(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一軸方向を中心軸として延在すると共に、外周面の断面形状が円形を成す被検出用構造体の捩り歪みを検出する捩り歪みセンサにおいて、前記被検出用構造体の外周面に全周にわたって、厚さがほぼ一様となるように形成された歪みにより誘電率が変化する誘電体膜層の外周面に対して、対向する一対の円環線状電極から前記一軸方向に対して約４５度傾いて互い違いに入り込むように平行して螺旋状に延在する複数の螺旋線状電極を有するように一対の電極パターンを形成して静電容量を具備したことを特徴とする円柱型静電容量式捩り歪みセンサ。
【請求項２】
一軸方向を中心軸として延在すると共に、外周面の断面形状が円形を成す被検出用構造体の捩り歪みを検出する捩り歪みセンサにおいて、前記被検出用構造体の外周面に全周にわたって、厚さがほぼ一様となるように形成された歪みにより誘電率が変化する誘電体膜層の外周面に対して、前記一軸方向に平行する分割線により二等分されて同一の円環線上に配置される対向する一対２組の半円環線状電極における一方の組の対向する一対のものから該一軸方向に対して約４５度傾いて互い違いに入り込むように平行して螺旋状に延在する複数の第１の螺旋線状電極、並びに他方の組の対向する一対のものから該一軸方向に対して約−４５度傾いて互い違いに入り込むように平行して螺旋状に延在する複数の第２の螺旋線状電極を有するように一対２組の電極パターンを形成して二つの静電容量を具備したことを特徴とする円柱型静電容量式捩り歪みセンサ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の円柱型静電容量式捩り歪みセンサにおいて、前記被検出用構造体の材質として、絶縁性のプラスチック又はセラミックスを用いたことを特徴とする円柱型静電容量式捩り歪みセンサ。
【請求項４】
請求項１又は２記載の円柱型静電容量式捩り歪みセンサにおいて、前記被検出用構造体は材質が導電体であり、且つ該導電体の外周面にプラスチック又はセラミックスの絶縁層を予め形成したことを特徴とする円柱型静電容量式捩り歪みセンサ。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一つに記載の円柱型静電容量式捩り歪みセンサにおいて、前記被検出用構造体は筒，円柱の何れか一つの形状であることを特徴とする円柱型静電容量式捩り歪みセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として円環，筒，円柱，棒等の外周面の断面形状が円形を成す被検出用構造体に加わる捩り歪みを検出する捩り歪みセンサであって、詳しくは被検出用構造体の外周面に形成した歪みにより誘電率が変化する誘電体膜層の表面上に一対の電極パターンを形成して得られるコンデンサ静電容量の変化に基づいて被検出用構造体の弾性変形に伴う捩り歪みの大きさを検出する円柱型静電容量式捩り歪みセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の捩り歪みセンサとしては、平面又は曲面状の外面を有する板状又は柱状の一軸方向に延在する被検出用構造体に加わる捩り歪みを検出可能であって、歪みにより抵抗値が変化する所謂歪みゲージが良く知られている。
【０００３】
図５は、従来の捩り歪みセンサ及びその適用例を説明したもので、同図（ａ）は捩り歪みセンサとして歪みゲージ２３を被検出用構造体に接着した様子を示した斜視図に関するもの，同図（ａ）は歪みゲージ２３を拡大して示した斜視図に関するものである。
【０００４】
ここでは、図５（ｂ）に示されるようなＦｅ−Ｎｉ系合金による薄膜パターンで形成された歪みゲージ２３を被検出用構造体として図５（ａ）に示されるような一端が台座２４に固定された円柱２１の外周面２２にその歪み検出軸が円柱２１の延在する一軸（中心軸）方向に対して４５度傾いた方向に合致されるように接着することにより、円柱２１の捩り歪みを検出できることを示している。
【０００５】
こうした状態で歪みゲージ２３により円柱２１の捩り歪みを検出する場合、円柱２１に捩りモーメントが加わって円柱２１に捩り歪みが発生すると、歪みゲージ２３が接着された部分に円柱２１の中心軸方向に対して４５度傾いた方向の伸び歪みとこれと直角な方向の圧縮歪みが発生するので、これらの伸び歪み及び圧縮歪みに応じた抵抗値の変化を検出することで円柱２１の捩り歪みを検出することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した捩り歪みセンサとしての歪みゲージの場合、ポリイミド等の薄い基板上に歪みにより抵抗値が変化する金属薄膜を蒸着等の手段により形成した構成であり、被検出用構造体に接着剤を用いて接着するときに歪み検出軸を被検出用構造体の延在する一軸方向に対して４５度傾いた方向に合致させる必要があるため、接着位置や接着層のバラツキにより特性が変化し易いという問題がある他、原理的に伸び歪み及び圧縮歪みの変化に応じて抵抗値が変化するものであるため、マイコン等を用いて信号処理を行う場合にアナログ−ディジタル変換回路が必要になる等、信号処理回路が複雑になってしまうという欠点もある。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、構造が簡単で特性が安定すると共に、捩り歪みの大きさを静電容量の変化から周波数の変化に変換して容易に信号処理できる円柱型静電容量式捩り歪みセンサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、一軸方向を中心軸として延在すると共に、外周面の断面形状が円形を成す被検出用構造体の捩り歪みを検出する捩り歪みセンサにおいて、被検出用構造体の外周面に全周にわたって、厚さがほぼ一様となるように形成された歪みにより誘電率が変化する誘電体膜層の外周面に対して、対向する一対の円環線状電極から一軸方向に対して約４５度傾いて互い違いに入り込むように平行して螺旋状に延在する複数の螺旋線状電極を有するように一対の電極パターンを形成して静電容量を具備した円柱型静電容量式捩り歪みセンサが得られる。
【０００９】
一方、本発明によれば、一軸方向を中心軸として延在すると共に、外周面の断面形状が円形を成す被検出用構造体の捩り歪みを検出する捩り歪みセンサにおいて、被検出用構造体の外周面に全周にわたって、厚さがほぼ一様となるように形成された歪みにより誘電率が変化する誘電体膜層の外周面に対して、一軸方向に平行する分割線により二等分されて同一の円環線上に配置される対向する一対２組の半円環線状電極における一方の組の対向する一対のものから該一軸方向に対して約４５度傾いて互い違いに入り込むように平行して螺旋状に延在する複数の第１の螺旋線状電極、並びに他方の組の対向する一対のものから該一軸方向に対して約−４５度傾いて互い違いに入り込むように平行して螺旋状に延在する複数の第２の螺旋線状電極を有するように一対２組の電極パターンを形成して二つの静電容量を具備した円柱型静電容量式捩り歪みセンサが得られる。
【００１０】
又、本発明によれば、上記何れかの円柱型静電容量式捩り歪みセンサにおいて、被検出用構造体の材質として、絶縁性のプラスチック又はセラミックスを用いた円柱型静電容量式捩り歪みセンサが得られる。
【００１１】
更に、本発明によれば、上記何れかの円柱型静電容量式捩り歪みセンサにおいて、被検出用構造体は材質が導電体であり、且つ該導電体の外周面にプラスチック又はセラミックスの絶縁層を予め形成した円柱型静電容量式捩り歪みセンサが得られる。
【００１２】
他方、本発明によれば、上記何れか一つの円柱型静電容量式捩り歪みセンサにおいて、被検出用構造体は筒，円柱の何れか一つの形状である円柱型静電容量式捩り歪みセンサが得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を挙げ、本発明の円柱型静電容量式捩り歪みセンサについて、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例に係る円柱型静電容量式捩り歪みセンサの基本構成を示した斜視図である。
【００１５】
この円柱型静電容量式捩り歪みセンサは、一端が台座８に固定されて一軸方向を中心軸として延在すると共に、外周面の断面形状が円形を成す被検出用構造体としての絶縁性のプラスチック（或いはセラミックスでも良い）による絶縁棒１の外周面に厚さがほぼ一様となるように形成された歪みにより誘電率が変化する誘電体膜層２を厚膜として形成するか、或いは薄膜状に形成し、この誘電体膜層２の外周面に対して対向する一対の円環線状電極３，４から一軸方向に対して約４５度傾いて互い違いに入り込むように平行して螺旋状に延在する複数の螺旋線状電極３ａ，４ａを有するように一対の電極パターンを形成して静電容量を具備して成っている。
【００１６】
ここでの円環線状電極３，４にはコンデンサ端子が接続され、円環線状電極３及び螺旋線状電極３ａと円環線状電極４及び螺旋線状電極４ａとによる一対の電極パターンは静電容量を有するコンデンサとして働く。更に、ここでの電極パターンの場合、円環線状電極３，４が誘電体膜層２の両端側に周縁に沿って配備されており、螺旋線状電極３ａ，４ａがこれらの円環線状電極３，４の延在方向に対してほぼ４５度傾いて交差指状電極として形成されている。
【００１７】
このような円柱型静電容量式捩り歪みセンサでは、絶縁棒１に対して直接センサを配備して接着層の無い構造としているため、構造が簡単で特性が安定すると共に、絶縁棒１の弾性変形に伴う捩り歪みの大きさを静電容量の変化から周波数の変化に変換することが可能となることにより、容易に信号処理を行うことができる。
【００１８】
図２は、こうした交差指状電極を含む平板型静電容量式捩り歪みセンサによる歪み検出の原理を説明するために示した電極パターンの平面図である。
【００１９】
ここでの電極パターンは、被検出用構造体である絶縁棒１の外周面を展開した形態に相当する長方形平板型絶縁シート１′の対向する長辺の一方側に配置されると共に、一端側にコンデンサ端子５が接続された線状共通電極３′からその延在方向に対して垂直な方向に複数の線状電極３ａ′が延在し、同様に絶縁シート１′の対向する長辺の他方側に配置されると共に、一端側にコンデンサ端子６が接続された線状共通電極４′からその延在方向に対して垂直な方向に複数の線状電極４ａ′が延在し、これらの線状電極３ａ′，４ａ′が互い違いに入り込むように平行して交差指状電極として形成されている。
【００２０】
ここでは、長方形平板型絶縁シート１′として比較的可撓性に優れているジルコニア磁器製のものを用い、その表面上にセラミックコンデンサに使用されている鉛系の高誘電率の誘電体膜層２を形成し、更にその上に線状共通電極３及び線状電極３ａ′と線状共通電極４及び線状電極４ａ′とによる一対の電極パターンを線状電極３ａ′，４ａ′の延在方向が長方形平板型絶縁シート１′の短辺に平行となるように形成して静電容量を有する１つのコンデンサを具備した平板型静電容量式捩り歪みセンサを構成している。
【００２１】
このような平板型静電容量式捩り歪みセンサにおいて、長方形平板型絶縁シート１′を線状電極３ａ′，４ａ′の延在方向と直角な方向に屈曲させると、互いに隣り合う線状電極３ａ′，４ａ′間の相互の間隔が変化するに伴い、電極面が凸状に変形する場合には誘電体膜層２に伸び歪みが発生し、電極面が凹状に変形する場合には誘電体膜層２に圧縮歪みが発生する。
【００２２】
そこで、この平板型静電容量式捩り歪みセンサを図３に示されるような加圧装置を用い、長方形平板型絶縁シート１′を適当な長さに切断して長辺側の両端部を支持した状態でその中央部をナイフエッジ状の加圧板７で短辺方向に平行に加圧し、加圧力（ｇ）−静電容量変化率（％）特性を測定したところ、図４に示すような結果となった。但し、図４中における□印の特性は電極面裏側を加圧した場合の測定値であり、△印の特性は電極面を加圧した場合の測定値である。
【００２３】
図４からは、電極面裏側を加圧した□印の特性の場合には、電極間隔が大きくなるような変形であるにも拘らず、加圧力を大きくするに伴って静電容量の値が大きくなっているが、反対に電極面を加圧した△印の特性の場合には、電極間隔が小さくなるような変形であるにも拘らず、加圧力を大きくするに伴って静電容量の値が小さくなっており、誘電体膜層２が歪みが印加された場合にその方向の誘電率が大きくなる所謂「正歪み−誘電率特性」を有していることが判る。
【００２４】
従って、誘電体膜層２の材質として「歪み−誘電率特性」の大きな材料を使用した場合には、コンデンサ端子５，６間の静電容量の変化が単に電極間隔の変化による静電容量の変化よりも大きくなる。
【００２５】
ところで、捩り歪みは、捩り軸方向に対して＋４５度の方向の伸び歪みと−４５度の方向の圧縮歪みに分解することができるため、図１で説明した一実施例の円柱型静電容量式捩り歪みセンサの場合、捩り歪みが正か負か（捩りの向き）により、螺旋線状電極３ａ，４ａの対向する方向の誘電率が変化し、コンデンサ端子間の静電容量の値が変化し、この変化から発生している捩り歪みの大きさを検出することができる。
【００２６】
尚、図１に示した一実施例の円柱型静電容量式捩り歪みセンサでは、絶縁棒１の外周面に形成した誘電体膜層２の外周面に対して対向する一対の円環線状電極３，４から一軸方向に対して約４５度傾いて互い違いに入り込むように平行して螺旋状に延在する複数の螺旋線状電極３ａ，４ａを有するように一対の電極パターンを形成して静電容量を具備する構成について説明したが、これを変形して誘電体膜層２の外周面に対して、一軸方向に平行する分割線により二等分されて同一の円環線上に配置される対向する一対２組の半円環線状電極における一方の組の対向する一対のものから一軸方向に対して約４５度傾いて互い違いに入り込むように平行して螺旋状に延在する複数の第１の螺旋線状電極、並びに他方の組の対向する一対のものから一軸方向に対して約−４５度傾いて互い違いに入り込むように平行して螺旋状に延在する複数の第２の螺旋線状電極を有するように一対２組の電極パターンを形成して二つの静電容量を具備する構成とすることもできる。この構成の場合、二つの静電容量における検出出力の差を検出するようにすれば、検出感度をほぼ２倍にでき、しかも、それぞれのセンサに共通に発生する不要信号（例えば周囲温度変化に依存する特性変動等の成分）をキャンセルすることができる。
【００２７】
又、一実施例の円柱型静電容量式捩り歪みセンサや上述したそれを変形した構成では、歪み−誘電率変化特性を有する誘電体膜層２を形成するために被検出用構造体として絶縁性材質の絶縁棒１を使用する場合について説明したが、被検出用構造体の形状は棒以外にも円環，筒，円柱等の外周面の断面形状が円形を成すものであれば何れの形状でも適用できるし、被検出用構造体の材質として導電性を有する金属を用いた場合でも、その外周面に誘電率の低いプラスチックやセラミックスによる絶縁層を予め形成してからその外周面に誘電体膜層２を形成するようにすれば同じ効果が得られる。
【００２８】
【発明の効果】
以上に示したように、本発明の円柱型静電容量式捩り歪みセンサによれば、一軸方向を中心軸として延在し、外周面の断面形状が円形を成す被検出用構造体の外周面に全周にわたって形成した歪みにより誘電率が変化する誘電体膜層の外周面に対して、対向する一対の円環線状電極から一軸方向に対して約４５度傾いて互い違いに入り込むように平行して螺旋状に延在する複数の螺旋線状電極を有するように一対の電極パターンを形成して静電容量を具備するか、或いは一軸方向に平行する分割線により二等分されて同一の円環線上に配置される対向する一対２組の半円環線状電極における一方の組の対向する一対のものから一軸方向に対して約４５度傾いて互い違いに入り込むように平行して螺旋状に延在する複数の第１の螺旋線状電極、並びに他方の組の対向する一対のものから一軸方向に対して約−４５度傾いて互い違いに入り込むように平行して螺旋状に延在する複数の第２の螺旋線状電極を有するように一対２組の電極パターンを形成して二つの静電容量を具備する構成として、被検出用構造体に対して直接センサを配備して接着層の無い構造としているため、構造が簡単で特性が安定すると共に、被検出用構造体の弾性変形に伴う捩り歪みの大きさを静電容量の変化から周波数の変化に変換することが可能となって容易に信号処理を行うことができるようになる。結果として、容易にして高精度に捩り歪みを検出することが可能になり、しかも信号処理回路を簡単なＬＣ発振回路で構成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る円柱型静電容量式捩り歪みセンサの基本構成を示した斜視図である。
【図２】交差指状電極を含む平板型静電容量式捩り歪みセンサによる歪み検出の原理を説明するために示した電極パターンの平面図である。
【図３】図２に示す平板型静電容量式捩り歪みセンサを加圧する加圧装置を簡略的に示した側面図である。
【図４】図３に示す加圧装置により加圧した状態で平板型静電容量式捩り歪みセンサにおける加圧力−静電容量変化率特性を測定した結果を示したものである。
【図５】従来の捩り歪みセンサ及びその適用例を説明したもので、（ａ）は捩り歪みセンサとして歪みゲージを被検出用構造体に接着した様子を示した斜視図に関するもの，（ｂ）は歪みゲージを拡大して示した斜視図に関するものである。
【符号の説明】
１  絶縁棒
１′  絶縁シート
２  誘電体膜層
３，４  円環線状共通電極
３′，４′  線状共通電極
３ａ，４ａ  螺旋線状電極
３ａ′，４ａ′  線状電極
５，６  コンデンサ端子
７  加圧板
８，２４  台座
２１  円柱
２２  外周面
２３  歪みゲージ
【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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