JP2020148687A

JP2020148687A - 静電容量検出装置および静電容量検出装置群

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Publication number: JP2020148687A
Application number: JP2019047776A
Authority: JP
Inventors: 森　富士男; Fujio Mori; 富士男森; 勝己徳野; Katsumi Tokuno; 英子関; Hideko Seki; 裕次渡津; Yuji Totsu
Original assignee: Nissha Co Ltd
Current assignee: Nissha Co Ltd
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: JP6823101B2

Abstract

【課題】本発明は、押圧面に沿った面方向の（Ｘ軸方向やＹ軸方向）の力分布を高精度に測定できる静電容量検出装置を提供することを目的とする。【解決手段】基材上に下部電極が形成され、下部電極上に絶縁層が形成され、絶縁層上に上部電極が形成され、前記下部電極は一方向に伸びた線状パターンからなり、前記上部電極も下部電極と同じ方向に伸びた線状パターンからなるようにすることで、上部電極の線状パターンの伸びた一方向と交差する角度の方向から力が加わった際に、その力の大きさに応じて上部電極が変形し、下部電極との間の距離が変化し、上部電極と下部電極との間の静電容量値が変化する際の電気信号を検知して力の大きさを測定できるようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、下部電極と上部電極とが同じ方向に伸びた線状パターンで形成され、下部電極と上部電極との間の静電容量値の変化を検出することにより、前記上部電極の線状パターンの伸びた方向と交差する角度の方向の力を測定できる静電容量検出装置に関する。また、それらの静電容量検出装置を複数個並列して並べ、その各々の静電容量検出装置の上部電極パターンの伸びた一方向と交差する角度の方向の力の分布を測定できる静電容量検出装置群に関する。

従来、短冊状のＸ電極とＹ電極が弾性体を介して積層されている構造で、押圧によって弾性体が圧縮され、Ｘ電極とＹ電極が近づき、その静電容量の増加を検出することで押圧力を検出する静電容量型検出装置の発明として、特許文献１の発明があった。

すなわち、特許文献１の発明は、誘電層（絶縁層）と、表側接続部を有する表側電極と、裏側接続部を有する裏側電極と、表側電極と裏側電極とが交差して形成される検出部と、表側接続部に接続される表側配線と、裏側接続部に接続される裏側配線と、を有する発明であり、演算部は、インピーダンスから、表側接続部から検出部までの電気抵抗と、裏側接続部から検出部までの電気抵抗と、を分離し、検出部の静電容量を抽出し、静電容量から、センサ本体の面圧分布を算出する発明である。

特許第４５６５３５９号公報

しかしながら、特許文献１の発明は、押圧面の上部鉛直方向（Ｚ軸方向）からの押圧に関しては高い検出感度を呈するが、押圧面に沿った面方向の（Ｘ軸方向やＹ軸方向）の力に関しては検出することができない問題があった。

本発明は、そのような実状に鑑み案出されたもので、押圧面に沿った面方向の（Ｘ軸方向やＹ軸方向）の力（主に摩擦力）に着目して、高精度にその力の分布を測定できるようにした静電容量型検出装置および静電容量型検出装置群の発明である。

すなわち、本発明の第一実施態様は、基材上に下部電極が形成され、下部電極上に絶縁層が形成され、絶縁層上に上部電極が形成され、前記下部電極は一方向に伸びた線状パターンからなり、前記上部電極も下部電極と同じ方向に伸びた線状パターンからなる静電容量検出装置、である。また本発明の第二実施態様は、基材上に下部電極が形成され、下部電極上に絶縁層が形成され、絶縁層上に上部電極が形成され、前記下部電極は各々異なる方向に伸びた線状パターンからなる複数層であり、前記上部電極も前記各々の下部電極と同じ方向に伸びた線状パターンからなる複数層である静電容量検出装置、である。

また、本発明の第三実施態様は、前記静電容量検出装置を複数個並列して並べた静電容量検出装置群、である。また、本発明の第四実施態様は、前記各々の静電容量検出装置の上部電極パターンの伸びた一方向と交差する角度の方向の力の分布を測定できる静電容量検出装置群、である。

本発明の静電容量検出装置は、基材上に下部電極が形成され、下部電極上に絶縁層が形成され、絶縁層上に上部電極が形成され、前記下部電極は一方向に伸びた線状パターンからなり、前記上部電極も下部電極と同じ方向に伸びた線状パターンからなることを特徴とする。したがって、前記上部電極の線状パターンの伸びた一方向と交差する角度の方向から力が加わると、その力の大きさに応じて上部電極が変形し、下部電極との間の距離が変化する。その下部電極との間の距離の変化に伴い、上部電極と下部電極との間の静電容量値が変化するので、その電気信号を検知すれば前記力の大きさを検知できる効果がある。

また、本発明の静電容量検出装置は、基材上に下部電極が形成され、下部電極上に絶縁層が形成され、絶縁層上に上部電極が形成され、前記下部電極は各々異なる方向に伸びた線状パターンからなる複数層であり、前記上部電極も前記各々の下部電極と同じ方向に伸びた線状パターンからなる複数層であることを特徴とする。したがって、前記上部電極が複数層からなるので、どの方向から力が加わっても、その方向からの力の大きさに応じて上部電極が変形し、対応する下部電極との間の距離が変化する。その下部電極との間の距離の変化に伴い、上部電極と下部電極との間の静電容量値が変化するので、その電気信号を検知すればどの方向からの力の大きさも検知でき、力の分力成分が検知できる効果がある。

また、本発明の静電容量検出装置群は、前記静電容量検出装置を複数個並列して並べたことを特徴とする。その各々の静電容量検出装置は、その上部電極の線状パターンの伸びた一方向と交差する角度の方向の力をそれぞれ別個独立して測定することができる。その結果、その各々の静電容量検出装置を複数個並列して並べた本発明の静電容量検出装置群は、その各々の静電容量検出装置の上部電極の線状パターンの伸びた一方向と交差する角度の方向の力の分布を測定できる効果がある。

本発明の一実施形態の静電容量検出装置の断面図である。本発明の一実施形態の静電容量検出装置の斜視概略図（保護層は省略）である。本発明の一実施形態の静電容量検出装置の断面図であって、紙面左から右に力が加わって、上部電極等が変形した際の断面図である。本発明の一実施形態の静電容量検出装置の下部電極および上部電極の線状パターンのうち、幅や長さがそれぞれ異なっている例や、部分的に幅が広くなっている形状や狭くなっている形状の例を示す。本発明の一実施形態の静電容量検出装置の下部電極および上部電極の線状パターンのうち、多角形の形状や、波形状あるいは円弧形状のような曲線状になっているものの例を示す。本発明の一実施形態の静電容量検出装置の下部電極および上部電極が、それぞれ複数層になっている例を示す断面図である。図６の下部電極および上部電極の線状パターンの概略図である本発明の一実施形態の静電容量検出装置を縦横マトリックス状に複数個並べた静電容量検出装置群を示し、それでもって各静電容量検出装置の一方向と交差する角度の方向の力の大きさの面状分布を測定する例を示す概念図である。下部電極および上部電極がそれぞれ複数層になっている本発明の一実施形態の静電容量検出装置を縦横マトリックス状に複数個並べた静電容量検出装置群を示し、それでもって各静電容量検出装置の一方向と交差する角度の方向の力の大きさおよび力の方向の面状分布を測定する例を示す概念図である。

以下、本発明の実施の一形態を、図面に基づき説明する。本発明の静電容量検出装置１は、基材１０上に下部電極２０が形成され、下部電極２０上に絶縁層３０が形成され、絶縁層３０上に上部電極４０が形成され、前記下部電極２０は一方向に伸びた線状パターン２５、２６、２７からなり、前記上部電極４０も下部電極２０と同じ方向に伸びた線状パターン４５，４６であって前記パターン２５と前記パターン２６の隙間および前記パターン２６と前記パターン２７の隙間の位置に形成する。そして、上部電極４０の上部には保護層５０が形成されていてもよい（図１、図２参照）。

この静電容量検出装置１の保護層５０の表面に沿って、上部電極４０の線状パターン４５，４６の伸びた一方向と交差する角度の方向から力６０が加わると、その力６０の大きさに応じて上部電極４０の線状パターン４５，４６が保護層５０や絶縁膜３０とともに力６０の方向に変形し、下部電極２０の線状パターン２６との間の距離は、線状パターン４５については近くなり、線状パターン４６については遠くなる。また、下部電極２０の線状パターン２５と線状パターン４５については遠くなり、下部電極２０の線状パターン２７と線状パターン４６については近くなる。これらの線状パターンの層間の距離の変化は、力６０の大きさに比例する。したがって、これらの線状パターンの層間の距離の変化に伴う各々の線状パターン間の静電容量値の変化を検知すれば、前記力６０の大きさを検知できる（図３参照）。

なお上記の例は、下部電極２０が３本の線状パターンで上部電極４０が２本の線状パターンの場合を記載しているが、１本のみでもよいし４本以上であってもよい。また、下部電極２０と上部電極４０とで線状パターンの本数が同じであってもよい。また上記の例は、下部電極２０および上部電極４０の線状パターンがともにほぼ同じ形状の長尺の長方形で記載しているが、本発明では、幅や長さがそれぞれ異なっていてもよいし、部分的に幅が広くなっている形状や狭くなっている形状のものでもよい（図４参照）。また、長方形状だけでなく、多角形の形状や、波形状あるいは円弧形状のような曲線状になっているものでもよい（図５参照）。また、正方形や円の形状などは、一般的に線状パターンの範疇に入らないが、本発明においては、本発明の作用や機能を呈する態様であれば線状パターンの一種と見なし、本発明の範囲内にあるものとする。

また、下部電極２０および上部電極４０は、それぞれ複数層になっていてもよい。例えば、下部電極２０は絶縁膜を挟んで下部第一電極２１と下部第一電極２１からなる二層であり、上部電極４０は絶縁膜を挟んで上部第一電極４１と上部第一電極２２からなる二層になっていてもよい（図６参照）。この場合は、下部電極２０の各層と上部電極４０の各層とが同じ方向に伸びた線状パターンであることが好ましい。すなわち、下部電極２０が、Ｘ方向に伸びた線状パターンの下部第一電極２１とＹ方向に伸びた線状パターンの下部第二電極２２である場合、上部電極４０は前記各々の下部電極と同じＸ方向に伸びた線状パターンの上部第一電極４１とＹ方向に伸びた線状パターンの上部第二電極４２にすることが好ましい（図７参照）。なお、図７では下部電極２０二層の上部に上部電極４０二層を掲載しているが、互い違いに形成しても構わない。すなわち、下部第二電極２２の上に上部第二電極４２を形成し、その上に下部第一電極２１を形成し、その上に上部第一電極４１を形成しても構わない。その場合は、断面積の大きい上部第一電極４１で下部第一電極２１を覆い隠し、断面積の大きい下部第二電極２２で上部第二電極４２を覆い隠すことができるため、内部二層の下部第一電極２１と上部第二電極４２の回路パターンを外見から認識されないようにすることができるメリットがある（図７参照）。なお、覆い隠す必要がなければ、各電極の断面積を同じにしてもよいし、逆に内部二層の電極の断面積の方を大きくしてもよい。

このようにすれば、下部第一電極２１と上部第一電極４１との間の静電容量値の変化と、下部第二電極２２と上部第二電極４２との間の静電容量値の変化とを、それぞれ別々に検知することができる。その結果、力６０の方向が上部第一電極４１または上部第二電極４２のいずれかの線状パターンの方向と直角ではない場合（すなわち、斜め方向から力６０が加わる場合）であっても、力６０のＸ方向およびＹ方向の分力成分をそれぞれ測定することができるメリットがある。なお、図６ではＸ方向とＹ方向の直交した例を示しているが、直交でなくとも全く同じ方向でなければそのメリットは享受できるので、直交でない場合も本発明の範囲に含まれる。

下部電極２０および上部電極４０の電極材料は特に限定されないが、、金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、チタン、パラジウム等の金属膜のほか、酸化インジウムスズや酸化亜鉛などの導電性セラミック膜などが挙げられる。形成方法は、圧延による方法のほかメッキ、スパッタリング、蒸着、イオンプレーティング等で導電膜を全面形成した後にエッチングによりパターニングする方法が挙げられる。下部電極２０および上部電極４０の厚みは、０．１μｍ〜５ｍｍの範囲内で適宜選択するとよい。

絶縁層３０の材質としては、シリコーン、フッ素、ウレタン、エポキシ、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ブタジエンゴムなどの弾性力を有する合成樹脂シートや伸縮性のある不織布シートなどが挙げられる。とくに、シリコーンゲル、シリコンエラストマーなどのシリコーン樹脂系の弾性体シートは、低温から高温まで幅広い温度域で耐久性に優れ、かつ弾性力も優れているので、より好ましい。なお、絶縁層３０は押出成形などの一般的なシート成形法によりシート化されたものに限定されるわけでなく、印刷やコーターなどによって形成されたコーティング層であってもよい。厚みは２μｍ〜５ｍｍの範囲で適宜選択すると良い。

また、絶縁層３０は発泡体で構成されていてもよい。発泡体としては、前記絶縁層３０の合成樹脂中にガスを細かく分散させ、発泡状または多孔質形状に成形されたものが挙げられる。とくに、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどは、それ自体のシートのみでは弾性力が弱く、発泡体にすることにより、弾性力が発生するので、これらの合成樹脂を絶縁層３０の材質として選択する場合は、発泡体の状態にしておくことが好ましい。発泡体の製造方法は、アゾジカーボンアミドや炭酸水素塩などの熱分解型発泡剤やフロンや炭化水素などを熱可塑性樹脂カプセルでくるんだ熱膨張性マイクロカプセル発泡剤を前記合成樹脂中に分散させ、熱が加わるビーズ発泡，バッチ発泡，プレス発泡，常圧二次発泡、射出発泡，押出発泡，発泡ブローなどの成形方法で製造する方法が挙げられる。

また、絶縁層３０は、電気粘性流体で構成されていてもよい。電気粘性流体は電界を印加したり除去したりすることによって粘弾性特性が可逆的に変化する流体のことであり，液晶などの単一物質からなる均一系電気粘性流体や、絶縁液体などに粒子を分散させた分散系電気粘性流体などが挙げられる。とくに、分散系電気粘性流体の場合は、電界の有無によって固液相変化が可能であり、より好ましい。

なお、絶縁層３０には、絶縁性を維持できる範囲の割合でカーボンブラック、金、銀、ニッケルなどの導電粒子を添加してもよい。押圧された際、含有されていた導電粒子間の距離が接近して下部電極２０と上部電極４０との間の静電容量値が急上昇するため、それにより感度が向上する効果があるからである。導電粒子の平均粒径は絶縁層３０の厚みの１０分の１以下が好ましい。

保護層５０の材質としては、アクリル、ウレタン、フッ素、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリアミド、オレフィンなどの熱可塑性または熱硬化性樹脂シートのほか、シアノアクリレートなどの紫外線硬化型樹脂シートなどが挙げられるが、とくに限定されない。また、保護層５０の材質を、静電容量検出装置１の周囲の材質と同じにすることで、その周囲の材質にかかる力６０をより正確に求めることができる。

また、上記力６０が摩擦力と同等と見なせる場合においては、それを法線方向(Ｚ軸方向)の圧力値で除算することで、Ｆ＝μＮの物理公式から保護層５０表面の摩擦係数μの値を求めることもできる。これは、例えば摩擦係数μの値を求めたい素材でもって保護層５０の表面を形成し、重量が既知の物体でもって保護層５０表面を移動させ、その時に生じる力６０を本発明の静電容量検出装置１でもって検知すれば、容易に求めることができる。

さらに、本発明の静電容量検出装置１を縦横マトリックス状に複数個並べた静電容量検出装置群１００を構成すると、各静電容量検出装置１の一方向と交差する角度の方向の力６０の面状分布を測定することもできる（図８参照）。すなわち、各々の静電容量検出装置１はそれぞれ各々の位置における静電容量検出装置１と交差する角度の方向の力を測定することができるので、力６０の大きさが場所によって異なる場合であっても、静電容量検出装置１を縦横マトリックス状に複数個並べると、各場所における力６０の大きさを測定できる。

さらに、前記上部電極４０および下部電極２０をそれぞれ複数層形成した本発明の静電容量検出装置１を、縦横マトリックス状に複数個並べて静電容量検出装置群１００を構成すると、各々の力６０の大きさだけでなく、各々の力６０の加わる方向も測定でき、力６０の面状分布を測定することができる（図９参照）。すなわち、各々の静電容量検出装置１はそれぞれ各々の位置における静電容量検出装置１と交差する角度の方向の力の分力（Ｘ方向の分力およびＹ方向の分力）をそれぞれ測定することができるので、力６０の大きさおよび方向が場所によって異なる場合であっても、静電容量検出装置１を縦横マトリックス状に複数個並べると、各場所における力６０の分力（Ｘ方向の分力およびＹ方向の分力）の大きさを測定できる。

なお、上記の例は、静電容量検出装置１を縦横マトリックス状に並べる場合を示したが、静電容量検出装置１を縦一列または横一列に並べても構わない。また静電容量検出装置群１００は、例えば、基材１０や絶縁層３０はすべて共通化したうえで上部電極４０や下部電極２０のみをそれぞれ別個独立して形成することで各静電容量検出装置１とする形態であってもよく、一つの大きな別の基材の上に既に製造した静電容量検出装置１各々を一個ずつ貼合して並べるような形態であってもよい。

以下、本発明の実施例１として、管径が１５０ｍｍから１００ｍｍと細くなる円筒型配管の継ぎ目部付近を一方向に流れる水が、同配管の各箇所に及ぼす水圧分布を測定するために用いた静電容量検出装置群について記載する。実施例１の静電容量検出装置は、以下の手順で製造した。１ｍｍ厚のガラスエポキシ基材上に、厚さ２０μｍの銅箔からなる５本の長方形状パターン（幅１ｍｍ×長さ１０ｍｍ、ピッチ１．５ｍｍ）からなる下部電極をサブトラクト法で形成し、その上に３０μｍ厚のシリコーン発泡体からなる絶縁層をリバースコート法で形成した。次いで、その絶縁層上に厚さ２μｍの銅箔からなる４本の長方形状パターンの上部電極（幅、長さ、ピッチとも下部電極と同じ）をメッキ法で前記下部電極の隙間の位置に形成し、上部電極上に５μｍ厚のウレタン樹脂層を形成し、その上に上記配管表面と同じ材質の部材を１ｍｍの厚みで被覆形成し保護層とした。なお、下部電極および上部電極は、検出した電気信号を伝達できるよう処理部と電気接続した。

上記得られた静電容量検出装置を円筒型配管の上下左右４箇所×各管径の合計８箇所の表面に貼合し、８個の静電容量検出装置からなる静電容量検出装置群が形成された試験用配管を製作した。この試験用配管に１００ｍ^２/時間の流量で水を流し、各々箇所および各管径における水圧を測定した。その結果を下表に示す。その結果、管径が１５０ｃｍから１００ｃｍに細くなると断面積から理論上算出される予想水圧よりも大きい水圧がかかることがわかった(理論上平均２．２５倍のところ平均２．３３倍)。また、配管上部にかかる水圧は比較的低く、配管左右部にかかる水圧は比較的大きいことがわかった。
＜管径が細くなる円筒型配管の継ぎ目部付近を一方向に流れる水の水圧測定結果＞

静電容量検出装置の下部電極および上部電極をそれぞれ二層構造にした以外は、前記実施例１と同様にして静電容量検出装置群が形成された試験用配管を製作した。すなわち、５０μｍ厚のポリイミド樹脂の両面に、厚さ２０μｍの銅箔からなる５本の長方形状パターン（幅１ｍｍ×長さ１０ｍｍ、ピッチ１．５ｍｍ）からなる下部第一電極と、それと厚みやパターン、材質が同じでパターンの向きが直交する下部第二電極とを、それぞれサブトラクト法で形成し、それを１ｍｍ厚のガラスエポキシ基材上に貼合した。その下部電極上に３０μｍ厚のシリコーン発泡体からなる絶縁層をリバースコート法で形成した。次いで、５０μｍ厚のポリウレタン樹脂の両面に、厚さ２μｍの銅箔からなる４本の長方形状パターンの上部第一電極（幅、長さ、ピッチとも下部第一電極と同じ）および上部第二電極（幅、長さ、ピッチとも下部第二電極と同じ）をメッキ法で前記各々の下部電極の隙間の位置に形成し、それを上記絶縁層上に貼合した。

この作成した試験用配管に１００ｍ^２/時間の流量で水を流し、各々箇所および各管径における水圧のＸ成分(水流の方向)およびＹ成分（水流と直交する方向）を測定した。その結果を下表に示す。その結果、管径が１５０ｃｍのときはＸ成分(水流の方向)の圧力がほとんどであるが、管径が１００ｃｍになるとＹ成分（水流と直交する方向）の圧力が増加することがわかった。このことから、管径が１００ｃｍになると管壁から受ける摩擦抗力が急激に大きくなることがわかった。
＜管径が細くなる円筒型配管の継ぎ目部付近を一方向に流れる水の水圧測定結果＞

１静電容量検出装置
１０基板
２０下部電極
２１下部第一電極
２２下部第二電極
２５，２６，２７下部電極の線状パターン
３０絶縁層
４０上部電極
４１上部第一電極
４２上部第二電極
４５，４６上部電極の線状パターン
５０保護層
６０力
１００静電容量検出装置群

Claims

基材上に下部電極が形成され、
下部電極上に絶縁層が形成され、
絶縁層上に上部電極が形成され、
前記下部電極は一方向に伸びた線状パターンからなり、
前記上部電極も下部電極と同じ方向に伸びた線状パターンからなる静電容量検出装置。
基材上に下部電極が形成され、
下部電極上に絶縁層が形成され、
絶縁層上に上部電極が形成され、
前記下部電極は各々異なる方向に伸びた線状パターンからなる複数層であり、
前記上部電極も前記各々の下部電極と同じ方向に伸びた線状パターンからなる複数層である静電容量検出装置。
請求項１または請求項２に記載の静電容量検出装置を複数個並列して並べた静電容量検出装置群。
前記各々の静電容量検出装置の上部電極パターンの伸びた一方向と交差する角度の方向の力の分布を測定できる、
請求項３に記載の静電容量検出装置群。