JPH085481A - 静電容量式力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ２次元領域における外部からの力を、対向す
る電極間によって覆われる面積の変化をＸ軸方向および
Ｙ軸方向にそれぞれ独立して静電容量の変化値として検
出することにより正確で信頼性の高い静電容量式力セン
サを提供する。 【構成】 固定電極板８の中央部に送信電極１を、送信
電極１と直交するＸ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ対
の受信電極２ｃ〜２ｆを設け、これら電極に対向して一
定の電極間距離を保って移動電極３が位置するように移
動電極板が平行移動可能に設けられている。外部からの
力が移動電極板に加わり移動電極３がこの力の方向に前
記の一定の電極間器距離を維持しながら移動する。この
移動電極３の移動に伴い、受信電極２ｃ〜２ｆとによっ
て覆われる面積が変化し、この変化を静電容量として検
出し、外部からの力の大きさおよび向きを測定する。

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軸方向および
Ｙ軸方向に分解して検出する静電容量式力センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は特願平５−１５４５７５号に
おいて図４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、
１ｂ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隔てて且つ送信電極１
ａ、１ｂの延在する方向に平行移動する移動電極３とを
設けて有し、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５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６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
の力を測定するように装置を改良した。

【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
軸方向の一軸方向のみの測定に限られ、Ｘ軸およびＹ軸
の２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軸方向お
よびＹ軸方向にそれぞれ配置させて外部からの力を２次
元領域で測定する場合、２つの移動電極３を一体化して
平面上を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】また、図６に示すように同一面積の固定電
極７と移動電極３を一定距離を隔てて対面して配置さ
せ、Ｘ軸およびＹ軸方向に移動電極３を移動させて固定
電極７とによって覆われる面積の変化を静電容量に変換
して外部からの力を検出する。。しかしながら固定電極
８と移動電極３とによって覆われる面積はＸ軸成分とＹ
軸成分とが混在しているため力の大きさおよび向きを特
定することが困難となり、計測される静電容量をＸ軸と
Ｙ軸の成分に分解する必要がある。この信号を分解する
ために静電容量の信号を演算する回路が複雑化し、装置
本体の組立等が繁雑となってしまう。

【０００６】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２次元におけるＸ軸方
向およびＹ軸方向の成分を分解して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力セン
サを提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、対向配置された固定電極と移動電極から構成され、
前記移動電極板の周囲に外部からの力に対して伸縮自在
の弾性部材を設け、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力センサにおいて、前記固定電極
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
する少すくなくとも一つの受信電極と、前記移動電極を
介して受信電極に信号を送る共通の送信電極とを有し、
前記移動電極はＸ軸方向およびＹ軸方向に固定電極面上
を一定の電極間距離を維持しながら移動可能とし、該移
動電極によって受信電極が覆われる面積の増減を静電容
量に変換して外部からの力をＸ軸方向およびＹ軸方向に
ついてそれぞれ分解して検出することを特徴とする。

【０００８】また、前記固定電極と移動電極との電極間
距離一定に維持させる絶縁部材を設けたことを特徴とす
る。

【０００９】更に、前記固定電極の中央部に送信電極
と、前記送信電極を直交させてＸ軸方向およびＹ軸方向
にそれぞれに一対の受信電極とが設けられ、移動電極の
移動に伴って移動電極と受信電極とによって覆われる面
積をＸ軸方向およびＹ軸方向に独立して増減させて静電
容量の変化を検出することを特徴とする。

【００１０】

【作用】このような構成において、移動電極が外部から
の力により固定電極上を絶縁部材を挟んで一定の距離を
維持して移動する。この移動によりＸ軸方向およびＹ軸
方向にそれぞれ対応する固定電極上の受信電極が移動電
極の移動により覆われ、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
たわむ。また、外部からの力がかからない状態において
はたわんでいた弾性部材が復元されて移動電極を所定の
待機位置に戻る。

【００１１】一方、固定電極上の送信電極から移動電極
に信号が送られる。更に移動電極から送られた信号は受
信電極に送られ、前記したＸ軸方向およびＹ軸方向に対
応する面積の増減に対する移動電極と受信電極間との静
電容量が検出され、この信号を演算することにより２次
元領域に対する力をＸ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ
分離して外部からの力の大きさおよび向きを測定する。

【００１２】

【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は固定電極８の上に形成した本発明による
固定電極７の電極パターンの一例を示す。図において、
固定電極板８の上面の中央部に後述する移動電極３に信
号を送る送信電極１が設けられ、送信電極１を中心にＸ
軸方向に一対の受信電極２ｃ、２ｄと、Ｙ軸方向に一対
の受信電極２ｅ、２ｆとが十字に直交した位置関係で設
けられている。これら送信電極１および受信電極２ｃ〜
２ｆは金属箔等の薄厚の適当な電気導電体よりなり、電
気的に絶縁されて平面の同一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性の板上
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。

【００１３】図示のように送信電極１は正方形の形状を
しており、後述する移動電極３面と対向させて一定の距
離を隔てており、場合によっては絶縁部材１１を介して
移動電極に信号を送り込んでいる。送信電極１は移動電
極３の移動範囲内に位置している。移動電極３に覆われ
る面積は常に一定であるため送信電極１の形状に限定は
なく、例えば、円形、長方形等の形状であっても良い。
受信電極２ｃ〜２ｆは、長方形の形状をしており、送信
電極１を囲むようにそれぞれ電気的に独立して配置され
ている。受信電極２ｃ〜２ｆは移動電極３によって覆わ
れる面積に対する静電容量を測定するため、同一の形状
が望ましい。信号の制御回路として、出力信号を送信電
極１に送り込む発振器（ＯＳＣ）１２と、それぞれの受
信電極２ｃ〜２ｆからの受信信号を測定する電流電圧変
換器１３とが設けられている。

【００１４】図２は移動電極３の電極パターンの一例を
示す。移動電極板１４上に移動電極３を設け、移動電極
３を固定電極板８上の固定電極７と一定の電極間距離を
維持させるため固定電極７と移動電極３との面は、電気
絶縁部材１１等を間に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１１の
代わりに、固定電極７のパターンの位置以外にガイドレ
ール等のガイド部材を設けて移動電極と固定電極との電
極間距離を一定に維持しても良い。図１の破線は基準の
待機位置に位置した移動電極３を示すものであり、この
位置においては移動電極３は完全に送信電極を覆ってお
り、更に受信電極２ｃ〜２ｆの一部をそれぞれ覆って位
置している。

【００１５】図を３は図１に示す移動電極３と固定電極
７を用いた静電容量式力センサのＸ軸方向で切断した断
面図を示す。図示のセンサは枠体１５を含み、図１の送
信電極１と受信電極２ｃ〜２ｆとを含む固定電極板８
と、図２の移動電極３を含む移動電極板１４とを組み立
てた状態を示す。枠体１５と固定電極板８とは固定され
ており、固定電極板８表面には送信電極１とＸ軸方向
（Ｙ軸方向）の変位量を検出する受信電極２ｃ、２ｄ
（２ｅ、２ｆ）とが設けられている。上記した実施例で
は４つの受信電極２ｃ〜２ｆを設けたが、Ｘ軸方向、Ｙ
軸方向に対してそれぞれ一つずつの受信電極２ｃ、２ｅ
を設けても良い。固定電極板８の上面には一定の厚みを
有するフッ素樹脂やポリエチレン樹脂等のフィルム状の
電気絶縁部材１１を有し、該絶縁部材１１は接着剤等に
よって固定電極８に固着されるか、あるいは移動電極板
１４に固着されて固定電極板８上に配置される。絶縁部
材１１の上面には枠体１５内を移動可能に移動電極３を
設けた移動電極板１４が配置されており、上記した絶縁
部材１１を介しているため移動電極３がＸ軸方向、Ｙ軸
方向のいずれの方向に移動しても移動電極３と固定電極
７との間は平行状態にあり、常に一定の電極間距離が保
たれている。尚、絶縁部材１１は移動電極３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
る。

【００１６】本実施例においては絶縁部材としてテフロ
ンテープが好適に使用することができ、固定電極板８ま
たは移動電極板１４の両方またはいずれか一方に張り付
けて移動電極３を移動可能とする。また、外部からの力
が移動電極３に伝達され易いように移動電極板１４に加
圧板１６を設けても良い。

【００１７】移動電極３は枠体１５の内部より小さく形
成されている。枠体１５の四方の内側と移動電極板１４
の四方の外周面との隙間には弾性部材１７が設けられて
いる。外部から力が移動電極３に加わり、次いで弾性部
材１７に力が伝達されて弾性部材１７がたわみ、移動電
極３が力の加わった方向に移動する。また、外部からの
力が移動電極３に加わらない状態において弾性部材１７
は反発力によって元の形状に戻り、所定の待機位置に移
動電極３を戻す。弾性部材１７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。また、弾性部材１７は固
定電極７や移動電極３の近傍に位置するため絶縁体を使
用することが望ましい。実施例においてはシリコンゴム
が特に好適に用いられ、移動電極板１４と枠体１５との
隙間をなくすために移動電極板１４の全周に弾性部材１
７を配置することが望ましい。また、弾性部材１７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。

【００１８】このような構成において、本発明による静
電容量式力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Ａに関して次式で示される。 Ｃ＝ε・Ａ／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に反比例し、対向する電
極部の面積に比例する。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Ａ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
された受信電極間とは一定の距離を隔てて配置する。こ
の電極間によって覆われる面積に対する静電容量ほ変化
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。このように移動電極の変位量
のみの一次関数となり誘電率ε、電源の周波数電圧、電
極間の距離をすべてキャンセルでき、極めて安定度の高
い静電容量式力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。

【００１９】次に静電容量式力センサの測定方法につい
て説明する。外部からの力が加圧板１６に力が加わる
と、弾性部材１７がたわませながら、移動電極３が待機
位置から固定電極７上を力の向きに移動する。移動電極
３が移動した距離を移動電極３と受信電極２ｃ〜２ｆ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軸方向にそれぞれ検出する。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軸方向とＹ軸方向に分解して計測する。

【００２０】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
する静電容量式力センサを説明した。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
る静電容量式力センサを設置し、自動車の走行時の加速
度により（非接触で）移動電極板１４にモーメントを与
えて移動させ、２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力センサの加圧板１６を磁
性体とし、あるいは加圧板１６に磁性体を固定し、磁力
により移動電極３を非接触で移動させることにより２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。

【００２１】

【発明の効果】本発明の静電容量式力センサは、受信電
極をそれぞれＸ軸方向とＹ軸方向とに独立して設け、移
動電極を絶縁部材上に平行に移動することにより確実に
力の大きさおよび向きを測定することができる。また、
固定電極上に送信電極と受信電極とを配置することによ
り、固定電極のみに配線をすれば良く、移動電極に配線
を施す必要がなく製造またはメンテナンスが簡単にでき
る。更に、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力センサを提
供することができる。

【００２２】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による静電容量式力センサの固定電極
を示す平面図。

【図２】 本発明による静電容量式力センサの移動電極
を示す平面図。

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

【図４】 従来例による静電容量式リニアスケールを示
す図。

【図５】 改良された静電容量式リニアスケールを示す
図。

【図６】 従来例の一例を示す図。

【符号の説明】

１ 送信電極 ２ 受信電極 ３ 移動電極 １１ 絶縁部材 １５ 枠体 １７ 弾性部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向配置された固定電極を設けた面状の
   固定電極板と移動電極を設けた面状の移動電極板とから
   構成され、前記移動電極板の周囲に外部からの力に対し
   て伸縮自在の弾性部材を設け、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力センサにおいて、前
   記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を
   有し、前記移動電極はＸ軸方向およびＹ軸方向に固定電
   極面上を一定の電極間距離を維持しながら移動可能と
   し、該移動電極によって受信電極が覆われる面積の増減
   を静電容量に変換して外部からの力をＸ軸方向およびＹ
   軸方向についてそれぞれ分解して検出することを特徴と
   する静電容量式力センサ。
2. 【請求項２】 前記固定電極と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固定電極と移動電極との
   間に設けたことを特徴とする請求項１記載の静電容量式
   力センサ。
3. 【請求項３】 前記固定電極の中央部に送信電極と、前
   記送信電極を直交させてＸ軸方向およびＹ軸方向にそれ
   ぞれに一対の受信電極とが設けられ、移動電極の移動に
   伴って移動電極と受信電極とによって覆われる面積をＸ
   軸方向およびＹ軸方向に独立して増減させ、静電容量の
   変化を検出することを特徴とする請求項１または２記載
   の静電容量式力センサ。