JP2018115873A

JP2018115873A - センサシート

Info

Publication number: JP2018115873A
Application number: JP2017005101A
Authority: JP
Inventors: 隆憲大原; Takanori Ohara
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2017-01-16
Filing date: 2017-01-16
Publication date: 2018-07-26

Abstract

【課題】電極が微細化しても、電極を測定に十分な精度で対向させることができ、せん断方向の対向電極の変化を捉えやすいセンサシートを提供する。【解決手段】センサシートは、基材と、第一電極と、樹脂層と、第二電極と、前記第一電極からの電気信号の読み取りができる第一リードと、第二電極へ電気信号を入力できる第二リードとを備え、樹脂層の形状の変化を電気信号として第一電極から読み取って、少なくとも、せん断応力として検知するセンサを含むセンサシートであって、第一電極と第二電極との少なくとも一方が、所定の基準線に対して非対称な形状である。【選択図】図４

Description

本発明は、せん断応力を検知するセンサシートに関する。

２つの電極を対向させ、その間に導電層や樹脂層を挟みこんだ構造とし、導電層や樹脂層が力により変形することで変化する電極間の物理量を、圧力やせん断応力（ずり応力）としてセンシングするセンサシートが知られている。

特許文献１では、対向する２つの電極と、電極間に設けた導電層とを備え、力の入力で導電層が変形することにより電極間抵抗値が変化することを利用した抵抗式感圧センサが開示されている。

また、特許文献２では２枚の矩形の平行板電極間に、導電性・可撓性を持つゴム板を挟み込んだ構成とし、物体がゴム板に接触して電極が接触面に平行（せん断方向）に動いた際に、ゴム板が受けるせん断応力を検知できる触覚センサが開示されている。

特許第３６６４６２２号公報特開２０１３−２３２２９３号公報

こういった触覚センサは、電極や樹脂の選択によっては、生体内のモニタリングなどに応用できる可能性がある。生体内のセンシングなどでは、センササイズが小さくなると、センサの埋め込みなどで被測定対象にかかる負担を少なくすることができる。また、一定面積あたりの力の測定精度を上げるためには、センシング部分を小型化し、高集積とすることが有効である。このような理由から、センサに使用する電極の微細化が求められている。

特許文献２のような矩形電極を用いたセンサでは、電極同士を設計通りの位置に対向して配置する必要があるが、電極を微細化すると設計通りの矩形電極の配置が困難となる。

図８は、特許文献２で開示されている対向電極である矩形電極１７、１８と、これらにより挟まれた板状の磁性ゴム体１９とを含むセンサの一部を示す平面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。図８の（ａ）に示すように、このセンサでは、矩形電極１７と矩形電極１８との一部が、平面視において、重なるように積層されている。

このセンサでは、２つの矩形電極１７、１８を単純に、平行に重ねただけのため、貼り合わせの精度は、電極を微細化し高集積を狙うほど厳しくなる。貼り合わせ精度が悪くなると、矩形電極１７と矩形電極１８とが、平面視において、重ならない状態で積層されてしまう恐れがある。その場合は想定する力のレンジでは変化を捉えられないことが考えられる。

また、矩形電極１７、１８を貼り合わせる時に、矩形電極１７、１８が平行ではなくねじれた状態で貼り合わせられることも考えられる。この場合はせん断力によって矩形電極１７、１８同士がずれても、電極間の電気抵抗値は変化しないため、せん断応力を測定できない。

本発明はこの問題に鑑みてなされたものであり、電極が微細化しても、電極を測定に十分な精度で対向させることができ、せん断方向の対向電極の変化を捉えやすいセンサシートを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の一局面は、基材と、第一電極と、樹脂層と、第二電極と、第一電極からの電気信号の読み取りができる第一リードと、第二電極へ電気信号を入力できる第二リードとを備え、樹脂層の形状の変化を電気信号として第一電極から読み取って、少なくとも、せん断応力として検知するセンサを含むセンサシートであって、第一電極と第二電極との少なくとも一方が、所定の基準線に対して非対称な形状である、センサシートである。

また、センサシートは、第一電極及び第二電極は各々樹脂層との接触面積が０．５ｍｍ^２以上１．５ｍｍ^２以下であってもよい。また、第一リード及び第二リードの線幅が１０μｍ以上５０μｍ以下であってもよい。また、樹脂層厚みが１０μｍ以上５０μｍ以下であってもよい。

本発明によれば、電極が微細化しても、電極を測定に十分な精度で対向させることができ、せん断方向の対向電極の変化を捉えやすいセンサシートを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るセンサシートに用いる第一電極の平面図本発明の一実施形態に係るセンサシートに用いる第二電極の平面図本発明の一実施形態に係るセンサシートに用いる導電層の平面図本発明の一実施形態に係るセンサシートの積層工程を示した平面図本発明での接触圧力測定方法のイメージ図本発明でのせん断応力測定方法のイメージ図対向電極を積層した状態を示す平面図従来技術に係るセンサシートを説明する図

以下、本発明の一実施形態について説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るセンサシート２００に用いる対向電極のうちの第一電極１００を表した平面図である。第一電極１００は、図示しない基材上に形成される３つの小電極１、２、３と、それらをつなぐリード４とを含んでいる。

第一電極１００の小電極１は、対向電極として積層後、接触圧力を測定するための電極であり、方形状をしている。

小電極２及び３は対向電極として積層後、図１の紙面上下及び左右方向の各せん断応力を測定するための電極であり、長方形の形状をしている。小電極２が、図１の紙面左右方向のせん断応力を、小電極３が紙面上下方向のせん断応力を、それぞれ測定する役割を持っている。リード４は各電極で得られた電気信号を読み取るためのものである。なお本発明の例ではリード４は小電極１、２、３すべてに接続されているが、これは本例に限らずセンシングするための回路によって自由に取り回しを変えることが出来る。なおリード４は高集積化のため、その幅を１０μｍ以上５０μｍ以下とする。１０μｍ未満だとセンサを曲げたときに断線が生じる恐れがあるし、５０μｍより大きくすると、リード部がしめる割合が多くなり、高集積化できない。これは後述の第二電極１０１におけるリード８でも同様である。

図１では小電極２、３内部にスリットが設けられているが、これは小電極２、３の形成方式によって入れてもよいし入れなくてもよい。またスリットの幅も特に制限はない。

図２は本発明の一実施形態に係るセンサシート２００に用いる対向電極のうちの第二電極１０１を表した平面図である。第二電極１０１は、後述する樹脂層９上に形成される第一電極と同様に３個の小電極５、６、７を備えており、各小電極５、６、７からリード８が伸びている。小電極５は第一電極１００と対向して接触圧力を測定するための電極である。小電極５は積層したときに、小電極１からはみ出さない程度に小電極１より小さく形成されている。これにより、小電極１と小電極５との間でせん断力によってずれが生じても対向する部分の重なり面積が変わらず、抵抗値変化が生じないため、純粋に接触圧力のみを取り出すことが出来る。また、リード８は小電極５、６、７のそれぞれに電気信号を入力する。

小電極６及び７はそれぞれ、図２の紙面左右方向と紙面上下方向のせん断応力を測定するための電極である。小電極６は第一電極１００の小電極２と、小電極７は第一電極２０の小電極７とそれぞれ対向させる。

小電極６及び７は正方形や長方形ではなく、図２に示すように三角形を二つ並べた形状である。形状については後述する。

図３は本発明の一実施形態に係るセンサシート２００に用いる樹脂層９の平面図である。樹脂層９は、対向電極間に積層され、押圧力またはせん断力によって変形し、力が入力されている間はその状態を保持し、力がなくなると元の形状に戻る性質を持っていることが必要である。また、樹脂層９の力による変形を捕らえやすくするために、樹脂層９の厚みは１０μｍ以上５０μｍ以下とする。１０μｍよりも薄いと、力による変形がおこりづらくなる。また、５０μｍよりも厚くするとが割れたり、層自体が硬くなりセンサ全体としてのフレキシビリティを損なったりするため好ましくない。

第一電極１００及び第二電極１０１の形成は、印刷法によって行う。印刷法は特に限定されず、スクリーン印刷やオフセット印刷等公知の印刷法を用いることが出来るが、小さな電極サイズでも印刷が可能という点で、グラビアオフセット印刷を用いることが望ましい

第一電極１００及び第二電極１０１の印刷に用いるインキは、導電性があるものが求められる。数マイクロメートルから数十ナノメートルの貴金属粉末を熱硬化性樹脂に混合したペーストを用いるのが一般的であるが、カーボンやアルミなどでもかまわないし、合金や混合物であってもよい。

第一電極１００及び第二電極１０１を印刷する基材は、可撓性を有するものであればよく、ＰＥＴやＰＥＮ、ポリイミドなどのプラスチックフィルムや、紙でもよく、印刷用のインキの乾燥条件やセンサとしての用途に合わせて適宜選択できる。また、基材を用いずに、樹脂層９に直接印刷してもかまわない。その際は基材に第一電極１００及び第二電極１０１を印刷したときと比べて、センサシート２００を薄型化できる。

樹脂層９の形成は印刷法やスピンコートなどの塗布法によって行うことができる。ただし、第一電極１００及び第二電極１０１の上への積層や、パターニング、厚く塗ることも考えると印刷法が好ましく、さらに好ましい方法はスクリーン印刷である。

樹脂層９を構成する材料は、例えば、検出方式によって選択することができる。今回のように対向する２つの電極とその間に樹脂層９を挟む構成の場合、対向電極間の抵抗値変化を検出する方式と、対向電極間の静電容量の変化を検出する方式の２つがある。対向電極間の電気抵抗値の変化を検出する方式を取る場合は、対向電極よりも抵抗が高く、かかる力によって変形することで自身の抵抗値が低下する材料を用いる。そのような材料としては、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリアニリン、ポリピロールなどの導電性高分子や、グラファイトやカーボンナノチューブを用いたカーボンペースト、基材を用いずにセンサを作製する場合は導電ゴムなどが好適に用いられる。もちろん特許文献２に記載の磁性体ゴムを用いてもかまわない。また、この場合、想定する力の大きさに応じて樹脂層９は材質と抵抗値を選ぶべきである。想定する力が大きい場合はカーボンなど抵抗値の低い材料を選び、想定する力が小さい場合は抵抗値の高い導電性高分子を選ぶとよい。

また、対向電極間の静電容量の変化を検出する場合は、可撓性をもち、かつ絶縁体であることが求められ、天然ゴム、ＩＲ、ＢＲ、ポリウレタンゴム、シリコーンゴム等の反発弾性が高く圧縮永久歪の少ない材質が使用できる。さらに誘電率を上げるために、チタン酸バリウムなどを添加して用いてもかまわない

図４は本発明の第一電極１００、樹脂層９、第二電極１０１を積層したセンサシート２００の積層工程の一例を示す平面図である。図４の（ａ）が基材（不図示）の上に第一電極１００を印刷し、次いでその上から樹脂層９を印刷したときの平面図である。さらにその上から第二電極１０１を印刷したときの平面図が図４の（ｂ）である。センサシート２００はこのように基材上に第一電極１００、樹脂層９、第二電極１０１の順に積層することによって形成される。センサシート２００では第一電極１００から先に形成しているが、電極形成の順番に制限はない。

センサシート２００において、第一電極１００及び第二電極１０１の各々が樹脂層９と接する接触面積は、０．５ｍｍ^２以上１．５ｍｍ^２以下であることが好ましい。接触面積が０．５ｍｍ^２より小さい値であるとセンサシートとして機能しなくなり、接触面積が１．５ｍｍ^２より大きい値であるとセンサシートの小型化を達成することが困難となる。

また、図示しないが、第一電極１００、第二電極１０１、樹脂層９それぞれの形成時には、他層との見当合わせのためのマークを別途形成してもよい。

次に、センサシート２００で用いられる力測定の仕組みと対向電極の関係についてより詳しく説明する。

図５は、センサシートによる接触圧力センシング（測定方法）のイメージ図である。センサシート２００では、上下の第一電極１００及び第二電極１０１が樹脂層９を介して積層されている。図５の（ａ）は第二電極１０１を指１０でさわり、第一電極１００側に押圧１４で押す時を示している。押圧１４をかけると、図５の（ｂ）のように樹脂層９が変形し第一電極１００と第二電極１０１との距離が減少する。センサシート２００は、このときの第一電極１００と第二電極１０１との間の電位や抵抗値、静電容量の変化を接触圧力として出力する。

図６は、センサシートによるせん断応力センシング（測定方法）のイメージである。図６の（ａ）は、図５と同様に上下の第一電極１００及び第二電極１０１が樹脂層９を介して積層されたセンサシート２００に、指１０が第二電極１０１に対し紙面左に向かってせん断力１５を与えたときを示す。このとき樹脂層９の第一電極１００と第二電極１０１とにはさまれた部分を、ハッチングで示した重なり部分１６とする。せん断力１５によって第二電極１０１に樹脂層９の変形を伴ってずれ（変位）が生じ、図６の（ｂ）のようになる。このとき図６の（ａ）の状態と比べて第一電極１００と第二電極１０１との重なり部分１６のせん断力１５がかけられた方向における幅（図６の紙面左右方向における幅）が減少することで、第一電極１００と第二電極１０１との間の静電容量が減少する。あるいは第一電極１００と第二電極１０１との間の距離が広がるため変形前と比べて電極間の電気抵抗値が増加する。あるいは第一電極１００と第二電極１０１との間に流れる電流量が減少する。センサシート２００は、これらの値の変化をせん断応力値として出力する。このため、力の印加前後で第一電極１００と第二電極１０１との重なり部分１６の変化量（変形量）が大きいほどせん断応力も大きい。

このようにしてせん断応力が測定されるセンサシート２００においては、第一電極１００と第二電極１０１とは重なり部分１６の変形が捕らえやすい形状、すなわち、第二電極１０１の変位に対する重なり部分１６の変形量が大きい形状にすべきである。また、第一電極１００と第二電極１０１との形状は対向電極のずれが起こっても重なり部分１６がなくならない形状にすべきである。

図７は本発明のセンサシート２００に用いるせん断応力測定用の小電極３と７とが積層された状態の平面図である（間の樹脂層は省略）。図７の下の図において、小電極３と７とにより測定されるせん断応力の方向は紙面上下方向である。センサシート２００では、せん断応力測定用の小電極３、７のうちの少なくとも一方である小電極７を所定の基準線Ｎ−Ｎ’において非対称な形状としている。図７の下の図に示すように、基準線Ｎ−Ｎ’は、例えば、測定するせん断応力の方向（図７の紙面上下方向）における小電極７の高さの略中央において、測定するせん断応力の方向に対して直交する方向に延びる線とすることができる。図２に示すように、小電極６の形状についても同様に設定される。

小電極をこのような形状とすることで先行文献における以下の問題点が解決される。

センサシート２００は、せん断応力を測定する２つの矩形電極を平行に積層した構造ではないため、積層精度に余裕ができる。これにより積層時に平行ずれやねじれによるずれが起こっても、２つの電極が重なりなく完全に離れてしまうことがない。したがって、センサシート２００は、電極を測定に十分な精度で対向させることができる。

また、センサシート２００は、せん断応力を測定する２つの電極の少なくとも一方を矩形電極ではなく、所定の基準線に対して非対称な形状に形成している。このため、所定の基準線に対して直交する方向へのせん断力による重なり部分１６の変形量を、両方の小電極矩形状にした場合と比べて、大きくすることができる。したがって、矩形状電極の交差では捉えられなかった微小なせん断力で発生する電極間の抵抗値等の変化を、捉えることが出来る。したがって、センサシート２００は、せん断方向の対向電極の変化を捉えやすい。

基材として１２５μｍのポリイミドフィルム（東レ：カプトン５００Ｖ）を準備し、図１に示す第一電極１００をグラビアオフセット印刷で作製した。このとき第一電極の全体の大きさは７．５ｍｍ×７．５ｍｍであり、配線部分は幅３０μｍで形成した。また、第一電極の厚みは３μｍとした。

次いで、第一電極１００上に信越ポリマー製の導電性高分子ＡＳ−Ｄ０６をスピンコートにより塗布し樹脂層９とした。このとき樹脂層９の厚みは１０μｍだった。

グラビアオフセット印刷を用いて、樹脂層９上に図２に示す第二電極１０１を形成し、センサシートとした。配線幅や電極厚みは第一電極１００と同等とした。

このセンサシートをテスターにつなぎ、第一電極１００と第二電極１０１との間に５Ｖの直流電圧をかけた状態で第二電極１０１上から指で押したり、なでたりすると流れる電流値の変化がみられたことにより、センサシートとしての動作を確認した。

次いで、第一電極１００上に東レ・ダウコーニングのＳＩＬＰＯＴをスピンコートにより塗布し、加硫剤を混ぜて硬化させ樹脂層９とした。樹脂層９の厚みは５０μｍとした。

樹脂層９の上にグラビアオフセット印刷で第二電極１０１を印刷した。配線幅や電極厚みは第一電極１００と同等とした。

このセンサシートをＬＣＲメーターにつなぎ、第一電極１００と第二電極１０１間に５Ｖの交流電圧をかけた状態で、第二電極１０１上から指で押したり、なでたりすると、静電容量値の変化が見られたことにより、センサシートとしての動作を確認した。

以上の結果から、本発明に係るセンサシートにより、圧力及びせん断応力が測定できることが確認できた。

本発明は、せん断応力を測定するセンサに適用できる。

１第一電極の圧力感知部（小電極）
２、３第一電極のせん断力感知部（小電極）
４第一電極のリード（第一リード）
５第二電極の圧力感知部
６、７第二電極の紙面横方向せん断力感知部（小電極）
８第二電極のリード（第二リード）
９樹脂層
１４押圧
１５せん断力
１６上下電極の重なり部分
１７、１８せん断力感知用矩形電極（従来技術）
１９磁性ゴム体
１００第一電極
１０１第二電極
２００センサシート

Claims

基材と、第一電極と、樹脂層と、第二電極と、前記第一電極からの電気信号の読み取りができる第一リードと、前記第二電極へ電気信号を入力できる第二リードとを備え、
前記樹脂層の形状の変化を電気信号として前記第一電極から読み取って、少なくとも、せん断応力として検知するセンサを含むセンサシートであって、
前記第一電極と前記第二電極との少なくとも一方が、所定の基準線に対して非対称な形状である、センサシート。
前記第一電極及び前記第二電極は各々前記樹脂層との接触面積が０．５ｍｍ^２以上１．５ｍｍ^２以下である、請求項１に記載のセンサシート。
前記第一リード及び前記第二リードの線幅が１０μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載のセンサシート。
前記樹脂層の厚みが１０μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１から請求項３の何れかに記載のセンサシート。