JPH085472A - 静電容量式３次元触覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ３次元領域における外部からの力によって対
向する電極間の覆われる面積の変化をＸ軸方向およびＹ
軸方向に、対向する電極間の距離の変化をＺ軸方向にそ
れぞれ独立して静電容量の変化値として検出する静電容
量式３次元触覚センサを提供する。 【構成】 枠体１８に、共通の基板１０の上面に第１の
固定電極９としての受信電極１３ａ〜１３ｄおよび送信
電極１２と、これに対向する第１の移動電極７が一体的
にユニット化されて設けられる。これら電極間によって
覆われる面積の変化によりＸ軸方向およびＹ軸方向の力
を検出する。共通の基板１０の下面に枠体１８と第２の
移動電極１１を設け、これと対向した第２の枠体１９を
含む第２の固定電極１４を設ける。これら電極間距離の
変化によりＺ軸方向の力を検出する。このように外部か
らの３次元領域の力は、電極間の面積または距離の変化
を静電容量の変化として検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、外部からの力を電極間
の静電容量の変化に変換させ、その力をＸ軸方向、Ｙ軸
方向、Ｚ軸方向の成分にそれぞれ分解して検出する静電
容量式３次元触覚センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は特願平５−１５４５７５号に
おいて図５に示す静電容量式１次元リニアスケールを開
示した。これは同一基板上に長方形の送信電極１ａ、１
ｂと、送信電極１ａ、１ｂ間に位置し且つ互いに反比し
た向きの略三角形状の同形の受信電極２ａ、２ｂと、こ
れらの面に対して所定の距離を維持して且つ送信電極１
ａ、１ｂの延在する方向に平行移動する移動電極３とを
設け、移動電極３と受信電極２ａ、２ｂとの電極間によ
って覆われる面積Ａ、Ｂの増減によって変化する静電容
量の変化値を捕らえ、位置または移動距離を測定する静
電容量式リニアスケールである。

【０００３】上記した構成の静電容量式リニアスケール
において、本出願人は更に図６に示すように、移動電極
３の移動方向の両端部４、５にばね手段６を設けて移動
電極３をこれらばね手段により平衡する位置に待機さ
せ、外部からの一軸方向の荷重に対してかかる待機位置
から当該力の方向に移動できるように構成した。即ち、
移動電極３は外部からの力が加わることにより受信電極
２ａ、２ｂとの電極間距離を一定に保ちながら矢印Ｃ方
向に平行移動し、外部からの力がかからない状態におい
ては移動電極３が上記した所定の待機位置に戻る。この
ように外部からの力を移動電極３に加え、移動電極３と
受信電極２ａ、２ｂとによって覆われる（対面する）面
積Ａ、Ｂに対応する静電容量の変化に基づいて外部から
の力を測定する装置を改良した。

【発明が解決しようとする課題】

【０００４】しかしながら上述した装置では、例えばＸ
軸方向といった一軸方向のみの測定に限られ、Ｘ軸方
向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の３次元領域を同時に測定する
ことができない。また、上記の改良した静電容量式リニ
アスケールをＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向にそれぞれ
配置させて外部からの力を３次元領域で測定する場合、
３つの移動電極３を一体化して立体的に移動させなくて
はならず装置自体が大型化してしまう。

【０００５】本発明は、上記した問題点に鑑みてなされ
たものであり、簡単な構成により３次元領域におけるＸ
軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各成分を独立して分解
し、外部からの力を測定することができ、小型で信頼性
の高い静電容量式３次元触覚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】上記課題を解決するた
め、面上の固定電極を設けた固定電極板と面上の移動電
極を設けた移動電極板とを対向配置して構成され、前記
移動電極板の周囲に外部からの力に対して弾性変形可能
な弾性部材を設け、前記固定電極面上を移動電極が移動
することに伴う両電極間の静電容量の変化に基づいて外
部からの力を検出する静電容量式３次元触覚センサにお
いて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の力を測定する第１の固
定電極および第１の移動電極と、前記第１の固定電極は
同一平面上にＸ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ独立す
る少なくとも一つの受信電極と、前記第１の移動電極を
介して受信電極に信号を送る共通の送信電極と、前記第
１の固定電極および第１の移動電極を一体的にユニット
化する第１の枠体とを有し、前記第１の移動電極はＸ軸
方向およびＹ軸方向に前記第１の固定電極上を一定の電
極間距離を維持しながら移動可能とし、該第１の移動電
極によって第１の固定電極の前記受信電極が覆われる面
積の増減を静電容量の変化とし検出し、更にＺ軸方向の
力を測定する第２の固定電極と、第２の移動電極と、前
記第２の固定電極を固定配置する第２の枠体とを有し、
前記第２の移動電極は前記第１の枠体と共に第２の枠体
内に収容されてＺ軸方向に移動可能とし、前記第２の移
動電極と第２の固定電極とによって対向配置された電極
間の距離の変化を静電容量の変化として検出して、外部
からの力大きさおよび向きをＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸
方向の各成分に分解して測定することを特徴とする。

【０００７】また、前記第１の固定電極と第２の移動電
極とが共通する基板の上面と下面とにそれぞれ設けられ
ていることを特徴とする。

【０００８】更に、前記第１の固定電極と第１の移動電
極との電極間距離を一定に維持させる絶縁部材を前記第
１の固定電極と第１の移動電極との間に設けたことを特
徴とし、前記第１の移動電極は同一平面上にＸ軸方向お
よびＹ軸方向に対する静電容量の変化を検出する少なく
とも一つの独立した移動電極を有することを特徴とす
る。

【０００９】

【作用】このような構成において、外部から力が加わっ
た時、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の力の成分を検出するた
め、第１の枠体に一体的にユニット化された第１の移動
電極が第１の固定電極上を一定の電極間距離を維持しな
がら移動する。この移動により固定電極上の受信電極の
一部は移動電極によって覆われ、Ｘ軸方向およびＹ軸方
向に対するそれぞれの面積が増減される。このとき移動
電極の周囲に設けた弾性部材が外部からの力に対して弾
性変形しながら、第１の移動電極が待機位置から当該力
のかかる方向に移動する。また、力がかからない状態に
おいては、弾性変形していた弾性部材が復帰して移動電
極を所定の待機位置に戻す。

【００１０】Ｚ軸方向に対する外部からの力は、前記第
１の固定電極が設けられている共通の基板の反対側に配
置された第２の移動電極と、これに対向して配置される
第２の固定電極との電極間距離の変化を静電容量に変換
してＺ軸方向の力を検出する。このとき第２の移動電極
と第２の固定電極との間に設けた弾性部材が弾性変形し
ながら、第２の移動電極が待機位置から当該力の方向に
移動する。Ｚ軸方向に力がかからない状態では弾性部材
が復帰して移動電極を所定の待機位置に戻す。

【００１１】

【実施例】この発明の好適な実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明による第１の移動電極７の電極パ
ターンの一例を示す。図において、移動電極板８の下面
に略四角形状の第１の移動電極７が設けられている。移
動電極板８は、外部からの力が加わることによって後述
する第１の固定電極９と一定の電極間距離を維持しなが
らＸ軸方向およびＹ軸方向に移動可能としている。

【００１２】図２は、共通の基板１０の上面および下面
に形成された第１の固定電極９および第２の移動電極１
１の電極パターンの一例を示す。図において、共通の基
板１０の上面に第１の固定電極９として、中央部に第１
の移動電極７に信号を送る送信電極１２が設けられ、送
信電極１２を中心にＸ軸方向に一対の受信電極１３ａ、
１３ｂと、Ｙ軸方向に一対の受信電極１３ｃ、１３ｄと
が十字に直交した位置関係でそれぞれ電気的に独立して
設けられている。破線部は、第１の移動電極９であり、
一定の電極間距離を維持して共通の基板１０上面の待機
位置に対向して位置しており、送信電極１２および受信
電極１３ａ〜１３ｄの一部を覆っている。

【００１３】また、共通の基板１０の下面には、略四角
形状の第２の移動電極１１が設けられている。第２の移
動電極は、外部からの力が加わることによって後述する
第２の固定電極１４との電極間距離を変化させてＺ軸方
向に移動可能としている。

【００１４】信号の制御回路として、出力信号を送信電
極１２および第２の移動電極１１に送り込む発信器（Ｏ
ＳＣ）１５と受信電極１３ａ〜１３ｄおよび第２の固定
電極１４からの受信信号を測定する電流電圧変換器１６
とが設けられている。

【００１５】図３は、第２の固定電極１４の電極パター
ンの一例を示す。図において、固定電極板１７の上面に
略四角形状の第２の固定電極１４が設けられている。第
２の固定電極１４は前記第２の移動電極１１と対向して
配置され、この電極間距離の変化に対するＺ軸方向の静
電容量の変化量を電流電圧変換器１６に出力している。

【００１６】これらセンサに使用される電極は、金属箔
等の薄厚の適当な電気導伝体よりなり、電気的に絶縁さ
れて同一平面上に形成されている。これら電極は、例え
ばプリント基板等の電気絶縁板上に蒸着、エッチングあ
るいは接着等により形成することができる。また、実施
例においては略四角形状の電極を使用したが、これに限
定されることはなく、例えば円形、略三角形状等の電極
を用いることも可能である。

【００１７】図４は、図１に示す第１の移動電極７、図
２に示す第１の固定電極９および第２の移動電極１１、
図３に示す第２の固定電極１４とを用いた静電容量式３
次元触覚センサをＸ軸方向で切断した断面図を示す。図
示のセンサは、上記した電極を含み、第１の枠体１８お
よび第２の枠体１９によって組み立てた状態を示す。第
１の枠体１８は、送信電極１２および受信電極１３ａ〜
１３ｄと第２の移動電極１１とを設けた共通の基板１０
と、基板１０の上方に一定の電極間距離を維持してＸ軸
方向およびＹ軸方向に移動可能に位置する第１の移動電
極７とから構成されている。第２の枠体１９は、共通の
基板１０の下方に位置する第２の固定電極１４と、上記
した第１の枠体１８とから構成されており、対向した第
２の移動電極１１および第２の固定電極１４との電極間
距離をＺ軸方向に移動可能としている。

【００１８】第１の移動電極７を基板１０上の第１の固
定電極９と一定の電極間距離を維持させるため、第１の
固定電極９と第１の移動電極７との面は、電気絶縁部材
２２等を挟んで平行に所定の電極間距離を隔てて対向す
るように設けられている。絶縁部材２２は、フッ素樹脂
やポリエチレン樹脂等のフィルム状のものが好適に使用
され、接着剤等によって固着されるか基板１０上に配置
される。尚、絶縁部材２２は移動電極７を移動させるた
め摩擦係数の比較的小さい部材が好適に使用され、本実
施例においてはテフロンテープが絶縁部材２２として好
適に使用することができ、固定電極９または移動電極７
の両方またはいずれか一方に張り付けて移動電極板８を
移動可能とする。また、絶縁部材２２の代わりに電極パ
ターンに接触しない位置にガイドレール等のガイド部材
を設けても良い。

【００１９】基板１０の四方の外周面は、枠体１８に固
定もしくは密着されており、移動電極板８と後述する弾
性部材２０とを保持している。これにより枠体１８内に
移動電極板８と基板１０とを一体的にユニット化してい
る。また移動電極板８の上面には加圧板２３が設けられ
ており、加圧板２３は外部からの３次元方向の力を移動
電極板８に伝達している。更に、ユニット化された枠体
１８は、枠体１９の内壁を密着してＺ軸方向（図で見て
上下方向）に沿って移動可能としている。

【００２０】移動電極板８は、第１の枠体１８の内側よ
り小さく形成されている。枠体１８の四方の内側と移動
電極板８の四方の外周面との隙間には弾性部材２０が設
けられている。移動電極板８は外部からのＸ軸方向およ
びＹ軸方向の力によって弾性部材２０を弾性変形させな
がら力の加わった方向に移動し、移動電極７と固定電極
９とによって覆われる面積に対応する静電容量の変化量
を測定する。また、外部からの力が移動電極板８に加わ
らない場合において、弾性部材２０は弾性変形して元の
形状に戻り、所定の待機位置に移動電極板８を戻す。

【００２１】更に、上記したユニット化された第１の枠
体１８と固定電極板１７との間には弾性部材１７が設け
られている。枠体１８は外部からのＺ軸方向の力によっ
てのみ弾性部材を弾性変形させ、力の加わった方向に移
動して第２の移動電極１１と第２の固定電極１４との電
極間距離に対応する静電容量の変化量を測定する。ま
た、外部からの力が加わらない場合において、弾性部材
２１は弾性変形して元の形状に戻り、第１の枠体１８、
即ち共通の基板１０を所定の待機位置に戻す。

【００２２】上記した弾性部材２０、２１は、シリコン
ゴム、ウレタンゴム等のゴム材料もしくは板ばね、コイ
ルばね等のばね手段が好適に使用される。弾性部材２
０、２１は、使用される電極の近傍に位置するため、電
気絶縁体を使用することが望ましく、実施例においては
シリコンゴムが更に好適に用いられる。また、移動電極
板８と枠体１８との隙間をなくすために移動電極板８の
全外周面に弾性部材２０を配置すること望ましい。更
に、弾性部材２０、２１の硬度、大きさ等を選択するこ
とによって外部からの力に対して所望の感度を調整する
ことが可能となる。

【００２３】このような構成において、本発明による静
電容量式３次元触覚センサの測定原理を説明する。対面
する電極間の静電容量Ｃは、電極間の距離ｄおよび対向
する電極部の面積Ｓに関して次式で示される。 Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ……（１） 誘電率εは同一条件下において一定であるため、静電容
量Ｃは、対向する電極間の距離ｄに反比例し、対向する
電極部の面積Ｓに比例する。ここで、電極間の距離を一
定とすることにより、静電容量Ｃは対向して覆われる電
極部の面積Ｓに対してのみ比例関係を有することとな
る。即ち、外部からの力によって移動する移動電極と固
定配置された固定電極間とは一定の距離を隔てて配置さ
れる。この電極間によって覆われる面積Ｓに対する静電
容量Ｃの変化量を測定することにより移動電極の移動距
離および方向を特定することができる。また、対向する
電極部の面積Ｓを一定とすることにより、静電容量Ｃは
対向する電極間の距離ｄのみに反比例関係を有すること
となる。即ち、外部からの力によって移動する移動電極
と固定電極との電極間の距離ｄに対する静電容量Ｃの変
化量を測定することにより移動電極の移動距離を特定す
ることができる。このように電極間の面積Ｓまたは距離
ｄのいずれかを一定とすることにより移動電極の変位量
のみの一次関数となり誘電率ε、電源の周波数電圧、電
極間の距離または面積をすべてキャンセルでき、これら
を組み合わせることにより、極めて安定度の高い静電容
量式３次元触覚センサを実現できる。かかる受信信号は
不図示の演算回路によって演算され、適当なディスプレ
イ等により表示される。

【００２４】次に静電容量式３次元触覚センサの測定方
法について説明する。外部からの力が静電容量式３次元
触覚センサの加圧板２３に加わると、Ｘ軸方向およびＹ
軸方向に対する力が弾性部材２０を弾性変形させなが
ら、移動電極板８の第１の移動電極７が所定の待機位置
から共通の基板１０上面の受信電極１３ａ〜１３ｄ上を
一定の電極間距離を維持しながら移動する。移動電極７
が移動した距離を移動電極７と受信電極１３ａ〜１３ｂ
とによって覆われた面積に対応する静電容量としてＸ軸
方向およびＹ軸方向についてそれぞれ検出する。

【００２５】Ｚ軸方向に対する力は、第１の枠体１８に
伝達され、弾性部材２１を弾性変形させながら、共通の
基板１０の下面に設けた第２の移動電極１１を所定の待
機位置から第２の固定電極１４と対面する方向に移動す
る。移動電極１１が移動した電極間距離の変化量に対応
する静電容量としてＺ軸方向について検出する。移動電
極によって変化した静電容量の差とあらかじめ入力され
た弾性部材の荷重に対応するデータとを演算処理部によ
って演算し、外部からの力をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸
方向とに分解して計測する。

【００２６】実施例では４つの第１の受信電極１３ａ〜
１３ｄを設けたが、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に対してそれぞ
れ一つの移動電極１３ａ、１３ｃを設けるだけでも良
い。

【００２７】尚、上記した例においては、「外部からの
力」を移動電極板１４に対し直接に接触して移動電極を
移動させる力として示し、その大きさおよび向きを検出
する静電容量式３次元触覚センサを説明した。しかしな
がら、「外部からの力」としては必ずしも直接に移動電
極板に接触する力である必要がなく、加速度、磁力など
の移動電極板に対して非接触の力であっても良く、これ
らの力の大きさおよび向きを移動電極に直接ふれずに同
様に測定することができる。一例として自動車等に本発
明による静電容量式３次元触覚センサを設置し、自動車
の走行時の加速度により（非接触で）加圧板２３にモー
メントを与えて移動させ、３次元領域の加速度の大きさ
および向きを測定することができる。また、磁力の測定
にあたっては、本発明による静電容量式３次元触覚セン
サの移動電極板を磁性体として、あるいは移動電極板に
磁性体を固定し、磁力により移動電極を非接触で移動さ
せることにより３次元方向の磁力の大きさおよび向きを
測定することが可能である。

【００２８】

【発明の効果】本発明の静電容量式３次元触覚センサ
は、第１の移動電極と第１の固定電極とにより外部から
の力をＸ軸方向とＹ軸方向に分解し、第２の移動電極と
第２の固定電極により外部からの力をＺ軸方向に分解す
るという構成としたことによりＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ
軸方向に対する力の大きさおよび向きをそれぞれ独立し
て測定することができ、確実且つ正確に３次元に対する
力の強度を測定することができる。また、弾性部材の硬
度、大きさ等を選択して変えることにより所望の力に応
答する静電容量式３次元触覚センサを提供することがで
きる。

【００２９】また、第１の移動電極と第１の固定電極と
の電極間に絶縁部材を設けることにより、電極間の距離
を一定に維持することができ正確な測定を行うことがで
きる。更に、第１の固定電極上に送信電極および受信電
極を配置することにより、第１の固定電極のみに配線す
れば良く、第１の移動電極に配線を施す必要がなくな
り、静電容量式３次元触覚センサの組立およびメンテナ
ンス等が容易となる。

【００３０】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による静電容量式３次元触覚センサの
第１の移動電極を示す平面図。

【図２】 本発明による静電容量式３次元触覚センサの
共通基板を示す平面図。

【図３】 本発明による静電容量式３次元触覚センサの
第２の固定電極を示す平面図。

【図４】 本発明による静電容量式３次元触覚センサを
Ｘ軸方向に切断した状態を示す断面図。

【図５】 従来例による静電容量式リニアスケールを示
す図。

【図６】 改良した静電容量式リニアスケールを示す
図。

【符号の説明】

１ 送信電極 ２ 受信電極 ３ 移動電極 ７ 第１の移動電極 ８ 移動電極板 ９ 第１の固定電極 １０ 基板 １１ 第２の移動電極 １２ 送信電極 １３ａ〜１３ｄ 受信電極 １４ 第２の固定電極 １５ 発信器 １６ 電流電圧変換器 １７ 固定電極板 １８、１９ 枠体 ２０、２１ 弾性部材 ２２ 絶縁部材 ２３ 加圧板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 面上の固定電極を設けた固定電極板と面
   上の移動電極を設けた移動電極板とを対向配置して構成
   され、前記移動電極板の周囲に外部からの力に対して弾
   性変形可能な弾性部材を設け、前記固定電極面上を移動
   電極が移動することに伴う両電極間の静電容量の変化に
   基づいて外部からの力を検出する静電容量式３次元触覚
   センサにおいて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の力を測定す
   る第１の固定電極および第１の移動電極と、前記第１の
   固定電極は同一平面上にＸ軸方向およびＹ軸方向にそれ
   ぞれ独立する少なくとも一つの受信電極と、前記第１の
   移動電極を介して受信電極に信号を送る共通の送信電極
   と、前記第１の固定電極および第１の移動電極を一体的
   にユニット化する第１の枠体とを有し、前記第１の移動
   電極はＸ軸方向およびＹ軸方向に前記第１の固定電極上
   を一定の電極間距離を維持しながら移動可能とし、該第
   １の移動電極によって第１の固定電極の前記受信電極が
   覆われる面積の増減を静電容量の変化とし検出し、更に
   Ｚ軸方向の力を測定する第２の固定電極と、第２の移動
   電極と、前記第２の固定電極を固定配置する第２の枠体
   とを有し、前記第２の移動電極は前記第１の枠体と共に
   第２の枠体内に収容されてＺ軸方向に移動可能とし、前
   記第２の移動電極と第２の固定電極とによって対向配置
   された電極間の距離の変化を静電容量の変化として検出
   して、外部からの力大きさおよび向きをＸ軸方向、Ｙ軸
   方向、Ｚ軸方向の各成分に分解して測定することを特徴
   とする静電容量式３次元触覚センサ。
2. 【請求項２】 前記第１の固定電極と第２の移動電極と
   が共通する基板の上面と下面とにそれぞれ設けられてい
   ることを特徴とする請求項１記載の静電容量式３次元触
   覚センサ。
3. 【請求項３】 前記第１の固定電極と第１の移動電極と
   の電極間距離を一定に維持させる絶縁部材を前記第１の
   固定電極と第１の移動電極との間に設けたことを特徴と
   する請求項１または２記載の静電容量式３次元触覚セン
   サ。
4. 【請求項４】 前記第１の移動電極は同一平面上にＸ軸
   方向およびＹ軸方向に対する静電容量の変化を検出する
   少なくとも一つの独立した移動電極を有することを特徴
   とする請求項１乃至３いずれか記載の静電容量式３次元
   触覚センサ。