专利名称：静电电容式传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及静电电容式传感器装置，在针对在相对置的电极对之间隔着能够弹性变形的介电层而形成的静电电容式传感器施加外力的情况下，测量随着该介电层的变形而变化的静电电容，由此能够测量该外力的位置和大小。
背景技术：
在专利文献I中记载有一种使用了静电电容的接触式传感器。记载了该接触式传感器检测所排列的电极与地线之间的静电电容的情况。例如，利用使人的手指接近而所接近的电极与地线的静电电容发生变化这一情况，来检测所接近的手指的位置。另外，在专利文献2中记载有以下一种装置，该装置并非是测量电极与地线之间的静电电容的装置，而是将电极对矩阵状地配置，以由于施加外力而介电层产生弹性变形由此该电极对之间的距离发生变化的静电电容式传感器设为对象，通过测量电极对之间的静电电容来测量所施加的外力的分布。专利文献1:国际公开2009/013965号专利文献2 日本特公平6-52206号公报
发明内容
_6] 发明要解决的问题在专利文献2所记载的由于介电层产生弹性变形而电极对之间的距离发生变化的装置中，介电层需要具有在受到外力时能够产生弹性变形程度的厚度。当确保介电层的厚度时，电极对的分离距离增加。当电极对的分离距离增加时，在施加了外力而介电层产生弹性变形的情况下，随着电极对的分离距离减小而电极对之间的静电电容发生变化，但是该静电电容的变化小。因此，能够检测的外力大小的分辨率降低，从而无法高精度地检测外力的大小。为了解决该问题，通过增加各个电极对的面积，在施加了同一外力的情况下能够增大静电电容的变化。然而，当增加各个电极对的面积时，在同一电极对内，无法检测施加了外力的位置。也就是说，在作为传感器整体来看的情况下，存在无法高精度地检测外力的位置这种问题。这样，以往，难以高精度地检测外力的位置并且高精度地检测外力的大小。本发明是鉴于这种情形而完成的，其目的在于提供一种能够高精度地检测外力的位置和大小的静电电容式传感器装置。用于解决问题的方案本发明所涉及的静电电容式传感器装置具备静电电容式传感器，其构成为将隔开距离相对设置的电极对矩阵状地配置，在上述电极对之间配置能够弹性变形的介电层；静电电容测量部，其针对多种组合的电极对群进行电极对群之间的静电电容的测量，该电极对群由包含所选择的电极对的多个电极对构成；以及外力计算部，其根据测量得到的多个上述静电电容，来算出施加到上述所选择的上述电极对的位置的外力的大小。
根据本发明，伴随着由于外力而介电层产生弹性变形从而电极对的分离距离发生变化，由此电极对之间的静电电容发生变化。利用该情况，获取外力的位置和大小。而且，本发明的静电电容测量部并非按每个电极对的分别对静电电容进行测量，而是对由多个电极对构成的电极对群的静电电容进行测量。因而，进行测量时的电极对的面积为多个电极对的面积，而不是一个电极对的面积。在此，电极对的面积越大则静电电容成为越大的值。因而，与测量一个电极对的静电电容的情况相比，通过测量电极对群的静电电容，所测量出的静电电容输出更大的值。因而，测量出的静电电容成为高精度。但是，仅对由多个电极对构成的电极对群的静电电容进行测量的情况相当于以往那样增加了电极对的面积的情况。也就是说，在这种情况下，在电极对群中无法检测出施加了外力的位置。但是，根据本发明，通过以下结构，在电极对群中能够检测施加了外力的位置。根据本发明，对包含所选择的电极对的电极对群的多个组合的静电电容进行测量。也就是说，所选择的电极对被包含在由多个组合构成的电极对群中。因而，这些电极对群的静电电容均成为受到所选择的该电极对的静电电容的影响的值。而且，根据由多个组合构成的电极对群的静电电容来算出施加到所选择的电极对的位置的外力的大小。在此，所选择的电极对的静电电容与施加到所选择的该电极对的外力的大小成比例。因此，外力计算部使用多个电极对群的静电电容，来算出作为与所选择的该电极对的静电电容成比例的值的外力。例如，考虑所选择的该电极对在电极对群中的影响程度，来决定各个电极对群的静电电容的影响程度，从而算出施加到所选择的该电极对的外力的大小。因而，能够检测出构成电极对群的各个电极对受到的外力。也就是说，能够高精度地且高分辨率地得到施加到矩阵状的静电电容式传感器的外力的大小和位置。另外也可以是，上述静电电容式传感器还具备第一电极群，其是将多个在第一方向上延伸的第一电极排列在与上述第一方向正交的第二方向上；第二电极群，其是将多个在上述第二方向上延伸的第二电极排列在第一方向上，相对于上述第一电极群隔开距离进行相对配置；以及上述介电层，其被配置于上述第一电极群与上述第二电极群之间。由此，能够减少电极数和布线数。另外也可以是，由上述静电电容测量部测量静电电容的上述电极对群是由连续的多个上述电极对构成的。由此，能够较容易地决定所选择的该电极对在电极对群中的影响程度。也就是说，能够通过简单的计算来得到高精度。另外也可以是，由上述静电电容测量部测量的上述电极对群不包括构成前一次测量的上述电极对群的上述电极对。在此，由于静电电容的测量而使电极对群带电。而且，当前一次测量得到的电极对群与本次测量的电极对群重叠时，本次测量的电极对群的静电电容有可能受到由于上一次测量使电极对群所带的电荷的影响。与此相对，根据本发明，前一次测量的电极对群与本次测量的电极对群不重叠。因而能够减小由于前次测量使电极对群所带的电荷对本次测量的电极对群的静电电容的影响。其结果，能够高精度地测量本次测量的电极对群的静电电容。并且，能够高精度地算出施加到静电电容式传感器的外力的位置和大小。
图1是表示第一实施方式的静电电容式传感器装置的结构的图，示出静电电容式传感器的截面图。图2是表示静电电容式传感器装置的结构的图，是表示静电电容式传感器、输入侧切换电路以及输出侧切换电路的详细结构的图。特别地，是静电电容式传感器取下绝缘层的状态下的俯视图。图3A示出第一实施方式的静电电容式传感器的俯视图，用阴影表示通过静电电容测量部进行测量时的静电电容式传感器的电极对群。图3B示出静电电容式传感器的俯视图，用阴影表示在图3A的下一个测量顺序中通过静电电容测量部进行测量时的静电电容式传感器的电极对群。图3C示出静电电容式传感器的俯视图，用阴影表示在图3B的下一个测量顺序中通过静电电容测量部进行测量时的静电电容式传感器的电极对群。图3D示出静电电容式传感器的俯视图，用阴影表示在图3C的下一个测量顺序中通过静电电容测量部进行测量时的静电电容式传感器的电极对群。图4A示出第二实施方式的静电电容式传感器的俯视图，用阴影表示通过静电电容测量部进行测量时的静电电容式传感器的电极对群。图4B示出静电电容式传感器的俯视图，用阴影表示在图4A的下一个测量顺序中通过静电电容测量部进行测量时的静电电容式传感器的电极对群。图4C示出静电电容式传感器的俯视图，用阴影表示在图4B的下一个测量顺序中通过静电电容测量部进行测量时的静电电容式传感器的电极对群。图4D示出静电电容式传感器的俯视图，用阴影表示在图4C的下一个测量顺序中通过静电电容测量部进行测量时的静电电容式传感器的电极对群。图4E示出静电电容式传感器的俯视图，用阴影表示在图4D的下一个测量顺序中通过静电电容测量部进行测量时的静电电容式传感器的电极对群。图4F示出静电电容式传感器的俯视图，用阴影表示在图4E的下一个测量顺序中通过静电电容测量部进行测量时的静电电容式传感器的电极对群。图5示出第三实施方式的静电电容式传感器的俯视图，用阴影表示通过静电电容测量部进行测量时的静电电容式传感器的电极对群。
具体实施例方式<第一实施方式>参照图1和图2说明第一实施方式的静电电容式传感器装置。静电电容式传感器装置能够检测施加到片状地形成的静电电容式传感器的表面的外力的分布、即外力的位置和大小。下面，详细说明静电电容式传感器装置。静电电容式传感器装置具备静电电容式传感器10、交流电源20、输入侧切换电路30、输出侧切换电路40、静电电容测量部50以及外力计算部60。静电电容式传感器10形成为片状，具有挠性并且具有伸缩自如的性质。因而，静电电容式传感器10不仅形成为平面形状，还能够形成为曲面形状。但是，下面，参照图1来说明平面形状的静电电容式传感器10。静电电容式传感器10为，将在面法线方向(图1的上下方向)上隔开距离相对设置的电极对Es(由第一、第二电极Ila ll1、12a 12i构成)矩阵状地配置，在电极对Es之间配置有能够弹性变形的介电层13。在图2中示出将电极对Es在横向方向(以下，称为“X方向”)上配置九列、在纵向方向(以下，称为“Y方向”)上配置九列构成矩阵状的静电电容式传感器10。在图2中，以A包围的部位表不一个电极对Es。但是，由于当电极对Es矩阵状地分散时电极数和布线数增加，因此如下那样构成静电电容式传感器10。即，静电电容式传感器10构成为具备第一电极群11、第二电极群
12、设置于第一电极群11与第二电极群12之间的介电层13、以及以覆盖第二电极群12侧的表面和第一电极群11侧的背面的方式设置的绝缘层14、15。第一电极群11为，将多个(例如，九列)在X方向上延伸的长板形状的第一电极Ila Ili排列在与Y方向平行的方向(与X轴方向正交的方向)。第二电极群12为，将多个(例如，九列)在Y方向上延伸的长板形状的第二电极12a 12i排列在与X方向平行的方向，配置成相对于第一电极群11在面法线方向上隔开距离而相对置。在此，第二电极群12相对于第一电极群11被配置在静电电容式传感器10的表面侧。在此，第一电极群11与第二电极群12交叉的部位分别构成电极对Es。而且，第一电极Ila Ili与第二电极12a 12i的分离距离与施加到静电电容式传感器10的表面的外力F相应地发生变化,随着该变化而第一电极Ila Ili与第二电极12a 12i之间的静电电容发生变化。此外，静电电容与电极之间距离存在反比关系的情况是公知的，因此省略详细说明。第一、第二电极Ila ll1、12a 12i由同一材质形成。具体地说，第一、第二电极Ila ll1、12a 12i的材质为，通过在弹性体中混合导电填料而成形。而且，第一、第二电极Ila ll1、12a 12i为具有挠性且具有伸缩自如的性质。构成第一、第二电极Ila ll1、12a 12i的弹性体例如能够应用硅橡胶、乙烯-丙烯共聚物橡胶、天然橡胶、苯乙烯-丁二烯共聚物橡胶、丙烯腈-丁二烯共聚物橡胶、丙烯酸橡胶、表氯醇橡胶、氯磺化聚乙烯、氯化聚乙烯、聚氨酯橡胶等。另外，在第一、第二电极Ila ll1、12a 12i中混合的导电填料只要为具有导电性的颗粒即可，例如能够应用碳材料、金属等的细颗粒。介电层13由弹性体或者树脂成形，与第一、第二电极Ila ll1、12a 12i同样地，具有挠性且具有伸缩自如的性质。构成该介电层13的弹性体例如能够应用硅橡胶、丙烯腈-丁二烯共聚物橡胶、丙烯酸橡胶、表氯醇橡胶、氯磺化聚乙烯、氯化聚乙烯、聚氨酯橡胶等。另外，构成介电层13的树脂例如能够应用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚苯乙烯(包含交联发泡的聚苯乙烯)、聚氯乙烯-聚偏二氯乙烯共聚物、乙烯-乙酸共聚物等。该介电层13具有规定的厚度，形成为与第一、第二电极群11、12的外形形状相同程度或者大于第一、第二电极群11、12的外形形状。绝缘层14、15与第一、第二电极Ila lli，12a 12i同样地具有挠性且具有伸缩自如的性质。构成该绝缘层14、15的弹性体或者树脂例如应用作为构成介电层13的弹性体或者树脂所记载的材料。而且，在静电电容式传感器10受到在静电电容式传感器10的面法线方向压缩的外力F的情况下，介电层13在该面法线方向上压缩变形，由此位于施加了外力F的部位的第一、第二电极Ila ll1、12a 12i之间的分离距离缩短。在该情况下，该第一、第二电极Ila ll1、12a 12i之间的静电电容增加。
交流电源20产生交流电压，施加到静电电容式传感器10的第一电极群11。输入侧切换电路30由多个开关30a 30i构成。各开关30a 30i的一端与交流电源20相连接，各开关30a 30i的另一端与对应的第一电极Ila Ili相连接。而且，将从第一电极Ila Ili中选择出的多个电极与交流电源20进行连接，而将第一电极Ila Ili中的其它电极相对于交流电源切断。此外，在图2中，使输入侧切换电路30的第一、第二开关30a、30b短路(接通)，切断(断开)其它开关30c 30i。输出侧切换电路40由多个开关40a 40i构成。各开关40a 40i的一端与对应的第二电极12a 12i相连接，各开关40a 40i的另一端与静电电容测量部50相连接。而且，将从第二电极12a 12i中选择出的多个电极与静电电容测量部50进行连接，切断第二电极12a 12i的其它电极。此外，在图2中，使输出侧切换电路40的第一、第二开关40a、40b短路(接通)，切断(断开)其它开关40c 40i。静电电容测量部50测量第一电极群11中的施加了交流电压的第一电极Ila Ili与第二电极群12中的通过输出侧切换电路40连接的第二电极12a 12i之间的静电电容。但是，实际上，静电电容测量部50测量与该静电电容相应的电压。在此，在图2中示出静电电容测量部50对第一电极lla、llb与第二电极12a、12b之间的静电电容相应的电压进行测量的状态。在此，参照图3A 图3D说明由静电电容测量部50测量静电电容的过程。在此，在图3A 图3D中，用虚线的正方形表示电极对Es。也就是说，该电极对Es与图2示出的第一电极Ila Ili与第二电极12a 12i交叉的部位对应。首先，静电电容测量部50对图3A的阴影的范围(XI X2，Yl Y2)的电极对群Eg的静电电容进行测量。此时，输入侧切换电路30的第一、第二开关30a、30b接通，其余的开关30c 30i断开。另外，输出侧切换电路40的第一、第二开关40a、40b接通，其余的开关40c 40i断开。接着，对图3B的阴影的范围(XI X2，Y2 Y3)的电极对群Eg的静电电容进行测量。此时，输入侧切换电路30的第二、第三开关30b、30c接通，其余的开关30a、30d 30i断开。另外，输出侧切换电路40的第一、第二开关40a、40b接通，其余的开关40c 40i断开。接着，对图3C的阴影的范围(X2 X3，Yl Y2)的电极对群Eg的静电电容进行测量。此时，输入侧切换电路30的第一、第二开关30a、30b接通，其余的开关30c 30i断开。另外，输出侧切换电路40的第二，第三开关40b、40c接通，其余的开关40a、40d 40i断开。接着，对图3D的阴影的范围(X2 X3，Y2 Y3)的电极对群Eg的静电电容进行测量。此时，输入侧切换电路30的第二、第三开关30b、30c接通，其余的开关30a、30d 30i断开。另外，输出侧切换电路40的第二、第三开关40b、40c接通，其余的开关40a、40d 40i断开。这样，由静电电容测量部50同时测量的电极对群Eg为连续的成为正方形形状的四个电极对Es。而且，将能够从矩阵状的电极对Es中选择的所有电极对群Eg作为对象，静电电容测量部50测量静电电容。例如,将所选择的电极对Es设为图3A 图3D的坐标(X2，Y2)的电极对Es。在该情况下，如图3Α 图3D所示，对包含所选择的该电极对Es (Χ2, Υ2)的四种电极对群 Eg(XI Χ2, Yl Υ2)、(XI Χ2, Υ2 Υ3)、(Χ2 Χ3, Yl Υ2)、(Χ2 Χ3，Υ2 Υ3)相关的静电电容进行测量。
图1和图2示出的外力计算部60根据由静电电容测量部50测量得到的多个电极对群Eg的静电电容来算出对各个电极对Es施加的外力的大小。说明算出图3A 图3D中的坐标(X2，Y2)的电极对Es的外力的情况。将由静电电容测量部50测量得到的电极对群Eg(Xl Χ2，Υ1 Y2)、Eg(Xl X2, Y2 Y3)、Eg (X2 X3，Yl Y2)以及Eg (X2 X3，Y2 Y3)的静电电容分别设为C12,12、C12,23>C23,12>以及C23，23。在此，电极对群Eg为连续的成为四个正方形形状的四个电极对Es。因而，测量对象的坐标(X2，Y2)的电极对Es对各个电极对群Eg的影响程度为均等。因此，如式⑴所示，对坐标(Χ2，Υ2)的电极对Es的静电电容C22进行测量。[式I]
权利要求
1.一种静电电容式传感器装置，具备: 静电电容式传感器，其构成为将隔开距离相对设置的电极对矩阵状地配置，在上述电极对之间配置能够弹性变形的介电层； 静电电容测量部，其针对多种组合的电极对群进行电极对群之间的静电电容的测量，该电极对群由包含所选择的上述电极对的多个上述电极对构成；以及 外力计算部，其根据测量得到的多个上述静电电容，来算出施加到上述所选择的上述电极对的位置的外力的大小。
2.根据权利要求1所述的静电电容式传感器装置，其特征在于， 上述静电电容式传感器具备: 第一电极群，其是将多个在第一方向上延伸的第一电极排列在与上述第一方向正交的第二方向上而成的； 第二电极群，其是将多个在上述第二方向上延伸的第二电极排列在第一方向上、并相对于上述第一电极群隔开距离进行相对配置而成的；以及 上述介电层，其被配置于上述第一电极群与上述第二电极群之间。
3.根据权利要求1所述的静电电容式传感器装置，其特征在于， 由上述静电电容测量部测量静电电容的上述电极对群是由连续的多个上述电极对构成的。
4.根据权利要求1所述的静电电容式传感器装置，其特征在于， 由上述静电电容测量部测量的上述电极对群不包括构成前一次测量的上述电极对群的上述电极对。
全文摘要
提供一种静电电容式传感器装置，能够高精度地检测外力的位置和大小。使用静电电容式传感器，该静电电容式传感器构成为，将隔开距离相对设置的电极对矩阵状地配置，在电极对之间配置能够弹性变形的介电层。静电电容测量部针对多种组合的电极对群进行电极对群之间的静电电容的测量，该电极对群由包括所选择的电极对的多个电极对构成。外力计算部根据这样测量得到的多个静电电容，来算出施加到所选择的电极对的位置的外力的大小。
文档编号G01L5/00GK103080714SQ201280002657
公开日2013年5月1日 申请日期2012年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者稻田诚生, 郭士杰, 白冈贵久, 矶部宏 申请人:东海橡塑工业株式会社