ｆ５間の距離、はいずれも部分的
には縮まるが、別な部分では広がることになるため、全
体としての静電容量値には変化が生じないのである。し
たがって、Ｘ軸方向の力Ｆｘのみが作用した場合、容量
素子Ｃ１，Ｃ２についてのみ静電容量値の変化が現れ、
力Ｆｘは他軸に干渉を及ぼすことはない。

【００２９】作用点ＰにＹ軸方向の力Ｆｙが作用した場
合も、全く同様の現象が生じる。すなわち、弾性板状部
材３０および弾性板状部材４０が弾性変形し、電極層Ｅ
３，Ｆ３間の距離は縮み、電極層Ｅ４，Ｆ４間の距離は
広がることになる。このため、電極層Ｅ３，Ｆ３によっ
て構成される容量素子Ｃ３の静電容量は増加し、電極層
Ｅ４，Ｆ４によって構成される容量素子Ｃ４の静電容量
は減少する。したがって、容量素子Ｃ３，Ｃ４の静電容
量値をモニタしていれば、Ｙ軸方向に作用した力の向き
と大きさとを検出することが可能になる。

【００３０】次に、図６に示すように、作用点ＰにＺ軸
方向の力Ｆｚが作用した場合に、各容量素子Ｃ１〜Ｃ５
にどのような変化が生じるかを考える。力Ｆｚが作用す
ると、図に示すように、弾性板状部材３０および弾性板
状部材４０が弾性変形し、全電極層間の距離は縮むこと
になる。このため、全容量素子Ｃ１〜Ｃ５の静電容量は
増加する。ただ、容量素子Ｃ１〜Ｃ４は、上述したよう
に、力ＦｘおよびＦｙの検出に利用されるため、力Ｆｚ
の検出には容量素子Ｃ５が用いられる。かくして、容量
素子Ｃ１，Ｃ２の容量値により、作用した力のＸ軸方向
成分Ｆｘが、容量素子Ｃ３，Ｃ４の容量値により、作用
した力のＹ軸方向成分Ｆｙが、容量素子Ｃ５の容量値に
より、作用した力のＺ軸方向成分Ｆｚが、それぞれ別個
独立して検出されることになる。

【００３１】上述した実施例では、５枚の固定電極層Ｅ
１〜Ｅ５と、５枚の変位電極層Ｆ１〜Ｆ５とによって、
５組の容量素子Ｃ１〜Ｃ５を形成していたが、固定電極
または変位電極の一方を、単一の共通電極層で構成する
ことも可能である。たとえば、図７に示す実施例は、５
枚の変位電極層Ｆ１〜Ｆ５を単一の共通電極層Ｆ０によ
って置換した例である。図８は、変位基板２０の下面に
形成された共通電極層Ｆ０の形状を示す図である。図８
に示されているように、共通電極層Ｆ０は円盤状の電極
層であり、図３に示す５枚の固定電極層Ｅ１〜Ｅ５のす
べてに対向することになる。したがって、共通電極層Ｆ
０は物理的には１枚の電極層であるが、図３に示す５枚
の固定電極層Ｅ１〜Ｅ５のそれぞれに対向する５つの変
位電極として機能することになる。図７に示す実施例と
は逆に、固定電極側を単一の共通電極層とすることも可
能である。

【００３２】このような共通電極層を用いる場合には、
装置の構造を更に単純化することができる。たとえば、
図９に示すように、変位基板２０を金属などの導電性の
材料で構成するようにすれば、この変位基板２０自身を
共通電極層Ｆ０として用いることができるようになり、
特別に変位電極層というものを形成する必要もなくな
る。もちろん、固定電極側を共通にする場合には、固定
基板１０を金属などの導電性の材料で構成すればよい。

【００３３】結局、本発明に係る力検出装置のメリット
は、フィルム状ゴムのような弾性体を両電極間に挟む構
造にすることにより、両電極間の距離および平行度が安
定した製品を低コストで量産化することが可能になる点
にある。このため、本発明に係る力検出装置は、高精度
が要求される計測器用として用いるよりも、低コスト、
量産化が要求される分野に用いる方が適している。たと
えば、コンピュータ、ワードプロセッサ、テレビゲーム
機器などの入力装置としてのいわゆる「ジョイスティッ
ク」として用いるのに適している。操作者は、作用体６
０を指でつまみながら、これをＸ方向あるいはＹ方向に
倒したり、Ｚ方向に押したりする入力操作を行うことが
できる。また、本発明に係る力検出装置では、変位基板
２０が弾性体によって支持されているため、変位基板２
０の変位の自由度が大きい。そのため、過度の力が作用
したときに、変位基板２０の変位を制限するためのスト
ッパなどの機構を付加しやすいというメリットも得られ
る。

【００３４】続いて、検出感度を更に向上させることの
できる実施例を説明する。図１０に、この実施例の側断
面図を示す。この実施例における、固定基板１０、変位
基板２０、弾性板状部材３０は、前述の実施例のものと
全く同一である。この実施例の特徴は、変位基板２０の
上方に、弾性板状部材４５および上蓋基板７０を配置
し、新たに、補助変位電極層Ｆ６〜Ｆ１０（図１０には
一部のみが示されている）と、補助固定電極層Ｅ２０
と、を設けた点にある。弾性板状部材４５および上蓋基
板７０は、いずれも中央部に貫通孔をもったドーナツ状
の板状部材であり、作用体６０は、これらの貫通孔を挿
通して変位基板２０の上面に取り付けられている。弾性
板状部材４５は、弾性板状部材３０と同様に弾力性をも
った材料から構成されている。また、上蓋基板７０に
は、押圧爪５１によって図の下方へ押し付ける方向の力
が加えられている。

【００３５】次に、各電極層の形状および配置について
述べる。固定電極層Ｅ０は、固定基板１０の上面に形成
された円盤状の共通電極層であり、図３に示す５枚の固
定電極層Ｅ１〜Ｅ５と同等の機能を果たす電極である。
これに対向する５枚の変位電極層Ｆ１〜Ｆ５は、図４に
示す形状および配置を有し、前述の実施例のものと同一
である。結局、固定電極層Ｅ０と５枚の変位電極層Ｆ１
〜Ｆ５によって、５組の容量素子Ｃ１〜Ｃ５が形成さ
れ、これらの５組の容量素子Ｃ１〜Ｃ５によって、ＸＹ
Ｚ各軸方向成分の力を検出することができる点は、前述
の実施例と全く同じである。

【００３６】この実施例の装置では、更に５組の容量素
子が形成される。図１１は、変位基板２０の上面に形成
された５枚の補助変位電極層Ｆ６〜Ｆ１０の形状および
配置を示す図である。補助変位電極層Ｆ６〜Ｆ９は、い
ずれも扇形をした電極層であり、それぞれ、Ｘ軸の正の
領域および負の領域、ならびにＹ軸の正の領域および負
の領域に配置されている。また、補助変位電極層Ｆ１０
は、中央に貫通孔を有するドーナツ状の電極層であり、
原点に対応する領域に配置されている（図１１の破線
は、作用体６０の取り付け位置を示す）。一方、図１２
は、上蓋基板７０の下面に形成された補助固定電極層Ｅ
２０の形状および配置を示す図である（図１２の破線
は、作用体６０の挿通位置を示す）。この補助固定電極
層Ｅ２０は、図１１に示す５枚の補助変位電極層Ｆ６〜
Ｆ１０のそれぞれに対向する５枚の電極としての機能を
果たす。結局、これらの電極層によって、５組の容量素
子が形成される。ここでは、これら５組の対向する電極
層対によって構成される容量素子を、それぞれ容量素子
Ｃ６〜Ｃ１０と呼ぶことにする。たとえば、補助変位電
極層Ｆ６とこれに対向する補助固定電極層Ｅ２０とによ
って構成される容量素子は、容量素子Ｃ６と呼ばれるこ
とになる。

【００３７】さて、このようにこの実施例の装置では、
合計で１０組の容量素子Ｃ１〜Ｃ１０が形成されている
が、これらの配置を考えると、容量素子Ｃ１，Ｃ６はＸ
軸の正の領域に配置され、容量素子Ｃ２，Ｃ７はＸ軸の
負の領域に配置され、容量素子Ｃ３，Ｃ８はＹ軸の正の
領域に配置され、容量素子Ｃ４，Ｃ９はＹ軸の負の領域
に配置され、容量素子Ｃ５，Ｃ１０は原点に対応する位
置に配置されていることになる。しかも、容量素子Ｃ６
〜Ｃ１０は、それぞれ容量素子Ｃ１〜Ｃ５の真上に配置
されている。このため、容量素子Ｃ１の静電容量の変化
と、容量素子Ｃ６の静電容量の変化とは全く逆になる。
同様に、容量素子Ｃ２，Ｃ７の変化も全く逆になり、容
量素子Ｃ３，Ｃ８の変化も全く逆になり、容量素子Ｃ
４，Ｃ９の変化も全く逆になり、容量素子Ｃ５，Ｃ１０
の変化も全く逆になる。たとえば、図１０において、作
用体６０にＸ軸方向の力Ｆｘを作用させた場合を考える
と、電極層Ｅ０−Ｆ１間の距離は縮むため、容量素子Ｃ
１の静電容量は増加するが、電極層Ｆ６−Ｅ２０間の距
離は逆に広がるため、容量素子Ｃ６の静電容量は逆に減
少する。

【００３８】結局、この実施例の装置では、変位基板２
０の下方に設けられた５組の容量素子Ｃ１〜Ｃ５によっ
て、作用した力のＸＹＺ各軸方向成分を検出することが
できるとともに、変位基板２０の上方に設けられた５組
の容量素子Ｃ６〜Ｃ１０によっても全く同一の検出がで
きることになる。そこで、合計１０組の容量素子Ｃ１〜
Ｃ１０を用いた検出を行えば、前述した実施例の２倍の
感度での検出が可能になる。図１３は、各軸方向の力Ｆ
ｘ，Ｆｙ，Ｆｚが作用したときの、これら１０組の容量
素子Ｃ１〜Ｃ１０についての静電容量の変化を示す表で
ある。この表で、「＋」は容量値が増加することを示
し、「−」は容量値が減少することを示し、「０」は容
量値が変化しないことを示している。図１０に示す装置
に各軸方向の力が作用したときの変位基板２０の変位状
態を考えれば、図１３の表に示す結果が得られることが
理解できよう。なお、この図１０に示す実施例では、固
定電極層Ｅ０および補助固定電極層Ｅ２０を共通電極層
としたが、変位電極層Ｆ１〜Ｆ５あるいは補助変位電極
層Ｆ６〜Ｆ１０を共通電極層としてもかまわない。

【００３９】最後に、図１０に示す実施例に適用可能な
検出回路の一例を図１４に示す。ここで、Ｃ１〜Ｃ１０
は、１０組の容量素子Ｃ１〜Ｃ１０を示している。図１
０における固定電極Ｅ０および補助固定電極Ｅ２０は、
いずれも５枚の電極を兼ねる共通電極であるが、図１４
に示す回路を組む上では、この共通電極側を接地すれば
よい。各容量素子の静電容量値は、Ｃ／Ｖ変換回路８１
〜８６によって電圧値に変換され、減算器８７〜８９に
与えられる。そして、減算器８７の出力端子Ｔｘには、
作用した力のＸ軸方向成分Ｆｘに対応する電圧値が出力
され、減算器８８の出力端子Ｔｙには、作用した力のＹ
軸方向成分Ｆｙに対応する電圧値が出力され、減算器８
９の出力端子Ｔｚには、作用した力のＺ軸方向成分Ｆｚ
に対応する電圧値が出力されることになる。この理由
は、図１３の表を参照すれば容易に理解できる。たとえ
ば、力Ｆｘの欄を見れば、容量素子Ｃ１，Ｃ７について
は「＋」、容量素子Ｃ２，Ｃ６については「−」となっ
ている。したがって、容量素子Ｃ１，Ｃ７の容量値の和
に対応する電圧値（Ｖ１＋Ｖ７）と、容量素子Ｃ２，Ｃ
６の容量値の和に対応する電圧値（Ｖ２＋Ｖ６）と、の
差を減算器８７で求めれば、Ｆｘ＝（Ｖ１＋Ｖ７）−
（Ｖ２＋Ｖ６）として力Ｆｘを求めることができる。同
様に、Ｆｙ＝（Ｖ３＋Ｖ９）−（Ｖ４＋Ｖ８）として力
Ｆｙを求めることができ、Ｆｚ＝（Ｖ５−Ｖ１０）とし
て力Ｆｚを求めることができる。

【００４０】図１５は、図１０に示す実施例に適用可能
な別な検出回路の例である。この回路では、容量素子Ｃ
１〜Ｃ１０の静電容量値は、Ｃ／Ｖ変換回路９１〜９８
および８５，８６によって電圧値Ｖ１〜Ｖ１０に変換さ
れる。更に、減算器１０１〜１０４および８９による減
算、ならびに加算器１０５，１０６による加算の結果と
して、出力端子Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚに力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ
が得られる。ここで、力Ｆｚを得る回路部分について
は、図１４に示す回路と全く同一であるが、力Ｆｘ，Ｆ
ｙを得る回路部分については、減算を先に行う点が異な
っている。

【００４１】以上、本発明をいくつかの実施例に基づい
て説明したが、本発明はこれらの実施例のみに限定され
るものではなく、この他にも種々の態様で実施可能であ
る。たとえば、上述の実施例では、押圧爪５１による押
圧力によって、変位基板２０、弾性板状部材３０、弾性
板状部材４０などを固定していたが、互いに接触する基
板、電極層、弾性板状部材、などの間を接着するように
してもかまわない。このように相互に接着する構成を採
れば、押圧爪５１による押圧力は必ずしも必要なもので
はなくなる。すなわち、押圧爪５１は、図１に示す実施
例において、弾性板状部材４０の上面が固定基板に対し
て所定の距離を保つように、弾性板状部材４０を上方か
ら支持する機能を有すればよく、必ずしも図の下方への
押圧力を常時作用させておく必要はない。同様に、図１
０に示す実施例において、押圧爪５１は、上蓋基板７０
を固定基板１０に対して所定の距離を保った位置に支持
する機能を有すればよく、必ずしも図の下方への押圧力
を常時作用させておく必要はない。

【００４２】また、上述の実施例では、弾性板状部材３
０，４０，４５としてフィルム状ゴムを用いているが、
これらには弾力性をもった材料であればどのようなもの
を用いてもかまわない。特に、弾性板状部材４０には、
誘電体としての機能は要求されないので、ばねなどによ
って弾性板状部材４０を構成してもかまわない。また、
上述の実施例では、固定基板１０は装置筐体の一部を構
成していたが、必ずしもそうする必要はなく、固定基板
１０を別な装置筐体に固着するようにしてもよい。

【００４３】

【発明の効果】以上のとおり本発明に係る力検出装置で
は、一対の基板の対向面に形成した電極間に、弾性体を
挿入するようにしたため、両電極間の距離を一定にして
平行度を保つことが容易に行えるようになり、精度良い
力検出装置を低コストで量産することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る力検出装置の側断面図
である。

【図２】図１に示す実施例の上面図である。

【図３】図１に示す実施例の固定基板１０の上面に形成
された５枚の固定電極層Ｅ１〜Ｅ５の形状および配置を
示す図である。

【図４】図１に示す実施例の変位基板２０の下面に形成
された５枚の変位電極層Ｆ１〜Ｆ５の形状および配置を
示す図である。

【図５】図１に示す実施例の装置にＸ軸方向の力Ｆｘが
作用した状態を示す側断面図である。

【図６】図１に示す実施例の装置にＺ軸方向の力Ｆｚが
作用した状態を示す側断面図である。

【図７】図１に示す実施例における５枚の変位電極層Ｆ
１〜Ｆ５を単一の共通電極層Ｆ０で置換した実施例を示
す側断面図である。

【図８】図７に示す実施例の変位基板２０の下面に形成
された共通電極層Ｆ０の形状および配置を示す図であ
る。

【図９】図７に示す実施例における共通電極層Ｆ０を金
属製の変位基板２０によって置換した実施例を示す側断
面図である。

【図１０】より感度の高い検出を可能にする本発明の別
な一実施例に係る力検出装置の側断面図である。

【図１１】図１０に示す実施例の変位基板２０の上面に
形成された５枚の補助変位電極層Ｆ６〜Ｆ１０の形状お
よび配置を示す図である。

【図１２】図１０に示す実施例の上蓋基板７０の下面に
形成された単一の補助固定電極層Ｅ２０の形状および配
置を示す図である。

【図１３】図１０に示す実施例の装置に、各軸方向の力
Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚが作用したときの１０組の容量素子Ｃ
１〜Ｃ１０についての静電容量の変化を示す表である。

【図１４】図１０に示す実施例の装置に適用可能な検出
回路の一例を示す回路図である。

【図１５】図１０に示す実施例の装置に適用可能な検出
回路の別な一例を示す回路図である。

【符号の説明】

１０…固定基板 ２０…変位基板 ３０…弾性板状部材 ４０…弾性板状部材 ４５…弾性板状部材 ５０…側部筐体 ５１…押圧爪 ６０…作用体 ７０…上蓋基板 ８１〜８６…Ｃ／Ｖ変換回路 ８７〜８９…減算器 ９１〜９８…Ｃ／Ｖ変換回路 １０１〜１０４…減算器 １０５，１０６…加算器 Ｃ１〜Ｃ１０…容量素子 Ｅ０，Ｅ１〜Ｅ５…固定電極層（Ｅ０は共通電極層） Ｆ０，Ｆ１〜Ｆ５…変位電極層（Ｆ０は共通電極層） Ｆ６〜Ｆ１０…補助変位電極層 Ｅ２０…補助固定電極層（共通電極層） Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ…出力端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 5/16 G01L 1/14

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 装置筐体に固定されるか又は装置筐体の
   一部をなす固定基板と、 この固定基板の上方に所定の距離を保って対向するよう
   に配置された変位基板と、 前記固定基板の上面に形成された固定電極と、 前記変位基板の下面の前記固定電極に対向する位置に形
   成された変位電極と、 前記固定電極と前記変位電極との間に介挿され、弾力性
   をもった材料から構成される第１の弾性体と、 前記変位基板の上面に設けられ、弾力性をもった材料か
   ら構成される第２の弾性体と、 前記第２の弾性体を、その上面が前記固定基板に対して
   所定の距離を保つように支持する支持部材と、 前記変位基板に対して力を作用させるための作用体と、 を備えることを特徴とする力検出装置。
2. 【請求項２】 装置筐体に固定されるか又は装置筐体の
   一部をなす固定基板と、 この固定基板の上方に所定の距離を保って対向するよう
   に配置された変位基板と、 前記固定基板の上面に形成された複数の固定電極と、 前記変位基板の下面の前記各固定電極のそれぞれに対向
   する位置に形成された複数の変位電極と、 前記各固定電極と前記各変位電極との間に介挿され、弾
   力性をもった材料から構成される第１の弾性板状部材
   と、 前記変位基板の上面周囲部分に設けられ、弾力性をもっ
   た材料から構成される第２の弾性板状部材と、 前記第２の弾性板状部材を、その上面が前記固定基板に
   対して所定の距離を保つように支持する支持部材と、 前記変位基板の上面中央部分に取り付けられ、前記変位
   基板に対して力を作用させるための作用体と、を備える
   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、 支持部材を、固定基板の周囲部分から上方に伸びるよう
   に形成された側部筐体と、この側部筐体の上端から中心
   に向かってほぼ水平に伸びるように形成された押圧爪
   と、によって構成し、前記押圧爪によって第２の弾性板
   状部材を前記固定基板に対して押圧しながら支持できる
   ようにしたことを特徴とする力検出装置。
4. 【請求項４】 請求項２に記載の力検出装置において、 固定基板の上面に対して平行な平面上でＸ軸およびＹ軸
   が交わるようなＸＹＺ三次元座標系を定義し、 第１の固定電極および第１の変位電極をＸ軸の正の領域
   に配置し、第２の固定電極および第２の変位電極をＸ軸
   の負の領域に配置し、第３の固定電極および第３の変位
   電極をＹ軸の正の領域に配置し、第４の固定電極および
   第４の変位電極をＹ軸の負の領域に配置し、第５の固定
   電極および第５の変位電極を原点に対応する位置に配置
   したことを特徴とする力検出装置。
5. 【請求項５】 装置筐体に固定されるか又は装置筐体の
   一部をなす固定基板と、 この固定基板の上方に所定の距離を保って対向するよう
   に配置された変位基板と、 この変位基板の上方に所定の距離を保って対向するよう
   に配置され、中央部に孔が形成された上蓋基板と、 前記固定基板の上面に形成された複数の固定電極と、 前記変位基板の下面の前記各固定電極のそれぞれに対向
   する位置に形成された複数の変位電極と、 前記変位基板の上面に形成された複数の補助変位電極
   と、 前記上蓋基板の下面の前記各補助変位電極のそれぞれに
   対向する位置に形成された複数の補助固定電極と、 前記上蓋基板を前記固定基板に対して所定の距離を保っ
   た位置に支持する支持部材と、 前記上蓋基板の孔を挿通して前記変位基板の上面中央部
   分に取り付けられ、前記変位基板に対して力を作用させ
   るための作用体と、 を備え、外部からの力が作用していないときには、前記
   変位基板が前記固定基板と前記上蓋基板との間の定位置
   を維持し、外部からの力が前記作用体を介して前記変位
   基板に作用したときには、前記変位基板が前記定位置に
   対して、作用した力に応じた変位を生じるように構成さ
   れていることを特徴とする力検出装置。
6. 【請求項６】 装置筐体に固定されるか又は装置筐体の
   一部をなす固定基板と、 この固定基板の上方に所定の距離を保って対向するよう
   に配置された変位基板と、 この変位基板の上方に所定の距離を保って対向するよう
   に配置され、中央部に孔が形成された上蓋基板と、 前記固定基板の上面に形成された複数の固定電極と、 前記変位基板の下面の前記各固定電極のそれぞれに対向
   する位置に形成された複数の変位電極と、 前記変位基板の上面に形成された複数の補助変位電極
   と、 前記上蓋基板の下面の前記各補助変位電極のそれぞれに
   対向する位置に形成された複数の補助固定電極と、 前記各固定電極と前記各変位電極との間に介挿され、弾
   力性をもった材料から構成される第１の弾性板状部材
   と、 前記各補助固定電極と前記各補助変位電極との間に介挿
   され、弾力性をもった材料から構成され、中央部に孔を
   有する第２の弾性板状部材と、 前記上蓋基板を前記固定基板に対して所定の距離を保っ
   た位置に支持する支持部材と、 前記上蓋基板の孔および前記第２の弾性板状部材の孔を
   挿通して前記変位基板の上面中央部分に取り付けられ、
   前記変位基板に対して力を作用させるための作用体と、 を備えることを特徴とする力検出装置。
7. 【請求項７】 請求項５または６に記載の力検出装置に
   おいて、 支持部材を、固定基板の周囲部分から上方に伸びるよう
   に形成された側部筐体と、この側部筐体の上端から中心
   に向かってほぼ水平に伸びるように形成された押圧爪
   と、によって構成し、前記押圧爪によって上蓋基板を前
   記固定基板に対して押圧しながら支持できるようにした
   ことを特徴とする力検出装置。
8. 【請求項８】 請求項５または６に記載の力検出装置に
   おいて、 固定基板の上面に対して平行な平面上でＸ軸およびＹ軸
   が交わるようなＸＹＺ三次元座標系を定義し、 第１の固定電極、第１の変位電極、第１の補助変位電
   極、および第１の補助固定電極を、それぞれＸ軸の正の
   領域に配置し、 第２の固定電極、第２の変位電極、第２の補助変位電
   極、および第２の補助固定電極を、それぞれＸ軸の負の
   領域に配置し、 第３の固定電極、第３の変位電極、第３の補助変位電
   極、および第３の補助固定電極を、それぞれＹ軸の正の
   領域に配置し、 第４の固定電極、第４の変位電極、第４の補助変位電
   極、および第４の補助固定電極を、それぞれＸ軸の負の
   領域に配置し、 第５の固定電極、第５の変位電極、第５の補助変位電
   極、および第５の補助固定電極を、それぞれ原点に対応
   する位置に配置したことを特徴とする力検出装置。
9. 【請求項９】 請求項２〜８のいずれかに記載の力検出
   装置において、 複数の固定電極または複数の変位電極のいずれか一方
   が、単一の電極層によって構成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９に記載の力検出装置におい
    て、 固定基板または変位基板を導電性材料によって構成し、
    この基板自身を単一の電極層として用いることを特徴と
    する力検出装置。
11. 【請求項１１】 請求項５〜８のいずれかに記載の力検
    出装置において、 複数の補助変位電極または複数の補助固定電極のいずれ
    か一方が、単一の電極層によって構成されていることを
    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、 変位基板または上蓋基板を導電性材料によって構成し、
    この基板自身を単一の電極層として用いることを特徴と
    する力検出装置。