WO2021246022A1 - センサ装置 - Google Patents

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WO2021246022A1
WO2021246022A1 PCT/JP2021/011002 JP2021011002W WO2021246022A1 WO 2021246022 A1 WO2021246022 A1 WO 2021246022A1 JP 2021011002 W JP2021011002 W JP 2021011002W WO 2021246022 A1 WO2021246022 A1 WO 2021246022A1
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WO
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sensor device
force
sensor
capacitance
detection
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/011002
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
博 渡邊
貴敏 加藤
優太 青木
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
Priority to JP2022528449A priority Critical patent/JP7439920B2/ja
Publication of WO2021246022A1 publication Critical patent/WO2021246022A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/26—Auxiliary measures taken, or devices used, in connection with the measurement of force, e.g. for preventing influence of transverse components of force, for preventing overload

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device that detects a force and proximity due to contact with an object.
  • Patent Documents 1 to 3 various sensors that are mounted on a robot hand or the like and enable various sensing such as proximity or contact of an object have been proposed (for example, Patent Documents 1 to 3).
  • Patent Document 1 discloses a near-contact sensor having a function as a capacitive proximity sensor and a function as a magnetic tactile sensor.
  • the electrode for detecting the capacitance is formed of a rigid body having conductivity, and the magnetic body is integrally attached to the electrode. Further, an elastic body made of a material that does not prevent the magnetic sensor from detecting a change in the magnetic field is arranged outside the electrode and the magnetic body.
  • Patent Document 2 discloses an optical tactile sensor capable of measuring 6-axis force.
  • Patent Document 3 discloses a force sensor that detects a shear force using a variable frame.
  • various contact forces are sensed by an object in an optical mechanism utilizing deformation of an elastic body.
  • the near-contact sensor of Patent Document 1 requires a complicated structure in which an electrode to which a magnetic material is attached is embedded in an elastic body, and the proximity sensing function and the tactile sensing function are designed independently. Becomes difficult.
  • An object of the present invention is to provide a sensor device capable of both detecting the proximity of an object and the force due to the contact of the object with a simple mechanism.
  • the sensor device detects a force and proximity due to contact with an object.
  • the sensor device includes a force detection unit, a substrate, and one or more detection electrodes.
  • the force detection unit deforms in response to the contact of an object and detects the force.
  • a force detection unit is provided on the substrate.
  • the detection electrode is configured as a force detection unit and at least a part of the exterior of the substrate, and detects the proximity of an object based on a change in capacitance.
  • the sensor device in a simple mechanism such as using the exterior of the sensor device as a capacitance detection electrode, it is possible to both detect the proximity of an object and the force due to the contact of the object.
  • a perspective view illustrating the internal structure of the sensor device of FIG. Sectional drawing of the sensor device of FIG. A block diagram illustrating the configuration of the control unit of the sensor device according to the first embodiment.
  • a perspective view illustrating the internal structure of the sensor device of FIG. Sectional drawing of the sensor device of FIG. A block diagram illustrating the configuration of the control unit of the sensor device according to the second embodiment.
  • each embodiment is an example, and partial replacement or combination of the configurations shown in different embodiments is possible.
  • the description of the matters common to the first embodiment will be omitted, and only the differences will be described.
  • the same action and effect due to the same configuration will not be mentioned sequentially for each embodiment.
  • FIG. 1A illustrates a sensor device 1 that functions as a proximity sensor.
  • FIG. 1B illustrates a sensor device 1 that functions as a force sensor.
  • the sensor device 1 of the present embodiment is a sensor module that has both functions of a proximity sensor and a force sensor.
  • the sensor device 1 can be applied to, for example, in a robot hand, for detecting various objects to be grasped as an object 5. It can also be applied to human-machine interfaces as input interfaces that convey various human instructions and intentions to machines and devices. According to the sensor device 1, it is possible to continuously detect a series of processes such as an object 5 coming into close contact with each other and applying a force.
  • the sensor device 1 of the present embodiment includes a force sensor unit 2 for functioning as a force sensor, a substrate 10 provided with the force sensor unit 2, and a control unit 3. ..
  • the force sensor unit 2 is various structures that elastically deform.
  • the two directions parallel to the main surface of the substrate 10 are defined as the X direction and the Y direction, respectively, and the normal direction of the main surface is defined as the Z direction.
  • the + Z side on which the force sensor unit 2 protrudes from the substrate 10 may be referred to as the upper side
  • the ⁇ Z side on the opposite side may be referred to as the lower side.
  • FIG. 1B exemplifies a state in which the object 5 is in contact with the sensor device 1.
  • the force sensor unit 2 is reconstructably deformed in response to the contact of the object 5. Utilizing such deformation, the sensor device 1 functions as a force sensor that detects a force (that is, a contact force) acting when the object 5 comes into contact with the object 5.
  • various force detection methods such as a piezoelectric type, an optical type, a strain resistance type, and a capacitance type can be adopted.
  • FIG. 1A exemplifies a state in which the object 5 is close to the sensor device 1.
  • the sensor device 1 of the present embodiment adopts a capacitance type as a proximity detection method that implements a function as a proximity sensor that detects a state in which an object 5 is close to an object 5 at a distance from the force sensor unit 2, for example.
  • the sensor device 1 of the present embodiment has a structure that makes it easy to realize a capacitance type proximity sensor together with the force sensor unit 2 as described above.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating the sensor device 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 illustrates the internal structure of the sensor device 1 of FIG.
  • the sensor device 1 of the present embodiment includes an exterior member 4 that covers the force sensor unit 2 and the substrate 10 (FIG. 3) from the + Y side (that is, the upper side).
  • the exterior member 4 is a member that constitutes the exterior of the sensor device 1.
  • the exterior member 4 constitutes an electrode for detecting a change in capacitance due to the proximity of the object 5 in the function of the proximity sensor, that is, a detection electrode.
  • the exterior member 4 of the present embodiment is formed by molding an elastic material having conductivity that can be energized into a desired shape, and is made of, for example, conductive silicone.
  • a conductive silicone exterior member 4 is 80 or less hardness of 20 or more Shore A, is set to the characteristic such less volume resistivity 10 3 ⁇ ⁇ cm.
  • FIG. 3 shows a state in which the exterior member 4 in the sensor device 1 illustrated in FIG. 2 is not present.
  • the force sensor unit 2 is made of an elastic material having an insulating property instead of a metal.
  • the force sensor unit 2 has, for example, a shore A hardness of 20 or more and 80 or less, and is formed on the substrate 10 in a desired shape.
  • the force sensor unit 2 has an upper surface 2a protruding upward from the substrate 10.
  • the upper surface 2a of the force sensor unit 2 is, for example, flat. Not limited to this, the upper surface 2a may have a curved surface.
  • the force sensor unit 2 is an example of the force detection unit in the present embodiment.
  • the force sensor unit 2 may be a pressure sensor.
  • the force detection method is a piezoelectric method
  • the object 5 (FIG. 1 (B)) is in contact with the object 5 by using the piezoelectric effect of one or more piezoelectric elements arranged on the substrate in the force sensor unit 2.
  • the stress generated in the force sensor unit 2 is converted into an electric charge by the piezoelectric element, and the force is sensed from the change.
  • the optical type one or more light emitting elements and one or more light receiving elements arranged on the substrate in the force sensor unit 2 are used, and the force sensor unit 2 caused by deformation due to contact with the object 5 is used.
  • the change in the reflected light distribution inside is sensed by the light receiving element.
  • the strain resistance type uses one or more strain gauges arranged on the substrate in the force sensor unit 2, and is transmitted to the strain gauge via the force sensor unit 2 due to deformation due to contact with the object 5. Strain is regarded as a resistance change, and the change is used for force sensing.
  • the capacitance type uses one or more capacitance detection electrodes arranged on the substrate in the force sensor unit 2, and is static electricity that changes due to deformation of the force sensor unit 2 due to contact with the object 5. Force sensing is performed from the change in the coupling capacitance between the capacitance detection electrode and the reference potential.
  • each method by using a plurality of various sensor elements such as a piezoelectric element, a light receiving / receiving element, a strain gauge, and a capacitance detection electrode arranged in the force sensor unit 2, it is possible to increase the number of axes of force sensing.
  • various sensor elements such as a piezoelectric element, a light receiving / receiving element, a strain gauge, and a capacitance detection electrode arranged in the force sensor unit 2
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of the sensor device 1 along the AA'cross section in FIG.
  • the AA'cross section is a YZ plane passing near the center of the force sensor unit 2.
  • the sensor device 1 of the present embodiment includes a capacitance sensor terminal 11 and a force sensor terminal 12 provided on the substrate 10.
  • the capacitance sensor terminal 11 is a terminal used for detecting the capacitance in the sensor device 1.
  • the force sensor terminal 12 is a terminal used for input / output of a sensor element (not shown) in the force sensor unit 2.
  • the exterior member 4 is formed so as to cover the capacity sensor terminal 11 on the substrate 10 and is in close contact with the capacity sensor terminal 11. As a result, an electrical connection between the exterior member 4 as the capacitance detection electrode and the capacitance sensor terminal 11 can be easily obtained. Further, in the example of FIG. 4, the exterior member 4 is also in close contact with the upper surface 2a and the side surface of the force sensor unit 2.
  • the sensor device 1 configured as described above, by using the conductive material for the exterior member 4, the electrical connection between the capacitance sensor terminal 11 and the exterior member 4 is secured, and the entire exterior has a capacitance. Can play the role of a detection electrode. Therefore, in the sensor device 1, the function of the capacitance type proximity sensor can be easily integrated and mounted on the force sensor unit 2. By integrating the capacitance type proximity sensing function into the force sensor unit 2, it is possible to reduce the design restrictions on the system side in which the sensor device 1 is incorporated and used.
  • wiring is routed to various terminals 11 and 12 to a desired location in the substrate 10, for example.
  • the substrate 10 a multilayer substrate having a plurality of layers may be used.
  • the above wiring can be set via through-holes, interlayer vias, and the like.
  • the exterior of the force sensor unit 2 as a capacitance detection electrode
  • the grounding portion of the substrate 10 and the control unit 3 and the exterior member 4 can be laid out with the force sensor unit 2 separated from each other in the sensor device 1.
  • a physical distance is secured between the exterior member 4 as an electrode for detecting the capacitance and the grounding portion, and the capacitance coupled to the grounding portion can be reduced. Therefore, it is possible to expand the distance range of the target for detecting the proximity of the object 5 by changing the capacitance.
  • the relative permittivity of the conductive silicone is higher than that of air, so the electric flux density in the conductive silicone is higher than that of air, and the object is subject to change in capacitance. It is possible to expand the distance range of the target for detecting the proximity of 5 in the thickness direction of the exterior.
  • the manufacturing process for molding the conductive silicone or the like used for the exterior member 4 of the sensor device 1 can be the same as the manufacturing process for molding the force sensor unit 2.
  • the through holes used in the substrate 10 of the sensor device 1 may be resin-filled. This makes it possible to suppress resin leakage when molding the force sensor unit 2 and the exterior member 4.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating the configuration of the control unit 3 of the sensor device 1 according to the present embodiment.
  • the control unit 3 of the sensor device 1 includes a capacity detection circuit 31 connected to the capacity sensor terminal 11, a force detection circuit 32 connected to the force sensor terminal 12, a capacity detection circuit 31, and a capacity detection circuit 31. It includes an arithmetic processing circuit 33 connected to the force detection circuit 32.
  • Each circuit 31, 32, 33 operates, for example, in a grounded state.
  • the capacitance detection circuit 31 is composed of, for example, an IC of a capacitance digital converter that detects a capacitance and outputs a detection result as a digital value by a self-capacitance method.
  • the capacitance detection circuit 31 detects a change in capacitance according to the parasitic capacitance of the object 5 in the vicinity of the detection electrode, for example, based on the potential of the capacitance sensor terminal 11.
  • the detection of the capacitance change may be performed based on the change of the RC time constant, or may be performed based on the change of the LC resonance frequency.
  • the capacity detection circuit 31 is not limited to the self-capacity method, but may be configured by a mutual capacity method.
  • an electrode for mutually detecting the capacitance with the exterior member 4 may be further used. According to the mutual capacitance method, it is possible to avoid a situation in which the accuracy of detecting the proximity of the object 5 is lowered by the capacitance detection due to the influence of the parasitic capacitance due to the surrounding environment of the sensor device 1.
  • the force detection circuit 32 generates a force detection signal indicating a force detection result on multiple axes such as, for example, 3 axes or 6 axes, based on the output signal from the sensor element in the force sensor unit 2.
  • the force detection circuit 32 is not limited to the multi-axis, and may output a force detection signal as a result of detecting the force of one axis.
  • the force detection circuit 32 may include a circuit configuration for driving the sensor element, or may include a sensor amplifier or the like for amplifying a signal output from the sensor element.
  • the arithmetic processing circuit 33 is composed of, for example, an MCU, and performs various arithmetic processing to realize various functions.
  • the arithmetic processing circuit 33 realizes a capacitance analysis function for detecting the proximity of the object 5 based on the output signal from the capacitance detection circuit 31.
  • the capacitance analysis function for example, the arithmetic processing circuit 33 determines whether or not there is an object 5 in the vicinity of the sensor device 1 based on the capacitance detection result indicated by the output signal, or the object 5 Performs arithmetic processing to calculate the distance from the sensor device 1 to the sensor device 1.
  • the arithmetic processing circuit 33 may realize an analysis function of the contact force from the object 5 based on the output signal from the force detection circuit 32.
  • the arithmetic processing circuit 33 can output detection signals indicating various detection results in the sensor device 1 to the outside.
  • control unit 3 may realize a predetermined function in cooperation with software, or hardware such as a dedicated electronic circuit or a reconfigurable electronic circuit designed to realize the predetermined function. It may be a circuit.
  • the control unit 3 may be composed of various semiconductor integrated circuits such as a CPU, MPU, DSP, FPGA, and ASIC.
  • the sensor device 1 of the present embodiment may have any one or more of the circuits 31, 32, 33 as an external configuration, or may be provided as a module separate from the control unit 3.
  • the sensor device 1 can output information indicating the detection result of the proximity and contact force of the object 5 by the output signals from the terminals 11 and 12 even if the control unit 3 is not provided.
  • the sensor device 1 detects the force and proximity due to the contact of an object such as the object 5.
  • the sensor device 1 includes a force sensor unit 2 which is an example of a force detection unit, a substrate 10, and an exterior member 4 which is an example of a detection electrode.
  • the force sensor unit 2 deforms in response to the contact of the object 5 and detects the force.
  • a force sensor unit 2 is provided on the substrate 10.
  • the exterior member 4 as a detection electrode is configured as the exterior of the force sensor unit 2 and the substrate 10, and detects the proximity of the object 5 based on the change in capacitance.
  • the above sensor device 1 in a simple mechanism such as using the exterior of the sensor device 1 as a capacitance detection electrode, it is possible to both detect the proximity of the object 5 and the force due to the contact of the object.
  • the force sensor unit 2 has an upper surface 2a protruding from the substrate 10.
  • the exterior member 4 as a detection electrode is arranged on the upper surface of the force sensor unit 2.
  • the detection electrodes are laid out by the height of the force sensor unit 2 and separated from the substrate 10, avoiding the influence of the ground electrode on the substrate 10 and ensuring the detection accuracy of the object 5 based on the capacitance. easy.
  • the exterior member 4 as the detection electrode is composed of an elastic member having conductivity, and is arranged so as to cover the force sensor unit 2.
  • the entire exterior can also serve as an electrode for detecting the capacitance. Therefore, the function of the capacitive proximity sensor can be easily added to the force sensor without significantly changing the configuration, shape, and manufacturing process of the existing force sensor.
  • FIG. 6 is a perspective view showing the configuration of the sensor device 1A according to the modified example of the first embodiment.
  • the sensor device 1A of the present modification uses an exterior electrode 4A which is an example of a detection electrode configured as a partial exterior instead of the exterior member 4 of FIG. Be prepared.
  • the exterior electrode 4A is formed in a pattern that covers the upper surface 2a of the force sensor unit 2 and the capacitance sensor terminal 11 but does not cover the other parts.
  • the exterior electrode 4A is composed of a conductive elastic member like the exterior member 4, for example.
  • the capacitance detection electrode in the sensor device 1A may be configured as a part of the exterior of the force sensor unit 2 and the substrate 10 like the exterior electrode 4A. Also with this, in a simple mechanism such as the exterior electrode 4A, it is possible to both detect the proximity of the object 5 and the force due to the contact of the object.
  • the layout of the exterior electrode 4A on the upper surface 2a of the force sensor unit 2 makes it possible to easily secure the detection accuracy of the capacitance.
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating the configuration of the sensor device 1B according to the second embodiment.
  • FIG. 8 illustrates the internal structure of the sensor device 1B of FIG. 7.
  • the sensor device 1B has the exterior member 4B as shown in FIG. 7, for example, instead of the exterior member 4 (FIG. 2) that functions as a detection electrode.
  • the sensor device 1 of the present embodiment includes, for example, a plurality of capacitance sensor terminals 11 as shown in FIG.
  • the exterior member 4B of the present embodiment includes a plurality of electrode portions 41 that each function as detection electrodes, and an insulating portion 42 that insulates between the electrode portions 41.
  • the exterior member 4B of the example of FIG. 7 covers the entire substrate 10 and the force sensor unit 2 of the sensor device 1B, similarly to the exterior member 4 of the example of FIG. 7.
  • the entire region where the exterior member 4B covers the sensor device 1B is divided into a plurality of regions corresponding to the plurality of electrode portions 41.
  • the four electrode portions 41 are divided into four regions, ⁇ X side and ⁇ Y side, from the vicinity of the center of the upper surface 2a of the force sensor portion 2.
  • one capacitance sensor terminal 11 is arranged in each region.
  • FIG. 9 shows a cross-sectional view of the sensor device 1B along the BB'cross section in FIG.
  • the BB'cross section is an XZ plane passing near the center of the force sensor unit 2.
  • the electrode portion 41 is made of a conductive material like the exterior member 4 of the first embodiment. Each electrode portion 41 is electrically connected to each terminal 11 by covering the corresponding capacitance sensor terminal 11 in each region. Each electrode portion 41 is an example of a detection electrode in this embodiment.
  • the region division of the exterior member 4B by the electrode portion 41 is not limited to four divisions, and may be various divisions, for example, may be radially divided.
  • the insulating portion 42 is configured by filling a plurality of electrode portions 41 in the exterior member 4B with an insulating material such as insulating silicone.
  • the exterior member 4B of the present embodiment can be formed by, for example, two-color molding of conductive silicone and insulating silicone.
  • the insulating portion 42 can suppress a short circuit between adjacent electrode portions 41.
  • the capacitance detected by each of the electrode portions 41 differs depending on, for example, from which direction the object 5 arrives on the XY plane. Therefore, according to the sensor device 1B of the present embodiment, it is possible to detect not only the distance of the object 5 in the Z direction but also the arrival direction of the object 5.
  • FIG. 10 is a block diagram illustrating the configuration of the control unit 3A of the sensor device 1B according to the second embodiment.
  • the capacitance detection circuit 31A has a plurality of channels in the same configuration as that of the first embodiment.
  • the plurality of electrode portions 41 in the exterior member 4B are connected to the input terminals of different channels of the capacitance detection circuit 31A via the respective capacitance sensor terminals 11.
  • the capacitance detection circuit 31A detects the capacitance for each channel in the same manner as in the first embodiment, and outputs the detection result of the capacitance in each electrode unit 41 to the arithmetic processing circuit 33.
  • the capacitance detection circuit 31A By comparing and analyzing a plurality of capacitances in the arithmetic processing circuit 33, it is possible to estimate the arrival direction as described above and the locus in which the object 5 moves.
  • the capacitance detection of the mutual capacitance method may be performed such that a plurality of electrode portions 41 are appropriately combined.
  • the electrode portion 41 which is an example of the plurality of detection electrodes in the exterior member 4B, is arranged in each of the plurality of regions in which the region covering the force sensor portion 2 is divided. To. With such a plurality of electrode portions 41, it is possible to detect not only the distance to the adjacent object 5 but also the direction of movement by a simple mechanism in the exterior member 4B.
  • the sensor device 1B is further provided with an insulating portion 42 that is filled between the electrode portions 41 for each divided region and that insulates the electrode portions 41 from each other.
  • the insulating portion 42 can suppress a situation in which adjacent electrode portions 41 are short-circuited and their respective capacitances cannot be detected.
  • the exterior member 4B of the sensor device 1B can be configured including the insulating portion 42.
  • the above-mentioned insulating portion 42 may be omitted. This modification will be described with reference to FIG.
  • FIG. 11 is a perspective view showing the configuration of the sensor device 1C according to the first modification of the second embodiment.
  • the sensor device 1C of this modification has the same configuration as the sensor device 1B of the second embodiment, and includes an exterior member 4C in which the insulating portion 42 is omitted.
  • the plurality of electrode portions 41 in the exterior member 4C are arranged at intervals from each other. Also in this case, by arranging the plurality of electrode portions 41 separately, it is possible to insulate through air.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the configuration of the sensor device 1D according to the second modification of the second embodiment.
  • the exterior member 4D includes a plurality of electrode portions 43 configured to cover a part of the force sensor portion 2 and the substrate 10. ..
  • Each electrode portion 41 may be formed in a pattern constituting the exterior from a part of the upper surface 2a of the force sensor portion 2 to a portion on the substrate 10 where the corresponding capacitive terminal 11 is located. Even in this case, the exterior member 4D of the force sensor unit 2 can be used as the capacitance detection electrode to obtain the same effect as that of the above-described embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing the configuration of the sensor device 1E according to the third embodiment.
  • an optical force detection method is adopted for the sensor device 1B of the second embodiment.
  • the cross section of FIG. 13 shows the same cross section as that of FIG.
  • the force sensor unit 20 is optically configured.
  • the optical force sensor unit 20 includes a light source 21, a light receiving unit 22, elastic bodies 23 and 24, and a reflector 25.
  • the light source 21 and the light receiving unit 22 are examples of optical elements in this embodiment.
  • the control unit 3 of the sensor device 1E of the present embodiment includes, for example, a drive circuit of the light source 21 and an amplifier for the output of the light receiving unit 22 in the force detection circuit 32. Further, as an optical force measuring method, a known technique can be appropriately applied (see, for example, Patent Documents 2 and 3).
  • the light source 21 includes a light emitting element such as a single or multi-emitter VCSEL (surface emitting laser).
  • the light source 21 emits light having a predetermined wavelength band such as an infrared region and emits it as detection light.
  • the light source 21 is not limited to VCSEL, and may include various solid-state light emitting elements such as LD (semiconductor laser) or LED.
  • the light source 21 may include a plurality of light emitting elements.
  • the light source 21 may be provided with an optical system such as a lens and a mirror that collimate the light from the light emitting element.
  • the light receiving unit 22 includes a light receiving element such as a PD (photodiode), and is configured by arranging a plurality of light receiving elements so as to surround the periphery of the light source 21, for example.
  • the light receiving unit 22 receives light such as reflected light of the detection light in the light receiving element, and generates a light receiving signal indicating, for example, the amount of light received as a light receiving result.
  • the light receiving unit 22 is not limited to the PD, and may include various light receiving elements such as a phototransistor, a PSD (position detection element), a CIS (CMOS image sensor), or a CCD.
  • the elastic bodies 23 and 24 have, for example, a two-layer structure.
  • the elastic body 23 of the first layer is made of, for example, a relatively hard resin, and seals the light source 21 and the light receiving portion 22.
  • the elastic body 24 of the second layer is made of, for example, a resin softer than the elastic body 23 of the first layer, and seals the elastic body 24 of the first layer.
  • Each of the elastic bodies 23 and 24 is made of a resin or the like having translucency in the frequency band of the light detected by the light source 21.
  • the elastic body in the force detecting unit 20 is not limited to such a two-layer structure, and may be one layer or three or more layers.
  • the reflector 25 is made of a resin or the like having reflection characteristics for the frequency band of the light detected by the light source 21.
  • the reflector 25 is provided, for example, on the elastic body 24 of the second layer.
  • the reflector 25 may be omitted when the exterior member 4 has the above-mentioned reflection characteristics.
  • the detection light emitted from the light source 21 is reflected by the reflector 25 in response to the force from the object 5 in contact with the light receiving unit 22.
  • the contact force of the object 5 is detected by utilizing the change in the light receiving state due to the above.
  • the force sensor terminal 12 at this time may have terminals such as an anode and a cathode in the light source 21 and the light receiving unit 22, and can be configured without a ground terminal. Therefore, it is easy to realize a layout in which the ground electrode is far from the exterior member 4B which is the capacitance detection electrode, and the capacitance detection accuracy can be improved.
  • the force sensor unit 20 includes optical elements such as a light receiving unit 22 and a light source 21 that receive and emit light, and elastic bodies 23 and 24 that seal the optical elements. Be prepared.
  • the force sensor unit 20 detects the force that deforms the elastic bodies 23 and 24 based on the light receiving result in the optical element.
  • the number of grounded portions can be reduced, which makes it easier to detect the object 5 by capacitance detection using the exterior member 4C. For example, it becomes easy to expand the distance range targeted for proximity detection.
  • FIG. 14 is a perspective view showing the configuration of the sensor device 1F according to the modified example of the third embodiment.
  • the sensor device 1F of the present modification has the same configuration as the sensor device 1E of the third embodiment, and includes a plurality of capacitance sensor electrodes 44 provided on the substrate 10 instead of the exterior member 4B.
  • the capacitance sensor electrode 44 is an example of a capacitance detection electrode.
  • the force sensor unit 20 may be provided with an exterior that is not electrically connected to the capacitance sensor electrode 44.
  • the plurality of capacitance sensor electrodes 44 are arranged so as to divide the region on the substrate 10 surrounding the force sensor unit 20. According to the plurality of capacitance sensor electrodes 44, the same effect as that of the second embodiment can be obtained. Further, in the case of the optical force sensor unit 20, since the grounding unit can be reduced as described above, even the capacitance sensor electrode 44 provided on the substrate 10 can accurately detect the capacitance.
  • the plurality of capacitance sensor electrodes 44 which is an example of the plurality of detection electrodes, has a region around the force sensor unit 20 divided on the substrate 10. It may be arranged in each of a plurality of designated areas. The same effect as that of the third embodiment can be obtained also by this modification.
  • FIG. 15 is a perspective view illustrating the configuration of the sensor device 1G according to the fourth embodiment.
  • the shape of the exterior member 4E is different.
  • the upper surface 4a of the exterior member 4E is formed flat along the XY plane.
  • the internal structure of the sensor device 1G of FIG. 15 is, for example, the same as that of FIG.
  • FIG. 16 shows a cross-sectional view of the sensor device 1G in the AA'cross section similar to that in FIG.
  • the exterior member 4E is formed so as to flatly cover the force sensor unit 2 and the substrate 10 at a height equal to or higher than the height at which the force sensor unit 2 protrudes from the substrate 10.
  • the exterior member 4E is configured to embed the force sensor unit 2.
  • a conductive elastic member is used as in the first embodiment.
  • the exterior member 4E which is an example of the detection electrode, is formed in a shape that covers the force sensor unit 2 so that the force sensor unit 2 is embedded. According to such an exterior member 4E, the sensor device 1G can be provided in a flat shape or a sheet shape regardless of the details of the configuration of the force sensor unit 2. Further, it is easy to add the function of the capacitance type proximity sensor without significantly changing the shape of the force sensor unit 2, the manufacturing process, or the like.
  • a plurality of force sensor units 2 may be embedded inside the exterior member 4E as shown in FIG. This modification will be described with reference to FIG.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing the configuration of the sensor device 1H according to the first modification of the fourth embodiment.
  • the cross section of FIG. 17 is the same as that of FIG.
  • the sensor device 1H of this modification has a configuration similar to that of the fourth embodiment described above, and includes, for example, a plurality of force sensor units 2 inside the exterior member 4E, as shown in FIG.
  • the plurality of force sensor units 2 are arranged, for example, in an array.
  • Each force sensor unit 2 may be juxtaposed on a common substrate 10 or may be provided on separate substrates 10.
  • the sensor device 1H may include a plurality of force sensor units 2.
  • a plurality of force sensor units 2 may be embedded in one exterior member 4E, that is, one detection electrode.
  • in-plane sensing of force using the flat shape of the exterior member 4E can be realized. That is, when the object 5 comes into contact with the upper surface 4a of the exterior member 4E, it becomes possible to detect the contacted portion in the plane by the plurality of force sensor units 2 in the exterior member 4E.
  • FIG. 18 is a perspective view showing the configuration of the sensor device 1I according to the second modification of the fourth embodiment.
  • FIG. 19 shows a cross-sectional view of the sensor device 1I of FIG. 18 in a cross section of AA's similar to that of FIG.
  • the sensor device 1I of this modification has a plurality of configurations similar to those in FIG. 15. That is, the sensor device 1I includes a plurality of flat exterior members 4E and a plurality of force sensor units 2 embedded in each exterior member 4E so that, for example, the upper surface 4a of each exterior member 4E is on the same plane. Is placed in.
  • the arrangement of the exterior members 4E is, for example, an array. In this modification, there is a gap between the adjacent exterior members 4E. As a result, the plurality of exterior members 4E are insulated from each other by air.
  • the sensor device 1I may include a plurality of force sensor units 2, and the force sensor units 2 may be embedded in each of the plurality of exterior members 4E, that is, the plurality of detection electrodes. According to the sensor device 1I of this modification, it is possible to detect which exterior member 4 is closest to the adjacent object 5 based on the capacitance detected in each of the plurality of exterior members 4E, or to detect XY. It is possible to detect the position of the object 5 on a plane. In-plane sensing of the same force as described above can also be performed by the plurality of force sensor units 2.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view showing the configuration of the sensor device 1J according to the third modification of the fourth embodiment.
  • the cross section of FIG. 20 is the same as that of FIG.
  • the plurality of exterior members 4E are insulated by air, but the present invention is not particularly limited to this.
  • an insulating portion 45 filled with an insulating material is provided between the plurality of exterior members 4E.

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Abstract

センサ装置（１）は、物体（５）の接触による力および近接を検知する。センサ装置（１）は、力検知部（２）と、基板（１０）と、１つ以上の検知電極（４）とを備える。力検知部（２）は、物体（５）の接触に応じて変形し、力を検知する。基板（１０）には、力検知部（２）が設けられる。検知電極（４）は、力検知部（２）及び基板（１０）における少なくとも一部の外装として構成され、静電容量の変化に基づき物体（５）の近接を検知する。

Description

センサ装置
　本発明は、物体の接触による力および近接を検知するセンサ装置に関する。
　近年、ロボットハンド等に搭載され、物体の近接或いは接触といった多様なセンシングを可能とする各種センサが提案されている（例えば特許文献１から３）。
　特許文献１は、静電容量型近接センサとしての機能と磁気式触覚センサとしての機能とを有する近接触覚センサを開示している。近接触覚センサにおいて、静電容量の検知のための電極は、導電性を有する剛体により形成され、磁性体が電極に一体的に取り付けられている。さらに、磁気センサでの磁界の変化の検知を阻止しない材料からなる弾性体が、電極及び磁性体の外側に配置されている。
　特許文献２は、６軸力の計測を可能とする光学式触覚センサを開示している。特許文献３は、可変フレームを用いてせん断力を検知する力センサを開示している。特許文献２，３では、弾性体の変形を利用した光学的な機構において、物体による各種の接触力のセンシングが行われている。
特開２０１８－９７９２号公報 特許第５８２５６０４号公報 国際公開第２０１４／０４５６８５号
　特許文献１の近接触覚センサでは、磁性体を取り付けた電極が、弾性体内に埋設されるといった複雑な構造を要してしまい、近接センシングの機能と触覚センシングの機能とを独立して設計することが困難になる。
　本発明の目的は、簡単な機構において物体の近接と物体の接触による力との検知を両立することができるセンサ装置を提供することにある。
　本発明に係るセンサ装置は、物体の接触による力および近接を検知する。センサ装置は、力検知部と、基板と、１つ以上の検知電極とを備える。力検知部は、物体の接触に応じて変形し、力を検知する。基板には、力検知部が設けられる。検知電極は、力検知部及び基板における少なくとも一部の外装として構成され、静電容量の変化に基づき物体の近接を検知する。
　本発明に係るセンサ装置によると、センサ装置における外装を静電容量の検知電極として用いるといった簡単な機構において、物体の近接と物体の接触による力との検知を両立することができる。
実施形態１に係るセンサ装置の概要を説明するための図 実施形態１に係るセンサ装置を例示する斜視図 図２のセンサ装置の内部構造を例示する斜視図 図２のセンサ装置の断面図 実施形態１に係るセンサ装置の制御部の構成を例示するブロック図 実施形態１の変形例に係るセンサ装置の構成を示す斜視図 実施形態２に係るセンサ装置の構成を例示する斜視図 図７のセンサ装置の内部構造を例示する斜視図 図７のセンサ装置の断面図 実施形態２に係るセンサ装置の制御部の構成を例示するブロック図 実施形態２の変形例１に係るセンサ装置の構成を示す斜視図 実施形態２の変形例２に係るセンサ装置の構成を示す斜視図 実施形態３に係るセンサ装置の構成を示す断面図 実施形態３の変形例に係るセンサ装置の構成を示す斜視図 実施形態４に係るセンサ装置の構成を例示する斜視図 図１５のセンサ装置の断面図 実施形態４の変形例１に係るセンサ装置の構成を示す断面図 実施形態４の変形例２に係るセンサ装置の構成を示す斜視図 図１８のセンサ装置の断面図 実施形態４の変形例３に係るセンサ装置の構成を示す断面図
　以下、添付の図面を参照して本発明に係るセンサ装置の実施の形態を説明する。
　各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。実施形態２以降では実施形態１と共通の事項についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態毎には逐次言及しない。
（実施形態１）
１．概要
　図１を参照して、実施形態１に係るセンサ装置１の概要を説明する。図１（Ａ）は、近接センサとして機能するセンサ装置１を例示する。図１（Ｂ）は、力センサとして機能するセンサ装置１を例示する。
　本実施形態のセンサ装置１は、近接センサ及び力センサの双方の機能を両立するセンサモジュールである。センサ装置１は、例えばロボットハンドにおいて、把持する対象の各種物体を対象物５として検知する用途に適用可能である。また、ヒューマンマシンインターフェースにおいて、人間の多様な指示や意図を機械や機器に伝える入力インターフェースの用途にも適用可能である。センサ装置１によると、対象物５が近接して接触に到り、力を作用させる等の一連の過程を連続的に検知可能である。
　本実施形態のセンサ装置１は、例えば図１（Ａ）に示すように、力センサとして機能するための力センサ部２と、力センサ部２が設けられる基板１０と、制御部３とを備える。力センサ部２は、弾性的に変形する各種の構造体である。以下、基板１０の主面に平行な２方向をそれぞれＸ方向及びＹ方向とし、当該主面の法線方向をＺ方向とする。又、基板１０から力センサ部２が突出する＋Ｚ側を上側といい、反対側となる－Ｚ側を下側という場合がある。
　図１（Ｂ）は、対象物５がセンサ装置１に接触した状態を例示する。センサ装置１においては、対象物５の接触に応じて力センサ部２が復元可能に変形する。こうした変形を利用して、センサ装置１は、対象物５が接触したときに作用する力（即ち接触力）を検知する力センサとして機能する。力センサ部２においては、例えば圧電式、光学式、ひずみ抵抗式及び静電容量式など各種の力検知方式を採用可能である。
　図１（Ａ）は、対象物５がセンサ装置１に近接した状態を例示する。本実施形態のセンサ装置１は、例えば力センサ部２から距離を置いて対象物５が近接する状態を検知する近接センサとしての機能を実装する近接検知方式として、静電容量式を採用する。本実施形態のセンサ装置１は、上記のような力センサ部２と共に静電容量式の近接センサを実現し易い構造を備える。
２．構成
　以下、本実施形態に係るセンサ装置１の構成について説明する。
２－１．センサ装置の構造
　本実施形態に係るセンサ装置１の構造について、図２から図４を用いて説明する。
　図２は、実施形態１に係るセンサ装置１を例示する斜視図である。図３は、図２のセンサ装置１の内部構造を例示する。
　本実施形態のセンサ装置１は、図２に示すように、力センサ部２及び基板１０（図３）を＋Ｙ側（即ち上側）から覆う外装部材４を備える。外装部材４は、センサ装置１における外装を構成する部材である。
　本実施形態のセンサ装置１では、外装部材４が、近接センサの機能において対象物５の近接による静電容量の変化を検知するための電極すなわち検知電極を構成する。本実施形態の外装部材４は、通電可能な導電性を有する弾性材料を所望の形状に成形して構成され、例えば導電性シリコーンで構成される。例えば、外装部材４の導電性シリコーンは、ショアＡの硬度２０以上８０以下であり、体積抵抗率１０３Ω・ｃｍ以下といった特性に設定される。
　図３は、図２に例示したセンサ装置１における外装部材４がない状態を示す。本実施形態のセンサ装置１において、力センサ部２は、金属ではなく絶縁性を有する弾性材料で構成される。力センサ部２は、例えばショアＡ硬度２０以上８０以下を有し、基板１０上に所望の形状で成形される。
　力センサ部２は、基板１０から上方に突出した上面２ａを有する。力センサ部２の上面２ａは、例えば平面状である。特にこれに限らず、上面２ａは曲面状であってもよい。
力センサ部２の内部には、採用される力検知方式に応じたセンサ素子が適宜、含まれる。力センサ部２は、本実施形態における力検知部の一例である。力センサ部２は、圧力センサであってもよい。
　例えば力検知方式が圧電式であれば、力センサ部２内の基板上に配置された１つ以上の圧電素子の圧電効果を利用し、対象物５（図１（Ｂ））が接触したことによる力センサ部２内に生じる応力を圧電素子にて電荷に換算し、その変化から力をセンシングする。光学式の場合は、力センサ部２内の基板上に配置された１つ以上の発光素子と１つ以上の受光素子を利用し、対象物５が接触したことによる変形によって生じる力センサ部２内の反射光分布の変化を受光素子によって読み取り力センシングする。ひずみ抵抗式は、力センサ部２内の基板上に配置された１つ以上のひずみゲージを利用し、対象物５が接触したことによる変形によって、力センサ部２内を経由しひずみゲージに伝わるひずみを抵抗変化として捉え、その変化を利用し力センシングをする。静電容量式は、力センサ部２内の基板上に配置された１つ以上の静電容量検知電極を利用し、対象物５が接触したことによる力センサ部２の変形によって、変化する静電容量検知電極と基準電位との結合容量変化から力センシングをする。なお、各方式において、力センサ部２内に配置する圧電素子や受発光素子、ひずみゲージ、静電容量検知電極といった各種センサ素子を複数用いることで、力センシングの多軸化が可能となる。
　図４は、図２におけるＡ－Ａ’断面に沿ったセンサ装置１の断面図を示す。Ａ－Ａ’断面は、力センサ部２の中央近傍を通るＹＺ平面である。
　本実施形態のセンサ装置１は、例えば図４に示すように、基板１０に設けられた容量センサ用端子１１と力センサ用端子１２とを備える。容量センサ用端子１１は、センサ装置１において静電容量の検知に用いる端子である。力センサ用端子１２は、力センサ部２におけるセンサ素子（不図示）の入出力に用いられる端子である。
　本実施形態において、外装部材４は、基板１０上の容量センサ用端子１１も覆うように成形され、容量センサ用端子１１と密着する。これにより、静電容量の検知電極としての外装部材４と容量センサ用端子１１間の電気的な接続が容易に得られる。また、図４の例では、外装部材４は、力センサ部２の上面２ａおよび側面とも密着している。
　以上のように構成されるセンサ装置１によると、外装部材４に導電性材料を用いることで、容量センサ用端子１１と外装部材４との電気的な接続が確保され、外装全体が静電容量の検知電極の役割を担うことができる。よって、センサ装置１において力センサ部２に静電容量式の近接センサの機能を簡単に一体化して実装できる。力センサ部２に静電容量式の近接センシング機能を一体化することで、センサ装置１を組み込んで使用するシステム側の設計上の制約を削減できる。
　センサ装置１において、各種端子１１，１２には、例えば基板１０内で所望の箇所まで配線が引き回される。基板１０としては、複数層を有する多層基板が用いられてもよい。上記の配線は、貫通スルーホール及び層間ビアなどを介して設定可能である。センサ装置１においては、静電容量を検知する感度を高める観点から、基板１０内の接地電極は必要最低限の面積に留めることが好ましい。積層基板においても接地面を使用しないことで、静電容量の検知感度を高めることができる。
　また、力センサ部２の外装を静電容量の検知電極として用いることで、センサ装置１において基板１０及び制御部３の接地部と外装部材４とは、力センサ部２を隔ててレイアウトできる。これにより、静電容量の検知の電極としての外装部材４と接地部との間に物理的な距離が確保され、接地部との結合する容量を低減できる。よって、静電容量の変化によって対象物５の近接を検知する対象の距離範囲を拡大することが可能となる。また、外装に導電性シリコーンを用いる場合には、空気よりも導電性シリコーンの比誘電率が大きいため、空気に比べて導電性シリコーン内の電束密度が高まり、静電容量の変化によって対象物５の近接を検知する対象の距離範囲を外装の厚み方向において拡大することが可能となる。
　センサ装置１の外装部材４に使用する導電性シリコーン等を成形するための製造プロセスは、力センサ部２を成形するための製造プロセスと同様のものを使用することができる。センサ装置１の基板１０内で使用するスルーホールには、樹脂埋め加工を施してもよい。これにより、力センサ部２および外装部材４を成形する際の樹脂漏れを抑制することができる。
２－２．センサ装置の制御部
　実施形態１に係るセンサ装置１の制御部３の構成を、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態に係るセンサ装置１の制御部３の構成を例示するブロック図である。
　センサ装置１の制御部３は、例えば図５に示すように、容量センサ用端子１１に接続する容量検知回路３１と、力センサ用端子１２に接続する力検知回路３２と、容量検知回路３１及び力検知回路３２と接続する演算処理回路３３とを備える。各回路３１，３２，３３は、例えば各々接地した状態で動作する。
　容量検知回路３１は、例えば自己容量方式で、静電容量を検知して検知結果をデジタル値で出力する容量デジタルコンバータのＩＣ等で構成される。容量検知回路３１は、例えば容量センサ用端子１１の電位に基づき、検知電極の近傍における対象物５の寄生容量に応じた静電容量の変化を検知する。容量変化の検知は、ＲＣ時定数の変化に基づいて行われてもよいし、ＬＣ共振周波数の変化に基づいて行われてもよい。
　容量検知回路３１は、自己容量方式に限らず、相互容量方式で構成されてもよい。例えば本実施形態の外装部材４に加えて、これと相互に静電容量を検知するための電極が、更に用いられてもよい。相互容量方式によると、センサ装置１の周囲環境による寄生容量の影響によって、容量検知により対象物５の近接を検知する精度が低下する事態を回避できる。
　力検知回路３２は、力センサ部２中のセンサ素子からの出力信号に基づいて、例えば３軸または６軸といった多軸における力の検知結果を示す力検知信号を生成する。力検知回路３２は、多軸に限らず、１軸の力の検知結果の力検知信号を出力してもよい。力検知回路３２は、センサ素子を駆動する回路構成を含んでもよく、センサ素子から出力される信号を増幅するセンサアンプ等を含んでもよい。
　演算処理回路３３は、例えばＭＣＵで構成され、種々の演算処理を行って各種の機能を実現する。例えば、演算処理回路３３は、容量検知回路３１からの出力信号に基づいて、対象物５の近接を検知するための静電容量の解析機能を実現する。静電容量の解析機能では、出力信号が示す静電容量の検知結果に基づいて、例えば演算処理回路３３がセンサ装置１に近接した対象物５があるか否かを判定する、或いは対象物５からセンサ装置１までの距離を算出する演算処理を行う。
　又、演算処理回路３３は、力検知回路３２からの出力信号に基づいて、対象物５からの接触力の解析機能を実現してもよい。演算処理回路３３は、センサ装置１における各種の検出結果を示す検出信号を外部に出力できる。
　なお、以上に説明した構成は一例であり、センサ装置１は、特に上記の構成に限定されない。例えば、制御部３は、ソフトウェアと協働して所定の機能を実現してもよいし、所定の機能を実現するように設計された専用の電子回路や再構成可能な電子回路などのハードウェア回路であってもよい。制御部３は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等の種々の半導体集積回路で構成されてもよい。
　又、本実施形態のセンサ装置１は、各回路３１，３２，３３の何れか１つ又は複数を外部構成としてもよいし、制御部３とは別体のモジュールとして提供されてもよい。センサ装置１は、制御部３を備えなくても、各端子１１，１２からの出力信号により、対象物５の近接及び接触力の検知結果を示す情報を出力できる。
３．まとめ
　以上のように、本実施形態に係るセンサ装置１は、対象物５等の物体の接触による力および近接を検知する。センサ装置１は、力検知部の一例である力センサ部２と、基板１０と、検知電極の一例である外装部材４とを備える。力センサ部２は、対象物５の接触に応じて変形し、力を検知する。基板１０には、力センサ部２が設けられる。検知電極としての外装部材４は、力センサ部２及び基板１０の外装として構成され、静電容量の変化に基づき対象物５の近接を検知する。
　以上のセンサ装置１によると、センサ装置１における外装を静電容量の検知電極として用いるといった簡単な機構において、対象物５の近接と物体の接触による力との検知を両立することができる。
　本実施形態において、力センサ部２は、基板１０から突出した上面２ａを有する。検知電極としての外装部材４は、力センサ部２の上面に配置される。これにより、検知電極が力センサ部２の高さ分、基板１０から離してレイアウトされ、基板１０における接地電極などの影響を回避して、静電容量に基づく対象物５の検知精度を確保し易い。
　本実施形態において、検知電極としての外装部材４は、導電性を有する弾性部材で構成され、力センサ部２を覆うように配置される。力センサ部２の外装に導電性材料の樹脂等を用いることで、外装全体が静電容量を検知するための電極の役割も担うことができる。このため、既存の力センサの構成や形状、製造プロセスを大きく変化させることなく、静電容量式の近接センサの機能を力センサに容易に追加することができる。
　上記の実施形態１では、力センサ部２等の全体を覆う外装部材４が静電容量の検知電極として機能する例を説明したが、検知電極は、力センサ部２全体を覆わなくてもよい。この変形例について、図６を用いて説明する。
　図６は、実施形態１の変形例に係るセンサ装置１Ａの構成を示す斜視図である。本変形例のセンサ装置１Ａは、実施形態１のセンサ装置１と同様の構成において、図２の外装部材４の代わりに、部分的な外装として構成される検知電極の一例である外装電極４Ａを備える。外装電極４Ａは、力センサ部２の上面２ａと容量センサ用端子１１とは覆う一方で、その他の部分は覆わないようなパターンに成形される。外装電極４Ａは、例えば外装部材４と同様に導電性の弾性部材で構成される。
　以上のように、センサ装置１Ａにおける静電容量の検知電極は、外装電極４Ａのように、力センサ部２及び基板１０における一部の外装として構成されてもよい。これによっても、外装電極４Ａのような簡単な機構において、対象物５の近接と物体の接触による力との検知を両立することができる。力センサ部２の上面２ａ上の外装電極４Ａのレイアウトにより、静電容量の検知精度を容易に確保できる。
（実施形態２）
　実施形態１では、１つの検知電極を外装として備えるセンサ装置１について説明した。実施形態２では、複数の検知電極を外装として備えるセンサ装置について、図７から図１２を用いて説明する。
　図７は、実施形態２に係るセンサ装置１Ｂの構成を例示する斜視図である。図８は、図７のセンサ装置１Ｂの内部構造を例示する。
　本実施形態に係るセンサ装置１Ｂは、実施形態１のセンサ装置１と同様の構成において、一検知電極として機能する外装部材４（図２）の代わりに、例えば図７に示すような外装部材４Ｂを備える。本実施形態のセンサ装置１は、例えば図８に示すように、複数の容量センサ用端子１１を備える。
　本実施形態の外装部材４Ｂは、それぞれ検知電極として機能する複数の電極部４１と、各電極部４１間を絶縁する絶縁部４２とを備える。図７の例の外装部材４Ｂは、図７の例の外装部材４と同様に、センサ装置１Ｂの基板１０及び力センサ部２全体を覆っている。
　本実施形態では、外装部材４Ｂがセンサ装置１Ｂを覆う全体の領域が、複数の電極部４１に対応する複数の領域に分割される。図７の例では、４つの電極部４１が、力センサ部２の上面２ａの中央近傍から±Ｘ側と±Ｙ側との４つの領域に分割している。各領域には、図８に示すように、容量センサ用端子１１が１つずつ配置される。
　図９は、図７におけるＢ－Ｂ’断面に沿ったセンサ装置１Ｂの断面図を示す。Ｂ－Ｂ’断面は、力センサ部２の中央近傍を通るＸＺ平面である。
　電極部４１は、実施形態１の外装部材４と同様に導電性材料で構成される。各電極部４１は、各々の領域において対応する容量センサ用端子１１を覆うことにより、各端子１１と電気的に接続する。各電極部４１は、本実施形態における検知電極の一例である。電極部４１による外装部材４Ｂの領域分割は、４分割に限らず、種々の複数分割であってもよく、例えば放射状に分割されてもよい。
　絶縁部４２は、外装部材４Ｂにおいて複数の電極部４１の間に絶縁性シリコーンなどの絶縁性を有する材料を充填して構成される。本実施形態の外装部材４Ｂは、例えば導電性シリコーンと絶縁性シリコーンとの２色成形により構成できる。絶縁部４２により、隣り合う電極部４１間の短絡を抑制できる。
　本実施形態のセンサ装置１Ｂでは、例えばＸＹ平面において何れの方向から対象物５が到来するかに応じて、各々の電極部４１により検知される静電容量が異なることとなる。よって、本実施形態のセンサ装置１Ｂによると、Ｚ方向における対象物５の距離に加えて対象物５の到来方向等も検知可能にすることができる。
　図１０は、実施形態２に係るセンサ装置１Ｂの制御部３Ａの構成を例示するブロック図である。本実施形態のセンサ装置１Ｂの制御部３Ａにおいては、実施形態１と同様の構成において、容量検知回路３１Ａが複数チャンネルを有する。
　外装部材４Ｂにおける複数の電極部４１は、各々の容量センサ用端子１１を介して、容量検知回路３１Ａの別々のチャンネルの入力端子に接続される。容量検知回路３１Ａは、チャンネル毎に実施形態１と同様に静電容量を検知して、各電極部４１における静電容量の検知結果を演算処理回路３３に出力する。
　演算処理回路３３において、複数の静電容量を比較解析することにより、上記のような到来方向、および対象物５が移動する軌跡の推定等が行える。或いは、例えば容量検知回路３１Ａにおいて、複数の電極部４１を適宜組み合わせるような相互容量方式の静電容量の検知が行われてもよい。
　以上のように、本実施形態に係るセンサ装置１Ｂにおいて、外装部材４Ｂにおける複数の検知電極の一例である電極部４１は、力センサ部２を覆う領域が分割された複数の領域にそれぞれ配置される。こうした複数の電極部４１により、外装部材４Ｂにおける簡単な機構によって、近接する対象物５までの距離だけでなく移動の方向なども検知可能にできる。
　本実施形態において、センサ装置１Ｂは、分割された領域毎の電極部４１の間に充填され、各電極部４１を互いに絶縁する絶縁部４２をさらに備える。絶縁部４２により、隣り合う電極部４１が短絡して各々の静電容量が検知できなくなる事態を抑制することができる。本実施形態では、こうした絶縁部４２も含めてセンサ装置１Ｂの外装部材４Ｂを構成できる。
　上記のような絶縁部４２は、省略されてもよい。この変形例について、図１１を用いて説明する。
　図１１は、実施形態２の変形例１に係るセンサ装置１Ｃの構成を示す斜視図である。本変形例のセンサ装置１Ｃは、実施形態２のセンサ装置１Ｂと同様の構成において、絶縁部４２が省略された外装部材４Ｃを備える。外装部材４Ｃにおける複数の電極部４１は、互いに間隔を置いて配置される。この場合も、複数の電極部４１を分離した配置により、空気を介して絶縁することができる。
　更なる実施形態２の変形例について、図１２を用いて説明する。
　図１２は、実施形態２の変形例２に係るセンサ装置１Ｄの構成を示す斜視図である。本変形例のセンサ装置１Ｄでは、例えば上記のセンサ装置１Ｃと同様の構成において、外装部材４Ｄが、力センサ部２及び基板１０の一部を覆うように構成された複数の電極部４３を備える。各電極部４１は、力センサ部２の上面２ａの一部から基板１０上で対応する容量用端子１１が位置する箇所までの外装を構成するパターンで成形されてもよい。この場合であっても、力センサ部２の外装部材４Ｄを静電容量の検知電極に利用して、上述の実施形態と同様の効果を得られる。
（実施形態３）
　実施形態３では、力検知方式として光学式を採用する例について、図１３から図１４を用いて説明する。
　図１３は、実施形態３に係るセンサ装置１Ｅの構成を示す断面図である。以下では、実施形態２のセンサ装置１Ｂに光学式の力検知方式を採用する例を説明する。図１３の断面は、図９と同様の断面を示す。
　本実施形態のセンサ装置１Ｅでは、例えば実施形態２のセンサ装置１Ｂと同様の構成において、力センサ部２０が光学式で構成される。光学式の力センサ部２０は、例えば図１３に示すように、光源２１と、受光部２２と、弾性体２３，２４と、反射体２５とを含む。光源２１及び受光部２２は、本実施形態における光学素子の一例である。
　本実施形態のセンサ装置１Ｅの制御部３は、例えば力検知回路３２において、光源２１の駆動回路、及び受光部２２の出力に対する増幅器などを含む。又、光学式における力の測定方法としては適宜、公知技術を適用可能である（例えば特許文献２，３参照）。
　光学式の力センサ部２０において、光源２１は、例えばシングル又はマルチエミッタのＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）等の発光素子を含む。例えば、光源２１は、赤外領域などの所定の波長帯を有する光を発光し、検知光として出射する。光源２１は、ＶＣＳＥＬに限らず、例えばＬＤ（半導体レーザ）或いはＬＥＤなど種々の固体発光素子を含んでもよい。光源２１は、複数の発光素子を含んでもよい。光源２１には、発光素子からの光をコリメートするレンズ及びミラー等の光学系が設けられてもよい。
　受光部２２は、ＰＤ（フォトダイオード）等の受光素子を含み、例えば光源２１の周囲を取り囲むように複数の受光素子を配置して構成される。受光部２２は、受光素子において検知光の反射光等の光を受光して、例えば受光された光量を受光結果として示す受光信号を生成する。受光部２２は、ＰＤに限らず、例えばフォトトランジスタ、ＰＳＤ（位置検知素子）、ＣＩＳ（ＣＭＯＳイメージセンサ）或いはＣＣＤなど種々の受光素子を含んでもよい。
　弾性体２３，２４は、例えば２層構造を有する。１層目の弾性体２３は、例えば比較的に硬質の樹脂で構成され、光源２１及び受光部２２を封止する。２層目の弾性体２４は、例えば１層目の弾性体２３よりも軟質の樹脂で構成され、１層目の弾性体２４を封止する。各弾性体２３，２４は、光源２１による検知光の周波数帯について透光性を有する樹脂等で構成される。なお、力検知部２０における弾性体はこうした２層構造に限らず、１層又は３層以上であってもよい。
　反射体２５は、光源２１による検知光の周波数帯について反射特性を有する樹脂等で構成される。反射体２５は、例えば２層目の弾性体２４の上に設けられる。なお、外装部材４が上記の反射特性を有する場合などには、反射体２５は省略されてもよい。
　以上のように構成される光学式の力センサ部２０は、接触する対象物５からの力に応じて、光源２１から発光する検知光が、反射体２５において反射された反射光の受光部２２による受光状態が変化することを利用して、対象物５の接触力を検知する。この際の力センサ用端子１２としては、光源２１及び受光部２２におけるアノード及びカソードといった端子があればよく、接地端子なしで構成できる。このため、静電容量の検知電極となる外装部材４Ｂから接地電極を遠くするレイアウトが実現し易く、静電容量の検知精度を向上できる。
　以上のように、本実施形態に係るセンサ装置１Ｅにおいて、力センサ部２０は、光を受発光する受光部２２及び光源２１といった光学素子と、光学素子を封止する弾性体２３，２４とを備える。力センサ部２０は、光学素子における受光結果に基づいて、弾性体２３，２４を変形させる力を検知する。こうした光学式の力センサ部２０によると、接地部を削減でき、これによって外装部材４Ｃを用いた容量検知による対象物５の検知を行い易くすることができる。例えば、近接検知の対象とする距離範囲を拡大することが容易になる。
　図１４は、実施形態３の変形例に係るセンサ装置１Ｆの構成を示す斜視図である。本変形例のセンサ装置１Ｆは、実施形態３のセンサ装置１Ｅと同様の構成において、外装部材４Ｂの代わりに、基板１０上に設けられた複数の容量センサ用電極４４を備える。容量センサ用電極４４は、静電容量の検知電極の一例である。本変形例において、力センサ部２０には、容量センサ用電極４４とは電気的に接続しない外装が設けられてもよい。
　例えば、複数の容量センサ用電極４４は、力センサ部２０を取り囲む基板１０上の領域を分割するように配置される。複数の容量センサ用電極４４によると、実施形態２と同様の効果を得ることができる。さらに、光学式の力センサ部２０の場合、上述したように接地部を削減できることから、基板１０上に設けた容量センサ用電極４４であっても、精度良く静電容量を検知できる。
　以上のように、光学式の力センサ部２０を備えるセンサ装置１Ｆにおいて、複数の検知電極の一例である複数の容量センサ用電極４４は、基板１０上で力センサ部２０の周囲の領域が分割された複数の領域にそれぞれ配置されてもよい。この変形例によっても、実施形態３と同様の効果を得ることができる。
（実施形態４）
　実施形態４では、外装が平坦に構成されるセンサ装置について、図１５から図２０を用いて説明する。
　図１５は、実施形態４に係るセンサ装置１Ｇの構成を例示する斜視図である。本実施形態に係るセンサ装置１Ｇでは、例えば実施形態１のセンサ装置１と同様の構成において、外装部材４Ｅの形状が異なる。例えば、外装部材４Ｅの上面４ａが、ＸＹ平面に沿って平坦に形成される。図１５のセンサ装置１Ｇの内部構造は、例えば図３と同様である。
　図１６に、図４と同様のＡ－Ａ’断面におけるセンサ装置１Ｇの断面図を示す。本実施形態のセンサ装置１Ｇにおいて、外装部材４Ｅは、力センサ部２が基板１０から突出した高さ以上の高さにおいて平坦に力センサ部２及び基板１０を覆うように成形される。換言すると、外装部材４Ｅは、力センサ部２を埋め込むように構成される。本実施形態の外装部材４Ｅの材質としては、実施形態１と同様に導電性の弾性部材が用いられる。
　以上のように、本実施形態のセンサ装置１Ｇにおいて、検知電極の一例の外装部材４Ｅは、力センサ部２が埋設されるように力センサ部２を覆う形状に形成される。こうした外装部材４Ｅによると、力センサ部２の構成の詳細に依らず、平坦形状あるいはシート形状においてセンサ装置１Ｇを提供できる。又、力センサ部２の形状あるいは製造プロセス等を大幅に変更するようなことなく、静電容量式の近接センサの機能を追加し易い。
　また、図１５のような外装部材４Ｅの内部には、複数の力センサ部２が埋設されてもよい。この変形例について、図１７を用いて説明する。
　図１７は、実施形態４の変形例１に係るセンサ装置１Ｈの構成を示す断面図である。図１７の断面は、図１６と同様である。本変形例のセンサ装置１Ｈは、上述した実施形態４と同様の構成において、例えば図１７に示すように、外装部材４Ｅの内部に複数の力センサ部２を備える。複数の力センサ部２は、例えばアレイ状に配置される。各力センサ部２は、共通の基板１０に並置されてもよいし、別々の基板１０に設けられてもよい。
　以上のように、センサ装置１Ｈは、力センサ部２を複数、備えてもよい。１つの外装部材４Ｅ即ち１つの検知電極に、複数の力センサ部２が埋設されてもよい。こうした本変形例のセンサ装置１Ｈによると、外装部材４Ｅの平坦形状を利用した力の面内センシングを実現できる。すなわち、外装部材４Ｅ内の複数の力センサ部２により、対象物５が外装部材４Ｅの上面４ａに接触した際に面内で接触した箇所などを検知することが実現可能になる。
　上記のような力の面内センシングに加えて、近接の面内センシングを行える変形例について、図１８から図２０を用いて説明する。
　図１８は、実施形態４の変形例２に係るセンサ装置１Ｉの構成を示す斜視図である。図１９は、図１６と同様のＡ－Ａ’断面における、図１８のセンサ装置１Ｉの断面図を示す。
　本変形例のセンサ装置１Ｉは、図１５と同様の構成を複数、備える。すなわち、センサ装置１Ｉは、平坦な複数の外装部材４Ｅと、各外装部材４Ｅ内に埋め込まれた複数の力センサ部２とを備え、例えば各外装部材４Ｅの上面４ａが同一平面上となるように配置される。外装部材４Ｅの配置は、例えばアレイ状である。本変形例において、隣り合う外装部材４Ｅ間には、間隔をあけている。これにより、複数の外装部材４Ｅは、空気により互いに絶縁される。
以上のように、センサ装置１Ｉは力センサ部２を複数、備えてもよく、複数の外装部材４Ｅ即ち複数の検知電極にそれぞれ力センサ部２が埋設されてもよい。こうした本変形例のセンサ装置１Ｉによると、複数の外装部材４Ｅの各々において検知される静電容量に基づいて、近接した対象物５が何れの外装部材４に最も近いのかを検知したり、ＸＹ平面における対象物５の位置を検知したりすることができる。また、複数の力センサ部２により、上記と同様の力の面内センシングを行うこともできる。
　図２０は、実施形態４の変形例３に係るセンサ装置１Ｊの構成を示す断面図である。図２０の断面は、図１９と同様である。上記変形例のセンサ装置１Ｉでは、複数の外装部材４Ｅは空気で絶縁されたが、特にこれに限定されない。本変形例のセンサ装置ＩＪでは、上記変形例のセンサ装置１Ｉと同様の構成において、複数の外装部材４Ｅ間に、絶縁性の材料を充填した絶縁部４５が設けられる。これにより、例えばセンサ装置１Ｊを使用する各種環境下で外装部材４Ｅが大幅に変形したとしても、絶縁部４５により外装部材４Ｅ間の短絡を抑制することができる。
　　１，１Ａ～１Ｊ　　センサ装置
　　２，２０　　力センサ部
　　２１　　光源
　　２２　　受光部
　　２３，２４　　弾性体
　　２５　　反射体
　　３，３Ａ　　制御部
　　４，４Ｂ～４Ｅ　外装部材
　　４Ａ　　外装電極
　　４１，４３　　電極部
　　４２，４５　　絶縁部
　　４４　　容量センサ用電極

Claims (10)

  1. 　物体の接触による力および近接を検知するセンサ装置であって、
    　前記物体の接触に応じて変形し、前記力を検知する力検知部と、
    　前記力検知部が設けられる基板と、
    　前記力検知部及び前記基板における少なくとも一部の外装として構成され、静電容量の変化に基づき前記物体の近接を検知する１つ以上の検知電極と
    を備えるセンサ装置。
  2. 　前記力検知部は、前記基板から突出した上面を有し、
    　前記検知電極は、前記力検知部の上面に配置される
    請求項１に記載のセンサ装置。
  3. 　前記検知電極は、導電性を有する弾性部材で構成され、前記力検知部の少なくとも一部を覆うように配置される
    請求項１又は２に記載のセンサ装置。
  4. 　前記力検知部は、
    　光を受発光する光学素子と、前記光学素子を封止する弾性体とを備え、
    　前記光学素子における受光結果に基づいて、前記弾性体を変形させる力を検知する
    請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
  5. 　前記力検知部は、
    　光を受発光する光学素子と、前記光学素子を封止する弾性体とを備え、
    　前記光学素子における受光結果に基づいて、前記弾性体を変形させる力を検知し、
    　複数の検知電極が、前記基板上で前記力検知部の周囲の領域が分割された複数の領域にそれぞれ配置される
    請求項１に記載のセンサ装置。
  6. 　複数の検知電極は、前記力検知部を覆う領域が分割された複数の領域にそれぞれ配置される
    請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
  7. 　分割された領域毎の検知電極を互いに絶縁する絶縁部をさらに備える
    請求項６に記載のセンサ装置。
  8. 　前記検知電極は、前記力検知部が埋設されるように前記力検知部を覆う形状に形成される
    請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
  9. 　前記力検知部を複数、備え、
    　１つの検知電極に複数の力検知部が埋設される
    請求項８に記載のセンサ装置。
  10. 　前記力検知部を複数、備え、
    　複数の検知電極にそれぞれ力検知部が埋設される
    請求項８に記載のセンサ装置。
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