JP7560031B2 - ３軸力センサ - Google Patents

Description

本発明は、３軸力センサに関する。

従来、３軸力センサとして、特許文献１に記載されたものが知られている。この３軸力センサは、分布荷重を含む直交３軸方向の力を検出するためのものであり、平面的に配置された多数の応力検出素子を備えている。各応力検出素子は、圧電素子タイプのものであり、押圧力検出素子と、一対のせん断力検出素子と、他の一対のせん断力検出素子とを備えている。一対のせん断力検出素子及び他の一対のせん断力検出素子は、平面視十字状に配置され、その中心に押圧力検出素子が位置するように設けられている。これらの押圧力検出素子及び各せん断力検出素子は、上下一対の電極などで構成されている。

この応力検出素子では、押圧力が押圧力検出素子によって検出され、一対のせん断力検出素子の並び方向に作用するせん断力が、一対のせん断力検出素子によって検出され、他の一対のせん断力検出素子の並び方向に作用するせん断力が、他の一対のせん断力検出素子によって検出される。そして、多数の応力検出素子によって、分布荷重が検出される。

特開２０１４－５５９８５号公報

上記従来の触覚センサによれば、直交３軸方向の力を検出するために、１個の押圧力検出素子及び４個のせん断力検出素子からなる応力検出素子を多数、平面的に配置する必要がある。その結果、センサが大型化するとともに、多数の電極が必要となることで、部品点数が増大し、製造コストの上昇を招いてしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、直交３軸方向の力を検出する場合において、部品点数の削減及びセンサの小型化を実現することができ、製造コストを低減することができる３軸力センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、電極間の静電容量の変化に基づいて直交３軸方向の力を検出するための３軸力センサ１００～１０４であって、誘電性及び弾性を有する柔軟部材（電極支持体１０，１０Ａ）と、所定平面に沿って互いに離間するように柔軟部材に取り付けられた複数の第１電極１１１～１２２と、所定平面に沿って互いに離間するとともに複数の第１電極に対して間隔を存しながら対向するように設けられ、複数の第１電極との間に柔軟部材が位置するように柔軟部材に取り付けられ、複数の第１電極との間の静電容量をそれぞれ検出するための複数の第２電極２０１～２０９と、を備え、複数の第２電極は、複数の第２電極を複数の第１電極側に向かって見たときの中央部に配置された第２中央電極（第２電極２０１）と、第２中央電極を取り囲むように配置された複数の第２周辺電極（第２電極２０２～２０９）とを備えており、複数の第１電極は、複数の第１電極を複数の第２電極側から見たときに第２中央電極と一部が重なる一対の第１電極（一対の第１電極１１１，１１２及び一対の第１電極１１３，１１４の一方）及び他の一対の第１電極（一対の第１電極１１１，１１２及び一対の第１電極１１３，１１４の他方）と、複数の第２周辺電極とそれぞれ対向する複数の第１周辺電極（第１電極１１５～１２２）とを備えており、複数の第１電極は、一対の第１電極と、一対の第１電極と異なる他の一対の第１電極とを含み、一対の第１電極は、互いに直交しながら所定平面に沿って延びる第１直線Ｌ１及び第２直線Ｌ２の一方の直線に沿うとともに、一方の直線に沿う方向の力が柔軟部材に作用した際、第２電極側から見たときの一対の第１電極の各々における第２中央電極と重なる面積が変化するように配置されており、他の一対の第１電極は、第１直線及び第２直線の他方の直線に沿うとともに、他方の直線に沿う方向の力が柔軟部材に作用した際、第２電極側から見たときの他の一対の第１電極の各々における第２中央電極と重なる面積が変化するように配置されていることを特徴とする。

この３軸力センサによれば、複数の第１電極が、所定平面に沿って互いに離間するよう、柔軟部材に取り付けられており、複数の第２電極が、所定平面に沿って互いに離間するとともに複数の第１電極に対して間隔を存しながら対向するように設けられ、複数の第１電極との間に柔軟部材が位置するように柔軟部材に取り付けられている。したがって、所定平面に直交する方向の力が柔軟部材に作用した際、複数の第１電極の各々と、複数の第２電極の各々との間の距離が変化し、それに伴う静電容量の変化に基づいて、その力を検出することができる。

また、複数の第１電極が、一対の第１電極と、一対の第１電極と異なる他の一対の第１電極とを含んでおり、一対の第１電極は、互いに直交しながら所定平面に沿って延びる第１直線及び第２直線の一方の直線に沿うとともに、一方の直線に沿う方向の力が柔軟部材に作用した際、第２電極側から見たときの一対の第１電極の各々における第２電極と重なる面積が変化するように配置されている。したがって、一方の直線に沿う方向の力が柔軟部材に作用した際、これらの重なる面積の変化に伴って、一対の第１電極の各々と第２電極との間の静電容量が変化することになる。その結果、これらの静電容量の変化に基づいて、一方の直線に沿う方向の力すなわちせん断力を検出することができる。

さらに、他の一対の第１電極は、第１直線及び第２直線の他方の直線に沿うとともに、他方の直線に沿う方向の力が柔軟部材に作用した際、第２電極側から見たときの他の一対の第１電極の各々における第２電極と重なる面積が変化するように配置されている。したがって、他方の直線に沿う方向の力が柔軟部材に作用した際、これらの重なる面積の変化に伴って、他の一対の第１電極の各々と第２電極との間の静電容量が変化することになる。その結果、これらの静電容量の変化に基づいて、第２直線に沿う方向の力すなわちせん断力を検出することができる。以上のように、８個の電極を用いて、直交２軸方向のせん断力及び所定平面に直交する方向の力（すなわち直交３軸方向の力）を検出することができる。したがって、直交３軸方向の力を検出するために、４個のせん断力検出素子及び１個の押圧力検出素子（すなわち計１０個の電極）が必要となる従来の場合と比べて、部品点数を減らすことができるとともにセンサを小型化することができ、その分、製造コストを削減することができる。

さらに、この３軸力センサによれば、１個の第２中央電極と４個の第１電極を用いて、所定平面に直交する方向の力を４箇所で検出できると同時に、直交２軸方向のせん断力を検出することができる。それにより、計１０個の電極を用いて押圧力を１箇所でしか検出できない従来の場合と比べて、所定平面に直交する方向の力の検出領域を拡大することができる。これに加えて、複数の第２周辺電極及び複数の第１周辺電極を用いて、所定平面に直交する方向の力をさらに複数箇所で検出することができるので、所定平面に直交する方向の力の検出領域をさらに拡大することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の３軸力センサ１００～１０４において、複数の第２周辺電極は、一対の第２周辺電極を含んでおり、一対の第２周辺電極は、複数の第１周辺電極側に向かって見たときに、一方の直線を間にして他方の直線に沿うように配置されていることを特徴とする。

この３軸力センサによれば、複数の第２周辺電極が一対の第２周辺電極を含んでおり、一対の第２周辺電極は、複数の第１周辺電極側に向かって見たときに、一方の直線を間にして他方の直線に沿うように配置されているので、一対の第２周辺電極と、これらに対向する第１周辺電極との間の静電容量の変化に基づいて、一対の第２周辺電極の一方に作用する、所定平面に直交する方向の力と、一対の第２周辺電極の他方に作用する、所定平面に直交する方向の力とを検出することができる。その結果、これら２つの力の差と、一方の直線からの距離とに基づいて、柔軟部材に作用しているモーメントを検出することができる。

本発明の第１実施形態に係る３軸力センサなどの構成を示す平面図である。 図１のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。 力が３軸力センサに作用したときの静電容量の変化を示す図である。 せん断力が３軸力センサに作用していないときの第１電極及び第２電極の位置関係を示す平面図である。 せん断力が３軸力センサに作用したときの第１電極及び第２電極の位置関係を示す平面図である。 ３軸力センサの変形例を示す図である。 シールド層を備えた３軸力センサを示す図である。 物体の接近検出用の電極を備えた３軸力センサを示す図である。 物体の接近検出用の２つの電極を備えた３軸力センサを示す図である。 第２実施形態に係る３軸力センサなどの構成を示す平面図である。 図９のII－II線に沿う断面図である。 図１０のIII－III線に沿う断面図である。 第１電極及び第２電極の配置を示す平面図である。 ３軸力センサに作用するモーメントの説明図である。 ３軸力センサの変形例を示す図である。 シールド層を備えた３軸力センサを示す図である。 物体の接近検出用の電極を備えた３軸力センサを示す図である。 物体の接近検出用の２つの電極を備えた３軸力センサを示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る３軸力センサについて説明する。本実施形態の図１に示す３軸力センサ１は、図示しない電線を介して力検出装置４０に接続されている。この力検出装置４０は、後述するように、３軸力センサ１による静電容量Ｃ１～Ｃ９の検出結果に基づいて、３軸力センサ１に作用する直交３軸方向の力を検出するものである。

本実施形態の３軸力センサ１は、図１及び図２に示すように、電極支持体１０、９個の第１電極１１～１９及び９個の第２電極２１～２９などを備えている。

なお、以下の説明では、便宜上、図１の左側を「左」、図１の右側を「右」、図１の下側を「前」、図１の上側を「後ろ」、図１の手前側を「上」、図１の奥側を「下」という。

電極支持体１０は、誘電性及び弾性（又は可撓性）を有する半透明のシリコンゴムで構成され、中実の直方体形状を有している。なお、本実施形態では、電極支持体１０が柔軟部材に相当する。

９個の第１電極１１～１９の各々は、板状のフレキシブル電極で構成され、図示しないフレキシブル電線を介して、力検出装置４０に接続されている。また、９個の第１電極１１～１９の各々は、電極支持体１０の下面と面一の状態で電極支持体１０に取り付けられている（図２参照）。

５つの第１電極１１，１３，１５，１７，１９の各々は、これらを平面視した場合、同じサイズの正方形に形成されており、残り４つの第１電極１２，１４，１６，１８の各々は、これらを平面視した場合、第１電極１１の半分のサイズの長方形に形成されている。また、９個の第１電極１１～１９は、これらを平面視した場合、各辺が互いに平行になるように配置されている。

また、５つの第１電極１１，１３，１５，１７，１９においては、これらを平面視した場合、４つの第１電極１１，１３，１７，１９の中心が正方形を形成するとともに、第１電極１５がその正方形の中心に位置するように配置されている。なお、本実施形態では、第１電極１５が第１中央電極に相当し、第１電極１１～１４，１６～１９が第１周辺電極相当する。

一方、第１電極１２は、その前縁が２つの第１電極１１，１３の中心を通る直線と一致する状態で、２つの第１電極１１，１３間の中央の位置に配置されている。また、第１電極１４は、その右縁が２つの第１電極１１，１７の中心を通る直線と一致する状態で、２つの第１電極１１，１７間の中央の位置に配置されている。

さらに、第１電極１６は、その左縁が２つの第１電極１３，１９の中心を通る直線と一致する状態で、２つの第１電極１３，１９間の中央の位置に配置されている。一方、第１電極１８は、その後ろ縁が２つの第１電極１７，１９の中心を通る直線と一致する状態で、２つの第１電極１７，１９間の中央の位置に配置されている。

以上により、３軸力センサ１においては、前後一対の第１電極１８，１２の中心間を結んだ直線が、左右一対の第１電極１４，１６の中心間を結んだ直線と直交するとともに、前後一対の第１電極１８，１２の中心間の距離と、左右一対の第１電極１４，１６の中心間の距離が同一になるように構成されている。なお、本実施形態では、前後一対の第１電極１８，１２及び左右一対の第１電極１４，１６の一方が、一対の第１電極に相当し、他方が他の一対の第１電極に相当する。

一方、９個の第２電極２１～２９の各々は、板状のフレキシブル電極で構成され、図示しないフレキシブル電線を介して、力検出装置４０に接続されている。９個の第２電極２１～２９の各々は、これらを平面視した場合、第１電極１１よりも小さいサイズの正方形に形成されており、電極支持体１０の上面から所定距離分、下方の位置において電極支持体１０の上面に平行な姿勢で、電極支持体１０に内蔵されている（図２参照）。

５つの第２電極２１，２３，２５，２７，２９はそれぞれ、これらを平面視した場合、５つの第１電極１１，１３，１５，１７，１９と同心に配置されている。すなわち、４つの第２電極２１，２３，２７，２９の中心が正方形を形成するとともに、第２電極２５がその正方形の中心に位置するように配置されている。

また、第２電極２２は、これを平面視した場合、その後ろ半部が第１電極１２と重なる状態で、２つの第２電極２１，２３間の中央の位置に配置されている。さらに、第２電極２４は、これを平面視した場合、その左半部が第１電極１４と重なる状態で、２つの第２電極２１，２７間の中央の位置に配置されている。

一方、第２電極２６は、これを平面視した場合、その右半部が第１電極１６と重なる状態で、２つの第２電極２３，２９間の中央の位置に配置されている。また、第２電極２８は、その下半部が第１電極１８と重なる状態で、２つの第２電極２７，２９間の中央の位置に配置されている。

以上により、３軸力センサ１においては、２つの第２電極２２，２８の中心間を結んだ直線が、２つの第２電極２４，２６の中心間を結んだ直線と直交するとともに、２つの第２電極２２，２８の中心間の距離と、２つの第２電極２４，２６の中心間の距離が同一になるように構成されている。なお、本実施形態では、第２電極２５が第２中央電極に相当し、第２電極２１～２４，２６～２９が第２周辺電極に相当する。

一方、力検出装置４０は、電気回路及びマイクロコンピュータを組み合わせて構成されている。この力検出装置４０では、２つの第１電極１１及び第２電極２１の間に電圧を印加することにより、これらの電極１１，２１の間の静電容量Ｃ１が検出され、２つの第１電極１２及び第２電極２２の間に電圧を印加することにより、これらの電極１２，２２の間の静電容量Ｃ２が検出される。

さらに、以上と同様の手法により、静電容量Ｃ３が２つの第１電極１３及び第２電極２３の間の静電容量として、静電容量Ｃ４が２つの第１電極１４及び第２電極２４の間の静電容量として、静電容量Ｃ５が２つの第１電極１５及び第２電極２５の間の静電容量としてそれぞれ検出される。

これに加えて、静電容量Ｃ６が２つの第１電極１６及び第２電極２６の間の静電容量として、静電容量Ｃ７が２つの第１電極１７及び第２電極２７の間の静電容量として、静電容量Ｃ８が２つの第１電極１８及び第２電極２８の間の静電容量として、静電容量Ｃ９が２つの第１電極１９及び第２電極２９の間の静電容量としてそれぞれ検出される。

これらの静電容量Ｃ１～Ｃ９は、直交３軸方向の力が３軸力センサ１に対して作用した際、図３に示すように変化する。なお、図３では、静電容量が上昇することを「Ｕｐ」と表記し、静電容量が低下することを「Ｄｏｗｎ］と表記する。同図に示すように、下向きの力（すなわち荷重）が３軸力センサ１に対して作用した場合、９個の静電容量Ｃ１～Ｃ９がいずれも上昇する。

また、左向き力（左向きのせん断力）が３軸力センサ１に対して作用した場合、静電容量Ｃ４が上昇するとともに、静電容量Ｃ６が低下する。これは、以下の理由による。すなわち、力が３軸力センサ１に作用していない図４Ａに示す状態から、図４Ｂに示すように、左向きの力Ｆｘが３軸力センサ１に作用した場合、上下方向に並んだ２つの第１電極１４及び第２電極２４においては、両者のオーバーラップする面積が図４Ｂ中のハッチングで示す分だけ増大し、それに伴い、静電容量Ｃ４が上昇することになる。

これと同時に、上下方向に並んだ２つの第１電極１６及び第２電極２６においては、両者のオーバーラップする面積が図４Ｂ中のハッチングで示す分だけ減少し、それに伴い、静電容量Ｃ６が低下することになる。また、上記以外の上下方向に並んだ２つの第１電極及び第２電極においては、両者のオーバーラップする面積が変化しないことで、静電容量が変化しない状態となる。

一方、右向き力（右向きのせん断力）が３軸力センサ１に対して作用した場合、左向き力が作用した場合とは逆に、静電容量Ｃ４が低下するとともに、静電容量Ｃ６が上昇する状態になる。

さらに、前向き力（前向きのせん断力）が３軸力センサ１に対して作用した場合、上下方向に並んだ２つの第１電極１２及び第２電極２２において、両者のオーバーラップする面積が減少するとともに、上下方向に並んだ２つの第１電極１８及び第２電極２８において、両者のオーバーラップする面積が増大することになる。それに伴い、静電容量Ｃ２が低下するとともに、静電容量Ｃ８が上昇する状態になる。

また、後ろ向き力（後ろ向きのせん断力）が３軸力センサ１に対して作用した場合、２つの第１電極１２及び第２電極２２において、両者のオーバーラップする面積が増大するとともに、２つの第１電極１８及び第２電極２８において、両者のオーバーラップする面積が減少することになる。それに伴い、静電容量Ｃ２が上昇するとともに、静電容量Ｃ８が低下する状態になる。

以上の原理に基づき、力検出装置４０では、９個の静電容量Ｃ１～Ｃ９が３軸力センサ１を用いて検出され、これらの９個の静電容量Ｃ１～Ｃ９に基づき、図示しない演算式によって、３軸力センサ１に対して作用する下向きの力（荷重）、左右方向に作用するせん断力及び前後方向に作用するせん断力が演算される。すなわち、３軸力センサ１に対して作用する直交３軸方向の力が検出される。

以上のように、第１実施形態の３軸力センサ１よれば、９個の第１電極１１～１９が、電極支持体１０の底面に面一の状態で電極支持体１０に取り付けられており、９個の第２電極２１～２９が、９個の第１電極１１～１９に対して平行な姿勢で電極支持体１０に取り付けられている。したがって、下向き力が電極支持体１０に作用した際、９個の第２電極２１～２９の各々と、９個の第１電極１１～１９の各々との間の距離が変化することになり、それに伴う静電容量Ｃ１～Ｃ９の変化に基づいて、電極支持体１０に作用している力を計９箇所で検出することができる。すなわち、分布荷重が電極支持体１０に作用した場合でも、その分布荷重を検出することができる。

また、左向き及び右向きのせん断力が３軸力センサ１に対して作用した場合、２つの第１電極１４及び第２電極２４の間の静電容量Ｃ４と、２つの第１電極１６及び第２電極２６の間の静電容量Ｃ６とが変化する。これと同様に、前向き及び後ろ向きのせん断力が３軸力センサ１に対して作用した場合、２つの第１電極１２及び第２電極２２の間の静電容量Ｃ２と、２つの第１電極１８及び第２電極２８間の静電容量Ｃ８とが変化することになる。したがって、これらの静電容量Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８の変化に基づいて、前後方向及び左右方向のせん断力を検出することができる。

さらに、計８個の電極（第１電極１２，１４，１６，１８と第２電極２２，２４，２６，２８）を用いて、直交３軸方向の力を検出することができるので、計１０個の電極が必要となる従来の場合と比べて、部品点数を減らすことができるとともにセンサを小型化することができ、その分、製造コストを削減することができる。

これに加えて、この３軸力センサ１よれば、後述する原理により、第２電極２５の中心を通って前後方向及び左右方向に延びる直線周りのモーメントも検出することができる。

なお、第１実施形態は、３軸力センサ１が中実の電極支持体１０を備えている例であるが、これに代えて、図５に示すように、３軸力センサ１Ａが中空の電極支持体１０Ａ（柔軟部材）を備えるように構成してもよい。この３軸力センサ１Ａの場合、複数の空隙１０ａが電極支持体１０Ａの内部に形成されているとともに、下向きの力が作用した際、第１電極１１～１９と第２電極２１～２９が短絡することがないように構成されている。

この３軸力センサ１Ａによれば、空隙１０ａが電極支持体１０Ａ内に形成されていることにより、せん断力が電極支持体１０Ａに作用した際、上下方向に並んだ２つの第１電極及び第２電極の間における左右方向及び前後方向のずれが、第１実施形態の電極支持体１０よりも発生しやすくなる。それにより、この３軸力センサ１Ａによれば、せん断力の検出感度を第１実施形態の３軸力センサ１よりも向上させることができる。

また、図６に示すように、３軸力センサ１Ｂを構成してもよい。この３軸力センサ１Ｂは、シールド層３０を備えており、このシールド層３０は、第２電極２１～２９よりも上側に配置された状態で、電極支持体１０に内蔵されている。この３軸力センサ１Ｂによれば、シールド層３０の効果によって、外部からのノイズの影響を抑制することができ、３軸力の検出精度を向上させることができる。

さらに、図７に示すように、３軸力センサ１Ｃを構成してもよい。この３軸力センサ１Ｃは、シールド層３０の上側に電極３１をさらに備えている。この電極３１は、指Ｑなどの物体の接近を検出するためのものであり、発振回路及び力検出装置（いずれも図示せず）に接続されている。電極３１は、発振回路によって駆動されることにより電界を発生する。力検出装置は、物体が電極３１が発生する電界内に進入した際、電極３１の静電容量の変化に基づいて、物体の接近を検出する。以上のように、この３軸力センサ１Ｃによれば、３軸力を検出できることに加えて、物体の接近を検出することができる。

また、図８に示すように、３軸力センサ１Ｄを構成してもよい。この３軸力センサ１Ｄは、シールド層３０の上側に、２つの電極３２，３３をさらに備えている。これら電極３２，３３は、指Ｑなどの物体の接近を検出するためのものであり、力検出装置（図示せず）に接続されている。力検出装置は、電圧を電極３２，３３に印可し、電極３２，３３間の静電容量の変化に基づいて、物体の接近を検出する。以上のように、この３軸力センサ１Ｄによれば、上記の３軸力センサ１Ｃと同様に、３軸力を検出できることに加えて、物体の接近を検出することができる。

なお、第１実施形態は、柔軟部材として、シリコンゴムで構成された電極支持体１０を用いた例であるが、本発明の柔軟部材は、これに限らず、誘電性及び弾性を有するものであればよい。例えば、柔軟部材として、チオフェン系導電性高分子もしくはＰＳＳなどの導電性樹脂、ＰＶＣゲル、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シリコン系樹脂、ウレタン系樹脂もしくはエポキシ系樹脂、または、これらの任意の組み合わせの複合材料などの誘電体を用いてもよい。

また、第１実施形態は、柔軟部材として、直方体状の電極支持体１０を用いた例であるが、これに代えて、小判形状及び円筒形状などの様々な形状の柔軟部材を用いてもよい。

一方、第１実施形態は、５個の第１電極１１，１３，１５，１７，１９及び５個の第２電極２１，２３，２５，２７，２９として、平面視正方形のものを用いた例であるが、これらに代えて、平面視したときに正方形以外の多角形のもの、又は円形のものなどを用いてもよい。その場合、せん断力が電極支持体１０に作用したときに、５個の第２電極２１，２３，２５，２７，２９と５個の第１電極１１，１３，１５，１７，１９との間のオーバーラップ面積が変化しないように構成すればよい。

さらに、第１実施形態は、４個の第１電極１２，１４，１６，１８として、平面視矩形のものを用いた例であるが、これらに代えて、平面視したときに対称性を有する形状のものを用いてもよい。

また、第１実施形態は、４個の第２電極２２，２４，２６，２８として、平面視正方形のものを用いた例であるが、これに代えて、平面視したときに正方形以外の矩形のものを用いてもよく、平面視したときに対称性を有する形状のものを用いればよい。

一方、第１実施形態は、９個の第１電極を、複数の第１電極として用いた例であるが、これに代えて、８個以下又は１０個以上の第１電極を、複数の第１電極として用いてもよい。また、８個の第１周辺電極を、複数の第１周辺電極として用いた例であるが、これに代えて、７個以下又は９個以上の第１周辺電極を、複数の第１周辺電極として用いてもよい。

また、第１実施形態は、９個の第２電極を、複数の第２電極として用いた例であるが、これに代えて、８個以下又は１０個以上の第２電極を、複数の第２電極として用いてもよい。また、８個の第２周辺電極を、複数の第２周辺電極として用いた例であるが、これに代えて、７個以下又は９個以上の第２周辺電極を、複数の第２周辺電極として用いてもよい。

以下、図面を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る３軸力センサについて説明する。図９～１２に示すように、第２実施形態の３軸力センサ１００は、第１実施形態の３軸力センサ１と比較した場合、第１電極１１～１９及び第２電極２１～２９に代えて、１２個の第１電極１１１～１２２及び９個の第２電極２０１～２０９を備えている点が異なっているので、以下、これらの第１電極１１１～１２２及び第２電極２０１～２０８を中心に説明する。また、第１実施形態と同一の構成に対しては同じ符号を付すとともに、その説明を省略する。

１２個の第１電極１１１～１２２の各々は、板状のフレキシブル電極で構成され、図示しないフレキシブル電線を介して、力検出装置４０に接続されている。また、１２個の第１電極１１１～１２２の各々は、図１１に示すように、これらを平面視した場合、互いに同じサイズの正方形に形成されているとともに、各辺が互いに平行になるように配置されている。また、１２個の第１電極１１１～１２２は、電極支持体１０の底面から所定距離分、上方の位置に配置され、電極支持体１０の底面に平行な姿勢で電極支持体１０に内蔵されている（図１０参照）。

１２個の第１電極１１１～１２２のうち、４個の第１電極１１１～１１４は、これらを平面視した場合、電極支持体１０の中央部付近に配置され、前後一対の第１電極１１１，１１２の中心間を結んだ直線Ｌ１が、左右一対の第１電極１１３，１１４の中心間を結んだ直線Ｌ２と電極支持体１０の中心点で直交するとともに、前後の第１電極１１１，１１２の中心間の距離と、左右の第１電極１１３，１１４の中心間の距離が同一になるように配置されている（図１２参照）。

これらの４個の第１電極１１１～１１４の各々は、平面視した場合、第２電極２０１がその半部に重なるように設けられている。すなわち、第２電極２０は、第１電極１１１の後ろ半部、第１電極１１２の前半部、第１電極１１３の右半部及び第１電極１１４の左半部に重なるように設けられている。

また、残りの８個の第１電極１１５～１２２は、これらを平面視した場合、４個の第１電極１１１～１１４を取り囲むとともに、電極支持体１０の中心点に対して点対称になるように配置されている。より具体的には、２つの第１電極１１５，１１６は、直線Ｌ１から所定距離Ｌ分、左方に離間しているとともに、直線Ｌ２に対して前後方向に等間隔に配置されている。また、２つの第１電極１１７，１１８は、直線Ｌ１を間にして、２つの第１電極１１５，１１６と線対称の状態で配置されている。

さらに、２つの第１電極１１９，１２０は、直線Ｌ２から所定距離Ｌ分、前方に離間しているとともに、直線Ｌ１に対して左右方向に等間隔に配置されている。また、２つの第１電極１２１，１２２は、直線Ｌ２を間にして、２つの第１電極１１９，１２０と線対称の状態で配置されている。なお、本実施形態では、前後一対の第１電極１１１，１１２及び左右一対の第１電極１１３，１１４の一方が一対の第１電極に相当し、他方が他の一対の第１電極に相当し、第１電極１１５～１２２が第１周辺電極に相当する。

一方、９個の第２電極２０１～２０９の各々は、板状のフレキシブル電極で構成され、図示しないフレキシブル電線を介して、力検出装置４０に接続されている。また、９個の第２電極２０１～２０９は、電極支持体１０の上面から所定距離分、下方の位置に配置され、電極支持体１０の上面に平行な姿勢で電極支持体１０に内蔵されている（図１０参照）。

さらに、９個の第２電極２０１～２０９の各々は、図９に示すように、平面視正方形に形成され、各辺が互いに平行になるとともに、各辺が第１電極１１１～１２２の各辺と互いに平行になるように配置されている。

９個の第２電極２０１～２０９のうち、第２電極２０１は、中央に配置され、それ以外の第２電極２０２～２０９よりも大きいサイズを有している。この第２電極２０１は、前述したように、平面視した場合、４個の第１電極１１１～１１４の半部に重なるように配置されている。

さらに、８個の第２電極２０２～２０９は、平面視した場合、第２電極２０１を取り囲むように設けられており、第１電極１１１～１２２と同じサイズを有しているとともに、８個の第１電極１１５～１２２と同心に配置されている。すなわち、８個の第２電極２０２～２０９はそれぞれ、平面視した場合、８個の第１電極１１５～１２２と全体が重なるように配置されている。なお、本実施形態では、第２電極２０１が第２中央電極に相当し、第２電極２０２～２０９が第２周辺電極に相当する。

以上のように、第２実施形態の３軸力センサ１００よれば、１２個の第１電極１１１～１２２が、電極支持体１０の上面に平行な姿勢で電極支持体１０に取り付けられており、９個の第２電極２０１～２０９が、１２個の第１電極１１１～１２２に対して間隔を存しながら対向するように電極支持体１０に取り付けられている。さらに、１個の第２電極２０１は、これを平面視した場合、４つの第１電極１１１～１１４の半部が第２電極２０１に重なるように配置されている。

したがって、下向き力が電極支持体１０に作用した際、９個の第２電極２０１～２０９の各々と、１２個の第１電極１１１～１２２の各々との間の距離が変化することになり、それに伴う静電容量の変化に基づいて、電極支持体１０に作用している下向き力を計１２箇所で検出することができる。すなわち、分布荷重が電極支持体１０に作用した場合でも、その分布荷重を検出することができる。

また、４個の第１電極１１１～１１４は、これらを平面視した場合、前後一対の第１電極１１１，１１２の中心間を結んだ直線Ｌ１が、左右一対の第１電極１１３，１１４の中心間を結んだ直線Ｌ２と電極支持体１０の中心点で直交するとともに、前後の第１電極１１１，１１２の中心間の距離と、左右の第１電極１１３，１１４の中心間の距離が同一になるように配置されている。

したがって、せん断力が電極支持体１０に作用した際、電極支持体１０が弾性変形するのに伴い、４個の第１電極１１１～１１４と第２電極２０１の間において、互いに対向する面のオーバーラップ面積が変化し、静電容量が変化することになる。それにより、これらの静電容量の変化に基づき、直交２軸方向のせん断力を検出することができる。

さらに、計５個の電極（第１電極１１１～１１４と第２電極２０１）を用いて、直交３軸方向の力を検出することができるので、計１０個の電極が必要となる従来の場合と比べて、部品点数を減らすことができるとともにセンサを小型化することができ、その分、製造コストを削減することができる。

また、３軸力センサ１００によれば、第２電極２０１の左右方向及び上下方向の中心を通って前後方向に延びる直線と、第２電極２０１の前後方向及び上下方向の中心を通って左右方向に延びる直線とを想定した場合、これら２つの直線周りのモーメントも検出可能である。以下、その原理について説明する。

まず、図１３に示すように、ｘｙｚ軸をそれぞれ、奥行き方向がｘ軸の正値側、右方向がｙ軸の正値側、上方向がｚ軸の正値側になるように設定した場合において、第２電極２０１の左右方向及び上下方向の中心Ｏを回転中心とするｘ軸周りのモーメントＭｘを検出する原理について説明する。

ここで、第２電極２０３と第１電極１１６の間の静電容量をＣ＿ｌｅｆｔとし、誘電率をε、電極面積をＳ、電極間距離をＺ＿ｌｅｆｔとした場合、下式（１）が成立する。
Ｃ＿ｌｅｆｔ＝ε・（Ｓ／Ｚ＿ｌｅｆｔ） ・・・（１）

これと同様に、第２電極２０５と第１電極１１８の間の静電容量をＣ＿ｒｉｇｈｔ、誘電率をε、電極面積をＳ、電極間距離をＺ＿ｒｉｇｈｔとした場合、下式（２）が成立する。
Ｃ＿ｒｉｇｈｔ＝ε・（Ｓ／Ｚ＿ｒｉｇｈｔ） ・・・（２）

また、第２電極２０３側に作用する下向き力をＦｘ＿ｌｅｆｔ、比例係数をｋ、下向き力Ｆｘ＿ｌｅｆｔに起因する静電容量Ｃ＿ｌｅｆｔの変化量をΔＣ＿ｌｅｆｔとした場合、下式（３）が成立する。
Ｆｘ＿ｌｅｆｔ＝ｋ・ΔＣ＿ｌｅｆｔ ・・・（３）

これと同様に、第２電極２０５に作用する下向き力をＦｘ＿ｒｉｇｈｔ、比例係数をｋ、下向き力Ｆｘ＿ｒｉｇｈｔに起因する静電容量Ｃ＿ｒｉｇｈｔの変化量をΔＣ＿ｒｉｇｈｔとした場合、下式（４）が成立する。
Ｆｘ＿ｒｉｇｈｔ＝ｋ・ΔＣ＿ｒｉｇｈｔ ・・・（４）

さらに、中心Ｏから作用点までの腕の長さは前述した値Ｌとなるので、モーメントＭｘは、下式（５）によって算出／検出できることになる。
Ｍｘ＝Ｌ・（Ｆｘ＿ｌｅｆｔ－Ｆｘ＿ｒｉｇｈｔ） ・・・（５）

以上と同様に原理により、第２電極２０１の前後方向及び上下方向の中心を回転中心とするｙ軸周りのモーメントも算出／検出できることになる。したがって、本実施形態の３軸力センサ１００によれば、３軸力に加えて、２軸周りのモーメントも検出することができる。

なお、説明は省略するが、第１実施形態の３軸力センサ１においても、以上と同じ原理により、３軸力に加えて、２軸周りのモーメントも検出することが可能である。

また、第２実施形態の３軸力センサ１００は、中実の電極支持体１０を備えている例であるが、これに代えて、図１４に示すように、３軸力センサ１０１を、前述した３軸力センサ１Ａと同様の中空の電極支持体１０Ａを備えるように構成してもよい。この３軸力センサ１０１の場合、下向きの力が作用した際、第１電極１１１～１２２と第２電極２０１～２０９が短絡することがないように構成されている。この３軸力センサ１０１によれば、前述した理由により、せん断力の検出感度を第２実施形態の３軸力センサ１００よりも向上させることができる。

また、図１５に示すように、３軸力センサ１０２を構成してもよい。この３軸力センサ１０２の場合、前述した３軸力センサ１Ｂと同様に、シールド層３０を備えているので、その効果によって、外部からのノイズの影響を抑制することができ、３軸力の検出精度を向上させることができる。

さらに、図１６に示すように、３軸力センサ１０３を構成してもよい。この３軸力センサ１０３は、前述した３軸力センサ１Ｃと同様に、シールド層３０の上側に電極３１をさらに備えている。したがって、この３軸力センサ１０３によれば、３軸力センサ１Ｃと同様に、３軸力を検出できることに加えて、物体の接近を検出することができる。

また、図１７に示すように、３軸力センサ１０４を構成してもよい。この３軸力センサ１０４は、前述した３軸力センサ１Ｄと同様に、シールド層３０の上側に、２つの電極３２，３３をさらに備えている。したがって、この３軸力センサ１０４によれば、３軸力センサ１Ｄと同様に、３軸力を検出できることに加えて、物体の接近を検出することができる。

なお、第２実施形態は、８個の第１電極１１５～１２２及び８個の第２電極２０２～２０９として、平面視正方形のものを用いた例であるが、これらに代えて、平面視したときに正方形以外の多角形のもの、又は円形のものなどを用いてもよい。

また、第２実施形態は、４個の第１電極１１１～１１４として、平面視正方形のものを用いた例であるが、これらに代えて、４個の第１電極１１１～１１４として、平面視したときに対称性を有する形状のものを用いてもよい。

さらに、第２実施形態は、直線Ｌ１から２個の第２電極２０２，２０３までの距離と、直線Ｌ１から２個の第２電極２０４，２０５までの距離を同一とした例であるが、これらの距離を異なるように構成してもよく、その場合にも、ｘ軸周りのモーメントを検出することができる。

これと同様に、直線Ｌ２から２個の第２電極２０６，２０７までの距離と、直線Ｌ２から２個の第２電極２０８，２０９までの距離を同一とした例であるが、これらの距離を異なるように構成してもよく、その場合にも、ｙ軸周りのモーメントを検出することができる。

また、第２実施形態は、８個の第１電極を、複数の第１周辺電極として用いた例であるが、これに代えて、７個以下又は９個以上の第１電極を、複数の第１周辺電極として用いてもよい。

さらに、第２実施形態は、８個の第２電極を、複数の第２周辺電極として用いた例であるが、これに代えて、７個以下又は９個以上の第２電極を、複数の第２周辺電極として用いてもよい。

１ ３軸力センサ
１Ａ～１Ｄ ３軸力センサ
１０ 電極支持体（柔軟部材）
１０Ａ 電極支持体（柔軟部材）
１１～１４ 第１電極（第１周辺電極）
１５ 第１電極（第１中央電極）
１６～１９ 第１電極（第１周辺電極）
２１～２４ 第２電極（第２周辺電極）
２５ 第２電極（第２中央電極）
２６～２９ 第２電極（第２周辺電極）
１００ ３軸力センサ
１０１～１０４ ３軸力センサ
１１１～１１４ 第１電極（一対の第１電極、他の一対の第１電極）
１１５～１２２ 第１電極（第１周辺電極）
２０１ 第２電極（第２中央電極）
２０２～２０９ 第２電極（第２周辺電極）
Ｌ１ 第１直線
Ｌ２ 第２直線

Claims (2)

1. 電極間の静電容量の変化に基づいて直交３軸方向の力を検出するための３軸力センサであって、
   誘電性及び弾性を有する柔軟部材と、
   所定平面に沿って互いに離間するように前記柔軟部材に取り付けられた複数の第１電極と、
   前記所定平面に沿って互いに離間するとともに前記複数の第１電極に対して間隔を存しながら対向するように設けられ、前記複数の第１電極との間に前記柔軟部材が位置するように前記柔軟部材に取り付けられ、前記複数の第１電極との間の静電容量をそれぞれ検出するための複数の第２電極と、
   を備え、
   前記複数の第２電極は、当該複数の第２電極を前記複数の第１電極側に向かって見たときの中央部に配置された第２中央電極と、当該第２中央電極を取り囲むように配置された複数の第２周辺電極とを備えており、
   前記複数の第１電極は、当該複数の第１電極を前記複数の第２電極側から見たときに前記第２中央電極と一部が重なる前記一対の第１電極及び前記他の一対の第１電極と、前記複数の第２周辺電極とそれぞれ対向する複数の第１周辺電極とを備えており、
   前記複数の第１電極は、一対の前記第１電極と、当該一対の第１電極と異なる他の一対の前記第１電極とを含み、
   前記一対の第１電極は、互いに直交しながら前記所定平面に沿って延びる第１直線及び第２直線の一方の直線に沿うとともに、当該一方の直線に沿う方向の力が前記柔軟部材に作用した際、前記第２電極側から見たときの前記一対の第１電極の各々における前記第２中央電極と重なる面積が変化するように配置されており、
   前記他の一対の第１電極は、第１直線及び第２直線の他方の直線に沿うとともに、当該他方の直線に沿う方向の力が前記柔軟部材に作用した際、前記第２電極側から見たときの前記他の一対の第１電極の各々における前記第２中央電極と重なる面積が変化するように配置されていることを特徴とする３軸力センサ。
2. 請求項１に記載の３軸力センサにおいて、
   前記複数の第２周辺電極は、一対の前記第２周辺電極を含んでおり、
   当該一対の第２周辺電極は、前記複数の第１周辺電極側に向かって見たときに、前記一方の直線を間にして前記他方の直線に沿うように配置されていることを特徴とする３軸力センサ。

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