JP2019158564A - 感圧センサ - Google Patents

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Yosuke Kushibiki
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Abstract

【課題】低い圧力でも精度良く検出することが可能な感圧センサを提供する。【解決手段】感圧センサ1は、第1及び第2の基材11,12と、開口31を有すると共に、第1の基材11と第2の基材12との間に介装されたスペーサ30と、第1及び第2の基材11,12にそれぞれ設けられ、開口31を介して相互に対向する第1及び第2の電極12,22と、を備えており、開口31内の空間34は、大気圧と比較して減圧された状態で封止されている。【選択図】図2

Description

本発明は、感圧センサに関するものである。
検出精度の向上を図るために、無負荷状態で電極同士を相互に接触させて、圧力印加時に電極同士が接触するまでの空間をなくした感圧センサが知られている(例えば特許文献1参照)。
特開2015−184204号公報
上記の感圧センサであっても、ある程度の大きさの荷重が印加されなければ当該感圧センサによる圧力検出が開始されないため、低い圧力(例えば、1kPa未満)を精度良く検出することができない場合がある、という問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、低い圧力でも精度良く検出することが可能な感圧センサを提供することである。
[1]本発明に係る感圧センサは、第1及び第2の基材と、開口を有すると共に、前記第1の基材と前記第2の基材との間に介装されたスペーサと、前記第1及び前記第2の基材にそれぞれ設けられ、前記開口を介して相互に対向する第1及び第2の電極と、を備えており、前記開口内の空間は、大気圧と比較して減圧された状態で封止されている感圧センサである。
[2]上記発明において、無負荷状態において、前記第1の電極と前記第2の電極は相互に接触していてもよい。
[3]上記発明において、前記第1の基材の外側面は、前記開口に対応する第1の領域と、前記第1の領域の周囲の第2の領域と、を含み、前記第1の領域は、前記第2の領域と同一平面上に位置し、又は、前記第2の領域よりも前記第2の基材側に凹んでいてもよい。
[4]上記発明において、前記感圧センサは、前記第2の基材を支持する支持体を備え、前記支持体は、前記第1及び前記第2の基材よりも硬くてもよい。
[5]上記発明において、前記感圧センサは、前記空間を外部と連通させる通気口と、前記通気口を閉塞する閉塞部材と、を備えていてもよい。
[6]上記発明において、前記スペーサは、前記開口から延出するスリット状の通路を有しており、前記通路の終端は、前記第1の基材、前記第2の基材、及び、前記スペーサの内面によって囲まれて閉塞されていてもよい。
[7]本発明に係る感圧センサの製造方法は、第1の電極を有する第1の基材と、第2の電極を有する第2の基材と、開口を有するスペーサと、を準備する第1の工程と、前記開口を介して前記第1及び前記第2の電極が相互に対向するように、前記第1の基材と前記第2の基材との間に前記スペーサを介在させる第2の工程と、前記第1及び前記第2の電極を押圧した状態で、又は、前記開口内の空間を大気圧と比較して減圧した状態で、前記空間を封止する第3の工程と、を備えた感圧センサの製造方法である。
[8]上記発明において、前記第3の工程は、前記第1の電極と前記第2の電極との間の電気的な抵抗値が所定値になった時に前記空間を封止することを含んでもよい。
本発明によれば、スペーサの開口内の空間が大気圧と比較して減圧された状態で封止されており、スペーサの開口内が常に加圧された状態となっているので、低い圧力でも精度良く検出することが可能となる。
図1は、本発明の実施形態における感圧センサを示す平面図である。 図2は、図1のII-II線に沿った断面図である。 図3は、本発明の実施形態における感圧センサの変形例を示す平面図である。 図4は、図3のIV-IV線に沿った断面図である。 図5は、本発明の実施形態における感圧センサの製造方法を示す工程図である。 図6(a)は、図5のステップS20を説明するための図であり、図6(b)は、図5のステップS30を説明するための図であり、図6(c)は、図5のステップS40を説明するための図であり、図6(d)は、図5のステップS50を説明するための図である。 図7は、図5のステップS20における感圧センサの変形例を説明するための図である。 図8は、図3及び図4に示す感圧センサを製造する際のステップS50を説明するための図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は本実施形態における感圧センサを示す平面図、図2は図1のII-II線に沿った断面図、図3で本実施形態における感圧センサの変形例を示す平面図、図4は図3のIV-IV線に沿った断面図ある。
本実施形態における感圧センサ1は、荷重の大きさに応じて電気的抵抗が変化する感圧特性を有する圧力センサである。この感圧センサ1は、図1及び図2に示すように、第1の電極シート10と、第2の電極シート20と、これら一対の電極シート10,20の間に介装されたスペーサ30と、支持体40と、を備えている。
第1の電極シート10は、第1の基材11と、第1の電極12と、第1の配線13と、を備えている。第1の電極12と第1の配線13はいずれも第1の基材11の下面112に設けられている。第1の配線13の端部は第1の電極12に接続されており、第1の配線13は、第1の電極12からスペーサ30の開口31(後述)の外側に延出している。
第1の基材11は、可撓性を有する絶縁性フィルムである。特に限定されないが、この第1の基材11を構成する材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリイミドエーテル(PEI)等を例示することができる。なお、この第1の基材11の平面形状は、特に限定されず、感圧センサ1に要求される形状等に応じて任意に設定することができる。
第1の電極12は、図1に示すように、円形の平面形状を有している。なお、第1の電極12の平面形状は、特にこれに限定されず、例えば、矩形状、メッシュ状、又は、櫛歯状等を有してもよい。この第1の電極12は、第1の低抵抗層121と、第1の高抵抗層122と、を備えている。
第1の低抵抗層121は、比較的低い電気的抵抗を有する導電性ペーストを印刷して硬化させることで形成されている。この第1の低抵抗層121は、第1の基材11の下面112上に形成されている。これに対し、第1の高抵抗層122は、比較的高い電気的抵抗を有する導電性ペーストを印刷して硬化させることで形成されている。この第1の高抵抗層122は、第1の低抵抗層121を覆っている。
第1の配線13は、比較的低い電気的抵抗を有する導電性ペーストを印刷して硬化させることで形成されている。本実施形態では、第1の配線13は、第1の低抵抗層121と同じ導電性ペーストから構成されていると共に、当該第1の低抵抗層121と同一の工程で形成されている。このため、第1の配線13は、第1の低抵抗層121と一体的に形成されている。
第1の低抵抗層121や第1の配線13を形成するための低抵抗の導電性ペーストとしては、特に限定されないが、例えば、銀ペースト、金ペースト、銅ペースト等を挙げることができる。一方、第1の高抵抗層122を形成するための高抵抗の導電性ペーストとしては、上述の低抵抗の導電性ペーストよりも高い電気的抵抗を有していれば特に限定されないが、例えば、カーボンペースト等を例示することができる。また、これらの導電性ペーストを印刷する方法としては、特に限定されないが、例えば、スクリーン印刷、グラビアオフセット印刷、インクジェット印刷等を例示することができる。
第2の電極シート20は、上述した第1の電極シート10と基本的な構成は同じであり、第2の基材21と、第2の電極22と、第2の配線23と、を備えている。第2の電極22と第2の配線23はいずれも第2の基材21の上面211に設けられている。第2の配線23の端部は第2の電極22に接続されており、第2の配線23は、第2の電極22からスペーサ30の開口31(後述)の外側に延出している。
第2の基材21は、可撓性を有する絶縁性フィルムである。この第2の基材21を構成する材料の具体例としては、上述した第1の基材11を構成する材料と同じものを挙げることができる。また、この第2の基材21の平面形状は、第1の基材11と実質的に同一の平面形状を有している。なお、特に図示しないが、一枚の基材をヒンジ部で折り曲げることで、第1及び第2の基材11,21を構成してもよい。
第2の電極22は、第1の電極12と実質的に同一の平面形状を有している。なお、この第2の電極22の平面形状は、第1の電極12に対応した形状であれば特に限定されず、例えば、矩形状、メッシュ状、又は、櫛歯状等を有してもよい。
この第2の電極22は、上述した第1の電極12と基本的な構成は同じであり、第2の低抵抗層221と、第2の高抵抗層222と、を備えている。第2の低抵抗層221は、比較的低い電気的抵抗を有する導電性ペーストを印刷して硬化させることで形成されている。この第2の低抵抗層221は、第2の基材21の上面211上に形成されている。これに対し、第2の高抵抗層222は、比較的高い電気的抵抗を有する導電性ペーストを印刷して硬化させることで形成されている。この第2の高抵抗層222は、第2の低抵抗層221を覆っている。
第2の配線23は、比較的低い電気的抵抗を有する導電性ペーストを印刷して硬化させることで形成されている。本実施形態では、第2の配線23は、第2の低抵抗層221と同じ導電性ペーストから構成されていると共に、当該第2の低抵抗層221と同一の工程で形成されている。このため、第2の配線23は、第2の低抵抗層221と一体的に形成されている。
第2の低抵抗層221や第2の配線23を形成するための低抵抗の導電性ペーストの具体例としては、上述の第1の低抵抗層121や第1の配線13を構成する導電性ペーストと同じものを挙げることができる。また、第2の高抵抗層222を形成するための高抵抗の導電性ペーストの具体例としては、上述の第1の高抵抗層122を構成する導電性ペーストと同じものを挙げることができる。また、これらの導電性ペーストを印刷する方法の具体例としては、上記と同様のものを挙げることができる。
なお、上述の高抵抗の導電性ペーストに代えて、カーボン粉体、或いは、銀、銅、ゲルマニウム等の金属粉体をゴム組成物に配合して形成された導電性ゴムで、第1及び第2の高抵抗層122,222を構成してもよい。或いは、上述の高抵抗の導電性ペーストに代えて、二硫化モリブデン粒子等の半導体粒子を含有する材料で、第1及び第2の高抵抗層122,222を構成してもよい。
或いは、上述の高抵抗の導電性ペーストに代えて、外部から印加される圧力に伴って内部にトンネル電流が流れる材料で、第1及び第2の高抵抗層122,222を構成してもよい。こうした材料の具体例としては、ペラテック社(PERATECH LTD)から商品名「QTC」で入手可能な量子トンネル性複合材(Quantum Tunneling Composite)を挙げることができる。
スペーサ30は、可撓性を有する絶縁性フィルムであり、第1及び第2の電極シート10,20と実質的に同一の外形形状を有している。また、このスペーサ30は、第1の電極12の厚さtと第2の電極22の厚さtとの合計よりも厚い厚さtを有している(t>t+t)。なお、後述の図7に示すように、スペーサ30の厚さtが、第1の電極12の厚さtと第2の電極22の厚さtとの合計と同一であってもよい(t=t+t)。
このスペーサ30は、特に図示しない接着層又は粘着層を介して、第1の基材11の下面112に貼り付けられていると共に、第2の基材21の上面211に貼り付けられている。このスペーサ30は、第1の電極シート10と第2の電極シート20との間に介装されることにより、第1の基材11と第2の基材21との間に所定距離を確保する。このスペーサ30を構成する材料の具体例としては、特に限定されないが、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリイミドエーテル(PEI)等を挙げることができる。
このスペーサ30は、第1及び第2の電極12,22に対応する位置に円形の開口31を有している。この開口31は、スペーサ30の厚さ方向において当該スペーサ30を貫通していると共に、第1及び第2の電極12,22の外径よりも大きな内径を有している。第1の電極12と第2の電極22は、この開口31を介して相互に対向している。さらに、スペーサ30は、この開口31から外部に連通した通気口32を有している。この通気口32は、開口31からスペーサ30の側面に向かって延出するスリット状の形状を有しており、スペーサ30の側面で外部に開口している。なお、この通気口32は、スペーサ30の厚さ方向において、当該スペーサ30を貫通していてもよいし、当該スペーサ30を貫通していなくてもよい。
本実施形態では、この通気口32が閉塞部材33によって閉じられており、これにより、スペーサ30の開口32内の空間34が封止されている。後述するように、この閉塞部材33は、第1及び第2の電極12,22を押圧した状態で通気口32に取り付けられている。このため、開口32内の空間34は、感圧センサ1の周囲の大気圧と比較して減圧された状態で封止されており、感圧センサ1に荷重が印加されていない状態(以下単に「無負荷状態」とも称する)において、第1の電極12と第2の電極22とが相互に接触し、さらに大気圧によって加圧された状態となっている。こうした閉塞部材33は、通気口32を気密的に閉塞可能であれば特に限定されないが、例えば、紫外線硬化型樹脂材料や熱硬化型樹脂材料で構成されている。
本実施形態では、スペーサ30の厚さtが第1及び第2の電極12,22の厚さの合計(t+t)よりも厚くなっている(t>t+t)と共に、開口31内の空間34が減圧された状態で封止されているため、図2に示すように、第1の基材11の上面111の第1の領域111aが、当該上面111において当該第1の領域111aの周囲の第2の領域111bよりも前記第2の基材側に向かって凹んでおり、第1の領域111aに凹み111cが形成されている。特に図示しないが、第1の基材11の上面111において、第1の領域111aが第2の領域111bと同一平面上に位置してもよい。ここで、図1及び図2に示すように、第1の領域111aは、平面視において、スペーサ30の開口31に対応する領域であり、第2の領域111bは、第1の領域の111a周囲の領域である。本実施形態における第1の基材11の上面111が、本発明における第1の基材の外側面の一例に相当する。
なお、図3及び図4に示すように、通気口32に代えて、感圧センサ1Bのスペーサ30Bが通路35を備えていてもよい。この通路35は、開口31から配線13,23と平行に延出するスリット状の形状を有している。この通路35の終端351は、第1の基材11の下面112、第2の基材21の上面211、及び、スペーサ30Bの内面36によって囲まれて閉塞されている。なお、この通路35は、スペーサ30Bの上面又は下面のいずれか一方に開口していれば、当該スペーサ30Bの厚さ方向において当該スペーサ30を貫通していなくてもよい。
図3及び図4に示す例では、閉塞部材33をスペーサ30Bの側面に取り付ける必要がないので、閉塞部材33によって感圧センサの外形が大きくなってしまうのを抑制することができる。また、図3及び図4に示す例では、閉塞部材33が脱落してしまうことがないので、感圧センサの耐久性も向上する。
図1及び図2に戻り、支持体40は、第2の電極シート20の第2の基材21を支持する部材である。この支持体40は、特に図示しない接着層又は粘着層を介して、第2の基材21の下面212に貼り付けられている。この支持体40は、第1の基材11や第2の基材21よりも大きなヤング率を有しており、第1及び第2の基材11,21よりも硬くなっている。具体的には、支持体40は、荷重印加によって第1の電極シート10が撓んだ際に、当該支持体40が撓まない程度の硬さを少なくとも有している。この支持体40を構成する材料の具体例としては、ポリカーボネート(PC)等の樹脂材料を挙げることができる。
低い圧力を検出するための感圧センサにこうした支持体を設けない場合には、感圧センサ全体が少し撓んだだけで圧力を検出してしまい、正確に圧力を検出しづらくなってしまう。これに対し、本実施形態では、感圧センサ1が硬い支持体40を備えているので、感圧センサ1全体が撓みにくくなり、第1の電極シート10のみを撓ませることができるので、圧力検出の精度向上を図ることができる。
以上に説明した感圧センサ1では、第1及び第2の電極12,22間に所定電圧を印加した状態で、感圧センサ1に対して上方から荷重が加わると、当該荷重の大きさに応じて第1及び第2の電極12,間の密着度が増加し、当該第1及び第2の電極12,22間の電気的抵抗が減少する。一方、感圧センサ1から荷重が解放されると、第1及び第2の電極12,22間の密着度が減少し、第1及び第2の電極12,22間の電気的抵抗が増加する。このように、この感圧センサ1は、抵抗変化に基づいて感圧センサ1に加わる圧力の大きさを検出することが可能となっている。なお、本実施形態において「密着度が増加する」とは、微視的な接触面積の増加を意味し、「密着度が減少する」とは、微視的な接触面積の減少を意味する。
そして、本実施形態では、スペーサ30の開口31内の空間34が外気圧と比較して減圧された状態で封止されており、大気圧によってスペーサ30の開口31内が常に加圧された状態となっている。このため、感圧センサ1に印加された荷重が小さくても圧力検出が開始されるので、低い圧力でも精度良く検出することができる。
また、本実施形態では、無負荷状態において、第1の電極12と前記第2の電極22は相互に接触している。このため、従来構造(スペーサの開口内の空間が減圧されていない構造)と比較して、無負荷状態における第1及び第2の電極12,22の密着度が高くなっている。このため、感圧センサ1に印加された荷重が小さくても圧力検出が開始されるので、0.1kPa程度の非常に低い圧力でも精度良く検出することができる。
また、本実施形態では、通気口32が閉塞部材33によって塞がれているので、通気口32を介して第1及び第2の電極12,22への水の浸入を防止することもできる。このため、防水性能が要求される用途にも感圧センサ1を適用することができ、感圧センサ1の使用用途が広がる。
以下に、本実施形態における感圧センサの製造方法について、図5〜図8を参照しながら説明する。
図5は本実施形態における感圧センサの製造方法を示す工程図、図6(a)は図5のステップS20を説明するための図、図6(b)は図5のステップS30を説明するための図、図6(c)は図5のステップS40を説明するための図、図6(d)は図5のステップS50を説明するための図である。図7は図5のステップS20における感圧センサの変形例を説明するための図である。図8は図3及び図4に示す感圧センサを製造する際のステップS50を説明するための図である。
先ず、図5のステップS10において、第1の基材11と第1の電極12と第1の配線13を有する第1の電極シート10と、第2の基材21と第2の電極22と第2の配線23を有する第2の電極シート20と、スペーサ30と、支持体40と、を準備する。
次いで、図5のステップS20において、第1及び第2の電極12,22が開口32を介して相互に対向するように、第2の電極シート20の上にスペーサ30を積層すると共に当該スペーサ30の上に第1の電極シート10を積層して、第1及び第2の電極シート10,20の間にスペーサ30を介在させる。この際、上述のように、スペーサ30の厚さtが、第1及び第2の電極12,22の厚さの合計(t+t)よりも厚くなっている(t>t+t)ので、図6(a)に示すように、第1の電極12と第2の電極22との間に間隙Gが形成されている。また、第2の電極シート20に支持体40を貼り付ける。
なお、スペーサ30の厚さtが第1及び第2の電極12,22の厚さの合計(t+t)と同一である場合(t=t+t)には、このステップS20でも、図7に示すように、第1及び第2の電極12,22間に間隙Gが形成されておらず、第1の電極12と第2の電極22は相互に接触している。
次いで、図5のステップS30において、図6(b)に示すように、感圧センサ1の第1及び第2の配線13,23に抵抗測定器100を接続し、第1及び第2の電極12,22間の電気的な抵抗値の測定を開始する。この第1及び第2の電極12,22間の抵抗値の測定は、後述のステップS50における通気口32の閉塞が完了するまで継続される。
次いで、図5のステップS40において、図6(c)に示すように、感圧センサ1を上方から押圧して、第1及び第2の電極12,22を加圧する。そして、この押圧力を調節して第1及び第2の電極12,22間の抵抗値が所定値になった時点で、図5のステップS50を実行する。
具体的には、このステップS50では、図6(d)に示すように、ディスペンサー等を用いて紫外線硬化型樹脂材料をスペーサ30の通気口32の開口に塗布して硬化させることで、当該通気口32を閉塞部材33によって閉塞する。
なお、開口32内の空間34を感圧センサ1の周囲の大気圧と比較して減圧された状態で封止する方法は上記に特に限定されない。特に図示しないが、例えば、封止前の感圧センサ1の空間34を吸引しながら、第1及び第2の電極12,22間の抵抗値が所定値になった時点で、閉塞部材33によって通気口32を閉塞することで、空間34を減圧状態で封止してもよい。
なお、図3及び図4に示す構成を有する感圧センサ1Bを製造する際には、ステップS20〜S40の間は、第1の電極シート10の一部をスペーサ30Bと貼り合わせないことで、通路35の終端351を開放させておく。そして、図8に示すように、ステップS50において、第1及び第2の電極12,22間の抵抗値が所定値になった時点で、第1の電極シート10の一部をスペーサ30Bと貼り合わせて、通路35の終端351を閉じることで、スペーサ30Bの空間34を閉塞する。
以上のように、本実施形態の製造方法により製造された感圧センサ1では、スペーサ30の開口31内の空間34が大気圧と比較して減圧された状態で封止されており、第1及び第2の電極12,22同士が常に加圧された状態となっているので、低い圧力でも精度良く検出することが可能となる。
また、本実施形態では、第1及び第2の電極12,22間の抵抗値が所定値になった時点で通気口32を閉塞部材33によって閉塞するので、感圧センサ1の製造時に当該感圧センサ1の感度調整も同時に実行することができる。
本実施形態におけるステップS10が本発明の第1の工程の一例に相当し、本実施形態におけるステップS20が本発明の第2の工程の一例に相当し、本実施形態におけるステップS30〜S50が本発明の第3の工程の一例に相当する。
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
1,1B…感圧センサ
10…第1の電極シート
11…第1の基材
111…上面
111a…第1の領域
111b…第2の領域
111c…凹み
112…下面
12…第1の電極
121…第1の低抵抗層
122…第1の高抵抗層
13…第1の配線
20…第2の電極シート
21…第2の基材
211…上面
212…下面
22…第2の電極
221…第2の低抵抗層
222…第2の高抵抗層
23…第2の配線
30,30B…スペーサ
31…開口
32…通気口
33…閉塞部材
34…空間
35…通路
351…終端
36…内面
40…支持体
100…抵抗測定器

Claims (8)

  1. 第1及び第2の基材と、
    開口を有すると共に、前記第1の基材と前記第2の基材との間に介装されたスペーサと、
    前記第1及び前記第2の基材にそれぞれ設けられ、前記開口を介して相互に対向する第1及び第2の電極と、を備えており、
    前記開口内の空間は、大気圧と比較して減圧された状態で封止されている感圧センサ。
  2. 請求項1に記載の感圧センサであって、
    無負荷状態において、前記第1の電極と前記第2の電極は相互に接触している感圧センサ。
  3. 請求項1又は2に記載の感圧センサであって、
    前記第1の基材の外側面は、
    前記開口に対応する第1の領域と、
    前記第1の領域の周囲の第2の領域と、を含み、
    前記第1の領域は、前記第2の領域と同一平面上に位置し、又は、前記第2の領域よりも前記第2の基材側に凹んでいる感圧センサ。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の感圧センサであって、
    前記感圧センサは、前記第2の基材を支持する支持体を備え、
    前記支持体は、前記第1及び前記第2の基材よりも硬い感圧センサ。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の感圧センサであって、
    前記感圧センサは、
    前記空間を外部と連通させる通気口と、
    前記通気口を閉塞する閉塞部材と、を備えている感圧センサ。
  6. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の感圧センサであって、
    前記スペーサは、前記開口から延出するスリット状の通路を有しており、
    前記通路の終端は、前記第1の基材、前記第2の基材、及び、前記スペーサの内面によって囲まれて閉塞されている感圧センサ。
  7. 第1の電極を有する第1の基材と、第2の電極を有する第2の基材と、開口を有するスペーサと、を準備する第1の工程と、
    前記開口を介して前記第1及び前記第2の電極が相互に対向するように、前記第1の基材と前記第2の基材との間に前記スペーサを介在させる第2の工程と、
    前記第1及び前記第2の電極を押圧した状態で、又は、前記開口内の空間を大気圧と比較して減圧した状態で、前記空間を封止する第3の工程と、を備えた感圧センサの製造方法。
  8. 請求項7に記載の感圧センサの製造方法であって、
    前記第3の工程は、前記第1の電極と前記第2の電極との間の電気的な抵抗値が所定値になった時に前記空間を封止することを含む感圧センサの製造方法。
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