(57)【要約】【課題】  操作軸と直交する方向における大きさが小さく、操作軸を機器の側面に配置する場合でも機器の厚さ（高さ）を必要とせず、機器の小型化を可能とする。【解決手段】  複数の柱状体２２を互いにずれる程度に束ねて操作軸２１を構成し、それら柱状体２２の互いの対向面に、互いに対向して静電容量を構成し、柱状体２２の長手方向に互いにずれることにより、その静電容量が変化するように構成された電極２３をそれぞれ形成する。操作軸２１は一端が固定され、他端が自由端とされて、その自由端に力が作用することにより撓むと共に柱状体２２が互いにずれて静電容量が変化し、その静電容量の変化によって作用した力の方向と大きさを検出する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の柱状体が互いにずれる程度に束ねられて操作軸が構成され、
上記柱状体の互いの対向面に、互いに対向して静電容量を構成し、上記柱状体の長手方向に互いにずれることにより、その静電容量が変化するように構成された電極がそれぞれ形成され、
上記操作軸は一端が固定され、他端が自由端とされて、その自由端に力が作用することにより撓むと共に、上記柱状体が互いにずれて上記静電容量が変化し、その静電容量の変化によって上記力の方向と大きさを検出する構成とされていることを特徴とする力センサ。
【請求項２】
請求項１記載の力センサにおいて、
上記柱状体の互いの対向面の間に隔壁を挟み、
その隔壁の両面に、上記静電容量の変化の差動検出を可能とする電極を設けたことを特徴とする力センサ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の力センサにおいて、
上記電極は櫛歯が上記長手方向に配列されてなる櫛歯電極とされていることを特徴とする力センサ。
【請求項４】
請求項１又は２記載の力センサにおいて、
上記柱状体は四角柱形状とされ、４本の柱状体が直交２面を挟むように束ねられて上記操作軸が構成されていることを特徴とする力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は力の方向及び大きさを検出することができる力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
測定器や制御盤、携帯情報機器等の入力部品として、スイッチの他に力センサあるいは力覚センサと呼ばれるセンサがある。この種のセンサはスイッチと異なり、ＯＮ、ＯＦＦ以外の中間的な力を検出することができるので、より細かな制御入力が可能となる。また、１つのセンサで２方向以上の力成分を検出することができるため、機器の小型化や検出場所の制約が減る等の利点がある。
大型の機器では例えば操作軸を支える金属の構造物にひずみゲージ等を貼ることにより、操作軸の曲がりを力として検出するものや、バネにより支えられた操作軸の動きをポテンショメータ（可変抵抗器）等の角度／位置センサで検出するものがある。しかし、機器の小型化・普及により、入力部品もさらに小型、低価格化が要求され、感圧ゴムや静電容量の変化を利用した力センサが多く使われている。
【０００３】
図１４Ａはこのような静電容量の変化を利用した力センサの従来構成例を示したものであり、図中、１１は基板、１２は固定電極、１３は可動電極板、１４は枠体、１５は操作軸を示す。
固定電極１２はこの例では円周の中心と、その円周上に９０°間隔で位置されて計５つ、基板１１上に設けられ、可動電極板１３はこれら固定電極１２と所定の間隙を介して対向するように、周縁が枠体１４に支持されて配置されている。可動電極板１３は可撓性を有するものとされ、操作軸１５はこの可動電極板１３の上面中央に取り付けられている。
【０００４】
図１４Ｂは上記のような構成を有する力センサの操作軸１５が操作された状態の一例を示したものであり、操作軸１５に例えば矢印で示した方向に力が作用すると、操作軸１５は傾き、かつ可動電極板１３が図に示したように撓んで変位し、これにより固定電極１２との間隔が変化して静電容量が変化する。
５つの固定電極１２と可動電極板１３とによって構成される５箇所の静電容量は力の方向及び大きさに応じて変化し、よってこれら静電容量の変化から力の方向と大きさを検出することができるものとなっている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２７５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、この図１４に示したような構成とされた力センサでは、操作軸１５の軸方向は基板１１の板面に対して直交する方向とされており、つまり操作軸１５の軸方向と直交する面に固定電極１２が所要数配列され、かつそれらと対向する大きさとされた可動電極板１３が枠体１４に支持されて位置されているため、例えば機器の側面に操作軸１５を配し、側面から操作軸１５が突出するような構成を採用しようとすると、基板１１は機器の側面に平行となり、よって少なくとも静電容量を構成する固定電極１２及び可動電極板１３が占有する面の大きさだけ、機器の厚さ（高さ）が必要となり、その分機器の小型化が阻害されるものとなっていた。
【０００６】
また、機器に内蔵される配線・部品実装用基板は一般に機器の設置面（水平面）に対して平行に配置され、つまり側面に対して垂直に配置される場合が多く、よって力センサの基板１１はこのような機器の基板を兼用することができないため、基板１１用として機器の側面に平行な専用基板を用意しなければならず、その分コストがかかるものとなっていた。
この発明の目的はこのような問題に鑑み、操作軸を機器の側面に配置する場合でも従来のような機器の厚さを必要とせず、よって機器の小型化を図ることができ、かつ機器の側面に平行な専用基板も必要としない力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明によれば、複数の柱状体が互いにずれる程度に束ねられて操作軸が構成され、柱状体の互いの対向面に、互いに対向して静電容量を構成し、柱状体の長手方向に互いにずれることにより、その静電容量が変化するように構成された電極がそれぞれ形成され、操作軸は一端が固定され、他端が自由端とされて、その自由端に力が作用することにより撓むと共に、柱状体が互いにずれて静電容量が変化し、その静電容量の変化によって上記力の方向と大きさを検出する構成とされる。
請求項２の発明では請求項１の発明において、柱状体の互いの対向面の間に隔壁を挟み、その隔壁の両面に、上記静電容量の変化の差動検出を可能とする電極を設けたものとされる。
【０００８】
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、上記電極が櫛歯が上記長手方向に配列されてなる櫛歯電極とされる。
請求項４の発明では請求項１又は２の発明において、柱状体が四角柱形状とされ、４本の柱状体が直交２面を挟むように束ねられて操作軸が構成されているものとされる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、操作軸の内部に操作軸に作用した力の方向及び大きさに応じて変化する静電容量が構成されており、操作軸が力を受けて撓むことにより、その力の方向及び大きさを検出することができるものとなっている。
従って、静電容量の変化を利用した従来の力センサのように、操作軸の軸方向と直交する面に静電容量検出用の所要数の電極を配置しなくてもよく、その分操作軸の軸方向と直交する方向における大きさを大幅に小さくすることができ、極めて小型な力センサを得ることができる。
【００１０】
よって、例えば操作軸を機器の側面に配置するような場合であっても機器の厚さを必要とせず、機器の小型化を図ることができ、また従来の力センサのような機器の側面に平行な専用基板も必要としないことから、取り付けを簡易に行え、かつ安価に構成できるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明を実施するための最良の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による力センサの一実施例を示したものであり、この例では操作軸２１は４本の柱状体２２が互いにずれる程度に束ねられて構成されたものとされる。図２Ａはこの操作軸２１の外観概略を示したものであり、図２Ｂは操作軸２１を構成する４本の柱状体２２の詳細を個々に分離して示したものである。まず、図２を参照して操作軸２１の構成について説明する。
４本の柱状体２２はこの例では四角柱形状とされ、直交２面を挟むように束ねられて操作軸２１が構成されている。これら柱状体２２は例えば樹脂製とされ、絶縁体とされる。
【００１２】
各柱状体２２の長手方向に延びる隣接２面には図２Ｂに示すように、櫛歯２３ａがその長手方向に配列されてなる櫛歯電極２３がそれぞれ形成されており、櫛歯電極２３の連結部２３ｂは柱状体２２の基端側に延長されている。櫛歯電極２３は例えば導電性ペーストの印刷や金属膜の蒸着によって形成される。なお、図には示していないが、各櫛歯電極２３の表面には樹脂コーティング等により絶縁処理が施されている。
各柱状体２２の櫛歯電極２３は４本の柱状体２２を束ねることにより、それら柱状体２２の互いの対向面に位置され、つまり操作軸２１の内部に位置され、互いに対向する櫛歯電極２３によって静電容量が構成される。静電容量は４組の櫛歯電極２３により９０°間隔で４つ構成される。
【００１３】
なお、互いに対向して静電容量を構成する櫛歯電極２３はこの例ではそれらの櫛歯２３ａの位置が柱状体２２の長手方向において櫛歯２３ａの幅の半分ずれるように、また連結部２３ｂが櫛歯２３ａの重なり部分に対して互いに反対側に位置するように形成されている。
上記のような櫛歯電極２３を具備する柱状体２２が束ねられてなる操作軸２１はその一端（基端）が固定端とされて図１Ａに示したようにケース２４に収容されて固定支持され、他端は自由端とされる。
【００１４】
ケース２４は例えば樹脂製とされて、この例では内部に静電容量−電圧変換回路を具備するものとされ、各櫛歯電極２３の連結部２３ｂはこの回路に接続され、静電容量の変化を電圧変化として検出することができるものとなっている。図１Ａ中、２５は端子を示し、この例では一部隠れて見えないが、５つの端子２５を有するものとなっている。
操作軸２１の自由端には操作部２６が取り付けられ、また操作軸２１の長手方向中間部にはこの例では鞘２７が取り付けられている。
操作部２６はこの例では円柱形状をなすものとされ、その一端面に設けられた角穴２８に操作軸２１の自由端が図１Ｂに示したように挿入されて接着固定されている。図１Ｂ中、２９は接着剤を示し、図に示したように操作軸２１はその端部の周囲が操作部２６に接着されており、先端面と角穴２８の底面との間には所定の間隙（空間）が設けられている。
【００１５】
接着剤２９には例えばシリコーン系接着剤等の硬化しない柔軟な接着剤が用いられ、鞘２７も同様の接着剤により接着されて操作軸２１の中間位置に位置されている。４本の柱状体２２はこの鞘２７によって束ねられた状態が安定に維持されるものとなっている。なお、操作部２６及び鞘２７は例えば樹脂製とされる。
次に、上記のような構成を有する力センサの動作について説明する。
この力センサは図３Ａに矢印で示したように直交２軸方向の力を検出するものとされ、操作部２６に力が作用すると、操作軸２１はその力を受けて図３Ｂに示した状態から例えば図３Ｃに示したように撓む。
【００１６】
各柱状体２２は互いにずれる程度に、つまりずれが許容されて束ねられていることから撓むと共に互いにずれ、図３Ｃに示した状態では上側２本の柱状体２２と下側２本の柱状体２２とにずれが生じる。従って、これら上側２本の柱状体２２と下側２本の柱状体２２との互いの対向面に形成されている櫛歯電極２３の位置が相対的に長手方向にずれることになる。
図４は互いに対向して静電容量を構成する一組の櫛歯電極２３の初期状態及びずれた状態の例を示したものであり、この図４において例えば櫛歯電極２３−Ｌを図３Ｃにおける下側の柱状体２２の上面に形成されている櫛歯電極とし、櫛歯電極２３−Ｕを上側の柱状体２２の下面に形成されている櫛歯電極とすると、これら櫛歯電極２３−Ｌ，２３−Ｕは初期状態（図３Ｂの状態）において図４Ａに示したように互いの櫛歯２３ａが半分重なっている状態から、操作軸２１が図３Ｃに示したように撓むことにより図４Ｂに示したように相対的に位置がずれて櫛歯２３ａの重なりが減少し、よってこの場合静電容量が減少することになる。
【００１７】
一方、例えば図３Ｃにおける矢印と逆方向に力が作用すると、操作軸２１は逆方向に撓み、この場合は櫛歯電極２３−Ｌと２３−Ｕは相対的に図４Ｂとは逆方向にずれて図４Ｃに示したような、より重なる状態となり、この場合、静電容量が増大することになる。
従って、このような静電容量の変化を電圧変化として検出することにより、操作部２６に作用した力の方向と大きさを検出することができる。
図５は操作部２６に力が作用することによって操作軸２１が撓む方向（曲がる方向）と４組の櫛歯電極２３によって構成される４つの静電容量の変化の関係を示したものであり、図５ＡにおいてＣ１〜Ｃ４は柱状体２２の互いの対向面に櫛歯電極２３によって構成されている静電容量を示す。
【００１８】
図５Ｂは図５Ａに矢印で示したように操作軸２１が４５°間隔で８方向に同等の力を受けてそれぞれ撓んだ時の各静電容量Ｃ１〜Ｃ４の変化を正規化して示したものであり、例えばθ＝０°の時にはＣ１及びＣ３は変化せず、０．００と示している。一方、Ｃ２及びＣ４は変化し、この場合の変化量を最大変化量として１．００としている。なお、Ｃ２とＣ４では符号が逆になっているが、これは例えばＣ２とＣ４とで対向する櫛歯電極２３の配置を変え、柱状体２２が互いにずれた場合にＣ２では櫛歯２３ａがより重なる方向にずれ、Ｃ４では櫛歯２３ａが離れる方向にずれるといった構成とすることによって実現できる。なお、回路側で符号が逆になるようにすることもできる。
【００１９】
この図５Ｂに示したように、各静電容量Ｃ１〜Ｃ４は操作軸２１が撓む方向に応じて、つまり操作部２６に作用する力の方向に応じて変化し、よって例えばこの図５Ａに示したように４５°間隔の８方向の力であっても、その力の方向及び大きさを検出することができる。
以上、説明したようにこの例では操作軸２１は互いにずれる程度に束ねられた４本の柱状体２２によって構成され、外力を受けて操作軸２１が撓むと柱状体２２が互いにずれ、そのずれに応じて柱状体２２の互いの対向面に櫛歯電極２３によって構成されている計４つの静電容量が変化し、この静電容量の変化によって作用した力の方向と大きさを検出することができるものとなっている。
【００２０】
従って、操作軸２１は入力及び検出の両機能を有するものであって、力センサ全体は図１Ａに示したような構成となり、つまり図１４に示した従来の力センサのように操作軸の軸方向と直交する面に静電容量検出用の所要数の電極を配置しなくてもよく、操作軸の軸方向と直交する方向において必要とする（占有する）領域を大幅に削減することができる。
よって、例えば操作軸を機器の側面に配置し、機器の側面から操作軸が突出するような構成とする場合であっても、従来の力センサにおいて必要としたような機器の厚さ（高さ）は必要とせず、操作軸を支持するケース（部材）の分だけの高さがあればよく、機器の小型化に大いに寄与できるものとなる。
【００２１】
加えて、操作軸を支持するケースは例えば機器自体の基板に簡易に実装することができ、従来のように機器の基板とは別の専用基板を必要としないため、その分取り付けが簡単となり、コストを削減することができる。
なお、図１Ａに示した構成では操作軸２１の長手方向中間部に樹脂製の鞘２７が柔軟な接着剤によって接着されて取り付けられたものとなっているが、このような鞘２７の接着による取り付けに替え、図６に示したように鞘２７′を操作軸２１の回りに成形して設ける構成とすることもできる。鞘２７′の成形は例えばシリコーンゴム等を用いて行われ、その軸方向の長さはこの図６に示したように長くしてもよく、あるいは操作軸２１の全長にわたって設けてもよく、任意の長さに選定することができる。
【００２２】
一方、図７は鞘２７の接着による取り付けに替えて、ゴムチューブ３１を操作軸２１の回りにはめ込んだ構成を示したものであり、このような構成を採用することもできる。なお、このような鞘２７，２７′やゴムチューブ３１は必ずしも操作軸２１の回りに設けなくてもよく、なしとすることもできる。
櫛歯電極２３は上述した例では櫛歯２３ａのピッチ及び幅が全長にわたって一定とされており、このような櫛歯電極２３の組によって静電容量を構成することにより、柱状体２２の長手方向の互いのずれを静電容量の変化として検出できるものとなっているが、検出感度は例えば櫛歯２３ａの幅を狭くして数を増やした方が向上する。
【００２３】
しかるに、例えばずれが櫛歯２３ａの幅を超えてしまうと、ずれ量と静電容量変化が対応しなくなり、検出精度の悪化を招く。
図８Ｂはこれらの点から櫛歯電極２３の形状の改善を図った例を示したものであり、図８Ａに示したように操作軸２１が撓んだ場合の柱状体２２間に生じるずれは操作軸２１の固定端では０で、自由端に向うに従い、増大することから、このようなずれに合わせて操作軸２１の固定端側では櫛歯２３ａの幅を狭くし、自由端側では固定端側に比べ、櫛歯２３ａの幅を広くしたものとなっている。このような形状とすることにより、検出感度及び精度に優れた櫛歯電極２３′とすることができる。
【００２４】
なお、柱状体２２の互いの対向面に形成する電極は上述したような櫛歯電極に限らず、例えば図９Ａに示したような形状の電極とすることもできる。
この例では柱状体２２の互いの対向面に形成されて静電容量を構成する２つの電極を三角形電極３２，３３としたものであり、図中、３２ａ，３３ａは柱状体２２の基端（操作軸２１の固定端）側に伸びる延長部を示す。
三角形電極３２と３３とは柱状体２２が束ねられた状態で図９Ｂに示したような状態で重なって対向する。従って、矢印で示した方向（柱状体２２の長手方向）に互いにずれることにより、重なり合う面積が変化し、これにより静電容量が変化し、ずれを検出できるものとなっている。なお、この例のように完全な三角形とするのではなく、例えば三角形の斜辺を曲線で構成するようにしてもよい。
【００２５】
次に、操作軸を上述した例のように４本の柱状体を束ねて構成するのではなく、３本の柱状体を束ねて構成した例について説明する。
図１０Ａ，Ｂはそれぞれ柱状体が３本束ねられて構成された操作軸の外観概略を示したものであり、図１０Ａでは柱状体３４は断面扇形とされ、この柱状体３４が３本束ねられて円柱形状の操作軸３５が構成されたものとなっている。
一方、図１０Ｂでは柱状体３６は三角柱形状とされ、この柱状体３６が３本束ねられて正三角柱形状の操作軸３７が構成されたものとなっている。
【００２６】
いずれの操作軸３５，３７においても、各柱状体３４，３６の互いの対向面には例えば図２に示した操作軸２１と同様、互いに対向して静電容量を構成する櫛歯電極２３が形成されており、これら操作軸３５，３７は外力を受けて撓み、柱状体３４，３６が長手方向に互いにずれることにより変化する３つの静電容量を具備するものとなっている。
図１１はこのような３本の柱状体よりなる操作軸を有する力センサにおいて、操作軸が撓む方向と３つの静電容量の変化の関係を、操作軸３５を例に図５と同様に示したものであり、図１１ＡにおいてＣ１〜Ｃ３は柱状体３４の互いの対向面に構成されている静電容量を示す。
【００２７】
図１１Ｂは図１１Ａに矢印で示したように操作軸３５が４５°間隔で８方向に同等の力を受けてそれぞれ撓んだ時の各静電容量Ｃ１〜Ｃ３の変化を図５Ｂと同様に正規化して示したものである。
操作軸３５がこのように３本の柱状体３４よりなる場合においても各静電容量Ｃ１〜Ｃ３は操作軸３５が撓む方向に応じて変化し、よってこれら静電容量Ｃ１〜Ｃ３の変化から図１Ａに示した力センサと同様、操作軸３５に取り付けられた操作部３６に作用した力の方向及び大きさを検出することができ、力の方向は４方向に限らず、８方向であっても検出することができる。
【００２８】
次に、このように柱状体の互いの対向面に、互いに対向する電極（櫛歯電極）によって構成された静電容量の、操作軸が外力を受け、柱状体が互いにずれることによって生じる変化を差動検出できるようにした構成について説明する。
図１２Ａは図２に示した四角柱形状の４本の柱状体２２が束ねられてなる操作軸２１に対して、各柱状体２２間に構成されている４つの静電容量をそれぞれ差動検出可能とした例を示したものであり、この例では操作軸４１は断面十字形状をなす柱状体４２を挟んで４つの柱状体２２が束ねられて構成され、つまり柱状体２２の互いの対向面の間に柱状体４２によって構成された隔壁４３がそれぞれ挟み込まれた構造とされる。
【００２９】
４つの隔壁４３よりなる断面十字形状の柱状体４２は図１２Ｂに示したような構成とされ、各隔壁４３の両面には柱状体２２に形成されている櫛歯電極２３と対向して静電容量を構成する櫛歯電極４４がそれぞれ形成されている。
これら櫛歯電極４４は基準電極（グランド電極）をなすもので、このような構成を採用することにより、静電容量の変化を差動検出することが可能となる。なお、柱状体４２は例えば樹脂製とされて絶縁体とされ、また櫛歯電極４４の表面には樹脂コーティング等により絶縁処理が施されており、４本の柱状体２２と柱状体４２とは互いにずれる程度に束ねられている。このような柱状体２２と４２とによって構成される操作軸４１は操作軸２１と同様、外力を受けることによって撓むものとなっている。
【００３０】
次に、上述した力センサのように４方向あるいは８方向といった多軸に作用する力を検出するのではなく、１軸２方向に作用する力を検出する構成とされた力センサについて説明する。
図１３Ａはこのような１軸２方向の力の方向と大きさを検出する構成とされた力センサを示したものであり、この例では操作軸５１は図１３Ｂに示したように四角柱形状をなす２本の柱状体５２が束ねられて構成されており、互いの対向面に、互いに対向して静電容量を構成し、柱状体５２の長手方向にずれることにより、その静電容量が変化するように構成された電極（櫛歯電極）が形成されたものとなっている。用途に応じてこの図１３Ａに示したような構成の力センサも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】Ａはこの発明による力センサの一実施例を示す斜視図、Ｂはその操作部の取り付け構造を説明するための図。
【図２】Ａは図１における操作軸の外観概略を示す斜視図、Ｂはその操作軸を構成する４本の柱状体の詳細を示す斜視図。
【図３】図１に示した力センサの操作部に作用する力及び力が作用した時の状態を説明するための図。
【図４】図１に示した力センサにおいて、互いに対向して静電容量を構成する櫛歯電極の初期状態の位置関係及び位置がずれた状態を示す図。
【図５】図１に示した力センサにおいて、操作軸が撓む方向と４つの静電容量の変化の関係を説明するための図及び表。
【図６】図１に示した力センサに対し、鞘の構造を変えた例を示す斜視図。
【図７】図１に示した力センサに対し、鞘をゴムチューブに替えた例を示す斜視図。
【図８】櫛歯電極の形状改善例を説明するための図。
【図９】静電容量を構成する電極の他の形状を説明するための図。
【図１０】操作軸を３本の柱状体で構成した例を示す斜視図、Ａは柱状体を断面扇形としたもの、Ｂは柱状体を断面三角形としたもの。
【図１１】図１０Ａに示した操作軸を有する力センサにおいて、操作軸が撓む方向と３つの静電容量の変化の関係を説明するための図及び表。
【図１２】静電容量の差動検出を可能とする構成を説明するための図。
【図１３】Ａは２本の柱状体が束ねられてなる操作軸を有する力センサを示す斜視図、Ｂはその操作軸の外観概略を示す斜視図。
【図１４】Ａは静電容量の変化を利用した従来の力センサの構成を示す断面図、Ｂはその動作状態の一例を示す図。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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