JP2013029457A - 電歪センサ - Google Patents

Abstract

【課題】素子の変形により電気的変化を生じるセンサであって、時間が経過しても感度が低下しないセンサを提供する。
【解決手段】電歪素子の変形により静電容量変化を生じる電歪センサ（４０）において、第１の電歪材料層（１）およびその両面に各々配置された一対の電極（３ａ、３ｂ）より構成される第１の電歪素子（１０）と、第２の電歪材料層（１１）およびその両面に各々配置された一対の電極（１３ａ、１３ｂ）より構成される第２の電歪素子（２０）と、これら電歪素子間に挟持された基材（２５）とを含む受感部（３０）を設ける。受感部（３０）は、外力の作用を受けることにより変形である。第１および第２の電歪材料層（１、１１）の静電容量をそれぞれ測定可能なように、各電極に引出し線（５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂ）が接続される。第１および第２の電歪材料層（１、１１）は、１０μｍ以下の厚みおよび２０以上の比誘電率を各々有するものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電歪センサに関し、より詳細には、バイモルフ構造を有する電歪素子を用いたセンサに関する。

近年、医療、福祉、ロボット産業などの様々な分野において、小型で軽量、かつ可撓性のセンサに対する要望が高まってきている。

かかるセンサとして、従来、非水系固体電解質を用いたセンサが提案されている（特許文献１を参照のこと）。非水系固体電解質を用いたセンサは、高分子成分およびイオン液体を含む非水系固体電解質膜の両面に電極を形成した素子をセンサの受感部に用いたものであって、外力の作用を受けて素子が変形すると、固体電解質膜中のイオンが移動し、電荷の偏りが生じることで、電圧を発生するものである。

特開２００９−２５８００８号公報

しかしながら、従来の非水系固体電解質を用いたセンサでは、当初、素子の変形によりイオンが移動することにより電圧を生じるものの、移動したイオンは、時間の経過と共に平衡状態に向かって動くため、素子が変形状態を維持していても、電圧が低下していくこととなる。具体的には、１５分程度の時間が経過すると電圧が低下し始めることが認められる。このため、素子の変形時にすみやかにセンサ計測を行なわなければならず、時間が経過すると、センサの感度が低下するという問題がある。

本発明は、素子の変形により電気的変化を生じるセンサであって、時間が経過しても感度が低下しないセンサを提供することを目的とする。

本発明者は、バイモルフ構造を有する電歪素子をセンサの受感部に用いるという着想を独自に得、更なる鋭意検討を行った結果、本発明を完成するに至った。

本発明の１つの要旨によれば、電歪素子の変形により静電容量変化を生じる電歪センサであって、
第１の電歪材料層および第１の電歪材料層の両面に各々配置された一対の電極より構成される第１の電歪素子と、第２の電歪材料層および第２の電歪材料層の両面に各々配置された一対の電極より構成される第２の電歪素子と、第１および第２の電歪素子間に挟持された基材とを含む受感部を有し、
受感部は、外力の作用を受けることにより変形可能であり、
第１の電歪材料層の一対の電極間における第１の静電容量および第２の電歪材料層の一対の電極間における第２の静電容量をそれぞれ測定可能なように、各電極に引出し線が接続され、
第１および第２の電歪材料層は、１０μｍ以下の厚みおよび２０以上の比誘電率を各々有する、電歪センサが提供される。

本発明の上記電歪センサは、第１の電歪材料層およびその両面に各々配置された一対の電極より構成される第１の電歪素子と、第２の電歪材料層およびその両面に各々配置された一対の電極より構成される第２の電歪素子と、これら電歪素子間に挟持された基材とを含む受感部を用いたものである。かかる受感部は、バイモルフ構造を有する電歪素子（より詳細には、２つの電歪素子を基材を介して接合した構造体）である。

本発明の上記電歪センサによれば、上記受感部を用いているので、受感部が外力の作用を受けることにより変形したときに、第１の電歪素子の変形に応じて第１の静電容量が変化し、また、第２の電歪素子の変形に応じて第２の静電容量が変化する。第１および第２の電歪素子は、それらの間に基材が存在するために異なる変形を生じ、よって、第１および第２の静電容量の変化も異なることとなる。この相違を利用することにより、第１および第２の静電容量の測定値から、受感部に対する外力の作用の大きさを検知することができる。そして、本発明の上記電歪センサによれば、第１および第２の電歪材料層が、１０μｍ以下の厚みおよび２０以上の比誘電率を各々有するので、第１および第２の静電容量を比較的大きくすることができ、第１および第２の静電容量の各測定値から、受感部に対する外力の作用の大きさを精度良く求めることができ、その結果、小型で軽量、かつ可撓性のセンサを実現することが可能となった。かかる本発明の電歪センサは、受感部が変形状態を維持している限り、各静電容量の値は変化しないので、時間が経過してもセンサの感度が低下することはないという利点を有する。

本発明の１つの態様において、受感部に外力が作用していない状態下で、第１および第２の電歪素子は、互いに略等しい電歪材料層厚さおよび比誘電率ならびに電極面積を有する。かかる態様によれば、第１および第２の電歪素子が等価な条件を有するので、受感部に対する外力の作用の大きさを比較的簡単に算出することができる。なお、本発明において、２つの数値が「互いに略等しい」とは、これら数値の平均値に対する、これら数値の差の絶対値の割合が１０％以下、好ましくは０〜５％であることを意味する。

本発明の１つの態様において、受感部が一端にて固定され、電歪センサは、受感部の各電極に接続された引出し線を通じて第１および第２の静電容量を測定する測定部と、測定部から第１および第２の静電容量の各測定データを受け取り、該各測定データから、受感部の他端での変位量を算出する演算部とを更に有する。かかる態様における電歪センサは、センサシステムとしても理解され得、受感部に測定部および演算部を組み合わせて用いることにより、一端で固定された受感部が外力の作用を受けて変形したときの他端での変位量を電気的信号処理により算出することができる。よって、本発明の電歪センサは変位センサとして利用可能である。

本発明の上記態様において、演算部は、第１および第２の静電容量の各測定データから、第１および第２の電歪材料層の少なくとも一方の比誘電率を算出し、比誘電率の算出データから、受感部の周囲温度を算出する機能を更に有していてよい。電歪材料層の静電容量は、温度依存性を示すので、第１および第２の静電容量の測定値から、受感部の周囲温度を検知することができる。よって、本発明の電歪センサは温度センサとしても利用可能である。

しかしながら、本発明の電歪センサは、測定部および演算部を必ずしも予め有していなくてよい。例えば、別途、静電容量を測定可能な任意の測定器を用いて、受感部の各電極に接続された引出し線を通じて第１および第２の静電容量を測定し、その測定値から、受感部の他端での変位量および必要な場合には受感部の周囲温度をマニュアルで（即ち、ユーザ自身が）算出してもよい。よって、この場合にも、本発明の電歪センサは変位センサとして利用可能であり、また、温度センサとしても利用可能である。

本発明によれば、電歪素子の変形により静電容量変化を生じる電歪センサであって、時間が経過しても感度が低下しない電歪センサが提供される。

本発明の１つの実施形態における電歪センサを示す概略断面図であって、図１（ａ）は受感部に外力が作用していない状態（無負荷状態）、図１（ｂ）は受感部に外力が作用している状態（負荷状態）を示す。 本発明の１つの実施形態における電歪センサの使用方法を説明するための図であって、変形後の電歪材料層１の幾何的配置を示す図である。 電歪材料Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）の比誘電率の温度特性を示すグラフである。

本発明の２つの実施形態における電歪センサについて、以下、図面を参照しながら詳述する。

（実施形態１）
本実施形態は、受感部を有する電歪センサを、外部（いわゆる外付け）の静電容量測定器に接続して用いる態様に関する。

図１を参照して、本実施形態の電歪センサ４０は、第１の電歪材料層１および第１の電歪材料層１の両面に各々配置された一対の電極３ａ、３ｂより構成される第１の電歪素子１０と、第２の電歪材料層１１および第２の電歪材料層１１の両面に各々配置された一対の電極１３ａ、１３ｂより構成される第２の電歪素子２０と、第１および第２の電歪素子１０、２０間に挟持された基材２５とを含む受感部３０を有する。第１の電歪材料層１の一対の電極３ａ、３ｂ間における第１の静電容量Ｃ_１および第２の電歪材料層１１の一対の電極１３ａ、１３ｂ間における第２の静電容量Ｃ_２をそれぞれ測定可能なように、各電極３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂには引出し線５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂが接続される。

電歪素子１０、２０において、第１の電歪材料層１の厚さｄ_１および第２の電歪材料層１１の厚さｄ_２は、いずれも１０μｍ以下とし、例えば１〜１０μｍとし得る。第１の電歪材料層１の比誘電率ε_ｒ１および第２の電歪材料層１１の比誘電率ε_ｒ２は、いずれも２０以上とし、例えば４０〜５０とし得る。厚さが厚く、比誘電率が小さいと、静電容量は小さく、例えば数十ｐＦとなり、浮遊容量にまぎれてしまって、静電容量を精度良く測定することが困難になる。これに対し、厚さ１０μｍ以下および比誘電率２０以上とすると、例えば電極面積１００ｍｍ^２以上で、静電容量は１ｎＦ以上となり、静電容量の変化量は１００ｐＦ以上となるので、高精度のセンサが実現される。

電歪素子１０、２０において、電歪材料層１、１１は、高分子電歪材料から形成される。高分子電歪材料は、永久双極子を有し、かつ、２０以上の比誘電率を示す高分子材料であれば、特に限定されない。高分子電歪材料の例としては、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＤＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＡ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＨＦＰ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＶＣ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＶＦ）などのターポリマーが挙げられる（Ｐはポリを、ＶＤＦはビニリデンフルオライドを、ＴｒＦＥはトリフルオロエチレンを、ＣＦＥはクロロフルオロエチレンを、ＣＴＦＥはクロロトリフルオロエチレンを、ＣＤＦＥはクロロジフルオロエチレンを、ＨＦＡはヘキサフルオロアセトンを、ＨＦＰはヘキサフルオロプロピレンを、ＶＣはビニルクロライドを、ＶＦはビニルフルオライドを意味する）。なかでも、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）が、大きな歪みが得られる点で特に好ましい。電歪材料層１、１１は、使用する高分子電歪材料および厚さが、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。

また、電歪素子１０、２０において、一対の電極３ａ、３ｂは、互いに略等しい面積Ｓ_１を有するものとし、一対の電極１３ａ、１３ｂは、互いに略等しい面積Ｓ_２を有するものとする。一対の電極３ａ、３ｂの面積Ｓ_１および一対の電極１３ａ、１３ｂの面積Ｓ_２は、特に限定されないが、いずれも、例えば１００ｍｍ^２以上、好ましくは１００〜１０００ｍｍ^２とし得る。電極３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂは、静電容量Ｃ_１、Ｃ_２を適切に測定し得るように、電歪材料層１、１１の各面をそれぞれ全面被覆していることが好ましい。電極３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂの厚さは、適宜設定してよいが、例えば２０ｎｍ〜１０μｍ程度とし得る。

電極３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂは、電極として機能し得る限り、任意の適切な導電性材料から形成してよい。かかる導電性材料の例としては、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｐｔ−Ｐｄ（白金−パラジウム合金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）、Ａｕ−Ｐｄ（金パラジウム合金）などの金属材料、ＰＥＤＯＴ（ポリエチレンジオキシチオフェン）、ＰＰｙ（ポリピロール）、ＰＡＮＩ（ポリアニリン）などの有機導電性材料などが挙げられる。このうち、有機導電性材料は、クラックが導入され難いので好ましい。電極３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂは、使用する導電性材料および厚さが、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。

電歪素子１０、２０間に挟持される基材２５の面積は、一対の電極３ａ、３ｂの面積Ｓ_１および一対の電極１３ａ、１３ｂの面積Ｓ_２と同等以上とする（図示する態様では、基材２５の周縁部が電歪素子１０、２０で覆われずに露出しているが、このことは本発明に必須ではない）。基材２５の厚さは適宜設定してよいが、例えば数μｍ〜１００μｍ程度とし得る。

基材２５は、任意の適切な可撓性材料から形成してよい。かかる可撓性材料の例としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、セロファン、塩化ビニル、ポリイミド、ポリエステルなどが挙げられる。また、基材２５は、上述したような電歪材料から形成してもよい。

受感部３０は、全体として可撓性を有し、外力の作用を受けることにより変形可能である。受感部３０に外力が作用する限り、受感部３０をどのように配置して用いてもよいが、典型的には、図示するように、受感部３０をその一端３０ａにて固定し、他端３０ｂをフリーにして、受感部３０の他端３０ｂに外力が効率的に作用するように用いられる（図１（ｂ）に示す態様では、受感部３０の他端３０ｂ付近に対して、矢印Ａにて示す方向に外力を作用させている）。しかしながら、受感部３０への外力の作用の仕方は、これに限定されず、例えば、電歪素子１０、２０のいずれかの面に亘って外力が作用してもよい。

そして、受感部３０の電歪素子１０、２０が変形することにより、静電容量Ｃ_１、Ｃ_２がそれぞれ変化する。電歪素子１０、２０は、それらの間に基材２５が存在するために異なる変形を生じる。例えば、図１（ｂ）に示すように受感部３０が曲がった場合には、基材２５の片面側にある電歪素子１０は縮むように変形し、もう片面側にある電歪素子２０は伸びるように変形する。この結果、静電容量Ｃ_１、Ｃ_２は異なる変化を示すこととなる。

次に、かかる電歪センサ４０の製造方法について説明する。

まず、２つの電歪素子１０、２０を準備する。
電歪素子１０は、電歪材料層１と、電歪材料層１の両面に各々配置された２つの電極３ａ、３ｂとにより構成される。このような電歪素子１０は、例えば以下のようにして作製可能である。電歪材料層１の両面に電極３ａ、３ｂを形成する。電極材料に金属材料を用いる場合には、蒸着またはスパッタリングなどによって電極を形成できる。電極材料に有機導電性材料を用いる場合には、シルクスクリーン印刷、インクジェット印刷、刷毛塗布などによって電極を形成できる。図示するように、電極３ａ、３ｂは電歪材料層１の全面にそれぞれ形成されることが好ましい。
電歪素子２０は、電歪材料層１１と、電歪材料層１１の両面に各々配置された２つの電極１３ａ、１３ｂとにより構成される。このような電歪素子２０は、電歪素子１０と同様にして作製可能である。

次に、基材２５の両面に、上記のようにして得られた電歪素子１０、２０を接合させる。この接合は、例えば、熱硬化型または紫外線硬化型などの接着剤を用いて実施できる。

以上により、受感部３０が作製される。しかしながら、受感部３０の作製方法はかかる例に限定されず、例えば、基材２５の上に電極３ａ、１３ａを予め形成しておき、その電極３ａ、１３ａの上に電歪材料を塗布またはキャスティングすることにより電歪材料層１、１１をそれぞれ形成し、更に、その電歪材料層１、１１の上に電極３ｂ、１３ｂをそれぞれ形成してもよい。

加えて、受感部３０の電極３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂに引出し線５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂをそれぞれ接続する。引出し線５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂの接続は、任意の適切なタイミングで実施してよく、電歪素子１０、２０を基板２５に接合する前および後のいずれであってもよい。

以上のようにして、電歪センサ４０が製造される。電歪センサ４０は、静電容量を測定可能な任意の測定器に引出し線５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂを接続し、受感部３０の一端３０ａを壁面３１に固定して使用される。かかる静電容量測定器としては、例えば、市販のＬＣＲメータを使用できるほか、インバータを組み込んだ発振回路を用い、その周波数に基づいて静電容量を測定する方法や、一方の電極から一定時間に亘って一定電流を流しこみ、その時の電極間の電圧変化に基づいて静電容量を測定する方法などを採用した測定器を用いることができる。

電歪センサ４０は、受感部３０に可撓性の（柔らかい）電歪素子１０、２０および基材２５を用いているため、耐衝撃性が高く、壊れにくいという利点がある。また、かかる電歪素子１０、２０を用いた電歪センサ４０は、小型で軽量であるという利点もある。

次に、電歪センサ４０の使用方法（動作）の例について説明するが、本発明の電歪センサは、かかる使用方法に限定されるものではない。

・変位センサとしての使用
電歪センサ４０は、変位量を測定する変位センサとして使用することができる。電歪センサ４０は、受感部３０に外力が作用していない状態（無負荷状態）では、図１（ａ）に示す形態を取っており、受感部３０に外力を作用させると（負荷状態）、図１（ｂ）に示すように変形する。このときの、受感部３０の他端３０ｂにおける変位量ｘは、変形後の電歪材料層１の静電容量Ｃ_１および電歪材料層１１の静電容量Ｃ_２を測定することにより算出することができる。以下、その方法についてより詳細に説明する。

図１（ａ）を参照して、電歪素子１０、２０において、厚さｄ_１、ｄ_２、電極面積Ｓ_１、Ｓ_２、比誘電率ε_ｒ１、ε_ｒ２はそれぞれ異なっていてもよいが、受感部３０の他端３０ｂでの変位量（および後述する受感部３０の周囲温度）の算出を簡単にするためには、互いに略等しいことが好ましい。この使用例においては、受感部に外力が作用していない状態下で、ｄ_１＝ｄ_２＝ｄ、Ｓ_１＝Ｓ_２＝Ｓ、ε_ｒ１＝ε_ｒ２＝ε_ｒ（Ｔ）とする。なお、比誘電率ε_ｒ１、ε_ｒ２は温度依存性があるが、電歪材料層１、１１に同じ材料を使用すれば、同じ温度特性を示す。本明細書において、任意温度Ｔ（℃）での比誘電率ε_ｒをε_ｒ（Ｔ）にて示すものとする。

このとき、静電容量測定器を用いて（後述する実施形態２では測定部により）、電歪材料層１の静電容量Ｃ_１および電歪材料層１１の静電容量Ｃ_２（Ｃ_１＝Ｃ_２＝Ｃ_０）を測定しておいてよい。

ここで、受感部３０に外力が作用していない状態での、受感部３０の周囲温度ＴがＴ_０（℃）であるとすると、以下の式（１）が成立し、静電容量Ｃ_０を測定すれば、比誘電率ε_ｒ（Ｔ_０）を算出することができる。

式中、
Ｃ_０は、温度Ｔ_０での、変形前の電歪材料層１の静電容量Ｃ_１（Ｆ）および電歪材料層１１の静電容量Ｃ_２（Ｆ）
ε_０は、真空の誘電率（＝８．８５４×１０^−１２Ｆ／ｍ）
ε_ｒ（Ｔ_０）は、温度Ｔ_０（℃）での、電歪材料層１、１１の比誘電率（−）
Ｓは、電極３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂの面積（ｍ^２）
ｄは、電歪材料層１、１１の初期厚さ（ｍ）
をそれぞれ意味する。

次に、図１（ｂ）を参照して、受感部３０に外力を矢印Ａにて示す方向に作用させると、可撓性の受感部３０は外力に応じて変形し、典型的には図示するように円弧状に、第１の電歪素子１０を内側に、第２の電歪素子２０を外側にして湾曲する。この結果、電歪材料層１の厚さｄ_１がΔｄだけ増加し（ｄ_１＝ｄ＋Δｄ）、電歪材料層１１の厚さｄ_２がΔｄだけ減少した（ｄ_２＝ｄ−Δｄ）ものと仮定する。厚さｄ_１、ｄ_２に対して電極面積Ｓ_１、Ｓ_２は十分大きいため、電極面積Ｓ_１、Ｓ_２は変化しないと見なせる（Ｓ_１＝Ｓ_２＝Ｓ）。

ここで、受感部に外力が作用している状態での、受感部３０の周囲温度Ｔを任意温度Ｔ（℃）（上記温度Ｔ_０と同じであっても、ΔＴだけ異なっていてもよい）とすると、以下の式（２）、（３）が成立し、これらから以下の式（４）が導かれる。

式中、
Ｃ_１’は、温度Ｔ（℃）での、変形後の電歪材料層１の静電容量Ｃ_１（Ｆ）
Ｃ_２’は、温度Ｔ（℃）での、変形後の電歪材料層１１の静電容量Ｃ_２（Ｆ）
ε_ｒ（Ｔ）は、温度Ｔ（℃）での、電歪材料層１、１１の比誘電率（−）
Δｄは、電歪材料層１、１１の厚さの変化量（ｍ）
をそれぞれ意味し、その他の記号は特に断りのない限り上記の通りである（以下も同様とする）。

よって、式（４）より、変形後の静電容量Ｃ_１’、Ｃ_２’の値を静電容量測定器（後述する実施形態２では測定部）により測定すれば、Δｄが算出される。このことは、変形後の周囲温度Ｔ（℃）がどのような温度であっても（換言すれば、温度Ｔが変形前の温度Ｔ_０と同じであるか、ΔＴだけ異なっているかにかかわらず）同様に当て嵌まる。

そして、電歪材料層１の長さ方向の歪みｓ_１は、厚さ方向の歪みの１／２と考えて差し支えないので、以下の式（５）が導かれる。

式中、
ｓ_１は、電歪材料層１の変形による長さ方向の歪み（−）
を意味する。

次に、図１（ｂ）を参照して、受感部３０の他端３０ｂにおける変位量ｘは、電歪材料層１の変形側端部における変位量ｘ_１および電歪材料層１１の変形側端部における変位量ｘ_２に等しいとみなして差し支えない。

電歪材料層１に着目し、厚さｄ_１＝ｄおよび長さＬ_１＝Ｌ_０であった電歪材料層１が、図２に示すように、上記のように厚さｄ_１＝ｄ＋Δｄに変化した上、電歪材料層１の中心線上にて長さＬ_０を保持したままで内側曲率半径Ｒおよび中心角θで円弧状に変形したと仮定する。更に、変形前の電歪材料層１の中心線が直線ＢＤに一致すると仮定し、直線ＢＤの長さをＬ_０と仮定する。かかる仮定の下、電歪材料層１の変位量ｘ_１は、直角三角形ＣＤＢの辺ＣＤの長さに一致することとなる。図２に示す幾何的配置から角度θ’＝θ／２であるので、θ／２が十分に小さいとき、変位量ｘ_１は以下の式（６）のように近似できる。

式中、
ｘ_１は、電歪材料層１の変形側端部における変位量（ｍ）
Ｌ_０は、電歪材料層１の初期長さ（ｍ）
θは、円弧状に湾曲した電歪材料層１の中心角（−）
をそれぞれ意味する。

他方、電歪材料層１の変形による長さ方向の歪みｓ_１は、電歪材料層１の長さの変化量ΔＬ_０が、電歪材料層１の変形後の内側円弧長さと外側円弧長さの差に等しいと仮定した場合、以下の式（７）で示される。

式中、
ｓ_１は、電歪材料層１の変形による長さ方向の歪み（−）
Ｌ_０は、電歪材料層１の初期長さ（ｍ）
ΔＬ_０は、電歪材料層１の長さの変化量（ｍ）
Ｒは、電歪材料層１の変形後の内側曲率半径（ｍ）
ｄは、電歪材料層１の初期厚さ（ｍ）
Δｄは、電歪材料層１の厚さの変化量（ｍ）
θは、円弧状に湾曲した電歪材料層１の中心角（−）
をそれぞれ意味する。

そして、上記の式（６）、（７）よりθを消去して、以下の式（８）が導かれる。

歪みｓ_１は、この式（８）で表わされると共に、上記の式（５）によっても表わされることから、式（５）、（８）よりｓ_１を消去して、以下の式（９）が導かれ、Δｄがｄに比べて十分に小さいとき、以下の式（１０）で近似される。

よって、式（９）および（１０）より、上記の式（４）より算出されるΔｄを用いれば、電歪材料層１の変形側端部における変位量ｘ_１が算出され、ひいては、受感部３０の他端３０ｂにおける変位量ｘが算出される。

以上、電歪材料層１に着目したが、電歪材料層１１に着目すれば、同様にして、以下の式（９’）が導かれ、式（１０’）で近似される。

式中、
ｘ_２は、電歪材料層１１の変形側端部における変位量（ｍ）、
ｓ_２は、電歪材料層１１の変形による長さ方向の歪み（−）
ｄは、電歪材料層１１の初期厚さ（ｍ）
Δｄは、電歪材料層１１の厚さの変化量（ｍ）
をそれぞれ意味する。

よって、式（９’）および（１０’）より、上記の式（４）より算出されるΔｄを用いれば、電歪材料層１の変形側端部における変位量ｘ_２が算出され、ひいては、受感部３０の他端３０ｂにおける変位量ｘが算出される。

電歪材料層１、１１のいずれに着目するにせよ、式（１０）および式（１０’）の右辺は等しくなる。よって、上記の式（４）より算出されるΔｄを用いれば、以下の式（１１）より、受感部３０の他端３０ｂにおける変位量ｘを算出することができる。

・温度センサとしての使用
電歪センサ４０は、温度を測定する温度センサとして使用することができる。上述の通り、電歪センサ４０は、受感部３０に外力が作用していない状態（無負荷状態）では、図１（ａ）に示す形態を取っており、受感部３０に外力を作用させると（負荷状態）、図１（ｂ）に示すように変形する。このときの、受感部３０の周囲温度Ｔは、変形後の電歪材料層１の静電容量Ｃ_１および電歪材料層１１の静電容量Ｃ_２を測定することにより算出（または推定）することができる。以下、その方法についてより詳細に説明する。

受感部に外力が作用している状態での、受感部３０の周囲温度Ｔが未知温度Ｔ（℃）であるとする。上記の式（２）、（３）は、以下の式（１２）、（１３）に変形される。

よって、式（１２）、（１３）より、静電容量Ｃ_１’、Ｃ_２’の値を測定し、上記の式（４）よりΔｄが算出されれば、ε_ｒ（Ｔ）を算出することができる。ε_ｒ（Ｔ）を算出するのに、式（１２）、（１３）のいずれによってもよく、多少の差が生じても誤差範囲である。

電歪材料の比誘電率は、材料組成によって異なる温度依存性を示す。例えば、電歪材料としてＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）を用いた場合、その比誘電率の温度特性は表１および図３に示す通りである。図３から理解されるように、比誘電率は、少なくとも０〜５０℃の温度範囲において直線近似が可能である（図３中に示す回帰直線に関し、ｘは温度（℃）、ｙは比誘電率（−）、Ｒ^２は決定係数を意味する）。

よって、式（１２）および／または（１３）から、比誘電率ε_ｒ（Ｔ）が算出されれば、これを図３中に示す回帰直線式に代入して、変形後の受感部３０の周囲温度Ｔ（℃）を算出することができる。図３に示すグラフそのものから、変形後の受感部３０の周囲温度Ｔ（℃）を目視で見積もってもよい。

以上より、電歪センサ４０は、変位センサとして使用可能であり、また、温度センサとしても使用可能である。かかる電歪センサ４０は、小型で軽量、かつ可撓性のセンサであり、時間が経過してもセンサの感度が低下しないという利点がある。

（実施形態２）
本実施形態は、電歪センサが、受感部に加えて、静電容量測定部および演算部を予め有している（内蔵している）態様に関する。

本実施形態の電歪センサは、実施形態１にて図１を参照して上述した受感部３０に加えて、受感部３０の電極３ａ、３ｂに接続された引出し線５ａ、５ｂを通じて電歪材料層１の静電容量Ｃ_１を測定し、および電極１３ａ、１３ｂに接続された引出し線１５ａ、１５ｂを通じて電歪材料層１１の静電容量Ｃ_２を測定する測定部（図１に示さず）と、測定部から静電容量Ｃ_１、Ｃ_２の各測定データを受け取り、該各測定データから、受感部３０の他端３０ｂでの変位量を算出する演算部（図１に示さず）とを更に有する。

かかる測定部には、静電容量を測定可能な任意の適切な方法を採用してよく、例えば、インバータを組み込んだ発振回路を用い、その周波数に基づいて静電容量を測定する方法や、一方の電極から一定時間に亘って一定電流を流しこみ、その時の電極間の電圧変化に基づいて静電容量を測定する方法などを採用できる。

また、演算部は、例えばプロセッサ、メモリ、その他の電気信号処理を行なうために使用される部材を用いて適宜構成することができる。演算部における演算方法は、実施形態１にて受感部３０の他端３０ｂにおける変位量ｘを算出する方法および受感部３０の周囲温度を算出する方法について詳述したのと同様のステップに従って実施することができるが、これに限定されない。

更に、本実施形態の電歪センサは、各部材（受感部、測定部、演算部など）の動作を制御する制御部や、各種データを視覚的に表示するディスプレイなどのインタフェースなどを備えていてもよい。

以上、本発明の２つの実施形態における電歪センサおよびその使用方法について詳述したが、本発明は種々の改変が可能であろう。

例えば、実施形態１および２では、変位および温度を感知するために、電歪センサを所定の条件（例えばｄ_１＝ｄ_２＝ｄ、ε_ｒ１＝ε_ｒ２＝ε_ｒ（Ｔ）、Ｓ_１＝Ｓ_２＝Ｓなど）下にて使用する場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、第１および第２の静電容量の測定値から、受感部に対する外力の作用の大きさを検知する限り、任意の適切な条件下にて、様々な物理量を検知するために使用可能である。

よって、本発明の電歪センサは、変位センサおよび温度センサのほか、種々のセンサに利用可能である。本発明の電歪センサは、例えば、位置センサ、速度センサ、加速度センサ、圧力センサ、角度センサ、流速センサ、歪みセンサ、曲げセンサ、触覚センサなどとして利用可能である。具体的には、変位または位置センサは、ロボットや機械の制御または緊急停止などの用途に使用され得る。速度または加速度センサは、エアバッグ作動等の自動車、ゲーム機コントローラ、携帯電話または携帯情報端末、各種ロボット、手ぶれ防止等のためのカメラ、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）、構造物の振動検知装置などの用途に使用され得る。圧力センサは、侵入物検出、ロードセル、障害物検出、衝突時等の非常作動、マイク、ソナー、カメラ等の精密機器スイッチ、電子楽器等のキーボード、ＭＥＭＳなどの用途に使用され得る。角度センサは、ポテンショメータ、ロータリーエンコーダなどの用途に使用され得る。流速センサは、風速計、水流計、発電機などの用途に使用され得る。歪みセンサは、荷重計などの用途に使用され得る。曲げセンサは、人工筋肉などの用途に使用され得る。触覚センサは、人工皮膚などの用途に使用され得る。温度センサは、温度計、種々の装置の温度制御または緊急停止などの用途に使用され得る。

本実施例は、図１〜３を参照して上述した実施形態１の実施例である。

まず、電歪材料層として、厚さ１２μｍ、幅１０．６ｍｍ、長さ２０ｍｍのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）から成る層を用い、その両面にＡｌを蒸着して、厚さ２０ｎｍのＡｌ電極をそれぞれ形成して、電歪素子を得た。かかる電歪素子を２つ作製し、厚さ３８μｍのＰＥＴから成る基材を、熱硬化型の接着剤を用いて接合した。これにより、受感部を作製し、本実施例の電歪センサを得た。
次に、電歪センサの受感部の２つの電歪素子の各一対の電極にそれぞれ引出し線を接続し、受感部の一端を壁面に熱硬化型の接着剤を用いて接合し、図１（ａ）に示すように、壁面から受感部を吊り下げた。

受感部の周囲温度２０℃にて、受感部に外力が作用していない状態で、基材の両側に位置する電歪材料層の静電容量Ｃ_１、Ｃ_２を測定すると、いずれも７．４０ｎＦ（Ｃ_０）であった。ここで、上記の式（１）から比誘電率ε_ｒ（２０℃）を求めたところ、約４７であった。

その後、受感部の周囲温度を変化させずに、図１（ｂ）に示すように、受感部の他端３０ｂ付近に対して、矢印Ａにて示すように横方向に押圧力を加えることによって外力を作用させた。これにより、受感部は円弧状に曲がり、図２に示す中心角θは１５°であった。この状態のまま、基材の両側に位置する電歪材料層の静電容量Ｃ_１、Ｃ_２を測定すると、内側の電歪材料層の静電容量は７．３９ｎＦ（Ｃ_１’（２０℃））であり、外側の電歪材料層の静電容量は７．４１ｎＦ（Ｃ_２’（２０℃））であった。

ここで、上記の式（４）より、電歪材料層の厚さの変化量Δｄを求めたところ、約０．０１６μｍであった。これは、電歪材料層の厚みｄ＝１２μｍに対して０．０１６μｍ変化したことを意味する。そして、上記の式（５）より、電歪材料層の長さ方向の歪みｓ_１（＝ｓ_２）を求めたところ、約０．０００６７であった。また、上記の式（１１）より、受感部の他端における変位量ｘを求めたところ、１１ｍｍであった。

次に、このように受感部を曲げた状態を維持しながら、周囲温度を３０℃（ΔＴ＝１０℃）として、基材の両側に位置する電歪材料層の静電容量Ｃ_１、Ｃ_２を測定すると、内側の電歪材料層の静電容量は７．６９ｎＦ（Ｃ_１’（３０℃））であり、外側の電歪材料層の静電容量は７．７１ｎＦ（Ｃ_２’（３０℃））であった。なお、このときの静電容量の温度による変化量は、先の静電容量の測定値より０．３ｎＦ（＝Ｃ_１’（３０℃）−Ｃ_１’（２０℃）＝Ｃ_２’（３０℃）−Ｃ_２’（２０℃））となり、静電容量の温度による変化割合は約４％となる。

ここで、上記の式（１２）、（１３）より、電歪材料層の比誘電率ε_ｒ（３０℃）を求めたところ、いずれも約４９であった。

図３より、比誘電率４９に対応する温度は、約３０℃であることがわかる。これにより、本実施例の電歪センサで感知された温度が、実際の周囲温度にほぼ等しいことが確認された。

本発明の電歪センサは、特に制限されるものではないが、変位センサおよび温度センサとして利用され得、更に、例えば位置センサ、速度センサ、加速度センサ、圧力センサ、角度センサ、流速センサ、歪みセンサ、曲げセンサ、触覚センサなどとして幅広く利用され得る。

１、１１ 電歪材料層
３ａ、３ｂ、１３ａ、１３ｂ 電極
５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂ 電極
１０、２０ 電歪素子
２５ 基材
３０ 受感部
３０ａ 一端
３０ｂ 他端
３１ 壁面
４０ 電歪センサ
Ａ 外力の作用方向
ｄ_１、ｄ_２ 厚さ
Ｌ_１、Ｌ_２ 長さ
ｘ、ｘ_１、ｘ_２ 変位

Claims (4)

1. 電歪素子の変形により静電容量変化を生じる電歪センサであって、
   第１の電歪材料層および第１の電歪材料層の両面に各々配置された一対の電極より構成される第１の電歪素子と、第２の電歪材料層および第２の電歪材料層の両面に各々配置された一対の電極より構成される第２の電歪素子と、第１および第２の電歪素子間に挟持された基材とを含む受感部を有し、
   受感部は、外力の作用を受けることにより変形可能であり、
   第１の電歪材料層の一対の電極間における第１の静電容量および第２の電歪材料層の一対の電極間における第２の静電容量をそれぞれ測定可能なように、各電極に引出し線が接続され、
   第１および第２の電歪材料層は、１０μｍ以下の厚みおよび２０以上の比誘電率を各々有する、電歪センサ。
2. 受感部に外力が作用していない状態下で、第１および第２の電歪素子は、互いに略等しい電歪材料層厚さおよび比誘電率ならびに電極面積を有する、請求項１に記載の電歪センサ。
3. 受感部が一端にて固定され、電歪センサは、受感部の各電極に接続された引出し線を通じて第１および第２の静電容量を測定する測定部と、測定部から第１および第２の静電容量の各測定データを受け取り、該各測定データから、受感部の他端での変位量を算出する演算部とを更に有する、請求項１または２に記載の電歪センサ。
4. 演算部は、第１および第２の静電容量の各測定データから、第１および第２の電歪材料層の少なくとも一方の比誘電率を算出し、比誘電率の算出データから、受感部の周囲温度を算出する機能を更に有する、請求項３に記載の電歪センサ。

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