Force detection device |
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申请号 | JP35264599 | 申请日 | 1999-12-13 | 公开(公告)号 | JP4295883B2 | 公开(公告)日 | 2009-07-15 |
申请人 | ニッタ株式会社; 株式会社ワコー; | 发明人 | 和廣 岡田; 森本 英夫; 伸光 谷口; | ||||
摘要 | An intermediate displacement board (120) composed of a metal plate is arranged on a printed circuit board (110) having electrode patterns (E1-E7) and then a strain generative body (130) composed of silicon rubber is arranged on top thereof. Then, the arrangement is fixed to the printed circuit board (110) with attachments (140). Depressing a displacement portion (133) causes a connecting portion (132) to be deflected and an electrode (F0) to be brought into contact with the electrodes (E1, E2) to make them conductive, thereby allowing the pushbutton switch to be turned ON. Depressing further the displacement portion (133) causes an elastic deformation portion (134) to be elastically deformed and crushed and the intermediate displacement board (120) to be pushed downward. The capacitance of capacitors (C3-C7), which are constituted by the electrodes (E3-E7) and the intermediate displacement board (120), are varied according to the depression of the intermediate displacement board (120). By detecting the variation in capacitance, it becomes possible to detect three-dimensional components of an applied force. | ||||||
权利要求 | XYZ三次元座標系を定義したときに、上面がXY平面に含まれる位置に配置された基板と、 前記基板の上方に位置し外部からの力を受けて変位する変位部と、前記基板に固定された固定部と、前記変位部と前記固定部とを接続する接続部と、を有し、前記基板上面に取り付けられた作用体と、 前記変位部の下面に形成され、弾性変形する性質をもった弾性変形体と、 前記弾性変形体の下面に形成されたスイッチ用変位電極と、 前記基板の前記スイッチ用変位電極に対向する位置に形成されたスイッチ用固定電極と、 前記変位部の変位に起因して静電容量値が変化するように構成された容量素子と、 を備え、 前記接続部は可撓性を有しており、前記変位部に力が作用したときに、前記接続部が撓みを生じることにより、前記変位部が前記基板に対して変位を生じ、 前記変位部に力が作用していない場合には、前記スイッチ用変位電極と前記スイッチ用固定電極とが非接触な状態を保ち、前記座標系におけるZ軸方向 成分を有する所定量の力が前記変位部に作用した場合には、前記スイッチ用変位電極と前記スイッチ用固定電極とが接触状態となり、 前記Z軸方向 成分を有する更に大きな力が前記変位部に作用した場合には、前記弾性変形体が弾性変形を生じることにより、前記スイッチ用変位電極と前記スイッチ用固定電極とが接触状態を維持したまま、前記容量素子の静電容量値が変化するように構成され、 前記スイッチ用変位電極と前記スイッチ用固定電極とによりスイッチが構成される ようにし、前記容量素子の静電容量値の変化を電気的に検出することにより、作用した力の所定方向成分の大きさを認識できるようにしたことを特徴とする力検出装置。 請求項1に記載の力検出装置において、 椀状形態部を有する作用体を用意し、椀が伏せられた状態になるように、この作用体を基板上面に取り付け、椀の底部に相当する部分を変位部、椀の側部に相当する部分を接続部、椀の口部に相当する部分を固定部として用いることを特徴とする力検出装置。 請求項2に記載の力検出装置において、 基板と作用体との間に中間変位板を配置し、この中間変位板の一部を変位板固定部として基板に固定し、この中間変位板の別な一部によって、変位部の変位もしくは接続部の変形によって変位が生じる変位板変位部を構成し、 基板上面に形成した容量素子用固定電極と、前記変位板変位部に形成した容量素子用変位電極と、によって容量素子を構成したことを特徴とする力検出装置。 請求項3に記載の力検出装置において、 椀状形態部を有する可撓性板状部材によって中間変位板を構成し、椀が伏せられた状態になるように、この中間変位板を基板上面に取り付け、椀の底部に相当する部分に弾性変形体を挿通するための開口窓を形成し、この開口窓の周囲の部分によって変位板変位部を構成し、椀の口部に相当する部分によって変位板固定部を構成し、変位部もしくは接続部の物理的な接触により変位板変位部が変位を生じるようにしたことを特徴とする力検出装置。 請求項4に記載の力検出装置において、 中間変位板を金属材料によって構成し、この中間変位板自身を容量素子用変位電極として用いることを特徴とする力検出装置。 請求項4に記載の力検出装置において、 中間変位板を合成樹脂材料によって構成し、その下面に形成した金属膜によって容量素子用変位電極を構成したことを特徴とする力検出装置。 請求項6に記載の力検出装置において、 中間変位板の上面に付加スイッチ用第1電極を形成し、変位部の下面の前記付加スイッチ用第1電極に対向する位置に付加スイッチ用第2電極を形成し、これら両電極により付加スイッチが構成されるようにし、両電極の接触状態を電気的に検出することにより、作用した力に関する付加的な情報を得ることができるようにしたことを特徴とする力検出装置。 請求項7に記載の力検出装置において、 変位部の中心にZ軸を定義したときに、正のX軸上方に位置する付加スイッチと、負のX軸上方に位置する付加スイッチとを設け、これら一対の付加スイッチの状態に基づいて、作用した力のX軸方向成分に関する情報を得ることができるようにしたことを特徴とする力検出装置。 請求項8に記載の力検出装置において、 更に、正のY軸上方に位置する付加スイッチと、負のY軸上方に位置する付加スイッチとを設け、これら一対の付加スイッチの状態に基づいて、作用した力のY軸方向成分に関する情報を得ることができるようにしたことを特徴とする力検出装置。 請求項7〜9のいずれかに記載の力検出装置において、 付加スイッチを構成する1組の対向電極のうち、一方の電極を単一の電極層により構成し、他方の電極を互いに電気的に独立した一対の電極層により構成し、前記一対の電極層間の導通状態を電気的に検出することにより、前記対向電極の接触状態を検出できるようにしたことを特徴とする力検出装置。 請求項1または2に記載の力検出装置において、 基板上面に形成した容量素子用固定電極と、変位部の下面に形成した容量素子用変位電極と、によって容量素子を構成したことを特徴とする力検出装置。 請求項11に記載の力検出装置において、 容量素子用変位電極とスイッチ用変位電極とを導通させる配線を設けておき、 スイッチ用変位電極とスイッチ用固定電極とが接触状態となったときに、スイッチ用固定電極と容量素子用固定電極との間の静電容量値を測定することにより、容量素子の静電容量値の検出を行えるようにしたことを特徴とする力検出装置。 請求項11または12に記載の力検出装置において、 変位部の中心にZ軸を定義したときに、正のX軸上方に位置する第1の容量素子と、負のX軸上方に位置する第2の容量素子とを設け、これら一対の容量素子の静電容量値の差に基づいて、作用した力のX軸方向成分の向きおよび大きさを求めることができるようにしたことを特徴とする力検出装置。 請求項13に記載の力検出装置において、 更に、正のY軸上方に位置する第3の容量素子と、負のY軸上方に位置する第4の容量素子とを設け、これら一対の容量素子の静電容量値の差に基づいて、作用した力のY軸方向成分の向きおよび大きさを求めることができるようにしたことを特徴とする力検出装置。 請求項11〜14のいずれかに記載の力検出装置において、 X軸およびY軸のいずれに関してもほぼ線対称となる形状をもった電極を有する容量素子を設け、この容量素子の静電容量値に基づいて、作用した力のZ軸方向成分の大きさを求めることができるようにしたことを特徴とする力検出装置。 請求項11に記載の力検出装置において、 信号入力用容量素子および信号出力用容量素子なる2組の容量素子を設け、これら容量素子の各固定電極をそれぞれ電気的に独立した別個の電極によって構成し、これら容量素子の各変位電極を互いに電気的に導通した単一の電極によって構成し、 前記信号入力用容量素子の固定電極に周期信号を供給する周期信号供給手段と、前記信号出力用容量素子の固定電極に誘起される周期信号を検出する周期信号検出手段と、を設け、前記周期信号供給手段によって所定の大きさをもった周期信号を供給した状態において、前記周期信号検出手段によって検出される周期信号の大きさに基づいて、前記2組の容量素子の静電容量値の変化を求めるようにしたことを特徴とする力検出装置。 請求項11〜16のいずれかに記載の力検出装置において、 容量素子用固定電極および容量素子用変位電極のいずれか一方または双方の表面に絶縁膜を形成したことを特徴とする力検出装置。 請求項1〜17のいずれかに記載の力検出装置において、 スイッチ用変位電極を単一の電極層により構成し、スイッチ用固定電極を互いに電気的に独立した一対の電極層により構成し、前記一対の電極層間の導通状態を電気的に検出することにより、前記スイッチ用変位電極と前記スイッチ用固定電極との接触状態を検出できるようにしたことを特徴とする力検出装置。 請求項1〜18のいずれかに記載の力検出装置において、 弾性変形部が、検出感度に応じた弾性係数をもつ材質から構成されていることを特徴とする力検出装置。 請求項1〜19のいずれかに記載の力検出装置において、 弾性変形部に、検出感度に応じた溝が形成されていることを特徴とする力検出装置。 請求項1〜20のいずれかに記載の力検出装置において、 作用体および弾性変形部を、ゴムによって一体形成した起歪体によって構成したことを特徴とする力検出装置。 |
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说明书全文 | 【0001】 |