靜電電容型力學量傳感器元件及力學量傳感器的製作方法

2023-11-30 13:11:21 2

專利名稱：靜電電容型力學量傳感器元件及力學量傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及靜電電容型力學量傳感器元件及利用了該靜電電容型力學量傳感器元件的力學量傳感器。更詳細而言，本發明涉及適合在基於電極之間的靜電電容的變化、檢測三維的力學量的傳感器中使用的元件及利用了該元件的力學量傳感器。
背景技術：
靜電電容型力學量傳感器一般是檢測正對的兩個平行電極之間的靜電電容的變化來測定力學量的傳感器。作為現有的力學量傳感器元件，存在如圖80及圖81所示的力學量傳感器元件，包括由形成中空部107的周壁即框架104、錘106、及支承錘106使其位於中空部107內的可彎曲部105構成的錘支承結構體101 ；從上下方向夾住該錘支承結構體101的上部玻璃基板102和下部玻璃基板103 ；以及與錘106正對且配置於上部玻璃基板102的驅動電極109和固定電極110，該力學量傳感器元件基於固定電極110與錘106之間的靜電電容的變化，檢測錘106的姿勢變化。專利文獻1 日本專利特開2007-192587號公報

發明內容
然而，在專利文獻1的力學量傳感器元件中，為了容納錘106、電極109、110，並形成允許錘106傾斜的空間即中空部107，需要剛性高的容器，由於具有由框架104和玻璃基板102、103構成的堅固框體，因此，無法與例如人體表面等柔軟的曲面接觸以進行使用。 即，用途被限定，因此，很難說通用性高。此外，在專利文獻1的力學量傳感器元件中，由於在較硬的上部玻璃基板102上配置電極，因此，電極的配置維持在平面狀態，並且，由於檢測由形成為正交的兩軸的可彎曲部105所支承的錘106的姿勢變化，因此，存在如下問題對於例如水平方向的偏離、垂直方向的壓縮、繞垂直軸的旋轉位移、由各軸方向的力的合力所產生的複雜扭轉、或者與這些位移相對應的應力等力學量，無法進行檢測。此外，在專利文獻1的力學量傳感器元件中，如圖81B所示，為了檢測錘106的姿勢變化，除錘106、上部玻璃基板102、及下部玻璃基板103之外，還需要在錘106的周圍設置作為用於允許該錘106傾斜的空間的中空部107。因此，存在無法使傳感器元件比為了構成上述結構所需的厚度更薄的問題。此外，在專利文獻1的力學量傳感器元件中，由於框體構成為包括將用於允許錘 106傾斜的中空部107形成的周壁的框架104、上部玻璃基板102、下部玻璃基板103，並且， 在該框體內側的中空部107以使錘106懸浮的方式進行支承，因此，存在如下問題作為傳感器元件的結構非常複雜，在製作上很費工夫，並導致成本上升。此外，由於結構非常複雜， 因此，難以抑制製作過程中的每一個體的品質偏差，可能難以保持作為傳感器元件的檢測精度。因而，本發明的目的在於提供一種靜電電容型力學量傳感器元件，該靜電電容型力學量傳感器元件結構簡單且可薄型化和小型化，並且，傳感器元件自身可進行柔軟變形， 例如能與人體表面等柔軟的曲面接觸以進行使用，從而能用於多種用途而不限定用途。本發明的目的還在於提供一種能檢測多種多樣的力學量的靜電電容型力學量傳感器元件。本發明的目的又在於提供一種能用於多種用途且能計算多種多樣的力學量的力學量傳感器。為了達到上述目的，本發明人進行了各種研究，結果想到，即使在非正對的電極之間，也能檢測出可判定位移量等力學量的靜電電容的變化。本發明是基於上述想法的發明，權利要求1所述的靜電電容型力學量傳感器元件具備具有電絕緣性和力學彈性並具有相對的至少一對表面的基材、配置在該基材的所述一對表面的一面的至少一個電極、以及配置在所述一對表面的另一面的至少一個電極，對於分別從配置在所述一面的電極和配置在所述另一面的電極中各選擇一個而得到的兩個電極的每一組合，檢測電極之間的靜電電容。此外，本發明的靜電電容型力學量傳感器元件優選具備具有電絕緣性和力學彈性並具有相對的至少一對表面的基材、配置在該基材的所述一對表面的一面的四個電極、以及在所述一對表面的另一面上分別配置在與所述一面的四個電極正對的位置上的四個電極，對於分別從所述一面的四個電極和所述另一面的四個電極中各選擇一個而得到的兩個電極的每一組合，檢測電極之間的靜電電容。因而，根據這些靜電電容型力學量傳感器元件，由於在具有力學彈性的基材上配置電極，因此，無需另外設置用於形成電極的可動空間的剛性高的框體，該電極用於使靜電電容產生變化。此外，根據這些靜電電容型力學量傳感器元件，能通過選擇基材的材質來對配置電極的基材的彈性特性進行調整。此外，根據優選方式的靜電電容型力學量傳感器元件，分別從基材的一對表面的一面的四個電極和另一面的四個電極中各選擇一個而得到兩個電極的每一組合，以全部16 種組合來構成16對靜電電容型傳感器元件，可檢測16個方向的靜電電容的變化。另外，具體而言，通過將一面的四個電極的各個電極與另一面的四個電極的各個電極進行組合，能得到總計16種組合。因而，與像現有的傳感器元件那樣的最多檢測X、Y、Z三軸的各個軸方向的位移的傳感器元件不同，根據本靜電電容型力學量傳感器元件，通過利用16個方向的信息進行計算，從而能檢測水平方向的偏離、垂直方向的壓縮、繞垂直軸的旋轉位移、相對於垂直軸傾斜時的偏離和扭轉、或者與這些位移相對應的應力等多種力學量。此外，在權利要求1或2所述的靜電電容型力學量傳感器元件中，優選電極由柔性印刷基板構成。此外，在權利要求1或2所述的靜電電容型力學量傳感器元件中，優選利用保護膜來密封整個表面。此外，權利要求5所述的力學量傳感器具備運算裝置，該運算裝置包括被輸入由靜電電容型力學量傳感器元件測量輸出的靜電電容值數據的單元，該靜電電容型力學量傳感器元件具備具有電絕緣性和力學彈性並具有相對的至少一對表面的基材、配置在該基材的所述一對表面的一面的至少一個電極、以及配置在所述一對表面的另一面的至少一個電極，對於分別從配置在所述一面的電極和配置在所述另一面的電極中各選擇一個而得到的兩個電極的每一組合，檢測電極之間的靜電電容；利用靜電電容值數據、計算配置在所述另一面的電極相對於配置在所述一面的電極的位置的單元；基於配置在所述另一面的電極的位置、計算配置在所述另一面的電極的中央位置的單元；基於配置在所述另一面的電極的位置、計算所述另一面相對於所述一面的旋轉角度的單元；利用中央位置計算基材的應力的單元；以及利用旋轉角度計算基材的扭轉力矩的單元。此外，本發明的力學量傳感器優選具備運算裝置，該運算裝置包括被輸入由靜電電容型力學量傳感器元件測量輸出的靜電電容值數據的單元，該靜電電容型力學量傳感器元件具備具有電絕緣性和力學彈性並具有相對的至少一對表面的基材、配置在該基材的所述一對表面的一面的四個電極、以及在所述一對表面的另一面上分別配置在與所述一面的四個電極正對的位置上的四個電極，對於分別從所述一面的四個電極和所述另一面的四個電極中各選擇一個而得到的兩個電極的每一組合，檢測電極之間的靜電電容；利用靜電電容值數據、計算配置在一對表面的另一面的四個電極相對於配置在一對表面的一面的四個電極的位置的單元；基於所述四個電極的位置、計算四個電極的中央位置的單元；基於所述四個電極的位置、計算另一面相對於一面的旋轉角度的單元；利用所述四個電極的中央位置計算基材的應力的單元；以及利用旋轉角度計算基材的扭轉力矩的單元。因而，根據這些力學量傳感器，由於利用結構簡單且可薄型化和小型化、並能例如與柔軟的曲面接觸以進行使用的靜電電容型力學量傳感器元件，因此，能用於多種用途而不限定用途。此外，根據優選方式的力學量傳感器，由於將分別從基材的一對表面的一面的四個電極和另一面的四個電極中各選擇一個而得到的兩個電極的每一組合的16個方向的靜電電容值數據進行輸入，因此，與像現有的傳感器那樣的最多測量X、Y、Z三軸的各個軸方向的位移的傳感器不同，通過利用16個方向的信息進行計算，從而能測量水平方向的偏離、垂直方向的壓縮、繞垂直軸的旋轉位移、相對於垂直軸傾斜時的偏離和扭轉、或者與這些位移相對應的應力等多種力學量。根據本發明的靜電電容型力學量傳感器元件，由於是在基材上直接粘貼電極的結構，因此，能使傳感器元件自身的結構簡單，並且，能構成得較薄，實現小型化。此外，由於無需用於形成電極的可動空間的剛性高的框體和框架，該電極用於使靜電電容產生變化，因此，能使傳感器本身成為具有可彎曲性的柔軟部件。因而，能用於多種用途而不受設置部位和空間的限制，能力圖提高通用性。此外，能抑制製作過程中的每一個體的品質偏差，提高作為傳感器元件的檢測精度。此外，根據本發明的靜電電容型力學量傳感器元件，由於能通過選擇基材的材質來對配置電極的基材的彈性特性進行調整，因此，能發揮與測量對象相匹配的彈性特性，即使對於微小的物體，也能提高力學量的檢測精度。此外，根據權利要求2所述的靜電電容型力學量傳感器元件，若將分別從基材的一對表面的一面的四個電極和另一面的四個電極中各選擇一個而得到的兩個電極的每一組合的電極之間的靜電電容的變化、與各軸方向或繞軸的位移量之間的相關關係預先求出，則能測量水平方向的偏離、垂直方向的壓縮、繞垂直軸的旋轉位移、相對於垂直軸傾斜時的偏離和扭轉、或者與這些位移相對應的應力等多種力學量，因此，例如對於闡明因至今為止無法測量力學量而無法闡明的現象等，能提供和貢獻有益的信息。此外，根據權利要求3所述的靜電電容型力學量傳感器元件，由於能使製作變容易，省時省力，因此，能提高通用性並抑制製作成本。此外，能進一步抑制製作過程中的每一個體的品質偏差，進一步提高作為傳感器元件的檢測精度。此外，根據權利要求4所述的靜電電容型力學量傳感器元件，由於能防止電極從基材脫落以及基材、電極受到損傷，因此，能提高傳感器元件的耐久性。此外，由於能防止基材的材質變質，因此，能提高傳感器元件的耐久性並抑制物理特性的變化，可力圖維持檢測精度。此外，根據權利要求5所述的力學量傳感器，通過在相對的一對表面分別各配置一個電極，從而至少能計算垂直方向的壓縮，而且，根據在相對的一對表面的各個表面上配置電極的方式，除垂直方向的壓縮之外，還能測量水平方向的偏離、繞垂直軸的旋轉位移、 相對於垂直軸傾斜時的偏離和扭轉、或者與這些位移相對應的應力等多種力學量，因此，例如對於闡明因至今為止無法測量力學量而無法闡明的現象等，能提供和貢獻有益的信息。此外，根據權利要求6所述的力學量傳感器，通過利用16個方向的信息進行計算， 從而能計算水平方向的偏離、垂直方向的壓縮、繞垂直軸的旋轉位移、相對於垂直軸傾斜時的偏離和扭轉、或者與這些位移相對應的應力等多種力學量，因此，例如對於闡明因至今為止無法測量力學量而無法闡明的現象等，能提供和貢獻有益的信息。


圖1是表示本發明的靜電電容型力學量傳感器元件的實施方式的一個示例的剖視圖。圖2是表示本發明的靜電電容型力學量傳感器元件的實施方式的一個示例的俯視圖。圖3是表示本發明的力學量傳感器的實施方式的一個示例的圖，是說明被輸入來自傳感器元件的信號的電路的功能結構的圖。圖4是表示本發明的力學量傳感器的實施方式的一個示例的圖，是說明被輸入來自傳感器元件的信號的電路結構的圖。圖5是說明本實施方式的電路的運算裝置的功能結構的圖。圖6是說明圖5的運算裝置的處理步驟的流程圖。圖7是為了說明圖5的運算裝置的處理而說明電極的配置和三軸的關係的圖。圖8A是說明本實施方式中的實測值的校正方法的圖。圖8B是說明本實施方式中的實測值的校正方法的圖。圖9A是說明本實施方式中的實測值的校正處理的圖。圖9B是說明本實施方式中的實測值的校正處理的圖。圖10是說明本實施方式的傳感器元件的上表面相對於下表面進行了位移的狀態的圖。圖IlA是說明實施例1的靜電電容型力學量傳感器元件的電極的設定的圖，是表示傳感器元件的上表面的電極的俯視圖。圖IlB是說明與實施例1的靜電電容型力學量傳感器元件的電極相關的三軸的設定的圖，是說明靜電電容型力學量傳感器元件的電極的配置和三軸的關係的圖。圖12是表示實施例1的賦予壓縮方向上的位移時的位移量Δ d與電極A-A』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。
圖13是表示相同的位移量 Δ d與電極A-B』 間的靜電電容的變化 Δ C之間的關
系的圖。圖14是表示相同的位移量Ad與電極A-C』間的靜電電容的變化 Δ C之間的關
系的圖。

圖15是表示相同的位移量 Ad與電極A-D』間的靜電電容的變化Δ C之間的關
系的圖。圖16是表示相同的位移量 Δ d與電極B-A』 間的靜電電容的變化Δ C之間的關
系的圖。圖17是表示相同的位移量 Δ d與電極B-B』 間的靜電電容的變化Δ C之間的關
系的圖。圖18是表示相同的位移量 Δ(1與電極B-C』間的靜電電容的變化 Δ C之間的關
系的圖。圖19是表示相同的位移量圖 Δ(1與電極B-D』間的靜電電容的變化 Δ C之間的關
系的圖。 20是表示相同的位移量 Δ d與電極C-A』 間的靜電電容的變化Δ C之間的關
系的圖。圖21是表示相同的位移量 Δ d與電極C-B』 間的靜電電容的變化Δ C之間的關
系的圖。圖22是表示相同的位移量 Ad與電極C-C』 間的靜電電容的變化Δ C之間的關
系的圖。圖23是表示相同的位移量圖對是表示相同的位移量 Ad與電極C-D』 間的靜電電容的變化Δ C之間的關
系的圖。圖24是表示相同的位移量Ad與電極D-A』 間的靜電電容的變化 Δ C之間的關
系的圖。圖25是表示相同的位移量 Δ d與電極D-B』 間的靜電電容的變化 Δ C之間的關
系的圖。 圖26是表示相同的位移量Δ(1與電極D-C』間的靜電電容的變化Δ C之間的關
系的圖。圖27是表示相同的位移量Ad與電極D-D』 間的靜電電容的變化Δ C之間的關
系的圖。 圖28是表示實施例1的賦予X軸方向的偏離方向上的位移時的位移量△(!與電極Α-Α』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖四是表示相同的位移量Ad與電極Α-Β』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖30是表示相同的位移量Ad與電極A-C』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖31是表示相同的位移量Ad與電極A-D』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖32是表示相同的位移量Δ d與電極B-A』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖33是表示相同的位移量Ad與電極B-B』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖34是表示相同的位移量Ad與電極B-C』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖35是表示相同的位移量Ad與電極B-D』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖36是表示相同的位移量Δ d與電極C-A』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖37是表示相同的位移量Ad與電極C-B』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖38是表示相同的位移量Ad與電極C-C』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖39是表示相同的位移量Ad與電極C-D』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖40是表示相同的位移量Δ d與電極D-A』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖41是表示相同的位移量Ad與電極D-B』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖42是表示相同的位移量Ad與電極D-C』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖43是表示相同的位移量Ad與電極D-D』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖44是表示實施例1的賦予Y軸方向的偏離方向上的位移時的位移量Ad與電極Α-Α』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖45是表示相同的位移量Ad與電極Α-Β』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖46是表示相同的位移量Δ d與電極A-C』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖47是表示相同的位移量Ad與電極A-D』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖48是表示相同的位移量Δ d與電極B-A』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖49是表示相同的位移量Ad與電極Β-Β』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖50是表示相同的位移量Ad與電極B-C』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。圖51是表示相同的位移量Ad與電極B-D』間的靜電電容的變化量Δ C之間的關係的圖。
圖52是表示相同的位移量Δ d與電極C-A』間的靜電電容的變化量AC之間的關
系的圖 圖53是表示相同的位移量Ad與電極C-B』 間的靜電電容的變化量AC之間的關
系的圖 圖討是表示相同的位移量Ad與電極C-C』 間的靜電電容的變化量AC之間的關
系的圖 圖55是表示相同的位移量Ad與電極C-D』 間的靜電電容的變化量AC之間的關
系的圖 圖56是表示相同的位移量Δ d與電極D-A』 間的靜電電容的變化量AC之間的關
系的圖 圖57是表示相同的位移量Ad與電極D-B』 間的靜電電容的變化量AC之間的關
系的圖 圖58是表示相同的位移量Ad與電極D-C』 間的靜電電容的變化量AC之間的關
系的圖 圖59是表示相同的位移量Ad與電極D-D』間的靜電電容的變化量AC之間的關
系的圖。圖60是表示實施例1的賦予繞Z軸旋轉的位移時的旋轉角度Δ θ與電極A-A 間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖61是表示相同的旋轉角度Δ θ 與電極Α-Β』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖62是表示相同的旋轉角度Δ θ 間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖63是表示相同的旋轉角度Δ θ 與電極A-D』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖64是表示相同的旋轉角度Δ θ 與電極Β-Α』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖65是表示相同的旋轉角度Δ θ 與電極Β-Β』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖66是表示相同的旋轉角度Δ θ 與電極B-C』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖67是表示相同的旋轉角度Δ θ 與電極B-D』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖68是表示相同的旋轉角度Δ θ 與電極C-A』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖69是表示相同的旋轉角度Δ θ 與電極C-B』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖70是表示相同的旋轉角度Δ θ 與電極C-C』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖71是表示相同的旋轉角度Δ θ與電極C-D』間的靜電電容的變化量AC之間的關係的圖。圖72是表示相同的旋轉角度的關係的圖。圖73是表示相同的旋轉角度的關係的圖。圖74是表示相同的旋轉角度的關係的圖。圖75是表示相同的旋轉角度的關係的圖。圖76A是說明在使實施例1的傳感器元件的上表面和下表面進行相對旋轉位移時線路彼此的重疊的圖，是說明在沿正向旋轉時電極的線路彼此重疊、在沿負向旋轉時電極的線路彼此遠離的模式的圖。圖76B是說明在使實施例1的傳感器元件的上表面和下表面進行相對旋轉位移時線路彼此的重疊的圖，是說明在沿正向旋轉時電極的線路彼此遠離、在沿負向旋轉時電極的線路彼此重疊的模式的圖。圖77A是說明實施例1的傳感器元件的電極之間的靜電電容的變化的圖，是說明電極C-A』之間和D-B』之間的靜電電容的變化的圖。圖77B是說明實施例1的傳感器元件的電極之間的靜電電容的變化的圖，是說明電極A-C』之間和B-D』之間的靜電電容的變化的圖。圖78A是說明實施例1的傳感器元件的電極之間的靜電電容的變化的圖。圖78B是說明實施例1的傳感器元件的電極之間的靜電電容的變化的圖。圖78C是說明實施例1的傳感器元件的電極之間的靜電電容的變化的圖。圖78D是說明實施例1的傳感器元件的電極之間的靜電電容的變化的圖。圖78E是說明實施例1的傳感器元件的電極之間的靜電電容的變化的圖。圖79A是表示將利用實施例2的校正後的靜電電容值數據計算出的位移量與實際上賦予傳感器元件的位移量進行比較的圖，是賦予Z軸方向上的壓縮位移時的圖。圖79B是表示將利用實施例2的校正後的靜電電容值數據計算出的位移量與實際上賦予傳感器元件的位移量進行比較的圖，是賦予X軸方向上的偏離位移時的圖。圖79C是表示將利用實施例2的校正後的靜電電容值數據計算出的位移量與實際上賦予傳感器元件的位移量進行比較的圖，是賦予Y軸方向上的偏離位移時的圖。圖79D是表示將利用實施例2的校正後的靜電電容值數據計算出的位移量與實際上賦予傳感器元件的位移量進行比較的圖，是賦予繞Z軸旋轉的位移時的圖。圖80是表示現有的靜電電容型力學量傳感器的分解立體圖。圖81A是表示現有的靜電電容型力學量傳感器的剖視圖，是表示錘的姿勢沒有變化的狀態的剖視圖。圖81B是表示現有的靜電電容型力學量傳感器的剖視圖，是表示錘的姿勢發生變化的狀態的剖視圖。
Δ θ與電極D-A』間的靜電電容的變化量AC之間 Δ θ與電極D-B』間的靜電電容的變化量AC之間 Δ θ與電極D-C』間的靜電電容的變化量AC之間 Δ θ與電極D-D』間的靜電電容的變化量AC之間
具體實施例方式下面，基於附圖所示的實施方式詳細說明本發明的結構。本發明的靜電電容型力學量傳感器元件具備具有電絕緣性和力學彈性並具有相對的至少一對表面的基材、配置在該基材的所述一對表面的一面的至少一個電極、以及配置在所述一對表面的另一面的至少一個電極，對於分別從配置在所述一面的電極和配置在所述另一面的電極中各選擇一個而得到的兩個電極的每一組合，檢測電極之間的靜電電容。而且，本發明的力學量傳感器具備運算裝置，該運算裝置包括被輸入由所述靜電電容型力學量傳感器元件測量輸出的靜電電容值數據的單元；利用靜電電容值數據、計算配置在所述另一面的電極相對於配置在所述一面的電極的位置的單元；基於配置在所述另一面的電極的位置、計算配置在所述另一面的電極的中央位置的單元；基於配置在所述另一面的電極的位置、計算所述另一面相對於所述一面的旋轉角度的單元；利用中央位置計算基材的應力的單元；以及利用旋轉角度計算基材的扭轉力矩的單元。從圖1到圖10示出本發明的靜電電容型力學量傳感器元件及力學量傳感器的實施方式的一個示例。本實施方式的靜電電容型力學量傳感器元件1具備具有電絕緣性和力學彈性並具有相對的至少一對表面的基材2、配置在該基材2的一對表面的一面(以下稱為上表面)的四個電極4、以及在一對表面的另一面(以下稱為下表面)上分別配置在與上表面的四個電極4正對的位置上的四個電極4，對於分別從上表面的四個電極4和下表面的四個電極4中各選擇一個而得到的兩個電極4的每一組合，輸出電極4之間的靜電電容。基材2作為電絕緣體介於配置在上表面的電極4與配置在下表面的電極4之間， 是可根據所施加的力學量進行變形而使電極4之間的靜電電容發生變化、並支承電極4的部件。即，基材2由具有電絕緣性及力學彈性的原材料形成，具體而言，例如由凝膠形成。作為凝膠，優選使用例如矽凝膠，但也可使用其他凝膠例如氧化鋁凝膠等。另外，在本實施方式中，基材2形成為長方體。構成基材2的原材料並不限於特定的原材料，只要是具有電絕緣性及力學彈性的原材料，就可以用作為基材2。另外，靜電電容力學量傳感器元件1基於作為測量對象的例如力的大小、加速度的大小等力學量的大小，調整基材2的彈性係數，具體而言，例如在製造基材時改變混合材料、混合比例，或選擇基材的材質，從而無論是微小的力學量還是具有相當程度大小的力學量，都能進行適當的檢測和測量。此外，基材2的尺寸並不限於特定的尺寸，可根據測量對象、設置部位等，調整為適當的尺寸。另外，靜電電容力學量傳感器元件1基於作為測量對象的例如力的大小、位移的大小等力學量的大小，調整基材2的尺寸，從而能確切地掌握和測量該力學量而無關乎力學量的大小。另外，為了基於該基材2的變形所帶來的電極4之間的靜電電容的變化來測定對基材2施加的力學量，對於基材2，除彈性係數之外，還預先掌握無負荷時的厚度及相對介電常數。在形成為長方體的基材2的相對的一對表面的上表面上配置四個電極4，使得各電極的中心位於矩形的頂點位置，在一對表面的下表面上配置四個電極4，使其與所述上表面的各電極正對。由此，配置總計八個電極4，使得各中心位置形成為長方體，且形成為四組正對的電極4的組合。另外，各電極4在電氣上獨立。此外，各電極4連接有從各電極4傳輸電信號的線路6。此外，也可以利用柔性印刷電路板(FPC)構成電極4。此外，在各電極4中，在電氣上獨立且成為相反極的相對面的電極之間構成一對靜電電容型傳感器元件，輸出靜電電容的值。即，在本實施方式中，通過將配置在形成為長方體的基材2的上表面的四個電極4的各電極與配置在下表面的四個電極4的各電極進行組合，從而構成總計16對靜電電容型傳感器元件。換言之，本實施方式的靜電電容型力學量傳感器元件1通過上述結構來形成16對靜電電容型傳感器元件的集合體。此外，由於在對靜電電容型力學量傳感器元件1施加力學量時，基材2發生變形， 所有16對電極4或部分電極4彼此在三維空間的相對位置關係根據變形的種類、形態而發生變化，靜電電容發生變化，因此，16對靜電電容型傳感器元件所輸出的靜電電容根據基材 2的變形的種類而示出獨立的變化。因而，通過利用由16對靜電電容型傳感器元件所得到的靜電電容的數據，具體而言，基於所有16對或其一部分的靜電電容的變化模式，能確定基材2的變形的種類、形態， 並能測定對測量對象即作用表面施加的各種力學量。具體而言，除垂直方向應力及水平方向應力之外，還能測量剪切應力(shear stress)、彎曲力矩、扭轉力矩等各種力學量。另外，由於在本實施方式中，由八個電極4來檢測並輸出16對電極之間的靜電電容，因此，各電極4的大小及相互間隔被調整到能檢測出靜電電容的範圍。此外，本實施方式的靜電電容型力學量傳感器元件1為了提高耐久性而利用保護膜5來覆蓋密封整個表面。在本實施方式中，由彈性體樹脂薄膜、優選具有絕緣性的彈性體樹脂薄膜來對基材2和電極4的整體進行包裝。由此，可防止電極4受到損傷或從基材2 脫落，並可防止基材2變質或受到損傷。從本發明的靜電電容型力學量傳感器元件1輸出的與各電極4之間的靜電電容的大小有關的電信號被輸入到電路10。如圖3所示，本實施方式的電路10包括被輸入來自各電極4的輸出信號的AD轉換器11、被輸入來自該AD轉換器11的輸出的通道選擇器12、 被輸入來自該通道選擇器12的輸出的數位訊號處理器13、以及被輸入由該數位訊號處理器13處理過的信號的運算裝置14。另外，在下文中，如圖3及圖4所示，對於各電極4，將配置在基材2的一面的四個電極4分別表示為^、4b、k、4d，將配置在基材2的相對面的四個電極4分別表示為4a』、4b』、4c』、4d』。AD轉換器11是將從各電極4輸出的模擬量轉換為數字量的部件。另外，在本實施方式中，AD轉換器11對16對電極的每一組合具有通道，具有例如處理電極如和電極4a』 的差分的通道、處理電極如和電極4b』的差分的通道、……、處理電極4d和電極4d』的差分的通道總計16個通道。通道選擇器12至少具有與從AD轉換器11輸出的16個通道相對應的通道以作為輸入側的通道，選擇其中的一個通道並切換電路，對數位訊號處理器13依次輸出來自AD轉換器11的輸入。運算裝置14是被輸入從通道選擇器12輸出並由數位訊號處理器13處理過的信號、並基於該信號計算對靜電電容型力學量傳感器元件1(以下也適當地只表述為傳感器元件1)施加的各種力學量的裝置。具體而言，運算裝置14基於16對電極之間的靜電電容之差的變化模式，確定基材2的變形的種類，並且，基於靜電電容的大小和基材2的彈性係數等，計算各電極4的位移的大小和所施加的負載的大小。
如圖5所示，本實施方式的運算裝置14包括信號輸入接收部14a、電極位置計算部14b、電極中央位置計算部14c、旋轉角度計算部14d、應力計算部14e、力矩計算部14f、輸出部14g、以及存儲器1細，該信號輸入接收部Ha作為被輸入由數位訊號處理器13處理過的信號即靜電電容值數據的單元，該電極位置計算部14b作為利用所輸入的靜電電容值數據、計算以配置在傳感器元件1的一對表面中的上表面的四個電極的中央位置作為原點時配置在下表面的四個電極各自的中心位置的單元，該電極中央位置計算部14c作為基於所計算出的各電極的中心位置、計算配置在下表面的四個電極的中央位置的單元，該旋轉角度計算部14d作為基於所計算出的各電極的中心位置、計算傳感器元件1的一對表面中的下表面相對於上表面的旋轉角度的單元，該應力計算部14e作為利用所計算出的配置在下表面的四個電極的中央位置、計算傳感器元件1的應力的單元，該力矩計算部14f作為利用所計算出的旋轉角度、計算傳感器元件1的扭轉力矩的單元，該輸出部14g作為將所計算出的應力和扭轉力矩等數據輸出到外部裝置15的單元，該存儲器Hm成為運算裝置14執行各種控制和運算時的工作區域即存儲空間。另外，存儲器Hm例如是RAM (Random Access Memory (隨機存取存儲器)的簡稱)。而且，運算裝置14利用16對電極之間的靜電電容值數據，按照圖6所示的流程圖計算各種力學量。在圖7中示出以下的說明中使用的傳感器元件1的一對表面的各個表面上的電極配置和用於識別各電極的標號(A、B、C、D、A』、B』、C』、D』)、以及以下的說明中用作為表示位置的三維的軸的設定。這裡，在以下的說明中，將配置有電極A、B、C、D的表面稱為上表面， 將配置有電極A』、B』、C』、D』的表面稱為下表面。而且，將下表面的四個電極A』、B』、C』、D』 的中央位置作為原點0，水平方向軸作為X軸及Y軸，此外，將垂直方向軸作為Z軸。另外， 將箭頭的方向作為各軸的正向。此外，這裡的說明中的位置坐標被賦予為具有長度標準的坐標，位置坐標的絕對值與長度、距離同義。首先，信號輸入接收部1 被輸入來自數位訊號處理器13的靜電電容值數據(Si)。具體而言，信號輸入接收部Ha被輸入將上表面的電極A、B、C、D中的一個電極和下表面的電極A』、B』、C』、D』中的一個電極依次進行組合而形成的總計16組電極的每一電極之間的靜電電容值數據。然後，信號輸入接收部Ha將所輸入的靜電電容值數據與所測量的電極組合相對應地存儲到存儲器Hm中。這裡，也可以在使用傳感器元件時，使傳感器元件位移預定量來實測電極之間的靜電電容，並且，進行實測值和理論值的比較驗證，在實測值與理論值之間觀察到差異的情況下，對所測量到的靜電電容值進行校正以用於以後的處理。具體而言，例如，如圖8A所示，考慮如下情況進行校正，從而使得將傳感器元件進行位移而實測得到的對應於每一位移量△ d的電極之間的靜電電容C的實測值21、與基於傳感器元件的設計值和物理特性而計算出的對應於位移量△ d的靜電電容C的理論值20
相一致。選擇多個實測值，求出進行線性近似以使得與對應於該實測值的理論值之間的差異最小時的近似直線的斜率a和截距b (圖8B)。然後，將近似直線的斜率a及截距b用作為用於對輸入到信號輸入接收部Ha的靜電電容的測量值進行校正的公式(以下也適當地稱為校正公式)的斜率a及截距b。即，使用數學公式1作為校正公式。(數學公式1) Cc = aCm+b
其中，Cc 校正後的靜電電容，Cffl 靜電電容的測量值，a 表示近似直線的斜率係數即校正公式的斜率係數，b 表示近似直線的截距係數即校正公式的截距係數。另外，雖然在圖8所示的示例中，選擇三個實測值21a(圖中符號〇)，並利用該三個實測值21a和與其對應的三個理論值20a(圖中符號〇)，求出近似直線而推定校正公式， 但是，用於推定校正公式的理論值和實測值的組合數並不限於三組，只要是至少兩組以上， 多少組都可以。此外，也可以將位移值△(!分為正值的情況和負值的情況來推定校正公式。在圖9中示出應用校正公式對測量值進行校正的示例。圖9A表示賦予預定的位移時靜電電容的理論值20與實測值21之間的大小及變化的斜率不同、在兩者之間觀察到差異的情況。然後，根據理論值20與實測值21的關係求出數學公式1所表示的校正公式，若將該校正公式應用於實測值，則求出與理論值20 —致的、對測量值進行了校正的值22 (圖 9B)。另外，利用校正公式對測量值進行校正的意義可考慮如下。即，靜電電容的實測值在大多情況下成為大於理論值的值。可認為其原因是例如、傳感器元件1的線路6的面積所引起的有效面積的擴大和寄生電容的影響等。即，可認為將作為數學公式2所表示的關係的結果的靜電電容作為實測值來觀測。(數學公式2) Cffl = ACE+p其中，Cffl 靜電電容的測量值，Ce 靜電電容的理論值，A 與傳感器元件的線路部的面積等對靜電電容的測量值帶來影響的主要原因有關的係數，ρ:與寄生電容有關的常數。然後，為了儘可能去除對所觀測的靜電電容值施加的影響而成為與理論值相近的值，將數學公式2變形為數學公式3，利用具有對應於數學公式3的係數1/A的斜率a和對應於常數-P/A的截距b的公式對測量值進行校正，這樣是有效的。[數學公式3]CR=—· Cm--
A A根據以上內容，在本發明中，也可以利用數學公式1對實際測量的靜電電容值進行校正並用於以後的處理。接下來，電極位置計算部14b利用在Sl的處理中所輸入的每一電極之間的靜電電容值數據，計算上表面的各電極的中心位置(S2)。這裡，舉出計算上表面的電極D的中心位置的情況為例進行說明。首先，在圖7所示的各電極及坐標軸中，將在未對傳感器元件1施加負載、負荷的狀態(以下稱為初始狀態)下的電極A』的中心位置坐標設為(χ坐標，y坐標，ζ坐標)=(α，α，0)。在該情況下，初始狀態下的電極B』的中心位置坐標成為(-α，^，0)，電極0』的中心位置坐標成為 (α，-α，0)。另外，α作為傳感器元件1的設計值是已知的。然後，傳感器元件1從初始狀態通過上表面相對於下表面在ζ軸方向上進行壓縮或在X軸方向、y軸方向上發生偏離而發生變形，上表面的電極D的中心位置坐標位移成
( ，Yd' zD) ο
此時，上表面的電極D與下表面的電極A』、B』、D』之間的距離dDA,、(！DB,、dDD,基於各電極的初始狀態的中心位置坐標與位移後的中心位置坐標的關係，表示為數學公式如 4c ο(數學公式4a) (xD- α )2+ (yD- α ) 2+zD2 = dDA』2(數學公式4b) (xD+ α )2+ (yD- α ) 2+zD2 = dDB』2(數學公式4c) (xD- α )2+ (yD+ α ) 2+zD2 = dDD』2另一方面，在各電極間的距離d和靜電電容C之間，一般有數學公式5的關係成立。[數學公式5] S
權利要求
1.一種靜電電容型力學量傳感器元件，其特徵在於，具備具有電絕緣性和力學彈性並具有相對的至少一對表面的基材、配置在該基材的所述一對表面的一面的至少一個電極、以及配置在所述一對表面的另一面的至少一個電極，對於分別從配置在所述一面的電極和配置在所述另一面的電極中各選擇一個而得到的兩個電極的每一組合，檢測電極之間的靜電電容。
2.一種靜電電容型力學量傳感器元件，其特徵在於，具備具有電絕緣性和力學彈性並具有相對的至少一對表面的基材、配置在該基材的所述一對表面的一面的四個電極、以及在所述一對表面的另一面上分別配置在與所述一面的四個電極正對的位置上的四個電極，對於分別從所述一面的四個電極和所述另一面的四個電極中各選擇一個而得到的兩個電極的每一組合，檢測電極之間的靜電電容。
3.如權利要求1或2所述的靜電電容型力學量傳感器元件，其特徵在於， 所述電極由柔性印刷電路板構成。
4.如權利要求1或2所述的靜電電容型力學量傳感器元件，其特徵在於， 利用保護膜來密封整個表面。
5.一種力學量傳感器，其特徵在於，該力學量傳感器具備運算裝置，該運算裝置包括 被輸入由靜電電容型力學量傳感器元件測量輸出的靜電電容值數據的單元，該靜電電容型力學量傳感器元件具備具有電絕緣性和力學彈性並具有相對的至少一對表面的基材、 配置在該基材的所述一對表面的一面的至少一個電極、以及配置在所述一對表面的另一面的至少一個電極，對於分別從配置在所述一面的電極和配置在所述另一面的電極中各選擇一個而得到的兩個電極的每一組合，檢測電極之間的靜電電容；利用所述靜電電容值數據、計算配置在所述另一面的電極相對於配置在所述一面的電極的位置的單元；基於配置在所述另一面的電極的位置、計算配置在所述另一面的電極的中央位置的單元；基於配置在所述另一面的電極的位置、計算所述另一面相對於所述一面的旋轉角度的單元；利用所述中央位置計算所述基材的應力的單元；以及利用所述旋轉角度計算所述基材的扭轉力矩的單元。
6.一種力學量傳感器，其特徵在於，該力學量傳感器具備運算裝置，該運算裝置包括 被輸入由靜電電容型力學量傳感器元件測量輸出的靜電電容值數據的單元，該靜電電容型力學量傳感器元件具備具有電絕緣性和力學彈性並具有相對的至少一對表面的基材、 配置在該基材的所述一對表面的一面的四個電極、以及在所述一對表面的另一面上分別配置在與所述一面的四個電極正對的位置上的四個電極，對於分別從所述一面的四個電極和所述另一面的四個電極中各選擇一個而得到的兩個電極的每一組合，檢測電極之間的靜電電容；利用所述靜電電容值數據、計算配置在所述一對表面的另一面的所述四個電極相對於配置在所述一對表面的一面的所述四個電極的位置的單元；基於所述四個電極的位置、計算所述四個電極的中央位置的單元；基於所述四個電極的位置、計算所述另一面相對於所述一面的旋轉角度的單元； 利用所述四個電極的中央位置計算所述基材的應力的單元；以及利用所述旋轉角度計算所述基材的扭轉力矩的單元。
全文摘要
為了使靜電電容型力學量傳感器元件結構簡單且可小型化，並且，傳感器元件自身可進行柔軟變形，能用於多種用途而不限定用途，靜電電容型力學量傳感器元件具備具有電絕緣性和力學彈性並具有相對的至少一對表面的基材(2)、配置在該基材(2)的一對表面的一面的四個電極(4)、以及在一對表面的另一面上分別配置在與所述一面的四個電極(4)正對的位置上的四個電極(4)，對於從這些電極(4)中選擇得到的兩個電極的每一組合，檢測電極(4)之間的靜電電容。
文檔編號G01L5/16GK102165297SQ20098013913
公開日2011年8月24日 申請日期2009年11月20日 優先權日2008年11月21日
發明者柏原嶽志, 高橋誠 申請人:高橋誠, 鷹野株式會社