JPH085482A - 静電容量式触覚センサ - 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ことに
より正確で信頼性の高い静電容量式触覚センサを提供す
る。 【構成】 枠体に固定された共通の基板１２の上面に第
１の固定電極９を設け、固定電極９とこれに対向する一
定の電極間距離を維持しながら平行移動する第２の移動
電極７ａ〜７ｄを設ける。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。基板１２の下面に第２の固定電極１１を設け、固
定電極１１とこれに対向して覆われる面積を一定として
Ｚ軸方向に電極間距離を移動する第２の移動電極１３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、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸についてそれぞれ独立して測
定される。

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触覚センサにおいて、Ｘ軸方
向およびＹ軸方向に対する力の大きさおよび向きを検出
する第１の固定電極および第１の移動電極と、Ｚ軸方向
に対する力の大きさおよび向きを検出する第２の固定電
極および第２の移動電極とを有し、前記第１の移動電極
は前記第１の固定電極面に対して一定の電極間距離を維
持しながら平行移動し、第１の移動電極と第１の固定電
極によって覆われる電極間の面積の変化、並びに、前記
第２の固定電極面と第２の移動電極面との電極間距離の
変化をそれぞれ静電容量の変化として検出し、外部から
の力を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の固定電極もしくは第１の
移動電極と、第２の固定電極もしくは第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
対するそれぞれの移動電極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７ａ〜ｄの
電極パターンの一例を示す。図において、移動電極板８
の上面にＸ軸方向に一対の移動電極７ａ、７ｂと、Ｙ軸
方向に一対の移動電極７ｃ、７ｄとが直交してそれぞれ
電気的に独立して設けられている。破線部は、後述する
第１の固定電極９であり、一定の電極間距離を有して第
１の移動電極板８上面の待機位置に位置している。第１
の移動電極７ａ〜ｄは外部からの力が加わることにより
移動電極板８の移動に伴ってＸ軸方向およびＹ軸方向に
移動し、第１の移動電極７ａ〜ｄと第１の固定電極９と
によって覆われる面積がＸ軸方向およびＹ軸方向に対し
てそれぞれ変化し、これら面積の増減に対する静電容量
の値を電流電圧変換器１０に出力している。

【００１２】図２は、第１の固定電極９および第２の固
定電極１１の電極パターンの一例を示す。図において、
共通の基板１２の上面と下面とにそれぞれ略四角形状の
第１の固定電極９と第２の固定電極１１とが設けられて
いる。第１の固定電極９は図１の破線部の待機位置に位
置するように設けられ、第２の固定電極１１は後述する
第２の移動電極１３と対向する待機位置に設けられてい
る。また、第１の固定電極９および第２の固定電極１１
に出力信号を出力するため、発信器（ＯＳＣ）１４、１
５がそれぞれ設けられ、あるいは共通の唯一の発信器が
設けられている。

【００１３】図３は、第２の移動電極１３の電極パター
ンの一例を示す。図において、移動電極板１４上に第２
の略四角形状の移動電極１３が設けられており、前記第
２の固定電極１１との電極間距離の変化に対するＺ軸方
向の静電容量の値を電流電圧変換器１０に出力してい
る。

【００１４】これら固定電極９、１１および移動電極７
ａ〜７ｄ、１４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、これに限定されず、例えば円形、略三角
形状等の電極を用いても良い

【００１５】図４は、図１に示す第１の移動電極７ａ〜
７ｄ、図２に示す第１の固定電極９および第２の固定電
極１１、図３に示す第２の移動電極１３とを用いた静電
容量式触覚センサをＸ軸方向で切断した断面図を示す。
図示のセンサは枠体１５を含み、中央に第１の固定電極
９と第２の固定電極１１とを設けた共通の基板１２と、
基板１２の上方に位置する第１の固定電極９と一定の電
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
な第１の移動電極７ａ〜７ｂと、共通の基板１２の下方
に位置してＺ軸方向に第２の固定電極１１と電極間距離
を変化させる第２の移動電極１３と、台座１９とを組み
立てた状態を示す。枠体１５と共通の基板１２の四方の
外周面とは固定されており、移動電極板８、１４を後述
する弾性部材１６、１７等による保持または移動させる
ためのガイドを兼ねている。

【００１６】第１の移動電極７ａ〜７ｄを基板１２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７ａ〜７ｄとの
面は、電気絶縁部材１８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
１８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１２上に配置される。尚、絶縁部材１８は移動電
極７ａ〜７ｄ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１８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７ａ〜７ｄ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１８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。

【００１７】移動電極板８は、枠体１５の内側より小さ
く形成されている。枠体１５の四方の内側と移動電極板
８の四方の外周面との隙間には弾性部材１６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１６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７ａ〜７ｄ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１６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。

【００１８】一方、移動電極板１４は、枠体１５の内側
（Ｘ、Ｙ軸方向）とほぼ同じ寸法形状で形成され、枠体
１５内部をＺ軸方向（図で見て上下方向）に移動可能に
設けられている。共通の基板１２と移動電極板１４を挟
んで弾性部材１７が設けられている。移動電極板１４は
外部からの力によって弾性部材を弾性変形させながら力
の加わった方向に移動し、第２の移動電極１１と第２の
固定電極１３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、外部からの力が移動電極板１４に
加わらない場合において、弾性部材１７は弾性変形して
元の形状に戻り、移動電極板１４を所定の待機位置に戻
す。更に、移動電極板１４の下方に台座１９がＺ軸方向
に加わる力に対して枠体１５を移動するように設けられ
ている。例えば、３次元の力が移動電極板８に加わるこ
とでＸ軸方向、Ｙ軸方向の力を測定するのみならず、Ｚ
軸方向の力を測定することができる。

【００１９】弾性部材１６、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１６、
１７は固定電極９、１１および移動電極７ａ〜７ｄ、１
３の近傍に位置するため電気絶縁体を使用することが望
ましい。実施例においてはシリコンゴムが更に好適に用
いられ、移動電極板８と枠体１５との隙間をなくすため
に移動電極板８の全周に弾性部材１６を配置すること望
ましい。また、弾性部材１６、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。

【００２０】このような構成において、本発明による静
電容量式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に対する静電容
量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に対する静電容量の変化量を測
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または距離のいずれか
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。

【００２１】次に静電容量式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触覚センサに
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１６を弾性変形させながら、第１の移動電極７ａ〜７
ｄが所定の待機位置から第１の固定電極９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７ａ〜７ｄ
が移動した距離を移動電極７ａ〜７ｄと固定電極９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。Ｚ軸方向に
対する力は弾性部材１７を弾性変形させながら、第２の
移動電極１３が所定の待機位置から第２の固定電極１１
と対面する方向に移動する。移動電極１３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。

【００２２】実施例では４つの第１の移動電極７ａ〜７
ｄ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７ａ、７ｃを設けるだけでも良く、また固
定電極９と移動電極７ａ〜７ｄとの電極パターンを入れ
換えても良い。更に、実施例として共通の基板１２を枠
体１５に固定し、共通基板１２の上面に第１の固定電極
９と下面に第２の固定電極１１とを設けた構成であった
が、Ｚ軸方向に基板１２を移動可能とし、この上面に第
１の固定電極９と下面に第２の移動電極１３とを設け、
基板１２に対向して枠体１５に固定された第２の固定電
極を設けた構成であっても良い。更にまた、基板１２を
Ｚ軸方向に移動可能とし、この上面に第１の移動電極７
ａ〜７ｄと下面に第２の固定電極１１とを設け、基板１
２に対向して枠体１５に固定された第１の固定電極９を
設けた構成であっても良い。

【００２３】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）移動電極板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。

【００２４】

【発明の効果】本発明の静電容量式触覚センサは、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
電容量式触覚センサを提供することができる。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。

【００２５】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による静電容量式触覚センサの第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触覚センサの第２の
移動電極を示す平面図。

【図４】 本発明による静電容量式触覚センサを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 ７ａ〜７ｄ 第１の移動電極 ８ 移動電極板 ９ 第１の固定電極 １０ 電流電圧変換器 １１ 第２の固定電極 １２ 基板 １３ 第２の移動電極 １４ 移動電極板 １５ 枠体 １６、１７ 弾性部材 １８ 絶縁部材

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触覚センサにおい
   て、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に対する力の大きさおよび
   向きを検出する第１の固定電極および第１の移動電極
   と、Ｚ軸方向に対する力の大きさおよび向きを検出する
   第２の固定電極および第２の移動電極とを有し、前記第
   １の移動電極は前記第１の固定電極面に対して一定の電
   極間距離を維持しながら平行移動し、第１の移動電極と
   第１の固定電極によって覆われる電極間の面積の変化、
   並びに、前記第２の固定電極面と第２の移動電極面との
   電極間距離の変化をそれぞれ静電容量の変化として検出
   し、外部からの力を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触
   覚センサ。
2. 【請求項２】 前記第１の固定電極もしくは第１の移動
   電極と、第２の固定電極もしくは第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触覚セ
   ンサ。