JP2015187561A - 圧力センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】従来よりも大きな静電容量変化と装置の小型化とを両立できる圧カセンサを提供する。【解決手段】誘電体層が一対の電極層及び一対の絶縁基材により順に挟持されてなる層構成を備え、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか1つの撓み量によって変化する電極間の静電容量値に基づいて圧力を検出する圧カセンサであって、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか一方が、電極層と誘電体層との層間に面する表面に凹凸を備え、当該凹凸の少なくとも凸部において電極層と誘電体層とが接触していることを特徴とする、圧カセンサ。【選択図】図1

Description

本発明は、従来よりも大きな静電容量変化と装置の小型化とを両立できる圧カセンサに関する。
圧力センサの一種である面圧センサにおいては、様々な層構成が採用されている。特許文献1には、圧力検出部のコンデンサ素子の加圧力に伴う静電容量の変化を求めることにより圧力を測定する静電容量型力センサにおいて、上記コンデンサ素子の対向電極間に、加圧により弾性変化をする弾性誘電体を介装して複数積層するとともに、一方の電極の積層数と他方の電極の積層数とを異なって上記コンデンサ素子を形成したことを特徴とする静電容量型力センサが開示されている。
特開平7−55615号公報
しかし、特許文献1に開示されたような複数の誘電体層を用いる構成は、面圧に垂直な方向の寸法変化が誘電体間で異なることにより誘電体層に反りを生じ出力変動を起こす問題や、構成の複雑化によるコスト増加の問題等が考えられる。
本発明は、圧力センサにおいてよりシンプルな構成が求められている現状を鑑みて成し遂げられたものであり、従来よりも大きな静電容量変化と装置の小型化とを両立できる圧カセンサを提供することを目的とする。
本発明の圧カセンサは、誘電体層が一対の電極層及び一対の絶縁基材により順に挟持されてなる層構成を備え、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか1つの撓み量によって変化する電極間の静電容量値に基づいて圧力を検出する圧カセンサであって、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか一方が、電極層と誘電体層との層間に面する表面に凹凸を備え、当該凹凸の少なくとも凸部において電極層と誘電体層とが接触していることを特徴とする。
本発明によれば、圧力が比較的小さい段階では、前記凹凸によって電極層と誘電体層との間に空隙が生じ、電極層と誘電体層との接触面積の変化に基づき圧力を検出できるのに対し、圧力が比較的大きい段階では、前記空隙が消失するため、誘電体層の厚みの変化に基づき圧力が検出できる。したがって、本発明によれば、複数段階の圧力検出モードを持つため、主に低い圧力時における静電容量変化を大きくすることと、検出部の小型化とを両立することができる。
本発明に係る圧力センサの典型例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。 本発明に係る圧力センサの典型例に、積層方向に沿って比較的小さい圧力が付与された様子を示す断面模式図等である。 本発明の第1の実施形態の断面模式図である。 本発明の第2の実施形態の断面模式図である。 本発明の第3の実施形態の断面模式図である。
本発明の圧カセンサは、誘電体層が一対の電極層及び一対の絶縁基材により順に挟持されてなる層構成を備え、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか1つの撓み量によって変化する電極間の静電容量値に基づいて圧力を検出する圧カセンサであって、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか一方が、電極層と誘電体層との層間に面する表面に凹凸を備え、当該凹凸の少なくとも凸部において電極層と誘電体層とが接触していることを特徴とする。
本発明者らは、発明の思想として、(1)電極層と誘電体層との層間に微小な凹凸を設け、(2)このうち凹部を主に空隙とすることにより、低い圧力範囲では当該空隙が潰れるように変形する一方、高い圧力範囲では誘電体層そのものの弾性によって変形する構成を、複数の誘電体を用いずに実現できることを見出し、本発明を完成させた。このように、複数段階の圧力検出手段を設けることにより、低い圧力範囲での高分解能を維持しながら、高い圧力範囲までの計測が可能となる。その結果、主に低い圧力時における静電容量変化を大きくできると共に、検出部の小型化も可能となる。
図1は、本発明に係る圧力センサの典型例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。
図1に示すように、本典型例の圧力センサは、誘電体層106が一対の電極層(102、107)により挟持され、当該挟持体がさらに一対の絶縁基材(101,111)により挟持されてなる。電極層102と誘電体層106との層間に面する、電極層102表面においては、当該表面全体が凹凸形状となるように、凸部103及び凹部104が複数設けられている。電極層107と誘電体層106との層間に面する、電極層107表面においても、同様に凸部108及び凹部109が複数設けられている。
面圧が付与されていない状態では、誘電体層106と電極層(102,107)は、それぞれ凸部(103,108)先端近傍において接触している。この接触部(112,113)と、当該接触部の間に挟まれた誘電体層106とによってコンデンサが形成される。コンデンサの電極面積は、接触部幅115により規定される。
また、誘電体層106と電極層の凹部(104,109)との間には、それぞれ空隙(105,110)が形成されている。空隙(105,110)の体積は、凹凸高さ116により決まる。凹凸高さ116は、電極層の厚さ117や、誘電体層106の厚さとのバランスにより決定される。
図2(a)は、本発明に係る圧力センサの典型例に、積層方向に沿って比較的弱い圧力が付与された様子を示す断面模式図である。図2(a)中の矢印114は、面圧が付与される方向を示す。
圧力センサを構成する積層体の積層方向に沿って圧力が付与された場合、圧力が比較的小さな場合には、図2(a)に示すように、図1に示す構造とほぼ同様の構成が維持される。このとき、圧力の大きさによって、電極層の凸部(103,108)が誘電体層106に食い込むか、逆に電極層の凸部(103,108)の高さが減じるかした結果、誘電体層106と電極層(102,107)との接触部幅115aが増える。
平行平板コンデンサの静電容量をしめす下記式(1)からも分かる通り、このときのコンデンサ静電容量Cは、電極面積Sの増加に伴い増加する。
C=(εS)/d 式(1)
(上記式(1)中、Cはコンデンサ静電容量、εは誘電体層の誘電率、Sは電極面積、dは電極間隔をそれぞれ示す。)
図2(b)は、本発明に係る圧力センサの典型例に、積層方向に沿って比較的強い圧力が付与された様子を示す断面模式図である。図2(b)中の矢印114は図2(a)と同様である。
圧力センサを構成する積層体の積層方向に沿って、ある一定以上の圧力が付与された場合には、電極層の凸部の誘電体層への食い込みや、当該凸部の高さの減少等が限界に達する結果、図2(b)に示すように、誘電体層106と電極層(102,107)との接触部幅115bが十分大きくなり、誘電体層106と電極層(102,107)とがほぼ密着する。この状態で、さらに圧力が増えても、接触部幅115bはもはや増えず、その代わりに誘電体層の厚さ118が減少する。上記式(1)より、コンデンサ静電容量Cは、電極間隔dの減少に伴い増加する。
図2(c)は、圧力センサに付与される圧力と静電容量変化との関係を表すグラフである。図2(c)は、静電容量変化δC(fF)を縦軸に、圧力センサに付与される圧力P(MPa)を横軸に、それぞれとったグラフである。図2(c)中において、「(a)」により示される圧力の範囲(0〜0.2MPa)は、上述した図2(a)に示す状態と対応し、「(b)」により示される圧力の範囲(0.2MPaを超える範囲)は、上述した図2(b)に示す状態と対応する。
図2(c)より、圧力範囲(a)においては、小さい圧力で静電容量が大きく変動しており、圧力に対する静電容量変化の感度が高いことが分かる。これは、(1)図2(a)の状態において、圧力による電極層の凸部(103,108)の誘電体層106ヘの食い込みや、凸部(103,108)の高さの減少に伴い、電極層全体の受ける力が当該凸部先端に集中されること、及び(2)圧力変動による接合部幅115aの増加率が高いことによるものである。
一方、図2(c)より、圧力範囲(b)においては、圧力を加えても静電容量の増加は比較的緩やかである。これは、図2(b)の状態においては応力集中が生じず、静電容量変化δCは誘電体層の弾性率により決まり、圧力が誘電体層の弾性率に対して約1/100以下の領域ではほぼ直線状になるためである。このように、圧力に対する静電容量変化の感度を圧力範囲(a)よりも下げることにより、検出部や装置全体の小型化を図ることができる。
なお、図2(a)に示す状態から図2(b)に示す状態へは、ある圧力の閾値で突然変わるものではなく、連続的に変化するものである。したがって、静電容量変化δCのグラフは、図(c)に示すようになだらかな曲線となる。
以下、本発明の圧力センサを構成する誘電体層、電極層、及び絶縁基材の詳細について、順に説明する。
誘電体層に使用される誘電体は、圧力センサに通常使用される電気絶縁性の物質であれば特に限定されない。本発明においては、誘電体が高分子材料であることが好ましい。誘電体層に使用するのに好ましい高分子材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、テフロン(登録商標)(商品名)等の樹脂;エラストマー、又はゴム等が挙げられる。特に、低弾性率材料を誘電体層に用いることにより、幅広い圧力範囲において圧力の検知が可能となる。
誘電体層の厚さは、圧力センサの構造にもよるが、20nm以上40μm以下であることが好ましい。特に、電極層に凹凸を設ける場合には、短絡を防ぐ観点から、誘電体層の厚さは、電極層の凹凸深さの2倍以上であることが好ましい。
電極層は、圧力センサに通常使用される導電性の物質であれば特に限定されない。電極層に使用できる導電性物質としては、例えば、金属、カーボン含有樹脂、及び導電性樹脂が挙げられる。
電極層の厚さは、圧力センサの構造にもよるが、5nm以上200nm以下であることが好ましい。特に、電極に凹凸を設ける場合には、電極層の凸部の高さを含む電極層の厚さが5nm以上200nm以下であることが好ましい。低い圧力範囲において感度を上げる観点から、電極層が圧力により撓みやすくなるように、電極層の厚さを可能な限り薄くすることが好ましい。
電極に凹凸を設ける場合には、簡便に形成できることから、凸部の形状が角錐上又は円錐状であることが好ましい。
本発明においては、電極層と誘電体層の層間において何らかの凹凸が形成され、その結果、付与される圧力に依存して電極層と誘電体層との接触面積が変化するように構成されていればよい。例えば、上述した図1及び後述する図3に示すように、電極層と誘電体層の層間に面する電極層の表面が凹凸を備えていてもよいし、後述する図4に示すように、誘電体層の両面が凹凸を備えていてもよいし、後述する図5に示すように、電極層と誘電体層の層間に面する誘電体層及び絶縁体基板の表面が共に凹凸を備えていてもよい。
本発明においては、圧力が付与されていない初期の圧力センサにおいて、凹凸の少なくとも凹部により、電極層と誘電体層との間に空隙が形成されていることが好ましい。
ここで、空気圧による変動を防ぐという観点から、空隙は真空であることが好ましい。ただし、空隙は真空である場合に必ずしも限定されず、外気又は基準圧力源と連通していてもよいし、所定の物質が満たされていてもよい。ここで、所定の物質の誘電率は、誘電体層を構成する誘電体の誘電率より小さいことが好ましい。
絶縁基材に使用される絶縁体は、圧力センサに通常使用される電気絶縁性の物質であれば特に限定されない。本発明においては、絶縁体が高分子材料であることが好ましい。絶縁基材に使用するのに好ましい高分子材料としては、例えば、誘電体層用の材料として説明した物を挙げることができる。
誘電体層の厚さは、圧力センサの構造にもよるが、2μm以上200μm以下であることが好ましい。
以下、本発明の3つの実施形態について、図を用いて説明する。
図3は、本発明の第1の実施形態の断面模式図である。図3に示すように、第1の実施形態は、誘電体層306が一対の電極層(302,307)により挟持され、当該挟持体がさらに一対の絶縁基材(301,311)により挟持されてなる。誘電体層306、電極層(302,307)、及び絶縁基材(301,311)の材料及び厚さは上述した通りである。電極層302と誘電体層306との層間に面する電極層302の表面においては、当該表面全体が凹凸形状となるように、凸部303及び凹部304が複数設けられている。電極層307と誘電体層306との層間に面する電極層307の表面においても、同様に凸部308及び凹部309が複数設けられている。
面圧が付与されていない状態では、誘電体層306と電極層(302,307)は、それぞれ凸部(303,308)先端近傍において接触している。この接触部(312,313)と、当該接触部の間に挟まれた誘電体層306とによってコンデンサが形成される。コンデンサの電極面積は、接触部幅315により規定される。
また、誘電体層306と電極層の凹部(304,309)との間には、それぞれ空隙(305,310)が形成されている。空隙(305,310)の体積は、凹凸高さ316により決まる。誘電体層の厚さ317は、凹凸高さ316の2倍以上とする。
第1の実施形態の製造例は以下の通りである。まず、絶縁基材(301,311)のそれぞれ一方の面に、電極層(302,307)を形成する。次に、電極層(302,307)が形成された絶縁基材(301,311)の面を内側にして、誘電体層306を挟み込む。続いて、絶縁基材301と誘電体層306を接合面318で接合し、かつ絶縁基材311と誘電体層306を接合面319で接合することにより、本発明の圧力センサの第1の実施形態が得られる。なお、接合方法としては、例えば接着剤等を用いて接合してもよいし、特に、絶縁基材及び誘電体層の少なくともいずれか一方が熱可塑性である場合には、熱圧着を用いてもよい。
図4は、本発明の第2の実施形態の断面模式図である。図4に示すように、第2の実施形態は、誘電体層406が一対の電極層(402,407)により挟持され、当該挟持体がさらに一対の絶縁基材(401,411)により挟持されてなる。誘電体層406、電極層(402,407)、及び絶縁基材(401,411)の材料及び厚さは上述した通りである。誘電体層406の両面には、当該両面全体が凹凸形状となるように、凸部(403,408)、及び凹部(404,409)が複数設けられている。
面圧が付与されていない状態では、誘電体層406と電極層(402,407)は、それぞれ凸部(403,408)先端近傍において接触している。この接触部(412,413)と、当該接触部の間に挟まれた誘電体層406とによってコンデンサが形成される。コンデンサの電極面積は、接触部幅により規定される。
また、誘電体層406と誘電体層の凹部(404,409)との間には、それぞれ空隙(405,410)が形成されている。
第2の実施形態の製造例は以下の通りである。まず、絶縁基材(401,411)のそれぞれ一方の面に、電極層(402,407)を形成する。次に、誘電体層406の両面に凹凸を形成する。続いて、電極層(402,407)が形成された絶縁基材(401,411)の面を内側にして、誘電体層406を挟み接合することにより、本発明の圧力センサの第2の実施形態が得られる。なお、接合方法は上述した第1の実施形態と同様である。
図5は、本発明の第3の実施形態の断面模式図である。図5に示すように、第3の実施形態は、誘電体層506が一対の電極層(502,507)により挟持され、当該挟持体がさらに一対の絶縁基材(501,511)により挟持されてなる。誘電体層506、電極層(502,507)、及び絶縁基材(501,511)の材料及び厚さは上述した通りである。絶縁基材501と電極層502、絶縁基材511と電極層507はそれぞれ一体化している。電極層502表面全体が凹凸形状となるように、電極層全体が波型形状を有しており、凸部503及び凹部504が複数設けられている。電極層507表面においても、同様に凸部508及び凹部509が複数設けられている。
面圧が付与されていない状態では、誘電体層506と電極層(502,507)は、それぞれ凸部(503,508)先端近傍において接触している。この接触部(512,513)と、当該接触部の間に挟まれた誘電体層506とによってコンデンサが形成される。コンデンサの電極面積は、接触部幅により規定される。
また、誘電体層506と誘電体層の凹部(504,509)との間には、それぞれ空隙(505,510)が形成されている。
第3の実施形態の製造例は以下の通りである。まず、絶縁基材(501,511)のそれぞれ一方の面に凹凸を形成し、当該凹凸形成面に電極層(502,507)を形成する。電極層(502,507)の厚みを凹凸形成面の凸部の高さよりも薄くすることにより、凹凸形成面の凹凸形状を電極層(502,507)に移す。次に、電極層(502,507)が形成された絶縁基材(501,511)の面を内側にして、誘電体層506を挟み接合することにより、本発明の圧力センサの第3の実施形態が得られる。なお、接合方法は上述した第1の実施形態と同様である。
なお、上記第1〜第3の実施形態は、いずれも、誘電体層を挟んで対称の構造を有する。しかし、圧力検出レンジや、製造工程上の要請により、例えば上記第1〜第3の実施形態の構成を片面ずつ採用したり、これら実施形態の製造方法を片面ずつ適用したりすることによって、非対称な圧力センサとしてもよい。
また、上記第1〜第3の実施形態においては、いずれも、誘電体層と電極層との間に空隙を設けたが、必要に応じこれら空隙に流体(気体や液体等)を充填してもよい。
101,111 絶縁基材
102,107 電極層
103,108 電極層の凸部
104,109 電極層の凹部
105,110 空隙
106 誘電体層
112,113 接触部
114 面圧が付与される方向を示す矢印
115 接触部幅
115a 低い圧力範囲での電極層と誘電体層との接触部幅
115b 高い圧力範囲での電極層と誘電体層との接触部幅
116 凹凸高さ
117 電極層の厚さ
118 誘電体層の厚さ
301,311 絶縁基材
302,307 電極層
303,308 電極層の凸部
304,309 電極層の凹部
305,310 空隙
306 誘電体層
312,313 接触部
315 接触部幅
316 凹凸高さ
317 誘電体層の厚さ
318,319 誘電体層と絶縁基材との接合面
401,411 絶縁基材
402,407 電極層
403,408 誘電体層の凸部
404,409 誘電体層の凹部
405,410 空隙
406 誘電体層
412,413 接触部
501,511 絶縁基材
502,507 電極層
503,508 電極層の凸部
504,509 電極層の凹部
505,510 空隙
506 誘電体層
512,513 接触部

Claims (1)

  1. 誘電体層が一対の電極層及び一対の絶縁基材により順に挟持されてなる層構成を備え、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか1つの撓み量によって変化する電極間の静電容量値に基づいて圧力を検出する圧カセンサであって、
    電極層及び誘電体層の少なくともいずれか一方が、電極層と誘電体層との層間に面する表面に凹凸を備え、当該凹凸の少なくとも凸部において電極層と誘電体層とが接触していることを特徴とする、圧カセンサ。
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