JP2021076511A

JP2021076511A - 静電容量検出装置

Info

Publication number: JP2021076511A
Application number: JP2019204468A
Authority: JP
Inventors: 森　富士男; Fujio Mori; 富士男森; 勝己徳野; Katsumi Tokuno; 裕次渡津; Yuji Totsu
Original assignee: Nissha Co Ltd
Current assignee: Nissha Co Ltd
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2021-05-20
Anticipated expiration: 2039-11-12
Also published as: JP6837702B1

Abstract

【課題】従来の静電容量型検出装置は、高精度な圧力分布は測定困難な問題があった。さらに、平面に対して平行な面方向(Ｘ軸方向、Ｙ軸方向)の応力、すなわちせん断力の検出はできなかった。【解決手段】長方形、平行四辺形、楕円などの島状パターンの第一電極をマトリックス状に形成し、その第一電極上に絶縁層を形成し、絶縁層上に交差する複数本の線状パターンからなる上部電極と下部電極の二層からなる第二電極を形成した静電容量検出装置であって、真上から見たとき（平面視）において第一電極の島状パターンの一部と前記上部電極のパターンの一部および前記下部電極のパターンの一部とが、それぞれ重なっているようにしたことを特徴とする静電容量検出装置を提供する。島状パターンの第一電極と下部電極との間の静電容量値および島状パターンの第一電極と上部電極との間の静電容量値を測定して、せん断力を正確に測定できる。【選択図】図１

Description

本発明は、平面に対して法線方向(Ｚ軸方向)の圧力分布のみならず、平面に対して平行な面方向(Ｘ軸方向、Ｙ軸方向)のせん断力分布も正確に測定することができる静電容量検出装置に関する。

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面圧分布センサの発明として、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、表側電極と裏側電極とが平面視においてほぼ正方形の線状パターンであり、表側電極の検出感度とを向上させる必要から、押圧面側の誘電層（絶縁層）をエラストマーのような柔らかい素材にしている。しかし、エラストマーのような柔らかい誘電層（絶縁層）上に複雑で微細な電極パターンを形成することが技術的に難しいため、高精度な圧力分布は測定困難な問題があった。また、押圧試験中にその下部電極が断線するリスクが高くなる問題もあった。したがって、誘電層面に対して法線方向(Ｚ軸方向)の応力の面内分布を検出できるものの、誘電層面に対して平行な面方向(Ｘ軸方向、Ｙ軸方向)の力、いわゆるせん断力の検出はできなかった。

本発明は、そのような実状に鑑み案出されたもので、長方形、平行四辺形、楕円などの島状パターンの第一電極をマトリックス状に形成し、その第一電極上に絶縁層を形成し、絶縁層上に互いに交差する複数本の線状パターンからなる下部電極と上部電極の二層からなる第二電極を形成した静電容量検出装置であって、真上から見たとき（平面視）において第一電極の島状パターンの一部と前記下部電極のパターンの一部および前記上部電極のパターンの一部とが、それぞれ重なっているようにしたことを特徴とする静電容量検出装置である。

すなわち、本発明の第一実施態様は、島状パターンの第一電極がマトリックス状に形成され、前記第一電極上に絶縁層が形成され、前記絶縁層上に互いに交差する複数本の線状パターンからなる下部電極と上部電極の二層からなる第二電極が形成され、平面視において、前記第一電極の島状パターンの一部と前記下部電極のパターンの一部および前記上部電極のパターンの一部とが、平面視においてそれぞれ重なっていることを特徴とす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、前記第一電極の島状パターンの一部と前記上部電極のパターンの一部とが平面視において重なっている領域が、前記第一電極の島状パターンの一部と前記下部電極のパターンの一部とが平面視において重なっている領域よりも大きいことを特徴とす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、前記第一電極の島状パターンが、長方形、平行四辺形、楕円のいずれかである静電容量検出装置である。また本発明の第四実施態様は、前記第一電極が個別ＡＣドライブ回路を介して処理部と接続され、前記第二電極が信号変換部を介して処理部と接続される静電容量検出装置である。また本発明の第五実施態様は、前記上部電極の上部から加わるせん断力を測定できる静電容量検出装置である。

本発明の静電容量検出装置は、島状パターンの第一電極がマトリックス状に形成され、前記第一電極上に絶縁層が形成され、前記絶縁層上に互いに交差する複数本の線状パターンからなる下部電極と上部電極の二層からなる第二電極が形成され、平面視において、前記第一電極の島状パターンの一部と前記下部電極のパターンの一部および前記上部電極のパターンの一部とが、平面視においてそれぞれ重なっていることを特徴とする。したがって、平面視において第一電極と下部電極との重なっている領域の静電容量値の変化を検出することでＸ軸方向のせん断力の分力が測定でき、平面視において第一電極と上部電極との重なっている領域の静電容量値の変化を検出することでＹ軸方向のせん断力の分力が測定できる、また、第一電極がマトリックス状に形成され、下部電極と上部電極とが互いに交差する複数本の線状パターンからなるので、Ｘ軸方向のせん断力の分力分布およびＹ軸方向のせん断力の分力分布も測定することができる効果がある。

また、本発明の静電容量検出装置は、前記第一電極の島状パターンの一部と前記上部電極のパターンの一部とが平面視において重なっている領域が、前記第一電極の島状パターンの一部と前記下部電極のパターンの一部とが平面視において重なっている領域よりも大きいことを特徴とする。したがって、上部電極が下部電極に比べて第一電極からの距離が遠いために、通常なら静電容量値の検出感度が低下する態様であっても、検出する領域が相対的に大きくなることで、その検出感度をほぼ同じに補正することができる。その結果、Ｘ軸方向のせん断力の分力の検出感度とＹ軸方向のせん断力の分力の検出感度とをほぼ同じにすることができ、どの方向のせん断力も同じ精度で測定できる効果がある。

また、本発明の静電容量検出装置は、前記第一電極の島状パターンが、長方形、平行四辺形、楕円のいずれかであることを特徴とする。したがって、互いに交差する複数本の線状パターンからなる下部電極と上部電極のどちらにも平面視において重なる領域をつくることができ、かつ容易に前記第一電極の島状パターンの一部と前記上部電極のパターンの一部とが平面視において重なっている領域を前記第一電極の島状パターンの一部と前記下部電極のパターンの一部とが平面視において重なっている領域よりも大きい態様にすることができる。したがって、上記島状パターンの第一電極一層のみを形成するだけで、容易にＸ軸方向のせん断力の分力の検出感度とＹ軸方向のせん断力の分力の検出感度とをほぼ同じにすることができる効果がある。

また、本発明の静電容量検出装置は、前記第一電極が個別ＡＣドライブ回路を介して処理部と接続され、前記第二電極が信号変換部を介して処理部と接続されることを特徴とする。したがって、第一電極の島状パターン各々と下部電極のパターンの各々とで検出した静電容量値の各々の電気信号、および第一電極の島状パターン各々と上部電極のパターンの各々とで検出した静電容量値の各々の電気信号が、干渉して影響し合うことなく個別に処理部に伝達され処理される。その結果、ノイズなどの障害がなく、非常に精密にせん断力の分力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り、（ａ）第一電極が個別ＡＣドライブ回路およびドライブ回路を介して処理部と電気接続され、第二電極が信号変換部を介して処理部と電気接続される例を示す断面概略図であり、（ｂ）第一電極と下部第二電極および上部第二電極との厚み方向の位置関係を示す断面概略図である。本発明の一実施形態の静電容量検出装置を示す平面図であり、第一電極が正方形の島状パターンでマトリックス状に形成され、下部電極と上部電極は互いに交差する複数本の線状パターンで形成されている例を示す。本発明の一実施形態の静電容量検出装置の一部分を示す平面図であり、島状の第一電極のパターンが長方形である例を示す。本発明の一実施形態の静電容量検出装置の一部分を示す平面図であり、島状の第一電極のパターンが平行四辺形である例を示す。本発明の一実施形態の静電容量検出装置の一部分を示す平面図であり、島状の第一電極のパターンが楕円である例を示す。図３の長方形の第一電極のパターンの四頂点を丸くし四頂点を無くしたパターンに変更した例を示す。図３の静電容量検出装置において、平面視において第一電極と下部電極とが重なる領域および第一電極と上部電極とが重なる領域を、それぞれグレー色塗りつぶしおよび白色塗りつぶしで表した例を示す。図３の状態に紙面右から左にせん断力が加わり、上部電極が左に移動した状態の静電容量検出装置の例を示し、平面視において第一電極と上部電極とが重なる領域において、図７の状態から増加した重なる領域を黒色塗りつぶしで表した例を示す。図３の状態に紙面上から下に力が加わり、下部電極が下に移動した状態の静電容量検出装置の例を示し、平面視において第一電極と下部電極とが重なる領域において、図７の状態から増加した重なる領域を黒色塗りつぶしで表した例を示す。図５の状態に紙面右から左に力が加わり、上部電極が左に移動した状態の静電容量検出装置の例を示し、平面視において第一電極と上部電極とが重なる領域において、図５の状態から増加した重なる領域を黒色塗りつぶしで表した例を示す。本発明の一実施形態の静電容量検出装置の第一電極と第二電極おいて、第一電極と第二電極の線状パターンの特殊な例を示す概略平面図であって、（ａ）第一電極および第二電極が、それぞれ幅や長さがそれぞれ異なっている線状パターンの場合を示す概略平面図であり、（ｂ）第一電極および第二電極が、部分的に幅が広くなっている形状や狭くなっている場合を示す概略平面図であり、（ｃ）第一電極および第二電極が、多角形の形状や円弧状の形状になっている場合を示す概略平面図であり、（ｄ）第一電極および第二電極が、それらが複合した形状や波形状になっている場合を示す概略平面である。本発明の一実施形態の静電容量検出装置において、第一電極と第二電極の位置および引き回し配線の位置を少しずらして、それらを平行にパターン形成することで、第一電極や第二電極のセンシング部の周囲直交する二方向のいずれかに額縁部が存在しないようにした例を示す概略平面図である。本発明の一実施形態の静電容量検出装置を複数個縦列に並べて繋ぎ合わせた場合において、各静電容量検出装置が動いてずれてしまわないよう、静電容量検出装置の一部に鍵と鍵穴の関係となる凸部および凹部を設けた例を示す概略平面図である。

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、島状パターンの第一電極２０がマトリックス状に形成され、第一電極２０上に絶縁層３０が形成され、絶縁層３０上に平面視において互いに交差する複数本の線状パターンの下部第二電極４０１および上部第二電極４０２の二層からなる第二電極４０が形成された静電容量検出装置であって（図１、図２参照）、平面視において第一電極２０の島状パターンの一部と下部第二電極４０１のパターンの一部および第一電極２０の島状パターンの一部と上部第二電極４０２のパターンの一部とが、平面視においてそれぞれ重なっていることを特徴とする（図３〜図１０参照）。そして、第一電極２０は個別ＡＣドライブ回路５およびドライブ回路１１０を介して処理部１２０と電気接続され、第二電極４０は信号変換部１３０を介して処理部１２０と電気接続される（図１参照）。なお、せん断力６０から、上部第二電極４０２などを保護するための保護層５０を設けてもよい（図１参照）。

この場合、第一電極２０の島状パターンの一部と前記上部第二電極４０２のパターンの一部とが平面視において重なっている領域（以下Ｓ１とする）の面積が、前記第一電極２０の島状パターンの一部と前記下部第二電極４０１のパターンの一部とが平面視において重なっている領域（以下Ｓ１とする）面積よりも大きくなるようにするのが好ましい（図３〜図１０参照）。電極間の静電容量値は電極間の距離に反比例するので、第一電極２０と上部第二電極４０２との距離の方が、第一電極２０と下部第二電極４０１との距離よりも遠いので、それだけ静電容量値の検出感度が低下する。したがって、その感度低下を補うために平面視においてＳ１をＳ２より大きくすることで第一電極２０と上部第二電極４０２との感度を向上させ、第一電極２０と上部第二電極４０２との感度と第一電極２０と下部第二電極４０１との感度とを同程度になるようにすることができ、せん断力６０のＸ方向の検出感度とＹ軸方向の検出感度が同程度になるようにすることができる。

その場合、第一電極２０の各々の島状パターンは、長方形、平行四辺形、楕円のいずれかにすることが好ましい（図３〜図５参照）。長方形、平行四辺形、楕円のいずれかのパターンの長辺を上部第二電極４０２の線状パターンと平行になり、長方形、平行四辺形、楕円のいずれかのパターンの短辺を下部第二電極４０１の線状パターンと平行になるようにし、かつ前記Ｓ１およびＳ２が形成される位置関係に設定すれば、容易にＳ１の面積がＳ２の面積よりも大きくなるようにすることができる。したがって、上記長方形、平行四辺形、楕円のいずれかの島状パターンの第一電極２０一層のみを位置を合わせて形成するだけで、容易にＸ軸方向のせん断力の分力の検出感度とＹ軸方向のせん断力の分力の検出感度とをほぼ同じにすることができる。

なお、平面視において上部第二電極４０２と下部第二電極４０１とが直交する場合において、第一電極２０のパターンを長方形ではなく長方形の四隅を丸くし四頂点を無くした形状にしてもよい（図６参照）。同様に、平面視において上部第二電極４０２と下部第二電極４０１とが直交しない場合においても、第一電極２０のパターンを平行四辺形ではなく平行四辺形の四隅を丸くし四頂点を無くしたパターンの形状にしてもよい。

また、第一電極２０の各々の島状パターンを楕円にした場合、長方形あるいは平行四辺形にした場合より、Ｓ１の領域とＳ２の領域とが離れるので、各々の電極で発生する電気信号のノイズなどによる悪影響を少なくできる効果もある。楕円にした場合、平面視においてＳ１やＳ２の面積が長方形あるいは平行四辺形にした場合より減少するので静電容量値の検出感度の絶対値が若干低下する問題はあるが、紙面右から左へ加わるせん断力６０に起因して上部第二電極４０２が紙面右から左へ平行移動したことによるＳ１の増加領域(以下Ｓ１´とする)の割合（すなわち、（Ｓ１＋Ｓ１´）／Ｓ１比）は、長方形や平行四辺形のパターンの例よりも大きくなるので、ノイズに対する検出感度上昇は、長方形や平行四辺形よりも楕円の方が高いメリットがある（図１０参照）。同様に、紙面上から下へ加わるせん断力６６に起因して下部第二電極４０１が紙面上から下へ平行移動したことによるＳ２の増加領域(以下Ｓ２´とする)の割合（すなわち、（Ｓ２＋Ｓ２´）／Ｓ２比）は、長方形や平行四辺形のパターンの例よりも大きくなるので、ノイズに対する検出感度上昇は、長方形や平行四辺形よりも楕円の方が高いメリットがある。

なお、第一電極２０の島状パターンは、すべて全く同じパターンで複数個整列させて形成しても構わないし、上記様々なパターンを織り交ぜて複数個整列させて形成しても構わない。なお、いずれの図でも上部第二電極４０２および下部第二電極４０１の線状パターンはともにほぼ同じ形状の長尺の長方形で記載しているが、その幅や長さがそれぞれ異なっていてもよいし（図１１ａ参照）、部分的に幅が広くなっていたり狭くなっているようなパターンのものでもよい（図１１ｂ参照）。また、部分的あるいは全部が多角形状や円弧状のようなパターンになっていてもよいし（図１１ｃ参照）、それらの複合したパターンや波型状のようなパターンになっていてもよい（図１１ｄ参照）。そしてその上部第二電極４０２および下部第二電極４０１の線状パターンに応じて第一電極２０の島状パターンも適宜変更するとよい。

以上、第一電極２０の島状パターンおよび第二電極４０の上部第二電極４０２と下部第二電極４０１の線状パターンの様々な例を示したが、以下は第一電極２０の島状パターンが少し縦長の長方形で、上部第二電極４０２と下部第二電極４０１の線状パターンが直線状の長方形の例に絞り、詳細に説明する（図７〜図９参照）。この場合、平面視において上部第二電極４０２と下部第二電極４０１とが交差する交点端部間の近距離であって上部第二電極４０２のパターン方向の距離ｄ４０が、平面視において上部第二電極４０２と下部第二電極４０１とが交差する交点中心間の距離であって下部第二電極４０１のパターン方向の距離ｄ２０以上であることが好ましい。
そして、島状パターンの第一電極２０は、その長方形の頂点の位置が平面視において前記上部第二電極４０２と下部第二電極４０１とが交差する領域内にあることが好ましい(図７参照)。

この島状パターンの第一電極２０と前記上部第二電極４０２との間の静電容量値の変化およびこの島状パターンの第一電極２０と前記下部第二電極４０１との間の静電容量値の変化を計測することで、それぞれ上部第二電極４０２のパターン方向のせん断力６０のＸ軸方向の分力成分６５と下部第二電極４０１のパターン方向のせん断力６０のＹ軸方向の分力成分６６とを測定することができる。島状パターンの第一電極２０と上部第二電極４０２との間の静電容量値を検出できる領域はＳ１、すなわち図７における白色塗りつぶし部分である。一方、島状パターンの第一電極２０と下部第二電極４０１との間の静電容量値を検出できる領域はＳ２、すなわち図７におけるグレー色塗りつぶし部分である。なお、島状パターンの第一電極２０と上部第二電極４０２との間の厚み方向の平均距離ｔ４０が島状パターンの第一電極２０と下部第二電極４０１との間の厚み方向の平均距離ｔ２０よりも大きい（すなわち島状パターンの第一電極２０との距離が上部第二電極４０２よりも下部第二電極４０１の方が近い）ので、第一電極２０と上部第二電極４０２と下部第二電極４０１の三者の電極が重なる領域については、Ｓ２（グレー色塗りつぶし部分）としての機能の方が優位となる(図７参照)。

この状態から紙面右から左にＸ軸方向の分力成分６５が加わると、その力の大きさに比例して図７の上部第二電極４０２は図８の上部第二電極４０２の位置に平行移動し（すなわち紙面左方向に平行移動し）、その結果、第一電極２０と上部第二電極４０２との間の静電容量値を検出できる領域Ｓ１は、図７の状態から図８の状態の黒色塗りつぶしの領域Ｓ１´の面積分だけ増加する。したがって、この図８の黒色塗りつぶしの領域Ｓ１´の増加した静電容量値を検出すれば、もとのＸ軸方向の分力成分６５が測定できる。同様に、図７の状態から紙面上から下にＹ軸方向の分力成分６６が加わると、その力の大きさに比例して図７の下部第二電極４０１は図９の下部第二電極４０１の位置に平行移動し（すなわち紙面下方向に平行移動し）、その結果、第一電極２０と下部第二電極４０１との間の静電容量値を検出できる領域Ｓ２は、図７の状態から図９の状態の黒色塗りつぶしの領域Ｓ２´の面積分だけ増加する。したがって、この黒色塗りつぶしの領域Ｓ２´の増加した静電容量値を検出すれば、もとのＹ軸方向の分力成分６６が測定できる。

これらのせん断力６０のＸ軸方向の分力成分６５およびＹ軸方向の分力成分６６による静電容量値の変化の検出感度は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とでほぼ同じなるようにするのが好ましいので、図８の黒色塗りつぶしの領域Ｓ１´の面積は図９の黒色塗りつぶしの領域Ｓ２´の面積よりも大きくなるようにするのが好ましい。すなわち、第一電極２０との距離が下部第二電極４０１よりも上部第二電極４０２の方が遠いので（図１（ｂ）参照）、Ｓ１´の面積とＳ２´の面積を同じになるようにすると一般的に上部第二電極４０２での検出感度が下部第二電極４０１での検出感度よりも低くなるためである。具体的には、ｔ２０／ｔ４０（第一電極２０と下部第二電極４０１との距離／第一電極２０と上部第二電極４０２との距離）≒Ｓ２´／Ｓ１´（図９の黒色塗りつぶしの領域の面積／図８の黒色塗りつぶしの領域の面積）の関係になるように設計するとよい。したがって、ｔ２０とｔ４０とが全く同じと見なせるほどそれらの差が僅かで無視しても良いような条件なら、Ｓ２´の面積とＳ１´の面積とを同じにしても構わない。

次に、第一電極２０や第二電極４０と処理部１２０との配線に関する詳細説明をする。第一電極２０の各々の島状パターンの電極２１からは配線パターンが出力され、個別ＡＣドライブ回路５およびドライブ回路１１０を介して処理部１２０と電気接続されるようにするのが好ましい。一方、第二電極４０は、信号変換部１３０を介して処理部１２０と電気接続するようにするのが好ましい（図１（ａ）参照）。処理部１２０は、個別ＡＣドライブ回路５を制御し、第一電極２０の各々電極２１の一つ一つに対して、それぞれ交流信号 (ＡＣ信号)を加える。各々の電極２１が個別にＡＣ駆動され、その電極２１の各々と下部第二電極４０１および上部第二電極４０２との間に発生する静電容量値の大きさに応じて発生した電気信号を、第一電極２０および第二電極４０が受け取り、信号変換部１３０で電圧に変換され、処理部１２０で処理される。

これにより、第二電極４０または保護層５０の上部から加わるせん断力６０の値が算出でき、電極２１の各々の箇所でのせん断力６０の値が面状の分布として表現され、Ｘ軸方向の分力成分６５やＹ軸方向の分力成分６６ごとに分布を表現することもできる。このように、複雑で微細なパターンの第一電極２０の各々の島状パターンの電極２１が、同じく複雑で微細なパターンの個別ＡＣドライブ回路５を介して処理部と電気接続されるようにすれば、非常に微細な範囲ごとにせん断力６０を正確に測定することができる。なお、第一電極２０と第二電極４０とは入れ替えてもよい。すなわち、基板１０上に第二電極４０を形成し、絶縁層３０上に第一電極２０を形成して、上部にある第一電極２０と個別ＡＣドライブ回路５とが接続され、下部にある第一電極４０と信号変換部１３０とが接続されるようにしてもよい。

信号変換部１３０は、第二電極４０からの交流信号を別の信号に変換する装置部である。信号変換部１３０を構成する装置としては、チャージアンプ、ＡＤコンバータ、ディストリビュータ、アイソレータ、トランスデューサなどが挙げられる。その場合、単独の装置のみで信号変換部１３０を構成しても良いし、複数の装置の組み合わせで信号変換部１３０を構成しても良い。複数の装置の組み合わせの例としては、第一電極２０から発せられた交流の電流(電荷)総量を増幅して出力するチャージアンプと、その増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータなどが挙げられる。

なお、個別ＡＣドライブ回路は薄膜トランジスタからなっていてもよい。薄膜トランジスタはスイッチングの切り替え速度が速く最大コレクタ電流が大きいものを選定するのが好ましい。切り替え速度が速いと迅速に各電極における静電容量値をほぼ同時に計測することができ、最大コレクタ電流が大きいとそれだけ早く得られた信号を伝達できるからである。薄膜トランジスタは有機半導体で形成してもよい。有機半導体にすれば、例えばロールツーロールにより量産性良く生産ができ、曲面など三次元形状にも適用できるからである。このような有機半導体の材質としては、例えば、ポリ-３-ヘキシルチオフェンなどの置換チオフェンオリゴマー、ペンタセンおよびアセン、それらの誘導体、フタロシアニンおよびチオフェンベースの縮合環化合物、フルオレンオリゴマー誘導体などが挙げられる。形成方法は、例えばポリ-３-ヘキシルチオフェンの場合、ドロップキャスト法やスピンコーティング法などが挙げられる。厚みは０．１μｍ〜５ｍｍの範囲内で適宜選択するとよい。

そして、静電容量検出装置１は、前記第一電極２０または第二電極４０のセンシング部６００の周囲直交する二方向のいずれかに額縁部７００が存在しないようにするのが好ましい（図１２、図１３参照）。センシング部６００の上または下の方向と右または左の直交する二方向に引き回し配線を設けるためのスペースが必要になると、その引き回し配線が形成された領域ではせん断力６０の測定ができないため、測定できる範囲の長さが制限されてしまう。一方、静電容量検出装置１の第一電極２０または第二電極４０のセンシング部６００の周囲直交する二方向のいずれかに額縁部７００が存在しないようにすると、静電容量検出装置１を複数個並べて繋ぎ合わせて長尺態様にすれば、いくらでも測定できる範囲の長さを延ばすことができる。

センシング部６００を所望の長さに長くすることができれば、例えばタイヤ各箇所での微妙な凹凸などに起因する圧力やせん断力値のバラツキの程度や、タイヤ等の走行速度を加速または減速させた場合に加わるせん断力６０の変化など、従来では困難であった測定も容易に検出できる効果がある。額縁部７００がセンシング部６００の上側および下側に無いような態様にする方法は特に限定されないが、例えば第一電極２０と第二電極４０の位置および引き回し配線２５０と引き回し配線４５０の位置を少しずらして、それらを平行にパターン形成する方法が挙げられる（図１２参照）。なお、せん断力６０の要求される測定値の精度・解像度が高くなり、引き回し配線２５０と引き回し配線４５０を多数かつ細線化しなければならなくなった場合には、センシング部６００の左右両側に額縁部７００を設け、引き回し配線２５０と引き回し配線４５０をそれぞれ左右に分けて形成して、各引き回し配線間の間隔を拡げてもよい。

さらに、第一電極２０および第二電極４０付近の引き回し配線２５０と引き回し配線４５０の一部を直角に曲げることで実質的に引き回し配線の長さを長くし、それによって引き回し配線２５と引き回し配線４５の本数を半数程度削減することも可能である。それにより、引き回し配線２５０や引き回し配線４５０の線幅の自由度が増し、第一電極２０や第二電極４０をより微細化することが可能になり、さらにせん断力６０の測定値の精度・解像度を高めることもできる。また、静電容量検出装置１を複数個並べて繋ぎ合わせる際、静電容量検出装置１が動いてずれてしまわないよう、静電容量検出装置１の一部に鍵と鍵穴の関係となる凸部１２００および凹部１３００を設けてもよい（図１３参照）。この凸部１２００と凹部１３００とをしっかりと嵌め込めば、複数の静電容量検出装置１が一つの一体化した長尺の静電容量検出装置１と同様の機能を果たす効果がある。凸部１２００および凹部１３００は、額縁部７００に形成してもよいし、センシング部６００に形成してもよい。また凸部１２００および凹部１３００の形状は、鍵と鍵穴の関係になって外れないようにさえなれば、いかなる形状であってもよい。

上記長尺の静電容量検出装置１は、タイヤの走行試験のほか、人の歩行または走行時の靴底面にかかるせん断力６０を測定する場合や、ゴルフのパッティングにおけるゴルフボールが地面に及ぼす力、ボーリングのボールがレーンを走行する際に及ぼす力、ＩＴ機器のディスプレイ表面を人が指先でなぞる際に及ぼす力、列車が走行の際にレールに及ぼす力など、多くの用途について応用できる可能性がある。例えば、人の歩行または走行では接地面に接する箇所が飛び飛びになるが、人によって歩幅や走行幅が異なるし、同じ人でも歩行または走行の開始時と終了時では歩幅や走行幅が異なる。したがって、長尺全面にセンシング部６００が形成されれば、いかなる歩幅や走行幅であっても測定ができるので、上記長尺の静電容量検出装置１の有用性は高い。

上記第一電極２０、下部第二電極４０１、上部第二電極４０２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。パラジウム等の金属膜のほか、それに樹脂バインダーを添加した導電インキ膜、酸化インジウムスズや酸化亜鉛などの金属酸化物導電膜、カーボンナノチューブや銀ナノワイヤなどの導電繊維膜などが挙げられる。形成方法は、パターン印刷法のほか、メッキ法、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法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。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。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。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。

また、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、必要に応じて静電容量検出装置１の外部から入るノイズを遮蔽・除去し、かつ各上記第一電極２０、下部第二電極４０１、上部第二電極４０２の電気信号が外部に放出されないようにするためにシールド電極を上部第二電極４０２の上部や第一電極２０の下部などに設けてもよい。シールド電極のパターンはこれら全ての電極パターンを覆うベタパターンにするのが好ましい。材質や厚みは、上記第一電極２０、下部第二電極４０１、上部第二電極４０２と同等でよい。

１静電容量検出装置
５個別ＡＣドライブ回路
１０基板
２０第一電極
２１第一電極の各々の電極
４０第二電極
４０１下部第二電極
４０２上部第二電極
５０保護層
６０せん断力
６５せん断力のＸ軸方向の分力成分
６６せん断力のＹ軸方向の分力成分
１１０ドライブ回路
１２０処理部
１３０信号変換部
２５０、４５０引き回し配線
６００センシング部
７００額縁部
１２００凸部
１３００凹部
Ｓ１平面視において第一電極の島状パターンの一部と上部第二電極のパターンの一部と重なる領域
Ｓ２平面視において第一電極の島状パターンの一部と下部第二電極のパターンの一部と重なる領域
Ｓ１´ 紙面右から左にＸ軸方向の分力成分が加わる結果、第一電極と上部第二電極との間で増加する静電容量値を検出できる領域
Ｓ２´ 紙面上から下にＹ軸方向の分力成分が加わる結果、第一電極と下部第二電極との間で増加する静電容量値を検出できる領域
ｔ２０島状パターンの第一電極と下部第二電極との間の厚み方向の平均距離
ｔ４０島状パターンの第一電極と上部第二電極との間の厚み方向の平均距離
ｄ２０平面視において第一電極の短辺方向の距離であって、下部第二電極のパターン方向の距離
ｄ４０平面視において上部第二電極と下部第二電極とが交差する交点端部間の近距離であって、上部第二電極のパターン方向の距離

Claims

島状パターンの第一電極がマトリックス状に形成され、前記第一電極上に絶縁層が形成され、前記絶縁層上に互いに交差する複数本の線状パターンからなる下部電極と上部電極の二層からなる第二電極が形成され、平面視において、前記第一電極の島状パターンの一部と前記下部電極のパターンの一部および前記上部電極のパターンの一部とが、平面視においてそれぞれ重なっていることを特徴とする静電容量検出装置。
前記第一電極の島状パターンの一部と前記上部電極のパターンの一部とが平面視において重なっている領域が、前記第一電極の島状パターンの一部と前記下部電極のパターンの一部とが平面視において重なっている領域よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の静電容量検出装置。
前記第一電極の島状パターンが、長方形、平行四辺形、楕円のいずれかである請求項１または請求項２記載の静電容量検出装置。
前記第一電極が個別ＡＣドライブ回路を介して処理部と接続され、前記第二電極が信号変換部を介して処理部と接続される請求項１記載から請求項３のいずれかに記載の静電容量検出装置。
前記上部電極の上部から加わるせん断力を測定できる請求項１から請求項４のいずれかに記載の静電容量検出装置。