(57)【要約】【課題】極めて微小な力の変化を静電容量の変化として検出し電気なデータとして得る力センサーを提供することを目的とする。【解決手段】固定部２側に設けられた固定電極４１と、可動部３側に設けられた固定電極４１に対向する可動電極４２と、固定電極４１と可動電極４２との間隔が変化する第１の方向Ａと直交する第２の方向Ｂに固定部２と可動部３との間に延在して取付けられた複数の起歪体５と、起歪体５の固定部２と可動部３との取付け側において部分的に歪を生じて可動部３を第１の方向Ａに可動させるために形成した肉薄部１０と、可動部３の可動によって生ずる固定電極４１と可動電極４２との間の静電容量の変化を検出する静電容量検出部４とを備えてなることを特徴とする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部側に設けられた固定電極と、
可動部側に設けられた前記固定電極に対向する可動電極と、
前記固定電極と可動電極との間隔が変化する第１の方向と直交する第２の方向に前記固定部と該可動部との間に延在して取付けられた複数の起歪体と、
前記起歪体の前記固定部と前記可動部との取付け側において部分的に歪を生じ、該可動部を前記第１の方向に可動させるために形成した肉薄部と、
前記可動部の可動によって生ずる前記固定電極と可動電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量検出部と
を備えてなることを特徴とする力センサー。
【請求項２】
前記支持部はアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１に記載の力センサー。
【請求項３】
前記肉薄部は湾曲状に切削されて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の力センサー。
【請求項４】
前記起歪体は棒状部材からなり、その両端が夫々四辺形の取付け板の四隅に垂立して固定され、該取付け板の一方が固定部に取付けられ他方が可動部に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の力センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、力センサーに関し、特に力の変化を静電容量の変化として検出し電気的なデータに変換する力センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】  この種の力の変化を静電容量の変化として検出する力センサーは、検出出力が電気的なデータとして得られるため、そのデータ処理が容易であり広く用いられている。【０００３】  従来、力の変化を静電容量として検出する静電容量型荷重センサーとしては、例えば下記の特許文献１で示す技術が開示されている。これは、プリント基板の絶縁基板とステンレス板等からなる電極版とがスペーサを介して積層され、絶縁基板上に電極パターンが形成され、電極パターンと電極板の間に空隙が形成された構成である。そして、電極パターンと電極板とがコンデンサを形成するものである。この静電容量型荷重センサーは、電極板に垂直方向の荷重がかかると電極板がたわんで空隙の大きさが変化し、電極パターンと電極で構成されているコンデンサの静電容量が変化するので、この静電容量の変化量から荷重の大きさを測定するものである。【０００４】  また、一軸方向の力だけを正確に測定する力センサーとしては、例えば下記の特許文献２で示すものが提案されている。これは、棒状の固定側部材と同じく棒状の可動側部材とが同一軸線上に並んで端面同士を対向させるとともに、固定側部材の端面の一側端から一方のばね固定部を可動側部材に向けて突出させており、可動側部材の端面の他側端からは他方のばね固定部を固定側部材に向けて突出させている。そして、これらのばね固定部間には、２枚の板ばねを架設してある。固定側部材と可動側部材との対向方向において間隔を置いて並んでいるとともに対向方向と直交する面を有して、一端を一方のばね固定部に、他端を他方のばね固定部の固定されている両板ばねは、固定側部材と可動側部材とを連結する役目を果たすとともに、可動側部材に力を加えた時、撓んで可動部材の微動を許す。また、一方の固定部の先端には電極取付部を設けて、電極取付部における可動側部材の端面との対向面に固定電極を固定してあり、可動側部材の端面には可動電極を固定して、相互に平行な固定電極と可動電極とを一対の板ばねの中央を通る軸線上において０．５ｍｍほどの間隔を空けて対向させている。このようにして、可動部材に対して上記対向方向における力を加えれば、可動側部材は上述のように相互に平行な板ばねを撓ませつつ対向方向（軸方向）に微動するものであり、この微動によって変化する上記電極間の間隔変化をたとえば静電容量変化として捉えれば、板ばねのばね定数と電極間の間隔の変化値とから可動側部材に加えられた力を算出することができる。また、上記２枚の板ばねは、上記対向方向以外の力（横方向の荷重）に対する強度が高く、対向方向の力の検出値に及ぶ影響は少ない。即ち、この特許文献２に示す従来技術は、固定側部材に対する可動側部材の一軸方向の微動を一対の板ばねで可能とし、この微動を電極間の間隔の変化として得るようにした静電容量型力センサーである。
【特許文献１】特開２００１−２８１０７５号公報（段落〔０００２〕、段落〔０００３〕）
【特許文献２】特開２００３−４５５１号公報（段落〔００１４〕〜段落〔００１８〕）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  測定の対象は、近時ますます微小な力の変化となってきた。例えば、ハードディスクドライブ装置に用いられる磁気ディスクにおいては、磁気ディスクの表面が鏡面に仕上げられている。そして、潤滑剤が塗布され、磁気ヘッドのスライダーとの摩擦力を極めて小さく維持している。この状態は全体的に均一になされているか否かを測定する必要がある。【０００６】  しかしながら、上記特許文献１に示す従来技術にあっては、電極板の板厚を小さくし、撓み易い材料を選定するなどの考慮をして、電極板が極めて微小な力に反応して撓むようにしたとしても、電極板の電極パターンに対する平行度が維持できず正確な測定がえられない。また、電極パターンにかかる荷重の位置、垂直方向以外の荷重等によって間隙が正確に変化しない。そのため、上記特許文献１の従来技術では極めて微小な力の変化を測定することが実質的に不可能であった。【０００７】  一方、上記特許文献２に示す従来技術にあっては、一軸方向の力だけを測定するために２枚の板ばねを用いているが、極めて微小な力の変化に対応するために板ばねを薄くすると可動側部材の一軸方向の移動が安定して行なわれず可動電極の固定電極に対する並行を維持できなくなる。従って、このような特許文献２の従来技術にあっては、極めて微小な力の変化に対する直線性の維持が不可能であり、上述した極めて微小な力の変化を測定することができないという問題点があった。【０００８】  そこで、本発明は従来の問題点を除去した、特に微小な力の変化を静電容量の変化として検出し電気なデータとして得る力センサーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  前記課題を解決するために、本願の請求項１に係る発明の力センサーは、固定部側に設けられた固定電極と、可動部側に設けられた前記固定電極に対向する可動電極と、前記固定電極と可動電極との間隔が変化する第１の方向と直交する第２の方向に前記固定部と該可動部との間に延在して取付けられた複数の起歪体（例えば、起歪体５）と、前記起歪体の前記固定部と前記可動部との取付け側において部分的に歪を生じ、該可動部を前記第１の方向に可動させるために形成した肉薄部（例えば、肉薄部１０）と、前記可動部の可動によって生ずる前記固定電極と可動電極との間の静電容量の変化を検出する静電容量検出部とを備えてなることを特徴とする。【００１０】  また、本願の請求項２に係る発明の力センサーにおいては、前記起歪体はアルミニウム合金からなることを特徴とする。【００１１】  また、本願の請求項３に係る発明の力センサーにおいては、前記肉薄部は湾曲状に切削されて形成されていることを特徴とする。【００１２】  また、本願の請求項４に係る発明の力センサーにおいては、前記起歪体は棒状部材からなり、その両端が夫々四辺形の取付け板の四隅に垂立して固定され、該取付け板の一方が固定部に取付けられ他方が可動部に取付けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】  本発明は上述のような構成をとることにより以下のような効果を呈する。すなわち、本願の請求項１に係る本発明の力センサーにおいては、前記固定部側に設けられた固定電極と対向して前記可動部側に設けられた可動電極との間隔が変化する第１の方向と直交する第２の方向に延在して前記起歪体を配し、前記起歪体により前記可動部を前記固定部に支持し、前記起歪体の前記固定部と可動部との取付け側に部分的に該可動部を前記第１の方向に可動するように歪を生じさせる肉薄部を設けたため、前記可動部は外力を受けて前記第１の方向のみ可動する。そして、静電容量検出部により前記固定電極と可動電極との間の静電容量の変化を検出できる。そのため、請求項１の発明は、前記肉薄部によって極めて微小な力による歪を生じさせることを可能とし、前記外力の極めて微小な変化によって前記可動部を可動させその変化を前記静電容量検出部により正確に検出できる力センサーを提供できる。【００１４】  また、請求項２に係る発明の力センサーにおいては、前記起歪体はアルミニウム合金からなり軽量化が図られるので、可動部が極めて微小な外力に対して確実に反応して可動する。従って、極めて微小な力を静電容量検出部で正確に検出することができる効果を有する。【００１５】  また、請求項３に係る発明の力センサーにおいては、前記肉薄部は湾曲状に切削することにより形成したため、前記肉薄部に生じる歪を極めて微小な力によって発生させ、しかも複数箇所に形成された前記肉薄部を均一に形成できるので、極めて微小な力で前記可動部が前記第１の方向に正確に可動する効果を有する。【００１６】  また、請求項４に係る発明の力センサーにおいては、前記起歪体は棒状部材で形成され、これら棒状部材の両端が前記固定部と可動部に固定される四辺形の取付け板の四偶に垂立されて固定されているため、前記起歪体を固定部と可動部に前記第２の方向に延在させて取付けることが容易となる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】  本発明を実施するための最良の形態としては、以下に説明する実施例である。
【実施例】
【００１８】  本発明の実施例を図１〜図４によって説明する。図１は本発明の実施例における力センサーを磁気ディスクの記録面の鏡面及び潤滑剤の状態を測定するために適用した場合を示す平面図、図２は図１における側面図、図３は本発明の実施例における力センサーの静電容量検出部を示す一部を切断した側面、図４は本発明の実施例における力センサーの起歪体部分を示す斜視図である。【００１９】  図１、図２において、力センサー１は、固定部２と、可動部３と、固定部２と可動部３との間に設けた静電容量検出部４と、固定部２に可動部３を支持し歪を生じさせるための起歪体５と、固定部２を載置して固定する基台６とからなる。被測定物である磁気ディスク７はスピンドルモータ８に連結されたスピンドル９に固着されている。【００２０】  静電容量検出部４は図３で詳しく示すように、固定部２側に設けられた固定電極４１と、可動部側３において固定電極４１に対向して設けられた可動電極４２と、固定電極４１に接続された同軸ケーブル４３と、固定電極４１や同軸ケーブル４３等を保持するケース４４とからなる。可動電極４２は表面が鏡面に仕上げられた部材からなり、可動部３に取付けられている。そして、ケース４４は固定部２の固定されている。可動電極４２は接地され、同軸ケーブル４３の導線４５との間において静電容量が得られるようになっている。固定電極４１と可動電極４２との間の間隔は可動電極４２による第１の方向Ａの可動によって変化される。【００２１】  固定電極４１の周辺にはガードリング４６が設けられ、ガードリング４６と可動電極４２との間に生じる第１の方向Ａと一致して変化しない電界の変化領域Ｓと、固定電極４１と可動電極４２との間の第１の方向Ａと一致して変化する電界の変化領域Ｔとが区分されている。そして、可動電極４２の可動によって変化する固定電極４１と該可動電極４２との間の静電容量の変化が変化領域Ｔによってのみ得られるように構成されている。即ち、静電容量検出部４は電界の変化領域Ｓの影響を受けて測定データの直線性が損なわれないようになっている。【００２２】  起歪体５は、図４で詳しく示すように、力センサー１を側方から見て第１の方向Ａと直交する第２の方向Ｂでもって固定部２と可動部３との間に延在する４本の棒状部材からなる。これら起歪体５は両端が共通の四辺形状の取付け板５１、５２の四隅に垂立して固定されている。上方の取付け板５１は固定部２に取付けネジ５３によって取付けられ、下方の取付け板５２は可動部３に同じく取付けネジ５３によって取付けられるようになっている。これらの起歪体５は、取付け板５１、５２への固定個所において歪を生じて可動部３を第１の方向Ａにのみ可動させるための肉薄部１０が形成されている。これら肉薄部１０は湾曲状に切削して形成され、可動部３に加わる極めて微小な外力に反応して歪むようになっている。そして、固定部２と可動部３と起歪体５で形成する四辺形が平行四辺形を維持して変形するようになっている。従って、第１の方向Ａ以外の方向からの外力に対しては、肉薄部１０に歪を生じないため可動部３が可動しない。即ち、Ｘ−Ｙ軸平面において、第１の方向ＡをＸ軸に対応させると可動電極４２はＹ軸方向である磁��ディスクの径方向には全く可動しない。また、これら起歪体５、肉薄部１０、取付け板５１、５２は、アルミニウム合金からなる素材からワイヤーカットによって形成されている。【００２３】  可動部３には先端にジンバルによって支持されたスライダー３１を有するアーム３２が取付けられ、スライダー３１が第１の方向Ａの力を受けたときのみ可動するようになっている。そして、スライダー３１は磁気ディスク７の記録面に当接するようになっているが、第１の方向Ａで示す直線が磁気ディスク７のトラックの接線方向と一致するように配置されている。【００２４】  固定部２は、基台６のガイド溝６１に勘合され第１の方向Ａで示す方向に直線的にスライドし、ネジ６２によって位置決めされるようになっている。基台６とスピンドル９は外部振動と自身の振動を極力抑える構造（図示せず）になっている。同軸ケーブル４３は測定データ処理装置（図示せず）へと導かれているが、測定中に撓んで分布容量が変わり測定結果に誤差を生じさせないため変形しないようにしっかりと固定されている。【００２５】  次に、上述した本発明の実施例の構成による動作を説明する。固定部２は基台６に対し固定電極４１と可動電極４２とで形成する間隙が所定の値を維持するように位置の設定を行なう。そして、スライダー３１は被測定物である磁気ディスク７上に当接させる。磁気ディスク７はスピンドルモータ８によってゆっくりと回転させる。磁気ディスク７は，その記録面が鏡面に仕上げられ潤滑剤が塗布されているので、記録面とスライダー３１との間には若干の摩擦力が発生するだけである。この摩擦力によってスライダー３１はトラックの接線方向、即ち、第１の方向Ａに力が加わる。この力は可動部３に対して外力として作用し、肉薄部１０に歪を生じさせる。従って、固定部２と可動部３と起歪体５で形成する四辺形が平行四辺形を維持した状態で変形する。即ち、可動部３は３次元的に見て第１の方向Ａのみ可動するので、可動電極３は固定電極２に対し当初の平行状態を維持して変化する。【００２６】  磁気ディスク７が１回転の間に記録面上において摩擦力に変化を生ずると、この摩擦力は可動部３に加わる外力の変化となる。この外力の変化は可動電極４２の位置を変化させ静電容量検出部４において電気的な変化として検出される。固定電極２と可動電極３との面積は一致させることが困難なために、周辺に第１の方向Ａと一致しない電界の変化領域Ｓが生じるが、この変化領域Ｓはガードリング４６との間に発生し、第１の方向Ａと一致する電界の変化領域Ｔのみが可動電極４２との間に発生する。そして、前述したように、可動電極４２は固定電極４１に対して平行状態を維持して変化するので、静電容量検出部４で得られる測定データの直線性を損なうことがない。【００２７】  このようにして、磁気ディスク７の１回転の間に生ずる摩擦力の変化から鏡面仕上げの均一性を電気的なデータとして測定することができる。例えば、固定電極２と可動電極３で形成する間隙を３〜４μｍに設定し、可動部３が１μＮ程度の外力で可動するように肉薄部１０の薄さを設定する。この設定は肉薄部１０を湾曲状に高精度に加工してそこに発生する外力による歪の度合いを設定するものである。このようにして、静電容量検出部４は極めて微小な摩擦力の変化を電気的な値として検出することができる。また、周波数応答特性は０〜５００Ｈｚ程度の値が得られる。【００２８】  上述した実施例の力センサー１によれば、磁気ディスク７の所望のトラックにおける鏡面仕上げの均一性が１μＮ程度までの極めて微小な値を測定できる。これは、固定部２側に設けられた固定電極４１と対向して可動部３側に設けられた可動電極４２との間隔が変化する第１の方向Ａと直交する第２の方向Ｂに延在して支持部５を配したものである。そして、起歪体５は可動部３を固定部２に支持したものである。更に、起歪体５の固定部２と可動部３への固定個所に部分的に可動部３を第１の方向Ａにのみ可動するように歪を生じさせる肉薄部１０を設けたため、可動部３はスライダーが磁気ディスク７との間で発生する摩擦によって発生する力を受けて第１の方向Ａのみ可動するものである。従ってそ、静電容量検出部４により固定電極４１と可動電極４２との間の静電容量の変化が検出できる。そのため、力センサー１は起歪体５の肉薄部１０によって極めて微小な力による指向性をもった歪を生じさせることを可能としたので、第１の方向Ａ以外の外力に対して全く影響されず、第１の方向Ａのみの外力の極めて微小な変化によって可動部３を可動させ、その変化を静電容量検出部４により正確に検出できる。【００２９】  また、起歪体５は極めて軽いアルミニウム合金からなるので、起歪体５を含む可動部３、アーム３１等の可動部分の重量を小さくでき、可動部３が極めて微小な外力に対して確実に反応して可動する。また、アルミニウム合金は非磁性体であるため磁界の影響を受けないで安定した形状を維持できる。そして、肉薄部１０は湾曲状に切削することにより形成したため、肉薄部１０に生じる歪を極めて微小な力によって発生させ、しかも複数箇所に形成された肉薄部１０を均一に加工して形成できるので、極めて微小な力で可動部３が第１の方向Ａにのみ正確に可動する。即ち、力センサー１は極めて微小な力に反応して可動部３を固定電極４１と可動電極４２との間隙の平行状態を維持して可動するものであるため、極めて微小な力の変化を直線性を維持して電気的なデータとして検出できる。【００３０】  しかも、起歪体５は棒状部材で形成され、これら棒状部材の両端が固定部２と可動部３に固定される四辺形の取付け板５１、５２の四隅に垂立されて固定されているため、起歪体５を固定部２と可動部３に第２の方向Ｂに延在させて取付けることが容易となる。また、起歪体５、肉薄部１０等はワイヤーカットにより形成されるので、正確な形状に仕上げることができる【００３１】  尚、上述した本発明の実施例にあっては、力センサー１は磁気ディスク７の記録面の鏡面仕上げ及び潤滑剤の状態を測定するものに適用したが、回転軸表面の摩擦力の測定、極めて微小な変位量の測定、極めて微小な振動、直線的な変位の往復運動等の種々のものに適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】  図１は本発明の実施例における力センサーを磁気ディスクの記録面の鏡面及び潤滑剤の状態を測定するために適用した場合を示す平面図である。
【図２】  図２は図１における側面図である。
【図３】  図３は本発明の実施例における力センサーの静電容量検出部を示す一部を切断した側面図である。
【図４】  図４は本発明の実施例における力センサーの起歪体部分を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３３】１          力センサー
２          固定部
３          可動部
４          静電容量検出部
５          起歪体
６          基台
７          磁気ディスク
８          スピンドルモータ
１０        肉薄部
３１        スライダー
３２        アーム
４１        固定電極
４２        可動電極
４３        同軸ケーブル
４４        ケース
４５        導線
４６        ガードリング
５１、５２  取付け板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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