JP5799640B2 - 電歪センサ - Google Patents
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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。
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。
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C1および電歪材料層11の静電容量C2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。
C0は、温度T0での、変形前の電歪材料層1の静電容量C1(F)および電歪材料層11の静電容量C2(F)
ε0は、真空の誘電率(=8.854×10−12F/m)
εr(T0)は、温度T0(℃)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(m2)
dは、電歪材料層1、11の初期厚さ(m)
をそれぞれ意味する。
C1’は、温度T(℃)での、変形後の電歪材料層1の静電容量C1(F)
C2’は、温度T(℃)での、変形後の電歪材料層11の静電容量C2(F)
εr(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)。
s1は、電歪材料層1の変形による長さ方向の歪み(−)
L0は、電歪材料層1の初期長さ(m)
ΔL0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。
x2は、電歪材料層11の変形側端部における変位量(m)、
s2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。
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C1および電歪材料層11の静電容量C2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。
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。
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。
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
d1、d2 厚さ
L1、L2 長さ
x、x1、x2 変位
Claims (4)
- 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、同じ材料から成り、1〜10μmの厚み、40〜50の比誘電率および100〜1000mm 2 の電極面積を各々有し、受感部が外力の作用を受けて変形したときに第1の電歪材料層と第2の電歪材料層とで異なる静電容量変化を示し、当該異なる静電容量変化に基づいて受感部に対する外力の作用の大きさが求められる、電歪センサ。 - 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。
- 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。
- 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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