特許 7043293 センサ、センサ制御方法、および制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-18

(45)【発行日】2022-03-29

(54)【発明の名称】センサ、センサ制御方法、および制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/165 20200101AFI20220322BHJP

【ＦＩ】

G01L5/165

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2018039430

(22)【出願日】2018-03-06

(65)【公開番号】P2019152599

(43)【公開日】2019-09-12

【審査請求日】2020-11-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000010098

【氏名又は名称】アルプスアルパイン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108006

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 昌弘

(74)【代理人】

【識別番号】100085453

【弁理士】

【氏名又は名称】野▲崎▼ 照夫

(74)【代理人】

【識別番号】100135183

【弁理士】

【氏名又は名称】大窪 克之

(72)【発明者】

【氏名】和田 卓

【審査官】岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６３－１７１３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平８－５４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１１５２８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－９１３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１７６２６６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｌ １／００－ １／２６

Ｇ０１Ｌ ５／００－ ５／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の独立電極と、
前記複数の独立電極に対して初期位置から圧縮方向と前記圧縮方向に直交する剪断方向とに変位可能に支持された共通電極と、
前記共通電極と前記複数の独立電極との間に位置する誘電体と、
前記共通電極と前記複数の独立電極の各々との間における静電容量を検出する検出部と、
検出された前記静電容量の和に基づいて、前記圧縮方向における前記共通電極と前記複数の独立電極との相対的な圧縮変位量を算出する圧縮変位量算出部と、
検出された前記静電容量に基づいて、前記剪断方向における前記共通電極と前記複数の独立電極との相対的な剪断変位量を算出する剪断変位量算出部と、
前記共通電極が前記初期位置にあるときの前記静電容量に基づいて、前記誘電体の誘電率を算出する誘電率算出部と、
前記誘電率と前記誘電体の弾性率との関係を表す予め規定された関係情報に基づいて、算出された前記誘電率から前記弾性率を算出する弾性率算出部と、
前記圧縮変位量と前記誘電体の材料特性とに基づいて、前記共通電極から前記誘電体に対して前記圧縮方向に印加された圧縮力を算出する圧縮力算出部と、
を備え、
前記複数の独立電極の各々が、前記圧縮方向に直交して広がる独立対向面をもち、
すべての前記独立対向面が、同一の平面に沿って広がり、
前記共通電極が、前記圧縮方向に直交して広がる共通対向面をもち、
前記共通電極が前記初期位置にあるとき、各前記独立対向面が、前記圧縮方向において前記共通対向面に対向する領域と対向しない領域とを含み、
前記共通電極が移動可能な範囲のうちの少なくとも一部において、前記共通対向面のうち複数の前記独立対向面に対向する面積の合計が、一定であり、
前記圧縮力の算出に使用される前記材料特性が、前記弾性率を含み、
前記圧縮力算出部が、算出された前記弾性率を使用して、前記圧縮力を算出する、
センサ。

【請求項2】

第１仮想中心線と前記第１仮想中心線に交わる第２仮想中心線とにより分割された第１区画と第２区画と第３区画と第４区画との各々に１つの前記独立電極が位置し、
前記第１仮想中心線が、前記圧縮方向に直交する第１剪断方向に平行であり、
前記第２仮想中心線が、前記圧縮方向と前記第１剪断方向とに直交する第２剪断方向に平行であり、
前記第１区画に位置する前記独立電極である第１独立電極と、前記第２区画に位置する前記独立電極である第２独立電極とが前記第１剪断方向に並び、
前記第３区画に位置する前記独立電極である第３独立電極と、前記第４区画に位置する前記独立電極である第４独立電極とが前記第１剪断方向に並び、
前記第１独立電極と前記第３独立電極とが、前記第２剪断方向に並び、
前記第２独立電極と前記第４独立電極とが、前記第２剪断方向に並び、
前記検出部が、前記第１独立電極と前記共通電極との間の前記静電容量である第１静電容量を検出し、
前記検出部が、前記第２独立電極と前記共通電極との間の前記静電容量である第２静電容量を検出し、
前記検出部が、前記第３独立電極と前記共通電極との間の前記静電容量である第３静電容量を検出し、
前記検出部が、前記第４独立電極と前記共通電極との間の前記静電容量である第４静電容量を検出し、
前記圧縮変位量算出部が、前記第１静電容量と前記第２静電容量と前記第３静電容量と前記第４静電容量との和に基づいて、前記圧縮変位量を算出し、
前記剪断変位量算出部が、前記第１静電容量と前記第３静電容量との和と、前記第２静電容量と前記第４静電容量との和とに基づいて、前記第１剪断方向における前記剪断変位量である第１剪断変位量を算出し、
前記剪断変位量算出部が、前記第１静電容量と前記第２静電容量との和と、前記第３静電容量と前記第４静電容量との和とに基づいて、前記第２剪断方向における前記剪断変位量である第２剪断変位量を算出する、
請求項１に記載のセンサ。

【請求項3】

前記第１独立電極の前記独立対向面と前記第３独立電極の前記独立対向面とが、前記第１仮想中心線に対して線対称であり、
前記第２独立電極の前記独立対向面と前記第４独立電極の前記独立対向面とが、前記第１仮想中心線に対して線対称であり、
前記第１独立電極の前記独立対向面と前記第２独立電極の前記独立対向面とが、前記第２仮想中心線に対して線対称であり、
前記第３独立電極の前記独立対向面と前記第４独立電極の前記独立対向面とが、前記第２仮想中心線に対して線対称である、
請求項２に記載のセンサ。

【請求項4】

各前記独立対向面が、前記第１剪断方向に平行な２辺と前記第２剪断方向に平行な２辺とをもつ長方形であり、
前記共通対向面が、前記第１剪断方向に平行な２辺と前記第２剪断方向に平行な２辺とをもつ長方形である、
請求項３に記載のセンサ。

【請求項5】

各前記独立対向面が、共通の仮想中心点をもつ扇形状であり、
前記共通対向面が、円形であり、
前記共通電極が前記初期位置にあるとき、前記圧縮方向において、前記共通対向面の中心点が、前記仮想中心点に重なる、
請求項３に記載のセンサ。

【請求項6】

前記共通対向面が、前記第１剪断方向に平行で前記第１区画から前記第２区画内に延びた第１縁部と、前記第２剪断方向に平行で前記第１区画から前記第３区画内に延びた第２縁部と、湾曲縁部とをもち、
前記共通電極が前記初期位置にあるとき、前記湾曲縁部が、前記第１区画内に位置し、
前記湾曲縁部が、前記第１縁部の一端と前記第２縁部の一端とをつなぎ、
前記湾曲縁部が、前記第１剪断方向と前記第２剪断方向との間に規定される９０度の中心角をもつ扇形状であり、
前記湾曲縁部が、前記圧縮方向に直交する平面内において外側に向けて凸状であり、
前記共通電極が前記初期位置にあるとき、前記共通対向面のうち前記第１区画内の領域が、前記第１縁部と前記湾曲縁部とから前記第２剪断方向に前記第３区画まで連続して広がる形状をもち、
前記共通電極が前記初期位置にあるとき、前記共通対向面のうち前記第１区画内の領域が、前記第２縁部と前記湾曲縁部とから前記第１剪断方向に前記第２区画まで連続して広がる形状をもち、
前記第１独立電極の前記独立対向面が、前記第１縁部に平行な第１外縁部と、前記第２縁部に平行な第２外縁部と、湾曲外縁部とをもち、
前記湾曲外縁部が、前記第１外縁部の一端と前記第２外縁部の一端とをつなぎ、
前記湾曲外縁部が、前記第１剪断方向と前記第２剪断方向との間に規定される９０度の中心角をもつ扇形状であり、
前記湾曲外縁部が、前記圧縮方向に直交する平面内において外側に向けて凸状であり、
前記第１独立電極の前記独立対向面が、前記第１外縁部と前記湾曲外縁部とから前記第２剪断方向において前記第３区画に向けて連続して広がる形状をもち、
前記第１独立電極の前記独立対向面が、前記第２外縁部と前記湾曲外縁部とから前記第１剪断方向において前記第２区画に向けて連続して広がる形状をもち、
前記共通電極が前記初期位置にあるとき、前記圧縮方向において、前記湾曲縁部の扇形状の仮想中心点が前記湾曲外縁部の扇形状の仮想中心点に重なり、
前記共通電極が前記初期位置にあるとき、前記第２剪断方向における前記第１外縁部と前記第１縁部との離間距離が、前記第１剪断方向における前記第２外縁部と前記第２縁部との離間距離と同じであり、
前記共通電極が前記初期位置にあるとき、前記湾曲外縁部の半径と前記湾曲縁部の半径との差が、前記第２剪断方向における前記第１外縁部と前記第１縁部との離間距離と同じである、
請求項３に記載のセンサ。

【請求項7】

前記誘電体が、前記複数の独立電極と前記共通電極との間を前記圧縮方向に満たす弾性体であり、
前記共通電極が前記誘電体により、前記複数の独立電極に対して前記初期位置から前記圧縮方向と前記剪断方向とに相対的に変位可能に支持された、
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項8】

前記誘電体が、前記複数の独立電極と前記共通電極との間を前記圧縮方向に満たす弾性体であり、
前記共通電極が前記誘電体により、前記複数の独立電極に対して前記初期位置から前記圧縮方向と前記剪断方向とに相対的に変位可能に支持され、
前記圧縮変位量と前記第１剪断変位量と前記第２剪断変位量と前記誘電体の前記材料特性とに基づいて、前記共通電極から前記誘電体に対して前記剪断方向に印加された剪断力を算出する剪断力算出部を備える、
請求項２乃至請求項６のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項9】

前記複数の独立電極に対する前記共通電極の移動範囲を制限するストッパを備え、
前記誘電体が、前記移動範囲内において弾性変形可能である、
請求項７または請求項８に記載のセンサ。

【請求項10】

第１基板と、
第２基板と、
前記複数の独立電極の各々に接続された複数の第１配線と、
前記共通電極に接続された第２配線と、
を備え、
前記複数の第１配線の各々の少なくとも一部と、前記複数の独立電極とが、前記第１基板に固定され、
前記第２配線の少なくとも一部と、前記共通電極とが、前記第２基板に固定された、
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項11】

前記複数の独立電極に対する前記共通電極の移動範囲を制限するストッパと、
前記ストッパが固定された第１基板と、
前記複数の独立電極の各々に接続された複数の第１配線と、
前記第１基板と前記共通電極との間に延びた第２配線と、
を備え、
前記誘電体が、前記移動範囲内において弾性変形可能であり、
前記複数の第１配線の各々の少なくとも一部が、前記第１基板に固定され、
前記第２配線の少なくとも一部が、前記ストッパに固定された、
請求項７または請求項８に記載のセンサ。

【請求項12】

複数の独立電極と、
前記複数の独立電極に対して初期位置から圧縮方向と前記圧縮方向に直交する剪断方向とに変位可能に支持された共通電極と、
前記共通電極と前記複数の独立電極との間に位置する誘電体と、
前記共通電極と前記複数の独立電極の各々との間における静電容量を検出する検出部と、
検出された前記静電容量の和に基づいて、前記圧縮方向における前記共通電極と前記複数の独立電極との相対的な圧縮変位量を算出する圧縮変位量算出部と、
検出された前記静電容量に基づいて、前記剪断方向における前記共通電極と前記複数の独立電極との相対的な剪断変位量を算出する剪断変位量算出部と、
を備え、
前記複数の独立電極の各々が、前記圧縮方向に直交して広がる独立対向面をもち、
すべての前記独立対向面が、同一の平面に沿って広がり、
前記共通電極が、前記圧縮方向に直交して広がる共通対向面をもち、
前記共通電極が前記初期位置にあるとき、各前記独立対向面が、前記圧縮方向において前記共通対向面に対向する領域と対向しない領域とを含み、
前記共通電極が移動可能な範囲のうちの少なくとも一部において、前記共通対向面のうち複数の前記独立対向面に対向する面積の合計が、一定であり、
前記複数の独立電極に対する前記共通電極の移動範囲を制限するストッパと、
前記ストッパが固定された第１基板と、
前記複数の独立電極の各々に接続された複数の第１配線と、
前記第１基板と前記共通電極との間に延びた第２配線と、
を更に備え、
前記誘電体が、前記移動範囲内において弾性変形可能であり、
前記複数の第１配線の各々の少なくとも一部が、前記第１基板に固定され、
前記第２配線の少なくとも一部が、前記ストッパに固定された、
センサ。

【請求項13】

補助電極を備え、
前記補助電極が、前記圧縮方向に直交して広がる補助対向面をもち、
前記補助対向面の面積が、前記共通対向面の面積より小さく、
前記補助対向面の全体が、前記圧縮方向において前記共通対向面に対向する、
請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項14】

センサにより実行されるセンサ制御方法であって、
前記センサが、
前記複数の独立電極と、
前記複数の独立電極に対して初期位置から圧縮方向と前記圧縮方向に直交する剪断方向とに変位可能に支持された共通電極と、
前記共通電極と前記複数の独立電極との間に位置する誘電体と、
を備え、
前記複数の独立電極の各々が、前記圧縮方向に直交して広がる独立対向面をもち、
すべての前記独立対向面が、同一の平面に沿って広がり、
前記共通電極が、前記圧縮方向に直交して広がる共通対向面をもち、
前記共通電極が前記初期位置にあるとき、各前記独立対向面が、前記圧縮方向において前記共通対向面に対向する領域と対向しない領域とを含み、
前記共通電極が移動可能な範囲のうちの少なくとも一部において、前記共通対向面のうち複数の前記独立対向面に対向する面積の合計が、一定であり、
前記センサ制御方法が、
前記センサが、前記共通電極と前記複数の独立電極の各々との間における静電容量を検出することと、
前記センサが、検出された前記静電容量の和に基づいて、前記圧縮方向における前記共通電極と前記複数の独立電極との相対的な圧縮変位量を算出することと、
前記センサが、検出された前記静電容量に基づいて、前記剪断方向における前記共通電極と前記複数の独立電極との相対的な剪断変位量を算出することと、
前記センサが、前記共通電極が前記初期位置にあるときの前記静電容量に基づいて、前記誘電体の誘電率を算出することと、
前記センサが、前記誘電率と前記誘電体の弾性率との関係を表す予め規定された関係情報に基づいて、算出された前記誘電率から前記弾性率を算出することと、
前記センサが、前記圧縮変位量と前記誘電体の材料特性とに基づいて、前記共通電極から前記誘電体に対して前記圧縮方向に印加された圧縮力を算出することと、
を含み、
前記圧縮力の算出に使用される前記材料特性が、前記弾性率を含み、
前記センサが前記圧縮力を算出することは、算出された前記弾性率を使用して、前記圧縮力を算出することを含む、
センサ制御方法。

【請求項15】

コンピュータに請求項１４に記載のセンサ制御方法を実行させる制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、センサ、センサ制御方法、および制御プログラムに関し、特に、電極の変位を検出するセンサ、センサ制御方法、および制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

電極間の静電容量の変化から電極間の相対的な変位を検出することにより、電極に印加された力を検出するセンサが知られている。

【0003】

例えば、特許文献１の触覚センサは、圧縮方向に沿った圧縮力を検出する圧縮力検出部と、圧縮方向に直交する剪断方向の剪断力を検出する剪断力検出部とを別々に備える。圧縮力検出部と剪断力検出部とは、各々が２つの平行な平板の間に誘電層を挟んで構成される。圧縮力検出部は、２つの平板の距離に応じて圧縮力を検出する。剪断力検出部は、２つの平板の広がる方向に沿ったずれに応じて剪断力を検出する。

【0004】

特許文献２は、平行な第１電極と第２電極とのセットを複数備える触覚センサを開示する。第１電極と第２電極との相対的な位置が、セット間で異なる。圧縮力が加わったときは、第１電極と第２電極とが重なる面積が一定のまま、第１電極と第２電極との距離が変化する。剪断力が加わったときは、第１電極と第２電極との距離が一定のまま、第１電極と第２電極とが重なる面積が変化する。その結果、セットごとの静電容量を検出することにより、圧縮力と剪断力とを共通の電極により検出することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１０－１２２０１８号明細書

【文献】特開２０１４－１１５２８２号明細書

【文献】特開２０１５－４５５５２号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、圧縮力検出部と剪断力検出部との２つのセンサを積み重ねただけの特許文献１の触覚センサでは、圧縮力検出部の２つの平板に、剪断方向の力が加わるので、厳密に圧縮力だけを測定することができない。さらに、剪断力検出部の２つの平板に圧縮力が加わるので、厳密に剪断力だけを測定することができない。

【0007】

また、特許文献２の触覚センサでは、各セットが第１電極と第２電極とを１つずつ必要とするので、構成が複雑であり、広い面積が必要となる。また、複数のセットで、第１電極と第２電極とを正確に配置する必要があるので、製造が困難である。また、電極数が多いので、断線を防ぐ配慮が必要となる。

【0008】

そこで本開示は、圧縮方向の変位と剪断方向の変位とを従来に比べて正確に検出可能で、簡単な構造のセンサ、センサ制御方法、および制御プログラムを提供することを１つの目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示の第１の態様に係るセンサは、複数の独立電極と、複数の独立電極に対して初期位置から圧縮方向と圧縮方向に直交する剪断方向とに変位可能に支持された共通電極と、共通電極と複数の独立電極との間に位置する誘電体と、共通電極と複数の独立電極の各々との間における静電容量を検出する検出部と、検出された静電容量の和に基づいて、圧縮方向における共通電極と複数の独立電極との相対的な圧縮変位量を算出する圧縮変位量算出部と、検出された静電容量に基づいて、剪断方向における共通電極と複数の独立電極との相対的な剪断変位量を算出する剪断変位量算出部と、共通電極が初期位置にあるときの静電容量に基づいて、誘電体の誘電率を算出する誘電率算出部と、誘電率と誘電体の弾性率との関係を表す予め規定された関係情報に基づいて、算出された誘電率から弾性率を算出する弾性率算出部と、圧縮変位量と誘電体の材料特性とに基づいて、共通電極から誘電体に対して圧縮方向に印加された圧縮力を算出する圧縮力算出部と、を備え、複数の独立電極の各々が、圧縮方向に直交して広がる独立対向面をもち、すべての独立対向面が、同一の平面に沿って広がり、共通電極が、圧縮方向に直交して広がる共通対向面をもち、共通電極が初期位置にあるとき、各独立対向面が、圧縮方向において共通対向面に対向する領域と対向しない領域とを含み、共通電極が移動可能な範囲のうちの少なくとも一部において、共通対向面のうち複数の独立対向面に対向する面積の合計が一定であり、圧縮力の算出に使用される材料特性が、弾性率を含み、圧縮力算出部が、算出された弾性率を使用して、圧縮力を算出する。

【0010】

第１の態様に係るセンサによれば、圧縮変位量と剪断変位量との算出において、共通した複数の独立電極における静電容量を使用するので、圧縮変位量と剪断変位量との算出に別々の電極を用意する従来技術に比べて簡単な構造で、圧縮変位量と剪断変位量とを正確に検出可能である。また、圧縮変位量を検出するための誘電体と剪断変位量を検出するための誘電体とを重ねる必要がないため、圧縮変位量と剪断変位量とを正確に区別することができる。
また、第１の態様に係るセンサによれば、温度などによる誘電体の弾性率の変化を考慮して、圧縮力を正確に検出可能である。

【0011】

本開示の第２の態様に係るセンサは、第１の態様に係るセンサにおいて、第１仮想中心線と第１仮想中心線に交わる第２仮想中心線とにより分割された第１区画と第２区画と第３区画と第４区画との各々に１つの独立電極が位置し、第１仮想中心線が、圧縮方向に直交する第１剪断方向に平行であり、第２仮想中心線が、圧縮方向と第１剪断方向とに直交する第２剪断方向に平行であり、第１区画に位置する独立電極である第１独立電極と、第２区画に位置する独立電極である第２独立電極とが第１剪断方向に並び、第３区画に位置する独立電極である第３独立電極と、第４区画に位置する独立電極である第４独立電極とが第１剪断方向に並び、第１独立電極と第３独立電極とが、第２剪断方向に並び、第２独立電極と第４独立電極とが、第２剪断方向に並び、検出部が、第１独立電極と共通電極との間の静電容量である第１静電容量を検出し、検出部が、第２独立電極と共通電極との間の静電容量である第２静電容量を検出し、検出部が、第３独立電極と共通電極との間の静電容量である第３静電容量を検出し、検出部が、第４独立電極と共通電極との間の静電容量である第４静電容量を検出し、圧縮変位量算出部が、第１静電容量と第２静電容量と第３静電容量と第４静電容量との和に基づいて、圧縮変位量を算出し、剪断変位量算出部が、第１静電容量と第３静電容量との和と、第２静電容量と第４静電容量との和とに基づいて、第１剪断方向における剪断変位量である第１剪断変位量を算出し、剪断変位量算出部が、第１静電容量と第２静電容量との和と、第３静電容量と第４静電容量との和とに基づいて、第２剪断方向における剪断変位量である第２剪断変位量を算出する。

【0012】

第２の態様に係るセンサによれば、従来に比べて簡単な構造で、多方向における変位量、すなわち、圧縮変位量と、第１剪断方向における第１剪断変位量と、第２剪断方向における第２剪断変位量とを正確に検出可能である。

【0013】

本開示の第３の態様に係るセンサは、第２の態様に係るセンサにおいて、第１独立電極の独立対向面と第３独立電極の独立対向面とが、第１仮想中心線に対して線対称であり、第２独立電極の独立対向面と第４独立電極の独立対向面とが、第１仮想中心線に対して線対称であり、第１独立電極の独立対向面と第２独立電極の独立対向面とが、第２仮想中心線に対して線対称であり、第３独立電極の独立対向面と第４独立電極の独立対向面とが、第２仮想中心線に対して線対称である。

【0014】

第３の態様に係るセンサによれば、複数の独立電極の独立対向面に対称性があるので、非対称な場合に比べて製造が容易であり、変位量の算出が容易となる。

【0015】

本開示の第４の態様に係るセンサは、第３の態様に係るセンサにおいて、各独立対向面が、第１剪断方向に平行な２辺と第２剪断方向に平行な２辺とをもつ長方形であり、共通対向面が、第１剪断方向に平行な２辺と第２剪断方向に平行な２辺とをもつ長方形である。

【0016】

第４の態様に係るセンサによれば、複数の独立電極が長方形であるので、複雑な形状に比べて製造が容易であり、静電容量の算出が容易となる。

【0017】

本開示の第５の態様に係るセンサは、第３の態様に係るセンサにおいて、各独立対向面が、共通の仮想中心点をもつ扇形状であり、共通対向面が、円形であり、共通電極が初期位置にあるとき、圧縮方向において、共通対向面の中心点が、仮想中心点に重なる。

【0018】

第５の態様に係るセンサによれば、複数の独立電極が扇形状であるので、複雑な形状に比べて製造が容易であり、静電容量の算出が容易となる。また、初期位置から共通電極を変位させる場合、いずれの方向においても、最大変位可能量を同じにすることができる。

【0019】

本開示の第６の態様に係るセンサは、第３の態様に係るセンサにおいて、共通対向面が、第１剪断方向に平行で第１区画から第２区画内に延びた第１縁部と、第２剪断方向に平行で第１区画から第３区画内に延びた第２縁部と、湾曲縁部とをもち、共通電極が初期位置にあるとき、湾曲縁部が、第１区画内に位置し、湾曲縁部が、第１縁部の一端と第２縁部の一端とをつなぎ、湾曲縁部が、第１剪断方向と第２剪断方向との間に規定される９０度の中心角をもつ扇形状であり、湾曲縁部が、圧縮方向に直交する平面内において外側に向けて凸状であり、共通電極が初期位置にあるとき、共通対向面のうち第１区画内の領域が、第１縁部と湾曲縁部とから第２剪断方向に第３区画まで連続して広がる形状をもち、共通電極が初期位置にあるとき、共通対向面のうち第１区画内の領域が、第２縁部と湾曲縁部とから第１剪断方向に第２区画まで連続して広がる形状をもち、第１独立電極の独立対向面が、第１縁部に平行な第１外縁部と、第２縁部に平行な第２外縁部と、湾曲外縁部とをもち、湾曲外縁部が、第１外縁部の一端と第２外縁部の一端とをつなぎ、湾曲外縁部が、第１剪断方向と第２剪断方向との間に規定される９０度の中心角をもつ扇形状であり、湾曲外縁部が、圧縮方向に直交する平面内において外側に向けて凸状であり、第１独立電極の独立対向面が、第１外縁部と湾曲外縁部とから第２剪断方向において第３区画に向けて連続して広がる形状をもち、第１独立電極の独立対向面が、第２外縁部と湾曲外縁部とから第１剪断方向において第２区画に向けて連続して広がる形状をもち、共通電極が初期位置にあるとき、圧縮方向において、湾曲縁部の扇形状の仮想中心点が湾曲外縁部の扇形状の仮想中心点に重なり、共通電極が初期位置にあるとき、第２剪断方向における第１外縁部と第１縁部との離間距離が、第１剪断方向における第２外縁部と第２縁部との離間距離と同じであり、共通電極が初期位置にあるとき、湾曲外縁部の半径と湾曲縁部の半径との差が、第２剪断方向における第１外縁部と第１縁部との離間距離と同じである。

【0020】

第６の態様に係るセンサによれば、初期位置から共通電極を変位させる場合、いずれの方向においても、最大変位可能量を同じにすることができる。

【0021】

本開示の第７の態様に係るセンサは、第１乃至第６のいずれか１つの態様に係るセンサにおいて、誘電体が、複数の独立電極と共通電極との間を圧縮方向に満たす弾性体であり、共通電極が誘電体により、複数の独立電極に対して初期位置から圧縮方向と剪断方向とに相対的に変位可能に支持される。

【0022】

第７の態様に係るセンサによれば、共通電極を誘電体とは別の材料で支持する場合に比べて構成が簡単となる。また、誘電体が弾性体であるので、力を解除したときに共通電極を自動的に元の位置に戻すことができる。

【0023】

本開示の第８の態様に係るセンサは、第２乃至第６のいずれか１つの態様に係るセンサにおいて、誘電体が、複数の独立電極と共通電極との間を圧縮方向に満たす弾性体であり、共通電極が誘電体により、複数の独立電極に対して初期位置から圧縮方向と剪断方向とに相対的に変位可能に支持され、圧縮変位量と第１剪断変位量と第２剪断変位量と誘電体の材料特性とに基づいて、共通電極から誘電体に対して剪断方向に印加された剪断力を算出する剪断力算出部を備えるセンサである。

【0024】

第８の態様に係るセンサによれば、圧縮力と剪断力との算出において、共通した複数の独立電極における静電容量を使用するので、圧縮力と剪断力との算出に別々の電極を用意する従来技術に比べて簡単な構造で、圧縮力と剪断力とを正確に検出可能である。また、従来と異なり、圧縮力を検出するための誘電体と剪断力を検出するための誘電体とを重ねる必要がないため、圧縮力と剪断力とを正確に区別することができる。

【0025】

本開示の第９の態様に係るセンサは、第７の態様または第８の態様に係るセンサにおいて、複数の独立電極に対する共通電極の移動範囲を制限するストッパを備えるセンサであって、誘電体が、移動範囲内において弾性変形可能である。

【0026】

第９の態様に係るセンサによれば、誘電体の塑性変形を防いで、正確な検出を維持することができる。

【0027】

本開示の第１０の態様に係るセンサは、第１乃至第９のいずれか１つの態様に係るセンサにおいて、第１基板と、第２基板と、複数の独立電極の各々に接続された複数の第１配線と、共通電極に接続された第２配線と、を備えるセンサであって、複数の第１配線の各々の少なくとも一部と、複数の独立電極とが、第１基板に固定され、第２配線の少なくとも一部と、共通電極とが、第２基板に固定される。

【0028】

第１０の態様に係るセンサによれば、複数の第１配線と複数の独立電極とが第１基板に固定されるので、断線を防ぎやすい。また、第２配線と共通電極とが第２基板に固定されるので、断線を防ぎやすい。

【0029】

本開示の第１１の態様に係るセンサは、第７の態様または第８の態様に係るセンサにおいて、複数の独立電極に対する共通電極の移動範囲を制限するストッパと、ストッパが固定された第１基板と、複数の独立電極の各々に接続された複数の第１配線と、第１基板と共通電極との間に延びた第２配線と、を備えるセンサであって、誘電体が、移動範囲内において弾性変形可能であり、複数の第１配線の各々の少なくとも一部が、第１基板に固定され、第２配線の少なくとも一部が、ストッパに固定される。

【0030】

第１１の態様に係るセンサによれば、第１配線と第２配線とが固定されるので断線を防ぎやすい。

【0031】

本開示の第１２の態様に係るセンサは、複数の独立電極と、複数の独立電極に対して初期位置から圧縮方向と圧縮方向に直交する剪断方向とに変位可能に支持された共通電極と、共通電極と複数の独立電極との間に位置する誘電体と、共通電極と複数の独立電極の各々との間における静電容量を検出する検出部と、検出された静電容量の和に基づいて、圧縮方向における共通電極と複数の独立電極との相対的な圧縮変位量を算出する圧縮変位量算出部と、検出された静電容量に基づいて、剪断方向における共通電極と複数の独立電極との相対的な剪断変位量を算出する剪断変位量算出部と、を備え、複数の独立電極の各々が、圧縮方向に直交して広がる独立対向面をもち、すべての独立対向面が、同一の平面に沿って広がり、共通電極が、圧縮方向に直交して広がる共通対向面をもち、共通電極が初期位置にあるとき、各独立対向面が、圧縮方向において共通対向面に対向する領域と対向しない領域とを含み、共通電極が移動可能な範囲のうちの少なくとも一部において、共通対向面のうち複数の独立対向面に対向する面積の合計が、一定であり、複数の独立電極に対する共通電極の移動範囲を制限するストッパと、ストッパが固定された第１基板と、複数の独立電極の各々に接続された複数の第１配線と、第１基板と共通電極との間に延びた第２配線と、を更に備え、誘電体が、移動範囲内において弾性変形可能であり、複数の第１配線の各々の少なくとも一部が、第１基板に固定され、第２配線の少なくとも一部が、ストッパに固定される。

【0033】

本開示の第１３の態様に係るセンサは、第１乃至第１２のいずれか１つの態様に係るセンサにおいて、補助電極を備え、補助電極が、圧縮方向に直交して広がる補助対向面をもち、補助対向面の面積が、共通対向面の面積より小さく、補助対向面の全体が、圧縮方向において共通対向面に対向する。

【0034】

第１３の態様に係るセンサによれば、補助対向面の全体が圧縮方向において共通対向面に対向するので、剪断方向の変位によらず、補助電極と共通電極との間の静電容量が一定となり、安定して圧縮方向の変位を検出することができる。

【0035】

本開示の第１４の態様に係るセンサ制御方法は、センサにより実行されるセンサ制御方法であって、センサが、複数の独立電極と、複数の独立電極に対して初期位置から圧縮方向と圧縮方向に直交する剪断方向とに変位可能に支持された共通電極と、共通電極と複数の独立電極との間に位置する誘電体と、を備え、複数の独立電極の各々が、圧縮方向に直交して広がる独立対向面をもち、すべての独立対向面が、同一の平面に沿って広がり、共通電極が、圧縮方向に直交して広がる共通対向面をもち、共通電極が初期位置にあるとき、各独立対向面が、圧縮方向において共通対向面に対向する領域と対向しない領域とを含み、共通電極が移動可能な範囲のうちの少なくとも一部において、共通対向面のうち複数の独立対向面に対向する面積の合計が、一定であり、センサ制御方法が、センサが、共通電極と複数の独立電極の各々との間における静電容量を検出することと、センサが、検出された静電容量の和に基づいて、圧縮方向における共通電極と複数の独立電極との相対的な圧縮変位量を算出することと、センサが、検出された静電容量に基づいて、剪断方向における共通電極と複数の独立電極との相対的な剪断変位量を算出することと、センサが、共通電極が初期位置にあるときの静電容量に基づいて、誘電体の誘電率を算出することと、センサが、誘電率と誘電体の弾性率との関係を表す予め規定された関係情報に基づいて、算出された誘電率から弾性率を算出することと、 センサが、圧縮変位量と誘電体の材料特性とに基づいて、共通電極から誘電体に対して圧縮方向に印加された圧縮力を算出することと、 を含み、圧縮力の算出に使用される材料特性が、弾性率を含み、センサが圧縮力を算出することは、算出された弾性率を使用して、圧縮力を算出することを含む。

【0036】

本開示の第１５の態様に係る制御プログラムは、第１４の態様に係るセンサ制御方法をコンピュータに実行させる制御プログラムである。

【発明の効果】

【0037】

本開示によれば、圧縮方向の変位と剪断方向の変位とを従来に比べて正確に検出可能で、簡単な構造のセンサ、センサ制御方法、および制御プログラムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0038】

【図1】第１実施形態のセンサの斜視図である。

【図2】図１に示すセンサの平面図である。

【図3】図２の３－３線を通る断面におけるセンサの断面図である。

【図4】図２に示す独立電極と共通電極との位置関係を説明するための平面図である。

【図5】図２に示す独立電極と共通電極と制御装置とを示すブロック図である。

【図6】図１に示すセンサが実施するセンサ制御方法を説明するためのフロー図である。

【図7】図１に示すセンサが実施する校正方法を説明するためのフロー図である。

【図8】第２実施形態の共通電極と独立電極と誘電体との平面図である。

【図9】第３実施形態の共通電極と独立電極と誘電体との平面図である。

【図10】第４実施形態の共通電極と独立電極と誘電体との平面図である。

【図11】第５実施形態の共通電極と独立電極と補助電極との平面図である。

【図12】第５実施形態の独立電極と共通電極と補助電極と制御装置とを示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0039】

以下、第１～第５実施形態に係るセンサについて説明する。第１実施形態のセンサでは、各構成要素の百の位が１で表されている。同様に、第２～第５実施形態の各構成要素は、それぞれ、百の位が２～５で表されている。別段断りのない限り、異なる実施形態において百の位のみが異なる構成要素は、それぞれ、同様の構成要素を表す。第２実施形態以降は、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

【0040】

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のセンサ１００の斜視図である。図２は、図１に示すセンサ１００の平面図である。図３は、図２の３－３線を通る断面におけるセンサ１００の断面図である。図１に示すセンサ１００は、電極間の相対的な変位量を検出することにより、電極に印加された力の大きさを検出する。電極には例えば人間の指により力が印加される。

【0041】

本明細書において、互いに直交するｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向を規定する。ｘ方向は、互いに逆を向くｘ１方向とｘ２方向とを区別せずに表す。ｙ方向は互いに逆を向くｙ１方向とｙ２方向とを区別せずに表す。ｚ方向は互いに逆を向くｚ１方向とｚ２方向とを区別せずに表す。また、ｚ１側を上と表現し、ｚ２側を下と表現する場合がある。これらの方向は、相対的な位置関係を説明するために便宜上規定するのであって、実際の使用時の方向を限定するわけではない。構成要素の形状は、「略」という記載があるかないかにかかわらず、本明細書で開示された実施形態の技術思想が実現される限り、記載された表現に基づく厳密な幾何学的な形状に限定されない。

【0042】

ｚ２方向を圧縮方向と呼び、ｘ方向を第１剪断方向と呼び、ｙ方向を第２剪断方向と呼ぶ。第１剪断方向と第２剪断方向とを区別せずに剪断方向と呼ぶ場合がある。第１剪断方向は、圧縮方向に直交する。第２剪断方向は、圧縮方向と第１剪断方向とに直交する。すなわち、圧縮方向と剪断方向とは直交する。剪断方向は、第１剪断方向と第２剪断方向との組み合わせも含む。

【0043】

図２に示すように、センサ１００は、第１基板１１０と、第１基板１１０に固定された枠状のストッパ１１１と、第１基板１１０につながる複数の第１配線１１２と、第１基板１１０から離間した第２基板１２０と、第２基板１２０につながる第２配線１２１と、第１基板１１０に固定された第１独立電極１３０－１～第４独立電極１３０－４（以下、区別せずに独立電極１３０と呼ぶ場合がある）と、第２基板１２０に固定された共通電極１４０と、４つの独立電極１３０と共通電極１４０との間に位置する誘電体１５０（図３）と、センサ１００の動作を制御する制御装置１６０とを備える。

【0044】

（基板）
図１に示すように、第１基板１１０は、ｘｙ平面に平行に広がる平板状の硬質材料を母材とする回路基板である。第２基板１２０は、ｘｙ平面に平行に広がる平板状の硬質材料を母材とする回路基板である。第２基板１２０は、ｚ方向から見たときに、ｘ方向に平行な２辺とｙ方向に平行な２辺とをもつ長方形である。第２基板１２０は、第１基板１１０からｚ１方向に離間して位置する。

【0045】

（ストッパ）
図１に示すように、ストッパ１１１は、第１基板１１０に固定されており、第１基板１１０からｚ１方向に延びる。ストッパ１１１は、例えば、硬質の樹脂で形成される。図２に示すように、ストッパ１１１は、ｚ方向から見たとき、内側に、ｘ方向に平行な２辺とｙ方向に平行な２辺とをもつ長方形の空間を規定する。図１に示すように、ストッパ１１１の内側の空間は、ｙｚ平面に平行な２面とｚｘ平面に平行な２面とに囲まれた直方体であり、ｚ１方向に開放されている。ストッパ１１１は、複数の独立電極１３０に対する共通電極１４０の移動範囲を制限する。

【0046】

（独立電極）
図３に示すように、４つの独立電極１３０は、ストッパ１１１に囲まれる空間内において、第１基板１１０のｚ１側の面に固定される。各独立電極１３０は、ｘｙ平面に平行に広がる薄膜平板状の金属である。

【0047】

図４は、４つの独立電極１３０と共通電極１４０との位置関係を説明するための平面図である。ｚ方向から見たとき、ｘ方向に平行な第１仮想中心線１０１と、ｙ方向に平行で第１仮想中心線１０１に交わる第２仮想中心線１０２とにより、空間が第１区画１０３－１と第２区画１０３－２と第３区画１０３－３と第４区画１０３－４と（以下、区別せずに区画１０３と呼ぶ場合がある）に分割される。４つの区画１０３は仮想的な概念であり、現実に区切りが存在しなくてよい。

【0048】

４つの区画１０３の各々に、１つの独立電極１３０が位置する。第１区画１０３－１に第１独立電極１３０－１が位置する。第２区画１０３－２に第２独立電極１３０－２が位置する。第３区画１０３－３に第３独立電極１３０－３が位置する。第４区画１０３－４に第４独立電極１３０－４が位置する。第１独立電極１３０－１と第２独立電極１３０－２とが、ｘ方向に並ぶ。第３独立電極１３０－３と第４独立電極１３０－４とが、ｘ方向に並ぶ。第１独立電極１３０－１と第３独立電極１３０－３とが、ｙ方向に並ぶ。第２独立電極１３０－２と第４独立電極１３０－４とが、ｙ方向に並ぶ。

【0049】

第１独立電極１３０－１が、第１独立対向面１３１－１をもつ。第２独立電極１３０－２が、第２独立対向面１３１－２をもつ。第３独立電極１３０－３が、第３独立対向面１３１－３をもつ。第４独立電極１３０－４が、第４独立対向面１３１－４をもつ。以下、第１独立対向面１３１－１～第４独立対向面１３１－４を区別せずに、独立対向面１３１と呼ぶ場合がある。すなわち、複数の独立電極１３０の各々が、ｚ方向に直交して広がり、ｚ１方向を向いた独立対向面１３１をもつ。すべての独立対向面１３１が、同一の平面に沿って広がる。各独立対向面１３１は、ｘ方向に平行な２辺とｙ方向に平行な２辺とをもつ長方形である。

【0050】

第１独立対向面１３１－１と第３独立対向面１３１－３とが、第１仮想中心線１０１に対して線対称である。第２独立対向面１３１－２と第４独立対向面１３１－４とが、第１仮想中心線１０１に対して線対称である。第１独立対向面１３１－１と第２独立対向面１３１－２とが、第２仮想中心線１０２に対して線対称である。第３独立対向面１３１－３と第４独立対向面１３１－４とが、第２仮想中心線１０２に対して線対称である。

【0051】

４つの独立対向面１３１の全体の外形は、ｘ方向に平行な２辺とｙ方向に平行な２辺とをもつ長方形である。４つの独立対向面１３１は、相互に近接しており、第１仮想中心線１０１と第２仮想中心線１０２とに沿った十字状の細い絶縁領域によって区切られる。他の例において、独立対向面１３１の角が丸みを帯びてもよい。

【0052】

（共通電極）
図３に示すように、共通電極１４０は、ストッパ１１１に囲まれる空間内において、第２基板１２０のｚ２側の面に固定される。共通電極１４０は、ｘｙ平面に平行に広がる薄膜平板状の金属である。共通電極１４０は、ｚ２方向を向いた、ｚ方向に直交して広がる共通対向面１４１をもつ。共通対向面１４１は、ｘ方向に平行な２辺とｙ方向に平行な２辺とをもつ長方形である。ｚ方向から見たとき、共通対向面１４１の外形は、４つの独立対向面１３１の全体の外形より小さい。

【0053】

図１～図３において、共通電極１４０は初期位置にある。図４の実線で示す共通電極１４０は初期位置にある。初期位置において、共通対向面１４１の重心は、ｚ方向において４つの独立対向面１３１の全体の重心に重なる。共通電極１４０が初期位置にあるとき、各独立対向面１３１が、ｚ方向において共通対向面１４１に対向する領域と対向しない領域とを含む。初期位置において、各独立対向面１３１と共通対向面１４１との対向する領域の面積は等しい。

【0054】

（誘電体）
図３に示すように、誘電体１５０は、ｚ方向において共通電極１４０と４つの独立電極１３０との間に位置する。誘電体１５０は、ｚ方向において４つの独立電極１３０のうちの共通電極１４０に対向する領域と、共通電極１４０との間を満たす弾性体である。図１に示すように、誘電体１５０は概ね、ｘｙ平面に平行な２面と、ｙｚ平面に平行な２面と、ｚｘ平面に平行な２面とに囲まれた直方体である。

【0055】

図２に示すように、ｚ方向から見たとき、誘電体１５０は、ｘ方向の両側およびｙ方向の両側において、共通電極１４０よりわずかに外側に広がっている。ｘ方向とｙ方向との両側において、誘電体１５０は、ストッパ１１１の内面には達しない。

【0056】

共通電極１４０は、誘電体１５０により、４つの独立電極１３０に対して初期位置からｘ方向、ｙ方向、ｚ方向、およびｘ方向とｙ方向とｚ方向との合成方向に相対的に変位可能に支持される。共通電極１４０がｚ２方向に押されると、誘電体１５０が圧縮される。共通電極１４０が、ｚ方向に直交する方向に押されると、誘電体１５０のｚ２側の面が４つの独立電極１３０に固定されたまま、誘電体１５０のｚ１側の面が力の方向にずれる。力が解除されると、共通電極１４０は初期位置に戻る。

【0057】

誘電体１５０は、ストッパ１１１により制限される共通電極１４０の移動範囲内において弾性変形可能である。すなわち、誘電体１５０が塑性変形しないように、ストッパ１１１により共通電極１４０の移動範囲が制限される。図３に示すように、移動の前後において、独立対向面１３１と共通対向面１４１とは、概ね、平行に保たれる。

【0058】

図４に示す二点鎖線の共通電極１４０は、実線の共通電極１４０を移動させた後の例示的な位置を示す。移動量によらず移動の前後で、共通対向面１４１の全面が常に独立対向面１３１に対向している。共通電極１４０が移動可能な範囲のうちの少なくとも一部において、共通対向面１４１のうち複数の独立対向面１３１に対向する面積の合計が、実質的に一定である。すなわち、本実施形態では、独立電極１３０の間の隙間は無視できる程度である。他の例において、計算において、４つの独立対向面１３１に対向する共通対向面１４１の面積から、隙間の面積を引いてもよい。

【0059】

（制御装置）
図１に示すように、制御装置１６０は、第１基板１１０上に固定されて、センサ１００における後述の動作を電気的に行う。制御装置１６０は、他の位置にあってよく、複数の位置に分散されてもよい。

【0060】

（配線）
図２に示すように、４つの第１配線１１２の各々が、４つの独立電極１３０の各々と制御装置１６０とを接続する。第１配線１１２は、例えば、金属配線である。第１配線１１２の全体が、第１基板１１０に固定される。他の例において、４つの第１配線１１２の各々の少なくとも一部が、第１基板１１０に固定される。

【0061】

第２配線１２１は、第１基板１１０と共通電極１４０との間に延び、共通電極１４０と制御装置１６０とを接続する。第２配線１２１の少なくとも一部が、第２基板１２０に固定される。第２配線１２１の少なくとも一部が、ストッパ１１１に固定される。

【0062】

（寸法）
各図面の構成要素は、理解しやすくするため誇張して描かれている。一例において、共通対向面１４１の面積は、１０ｍｍ×１０ｍｍである。一例において、誘電体１５０のｚ方向における厚さは、１ｍｍである。

【0063】

（制御装置の詳細）
図５は、独立電極１３０と共通電極１４０と制御装置１６０とを示すブロック図である。制御装置１６０は、検出回路１６１と記憶装置１６２と演算処理装置１６３とを含む。

【0064】

以下、図５とあわせて図４を参照しながら、共通電極１４０が、実線の初期位置から二点鎖線の移動後の位置まで、ｘ方向に変位量Ａ変位し、ｙ方向に変位量Ｂ変位した場合の計算例について、例示的に説明する。誘電体１５０（図３）の誘電率はεと表す。共通対向面１４１（図３）の面積はＳと表す。図４に示すように、ｘ方向における共通対向面１４１の幅は２ｗと表す。ｙ方向における共通対向面１４１の長さは２ｈと表す。ε、Ｓ、ｗ、ｈは、予め設定される。

【0065】

（検出回路）
図５に示す検出回路１６１は、各独立電極１３０と共通電極１４０との間に電圧を印加したときの、各独立電極１３０と共通電極１４０との間に蓄積される電荷量を検出する。検出回路１６１は、検出された電荷量から、第１独立電極１３０－１と共通電極１４０との間の静電容量である第１静電容量（＝Ｃ１）と、第２独立電極１３０－２と共通電極１４０との間の静電容量である第２静電容量（＝Ｃ２）と、第３独立電極１３０－３と共通電極１４０との間の静電容量である第３静電容量（＝Ｃ３）と、第４独立電極１３０－４と共通電極１４０との間の静電容量である第４静電容量（＝Ｃ４）とを表す信号を検出する。検出方法は、一例において、静電容量式タッチパッドにおける静電容量の検出方法と同様である。

【0066】

（記憶装置）
記憶装置１６２は、制御プログラム１６４と関係情報１６５とを記憶する。制御プログラム１６４は、演算処理装置１６３によって読み出されて、演算処理装置１６３にセンサ制御方法および校正方法の一部を行うための機能、及び他の機能を実装させる。演算処理装置１６３が種々の機能を実行するとき、記憶装置１６２は、演算処理装置１６３に制御されて、適宜必要な情報を記憶する。関係情報１６５は、後述のように、誘電体１５０（図１）の誘電率と弾性率との関係を表す。

【0067】

記憶装置１６２は、例えばＲＯＭ（Ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）など、揮発性または不揮発性の記憶装置を含む。また記憶装置１６２は、光ディスクやＵＳＢメモリなどの非一時的な有形の記憶媒体を含んでいてもよい。記憶装置１６２は、取り外し可能であってもよく、取り外し不能であってもよい。

【0068】

（演算処理装置）
演算処理装置１６３は、記憶装置１６２に記憶された制御プログラム１６４を読み出して実行することにより、後述の検出部１７１、圧縮変位量算出部１７２、剪断変位量算出部１７３、誘電率算出部１７６、および弾性率算出部１７７として機能するコンピュータを含む。なお演算処理装置１６３は、少なくとも一部の処理を特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）などの専用のハードウェアや、本実施形態で説明される各機能を実装可能な他の回路で実行してもよい。

【0069】

（検出部）
検出部１７１は、上述の検出回路１６１を制御することにより、共通電極１４０と４つの独立電極１３０の各々との間における静電容量（すなわち、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、およびＣ４）を検出する。

【0070】

（圧縮変位量算出部）
圧縮変位量算出部１７２は、検出された静電容量の和（すなわち、Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３＋Ｃ４）に基づいて、ｚ方向における共通電極１４０と４つの独立電極１３０との相対的な圧縮変位量を算出する。

【0071】

圧縮変位量ｄは、初期位置からの、ｚ２方向における共通電極１４０の変位量を表す。初期位置におけるｚ方向における独立対向面１３１と共通対向面１４１との距離をｄ１（変形前の誘電体１５０の厚さに等しい）とし、移動後のｚ方向における独立対向面１３１と共通対向面１４１との距離をｄ２（変形後の誘電体１５０の厚さに等しい）とした場合、圧縮変位量ｄ（誘電体１５０の厚さの変化量に等しい）は式（１）のように表される。初期位置におけるｄ１は、予め設定される。初期位置における静電容量の和Ｃは、式（２）のように表される。εは、誘電体１５０の誘電率を表す。移動後の静電容量の和ＣＡＢは、式（３）のように表される。
ｄ＝ｄ１－ｄ２ … 式（１）
Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ１ …式（２）
ＣＡＢ＝ε×Ｓ／ｄ２ …式（３）
従って、圧縮変位量ｄは、式（４）のように算出される。
ｄ＝ｄ１（ＣＡＢ－Ｃ）／ＣＡＢ …式（４）

【0072】

（剪断変位量算出部）
剪断変位量算出部１７３は、検出された静電容量（すなわち、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、およびＣ４）に基づいて、剪断変位量（すなわち、ＡおよびＢ）を算出する。剪断変位量は、ｘ方向とｙ方向との各々における共通電極１４０と４つの独立電極１３０との相対的な変位量である。第１剪断変位量（＝Ａ）は、Ｃ１とＣ３との和（＝ＣＬ）と、Ｃ２とＣ４との和（＝ＣＲ）とに基づいて算出される、ｘ方向における剪断変位量である。第２剪断変位量（＝Ｂ）は、Ｃ１とＣ２との和（＝ＣＵ）と、Ｃ３とＣ４との和（＝ＣＢ）とに基づいて算出される、ｙ方向における剪断変位量である。

【0073】

Ｃ１とＣ３との和ＣＬは、式（５）のように表される。Ｃ２とＣ４との和ＣＲは、式（６）のように表される。移動後の静電容量ＣＡＢは式（７）のように表される。式（５）と式（６）と式（７）とを使用して、ＣＬ－ＣＲが式（８）のように表される。
ＣＬ＝Ｃ１＋Ｃ３＝ε２ｈ×（ｗ＋Ａ）／（ｄ１－ｄ） …式（５）
ＣＲ＝Ｃ２＋Ｃ４＝ε２ｈ×（ｗ－Ａ）／（ｄ１－ｄ） …式（６）
ＣＡＢ＝ε２ｈ×２ｗ／（ｄ１－ｄ） …式（７）
ＣＬ－ＣＲ＝ε２ｈ×２Ａ／（ｄ１－ｄ）＝ＣＡＢ×Ａ／ｗ …式（８）

【0074】

従って、第１剪断変位量Ａは式（９）のように算出される。同様に、第２剪断変位量Ｂは式（１０）のように算出される。
Ａ＝ｗ×（ＣＬ－ＣＲ）／ＣＡＢ …式（９）
Ｂ＝ｈ×（ＣＵ－ＣＢ）／ＣＡＢ …式（１０）
従って、全体の剪断変位量ｑは、式（１１）のように算出される。なお、ｓｑｒｔは、括弧内の式の平方根を計算する。
ｑ＝ｓｑｒｔ（Ａ^２＋Ｂ^２） …式（１１）

【0075】

（圧縮力算出部）
圧縮力算出部１７４は、圧縮変位量ｄと誘電体１５０の材料特性とに基づいて、共通電極１４０から誘電体１５０に対してｚ２方向に印加された圧縮力ｆ１を算出する。圧縮力の算出に使用される材料特性は、誘電体１５０の弾性率Ｅを含む。弾性率Ｅは、予め設定される。

【0076】

誘電体１５０の弾性率Ｅは、式（１２）のように表される。誘電体１５０に加わる圧縮方向の応力σ１は、式（１３）のように表される。誘電体１５０の圧縮ひずみｏは、式（１４）のように表される。
Ｅ＝σ１／ｏ …式（１２）
σ１＝ｆ１／Ｓ …式（１３）
ｏ＝ｄ／ｄ１ …式（１４）
従って、圧縮力ｆ１は、式（１２）と式（１３）と式（１４）とから式（１５）のように算出される。
ｆ１＝Ｅ×Ｓ×ｄ／ｄ１ …式（１５）

【0077】

（剪断力算出部）
剪断力算出部１７５は、圧縮変位量ｄと第１剪断変位量Ａと第２剪断変位量Ｂと誘電体１５０の材料特性とに基づいて、共通電極１４０から誘電体１５０に対してｚ方向に直交する方向に印加された剪断力ｆ２を算出する。剪断力の算出に使用される材料特性は、誘電体１５０のずれ弾性係数Ｇを含む。

【0078】

誘電体１５０のずれ弾性係数Ｇは、式（１６）のように表される。剪断応力σ２は、式（１７）のように表される。
Ｇ＝σ２×ｄ２／ｑ …式（１６）
σ２＝ｆ２／Ｓ …式（１７）
従って、式（１６）と式（１７）と式（１）とから、全体の剪断力ｆ２は式（１８）のように算出される。ｘ方向における剪断力である第１剪断力ｆｘは、式（１９）のように算出される。ｙ方向における剪断力である第２剪断力ｆｙは、式（２０）のように算出される。
ｆ２＝Ｇ×Ｓ×ｓｑｒｔ（Ａ^２＋Ｂ^２）／（ｄ１－ｄ） …式（１８）
ｆｘ＝ｆ２×Ａ／ｑ …式（１９）
ｆｙ＝ｆ２×Ｂ／ｑ …式（２０）

【0079】

（誘電率算出部）
誘電率算出部１７６は、共通電極１４０が初期位置にあるときの静電容量に基づいて、誘電体１５０の誘電率を算出する。共通電極１４０が初期位置にあることは、例えば、検出された静電容量に所定期間変化がないこと、他の入力からの通知があること、起動して間もないことなどによって認識する。

【0080】

（弾性率算出部）
弾性率算出部１７７は、誘電体１５０の誘電率と弾性率との関係を表す予め規定された関係情報１６５に基づいて、算出された誘電率から弾性率を算出する。関係情報１６５は、一例において、誘電率と弾性率との関係を表す計算式であり、他の一例において、誘電率と弾性率との関係を表す表である。圧縮力算出部１７４は、弾性率算出部１７７により算出された弾性率を使用して、圧縮力を算出する。

【0081】

（センサ制御方法）
図６は、図１に示すセンサ１００が実施するセンサ制御方法を説明するためのフロー図である。なお、ステップの順序は、算出が可能である限りにおいて、図示されるものに限定されない。

【0082】

まず、図６に示すステップ１８１において、検出部１７１（図５）が、静電容量（すなわち、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、およびＣ４）を検出する。次に、図６に示すステップ１８２において、圧縮変位量算出部１７２（図５）が、式（４）に基づいて圧縮変位量ｄを算出する。次に、図６に示すステップ１８３において、剪断変位量算出部１７３（図５）が、式（９）に基づいて第１剪断変位量Ａを算出し、式（１０）に基づいて第２剪断変位量Ｂを算出し、式（１１）に基づいて全体の剪断変位量ｑを算出する。

【0083】

次に、図６に示すステップ１８４において、圧縮力算出部１７４（図５）が、式（１５）に基づいて、圧縮力ｆ１を算出する。次に、図６に示すステップ１８５において、剪断力算出部１７５（図５）が、式（１８）に基づいて全体の剪断力ｆ２を算出し、式（１９）に基づいて第１剪断力ｆｘを算出し、式（２０）に基づいて第２剪断力ｆｙを算出する。

【0084】

（校正方法）
図７は、図１に示すセンサ１００が実施する校正方法を説明するためのフロー図である。

【0085】

まず、ステップ１８６において、誘電率算出部１７６（図５）は、共通電極１４０（図４）が初期位置にあるか否か判定する。共通電極１４０（図４）が初期位置にあることは、例えば、検出された静電容量に所定期間変化がないこと、他の入力からの通知があること、起動して間もないことなどによって認識する。ステップ１８６において、共通電極１４０（図４）が初期位置にないと判定された場合、校正方法が終了する。ステップ１８６において、共通電極１４０（図４）が初期位置にあると判定された場合、ステップ１８７に進む。

【0086】

ステップ１８７において、誘電率算出部１７６（図５）は、共通電極１４０（図４）が初期位置にあるときの静電容量（すなわち、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、およびＣ４）に基づいて、式（２）から誘電体１５０（図３）の誘電率を算出する。次に、ステップ１８８において、弾性率算出部１７７（図５）は、関係情報１６５（図５）と算出された誘電率とに基づいて、弾性率を算出する。弾性率が算出された後、圧縮力算出部１７４（図５）は、算出された弾性率を使用して圧縮力を算出する。

【0087】

以上のように、ｘ１方向における共通電極１４０の変位量Ａが増えると、第１独立電極１３０－１と共通電極１４０との対向面積に、第３独立電極１３０－３と共通電極１４０との対向面積を加えた面積ＳＬが単調増加し、第２独立電極１３０－２と共通電極１４０との対向面積に、第４独立電極１３０－４と共通電極１４０との対向面積を加えた面積ＳＲが、ＳＬと同じ大きさの変化率で単調減少する。式（３）と同様に、ｄ２が一定の場合、静電容量ＣＬはＳＬに比例し、静電容量ＣＲはＳＲに比例する。

【0088】

従って、ＡとＣＬとが一対一に対応し、ＡとＣＲとが一対一に対応するので、ｄ２がわかればＣＬおよびＣＲからＡが一意に算出される。ｘ２方向、ｙ１方向、およびｙ２方向についても同様である。

【0089】

（まとめ）
本実施形態のセンサ１００は、複数の独立電極１３０と、複数の独立電極１３０に対して初期位置から圧縮方向と圧縮方向に直交する剪断方向とに変位可能に支持された共通電極１４０と、共通電極１４０と複数の独立電極１３０との間に位置する誘電体１５０と、共通電極１４０と複数の独立電極１３０の各々との間における静電容量を検出する検出部１７１と、検出された静電容量の和に基づいて、圧縮方向における共通電極１４０と複数の独立電極１３０との相対的な圧縮変位量を算出する圧縮変位量算出部１７２と、検出された静電容量に基づいて、剪断方向における共通電極１４０と複数の独立電極１３０との相対的な剪断変位量を算出する剪断変位量算出部１７３と、を備え、複数の独立電極１３０の各々が、圧縮方向に直交して広がる独立対向面１３１をもち、すべての独立対向面１３１が、同一の平面に沿って広がり、共通電極１４０が、圧縮方向に直交して広がる共通対向面１４１をもち、共通電極１４０が初期位置にあるとき、各独立対向面１３１が、圧縮方向において共通対向面１４１に対向する領域と対向しない領域とを含み、共通電極１４０が移動可能な範囲のうちの少なくとも一部において、共通対向面１４１のうち複数の独立対向面１３１に対向する面積の合計が、一定である。

【0090】

本実施形態によれば、圧縮変位量と剪断変位量との算出において、共通した複数の独立電極１３０における静電容量を使用するので、圧縮変位量と剪断変位量との算出に別々の電極を用意する従来技術に比べて簡単な構造で、圧縮変位量と剪断変位量とを正確に検出可能である。また、圧縮変位量を検出するための誘電体１５０と剪断変位量を検出するための誘電体１５０とを重ねる必要がないため、圧縮変位量と剪断変位量とを正確に区別することができる。

【0091】

本実施形態において、第１仮想中心線１０１と第１仮想中心線１０１に交わる第２仮想中心線１０２とにより分割された第１区画１０３－１と第２区画１０３－２と第３区画１０３－３と第４区画１０３－４との各々に１つの独立電極１３０が位置し、第１仮想中心線１０１が、圧縮方向に直交する第１剪断方向に平行であり、第２仮想中心線１０２が、圧縮方向と第１剪断方向とに直交する第２剪断方向に平行であり、第１区画１０３－１に位置する独立電極１３０である第１独立電極１３０－１と、第２区画１０３－２に位置する独立電極１３０である第２独立電極１３０－２とが第１剪断方向に並び、第３区画１０３－３に位置する独立電極１３０である第３独立電極１３０－３と、第４区画１０３－４に位置する独立電極１３０である第４独立電極１３０－４とが第１剪断方向に並び、第１独立電極１３０－１と第３独立電極１３０－３とが、第２剪断方向に並び、第２独立電極１３０－２と第４独立電極１３０－４とが、第２剪断方向に並び、検出部１７１が、第１独立電極１３０－１と共通電極１４０との間の静電容量である第１静電容量を検出し、検出部１７１が、第２独立電極１３０－２と共通電極１４０との間の静電容量である第２静電容量を検出し、検出部１７１が、第３独立電極１３０－３と共通電極１４０との間の静電容量である第３静電容量を検出し、検出部１７１が、第４独立電極１３０－４と共通電極１４０との間の静電容量である第４静電容量を検出し、圧縮変位量算出部１７２が、第１静電容量と第２静電容量と第３静電容量と第４静電容量との和に基づいて、圧縮変位量を算出し、剪断変位量算出部１７３が、第１静電容量と第３静電容量との和と、第２静電容量と第４静電容量との和とに基づいて、第１剪断方向における剪断変位量である第１剪断変位量を算出し、剪断変位量算出部１７３が、第１静電容量と第２静電容量との和と、第３静電容量と第４静電容量との和とに基づいて、第２剪断方向における剪断変位量である第２剪断変位量を算出する。

【0092】

本実施形態によれば、従来に比べて簡単な構造で、多方向における変位量、すなわち、圧縮変位量と、第１剪断方向における第１剪断変位量と、第２剪断方向における第２剪断変位量とを正確に検出可能である。

【0093】

本実施形態において、第１独立電極１３０－１の独立対向面１３１と第３独立電極１３０－３の独立対向面１３１とが、第１仮想中心線１０１に対して線対称であり、第２独立電極１３０－２の独立対向面１３１と第４独立電極１３０－４の独立対向面１３１とが、第１仮想中心線１０１に対して線対称であり、第１独立電極１３０－１の独立対向面１３１と第２独立電極１３０－２の独立対向面１３１とが、第２仮想中心線１０２に対して線対称であり、第３独立電極１３０－３の独立対向面１３１と第４独立電極１３０－４の独立対向面１３１とが、第２仮想中心線１０２に対して線対称である。

【0094】

本実施形態によれば、複数の独立電極１３０の独立対向面１３１に対称性があるので、非対称な場合に比べて製造が容易であり、変位量の算出が容易となる。

【0095】

本実施形態において、各独立対向面１３１が、第１剪断方向に平行な２辺と第２剪断方向に平行な２辺とをもつ長方形であり、共通対向面１４１が、第１剪断方向に平行な２辺と第２剪断方向に平行な２辺とをもつ長方形である。

【0096】

本実施形態によれば、複数の独立電極１３０が長方形であるので、複雑な形状に比べて製造が容易であり、静電容量の算出が容易となる。

【0097】

本実施形態において、誘電体１５０が、複数の独立電極１３０と共通電極１４０との間を圧縮方向に満たす弾性体であり、共通電極１４０が誘電体１５０により、複数の独立電極１３０に対して初期位置から圧縮方向と剪断方向とに相対的に変位可能に支持される。

【0098】

本実施形態によれば、共通電極１４０を誘電体１５０とは別の材料で支持する場合に比べて構成が簡単となる。また、誘電体１５０が弾性体であるので、力を解除したときに共通電極１４０を自動的に元の位置に戻すことができる。

【0099】

本実施形態のセンサ１００は、圧縮変位量と誘電体１５０の材料特性とに基づいて、共通電極１４０から誘電体１５０に対して圧縮方向に印加された圧縮力を算出する圧縮力算出部１７４と、圧縮変位量と第１剪断変位量と第２剪断変位量と誘電体１５０の材料特性とに基づいて、共通電極１４０から誘電体１５０に対して剪断方向に印加された剪断力を算出する剪断力算出部１７５と、を備える。

【0100】

本実施形態によれば、圧縮力と剪断力との算出において、共通した複数の独立電極１３０における静電容量を使用するので、圧縮力と剪断力との算出に別々の電極を用意する従来技術に比べて簡単な構造で、圧縮力と剪断力とを正確に検出可能である。また、従来と異なり、圧縮力を検出するための誘電体１５０と剪断力を検出するための誘電体１５０とを重ねる必要がないため、圧縮力と剪断力とを正確に区別することができる。

【0101】

本実施形態のセンサ１００は、共通電極１４０が初期位置にあるときの静電容量に基づいて、誘電体１５０の誘電率を算出する誘電率算出部１７６と、誘電率と誘電体１５０の弾性率との関係を表す予め規定された関係情報１６５に基づいて、算出された誘電率から弾性率を算出する弾性率算出部１７７と、を備え、圧縮力の算出に使用される材料特性が、弾性率を含み、圧縮力算出部１７４が、算出された弾性率を使用して、圧縮力を算出する。

【0102】

本実施形態によれば、温度などによる誘電体１５０の弾性率の変化を考慮して、圧縮力を正確に検出可能である。

【0103】

本実施形態のセンサ１００は、複数の独立電極１３０に対する共通電極１４０の移動範囲を制限するストッパ１１１を備え、誘電体１５０が、移動範囲内において弾性変形可能である。

【0104】

本実施形態によれば、誘電体１５０の塑性変形を防いで、正確な検出を維持することができる。

【0105】

本実施形態のセンサ１００は、第１基板１１０と、第２基板１２０と、複数の独立電極１３０の各々に接続された複数の第１配線１１２と、共通電極１４０に接続された第２配線１２１と、を備え、複数の第１配線１１２の各々の少なくとも一部と、複数の独立電極１３０とが、第１基板１１０に固定され、第２配線１２１の少なくとも一部と、共通電極１４０とが、第２基板１２０に固定される。

【0106】

本実施形態によれば、複数の第１配線１１２と複数の独立電極１３０とが第１基板１１０に固定されるので、断線を防ぎやすい。また、第２配線１２１と共通電極１４０とが第２基板１２０に固定されるので、断線を防ぎやすい。

【0107】

本実施形態のセンサ１００は、複数の独立電極１３０に対する共通電極１４０の移動範囲を制限するストッパ１１１と、ストッパ１１１が固定された第１基板１１０と、複数の独立電極１３０の各々に接続された複数の第１配線１１２と、第１基板１１０と共通電極１４０との間に延びた第２配線１２１と、を備え、誘電体１５０が、移動範囲内において弾性変形可能であり、複数の第１配線１１２の各々の少なくとも一部が、第１基板１１０に固定され、第２配線１２１の少なくとも一部が、ストッパ１１１に固定される。

【0108】

本実施形態によれば、第１配線１１２と第２配線１２１とが固定されるので断線を防ぎやすい。

【0109】

（第２実施形態）
図８は、本実施形態の共通電極２４０と４つの独立電極２３０と誘電体２５０との平面図である。

【0110】

各独立対向面２３１は概ね、共通の仮想中心点２０４をもつ扇形状である。独立対向面２３１は概ね、ｘ方向とｙ方向とにより規定される９０度の中心角をもつ。すなわち、４つの独立対向面２３１は、概ね１つの円を４等分したものである。共通対向面２４１は、円形である。共通電極２４０が初期位置にあるとき、ｚ方向において、共通対向面２４１の中心点が、仮想中心点２０４に重なる。

【0111】

誘電体２５０は、ｚ方向において４つの独立電極２３０のうちの共通電極２４０に対向する領域と、共通電極２４０との間を満たす弾性体である。誘電体２５０は概ね、ｚ方向に延びた中心軸をもつ円柱である。ｚ方向から見たとき、誘電体２５０は、全体的に共通電極２４０よりわずかに外側に広がっているが、４つの独立電極２３０全体の外形より小さい。

【0112】

第２仮想中心線２０２の両側における静電容量（ＣＬ、ＣＲ）の算出方法は、式（５）および式（６）とは異なる。しかし、数学的に第１仮想中心線２０１の両側において共通対向面２４１と独立対向面２３１とが対向する各面積は、ｘ方向の変位量の関数であり、逆に、面積から変位量が算出される。従って、静電容量がわかれば面積がわかり、結果として変位量が算出される。ｙ方向における変位量も同様である。ｘ方向とｙ方向との変位量がわかれば、第１実施形態（図４）と同様に圧縮力と剪断力とが計算可能である。

【0113】

他の例において、第１実施形態と同様に、４つの独立電極２３０の外形に沿って４つの独立電極２３０を囲う円筒状のストッパが、共通電極２４０の移動範囲を制限する。

【0114】

（まとめ）
本実施形態において、各独立対向面２３１が、共通の仮想中心点２０４をもつ扇形状であり、共通対向面２４１が、円形であり、共通電極２４０が初期位置にあるとき、圧縮方向において、共通対向面２４１の中心点が、仮想中心点２０４に重なる。

【0115】

本実施形態によれば、複数の独立電極２３０が扇形状であるので、複雑な形状に比べて製造が容易であり、静電容量の算出が容易となる。また、初期位置から共通電極２４０を変位させる場合、いずれの方向においても、最大変位可能量を同じにすることができる。

【0116】

（第３実施形態）
図９は、本実施形態の共通電極３４０と４つの独立電極３３０と誘電体３５０との平面図である。共通電極３４０の形状の説明は、初期位置にあるときの位置関係に基づく。

【0117】

共通電極３４０の共通対向面３４１は、第１区画３０３－１に位置する第１湾曲縁部３９２－１と、第２区画３０３－２に位置する第２湾曲縁部３９２－２と、第３区画３０３－３に位置する第３湾曲縁部３９２－３と、第４区画３０３－４に位置する第４湾曲縁部３９２－４と（以下、区別せずに湾曲縁部３９２と呼ぶ場合がある）をもつ。湾曲縁部３９２は、ｘ方向とｙ方向との間に規定される９０度の中心角をもつ扇形状をもつ。４つの湾曲縁部３９２は概ね、１つの円を４等分して離間したものに等しい。湾曲縁部３９２は、圧縮方向に直交する平面内において外側に向けて凸状である。

【0118】

共通対向面３４１は、ｘ方向に平行で第１区画３０３－１から第２区画３０３－２内に延びた第１縁部３９１－１と、ｙ方向に平行で第１区画３０３－１から第３区画３０３－３内に延びた第２縁部３９１－２と、ｙ方向に平行で第２区画３０３－２から第４区画３０３－４内に延びた第３縁部３９１－３と、ｘ方向に平行で第３区画３０３－３から第４区画３０３－４内に延びた第４縁部３９１－４とをもつ。

【0119】

第１区画３０３－１において第１湾曲縁部３９２－１は、第１縁部３９１－１の一端と第２縁部３９１－２の一端とをつなぐ。第２区画３０３－２において第２湾曲縁部３９２－２は、第１縁部３９１－１の他端と第３縁部３９１－３の一端とをつなぐ。第３区画３０３－３において第３湾曲縁部３９２－３は、第２縁部３９１－２の他端と第４縁部３９１－４の一端とをつなぐ。第４区画３０３－４において第４湾曲縁部３９２－４は、第３縁部３９１－３の他端と第４縁部３９１－４の他端とをつなぐ。

【0120】

共通対向面３４１のうち第１区画３０３－１内の領域は、第１縁部３９１－１と湾曲縁部３９２とから第２剪断方向に第３区画３０３－３まで連続して広がる形状をもつ。共通対向面３４１のうち第１区画３０３－１内の領域は、第２縁部３９１－２と湾曲縁部３９２とから第１剪断方向に第２区画３０３－２まで連続して広がる形状をもつ。共通対向面３４１の全体が、第１仮想中心線３０１に対して線対称な形状であり、第２仮想中心線３０２に対して線対称な形状である。すなわち、共通対向面３４１は全体として、長方形の角を丸くした形状である。

【0121】

第１区画３０３－１に位置する第１独立電極３３０－１の第１独立対向面３３１－１は、第１縁部３９１－１に平行な第１外縁部３９３と、第２縁部３９１－２に平行な第２外縁部３９４と、湾曲外縁部３９５と、ｘ方向に平行な第３外縁部３９６と、ｙ方向に平行な第４外縁部３９７とをもつ。湾曲外縁部３９５は、第１外縁部３９３のｘ１側の一端と第２外縁部３９４のｙ２側の一端とをつなぐ。湾曲外縁部３９５は、ｘ方向とｙ方向との間に規定される９０度の中心角をもつ扇形状をもつ。湾曲外縁部３９５は、圧縮方向に直交する平面内において外側に向けて凸状である。

【0122】

第３外縁部３９６のｘ１側の一端は、第２外縁部３９４のｙ１側の一端に接続される。第４外縁部３９７のｙ２側の一端は、第１外縁部３９３のｘ２側の一端に接続される。第３外縁部３９６のｘ２側の一端は、第４外縁部３９７のｙ１側の一端に接続される。第３外縁部３９６と第４外縁部３９７との交点は、第１仮想中心線３０１と第２仮想中心線３０２との交点付近に位置する。

【0123】

第１独立対向面３３１－１は、第１外縁部３９３と湾曲外縁部３９５とからｙ方向において第３区画３０３－３に向けて第３外縁部３９６まで連続して広がる形状をもつ。第１独立対向面３３１－１は、第２外縁部３９４と湾曲外縁部３９５とからｘ方向において第２区画３０３－２に向けて第４外縁部３９７まで連続して広がる形状をもつ。第１独立電極３３０－１は全体として、長方形のうち、第１仮想中心線３０１と第２仮想中心線３０２との交点から最も遠い角に丸みをもたせた形状をもつ。

【0124】

４つの独立対向面３３１全体の外形は、長方形の角が丸みを帯びた形状をもつ。また、４つの独立対向面３３１は、第１仮想中心線３０１と第２仮想中心線３０２とに沿った十字状の細い絶縁領域によって区切られる。共通電極３４０が初期位置にあるとき、ｚ方向において、湾曲縁部３９２の扇形状の仮想中心点が湾曲外縁部３９５の扇形状の仮想中心点に、点３０５で重なる。ｚ方向から見たとき、共通対向面３４１の外形は、４つの独立対向面３３１全体の外形より小さい。

【0125】

共通電極３４０が初期位置にあるとき、ｙ方向における第１外縁部３９３と第１縁部３９１－１との離間距離Ｌ１が、ｘ方向における第２外縁部３９４と第２縁部３９１－２との離間距離Ｌ２と同じである。共通電極３４０が初期位置にあるとき、湾曲外縁部３９５の半径と湾曲縁部３９２の半径との差Ｌ３が、ｙ方向における第１外縁部３９３と第１縁部３９１－１との離間距離Ｌ１と同じである。

【0126】

第１独立対向面３３１－１と第３独立対向面３３１－３とが、第１仮想中心線３０１に対して線対称である。第２独立対向面３３１－２と第４独立対向面３３１－４とが、第１仮想中心線３０１に対して線対称である。第１独立対向面３３１－１と第２独立対向面３３１－２とが、第２仮想中心線３０２に対して線対称である。第３独立対向面３３１－３と第４独立対向面３３１－４とが、第２仮想中心線３０２に対して線対称である。

【0127】

誘電体３５０は、ｚ方向において４つの独立電極３３０のうちの共通電極３４０に対向する領域と、共通電極３４０との間を満たす弾性体である。誘電体３５０は概ね、ｚ方向に延びた柱状体であり、ｘｙ平面に平行な断面は、概ね共通対向面３４１と相似である。ｚ方向から見たとき、誘電体３５０は、全体的に共通電極３４０よりわずかに外側に広がっているが、４つの独立電極３３０全体の外形より小さい。

【0128】

第２仮想中心線３０２の両側における静電容量（ＣＬ、ＣＲ）の算出方法は、式（５）および式（６）とは異なる。しかし、数学的に第１仮想中心線３０１の両側において共通対向面３４１と独立対向面３３１とが対向する各面積は、ｘ方向の変位量の関数であり、逆に、面積から変位量が算出される。従って、静電容量がわかれば面積がわかり、結果として変位量が算出される。ｙ方向における変位量も同様である。ｘ方向とｙ方向との変位量がわかれば、第１実施形態（図４）と同様に圧縮力と剪断力とが計算可能である。

【0129】

（まとめ）
本実施形態において、共通対向面３４１が、第１剪断方向に平行で第１区画３０３－１から第２区画３０３－２内に延びた第１縁部３９１－１と、第２剪断方向に平行で第１区画３０３－１から第３区画３０３－３内に延びた第２縁部３９１－２と、湾曲縁部３９２とをもち、共通電極３４０が初期位置にあるとき、湾曲縁部３９２が、第１区画３０３－１内に位置し、湾曲縁部３９２が、第１縁部３９１－１の一端と第２縁部３９１－２の一端とをつなぎ、湾曲縁部３９２が、第１剪断方向と第２剪断方向との間に規定される９０度の中心角をもつ扇形状であり、湾曲縁部３９２が、圧縮方向に直交する平面内において外側に向けて凸状であり、共通電極３４０が初期位置にあるとき、共通対向面３４１のうち第１区画３０３－１内の領域が、第１縁部３９１－１と湾曲縁部３９２とから第２剪断方向に第３区画３０３－３まで連続して広がる形状をもち、共通電極３４０が初期位置にあるとき、共通対向面３４１のうち第１区画３０３－１内の領域が、第２縁部３９１－２と湾曲縁部３９２とから第１剪断方向に第２区画３０３－２まで連続して広がる形状をもち、第１独立電極３３０－１の独立対向面３３１が、第１縁部３９１－１に平行な第１外縁部３９３と、第２縁部３９１－２に平行な第２外縁部３９４と、湾曲外縁部３９５とをもち、湾曲外縁部３９５が、第１外縁部３９３の一端と第２外縁部３９４の一端とをつなぎ、湾曲外縁部３９５が、第１剪断方向と第２剪断方向との間に規定される９０度の中心角をもつ扇形状であり、湾曲外縁部３９５が、圧縮方向に直交する平面内において外側に向けて凸状であり、第１独立電極３３０－１の独立対向面３３１が、第１外縁部３９３と湾曲外縁部３９５とから第２剪断方向において第３区画３０３－３に向けて連続して広がる形状をもち、第１独立電極３３０－１の独立対向面３３１が、第２外縁部３９４と湾曲外縁部３９５とから第１剪断方向において第２区画３０３－２に向けて連続して広がる形状をもち、共通電極３４０が初期位置にあるとき、圧縮方向において、湾曲縁部３９２の扇形状の仮想中心点が湾曲外縁部３９５の扇形状の仮想中心点に重なり、共通電極３４０が初期位置にあるとき、第２剪断方向における第１外縁部３９３と第１縁部３９１－１との離間距離が、第１剪断方向における第２外縁部３９４と第２縁部３９１－２との離間距離と同じであり、共通電極３４０が初期位置にあるとき、湾曲外縁部３９５の半径と湾曲縁部３９２の半径との差が、第２剪断方向における第１外縁部３９３と第１縁部３９１－１との離間距離と同じである。

【0130】

本実施形態によれば、初期位置から共通電極３４０を変位させる場合、いずれの方向においても、最大変位可能量を同じにすることができる。

【0131】

（第４実施形態）
図１０は、本実施形態の共通電極４４０と３つの独立電極４３０と誘電体４５０との平面図である。第１実施形態（図４）と異なり、独立電極４３０は３つであり、回転対称に位置する。３つの独立電極４３０には、第１独立電極４３０－１と第２独立電極４３０－２と第３独立電極４３０－３とが含まれる。

【0132】

第１仮想線４０６－１と第２仮想線４０６－２と第３仮想線４０６－３とが１２０度間隔で反時計回りに規定される。第１仮想線４０６－１は、ｙ方向に平行である。第２仮想線４０６－２と第３仮想線４０６－３との間に第１区画４０３－１が位置し、第３仮想線４０６－３と第１仮想線４０６－１との間に第２区画４０３－２が位置し、第１仮想線４０６－１と第２仮想線４０６－２との間に第３区画４０３－３が位置する。

【0133】

第１独立電極４３０－１は、全体が第１区画４０３－１内に位置する。第１独立電極４３０－１は、ｘ方向に平行な第１縁部４９８－１と、第１縁部４９８－１のｘ２側の一端からｙ２方向に延びた第２縁部４９８－２と、第１縁部４９８－１のｘ１側の一端からｙ２方向に延びた第３縁部４９８－３と、第２仮想線４０６－２に平行な第４縁部４９８－４と、第３仮想線４０６－３に平行な第５縁部４９８－５とを含む。

【0134】

第２縁部４９８－２と第３縁部４９８－３とは同じ長さである。第４縁部４９８－４は、一端において、第２縁部４９８－２のｙ２側端部に接続する。第５縁部４９８－５は、一端において、第３縁部４９８－３のｙ２側端部に接続する。第４縁部４９８－４の他端と第５縁部４９８－５の他端とが接続される。第４縁部４９８－４と第５縁部４９８－５とは、同じ長さであり、１２０度の内角を規定する。

【0135】

第２区画４０３－２に位置する第２独立電極４３０－２は、第１独立電極４３０－１を時計回りに１２０度回転させた形状をもつ。第３区画４０３－３に位置する第３独立電極４３０－３は、第１独立電極４３０－１を反時計回りに１２０度回転させた形状をもつ。
第１独立電極４３０－１と第２独立電極４３０－２と第３独立電極４３０－３とは、１２０度の角度をなす頂点を互いに近接させて位置する。

【0136】

共通電極４４０および誘電体４５０の形状は、第１実施形態（図４）の共通電極１４０および誘電体１５０の形状と同様である。共通電極４４０が初期位置にあるとき、共通電極４４０の重心は、ｚ方向において、第１仮想線４０６－１と第２仮想線４０６－２と第３仮想線４０６－３との交点に重なる。ｚ方向から見たとき、共通電極４４０および誘電体４５０の外形は、３つの独立電極４３０の外形から外に出ない。

【0137】

（まとめ）
本実施形態によれば、圧縮方向に直交する３つの剪断方向における共通電極４４０の変位量を検出することができる。

【0138】

（第５実施形態）
図１１は、本実施形態の共通電極５４０と４つの独立電極５３０と補助電極５３２の平面図である。本実施形態の共通電極５４０の形状は、第１実施形態（図４）の共通電極１４０の形状と同様である。

【0139】

本実施形態の各独立電極５３０は、第１実施形態（図４）の独立電極１３０のうち、第１仮想中心線１０１と第２仮想中心線１０２との交点に近い角が、長方形に切り取られた形状をもつ。図１１に示すように、第１仮想中心線５０１と第２仮想中心線５０２との交点に重なるように、４つの独立電極５３０は、ｘ方向に平行な２辺とｙ方向に平行な２辺に囲まれる空き領域５３４を規定する。空き領域５３４の面積は、共通対向面５４１の面積より小さい。

【0140】

補助電極５３２は、第１仮想中心線５０１と第２仮想中心線５０２との交点に重なるように、空き領域５３４内に位置する。補助電極５３２は、ｘｙ平面に平行に広がる薄膜平板状の金属である。補助電極５３２は、ｚ１方向を向いた、ｚ方向に直交して広がる補助対向面５３３をもつ。補助対向面５３３は、ｘ方向に平行な２辺とｙ方向に平行な２辺とをもつ長方形である。独立対向面５３１と補助対向面５３３とは、同一の平面に沿って広がる。

【0141】

ｚ方向から見たとき、補助対向面５３３の外形は、共通対向面５４１の全体の外形より小さい。補助対向面５３３の面積が、共通対向面５４１の面積より小さい。補助対向面５３３の全体が、ｚ方向において共通対向面５４１に対向する。一例において、共通電極５４０の移動可能な範囲のうち少なくとも一部において、補助対向面５３３の全体が、ｚ方向において共通対向面５４１に対向する。他の一例において、共通電極５４０の移動可能な範囲の全体において、補助対向面５３３の全体が、ｚ方向において共通対向面５４１に対向する。

【0142】

図１２は、独立電極５３０と共通電極５４０と補助電極５３２と制御装置５６０とを示すブロック図である。第１実施形態と異なり、検出回路５６１はさらに、補助電極５３２と共通電極５４０との間に電圧を印加したときの、補助電極５３２と共通電極５４０との間に蓄積される電荷量から補助電極５３２と共通電極５４０との間における静電容量Ｃ５を検出する。圧縮変位量算出部５７２は、第１実施形態で算出される圧縮変位量に加えて、または、第１実施形態で算出される圧縮変位量に代えて、Ｃ５に基づいて圧縮変位量を算出する。

【0143】

補助電極５３２は第１仮想中心線５０１によりｙ方向に２等分され、第２仮想中心線５０２によりｘ方向に２等分される。また、補助電極５３２と独立電極５３０との間隔は無視できる程度である。第１実施形態のＣＬとＣＲとに比べて、本実施形態のＣＬとＣＲとはそれぞれＣ５／２小さい。しかし、式（８）のように差分をとるとＣ５／２は相殺されるので、Ｃ５を利用せずに式（８）の第１項と第２項とからＡが求まる。Ｂについても同様である。また、本実施形態では、式（７）の右辺がＣＡＢ＋Ｃ５を表すことを利用して、式（９）および式（１０）を書き換えることにより、剪断変位量の算出にＣ５を利用することもできる。

【0144】

（まとめ）
本実施形態のセンサは、補助電極５３２を備え、補助電極５３２が、圧縮方向に直交して広がる補助対向面５３３をもち、補助対向面５３３の面積が、共通対向面５４１の面積より小さく、補助対向面５３３の全体が、圧縮方向において共通対向面５４１に対向する。

【0145】

本実施形態によれば、補助対向面５３３の全体が圧縮方向において共通対向面５４１に対向するので、剪断方向の変位によらず、補助電極５３２と共通電極５４０との間の静電容量が一定となり、安定して圧縮方向の変位を検出することができる。

【0146】

本発明は上述した実施形態には限定されない。すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0147】

本発明は、静電容量により変位を検出する種々のセンサに適用可能である。

【符号の説明】

【0148】

１００…センサ、１０１…第１仮想中心線、１０２…第２仮想中心線、
１０３…区画（１０３－１…第１区画～１０３－４…第４区画）、１１０…第１基板、
１１１…ストッパ、１１２…第１配線、１２０…第２基板、１２１…第２配線、
１３０…独立電極（１３０－１…第１独立電極～１３０－４…第４独立電極）、
１３１…独立対向面（１３１－１…第１独立対向面～１３１－４…第４独立対向面）、
１４０…共通電極、１４１…共通対向面、１５０…誘電体、１６０…制御装置、
１６１…検出回路、１６２…記憶装置、１６３…演算処理装置、
１６４…制御プログラム、１６５…関係情報、１７１…検出部、
１７２…圧縮変位量算出部、１７３…剪断変位量算出部、１７４…圧縮力算出部、
１７５…剪断力算出部、１７６…誘電率算出部、１７７…弾性率算出部、
２０４…仮想中心点、３０５…点、３９１－１…第１縁部、３９１－２…第２縁部、
３９１－３…第３縁部、３９１－４…第４縁部、
３９２…湾曲縁部（３９２－１…第１湾曲縁部～３９２－４…第４湾曲縁部）、
３９３…第１外縁部、３９４…第２外縁部、３９５…湾曲外縁部、
３９６…第３外縁部、３９７…第４外縁部、
４０３－１…第１区画、４０３－２…第２区画、４０３－３…第３区画、
４０６－１…第１仮想線、４０６－２…第２仮想線、４０６－３…第３仮想線、
４３０…独立電極（４３０－１…第１独立電極～４３０－３…第３独立電極）、
４３１…独立対向面（４３１－１…第１独立対向面～４３１－３…第３独立対向面）、
４９８－１…第１縁部、４９８－２…第２縁部、４９８－３…第３縁部、
４９８－４…第４縁部、４９８－５…第５縁部、
５３２…補助電極、５３３…補助対向面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】