(57)【要約】【課題】  本発明は、三次元の力覚、或いは三次元的な圧力や変位を容量検出の手段を用いて検出することを目的とするが、従来はセンサプロー部に接続された可動部の電極と固定基板の電極の双方から電極を配線する必要があって、制約が多く高性能化できなかった。【解決手段】  本発明は、三次元の力覚、或いは三次元的な圧力や変位を容量検出の手段を用いて検出するセンサにおいて、センサプローブに接続される可動板に電極取出しを必要としない浮遊電極を用い、固定基板に配置された複数の電極と、この浮遊電極の各容量の直列容量を、固定電極に接続された計測回路で読み出すことで実現し、浮遊電極が電気的接続機構を有しないことで、自由度の高い設計と、精度の高い計測を実現するセンシングシステムを提供するものである。【選択図】 図１
2019060667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元方向のうち2方向以上の力覚、或いは圧力による変位を検出するセンサプローブと、そのセンサプローブに力覚や圧力が無い場合に初期位置を確定するバネの役割を行う弾性体が固定支持体とセンサプローブの間に挿入され、このセンサプローブがその変位を伝達する浮遊電極を備えた可動板に接続され、この可動板と平行に配置された複数の固定電極を備えた固定基板を備え、この固定基板には共通電極と、少なくても三次元方向の変位のうちの2つ以上の方向の変位を検出する固定電極が配置され、浮遊電極を備えた可動板と固定電極を備えた固定基板の間に空気層、或いは誘電体層を備えていることを特徴とする、力覚、圧力、変位のセンサモジュール。
【請求項２】
固定基板に配置された固定電極と、可動板に形成された浮遊電極がセンサプローブの中心位置から径方向に配置された円板上であって、固定電極は共通電極と固定基板に垂直な方向の変位を検出する電極と、固定基板に平行な方向を検出する１対の電極の４個の電極、或いは固定基板に平行で相互に直角の２方向を検出する２対の電極の計６個の電極、を装備し、浮遊電極を備えた可動板と固定電極を備えた固定基板の間に空気層、或いは誘電体層を備えていることを特徴とする、力覚、圧力、変位のセンサモジュール。
【請求項３】
センサプローブのと、固定支持体とは固定支持体から可動板に対して径方向の変位の平衡状態の位置を決める弾性体が具備され、可動板の垂直方向のへの平衡状態の位置を決定する弾性体は可動板と固定基板の間に挿入された弾性的な誘電体によって代替され、可動板に足して垂直方向の変位のバランスを改善させた、請求項１、２の構成を持つ力覚、圧力、変位のセンサモジュール。
【請求項４】
センサプローブの中心点を決める固定支持体が、固定基板にナットや接着剤等を用いて位置決め、或いは固定され、センサプローブと固定支持体の間に弾性体が挿入されてセンサプローブへの変位や力覚が無いときに平衡状態が決定され、固定基板には共通電極と、可動板が固定基板と平行方向に移動した場合にその容量変化を検出する少なくても一対の固定電極を持ち、センサプローブは浮遊電極を備えた可動板と機械的に分離されることで、可動板の径方向のみの変位の検出を可能にした力覚、圧力、変位のセンサモジュール。
【請求項５】
センサモジュールのセンサプローブを除き浮遊電極を供える可動板の上面と、複数の固定電極を備えた固定基板の下部に、外部からの雑音や電界、電磁波、他の金属や人体のアンテナ効果による不安定性を抑制するための接地電極をそなえ、この接地電極を回路システムの固定電位に接続した、請求項１から４の力覚、圧力、変位のセンサモジュール。
【請求項６】
可動部に備えた浮遊電極と、固定基板に配置された共通電極には適切な周波数を持った交流電圧を発生する信号発生回路が接続され、複数の検出電極は個々の負荷抵抗に接続され、各検出電極には増幅機能を持った高い入力インピーダンスを持つ増幅回路に接続され、その出力は全波整流を行って平均二乗平方根の値に比例するｒｍｓ変換回路に接続され、必要に応じて差動アンプ等を使って、三次元的な変位を検出することを特徴とした、請求項１から５の力覚、圧力、変位のセンサシステム。
【請求項７】
センサプローブの直径が1mmから10mmの範囲であって、可動板、或いは浮遊電極の直径が5mmから50mmの範囲であって、可動板、或いは浮遊電極と固定電極の隙間間隔が1マイクロメータから1mmの範囲である請求項１から５の力覚、圧力、変位のセンサモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元的な圧力、変位、位置を検出する小型・低価格でありながら精度の高い容量式タッチセンサを実現できることで、様々な計測ソリューションを具現化することを目的にしている。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野において従来は、ロボットや工作機械に使用される高精度であるが高価な力覚センサと、コンピュータの入力装置として使用される安価で精度を要求しない三次元タッチセンサがあった。
【０００３】
また構成としては、高度な機械加工を要求するセンサと、MEMS技術を使ったセンサ、更に最近ではフィルムを使ったセンサがあるが、フィルムを使った容量式センサは初期の開発費用が安価であり、薄くて様々な用途に対応できることから有望な技術領域および応用領域である。
【０００４】
またフィルムや薄い基板を用いたセンサは、電子回路を搭載したプリント基板や、自在に曲がるフィルム基板上に搭載できるため、様々な用途に安価に適用でき、更にこれらの容量式の三次元的な圧力、変位、位置センサは、流量や風速、風向、粒子、環境と言った他の物理量を計測するためのプラットフォームにもなるため、産業的に極めて重要である。
【０００５】
先行特許文献１に示された静電容量形３軸加速度センサは、固定板と、重錘を固着させた可撓板とが向き合ってケース体に固定され、前記固定板、可撓板の向き合う面に、固定電極と変位電極とが設けられ前記固定板剛性が高く撓みを生じにくい材料からなり外部から加速度が与えられると、可撓板が撓み固定電極と変位電極間距離が変化して両電極間の静電容量値も変化しこの静電容量値の変化をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に検出して加速度を検出できる。
【０００６】
先行特許文献２に示された静電容量形３軸加速度センサは、複数の電極パターンを有するプリント基板上に、金属板からなる中間変位板を配置し、その上にシリコンゴムからなる起歪体を配置し、力覚印加によって弾性変形部が弾性変形して押し潰され、電極と中間変位板とによって構成される容量素子の静電容量値が中間変位板の押し下げられ方に応じて変化し、この変化を検出することにより、加えられた力の三次元の各軸方向成分を検出することができる。
【０００７】
更に容量式の三次元的な圧力、変位、位置センサの先行技術として、特許文献３に示す公開公報「静電容量式触覚センサ」では、弾性高分子の基板と、側壁で支持されたエアギャップと、エアギャップに挟まれた2枚の電極があり、その上部電極の配線のために、斜め蒸着法を使って側壁の壁面を使って電極を取り出す方法が開示されているが、その上部電極の配線のために使う斜め蒸着法という特殊な装置を用いる必要があり、また構成が複雑になってコストアップの要因になる。
【０００８】
別の静電容量式の先行技術として、特許文献４に示す公開公報では、弾性体でありかつ導電性のある導電性エラストマーを対抗可動電極として用い、この可動電極の取り出し電極と、複数の固定電極の容量を検出することで、縦方向の圧力や、横方向のせん断成分を検出する構成が示されている。
【０００９】
別の静電容量式の先行技術として、特許文献５に示す公開公報では、弾性体でありかつ導電性のある導電性エラストマーを対抗可動電極として用い、この可動電極の取り出し電極と、複数の固定電極の容量を検出することで、縦方向の圧力や、横方向のせん断成分を検出する構成が示されている。
【００１０】
特許文献５に示す公開公報では、弾性体でありかつ導電性のある導電性エラストマーを対抗可動電極として用いるため、この特殊な材料の形状や、ヤング率、ポアソン比、更に導電等によって、計測する圧力とひずみの関係が変るので多数の形状の導電性エラストマーを準備する必要があった。
【００１１】
特許文献６に示す公開公報では、樹脂フィルム基板の表面側に導電性材料からなる可動電極を備え、可動電極は押圧により変位する変位部と樹脂フィルム基板の表面に接着固定する固定部とを有し、その固定部は引き出し電極に電気接続してあり、変移部は突出部の先端が初期状態において樹脂フィルム基板の表面に接触又は接着し、その静電容量検出電極は変移部と対向して配置されているとともに樹脂フィルム基板に設けた引き出し電極に電気接続されていることを特徴とする。    
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平4-148833号公報 「力覚センサ」
【特許文献２】特開2001-165790号公報  「力検出センサ」
【特許文献３】特開平5- 288619  「静電容量式触覚センサ」
【特許文献４】特開2001-91382 「静電容量式センサ」
【特許文献５】特開2010-8343 「力覚センサおよびその組み立て方法」
【特許文献６】特開2011-159599 「入力装置」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来の容量式の三次元的な圧力、変位、位置センサは先行特許文献に示すように、力覚センサや触覚センサと言われているセンサであって、一対の電極容量を計測する方式であって、その片方が固定され、他方が変位や歪みによって電極の位置が変動し、その一対の電極の容量を計測する方式であった。
【００１４】
特に可動式の電極は、導電性があって可塑性、或いは弾性である必要があるので、先行特許文献４から６では、その電極材料として導電性エラストマーが使われている。
【００１５】
これらの力覚センサ、或いは触覚センサはセンサの水平方向に対して、垂直な変位（或いは圧力）や、水平方向の2次元的な変位（或いは圧力）を複数の電極の組み合わせによって、分離して計測ができるが、その構造に起因する縦方向と横方向（せん断方向）のカップリング成分が存在することによって、それらを明確に分離することが出来ない場合が多かった。
【００１６】
また、先行特許文献４から６においては、導電性エラストマーが使われるために、この材料の機械的および電気的な特性と形状を最適にする必要があって、開発の初期投資が大きかった。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
これらの先行特許文献に共有させる課題は可動電極の加工や組み立てに課題、すなわち機械的に外部の三次元的な変位や圧力を伝達し、かつ電気的に基板回路に接続すると言う2つの機能を実現することが必要であった。
【００１８】
これらの機械的な伝達と、電気的な伝達は相反するこことが多く、機械的に祖結合、すなわち力定数が小さい場合は電気的にも導電性が低い、逆に機械的に蜜結合、すなわち力定数が大きい場合は電気的にも導電性が高かった。
【００１９】
実用的で柔軟な仕様、応用に展開するには、この相反関係にある機械的結合条件と電気的結合条件を独立に設定することが重要であるため、本発明では、三次元的な変位を反映する可動電極を浮遊電極にして電気的に絶縁することで、様々な課題が解決でき、浮遊電極であっても、正確な変位検出が出来るような構成を考案した。
【００２０】
図１に示す基本構成のように、本構成は当該の固定基板２に共通電極Ec、第一の電極E1、第二の電極E2、第三の電極E3が配置され、その面から空気層或いは誘電体層６を挟んで平行な可動板３に浮遊電極Efを持ち、この浮遊電極は電気的に電線等で接続されていない構成となっている。
【００２１】
このセンサ構成において、複数の固定電極は回路基板２に固定されており、可動部３は計測を行うべき被計測物であるセンサプローブ５に物理的に接続されていて、そのプローブの変位、或いは圧力を変位として検出するものである。
【００２２】
図２に示す本センサ構成の電気的な等価回路は、共通電極Ecと浮遊電極Efの間の容量をCfc、第一の電極E1と浮遊電極Efの間の容量Cf1、第二の電極E2と浮遊電極Efの間の容量Cf2、第三の電極E3と浮遊電極Efの間の容量Cf3が存在している。
【００２３】
ここで、実際の計測は共通電極Ec と第一の電極E1の間の容量C1、共通電極Ec と第二の電極E2の間の容量C2、共通電極Ec と第三の電極E3の間の容量C3を計測することでセンサプローブ５の変位を計測するが、CfcとCf1、CfcとCf2、CfcとCf3が全て直列になっているため、例えばC1は数１によって計算される。
【００２４】
【数１】
2019060667.tif 000003
【００２５】
ここで、図１に示すように、共通電極の面積をSc、第一の電極の面積をS1、第二の電極の面積は幅Wと、長さD+dの積、第三の電極の幅Wと、長さD−dの積、また空気或いは誘電体の隙間の距離はTに対して垂直方向にｔ変位したT+tとすると、真空の誘電率ε0と誘電体の誘電率εｒを使って、例えばC1は数2によって表され、C2は数3によって表される。
【００２６】
【数２】
2019060667.tif 000004
【００２７】
【数３】
2019060667.tif 000005
【００２８】
ここで、これらの数式を使って実際に計測される容量を計算すると極めて複雑になるが、共通電極の面積が他の面積よりも大きい場合と、ｄがDに比較して小さい場合、ｔがTに比較して小さい場合は近似式として、C1は数4に、C2は数5に近似される。
【００２９】
【数４】
2019060667.tif 000006
【００３０】
【数５】
2019060667.tif 000007
【００３１】
この結果、C1の計測によって可動部３の上下方向の変位率であるt/Tが推定出来、C2とC3の計測によって可動部３の水平方向の変位率であるd/Dの推定が出来る。
【００３２】
この発明の最大の特徴は、浮遊電極Cfは電位を与えるための電極配線を一切必要としないことであり、これによって機械的・物理的な制限を受けること無しにプローブの変位や力覚を極めて正確に可動電極に伝達し、その変位を計測することが出来る点にある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の実施例（実施例１）の構成図、センサモジュールの基本構成を示す。
【図２】実施例１のセンサモジュールの電気的等価回路を示す。
【図３】実施例１の構成の計測電子回路を示す。
【図４】実施例１の構成の駆動電子回路を示す。
【図５】実施例２の構成図、センサモジュールの断面を示す。
【図６】実施例３の構成図、センサモジュールの断面を示す。
【図７】実施例４の構成図、センサモジュールの断面を示す。
【図８】実施例５の構成図、センサモジュールの断面を示す。
【図９】実施例６の構成図、センサモジュールの断面を示す。
【図１０】実施例七の構成の計測電子回路を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１が本発明の基本的な構成図であり、センサモジュール１は、複数の電極を持つ固定基板２と、変位や力覚を捉えるセンサプローブ５と浮遊電極Efを持つ可動板３、可動板３を平衡状態で所定の位置に戻すためのバネの役割をする弾性体４、複数の電極を持つ固定基板２と浮遊電極Efの間は、厚さTを持つ空気層或いは誘電体層６で構成されている。
【００３５】
固定基板２には共通電極Ecが配置され、この共通電極Ecと浮遊電極Efに挟まれた空気層或いは誘電体層６で構成される共通電極―浮遊電極間容量Cfcが形成され、固定基板２には固定基板２の垂直の方向の変位の変化量ｔを検出するための第一電極E1が配置される。
【００３６】
この第一電極E1と浮遊電極Efに挟まれた空気層或いは誘電体層６で構成される第一電極―浮遊電極間容量Cf1が形成され、同じく固定基板２には固定基板２との平行方向の変位の変化量ｄを検出するための第二電極E2が配置され、この第二電極E2と浮遊電極Efに挟まれた空気層或いは誘電体層６で構成される第二電極―浮遊電極間容量Cf2が形成され、同じく固定基板２には固定基板２との平行方向の変位の逆の変化量-ｄを検出するための第三電極E3が配置され、この第三電極E3と浮遊電極Efに挟まれた空気層或いは誘電体層６で構成される第三電極―浮遊電極間容量Cf3が形成される。
【００３７】
ここで、例えば図１に示すように中心部に位置するセンサプローブ５を中心とした浮遊電極Ef、共通電極E1は円板上であることが望ましいし、第二電極E2や第三電極E3はセンサプローブ５を中心とした円板状であって、その変位の方向の特性に従って一部に電極の分離パターン１３を設ける必要がある。
【００３８】
この第一の実施例の等価回路は図２に示すように、極めてシンプルであって、外部の電子回路によって、信号を取り出せる共通電極Ec、固定基板２の垂直の方向の変位の変化量ｔを検出するための第一電極E1、固定基板２との平行方向の変位の変化量ｄを検出するための第二電極E2、固定基板２との平行方向の変位の逆の変化量-ｄを検出するための第三電極E3が構成され、またこれらの電極間の容量はこの共通電極Ecと浮遊電極Efに挟まれた空気層或いは誘電体層６で構成される共通電極―浮遊電極間容量Cfc、第一電極E1と浮遊電極Efに挟まれた空気層或いは誘電体層６で構成される第一電極―浮遊電極間容量Cf1、第二電極E2と浮遊電極Efに挟まれた空気層或いは誘電体層６で構成される第二電極―浮遊電極間容量Cf2、更に第三電極E3と浮遊電極Efに挟まれた空気層或いは誘電体層６で構成される第三電極―浮遊電極間容量Cf3が示されている。
【００３９】
この図２で示された等価回路を持つセンサモジュール１の計測検出回路は図３に示すように、各電極の端子に接続する回路としては、共通電極Ecと第一電極E1から、ここでは第五電極E5までを示し、この間の端子間の容量の変化を検出することでY方向（第二電極と第三電極を結ぶ方向）、X方向（第四電極と第五電極を結ぶ方向）、Z方向（固定基板２に垂直な方向）の変位の変化を検出することが可能である。
【００４０】
容量検出の方法は、ハートレー発振器のように当該容量と、コイルの既知インダクタンスによって起こる共振回路の共振周波数を計測する方法、電荷アンプと言う電荷量を電圧に変換する回路を使う方法等があるが、ここでは極めて高精度に微少容量を検出可能な交流電圧を用いたインピーダンス計測回路を用いた。
【００４１】
図３の共通電極Ecにはある特定の周波数を持った交流電圧を印加するが、この端子間容量が小さい場合は、周波数や印加振幅を大きくする。
【００４２】
他の電極である第一電極E1から第五電極E5は、必要な負荷抵抗を接続し、この付加抵抗の端子間信号を検出するが、負荷抵抗は抵抗であっても、容量であっても良いし、抵抗と容量の混在した特定のインピーダンスを持ったものであっても良い。
【００４３】
図３の例では、Y方向の変位を検出するために第二電極と第三電極の負荷抵抗に生成した信号の差を検出し、X方向の変位を検出するために第四電極と第五電極の負荷抵抗に生成した信号の差を検出し、Z方向は第１電極の負荷抵抗に生成した信号を、それぞれ差動アンプQ2からQ3、バッファアンプQ1で検出する方法を図示した。
【００４４】
共通電極Ecに掛ける交流電圧を発生する回路の例は、ウイーンブリッジ回路を使ったものが一般的であるいが、図４に示すようにマイコンやタイマーによって生成された矩形波P1を、Q5を用いたバンドパスフィルターを使ってサイン波を生成し、Q6の電流駆動回路を用いてある特定周波数の交流電圧を作成する方法を示す。
【００４５】
ここで、矩形波P1はQ4の前段回路R2、C1によって積分され、Q5を用いた帰還形バンドパスフィルターでサイン波に形成され、R7、R8の抵抗でオフセット電圧V1が重畳された後に、Q6の電流駆動回路でR12のエミッタ抵抗で決る電流がR10に流れることでR10の両端に交流電圧が発生し、この端子電圧を共通電極Ecに掛ける。
【実施例】
【００４６】
図１が本発明の実施例（実施例１）の構成図であり、センサモジュール１は、複数の電極を持つ固定基板２と、変位や力覚を捉えるセンサプローブ５と浮遊電極Efを持つ可動板３、可動板３を平衡時に所定の位置に戻すためのバネの役割をする弾性体４、複数の電極を持つ固定基板２と浮遊電極Efの間は、厚さTを持つ空気層或いは誘電体層６で構成されている。
【００４７】
固定基板２には共通電極Ecが配置され、この共通電極Ecと浮遊電極Efに挟まれた空気層或いは誘電体層６で構成される共通電極―浮遊電極間容量Cfcが形成され、固定基板２には固定基板２の垂直の方向の変位の変化量ｔを検出するための第一電極E1が配置され、この第一電極E1と浮遊電極Efに挟まれた空気層或いは誘電体層６で構成される第一電極―浮遊電極間容量Cf1が形成され、同じく固定基板２には固定基板２との平行方向の変位の変化量ｄを検出するための第二電極E2が配置され、この第二電極E2と浮遊電極Efに挟まれた空気層或いは誘電体層６で構成される第二電極―浮遊電極間容量Cf2が形成され、同じく固定基板２には固定基板２との平行方向の変位の逆の変化量-ｄを検出するための第三電極E3が配置され、この第三電極E3と浮遊電極Efに挟まれた空気層或いは誘電体層６で構成される第三電極―浮遊電極間容量Cf3が形成される。
【００４８】
図１には、上段に第一の構成図の断面が、中段に浮遊電極Efの平面図、下段には変位を検出るために電極、即ち第一電極E1が最内部に円板形に、共通電極Ecがその外側に円板形に、第二から第五の電極が、更にその外側に円板を電極の分離パターン１３を設けた4分割した形状になっている。
【００４９】
第１の実施例では、図２に示す、センサモジュールの等価回路や、図３に示した計測の方法や、図４に示した共通電極Ecへの印加電圧の生成方法は、発明を実施するための形態
に示した記述と同じである。
【００５０】
図３に示して計測された信号から、数４や数５の方法によって、第一電極から計測された容量によって、数４に基づいてZ方向の変位の変化を計測し、第二電極と第三電極から計測された容量の差によって、数５に基づいてY方向の変位の変化を計測し、同様な手法で第四電極と第五電極から計測された容量の差によって、X方向の変位の変化を計測する。
【００５１】
図５に示す第2の実施例では、センサモジュール１は、複数の電極を持つ固定基板２と、変位や力覚を捉えるセンサプローブ５と浮遊電極Efを持つ可動板３、可動板３を固定基板と水平の方向、或いはX方向とY方向の初期の位置に戻すためのバネの役割をする弾性体４、可動板３を固定基板２の垂直方向、或いはZ方向の初期の位置に戻し、更に複数の電極を持つ固定基板２と浮遊電極Efの間の容量を形成するは、厚さTの弾性体で構成された誘電層７で構成されている。
【００５２】
図１に示した第一の実施例では、プローブに掛かる変位や、力覚が無いときに可動板を初期位置に戻すバネの役割をするのは固定支持体９とセンサプローブ５の間に構成された弾性体４であったが、このプローブ５に掛かる力覚が中心からずれた場合は、可動板３が左右非対称な変位を受ける。
【００５３】
このため、図５示す第二の実施例では、可動板３を固定基板と水平の方向、或いはX方向とY方向の初期の位置に戻すためのバネの役割をする弾性体４とは別に、可動板３を固定基板２の垂直方向、或いはZ方向の初期の位置に戻すためのバネを、複数の電極を持つ固定基板２と浮遊電極Efの間の容量を形成する誘電体を兼用させた、厚さTの弾性体で構成された誘電層７に役割を荷なす。
【００５４】
この弾性体で構成された誘電層７は板状であるので、このプローブ５に掛かる力覚が中心からずれた場合であっても、可動板３がX方向、Y方向に対して均一で対称な変位を受け計測の精度があがる。
【００５５】
図６に示した第三の実施例では、第一の実施例におけるは固定支持体９を固定基板２にナット等を用いて固定し、この固定支持体９とセンサプローブ５の間にX,YとZ方向のどの方向に対しても変位や力覚が無いときに初期値に戻せる弾性体４を配置した例である。
【００５６】
この第三の実施例では、可動板３はセンサプローブ５と接着させず、センサプローブ５の左右、或いはXY方向の変位に自由に倣うように、可動板３とセンサプローブ５は滑りの良い構成にする。
【００５７】
この実施例ではZ方向の変位を計測出来ないが、可動板３とセンサプローブ５の間の摩擦等で可動板３がZ方向に変形した場合にZ方向の変位を計測する第一電極E1を構成することで、Z方向の補正が可能になる。
【００５８】
図７に示した第四の実施例では、第一の実施例におけるは固定支持体９を固定基板２にナット等を用いて固定し、この固定支持体９とセンサプローブ５の間にX,YとZ方向のどの方向に対しても変位や力覚が無いときに初期値に戻せるバネ１０を配置した例である。
【００５９】
このバネ１０は、ピアノ線のような剛性の高い線材をスパイラル状に巻いても良いし、或いはぜんまいバネのように水平方向（XY方向に）中心線にそってその半径が徐々に拡大するように巻いても良い。
【００６０】
このバネは、固定支持体９とセンサプローブ５に、その両端が固定されており、この例ではセンサプローブ５と、可動板３は接着剤８で固定され、更に左右、或いはXY方向の可動板３のバランスを保つために、可動板３を固定基板２の垂直方向、或いはZ方向の初期の位置に戻すためのバネを、複数の電極を持つ固定基板２と浮遊電極Efの間の容量を形成する誘電体を兼用させた、厚さTの弾性体で構成された誘電層７を追加した構成である。
【００６１】
図８に示した第五の実施例では、第四の実施例における可動板３を固定基板２の垂直方向、或いはZ方向の変位の計測に使う第一電極E1を省略した構成であって、可動板３を固定基板２の水平方向、或いはX,Y方向の変位や力覚を検出することに特化した例を示す。
【００６２】
図９に示した第六の実施例は、センサモジュール１のセンサプローブを除き浮遊電極を供える可動板の上面と、複数の固定電極を備えた固定基板２の下部に、外部からの雑音や電界、電磁波、他の金属や人体のアンテナ効果による不安定性を抑制するための上部の接地電極１２と下部の接地電極１１を備え、この接地電極を回路システムの固定電位に接続することで、安定でノイズに強い構成にした。
【００６３】
図１０に示した第七の実施例は、信号処理回路の例であり、図３の第一の実施例でセンサ容量CfcやCf1等に意図しない寄生容量や寄生抵抗が存在した場合は、端子の負荷抵抗の端子信号に位相情報が乗ってしまい正しい振幅情報が得られない場合がある。
【００６４】
このため図１０に示すように、各端子の負荷抵抗の信号を一旦、非反転アンプQ7,Q8,Q10にて増幅したあと、全波整流して平均二乗平方根値を取り出すｒｍｓ変換回路B1,B2,B3を使って振幅情報に比例する値を求め、これをQ9で構成する差動アンプで比較する方が、正しい計測が出来る。
【００６５】
具体的に第１の実施例を用いて実施する場合の定量的な見積もりを行うと、センサプローブの大きさは、加工のし易さと実際に産業用途に適用を考えると1mmから10mmの間であって、センサシステム自体の大きさとしては、可動板、或いは浮遊電極の直径は5mmから50mm程度、隙間間隔は1マイクロメータから1mmが適切である。
【００６６】
ここで可動板、或いは浮遊電極の直径は20mmとした場合の典型的な値としては、共通電極Ecの外形（直径）は15mm、内径を10mmとするなら、その面積が98.1mm平方となり、比誘電率1の空気の場合で10マイクロメータの隙間間隔、或いは比誘電率4のポリマーであれば、40マイクロメートルとすると、その浮遊電極との容量は中空円形で計算すると86.8pFとなる。
【００６７】
その内側に配置される第一の電極の大きさは外径（直径）が8.3mm、内径が5mmとすると、同じ条件では30.5pF、更に、第二と第三の電極は、外径（直径）で20mm、内径16.6mmとして、これを4分割されたとして、1個の電極と浮遊電極との容量は浮遊電極とのオーバラップを最大とすると、20.4pF、またオーバラップを50%とすると10.2pFとなる。
【００６８】
この値を用いると、数１に従って、共通電極Ecで構成させる容量との直列接続となるので、第一電極の計測容量は、22.5pFとなり、第二と第三の電極では平均9.03pF,および最大で16.5pFとなる。
【００６９】
この容量を交流電圧で駆動する場合のインピーダンスは、10kHzの周波数では、第一電極の計測インピーダンスは、71ｋΩとなり、第二と第三の電極では平均96ｋΩおよび最大で176ｋΩとなる。
【００７０】
これらから、負荷抵抗は1ｋΩから100ｋΩ程度が望ましく、また駆動周波数は10kHzから１MHz程度をセンサモジュールの大きさや、可動板の大きさ、浮遊電極との隙間間隔や材料の比誘電率の設定を考慮下上で、この範囲で決めることが望ましい。
【符号の説明】
【００７１】
１ センサモジュール
２ 固定基板
３  可動板
４  弾性体
５ センサプローブ
６  誘電体層
Ec  共通電極
E1  第一電極
E2  第二電極
E3  第三電極
E4  第四電極
E5  第五電極
Ef  浮遊電極
Cfc 共通電極―浮遊電極間容量
Cf1 共通電極―第一電極間容量
Cf2 共通電極―第二電極間容量
Cf3 共通電極―第三電極間容量
Cf4 共通電極―第四電極間容量
Cf5 共通電極―第五電極間容量
７ 弾性体で構成された誘電層
８  接着層
９  固定支持体
１０  バネ
１１  下部GND層
１２  上部GND層
１３  電極の分離パターン
１４  中心位置決め部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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