JP2001074569A - 平板型静電容量式捩り歪みセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検出用構造体への接着並びに取り扱いが簡
単であると共に、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平板型
静電容量式捩り歪みセンサを提供すること。 【解決手段】 このセンサは、絶縁性プラスチックを用
いた可撓性を有する矩形平板型絶縁シート１の一方の主
面上に厚さがほぼ一様となるように歪みにより誘電率が
変化する誘電体膜層２を形成し、この誘電体膜層２の表
面に対して対向する一対の線状共通電極３，４からそれ
ぞれ被検出用構造体の延在する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延在する複
数の斜線状電極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る。線状共通電
極３，４にはコンデンサ端子が接続され、一対の電極パ
ターンはコンデンサとして働く。

Description

【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、詳しくは歪みにより誘電率が変化する誘電体膜層
の表面に形成した一対の電極パターンによるコンデンサ
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平板型静電容量式捩り
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２
３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Ｆ
ｅ−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２
２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、被検出用構造体に接着す
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、接着に高い精度が要求されて取り扱いが煩雑である
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、被検出用構造体へ
の接着並びに取り扱いが簡単であると共に、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平板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
向に延在する被検出用構造体に加わる捩り歪みを検出す
る捩り歪みセンサにおいて、可撓性を有する平板型絶縁
シートの一方の主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の表面に
対して、対向する一対の線状共通電極からそれぞれ一軸
方向に対して約４５度傾いて互い違いに入り込むように
平行して延在する複数の斜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平板型静
電容量式捩り歪みセンサが得られる。

【０００９】又、本発明によれば、上記平板型静電容量
式捩り歪みセンサにおいて、平板型絶縁シートの材質と
して、絶縁性のプラスチック又はセラミックスを用いた
平板型静電容量式捩り歪みセンサが得られる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に実施例を挙げ、本発明の平
板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。

【００１１】図１は、本発明の一実施例に係る平板型静
電容量式捩り歪みセンサの基本構成を示したもので、同
図（ａ）は平面図に関するもの，同図（ｂ）は側面図に
関するものである。

【００１２】この平板型静電容量式捩り歪みセンサは、
絶縁性のプラスチック（或いはセラミックスでも良い）
を用いた可撓性を有する矩形平板型絶縁シート１の一方
の主面上に厚さがほぼ一様となるように歪みにより誘電
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の表面に対して
対向する一対の線状共通電極３，４からそれぞれ被検出
用構造体の延在する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延在する複数の斜線状
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。

【００１３】ここでの線状共通電極３，４にはコンデン
サ端子が接続され、線状共通電極３及び斜線状電極３ａ
と線状共通電極４及び斜線状電極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、線状共通電極３，
４が絶縁シート１の一つの対向する辺に沿って配備さ
れ、斜線状電極３ａ，４ａがこれらの線状共通電極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。

【００１４】このような平板型静電容量式捩り歪みセン
サでは、被検出用構造体に接着するときに絶縁シート１
の一つの対向する辺の方向を回転軸として捩り歪みを検
出することができるため、被検出用構造体への接着並び
に取り扱いが簡単であり、しかも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であるため、容易に信号
処理を行うことができる。

【００１５】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。

【００１６】ここでの電極パターンは、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。

【００１７】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。

【００１８】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３
ａ′，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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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
例の平板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、斜線状電極３ａ，４
ａ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。

【００２３】尚、図１に示した一実施例の平板型静電容
量式捩り歪みセンサでは、１個のものを被検出用構造体
に用いて捩り歪みを検出する場合について説明したが、
同じセンサをもう１個用い、２つのセンサを互いに９０
度の角度を成すように配置し、これらのセンサの検出出
力の差を検出する構成とすれば、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。又、一実施例の平
板型静電容量式捩り歪みセンサでは、歪み−誘電率変化
特性を有する誘電体膜層２を形成するために絶縁シート
１を使用する場合について説明したが、シートの材質と
しては導電性を有する金属を用いた場合でも、誘電率の
低い絶縁体を介して誘電体膜層２を形成すれば同じ効果
が得られる。

【００２４】

【発明の効果】以上に示したように、本発明の平板型静
電容量式捩り歪みセンサによれば、可撓性を有する絶縁
シートを使用し、絶縁シート表面に歪みにより誘電率が
変化する誘電体膜層を形成し、更に誘電体膜層の表面に
一対の電極パターンを形成して静電容量を具備している
ため、被検出用構造体に接着するときに絶縁シートの一
つの対向する辺の方向を回転軸として柔軟に捩り歪みを
検出することができるため、被検出用構造体への接着並
びに取り扱いが簡単となり、しかも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、被検出
用構造体の形状が平板状や棒状に限定されず、曲面状の
場合でも容易に接着並びに捩り歪みの検出が可能とな
り、構造が簡単で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となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る平板型静電容量式捩り
歪みセンサの基本構成を示したもので、（ａ）は平面図
に関するもの，（ｂ）は側面図に関するものである。

【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】

１，１′ 絶縁シート ２ 誘電体膜層 ３，４，３′，４′ 線状共通電極 ３ａ，４ａ 斜線状電極 ３ａ′，４ａ′ 線状電極 ５，６ コンデンサ端子 ７ 加圧板 ２１ 円柱 ２２ 外周面 ２３ 歪みゲージ ２４ 台座

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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する捩り歪みセンサにおいて、可撓
   性を有する平板型絶縁シートの一方の主面に厚さがほぼ
   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
   る誘電体膜層の表面に対して、対向する一対の線状共通
   電極からそれぞれ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延在する複数の斜線
   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平板型静電容量式捩
   り歪みセンサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の平板型静電容量式捩り歪
   みセンサにおいて、前記平板型絶縁シートの材質とし
   て、絶縁性のプラスチック又はセラミックスを用いたこ
   とを特徴とする平板型静電容量式捩り歪みセンサ。