JP3380997B2 - 静電容量式センサ - Google Patents

静電容量式センサ

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森本  英夫
和廣 岡田
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Wacoh Corp
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Nitta Corp
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、静電容量式セン
サに関するものである。
【0002】
【従来の技術】静電容量式センサとして、既に、図10に
示すようなものをわが社で開発し、出願している。
【0003】この静電容量式センサは、図10に示すよう
に、固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+
が形成された基板90と、前記基板90の上方に配置され且
つ前記固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz
+と対向する面が導電性ゴムにより構成されている弾性
変形可能な可動電極板部Dと、前記可動電極板部Dと一
体成形されたシリコンゴム製の操作部91とを具備してお
り、前記固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,D
z+と可動電極板部Dとから可変静電容量部Cx+,C
x−,Cy+,Cy−,Dz+が構成されていると共
に、前記操作部91に加えた力の大きさと方向に対応して
各可変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,D
z+の静電容量が変化するようにしてある。なお、この
センサでは、可変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,
Cy−,Cz+の静電容量が変化を、静電容量−電圧変
換装置により、電圧の変化として出力させるようにして
いる。
【0004】しかしながら、上記静電容量式センサで
は、同じ力で操作部91を操作しても、その構成上、図11
や図12に示すように、Z軸の出力がX軸、Y軸のそれに
比べて非常に大きくなってしまう。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明で
は、操作部に加えた力と出力との比率を、X軸、Y軸、
Z軸においてほぼ同じにすることができる静電容量式セ
ンサを提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】(請求項1記載の発明) この発明は、X軸又はY軸上の二つの固定電極と前記二
つの固定電極の間に設けられたZ軸上の固定電極を有す
る基板と、前記基板の上方に配置され且つ少なくとも固
定電極と対向する面が導電性エラストマーにより構成さ
れている弾性変形可能な可動電極板部と、前記可動電極
板部を変形させるべくZ軸上に配置された操作部とを具
備しており、前記固定電極群と可動電極板郡とから複数
の可変静電容量部が構成されている静電容量式センサに
おいて、基板又は可動電極板部の対向面のうち少なくと
もいずれか一方に突起を設けてあると共に前記突起はZ
軸上に配置してあり、操作部にZ軸方向の力が作用した
場合に、前記突起により可動電極板部の変形量を制限す
るようにしてある。 (請求項2記載の発明) この発明の静電容量式センサは、上記請求項1記載の発
明に関し、固定電極は全てレジスタ膜で覆ってある。 (請求項3記載の発明) この発明の静電容量式センサは、上記請求項2記載の発
明に関し、突起は、可動電極板部側にのみ設けてあり、
その自由端側をZ軸上の固定電極を覆うレジスタ膜に接
触させてある。 (請求項4記載の発明) この発明の静電容量式センサは、上記請求項2記載の発
明に関し、突起は、Z軸上の固定電極の突出部であり、
前記突出部を覆うレジスタ膜が可動電極板部と接触して
いる。 (請求項5記載の発明) この発明の静電容量式センサは、上記請求項1乃至4の
いずれかに記載の発明に関し、操作部はエラストマーに
より構成されており、可動電極板部と一体成形されたも
のである。
【0007】なお、上記発明の静電容量式センサの機能
については、以下の発明の実施の形態の欄で詳述する。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、この発明を実施例として示
した図面に従って説明する。 (実施形態1) 図1は、この発明の実施形態1の静電容量式センサSの
断面図を示している。
【0009】この静電容量式センサSは、図1に示すよ
うに、基板1と、前記基板1上に配置され且つ板状の可
動電極板部Dを有する導電性エラストマー板2と、前記
導電性エラストマー板2に一体成形された操作部3とを
具備するものであり、同図に示す如く最下位置にある基
板1をケーシングKの上壁kにビスBにより取り付ける
ようにして形成されている。
【0010】基板1は、図1や図2に示すように、その
上面に環状の接点用ランドL、及びレジスト膜Rで覆わ
れた固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+
が形成されていると共に、下面に静電容量−電圧変換用
の電子部品Eが配置されており、また、四隅には上記ビ
スBを挿通するための貫通孔hを穿設してある。なお、
固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+を
ジスト膜Rで覆ってあるのは、可動電極板部Dと電気的
に接続するような事態を回避するためである。
【0011】導電性エラストマー板2は、導電性を付加
したエラストマーにより成形されており、図1に示すよ
うに、その下面に、レジスト膜Rで覆われた部分が入る
程度の大きさの円形状の凹み20を設ける態様で、可動電
極板部Dを形成してある。前記可動電極板部Dの下面に
は図1に示すように、断面円形状の突起21を具備させて
あり、その自由端側をZ軸上の固定電極Dz+を覆う
ジスト膜Rに接触させてある。
【0012】操作部3は、図1に示すように、シリコン
ゴムにより形成されており、板状部30、軸部31及び周凸
部32とから成るものとしてある。また、操作部3は導電
性エラストマー板2と同一材質にして形成工程を簡略化
しても良い。
【0013】なお、この導電性エラストマー板2及び操
作部3の材料は、常温付近で大きなゴム弾性を示す高分
子物質であればよく、例えば、架橋した天然ゴムや合成
ゴム、熱可塑性ウレタンゴム、スパンデックスやポリカ
ーボネート弾性樹脂、スポンジゴムなどが挙げられる。
【0014】ここで、このセンサーSでは、上記可動電
極板部Dと板状部30とによりダイヤフラム部を形成して
おり、このダイヤフラム部に応力が集中して変形する起
歪体を構成している。また、接点用ランドLと固定電極
Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+との間に電位
差を設けることにより、可動電極板部Dと固定電極Dx
+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+とから可変静電容
量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,Cz+が構成さ
れている。
【0015】この静電容量式センサSは、上記のような
構成であるから、操作部3を操作すると以下に示すよう
に機能する。
【0016】先ず、図3に示すように、操作部3にX軸
方向の力Fx又はモーメントMxを加えると、可動電極
板部Dと固定電極Dxとの間のギャップが小さくなり、
可変静電容量部Cx+の静電容量が大きくなる。他方、
可動電極板部Dと固定電極Dx−との間のギャップは変
化しないか又は大きくなり、可変静電容量部Cx−の静
電容量は変化しないか又は小さくなる。このことは対称
性によりY軸方向の力Fy又はモーメントMyを加えた
場合も同様のことが言える。したがって、可変静電容量
部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−の静電容量の変化
は、従来の技術の欄に記載したセンサの場合とほとんど
同様である。
【0017】次に、図4に示すように、操作部3にZ軸
方向の力Fzを加えると、可動電極板部Dと固定電極D
z+とのギャップは小さくなるが、突起21の存在により
ギャップの変化量は少なくなる(可動電極板部Dの変形
量は少ない)。つまり、従来の技術の欄に記載したセン
サと比較すると可変静電容量部Cz+の静電容量の変化
は小さくなる。
【0018】以上のことから、操作部3に加えた力と可
変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,Cz+
の静電容量の変化との比率を、X軸、Y軸、Z軸におい
てほぼ同じにできることが判った。したがって、図5に
示すような回路を構成すれば、操作部3に加えた力と出
力電圧との比率を、X軸、Y軸、Z軸においてほぼ同じ
にすることができる。
【0019】なお、図5に示した回路にかえて図6に示
した回路(Y軸及Z軸の回路は省略している)を採用し
ても同様の効果を得ることができる。図6中、Vx1
Vx2 は周期的に変化するものとする。 (他の実施形態) 上記実施形態では突起21を円柱形状としているが、突
起21を図7に示すように、円錐形状とすることができ
る。上記実施形態の突起21にかえて、図8に示すよう
に、基板1側への当たり面に凹凸を有するものとするこ
とができる。上記実施形態の突起21にかえて、図9に
示すように、Z軸上の固定電極Dz+に形成された突起
21とすることもできる。
【0020】
【発明の効果】この発明は上記のような構成であるから
次の効果を有する。
【0021】発明の実施形態の欄の説明から明らかなよ
うに、操作部に加えた力と出力との比率を、X軸、Y
軸、Z軸においてほぼ同じにすることができる静電容量
式センサを提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態1の静電容量式センサの断
面図。
【図2】前記静電容量式センサの基板及び固定電極等の
平面図。
【図3】前記静電容量式センサの操作部にX軸方向の力
又はモーメントが生じたときの断面図。
【図4】前記静電容量式センサの操作部にZ軸方向の力
が生じたときの断面図。
【図5】前記静電容量式センサに採用されている静電容
量−電圧変換回路のブロック図。
【図6】前記静電容量−電圧変換回路の具体的回路。
【図7】この発明の実施形態2の静電容量式センサの断
面図。
【図8】この発明の実施形態3の静電容量式センサの断
面図。
【図9】この発明の実施形態4の静電容量式センサの断
面図。
【図10】先行技術の静電容量式センサの断面図。
【図11】先行技術の静電容量式センサの操作部にX軸
方向の力又はモーメントが生じたときの断面図。
【図12】先行技術の静電容量式センサの操作部にZ軸
方向の力が生じたときの断面図。
【符号の説明】
S 静電容量式センサ R レジスト膜 D 可動電極板部 Dx+ 固定電極 Dx− 固定電極 Dy+ 固定電極 Dy− 固定電極 Dz+ 固定電極 Cx+ 可変静電容量部 Cx− 可変静電容量部 Cy+ 可変静電容量部 Cy− 可変静電容量部 Cz+ 固定電極 1 基板 2 導電性エラストマー板 3 操作部 21 突起
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI G06F 3/033 330 G01D 5/24 B (56)参考文献 特開2000−292271(JP,A) 特開2001−27570(JP,A) 特開2000−193538(JP,A) 特開 平7−200164(JP,A) 特開 平7−151623(JP,A) 実開 平1−81545(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01L 1/14 G01L 5/16 G01B 7/00 G01B 7/16 G01D 5/24 G06F 3/033 330

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 X軸又はY軸上の二つの固定電極と前記
    二つの固定電極の間に設けられたZ軸上の固定電極を有
    する基板と、前記基板の上方に配置され且つ少なくとも
    固定電極と対向する面が導電性エラストマーにより構成
    されている弾性変形可能な可動電極板部と、前記可動電
    極板部を変形させるべくZ軸上に配置された操作部とを
    具備しており、前記固定電極群と可動電極板郡とから複
    数の可変静電容量部が構成されている静電容量式センサ
    において、基板又は可動電極板部の対向面のうち少なく
    ともいずれか一方に突起を設けてあると共に前記突起は
    Z軸上に配置してあり、操作部にZ軸方向の力が作用し
    た場合に、前記突起により可動電極板部の変形量を制限
    するようにしてあることを特徴とする静電容量式セン
    サ。
  2. 【請求項2】 固定電極は全てレジスタ膜で覆ってある
    ことを特徴とする請求項1記載の静電容量式センサ。
  3. 【請求項3】 突起は、可動電極板部側にのみ設けてあ
    り、その自由端側をZ軸上の固定電極を覆うレジスタ膜
    に接触させてあることを特徴とする請求項2記載の静電
    容量式センサ。
  4. 【請求項4】 突起は、Z軸上の固定電極の突出部であ
    り、前記突出部を覆うレジスタ膜が可動電極板部と接触
    していることを特徴とする徴とする請求項2記載の静電
    容量式センサ。
  5. 【請求項5】 操作部はエラストマーにより構成されて
    おり、可動電極板部と一体成形されたものであることを
    特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の静電容量
    式センサ。
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