CN1696626B - 力传感器和力检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明用来提供一种将力转换成电容并使之可以产生多个具有不同输出特性的输出的力传感器、力检测系统以及用于它的力检测程序。力传感器20具有用于当施加力时产生位移的位移部件24；用于从位移部件的所述位移产生第一输出C1的单个或多个第一传感器部件(36、36A、36B、36C和36D)；以及第二传感器部件44，其被附加至第一传感器部件，用于从所述位移部件的位移产生第二输出C2。通过这种力传感器的第一和第二输出，力检测系统提高了输出精度。在力检测系统中使用力检测程序以用于执行输出过程。

Description

力传感器和力检测系统
技术领域
本发明涉及一种将力转换成诸如电容等等之类的电信息的力传感器，尤其涉及用于将人工输入等转换成电信号的力传感器、力检测系统和力检测程序。
背景技术
本申请基于2004年5月14日提交的日本专利申请No.2004-145050，因此将其内容作为参考而并入。
用于将力转换成电容的传感器典型地用于浴室磅秤等。这种类型的力传感器典型地具有构成为按钮式或操纵杆式的操作输入部件以用作人机接口，并例如被用作笔记本式个人计算机的操纵杆式输入装置。
图1和图2示出现有技术的常规力传感器的轮廓，其中图1(A)示出它的平面图，图1(B)示出它的IB-IB横截面，图1(C)示出它的检测电极，图2(A)示出它的平面图，图2(B)示出它的IIB-IIB横截面，以及图2(C)示出它的检测电极。力传感器2具有由诸如硅橡胶之类的绝缘体和在基板4上配备的导体构成的结构6、以及在结构6的顶板上的电极8和在基板4的侧面上面向电极8的检测电极10。如果电极由结构6的导体制成，就不必独立地提供电极8。在此的差别是在图1中示出的装置具有作为在两端上支撑的梁形成的结构6和圆形检测电极10，同时，在图2中示出的装置具有作为悬臂梁形成的结构6和矩形检测电极10。
作为举例，利用在图1中示出的力传感器2可以试图进行这种力传感器2的说明，其中在结构6上施加的力“f”引起结构6如图3(A)所示的变形，其又减小电极距离“d”，并最终引起电极8如图3(B)所示的接触检测电极10，增大了电极“C”之间的电容。结构6的输入(力“f”)和输出(电容“C”)之间的关系以如图4所示的平滑曲线进行变化。Coffset是在图1(B)中示出的情形下电极之间的电容，也就是当电极距离“d”没有改变时的偏移输出，并且此偏移输出表示，如果力“f”不超过结构6的弹性限度，则电容不随力“f”而改变，也就是，它表示零点输出。该偏移取决于结构6的弹性、恢复能力、永久变形等。在图2中示出对于力传感器2存在的相同的输入/输出关系。
JP-A-6-314163公开了一种提供电容C的变化作为相对于施加的力“f”的输出的传感器。
在所述文献中公开的电容式传感器具有输入部分的大的位移，并由在平行位置中配备的两个大的基板组成，以允许它们彼此平行地移动，其中分别在它们的相对表面上配备电极，并以彼此之间的90°角定位电极。
在这种力传感器的情况下，输入-输出关系的可靠性是关键的，尤其是所述零点输出(偏移输出)的稳定性是极其重要的。因此，当它不工作时，输出为零或给出具体的偏移值且该值是恒定的是必要的。换句话说，当它不工作时，如果输出改变或偏移值改变，则将失去检测装置的可靠性，使得确定零点成为不可能。
例如，利用力传感器的定点装置可以引起这种问题：当没有操作时，零点或偏移值改变时微小输出信号引起移动指示器。例如，已经报告一种情况：指示器仅通过接收来自完全不涉及使用者意图的空调部件的空气而开始移动。
力传感器的输入/输出关系需要输入和输出之间存在确定的关系，当在其中由于比如温度的环境因素方面的改变造成输出漂移的情况下检测微小的力时，区分由环境变化引起的输出漂移和由微小输入引起的输出改变是极其困难的。试图稳定相对于比如温度的环境因素方面的改变的输出往往是代价昂贵的。
对于力传感器的零点输出(偏移输出)典型地期望确定的变化，所述力传感器的零点输出(偏移输出)随每个力传感器而改变，因此，试图一致地设置输出值是无意义的。因此，通常的做法是将开启电源电压时的值作为零点值强制存储在存储器中，或在对每一力传感器的工厂出货之前的调节时将零点值(偏移电压值等)存储在非易失性存储器中。强制存储开启电源时的值作为零点值的问题在于，当操作者的手指错误地接触部件时，不同于真实值的值可以作为在这种情况下的零值被记录。使用用于存储在工厂出货时的零点值的非易失性存储装置的问题是它意味着附加的花费。在任何情况下，通过诸如温度和湿度之类的环境因素的改变会影响存储时的零点值，从而不可能跟踪这种零点波动。
尽管当没有输入至功率传感器时避免对部件供电在利用力传感器的系统中的省电方面是有效的，但这使得它不可能识别是否存在输入，除非对检测部件供电。为了避免这种不便，通常的做法是间歇地对该部件供电。
让我们参考图5说明力传感器(图1或图2)的零点设置方法。在图5(A)中，在短的时间间隔中进入五个输入f1、f2、f3、f4和f5，其中输入f1到f5之间的大小关系是f2＞f1＞f3≈f4≈f5，也就是f2具有最高的电平，同时f1和f2具有最长的时间间隔，并且f3、f4和f5是微小时间间隔的微小输入。此外，假定在巨大输入之后进入微小输入。
对于这种输入f1到f5，力传感器2产生相应于输入的输出C11、C12、C13、C14和C15，如图5(B)所示，即示出了相应于输入的电容的变化，尽管事实是没有输入，但在用于第一输入f1的输出C11之后，在b1部分中产生微小输出。这是残余输出。此外，由于输入f2，在输出C12之后立即在b2部分中产生大的残余输出。由于输出C13到C15在所述残余输出上交迭，并且在b3之后的输入较小，所以可以理解残余输出随着时间而减小。
这些残余输出取决于接收压力的结构6的恢复能力。诸如橡胶之类用于结构6的弹性体具有在变形之后恢复至它的初始形状的特性。利用合适选择的材料可以改善恢复特性至一定程度以减小残余输出，但不能完全消除它们。当出现强的输入改变并且它们的时间间隔较短时，消除残余输出是困难的。
已经提出消除这种残余输出的方法，其中在零点附近设置用于不允许残余输出被响应的死区区域，并强制死区区域的输出范围被赋予如图5(C)所示的零点。图5(D)示出作为由死区区域的设置补偿的结果的具有降低的电平的输出C110、C120、C130、C140和(C150)。当设置这种死区区域时，它消除了残余输出的问题，但它同时影响输入/输出关系。在其中不设置死区区域的输出(B)和其中设置死区区域的输出(D)之间的比较中，在输入和输出之间将产生延迟时间td，这样恶化了涉及时间的响应。此外，微小输出C15能够变得隐藏入死区电平中，并且可能不产生任何输出(“d”部分)，这样恶化涉及电平的响应。依据死区区域设置的强制零点设置可能恶化检测灵敏度和输入关系，并影响力传感器的可靠性。
在上面提到的现有技术文献中没有提及这种问题，并且作为对它的解决手段没有进行公开或建议。
发明内容
因此，本发明涉及一种将力转换成电容的力传感器，并用来提供一种可以产生多个具有不同输出特性的输出的力传感器。
本发明也涉及将力转换成电容的力传感器的输出处理，以使得可能从单个输入获得多个输出，并利用其它输出作为参考信息以用于获得输出，从而增大输出精度。
本发明配备有在公共位移部件上的多个传感器部件，从而使其可以参考其它输出从每一传感器部件独立地获得输出，因此使它可以消除位移部件的偏移并设置零点，从而使它能够提高输出精度。
为了获得上面的目的，本发明的力传感器具有当施加力时发生位移的位移部件，从所述位移部件的位移产生第一输出的单个或多个第一传感器部件，以及被附加至所述第一传感器部件并从所述位移部件的位移产生第二输出的第二传感器部件。
由于具有基于公共位移部件工作的第一和第二传感器的这种结构，第一和第二传感器部件将提供来自由所施加的力产生的位移的第一和第二独立输出。这两个输出可用作作为彼此的互补或补偿数据的参考信息。第一和第二传感器部件可以均由单个或多个传感器构成。
为了获得上面的目的，可以以这种方式组成力传感器：所述位移部件的位移包括由力造成的所述位移部件的变形或所述位移部件的运动或其两者。
为了获得上面的目的，可以以这种方式组成力传感器：所述第二传感器部件的输出比起所述第一传感器部件的输出而陡峭上升，并提前于所述第一传感器部件的输出而移至饱和状态。由于这种结构，第二输出可被用作输入信息，例如以指示力被施加至位移部件。所述输出可被用作第一输出的零点信息。
为了获得上面的目的，可以以这种方式组成力传感器：在所述位移部件的中心配备所述第二传感器，同时配备所述第一传感器部件以包围绕所述第二传感器。
为了获得上面的目的，本发明的力检测系统具有力传感器，其在当施加力时发生位移的位移部件中配备有第一和第二传感器部件，并产生表示所述位移部件的位移的第一和第二输出；以及处理部件，其利用所述力传感器的所述第二输出作为用于所述第一输出的参考信息来获得所述第一输出。
由于这种结构，位移部件配备有第一和第二传感器，从而使它在受力时产生位移，并可以独立地从第一传感器部件产生第一输出和从第二传感器部件产生第二输出。虽然可以独立地使用每一输出，但由于它们共用公共位移部件，所以它们具有在机械上和同时产生的关系。因此，可以利用第二输出作为在产生第一输出中的参考数据。例如，如果它被用作时间信息或电平信息，则可以参考产生第二输出的时间在产生第二输出的时间中实施产生第一输出的过程，或者如果第二输出的电平超过指定值则产生第一输出。由于这种结构，利用第一和第二输出之间的相关性可以增强第一输出的可靠性。
为了获得上面的目的，也可以以这种方式组成力检测系统：所述处理部件从所述第二输出提取表示超过指定电平的电平周期的时间信息，并参考所述时间信息获得所述第一输出。
为了获得上面的目的，也可以以这种方式组成力检测系统：所述力传感器的所述第二传感器部件在所述位移部件开始位移之后不久就将所述第二输出移至饱和的情形。例如，可以以这种方式组成该系统：如果第二输出被用作第一输出的参考信息，则在位移部件的位移之后不久第二输出就饱和。
为了获得上面的目的，也可以以这种方式组成力检测系统：所述参考信息是所述第一输出的零点信息。由于这种结构，利用第二输出作为第一输出的零点信息，可以消除由位移部件的特性造成的输出误差和偏移，这样增大了力检测的精度，并获得对应于人工输入的输出。
为了获得上面的目的，所组成的力检测程序包括：从当施加力时发生位移的位移部件中配备的第一传感器部件中获得第一输出的功能，从在所述位移部件中配备的第二传感器部件中获得第二输出的功能，从所述第二输出提取表示超过指定电平的电平周期的时间信息的功能，以及参考所述时间信息获得所述第一输出的功能。
由于这种结构，因为参考第二输出获得第一输出，所以可以消除由位移部件的特性造成的输出误差和偏移，这样增大了力检测的精度，并获得对应于人工输入的输出。
如上面的说明所见，本发明提供了下面的效果。
依据本发明的力传感器，参考用于获得一个输出的其它输出，并利用它们作为用于补偿各种输出等之间的偏移输出的参考信息，就可以从公共位移部件独立地获得多个输出，从而可以提供一种具有高精度传感器输出的高可靠性的力传感器。
依据本发明的力检测系统或力检测程序，利用第二输出作为第一输出的参考信息可以补偿第一输出，从而通过补偿力传感器的波动和由在位移部件中使用的材料的特性值造成的输出误差来获得具有高可靠性的力的检测。
附图说明
图1是示出现有技术的力传感器的图。
图2是示出现有技术的另一力传感器的图。
图3示出显示响应于输入力的力传感器的变形状态的图。
图4是示出输入/输出关系的曲线图。
图5是示出输入/输出关系的曲线图。
图6是示出依据本发明的第一实施例的图。
图7是示出依据本发明的力传感器的变形的图。
图8是示出第一传感器部件的输入/输出关系的图。
图9是示出第二传感器部件的输入/输出关系的图。
图10是示出依据本发明的第二实施例的框图。
图11是示出依据本发明的第三实施例的流程图。
图12是示出第一和第二传感器部件的输入/输出关系的图。
图13是示出本发明的第四实施例的图。
图14是示出本发明的第五实施例的横截面。
图15是示出第一和第二传感器部件的输入/输出关系的图。
图16是示出本发明的第六实施例的图。
图17是示出第一和第二传感器部件的输入/输出关系的图。
图18是示出本发明的第七实施例的框图。
图19是示出本发明的第八实施例的图。
图20是示出本发明的第九实施例的框图。
图21是示出本发明的第十实施例的图。
图22是示出本发明的第十一实施例的图。
图23是示出依据第十一实施例的力传感器的检测工作的图。
图24是示出第一和第二传感器部件的输入/输出关系的图。
图25是示出检测电极的变形的平面图。
图26是示出检测电极的变形的平面图。
图27是示出第二传感器部件的变形的横截面。
具体实施方式
第一实施例
下面参考图6说明本发明的第一实施例。图6示出力传感器，其中(A)是它的平面图，(B)是沿着(A)的VIB-VIB线的横截面，而(C)是示出它不具有位移部件的力传感器的平面图。
该力传感器20配备有位移部分24，该位移部分24被安装于基板22之上，用于当施加外力时产生位移，位移部分24配备有在该实施例中在垂直方向上是柔性的圆柱形支撑部分26、与支撑部分26集成形成的板状输入部分28、在输入部分28的内部中心的柱形突出30。位移部分24由诸如橡胶的或金属的之类的弹性材料制成，从而当施加外力时它可以变形，并当去除该力时恢复它的初始形状。
在基板22上安装有环形检测电极32作为第一检测电极，同时在面向检测电极32的输入部分28的内表面上配备具有与检测电极32的形状相同的电极34。检测电极32和电极34组成第一传感器部件36。以这种方式组成传感器部件36：假定检测电极32和电极34的相对面积S1是恒定的，当在力f下电极距离d1变化时，它产生响应于力f的电容C1。尽管检测电极32和电极34被假定为是环形的，但它们也可以是矩形的。
配备圆形检测电极40作为由绝缘距离38分离的检测电极32内部的第二检测电极。在突出30的顶端配备电极42以面向检测电极40。检测电极40和电极42组成第二传感器部件44。以这种方式组成传感器部件44：假定检测电极40和电极42的相对面积S2是恒定的，当在力f下电极距离d2变化时，它产生响应于力f的电容C2。用于传感器44的电极距离d2小于用于传感器36的电极距离d1为突出30的长度(d1＞d2)。尽管检测电极40和电极42被假定为是圆形的，但它们也可以是矩形的。
依据这种结构，当通过例如在力传感器20的位移部分24的输入部分28上的手指施加力f时，位移部分24相应于力f而变形，并且输入部分28以及支撑部分26如图7所示弯曲，引起检测电极32接近电极34，同时突出30的电极42接近检测电极40，直至最后接触。在这种情况下，由于检测电极40和电极42之间的间隙是小的，所以在输入部分38开始位移之后不久，电极42就与检测电极40接触。这种位移引起传感器部件36依据面对面积S1和电极距离d1产生电容C1，并引起传感器部件44依据面对面积S2和电极距离d2产生作为第二传感器的输出的电容C2。
传感器部件36的输入/输出关系表现为如图8所示的相对于输入f的电容C1的平滑变化。在这种情况下，偏移输出Coffset是输入部分28变形之前传感器部件36的输出。
相反，当检测电极40邻接电极42并在输入部件28的位移开始之后不久就饱和时，传感器部件44的输入/输出关系产生仅在如图9(A)所示的小输入范围中的输出变化。如图9(B)所示，其显示了在图9(A)中输入/输出关系的放大，相比较于传感器部件36，较小的输入使传感器部件44饱和，从而使传感器44可以主要用于微小力f的检测。换句话说，传感器部件44的输出能够提供在力传感器20的零点附近的输出。
第二实施例
下面参考图10说明本发明的第二实施例。图10是示出利用力传感器的力检测系统的框图。
该力检测系统46配备有前述力传感器20，并以这种方式组成：传感器部分36的传感器输出C1和第二传感器20的传感器44的传感器输出C2分别进入输出处理部件48，并利用作为诸如零点补偿信息等等之类的参考信息的传感器输出C2补偿传感器输出C1，以产生相应于力f的检测输出C0。在这种情况下，输出处理部件48配备有分别用于输出C1和C2的电容/电压(C/V)转换器50和52以及在传感器输出C1侧上配备的模拟/数字(A/D)转换器54、以及在传感器输出C2侧上配备的比较器56。这些A/D转换器54和比较器56的输出进入处理器58。处理器58可以组成芯片微型计算机等。
由于这种结构，传感器部件36的输出C1(图8)进入C/V转换器50以被转换成电压、模拟值，然后被A/D转换器54转换成数字信号，并进入处理器58。
传感器部件44的输出C2(图9)进入C/V转换器52以被转换成电压，然后其进入比较器56，同时当电压值超过预定电平Vref时，比较器56产生开关输出。该输出进入处理器58。
处理器58配备有作为运算处理手段的装置的CPU(中央处理部件)和作为存储程序与数据的装置的ROM(只读存储器)；基于传感器输出C2的比较器56的输出被用作用于传感器输出C1的零点补偿的参考信息，并从传感器输出C1消除偏移输出以获得相应于输入的高精度的检测输出C0。
第三实施例
下面参考图11说明本发明的第三实施例。图11是用于处理器58的输出处理的力检测程序的举例的流程图。
力检测程序读出并存储传感器部件36的第一输出C1以及传感器44部件的第二输出C2(步骤S1)。由于输出C2随响应输入f而进行电平变化，所以基于所述电平变化和它们的时间关系从输出C2中提取表示超过指定电平的电平的周期的时间信息(步骤S2)。参考所述时间信息补偿输出C1(步骤S3)，以便获得被补偿的输出C1(步骤S4)。
由于力传感器20(图6)配备有用于单个位移部分24的两个传感器部件36和44，这意味着单个输入被馈送至两个传感器部件36和44，所以同时产生输出C1和C2。如果从输出C2提取的时间信息被用作用于从输出C1获得输出的参考，则可以获得具有没有偏移输出的确定零点电平的输出。
下面参考图12说明基于该力检测系统和力检测程序的输出过程。图12是对应于在图5中示出的记录的记录，其中(A)示出以相对较短的时间周期施加的多个不同电平的输入，(B)示出第一传感器部件的输出，(C)示出第二传感器部件的输出，(D)示出用于第一输出的补偿过程，以及(E)示出被补偿的输出。
在图12(A)中，五个输入f1、f2、f3、f4和f5是连续进入的那些输入，其中输入f1到f5之间的大小关系是f2＞f1＞f3≈f4≈f5，也就是f2具有最高的电平，同f1和f2具有最长的时间间隔，并且f3、f4和f5是微小时间间隔的微小输入。
对于这种输入f1到f5，力传感器36依据如图8所示的输入/输出关系产生如图12(B)所示的输出C11、C12、C13、C14和C15，即示出了依据输入的电容的变化，尽管事实是没有输入，但在用于第一输入f1的输出C11之后，在“b1”部分中产生微小输出。这是残余输出。此外，由于输入f2，在输出C12之后立即在b2部分中产生较大的残余输出，反映出输入f2的大的尺寸。由于输出C13到C15在所述残余输出上交迭，并且在b3之后的输入较小，这样残余输出随着时间而减小。这些过程类似于图5和它的说明。
传感器部件44依据如图9所示的输入/输出关系产生如图12(C)所示的输出C21、C22、C23、C24和C25。为什么输出C21和C22的电平低于输出C11和C12的电平的原因是，相比较于检测电极32，检测电极40的侧面上的面对面积较小，并通过电极之间的接触而获得饱和的情形。为什么输出C13到C15在输入的力f1到f5的去除侧面上减小更慢，而输出C23到C25变化更剧烈，并且它们的时间间隔基本上是均匀的原因是，它们取决于位移部件24的机械形状恢复特性，支撑部分26首先返回至它的初始状态，然后突出30返回至初始状态。
因此，在该实施例中，建立输出电平Cns以对应于如在12(C)所示的输出C21到C25的死区区域，对其中输出电平超过输出Cns的电平的周期赋予输出时间周期th(＝1)，并对剩余周期赋予输出零时间t0(＝0)。因此，在时间t1、t2、t3、t4和t5时间的周期期间它是“1”，而在剩余周期中它是“0”。如果分别通过将表示这些输出C11到C15的时间信息“1”和用于其它周期的时间信息“0”乘以输出C21到C25而在每一时间周期th中获得输出C11到C15，就可能获得作为如图12(E)所示的被补偿的输出C110到C150的C11到C15。然后获得被补偿的输出C110到C150作为匹配在图12(A)中示出的输入f1到f5和分别对应于每一输入电平的输出，而不带有如在输出C11到C15的情况下的残余输出。此外，它们的零点是一致的，并且由于如在现有技术中经历的死区周期的设置，它们的检测灵敏度和输入/输出关系没有恶化，并且它们维持高可靠性的输入/输出关系。
尽管在该实施例中假定通过将从输出C21到C25提取的时间信息乘以输出C11到C15来获得补偿输出C110到C150，也可以将系统设置成通过使输出C11到C15通过在具有超过用于输出C21到C25的指定电平的电平的周期期间通过信号的门装置获得补偿输出C110到C150。而且，也可以以这种方式组成系统：将输出C11到C15加上或乘以输出C21到C25，并利用超过确定电平的所得值作为输出。
第四实施例
下面参考图13说明本发明的第四实施例。图13示出依据第四实施例的力传感器，其中(A)是它的平面图，(B)是沿着(A)的XIIIB-XIIIB线的横截面，(C)是示出它不具有位移室的力传感器的平面图。
涉及该实施例的力传感器20配备有由悬梁构成的位移部分24，其中位移部分24由弹性材料制成，并具有与矩形输入部分28集成形成的平坦矩形柱状支撑部分26。通过在一端的支撑部分26来支撑输入部分28，并且在作为悬梁的自由端的另一端形成柱形突出30。在基板22上面向在输入部分28的内表面上配备的电极34配备矩形形状检测电极32，检测电极32和电极34这样组成第一传感器部件36。此外，在基板22的上表面上形成检测电极40，其中它与面向在突出30的顶端上形成的电极42的突出30相对，检测电极40和电极42这样组成第二传感器部件44。
由于这种结构，类似于依据第一实施例的前述力传感器20(图6)，可以依据对应于力f的位移部分24的位移从传感器部件36获得输出C1(图8)和从传感器部件44获得输出C2(图9)。也可能利用该传感器20组成力检测系统(图10)，利用类似的力检测程序(图11)从输出C2中提取时间信息，并利用时间信息通过执行用于输出C1的补偿过程获得没有残余输出的输出C0(图12)。
第五实施例
下面参考图14说明本发明的第五实施例。图14是示出依据第五实施例的力传感器的垂直横截面。
依据该实施例的力传感器20配备有T形横截面的位移部分24，并且该位移部分24由支撑部分26和输入部分28组成。输入部分28的远端被制成自由端，并且位移部分24由诸如具有合适弹性的橡胶之类的弹性材料制成。因此，当输入部分28在垂直方向上接收力f，在位移部分24的自由端上配备突出30A和30B在垂直方向上延伸时，输入部分28在垂直方向上自由地弯曲。在与位移部分24分别相对的基板22A和22B上配备检测电极32A和32B，同时在分别面向检测电极32A和32B的输入部分28上配备电极34A和34B，检测电极32A和电极34A以及检测电极32B和电极34B这样组成两个第一传感器部件36A和36B。此外，在与突出30A相对的基板22A上配备电极40A，并在与突出30B相对的基板22B上配备电极40B，同时，在与检测电极40A相对的突出30A上配备电极42A，在与检测电极40B相对的突出30B上配备电极42B，检测电极40A和电极42A以及检测电极40B和电极42B这样组成两个第二传感器部件44A和44B。
由于这种结构，输入部分28依据输入f位移至上侧或下侧，传感器部件36A依据输入f产生输出C1A，传感器部件36B依据输入f产生输出C1B，同时，传感器部件44A依据输入f产生输出C2A，传感器部件44B依据输入f产生输出C2B。图15(A)示出输出C1A和C1B的趋势，同时，图15(B)示出输出C2A和C2B的趋势。如先前所述，在位移部分24开始位移之后不久，传感器部件44A和44B的输出C2A和C2B就达到饱和状态。
在利用依据第五实施例的力传感器20的力检测系统46(图14)中，一个力传感器20配备一对第一和第二传感器部件36A、36B、44A和44B，从而如前面所述，利用组成在图10中示出的一对力检测系统46的类似的力检测程序(图11)或通过公共处理器58的使用，通过从输出C2A和C2B提取时间信息，并执行用于输出C1A和C1B的补偿过程(图12)，可以从传感器部件36A和36B的输出C1A和C1B获得没有任何残余输出的补偿输出C0A和C0B。
第六实施例
下面参考图16说明本发明的第六实施例。图16示出依据第六实施例的力传感器，其中(A)是它的垂直横截面，(B)是示出检测电极的形状和布置的它的平面图。
依据该实施例的力传感器20配备有在基板22的上表面上配备的矩形管状位移部分24，当施加外力时其产生位移，并且位移部分24配备有柔性矩形管状支撑部分26、与支撑部分26集成形成的矩形平坦板形输入部分28以及在输入部分28的内部中心的垂直壁形突出30。位移部分24由诸如橡胶的或金属的之类的弹性材料制成，从而当施加外力时它可以变形，并当去除该力时恢复它的初始形状。在位移部分24的输入部分28的上表面上配备输入衬垫60，并在输入衬垫60的上表面上形成弯曲腔62以便于通过手指的力输入。
在突出30的两侧上的基板22上配备矩形检测电极32A和32B作为第一检测电极，同时，在面向所述检测电极32A和32B的输入部分28的内表面上配备如电极32A和32B的相同形状的电极34A和34B。检测电极32A和电极34A组成传感器部件36A，同时检测电极32B和电极34B组成传感器部件36B。在面向突出30的基板22上配备检测电极40，并在面向所述检测电极40的突出30上配备电极42，从而使检测电极40和电极42组成传感器部件44。
由于这种结构，输入部分28依据输入f位移至上侧或下侧，传感器部件36A依据输入f产生输出C1A传感器部件36B依据输入f产生输出C1B，同时，传感器部件44依据输入f产生输出C2。图17(A)示出输出C1A和C1B的趋势，同时，图17(B)示出输出C2的趋势。如先前所述，在位移部分24开始位移之后不久，传感器部件44的输出C2就达到饱和状态。
第七实施例
下面参考图18说明本发明的第七实施例。图18是示出利用依据第七实施例的力传感器的力检测系统的框图。以相同的编码数字标识与在第二实施例中相同的那些部分。
力检测系统46利用前述力传感器20(图16)，并以下面的方式组成该力检测系统46：传感器部件36A和36B的输出C1A和C1B以及传感器部件48的输出C2进入处理部件48，以便通过利用作为诸如零点补偿信息之类的参考信息的输出C2补偿输出C1A和C1B来获得对应于力f的补偿输出C0A和C0B。在这种情况下，输出处理部件48配备有分别用于输出C1A、C1B和C2的电容/电压(C/V)转换器50A、50B和52，以及分别在传感器输出C1A和C1B侧上配备的模拟/数字(A/D)转换器54A和54B，以及在传感器输出C2侧上配备的模拟/数字(A/D)转换器57。这些A/D转换器54A、54B和57的输出进入处理器58。可以由如在第二实施例中的比较器组成A/D转换器57(图10)。
由于这种力检测系统46，可以从输出C2提取前述时间信息，并利用其执行输出C1A和C1B的补偿(图12)，以便从传感器部件36A和36B的输出C1A和C1B获得没有任何残余输出的补偿输出C0A和C0B。
第八实施例
下面参考图19说明本发明的第八实施例。图19示出依据第八实施例的力传感器，其中(A)是它的平面图，(B)是沿着(A)的XIXB-XIXB线的横截面，(C)是示出检测电极的形状和布置的基板上的检测电极的平面图。
依据该实施例的力传感器20配备有在基板22上配备的圆柱形位移部分24，并且位移部分24配备有柔性圆柱-管状支撑部分26、与支撑部分26集成形成的圆形平坦板形输入部分28以及在输入部分28的内部中心配备的圆柱形突出30。位移部分24由诸如橡胶的或金属的之类的弹性材料制成，从而当施加外力时它可以变形，并当去除该力时恢复它的初始形状。在位移部分24的输入部分28的上表面上配备圆形输入衬垫60，并在输入衬垫60的上表面上形成弯曲腔62以便于通过手指的力输入。在输入衬垫60的上表面上配备的三角形标记63A、63B、63C和63D对应于随后分别说明的检测电极32A、32B、32C和32D的位置。
在包围突出30的基板22上配备正方形检测电极32A、32B、32C和32D作为第一检测电极，同时在面向所述检测电极32A、32B、32C和32D的输入部分28的内表面上配备形状相同于检测电极32A到32D的电极34A、34B、34C和34D。这些检测电极32A到32D和电极34A到34D组成传感器部件36A、36B、36C和36D。在面向突出30的基板22上配备检测电极40，并在面向所述检测电极40的突出30上配备电极42，从而使检测电极40和电极42组成传感器部件44。
由于这种结构，输入部分28依据输入f位移至上侧或下侧，传感器部件36A到36D依据输入f产生输出C1A、C1B、C1C和C1D，同时，传感器部件44依据输入f产生输出C2。如先前所述，在位移部分24开始位移之后不久，传感器部件44的输出C2就达到饱和状态。
第九实施例
下面参考图20说明本发明的第九实施例。图20是示出利用依据第九实施例的力传感器的力检测系统的框图。以相同的编码数字标识与在第二实施例中相同的那些部分。
力检测系统46利用前述力传感器20(图19)，并以下面的方式组成该力检测系统46：传感器部件36A、36B、36C和36D的输出C1A、C1B、C1C和C1D以及传感器部件44的输出C2进入处理部件48，以便通过利用作为诸如零点补偿信息之类的参考信息的输出C2补偿输出C1A到C1D来获得对应于力f的补偿输出C0A、C0B、C0C和C0D。在这种情况下，输出处理部件48配备有分别用于输出C1A到C1D和C2的电容/电压(C/V)转换器50A、50B、50C、50D和52，以及分别在传感器输出C1A到C1D侧上配备的模拟/数字(A/D)转换器54A、54B、54C和54D，以及在传感器输出C2侧上配备的模拟/数字(A/D)转换器57。这些A/D转换器54A到54D和57的输出进入处理器58。可以由如在第二实施例中的比较器组成A/D转换器57(图10)。
由于这种力检测系统46，可以从输出C2提取前述时间信息，并利用其执行输出C1A到C1D的补偿(图12)，以便从传感器部件36A和36B的输出C1A到C1D获得没有任何残余输出的补偿输出C0A、C0B、C0C和C0D。
第十实施例
下面参考图21说明本发明的第十实施例。图21示出依据第十实施例的力传感器，其中(A)是它的平面图，(B)是沿着(A)的XXIB-XXIB线的横截面，以及(C)是示出检测电极的形状和布置的在基板上的检测电极的平面图。以相同的编码数字标识与在第八实施例中相同的那些部分。
依据该实施例的力传感器20配备有在基板22上配备的圆柱形位移部分24，并且位移部分24配备有柔性圆柱-管状支撑部分26、与支撑部分26集成形成的圆形平坦板形输入部分28、在输入部分28的内部中心配备的圆柱形第一突出30、以及为同心围绕突出30而配备的另一圆柱形突出31。位移部分24由诸如橡胶的或金属的之类的弹性材料制成，从而当施加外力时它可以变形，并当去除该力时恢复它的初始形状。在位移部分24的输入部分28的上表面上配备圆形输入衬垫60，并在输入衬垫60的上表面上形成弯曲腔62以便于通过手指的力输入。
与前述实施例类似，在基板22上形成的检测电极32A到32D和电极34A到34D组成传感器部件36A到36D。在面向突出30的基板22上配备圆顶开关64，同时，在圆顶开关64周围配备检测电极40以面向突出31，并在面向所述检测电极40的突出31上配备电极42，检测电极40和电极42这样组成传感器部件44。
由于这种结构，输入部分28依据输入f位移至上侧或下侧，这样允许传感器部件36A到36D依据输入f产生输出C1A到C1D，以及传感器部件44依据输入f产生输出C2，同时，当压下突出30时圆顶开关64产生输出Cd。如先前所述，在位移部分24开始位移之后不久，传感器部件44的输出C2就达到饱和状态。
由于这种结构，与依据第八实施例的前述力传感器20(图19)类似，可以依据对应于输入f的位移部分24的位移和来自传感器部件44的输出C2从传感器部件36A到36D获得输出C1A到C1D。此外，通过从利用力传感器20和检测程序(图11)组成的检测系统(例如图20)的输出C2提取前述时间信息，并利用所述时间信息执行用于输出C1A到C1D的补偿过程(图12)，可以获得没有任何残余输出的输出C0A到C0D。
第十一实施例
下面参考图22说明本发明的第十一实施例。图22示出依据第十一实施例的力传感器，其中(A)是它的垂直横截面，以及(B)是示出了检测电极的形状和布置的它的平面图。以相同的编码数字标识与在第六实施例中相同的那些部分。
该实施例涉及力传感器，其中在滑动方向上施加力f，并将力f转换成电容。在该力传感器20中，在基板22上配备的位移部分24配备有柔性支撑部分26和与支撑部分26集成形成的输入部分28。输入部分28具有柔性部分66，以便便于通过输入f的滑动变形，并且在由柔性部分66围绕的中心形成输入衬垫68。位移部件24由诸如橡胶的或金属的之类的弹性材料制成，从而当施加外力时它可以变形，并当去除该力时恢复它的初始形状。
与前述实施例类似，在基板22上形成的检测电极32A和32B和单个电极34组成传感器部件36A和36B。此外，在检测电极32A和32B之间的空间中形成检测电极40，同时，所述检测电极40和电极34(42)组成传感器部件44。
在力传感器20中，在如通过如图23(A)中示出的手指70在附图中的fd表示的方向上施加力f，传感器部件36A和36B的电极距离“d”变得较窄，以产生输出C1A和C1B，同时，传感器44的电极距离“d”也变得较窄，以产生输出C2，以及由于电极接触而引起饱和的情形。如图23(B)所示，利用饱和中的输出C2的该点在左(L)方向上滑动输入衬垫68，增大了传感器36A的输出C1A，并然后饱和，同时，由于电极距离d增大，所以传感器36B的输出C1B减小。当输入衬垫68滑动至右(R)方向，输出C2保持饱和，传感器36B的输出C1B增大并达到饱和状态，同时，由于它的电极距离d增大，所以传感器36A的输出C1A减小。参考这种输入/输出关系，图24(A)分别示出传感器36A和36B的输出C1A和C1B，同时图24(B)示出传感器44的输出C2。
利用这种力传感器20组成力检测系统46(图18)使得可能利用从作为输出C1A和C1B的参考信息的输出C2中提取前述时间信息和电平信息来补偿输出C1A和C1B，以获得没有残余输出的输出C0A和C0B。
接着，在下面将说明上面提到的实施例的变形和其它特征：
(1)尽管在第十一实施例中说明了左和右滑动机构，但是也可能组成如图25中所示的系统，其中，圆形检测电极40带有在同心圆上设置的弓形检测电极32A、32B、32C和32D，以将其围绕并允许电极42滑动，以便以两维(X和Y方向)检测滑动位移。
(2)此外，如图26所示，该系统也可以由环形检测电极40和位于中心的圆顶开关64(图21)组成，以获得来自检测电极40的输出作为参考信息以及获得对应于位移部件24的垂直变形的圆顶开关64的输出。从单个位移部件获得多个输出使得可以利用力传感器20以用于多种用途。
(3)当在图12中所示的过程中将阈值赋予来自传感器部件44的输出C2以利用它作为零点信息，以便使来自传感器部件36的输出C1为零时，将该零信息存储在存储装置中以用于上面的过程，从而可以不管由残余压力的松弛造成的值中的任何变化而稳定零输出，并获得即使对于微小输入也提供极高的可重复性的力检测系统46，并引起输入和输出之间几乎没有时间延迟td(图12)。换句话说，可以建立具有高稳定零点、对于微小输入的高输出可重复性和没有时间延迟的优良的传感器系统。
(4)在前述实施例(图6、图14、图16和图19)中，突出30可以用于具有在突出30的顶端处的如图27(A)所示的小的附加突出72，以运载电极42，或形成在突出30的顶端处的足或裙部74，以承载如图27(B)所示的电极42，或具有在突出30的顶端处的多个小的突出76，以被用作如图27(C)所示的电极42。如这样的组成，可以提高传感器部件44的输入/输出响应以便获得改善的参考信息，比如具有较高精度的零点信息。
(5)由于它们的零点输出的提高的稳定性，即使当为了省电而取消了电极之间的通电时，依据本发明的力传感器也能够维持在输入/输出关系方面的高可靠性。
本发明涉及一种将机械输入转换为电容的力传感器、力检测系统和力检测程序，并且它能够从公共输入获得多个输出，以便消除残余输出，并提高输出精度，例如通过利用从一个输出中提取的时间信息作为用于另一输出的参考信息，这样其可被用作用于将各种类型的机械输入转换成电信号的有效转换装置。

Claims (8)

1.一种力传感器，包括：
当施加力时发生位移的位移部件；
单个或多个第一传感器部件，其通过检测所述位移部件的位移产生作为电容的变化的第一输出；以及
被附加至所述第一传感器部件的第二传感器部件，该第二传感器部件通过检测所述位移部件的位移产生作为电容的变化的第二输出，其中所述第二输出比起所述第一输出而陡峭上升，并提前于所述第一输出而移至饱和状态。
2.权利要求1的力传感器，其中所述位移部件的位移包括由力造成的所述位移部件的变形或所述位移部件的移动或其两者。
3.权利要求1的力传感器，其中在所述位移部件的中心配备所述第二传感器，同时配备所述第一传感器部件以包围所述第二传感器。
4.一种力检测系统，包括：
力传感器，该力传感器配备有：当施加力时发生位移的位移部件，单个或多个第一传感器部件，和被附加至所述第一传感器部件的第二传感器部件，该第一传感器部件通过检测所述位移部件的位移产生作为电容的变化的第一输出，该第二传感器部件通过检测所述位移部件的位移产生作为电容的变化的第二输出，其中所述第二输出比起所述第一输出而陡峭上升，并提前于所述第一输出而移至饱和状态；以及
处理部件，其利用所述力传感器的所述第二输出作为用于所述第一输出的参考信息来获得所述第一输出。
5.权利要求4的力检测系统，其中所述处理部件从所述第二输出中提取表示超过指定电平的电平周期的时间信息，并参考所述时间信息获得所述第一输出。
6.权利要求4的力检测系统，其中在所述位移部件开始位移之后不久，所述力传感器的所述第二传感器部件就将所述第二输出移至饱和的情形。
7.权利要求4的力检测系统，其中所述参考信息是所述第一输出的零点信息。
8.一种力检测方法，包括：
通过检测位移部件的位移从单个或多个第一传感器部件获得作为电容的变化的第一输出，所述位移部件在施加力时发生位移；
通过检测所述位移部件的位移，从第二传感器部件获得作为电容的变化的第二输出，所述第二传感器部件被附加至所述第一传感器部件，其中所述第二输出比起所述第一输出而陡峭上升，并提前于所述第一输出而移至饱和状态；
从所述第二输出中提取表示超过指定电平的电平周期的时间信息；以及
参考所述时间信息获得所述第一输出。
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