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WO2010058601A1 - 静電容量型力学量センサ素子及び力学量センサ - Google Patents

静電容量型力学量センサ素子及び力学量センサ Download PDF

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Publication number
WO2010058601A1
WO2010058601A1 PCT/JP2009/006288 JP2009006288W WO2010058601A1 WO 2010058601 A1 WO2010058601 A1 WO 2010058601A1 JP 2009006288 W JP2009006288 W JP 2009006288W WO 2010058601 A1 WO2010058601 A1 WO 2010058601A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrodes
capacitance
electrode
sensor element
base material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2009/006288
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
高橋誠
柏原岳志
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Takano Co Ltd
Original Assignee
Takano Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Takano Co Ltd filed Critical Takano Co Ltd
Priority to CN200980139132XA priority Critical patent/CN102165297A/zh
Priority to AU2009318633A priority patent/AU2009318633B2/en
Priority to US13/130,171 priority patent/US20110221457A1/en
Priority to JP2010539158A priority patent/JP5570997B2/ja
Priority to EP09827382A priority patent/EP2357460A1/en
Priority to CA2743996A priority patent/CA2743996A1/en
Publication of WO2010058601A1 publication Critical patent/WO2010058601A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/165—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in capacitance

Definitions

  • the present invention relates to a capacitance type mechanical quantity sensor element and a mechanical quantity sensor using the same. More specifically, the present invention relates to an element suitable for a sensor that detects a three-dimensional mechanical quantity based on a change in capacitance between electrodes, and a mechanical quantity sensor using the element.
  • a capacitance type mechanical quantity sensor generally detects a change in electrostatic capacity between two parallel electrodes facing each other and measures a mechanical quantity.
  • a frame 104 that is a peripheral wall forming the hollow portion 107, a weight 106, and a flexible material that supports the weight 106 so as to be positioned in the hollow portion 107.
  • a weight support structure 101 composed of a portion 105, an upper glass substrate 102 and a lower glass substrate 103 sandwiching the weight support structure 101 from above and below, and a drive electrode 109 disposed on the upper glass substrate 102 so as to face the weight 106.
  • a fixed electrode 110 and detects a change in posture of the weight 106 based on a change in capacitance between the fixed electrode 110 and the weight 106.
  • the mechanical quantity sensor element of Patent Document 1 since the electrodes are arranged on the hard upper glass substrate 102, the arrangement of the electrodes is maintained in a planar state, and the flexible portion 105 formed as two orthogonal axes. Therefore, for example, a complicated twist caused by a horizontal shift, a vertical contraction, a rotational displacement around a vertical axis, or a resultant force of each axial direction, or these There is a problem that a mechanical quantity such as a stress corresponding to the displacement cannot be detected.
  • the mechanical quantity sensor element of Patent Document 1 constitutes a casing composed of a peripheral wall frame 104, an upper glass substrate 102, and a lower glass substrate 103 that form a hollow portion 107 for allowing the inclination of the weight 106. Since the weight 106 is supported so as to float in the hollow portion 107 inside the housing, the structure as a sensor element is very complicated, and there is a problem that it takes time to manufacture and leads to an increase in cost. . In addition, since the structure is very complicated, it is difficult to suppress variations in quality among individuals in the manufacturing process, and it may be difficult to maintain detection accuracy as a sensor element.
  • an object of the present invention is to provide a capacitance type mechanical quantity sensor element that can be used for various purposes without being limited in use.
  • Another object of the present invention is to provide a capacitive mechanical quantity sensor element capable of detecting a wide variety of mechanical quantities.
  • Another object of the present invention is to provide a mechanical quantity sensor that can be used for various applications and that can calculate a wide variety of mechanical quantities.
  • the capacitance-type mechanical quantity sensor element according to claim 1 has a base material having at least a pair of opposing surfaces having electrical insulation and mechanical elasticity. And at least one electrode disposed on one surface of the pair of surfaces of the substrate and at least one electrode disposed on the other surface of the pair of surfaces, and disposed on the one surface. The capacitance between the electrodes is detected for each combination of two electrodes selected one by one from the electrodes arranged on the other surface.
  • the capacitance type mechanical quantity sensor element of the present invention includes a base material having at least a pair of opposing surfaces having electrical insulation and mechanical elasticity, and one of the pair of surfaces of the base material.
  • a base material having at least a pair of opposing surfaces having electrical insulation and mechanical elasticity, and one of the pair of surfaces of the base material.
  • the electrodes are arranged on the substrate having mechanical elasticity, so that the movable space of the electrodes for generating the change in capacitance is formed. There is no need to separately provide a highly rigid housing. Moreover, according to these capacitance-type mechanical quantity sensor elements, the elastic characteristics of the base material on which the electrodes are arranged can be adjusted by selecting the material of the base material.
  • the capacitive mechanical quantity sensor element of a preferred embodiment two selected from each of the four electrodes on one surface and the four electrodes on the other surface of the pair of surfaces of the substrate.
  • a total of sixteen combinations for each electrode combination constitute 16 pairs of capacitive sensor elements, and a change in capacitance in 16 directions is detected.
  • a total of 16 combinations are possible by combining each of the four electrodes on one surface with each of the four electrodes on the other surface.
  • the electrode is constituted by a flexible printed board.
  • the entire surface is sealed with a protective film.
  • the mechanical quantity sensor according to claim 5 is disposed on one surface of the pair of surfaces of the base material having at least a pair of opposing surfaces having electrical insulation and mechanical elasticity.
  • An arithmetic device having means and means for calculating the torsional moment of the substrate using the rotation angle is provided.
  • the mechanical quantity sensor of the present invention is disposed on one surface of the base material having at least a pair of opposing surfaces having electrical insulation and mechanical elasticity, and the base material.
  • Four electrodes and four electrodes disposed on the other surface of the pair of surfaces at positions facing the four electrodes of the one surface, respectively, and the four electrodes on the one surface and the other electrode Capacitance value data measured and output by a capacitive mechanical quantity sensor element that detects the capacitance between the electrodes for each combination of two electrodes selected from each of the four electrodes on the surface And means for calculating the positions of the four electrodes disposed on the other surface of the pair of surfaces with respect to the four electrodes disposed on one surface of the pair of surfaces using the capacitance value data And based on the position of the four electrodes, Means for calculating the center position, means for calculating the rotation angle of the other surface with respect to one surface based on the positions of the four electrodes, and calculating the stress of the substrate using the center position of the four electrodes It is preferable to provide
  • a capacitance type mechanical quantity sensor element that has a simple structure, a structure that can be reduced in thickness and reduced in size, and that can be used in contact with a flexible curved surface, for example, is used. Therefore, the application is not limited and can be used for various applications.
  • the mechanical quantity sensor for each combination of two electrodes, one selected from each of the four electrodes on one surface and the four electrodes on the other surface of the pair of surfaces of the substrate. Since the capacitance value data in 16 directions is input, unlike the conventional sensor that measures the displacement of each of the three axes of X, Y, and Z at most, information on the 16 directions To calculate various mechanical quantities such as horizontal displacement, vertical contraction, rotational displacement around the vertical axis, displacement and twist while tilting with respect to the vertical axis, and stress corresponding to these displacements. It can be measured.
  • the capacitance-type mechanical quantity sensor element of the present invention since the structure is such that the electrode is directly attached to the base material, the sensor element itself can be made simple and can be made thin and downsized. Can do. In addition, since a highly rigid housing / frame for forming a movable space of the electrode for generating a change in capacitance is not required, the sensor itself can be made flexible and flexible. Therefore, it can be used for various purposes without being restricted by the installation location and space, and the versatility can be improved. In addition, it is possible to improve the detection accuracy as a sensor element by suppressing variation in quality among individuals in the manufacturing process.
  • the capacitance-type mechanical quantity sensor element of the present invention it is possible to adjust the elastic characteristic of the base material on which the electrode is arranged by selecting the material of the base material. It is possible to improve the detection accuracy of the mechanical quantity even if it is fine.
  • one is selected from each of the four electrodes on one surface of the pair of surfaces of the base material and the four electrodes on the other surface. If the correlation between the change in capacitance between the electrodes for each combination of two electrodes and the amount of displacement in each axial direction or around the axis is obtained in advance, the horizontal displacement, vertical shrinkage, and vertical axis Various mechanical quantities can be measured such as rotational displacement around the axis, displacement and twist while tilting with respect to the vertical axis, and stress corresponding to these displacements. For example, mechanical quantities can be measured up to now. It is possible to provide useful information and contribute to the elucidation of phenomena that could not be elucidated due to lack of such information.
  • the capacitance type mechanical quantity sensor element of the third aspect it is possible to easily manufacture and reduce the labor, so that it is possible to improve versatility and to suppress the manufacturing cost. In addition, it is possible to further improve the detection accuracy as a sensor element by further suppressing the variation in quality among individuals in the manufacturing process.
  • the capacitance type mechanical quantity sensor element according to claim 4 it is possible to prevent the electrode from being peeled off from the base material and the base material and the electrode from being damaged. Durability can be improved. In addition, since the deterioration of the material of the base material can be prevented, it is possible to improve the durability of the sensor element and to suppress the change in physical characteristics and maintain the detection accuracy.
  • the mechanical quantity sensor according to claim 5 it is possible to calculate at least the shrinkage in the vertical direction by arranging one electrode on each of the pair of opposed surfaces, and the pair of opposed surfaces. Depending on the arrangement of the electrodes on each surface, in addition to vertical contraction, it corresponds to horizontal displacement, rotational displacement around the vertical axis, displacement or twist while tilting with respect to the vertical axis, or these displacements Since various mechanical quantities such as stress can be measured, it provides useful information and contributes to the elucidation of phenomena that could not be clarified because, for example, mechanical quantities could not be measured until now. be able to.
  • the mechanical quantity sensor described in claim 6 by calculating using information in 16 directions, the displacement in the horizontal direction, the contraction in the vertical direction, the rotational displacement around the vertical axis, and the inclination with respect to the vertical axis. It is possible to calculate various mechanical quantities such as deviations, twists, and stresses corresponding to these displacements. For example, elucidation of phenomena that could not be solved because mechanical quantities could not be measured so far. It is possible to contribute and provide useful information.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows an example of embodiment of the electrostatic capacitance type mechanical quantity sensor element of this invention. It is a top view which shows an example of embodiment of the electrostatic capacitance type mechanical quantity sensor element of this invention. It is a figure which shows an example of embodiment of the mechanical quantity sensor of this invention, and is a figure explaining the functional structure of the circuit into which the signal from a sensor element is input. It is a figure which shows an example of embodiment of the mechanical quantity sensor of this invention, and is a figure explaining the circuit structure to which the signal from a sensor element is input. It is a figure explaining the functional structure of the arithmetic unit of the circuit of this embodiment. It is a flowchart explaining the process sequence of the arithmetic unit of FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a displacement amount ⁇ d and a capacitance change amount ⁇ C between electrodes A-A ′ when a displacement in the compression direction is applied according to the first embodiment. Similarly, it is a diagram showing the relationship between the amount of displacement ⁇ d and the amount of change in capacitance ⁇ C between electrodes A-B ′.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a displacement amount ⁇ d and a capacitance change amount ⁇ C between electrodes A-A ′ when a displacement in a displacement direction in the X-axis direction according to the first embodiment is applied. Similarly, it is a diagram showing the relationship between the amount of displacement ⁇ d and the amount of change in capacitance ⁇ C between electrodes A-B ′.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a displacement amount ⁇ d and a capacitance change amount ⁇ C between electrodes A-A ′ when a displacement in a displacement direction in the Y-axis direction according to the first embodiment is applied. Similarly, it is a diagram showing the relationship between the amount of displacement ⁇ d and the amount of change in capacitance ⁇ C between electrodes A-B ′.
  • FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a rotation angle ⁇ and a change amount ⁇ C in capacitance between electrodes A-A ′ when a rotational displacement about the Z-axis in Example 1 is given. Similarly, it is a diagram showing a relationship between a rotation angle ⁇ and a change amount ⁇ C in capacitance between electrodes A-B ′.
  • the capacitance type mechanical quantity sensor element of the present invention includes a base material having at least a pair of opposing surfaces having electrical insulation and mechanical elasticity, and one surface of the pair of surfaces of the base material. And at least one electrode disposed on the other surface of the pair of surfaces, and an electrode disposed on the one surface and an electrode disposed on the other surface The capacitance between the electrodes for each combination of two electrodes selected one by one is detected.
  • the mechanical quantity sensor according to the present invention includes means for inputting capacitance value data measured and output by the capacitance type mechanical quantity sensor element, and the one surface using the capacitance value data.
  • an arithmetic unit having a means for calculating the torsional moment of the base material using the rotation angle.
  • the capacitance-type mechanical quantity sensor element 1 of the present embodiment includes a base material 2 having at least a pair of opposed surfaces that have electrical insulation and mechanical elasticity, and one of the pair of surfaces of the base material 2.
  • the base material 2 is interposed as an electrical insulator between the electrode 4 disposed on the upper surface and the electrode 4 disposed on the lower surface, and is deformed according to a given mechanical quantity to change the electrostatic capacitance between the electrodes 4.
  • the electrode 4 is supported while making it possible to change. That is, the base material 2 is formed of a material having electrical insulation and mechanical elasticity, and is specifically formed of, for example, a gel.
  • a gel for example, silicone gel is preferably used as the gel, but other gels such as alumina gel can also be used.
  • the base material 2 is formed in a rectangular parallelepiped.
  • the material constituting the base material 2 is not limited to a specific material, and any material having electrical insulation and mechanical elasticity can be used as the base material 2.
  • the elastic coefficient of the base material 2 based on the magnitude of the mechanical quantity such as the magnitude of force or the magnitude of acceleration that the capacitance-type mechanical quantity sensor element 1 measures, specifically, For example, even if it is a fine mechanical quantity or a mechanical quantity having a considerable size by changing the blending material and blending ratio when manufacturing the base material or selecting the material of the base material It becomes possible to detect and measure accurately.
  • the dimension of the base material 2 is not limited to a specific dimension, and is adjusted to an appropriate dimension according to a measurement target, an installation place, and the like.
  • the magnitude of the mechanical quantity is adjusted by adjusting the dimensions of the base material 2 based on the magnitude of the mechanical quantity such as the magnitude of force or the magnitude of the displacement that is to be measured by the capacitive mechanical quantity sensor element 1. Regardless of this, the dynamic quantity can be accurately grasped and measured.
  • the base material 2 at the time of no load Know the thickness and relative permittivity.
  • Electrodes 4 are arranged on the upper surfaces of a pair of opposing surfaces of the base material 2 forming a rectangular parallelepiped so that the center of each electrode is positioned at the vertex of the rectangle, and the electrodes on the upper surface are connected to the lower surfaces of the pair of surfaces.
  • four electrodes 4 are arranged. Accordingly, a total of eight electrodes 4 are arranged so that each central position forms a rectangular parallelepiped and a combination of four pairs of electrodes 4 facing each other.
  • Each electrode 4 is electrically independent.
  • Each electrode 4 is connected to a line 6 for transmitting an electrical signal from each electrode 4. Moreover, you may make it comprise the electrode 4 using a flexible printed circuit board (FPC).
  • FPC flexible printed circuit board
  • Each electrode 4 constitutes a pair of capacitance type sensor elements between the electrodes on the opposing surfaces which are electrically and independently counter electrodes, and outputs a capacitance value. That is, in the present embodiment, a total of 16 pairs of capacitances are obtained by combining each of the four electrodes 4 disposed on the upper surface of the base material 2 that forms a rectangular parallelepiped and each of the four electrodes 4 disposed on the lower surface.
  • a type sensor element is configured.
  • the capacitive mechanical quantity sensor element 1 of the present embodiment forms an aggregate of 16 pairs of capacitive sensor elements with the above-described configuration.
  • the base material 2 is deformed, and the three-dimensional space between all or a part of the 16 pairs of electrodes 4 depending on the type and form of the deformation. Since the relative positional relationship in FIG. 4 changes and the capacitance changes, the capacitance output by the 16 pairs of capacitive sensor elements shows individual changes in accordance with the type of deformation of the substrate 2.
  • the substrate 2 It is possible to measure the various mechanical quantities given to the acting surface to be measured by specifying the type / mode of deformation. Specifically, various mechanical quantities such as shear stress, bending moment, and torsional moment can be measured in addition to vertical stress and horizontal stress.
  • the size of each electrode 4 and the distance between them can be detected. Adjusted to range.
  • the capacitance type mechanical quantity sensor element 1 of the present embodiment is further covered and sealed with a protective film 5 in order to improve durability.
  • the whole substrate 2 and the electrode 4 are packed with an elastomer resin film, preferably an insulating elastomer resin film. Thereby, it is prevented that the electrode 4 is damaged or peeled off from the base material 2 and the base material 2 is altered or damaged.
  • the circuit 10 of the present embodiment includes an AD converter 11 to which an output signal from each electrode 4 is input, a channel selector 12 to which an output from the AD converter 11 is input, It has a digital signal processor 13 to which an output from the channel selector 12 is input, and an arithmetic unit 14 to which a signal processed by the digital signal processor 13 is input.
  • each electrode 4, four electrodes 4 arranged on one surface of the substrate 2, 4 a, 4 b, 4 c, 4 d and the substrate 2 are opposed to each other.
  • the four electrodes 4 arranged on the surface to be performed are also expressed as 4a ′, 4b ′, 4c ′, and 4d ′, respectively.
  • the AD converter 11 converts an analog quantity output from each electrode 4 into a digital quantity.
  • the AD converter 11 has a channel for each combination of 16 pairs of electrodes. For example, the channel that processes the difference between the electrode 4a and the electrode 4a ′, the electrode 4a and the electrode 4b ′. ,...,..., A channel for processing the difference between the electrode 4d and the electrode 4d ', a total of 16 channels.
  • the channel selector 12 has at least channels corresponding to the 16 channels output from the AD converter 11 as input channels. One of the channels is selected and the circuit is switched to perform AD conversion on the digital signal processor 13. The input from the device 11 is sequentially output.
  • the arithmetic unit 14 receives a signal output from the channel selector 12 and processed by the digital signal processor 13, and based on the signal, the capacitive mechanical quantity sensor element 1 (hereinafter simply referred to as the sensor element 1 as appropriate). Is used to calculate various mechanical quantities. Specifically, the arithmetic device 14 specifies the type of deformation of the base material 2 based on the change pattern of the electrostatic capacity difference between the 16 pairs of electrodes, and also determines the size of the electrostatic capacity, the elastic coefficient of the base material 2, and the like. Based on the above, the magnitude of the applied load is calculated together with the magnitude of the displacement of each electrode 4.
  • the arithmetic device 14 of the present embodiment includes a signal input receiving unit 14 a as means for inputting capacitance value data that is a signal processed by the digital signal processor 13, and an input static signal. Using the capacitance value data, the center position of each of the four electrodes disposed on the lower surface when the center position of the four electrodes disposed on the upper surface of the pair of surfaces of the sensor element 1 is used as the origin is calculated.
  • An electrode position calculator 14b as means, an electrode center position calculator 14c as means for calculating the center position of the four electrodes arranged on the lower surface based on the calculated center position of each electrode, and each calculated A rotation angle calculator 14d as means for calculating the rotation angle of the lower surface relative to the upper surface of the pair of surfaces of the sensor element 1 based on the center position of the electrode, and the rotation angle calculating unit 14d disposed on the calculated lower surface
  • a stress calculator 14e as a means for calculating the stress of the sensor element 1 using the center position of the two electrodes
  • a moment calculator 14f as a means for calculating the torsional moment of the sensor element 1 using the calculated rotation angle
  • the output unit 14g as means for outputting data such as the calculated stress and torsional moment to the external device 15 and a memory space that is a work area when the calculation device 14 executes various controls and calculations.
  • the memory 14m is, for example, a RAM (an abbreviation for Random Access Memory IV).
  • the arithmetic unit 14 calculates various mechanical quantities according to the flowchart shown in FIG. 6 using the capacitance value data between 16 pairs of electrodes.
  • FIG. 7 shows the setting of a three-dimensional axis used as a position representation in the following description.
  • the surface on which the electrodes A, B, C, and D are disposed is referred to as the upper surface
  • the surface on which the electrodes A ′, B ′, C ′, and D ′ are disposed is referred to as the lower surface.
  • the center position of the four electrodes A ', B', C ', D' on the lower surface is the origin O
  • the horizontal axes are the X and Y axes
  • the vertical axis is the Z axis.
  • the direction of the arrow is the positive direction of each axis.
  • the position coordinates in the description here are given as having a scale of length, and the absolute value of the position coordinates is synonymous with length and distance.
  • the signal input receiving unit 14a receives capacitance value data from the digital signal processor 13 (S1).
  • the signal input receiving unit 14a sequentially combines one of the upper electrodes A, B, C, D and one of the lower electrodes A ′, B ′, C ′, D ′. Capacitance value data for a total of 16 electrodes formed by the above is input.
  • the signal input receiving unit 14a stores the input capacitance value data in the memory 14m in association with the measured electrode combination.
  • the sensor element when using the sensor element, the sensor element is displaced by a predetermined amount to actually measure the capacitance between the electrodes, and the verification between the measured value and the theoretical value is performed.
  • the measured capacitance value may be calibrated and used for subsequent processing.
  • an actual measurement value 21 of the capacitance C between the electrodes for each displacement amount ⁇ d obtained by actual measurement while displacing the sensor element is used as the design value or physical value of the sensor element.
  • calibration is performed so as to match the theoretical value 20 of the capacitance C corresponding to the displacement amount ⁇ d calculated based on the characteristics.
  • a plurality of actually measured values are selected, and the slope a and intercept b of the approximate straight line are obtained when linear approximation is performed so that the difference from the theoretical value corresponding to the actually measured value is minimized (FIG. 8B). Then, the inclination a and the intercept b of the approximate line are used as the inclination a and the intercept b of an expression for calibrating the measured capacitance value input to the signal input receiving unit 14a (hereinafter also referred to as a calibration expression as appropriate). . That is, Formula 1 is used as a calibration formula.
  • C c capacitance after calibration
  • C m measured value of capacitance
  • a a coefficient representing the slope of the approximate straight line
  • b Coefficient representing the intercept of the approximate straight line and representing the coefficient of the intercept of the calibration equation.
  • the calibration formula is estimated by obtaining an approximate straight line, but the number of combinations of the theoretical value and the actual measurement value used for the estimation of the calibration formula is not limited to three, and any combination of at least two sets. It may be. Further, the calibration equation may be estimated separately for a case where the displacement amount ⁇ d is a positive value and a case where the displacement amount ⁇ d is a negative value.
  • FIG. 9 shows an example of calibration of measured values by applying a calibration formula.
  • FIG. 9A shows a situation in which the theoretical value 20 and the measured value 21 of the electrostatic capacitance when a predetermined displacement is applied are different in the magnitude and the inclination of the transition, and a difference is seen between the two. Then, when the calibration equation represented by Equation 1 is obtained from the relationship between the theoretical value 20 and the actual measurement value 21 and the calibration equation is applied to the actual measurement value, a value 22 that calibrates the measurement value that matches the theoretical value 20 is obtained ( FIG. 9B).
  • the meaning of calibrating a measured value using a calibration formula is considered as follows. That is, the measured value of the electrostatic capacity is often larger than the theoretical value in many cases. This is considered to be caused by, for example, an increase in effective area due to the area of the line 6 of the sensor element 1 or the influence of parasitic capacitance. That is, it is considered that the capacitance as a result of the relationship expressed by Formula 2 is observed as an actual measurement value.
  • Equation 2 is transformed as Equation 3 so that the influence given to the observed capacitance value is eliminated as much as possible, and the slope corresponding to the coefficient 1 / A of Equation 3 is obtained. It is useful to calibrate the measurement using an equation having an intercept b corresponding to the constant -p / A with a.
  • the actually measured capacitance value may be calibrated using Equation 1 and used in subsequent processing.
  • the electrode position calculation unit 14b calculates the center position of each electrode on the upper surface using the capacitance value data for each electrode input in the process of S1 (S2).
  • the center position coordinates of the electrode A ′ in the state where no load or load is applied to the sensor element 1 are expressed as (x coordinate, y coordinate).
  • Z coordinate) ( ⁇ , ⁇ , 0).
  • the center position coordinate of the electrode B ′ in the initial state is ( ⁇ , ⁇ , 0)
  • the center position coordinate of the electrode D ′ is ( ⁇ , ⁇ , 0).
  • ⁇ is known as a design value of the sensor element 1.
  • the sensor element 1 is deformed from the initial state when the upper surface is compressed in the z-axis direction or displaced in the x-axis direction or the y-axis direction with respect to the lower surface, and the center position coordinate of the electrode D on the upper surface is ( x D, y D, and displaced z D).
  • the dielectric constant ⁇ 0 of the vacuum is known as a general physical constant
  • the relative dielectric constant ⁇ r of the substrate and the area S of the electrode are known as design values of the sensor element.
  • the capacitance C is known as a measured value.
  • the distance d DA ′ between the upper electrode D and the lower electrode A ′ is calculated by Equation 6.
  • CDA ′ is a capacitance between the upper electrode D and the lower electrode A ′.
  • the electrode position calculation unit 14b reads the capacitance value data for each electrode stored in the memory 14m in the process of S1 from the memory 14m, and uses Equation 6 to calculate the distance d between the electrodes for each electrode. To calculate. Note that the values of the dielectric constant ⁇ 0 of vacuum, the relative dielectric constant ⁇ r of the substrate 2 of the sensor element 1, and the area S of the electrodes are stored in advance in, for example, the memory 14m.
  • the electrode position calculation unit 14b substitutes the distance d between the electrodes calculated by Expression 6 into Expressions 4a to 4c, and x D , y D , and z D are unknown numbers in Expressions 4a to 4c after the substitution. by solving the simultaneous equations determine the x D, y D, z D .
  • ⁇ is known as a design value of the sensor element 1.
  • the value of ⁇ is stored in advance in the memory 14m.
  • the center position coordinates (x D , y D , z D ) of the electrode D after the upper surface is displaced with respect to the lower surface are obtained.
  • the electrode position calculation unit 14b performs center position coordinates (x A , y A , z A ), (x B , y B , z B ) of the electrodes A, B, and C on the upper surface after being displaced, (X C , y C , z C ) is calculated. Then, the electrode position calculation unit 14b stores the calculated center position coordinates of each electrode on the upper surface in the memory 14m in association with each electrode.
  • the electrode center position calculation unit 14c calculates the center positions of the four electrodes on the upper surface after displacement based on the center positions of the respective electrodes calculated in the process of S2 (S3).
  • the electrode center position calculation unit 14c reads the center position coordinates for each of the electrodes A, B, C, and D stored in the memory 14m in the process of S2 from the memory 14m, and calculates the center position coordinates for each of these electrodes. The coordinates of the center position M of the four electrodes A, B, C, D on the upper surface are calculated. Then, the electrode center position calculation unit 14c causes the memory 14m to describe the coordinates of the calculated center position M of the four electrodes A, B, C, and D on the upper surface.
  • the rotation angle calculation unit 14d calculates the rotation angle of the upper surface with respect to the lower surface based on the center position of each electrode calculated in the process of S2 and the center position M of the upper electrode calculated in the process of S3. (S4).
  • the rotation angle when the upper surface of the sensor element 1 is shifted in the x-axis direction and the y-axis direction with respect to the lower surface and rotated about the z-axis direction is the result of the processing of S2 and S3. Can be used to calculate.
  • the upper surface of the sensor element 1 in the initial state is displaced with respect to the lower surface, so that the center position of the electrode A in the initial state is shifted in the x-axis direction and the y-axis direction.
  • the point moves to the point Ag and further rotates around the z-axis direction that is, the base material 2 is twisted
  • the point Agr moves to the point Agr.
  • the center point M in the initial state of the upper surface of the sensor element 1 (which is located on the X-axis / Y-axis plane coincides with the origin O of the lower surface) is moved to the point Mg by displacement, and further rotated to the point Mgr. Move to.
  • the point Mg coincides with the point Mgr.
  • a point on the x-axis direction point Ag side from the points Mg and Mgr is defined as a point Mh.
  • the rotation angle ⁇ about the z-axis direction of the upper surface of the sensor element 1 is an angle formed by the straight line Mg-Ag and the straight line Mg-Agr.
  • Expression 7 is established when attention is paid to the geometrical relationship of the figure represented by the broken line in the figure.
  • the broken line in the figure represents a state in which the electrode on the upper surface in the initial state has moved by shifting in the x-axis direction and the y-axis direction, and the center point M of the four electrodes on the upper surface in the initial state and the electrode A
  • the upper surface in the initial state is shifted by x 0 in the x-axis direction and y 0 in the y-axis direction, and rotated about the z-axis direction as an axis, so that the x coordinate of the center point Agr of the electrode A is Since the x 2 and y coordinates are y 2 , Expression 8 is established for the angle ⁇ 2 formed by the straight line Mgr-Agr and the straight line Mgr-Mh.
  • the rotation angle calculation unit 14 d reads a value of ⁇ that is known as a design value of the sensor element 1 and is stored in advance in the memory 14 m, for example, and calculates the magnitude of the angle ⁇ 1 using Equation 7.
  • the rotation angle calculation unit 14d calculates the center position coordinates of each upper electrode stored in the memory 14m in the process of S2 and the center position M of the upper four electrodes stored in the memory 14m in the process of S3. read coordinates from memory 14m, and calculates the magnitude of the angle theta 2 by equation 8.
  • the rotation angle can be calculated by paying attention to any one of the four electrodes A, B, C, and D on the upper surface.
  • the stress calculation unit 14e calculates the vertical stress and the shear stress of the base material of the sensor element using the center position M of the four electrodes on the upper surface calculated in the process of S3 (S5).
  • E longitudinal elastic modulus (Young's modulus) of the substrate
  • ⁇ normal strain, respectively.
  • the thickness t of the base material in the initial state is known as a design value.
  • the coordinates of the center position M of the four electrodes on the upper surface after displacement are calculated in the process of S3, the base material is compressed from the thickness t in the initial state and the z coordinate of the position of the electrode center M after displacement.
  • the calculated distance ⁇ d is calculated.
  • G transverse elastic modulus (lateral elastic modulus) of the substrate
  • ⁇ shear strain
  • ⁇ distance [m] that the upper surface of the substrate is displaced in the x-axis direction or the y-axis direction
  • t thickness of base material [m] Respectively.
  • the thickness t of the base material in the initial state is known as a design value.
  • the coordinates of the center position M of the four electrodes on the upper surface after displacement are calculated in the process of S3, the distance ⁇ shifted in the x-axis direction or the y-axis direction is also known.
  • the stress calculation unit 14e reads the coordinates of the center position M of the four electrodes on the upper surface stored in the memory 14m in the process of S3 from the memory 14m, and calculates the vertical strain ⁇ by Equation 10. Furthermore, the stress calculation unit 14e calculates the vertical stress ⁇ by using the calculated vertical strain ⁇ and the longitudinal elastic modulus E according to Equation 9.
  • the value of the base material thickness t and the value of the longitudinal elastic modulus E are known as design values of the sensor element 1 and are stored in advance in the memory 14m, for example.
  • the stress calculation unit 14e reads the coordinates of the center position M of the four electrodes on the upper surface stored in the memory 14m in the process of S3 from the memory 14m, and calculates the shear strain ⁇ by Expression 12. Further, the stress calculation unit 14e calculates the shear stress ⁇ by the equation 11 using the calculated shear strain ⁇ and the transverse elastic modulus G. Note that the value of the lateral elastic modulus G is known as a design value of the sensor element 1 and is stored in advance in the memory 14m, for example.
  • the shear stress ⁇ is calculated separately for each of the x-axis direction and the y-axis direction. At that time, among the coordinates of the center position M of the four electrodes on the upper surface, the x coordinate is used for calculating the shear stress in the x axis direction, and the y coordinate is used for calculating the shear stress in the y axis direction.
  • the calculated vertical stress ⁇ may be multiplied by the cross-sectional area of the base material (ie, the xy plane cross-sectional area) to calculate the force per base material area (ie, the vertical load).
  • the force per base material area (that is, the horizontal load) may be calculated by multiplying the shearing stress ⁇ thus applied and the vertical cross-sectional area (that is, the xz plane cross-sectional area) of the base material.
  • the stress calculation unit 14e stores the values of the calculated vertical stress ⁇ (and the vertical load per base material area) and the shear stress ⁇ in the x-axis direction and the y-axis direction (and the horizontal load per base material area) in the memory 14m.
  • the moment calculator 14f calculates the torsional moment of the sensor element using the rotation angle calculated in the process of S4 (S6).
  • the torsional moment T is generally calculated by Equation 13.
  • G transverse elastic modulus of the substrate
  • I p cross-sectional secondary pole moment of the substrate
  • ⁇ twist angle
  • t thickness of substrate (ie height) Respectively.
  • the cross-sectional secondary pole moment I p of the base material is calculated by the vertical length and the horizontal length of the cross-section of the base material (that is, the xy plane cross-section), the dimensions of the base material are known as design values. , Calculated as a default value.
  • the moment calculation unit 14f reads the value of the rotation angle ⁇ stored in the memory 14m from the memory 14m in the process of S4, and sets the value of the rotation angle ⁇ as the torsion angle angle ⁇ according to Equation 13 as follows. Is calculated. Note that the values of the transverse elastic modulus G, the cross-sectional secondary pole moment I p , and the thickness t of the base material are stored in advance in the memory 14m, for example.
  • the moment calculation unit 14f stores the calculated value of the torsion moment T in the memory 14m.
  • the output unit 14g further processes data such as normal stress ⁇ , shear stress ⁇ , and torsion moment T stored in the memory 14m, for example, a storage medium, a display device, and data according to a required mode.
  • Output to an external device 15 such as a processing device for the purpose (S7).
  • the capacitance-type mechanical quantity sensor element 1 of the present invention configured as described above, it is possible to detect a wide variety of mechanical quantities while having a simple structure and a structure that can be reduced in size. It can be used in various applications without being limited such as being able to be used in contact with a curved surface.
  • the shape of the base material is a cube, but the shape of the base material is not limited to this, and for example, a disk, a cylindrical body, a drum as long as it has at least two parallel parallel surfaces. , A part having a curved surface such as a drum shape may be used.
  • the electrode 4 is directly affixed on the base material 2, when using the thing which does not have electrical insulation as the base material 2, the board member which has electrical insulation is used as a base material. It is good also as a structure interposed between electrodes.
  • the electrode 4 is arranged so that the center of each electrode is located at a rectangular vertex position, but the arrangement of the electrode 4 is not limited to this. That is, it does not have to be a strict rectangle, and a trapezoid or a parallelogram may be used as long as the distance between the electrodes 4 is not too far and the correlation with the displacement is obtained.
  • the four electrodes 4 are arranged on the upper surface of the pair of surfaces of the base material 2 and the four electrodes 4 are also arranged on the lower surface, but the number of electrodes 4 is limited to this. It is not a thing, and it may be less or more than four. That is, if at least one electrode 4 is arranged on each surface, it is not necessary to provide a highly rigid housing, so the sensor element itself can be made simple and thin, and can be downsized. It can be set as a sensor which has flexibility and exhibits the elastic characteristic according to the measuring object.
  • a plurality of electrodes 4 are arranged on each of the pair of surfaces of the base material 2, the distance between the electrodes for each combination of two electrodes selected one by one from the plurality of electrodes 4 on each surface Therefore, depending on how the electrodes 4 are arranged, it is possible to calculate by using the information on the capacitance for each of a plurality of pairs of electrodes.
  • a sensor capable of calculating a mechanical quantity such as rotational displacement around the vertical axis, displacement or twist while tilting with respect to the vertical axis, or stress corresponding to these displacements can be obtained.
  • At least three electrodes 4 are arranged on each surface, horizontal displacement, vertical contraction, rotational displacement around the vertical axis, displacement or twist while tilting with respect to the vertical axis. Or it can be set as the sensor which can calculate mechanical quantities, such as the stress corresponding to these displacements.
  • a rectangular parallelepiped substrate 2 having a length of 10 mm, a width of 10 mm, and a height of 5 mm was formed using silicone gel.
  • the electrodes were formed from a flexible printed circuit board.
  • the size of one electrode is 3.5 mm square.
  • the electrode 4 used in this example is shown in FIG. 11A.
  • the arrangement of the electrodes 4 on each of the pair of surfaces of the sensor element of the present embodiment used in the following description and codes (A, B, C, D, A ′, B ′ for identifying each electrode 4) , C ′, D ′), and the setting of the three-dimensional axis used to represent the position in the following description is shown in FIG. 11B.
  • the surface on which the electrodes A, B, C, and D are disposed is referred to as the upper surface
  • the surface on which the electrodes A ′, B ′, C ′, and D ′ are disposed is referred to as the lower surface.
  • the center position of the four electrodes A ', B', C ', D' on the lower surface is the origin O
  • the horizontal axes are the X and Y axes
  • the vertical axis is the Z axis.
  • the direction of the arrow is the positive direction of each axis.
  • the position coordinates in the description here are given as having a scale of length, and the absolute value of the position coordinates is synonymous with length and distance.
  • the lower surface of the sensor element is gradually applied with a displacement of compression in the Z-axis direction, a displacement of displacement in the X- and Y-axis directions, or a rotation or twisting displacement with the Z-axis as the center.
  • the change in capacitance between the electrodes was measured.
  • the compression displacement was in the range of 0 to 3 [mm]
  • the displacement of displacement was in the range of -3 to +3 [mm]
  • the rotation displacement about the Z axis was in the range of -30 to +30 [degree (also expressed as deg)].
  • the electrostatic capacity was measured 0.2 mm for compression, 0.4 mm for deviation, and the origin position, and every 3 degrees for rotation.
  • a total of 16 electrodes are formed by sequentially combining one of the upper electrodes A, B, C and D and one of the lower electrodes A ′, B ′, C ′ and D ′. I went every hour.
  • the initial state the difference between the capacitance between the electrodes before giving displacement (hereinafter referred to as the initial state) and the capacitance measured sequentially while gradually giving displacement, that is, change in displacement and capacitance Organized the relationship between quantity.
  • the initial amount of displacement and the amount of change in capacitance are zero, that is, the origin, the vertical axis is the amount of change ⁇ C [pF], and the horizontal axis is the amount of displacement.
  • the measurement data was organized as ⁇ d [mm] or rotation angle ⁇ [deg].
  • the measurement is performed three times under the same conditions, and the figure is arranged so that the width of the measurement value in the three measurements can be understood.
  • the capacitance change between the electrodes in the positional relationship facing each other in the vertical direction in the initial state such as between the electrodes AA ′ and BB ′, is between the electrodes in other positional relationships. It was confirmed that it was larger than the change in the electrostatic capacity.
  • a change in electrostatic capacitance between electrodes that are diagonal to each other in a rectangular parallelepiped and straddling the Y axis, such as between electrodes AC ′ and BD ′, is represented by electrode A ⁇ . It was larger than the change in capacitance between electrodes in a positional relationship that does not cross the Y axis, such as between D ′ and between electrodes BC ′. This is considered to be due to the influence that the electrode pattern of this example is symmetric with respect to the X axis.
  • the curve representing the change in capacitance between the electrodes AA ′, BB ′, CC ′, and DD ′ that are in a positional relationship facing each other in the vertical direction is:
  • the maximum capacitance that is, peak
  • ⁇ d the capacitance decreases in accordance with the increase in the absolute value of the displacement amount, resulting in an upwardly convex and generally symmetrical curve. confirmed.
  • the change in capacitance between the electrodes AB ′, BA ′, CD ′, and DC ′ indicates that both electrodes are arranged in parallel to the X-axis direction ⁇ It was confirmed that the deviation in the X-axis direction in the range of 3 to +3 mm shows a linear tendency because both electrodes keep approaching or separating.
  • the change in capacitance between electrodes AD ′, between BC ′, between CB ′, and between DA ′ is in the initial state between the electrodes in the positional relationship facing vertically in the vertical direction.
  • the amount of change in capacitance between electrodes AD ′, between BC ′, between DA ′, and between CB ′ is between the electrodes that are in a positional relationship facing each other in the vertical direction in the initial state.
  • the amount of change in capacitance between the electrodes AB ′, DC ′, BA ′, and CD ′ was very small.
  • the capacitance between the electrodes AC ′, BD ′, between CA ′, and between DB ′ in the diagonal position of the rectangular parallelepiped increases as they approach each other. As the value approaches, the degree of change (that is, the rate of change) becomes gentler. In addition, the change in capacitance between electrodes A-C ', B-D', C-A ', and D-B' was very small.
  • the curves showing the change in capacitance between the electrodes AA ′, BB ′, CC ′, and DD ′ that are in a positional relationship facing each other in the vertical direction are:
  • the maximum capacitance that is, peak
  • ⁇ d the capacitance decreases in accordance with the increase in the absolute value of the displacement amount, resulting in an upwardly convex and generally symmetrical curve. confirmed.
  • each electrode is arranged in parallel to the Y-axis direction ⁇ It was confirmed that the capacitance shows a linear change because the electrodes continue to approach or separate from the deviation in the Y-axis direction in the range of 3 to +3 mm.
  • the capacitance between the electrodes AC ′, BD ′, between CA ′, and between DB ′ in the diagonal position of the rectangular parallelepiped increases as they approach each other.
  • the degree of change that is, the rate of change
  • the tendency of the change in capacitance accompanying the change of the displacement amount of the deviation in the X-axis direction and the tendency of the change of capacitance accompanying the change of the displacement amount of the deviation in the Y-axis direction are, for example, As in the case of the electrode CD ′ in the case of and the electrode CB ′ in the case of the displacement in the Y-axis direction, the results of substantially matching between the electrodes in the corresponding positional relationship in the X-axis direction and the Y-axis direction. was gotten.
  • the change in capacitance with respect to the displacement in the case of the deviation in the Y-axis direction was larger than that in the case of the deviation in the X-axis direction.
  • the electrode pattern used in the present embodiment is the X-axis target and the direction of the line 6 is the X-axis direction, so the case of the displacement in the Y-axis direction overlaps the case of the displacement in the X-axis direction. This was thought to be due to the large change in area.
  • the electrostatic capacity is measured when the rotation about the Z-axis, that is, the displacement of torsion is gradually applied in the range of ⁇ 30 to +30 degrees in a state compressed by 1 mm from the initial state, and the difference from the electrostatic capacity in the initial state.
  • the rotation angle ⁇ and the capacitance change amount ⁇ C the results shown in FIGS. 60 to 75 were obtained for each electrode.
  • one is a pattern in which the electrode lines 6 overlap when rotated in the positive direction, and the electrode lines 6 leave when rotated in the negative direction.
  • the area between electrodes CA ′ and DB ′ corresponds (FIG. 76A).
  • the other is a pattern in which the electrode lines 6 are separated from each other when rotated in the positive direction, and the electrode lines 6 are overlapped when rotated in the negative direction.
  • the interval between electrodes AC ′ and BD ′ corresponds (FIG. 76B).
  • Pattern 1 The electrodes approach each other, and part of the electrodes eventually overlap. Also, the lines coming out of the electrodes overlap.
  • Pattern 2) The electrodes approach each other, and part of the electrodes eventually overlap.
  • the lines are separated.
  • Pattern 3) The electrodes are separated from each other.
  • the lines overlap.
  • Pattern 4) The electrodes are separated from each other. Also, the lines are separated.
  • Pattern 3 Since the distance between the electrodes increases while the lines overlap, the decrease is slight, so that the capacitance difference ⁇ C slightly decreases as a whole (FIG. 78C).
  • Pattern 4 Since the capacitance decreases because the distance between the electrodes is increased and the lines are also separated, the capacitance difference ⁇ C is greatly reduced as a whole (FIG. 78D).
  • the width of measurement values that is, the variation in three measurements under the same conditions is small, and the capacitance measurement values between the electrodes are almost the same for each electrode. It was confirmed that the reproducibility of the entire sensor element was high.
  • the capacitance value measured by the sensor element is calibrated, the displacement amount of the sensor element is calculated using the calibrated capacitance value, and the calculated displacement amount and the actual sensor are calculated.
  • the effect of calibration was verified by comparing the amount of displacement applied to the element.
  • a predetermined displacement is given to the sensor element, and a capacitance value corresponding to each displacement is measured in advance, and a theoretical value of the capacitance calculated based on the design value and physical characteristics of the sensor element
  • the capacitance measured using the same sensor element is calibrated, and various displacement amounts are calculated using the calibrated capacitance value data.
  • the result shown in FIG. 79 was obtained by calculation. Note that the dashed line rising to the right passing through the origin in the figure is a line in which the value on the vertical axis is equal to the value on the horizontal axis, and the calculated displacement is actually given as the plot in the figure is closer to the broken line. This value is close to the amount of displacement, indicating that the calculation accuracy is high.
  • the capacitance-type mechanical quantity sensor element and the mechanical quantity sensor of the present invention are flexible and capable of detecting various mechanical quantities, so that, for example, measurement of distribution of load on the body when lying down It is highly useful in fields such as measuring the distribution of pressure when a soft or uneven surface comes into contact with a flexible surface.

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Abstract

　簡単な構造且つ小型化が可能な構造であると共にセンサ素子自体が柔軟な変形が可能で用途が限定されることがなく多様な用途に使用することを可能とするため、電気的絶縁性と力学的弾性とを有し対向する少なくとも一対の面を有する基材２と、該基材２の一対の面の一方の面に配置された四つの電極４及び一対の面の他方の面に前記一方の面の四つの電極４と正対する位置にそれぞれ配置された四つの電極４とを有し、これら電極４の中から選択される二つの電極の組み合わせ毎の電極４間の静電容量を検出するようにした。

Description

静電容量型力学量センサ素子及び力学量センサ
　本発明は、静電容量型力学量センサ素子及びそれを用いた力学量センサに関する。さらに詳述すると、本発明は、電極間の静電容量の変化に基づいて三次元の力学量を検出するセンサに用いられて好適な素子及びそれを用いた力学量センサに関する。
　静電容量型力学量センサは一般に正対する二つの平行な電極間における静電容量の変化を検出して力学量を測定するものである。従来の力学量センサ素子としては、図８０及び図８１に示すように、中空部１０７を形成する周壁であるフレーム１０４及び錘１０６及び中空部１０７内に位置するように錘１０６を支持する可撓部１０５からなる錘支持構造体１０１と、該錘支持構造体１０１を上下方向から挟み込む上部ガラス基板１０２及び下部ガラス基板１０３と、錘１０６と正対して上部ガラス基板１０２に配置された駆動電極１０９及び固定電極１１０とを備え、固定電極１１０と錘１０６との間の静電容量の変化に基づいて錘１０６の姿勢変化を検出するものがある。
特開２００７－１９２５８７号
　しかしながら、特許文献１の力学量センサ素子では、錘１０６と電極１０９，１１０とを収容すると共に錘１０６の傾きを許容する空間である中空部１０７を形成するために高剛性の容器が必要であり、フレーム１０４とガラス基板１０２，１０３とからなる堅牢な筐体を有するので、例えば人の体の表面など柔軟な曲面に接触させて使用することができない。すなわち、用途が限定されてしまうため、汎用性が高いとは言い難い。
　また、特許文献１の力学量センサ素子では、硬い上部ガラス基板１０２に電極を配置するものであるので電極の配置は平面状態が維持されると共に、直交する二軸として形成された可撓部１０５によって支持される錘１０６の姿勢変化を検出するものであるので、例えば水平方向のずれや垂直方向の縮みや垂直軸回りの回転変位や各軸方向の力の合力によって生じる複雑な捻れ或いはこれらの変位に対応する応力などの力学量については検出することができないという問題がある。
　また、特許文献１の力学量センサ素子では、図８１Ｂに示すように、錘１０６の姿勢変化を検出するために、錘１０６と上部ガラス基板１０２と下部ガラス基板１０３とに加え、錘１０６の周囲に当該錘１０６の傾きを許容するための空間としての中空部１０７を設ける必要がある。このため、前述の構造を構成するために必要とされる厚さよりもセンサ素子を薄くすることができないという問題がある。
　さらに、特許文献１の力学量センサ素子では、錘１０６の傾きを許容するための中空部１０７を形成する周壁のフレーム１０４と上部ガラス基板１０２と下部ガラス基板１０３とからなる筐体を構成すると共に当該筐体内側の中空部１０７に錘１０６を浮遊させるように支持するようにしているので、センサ素子としての構造が非常に複雑であり、製作に手間がかかると共にコストアップにつながるという問題がある。また、構造が非常に複雑であるので製作過程における個体毎の品質のばらつきを抑制することが困難であり、センサ素子としての検出精度を保つことが困難であるという虞もある。
　そこで、本発明は、簡単な構造且つ薄型化・小型化が可能な構造であると共に、センサ素子自体が柔軟な変形が可能で例えば人の体の表面など柔軟な曲面に接触させて使用することができるので用途が限定されることがなく多様な用途に使用することができる静電容量型力学量センサ素子を提供することを目的とする。本発明は、また、多種多様な力学量を検出することができる静電容量型力学量センサ素子を提供することを目的とする。本発明は、さらに、多様な用途に使用することができると共に多種多様な力学量を算出することができる力学量センサを提供することを目的とする。
　かかる目的を達成するため、本発明者らが種々研究した結果、正対していない電極間においても変位量などの力学量を判定可能な静電容量の変化を検出可能であることを知見するに至った。本発明はかかる知見に基づくものであって、請求項１記載の静電容量型力学量センサ素子は、電気的絶縁性と力学的弾性とを有し対向する少なくとも一対の面を有する基材と、該基材の前記一対の面の一方の面に配置された少なくとも一つの電極及び前記一対の面の他方の面に配置された少なくとも一つの電極とを有し、前記一方の面に配置された電極と前記他方の面に配置された電極とのそれぞれから一つずつ選択される二つの電極の組み合わせ毎の電極間の静電容量を検出するようにしている。
　また、本発明の静電容量型力学量センサ素子は、電気的絶縁性と力学的弾性とを有し対向する少なくとも一対の面を有する基材と、該基材の前記一対の面の一方の面に配置された四つの電極及び前記一対の面の他方の面に前記一方の面の四つの電極と正対する位置にそれぞれ配置された四つの電極とを有し、前記一方の面の四つの電極と前記他方の面の四つの電極とのそれぞれから一つずつ選択される二つの電極の組み合わせ毎の電極間の静電容量を検出するようにすることが好ましい。
　したがって、これらの静電容量型力学量センサ素子によると、力学的弾性を有する基材に電極を配置するようにしているので、静電容量の変化を生み出すための電極の可動空間を形成するための高剛性の筐体を別途に設ける必要がない。また、これらの静電容量型力学量センサ素子によると、基材の材質を選択することによって電極を配置する基材の弾性特性を調整することができる。
　また、好ましい形態の静電容量型力学量センサ素子によると、基材の一対の面の一方の面の四つの電極と他方の面の四つの電極とのそれぞれから一つずつ選択される二つの電極の組み合わせ毎の１６通りの組み合わせの全部で１６対の静電容量型センサ素子が構成されることになり、１６方向の静電容量の変化が検出される。なお、具体的には、一方の面の四つの電極のそれぞれが他方の面の四つの電極のそれぞれと組み合わされることによって合計１６通りの組み合わせができる。したがって、従来のセンサ素子のように多くてもＸとＹとＺとの三軸の各軸方向別の変位を検出するものと異なり、この静電容量型力学量センサ素子によると、１６方向の情報を用いて計算することによって水平方向のずれや垂直方向の縮みや垂直軸回りの回転変位や垂直軸に対して傾斜しながらのずれや捻れ或いはこれらの変位に対応する応力など多様な力学量を検出することができる。
　また、請求項１または２記載の静電容量型力学量センサ素子において、電極がフレキシブルプリント基板により構成されていることが好ましい。
　また、請求項１または２記載の静電容量型力学量センサ素子において、表面全体が保護膜で密封されていることが好ましい。
　また、請求項５記載の力学量センサは、電気的絶縁性と力学的弾性とを有し対向する少なくとも一対の面を有する基材と、該基材の前記一対の面の一方の面に配置された少なくとも一つの電極及び前記一対の面の他方の面に配置された少なくとも一つの電極とを有し、前記一方の面に配置された電極と前記他方の面に配置された電極とのそれぞれから一つずつ選択される二つの電極の組み合わせ毎の電極間の静電容量を検出する静電容量型力学量センサ素子によって計測され出力された静電容量値データが入力される手段と、静電容量値データを用いて前記一方の面に配置された電極に対する前記他方の面に配置された電極の位置を算出する手段と、前記他方の面に配置された電極の位置に基づいて前記他方の面に配置された電極の中央位置を算出する手段と、前記他方の面に配置された電極の位置に基づいて前記一方の面に対する前記他方の面の回転角度を算出する手段と、中央位置を用いて基材の応力を算出する手段と、回転角度を用いて基材のねじりモーメントを算出する手段とを有する演算装置を備えるようにしている。
　また、本発明の力学量センサは、電気的絶縁性と力学的弾性とを有し対向する少なくとも一対の面を有する基材と、該基材の前記一対の面の一方の面に配置された四つの電極及び前記一対の面の他方の面に前記一方の面の四つの電極と正対する位置にそれぞれ配置された四つの電極とを有し、前記一方の面の四つの電極と前記他方の面の四つの電極とのそれぞれから一つずつ選択される二つの電極の組み合わせ毎の電極間の静電容量を検出する静電容量型力学量センサ素子によって計測され出力された静電容量値データが入力される手段と、静電容量値データを用いて一対の面の一方の面に配置された四つの電極に対する一対の面の他方の面に配置された四つの電極の位置を算出する手段と、前記四つの電極の位置に基づいて四つの電極の中央位置を算出する手段と、前記四つの電極の位置に基づいて一方の面に対する他方の面の回転角度を算出する手段と、前記四つの電極の中央位置を用いて基材の応力を算出する手段と、回転角度を用いて基材のねじりモーメントを算出する手段とを有する演算装置を備えるようにすることが好ましい。
　したがって、これらの力学量センサによると、簡単な構造且つ薄型化・小型化が可能な構造であると共に例えば柔軟な曲面に接触させて使用することもできる静電容量型力学量センサ素子を用いるようにしているので、用途が限定されることがなく多様な用途に使用することができる。
　また、好ましい形態の力学量センサによると、基材の一対の面の一方の面の四つの電極と他方の面の四つの電極とのそれぞれから一つずつ選択される二つの電極の組み合わせ毎の１６方向の静電容量値データが入力されるので、従来のセンサのように多くてもＸとＹとＺとの三軸の各軸方向別の変位を計測するものと異なり、１６方向の情報を用いて計算することによって水平方向のずれや垂直方向の縮みや垂直軸回りの回転変位や垂直軸に対して傾斜しながらのずれや捻れ或いはこれらの変位に対応する応力など多様な力学量を計測することができる。
　本発明の静電容量型力学量センサ素子によれば、基材に電極を直接貼り付けるだけの構造であるので、センサ素子自体を簡単な構造にすることができると共に薄く構成し小型化することができる。また、静電容量の変化を生み出すための電極の可動空間を形成するための高剛性の筐体・フレームを必要としないので、センサそのものを可撓性を有する柔らかいものにすることができる。したがって、設置場所や空間の制約を受けることなく多様な用途に使用することが可能になり、汎用性の向上を図ることが可能になる。また、製作過程における個体毎の品質のばらつきを抑制してセンサ素子としての検出精度の向上が可能になる。
　また、本発明の静電容量型力学量センサ素子によれば、基材の材質を選択することによって電極を配置する基材の弾性特性を調整することができるので、計測対象に合わせた弾性特性を発揮させるようにしてたとえ微細なものであっても力学量の検出精度を高めることが可能になる。
　また、請求項２記載の静電容量型力学量センサ素子によれば、基材の一対の面の一方の面の四つの電極と他方の面の四つの電極とのそれぞれから一つずつ選択される二つの電極の組み合わせ毎の電極間の静電容量の変化と各軸方向或いは軸回りの変位量との間の相関を予め求めておけば、水平方向のずれや垂直方向の縮みや垂直軸回りの回転変位や垂直軸に対して傾斜しながらのずれや捻れ或いはこれらの変位に対応する応力など多様な力学量を計測することができるので、例えば今までは力学量を計測することができなかったために解明することができなかった現象の解明等に対して有益な情報を提供し貢献することが可能になる。
　また、請求項３記載の静電容量型力学量センサ素子によれば、製作を容易にして手間を低減することができるので、汎用性を向上させると共に製作コストを抑制することが可能になる。また、製作過程における個体毎の品質のばらつきを更に抑制してセンサ素子としての検出精度の更なる向上が可能になる。
　さらに、請求項４記載の静電容量型力学量センサ素子によれば、電極が基材からはがれてしまうことや基材，電極が損傷してしまうことを防止することができるので、センサ素子の耐久性を向上させることが可能になる。また、基材の材質の変質を防止することができるので、センサ素子の耐久性を向上させると共に物理的特性の変化を抑制して検出精度の維持を図ることが可能になる。
　また、請求項５記載の力学量センサによれば、対向する一対の面のそれぞれに一個ずつの電極を配置することによって少なくとも垂直方向の縮みを算出することができ、また、対向する一対の面の各々の面への電極の配置の仕方によって垂直方向の縮みに加えて水平方向のずれや垂直軸周りの回転変位や垂直軸に対して傾斜しながらのずれや捻れ或いはこれらの変位に対応する応力など多様な力学量を計測することできるので、例えば今までは力学量を計測することができなかったために解明することができなかった現象の解明等に対して有益な情報を提供し貢献することができる。
　また、請求項６記載の力学量センサによれば、１６方向の情報を用いて計算することによって水平方向のずれや垂直方向の縮みや垂直軸回りの回転変位や垂直軸に対して傾斜しながらのずれや捻れ或いはこれらの変位に対応する応力など多様な力学量を算出することができるので、例えば今までは力学量を計測することができなかったために解明することができなかった現象の解明等に対して有益な情報を提供し貢献することができる。
本発明の静電容量型力学量センサ素子の実施形態の一例を示す断面図である。 本発明の静電容量型力学量センサ素子の実施形態の一例を示す平面図である。 本発明の力学量センサの実施形態の一例を示す図であり、センサ素子からの信号が入力される回路の機能構成を説明する図である。 本発明の力学量センサの実施形態の一例を示す図であり、センサ素子からの信号が入力される回路構成を説明する図である。 本実施形態の回路の演算装置の機能構成を説明する図である。 図５の演算装置の処理手順を説明するフローチャートである。 図５の演算装置の処理を説明するための電極の配置と三軸の関係とを説明する図である。 本実施形態における実測値の較正の方法を説明する図である。 本実施形態における実測値の較正の方法を説明する図である。 本実施形態における実測値の較正の処理を説明する図である。 本実施形態における実測値の較正の処理を説明する図である。 本実施形態のセンサ素子の上面が下面に対して変位した状態を説明する図である。 実施例１の静電容量型力学量センサ素子の電極の設定を説明する図であり、センサ素子の上面の電極を示す平面図である。 実施例１の静電容量型力学量センサ素子の電極に関する三軸の設定を説明する図であり、静電容量型力学量センサ素子の電極の配置と三軸の関係とを説明する図である。 実施例１の圧縮方向の変位を与えたときの変位量Δｄと電極Ａ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ａ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ａ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ａ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｂ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｂ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｂ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｂ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｃ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｃ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｃ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｃ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｄ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｄ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｄ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｄ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 実施例１のＸ軸方向のずれ方向の変位を与えたときの変位量Δｄと電極Ａ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ａ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ａ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ａ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｂ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｂ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｂ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｂ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｃ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｃ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｃ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｃ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｄ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｄ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｄ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｄ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 実施例１のＹ軸方向のずれ方向の変位を与えたときの変位量Δｄと電極Ａ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ａ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ａ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ａ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｂ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｂ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｂ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｂ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｃ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｃ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｃ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｃ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｄ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｄ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｄ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく変位量Δｄと電極Ｄ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 実施例１のＺ軸回りの回転の変位を与えたときの回転角度Δθと電極Ａ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ａ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ａ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ａ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ｂ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ｂ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ｂ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ｂ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ｃ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ｃ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ｃ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ｃ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ｄ－Ａ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ｄ－Ｂ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ｄ－Ｃ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 同じく回転角度Δθと電極Ｄ－Ｄ’間の静電容量の変化量ΔＣとの間の関係を示す図である。 実施例１のセンサ素子の上面と下面とを相対的に回転変位させたときの回線同士の重なりを説明する図であり、正の向きに回転させた場合には電極の回線同士が重なり、負の向きに回転させた場合には電極の回線同士が離れるパターンを説明する図である。 実施例１のセンサ素子の上面と下面とを相対的に回転変位させたときの回線同士の重なりを説明する図であり、正の向きに回転させた場合には電極の回線同士が離れ、負の向きに回転させた場合には電極の回線同士が重なるパターンを説明する図である。 実施例１のセンサ素子の電極間の静電容量の変化を説明する図であり、電極Ｃ－Ａ’間とＤ－Ｂ’間との静電容量の変化を説明する図である。 実施例１のセンサ素子の電極間の静電容量の変化を説明する図であり、電極Ａ－Ｃ’間とＢ－Ｄ’間との静電容量の変化を説明する図である。 実施例１のセンサ素子の電極間の静電容量の変化を説明する図である。 実施例１のセンサ素子の電極間の静電容量の変化を説明する図である。 実施例１のセンサ素子の電極間の静電容量の変化を説明する図である。 実施例１のセンサ素子の電極間の静電容量の変化を説明する図である。 実施例１のセンサ素子の電極間の静電容量の変化を説明する図である。 実施例２の較正した静電容量値データを用いて算出した変位量と実際にセンサ素子に与えた変位量との比較を示す図であり、Ｚ軸方向の圧縮の変位を与えた場合の図である。 実施例２の較正した静電容量値データを用いて算出した変位量と実際にセンサ素子に与えた変位量との比較を示す図であり、Ｘ軸方向のずれの変位を与えた場合の図である。 実施例２の較正した静電容量値データを用いて算出した変位量と実際にセンサ素子に与えた変位量との比較を示す図であり、Ｙ軸方向のずれの変位を与えた場合の図である。 実施例２の較正した静電容量値データを用いて算出した変位量と実際にセンサ素子に与えた変位量との比較を示す図であり、Ｚ軸回りの回転の変位を与えた場合の図である。 従来の静電容量型力学量センサを示す分解斜視図である。 従来の静電容量型力学量センサを示す断面図であり、錘の姿勢が変化していない状態を示す断面図である。 従来の静電容量型力学量センサを示す断面図であり、錘の姿勢が変化している状態を示す断面図である。
　以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
　本発明の静電容量型力学量センサ素子は、電気的絶縁性と力学的弾性とを有し対向する少なくとも一対の面を有する基材と、該基材の前記一対の面の一方の面に配置された少なくとも一つの電極及び前記一対の面の他方の面に配置された少なくとも一つの電極とを有し、前記一方の面に配置された電極と前記他方の面に配置された電極とのそれぞれから一つずつ選択される二つの電極の組み合わせ毎の電極間の静電容量を検出するようにしている。そして、本発明の力学量センサは、前記の静電容量型力学量センサ素子によって計測され出力された静電容量値データが入力される手段と、静電容量値データを用いて前記一方の面に配置された電極に対する前記他方の面に配置された電極の位置を算出する手段と、前記他方の面に配置された電極の位置に基づいて前記他方の面に配置された電極の中央位置を算出する手段と、前記他方の面に配置された電極の位置に基づいて前記一方の面に対する前記他方の面の回転角度を算出する手段と、中央位置を用いて基材の応力を算出する手段と、回転角度を用いて基材のねじりモーメントを算出する手段とを有する演算装置を備えるようにしている。
　図１から図１０に、本発明の静電容量型力学量センサ素子及び力学量センサの実施形態の一例を示す。本実施形態の静電容量型力学量センサ素子１は、電気的絶縁性と力学的弾性とを有し対向する少なくとも一対の面を有する基材２と、該基材２の一対の面の一方の面（以下、上面と呼ぶ）に配置された四つの電極４及び一対の面の他方の面（以下、下面と呼ぶ）に上面の四つの電極４と正対する位置にそれぞれ配置された四つの電極４とを有し、上面の四つの電極４と下面の四つの電極４とのそれぞれから一つずつ選択される二つの電極４の組み合わせ毎の電極４間の静電容量を出力するようにしている。
　基材２は、上面に配置された電極４と下面に配置された電極４との間に電気的絶縁体として介在し、与えられた力学量に応じて変形して電極４間の静電容量が変化することを可能にしつつ電極４を支持するものである。すなわち、基材２は、電気的絶縁性及び力学的弾性を有する素材で形成され、具体的には例えばゲルによって形成される。ゲルとしては例えばシリコーンゲルの使用が好ましいが、その他のゲル例えばアルミナゲルなどの使用も可能である。なお、本実施形態では、基材２は直方体に形成されている。
　基材２を構成する素材は特定の素材に限定されるものではなく、電気的絶縁性及び力学的弾性を有する素材であれば基材２として用いることが可能である。なお、静電容量型力学量センサ素子１が計測対象とする例えば力の大きさや加速度の大きさなどの力学量の大きさに基づいて基材２の弾性係数を調整することによって、具体的には例えば基材を製造する際の配合材料や配合割合を変えたり基材の材質を選択したりすることによって、微細な力学量であっても相当程度の大きさを有する力学量であっても適確に検出・計測することが可能になる。
　また、基材２の寸法は特定の寸法に限定されるものではなく、計測対象や設置場所等に応じて適当な寸法に調整される。なお、静電容量型力学量センサ素子１が計測対象とする例えば力の大きさや変位の大きさなどの力学量の大きさに基づいて基材２の寸法を調整することによって力学量の大きさに拘わらず当該力学量を適確に把握・計測することが可能になる。
　なお、基材２に与えられた力学量を当該基材２の変形に伴う電極４間の静電容量の変化に基づいて測定するために、基材２について弾性係数に加えて無荷重時の厚み及び比誘電率を把握しておく。
　直方体をなす基材２の対向する一対の面の上面に矩形の頂点位置に各電極の中心が位置するように四つの電極４が配置され、一対の面の下面に前記上面の各電極と正対するように四つの電極４が配置されている。これにより、合計八つの電極４が、各中心位置が直方体をなすように、且つ、四組の正対する電極４の組み合わせをなすように配置される。なお、各電極４は電気的に独立している。また、各電極４には各電極４から電気的信号を伝達する回線６が接続されている。また、フレキシブルプリント回路板（ＦＰＣ）を用いて電極４を構成するようにしても良い。
　そして、各電極４は、電気的に独立して対極となる対向する面の電極との間で一対の静電容量型センサ素子を構成して静電容量の値を出力する。すなわち、本実施形態においては、直方体をなす基材２の上面に配置された四つの電極４のそれぞれと下面に配置された四つの電極４のそれぞれとを組み合わせることによって合計１６対の静電容量型センサ素子が構成される。言い換えれば、本実施形態の静電容量型力学量センサ素子１は上述の構成によって１６対の静電容量型センサ素子の集合体を形成する。
　そして、静電容量型力学量センサ素子１に力学量が与えられた場合に基材２が変形し、変形の種類・態様に応じて１６対の全て若しくは一部の電極４同士の三次元空間における相対的な位置関係が変化して静電容量が変化するので、基材２の変形の種類に応じて１６対の静電容量型センサ素子が出力する静電容量が個別の変化を示す。
　したがって、１６対の静電容量型センサ素子から得られる静電容量のデータを用いることにより、具体的には１６対の全て若しくは一部の静電容量の変化のパターンに基づいて、基材２の変形の種類・態様を特定して計測対象である作用面に与えられた種々の力学量を測定することができる。具体的には、垂直方向応力及び水平方向応力に加えてせん断応力や曲げモーメントや捻りモーメント等の各種力学量を計測することができる。
　なお、本実施形態においては八つの電極４によって１６対の電極間の静電容量を検出して出力するようにするため、各電極４の大きさ並びに相互の間隔は静電容量の検出可能な範囲に調整される。
　本実施形態の静電容量型力学量センサ素子１は、さらに、耐久性を向上させるために表面全体が保護膜５で覆われて密封されている。本実施形態ではエラストマー樹脂フィルム、好ましくは絶縁性を有するエラストマー樹脂フィルムによって基材２と電極４との全体をパッキングしている。これにより、電極４が損傷したり基材２からはがれたりすることや基材２が変質したり損傷したりすることが防止される。
　本発明の静電容量型力学量センサ素子１から出力される各電極４間の静電容量の大きさについての電気信号は回路１０に入力される。本実施形態の回路１０は、図３に示すように、各電極４からの出力信号が入力されるＡＤ変換器１１と、当該ＡＤ変換器１１からの出力が入力されるチャネルセレクター１２と、当該チャネルセレクター１２からの出力が入力されるデジタルシグナルプロセッサ１３と、当該デジタルシグナルプロセッサ１３によって処理された信号が入力される演算装置１４とを有する。なお、以下においては、図３及び図４に示すように、各電極４を、基材２の一面に配置された四つの電極４をそれぞれ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと、基材２の対向する面に配置された四つの電極４をそれぞれ４ａ’，４ｂ’，４ｃ’，４ｄ’とも表す。
　ＡＤ変換器１１は、各電極４から出力されるアナログ量をディジタル量に変換するものである。なお、本実施形態では、ＡＤ変換器１１は、１６対の電極の組み合わせ毎にチャネルを有しており、例えば、電極４ａと電極４ａ’との差分を処理するチャネル，電極４ａと電極４ｂ’との差分を処理するチャネル，…，電極４ｄと電極４ｄ’との差分を処理するチャネル、として合計１６のチャネルを有している。
　チャネルセレクター１２は、ＡＤ変換器１１から出力される１６チャネルに対応するチャネルを入力側のチャネルとして少なくとも有し、そのうちの１チャネルを選択して回路を切り換えてディジタルシグナルプロセッサ１３に対してＡＤ変換器１１からの入力を順次出力する。
　演算装置１４は、チャネルセレクター１２から出力されディジタルシグナルプロセッサ１３によって処理された信号が入力され、当該信号に基づいて静電容量型力学量センサ素子１（以下適宜、単にセンサ素子１とも表記する）に与えられている種々の力学量を計算するものである。具体的には、演算装置１４は、１６対の電極間の静電容量差の変化パターンに基づいて基材２の変形の種類を特定すると共に静電容量の大きさや基材２の弾性係数などに基づいて各電極４の変位の大きさと共に与えられた荷重の大きさを算出する。
　本実施形態の演算装置１４は、図５に示すように、ディジタルシグナルプロセッサ１３によって処理された信号である静電容量値データが入力される手段としての信号入力受部１４ａと、入力された静電容量値データを用いてセンサ素子１の一対の面のうちの上面に配置された四つの電極の中央位置を原点とした場合の下面に配置された四つの電極のそれぞれの中心位置を算出する手段としての電極位置算出部１４ｂと、算出された各電極の中心位置に基づいて下面に配置された四つの電極の中央位置を算出する手段としての電極中央位置算出部１４ｃと、算出された各電極の中心位置に基づいてセンサ素子１の一対の面のうちの上面に対する下面の回転角度を算出する手段としての回転角度算出部１４ｄと、算出された下面に配置された四つの電極の中央位置を用いてセンサ素子１の応力を算出する手段としての応力算出部１４ｅと、算出された回転角度を用いてセンサ素子１のねじりモーメントを算出する手段としてのモーメント算出部１４ｆと、算出された応力やねじりモーメントなどのデータを外部装置１５に対して出力する手段としての出力部１４ｇと、演算装置１４が各種の制御や演算を実行する際の作業領域であるメモリ空間となるメモリ１４ｍとを有する。なお、メモリ１４ｍは例えばＲＡＭ（Ｒandom　Ａccess　Ｍemory の略）である。そして、演算装置１４は、１６対の電極間の静電容量値データを用いて、図６に示すフローチャートに従って種々の力学量を算出する。
　以下の説明において用いるセンサ素子１の一対の面のそれぞれの面における電極の配置と各電極を識別するための符号（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’）、並びに、以下の説明において位置を表すものとして用いる三次元の軸の設定を図７に示す。ここで、以下の説明においては、電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが配置された面を上面と呼び、電極Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’が配置された面を下面と呼ぶ。そして、下面の四つの電極Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’の中央位置を原点Ｏとし、水平方向軸をＸ軸及びＹ軸、また、垂直方向軸をＺ軸とする。なお、矢印の向きを各軸の正の向きとする。また、ここでの説明における位置座標は長さの尺度を持つものとして与え、位置座標の絶対値は長さや距離と同義である。
　まず、信号入力受部１４ａが、ディジタルシグナルプロセッサ１３から静電容量値データが入力される（Ｓ１）。
　具体的には、信号入力受部１４ａは、上面の電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのうちの一つと下面の電極Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’のうちの一つとを順次組み合わせることにより形成される合計１６通りの電極間毎の静電容量値データが入力される。そして、信号入力受部１４ａは、入力された静電容量値データを計測された電極の組み合わせと対応づけてメモリ１４ｍに記憶させる。
　ここで、センサ素子の使用にあたってセンサ素子を所定の量だけ変位させて電極間の静電容量を実測すると共に実測値と理論値との比較検証を行い、実測値と理論値との間に差が見られるような場合には、計測された静電容量値を較正して以降の処理に用いるようにしても良い。
　具体的には例えば、図８Ａに示すように、センサ素子を変位させながら実測して得られた変位量Δｄ毎の電極間の静電容量Ｃの実測値２１を、センサ素子の設計値や物理特性に基づいて算出される変位量Δｄに対応する静電容量Ｃの理論値２０に合致させるように較正する場合を考える。
　実測値を複数選び、当該実測値に対応する理論値との差が最も小さくなるように線形近似したときの近似直線の傾きａと切片ｂとを求める（図８Ｂ）。そして、近似直線の傾きａ及び切片ｂを、信号入力受部１４ａに入力される静電容量の計測値を較正するための式（以下適宜、較正式とも呼ぶ）の傾きａ及び切片ｂとして用いる。すなわち、較正式として数式１を用いる。
　　（数１）　Ｃｃ＝ａＣｍ＋ｂ
　　ここに、Ｃｃ：較正後の静電容量，Ｃｍ：静電容量の計測値，
　　　　　　ａ：近似直線の傾きを表す係数であって較正式の傾きの係数，
　　　　　　ｂ：近似直線の切片を表す係数であって較正式の切片の係数
　　　　　　をそれぞれ表す。
　なお、図８に示す例においては、三つの実測値２１ａ（図中記号○）を選ぶと共に当該三つの実測値２１ａとこれらに対応する三つの理論値２０ａ（図中記号○）とを用いて近似直線を求めて較正式を推定するようにしているが、較正式の推定に用いる理論値と実測値との組み合わせの数は三組に限られるものではなく、少なくとも二組以上あれば何組であっても良い。また、変位量Δｄが正の値の場合と負の値の場合とに分けて較正式を推定するようにしても良い。
　較正式の適用による計測値の較正の例を図９に示す。図９Ａは所定の変位を与えたときの静電容量の理論値２０と実測値２１との大きさ及び推移の傾きが異なり両者に差が見られる状況を表している。そして、理論値２０と実測値２１との関係から数式１に表す較正式を求めて当該較正式を実測値に適用すると、理論値２０に合致する、計測値を較正した値２２が求められる（図９Ｂ）。
　なお、較正式を用いて計測値を較正することの意味は以下のように考えられる。すなわち、静電容量の実測値は多くの場合に理論値と比べて大きな値になる。これは、例えば、センサ素子１の回線６の面積による有効面積の拡大や寄生容量の影響などが原因であると考えられる。すなわち、数式２に表される関係の結果としての静電容量が実測値として観測されていると考えられる。
　　（数２）　Ｃｍ＝ＡＣＲ＋ｐ
　　ここに、Ｃｍ：静電容量の計測値，ＣＲ：静電容量の理論値，
　　　　　　Ａ：センサ素子の回線部の面積など静電容量の計測値に影響を及ぼす要因
　　　　　　　　に関する係数，
　　　　　　ｐ：寄生容量に関する定数
　　　　　　をそれぞれ表す。
　そして、観測される静電容量値に与えられた影響をできるだけ取り除いて理論値と近い値になるように、数式２を数式３のように変形し、数式３の係数１／Ａに対応する傾きａを有すると共に定数－ｐ／Ａに対応する切片ｂを有する式を用いて計測値を較正することが有効である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　以上を踏まえ、本発明においては、実際に計測される静電容量値を数式１を用いて較正して以降の処理に用いるようにしても良い。
　次に、電極位置算出部１４ｂは、Ｓ１の処理において入力された電極間毎の静電容量値データを用いて上面の各電極の中心位置を算出する（Ｓ２）。
　ここでは、上面の電極Ｄの中心位置を算出する場合を例に挙げて説明する。まず、図７に示した各電極及び座標軸において、センサ素子１に荷重や負荷が与えられていない状態（以下、初期状態と呼ぶ）での電極Ａ’の中心位置座標を（ｘ座標，ｙ座標，ｚ座標）＝（α，α，０）とする。この場合、初期状態における電極Ｂ’の中心位置座標は（－α，α，０）になり、電極Ｄ’の中心位置座標は（α，－α，０）になる。なお、αはセンサ素子１の設計値として既知である。
　そして、センサ素子１が、初期状態から、上面が下面に対してｚ軸方向に圧縮されたりｘ軸方向やｙ軸方向にずれたりすることによって変形し、上面の電極Ｄの中心位置座標が（ｘＤ，ｙＤ，ｚＤ）に変位したとする。
　このとき、上面の電極Ｄと下面の電極Ａ’，Ｂ’，Ｄ’との間の距離ｄＤＡ’，ｄＤＢ’，ｄＤＤ’は各電極の初期状態の中心位置座標と変位後の中心位置座標との関係に基づいて数式４ａ～４ｃのように表される。
　　（数４ａ）　(ｘＤ－α)２＋(ｙＤ－α)２＋ｚＤ ２＝ｄＤＡ’ ２
　　（数４ｂ）　(ｘＤ＋α)２＋(ｙＤ－α)２＋ｚＤ ２＝ｄＤＢ’ ２
　　（数４ｃ）　(ｘＤ－α)２＋(ｙＤ＋α)２＋ｚＤ ２＝ｄＤＤ’ ２
　一方、各電極間の距離ｄと静電容量Ｃとの間には一般に数式５の関係が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　　　ここに、Ｃ：上面の電極と下面の電極との間の静電容量〔ｐＦ〕，
　　　　　　　ε０：真空の誘電率〔Ｃ２/Ｎ・ｍ２〕，
　　　　　　　εｒ：センサ素子の基材の比誘電率，
　　　　　　　Ｓ：電極の面積〔ｍ２〕，
　　　　　　　ｄ：上面の電極と下面の電極との間の距離〔ｍ〕　をそれぞれ表す。
　ここで、数式５の変数について、真空の誘電率ε０は一般的な物理定数として既知であり、基材の比誘電率εｒと電極の面積Ｓとはセンサ素子の設計値として既知であり、静電容量Ｃは計測値として既知である。
　したがって、数式５より、例えば上面の電極Ｄと下面の電極Ａ’との間の距離ｄＤＡ’は数式６によって算出される。なお、ＣＤＡ’は上面の電極Ｄと下面の電極Ａ’との間の静電容量である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　以上を踏まえ、電極位置算出部１４ｂは、Ｓ１の処理においてメモリ１４ｍに記憶された電極間毎の静電容量値データをメモリ１４ｍから読み込み、数式６を用いて電極間の距離ｄを電極間毎に算出する。なお、真空の誘電率ε０，センサ素子１の基材２の比誘電率εｒ，電極の面積Ｓの値は例えばメモリ１４ｍに予め記憶させておく。
　そして、電極位置算出部１４ｂは、数式６によって算出された電極間毎の距離ｄを数式４ａ～４ｃに代入し、代入後の数式４ａ～４ｃをｘＤ，ｙＤ，ｚＤが未知数である連立方程式として解いてｘＤ，ｙＤ，ｚＤを求める。なお、前述のとおり、αはセンサ素子１の設計値として既知である。なお、αの値は例えばメモリ１４ｍに予め記憶させておく。以上により、上面が下面に対して変位した後の電極Ｄの中心位置座標（ｘＤ，ｙＤ，ｚＤ）が求められる。
　電極位置算出部１４ｂは、同様にして、変位した後の上面の各電極Ａ，Ｂ，Ｃの中心位置座標（ｘＡ，ｙＡ，ｚＡ），（ｘＢ，ｙＢ，ｚＢ），（ｘＣ，ｙＣ，ｚＣ）を算出する。そして、電極位置算出部１４ｂは、算出した上面の各電極の中心位置座標を各電極と対応付けてメモリ１４ｍに記憶させる。
　次に、電極中央位置算出部１４ｃは、Ｓ２の処理において算出された各電極の中心位置に基づいて変位後の上面の四つの電極の中央位置を算出する（Ｓ３）。
　具体的には、電極中央位置算出部１４ｃは、Ｓ２の処理においてメモリ１４ｍに記憶された電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ毎の中心位置座標をメモリ１４ｍから読み込み、これら電極毎の中心位置座標を用いて上面の四つの電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの中央位置Ｍの座標を算出する。そして、電極中央位置算出部１４ｃは、算出された上面の四つの電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの中央位置Ｍの座標をメモリ１４ｍに記載させる。
　次に、回転角度算出部１４ｄは、Ｓ２の処理において算出された各電極の中心位置、及び、Ｓ３の処理において算出された上面の電極の中央位置Ｍに基づいて下面に対する上面の回転角度を算出する（Ｓ４）。
　センサ素子１の上面が下面に対してｘ軸方向及びｙ軸方向にずれると共にｚ軸方向を軸心として回転した場合の回転角度は、図１０に示すように、Ｓ２及びＳ３の処理の結果を用いて算出することができる。
　図１０においては、具体的には、初期状態にあったセンサ素子１の上面が下面に対して変位することによって、初期状態の電極Ａの中心位置が、ｘ軸方向及びｙ軸方向へのずれの分として点Ａｇに移動し、更にｚ軸方向を軸心として回転して（即ち基材２が捻れて）点Ａgrに移動した場合を例に挙げて説明する。このとき、センサ素子１の上面の初期状態の中央点Ｍ（これはＸ軸－Ｙ軸平面に対する位置は下面の原点Ｏと一致している）はずれによって点Ｍｇに移動し、さらに回転によって点Ｍgrに移動する。ただし、回転の際には中央点は移動しないので、点Ｍｇと点Ｍgrとは一致する。なお、点Ｍｇ，Ｍgrからｘ軸方向点Ａｇ側にある点を点Ｍｈとする。
　図１０に示す例では、センサ素子１の上面のｚ軸方向を軸心とする回転角度θは直線Ｍｇ－Ａｇと直線Ｍｇ－Ａgrとがなす角である。そして、当該回転角度θは、直線Ｍｇ－Ａｇと直線Ｍｇ－Ｍｈとがなす角θ１から直線Ｍｇ－Ａgrと直線Ｍｇ－Ｍｈとがなす角θ２を引いた残りに等しい。すなわち、θ＝θ１－θ２が成り立つ。そして、θ１については、図中の破線で表される図形の幾何学的関係に着目すると数式７が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、図中の破線は初期状態の上面の電極がｘ軸方向及びｙ軸方向にずれることによって移動した状態を表しており、初期状態における上面の四つの電極の中央点Ｍと電極Ａの中心位置（図中Ａで示す位置）とが点Ｍｇと点Ａｇとにそれぞれ移動して点Ｍｇと点Ａｇとの間の位置関係は初期状態の中央点Ｍと電極Ａの中心位置との間の位置関係のままであるので、ｘ１＝α，ｙ１＝αである。
　また、図１０に示す例では、初期状態における上面がｘ軸方向にｘ０，ｙ軸方向にｙ０だけずれると共にｚ軸方向を軸心として回転して電極Ａの中心点Ａgrのｘ座標がｘ２，ｙ座標がｙ２となっているので、直線Ｍgr－Ａgrと直線Ｍgr－Ｍｈとがなす角θ２については数式８が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ここで、変位した後の上面の電極Ａの中心位置座標（ｘＡ，ｙＡ，ｚＡ）はＳ２の処理において算出されているので、位置座標ｘ２とｙ２とは既知である。
　また、変位した後の上面の四つの電極の中央位置Ｍの座標はＳ３の処理において算出されているので、位置座標ｘ０とｙ０とは既知である。
　そして、回転角度算出部１４ｄは、センサ素子１の設計値として既知であって例えばメモリ１４ｍに予め記憶されているαの値を読み込み、数式７によって角度θ１の大きさを算出する。
　また、回転角度算出部１４ｄは、Ｓ２の処理においてメモリ１４ｍに記憶された上面の各電極の中心位置座標、及び、Ｓ３の処理においてメモリ１４ｍに記憶された上面の四つの電極の中央位置Ｍの座標をメモリ１４ｍから読み込み、数式８によって角度θ２の大きさを算出する。
　そして、回転角度算出部１４ｄは、θ＝θ１－θ２によって回転角度θを算出する。また、回転角度算出部１４ｄは算出した回転角度θの値をメモリ１４ｍに記憶させる。なお、回転角度は、上面の四つの電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのうちのいずれか一つに着目することによって算出することができる。
　次に、応力算出部１４ｅは、Ｓ３の処理において算出された上面の四つの電極の中央位置Ｍを用いてセンサ素子の基材の垂直応力及びせん断応力を算出する（Ｓ５）。
　垂直応力σは一般に数式９によって算出される。
　　（数９）　σ＝Ｅε
　　ここに、Ｅ：基材の縦弾性係数（ヤング率），ε：垂直ひずみ　をそれぞれ表す。
　また、垂直ひずみεは一般に数式１０によって表される。
　　（数１０）　ε＝Δｄ／ｔ
　　ここに、Δｄ：基材が圧縮された距離〔ｍ〕，ｔ：基材の厚み〔ｍ〕
　　　　　　をそれぞれ表す。
　ここで、初期状態における基材の厚みｔは設計値として既知である。また、Ｓ３の処理において変位後の上面の四つの電極の中央位置Ｍの座標が算出されているので、初期状態における厚みｔと変位後の電極中央Ｍの位置のｚ座標とから基材が圧縮された距離Δｄが算出される。
　また、せん断応力τは一般に数式１１によって算出される。
　　（数１１）　τ＝Ｇγ
　　ここに、Ｇ：基材の横弾性係数（横弾性率），γ：せん断ひずみ　をそれぞれ表す。
　また、せん断ひずみγは一般に数式１２によって表される。
　　（数１２）　γ＝Δδ／ｔ
　　ここに、Δδ：基材の上面がｘ軸方向又はｙ軸方向にずれた距離〔ｍ〕，
　　　　　　ｔ：基材の厚み〔ｍ〕
　　　　　　をそれぞれ表す。
　ここで、初期状態における基材の厚みｔは設計値として既知である。また、Ｓ３の処理において変位後の上面の四つの電極の中央位置Ｍの座標が算出されているので、ｘ軸方向又はｙ軸方向にずれた距離Δδも既知である。
　以上を踏まえ、応力算出部１４ｅは、Ｓ３の処理においてメモリ１４ｍに記憶された上面の四つの電極の中央位置Ｍの座標をメモリ１４ｍから読み込み、数式１０によって垂直ひずみεを算出する。さらに、応力算出部１４ｅは、算出した垂直ひずみεと縦弾性係数Ｅとを用いて数式９によって垂直応力σを算出する。なお、基材の厚みｔの値と縦弾性係数Ｅの値とはセンサ素子１の設計値として既知であって例えばメモリ１４ｍに予め記憶させておく。
　また、応力算出部１４ｅは、Ｓ３の処理においてメモリ１４ｍに記憶された上面の四つの電極の中央位置Ｍの座標をメモリ１４ｍから読み込み、数式１２によってせん断ひずみγを算出する。さらに、応力算出部１４ｅは、算出したせん断ひずみγと横弾性係数Ｇとを用いて数式１１によってせん断応力τを算出する。なお、横弾性係数Ｇの値はセンサ素子１の設計値として既知であって例えばメモリ１４ｍに予め記憶させておく。
　なお、せん断応力τはｘ軸方向とｙ軸方向とのそれぞれについて別々に算出する。その際、上面の四つの電極の中央位置Ｍの座標のうち、ｘ軸方向のせん断応力の算出にはｘ座標を用い、ｙ軸方向のせん断応力の算出にはｙ座標を用いる。
　なお、算出された垂直応力σと基材の横断面積（即ちｘ－ｙ平面断面積）とを掛け合わせて基材面積当たりの力（即ち垂直荷重）を算出するようにしても良いし、算出されたせん断応力τと基材の縦断面積（即ちｘ－ｚ平面断面積）とを掛け合わせて基材面積当たりの力（即ち水平荷重）を算出するようにしても良い。
　そして、応力算出部１４ｅは、算出した垂直応力σ（及び基材面積当たりの垂直荷重）並びにｘ軸方向及びｙ軸方向のせん断応力τ（及び基材面積当たりの水平荷重）の値をメモリ１４ｍに記憶させる。
　次に、モーメント算出部１４ｆが、Ｓ４の処理において算出された回転角度を用いてセンサ素子のねじりモーメントを算出する（Ｓ６）。
　ねじりモーメントＴは一般に数式１３によって算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　　ここに、Ｇ：基材の横弾性係数，Ｉｐ：基材の断面二次極モーメント，θ：捻り角，
　　　　　　ｔ：基材の厚み（即ち高さ）
　　　　　　をそれぞれ表す。
　ここで、基材の断面二次極モーメントＩｐは、基材の横断面（即ちｘ－ｙ平面断面）の縦長さと横長さとによって算出されるところ基材の寸法は設計値として既知であるので、既定値として算出される。
　以上を踏まえ、モーメント算出部１４ｆは、Ｓ４の処理においてメモリ１４ｍに記憶された回転角度θの値をメモリ１４ｍから読み込み、当該回転角度θの値を捻り角の角度θとして数式１３によってねじりモーメントＴを算出する。なお、基材の横弾性係数Ｇ，断面二次極モーメントＩｐ，厚みｔの値は例えばメモリ１４ｍに予め記憶させておく。
　そして、モーメント算出部１４ｆは算出したねじりモーメントＴの値をメモリ１４ｍに記憶させる。
　そして、出力部１４ｇが、必要とされる態様に応じ、メモリ１４ｍに記憶された垂直応力σやせん断応力τやねじりモーメントＴなどの値のデータを例えば記憶媒体や表示装置やデータを更に加工するための処理装置等の外部装置１５に適宜出力する（Ｓ７）。
　以上のように構成された本発明の静電容量型力学量センサ素子１によれば、簡単な構造且つ小型化が可能な構造でありながら多種多様な力学量を検出することができると共に例えば柔軟な曲面に接触させて使用することもできるなど用途が限定されることがなく多様な用途に使用することができる。
　なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、基材の形態を立方体としたが、基材の形状はこれに限られるものではなく、少なくとも対向する平行な二面を有するものであれば例えば円盤，円柱体，太鼓，ドラム形状のような一部に曲面を有するものであっても良い。
　また、本実施形態では、電極４を基材２に直接貼付するようにしているが、基材２として電気絶縁性のないものを使用する場合には電気絶縁性を有する板部材を基材と電極との間に介在させる構造としても良い。
　また、本実施形態では、電極４は、矩形の頂点位置に各電極の中心が位置するように配置されているが、電極４の配置はこれに限られない。すなわち、厳密な矩形でなくても良いし、相互の電極４間の間隔が離れすぎることがなく、そして変位量との相関がとれれば、台形や平行四辺形などでも良い。
　さらに、本実施形態では、基材２の一対の面の上面に四つの電極４を配置すると共に下面にも四つの電極４を配置するようにしているが、電極４の個数はこれに限られるものではなく、四つより少なくても良いし多くても良い。すなわち、各々の面に少なくとも一つずつの電極４を配置すれば、高剛性の筐体を設ける必要がないのでセンサ素子自体を簡単な構造とし且つ薄く構成し小型化することができ、さらに、可撓性を有すると共に計測対象に合わせた弾性特性を発揮するセンサとすることができる。また、基材２の一対の面の各々の面に複数の電極４を配置するようにすれば、各々の面の複数の電極４から一つずつ選択される二つの電極の組み合わせ毎の電極間の静電容量を出力することができるので、電極４の配置の仕方によっては複数の対の電極間毎の静電容量の情報を用いて計算することによって水平方向のずれや垂直方向の縮みや垂直軸回りの回転変位や垂直軸に対して傾斜しながらのずれや捻れ或いはこれらの変位に対応する応力などの力学量の計算が可能なセンサとすることができる。特に、各々の面に少なくとも三つずつの電極４を配置するようにすれば、水平方向のずれや垂直方向の縮みや垂直軸回りの回転変位や垂直軸に対して傾斜しながらのずれや捻れ或いはこれらの変位に対応する応力などの力学量の計算が可能なセンサとすることができる。
　本発明の静電容量型力学量センサ素子の具体的な実施例を図１１から図７８を用いて説明する。
　本実施例では、シリコーンゲルを用いて縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×高さ５ｍｍの直方体の基材２を形成した
　また、本実施例では、フレキシブルプリント基板によって電極を形成した。なお、本実施例では、一つの電極の大きさは３．５ｍｍ角とした。本実施例で用いた電極４を図１１Ａに示す。また、以下の説明において用いる本実施例のセンサ素子の一対の面のそれぞれの面における電極４の配置と各電極４を識別するための符号（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’）、並びに、以下の説明において位置を表すものとして用いる三次元の軸の設定を図１１Ｂに示す。ここで、以下の説明においては、電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが配置された面を上面、電極Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’が配置された面を下面と呼ぶ。そして、下面の四つの電極Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’の中央位置を原点Ｏとし、水平方向軸をＸ軸及びＹ軸、また、垂直方向軸をＺ軸とする。なお、矢印の向きを各軸の正の向きとする。また、ここでの説明における位置座標は長さの尺度を持つものとして与え、位置座標の絶対値は長さや距離と同義である。
　本実施例では、センサ素子の下面に対し、Ｚ軸方向の圧縮の変位、Ｘ，Ｙ軸方向のずれの変位、或いは、Ｚ軸を軸心とする回転即ち捻れの変位を徐々に与えながら各電極間の静電容量の変化を計測した。なお、圧縮の変位は０～３〔ｍｍ〕、ずれの変位は－３～＋３〔ｍｍ〕、Ｚ軸回りの回転の変位は－３０～＋３０〔度（deg とも表記する）〕の範囲とした。そして、圧縮の場合は０．２ｍｍ、ずれの場合は０．４ｍｍ及び原点位置、回転の場合は３度毎に静電容量を計測した。また、ずれの変位及び回転の変位を与える場合の計測においては、センサ素子の上面が動かないようにＺ軸方向に１ｍｍの圧縮の変位を与えた状態でセンサ素子の下面に変位を与えて計測を行った。また、Ｚ軸回りの回転についてはセンサ素子の下面を時計回りに回転した状態を正とした。
　計測は、上面の電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのうちの一つと下面の電極Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’のうちの一つとを順次組み合わせることにより形成される合計１６通りの電極間毎に行った。
　計測結果として、変位を与える前（以下、初期状態と呼ぶ）における電極間の静電容量と変位を徐々に与えながら順次計測した静電容量との差、すなわち、変位量と静電容量の変化量との間の関係を整理した。ここで、図１２から図７５においては、初期状態の変位量及び静電容量の変化量をゼロ即ち原点とし、縦軸を静電容量の変化量ΔＣ〔ｐＦ〕とすると共に横軸を変位量Δｄ〔ｍｍ〕若しくは回転角度Δθ〔deg〕として計測データを整理した。なお、同じ条件で計測を三回行い、図では、三回の計測における計測値の幅が分かるように整理している。
　初期状態即ち変位がゼロの状態から変位量が３ｍｍになるまでＺ軸方向の圧縮の変位を徐々に与えたときの静電容量を計測すると共に初期状態における静電容量との差を計算し、変位量Δｄと静電容量の変化量ΔＣとの間の関係として電極間別に図１２～図２７に示す結果が得られた。
　これらの結果から、いずれの電極間においても、変位量Δｄの増加に応じて静電容量ΔＣが増加する傾向が現れることが確認された。
　そして、電極Ａ－Ａ’間や電極Ｂ－Ｂ’間などのように初期状態において垂直方向に正面対向する位置関係にある電極間における静電容量の変化が、他の位置関係にある電極間における静電容量の変化に比べて大きいことが確認された。
　また、電極Ａ－Ｃ’間や電極Ｂ－Ｄ’間などのように直方体の対角であってＹ軸を跨ぐ対角の位置関係にある電極間における静電容量の変化が、電極Ａ－Ｄ’間や電極Ｂ－Ｃ’間などのようにＹ軸を跨がない位置関係にある電極間における静電容量の変化よりも大きくなった。これは、本実施例の電極のパターンがＸ軸に対して対称になっている影響が現れたものと考えられた。
　また、初期状態から１ｍｍ圧縮した状態で－３～＋３ｍｍの範囲でＸ軸方向のずれの変位を徐々に与えたときの静電容量を計測すると共に初期状態における静電容量との差を計算し、変位量Δｄと静電容量の変化量ΔＣとの間の関係として電極間別に図２８～図４３に示す結果が得られた。
　これらの結果から、いずれの電極間においても、変位量Δｄの変化に応じて静電容量が一定の傾向をもって変化することが確認された。
　そして、初期状態において垂直方向に正面対向する位置関係にある電極Ａ－Ａ’間，Ｂ－Ｂ’間，Ｃ－Ｃ’間，Ｄ－Ｄ’間における静電容量の変化を表す曲線は、変位量Δｄ＝０若しくはその付近で最も大きな容量（即ちピーク）を示すと共に、変位量の絶対値の増加に応じて静電容量が減少して上に凸の概ね左右対称の曲線になることが確認された。
　また、初期状態において垂直方向に正面対向する位置関係にある電極間における静電容量の変化が他の位置関係にある電極間における静電容量の変化に比べて大きいことが確認された。
　また、電極Ａ－Ｂ’間，Ｂ－Ａ’間，Ｃ－Ｄ’間，Ｄ－Ｃ’間における静電容量の変化は、各両電極はＸ軸方向に対して平行に配置されて－３～＋３ｍｍの範囲でのＸ軸方向のずれに対しては両電極が近付き続けるか離れ続けるかのどちらかになるので、直線的な傾向を示すことが確認された。
　また、電極Ａ－Ｄ’間，Ｂ－Ｃ’間，Ｃ－Ｂ’間，Ｄ－Ａ’間の静電容量の変化は、初期状態において垂直方向に正面対向する位置関係にある電極間と同様に、変位量Δｄ＝０若しくはその付近で最も大きな容量（即ちピーク）を示すと共に、変位量の絶対値の増加に応じて静電容量が減少して上に凸の曲線になることが確認された。
　また、電極Ａ－Ｄ’間，Ｂ－Ｃ’間，Ｄ－Ａ’間，Ｃ－Ｂ’間の静電容量の変化量は、初期状態において垂直方向に正面対向する位置関係にある電極間や電極Ａ－Ｂ’間，Ｄ－Ｃ’間，Ｂ－Ａ’間，Ｃ－Ｄ’間における静電容量の変化量に比べると非常に小さいという結果になった。
　また、直方体の対角の位置関係にある電極Ａ－Ｃ’間，Ｂ－Ｄ’間，Ｃ－Ａ’間，Ｄ－Ｂ’間の静電容量は、それぞれが近付くにつれて増加し、両電極が近付くほど変化の度合い（即ち変化率）が緩やかになる結果が得られた。また、電極Ａ－Ｃ’間，Ｂ－Ｄ’間，Ｃ－Ａ’間，Ｄ－Ｂ’間の静電容量の変化量は非常に小さいという結果になった。
　また、初期状態から１ｍｍ圧縮した状態で－３～＋３ｍｍの範囲でＹ軸方向のずれの変位を徐々に与えたときの静電容量を計測すると共に初期状態における静電容量との差を計算し、変位量Δｄと静電容量の変化量ΔＣとの間の関係として電極間別に図４４～図５９に示す結果が得られた。
　これらの結果から、いずれの電極間においても、変位量Δｄの変化に応じて静電容量が一定の傾向をもって変化することが確認された。
　そして、初期状態において垂直方向に正面対向する位置関係にある電極Ａ－Ａ’間，Ｂ－Ｂ’間，Ｃ－Ｃ’間，Ｄ－Ｄ’間における静電容量の変化を示す曲線は、変位量Δｄ＝０若しくはその付近で最も大きな容量（即ちピーク）を示すと共に、変位量の絶対値の増加に応じて静電容量が減少して上に凸の概ね左右対称の曲線になることが確認された。
　また、初期状態において垂直方向に正面対向する位置関係にある電極間における静電容量の変化が他の位置関係にある電極間における静電容量の変化に比べて大きいことが確認された。
　また、電極Ａ－Ｄ’間，Ｂ－Ｃ’間，Ｄ－Ａ’間，Ｃ－Ｂ’間における静電容量の変化について、各両電極はＹ軸方向に対して平行に配置されて－３～＋３ｍｍの範囲でのＹ軸方向のずれに対しては両電極が近付き続けるか離れ続けるかのどちらかになるので、静電容量は直線的な変化を示すことが確認された。
　また、電極Ａ－Ｂ’間，Ｂ－Ａ’間，Ｃ－Ｄ’間，Ｄ－Ｃ’間の静電容量の変化は、初期状態において垂直方向に正面対向する位置関係にある電極間と同様に、変位量の変化に合わせて上に凸の曲線になることが確認された。なお、本実施例の結果では、変化曲線の頂点であって静電容量の変化量ΔＣがピークになる位置が、変位量Δｄ＝０の位置から僅かにずれた結果になった。
　また、直方体の対角の位置関係にある電極Ａ－Ｃ’間，Ｂ－Ｄ’間，Ｃ－Ａ’間，Ｄ－Ｂ’間の静電容量は、それぞれが近付くにつれて増加し、両電極が近付くほど変化の度合い（即ち変化率）が緩やかになる結果が得られた。
　Ｘ軸方向のずれの変位量の変化に伴う静電容量の変化の傾向と、Ｙ軸方向のずれの変位量の変化に伴う静電容量の変化の傾向とは、例えばＸ軸方向のずれの場合の電極Ｃ－Ｄ’間とＹ軸方向のずれの場合の電極Ｃ－Ｂ’とのように、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにおいて対応する位置関係にある電極間同士で概ね一致する結果が得られた。
　一方で、Ｙ軸方向のずれの場合の変位に対する静電容量の変化は、Ｘ軸方向のずれの場合よりも大きくなった。これは、本実施例で用いた電極のパターンがＸ軸対象であり回線６の方向がＸ軸方向であるので、Ｘ軸方向の変位の場合よりもＹ軸方向の変位の場合の方が重なる面積の変化が大きいためと考えられた。
　さらに、初期状態から１ｍｍ圧縮した状態で－３０～＋３０度の範囲でＺ軸回りの回転即ち捻れの変位を徐々に与えたときの静電容量を計測すると共に初期状態における静電容量との差を計算し、回転角度Δθと静電容量の変化量ΔＣとの間の関係として電極間別に図６０～図７５に示す結果が得られた。
　これらの結果から、いずれの電極間においても、回転角度Δθの変化に応じて静電容量が一定の傾向をもって変化することが確認された。
　そして、初期状態において垂直方向に正面対向する位置関係にある電極Ａ－Ａ’間，Ｂ－Ｂ’間，Ｃ－Ｃ’間，Ｄ－Ｄ’間における静電容量の変化を示す曲線は、初期状態（即ち回転角度Δθ＝０）若しくはその付近で最も大きな容量（即ちピーク）を示すと共に、回転角度の絶対値の増加に応じて静電容量が減少して上に凸の概ね左右対称の曲線になることが確認された。
　また、初期状態において垂直方向に正面対向する位置関係にある電極間における静電容量の変化が他の位置関係にある電極間における静電容量の変化に比べて大きいことが確認された。
　ここで、直方体の対角の位置関係にある電極Ａ－Ｃ’間，Ｂ－Ｄ’間，Ｃ－Ａ’間，Ｄ－Ｂ’間の静電容量を表す曲線は二つのパターンに分けられることが知見された。
　具体的には、一つは、正の向きに回転させた場合には電極の回線６同士が重なり、負の向きに回転させた場合には電極の回線６同士が離れるパターンであり、本実施例のセンサ素子では電極Ｃ－Ａ’間とＤ－Ｂ’間とが該当する（図７６Ａ）。
　もう一つは、正の向きに回転させた場合には電極の回線６同士が離れ、負の向きに回転させた場合には電極の回線６同士が重なるパターンであり、本実施例のセンサ素子では電極Ａ－Ｃ’間とＢ－Ｄ’間とが該当する（図７６Ｂ）。
　そして、本実施例のセンサ素子の、電極Ｃ－Ａ’間とＤ－Ｂ’間とは図７７Ａに示す曲線のような静電容量の変化を示し、電極Ａ－Ｃ’間とＢ－Ｄ’間とは図７７Ｂに示す曲線のような静電容量の変化を示すと考えられた。なお、図中の符号７に示す傾向は、回線６部分が重なるために有効面積が大きくなり静電容量の減少が抑えられるために生じると考えられた。
　また、上記以外の他の電極間において、センサ素子の上面と下面との相対的な回転変位による電極基板の動きを考慮すると、上下面の電極と回線との位置関係に次の四つのパターンがあると考えられた。
　パターン１）電極同士が近付き、やがて電極の一部が重なる。
　　　　　　　また、電極から出た回線同士も重なる。
　パターン２）電極同士が近付き、やがて電極の一部が重なる。
　　　　　　　一方で、回線同士は離れる。
　パターン３）電極同士は離れる。一方で、回線同士は重なる。
　パターン４）電極同士は離れる。また、回線同士も離れる。
　そして、上述の四つのパターンのそれぞれにおいて、正の向きの回転変位を与えた場合に、変位量Δｄと静電容量差ΔＣとの間の関係を表す曲線は図７８に示すようになると考えられた。具体的には、上述の四つのパターン毎に傾向を整理すると以下のようになると考えられた。
　パターン１）電極が近付くと共に回線が重なることで有効面積が増すので、変位量Δｄの増加に応じて静電容量差ΔＣも増加傾向を示す（図７８Ａ）。
　パターン２）回転角度が大きくなると電極が重なり始めるために面積の増加に応じて静電容量が増加して変位量Δｄの増加に伴う静電容量の減少が抑えられるので、静電容量差ΔＣは減少した後に変化の度合いが緩やかになる（図７８Ｂ）。
　パターン３）電極間の距離は離れる一方で回線が重なるために減少が僅かとなるので、静電容量差ΔＣは全体として僅かに減少する（図７８Ｃ）。
　パターン４）電極間の距離が離れると共に回線同士も離れるために静電容量は減少するので、静電容量差ΔＣは全体として大きく減少する（図７８Ｄ）。
　具体的な例を示すと、図７８Ｅに示すように、例えば電極間Ｃ－Ｄ’の場合には、正の向きの回転を与えたときは電極同士は離れる一方で回線同士は重なるので上述のパターン３に該当する傾向を示し、負の向きの回転を与えたときは電極同士は近付く一方で回線同士は離れるので上述のパターン２に該当する傾向を示すと考えられた。
　また、これらの結果から、センサ素子１の回線６が計測結果に与える影響が小さいとは言い切れない場合があり、センサ素子１によって計測された静電容量値を較正して用いることの重要性が確認された。
　さらに、いずれの種類の変位の場合についても、同一条件での三回の計測における計測値の幅即ちばらつきは小さくなっており、各電極間の静電容量の計測値は電極間毎にほぼ同一の傾向を示しており、センサ素子全体としての再現性は高いことが確認された。
　上述の本実施例の結果全体から、Ｘ軸方向のずれとＹ軸方向のずれとＺ軸回りの回転とのいずれの変位を与えた場合も変位量や回転角度の変化に応じて各電極間の静電容量が一定の傾向をもって変化することが確認され、このことから、電極間毎の静電容量の変化と各軸方向或いは軸回りの変位量との間の関係を予め求めておくことによって電極間の静電容量の情報を用いて基材２の変形の種類を特定できると共に水平方向のずれや垂直方向の縮みや垂直軸回りの回転変位や垂直軸に対して傾斜しながらのずれや捻れ或いはこれらの変位に対応する応力など多様な力学量を計測できることが確認された。
　本発明の力学量センサの実施例を図７９を用いて説明する。
　実施例２としては、センサ素子によって計測された静電容量値の較正を行い、当該較正した静電容量値を用いてセンサ素子の変位量を算出し、当該算出された変位量と実際にセンサ素子に対して与えた変位量とを比較することによって較正の効果を検証した。
　本実施例では、センサ素子に所定の変位を与えて各変位量に対応する静電容量値を予め計測すると共に、センサ素子の設計値や物理特性に基づいて算出される静電容量の理論値との線形近似直線を推定することにより、数式１で表される較正式の傾きとしてａ＝０．９９１２が得られ、切片としてｂ＝０．０００７が得られた。
　そして、得られた傾きａと切片ｂとを当てはめた較正式を用い、同じセンサ素子を用いて計測された静電容量を較正し、較正した静電容量値データを用いて各種の変位量を算出して図７９に示す結果が得られた。なお、図中の原点を通る右上がりの破線は縦軸の値と横軸の値とが等しくなっている線であり、図中のプロットが当該破線に近いほど算出した変位量が実際に与えた変位量に近い値になっており算出の精度が高いことを示す。
　図７９に示す結果から、Ｚ軸方向の圧縮の変位を与えた場合（図７９Ａ）と、Ｘ軸方向のずれの変位を与えた場合（図７９Ｂ）と、Ｙ軸方向のずれの変位を与えた場合（図７９Ｃ）と、Ｚ軸回りの回転即ち捻れの変位を与えた場合（図７９Ｄ）とのいずれの場合についても、実際に与えた変位量を高い精度で算出しており、較正した計測値を用いることによって実際に与えた変位量との間に良好な線形関係がみられる変位量を算出することができることが確認された。
　この結果から、計測値を較正した上で変位量の算出に用いることが変位量の算出精度の向上に有効であることが確認された。
　本発明の静電容量型力学量センサ素子及び力学量センサは、素子自体が柔軟であると共に多様な力学量を検出することができるので、例えば、横たわった際に身体にかかる負荷の分布の計測や柔軟な面や凹凸のある面が柔軟な面に接触したときの圧力の分布の計測などの分野で利用価値が高い。
　１　静電容量型力学量センサ素子
　２　基材
　４　電極
　５　保護膜
　６　回線

Claims (6)

  1. 　電気的絶縁性と力学的弾性とを有し対向する少なくとも一対の面を有する基材と、該基材の前記一対の面の一方の面に配置された少なくとも一つの電極及び前記一対の面の他方の面に配置された少なくとも一つの電極とを有し、前記一方の面に配置された電極と前記他方の面に配置された電極とのそれぞれから一つずつ選択される二つの電極の組み合わせ毎の電極間の静電容量を検出することを特徴とする静電容量型力学量センサ素子。
  2. 　電気的絶縁性と力学的弾性とを有し対向する少なくとも一対の面を有する基材と、該基材の前記一対の面の一方の面に配置された四つの電極及び前記一対の面の他方の面に前記一方の面の四つの電極と正対する位置にそれぞれ配置された四つの電極とを有し、前記一方の面の四つの電極と前記他方の面の四つの電極とのそれぞれから一つずつ選択される二つの電極の組み合わせ毎の電極間の静電容量を検出することを特徴とする静電容量型力学量センサ素子。
  3. 　前記電極がフレキシブルプリント回路板により構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の静電容量型力学量センサ素子。
  4. 　表面全体が保護膜で密封されていることを特徴とする請求項１または２記載の静電容量型力学量センサ素子。
  5. 　電気的絶縁性と力学的弾性とを有し対向する少なくとも一対の面を有する基材と、該基材の前記一対の面の一方の面に配置された少なくとも一つの電極及び前記一対の面の他方の面に配置された少なくとも一つの電極とを有し、前記一方の面に配置された電極と前記他方の面に配置された電極とのそれぞれから一つずつ選択される二つの電極の組み合わせ毎の電極間の静電容量を検出する静電容量型力学量センサ素子によって計測され出力された静電容量値データが入力される手段と、前記静電容量値データを用いて前記一方の面に配置された電極に対する前記他方の面に配置された電極の位置を算出する手段と、前記他方の面に配置された電極の位置に基づいて前記他方の面に配置された電極の中央位置を算出する手段と、前記他方の面に配置された電極の位置に基づいて前記一方の面に対する前記他方の面の回転角度を算出する手段と、前記中央位置を用いて前記基材の応力を算出する手段と、前記回転角度を用いて前記基材のねじりモーメントを算出する手段とを有する演算装置を備えることを特徴とする力学量センサ。
  6. 　電気的絶縁性と力学的弾性とを有し対向する少なくとも一対の面を有する基材と、該基材の前記一対の面の一方の面に配置された四つの電極及び前記一対の面の他方の面に前記一方の面の四つの電極と正対する位置にそれぞれ配置された四つの電極とを有し、前記一方の面の四つの電極と前記他方の面の四つの電極とのそれぞれから一つずつ選択される二つの電極の組み合わせ毎の電極間の静電容量を検出する静電容量型力学量センサ素子によって計測され出力された静電容量値データが入力される手段と、前記静電容量値データを用いて前記一対の面の一方の面に配置された前記四つの電極に対する前記一対の面の他方の面に配置された前記四つの電極の位置を算出する手段と、前記四つの電極の位置に基づいて前記四つの電極の中央位置を算出する手段と、前記四つの電極の位置に基づいて前記一方の面に対する前記他方の面の回転角度を算出する手段と、前記四つの電極の中央位置を用いて前記基材の応力を算出する手段と、前記回転角度を用いて前記基材のねじりモーメントを算出する手段とを有する演算装置を備えることを特徴とする力学量センサ。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018128050A1 (ja) * 2017-01-05 2018-07-12 株式会社スタートトゥデイ 身体測定装置及び身体測定システム

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105806516B (zh) * 2012-09-17 2021-09-14 联想(北京)有限公司 一种压力传感器和检测压力值的方法
CN103674350B (zh) * 2012-09-17 2016-06-01 联想(北京)有限公司 一种压力传感器和检测压力值的方法
GB201219632D0 (en) * 2012-10-31 2012-12-12 Univ Southampton Apparatus for sensing and measuring pressure and shear components of a force at an interface between two surfaces
KR101979680B1 (ko) * 2012-12-05 2019-05-20 삼성전자주식회사 촉각센서
US20140292354A1 (en) * 2013-03-27 2014-10-02 Texas Instruments Incorporated Capacitive sensor
WO2014163076A1 (ja) * 2013-04-02 2014-10-09 富士電機株式会社 静電容量型センサ、及び非線形出力の補正方法
JP6417246B2 (ja) * 2015-03-17 2018-10-31 アルプス電気株式会社 補正装置、補正方法、プログラム及び静電容量式圧力センサ
US9836118B2 (en) 2015-06-16 2017-12-05 Wilson Steele Method and system for analyzing a movement of a person
JP7560031B2 (ja) * 2021-01-20 2024-10-02 本田技研工業株式会社 ３軸力センサ
CN113432761A (zh) * 2021-05-31 2021-09-24 杭州电子科技大学 带惯性环境补偿功能的机器人用触觉传感器及其制作方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62226030A (ja) * 1986-03-28 1987-10-05 Agency Of Ind Science & Technol 静電容量型圧力分布測定装置
JPS63171334A (ja) * 1986-10-13 1988-07-15 ペーテル　ザイツ 容量測定集成体
JP2002214183A (ja) * 2001-01-19 2002-07-31 Univ Nihon 混相状態分布計測装置と混相状態分布計測方法
JP2006145488A (ja) * 2004-11-24 2006-06-08 Mitsubishi Electric Corp 物体検出装置
JP2007192587A (ja) 2006-01-17 2007-08-02 Seiko Instruments Inc 力学量センサ用配線基板、力学量センサ用配線基板の製造方法および力学量センサ

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3557621A (en) * 1969-07-07 1971-01-26 C G S Scient Corp Inc Variable capacitance detecting devices
US5249465A (en) * 1990-12-11 1993-10-05 Motorola, Inc. Accelerometer utilizing an annular mass
US5492020A (en) * 1991-03-30 1996-02-20 Okada; Kazuhiro Detector for a physical quantity having a self-testing function
US5461319A (en) * 1992-12-28 1995-10-24 Peters; Randall D. Symmetric differential capacitance transducer employing cross coupled conductive plates to form equipotential pairs
US5844415A (en) * 1994-02-03 1998-12-01 Massachusetts Institute Of Technology Method for three-dimensional positions, orientation and mass distribution
TW350026B (en) * 1995-07-28 1999-01-11 Hokushin Ind Pressure sensor
US6373265B1 (en) * 1999-02-02 2002-04-16 Nitta Corporation Electrostatic capacitive touch sensor
EP1211633B1 (en) * 2000-11-28 2004-06-09 STMicroelectronics S.r.l. Texile-like capacitive pressure sensor and method of mapping the pressure exerted at points of a surface of a flexible and pliable object, particularly of a sail
JP4271475B2 (ja) * 2003-03-31 2009-06-03 株式会社ワコー 力検出装置
DE202006009188U1 (de) * 2006-06-12 2007-10-18 Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kommanditgesellschaft, Coburg Einklemmsensor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62226030A (ja) * 1986-03-28 1987-10-05 Agency Of Ind Science & Technol 静電容量型圧力分布測定装置
JPS63171334A (ja) * 1986-10-13 1988-07-15 ペーテル　ザイツ 容量測定集成体
JP2002214183A (ja) * 2001-01-19 2002-07-31 Univ Nihon 混相状態分布計測装置と混相状態分布計測方法
JP2006145488A (ja) * 2004-11-24 2006-06-08 Mitsubishi Electric Corp 物体検出装置
JP2007192587A (ja) 2006-01-17 2007-08-02 Seiko Instruments Inc 力学量センサ用配線基板、力学量センサ用配線基板の製造方法および力学量センサ

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018128050A1 (ja) * 2017-01-05 2018-07-12 株式会社スタートトゥデイ 身体測定装置及び身体測定システム
JP2018108309A (ja) * 2017-01-05 2018-07-12 株式会社スタートトゥデイ 身体測定装置及び身体測定システム
RU2735397C1 (ru) * 2017-01-05 2020-10-30 Зозо, Инк. Измерительное устройство для тела и измерительная система для тела
TWI766914B (zh) * 2017-01-05 2022-06-11 日商今日起程股份有限公司 身體測定裝置及身體測定系統
IL267270B1 (en) * 2017-01-05 2023-06-01 Zozo Inc Device and system for measuring body weight
IL267270B2 (en) * 2017-01-05 2023-10-01 Zozo Inc Body weight measuring device and body weight measuring system

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