(57)【要約】一態様では、本発明は、接続された電気回路による変形の計測を可能にする、機械的変形と共に変化する静電容量を有する電気的センサであって、該センサが、誘電材料により離隔される導電材料を含み、変形し、かつ前記キャパシタの変形と共に静電容量を変化させるように動作可能であり、該キャパシタが、捩れた平面の構造を有するように配置され、該キャパシタが、当該配置において支持材料により支持されている、電気的センサを提供する。
2017527830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形接続された電気回路の計測を可能にする、機械的変形と共に変化する静電容量を有するセンサであって、
前記キャパシタが、変形し、かつ前記キャパシタの変形と共に静電容量を変化させるように動作可能である、誘電材料により離隔された導電材料と、
捩れた平面の構造を有するように配置された前記キャパシタと、を備え、前記キャパシタが、当該配置において支持材料により支持されている、センサ。
【請求項２】
前記支持材料、前記キャパシタの前記導電材料、前記キャパシタの前記導電材料を離隔する前記誘電材料のうちの１つまたは２つ以上が弾性である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記キャパシタが、誘電エラストマーデバイスである、請求項１または請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記支持材料が、前記キャパシタの前記導電材料と前記キャパシタの前記導電材料を離隔する前記誘電材料とのうちの１つまたは２つ以上よりも概して弾性が高くない、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記支持材料が、前記キャパシタの前記導電材料と前記キャパシタの前記導電材料を離隔する前記誘電材料とのうちの１つまたは２つ以上よりも概して弾性が低い、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記キャパシタが、周期的な捩れ構造を有するように配置されている、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記センサの屈曲変形の下で、前記支持材料内の相対的拡張の領域と相対的収縮の領域との間の接合部を画定する表面を、前記キャパシタの前記捩れた構造の中心に沿って拡張させるように配置された変形調節特徴を備えている、請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項８】
前記変形調節特徴が、前記キャパシタの周囲の領域内の支持材料よりも弾性が低い材料を含んでいる、請求項７に記載のセンサ。
【請求項８】
前記変形調節材料が、前記センサの側方に沿って拡張する材料の細片を備えている、請求項８に記載のセンサ。
【請求項９】
センサの製造の方法であって、
誘電材料により離隔された、導電材料で形成された２つまたは３つ以上の電極を備えた変形可能なキャパシタを形成するステップと、
前記キャパシタを他の部分に対して回転された部分を有する経路に沿って拡張する形状に配置させるように、前記キャパシタの端部を前記キャパシタの別の端部に対して回転させるステップと、
前記キャパシタを前記形状において支持するように、前記キャパシタの周囲に支持材料を提供するステップと、を含む、方法。
【請求項１０】
前記電極の前記導電材料、前記電極を離隔する前記誘電材料、および前記支持材料のうちの１つまたは２つ以上が可撓性かつ応従性を有する、請求項９に記載のセンサの製造の方法。
【請求項１１】
前記電極の前記導電材料、前記電極を離隔する前記誘電材料、および前記支持材料のうちの１つまたは２つ以上が可撓性かつ応従性を有する、請求項９または請求項１０に記載のセンサの製造の方法。
【請求項１２】
前記キャパシタが、誘電エラストマーデバイスである、請求項９〜１１のうちのいずれか一項に記載のセンサの製造の方法。
【請求項１３】
前記センサの側方のための材料を提供するステップを含み、前記材料が、前記支持材料よりも弾性が低く、前記細片に近接する領域において支持材料の拡張に抵抗するように動作可能である、請求項９〜１２のうちのいずれか一項に記載のセンサの製造の方法。
【請求項１４】
図９〜１４に関連して実質的に本明細書に記載例示されているようなセンサ。
【請求項１５】
図１３に関連して実質的に本明細書に記載および例示されているようなセンサの製造の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的変形と共に変化する電気的特性を有するセンサ等の、電気機械センサにおける改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
可撓性および応従性を有する回路は、軟質な構造内に組み込んでこのような構造を計測するための理想的な構成要素である。これらは、それが例えば制御、ロジック、または電気機械変換素子のいずれの形態であるかにかかわりなく、構造の機械的挙動に影響を与えることなしに、先進の機能を提供し得る。
【０００３】
特に、誘電エラストマー等の可撓性および応従性を有する回路または他の可撓性および応従性を有するセンシングデバイスは、例えば人体等の軟質な構造にとって優れたセンサである。軟質な構造において典型的であるように、人体は、３Ｄ空間において大きくかつ複雑な運動をすることができる。例えばセンシングデバイスが剛直な素子を有する場合、このような構造に従来型のセンシング素子を取り付けることは、難題である。これらの素子は、軟質な構造の挙動を妨害し、機械的故障が生じやすい軟質体硬質のインターフェースを形成し得る。身体の大きな運動を制限された範囲に、かつ／またはセンサにとって適切な種類の動作に変換する中間伝達機構が必要とされ、これらが、複雑性および最終的には潜在的なエラーのソースを増大させる。
【０００４】
可撓性および応従性を有する回路は、複雑な中間伝達機構を不要にする。これらは、身体に適合した形をとることができ、かつ軟質な材料で作製されるため、大きな動作範囲にわたって身体に適合した形を必ずとり続けるように、複雑な形状に変形することができる。例えば、可撓性および応従性を有する第２の皮膚が、可撓性および応従性を有するセンサにより計測され得、身体が動くにつれて第２の皮膚は実際の皮膚と同調して伸長し、伸長情報は、デジタル化されてより大きなシステムへの入力として使用され得るように、可撓性および応従性を有する伸長感応回路に送信される。
【０００５】
可撓性および応従性を有する静電容量センサは、とりわけ軟質な構造を測定することによく適している。これらは、幾何形状の変化に感応するが、湿度および温度に対しては極小の感度を呈し、外部電気雑音ソースを遮断するように容易に電気的にシールドされ得る。
【０００６】
可撓性および応従性を有する静電容量センサは全方向への変形に感応するため、これらの使用においては難題が発生する。総静電容量出力は、全方向への変形の総計であり、更なる情報がない限り、同じ総静電容量をもたらし得る複数の変形モードが存在する。これは、所与のセンサの状態に関する情報に対する制限を含意する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、可撓性および応従性を有する静電容量センサの使用において発生する難題を克服するセンサを有することは、有利なことであろう。
【０００８】
したがって、上記の問題のうちのいずれかもしくは全部に対処するか、または少なくとも代替的な選択肢を公衆に提供し得るセンサを有することは、有利なことであろう。
【０００９】
したがって、可撓性および応従性を有する静電容量センサの使用において発生する難題を克服するセンサを製造する方法を有することは、有利なことであろう。
【００１０】
したがって、上記の問題のうちのいずれかもしくは全部に対処するか、または少なくとも代替的な選択肢を公衆に提供し得るセンサを製造する方法を有することは、有利なことであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の態様によれば、接続された電気回路による変形の計測を可能にする、機械的変形と共に変化する静電容量を有する電気的センサであって、
変形し、かつキャパシタの変形と共に静電容量を変化させるように動作可能である、誘電材料により離隔された導電材料と、
捩れた平面の構造を有するように配置された前記キャパシタと、を備え、前記キャパシタが、当該配置において支持材料により支持されている、センサが提供される。
【００１２】
支持材料は、弾性であってもよい。
【００１３】
導電材料は、弾性であってもよい。
【００１４】
導電材料を離隔する誘電材料は、弾性であってもよい。
【００１５】
キャパシタは、弾性であってもよい。
【００１６】
支持材料は、キャパシタの導電材料よりも概して弾性が高くなくてもよい。
【００１７】
支持材料は、キャパシタの導電材料よりも概して弾性が高くなくてもよい。
【００１８】
支持材料は、キャパシタよりも弾性が高くなくてもよい。
【００１９】
支持材料は、キャパシタよりも弾性が低くてもよい。
【００２０】
キャパシタは、周期的な捩れ構造を有するように配置されてもよい。
【００２１】
センサは、センサの屈曲変形の下で、支持材料内の相対的拡張の領域と相対的収縮の領域との間の接合部を画定する表面を、キャパシタの捩れた構造の中心に沿って拡張させるように配置された屈曲調節特徴を備えていてもよい。
【００２２】
これにより、キャパシタの捩れ構造を含む領域における拡張と収縮の平均値である、キャパシタの捩れ構造の中心経路は、拡張する。
【００２３】
これは、キャパシタの別の領域における収縮と対をなす、キャパシタのある領域における拡張を、引き起こす。
【００２４】
これは、キャパシタの周囲の支持材料の弾性とは異なる弾性を有する屈曲調節材料であり得る屈曲特徴の拡張を引き起こす。
【００２５】
屈曲調節材料は、キャパシタの周囲の支持材料よりも弾性が低い弾性を有してもよい。
【００２６】
屈曲調節材料は、センサの側方に沿って拡張する材料の細片を備えていてもよい。細片は、使用中に屈曲される場合、センサの内半径として意図されているセンサの側方に沿って拡張してもよい。
【００２７】
屈曲調節特徴は、センサの側方に形成されたスリットを含んでいてもよい。
【００２８】
キャパシタは、誘電エラストマーデバイスであってもよい。
【００２９】
本発明の別の態様によれば、センサの製造の方法であって、
誘電材料により離隔された、導電材料で形成された２つまたは３つ以上の電極を備えたキャパシタリボンを形成するステップと、
キャパシタリボンの端部をキャパシタリボンの別の端部に対して回転させ、各々に対して回転された部分を有する形状にキャパシタを配置させるステップと、
キャパシタを該形状において支持するように、キャパシタの周囲に支持材料を提供するステップと、を含む方法、を含む。
【００３０】
電極および誘電材料の導電材料は、可撓性および応従性を有してもよい。
【００３１】
電極および誘電材料の導電材料は、弾性であってもよい。
【００３２】
支持材料は、可撓性および応従性を有してもよい。
【００３３】
支持材料は、弾性であってもよい。
【００３４】
本方法は、近接する支持材料の拡張に抵抗する材料の細片をセンサの側方に設けるステップを含んでもよい。
【００３５】
本発明の実施形態は、センシング素子に埋め込まれた様々なにおいて、様々な配向で、誘電材料により離隔されたキャパシタ電極の部分を有するキャパシタを提供する。
【００３６】
本発明の実施形態は、様々な配向で、センシング素子の所与の領域および／または容積および／または部分内に埋め込まれた様々なにおいて、誘電材料により離隔されたキャパシタ電極の部分を有するキャパシタを提供する。
【００３７】
本明細書で使用する場合、「捩れた」および類似のものは、以前は同じ直線上に、かつ同じ面上にあった部分が螺旋状の曲面上に位置するように、シートの両端部を、両端部間の経路の両端部を中心として、反対方向に回すことにより配置されるような形状を広く指す。
【００３８】
本発明の追加的な更なる態様は、添付図面に関連して、例としてのみ与えられている以下の実施形態の説明から、読み手に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】各軸におけるキャパシタの変形の静電容量に対する影響を示す概略図である。
【図２】センサの静電容量に対して同等の効果を有する２つの異なる変形を図示するセンサの概略俯瞰図である。静電容量センサの１つの軸の長さの倍加は、垂直軸の長さの倍加と同じ効果を有する。
【図３】キャパシタを、それが埋め込まれる構造に対して再配向することが、垂直軸に沿った変形に対する静電容量センサの応答をどのように変化させるかを示す概略図である。
【図４】軟質な構造内に異なる配向で埋め込まれた２つのセンサからの絶対測定値および相対測定値の両方を使用することを使用してどのように複数の軸における変形の大きさを決定することができるかを示す概略図である。
【図５】更なるセンサが、例えば温度または湿度による影響に対する補償も潜在的に提供しながら、どのように冗長性を提供し得るかを示す概略図である。
【図６】軟質な構造内に埋め込まれた静電容量センサの、軟質な構造の変形に対する配向がどのようにセンサの感度に影響を与えるかを示す概略図である。
【図７】軟質な構造内に異なる配向で埋め込まれた複数のセンシング素子の出力を組み合わせることおよび／または比較することによりを使用して、どのように注目する軸に沿った変形を相殺または単離することができるかを示す概略図である。
【図８】軟質な構造内に埋め込まれた管状の静電容量センサの断面を示す概略図である。しかしながら、センサの機械的特性が周囲の材料に整合しない場合、構造の変形は、センシング素子内に複雑な応力状態を作り出す。
【図９】狭小な平面センサを使用し、センサの長さに沿って回転を加え、センサを軟質なマトリクス内に埋め込んで回転をロックインすることにより形成されるとして描かれている、本発明の好ましい実施形態による一軸伸長センサの概略図である。
【図１０】図９と同じ本発明の実施形態の概略図であり、センサの長さに沿った回転を使用して、どのように径方向軸に沿って発生する変形を相殺することができるか、つまり、どのようにセンサの長さに位置合わせされた軸に対して垂直に発生する変形の総静電容量に対する影響を相殺することができるかを図示する。
【図１１】図９および１０と同じ実施形態による伸長センサの概略図であり、変形調節細片の効果を図示する。
【図１２】図９および１１と同じ実施形態による伸長センサの概略図であり、同じキャパシタの直交して配向された断面に対する一般的な変形の効果を図示する。
【図１３】狭小な平面センサを使用し、センサの長さに沿って回転を加え、センサを軟質なマトリクス内に埋め込んで回転をロックインすることにより、図９〜１２と同じ実施形態の一軸伸長センサを製造する主要ステップを示す概略図である。
【図１４】図９および１３と同じ実施形態による伸長センサの概略図を示し、キャパシタの捩れた形状と横方向の変形との相互作用を図示する。
【図１５】異なる変形モードを図示する、図９および１４と同じ実施形態による伸長センサの概略図である。
【００４０】
本発明の更なる態様は、特定の実施形態について、例としてのみ与えられる以下の本発明の説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
可撓性および応従性を有するキャパシタに関する難題は、それが図１に描かれているいかなる方向への変形にも感応することである。例えば、可撓性および応従性を有する平面キャパシタの場合、Ｘ軸に沿った伸長は、Ｙ軸に沿った伸長から区別不能である。主軸の各々に沿った伸長の著しく異なる組み合わせにより、同じ静電容量出力を生成することが可能である。
【００４２】
可撓性および応従性を有するキャパシタのＹ方向の長さを一定に保ちながらＸ方向の長さを倍加することは、該キャパシタのＸ方向の長さを一定に保ちながらＹ方向の長さが倍加された場合と同じ静電容量変化をもたらす。これは、図２に描かれている。キャパシタを面内で回転させても、この効果を変えることはできない。
【００４３】
よって、更なる情報がない限り、キャパシタがこうむるあらゆる変形の総計的な効果のみが測定することができ、この総計出力を個々のＸ、Ｙ、またはＺ成分に分解することは可能ではない。
【００４４】
しかしながら、センサ内の可撓性および応従性を有するキャパシタを面外になるように回転することは、面内変形に対するセンサの感度を変更する１つの方法を提供する。図３は、キャパシタがセンサ内に縦に埋め込まれているのを描く。ここで、センサがＹ方向に伸長されると、電極間の距離が増大するにつれて、静電容量は減少する。それに比べて、センサがＸ方向またはＺ方向に伸長されると、静電容量は増大する。しかしながら、主軸の各々に沿った変形に対するセンサの応答はキャパシタを面外に再配向することにより変更されたものの、センサ出力をＸ、Ｙ、およびＺ成分に分解することは依然として可能ではない。
【００４５】
センサの変形をＸ、Ｙ、およびＺ成分に分離するためには、少なくとも２つの可撓性および応従性を有するキャパシタが、異なる配向で、理想的には直交する配向でセンサ内に埋め込まれなければならない。
【００４６】
図４は、相互に垂直に配向され、よって各軸に沿った変形に対して異なる感度を提供するキャパシタＳ１およびキャパシタＳ２を描く。Ｓ１およびＳ２の個々の静電容量を確認し、かつＳ１とＳ２との間の違いを比較することにより、各軸に沿った変形の大きさを導出することができる。例えば、Ｘ方向に伸長されるとき、Ｓ１が増加する一方で、Ｓ２は減少する。Ｙ方向に伸長されるとき、Ｓ１減少する一方で、Ｓ２は増大する。更に、Ｚ方向に伸長されるとき、Ｓ１およびＳ２の両方が増大する。これは、変形のＸ、Ｙ、およびＺ成分が区別され得ることを可能にする。
【００４７】
各々が相互に垂直に配向された（図５）、可撓性および応従性を有するキャパシタの数を３つに増やすことは、伸長情報の点で冗長性を提供する。この場合も、Ｓ１、Ｓ２、およびＳ３を個別に、かつ相互との関連においての両方によって分析することにより、センサの完全な応力状態が決定され得る。更に、この更なる情報を有することは、更なる外部刺激が補償されることを可能にする。例えば、温度および／または湿度は、可撓性および応従性を有するキャパシタの誘電定数を、したがってその静電容量を、その物理的寸法を変えることなしに変更し得る。しかしながら、これがＳ１、Ｓ２、およびＳ３に同等に影響を与えると仮定すると、これらの変更の効果は、各キャパシタから到来する静電容量データに対する「コモンモード」成分に類似し、よって較正され得る。
【００４８】
しかしながら、複数の可撓性および応従性を有するキャパシタをセンサ内に埋め込むことに関する難題は、それらがより多数の電気的相互接続部を必要とし、キャパシタおよびセンサが複雑な３Ｄ幾何形状を有し、いくつかの部分から構成され、かつ異なる効果を説明するために先進的数学が必要とされることである。更に、可撓性および応従性を有するキャパシタの機械的挙動を、それが埋め込まれる周囲マトリクスの機械的挙動に整合させることはかなりの難題であり、不適合があれば、キャパシタと支持材料との間に生じる複雑かつ／または不均質な応力状態を発生させ、センサの出力に影響を与える可能性が高い。
【００４９】
この問題を単純化するため、先ず、センサに加わる所与の変形に対するキャパシタ配向の効果に立ち戻ろう。図６に関連して、センサがＺ方向に伸長され、キャパシタがＺ軸に垂直に配向されていると、静電容量は減少する。センサがＺ方向に伸長され、キャパシタがＺ軸に対して４５度で配向されていると、キャパシタ電極間の離隔の増大とキャパシタ電極の面積の増大とは、相等しい正反対の効果を有し、静電容量は正味変化しない結果になる。最後に、センサがＺ方向に伸長され、キャパシタがＺ軸に平行して配向されると、静電容量は増大する。
【００５０】
複数の可撓性および応従性を有するキャパシタを異なる配向で単一のセンサ内に埋め込むことは、変形、特に方向に対するセンサの感度を整調することを可能にする。例えば、図７は、８個のセンシング素子が八角形構成に配置されているのを示している。中央上部の静電容量をＳ１と定義し、残りのセンサを時計回り方向に順番にＳ２〜Ｓ８と定義すると、Ｚ方向へ伸長しても、８個の静電容量Ｓ１〜Ｓ８の合計は正味変化しない結果になる。よって、センサは、Ｚ方向への変形に感応しない。これは、Ｚ方向への変形の結果としてＳ３とＳ７の合計が増大するのと同じ量だけＳ１とＳ５の静電容量の合計が減少する一方で、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６、およびＳ８はＺ方向に対して４５度で配向しているため静電容量が変化しないからである。よって、静電容量の正味変化はゼロである。同じことは、Ｙ方向への変形についても、ならびにＹ成分およびＺ成分の両方を有する平面変形についても、言うことができる。対照的に、Ｘ方向へのいかなる変形も（図示せず）、静電容量の全てに等しくない影響を与え、よって、静電容量の変化の合計は、非ゼロになる。
【００５１】
上記の結果は、管状の可撓性および応従性を有するキャパシタは、管の長さの変化に感応するが、管の断面が楕円体になる管の中心軸に垂直な変形には感応しないセンサにとって理想的なフォームファクタであることを含意する。
【００５２】
しかしながら、このフォームファクタに関連する実務上の難題も存在する。管状の可撓性および応従性を有するキャパシタを生産することは困難であり、キャパシタと、キャパシタが埋め込まれる周囲の支持マトリクスとの機械的挙動の間に不整合があれば、管の中心軸に垂直ないかなる変形も、複雑な機械的応力状態をセンサにもたらす。例えば、図８は、キャパシタの機械的特性が支持マトリクスに整合していると、センサは均質な固体として振る舞い、均一に分散されたキャパシタ厚さの変化は静電容量の零和の変化をもたらすことを図示する。しかしながら、キャパシタが周囲の支持マトリクスよりも剛質であると、例えば管状キャパシタの壁部内で屈曲が発生するが、キャパシタ厚さの変化は抑圧され、キャパシタと支持マトリクスとの間のインターフェースにおいて応力集中が発生する。よって、センサ全体、すなわちセンサとマトリクスとの変形は、均質ではなく、静電容量の変化を相殺できないことがある。
【００５３】
図９は、本発明の好ましい実施形態によるセンサ１０１を概略的に描く。センサ１０１は、可撓性および応従性を有し、変形と共に変化する静電容量特性を有し、接続された電気デバイス（図示せず）が、静電容量特性の変化を測定することにより、変形特性を測定することを可能にする。この特定の実施形態では、センサは、弾性を有し、変形時に圧縮されない、可撓性および応従性を有する材料から形成される。材料は、繰り返される変形にわたって弾性を回復するように選択される。
【００５４】
センサは、捩れたシート状のキャパシタの構造を有するキャパシタ１０２を有する。矢印１０３は、キャパシタの一方端部の他方端部に対する回転を描く。この実施例では、センサ１０１およびキャパシタは細長であり、キャパシタの捩れ構造は捩れたリボンに似ている。
【００５５】
この実施例のキャパシタ１０２は、誘電弾性材料の層により離隔された２つの導電弾性材料層から形成される。導電層は、キャパシタの電極を提供し、誘電層は、キャパシタの誘電体を提供する。キャパシタの静電容量は、キャパシタの伸長と共に変動する。変動は、キャパシタ１０２に接続された電気デバイス（図示せず）により測定または算出されてもよい。
【００５６】
キャパシタ１０２の捩れ構造は、この実施例の細長キャパシタの長さに対して横方向の線１０４により描かれている。キャパシタ１０２の構造はまた、線１０４のキャパシタに沿った相対回転により描かれるような中心軌道に沿って回転されたものとして説明されてもよい。
【００５７】
キャパシタ１０２は、支持材料１０５により、捩れた構造または回転構造内に支持されている。この実施例では、支持材料は、弾性材料である。支持材料は、キャパシタをその捩れた構造または回転構造内に支持することと、支持材料が変形する際にキャパシタを変形させることとの両方の機能を果たす。支持材料は、計測対象の物体に取り付けられてもよく、支持材料は変形し、物体は屈曲等により移動または変形する。支持材料の作用により、センサのこの変形は、捩れ構造または回転構造内に支持されているキャパシタの変形を引き起こす。好ましい実施形態では、支持材料は、キャパシタの材料と同じか、またはそれよりも低い弾性を有する。
【００５８】
図１０は、センサ１０１の長さに沿ったキャパシタ１０２の部分の配向を描く。各部分１０２ａ〜１０２ｉは、キャパシタの断面を表し、各々が２つの電極１０６ａおよび１０６ｂを有する。この実施形態では、センサ１０１のキャパシタ断面１０２ａ〜１０２ｉの配向角度は異なっている。この特定の実施形態に固有なこととして、キャパシタ断面の配向は、次のものに対して単調に回転されている。
【００５９】
この実施形態のセンサ１０１は、センサの長さの変化に感応するが、センサの長さに対して横方向の寸法の変化には感応しない。図１０に描かれるように、センサの一部分は、キャパシタの様々な断面１０２ｎを含む。センサ１０１の長さの変化は、各キャパシタ断面１０２ｎの静電容量の大きさの変化を引き起こし、配向にかかわらず、キャパシタの電極を寄り集めさせる。センサの長さに対して横方向の変化は、所与の断面の電極１０６同士を寄り集まらせ、当該の所与の断面に直交する断面の電極同士を引き離す。
【００６０】
図１１は、図９のセンサ１０１を、本発明の代替的な実施形態によるセンサ２０１と共に示す。センサ２０１は、支持材料よりも弾性の低い材料の層または細片２１１を有する。
【００６１】
細片２１１は、変形調節特徴として機能する。これらの実施例では、細片２１１は、センサ１０１の対辺１０６等の、センサの他の部分に関係する細片の領域において、センサ２０１の伸長を規制する。この効果は、相対的拡張の領域２１３および２１４と相対的収縮の領域との接合部の深さ２１２を制御することである。この実施形態では、接合部は、センサが測定することを意図している変形モードを表す経路１０８または２０８に沿って伸長するように配置されている。
【００６２】
図１２は、同じ変形の下で、センサの長さに沿って近接していれば発生するであろうような、キャパシタ１０２の直交する断面の対の効果を描く。センサ断面の上部対１０２ａおよび１０２ｃは、センサ１０１がページに対して右もしくは左に屈曲されるか、またはページの右および左から圧縮される場合に発生し得るような相対的に縦に細長な形状に変形される。断面１０２ａのキャパシタの電極対１０６は引き離されて、当該部分の静電容量を減少させるが、センサ断面１０２ｃのキャパシタ断面は引き寄せられて、静電容量を増大させ、断面１０２ａの静電容量の変化をセンサの全体的な拡張による正味変化に釣り合わせる。
【００６３】
使用中、センサ２０１は、物体の変形を計測するために、物体に機械的に連結される。典型的な実施例では、センサは、身体部分に掛けられ、身体部分と共に屈曲する。支持材料が屈曲するにつれて、支持材料内の層は、様々な程度に相対的に拡張または収縮する。細片が好適な弾性を有するか、または支持材料に比較して弾性を欠き、かつ支持材料の奥行２０７および／またはキャパシタの幅１０８が好適である場合、支持材料内の中心面１０９には拡張のみが生じ、表面の上方または下方の領域は拡張するか、または収縮するかのいずれかである。キャパシタの中心線１１０が表面に沿ってキャパシタの中心１１０および線１０３が表面１０９内にあるあらゆる部分を拡張する場合、は拡張するのみである。中心屈曲面の両側の領域は、拡張または収縮する。中心屈曲面を通って拡張する線１０３を有する細長キャパシタの一部は、拡張と収縮の両方を行うが、平均すると、屈曲の面に沿って見られる拡張になる。したがって、これらの部分における静電容量は、キャパシタの拡張のみの部分と同じように変化するであろう。これは、屈曲の程度、または単純に屈曲によるセンサ内の拡張が計測されることを可能にする。
【００６４】
図１３は、本発明の好ましい実施形態によるセンサ１０１の製造の方法を概略的に描く。
【００６５】
第１のステップでは、弾性キャパシタ１０２が、弾性誘電材料の層により離隔された２つの弾性導電材料層により形成される。代替的な実施形態では、キャパシタは、２つまたは３つ以上の誘電材料層により離隔された３つまたは４つ以上の導電層を有してもよい。この実施例では、キャパシタは細長である。
【００６６】
第２のステップでは、キャパシタ１０２を回転構造または捩れ構造内に配置するように、細長キャパシタの端部１０９ａおよび１０９ｂを相互に対して回転する。
【００６７】
第３のステップでは、キャパシタを捩れ構造内に支持するように、キャパシタを弾性支持材料１０５内に据える。
【００６８】
第４のステップでは、センサの相対的拡張の領域および相対的収縮の領域を画定するセンサ内の数学的表面を調節するために、支持材料および／またはキャパシタ材料よりも弾性が低い材料の細片（図示せず）を塗布する。
【００６９】
この製造の方法により、センサ１０１は、単純な製作方法を使用して形成することができる。例えば、平面２Ｄ製造方法を使用して長い狭小なセンサ１０１を作ることができ、次いで単純に両端部を対向方向に回転させてキャパシタの長さにわたって捩れを付与し、かつそれを軟質な支持マトリクス内に埋め込むことにより、真の一軸センサが作製される。
【００７０】
この特定の実施形態では、キャパシタは、シリコン等の、凝結前は流動性である弾性材料の電極を積層することにより形成され、炭素等の導電材料により、凝結前は同様に流動性である誘電材料により、含浸される。
【００７１】
図１４は、捩れ構造と、捩れたキャパシタの線に対して横方向または垂直に加えられる変形圧力との関係を描く。捩れ構造の一部分にわたって分散される長さ方向に垂直な変形は、図６に関連して説明したように、全ての可能なキャパシタ断面配向においてキャパシタを変形し、この部分内の静電容量の変化の合計は実質的にゼロに等しい。
【００７２】
図１５は、２つの互い違いの面において屈曲されたセンサ１０１をキャパシタの同じ拡張と共に描いており、これらは、キャパシタ１０２の静電容量の変化と同じ変化を示す。図１５は、異なる変形モードを図示する。各々の実施例において、計測対象の変形構造の外側半径にセンサが付着される場合、示されているセンサ１０１の長さは、拡張される。これは、センサが感度を保持することを意図している変形モードであってもよく、これは、センサと共に拡張すると予想される経路に沿って拡張する捩れ構造を通して、キャパシタ１０２により達成される。細長センサを通過する経路を中心とした捩れを有するキャパシタが配置されることにより、センサが左に、右に、または上方に屈曲されているかどうか等の他の変形モードは脱感作されてもよく、同じキャパシタが他の部分に対して直交する断面を有する。
【００７３】
本発明の更なる実施形態をこれより説明する。
【００７４】
本発明の実施形態によるセンサの長さに沿った均一な捩れは、その最も単純な形態において、センサの長さに対して横方向にセンサに圧力を加える接触面積が捩れの周期よりも大きいならば、センサのいかなる変形も、キャパシタ断面の各配向において、センサのセグメントにわたって、圧力の作用線に対して事実上一様に分散されることを保証する。静電容量を増大させるように変形するセンサのセグメントは、静電容量を減少させるように変形するセンサのセグメントに実質的に等しく、よって捩れたセンサ構造の総静電容量に対するそれらの影響に関連して相互を実質的に打ち消し合うため、これは、センサを圧力に対して事実上脱感作する機能を果たす。所与の圧力について、静電容量が減少するセグメントに対する静電容量が増加するセグメントの比率は、必ずしも等しいわけではないが、しかしながら、所与の変形に対して特定の配向を有するセンサ長の割合を変化させることにより、構造の感度を整調することは可能である。例えば、この異方性の感度は、予想される圧力に対して特定の角度で配向されたセンサの平坦部を捩れ構造内に有することにより、整調され得る。特定の配向を有するセンサの長さの割合を制御するこの単純な方法を使用することを使用して、３つの主要な直交軸の全てにおいて異なる感度を有するセンサ構造を作製することができる。
【００７５】
センサ１０１の捩れたリボンの構造は、センサの任意の所与の領域または部分内のキャパシタの電極の複数の配向を提供する、変形可能な一体型キャパシタにより達成可能な構造の一例であり、領域および領域内のキャパシタが被る変形は、異なる配向を有する領域または部分内の電極により相殺される電極内の変形を伴う。理想的には、任意の所与の領域は、ある作業決定により、直交する電極の対を有する。しかしながら、読み手は、これはいくつかの応用では必要とされないことがあることを理解するであろう。代替的な実施形態では、実質的に同じキャパシタの好適に整合した配向を達成する、任意のキャパシタの構造が使用されてもよい。
【００７６】
センサのいくつかの実施形態は、センサの屈曲特性を制御するためにより大きな拡張を促進するために、増大した弾性率を有する支持材料の領域を有してもよい。例えば、相対的に拡張するか、または相対的に収縮するセンサ内の奥行が決定されてもよい。センサのいくつかの実施形態は、センサの屈曲特性を制御するために、支持材料内にスリットを有してもよい。
【００７７】
代替的な実施形態では、キャパシタの断面は、センサの長さに沿って他の部分に対して非単調的に回転されてもよい。別様に表現すると、回転または相対的な捩れは、全体の長さに沿って均一ではない。いくつかの実施形態では、長い捩れと緊密な捩れとが交互に設けられる。これらの実施形態は、異なる方向において様々に異なる感度を有し得る。
【００７８】
本発明の実施形態は、幾何形状のあらゆる変化に感応する可撓性および応従性を有する平面静電容量センサにより発生する、出願人により観察された難題を解決するものである。
【００７９】
実施形態は、所与の変形モードに対して調整された感度または低減された感度を有するセンサを提供する。
【００８０】
実施形態は、全ての方向における変形の総計である、電気的に測定可能な、または特性の変化を提供する。これらの実施形態は、別の方法では更なる情報がなければ可能ではないような、選択された変形モードに関する情報を提供する。
【００８１】
本発明の実施形態は、他のモードを脱感作することにより、キャパシタを脱感作モードにおいて変形する電極部および誘電体部を有するように配置することにより、それらのモードにおける変形によるそれぞれの静電容量の変化は解消するが、非脱感作モードの変形からの変形の一般的な変化は被る傾向を有することによって、長さに沿って、または変形前の当初は真っ直ぐである細長センサの長さに沿って等、所与の変形モードにおける変形を計測することを可能にする。これは、複数の軸に沿って変形を被るように位置合わせされた別々の静電容量において、各静電容量の絶対値および相対値の両方を比較することを不要にするにおいて利点を有し得る。これは、更なるインターコネクト、ならびに目的の変形モードを識別するためのキャパシタ出力の更なる後処理および調整を不要にし得る。
【００８２】
本発明の実施形態は、目的の所望の軸に位置合わせされていない幾何形状の変化から発生する変形に実質的に感応しないという主な特質を有する、可撓性および応従性を有するマトリクスに埋め込まれた、３次元形状で構成された可撓性および応従性を有するキャパシタを含む、記載されるセンサを提供する。このセンサの主な態様は、以下の概要から明らかになるであろう。
【００８３】
いくつかの実施形態では、センサは、可撓性および応従性の両方を有する。
【００８４】
いくつかの実施形態では、センサは、最大限の感度の所望の方向に位置合わせされた１つの軸を有する。
【００８５】
いくつかの実施形態では、センサは、最大限の感度の所望の方向に位置合わせされた軸の長さの変化に感応するが、最大限の感度の方向に位置合わせされた軸に垂直に位置合わせされた軸の長さの変化に実質的に感応しない。
【００８６】
いくつかの実施形態では、センサは、可撓性および応従性の両方を有する電気回路を含む。
【００８７】
いくつかの実施形態では、センサに含まれる可撓性および応従性を有する回路は、可撓性および応従性を有するキャパシタである。
【００８８】
いくつかの実施形態では、可撓性および応従性を有するキャパシタは、少なくとも２つの可撓性および応従性を有する導電層の間に挟まれた、少なくとも１つの可撓性および応従性を有する非導電誘電体からなる。
【００８９】
いくつかの実施形態では、可撓性および応従性を有するキャパシタは、実質的に平面形状に製造される導電層および非導電層を組み立てることにより形成される。
【００９０】
いくつかの実施形態では、可撓性および応従性を有するキャパシタは、可撓性および応従性を有するキャパシタを形成するように導電材料および非導電材料を選択的に堆積させることにより、形成される。
【００９１】
いくつかの実施形態では、センサの出力は、可撓性および応従性を有するキャパシタの幾何形状に関連する。
【００９２】
いくつかの実施形態では、可撓性および応従性を有するキャパシタの１つの軸は、最大限の感度の所望の方向に位置合わせされたセンサの軸に位置合わせされる。
【００９３】
いくつかの実施形態では、可撓性および応従性を有するキャパシタの、最大限の感度の方向に位置合わせされた軸に沿った長さは、可撓性および応従性を有するキャパシタの、最大限の感度の方向に位置合わせされた軸に垂直な各々の軸に沿った長さよりも大きい。
【００９４】
いくつかの実施形態では、最大限の感度の方向の軸が通過する、可撓性および応従性を有するキャパシタの端部は、キャパシタに捩れを付与するように、相互に反対方向に回転される。
【００９５】
いくつかの実施形態では、キャパシタが捩じられる際、可撓性および応従性を有するキャパシタの端部は、相互に対して少なくとも９０度の回転を被る。
【００９６】
いくつかの実施形態では、可撓性および応従性を有するキャパシタは、その使用中、捩れた状態にとどまる。
【００９７】
いくつかの実施形態では、可撓性および応従性を有するキャパシタの撚り戻しが防止される。
【００９８】
いくつかの実施形態では、可撓性および応従性を有するキャパシタは、その撚り戻しを防止するための、可撓性および応従性を有するマトリクスに埋め込まれる。
【００９９】
いくつかの実施形態では、最大限の感度の軸に対して垂直に加えられる圧力から発生するセンサの変形は、可撓性および応従性を有するマトリクスにより、可撓性および応従性を有するキャパシタ内の捩れの周期の少なくとも４分の１にわたって分散される。
【０１００】
いくつかの実施形態では、最大限の感度の軸に対して垂直に加えられる圧力から発生するセンサの変形は、可撓性および応従性を有するマトリクスにより、可撓性および応従性を有するキャパシタ内の捩れの周期の少なくとも４分の１にわたって均一に分散される。
【０１０１】
いくつかの実施形態では、最大限の感度の軸に位置合わせされていない外部圧力の結果としての変形によるセンサの局所領域の静電容量の変化は、局所領域が可撓性および応従性を有するキャパシタの端部からある距離にあるとして定義される場合、可撓性および応従性を有するキャパシタに沿った当該距離における、外部圧力の作用線と可撓性および応従性を有するキャパシタの表面との間の入射角により支配される。
【０１０２】
いくつかの実施形態では、センサの各局所領域の静電容量の変化の、最大限の感度の軸に位置合わせされていない外部圧力によりそれにわたって変形が生成した、可撓性および応従性を有するキャパシタの長さに沿った積分は、実質的にゼロに等しい。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、最大限の感度の軸に位置合わせされた外部圧力の結果としての変形によるセンサの局所領域の静電容量の変化は、局所領域が可撓性および応従性を有するキャパシタの端部からある距離にあるとして定義される場合、局所領域のセンサの端部に対する回転角にかかわらず、センサが最大限の感度の軸に沿って長くなる結果となる変形については正であり、センサが短くなる結果となる変形については負である。
【０１０４】
上記の説明および以下の請求項において、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という語またはそれと同等の変化形は、述べた特徴（複数可）の存在を明記する包括的な意味で使用されている。この用語は、様々な実施形態における更なる特徴の存在または追加を排除しない。
【０１０５】
本発明は本明細書に記載の実施形態には限定されないこと、ならびに本発明の趣旨および範囲内に属する更なる実施形態は、図面に関連して例示された実施例から熟練した読み手には明らかであろうことが、理解されるべきである。特に、本発明は、本明細書に記載の特徴のいかなる組み合わせに存し得、または代替的な実施形態に、もしくはこれらの特徴と所与の特徴の公知の同等物との組み合わせに存し得る。上記で検討した本発明の例示的な実施形態の修正および変化形は、当業者には明らかであり、添付の請求項に定義される本発明の範囲から逸脱することなしになされ得る。
【図１】
2017527830.tif 000003
【図２】
2017527830.tif 000004
【図３】
2017527830.tif 000005
【図４】
2017527830.tif 000006
【図５】
2017527830.tif 000007
【図６】
2017527830.tif 000008
【図７】
2017527830.tif 000009
【図８】
2017527830.tif 000010
【図９】
2017527830.tif 000011
【図１０】
2017527830.tif 000012
【図１１】
2017527830.tif 000013
【図１２】
2017527830.tif 000014
【図１３】
2017527830.tif 000015
【図１４】
2017527830.tif 000016
【図１５】
2017527830.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成29年5月8日(2017.5.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続された電気回路による変形の計測を可能にする、機械的変形と共に変化する静電容量を有するセンサであって、
変形し、かつ変形と共に静電容量を変化させるように動作可能なキャパシタを提供するように誘電材料により離隔された導電材料と、
捩れた平面の構造を有するように配置された前記キャパシタと、を備え、
前記キャパシタが、当該配置において支持材料により支持されている、センサ。
【請求項２】
前記支持材料、前記キャパシタの前記導電材料、前記キャパシタの前記導電材料を離隔する前記誘電材料のうちの１つまたは２つ以上が弾性である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記キャパシタが、誘電エラストマーデバイスである、請求項１または請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記支持材料が、前記キャパシタの前記導電材料と前記キャパシタの前記導電材料を離隔する前記誘電材料とのうちの１つまたは２つ以上よりも概して弾性が高くない、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記支持材料が、前記キャパシタの前記導電材料と前記キャパシタの前記導電材料を離隔する前記誘電材料とのうちの１つまたは２つ以上よりも概して弾性が低い、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記キャパシタが、周期的に捩れた平面の構造を有するように配置されている、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項７】
前記センサの屈曲変形の下で、前記支持材料内の相対的拡張の領域と相対的収縮の領域との間の接合部を画定する表面を、前記キャパシタの前記捩れた構造の中心に沿って拡張させるように配置された変形調節特徴を備えている、請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項８】
前記変形調節特徴が、前記キャパシタの周囲の領域内の支持材料よりも弾性が低い材料を含んでいる、請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記変形調節材料が、前記センサの側方に沿って拡張する材料の細片を備えている、請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
センサの製造の方法であって、
誘電材料により離隔された、導電材料で形成された２つまたは３つ以上の電極を備えた変形可能なキャパシタを形成するステップと、
前記キャパシタを他の部分に対して回転された部分を有する経路に沿って拡張する形状に配置させるように、前記キャパシタの端部を前記キャパシタの別の端部に対して回転させるステップと、
前記キャパシタを前記形状において支持するように、前記キャパシタの周囲に支持材料を提供するステップと、を含む、方法。
【請求項１１】
前記電極の前記導電材料、前記電極を離隔する前記誘電材料、および前記支持材料のうちの１つまたは２つ以上が可撓性かつ応従性を有する、請求項１０に記載のセンサの製造の方法。
【請求項１２】
前記電極の前記導電材料、前記電極を離隔する前記誘電材料、および前記支持材料のうちの１つまたは２つ以上が可撓性かつ応従性を有する、請求項１０または請求項１１に記載のセンサの製造の方法。
【請求項１３】
前記キャパシタが、誘電エラストマーデバイスである、請求項１０〜１２のうちのいずれか一項に記載のセンサの製造の方法。
【請求項１４】
前記センサの側方のための材料を提供するステップを含み、前記材料が、前記支持材料よりも弾性が低く、前記細片に近接する領域において支持材料の拡張に抵抗するように動作可能である、請求項１０〜１３のうちのいずれか一項に記載のセンサの製造の方法。
【国際調査報告】
2017527830.tif 000018
2017527830.tif 000019
2017527830.tif 000020