JP7595321B2

JP7595321B2 - 計測装置

Info

Publication number: JP7595321B2
Application number: JP2021004229A
Authority: JP
Inventors: 隆介石▲崎▼; サキーブサーウォーミルザ; ディーダブリューマッデンジョーン
Original assignee: University of British Columbia; Honda Motor Co Ltd
Current assignee: University of British Columbia; Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2024-12-06
Anticipated expiration: 2041-01-14
Also published as: JP2022108974A; US11906372B2; US20220221349A1

Description

本発明は、静電容量型センサを備えた計測装置に関する。

従来、例えば、特許文献１に見られるように、コンデンサを構成する第１電極と第２電極との間に弾性変形可能な誘電体を介在させた構造の静電容量型センサが知られている。特許文献１に見られるセンサでは、第１基板に装着された複数の第１電極と、第２基板に装着された複数の第２電極とを有し、センサに垂直抗力やせん断力が作用することで、誘電体が変形し、ひいては、第１電極と第２電極との間の相対変位が生じることによって、第１電極と第２電極との間の静電容量の変化が生じるようになっている。そして、当該センサでは、静電容量の変化に基づいてセンサに作用する垂直抗力とせん断力とを検出するようにしている。

特開２０１４－１１５２８２号公報

ところで、本願発明者は、誘電体により弾性変形可能に構成される基材（センサの基体）に、第１電極及び第２電極を基材の厚み方向に離隔させて配置する共に、第１電極及び第２電極よりも基材の表面側に、該基材の表面に沿って並ぶように第３電極及び第４電極を配置した構成の静電容量型センサを開発した。

この静電容量型センサでは、基材に作用する圧縮力やせん断力等の外力を第１電極及び第２電極の間の静電容量の計測値の変化に基づいて検知し得ると共に、基材の表面への外部物体の接近や、その近接度合いを第３電極及び第４電極の間の静電容量の計測値の変化に基づいて検知することが可能である。

この場合、第１電極又は第２電極と、基材の表面に接近する外部物体との間の静電容量が、第１電極及び第２電極の間の静電容量の計測値に誤差を生じさせる要因となることから、第３電極及び第４電極と、第１電極及び第２電極との間に接地された静電遮蔽部材を配置するようにした。

しかるに、かかる構成の静電容量型センサでは、第３電極及び第４電極と、静電遮蔽部材と、第１電極と、第２電極とが、基材の表面側から該基材の厚み方向に間隔を存して並ぶことになるため、基材の厚みが大きくなりやすい。ひいては、静電容量型センサの厚みを薄くしたり、小型化することの妨げになりやすい。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、外部物体の接近と、外部物体から受ける外力とを検知し得るように構成されていると共に、薄型化や小型化を実現できる静電容量型センサを備えた計測装置を提供することを目的とする。

本発明の計測装置は、上記の目的を達成するために、
静電容量型センサを備えた計測装置であって、
前記静電容量型センサは、
誘電体から成る弾性変形可能な基材と、
前記基材の外部で該基材の表面に接近し得る外部物体との間の静電容量を自己容量方式で検出し得るように、前記基材に接した状態で配置された少なくとも1つの自己容量方式用電極と、
前記基材の厚み方向において前記自己容量方式用電極よりも該基材の表面から遠ざかる側に該自己容量方式用電極と離隔し、且つ該基材に接した状態で配置された少なくとも1つの第１電極と、
前記基材の厚み方向において前記第１電極よりも該基材の表面から遠ざかる側に該第１電極と離隔し、且つ、該第１電極との間に前記基材を介在させて該基材に接した状態で配置されると共に、該第１電極との間隔方向で見たとき、該第１電極と重なる部分を有するように配置された少なくとも1つの第２電極とを備えており、
前記自己容量方式用電極は、前記自己容量方式での静電容量の計測用の第１接続部と、接地された第２接続部とに選択的に接続され得るように、スイッチを介して該第１接続部及び該第２接続部に接続されており、
前記スイッチと、
前記自己容量方式用電極が前記スイッチを介して前記第１接続部に接続された状態で、該自己容量方式用電極と前記外部物体との間の静電容量を自己容量方式で計測する第１計測部と、
前記自己容量方式用電極が前記スイッチを介して前記第２接続部に接続された状態で、前記第１電極と前記第２電極との間の静電容量を計測する第２計測部と、
前記スイッチの切換制御を行う制御部とをさらに備え、
前記自己容量方式用電極は、前記第１電極と前記第２電極との間隔方向で、前記基材の表面側から見たとき、該第１電極及び該第２電極の全体を覆うように配置されていることを特徴とする（第１発明）。

かかる第１発明によれば、自己容量方式用電極を第１接続部に接続するようにスイッチを作動させた状態では、基材の表面に接近する外部物体と自己容量方式用電極との間の静電容量を自己容量方式で計測できる。そして、該静電容量の計測値に基づいて、基材の表面への外部物体の接近を検知すること可能となる。

また、自己容量方式用電極を第２接続部に接続するようにスイッチを作動させた状態では、該自己容量方式用電極は第２接続部を介して接地された状態になる。このため、自己容量方式用電極を、第１電極又は第２電極と、基材の表面に接近する外部物体との間の静電遮蔽用の部材として機能させることができる。

そして、このように自己容量方式用電極を接地させた状態では、第１電極又は第２電極と、基材の表面に接近する外部物体との間の静電容量の影響を低減して、該第１電極及び第２電極の間の静電容量を計測できる。従って、自己容量方式用電極を接地させた状態での第１電極及び第２電極の間の静電容量の計測値に基づいて、基材に接触した外部物体から該基材が受ける外力を適切に検知することが可能となる。

さらに、自己容量方式用電極は、スイッチの切換制御によって、外部物体との間の静電容量の計測用の電極としての機能に加えて、第１電極又は第２電極と外部物体との間の静電遮蔽用の部材としての機能を持つため、第１電極又は第２電極と外部物体との間の静電遮蔽用の部材を、自己容量方式用電極と、第１電極及び第２電極との間に別途備える必要がない。

よって、第１発明の静電容量型センサを備えた計測装置によれば、外部物体の接近と、外部物体から受ける外力とを検知し得るように構成されていると共に、薄型化や小型化を実現できる。さらに、自己容量方式用電極と外部物体との間の静電容量を第１計測部により計測することと、第１電極と第２電極との間の静電容量を第２計測部により計測することとを、スイッチの切換状態に適合させて実行することができる。

これによれば、自己容量方式用電極を接地させるようにスイッチを作動させた状態で、基材の表面に接近する外部物体と、第１電極及び第２電極との間の静電遮蔽を該自己容量方式用電極により適切に実現できる。

上記第１発明では、前記制御部は、前記スイッチの切換を前記自己容量方式用電極と前記第１接続部又は前記第２接続部との接続を周期的に切り換えるように前記スイッチの切換制御を行うように構成され、前記第１計測部及び前記第２計測部は、それぞれの計測処理を周期的に実行するように構成されているという態様を採用し得る（第２発明）。

これによれば、自己容量方式用電極と外部物体との間の静電容量を第１計測部により計測することと、第１電極と第２電極との間の静電容量を第２計測部により計測することとをタイミングをずらして周期的に実行できる。このため、基材の表面への外部物体の接近状態の変化や、該外部物体から基材に作用する外力の変化を逐次観測することが可能となる。

上記第２発明では、前記制御部は、前記スイッチの周期的な切換制御の各周期において、前記第１計測部及び前記第２計測部によりそれぞれ計測された静電容量のうちの少なくとも一方の静電容量の計測値に基づいて、前記基材の表面への前記外部物体の継続的な非接触状態であるか否かを判断する第１判断処理を実行し、該第１判断処理の判断結果が肯定的である場合には、前記スイッチの周期的な切換制御の各周期において、前記自己容量方式用電極を前記第1接続部に接続する時間幅を、該第１判断処理の判断結果が否定的である場合よりも長くするように構成されていることが好ましい（第３発明）。

これによれば、基材の表面への外部物体の継続的な非接触状態では、第１計測部により静電容量の計測を行い得る時間幅が、外部物体の継続的な非接触状態でない場合よりも長くなるので、該静電容量（自己容量方式用電極と外部物体との間の静電容量）の計測値の信頼性を高めることが可能となる。このため、該静電容量の計測値から、基材の表面への外部物体の接近状態や、近接度合い等を適切に検知することが可能となる。

上記第３発明では、前記制御部は、前記第１判断処理の判断結果が肯定的である場合には、前記スイッチの周期的な切換制御の各周期において、前記自己容量方式用電極を前記第1接続部に接続する時間幅を、前記第２接続部に接続する時間幅よりも長くするように構成され得る（第４発明）。

これによれば、スイッチの切換制御の各周期の時間幅のうち、第１計測部により静電容量の計測を行い得る時間幅を極力長くすることができるので、該静電容量（自己容量方式用電極と外部物体との間の静電容量）を、過渡的な影響を極力低減して計測することが可能となり、該静電容量の計測値の信頼性を適切に高めることが可能となる。

上記第２～第４発明では、前記制御部は、前記スイッチの周期的な切換制御の各周期において、前記第１計測部及び前記第２計測部によりそれぞれ計測された静電容量のうちの少なくとも一方の静電容量の計測値に基づいて、前記基材の表面への前記外部物体の継続的な接触状態であるか否かを判断する第２判断処理を実行し、該第２判断処理の判断結果が肯定的である場合には、前記スイッチの周期的な切換制御の各周期において、前記自己容量方式用電極を前記第２接続部に接続する時間幅を、該第２判断処理の判断結果が否定的である場合よりも長くするように構成されていることが好ましい（第５発明）。

これによれば、基材の表面への外部物体の継続的な接触状態では、第２計測部により静電容量の計測を行い得る時間幅が、外部物体の継続的な接触状態でない場合よりも長くなるので、該静電容量（第１電極と第２電極との間の静電容量）の計測値の信頼性を高めることが可能となる。このため、該静電容量の計測値から、基材の表面への外部物体の接近状態や、近接度合い等を適切に検知することが可能となる。

上記第５発明では、前記制御部は、前記第２判断処理の判断結果が肯定的である場合には、前記スイッチの周期的な切換制御の各周期において、前記自己容量方式用電極を前記第２接続部に接続する時間幅を、前記第１接続部に接続する時間幅よりも長くするように構成され得る（第６発明）。

これによれば、スイッチの切換制御の各周期の時間幅のうち、第２計測部により静電容量の計測を行い得る時間幅を極力長くすることができるので、該静電容量（第１電極と第２電極との間の静電容量）を、過渡的な影響を極力低減して計測することが可能となり、該静電容量の計測値の信頼性を適切に高めることが可能となる。

実施形態の静電容量型センサを平面視で示すと共に、該静電容量型センサを含む計測装置の全体構成を示す図。図１のII－II線断面図。図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれ、基材への外部物体の接触・非接触の状態の第１の例と、該第１の例に対応するスイッチの切換制御のパターンとを示す図。図４Ａ及び図４Ｂはそれぞれ、基材への外部物体の接触・非接触の状態の第２の例と、該第２の例に対応するスイッチの切換制御のパターンとを示す図。図５Ａ及び図５Ｂはそれぞれ、基材への外部物体の接触・非接触の状態の第３の例と、該第３の例に対応するスイッチの切換制御のパターンとを示す図。

本発明の一実施形態を図１～図５Ｂを参照して以下に説明する。図1に示すように、本実施形態の計測装置は、静電容量型センサ１（以降、単にセンサ１ということがある）と、スイッチ１０と、計測処理部２０とを備える。センサ１は、基材２、第１電極３（３(1)，３(2)，３(3)，３(4)）、第２電極４、及び自己容量方式用電極５を備える。なお、図１では、基材２の一部を点描部で示し、残部の外形を二点鎖線で示している。また、自己容量方式用電極５の一部を実線で示し、残部の外形を二点鎖線で示している。

基材２は、センサ１の基体を構成するものであり、弾性変形可能な誘電体により構成されている。例えば、基材２は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）のゲル、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、エポキシ系樹脂、あるいは、これらの複合材料等から成る柔軟な誘電体により弾性変形可能に構成され得る。

本実施形態では、基材２は、ほぼ一定の厚みを有する形状、例えば、直方体形状に形成されている。そして、図２に示すように、基材２の厚み方向の両面２ａ，２ｂのうちの一方の面２ｂ（以降、基材２の裏面２ｂという）が、任意の取付対象物体Ｗの表面に固着される。

例えば、センサ１を接触力等を検知するための触覚センサとして使用する場合、基材２の裏面２ｂは、ロボットハンド等の取付対象物体Ｗの表面に固着され得る。この場合、基材２の厚み方向の他方の面２ａ（以降、基材２の表面２ａという）は、外界物Ａとの接触面となる。

第1電極３、第２電極４、及び自己容量方式用電極５は、いずれも導体により構成される。例えば、第1電極３、第２電極４、及び自己容量方式用電極５のそれぞれは、炭素、銀、金、液体金属等の金属、チオフェン系導電性高分子、ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）等の導電性樹脂、あるいは、これらの複合材料から成る導体により構成され得る。

センサ１は、第1電極３及び第２電極４をそれぞれ1つ以上備える。本実施形態では、センサ１は、例えば、４つの第１電極３(1)，３(2)，３(3)，３(4)と、1つの第２電極４とを備える。

第２電極４は、少なくとも一部が基材２に接した状態で配置されている。具体的には、本実施形態では、第２電極４は、例えば方形板状に形成されている。そして、第２電極４は、図２に示すように、基材２の厚み方向における裏面２ｂ寄りの位置で、基材２の表裏面２ａ，２ｂと平行な姿勢で基材２の内部に埋設されている。従って、第２電極４は、その外表面のほぼ全体が基材２に接した状態で配置されている。ただし、例えば、第２電極４の厚み方向の両面のうち、基材２の裏面２ｂ側の面の全体もしくは一部が、基材２の外方に露出されていてもよい。

以降の説明では、便宜上、図１及び図２に示すように、基材２の厚み方向をＺ軸方向とする３軸直交座標系（ＸＹＺ座標系）Ｃｓを想定し、基材２の厚み方向をＺ軸方向と称する場合がある。また、当該座標系ＣｓのＸ軸方向及びＹ軸方向については、Ｚ軸方向で見た第２電極４の４つの辺のうち、互いに平行な２つの辺の延在方向（図１では紙面の左右方向）をＸ軸方向、他の２つの辺の延在方向（図１では紙面の上下方向）をＹ軸方向と定義する。

４つの第１電極３(1)～３(4)のそれぞれは、いずれも、少なくとも一部が基材２に接し、且つ、第２電極４との間に基材２を介在させた状態で該第２電極４からＺ軸方向（基材２の厚み方向）に離隔して配置されていると共に、Ｚ軸方向で見たとき、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれの一部が第２電極４と重なるように配置されている。

具体的には、本実施形態では、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれは、例えば、第２電極４よりも面積が小さい所定サイズの方形板状に形成されている。そして、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれは、基材２の表面２ａ寄りのＺ軸方向位置で、基材２の表裏面２ａ，２ｂと平行な姿勢（Ｚ軸方向に直交する姿勢）で基材２の内部に埋設されている。

これにより、各第１電極３(1)～３(4)は、そのほぼ全体が基材２に接し、且つ、第２電極４との間に基材２を介在させた状態で該第２電極４からＺ軸方向に離隔して配置されている。従って、Ｚ軸方向は、換言すれば、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれと、第２電極４との間の間隔方向である。また、第２電極４は、Ｚ軸方向において、第１電極３(1)～３(4)よりも基材２の表面２ａから遠ざかる側に第１電極３(1)～３(4)と離隔して配置されていることになる。また、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれは、本実施形態では、基材２に埋設されているので、各第１電極３(1)～３(4)のほぼ全体が基材２に接している。

第１電極３(1)～３(4)は、さらに詳細には、第２電極４とＺ軸方向に一定の間隔を有し、且つ、基材２の表面２ａ側からＺ軸方向で見たとき、第２電極４の４つの辺のそれぞれの中央部上に各々位置するように配置されている。また、各第１電極３(1)～３(4)は、基材２の表面２ａ側からＺ軸方向で見たとき、その４つの辺のうちの互いに平行な２つの辺がＸ軸方向及びＹ軸方向の一方の軸方向に延在し、他の２つの辺が他方の軸方向に延在するように配置されている。そして、各第１電極３(1)～３(4)は、基材２の表面２ａ側からＺ軸方向で見たとき、その一部が第２電極４に重なり、残部が第２電極４の外方に張り出すように配置されている。

上記のように第１電極３(1)～３(4)と第２電極４とが基材２に配置されているので、各第１電極３(1)～３(4)と第２電極４との重なり部分（Ｚ軸方向で見たときの重なり部分）は、該重なり部分の間に誘電体である基材２を有するコンデンサを構成する。この場合、各第１電極３(1)～３(4)と第２電極４との重なり部分に構成されるコンデンサは、その重なり部分の面積と、間隔（Ｚ軸方向の間隔）とに応じた静電容量を有する。

そして、基材２にＸ軸方向のせん断力が作用すると、そのせん断力の大きさに応じて、第１電極３(1)～３(4)が第２電極４に対して相対的にＸ軸方向に変位するように基材２が弾性変形する。このため、第１電極３(1)～３(4)のうち、Ｘ軸方向に並ぶ２つの第１電極３(1)，３(3)のそれぞれと第２電極４との重なり部分の面積が変化し、ひいては、該第１電極３(1)，３(3)のそれぞれと第２電極４との間の静電容量が変化する。このとき、Ｙ軸方向に並ぶ２つの第１電極３(2)，３(4)のそれぞれと第２電極４との重なり部分の面積は変化しないので、該第１電極３(2)，３(4)のそれぞれと第２電極４との間の静電容量はほぼ一定に保たれる。

また、基材２にＹ軸方向のせん断力が作用すると、そのせん断力の大きさに応じて、第１電極３(1)～３(4)が第２電極４に対して相対的にＹ軸方向に変位するように基材２が弾性変形する。このため、第１電極３(1)～３(4)のうち、Ｙ軸方向に並ぶ２つの第１電極３(2)，３(4)のそれぞれと第２電極４との重なり部分の面積が変化し、ひいては、該第１電極３(2)，３(4)のそれぞれと第２電極４との間の静電容量が変化する。このとき、Ｘ軸方向に並ぶ２つの第１電極３(1)，３(3)のそれぞれと第２電極４との重なり部分の面積は変化しないので、該第１電極３(1)，３(3)のそれぞれと第２電極４との間の静電容量はほぼ一定に保たれる。

また、基材２にＺ軸方向の荷重（圧縮力又は引っ張り力）が作用すると、その荷重の大きさに応じて、第１電極３(1)～３(4)が第２電極４に対して相対的にＺ軸方向に変位するように基材２が弾性変形する。このため、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれと第２電極４との重なり部分のＺ軸方向の間隔が変化し、ひいては、該第１電極３(1)～３(4)のそれぞれと第２電極４との間の静電容量が変化する。

以上のように第１電極３(1)～３(4)のそれぞれと第２電極４との重なり部分の静電容量が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２軸方向のせん断力、あるいは、Ｚ軸方向の荷重により基材２に発生する弾性変形に応じて変化する。このため、それらの静電容量を計測することで、該静電容量の計測値から、基材２の弾性変形量（応力ひずみ）や、基材２に作用した２軸方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）のせん断力、もしくはＺ軸方向の荷重を計測することが可能となる。

このような計測を行うために、第1電極３(1)～３(4)及び第２電極のそれぞれは、基材２の外部の計測処理部２０に、配線６(1)～６(5)のそれぞれを介して接続されている。これらの配線６(1)～６(5)は、それぞれ、第１電極３(1)～３(4)及び第２電極４のそれぞれと同様の導体により構成され、第１電極３(1)～３(4)及び第２電極４のそれぞれから適宜の配線パターンで基材２の内部を通って該基材２の外部に引き出されている。

この場合、配線６(1)～６(5)の材質は、第１電極３(1)～３(4)及び第２電極４のそれぞれと同一材質、あるいは、異なる材質のいずれであってもよい。また、配線６(1)～６(5)のそれぞれは、基材２の内部の部分と外部の部分とが異なる材質の導体で構成されていてもよい。また、配線６(1)～６(5)のそれぞれの、基材２の外部の部分の全体もしくは一部は、例えば、回路基板に形成された配線であってもよい。

自己容量方式用電極５は、第１電極３(1)～３(4)よりも基材２の表面２ａ寄りのＺ軸方向位置で、少なくとも一部が基材２に接した状態で配置されている。具体的には、本実施形態では、自己容量方式用電極５は、例えば方形板状に形成されている。そして、自己容量方式用電極５は、図２に示すように、第１電極３(1)～３(4)よりも基材２の表面２ａ寄りのＺ軸方向位置で、基材２の表裏面２ａ，２ｂと平行な姿勢（Ｚ軸方向に直交する姿勢）で基材２の内部に埋設されている。

従って、自己容量方式用電極５は、その外表面のほぼ全体が基材２に接した状態で配置されている。ただし、例えば、自己容量方式用電極５の厚み方向の両面のうち、基材２の表面２ａ側の面の全体もしくは一部が、基材２の外方に露出されていてもよい。

該自己容量方式用電極５は、上記のように基材２に配置されているので、第１電極３(1)～３(4)及び第２電極４よりも基材２の表面２ａ側に位置する。このため、任意の外部物体Ａ（基材２の外部の物体）が、基材２の外部で基材２の表面２ａに接近した場合、自己容量方式用電極５と外部物体Ａとの間に、該外部物体Ａの基材２の表面に対する近接度合いに応じて変化する静電容量を有するコンデンサが形成され得る。そして、該静電容量は、自己容量方式用電極５を介して、公知の自己容量方式で検出することが可能である。

なお、自己容量方式用電極５は、第１電極３(1)～３(4)よりも基材２の表面２ａ側で、第１電極３(1)～３(4)から離隔して配置されているので、第１電極３(1)～３(4)は、自己容量方式用電極５よりも基材２の表面２ａから遠ざかる側で、自己容量方式用電極５と離隔して配置されていることになる。

図１に示すように、自己容量方式用電極５は、基材２の外部に設けられたスイッチ１０に配線６(6)に接続されている。配線６(6)は、前記配線＆(1)～６(6)と同様の導体により構成され、自己容量方式用電極５から基材２の内部を通って、基材２の外部に引き出されている。

スイッチ１０は、自己容量方式用電極５の接続先として、自己容量方式での静電容量の計測用の第１接続部１０ａと、基材２の外部の接地箇所に接地された第２接続部１０ｂとを有し、配線６(5)を介して接続された自己容量方式用電極５を、第１接続部１０ａ及び第２接続部１０ｂのいずれか一方に選択的に接続し得るように構成されている。かかるスイッチ１０は、例えば半導体スイッチ、リレー等により構成され、計測処理部２０により切換制御を行い得るように計測処理部２０に接続されている。また、スイッチ１０の第１接続部１０ａは、配線６(7)を介して計測処理部２０に接続されている。配線６(7)は、前記配線６(1)～６(6)の、基材２の外部の部分と同様に構成され得る。

計測処理部２０は、図示しない電源回路、マイクロコンピュータ等のプロセッサ、メモリ（ＲＡＭ、ＲＯＭ等）、インターフェース回路等を含む。なお、計測処理部２０は、スイッチ１０を含んでいてもよい。

そして、計測処理部２０は、実装されたハードウェア構成及びプログラム（ソフトウェア構成）により実現される機能として、スイッチ１０の切換制御を行う制御部２１としての機能と、自己容量方式用電極５と、基材２の表面２ａに接近する外部物体Ａとの間の静電容量を計測する処理を実行する第１計測部２２としての機能と、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれと第２電極４との間の静電容量を計測する処理を実行する第２計測部２３としての機能とを有する。

制御部２１は、詳細な説明は後述するが、自己容量方式用電極５を、第１接続部１０ａに接続することと、第２接続部１０ｂに接続することとを一定の周期で交互に行うようにスイッチ１０の切換制御を行うことが可能である。

第１計測部２２は、スイッチ１０が、第１接続部１０ａ側に制御されている状態（自己容量方式用電極５が第１接続部１０ａに接続されている状態）で、自己容量方式用電極５と計測処理部２０の接地部との間に計測用の電圧を印加することと、該電圧の印加時に、自己容量方式用電極５と外部物体Ａとの間の静電容量に応じた検出信号を生成することとを行い、該検出信号から自己容量方式で静電容量を計測し得るように構成されている。

この場合、自己容量方式用電極５と外部物体Ａとの間の静電容量は、基材２の表面２ａに外部物体Ａが接近するに伴い大きくなる。このため、該静電容量の計測値から、基材２の表面２ａへの外部物体Ａの近接度合いを検知することが可能である。また、例えば、該静電容量の計測値が所定の閾値を超えたときに、基材２の表面２ａへの外部物体Ｗの接触を検知することが可能である。

第２計測部２３は、、スイッチ１０が、第２接続部１０ｂ側に制御されている状態（自己容量方式用電極５が第２接続部１０ｂに接続され、ひいては、接地されている状態）で、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれと第２電極４との間に計測用の電圧を印加することと、各第１電極３(1)～３(4)への電圧の印加時に、各第１電極３(1)～３(4)と第２電極４との間の静電容量に応じた検出信号を生成することとを行い、該検出信号から各第１電極３(1)～３(4)と第２電極４との間の静電容量を計測し得るように構成されている。

この場合、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれと第２電極４との間の静電容量は、前記したように、基材２に作用するせん断力やＺ軸方向の荷重による該基材２の弾性変形に応じて変化するので、該静電容量の計測値から、基材２に作用するせん断力やＺ軸方向の荷重の大きさ及び向きを検出することが可能である。

また、第２計測部２３による静電容量の計測は、自己容量方式用電極５がスイッチ１０を介して接地された状態で行われると共に、当該接地される自己容量方式用電極５は、Ｚ軸方向で見たとき、第１電極３(1)～３(4)及び第２電極４の全体を覆うように配置されている。このため、外部物体Ａが基材２の表面２ａに近接した状態、もしくは接触した状態であっても、自己容量方式用電極５は、第１電極３(1)～３(4)及び第２電極４と、外部物体Ａとの間の静電遮蔽部材として機能する。

その結果、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれと第２電極４との間の静電容量の計測値が、外部物体Ａと、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれ、あるいは第２電極４との間の静電容量のの影響を受けて変化するのが防止される。ひいては、第２計測部２３による静電容量の計測値の信頼性（基材２の弾性変形に応じて変化する静電容量としての信頼性）を高めることができる。

次に、スイッチ１０の切換制御について、より具体的に説明する。計測処理部２０の制御部２１は、自己容量方式用電極５を、第１接続部１０ａに接続することと第２接続部１０ｂに接続することとを一定の周期で交互に行うように、制御部２１によりスイッチ１０の切換制御を行いながら、各周期において第１計測部２２及び第２計測部２３により計測される静電容量の計測値を取得する。

そして、制御部２１は、基材２の表面２ａ（接触面）への外部物体Ａの継続的な非接触状態であるか否かを判断する第１判断処理と、基材２の表面２ａへの外部物体Ａの継続的な接触状態であるか否かを判断する第２判断処理とを周期的に実行する。

ここで、基材２の表面２ａへの外部物体Ａの継続的な非接触状態というのは、より詳しくは、所定の時間幅の期間内で、基材２の表面２ａに外部物体Ａが接触していない状態が継続的に維持された状態である。同様に、基材２の表面２ａへの外部物体Ａの継続的な接接触状態というのは、より詳しくは、所定の時間幅の期間内で、基材２の表面２ａに外部物体Ａが接触している状態が継続的に維持された状態である。そして、上記所定の時間幅の期間は、本実施形態では、例えば、スイッチ１０の切換制御の１周期の所定数倍（２倍以上）の時間幅の期間である。

なお、基材２の表面２ａへの外部物体Ａの非接触状態は、該外部物体Ａが基材２の表面２ａから離れている状態だけでなく、外部物体Ａと基材２との間の接触力が十分に微小なもの（≒０）となる状態で該外部物体Ａが基材２の表面２ａに軽く接した状態を含み得る。

制御部２１は、上記第１判断処理及び第２判断処理を実行するために、スイッチ１０の切換制御の各周期で、基材２の表面２ａに外界物体Ａが接触しているか否かを判断する処理を、第１計測部２２により計測された静電容量と、第２計測部２３により計測された静電容量とのうちの少なくとも一方の静電容量の計測値に基づいて、次のように実行する。

例えば、制御部２１は、スイッチ１０の切換制御の各周期の期間のうち、スイッチ１０を第１接続部１０ａ側に制御している期間において、第１計測部２２により計測された静電容量（自己容量方式用電極５と外部物体Ａとの間の静電容量）の計測値を所定の閾値（以降、第１閾値という）と比較し、該静電容量の計測値が第１閾値よりも大きい場合に、基材２の表面２ａに外界物体Ａが接触していると判断し、該静電容量の計測値が第２閾値よりも小さい場合に、基材２の表面２ａに外界物体Ａが接触していないと判断する。

あるいは、制御部２１は、スイッチ１０の切換制御の各周期の期間のうち、スイッチ１０を第２接続部１０ｂ側に制御している期間において、第２計測部２３により計測された静電容量（第１電極３(1)～３(4)のそれぞれと第２電極４との間の静電容量）の計測値から、基材２へのＺ軸方向の荷重（基材２の圧縮方向の荷重）を推定し、該Ｚ軸方向の荷重の推定値を所定の閾値（以降、第２閾値という）と比較する。そして、制御部２１は、該Ｚ軸方向の荷重が第２閾値よりも大きい場合に、基材２の表面２ａに外界物体Ａが接触していると判断し、該Ｚ軸方向の荷重が第２閾値よりも小さい場合に、基材２の表面２ａに外界物体Ａが接触していないと判断する。

あるいは、制御部２１は、第１計測部２２により計測された静電容量の計測値と、第２計測部２３により計測された静電容量の計測値との両方に基づいて、基材２の表面に外界物体Ａが接触しているか接触していないかを判断することも可能である。

例えば、スイッチ１０の切換制御の各周期において、第１計測部２２による静電容量の計測値が前記第１閾値よりも大きく、且つ、第２計測部２３による静電容量の計測値から推定したＺ軸方向の荷重（基材２の圧縮方向の荷重）が前記第２閾値よりも大きい場合に、基材２の表面２ａに外界物体Ａが接触していると判断し、それ以外の場合には、基材２の表面２ａに外界物体Ａが接触していないと判断してもよい。

あるいは、スイッチ１０の切換制御の各周期において、第１計測部２２による静電容量の計測値が前記第１閾値よりも小さく、且つ、第２計測部２３による静電容量の計測値から推定したＺ軸方向の荷重（基材２の圧縮方向の荷重）が前記第２閾値よりも小さい場合に、基材２の表面２ａに外界物体Ａが接触していないと判断し、それ以外の場合には、基材２の表面２ａに外界物体Ａが接触していると判断してもよい。

制御部２１は、スイッチ１０の切換制御の各周期において、上記の如く、基材２の表面２ａに外界物体Ａが接触しているか接触していないかを判断する処理を実行し、さらに、その判断結果を用いて、前記第１判断処理及び第２判断処理を実行する。

この場合、制御部２１は、前記第１判断処理では、例えば図３Ａに示す如く、スイッチ１０の切換制御の１周期の所定数倍の時間幅の期間（例えば４周期分の期間）の各周期において外界物体Ａが基材２の表面２ａに接触していないと判断された場合に、基材２の表面２ａへの外部物体Ａの継続的な非接触状態であると判断する（第１判断処理の判断結果が肯定的であると決定する）。そして、それ以外の場合には、制御部２１は、第１判断処理の判断結果が否定的である（基材２の表面２ａへの外部物体Ａの継続的な非接触状態ではない）と決定する。

また、制御部２１は、前記第２判断処理では、例えば図４Ａに示す如く、スイッチ１０の切換制御の１周期の上記所定数倍の時間幅の期間（例えば４周期分の期間）の各周期において、外界物体Ａが基材２の表面２ａに接触していると判断された場合に、基材２の表面２ａへの外部物体Ａの継続的な接触状態であると判断する（第２判断処理の判断結果が肯定的である決定する）。そして、それ以外の場合には、制御部２１は、第２判断処理の判断結果が否定的である（基材２の表面２ａへの外部物体Ａの継続的な接触状態ではない）と決定する。

従って、例えば、図５Ａに示す如く、外界物体Ａが基材２の表面２ａに接触しているという判断と、外界物体Ａが基材２の表面２ａに接触してないという判断とが、いずれも、スイッチ１０の切換制御の１周期の上記所定数倍の時間幅の期間（例えば４周期分の期間）で、連続しない場合には、第１判断処理の判断結果と第２判断処理の判断結果との両方が否定的であると決定される。

そして、制御部２１は、第１判断処理及び第２判断処理の判断結果に基づいて、スイッチ１０の以降の切換制御の各周期において、スイッチ１０を第１接続部１０ａ側に制御する期間（自己容量方式用電極５をスイッチ１０を介して計測処理部２０に接続する期間）の時間幅と、第２接続部１０ｂ側に制御する期間（自己容量方式用電極５をスイッチ１０介して接地する期間）の時間幅とを決定する。

具体的には、制御部２１は、第１２判断処理の判断結果が肯定的である場合（基材２の表面２ａへの外部物体Ａの継続的な非接触状態であると判断された場合）には、図３Ｂに例示する如く、スイッチ１０の以降の切換制御の各周期ΔＴの期間において、スイッチ１０を第１接続部１０ａ側に制御する期間の時間幅Ｔａを、スイッチ１０を第２接続部１０ｂ側に制御する期間の時間幅Ｔｂよりも長くするように、これらの時間幅Ｔａ，Ｔｂをあらかじめ定められた所定値に決定する。

これにより、第１計測部２２により、自己容量方式用電極５と外部部材ａとの間の静電容量を計測し得る時間幅（＝Ｔａ）が長くなる。このため、自己容量方式用電極５と外部部材ａとの間の静電容量を、過渡的な変動の影響を適切に低減して計測することができ、該静電容量の計測値の信頼性を高めることができる。ひいては、基材２の表面２ａへの外部物体Ａの接近や、その近接度合いの検知精度を高めることができる。

なお、上記のようにＴａ＞Ｔｂとなるように時間幅Ｔａ，Ｔｂを設定した状態では、外部物体Ａが基材２の表面２ａに接触しているか接触していないかの判断を、第１計測部２２による静電容量の計測値だけに基づいて、あるいは、該静電容量の計測値を主たる参照データとして用いて、行うようにしてもよい。

また、制御部２１は、第２判断処理の判断結果が肯定的である場合（基材２の表面２ａへの外部物体Ａの継続的な接触状態であると判断された場合）には、図４Ｂに例示する如く、スイッチ１０の以降の切換制御の各周期ΔＴの期間において、スイッチ１０を第２接続部１０ｂ側に制御する期間の時間幅Ｔｂを、スイッチ１０を第１接続部１０ａ側に制御する期間の時間幅Ｔａよりも長くするように、これらの時間幅Ｔａ，Ｔｂをあらかじめ定められた所定値に決定する。

これにより、第２計測部２３により、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれと第２電極との間の静電容量を計測し得る時間幅（＝Ｔｂ）が長くなる。このため、基材２の表面２ａに外部物体Ａが接触した状態で、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれと第２電極との間の静電容量を、過渡的な変動の影響を適切に低減して計測することができ、該静電容量の計測値の信頼性を高めることができる。ひいては、外部物体Ａから基材２に作用するＺ軸方向の荷重やせん断力の検知精度を高めることができる。

なお、上記のようにＴａ＜Ｔｂとなるように時間幅Ｔａ，Ｔｂを設定した状態では、外部物体Ａが基材２の表面２ａに接触しているか、接触していないかの判断を、第２計測部２３による静電容量の計測値から推定されるＺ軸方向の荷重だけに基づいて、あるいは、該荷重の推定値を主たる参照データとして用いて、行うようにしてもよい。

また、制御部２１は、第１判断処理の判断結果と第２判断処理の判断結果との両方が否定的である場合には、図５Ｂに例示する如く、スイッチ１０を第１接続部１０ａ側に制御する期間の時間幅Ｔａを、第１判断処理の判断結果が肯定的である場合よりも短い時間幅に設定すると共に、スイッチ１０を第２接続部１０ｂ側に制御する期間の時間幅Ｔｂを、第２判断処理の判断結果が肯定的である場合よりも短い時間幅に設定する。例えば、制御部２１は、時間幅Ｔａ，Ｔｂを両方とも、１周期ΔＴの半分の時間幅（＝ΔＴ／２）に決定する。

これにより、第１計測部２２による静電容量の計測値と、第２計測部２３による静電容量の計測値との信頼性をバランスよく確保することができる。このため、第１判断処理の判断結果と第２判断処理の判断結果との両方が否定的になる状況から、基材２の表面２ａへの外部物体Ａの継続的な非接触状態又は継続的な接触状態のいずれの状態に変化しても、その変化後の状態を第１判断処理及び第２判断処理のいずれかの判断処理により適切に検知することができる。

なお、第１判断処理の判断結果と第２判断処理の判断結果との両方が否定的である場合の時間幅Ｔａ，Ｔｂは、互いに異なる時間幅に設定されてもよい。例えば、第１計測部２２による静電容量の計測処理の必要時間と、第２計測部２３による静電容量の計測処理の必要時間との違い等を反映させて、時間幅Ｔａ，Ｔｂを互いに異なる時間幅に設定してもよい。

本実施形態では、以上説明した如く、スイッチ１０の切換制御が周期的に行われる。この場合、スイッチ１０の切換制御の各周期のうち、スイッチ１０を第１接続部１０ａ側に制御する期間（自己容量方式用電極５を計測処理部２０の接続する期間）の時間幅Ｔａは、第１判断処理の判断結果が肯定的である場合（基材２の表面２ａへの外部物体Ａの継続的な非接触状態であると判断される場合）には、該判断結果が否定的である場合よりも長い時間幅（＞ΔＴ／２）に設定される。このため、第１計測部２２による、自己容量方式用電極５と外部物体Ａとの間の静電容量の計測値の信頼性を高めることができ、ひいては、基材２の表面２ａへの外部物体Ａの接近や、その近接度合いの検知精度を高めることができる。

また、スイッチ１０の切換制御の各周期のうち、スイッチ１０を第２接続部１０ｂ側に制御する期間（自己容量方式用電極５を接地する期間）の時間幅Ｔｂは、第２判断処理の判断結果が肯定的である場合（基材２の表面２ａへの外部物体Ａの継続的な接触状態であると判断される場合）には、該判断結果が否定的である場合よりも長い時間幅（＞ΔＴ／２）に設定される。このため、第２計測部２３による、第１電極３(1)～３(4)のそれぞれと第２電極４との間の静電容量の計測値の信頼性を高めることができ、ひいては、外部物体Ａから基材２に作用するＺ軸方向の荷重やせん断力の検知精度を高めることができる。

また、スイッチ１０の切換制御によって、自己容量方式用電極５は、外部物体Ａとの間の静電容量を自己容量方式で計測するための電極としての機能と、第１電極３(1)～３(4)及び第２電極４と外部物体Ａとの間の静電遮蔽用の部材としての機能とを併せもつことができる。このため、これらの機能を、各別の部材で実現するようにセンサを構成する場合に比べて、本実施形態のセンサ１の厚みを薄くできると共に、該センサ１の構成要素を低減できる。このため、センサ１の小型化を図ることができる。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態を採用することもできる。以下に、他の実施形態をいくつか例示する。
例えば、前記実施形態のセンサ１は、第２電極４は単一の電極であるが、該第２電極４は、複数の電極に分割されていてもよい。

また、前記実施形態のセンサ１では、第１電極３を４つの電極により構成すると共に、第２電極４を単一の電極により構成したが、例えば、これと逆に、第１電極を単一の電極により構成し、第２電極を４つの電極により構成してもよい。

また、前記実施形態のセンサ１では、第１電極３（３(1)～３(4)）を基材２の表面２ａ側、第２電極４を基材２の裏面２ｂ側に配置したが、これと逆に、第１電極３（３(1)～３(4)を基材２の裏面２ｂ側、第２電極４を基材２の表面２ａ側に配置してもよい。

また、前記実施形態のセンサ１では、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２軸方向のせん断力と、Ｚ軸方向の荷重とを計測し得るように第１電極３（３(1)～３(4)）及び第２電極４センサ１を配置したが、例えば１軸方向のせん断力と、Ｚ軸方向の荷重とを計測し得るように第１電極３及び第２電極４が配置されていてもよい。

例えば、前記センサ１から、Ｙ軸方向に並ぶ第１電極３(2)，３(4)とこれらに接続された配線６(2)，６(4)を除去することで、Ｘ軸方向のせん断力と、Ｚ軸方向の荷重とを計測し得るように第１電極３(1)，３(3)及び第２電極４を配置したセンサを構成できる。

また、例えば、第2電極４よりも小さい面積を有する板状の第１電極を第２電極４の中央部にＺ軸方向で対向させて配置することで、Ｚ軸方向の荷重だけを計測し得るように第１電極及び第２電極を配置したセンサを構成できる。

１…静電容量型センサ、２…基材、３（３(1)～３(4)）…第１電極、４…第２電極、５……自己容量方式用電極５、１０…スイッチ、１０ａ…第１接続部、１０ｂ…第２接続部、２１…制御部、２２…第２計測部、２３…第２計測部。

Claims

静電容量型センサを備えた計測装置であって、
前記静電容量型センサは、
誘電体から成る弾性変形可能な基材と、
前記基材の外部で該基材の表面に接近し得る外部物体との間の静電容量を自己容量方式で検出し得るように、前記基材に接した状態で配置された少なくとも1つの自己容量方式用電極と、
前記基材の厚み方向において前記自己容量方式用電極よりも該基材の表面から遠ざかる側に該自己容量方式用電極と離隔し、且つ該基材に接した状態で配置された少なくとも1つの第１電極と、
前記基材の厚み方向において前記第１電極よりも該基材の表面から遠ざかる側に該第１電極と離隔し、且つ、該第１電極との間に前記基材を介在させて該基材に接した状態で配置されると共に、該第１電極との間隔方向で見たとき、該第１電極と重なる部分を有するように配置された少なくとも1つの第２電極とを備えており、
前記自己容量方式用電極は、前記自己容量方式での静電容量の計測用の第１接続部と、接地された第２接続部とに選択的に接続され得るように、スイッチを介して該第１接続部及び該第２接続部に接続されており、
前記スイッチと、
前記自己容量方式用電極が前記スイッチを介して前記第１接続部に接続された状態で、該自己容量方式用電極と前記外部物体との間の静電容量を自己容量方式で計測する第１計測部と、
前記自己容量方式用電極が前記スイッチを介して前記第２接続部に接続された状態で、前記第１電極と前記第２電極との間の静電容量を計測する第２計測部と、
前記スイッチの切換制御を行う制御部とをさらに備え、
前記自己容量方式用電極は、前記第１電極と前記第２電極との間隔方向で、前記基材の表面側から見たとき、該第１電極及び該第２電極の全体を覆うように配置されていることを特徴とする計測装置。
請求項１記載の計測装置において、
前記制御部は、前記スイッチの切換を前記自己容量方式用電極と前記第１接続部又は前記第２接続部との接続を周期的に切り換えるように前記スイッチの切換制御を行うように構成され、
前記第１計測部及び前記第２計測部は、それぞれの計測処理を周期的に実行するように構成されていることを特徴とする計測装置。
請求項２記載の計測装置において、
前記制御部は、前記スイッチの周期的な切換制御の各周期において、前記第１計測部及び前記第２計測部によりそれぞれ計測された静電容量のうちの少なくとも一方の静電容量の計測値に基づいて、前記基材の表面への前記外部物体の継続的な非接触状態であるか否かを判断する第１判断処理を実行し、該第１判断処理の判断結果が肯定的である場合には、前記スイッチの周期的な切換制御の各周期において、前記自己容量方式用電極を前記第1接続部に接続する時間幅を、該第１判断処理の判断結果が否定的である場合よりも長くするように構成されていることを特徴とする計測装置。
請求項３記載の計測装置において、
前記制御部は、前記第１判断処理の判断結果が肯定的である場合には、前記スイッチの周期的な切換制御の各周期において、前記自己容量方式用電極を前記第1接続部に接続する時間幅を、前記第２接続部に接続する時間幅よりも長くするように構成されていることを特徴とする計測装置。
請求項２～４のいずれか１項に記載の計測装置において、
前記制御部は、前記スイッチの周期的な切換制御の各周期において、前記第１計測部及び前記第２計測部によりそれぞれ計測された静電容量のうちの少なくとも一方の静電容量の計測値に基づいて、前記基材の表面への前記外部物体の継続的な接触状態であるか否かを判断する第２判断処理を実行し、該第２判断処理の判断結果が肯定的である場合には、前記スイッチの周期的な切換制御の各周期において、前記自己容量方式用電極を前記第２接続部に接続する時間幅を、該第２判断処理の判断結果が否定的である場合よりも長くするように構成されていることを特徴とする計測装置。
請求項５記載の計測装置において、
前記制御部は、前記第２判断処理の判断結果が肯定的である場合には、前記スイッチの周期的な切換制御の各周期において、前記自己容量方式用電極を前記第２接続部に接続する時間幅を、前記第１接続部に接続する時間幅よりも長くするように構成されていることを特徴とする計測装置。