专利名称：静电电容型力学量传感器元件及力学量传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及静电电容型力学量传感器元件及利用了该静电电容型力学量传感器元件的力学量传感器。更详细而言，本发明涉及适合在基于电极之间的静电电容的变化、检测三维的力学量的传感器中使用的元件及利用了该元件的力学量传感器。
背景技术：
静电电容型力学量传感器一般是检测正对的两个平行电极之间的静电电容的变化来测定力学量的传感器。作为现有的力学量传感器元件，存在如图80及图81所示的力学量传感器元件，包括由形成中空部107的周壁即框架104、锤106、及支承锤106使其位于中空部107内的可弯曲部105构成的锤支承结构体101 ；从上下方向夹住该锤支承结构体101的上部玻璃基板102和下部玻璃基板103 ；以及与锤106正对且配置于上部玻璃基板102的驱动电极109和固定电极110，该力学量传感器元件基于固定电极110与锤106之间的静电电容的变化，检测锤106的姿势变化。专利文献1 日本专利特开2007-192587号公报
发明内容
然而，在专利文献1的力学量传感器元件中，为了容纳锤106、电极109、110，并形成允许锤106倾斜的空间即中空部107，需要刚性高的容器，由于具有由框架104和玻璃基板102、103构成的坚固框体，因此，无法与例如人体表面等柔软的曲面接触以进行使用。 即，用途被限定，因此，很难说通用性高。此外，在专利文献1的力学量传感器元件中，由于在较硬的上部玻璃基板102上配置电极，因此，电极的配置维持在平面状态，并且，由于检测由形成为正交的两轴的可弯曲部105所支承的锤106的姿势变化，因此，存在如下问题对于例如水平方向的偏离、垂直方向的压缩、绕垂直轴的旋转位移、由各轴方向的力的合力所产生的复杂扭转、或者与这些位移相对应的应力等力学量，无法进行检测。此外，在专利文献1的力学量传感器元件中，如图81B所示，为了检测锤106的姿势变化，除锤106、上部玻璃基板102、及下部玻璃基板103之外，还需要在锤106的周围设置作为用于允许该锤106倾斜的空间的中空部107。因此，存在无法使传感器元件比为了构成上述结构所需的厚度更薄的问题。此外，在专利文献1的力学量传感器元件中，由于框体构成为包括将用于允许锤 106倾斜的中空部107形成的周壁的框架104、上部玻璃基板102、下部玻璃基板103，并且， 在该框体内侧的中空部107以使锤106悬浮的方式进行支承，因此，存在如下问题作为传感器元件的结构非常复杂，在制作上很费工夫，并导致成本上升。此外，由于结构非常复杂， 因此，难以抑制制作过程中的每一个体的品质偏差，可能难以保持作为传感器元件的检测精度。因而，本发明的目的在于提供一种静电电容型力学量传感器元件，该静电电容型力学量传感器元件结构简单且可薄型化和小型化，并且，传感器元件自身可进行柔软变形， 例如能与人体表面等柔软的曲面接触以进行使用，从而能用于多种用途而不限定用途。本发明的目的还在于提供一种能检测多种多样的力学量的静电电容型力学量传感器元件。本发明的目的又在于提供一种能用于多种用途且能计算多种多样的力学量的力学量传感器。为了达到上述目的，本发明人进行了各种研究，结果想到，即使在非正对的电极之间，也能检测出可判定位移量等力学量的静电电容的变化。本发明是基于上述想法的发明，权利要求1所述的静电电容型力学量传感器元件具备具有电绝缘性和力学弹性并具有相对的至少一对表面的基材、配置在该基材的所述一对表面的一面的至少一个电极、以及配置在所述一对表面的另一面的至少一个电极，对于分别从配置在所述一面的电极和配置在所述另一面的电极中各选择一个而得到的两个电极的每一组合，检测电极之间的静电电容。此外，本发明的静电电容型力学量传感器元件优选具备具有电绝缘性和力学弹性并具有相对的至少一对表面的基材、配置在该基材的所述一对表面的一面的四个电极、以及在所述一对表面的另一面上分别配置在与所述一面的四个电极正对的位置上的四个电极，对于分别从所述一面的四个电极和所述另一面的四个电极中各选择一个而得到的两个电极的每一组合，检测电极之间的静电电容。因而，根据这些静电电容型力学量传感器元件，由于在具有力学弹性的基材上配置电极，因此，无需另外设置用于形成电极的可动空间的刚性高的框体，该电极用于使静电电容产生变化。此外，根据这些静电电容型力学量传感器元件，能通过选择基材的材质来对配置电极的基材的弹性特性进行调整。此外，根据优选方式的静电电容型力学量传感器元件，分别从基材的一对表面的一面的四个电极和另一面的四个电极中各选择一个而得到两个电极的每一组合，以全部16 种组合来构成16对静电电容型传感器元件，可检测16个方向的静电电容的变化。另外，具体而言，通过将一面的四个电极的各个电极与另一面的四个电极的各个电极进行组合，能得到总计16种组合。因而，与像现有的传感器元件那样的最多检测X、Y、Z三轴的各个轴方向的位移的传感器元件不同，根据本静电电容型力学量传感器元件，通过利用16个方向的信息进行计算，从而能检测水平方向的偏离、垂直方向的压缩、绕垂直轴的旋转位移、相对于垂直轴倾斜时的偏离和扭转、或者与这些位移相对应的应力等多种力学量。此外，在权利要求1或2所述的静电电容型力学量传感器元件中，优选电极由柔性印刷基板构成。此外，在权利要求1或2所述的静电电容型力学量传感器元件中，优选利用保护膜来密封整个表面。此外，权利要求5所述的力学量传感器具备运算装置，该运算装置包括被输入由静电电容型力学量传感器元件测量输出的静电电容值数据的单元，该静电电容型力学量传感器元件具备具有电绝缘性和力学弹性并具有相对的至少一对表面的基材、配置在该基材的所述一对表面的一面的至少一个电极、以及配置在所述一对表面的另一面的至少一个电极，对于分别从配置在所述一面的电极和配置在所述另一面的电极中各选择一个而得到的两个电极的每一组合，检测电极之间的静电电容；利用静电电容值数据、计算配置在所述另一面的电极相对于配置在所述一面的电极的位置的单元；基于配置在所述另一面的电极的位置、计算配置在所述另一面的电极的中央位置的单元；基于配置在所述另一面的电极的位置、计算所述另一面相对于所述一面的旋转角度的单元；利用中央位置计算基材的应力的单元；以及利用旋转角度计算基材的扭转力矩的单元。此外，本发明的力学量传感器优选具备运算装置，该运算装置包括被输入由静电电容型力学量传感器元件测量输出的静电电容值数据的单元，该静电电容型力学量传感器元件具备具有电绝缘性和力学弹性并具有相对的至少一对表面的基材、配置在该基材的所述一对表面的一面的四个电极、以及在所述一对表面的另一面上分别配置在与所述一面的四个电极正对的位置上的四个电极，对于分别从所述一面的四个电极和所述另一面的四个电极中各选择一个而得到的两个电极的每一组合，检测电极之间的静电电容；利用静电电容值数据、计算配置在一对表面的另一面的四个电极相对于配置在一对表面的一面的四个电极的位置的单元；基于所述四个电极的位置、计算四个电极的中央位置的单元；基于所述四个电极的位置、计算另一面相对于一面的旋转角度的单元；利用所述四个电极的中央位置计算基材的应力的单元；以及利用旋转角度计算基材的扭转力矩的单元。因而，根据这些力学量传感器，由于利用结构简单且可薄型化和小型化、并能例如与柔软的曲面接触以进行使用的静电电容型力学量传感器元件，因此，能用于多种用途而不限定用途。此外，根据优选方式的力学量传感器，由于将分别从基材的一对表面的一面的四个电极和另一面的四个电极中各选择一个而得到的两个电极的每一组合的16个方向的静电电容值数据进行输入，因此，与像现有的传感器那样的最多测量X、Y、Z三轴的各个轴方向的位移的传感器不同，通过利用16个方向的信息进行计算，从而能测量水平方向的偏离、垂直方向的压缩、绕垂直轴的旋转位移、相对于垂直轴倾斜时的偏离和扭转、或者与这些位移相对应的应力等多种力学量。根据本发明的静电电容型力学量传感器元件，由于是在基材上直接粘贴电极的结构，因此，能使传感器元件自身的结构简单，并且，能构成得较�。迪中⌒突�。此外，由于无需用于形成电极的可动空间的刚性高的框体和框架，该电极用于使静电电容产生变化，因此，能使传感器本身成为具有可弯曲性的柔软部件。因而，能用于多种用途而不受设置部位和空间的限制，能力图提高通用性。此外，能抑制制作过程中的每一个体的品质偏差，提高作为传感器元件的检测精度。此外，根据本发明的静电电容型力学量传感器元件，由于能通过选择基材的材质来对配置电极的基材的弹性特性进行调整，因此，能发挥与测量对象相匹配的弹性特性，即使对于微小的物体，也能提高力学量的检测精度。此外，根据权利要求2所述的静电电容型力学量传感器元件，若将分别从基材的一对表面的一面的四个电极和另一面的四个电极中各选择一个而得到的两个电极的每一组合的电极之间的静电电容的变化、与各轴方向或绕轴的位移量之间的相关关系预先求出，则能测量水平方向的偏离、垂直方向的压缩、绕垂直轴的旋转位移、相对于垂直轴倾斜时的偏离和扭转、或者与这些位移相对应的应力等多种力学量，因此，例如对于阐明因至今为止无法测量力学量而无法阐明的现象等，能提供和贡献有益的信息。此外，根据权利要求3所述的静电电容型力学量传感器元件，由于能使制作变容易，省时省力，因此，能提高通用性并抑制制作成本。此外，能进一步抑制制作过程中的每一个体的品质偏差，进一步提高作为传感器元件的检测精度。此外，根据权利要求4所述的静电电容型力学量传感器元件，由于能防止电极从基材脱落以及基材、电极受到损伤，因此，能提高传感器元件的耐久性。此外，由于能防止基材的材质变质，因此，能提高传感器元件的耐久性并抑制物理特性的变化，可力图维持检测精度。此外，根据权利要求5所述的力学量传感器，通过在相对的一对表面分别各配置一个电极，从而至少能计算垂直方向的压缩，而且，根据在相对的一对表面的各个表面上配置电极的方式，除垂直方向的压缩之外，还能测量水平方向的偏离、绕垂直轴的旋转位移、 相对于垂直轴倾斜时的偏离和扭转、或者与这些位移相对应的应力等多种力学量，因此，例如对于阐明因至今为止无法测量力学量而无法阐明的现象等，能提供和贡献有益的信息。此外，根据权利要求6所述的力学量传感器，通过利用16个方向的信息进行计算， 从而能计算水平方向的偏离、垂直方向的压缩、绕垂直轴的旋转位移、相对于垂直轴倾斜时的偏离和扭转、或者与这些位移相对应的应力等多种力学量，因此，例如对于阐明因至今为止无法测量力学量而无法阐明的现象等，能提供和贡献有益的信息。
图1是表示本发明的静电电容型力学量传感器元件的实施方式的一个示例的剖视图。图2是表示本发明的静电电容型力学量传感器元件的实施方式的一个示例的俯视图。图3是表示本发明的力学量传感器的实施方式的一个示例的图，是说明被输入来自传感器元件的信号的电路的功能结构的图。图4是表示本发明的力学量传感器的实施方式的一个示例的图，是说明被输入来自传感器元件的信号的电路结构的图。图5是说明本实施方式的电路的运算装置的功能结构的图。图6是说明图5的运算装置的处理步骤的流程图。图7是为了说明图5的运算装置的处理而说明电极的配置和三轴的关系的图。图8A是说明本实施方式中的实测值的校正方法的图。图8B是说明本实施方式中的实测值的校正方法的图。图9A是说明本实施方式中的实测值的校正处理的图。图9B是说明本实施方式中的实测值的校正处理的图。图10是说明本实施方式的传感器元件的上表面相对于下表面进行了位移的状态的图。图IlA是说明实施例1的静电电容型力学量传感器元件的电极的设定的图，是表示传感器元件的上表面的电极的俯视图。图IlB是说明与实施例1的静电电容型力学量传感器元件的电极相关的三轴的设定的图，是说明静电电容型力学量传感器元件的电极的配置和三轴的关系的图。图12是表示实施例1的赋予压缩方向上的位移时的位移量Δ d与电极A-A’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。
图13是表示相同的位移量 Δ d与电极A-B’ 间的静电电容的变化 Δ C之间的关
系的图。图14是表示相同的位移量Ad与电极A-C’间的静电电容的变化 Δ C之间的关
系的图。
图15是表示相同的位移量 Ad与电极A-D’间的静电电容的变化Δ C之间的关
系的图。图16是表示相同的位移量 Δ d与电极B-A’ 间的静电电容的变化Δ C之间的关
系的图。图17是表示相同的位移量 Δ d与电极B-B’ 间的静电电容的变化Δ C之间的关
系的图。图18是表示相同的位移量 Δ(1与电极B-C’间的静电电容的变化 Δ C之间的关
系的图。图19是表示相同的位移量图 Δ(1与电极B-D’间的静电电容的变化 Δ C之间的关
系的图。 20是表示相同的位移量 Δ d与电极C-A’ 间的静电电容的变化Δ C之间的关
系的图。图21是表示相同的位移量 Δ d与电极C-B’ 间的静电电容的变化Δ C之间的关
系的图。图22是表示相同的位移量 Ad与电极C-C’ 间的静电电容的变化Δ C之间的关
系的图。图23是表示相同的位移量图对是表示相同的位移量 Ad与电极C-D’ 间的静电电容的变化Δ C之间的关
系的图。图24是表示相同的位移量Ad与电极D-A’ 间的静电电容的变化 Δ C之间的关
系的图。图25是表示相同的位移量 Δ d与电极D-B’ 间的静电电容的变化 Δ C之间的关
系的图。 图26是表示相同的位移量Δ(1与电极D-C’间的静电电容的变化Δ C之间的关
系的图。图27是表示相同的位移量Ad与电极D-D’ 间的静电电容的变化Δ C之间的关
系的图。 图28是表示实施例1的赋予X轴方向的偏离方向上的位移时的位移量△(!与电极Α-Α’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图四是表示相同的位移量Ad与电极Α-Β’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图30是表示相同的位移量Ad与电极A-C’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图31是表示相同的位移量Ad与电极A-D’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图32是表示相同的位移量Δ d与电极B-A’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图33是表示相同的位移量Ad与电极B-B’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图34是表示相同的位移量Ad与电极B-C’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图35是表示相同的位移量Ad与电极B-D’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图36是表示相同的位移量Δ d与电极C-A’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图37是表示相同的位移量Ad与电极C-B’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图38是表示相同的位移量Ad与电极C-C’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图39是表示相同的位移量Ad与电极C-D’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图40是表示相同的位移量Δ d与电极D-A’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图41是表示相同的位移量Ad与电极D-B’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图42是表示相同的位移量Ad与电极D-C’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图43是表示相同的位移量Ad与电极D-D’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图44是表示实施例1的赋予Y轴方向的偏离方向上的位移时的位移量Ad与电极Α-Α’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图45是表示相同的位移量Ad与电极Α-Β’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图46是表示相同的位移量Δ d与电极A-C’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图47是表示相同的位移量Ad与电极A-D’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图48是表示相同的位移量Δ d与电极B-A’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图49是表示相同的位移量Ad与电极Β-Β’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图50是表示相同的位移量Ad与电极B-C’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。图51是表示相同的位移量Ad与电极B-D’间的静电电容的变化量Δ C之间的关系的图。
图52是表示相同的位移量Δ d与电极C-A’间的静电电容的变化量AC之间的关
系的图 图53是表示相同的位移量Ad与电极C-B’ 间的静电电容的变化量AC之间的关
系的图 图讨是表示相同的位移量Ad与电极C-C’ 间的静电电容的变化量AC之间的关
系的图 图55是表示相同的位移量Ad与电极C-D’ 间的静电电容的变化量AC之间的关
系的图 图56是表示相同的位移量Δ d与电极D-A’ 间的静电电容的变化量AC之间的关
系的图 图57是表示相同的位移量Ad与电极D-B’ 间的静电电容的变化量AC之间的关
系的图 图58是表示相同的位移量Ad与电极D-C’ 间的静电电容的变化量AC之间的关
系的图 图59是表示相同的位移量Ad与电极D-D’间的静电电容的变化量AC之间的关
系的图。图60是表示实施例1的赋予绕Z轴旋转的位移时的旋转角度Δ θ与电极A-A 间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图61是表示相同的旋转角度Δ θ 与电极Α-Β’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图62是表示相同的旋转角度Δ θ 间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图63是表示相同的旋转角度Δ θ 与电极A-D’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图64是表示相同的旋转角度Δ θ 与电极Β-Α’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图65是表示相同的旋转角度Δ θ 与电极Β-Β’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图66是表示相同的旋转角度Δ θ 与电极B-C’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图67是表示相同的旋转角度Δ θ 与电极B-D’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图68是表示相同的旋转角度Δ θ 与电极C-A’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图69是表示相同的旋转角度Δ θ 与电极C-B’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图70是表示相同的旋转角度Δ θ 与电极C-C’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图71是表示相同的旋转角度Δ θ与电极C-D’间的静电电容的变化量AC之间的关系的图。图72是表示相同的旋转角度的关系的图。图73是表示相同的旋转角度的关系的图。图74是表示相同的旋转角度的关系的图。图75是表示相同的旋转角度的关系的图。图76A是说明在使实施例1的传感器元件的上表面和下表面进行相对旋转位移时线路彼此的重叠的图，是说明在沿正向旋转时电极的线路彼此重叠、在沿负向旋转时电极的线路彼此远离的模式的图。图76B是说明在使实施例1的传感器元件的上表面和下表面进行相对旋转位移时线路彼此的重叠的图，是说明在沿正向旋转时电极的线路彼此远离、在沿负向旋转时电极的线路彼此重叠的模式的图。图77A是说明实施例1的传感器元件的电极之间的静电电容的变化的图，是说明电极C-A’之间和D-B’之间的静电电容的变化的图。图77B是说明实施例1的传感器元件的电极之间的静电电容的变化的图，是说明电极A-C’之间和B-D’之间的静电电容的变化的图。图78A是说明实施例1的传感器元件的电极之间的静电电容的变化的图。图78B是说明实施例1的传感器元件的电极之间的静电电容的变化的图。图78C是说明实施例1的传感器元件的电极之间的静电电容的变化的图。图78D是说明实施例1的传感器元件的电极之间的静电电容的变化的图。图78E是说明实施例1的传感器元件的电极之间的静电电容的变化的图。图79A是表示将利用实施例2的校正后的静电电容值数据计算出的位移量与实际上赋予传感器元件的位移量进行比较的图，是赋予Z轴方向上的压缩位移时的图。图79B是表示将利用实施例2的校正后的静电电容值数据计算出的位移量与实际上赋予传感器元件的位移量进行比较的图，是赋予X轴方向上的偏离位移时的图。图79C是表示将利用实施例2的校正后的静电电容值数据计算出的位移量与实际上赋予传感器元件的位移量进行比较的图，是赋予Y轴方向上的偏离位移时的图。图79D是表示将利用实施例2的校正后的静电电容值数据计算出的位移量与实际上赋予传感器元件的位移量进行比较的图，是赋予绕Z轴旋转的位移时的图。图80是表示现有的静电电容型力学量传感器的分解立体图。图81A是表示现有的静电电容型力学量传感器的剖视图，是表示锤的姿势没有变化的状态的剖视图。图81B是表示现有的静电电容型力学量传感器的剖视图，是表示锤的姿势发生变化的状态的剖视图。
Δ θ与电极D-A’间的静电电容的变化量AC之间 Δ θ与电极D-B’间的静电电容的变化量AC之间 Δ θ与电极D-C’间的静电电容的变化量AC之间 Δ θ与电极D-D’间的静电电容的变化量AC之间
具体实施例方式下面，基于附图所示的实施方式详细说明本发明的结构。本发明的静电电容型力学量传感器元件具备具有电绝缘性和力学弹性并具有相对的至少一对表面的基材、配置在该基材的所述一对表面的一面的至少一个电极、以及配置在所述一对表面的另一面的至少一个电极，对于分别从配置在所述一面的电极和配置在所述另一面的电极中各选择一个而得到的两个电极的每一组合，检测电极之间的静电电容。而且，本发明的力学量传感器具备运算装置，该运算装置包括被输入由所述静电电容型力学量传感器元件测量输出的静电电容值数据的单元；利用静电电容值数据、计算配置在所述另一面的电极相对于配置在所述一面的电极的位置的单元；基于配置在所述另一面的电极的位置、计算配置在所述另一面的电极的中央位置的单元；基于配置在所述另一面的电极的位置、计算所述另一面相对于所述一面的旋转角度的单元；利用中央位置计算基材的应力的单元；以及利用旋转角度计算基材的扭转力矩的单元。从图1到图10示出本发明的静电电容型力学量传感器元件及力学量传感器的实施方式的一个示例。本实施方式的静电电容型力学量传感器元件1具备具有电绝缘性和力学弹性并具有相对的至少一对表面的基材2、配置在该基材2的一对表面的一面(以下称为上表面)的四个电极4、以及在一对表面的另一面(以下称为下表面)上分别配置在与上表面的四个电极4正对的位置上的四个电极4，对于分别从上表面的四个电极4和下表面的四个电极4中各选择一个而得到的两个电极4的每一组合，输出电极4之间的静电电容。基材2作为电绝缘体介于配置在上表面的电极4与配置在下表面的电极4之间， 是可根据所施加的力学量进行变形而使电极4之间的静电电容发生变化、并支承电极4的部件。即，基材2由具有电绝缘性及力学弹性的原材料形成，具体而言，例如由凝胶形成。作为凝胶，优选使用例如硅凝胶，但也可使用其他凝胶例如氧化铝凝胶等。另外，在本实施方式中，基材2形成为长方体。构成基材2的原材料并不限于特定的原材料，只要是具有电绝缘性及力学弹性的原材料，就可以用作为基材2。另外，静电电容力学量传感器元件1基于作为测量对象的例如力的大小、加速度的大小等力学量的大�。髡�2的弹性系数，具体而言，例如在制造基材时改变混合材料、混合比例，或选择基材的材质，从而无论是微小的力学量还是具有相当程度大小的力学量，都能进行适当的检测和测量。此外，基材2的尺寸并不限于特定的尺寸，可根据测量对象、设置部位等，调整为适当的尺寸。另外，静电电容力学量传感器元件1基于作为测量对象的例如力的大小、位移的大小等力学量的大�。髡�2的尺寸，从而能确切地掌握和测量该力学量而无关乎力学量的大小。另外，为了基于该基材2的变形所带来的电极4之间的静电电容的变化来测定对基材2施加的力学量，对于基材2，除弹性系数之外，还预先掌握无负荷时的厚度及相对介电常数。在形成为长方体的基材2的相对的一对表面的上表面上配置四个电极4，使得各电极的中心位于矩形的顶点位置，在一对表面的下表面上配置四个电极4，使其与所述上表面的各电极正对。由此，配置总计八个电极4，使得各中心位置形成为长方体，且形成为四组正对的电极4的组合。另外，各电极4在电气上独立。此外，各电极4连接有从各电极4传输电信号的线路6。此外，也可以利用柔性印刷电路板(FPC)构成电极4。此外，在各电极4中，在电气上独立且成为相反极的相对面的电极之间构成一对静电电容型传感器元件，输出静电电容的值。即，在本实施方式中，通过将配置在形成为长方体的基材2的上表面的四个电极4的各电极与配置在下表面的四个电极4的各电极进行组合，从而构成总计16对静电电容型传感器元件。换言之，本实施方式的静电电容型力学量传感器元件1通过上述结构来形成16对静电电容型传感器元件的集合体。此外，由于在对静电电容型力学量传感器元件1施加力学量时，基材2发生变形， 所有16对电极4或部分电极4彼此在三维空间的相对位置关系根据变形的种类、形态而发生变化，静电电容发生变化，因此，16对静电电容型传感器元件所输出的静电电容根据基材 2的变形的种类而示出独立的变化。因而，通过利用由16对静电电容型传感器元件所得到的静电电容的数据，具体而言，基于所有16对或其一部分的静电电容的变化模式，能确定基材2的变形的种类、形态， 并能测定对测量对象即作用表面施加的各种力学量。具体而言，除垂直方向应力及水平方向应力之外，还能测量剪切应力(shear stress)、弯曲力矩、扭转力矩等各种力学量。另外，由于在本实施方式中，由八个电极4来检测并输出16对电极之间的静电电容，因此，各电极4的大小及相互间隔被调整到能检测出静电电容的范围。此外，本实施方式的静电电容型力学量传感器元件1为了提高耐久性而利用保护膜5来覆盖密封整个表面。在本实施方式中，由弹性体树脂薄膜、优选具有绝缘性的弹性体树脂薄膜来对基材2和电极4的整体进行包装。由此，可防止电极4受到损伤或从基材2 脱落，并可防止基材2变质或受到损伤。从本发明的静电电容型力学量传感器元件1输出的与各电极4之间的静电电容的大小有关的电信号被输入到电路10。如图3所示，本实施方式的电路10包括被输入来自各电极4的输出信号的AD转换器11、被输入来自该AD转换器11的输出的通道选择器12、 被输入来自该通道选择器12的输出的数字信号处理器13、以及被输入由该数字信号处理器13处理过的信号的运算装置14。另外，在下文中，如图3及图4所示，对于各电极4，将配置在基材2的一面的四个电极4分别表示为^、4b、k、4d，将配置在基材2的相对面的四个电极4分别表示为4a’、4b’、4c’、4d’。AD转换器11是将从各电极4输出的模拟量转换为数字量的部件。另外，在本实施方式中，AD转换器11对16对电极的每一组合具有通道，具有例如处理电极如和电极4a’ 的差分的通道、处理电极如和电极4b’的差分的通道、……、处理电极4d和电极4d’的差分的通道总计16个通道。通道选择器12至少具有与从AD转换器11输出的16个通道相对应的通道以作为输入侧的通道，选择其中的一个通道并切换电路，对数字信号处理器13依次输出来自AD转换器11的输入。运算装置14是被输入从通道选择器12输出并由数字信号处理器13处理过的信号、并基于该信号计算对静电电容型力学量传感器元件1(以下也适当地只表述为传感器元件1)施加的各种力学量的装置。具体而言，运算装置14基于16对电极之间的静电电容之差的变化模式，确定基材2的变形的种类，并且，基于静电电容的大小和基材2的弹性系数等，计算各电极4的位移的大小和所施加的负载的大小。
如图5所示，本实施方式的运算装置14包括信号输入接收部14a、电极位置计算部14b、电极中央位置计算部14c、旋转角度计算部14d、应力计算部14e、力矩计算部14f、输出部14g、以及存储器1細，该信号输入接收部Ha作为被输入由数字信号处理器13处理过的信号即静电电容值数据的单元，该电极位置计算部14b作为利用所输入的静电电容值数据、计算以配置在传感器元件1的一对表面中的上表面的四个电极的中央位置作为原点时配置在下表面的四个电极各自的中心位置的单元，该电极中央位置计算部14c作为基于所计算出的各电极的中心位置、计算配置在下表面的四个电极的中央位置的单元，该旋转角度计算部14d作为基于所计算出的各电极的中心位置、计算传感器元件1的一对表面中的下表面相对于上表面的旋转角度的单元，该应力计算部14e作为利用所计算出的配置在下表面的四个电极的中央位置、计算传感器元件1的应力的单元，该力矩计算部14f作为利用所计算出的旋转角度、计算传感器元件1的扭转力矩的单元，该输出部14g作为将所计算出的应力和扭转力矩等数据输出到外部装置15的单元，该存储器Hm成为运算装置14执行各种控制和运算时的工作区域即存储空间。另外，存储器Hm例如是RAM (Random Access Memory (随机存取存储器)的简称)。而且，运算装置14利用16对电极之间的静电电容值数据，按照图6所示的流程图计算各种力学量。在图7中示出以下的说明中使用的传感器元件1的一对表面的各个表面上的电极配置和用于识别各电极的标号(A、B、C、D、A’、B’、C’、D’)、以及以下的说明中用作为表示位置的三维的轴的设定。这里，在以下的说明中，将配置有电极A、B、C、D的表面称为上表面， 将配置有电极A’、B’、C’、D’的表面称为下表面。而且，将下表面的四个电极A’、B’、C’、D’ 的中央位置作为原点0，水平方向轴作为X轴及Y轴，此外，将垂直方向轴作为Z轴。另外， 将箭头的方向作为各轴的正向。此外，这里的说明中的位置坐标被赋予为具有长度标准的坐标，位置坐标的绝对值与长度、距离同义。首先，信号输入接收部1 被输入来自数字信号处理器13的静电电容值数据(Si)。具体而言，信号输入接收部Ha被输入将上表面的电极A、B、C、D中的一个电极和下表面的电极A’、B’、C’、D’中的一个电极依次进行组合而形成的总计16组电极的每一电极之间的静电电容值数据。然后，信号输入接收部Ha将所输入的静电电容值数据与所测量的电极组合相对应地存储到存储器Hm中。这里，也可以在使用传感器元件时，使传感器元件位移预定量来实测电极之间的静电电容，并且，进行实测值和理论值的比较验证，在实测值与理论值之间观察到差异的情况下，对所测量到的静电电容值进行校正以用于以后的处理。具体而言，例如，如图8A所示，考虑如下情况进行校正，从而使得将传感器元件进行位移而实测得到的对应于每一位移量△ d的电极之间的静电电容C的实测值21、与基于传感器元件的设计值和物理特性而计算出的对应于位移量△ d的静电电容C的理论值20
相一致。选择多个实测值，求出进行线性近似以使得与对应于该实测值的理论值之间的差异最小时的近似直线的斜率a和截距b (图8B)。然后，将近似直线的斜率a及截距b用作为用于对输入到信号输入接收部Ha的静电电容的测量值进行校正的公式(以下也适当地称为校正公式)的斜率a及截距b。即，使用数学公式1作为校正公式。(数学公式1) Cc = aCm+b
其中，Cc 校正后的静电电容，Cffl 静电电容的测量值，a 表示近似直线的斜率系数即校正公式的斜率系数，b 表示近似直线的截距系数即校正公式的截距系数。另外，虽然在图8所示的示例中，选择三个实测值21a(图中符号〇)，并利用该三个实测值21a和与其对应的三个理论值20a(图中符号〇)，求出近似直线而推定校正公式， 但是，用于推定校正公式的理论值和实测值的组合数并不限于三组，只要是至少两组以上， 多少组都可以。此外，也可以将位移值△(!分为正值的情况和负值的情况来推定校正公式。在图9中示出应用校正公式对测量值进行校正的示例。图9A表示赋予预定的位移时静电电容的理论值20与实测值21之间的大小及变化的斜率不同、在两者之间观察到差异的情况。然后，根据理论值20与实测值21的关系求出数学公式1所表示的校正公式，若将该校正公式应用于实测值，则求出与理论值20 —致的、对测量值进行了校正的值22 (图 9B)。另外，利用校正公式对测量值进行校正的意义可考虑如下。即，静电电容的实测值在大多情况下成为大于理论值的值。可认为其原因是例如、传感器元件1的线路6的面积所引起的有效面积的扩大和寄生电容的影响等。即，可认为将作为数学公式2所表示的关系的结果的静电电容作为实测值来观测。(数学公式2) Cffl = ACE+p其中，Cffl 静电电容的测量值，Ce 静电电容的理论值，A 与传感器元件的线路部的面积等对静电电容的测量值带来影响的主要原因有关的系数，ρ:与寄生电容有关的常数。然后，为了尽可能去除对所观测的静电电容值施加的影响而成为与理论值相近的值，将数学公式2变形为数学公式3，利用具有对应于数学公式3的系数1/A的斜率a和对应于常数-P/A的截距b的公式对测量值进行校正，这样是有效的。[数学公式3]CR=—· Cm--
A A根据以上内容，在本发明中，也可以利用数学公式1对实际测量的静电电容值进行校正并用于以后的处理。接下来，电极位置计算部14b利用在Sl的处理中所输入的每一电极之间的静电电容值数据，计算上表面的各电极的中心位置(S2)。这里，举出计算上表面的电极D的中心位置的情况为例进行说明。首先，在图7所示的各电极及坐标轴中，将在未对传感器元件1施加负载、负荷的状态(以下称为初始状态)下的电极A’的中心位置坐标设为(χ坐标，y坐标，ζ坐标)=(α，α，0)。在该情况下，初始状态下的电极B’的中心位置坐标成为(-α，^，0)，电极0’的中心位置坐标成为 (α，-α，0)。另外，α作为传感器元件1的设计值是已知的。然后，传感器元件1从初始状态通过上表面相对于下表面在ζ轴方向上进行压缩或在X轴方向、y轴方向上发生偏离而发生变形，上表面的电极D的中心位置坐标位移成
( ，Yd' zD) ο
此时，上表面的电极D与下表面的电极A’、B’、D’之间的距离dDA,、(！DB,、dDD,基于各电极的初始状态的中心位置坐标与位移后的中心位置坐标的关系，表示为数学公式如 4c ο(数学公式4a) (xD- α )2+ (yD- α ) 2+zD2 = dDA’2(数学公式4b) (xD+ α )2+ (yD- α ) 2+zD2 = dDB’2(数学公式4c) (xD- α )2+ (yD+ α ) 2+zD2 = dDD’2另一方面，在各电极间的距离d和静电电容C之间，一般有数学公式5的关系成立。[数学公式5] S
权利要求
1.一种静电电容型力学量传感器元件，其特征在于，具备具有电绝缘性和力学弹性并具有相对的至少一对表面的基材、配置在该基材的所述一对表面的一面的至少一个电极、以及配置在所述一对表面的另一面的至少一个电极，对于分别从配置在所述一面的电极和配置在所述另一面的电极中各选择一个而得到的两个电极的每一组合，检测电极之间的静电电容。
2.一种静电电容型力学量传感器元件，其特征在于，具备具有电绝缘性和力学弹性并具有相对的至少一对表面的基材、配置在该基材的所述一对表面的一面的四个电极、以及在所述一对表面的另一面上分别配置在与所述一面的四个电极正对的位置上的四个电极，对于分别从所述一面的四个电极和所述另一面的四个电极中各选择一个而得到的两个电极的每一组合，检测电极之间的静电电容。
3.如权利要求1或2所述的静电电容型力学量传感器元件，其特征在于， 所述电极由柔性印刷电路板构成。
4.如权利要求1或2所述的静电电容型力学量传感器元件，其特征在于， 利用保护膜来密封整个表面。
5.一种力学量传感器，其特征在于，该力学量传感器具备运算装置，该运算装置包括 被输入由静电电容型力学量传感器元件测量输出的静电电容值数据的单元，该静电电容型力学量传感器元件具备具有电绝缘性和力学弹性并具有相对的至少一对表面的基材、 配置在该基材的所述一对表面的一面的至少一个电极、以及配置在所述一对表面的另一面的至少一个电极，对于分别从配置在所述一面的电极和配置在所述另一面的电极中各选择一个而得到的两个电极的每一组合，检测电极之间的静电电容；利用所述静电电容值数据、计算配置在所述另一面的电极相对于配置在所述一面的电极的位置的单元；基于配置在所述另一面的电极的位置、计算配置在所述另一面的电极的中央位置的单元；基于配置在所述另一面的电极的位置、计算所述另一面相对于所述一面的旋转角度的单元；利用所述中央位置计算所述基材的应力的单元；以及利用所述旋转角度计算所述基材的扭转力矩的单元。
6.一种力学量传感器，其特征在于，该力学量传感器具备运算装置，该运算装置包括 被输入由静电电容型力学量传感器元件测量输出的静电电容值数据的单元，该静电电容型力学量传感器元件具备具有电绝缘性和力学弹性并具有相对的至少一对表面的基材、 配置在该基材的所述一对表面的一面的四个电极、以及在所述一对表面的另一面上分别配置在与所述一面的四个电极正对的位置上的四个电极，对于分别从所述一面的四个电极和所述另一面的四个电极中各选择一个而得到的两个电极的每一组合，检测电极之间的静电电容；利用所述静电电容值数据、计算配置在所述一对表面的另一面的所述四个电极相对于配置在所述一对表面的一面的所述四个电极的位置的单元；基于所述四个电极的位置、计算所述四个电极的中央位置的单元；基于所述四个电极的位置、计算所述另一面相对于所述一面的旋转角度的单元； 利用所述四个电极的中央位置计算所述基材的应力的单元；以及利用所述旋转角度计算所述基材的扭转力矩的单元。
全文摘要
为了使静电电容型力学量传感器元件结构简单且可小型化，并且，传感器元件自身可进行柔软变形，能用于多种用途而不限定用途，静电电容型力学量传感器元件具备具有电绝缘性和力学弹性并具有相对的至少一对表面的基材(2)、配置在该基材(2)的一对表面的一面的四个电极(4)、以及在一对表面的另一面上分别配置在与所述一面的四个电极(4)正对的位置上的四个电极(4)，对于从这些电极(4)中选择得到的两个电极的每一组合，检测电极(4)之间的静电电容。
文档编号G01L5/16GK102165297SQ20098013913
公开日2011年8月24日 申请日期2009年11月20日 优先权日2008年11月21日
发明者柏原岳志, 高桥诚 申请人:高桥诚, 鹰野株式会社
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