JP7367387B2 - 感圧システム、及び感圧方法 - Google Patents

Description

本発明は、感圧システム、及び感圧方法に関する。

特許文献１には、カーボンなどの導電体粒子を分散含有させ、荷重に応じて電気抵抗値が変化する感圧導電ゴムから成る荷重センサーが開示されている。この荷重センサーは、感圧導電ゴムを一対の電極で挟み込み、受けた荷重によって変化する抵抗値の変動を電圧値で計測することで、荷重を検出していた。

特開平１－１５０８２５号公報

しかしながら、従来技術のように、抵抗値に基づいて圧力を検出する感圧センサーでは、周囲環境による温度に対する抵抗値の温度特性が大きいため、圧力を精度良く求めることが困難であった。

感圧システムは、第１電圧波形を出力する電圧波形出力部と、前記電圧波形出力部と接続されて前記第１電圧波形を受信し、加えられた圧力に応じて前記第１電圧波形の位相が変動した第２電圧波形を出力する感圧部と、前記電圧波形出力部及び前記感圧部に接続され、前記第１電圧波形及び前記第２電圧波形を受信する検出部と、を備え、前記検出部は、前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相とに基づいて前記圧力を検出することを特徴とする。

上記の感圧システムにおいて、前記第１電圧波形の周波数は、前記感圧部における共振周波数であることが好ましい。

上記の感圧システムにおいて、前記検出部は、前記圧力を前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相との位相差に基づいて検出することが好ましい。

上記の感圧システムにおいて、前記検出部は、前記圧力を前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相との時間差に基づいて検出することが好ましい。

上記の感圧システムにおいて、前記感圧部は、第１電極と第２電極とを有し、前記第１電極及び前記第２電極は、櫛歯が互いに噛合って配置される櫛歯状電極であることが好ましい。

上記の感圧システムにおいて、前記感圧部は、シリコン基板であることが好ましい。

上記の感圧システムにおいて、前記感圧部は、一対の電極と、前記一対の電極に挟まれる導電性樹脂と、を有することが好ましい。

上記の感圧システムにおいて、前記検出部は、受信した前記第１電圧波形及び前記第２電圧波形の周波数を、低い周波数に変換する周波数変換回路を有することが好ましい。

感圧方法は、所定の電圧波形を出力する電圧波形出力部と、圧力を検知する感圧部と、前記電圧波形出力部及び前記感圧部からの出力信号に基づき圧力を検出する検出部とを有する感圧システムによる感圧方法であって、前記電圧波形出力部が第１電圧波形を出力する第１出力工程と、前記感圧部が前記第１電圧波形を受信し、加えられた前記圧力に応じて前記第１電圧波形の位相が変動した第２電圧波形を出力する第２出力工程と、前記検出部が前記第１電圧波形及び前記第２電圧波形を受信し、前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相とに基づいて前記圧力を検出する検出工程と、を含むことを特徴とする。

上記の感圧方法において、前記第１電圧波形の周波数は、前記感圧部における共振周波数であることが好ましい。

上記の感圧方法において、前記検出工程は、前記圧力を前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相との位相差に基づいて検出することが好ましい。

上記の感圧方法において、前記検出工程は、前記圧力を前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相との時間差によって検出することが好ましい。

上記の感圧方法において、前記検出工程は、受信した前記第１電圧波形及び前記第２電圧波形の周波数を、低い周波数に変換する周波数変換工程を含むことが好ましい。

実施形態１に係る感圧システムの構成を示すブロック図。 感圧部の構成を示す平面図。 図２におけるＡ－Ａ線での断面図。 第１電極指を拡大して説明するための断面図。 第１電極指を拡大して説明するための断面図。 感圧システムによる感圧方法を説明するフローチャート図。 各部から出力される信号波形を説明する図。 荷重と電圧との関係を示すグラフ。 感圧システムの温度依存性を示すグラフ。 実施形態２に係る感圧システムの構成を示すブロック図。 実施形態３に係る感圧システムの構成を示すブロック図。 実施形態４に係る感圧部の構成を示す断面図。

１．実施形態１
１－１．感圧システムの構成
図１は、実施形態１に係る感圧システムの構成を示すブロック図である。
感圧システム１００は、電圧波形出力部１０、感圧部２０及び検出部４０を備えている。

検出部４０は、周波数変換回路３０を有し、第１リミッター４１、第２リミッター４２、論理回路４３、低域通過フィルター４４、計測部４５を備える。周波数変換回路３０は、局部発振器３１、第１ミキサー３２、第１増幅器３３、第１フィルター３４、及び第２ミキサー３５、第２増幅器３６、第２フィルター３７を備える。

電圧波形出力部１０は、所定の周波数を有する第１電圧波形の信号を出力する基準信号発生器である。電圧波形出力部１０は、検出部４０が有する周波数変換回路３０の第１ミキサー３２と、感圧部２０とに接続される。
感圧部２０は、電圧波形出力部１０から第１電圧波形を受信し、感圧部２０に加えられた圧力に応じて第１電圧波形の位相が変動した第２電圧波形を出力する。感圧部２０は、検出部４０が有する周波数変換回路３０の第２ミキサー３５に接続される。
第１ミキサー３２及び第２ミキサー３５は、局部発振器３１と接続され、局部発振器３１から発振出力が入力される。

第１ミキサー３２は、電圧波形出力部１０から受信した第１電圧波形を有する所定の周波数の信号と、局部発振器３１で発振された周波数の信号とを合成した複数の周波数成分を含む信号を出力する。第１ミキサー３２は、第１増幅器３３を介して第１フィルター３４に接続される。第１フィルター３４は、所望の周波数成分を通過させる通過帯域フィルターであり、第１増幅器３３で増幅された複数の周波数成分を含む信号から、所定の周波数よりも低い、通過帯域内の所望の周波数成分を通過させ、通過帯域外の周波数成分を抑圧させた信号を出力する。

第２ミキサー３５は、感圧部２０から受信した第２電圧波形を有する所定の周波数の信号と、局部発振器３１で発振された周波数の信号とを合成した複数の周波数成分を含む信号を出力する。第２ミキサー３５は、第２増幅器３６を介して第２フィルター３７に接続される。第２フィルター３７は、所望の周波数成分を通過させる帯域通過型フィルターであり、第２増幅器３６で増幅された複数の周波数成分を含む信号から、所定の周波数よりも低い、通過帯域内の所望の周波数成分を通過させ、通過帯域外の周波数成分を抑圧させた信号を出力する。すなわち周波数変換回路３０は、所定の周波数の信号を所定の周波数よりも低い周波数の信号に変換する。なお、第１、第２フィルター３４，３７は、所定の周波数よりも低い所望の周波数成分を通過させ、所定の周波数よりも高い周波数成分を抑圧させる低域通過型フィルターであってもよい。

第１フィルター３４は、検出部４０の第１リミッター４１に接続される。第１リミッター４１は、波形整形回路であり、第１フィルター３４を通過した所望の周波数の信号の波形を整形した信号を出力する。第１リミッター４１は、論理回路４３に接続される。
第２フィルター３７は、検出部４０の第２リミッター４２に接続される。第２リミッター４２は、波形整形回路であり、第２フィルター３７を通過した所望の周波数の信号の波形を整形した信号を出力する。第２リミッター４２は、論理回路４３に接続される。

論理回路４３は、第１リミッター４１及び第２リミッター４２の双方から入力された信号を排他的論理和演算した信号を出力する。論理回路４３は、低域通過フィルター４４を介して計測部４５に接続される。論理回路４３から出力される信号は、第１電圧波形と第２電圧波形との位相の位相差に基づく信号である。計測部４５は、低域通過フィルター４４で積分された信号を計測する。上述したように、検出部４０は、第１電圧波形と第２電圧波形との位相の位相差に基づいて感圧部２０に加えられた圧力を検出する。

なお、本実施形態では、感圧システム１００の各部が１本の伝送線路で接続され、非平衡駆動するブロック図を示したが、感圧システムの少なくとも一部が２本の伝送線路で接続され、平衡駆動する感圧システムであってもよい。これにより、耐ノイズ性の高い感圧システムが得られる。

１－２．感圧部の構成
図２は、感圧部の構成を示す平面図である。図３は、図２におけるＡ－Ａ線での断面図である。図４及び図５は、第１電極指を拡大して説明するための断面図である。なお、図２では、説明の便宜上、図３に示す支持基板２５を透視して示している。また、図４は、感圧部２０に荷重が加わる前の状態を表し、図５は、感圧部２０に荷重が加わった後の状態を表している。また、図面に付記する座標において、Ｚ軸に沿う方向は後述する半導体基板２３の厚さ方向でありＺ軸の矢印方向を「上」とする。

図２及び図３に示すように、感圧部２０は、半導体基板２３と、半導体基板２３の一方の面である上面２３ａと接触して配置された第１、第２電極２１，２２と、第１、第２電極２１，２２を支持する支持基板２５と、半導体基板２３の他方の面である下面２３ｂに配置された絶縁膜２４と、絶縁膜２４を覆う第３電極２８とを有する。第１電極２１は、Ｙ軸に沿って延在するバスバー２１ｂからＸ軸に沿って伸びる複数の第１電極指２１ａを有する櫛歯状電極である。第２電極２２は、Ｙ軸に沿って延在するバスバー２２ｂからＸ軸に沿って伸びる複数の第２電極指２２ａを有する櫛歯状電極である。第１電極指２１ａ及び第２電極指２２ａは、櫛歯が互いに噛合うように離間した状態で配置される。バスバー２１ｂは、電圧波形出力部１０に接続される引出配線２６に接続され、バスバー２２ｂは、第２ミキサー３５に接続される引出配線２７に接続される。また、半導体基板２３は、導電性を有しており、この半導体基板２３を介して第１電極２１と第２電極２２とが電気的に接続される。

感圧部２０は、感圧部２０の厚さ方向に圧力としての荷重Ｎが加わると、第１電極２１と半導体基板２３の上面２３ａとの接触面積が、図４に示す荷重Ｎが加わらない状態の接触面積より、図５に示す荷重Ｎが加わった状態の接触面積の方が増大する。また、第２電極２２と半導体基板２３の上面２３ａとの接触面積も同様に増大する。第１電極２１および第２電極２２は、それぞれ、半導体基板２３の上面２３ａと結合力をもって接合されることなく接触している。このように、第１電極２１および第２電極２２を半導体基板２３の上面２３ａと結合力を有さずに接触していることにより、受けた荷重Ｎに応じて第１、第２電極２１，２２と半導体基板２３の上面２３ａとの接触面積が変化し易くなる。

第１電極２１、第２電極２２および第３電極２８の構成材料としては、特に限定されず、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等の各種金属、またはこれらのうちの少なくとも１種を含む合金等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いてもよい。本実施形態では、第１電極２１および第２電極２２は、それぞれ、銅（Ｃｕ）、その中でも、可撓性を有する銅箔で構成されている。半導体基板２３を構成するシリコン（Ｓｉ）のヤング率が１８５Ｇｐａ程度であるのに対して、銅（Ｃｕ）のヤング率は、１３０Ｇｐａ程度である。つまり、第１電極２１および第２電極２２は、半導体基板２３よりも柔らかく変形し易い。そのため、荷重Ｎが加わった際、第１電極２１および第２電極２２が半導体基板２３に対してより大きく変形して、第１、第２電極２１，２２と半導体基板２３の上面２３ａとの接触面積がより変化し易くなる。

本実施形態の半導体基板２３には、シリコン基板が用いられている。これにより、感圧部２０の機械的強度が増す。また、シリコン基板としては、単結晶シリコン基板を用いている。これにより、上述した効果がより顕著となる。なお、単結晶シリコン基板であれば、結晶方位は、限定されず、（１１０）単結晶シリコン基板、（１００）単結晶シリコン基板等を用いることができる。

なお、半導体基板２３としては、多結晶シリコン基板、アモルファスシリコン基板等、単結晶シリコン基板以外のシリコン基板を用いてもよい。多結晶シリコン基板やアモルファスシリコン基板は、単結晶シリコン基板と比べて安価であるため、これらを半導体基板２３として用いることにより、感圧部２０をより安価に製造することができる。また、半導体基板２３としては、シリコン基板以外の半導体基板、例えば、Ｇｅ基板、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体基板を用いてもよい。

第１電極２１および第２電極２２との接触面である半導体基板２３の上面２３ａの表面粗さは、特に限定されず、例えば、算術平均粗さＲａで１ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲内であることが好ましく、最大高さ粗さＲｚで１０ｎｍ以上４５００ｎｍ以下の範囲内であることが好ましい。これにより、荷重Ｎを受けた際に上面２３ａと第１、第２電極２１，２２との接触面積が変化し易くなる。なお、表面粗さＲａ、Ｒｚは、ＪＩＳ Ｂ ０６８１－６に準じた光干渉法により測定することができる。

半導体基板２３の厚さとしては、特に限定されないが、例えば、４００μｍ以上６００μｍ以下程度とすることができる。これにより、感圧部２０の過度な大型化を防ぎつつ、十分に機械的強度の高い感圧部２０が得られる。

図３に示すように、半導体基板２３の下面２３ｂは、絶縁膜２４を介して第３電極３８で覆われている。絶縁膜２４は、例えば、樹脂製の絶縁シートで構成され、本実施形態では、ポリイミドから構成された絶縁シートを用いている。第３電極３８は、グランド電極であり、接地されている。絶縁膜２４を設けることにより、半導体基板２３が第３電極３８と導通してしまうのを抑制することができる。なお、感圧部２０は、感圧部２０の設置される対象物に応じて、第３電極３８が形成されない構成や、絶縁膜２４及び第３電極３８が形成されない構成であってもよい。

支持基板２５は、第１、第２電極２１，２２の上側に設けられる。換言すると、第１、第２電極２１，２２は、半導体基板２３と支持基板２５との間に形成され、支持基板２５は、半導体基板２３に対して、第１電極２１および第２電極２２を支持している。また、第１、第２電極２１，２２が接続される引出配線２６，２７も同様に、半導体基板２３と支持基板２５との間に形成される。これにより、第１、第２電極２１，２２の電気的接続を、引出配線２６，２７を介して容易に引き出すことができる。

また、支持基板２５は、その外縁部において、図示しない接合部材を介して半導体基板２３の上面２３ａと接合されている。これにより、半導体基板２３に対して第１、第２電極２１，２２がずれたり、離脱したりするのを抑制することができる。支持基板２５は、硬質でも、軟質でもよいが、本実施形態では、可撓性を有するフレキシブルプリント配線基板が用いられている。これにより、支持基板２５の構成が簡単なものとなる。ただし、支持基板２５は、省略してもよい。

なお、本実施形態では、荷重Ｎが加わっていない状態において、第１、第２電極２１，２２が半導体基板２３の上面２３ａに接触している感圧部２０を例示したが、これに限定するものではない。感圧部は、例えば、荷重Ｎが加わっていない状態において、第１、第２電極２１，２２が半導体基板２３の上面２３ａから離間しており、荷重Ｎが加わると第１、第２電極２１，２２が半導体基板２３の上面２３ａと接触する構成であってもよい。
また、本実施形態では、受けた荷重Ｎが大きくなる程、第１、第２電極２１，２２と半導体基板２３との接触面積が増加する感圧部２０を例示したが、これに限定するものではない。感圧部は、受けた荷重Ｎが大きくなる程、第１、第２電極２１，２２と半導体基板２３との接触面積が減少する構成であってもよい。また、感圧部は、荷重Ｎが加わると、第１電極２１と半導体基板２３との接触面積、及び第２電極２２と半導体基板２３との接触面積のいずれか一方の接触面積が変化する構成であってもよい。

この様に構成された感圧部２０は、第１電圧波形を受信し、加えられた荷重Ｎに応じた第２電圧波形を出力する。詳しくは、感圧部２０に構成される第１、第２電極２１，２２は、様々な寄生容量を構成する。例えば、第１、第２電極２１，２２は、半導体基板２３及び絶縁膜２４を介した第３電極２８との間に並列容量を生じる。半導体基板２３の比誘電率は、空気の比誘電率よりも遥かに大きい。このため、感圧部２０の厚さ方向に荷重Ｎが加わると、第１、第２電極２１，２２と半導体基板２３との接触面積の増加に伴い比誘電率も増大し、並列容量が大きくなる。並列容量の変動は、感圧部２０に入力される第１電圧波形の位相を変動させる。すなわち、感圧部２０は、加えられた荷重Ｎに応じて、入力された第１電圧波形の位相を変動させた第２電圧波形を出力する。第３電極２８を設けた構成の感圧部２０は、感圧部２０の設置される対象物の影響を受けることなく安定した並列容量を形成するので、荷重Ｎの検出精度が向上する。

１－３．感圧方法
図６は、感圧システムによる感圧方法を説明するフローチャート図である。なお、図６におけるステップＳ１０３の周波数変換工程、及びステップＳ１０４の検波工程は、検出工程に相当する。換言すると、検出工程は、周波数変換工程を含んでいる。

ステップＳ１０１は、第１電圧波形を出力する第１出力工程としての第１電圧波形出力工程である。電圧波形出力部１０は、所定の周波数を有する第１電圧波形を出力する。所定の周波数は、感圧部２０における共振周波数であることが好ましい。共振周波数は、感圧部２０のインピーダンスが最も低くなる周波数である。本実施形態の感圧部２０の共振周波数は、５０ＭＨｚであり、電圧波形出力部１０は、例えば、周波数５０ＭＨｚ、振幅３Ｖの正弦波を第１ミキサー３２及び感圧部２０に出力する。

ステップＳ１０２は、第２電圧波形を出力する第２出力工程としての第２電圧波形出力工程である。感圧部２０は、電圧波形出力部１０から第１電圧波形を受信し、感圧部２０に加えられた荷重Ｎに応じて位相変動した第２電圧波形を第２ミキサー３５に出力する。

ステップＳ１０３は、所定の周波数を所定の周波数よりも低い周波数に変換する周波数変換工程である。局部発振器３１は、例えば、４７ＭＨｚの発振出力を第１ミキサー３２及び第２ミキサー３５に出力する。周波数変換回路３０は、第１電圧波形を第１ミキサー３２、第１増幅器３３及び第１フィルター３４を介して周波数変換する第１系統と、第２電圧波形を第２ミキサー３５、第２増幅器３６及び第２フィルター３７を介して周波数変換する第２系統と、を有している。２つの系統とも、周波数変換方法は同じであるので、以下では、第１系統での周波数変換について説明し、第２系統での周波数変換についての説明は省略する。

第１ミキサー３２は、周波数５０ＭＨｚの第１電圧波形と、周波数４７ＭＨｚの発振出力とから、加算された９７ＭＨｚの周波数成分と、減算された３ＭＨｚの周波数成分とを含む信号を第１増幅器３３に出力する。第１増幅器３３は、入力された信号を所定の利得に増幅し、第１フィルター３４に出力する。第１フィルター３４は、３ＭＨｚの周波数成分を通過させる帯域通過型フィルターであり、入力された信号から９７ＭＨｚの周波数成分や、不要な高調波などを含む通過帯域外の周波数成分を抑圧させ、３ＭＨｚの周波数成分を通過させた信号を出力する。第１フィルター３４から出力される信号は、第１電圧波形の位相が維持したまま３ＭＨｚに周波数変換された正弦波の信号である。同様に、第２フィルター３７から出力される信号は、第２電圧波形の位相が維持したまま３ＭＨｚに周波数変換された正弦波の信号である。このように、周波数変換回路３０は、受信した周波数５０ＭＨｚの第１電圧波形及び第２電圧波形の信号を周波数３ＭＨｚに周波数変換する。

ステップＳ１０４は、位相差に基づく信号を生成して検波する検波工程である。図７は、各部から出力される信号を説明する図である。図７の横軸は、時間Ｔを示し、図７の縦軸は、電圧Ｖを示す。図７には、最上段の第１段目から最下段の第４段目に向かって、第１リミッター４１の出力信号、第２リミッター４２の出力信号、論理回路４３の出力信号、及び低域通過フィルター４４の出力信号を、同一時間軸上に示している。

図７の第１段目に示す出力信号は、第１リミッター４１から出力され、論理回路４３に入力される信号を図示している。以下では、この信号を「第１出力信号」という。図７の第２段目に示す出力信号は、第２リミッター４２から出力され、論理回路４３に入力される信号を図示している。以下では、この信号を「第２出力信号」という。
第１リミッター４１は、第１フィルター３４から出力された正弦波の信号を二値化した矩形波の第１出力信号に変換する。第１出力信号の位相は、感圧部２０に入力された第１電圧波形の位相と同位相となる。
第２リミッター４２は、第２フィルター３７から出力された正弦波の出力を二値化した矩形波の第２出力信号に変換する。第２出力信号の位相は、感圧部２０から出力された第２電圧波形の位相と同位相となる。第２出力信号は、第１出力信号の位相に対して、感圧部２０に加えられた荷重Ｎに応じて位相遅れ又は位相進みした信号となる。

図７の第３段目に示す出力信号は、論理回路４３から出力され、低域通過フィルター４４に入力される信号を図示している。以下では、この信号を「第３出力信号」という。
論理回路４３は、入力された第１出力信号と第２出力信号とから排他的論理演算した第３出力信号を出力する。第３出力信号は、第１出力信号と第２出力信号との位相差に応じて時間軸の幅が異なる矩形波となる。

図７の第４段目に示す出力信号は、低域通過フィルター４４から出力され、計測部４５に入力される信号を図示している。以下では、この信号を「第４出力信号」という。
低域通過フィルター４４は、入力された第３出力信号を積分した第４出力信号を出力する。第４出力信号は、第１出力信号と第２出力信号との位相差に応じて電圧値の異なる直流電圧を表す。

計測部４５は、入力された第４出力信号の電圧を計測する。すなわち、計測部４５は、感圧部２０に入力される第１電圧波形と、感圧部２０から出力される第２電圧波形との位相差に応じて変化する電圧を計測し、その電圧から感圧部２０に加えられた荷重Ｎを求めることができる。したがって、検出工程及び、検出部４０は、第１電圧波形の位相と第２電圧波形の位相との位相差に基づいて感圧部２０の圧力を検出する。

図８は、荷重と電圧との関係を示すグラフである。図８の横軸は、感圧部２０に加えられた荷重Ｎを表している。図８の縦軸は、第４出力信号の電圧値Ｖを表している。図８に示すように、荷重Ｎと電圧値Ｖとは、比例関係であり、計測部４５で計測された電圧値Ｖから感圧部２０に加えられた荷重Ｎを求めることができる。

図９は、感圧システムの温度依存性を示すグラフである。図９の横軸は、経過時間を秒で表している。図９の縦軸は、第４出力信号の電圧値の変動を変動率で表している。破線Ｐは、本実施形態の感圧システム１００の位相に基づいて計測される電圧値の変動率を示し、実線Ｒは、従来技術の感圧システムの抵抗値に基づいて計測される電圧値の変動率を示している。横軸に示す経過時間Ｔ１は、感圧システム１００及び従来技術の感圧システムに所定の荷重Ｎを加えた状態を維持したまま、加熱を開始した点を示し、経過時間Ｔ２は、加熱を停止した点を示している。

経過時間０～Ｔ１の間は、室温での温度一定の区間であり、経過時間Ｔ１～Ｔ２の間は、室温から約２００℃までの加熱区間であり、経過時間Ｔ２以降は、約２００℃から自然放熱の区間である。破線Ｐと実線Ｒとの比較でわかるように、従来技術の感圧システムで計測される電圧値は、周囲環境の温度変化により最大２５％変動する。これに対し、感圧システム１００で計測される電圧値の変動率は、１％以内であり、感圧システム１００の温度特性が極めて優れていることがわかる。

本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
感圧システム１００は、第１電圧波形を出力する電圧波形出力部１０と、加えられた荷重Ｎに応じた第２電圧波形を出力する感圧部２０と、第１電圧波形と第２電圧波形との位相に基づいて荷重Ｎを検出する検出部４０とを備える。検出部４０は、第１電圧波形と第２電圧波形との位相に応じて感圧部２０に加えられた荷重Ｎを検知する。発明者らは、位相に応じて出力される信号は、周囲温度の温度変化に対する変動が極めて小さいことを見出した。これにより、温度特性に優れ、圧力としての荷重Ｎの計測精度を向上させた感圧システム１００を提供することができる。

電圧波形出力部１０は、感圧部２０における共振周波数で第１電圧波形を出力する。共振周波数は、インピーダンスが最も小さくなる周波数であり、感圧部２０から出力される第２電圧波形のノイズ成分が小さくなるので、荷重Ｎの計測精度が向上する。

検出部４０は、第１電圧波形と第２電圧波形との位相の位相差に応じて電圧値の異なる直流電圧を生成する。これにより、第２電圧波形の位相変化、すなわち感圧部２０に加えられた荷重Ｎを容易に検出することができる。

感圧部２０は、櫛歯状の第１電極２１及び第２電極２２を有する。第１電極２１と第２電極２２とを、櫛歯が互いに噛合うように離間させることにより、第１電極２１および第２電極２２の接触を防止しつつ、第１電極２１および第２電極２２を半導体基板２３の上面２３ａ側に効率的に配置することができる。

感圧部２０は、シリコン基板からなる半導体基板２３を有する。シリコン基板は、機械的強度に優れているので、感圧部２０の信頼性が向上する。

検出部４０は、所定の周波数を、所定の周波数より低い周波数に変換する周波数変換回路３０を備える。第１、第２電圧波形の周波数は、周波数変換回路３０によって、より低い周波数に変換されるので、位相変化の検出精度が向上する。

感圧方法は、電圧波形出力部１０から第１電圧波形を出力する第１出力工程と、感圧部２０に加えられた荷重Ｎに応じた第２電圧波形を出力する第２出力工程と、第１電圧波形と第２電圧波形との位相に基づいて荷重Ｎを検出する検出工程とを有する。検出工程において、第１電圧波形と第２電圧波形との位相に応じて感圧部２０に加えられた荷重Ｎが検知される。発明者らは、位相に応じて出力される信号は、周囲温度の温度変化に対する変動が極めて小さいことを見出した。これにより、温度特性に優れ、圧力としての荷重Ｎの計測精度を向上させた感圧方法を提供することができる。

第１出力工程において、感圧部２０における共振周波数で第１電圧波形が電圧波形出力部１０から出力される。共振周波数は、インピーダンスが最も小さくなる周波数であり、感圧部２０から出力される第２電圧波形のノイズ成分が小さくなるので、荷重Ｎの計測精度が向上する。

検出工程において、第１電圧波形と第２電圧波形との位相の位相差に応じて電圧値の異なる直流電圧が生成される。これにより、第２電圧波形の位相変化、すなわち感圧部２０に加えられた荷重Ｎを容易に検出することができる。

検出工程における周波数変換工程にて、第１、第２電圧波形の周波数は、所定の周波数から所定の周波数より低い周波数に変換される。第１、第２電圧波形の周波数は、周波数変換回路３０によって、より低い周波数に変換されるので、位相変化の検出精度が向上する。

２．実施形態２
図１０は、実施形態２に係る感圧システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の感圧システム２００は、実施形態１の検出部４０の構成が異なっている。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。

感圧システム２００は、電圧波形出力部１０、感圧部２０及び検出部２４０を備える。検出部２４０は、周波数変換回路３０、第１リミッター４１、第２リミッター４２及び計測部２４５を有する。

検出工程において、検出部２４０は、感圧部２０に加わる荷重Ｎを第１電圧波形と第２電圧波形との位相の時間差に基づいて検出する。計測部２４５は、第１リミッター４１から出力される第１出力信号の所定の位相角における時間と、第２リミッター４２から出力される第２出力信号の所定の位相角における時間との時間差を計測する。これにより、第２電圧波形の位相変化、すなわち感圧部２０に加えられた荷重Ｎを容易に検出することができる。位相に応じて出力される信号は、周囲温度の温度変化に対する変動が極めて小さいので、温度特性に優れ、圧力としての荷重Ｎの計測精度を向上させた感圧システム２００を提供することができる。

３．実施形態３
図１１は、実施形態３に係る感圧システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の感圧システム３００は、実施形態１の検出部４０の構成が異なっている。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。

感圧システム３００は、電圧波形出力部１０、感圧部２０及び検出部３４０を備える。検出部３４０は、周波数変換回路３３０及び計測部４５を有し、周波数変換回路３３０は、ミキサー３３２及び低域通過フィルター３３４を備える。

ミキサー３３２には、電圧波形出力部１０から出力された第1電圧波形と、感圧部２０から出力された第２電圧波形とが入力される。例えば、ミキサー３３２は、周波数５０ＭＨｚの第１電圧波形と、第１電圧波形の周波数と等しい周波数５０ＭＨｚの第２電圧波形とから、加算された１００ＭＨｚの周波数成分と、減算された０ＭＨｚ周波数成分、すなわち直流成分とを含む信号を低域通過フィルター３３４に出力する。

低域通過フィルター３３４は、入力された信号から１００ＭＨｚの周波数成分や、不要な高調波などを含む所定の周波数以上の周波数成分を抑圧させ、直流成分を通過させた信号を出力する。これにより、周波数変換回路３３０は、周波数５０ＭＨｚの電圧波形の信号を直流の信号に変換する。低域通過フィルター３３４から出力される信号は、第２電圧波形の位相変動に応じて電圧値の異なる直流電圧であり、これを計測部４５で計測することにより、感圧部２０に加えられた荷重Ｎを求めることができる。位相に応じて出力される信号は、周囲温度の温度変化に対する変動が極めて小さいので、温度特性に優れ、圧力としての荷重Ｎの計測精度を向上させた感圧システム３００を提供することができる。

４．実施形態４
図１２は、実施形態４に係る感圧部の構成を示す断面図である。本実施形態の感圧システム４００は、実施形態１で説明した感圧部２０の構成が異なっている。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。

感圧部４２０は、一対の電極としての第１電極４２１及び第２電極４２２と、第１電極４２１及び第２電極４２２に挟まれる導電性樹脂４２３とを有する。詳しくは、感圧部４２０は、導電性樹脂４２３と、導電性樹脂４２３の上面４２３ａと接して配置された第１電極４２１と、導電性樹脂４２３の下面４２３ｂと接して配置された第２電極４２２と、第１電極４２１を支持する第１支持基板４２４と、第２電極４２２を支持する第２支持基板４２５とを有する。第１、第２電極４２１，４２２は、導電性樹脂４２３を介して互いに対向する平行平板電極である。第１、第２電極４２１，４２２の形状は特に限定されず、平面視にて、円形、矩形などで構成することができる。

第１支持基板４２４は、第１電極４２１の上側に設けられ、導電性樹脂４２３に対して、第１電極４２１を支持している。第２支持基板４２５は、第２電極４２２の上側に設けられ、導電性樹脂４２３に対して、第２電極４２２を支持している。第１、第２支持基板４２４，４２５は、硬質でも、軟質でもよいが、本実施形態では、可撓性を有するフレキシブルプリント配線基板が用いられている。

第１電極４２１は、電圧波形出力部１０に接続される引出配線に接続され、第２電極４２２は、第２ミキサー３５に接続される引出配線に接続される。なお、図１２では、引出配線の図示を省略している。
導電性樹脂４２３は、カーボンなどの導電性を有する粒子を、シリコーンに分散して含有させ、シート状に形成される。導電性樹脂４２３の樹脂材料は、シリコーンに限らず、ウレタン、エポキシなどを用いることができる。

この様に構成された感圧部４２０は、第１電圧波形を受信し、加えられた荷重Ｎに応じた第２電圧波形を出力する。詳しくは、感圧部４２０に構成される第１電極４２１と第２電極４２２とは、導電性樹脂４２３を介した直列容量を生じる。導電性樹脂４２３は、可撓性を有するため、感圧部４２０の厚さ方向に荷重Ｎが加わると、導電性樹脂４２３が圧縮され、第１電極４２１と第２電極４２２の間隔が狭くなり、直列容量が大きくなる。直列容量の変動は、感圧部４２０に入力される第１電圧波形の位相を変動させる。すなわち、感圧部４２０は、加えられた荷重Ｎに応じて、入力された第１電圧波形の位相を変動させた第２電圧波形を出力する。このような感圧部４２０を用いることにより、第１電圧波形と第２電圧波形との位相に基づいて感圧部４２０に加えられた荷重Ｎを求めることが可能な感圧システム４００が構成できる。位相に応じて出力される信号は、周囲温度の温度変化に対する変動が極めて小さいので、温度特性に優れ、圧力としての荷重Ｎの計測精度を向上させた感圧システム４００を提供することができる。

以下に、実施形態から導き出される内容を記載する。

感圧システムは、第１電圧波形を出力する電圧波形出力部と、前記電圧波形出力部と接続されて前記第１電圧波形を受信し、加えられた圧力に応じて前記第１電圧波形の位相が変動した第２電圧波形を出力する感圧部と、前記電圧波形出力部及び前記感圧部に接続され、前記第１電圧波形及び前記第２電圧波形を受信する検出部と、を備え、前記検出部は、前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相とに基づいて前記圧力を検出することを特徴とする。

この構成によれば、検出部は、感圧部に入力される第１電圧波形と、感圧部から出力される第２電圧波形との位相を指標として圧力を検出する。発明者らは、感圧部に交流電圧を印加すると、感圧部に加えられた圧力に応じて位相が変化し、その位相は周囲環境による温度変化に対して安定していること、すなわち温度特性が良好であることを見出した。これにより、圧力の計測精度を向上させる感圧システムを提供することができる。

上記の感圧システムにおいて、前記第１電圧波形の周波数は、前記感圧部における共振周波数であることが好ましい。

この構成によれば、感圧部には、感圧部の共振周波数である第１電圧波形が入力される。共振周波数は、インピーダンスが最も小さくなるので、感圧部から出力される第２電圧波形のノイズ成分が小さくなり、圧力の計測精度が向上する。

上記の感圧システムにおいて、前記検出部は、前記圧力を前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相との位相差に基づいて検出することが好ましい。

この構成によれば、検出部は、感圧部から出力される第２電圧波形の位相変化を、第１電圧波形と第２電圧波形との位相差で求める。これにより、第２電圧波形の位相変化を容易に検出することができる。

上記の感圧システムにおいて、前記検出部は、前記圧力を前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相との時間差に基づいて検出することが好ましい。

この構成によれば、検出部は、感圧部から出力される第２電圧波形の位相変化を、所定の位相角における第１電圧波形と第２電圧波形との時間差で求める。これにより、第２電圧波形の位相変化を容易に検出することができる。

上記の感圧システムにおいて、前記感圧部は、第１電極と第２電極とを有し、前記第１電極及び前記第２電極は、櫛歯が互いに噛合って配置される櫛歯状電極であることが好ましい。

この構成によれば、第１電極及び第２電極を櫛歯状電極とすることで、第１電極および第２電極の接触を防止しつつ、第１電極および第２電極を同一平面上に配置することができる。

上記の感圧システムにおいて、前記感圧部は、シリコン基板であることが好ましい。

この構成によれば、シリコン基板は、機械的強度に優れているので、感圧部の信頼性が向上する。

上記の感圧システムにおいて、前記感圧部は、一対の電極と、前記一対の電極に挟まれる導電性樹脂と、を有することが好ましい。

この構成によれば、一対の電極で挟んだ導電性樹脂から成る感圧部においても、加えられた圧力に応じて位相が変化する現象が得られるので、圧力の計測精度を向上させる感圧システムを提供することができる。

上記の感圧システムにおいて、受信した前記第１電圧波形及び前記第２電圧波形の周波数を、低い周波数に変換する周波数変換回路を有することが好ましい。

この構成によれば、第１、第２電圧波形は、低い周波数に変換されるので、位相変化の検出精度が向上する。

感圧方法は、所定の電圧波形を出力する電圧波形出力部と、圧力を検知する感圧部と、前記電圧波形出力部及び前記感圧部からの出力信号に基づき圧力を検出する検出部とを有する感圧システムによる感圧方法であって、前記電圧波形出力部が第１電圧波形を出力する第１出力工程と、前記感圧部が前記第１電圧波形を受信し、加えられた前記圧力に応じて前記第１電圧波形の位相が変動した第２電圧波形を出力する第２出力工程と、前記検出部が前記第１電圧波形及び前記第２電圧波形を受信し、前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相とに基づいて前記圧力を検出する検出工程と、を含むことを特徴とする。

この方法によれば、検出工程において、検出部は、感圧部に入力される第１電圧波形と、感圧部から出力される第２電圧波形との位相を指標として圧力を検出する。発明者らは、感圧部に交流電圧を印加すると、感圧部に加えられた圧力に応じて位相が変化し、その位相は周囲環境による温度変化に対して安定していること、すなわち温度特性が良好であることを見出した。これにより、圧力の計測精度を向上させる感圧方法を提供することができる。

上記の感圧方法において、前記第１電圧波形の周波数は、前記感圧部における共振周波数であることが好ましい。

この方法によれば、第１出力工程において、電圧波形出力部は、感圧部の共振周波数である第１電圧波形を出力する。共振周波数は、インピーダンスが最も小さくなるので、感圧部から出力される第２電圧波形のノイズ成分が小さくなり、圧力の計測精度が向上する。

上記の感圧方法において、前記検出工程は、前記圧力を前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相との位相差に基づいて検出することが好ましい。

この方法によれば、検出工程において、検出部は、第２電圧波形の位相変化を、第１電圧波形と第２電圧波形との位相差で求める。これにより、第２電圧波形の位相変化を容易に検出することができる。

上記の感圧方法において、前記検出工程は、前記圧力を前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相との時間差によって検出することが好ましい。

この方法によれば、検出工程では、感圧部から出力される第２電圧波形の位相変化を、所定の位相角における第１電圧波形と第２電圧波形との時間差で求める。これにより、第２電圧波形の位相変化を容易に検出することができる。

上記の感圧方法において、前記検出工程は、受信した前記第１電圧波形及び前記第２電圧波形の周波数を、低い周波数に変換する周波数変換工程を含むことが好ましい。

この方法によれば、周波数変換工程において、第１、第２電圧波形の周波数は、低い周波数に変換されるので、位相変化の検出精度が向上する。

１０…電圧波形出力部、２０，４２０…感圧部、２１，４２１…第１電極、２２，４２２…第２電極、２３…半導体基板、３０，３３０…周波数変換回路、４０，２４０，３４０…検出部、１００，２００，３００，４００…感圧システム、４２３…導電性樹脂。

Claims (13)

1. 第１電圧波形を出力する電圧波形出力部と、
   前記電圧波形出力部と接続されて前記第１電圧波形を受信し、加えられた圧力に応じて前記第１電圧波形の位相が変動した第２電圧波形を出力する感圧部と、
   前記電圧波形出力部及び前記感圧部に接続され、前記第１電圧波形及び前記第２電圧波形を受信する検出部と、を備え、
   前記感圧部は、一対の電極と、導電性を有し、前記一対の電極に挟まれて前記一対の電極のそれぞれと接触する導電性部材と、前記導電性部材と接合して前記一対の電極の少なくとも一方を支持する支持基板と、を有し、
   前記検出部は、前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相とに基づいて前記圧力を検出すること、
   を特徴とする感圧システム。
2. 前記第１電圧波形の周波数は、前記感圧部における共振周波数であること、
   を特徴とする請求項１に記載の感圧システム。
3. 前記検出部は、前記圧力を前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相との位相差に基づいて検出すること、
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の感圧システム。
4. 前記検出部は、前記圧力を前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相との時間差に基づいて検出すること、
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の感圧システム。
5. 前記一対の電極は、第１電極と第２電極とを有し、
   前記第１電極及び前記第２電極は、複数の櫛歯が互いに噛合って配置される櫛歯状電極であること、
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の感圧システム。
6. 前記導電性部材は、シリコン基板であること、
   を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の感圧システム。
7. 前記導電性部材は、導電性樹脂であること、
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の感圧システム。
8. 前記検出部は、受信した前記第１電圧波形及び前記第２電圧波形の周波数を、低い周波数に変換する周波数変換回路を有すること、
   を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の感圧システム。
9. 所定の電圧波形を出力する電圧波形出力部と、一対の電極、導電性を有し、前記一対の電極に挟まれて前記一対の電極のそれぞれと接触する導電性部材、前記導電性部材と接合して前記一対の電極の少なくとも一方を支持する支持基板を有し、圧力を検知する感圧部と、前記電圧波形出力部及び前記感圧部からの出力信号に基づき圧力を検出する検出部とを有する感圧システムによる感圧方法であって、
   前記電圧波形出力部が第１電圧波形を出力する第１出力工程と、
   前記感圧部が前記第１電圧波形を受信し、加えられた前記圧力に応じて前記第１電圧波形の位相が変動した第２電圧波形を出力する第２出力工程と、
   前記検出部が前記第１電圧波形及び前記第２電圧波形を受信し、前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相とに基づいて前記圧力を検出する検出工程と、を含むこと、
   を特徴とする感圧方法。
10. 前記第１電圧波形の周波数は、前記感圧部における共振周波数であること、
    を特徴とする請求項９に記載の感圧方法。
11. 前記検出工程は、前記圧力を前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相との位相差に基づいて検出すること、
    を特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の感圧方法。
12. 前記検出工程は、前記圧力を前記第１電圧波形の位相と前記第２電圧波形の位相との時間差によって検出すること、
    を特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の感圧方法。
13. 前記検出工程は、受信した前記第１電圧波形及び前記第２電圧波形の周波数を、低い周波数に変換する周波数変換工程を含むこと、
    を特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載の感圧方法。

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