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

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＋をレ
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＋を覆うレ
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。