力傳感器、力檢測系統和力檢測程序的製作方法
2023-07-19 21:06:26
專利名稱：力傳感器、力檢測系統和力檢測程序的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種將力轉換成諸如電容等等之類的電信息的力傳感器，尤其涉及用於將人工輸入等轉換成電信號的力傳感器、力檢測系統和力檢測程序。
背景技術：
本申請基於2004年5月14日提交的日本專利申請No.2004-145050，因此將其內容作為參考而併入。
用於將力轉換成電容的傳感器典型地用於浴室磅秤等。這種類型的力傳感器典型地具有構成為按鈕式或操縱杆式的操作輸入部件以用作人機接口，並例如被用作筆記本式個人計算機的操縱杆式輸入裝置。
圖1和圖2示出現有技術的常規力傳感器的輪廓，其中圖1(A)示出它的平面圖，圖1(B)示出它的IB-IB橫截面，圖1(C)示出它的檢測電極，圖2(A)示出它的平面圖，圖2(B)示出它的IIB-IIB橫截面，以及圖2(C)示出它的檢測電極。力傳感器2具有由諸如矽橡膠之類的絕緣體和在基板4上配備的導體構成的結構6、以及在結構6的頂板上的電極8和在基板4的側面上面向電極8的檢測電極10。如果電極由結構6的導體製成，就不必獨立地提供電極8。在此的差別是在圖1中示出的裝置具有作為在兩端上支撐的梁形成的結構6和圓形檢測電極10，同時，在圖2中示出的裝置具有作為懸臂梁形成的結構6和矩形檢測電極10。
作為舉例，利用在圖1中示出的力傳感器2可以試圖進行這種力傳感器2的說明，其中在結構6上施加的力「f」引起結構6如圖3(A)所示的變形，其又減小電極距離「d」，並最終引起電極8如圖3(B)所示的接觸檢測電極10，增大了電極「C」之間的電容。結構6的輸入(力「f」)和輸出(電容「C」)之間的關係以如圖4所示的平滑曲線進行變化。Coffset是在圖1(B)中示出的情形下電極之間的電容，也就是當電極距離「d」沒有改變時的偏移輸出，並且此偏移輸出表示，如果力「f」不超過結構6的彈性限度，則電容不隨力「f」而改變，也就是，它表示零點輸出。該偏移取決於結構6的彈性、恢復能力、永久變形等。在圖2中示出對於力傳感器2存在的相同的輸入/輸出關係。
JP-A-6-314163公開了一種提供電容C的變化作為相對於施加的力「f」的輸出的傳感器。
在所述文獻中公開的電容式傳感器具有輸入部分的大的位移，並由在平行位置中配備的兩個大的基板組成，以允許它們彼此平行地移動，其中分別在它們的相對表面上配備電極，並以彼此之間的90°角定位電極。
在這種力傳感器的情況下，輸入-輸出關係的可靠性是關鍵的，尤其是所述零點輸出(偏移輸出)的穩定性是極其重要的。因此，當它不工作時，輸出為零或給出具體的偏移值且該值是恆定的是必要的。換句話說，當它不工作時，如果輸出改變或偏移值改變，則將失去檢測裝置的可靠性，使得確定零點成為不可能。
例如，利用力傳感器的定點裝置可以引起這種問題當沒有操作時，零點或偏移值改變時微小輸出信號引起移動指示器。例如，已經報告一種情況指示器僅通過接收來自完全不涉及使用者意圖的空調部件的空氣而開始移動。
力傳感器的輸入/輸出關係需要輸入和輸出之間存在確定的關係，當在其中由於比如溫度的環境因素方面的改變造成輸出漂移的情況下檢測微小的力時，區分由環境變化引起的輸出漂移和由微小輸入引起的輸出改變是極其困難的。試圖穩定相對於比如溫度的環境因素方面的改變的輸出往往是代價昂貴的。
對於力傳感器的零點輸出(偏移輸出)典型地期望確定的變化，所述力傳感器的零點輸出(偏移輸出)隨每個力傳感器而改變，因此，試圖一致地設置輸出值是無意義的。因此，通常的做法是將開啟電源電壓時的值作為零點值強制存儲在存儲器中，或在對每一力傳感器的工廠出貨之前的調節時將零點值(偏移電壓值等)存儲在非易失性存儲器中。強制存儲開啟電源時的值作為零點值的問題在於，當操作者的手指錯誤地接觸部件時，不同於真實值的值可以作為在這種情況下的零值被記錄。使用用於存儲在工廠出貨時的零點值的非易失性存儲裝置的問題是它意味著附加的花費。在任何情況下，通過諸如溫度和溼度之類的環境因素的改變會影響存儲時的零點值，從而不可能跟蹤這種零點波動。
儘管當沒有輸入至功率傳感器時避免對部件供電在利用力傳感器的系統中的省電方面是有效的，但這使得它不可能識別是否存在輸入，除非對檢測部件供電。為了避免這種不便，通常的做法是間歇地對該部件供電。
讓我們參考圖5說明力傳感器(圖1或圖2)的零點設置方法。在圖5(A)中，在短的時間間隔中進入五個輸入f1、f2、f3、f4和f5，其中輸入f1到f5之間的大小關係是f2＞f1＞f3≈f4≈f5，也就是f2具有最高的電平，同時f1和f2具有最長的時間間隔，並且f3、f4和f5是微小時間間隔的微小輸入。此外，假定在巨大輸入之後進入微小輸入。
對於這種輸入f1到f5，力傳感器2產生相應於輸入的輸出C11、C12、C13、C14和C15，如圖5(B)所示，即示出了相應於輸入的電容的變化，儘管事實是沒有輸入，但在用於第一輸入f1的輸出C11之後，在b1部分中產生微小輸出。這是殘餘輸出。此外，由於輸入f2，在輸出C12之後立即在b2部分中產生大的殘餘輸出。由於輸出C13到C15在所述殘餘輸出上交迭，並且在b3之後的輸入較小，所以可以理解殘餘輸出隨著時間而減小。
這些殘餘輸出取決於接收壓力的結構6的恢復能力。諸如橡膠之類用於結構6的彈性體具有在變形之後恢復至它的初始形狀的特性。利用合適選擇的材料可以改善恢復特性至一定程度以減小殘餘輸出，但不能完全消除它們。當出現強的輸入改變並且它們的時間間隔較短時，消除殘餘輸出是困難的。
已經提出消除這種殘餘輸出的方法，其中在零點附近設置用於不允許殘餘輸出被響應的死區區域，並強制死區區域的輸出範圍被賦予如圖5(C)所示的零點。圖5(D)示出作為由死區區域的設置補償的結果的具有降低的電平的輸出C110、C120、C130、C140和(C150)。當設置這種死區區域時，它消除了殘餘輸出的問題，但它同時影響輸入/輸出關係。在其中不設置死區區域的輸出(B)和其中設置死區區域的輸出(D)之間的比較中，在輸入和輸出之間將產生延遲時間td，這樣惡化了涉及時間的響應。此外，微小輸出C15能夠變得隱藏入死區電平中，並且可能不產生任何輸出(「d」部分)，這樣惡化涉及電平的響應。依據死區區域設置的強制零點設置可能惡化檢測靈敏度和輸入關係，並影響力傳感器的可靠性。
在上面提到的現有技術文獻中沒有提及這種問題，並且作為對它的解決手段沒有進行公開或建議。
發明內容
因此，本發明涉及一種將力轉換成電容的力傳感器，並用來提供一種可以產生多個具有不同輸出特性的輸出的力傳感器。
本發明也涉及將力轉換成電容的力傳感器的輸出處理，以使得可能從單個輸入獲得多個輸出，並利用其它輸出作為參考信息以用於獲得輸出，從而增大輸出精度。
本發明配備有在公共位移部件上的多個傳感器部件，從而使其可以參考其它輸出從每一傳感器部件獨立地獲得輸出，因此使它可以消除位移部件的偏移並設置零點，從而使它能夠提高輸出精度。
為了獲得上面的目的，本發明的力傳感器具有當施加力時發生位移的位移部件，從所述位移部件的位移產生第一輸出的單個或多個第一傳感器部件，以及被附加至所述第一傳感器部件並從所述位移部件的位移產生第二輸出的第二傳感器部件。
由於具有基於公共位移部件工作的第一和第二傳感器的這種結構，第一和第二傳感器部件將提供來自由所施加的力產生的位移的第一和第二獨立輸出。這兩個輸出可用作作為彼此的互補或補償數據的參考信息。第一和第二傳感器部件可以均由單個或多個傳感器構成。
為了獲得上面的目的，可以以這種方式組成力傳感器所述位移部件的位移包括由力造成的所述位移部件的變形或所述位移部件的運動或其兩者。
為了獲得上面的目的，可以以這種方式組成力傳感器所述第二傳感器部件的輸出比起所述第一傳感器部件的輸出而陡峭上升，並提前於所述第一傳感器部件的輸出而移至飽和狀態。由於這種結構，第二輸出可被用作輸入信息，例如以指示力被施加至位移部件。所述輸出可被用作第一輸出的零點信息。
為了獲得上面的目的，可以以這種方式組成力傳感器在所述位移部件的中心配備所述第二傳感器，同時配備所述第一傳感器部件以包圍繞所述第二傳感器。
為了獲得上面的目的，本發明的力檢測系統具有力傳感器，其在當施加力時發生位移的位移部件中配備有第一和第二傳感器部件，並產生表示所述位移部件的位移的第一和第二輸出；以及處理部件，其利用所述力傳感器的所述第二輸出作為用於所述第一輸出的參考信息來獲得所述第一輸出。
由於這種結構，位移部件配備有第一和第二傳感器，從而使它在受力時產生位移，並可以獨立地從第一傳感器部件產生第一輸出和從第二傳感器部件產生第二輸出。雖然可以獨立地使用每一輸出，但由於它們共用公共位移部件，所以它們具有在機械上和同時產生的關係。因此，可以利用第二輸出作為在產生第一輸出中的參考數據。例如，如果它被用作時間信息或電平信息，則可以參考產生第二輸出的時間在產生第二輸出的時間中實施產生第一輸出的過程，或者如果第二輸出的電平超過指定值則產生第一輸出。由於這種結構，利用第一和第二輸出之間的相關性可以增強第一輸出的可靠性。
為了獲得上面的目的，也可以以這種方式組成力檢測系統所述處理部件從所述第二輸出提取表示超過指定電平的電平周期的時間信息，並參考所述時間信息獲得所述第一輸出。
為了獲得上面的目的，也可以以這種方式組成力檢測系統所述力傳感器的所述第二傳感器部件在所述位移部件開始位移之後不久就將所述第二輸出移至飽和的情形。例如，可以以這種方式組成該系統如果第二輸出被用作第一輸出的參考信息，則在位移部件的位移之後不久第二輸出就飽和。
為了獲得上面的目的，也可以以這種方式組成力檢測系統所述參考信息是所述第一輸出的零點信息。由於這種結構，利用第二輸出作為第一輸出的零點信息，可以消除由位移部件的特性造成的輸出誤差和偏移，這樣增大了力檢測的精度，並獲得對應於人工輸入的輸出。
為了獲得上面的目的，所組成的力檢測程序包括從當施加力時發生位移的位移部件中配備的第一傳感器部件中獲得第一輸出的功能，從在所述位移部件中配備的第二傳感器部件中獲得第二輸出的功能，從所述第二輸出提取表示超過指定電平的電平周期的時間信息的功能，以及參考所述時間信息獲得所述第一輸出的功能。
由於這種結構，因為參考第二輸出獲得第一輸出，所以可以消除由位移部件的特性造成的輸出誤差和偏移，這樣增大了力檢測的精度，並獲得對應於人工輸入的輸出。
如上面的說明所見，本發明提供了下面的效果。
依據本發明的力傳感器，參考用於獲得一個輸出的其它輸出，並利用它們作為用於補償各種輸出等之間的偏移輸出的參考信息，就可以從公共位移部件獨立地獲得多個輸出，從而可以提供一種具有高精度傳感器輸出的高可靠性的力傳感器。
依據本發明的力檢測系統或力檢測程序，利用第二輸出作為第一輸出的參考信息可以補償第一輸出，從而通過補償力傳感器的波動和由在位移部件中使用的材料的特性值造成的輸出誤差來獲得具有高可靠性的力的檢測。
圖1是示出現有技術的力傳感器的圖。
圖2是示出現有技術的另一力傳感器的圖。
圖3示出顯示響應於輸入力的力傳感器的變形狀態的圖。
圖4是示出輸入/輸出關係的曲線圖。
圖5是示出輸入/輸出關係的曲線圖。
圖6是示出依據本發明的第一實施例的圖。
圖7是示出依據本發明的力傳感器的變形的圖。
圖8是示出第一傳感器部件的輸入/輸出關係的圖。
圖9是示出第二傳感器部件的輸入/輸出關係的圖。
圖10是示出依據本發明的第二實施例的框圖。
圖11是示出依據本發明的第三實施例的流程圖。
圖12是示出第一和第二傳感器部件的輸入/輸出關係的圖。
圖13是示出本發明的第四實施例的圖。
圖14是示出本發明的第五實施例的橫截面。
圖15是示出第一和第二傳感器部件的輸入/輸出關係的圖。
圖16是示出本發明的第六實施例的圖。
圖17是示出第一和第二傳感器部件的輸入/輸出關係的圖。
圖18是示出本發明的第七實施例的框圖。
圖19是示出本發明的第八實施例的圖。
圖20是示出本發明的第九實施例的框圖。
圖21是示出本發明的第十實施例的圖。
圖22是示出本發明的第十一實施例的圖。
圖23是示出依據第十一實施例的力傳感器的檢測工作的圖。
圖24是示出第一和第二傳感器部件的輸入/輸出關係的圖。
圖25是示出檢測電極的變形的平面圖。
圖26是示出檢測電極的變形的平面圖。
圖27是示出第二傳感器部件的變形的橫截面。
具體實施例方式
第一實施例下面參考圖6說明本發明的第一實施例。圖6示出力傳感器，其中(A)是它的平面圖，(B)是沿著(A)的VIB-VIB線的橫截面，而(C)是示出它不具有位移部件的力傳感器的平面圖。
該力傳感器20配備有位移部分24，該位移部分24被安裝於基板22之上，用於當施加外力時產生位移，位移部分24配備有在該實施例中在垂直方向上是柔性的圓柱形支撐部分26、與支撐部分26集成形成的板狀輸入部分28、在輸入部分28的內部中心的柱形突出30。位移部分24由諸如橡膠的或金屬的之類的彈性材料製成，從而當施加外力時它可以變形，並當去除該力時恢復它的初始形狀。
在基板22上安裝有環形檢測電極32作為第一檢測電極，同時在面向檢測電極32的輸入部分28的內表面上配備具有與檢測電極32的形狀相同的電極34。檢測電極32和電極34組成第一傳感器部件36。以這種方式組成傳感器部件36假定檢測電極32和電極34的相對面積S1是恆定的，當在力f下電極距離d1變化時，它產生響應於力f的電容C1。儘管檢測電極32和電極34被假定為是環形的，但它們也可以是矩形的。
配備圓形檢測電極40作為由絕緣距離38分離的檢測電極32內部的第二檢測電極。在突出30的頂端配備電極42以面向檢測電極40。檢測電極40和電極42組成第二傳感器部件44。以這種方式組成傳感器部件44假定檢測電極40和電極42的相對面積S2是恆定的，當在力f下電極距離d2變化時，它產生響應於力f的電容C2。用於傳感器4 4的電極距離d2小於用於傳感器36的電極距離d1為突出30的長度(d1＞d2)。儘管檢測電極40和電極42被假定為是圓形的，但它們也可以是矩形的。
依據這種結構，當通過例如在力傳感器20的位移部分24的輸入部分28上的手指施加力f時，位移部分24相應於力f而變形，並且輸入部分28以及支撐部分26如圖7所示彎曲，引起檢測電極32接近電極34，同時突出30的電極42接近檢測電極40，直至最後接觸。在這種情況下，由於檢測電極40和電極42之間的間隙是小的，所以在輸入部分38開始位移之後不久，電極42就與檢測電極40接觸。這種位移引起傳感器部件36依據面對面積S1和電極距離d1產生電容C1，並引起傳感器部件44依據面對面積S2和電極距離d2產生作為第二傳感器的輸出的電容C2。
傳感器部件36的輸入/輸出關係表現為如圖8所示的相對於輸入f的電容C1的平滑變化。在這種情況下，偏移輸出Coffset是輸入部分28變形之前傳感器部件36的輸出。
相反，當檢測電極40鄰接電極42並在輸入部件28的位移開始之後不久就飽和時，傳感器部件44的輸入/輸出關係產生僅在如圖9(A)所示的小輸入範圍中的輸出變化。如圖9(B)所示，其顯示了在圖9(A)中輸入/輸出關係的放大，相比較於傳感器部件36，較小的輸入使傳感器部件44飽和，從而使傳感器44可以主要用於微小力f的檢測。換句話說，傳感器部件44的輸出能夠提供在力傳感器20的零點附近的輸出。
第二實施例下面參考圖10說明本發明的第二實施例。圖10是示出利用力傳感器的力檢測系統的框圖。
該力檢測系統46配備有前述力傳感器20，並以這種方式組成傳感器部分36的傳感器輸出C1和第二傳感器20的傳感器44的傳感器輸出C2分別進入輸出處理部件48，並利用作為諸如零點補償信息等等之類的參考信息的傳感器輸出C2補償傳感器輸出C1，以產生相應於力f的檢測輸出C0。在這種情況下，輸出處理部件48配備有分別用於輸出C1和C2的電容/電壓(C/V)轉換器50和52以及在傳感器輸出C1側上配備的模擬/數字(A/D)轉換器54、以及在傳感器輸出C2側上配備的比較器56。這些A/D轉換器54和比較器56的輸出進入處理器58。處理器58可以組成晶片微型計算機等。
由於這種結構，傳感器部件36的輸出C1(圖8)進入C/V轉換器50以被轉換成電壓、模擬值，然後被A/D轉換器54轉換成數位訊號，並進入處理器58。
傳感器部件44的輸出C2(圖9)進入C/V轉換器52以被轉換成電壓，然後其進入比較器56，同時當電壓值超過預定電平Vref時，比較器56產生開關輸出。該輸出進入處理器58。
處理器58配備有作為運算處理手段的裝置的CPU(中央處理部件)和作為存儲程序與數據的裝置的ROM(只讀存儲器)；基於傳感器輸出C2的比較器56的輸出被用作用於傳感器輸出C1的零點補償的參考信息，並從傳感器輸出C1消除偏移輸出以獲得相應於輸入的高精度的檢測輸出C0。
第三實施例下面參考圖11說明本發明的第三實施例。圖11是用於處理器58的輸出處理的力檢測程序的舉例的流程圖。
力檢測程序讀出並存儲傳感器部件36的第一輸出C1以及傳感器44部件的第二輸出C2(步驟S1)。由於輸出C2隨響應輸入f而進行電平變化，所以基於所述電平變化和它們的時間關係從輸出C1中提取表示超過指定電平的電平的周期的時間信息(步驟S2)。參考所述時間信息補償輸出C1(步驟S3)，以便獲得被補償的輸出C1(步驟S4)。
由於力傳感器20(圖6)配備有用於單個位移部分24的兩個傳感器部件36和44，這意味著單個輸入被饋送至兩個傳感器部件36和44，所以同時產生輸出C1和C2。如果從輸出C2提取的時間信息被用作用於從輸出C1獲得輸出的參考，則可以獲得具有沒有偏移輸出的確定零點電平的輸出。
下面參考圖12說明基於該力檢測系統和力檢測程序的輸出過程。圖12是對應於在圖5中示出的記錄的記錄，其中(A)示出以相對較短的時間周期施加的多個不同電平的輸入，(B)示出第一傳感器部件的輸出，(C)示出第二傳感器部件的輸出，(D)示出用於第一輸出的補償過程，以及(E)示出被補償的輸出。
在圖12(A)中，五個輸入f1、f2、f3、f4和f5是連續進入的那些輸入，其中輸入f1到f5之間的大小關係是f2＞f1＞f3≈f4≈f5，也就是f2具有最高的電平，同時f1和f2具有最長的時間間隔，並且f3、f4和f5是微小時間間隔的微小輸入。
對於這種輸入f1到f5，力傳感器36依據如圖8所示的輸入/輸出關係產生如圖12(B)所示的輸出C11、C12、C13、C14和C15，即示出了依據輸入的電容的變化，儘管事實是沒有輸入，但在用於第一輸入f1的輸出C11之後，在「b1」部分中產生微小輸出。這是殘餘輸出。此外，由於輸入f2，在輸出C12之後立即在b2部分中產生較大的殘餘輸出，反映出輸入f2的大的尺寸。由於輸出C13到C15在所述殘餘輸出上交迭，並且在b3之後的輸入較小，這樣殘餘輸出隨著時間而減小。這些過程類似於圖5和它的說明。
傳感器部件44依據如圖9所示的輸入/輸出關係產生如圖12(C)所示的輸出C21、C22、C23、C24和C25。為什麼輸出C21和C22的電平低於輸出C11和C12的電平的原因是，相比較於檢測電極32，檢測電極40的側面上的面對面積較小，並通過電極之間的接觸而獲得飽和的情形。為什麼輸出C13到C15在輸入的力f1到f5的去除側面上減小更慢，而輸出C23到C25變化更劇烈，並且它們的時間間隔基本上是均勻的原因是，它們取決於位移部件24的機械形狀恢復特性，支撐部分26首先返回至它的初始狀態，然後突出30返回至初始狀態。
因此，在該實施例中，建立輸出電平Cns以對應於如在12(C)所示的輸出C21到C25的死區區域，對其中輸出電平超過輸出Cns的電平的周期賦予輸出時間周期th(＝1)，並對剩餘周期賦予輸出零時間t0(＝0)。因此，在時間t1、t2、t3、t4和t5時間的周期期間它是「1」，而在剩餘周期中它是「0」。如果分別通過將表示這些輸出C11到C15的時間信息「1」和用於其它周期的時間信息「0」乘以輸出C21到C25而在每一時間周期th中獲得輸出C11到C15，就可能獲得作為如圖12(E)所示的被補償的輸出C110到C150的C11到C15。然後獲得被補償的輸出C110到C150作為匹配在圖12(A)中示出的輸入f1到f5和分別對應於每一輸入電平的輸出，而不帶有如在輸出C11到C15的情況下的殘餘輸出。此外，它們的零點是一致的，並且由於如在現有技術中經歷的死區周期的設置，它們的檢測靈敏度和輸入/輸出關係沒有惡化，並且它們維持高可靠性的輸入/輸出關係。
儘管在該實施例中假定通過將從輸出C21到C25提取的時間信息乘以輸出C11到C15來獲得補償輸出C110到C150，也可以將系統設置成通過使輸出C11到C15通過在具有超過用於輸出C21到C25的指定電平的電平的周期期間通過信號的門裝置獲得補償輸出C110到C150。而且，也可以以這種方式組成系統將輸出C11到C15加上或乘以輸出C21到C25，並利用超過確定電平的所得值作為輸出。
第四實施例下面參考圖13說明本發明的第四實施例。圖13示出依據第四實施例的力傳感器，其中(A)是它的平面圖，(B)是沿著(A)的XIIIB-XIIIB線的橫截面，(C)是示出它不具有位移室的力傳感器的平面圖。
涉及該實施例的力傳感器20配備有由懸梁構成的位移部分24，其中位移部分24由彈性材料製成，並具有與矩形輸入部分28集成形成的平坦矩形柱狀支撐部分26。通過在一端的支撐部分26來支撐輸入部分28，並且在作為懸梁的自由端的另一端形成柱形突出30。在基板22上面向在輸入部分28的內表面上配備的電極34配備矩形形狀檢測電極32，檢測電極32和電極34這樣組成第一傳感器部件36。此外，在基板22的上表面上形成檢測電極40，其中它與面向在突出30的頂端上形成的電極42的突出30相對，檢測電極40和電極42這樣組成第二傳感器部件44。
由於這種結構，類似於依據第一實施例的前述力傳感器20(圖6)，可以依據對應於力f的位移部分24的位移從傳感器部件36獲得輸出C1(圖8)和從傳感器部件44獲得輸出C2(圖9)。也可能利用該傳感器20組成力檢測系統(圖10)，利用類似的力檢測程序(圖11)從輸出C2中提取時間信息，並利用時間信息通過執行用於輸出C1的補償過程獲得沒有殘餘輸出的輸出C0(圖12)。
第五實施例下面參考圖14說明本發明的第五實施例。圖14是示出依據第五實施例的力傳感器的垂直橫截面。
依據該實施例的力傳感器20配備有T形橫截面的位移部分24，並且該位移部分24由支撐部分26和輸入部分28組成。輸入部分28的遠端被製成自由端，並且位移部分24由諸如具有合適彈性的橡膠之類的彈性材料製成。因此，當輸入部分28在垂直方向上接收力f，在位移部分24的自由端上配備突出30A和30B在垂直方向上延伸時，輸入部分28在垂直方向上自由地彎曲。在與位移部分24分別相對的基板22A和22B上配備檢測電極32A和32B，同時在分別面向檢測電極32A和32B的輸入部分28上配備電極34A和34B，檢測電極32A和電極34A以及檢測電極32B和電極34B這樣組成兩個第一傳感器部件36A和36B。此外，在與突出30A相對的基板22A上配備電極40A，並在與突出30B相對的基板22B上配備電極40B，同時，在與檢測電極40A相對的突出30A上配備電極42A，在與檢測電極40B相對的突出30B上配備電極42B，檢測電極40A和電極42A以及檢測電極40B和電極42B這樣組成兩個第二傳感器部件44A和44B。
由於這種結構，輸入部分28依據輸入f位移至上側或下側，傳感器部件36A依據輸入f產生輸出C1A，傳感器部件36B依據輸入f產生輸出C1B，同時，傳感器部件44A依據輸入f產生輸出C2A，傳感器部件44B依據輸入f產生輸出C2B。圖15(A)示出輸出C1A和C1B的趨勢，同時，圖15(B)示出輸出C2A和C2B的趨勢。如先前所述，在位移部分24開始位移之後不久，傳感器部件44A和44B的輸出C2A和C2B就達到飽和狀態。
在利用依據第五實施例的力傳感器20的力檢測系統46(圖14)中，一個力傳感器20配備一對第一和第二傳感器部件36A、36B、44A和44B，從而如前面所述，利用組成在圖10中示出的一對力檢測系統46的類似的力檢測程序(圖11)或通過公共處理器58的使用，通過從輸出C2A和C2B提取時間信息，並執行用於輸出C1A和C1B的補償過程(圖12)，可以從傳感器部件36A和36B的輸出C1A和C1B獲得沒有任何殘餘輸出的補償輸出C0A和C0B。
第六實施例下面參考圖16說明本發明的第六實施例。圖16示出依據第六實施例的力傳感器，其中(A)是它的垂直橫截面，(B)是示出檢測電極的形狀和布置的它的平面圖。
依據該實施例的力傳感器20配備有在基板22的上表面上配備的矩形管狀位移部分24，當施加外力時其產生位移，並且位移部分24配備有柔性矩形管狀支撐部分26、與支撐部分26集成形成的矩形平坦板形輸入部分28以及在輸入部分28的內部中心的垂直壁形突出30。位移部分24由諸如橡膠的或金屬的之類的彈性材料製成，從而當施加外力時它可以變形，並當去除該力時恢復它的初始形狀。在位移部分24的輸入部分28的上表面上配備輸入襯墊60，並在輸入襯墊60的上表面上形成彎曲腔62以便於通過手指的力輸入。
在突出30的兩側上的基板22上配備矩形檢測電極32A和32B作為第一檢測電極，同時，在面向所述檢測電極32A和32B的輸入部分28的內表面上配備如電極32A和32B的相同形狀的電極34A和34B。檢測電極32A和電極34A組成傳感器部件36A，同時檢測電極32B和電極34B組成傳感器部件36B。在面向突出30的基板22上配備檢測電極40，並在面向所述檢測電極40的突出30上配備電極42，從而使檢測電極40和電極42組成傳感器部件44。
由於這種結構，輸入部分28依據輸入f位移至上側或下側，傳感器部件36A依據輸入f產生輸出C1A，傳感器部件36B依據輸入f產生輸出C1B，同時，傳感器部件44依據輸入f產生輸出C2。圖17(A)示出輸出C1A和C1B的趨勢，同時，圖17(B)示出輸出C2的趨勢。如先前所述，在位移部分24開始位移之後不久，傳感器部件44的輸出C2就達到飽和狀態。
第七實施例下面參考圖18說明本發明的第七實施例。圖18是示出利用依據第七實施例的力傳感器的力檢測系統的框圖。以相同的編碼數字標識與在第二實施例中相同的那些部分。
力檢測系統46利用前述力傳感器20(圖16)，並以下面的方式組成該力檢測系統46傳感器部件36A和36B的輸出C1A和C1B以及傳感器部件48的輸出C2進入處理部件48，以便通過利用作為諸如零點補償信息之類的參考信息的輸出C2補償輸出C1A和C1B來獲得對應於力f的補償輸出C0A和C0B。在這種情況下，輸出處理部件48配備有分別用於輸出C1A、C1B和C2的電容/電壓(C/V)轉換器50A、50B和52，以及分別在傳感器輸出C1A和C1B側上配備的模擬/數字(A/D)轉換器54A和54B，以及在傳感器輸出C2側上配備的模擬/數字(A/D)轉換器57。這些A/D轉換器54A、54B和57的輸出進入處理器58。可以由如在第二實施例中的比較器組成A/D轉換器57(圖10)。
由於這種力檢測系統46，可以從輸出C2提取前述時間信息，並利用其執行輸出C1A和C1B的補償(圖12)，以便從傳感器部件36A和36B的輸出C1A和C1B獲得沒有任何殘餘輸出的補償輸出C0A和C0B。
第八實施例下面參考圖19說明本發明的第八實施例。圖19示出依據第八實施例的力傳感器，其中(A)是它的平面圖，(B)是沿著(A)的XIXB-XIXB線的橫截面，(C)是示出檢測電極的形狀和布置的基板上的檢測電極的平面圖。
依據該實施例的力傳感器20配備有在基板22上配備的圓柱形位移部分24，並且位移部分24配備有柔性圓柱-管狀支撐部分26、與支撐部分26集成形成的圓形平坦板形輸入部分28以及在輸入部分28的內部中心配備的圓柱形突出30。位移部分24由諸如橡膠的或金屬的之類的彈性材料製成，從而當施加外力時它可以變形，並當去除該力時恢復它的初始形狀。在位移部分24的輸入部分28的上表面上配備圓形輸入襯墊60，並在輸入襯墊60的上表面上形成彎曲腔62以便於通過手指的力輸入。在輸入襯墊60的上表面上配備的三角形標記63A、63B、63C和63D對應於隨後分別說明的檢測電極32A、32B、32C和32D的位置。
在包圍突出30的基板22上配備正方形檢測電極32A、32B、32C和32D作為第一檢測電極，同時在面向所述檢測電極32A、32B、32C和32D的輸入部分28的內表面上配備形狀相同於檢測電極32A到32D的電極34A、34B、34C和34D。這些檢測電極32A到32D和電極34A到34D組成傳感器部件36A、36B、36C和36D。在面向突出30的基板22上配備檢測電極40，並在面向所述檢測電極40的突出30上配備電極42，從而使檢測電極40和電極42組成傳感器部件44。
由於這種結構，輸入部分28依據輸入f位移至上側或下側，傳感器部件36A到36D依據輸入f產生輸出C1A、C1B、C1C和C1D，同時，傳感器部件44依據輸入f產生輸出C2。如先前所述，在位移部分24開始位移之後不久，傳感器部件44的輸出C2就達到飽和狀態。
第九實施例下面參考圖20說明本發明的第九實施例。圖20是示出利用依據第九實施例的力傳感器的力檢測系統的框圖。以相同的編碼數字標識與在第二實施例中相同的那些部分。
力檢測系統46利用前述力傳感器20(圖19)，並以下面的方式組成該力檢測系統46傳感器部件36A、36B、36C和36D的輸出C1A、C1B、C1C和C1D以及傳感器部件44的輸出C2進入處理部件48，以便通過利用作為諸如零點補償信息之類的參考信息的輸出C2補償輸出C1A到C1D來獲得對應於力f的補償輸出C0A、C0B、C0C和C0D。在這種情況下，輸出處理部件48配備有分別用於輸出C1A到C1D和C2的電容/電壓(C/V)轉換器50A、50B、50C、50D和52，以及分別在傳感器輸出C1A到C1D側上配備的模擬/數字(A/D)轉換器54A、54B、54C和54D，以及在傳感器輸出C2側上配備的模擬/數字(A/D)轉換器57。這些A/D轉換器54A到54D和57的輸出進入處理器58。可以由如在第二實施例中的比較器組成A/D轉換器57(圖10)。
由於這種力檢測系統46，可以從輸出C2提取前述時間信息，並利用其執行輸出C1A到C1D的補償(圖12)，以便從傳感器部件36A和36B的輸出C1A到C1D獲得沒有任何殘餘輸出的補償輸出C0A、C0B、C0C和C0D。
第十實施例下面參考圖21說明本發明的第十實施例。圖21示出依據第十實施例的力傳感器，其中(A)是它的平面圖，(B)是沿著(A)的XXIB-XXIB線的橫截面，以及(C)是示出檢測電極的形狀和布置的在基板上的檢測電極的平面圖。以相同的編碼數字標識與在第八實施例中相同的那些部分。
依據該實施例的力傳感器20配備有在基板22上配備的圓柱形位移部分24，並且位移部分24配備有柔性圓柱-管狀支撐部分26、與支撐部分26集成形成的圓形平坦板形輸入部分28、在輸入部分28的內部中心配備的圓柱形第一突出30、以及為同心圍繞突出30而配備的另一圓柱形突出31。位移部分24由諸如橡膠的或金屬的之類的彈性材料製成，從而當施加外力時它可以變形，並當去除該力時恢復它的初始形狀。在位移部分24的輸入部分28的上表面上配備圓形輸入襯墊60，並在輸入襯墊60的上表面上形成彎曲腔62以便於通過手指的力輸入。
與前述實施例類似，在基板22上形成的檢測電極32A到32D和電極34A到34D組成傳感器部件36A到36D。在面向突出30的基板22上配備圓頂開關64，同時，在圓頂開關64周圍配備檢測電極40以面向突出31，並在面向所述檢測電極40的突出31上配備電極42，檢測電極40和電極42這樣組成傳感器部件44。
由於這種結構，輸入部分28依據輸入f位移至上側或下側，這樣允許傳感器部件36A到36D依據輸入f產生輸出C1A到C1D，以及傳感器部件44依據輸入f產生輸出C2，同時，當壓下突出30時圓頂開關64產生輸出Cd。如先前所述，在位移部分24開始位移之後不久，傳感器部件44的輸出C2就達到飽和狀態。
由於這種結構，與依據第八實施例的前述力傳感器20(圖19)類似，可以依據對應於輸入f的位移部分24的位移和來自傳感器部件44的輸出C2從傳感器部件36A到36D獲得輸出C1A到C1D。此外，通過從利用力傳感器20和檢測程序(圖11)組成的檢測系統(例如圖20)的輸出C2提取前述時間信息，並利用所述時間信息執行用於輸出C1A到C1D的補償過程(圖12)，可以獲得沒有任何殘餘輸出的輸出C0A到C0D。
第十一實施例下面參考圖22說明本發明的第十一實施例。圖22示出依據第十一實施例的力傳感器，其中(A)是它的垂直橫截面，以及(B)是示出了檢測電極的形狀和布置的它的平面圖。以相同的編碼數字標識與在第六實施例中相同的那些部分。
該實施例涉及力傳感器，其中在滑動方向上施加力f，並將力f轉換成電容。在該力傳感器20中，在基板22上配備的位移部分24配備有柔性支撐部分26和與支撐部分26集成形成的輸入部分28。輸入部分28具有柔性部分66，以便便於通過輸入f的滑動變形，並且在由柔性部分66圍繞的中心形成輸入襯墊68。位移部件24由諸如橡膠的或金屬的之類的彈性材料製成，從而當施加外力時它可以變形，並當去除該力時恢復它的初始形狀。
與前述實施例類似，在基板22上形成的檢測電極32A和32B和單個電極34組成傳感器部件36A和36B。此外，在檢測電極32A和32B之間的空間中形成檢測電極40，同時，所述檢測電極40和電極34(42)組成傳感器部件44。
在力傳感器20中，在如通過如圖23(A)中示出的手指70在附圖中的fd表示的方向上施加力f，傳感器部件36A和36B的電極距離「d」變得較窄，以產生輸出C1A和C1B，同時，傳感器44的電極距離「d」也變得較窄，以產生輸出C2，以及由於電極接觸而引起飽和的情形。如圖23(B)所示，利用飽和中的輸出C2的該點在左(L)方向上滑動輸入襯墊68，增大了傳感器36A的輸出C1A，並然後飽和，同時，由於電極距離d增大，所以傳感器36B的輸出C1B減小。當輸入襯墊68滑動至右(R)方向，輸出C2保持飽和，傳感器36B的輸出C1B增大並達到飽和狀態，同時，由於它的電極距離d增大，所以傳感器36A的輸出C1A減小。參考這種輸入/輸出關係，圖24(A)分別示出傳感器36A和36B的輸出C1A和C1B，同時圖24(B)示出傳感器44的輸出C2。
利用這種力傳感器20組成力檢測系統46(圖18)使得可能利用從作為輸出C1A和C1B的參考信息的輸出C2中提取前述時間信息和電平信息來補償輸出C1A和C1B，以獲得沒有殘餘輸出的輸出C0A和C0B。
接著，在下面將說明上面提到的實施例的變形和其它特徵(1)儘管在第十一實施例中說明了左和右滑動機構，但是也可能組成如圖25中所示的系統，其中，圓形檢測電極40帶有在同心圓上設置的弓形檢測電極32A、32B、32C和32D，以將其圍繞並允許電極42滑動，以便以兩維(X和Y方向)檢測滑動位移。
(2)此外，如圖26所示，該系統也可以由環形檢測電極40和位於中心的圓頂開關64(圖21)組成，以獲得來自檢測電極40的輸出作為參考信息以及獲得對應於位移部件24的垂直變形的圓頂開關64的輸出。從單個位移部件獲得多個輸出使得可以利用力傳感器20以用於多種用途。
(3)當在圖12中所示的過程中將閾值賦予來自傳感器部件44的輸出C2以利用它作為零點信息，以便使來自傳感器部件36的輸出C1為零時，將該零信息存儲在存儲裝置中以用於上面的過程，從而可以不管由殘餘壓力的鬆弛造成的值中的任何變化而穩定零輸出，並獲得即使對於微小輸入也提供極高的可重複性的力檢測系統46，並引起輸入和輸出之間幾乎沒有時間延遲td(圖12)。換句話說，可以建立具有高穩定零點、對於微小輸入的高輸出可重複性和沒有時間延遲的優良的傳感器系統。
(4)在前述實施例(圖6、圖14、圖16和圖19)中，突出30可以用於具有在突出30的頂端處的如圖27(A)所示的小的附加突出72，以運載電極42，或形成在突出30的頂端處的足或裙部74，以承載如圖27(B)所示的電極42，或具有在突出30的頂端處的多個小的突出76，以被用作如圖27(C)所示的電極42。如這樣的組成，可以提高傳感器部件44的輸入/輸出響應以便獲得改善的參考信息，比如具有較高精度的零點信息。
(5)由於它們的零點輸出的提高的穩定性，即使當為了省電而取消了電極之間的通電時，依據本發明的力傳感器也能夠維持在輸入/輸出關係方面的高可靠性。
本發明涉及一種將機械輸入轉換為電容的力傳感器、力檢測系統和力檢測程序，並且它能夠從公共輸入獲得多個輸出，以便消除殘餘輸出，並提高輸出精度，例如通過利用從一個輸出中提取的時間信息作為用於另一輸出的參考信息，這樣其可被用作用於將各種類型的機械輸入轉換成電信號的有效轉換裝置。
權利要求
1.一種力傳感器，包括當施加力時發生位移的位移部件；從所述位移部件的位移產生第一輸出的單個或多個第一傳感器部件；以及被附加至所述第一傳感器部件並從所述位移部件的位移產生第二輸出的第二傳感器部件。
2.權利要求1的力傳感器，其中所述位移部件的位移包括由力造成的所述位移部件的變形或所述位移部件的移動或其兩者。
3.權利要求1的力傳感器，其中所述第二傳感器部件的輸出比起所述第一傳感器部件的輸出而陡峭上升，並提前於所述第一傳感器部件的輸出而移至飽和狀態。
4.權利要求1的力傳感器，其中在所述位移部件的中心配備所述第二傳感器，同時配備所述第一傳感器部件以包圍所述第二傳感器。
5.一種力檢測系統，包括力傳感器，其在當施加力時發生位移的位移部件中配備有第一和第二傳感器部件，並產生表示所述位移部件的位移的第一和第二輸出；以及處理部件，其利用所述力傳感器的所述第二輸出作為用於所述第一輸出的參考信息來獲得所述第一輸出。
6.權利要求5的力檢測系統，其中所述處理部件從所述第二輸出中提取表示超過指定電平的電平周期的時間信息，並參考所述時間信息獲得所述第一輸出。
7.權利要求5的力檢測系統，其中在所述位移部件開始位移之後不久，所述力傳感器的所述第二傳感器部件就將所述第二輸出移至飽和的情形。
8.權利要求5的力檢測系統，其中所述參考信息是所述第一輸出的零點信息。
9.一種力檢測程序，包括從在當施加力時發生位移的位移部件中配備的第一傳感器部件中獲得第一輸出的功能；從在所述位移部件中配備的第二傳感器部件中獲得第二輸出的功能；從所述第二輸出中提取表示超過指定電平的電平周期的時間信息的功能；以及參考所述時間信息獲得所述第一輸出的功能。
全文摘要
本發明用來提供一種將力轉換成電容並使之可以產生多個具有不同輸出特性的輸出的力傳感器、力檢測系統以及用於它的力檢測程序。力傳感器20具有用於當施加力時產生位移的位移部件24；用於從位移部件的所述位移產生第一輸出C
文檔編號H03K17/96GK1696626SQ20051007121
公開日2005年11月16日 申請日期2005年5月13日 優先權日2004年5月14日
發明者谷口伸光 申請人:安普賽德股份有限公司