(57)【特許請求の範囲】
【請求項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複数の電極及び前記一対の面の他方の面に前記一方の面の各電極と正対する位置にそれぞれ配置された複数の電極とを有し、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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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複数の電極及び前記一対の面の他方の面に配置された複数の電極とを有し、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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１９２５８７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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複数の電極及び前記一対の面の他方の面に前記一方の面の各電極と正対する位置にそれぞれ配置された複数の電極とを有し、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。
【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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複数の電極及び前記一対の面の他方の面に配置された複数の電極とを有し、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。
【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。
【発明の効果】
【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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各々の面への複数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。
【００２５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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６】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７】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。
【図８Ａ】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。
【図８Ｂ】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。
【図９Ａ】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。
【図９Ｂ】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。
【図１０】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。
【図１１Ａ】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。
【図１１Ｂ】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】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。
【図１８】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。
【図１９】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。
【図２０】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。
【図２１】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。
【図２２】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。
【図２３】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。
【図２４】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。
【図２５】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。
【図２６】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。
【図２７】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。
【図２８】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。
【図２９】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。
【図３０】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。
【図３１】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。
【図３２】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。
【図３３】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。
【図３４】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。
【図３５】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。
【図３６】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。
【図３７】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。
【図３８】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。
【図３９】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。
【図４０】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。
【図４１】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。
【図４２】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。
【図４３】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。
【図４４】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。
【図４５】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。
【図４６】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。
【図４７】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。
【図４８】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。
【図４９】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。
【図５０】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。
【図５１】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。
【図５２】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。
【図５３】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。
【図５４】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。
【図５５】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。
【図５６】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。
【図５７】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。
【図５８】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。
【図５９】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。
【図６０】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。
【図６１】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。
【図６２】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。
【図６３】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。
【図６４】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。
【図６５】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。
【図６６】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。
【図６７】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。
【図６８】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。
【図６９】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。
【図７０】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。
【図７１】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。
【図７２】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。
【図７３】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。
【図７４】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。
【図７５】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。
【図７６Ａ】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。
【図７６Ｂ】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。
【図７７Ａ】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。
【図７７Ｂ】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。
【図７８Ａ】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。
【図７８Ｂ】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。
【図７８Ｃ】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。
【図７８Ｄ】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。
【図７８Ｅ】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。
【図７９Ａ】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。
【図７９Ｂ】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。
【図７９Ｃ】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。
【図７９Ｄ】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。
【図８０】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。
【図８１Ａ】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。
【図８１Ｂ】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。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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）。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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）。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【数３】
0005570997.tif 000002
【００５５】
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。
【００５６】
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）。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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＋ｚＤ２＝ｄＤＡ’２
（数４ｂ）  (ｘＤ＋α)２＋(ｙＤ−α)２＋ｚＤ２＝ｄＤＢ’２
（数４ｃ）  (ｘＤ−α)２＋(ｙＤ＋α)２＋ｚＤ２＝ｄＤＤ’２
【００６０】
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。
【数５】
0005570997.tif 000003
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【数６】
0005570997.tif 000004
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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）。
【００６７】
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。
【００６８】
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）。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【数７】
0005570997.tif 000005
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【数８】
0005570997.tif 000006
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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）。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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）。
【００９２】
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。
【数１３】
0005570997.tif 000007
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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）。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【実施例１】
【０１０２】
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。【０１０３】
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【０１０４】
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。【０１０５】
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。【０１０６】
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。【０１０７】
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。【０１０８】
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。【０１０９】
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。【０１１０】
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。【０１１１】
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。【０１１２】
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。【０１１３】
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。【０１１４】
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。【０１１５】
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。【０１１６】
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。【０１１７】
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。【０１１８】
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。【０１１９】
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。【０１２０】
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。【０１２１】
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。【０１２２】
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。【０１２３】
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。【０１２４】
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。【０１２５】
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。【０１２６】
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。【０１２７】
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。【０１２８】
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。【０１２９】
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。【０１３０】
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。【０１３１】
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。【０１３２】
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。【０１３３】
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。【０１３４】
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）。【０１３５】
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）。【０１３６】
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。【０１３７】
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。【０１３８】
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）。【０１３９】
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。【０１４０】
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。【０１４１】
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。【０１４２】
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。
【実施例２】
【０１４３】
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。【０１４４】
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。【０１４５】
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。【０１４６】
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。【０１４７】
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。【０１４８】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
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。
【符号の説明】
【０１５０】
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
【図１】
0005570997.tif 000008
【図２】
0005570997.tif 000009
【図４】
0005570997.tif 000010
【図５】
0005570997.tif 000011
【図６】
0005570997.tif 000012
【図７】
0005570997.tif 000013
【図８Ａ】
0005570997.tif 000014
【図８Ｂ】
0005570997.tif 000015
【図９Ａ】
0005570997.tif 000016
【図９Ｂ】
0005570997.tif 000017
【図１０】
0005570997.tif 000018
【図１１Ａ】
0005570997.tif 000019
【図１１Ｂ】
0005570997.tif 000020
【図１２】
0005570997.tif 000021
【図１３】
0005570997.tif 000022
【図１４】
0005570997.tif 000023
【図１５】
0005570997.tif 000024
【図１６】
0005570997.tif 000025
【図１７】
0005570997.tif 000026
【図１８】
0005570997.tif 000027
【図１９】
0005570997.tif 000028
【図２０】
0005570997.tif 000029
【図２１】
0005570997.tif 000030
【図２２】
0005570997.tif 000031
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
0005570997.tif 000037
【図２９】
0005570997.tif 000038
【図３０】
0005570997.tif 000039
【図３１】
0005570997.tif 000040
【図３２】
0005570997.tif 000041
【図３３】
0005570997.tif 000042
【図３４】
0005570997.tif 000043
【図３５】
0005570997.tif 000044
【図３６】
0005570997.tif 000045
【図３７】
0005570997.tif 000046
【図３８】
0005570997.tif 000047
【図３９】
0005570997.tif 000048
【図４０】
0005570997.tif 000049
【図４１】
0005570997.tif 000050
【図４２】
0005570997.tif 000051
【図４３】
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【図４４】
0005570997.tif 000053
【図４５】
0005570997.tif 000054
【図４６】
0005570997.tif 000055
【図４７】
0005570997.tif 000056
【図４８】
0005570997.tif 000057
【図４９】
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【図５０】
0005570997.tif 000059
【図５１】
0005570997.tif 000060
【図５２】
0005570997.tif 000061
【図５３】
0005570997.tif 000062
【図５４】
0005570997.tif 000063
【図５５】
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【図５６】
0005570997.tif 000065
【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７７Ａ】
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【図７７Ｂ】
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【図７８Ａ】
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【図７８Ｂ】
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【図７８Ｃ】
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【図７８Ｄ】
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【図７８Ｅ】
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【図７９Ａ】
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【図７９Ｂ】
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【図７９Ｃ】
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【図７９Ｄ】
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【図８０】
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【図８１Ａ】
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【図８１Ｂ】
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【図３】
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【図７６Ａ】
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【図７６Ｂ】
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