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図面 (15)

課題

面倒な組み立て作業が少なく且つ部品点数を増やすことなく容易に防水及び防塵対策ができる静電容量式力覚センサを提供すること。

解決手段

固定電極群が形成された基板1と、前記固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+と対向する面に導電性インク又は導電性塗料を付着又は含侵させて成る(導電性金属蒸着させて成る)可動電極Dを有したエラストマー製可動板2とを具備すると共に、前記固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+と可動電極Dとから複数の可変静電容量Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,Cz+を構成し、前記可動板2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の静電容量が変化するようにしてある。

概要

背景

従来の静電容量式力覚センサとしては、例えば図14に示す如く、固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−を有した基板90と、操作軸91aを有し且つ導電性を有した皿状の金属ダイヤフラム91とをリベット92により一体化して成るものがある。この力覚センサでは、前記操作軸91aを傾倒させると金属ダイヤフラム91が変形して、前記金属ダイヤフラム91と固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−との間の静電容量が変化するようになっている。

しかしながら、従来の静電容量式力覚センサではに示すような問題がある。
金属ダイヤフラム91への操作軸91aとの結合(カシメ止め等)や、金属ダイヤフラム91と基板90とのリベット結合等の面倒な組み立て作業が必要であり、コスト高となってしまう。
金属ダイヤフラム91と基板90との間に水等が侵入しやすく、用途によっては防水対策用のシール部材別途必要になってしまう。

概要

面倒な組み立て作業が少なく且つ部品点数を増やすことなく容易に防水及び防塵対策ができる静電容量式力覚センサを提供すること。

固定電極群が形成された基板1と、前記固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+と対向する面に導電性インク又は導電性塗料を付着又は含侵させて成る(導電性金属蒸着させて成る)可動電極Dを有したエラストマー製可動板2とを具備すると共に、前記固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+と可動電極Dとから複数の可変静電容量Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,Cz+を構成し、前記可動板2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の静電容量が変化するようにしてある。

目的

そこで、この発明では、面倒な組み立て作業が少なく且つ部品点数を増やすことなく容易に防水及び防塵対策ができる静電容量式力覚センサを提供することを課題とする。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
6件

この技術が所属する分野

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請求項1

固定電極群が形成された基板と、前記固定電極群と対向する面に導電性インク又は導電性塗料を付着又は含侵させて成る可動電極を有したエラストマー製可動板とを具備すると共に、前記固定電極群と可動電極とから複数の可変静電容量部を構成し、前記可動板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の静電容量が変化するようにしてあることを特徴とする静電容量式力覚センサ

請求項2

固定電極群が形成された基板と、前記固定電極群と対向する面に導電性金属蒸着させて成る可動電極を有したエラストマー製の可動板とを具備すると共に、前記固定電極群と可動電極とから複数の可変静電容量部を構成し、前記可動板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の静電容量が変化するようにしてあることを特徴とする静電容量式力覚センサ。

請求項3

可動板には、エラストマーより成る凸状の操作部が一体成形されていることを特徴とする請求項1又は2記載の静電容量式力覚センサ。

請求項4

固定電極群は、180°間隔で電極が配置されたものであり、二つの可変静電容量部の静電容量の変化により操作部に作用したX軸方向の力の大きさ及び正負方向が検出できるようにしてあることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の静電容量式力覚センサ。

請求項5

固定電極群は、90°間隔で電極が配置されたものであり、一方の直線上で対向する可変静電容量部の静電容量の変化により操作部に作用したX軸方向の力の大きさ及び正負方向が検出でき、他方の直線上で対向する可変静電容量部の静電容量の変化により操作部に作用したY軸方向の力の大きさ及び正負方向が検出できるようにしてあることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の静電容量式力覚センサ。

請求項6

90°間隔で配置された四つの電極で囲まれた基板部分に独立する電極を形成してあり、前記した独立する電極と可動電極とにより構成される可変静電容量部の静電容量の変化により操作部に作用したZ軸方向の力の大きさ及び正負方向が検出できるようにしてあることを特徴とする請求項5記載の静電容量式力覚センサ。

請求項7

可動板には操作部を囲む態様で周凸部が形成されており、前記周凸部を取付部材押圧する態様で可動板を取り付けたときには、周凸部の弾性復帰力により取付部材と可動板との間のシール性が確保されるようにしてあることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の静電容量式力覚センサ。

請求項8

基板と可動板とを金属フレーム包み込むと共に前記金属フレームの一部を折り曲げて可動板が基板及び金属フレームに対して圧接する態様で固定してあり、前記可動板の弾性復帰力によって生じるシール性により可変静電容量部に異物が外部から侵入しないようにしてあることを特徴とする請求項1又は2記載の静電容量式力覚センサ。

請求項9

金属フレームが導電性を有するものであり、前記金属フレームを介して可動電極を特定の電圧に保持するようにしてあることを特徴とする請求項8記載の静電容量式力覚センサ。

請求項10

基板又は可動板の対向面のうち少なくともいずれか一方に、固定電極群と可動電極との間の間隙があまり小さくならないようにするための突起を設けてあることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の静電容量式力覚センサ。

請求項11

90°間隔で配置された四つの電極で囲まれた基板部分に独立する接点用ランドを形成すると共に、前記接点用ランドと対向する可動板部分に電気接点となる突起を形成し、前記突起と接点用ランドとによりスイッチを構成させてあることを特徴とする請求項5記載の静電容量式力覚センサ。

請求項12

操作部に空間部を設けてあることを特徴とする請求項3記載の静電容量式力覚センサ。

技術分野

0001

この発明は、静電容量式力覚センサに関するものである。

背景技術

0002

従来の静電容量式力覚センサとしては、例えば図14に示す如く、固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−を有した基板90と、操作軸91aを有し且つ導電性を有した皿状の金属ダイヤフラム91とをリベット92により一体化して成るものがある。この力覚センサでは、前記操作軸91aを傾倒させると金属ダイヤフラム91が変形して、前記金属ダイヤフラム91と固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−との間の静電容量が変化するようになっている。

0003

しかしながら、従来の静電容量式力覚センサではに示すような問題がある。
金属ダイヤフラム91への操作軸91aとの結合(カシメ止め等)や、金属ダイヤフラム91と基板90とのリベット結合等の面倒な組み立て作業が必要であり、コスト高となってしまう。
金属ダイヤフラム91と基板90との間に水等が侵入しやすく、用途によっては防水対策用のシール部材別途必要になってしまう。

発明が解決しようとする課題

0004

そこで、この発明では、面倒な組み立て作業が少なく且つ部品点数を増やすことなく容易に防水及び防塵対策ができる静電容量式力覚センサを提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0005

(請求項1記載の発明)この発明の静電容量式力覚センサは、固定電極群が形成された基板と、前記固定電極群と対向する面に導電性インク又は導電性塗料を付着又は含侵させて成る可動電極を有したエラストマー製可動板とを具備すると共に、前記固定電極群と可動電極とから複数の可変静電容量部を構成し、前記可動板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の静電容量が変化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力覚センサは、固定電極群が形成された基板と、前記固定電極群と対向する面に導電性金属蒸着させて成る可動電極を有したエラストマー製の可動板とを具備すると共に、前記固定電極群と可動電極とから複数の可変静電容量部を構成し、前記可動板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の静電容量が変化するようにしてある。
(請求項3記載の発明)この発明の静電容量式力覚センサは、請求項1又は2記載の発明に関して、可動板には、エラストマーより成る凸状の操作部が一体成形されている。
(請求項4記載の発明)この発明の静電容量式力覚センサは、請求項1乃至3のいずれかの記載の発明に関して、固定電極群は、180°間隔で電極が配置されたものであり、二つの可変静電容量部の静電容量の変化により操作部に作用したX軸方向の力の大きさ及び正負方向が検出できるようにしてある。
(請求項5記載の発明)この発明の静電容量式力覚センサは、請求項1乃至3のいずれかの記載の発明に関して、固定電極群は、90°間隔で電極が配置されたものであり、一方の直線上で対向する可変静電容量部の静電容量の変化により操作部に作用したX軸方向の力の大きさ及び正負方向が検出でき、他方の直線上で対向する可変静電容量部の静電容量の変化により操作部に作用したY軸方向の力の大きさ及び正負方向が検出できるようにしてある。
(請求項6記載の発明)この発明の静電容量式力覚センサは、請求項5記載の発明に関して、90°間隔で配置された四つの電極で囲まれた基板部分に独立する電極を形成してあり、前記した独立する電極と可動電極とにより構成される可変静電容量部の静電容量の変化により操作部に作用したZ軸方向の力の大きさ及び正負方向が検出できるようにしてある。
(請求項7記載の発明)この発明の静電容量式力覚センサは、請求項1乃至6のいずれかに記載の発明に関して、可動板には操作部を囲む態様で周凸部が形成されており、前記周凸部を取付部材押圧する態様で可動板を取り付けたときには、周凸部の弾性復帰力により取付部材と可動板との間のシール性が確保されるようにしてある。
(請求項8記載の発明)この発明の静電容量式力覚センサは、請求項1又は2記載の発明に関して、基板と可動板とを金属フレーム包み込むと共に前記金属フレームの一部を折り曲げて可動板が基板及び金属フレームに対して圧接する態様で固定してあり、前記可動板の弾性復帰力によって生じるシール性により可変静電容量部に異物が外部から侵入しないようにしてある。
(請求項9記載の発明)この発明の静電容量式力覚センサは、請求項8記載の発明に関して、金属フレームが導電性を有するものであり、前記金属フレームを介して可動電極を特定の電圧に保持するようにしてある。
(請求項10記載の発明)この発明の静電容量式力覚センサは、請求項1乃至9記載の発明に関して、基板又は可動板の対向面のうち少なくともいずれか一方に、固定電極群と可動電極との間の間隙があまり小さくならないようにする突起を設けてある。
(請求項11記載の発明)この発明の静電容量式力覚センサは、請求項5記載の発明に関して、90°間隔で配置された四つの電極で囲まれた基板部分に独立する接点用ランドを形成すると共に、前記接点用ランドと対向する可動板部分に電気接点となる突起を形成し、前記突起と接点用ランドとによりスイッチを構成させてある。
(請求項12記載の発明)この発明の静電容量式力覚センサは、請求項3記載の発明に関して、操作部に空間部を設けてある。

0006

なお、上記発明の静電容量式力覚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。

発明を実施するための最良の形態

0007

以下、この発明の実施の形態を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の静電容量式力覚センサSの断面図を示している。

0008

この静電容量式力覚センサSは、基本的には図1に示すように、基板1と、前記基板1上に配置された可動板2とを具備するものであり、図1二点鎖線に示される如くケーシング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。

0009

基板1は、図1図2に示すように、その上面に接点用ランド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、後述する導電性インク層21と電気的に接触するようなことがないようにするためである。

0010

可動板2は、図1に示すように、エラストマー部20とこれの下面側にシルク印刷した導電性インク層21とから構成されている。前記エラストマー部20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、架橋した天然ゴム合成ゴム熱可塑性ウレタンゴムスパンデックスポリカーボネート弾性樹脂スポンジゴムなどが採用できる。また、この実施形態では導電性インク層21をエラストマー部20の下面に印刷形成してあるが、その他、エラストマー部20の下面に、導電性塗料を印刷して形成したものや、導電性金属を蒸着したものとしてもよい。

0011

前記エラストマー部20は、図1に示すように、その上面に短軸状の操作部20aを立設してあり、外周部には上記した上壁kとの圧接によりシール性を発揮する周凸部20bを設けてあると共に前記操作部20aと周凸部20bとの間を真円状のダイヤフラム部20cとしてある。他方、導電性インク層21は、図1に示すように、その下面に上記固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+が入る程度の大きさの平面視円形状の凹み部21aを設けてある。

0012

なお、上記可動板2は操作部20aに力を加えるとダイヤフラム部20cに応力が集中して変形す起歪体を形成しており、上記導電性インク層21における固定電極と対向する部分は、後述するように固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+との関係で可変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,Cz+を構成する可動電極Dとして機能する。

0013

ここで、この静電容量式力覚センサSは、図1に示すケーシングKへの取り付け状態では以下に示す機能が発揮されている。
周凸部20bが上壁kからの押圧力により弾性変形して、導電性インク層21と接点用ランドLとが圧接状態となり、可変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,Cz+への液体ゴミの侵入が阻止(シール性が発揮)され、他方、上壁kの下面と周凸部20bとが圧接状態となり、上壁kに形成された孔Hからの液体やゴミの侵入が阻止される。つまり、このセンサSの構成を採用した場合、板状シート部材を特別に設けなくとも各所のシール性が確保できる。
上記した導電性インク層21と接点用ランドLとの接触により可動板2の導電性インク層21全体がGND電位となる。よって、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上記した可変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,Cz+を発生させることができる。
なお、このセンサSの構成を採用した場合、従来の技術の欄で記載したような面倒な組み立て作業がない。

0014

この静電容量式力覚センサSは上記のような構成であるから、操作部20aを操作すると以下に示すように機能する。

0015

先ず、図3に示すように、操作部20a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を加えた場合も固定電極Dy+,Dy−について同様のことが言える。つまり、XY平面では、加える力の大きさと方向に応じて可動電極Dを構成する導電性インク層21が変形し、それに対応して可変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,Cz+の静電容量が変化する。なお、上記した操作部20aへの力又はモーメントが無くなると、元の状態に復帰する。

0016

次に、図4に示すように、操作部20aにZ軸方向の力Fzを加えると、可動電極Dと固定電極Dz+との間のギャップが小さくなり、可変静電容量部Cz+の静電容量は大きくなる。また、可動電極Dと固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+との間のギャップは均等に小さくなり可変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−の静電容量はほぼ等しく大きくなる。

0017

以上のことから、可変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,Cz+の静電容量は三次空間に加える力の大きさに対応して変化することが判った。したがって、図5に示すような回路を構成すれば、操作部20aに加える力の大きさと方向を、X,Y,Z軸方向の成分の電圧変化として検出することができる。なお、図5に示した回路にかえて図6に示した回路(Y及び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。
(実施形態2)図7は、この発明の実施形態2の静電容量式力覚センサSの断面図を示しており、図8は前記静電容量式力覚センサSの外観斜視図を示している。

0018

この実施形態では単独での組み立てを考慮しており、静電容量式力覚センサSは、図7図8に示すように、基板1と可動電極板2とを金属フレームF内に収容すると共に、前記金属フレームFにおける上壁f1と折曲片f2とにより基板1と可動電極板2とを積層した状態で挟圧保持したものである。したがって、上記実施形態1と同様にこの可変静電容量部Cx+,Cx−,Cy+,Cy−,Cz+への液体やゴミの侵入が阻止(シール性が発揮)され、また、導電性インク層21と接点用ランドLとの接触により可動板2の導電性インク層21全体がGND電位となっている。ここで、図7図8に示した符号f3はハンダ付リード端子であり、これを介して接点用ランドLと固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−,Dz+との間に電位差が付与される。

0019

また、導電性インク層21をGND(グランド)電位にする手段として上記実施形態において接点用ランドLを設けることなく、図9に示す如く、導電性インク層21を金属フレームFと接触させ、前記金属フレームFのリード端子f3をGNDに接続するようにしてもよい。
(実施形態3)この実施形態3の静電容量式力覚センサSは、図10に示すように、基板1にレジスト膜Rで覆われた固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−のみを配設し、これら固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−で囲まれる部分と対向する可動板2部分に下方に突出する突起21d(導電性インク層21により覆われている)を設けて構成してある。このセンサSでは上記突起21dの下端を基板1側に接触させてあり、突起21dがテコ支点の如く機能するようにしてある。したがって、この構造のセンサSをジョイスティックとして使用した場合、操作性が安定するという効果がある。
(実施形態4)この実施形態4の静電容量式力覚センサSは、図11に示すように、レジスト膜Rで覆われた固定電極Dx+,Dx−,Dy+,Dy−で囲まれた基板部分に独立する接点用ランドL1(レジスト膜R無し)を形成すると共に、前記接点用ランドL1と対向する可動板2部分に電気接点となる突起21e(導電性インク層21により覆われている)を形成してあり、前記突起21eと接点用ランドL1とによりスイッチを構成させたものである。
(実施形態5)この実施形態4の静電容量式力覚センサSは、図12や図13に示すように、操作感を向上させるために操作部20aの内部に空間部t(中空)とすることができる。
(その他の実施形態)上記実施形態1〜5に示された静電容量式力覚センサSに関し、操作性を向上させるために操作部20aの先端を凸又は凹にしても良い。

0020

手で操作する力以外の力を測定する場合は、用途に合わせて操作部の形状を変更しても良い。例えば操作部の先端をベアリング等の取り付けが可能な形状にし、糸の張力を測定する用途にも供することができる。

発明の効果

0021

この発明は上記構成を有するものであるから以下の効果を奏する。

0022

発明の実施の形態段の欄の説明から明らかなように、面倒な組み立て作業が少なく且つ部品点数を増やすことなく容易に防水及び防塵対策ができる静電容量式力覚センサを提供できた。

図面の簡単な説明

0023

図1この発明の実施形態1の静電容量式力覚センサの組み立て断面図
図2前記力覚センサの基板及び固定電極の平面図。
図3前記力覚センサの操作部に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前記力覚センサの操作部にZ軸方向の力が生じたときの断面図。
図5前記力覚センサに採用される回路図。
図6前記力覚センサに採用される他の実施形態の回路図。
図7この発明の実施形態2の静電容量式力覚センサの断面図。
図8この発明の実施形態2の静電容量式力覚センサの外観斜視図。
図9前記発明の実施形態2の静電容量式力覚センサに関連する力覚センサの断面図。
図10 この発明の実施形態3の静電容量式力覚センサの断面図。
図11 この発明の実施形態4の静電容量式力覚センサの断面図。
図12 この発明の実施形態5の静電容量式力覚センサの断面図。
図13 この発明の実施形態5の静電容量式力覚センサに関連する力覚センサの断面図。
図14先行技術の静電容量式力覚センサの断面図。

--

0024

S静電容量式力覚センサ
D可動電極板
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+ 可変静電容量部
t 空間部
F金属フレーム
1基板
2可動板
20エラストマー部
20a 操作部
20b 周凸部
21導電性インク層
21d突起
21e 突起

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