JP5622405B2 - 静電容量型感圧センサおよびその製造方法 - Google Patents

静電容量型感圧センサおよびその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、例えばロボットの人工皮膚などに用いられ、外部から入力される荷重を検出する静電容量型感圧センサおよびその製造方法に関する。
例えば、特許文献1には、空間部を介して対向する一対の電極層を備えた静電容量型センサが紹介されている。また、特許文献2には、シート状の誘電層の両面に、導電布からなる電極層を配置した静電容量型センサが紹介されている。
特開2004−117042号公報 特開2005−315831号公報
静電容量型センサの荷重検出の原理となるコンデンサーの静電容量は、式(1)から算出される。
Figure 0005622405
式(1)中、Cは静電容量、εは誘電率、Sは対向する電極の重複面積、dは電極間距離である。
特許文献1の静電容量型センサによると、一対の電極層間に、空間部が介在している。空間部つまり空気層は、誘電層として機能している。しかしながら、誘電層が空気層の場合の誘電率εは比較的小さい。このため、特許文献1の静電容量型センサによると、静電容量Cの絶対値が小さくなる。したがって、静電容量Cの検出精度が低くなる。
この点、特許文献2の静電容量型センサによると、一対の電極層間に、発泡体(ウレタンシート)製の誘電層が介在している。誘電層が発泡体製の場合の誘電率εは比較的大きい。このため、特許文献2の静電容量型センサによると、静電容量Cの絶対値が大きくなる。したがって、静電容量Cの検出精度が高くなる。しかしながら、発泡体製の誘電層には、荷重除力後に、圧縮永久歪みが残りやすい。つまり、発泡体製の誘電層は、へたりやすい。このため、耐久性が低い。また、電極層と誘電層とが全面的に接合されている場合、センサの面方向(積層方向に垂直な方向)の伸縮変形を誘電層が阻害しやすい。
本発明の静電容量型感圧センサおよびその製造方法は、上記課題に鑑みて完成されたものである。したがって、本発明は、静電容量の検出精度が高く、荷重除力後に圧縮永久歪みが残留しにくく、かつ誘電層の圧縮方向のばね定数を容易に制御でき、さらに面方向の伸縮変形を阻害しにくい静電容量型感圧センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
(1)上記課題を解決するため、本発明の静電容量型感圧センサは、正極側電極層と、負極側電極層と、該正極側電極層と該負極側電極層との間に介装され該正極側電極層と該負極側電極層とが表裏方向に重複する位置に形成される感圧部を有する誘電層と、を備え、外部から入力される荷重により該正極側電極層と該負極側電極層との間の距離が変化する事に基づき静電容量が変化することを利用して、該荷重の変化を検出可能な静電容量型感圧センサであって、前記感圧部は、エラストマー製または樹脂製であって非発泡体製の柱部と、空間部と、を有することを特徴とする。
表側あるいは裏側から見て、正極側電極層と負極側電極層とは重なっている。誘電層の感圧部は、当該重複部分に配置されている。感圧部は、柱部と空間部とを有している。柱部は、非発泡体製である。このため、外部から入力される荷重を除力した後であっても、柱部に圧縮永久歪みが残留しにくい。
また、本発明の静電容量型感圧センサによると、感圧部が柱部と空間部とを有している。このため、前出の式(1)に示すように、感圧部が空間部つまり空気層のみの場合と比較して、感圧部の誘電率εが大きくなる。したがって、静電容量Cの絶対値が大きくなる。つまり、静電容量Cの検出精度が高くなる。
また、本発明の静電容量型感圧センサによると、感圧部が柱部つまり非発泡体のみの場合と比較して、圧縮方向のばね定数が小さい。このため、荷重に対する感圧部の圧縮歪み量が大きくなる。圧縮歪み量が大きいと、前出の式(1)に示すように、電極間距離dの変化量が大きくなる。このため、静電容量Cの変化量が大きくなる。
また、本発明の静電容量型感圧センサによると、感圧部における柱部の大きさ、形状、配置、感圧部に占める柱部の占有面積などを調整することにより、感圧部の圧縮方向のばね定数を自在に調整することができる。
感圧部の圧縮方向のばね定数を小さくすることにより、感圧部が空気層のみの場合にだけ検出可能な荷重に近い小荷重を検出することができる。感圧部の圧縮方向のばね定数を大きくすることにより、感圧部が非発泡体のみの場合にだけ検出可能な荷重に近い大荷重を検出することができる。すなわち、感圧部の圧縮方向のばね定数を調整することにより、荷重の測定レンジを移行することができる。
また、本発明の静電容量型感圧センサによると、誘電層が空間部を有している。このため、面方向の伸縮変形を阻害しにくい。
また、誘電層全体が固体の場合、積層方向のばね定数と面方向のばね定数とを各々独立して調整することが困難である。すなわち、積層方向のばね定数を大きくすると、面方向のばね定数も大きくなってしまう。また、積層方向のばね定数を小さくすると、面方向のばね定数も小さくなってしまう。この点、本発明の静電容量型感圧センサによると、誘電層が空間部を有している。このため、積層方向のばね定数と面方向のばね定数とを各々独立して調整しやすい。
(2)好ましくは、上記(1)の構成において、さらに、前記正極側電極層が配置されるエラストマー製の正極側基層と、前記負極側電極層が配置されるエラストマー製の負極側基層と、を有する構成とする方がよい。
本構成によると、正極側電極層および負極側電極層の配置が、外部から入力される荷重によりずれにくい。また、静電容量型感圧センサを製造する際、正極側電極層と負極側電極層との位置合わせが簡単である。つまり、感圧部を、所望の位置に配置することができる。
(2−1)好ましくは、上記(2)の構成において、前記柱部はエラストマー製である構成とする方がよい。本構成によると、柱部が樹脂製である場合と比較して、柱部の圧縮方向のばね定数が小さい。このため、外部から荷重が入力される際、柱部と空間部とが一体となって圧縮される。したがって、静電容量の変化量が大きくなる。
(2−2)好ましくは、上記(2)の構成において、前記柱部は樹脂製である構成とする方がよい。本構成によると、柱部が樹脂製であるため、柱部の圧縮変形よりも、エラストマー製の正極側基層および負極側基層の圧縮変形が支配的となる。したがって、空間部における正極側電極層と負極側電極層との間の距離が短くなる事に基づいて、静電容量が大きくなる。
(3)好ましくは、上記(2)の構成において、前記誘電層を中心として積層方向両側に向かう方向を外方、その逆方向を内方として、さらに、前記正極側基層の外方および前記負極側基層の外方のうち少なくとも一方に配置され、該正極側基層および該負極側基層よりも圧縮弾性率が小さい荷重伝達層を有する構成とする方がよい。
正極側基層の外方に荷重伝達層が配置される場合、外部から入力される荷重は、軟らかい荷重伝達層を介して、正極側基層に伝達される。このため、正極側電極層が感圧部の空間部に入り込みやすい。したがって、空間部における正極側電極層と負極側電極層との間の距離が短くなりやすい。よって、静電容量が大きくなりやすい。
同様に、負極側基層の外方に荷重伝達層が配置される場合、外部から入力される荷重は、軟らかい荷重伝達層を介して、負極側基層に伝達される。このため、負極側電極層が感圧部の空間部に入り込みやすい。したがって、空間部における正極側電極層と負極側電極層との間の距離が短くなりやすい。よって、静電容量が大きくなりやすい。
(4)好ましくは、上記(1)ないし(3)のいずれかの構成において、前記感圧部の表面の面積を100%として、該表面における前記柱部の占有面積は0.5%以上51%以下である構成とする方がよい。
柱部の占有面積を0.5%以上としたのは、0.5%未満の場合、柱部の面積が小さくなりすぎるからである。すなわち、柱部への荷重負担が大きくなり、柱部の力学的な耐久性が悪くなるからである。また、柱部の面積が小さすぎると、せん断変形を受けやすくなり、静電容量の変化が圧縮荷重によるものなのか、せん断荷重によるものなのかの識別が困難になるためである。
一方、柱部の占有面積を51%以下としたのは、51%超過の場合、柱部の面積が大きくなりすぎるからである。すなわち、柱部が複数配置されている場合、それぞれの柱部が変形時に互いに干渉しあい、独立した柱部として機能しにくくなるためである。
(5)好ましくは、上記(4)の構成において、前記占有面積は45%以下である構成とする方がよい。
柱部の占有面積を45%以下としたのは、45%超過の場合、柱部の面積が大きくなりすぎるからである。すなわち、柱部が複数配置されている場合、それぞれの柱部が変形時に互いに干渉しあい、独立した柱部として機能しにくくなるためである。
(6)好ましくは、上記(1)ないし(5)のいずれかの構成において、前記柱部は、各々独立して複数配置される構成とする方がよい。例えば、前出特許文献2に記載の静電容量型センサの誘電層によると、誘電層の任意の入力点に荷重が加わる場合、入力点部分のみならず、入力点周囲部分も、入力点部分に引っ張られて変形してしまう。このため、入力される荷重が分散しやすい。
この点、本構成によると、複数の柱部が互いに独立して配置されている。このため、誘電層の任意の入力点に荷重が加わる場合、入力点部分の柱部は変形しやすい。一方、入力点周囲の柱部は変形しにくい。したがって、入力される荷重が集中しやすい。
(7)好ましくは、上記(6)の構成において、複数の前記柱部は、前記誘電層の全体に亘って、略均一に分布するように、所定のパターンで配置される構成とする方がよい。本構成によると、誘電層の全体に亘って、荷重の検出感度がばらつくのを抑制することができる。
(8)好ましくは、上記(1)ないし(7)のいずれかの構成において、前記正極側電極層は、前記誘電層を介して前記負極側電極層に対向する正極側対向面を有し、該負極側電極層は、該誘電層を介して該正極側電極層に対向する負極側対向面を有し、さらに、該正極側対向面および該負極側対向面のうち少なくとも一方を覆う絶縁層を有する構成とする方がよい。
本構成によると、正極側電極層と負極側電極層との間に絶縁層が介在している。このため、誘電層が大きく圧縮される場合であっても、正極側電極層と負極側電極層とが短絡するのを抑制することができる。
(9)また、上記課題を解決するため、本発明の静電容量型感圧センサの製造方法は、エラストマー製の基層に、順序不同に、配線塗料と電極層塗料とを印刷することにより、該基層と配線と電極層とを有する積層体を作製する積層体作製工程と、該積層体に、該電極層に表裏方向に部分的に重複するように、柱部塗料を印刷することにより、該積層体とエラストマー製または樹脂製であって非発泡体製の柱部とを有する接合体を作製する接合体作製工程と、該接合体の該柱部の先端に、別の該積層体を接合することにより、該柱部と空間部とを有する誘電層を、一対の該電極層間に配置する誘電層配置工程と、を有することを特徴とする。
つまり、本発明の静電容量型感圧センサの製造方法は、印刷により、少なくとも、配線と電極層と柱部とを作製するものである。本発明の静電容量型感圧センサの製造方法によると、配線、電極層、柱部つまり誘電層を、簡単に集積化することができる。また、積層体作製工程においては、配線と電極層とを、所定のパターンで、確実かつ簡単に配置することができる。また、接合体作製工程においては、柱部を、所定のパターンで、確実かつ簡単に配置することができる。
(9−1)好ましくは、上記(9)の構成において、前記接合体作製工程において、スクリーン印刷機を用いて前記柱部塗料を印刷する構成とする方がよい。本構成によると、柱部の配置パターンが複雑な場合であっても、柱部を、所定のパターンで、確実かつ簡単に配置することができる。
(9−2)好ましくは、上記(9)の構成において、前記接合体作製工程において、ディスペンサー装置を用いて前記柱部塗料を印刷する構成とする方がよい。本構成によると、重ね塗りをしなくても、あるいは重ね塗りの回数が少なくても、長い柱部を形成することができる。
(10)好ましくは、上記(9)の構成において、前記接合体作製工程において、前記柱部塗料の印刷厚さを調整することにより、該柱部の長さを調整する構成とする方がよい。
柱部は、印刷により作製されている。このため、例えば、柱部塗料の印刷回数を調整することにより、柱部の長さを簡単に調整することができる。また、例えば、スクリーン印刷機を用いる場合、スクリーンマスクの板厚を調整することにより、柱部の長さを簡単に調整することができる。また、例えば、ディスペンサー装置を用いる場合、シリンジからの柱部塗料の吐出量を調整することにより、柱部の長さを簡単に調整することができる。
柱部の長さを調整することにより、前出の式(1)の電極間距離dを調整することができる。すなわち、出力される静電容量Cの絶対値を調整することができる。例えば、柱部の長さを短くすると、電極間距離dが短くなる。このため、静電容量Cの絶対値が大きくなる。したがって、荷重に対するわずかな電極間距離dの変化に伴い、大きな静電容量Cの変化を誘起できるので、静電容量Cの検出精度が高くなる。また、例えば、柱部の長さを長くすると、電極間距離dが長くなる。このため、荷重に対して電極間距離dが変化しうる余地が大きくなり、小さな荷重から大きな荷重まで、検知荷重のダイナミックレンジを広げる事が可能である。
(11)好ましくは、上記(9)または(10)の構成において、前記積層体作製工程において、さらに、前記電極層を覆うように絶縁層塗料を印刷することにより、前記基層と前記配線と該電極層と絶縁層とを有する前記積層体を作製する構成とする方がよい。
つまり、本構成は、印刷により、配線と電極層と柱部と絶縁層とを作製するものである。本構成によると、配線と電極層と絶縁層とを、所定のパターンで、確実かつ簡単に配置することができる。
(12)好ましくは、上記(9)ないし(11)のいずれかの構成において、前記接合体作製工程において、前記柱部を、各々独立して複数配置する構成とする方がよい。柱部は、印刷により作製されている。このため、複数の柱部を短時間で配置することができる。また、複数の柱部の形状や長さがばらつくのを抑制することができる。
(13)好ましくは、上記(12)の構成において、前記接合体作製工程において、複数の前記柱部を、前記積層体の全体に亘って、略均一に分布するように、所定のパターンで配置する構成とする方がよい。柱部は、印刷により作製されている。このため、複数の柱部を所定のパターンで短時間で配置することができる。
本発明によると、静電容量の検出精度が高く、荷重除力後に圧縮永久歪みが残留しにくく、かつ誘電層の圧縮方向のばね定数を容易に制御でき、さらに面方向の伸縮変形を阻害しにくい静電容量型感圧センサおよびその製造方法を提供することができる。
第一実施形態の静電容量型感圧センサの分解斜視図である。 同静電容量型感圧センサの透過上面図である。 図2のIII−III方向断面図である。 同静電容量型感圧センサの、外部から荷重が入力された場合の、上下方向断面図である。 同静電容量型感圧センサの製造方法の積層体作製工程の第一段階の模式図を示す。 同工程の第二段階の模式図を示す。 同工程の第三段階の模式図を示す。 同静電容量型感圧センサの製造方法の接合体作製工程の模式図である。 同静電容量型感圧センサの製造方法の誘電層配置工程の模式図である。 第二実施形態の静電容量型感圧センサの上面透過図である。 同静電容量型感圧センサの正極部の上面図である。 同静電容量型感圧センサの負極部の上面図である。 図10のXIII−XIII方向断面図である。 同静電容量型感圧センサの負極部および誘電層の部分拡大上面図である。 第三実施形態の静電容量型感圧センサの、外部から荷重が入力された場合の、上下方向断面図である。 第四実施形態の静電容量型感圧センサの、外部から荷重が入力された場合の、上下方向断面図である。 同静電容量型感圧センサの製造方法の接合体作製工程の模式図である。 (a)は、第五実施形態の静電容量型感圧センサの、外部から荷重が入力された場合の、上下方向断面図である。(b)は、同静電容量型感圧センサの、外部から荷重が入力された場合の、静電容量変化分布の模式上面図である。 (a)は、実施例1−1の柱部の配置パターンである。(b)は、実施例1−2の柱部の配置パターンである。 実施例1の面圧と感圧部一つあたりの静電容量の変化量との関係を示すグラフである。 実施例2の面圧と感圧部一つあたりの静電容量の変化量との関係を示すグラフである。
以下、本発明の静電容量型感圧センサおよびその製造方法の実施の形態について説明する。
<第一実施形態>
[静電容量型感圧センサの構成]
まず、本実施形態の静電容量型感圧センサの構成について説明する。図1に、本実施形態の静電容量型感圧センサの分解斜視図を示す。図2に、同静電容量型感圧センサの透過上面図を示す。図3に、図2のIII−III方向断面図を示す。
図1〜図3に示すように、本実施形態の静電容量型感圧センサ1は、正極側電極層20と、負極側電極層21と、誘電層22と、正極側基層23と、負極側基層24と、正極側絶縁層25と、負極側絶縁層26と、正極側配線27と、負極側配線28と、を備えている。正極側絶縁層25および負極側絶縁層26は、本発明の絶縁層に含まれる。
正極側基層23は、ウレタンゴム製であって、長方形の平板状を呈している。正極側配線27は、ポリウレタンと銀粒子とを含んで形成されている。正極側配線27は線状を呈している。正極側配線27は、正極側基層23の下面に、印刷されている。
正極側電極層20は、アクリルゴムと、導電性カーボンブラックと、を含んで形成されている。正極側電極層20は、長方形の薄膜状を呈している。正極側電極層20は、正極側配線27と一部重なり合うように、正極側基層23の下面に印刷されている。正極側電極層20の下面には、正極側対向面200が配置されている。
正極側絶縁層25は、アクリルゴムを含んで形成されている。正極側絶縁層25は、長方形の薄膜状を呈している。正極側絶縁層25は、正極側配線27の下面、正極側電極層20の正極側対向面200、正極側基層23の下面に印刷されている。
負極側基層24、負極側配線28、負極側電極層21、負極側絶縁層26の材質、構成は、上記正極側基層23、正極側配線27、正極側電極層20、正極側絶縁層25の材質、構成と同様である。
負極側配線28は、負極側基層24の上面に、印刷されている。負極側電極層21は、負極側配線28と一部重なり合うように、負極側基層24の上面に印刷されている。負極側絶縁層26は、負極側配線28の上面、負極側電極層21の負極側対向面210、負極側基層24の上面に印刷されている。
誘電層22は、感圧部220を備えている。感圧部220は、正極側電極層20と負極側電極層21とが上下方向(表裏方向)に重複する部分に配置されている。感圧部220は、多数の柱部221と、空間部222と、を備えている。柱部221は、アクリルゴムを含んで形成されている。柱部221は、円柱状を呈している。柱部221は、負極側絶縁層26の上面に印刷されている。多数の柱部221は、右前−左後方向に延在する複数の列と、左前−右後方向に延在する複数の列と、を形成している。すなわち、多数の柱部221は、略直交する格子状に配置されている。多数の柱部221は、誘電層22の全体に亘って、略均一に分布するように、配置されている。空間部222は、多数の柱部221の間に介在している。このため、多数の柱部221は、各々独立して点在している。感圧部220の上面の面積を100%として、感圧部220の上面における柱部221の占有面積は約11%である。
[静電容量型感圧センサの動き]
次に、本実施形態の静電容量型感圧センサ1の動きについて説明する。正極側配線27および負極側配線28は、図示しない電気回路に接続されている。正極側電極層20と負極側電極層21との間には、所定の電圧が印加されている。
図4に、本実施形態の静電容量型感圧センサの、外部から荷重が入力された場合の、上下方向断面図を示す。図4に示すように、上方から下方に向かう方向に、荷重F1が入力されると、正極側基層23が下方に沈み込む。また、多数の柱部221が上方から圧縮される。並びに、柱部221は、樽状に径方向外側に膨張する。
正極側基層23が沈み込むと、正極側電極層20と負極側電極層21との間隔が狭くなる。すなわち、前出の式(1)に示すように、電極間距離dが短くなる。このため、静電容量Cが大きくなる。静電容量Cの変化から、図示しない演算部により、荷重F1の大きさを算出する。
[静電容量型感圧センサの製造方法]
次に、本実施形態の静電容量型感圧センサ1の製造方法について説明する。本実施形態の静電容量型感圧センサ1の製造方法は、塗料調製工程と、積層体作製工程と、接合体作製工程と、誘電層配置工程と、を有している。
(塗料調整工程)
塗料調製工程においては、配線塗料、電極層塗料、柱部塗料、絶縁層塗料を、それぞれ調製する。電極層塗料は、以下の手順で調製する。まず、ポリマー(アクリルゴム、商品名:ニポール(登録商標)AR51、日本ゼオン社製)100質量部、加硫助剤(ステアリン酸、商品名:ルナック(登録商標)S30、花王社製)1.00質量部、加硫促進剤(ジメチルジチオカルバミン酸亜鉛、商品名:ノクセラー(登録商標)PZ、大内新興化学工業社製)2.50質量部、加硫促進剤(ジメチルジチオカルバミン酸第二鉄、商品名:ノクセラーTTFE、大内新興化学工業社製)0.50質量部を秤量し、ロールを用いてゴム練りを行う。そして、ゴムコンパウンドを調製する。続いて、調製したゴムコンパウンドを有機溶剤(メチルエチルケトン、三協化学社製)1500質量部に浸漬し、有機溶剤を撹拌し、ゴムコンパウンドを有機溶剤に均一に溶解させた溶液を得る。それから、当該溶液に、導電性カーボンブラック(ケッチェンブラック、商品名:EC300J、ライオン社製)22.86質量部を添加する。そして、固形分率約7.8質量%のMEK(メチルエチルケトン)溶液を得る。それから、当該MEK溶液にミル処理を施し、MEK溶液中の導電性カーボンブラックの分散性を向上させる。具体的には、MEK溶液を3200rpmで回転するダイノミルに投入し、40回程度MEK溶液を循環させる。その後、ミル処理後のMEK溶液に印刷用溶剤(ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、三協化学社製)686.7質量部を添加する。それから、印刷用溶剤を添加したMEK溶液を、大気と接する面積を広くするために、口の広い容器に移し替える。そして、当該MEK溶液を、時々撹拌しながら、約一日放置することにより、沸点の低いMEKを充分に蒸発させる。このようにして、電極層塗料を調製する。なお、印刷用溶剤の沸点は200℃以上である。このため、印刷用溶剤の揮発は無視できる。
絶縁層塗料および柱部塗料は、以下の手順で調製する。まず、ポリマー(アクリルゴム、商品名:ニポールAR51、日本ゼオン社製)100質量部、加硫助剤(ステアリン酸、商品名:ルナックS30、花王社製)1.00質量部、加硫促進剤(ジメチルジチオカルバミン酸亜鉛、商品名:ノクセラーPZ、大内新興化学工業社製)2.50質量部、加硫促進剤(ジメチルジチオカルバミン酸第二鉄、商品名:ノクセラーTTFE、大内新興化学工業社製)0.50質量部を秤量し、ロールを用いてゴム練りを行う。そして、ゴムコンパウンドを調製する。続いて、調製したゴムコンパウンドを印刷用溶剤(エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ダイセル化学工業社製)300質量部に浸漬し、撹拌して均一化させる。このようにして、絶縁層塗料および柱部塗料を調製する。
配線塗料は、以下の手順で調製する。まず、ポリマー(ポリウレタンをMEK/トルエン/イソプロピルアルコールに溶解したもの、商品名:ニッポラン(登録商標)5230、日本ポリウレタン工業社製)333質量部(ポリマーの固形分は30質量%なので、ポリマー333質量部はポリウレタン100質量部に相当する)、10μmフレーク状の銀粒子(商品名:FA−D−4、DOWAエレクトロニクス社製)400質量部、1μm球状の銀粒子(商品名:AG2−1C、DOWAエレクトロニクス社製)400質量部、印刷用溶剤(ブチルカルビトール、三協化学社製)150質量部を秤量し、撹拌して均一化させる。そして、撹拌後の溶液を、大気と接する面積を広くするために、口の広い容器に移し替える。そして、当該溶液を、時々撹拌しながら、約一日放置することにより、沸点の低いMEK、トルエン、イソプロピルアルコールを充分に蒸発させる。このようにして、配線塗料を調製する。
(積層体作製工程)
積層体作製工程においては、塗料調製工程において調製した配線塗料、電極層塗料、絶縁層塗料を、印刷により、負極側基層24の上面に対して積層する。図5に、本実施形態の静電容量型感圧センサの製造方法の積層体作製工程の第一段階の模式図を示す。図6に、同工程の第二段階の模式図を示す。図7に、同工程の第三段階の模式図を示す。
図5に示すように、配線塗料、電極層塗料、絶縁層塗料の印刷には、スクリーン印刷機9が用いられる。スクリーン印刷機9は、テーブル90と、フレーム91と、スクリーンマスク92と、スキージ93と、を備えている。テーブル90には、負極側基層24が載置されている。スクリーンマスク92は、テーブル90の上方に配置されている。スクリーンマスク92は、枠状のフレーム91に、張設されている。スクリーンマスク92には、負極側配線28の位置に対応して、孔920が開設されている。スクリーンマスク92の上面には、配線塗料28aが盛られている。スキージ93は、スクリーンマスク92の上方に配置されている。
本工程においては、まず、図5、図6に示すように、スキージ93、フレーム91、スクリーンマスク92を下降させる。そして、スクリーンマスク92の下面を、負極側基層24の上面に当接させる。並びに、スキージ93を、スクリーンマスク92の上面に押し当てる。続いて、図6に示すように、スキージ93を水平方向に移動させる。スキージ93を移動させることにより、配線塗料28aは、孔920に押し込まれる。押し込まれた配線塗料28aは、負極側基層24の上面の所定の位置に転写される。このようにして、図7に示すように、負極側基層24の上面に、負極側配線28を形成する。その後、負極側配線28を加熱し、加硫させる。
次いで、電極層塗料を、負極側基層24および負極側配線28の上面に、印刷する。印刷により、負極側基層24および負極側配線28の上面に、負極側電極層21を形成する。その後、負極側電極層21を加熱し、加硫させる。
続いて、絶縁層塗料を、負極側基層24、負極側配線28、負極側電極層21の上面に、印刷する。印刷により、負極側基層24、負極側配線28、負極側電極層21の上面に、負極側絶縁層26を形成する。その後、負極側絶縁層26を加熱し、加硫させる。
本工程では、このようにして、負極側基層24と負極側配線28と負極側電極層21と負極側絶縁層26とが積層された、負極側積層体を形成する。並びに、負極側積層体の形成方法と同様の手順により、正極側基層23と正極側配線27と正極側電極層20と正極側絶縁層25とが積層された、正極側積層体を形成する。
(接合体作製工程)
接合体作製工程においては、塗料調製工程において調製した柱部塗料を、負極側積層体の上面に対して積層する。図8に、本実施形態の静電容量型感圧センサの製造方法の接合体作製工程の模式図を示す。
図8に示すように、柱部塗料の印刷には、積層体作製工程と同様に、スクリーン印刷機9が用いられる。スクリーンマスク92の孔920の位置は、図2に示す柱部221の位置に、対応している。本工程においては、スキージ93を移動させることにより、柱部塗料221aを、孔920に押し込む。押し込まれた柱部塗料221aは、負極側積層体30の上面の所定の位置に転写される。柱部塗料221aを複数回塗り重ねることにより、負極側積層体30の上面に、所定の長さの柱部221を形成する。その後、柱部221を加熱し、加硫させる。このようにして、負極側積層体30と柱部221とからなる接合体31を形成する。
(誘電層配置工程)
誘電層配置工程においては、接合体作製工程で形成した接合体31と、積層体積層工程で形成した正極側積層体と、を接合する。図9に、本実施形態の静電容量型感圧センサの製造方法の誘電層配置工程の模式図を示す。
本工程においては、図9に示すように、接合体31の柱部221の先端上面を、正極側積層体32の正極側絶縁層25下面に、接合する。接合により、図3に示すように、本実施形態の静電容量型感圧センサ1が完成する。
[作用効果]
次に、本実施形態の静電容量型感圧センサ1およびその製造方法の作用効果について説明する。本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、上方(表側)あるいは下方(裏側)から見て、正極側電極層20と負極側電極層21とが重なっている。誘電層22の感圧部220は、当該重複部分に配置されている。感圧部220は、柱部221と空間部222とを有している。柱部221は、非発泡体製である。このため、外部から入力される荷重F1を除力した後であっても、柱部221に圧縮永久歪みが残留しにくい。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、感圧部220が柱部221と空間部222とを有している。このため、前出の式(1)に示すように、感圧部220が空間部222つまり空気層のみの場合と比較して、感圧部220の誘電率εが大きくなる。したがって、静電容量Cの絶対値が大きくなる。つまり、静電容量Cの検出精度が高くなる。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、感圧部220が柱部221つまり非発泡体のみの場合と比較して、圧縮方向のばね定数が小さい。このため、荷重F1に対する感圧部220の圧縮歪み量が大きくなる。圧縮歪み量が大きいと、前出の式(1)に示すように、電極間距離dの変化量が大きくなる。このため、静電容量Cの変化量が大きくなる。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、感圧部220における柱部221の大きさ、形状、配置、感圧部220に占める柱部221の占有面積などを調整することにより、感圧部220のばね定数を自在に調整することができる。
感圧部220のばね定数を小さくすることにより、感圧部220が空気層のみの場合にだけ検出可能な荷重に近い小荷重を検出することができる。感圧部220のばね定数を大きくすることにより、感圧部220が非発泡体のみの場合にだけ検出可能な荷重に近い大荷重を検出することができる。すなわち、感圧部220のばね定数を調整することにより、荷重F1の測定レンジを移行することができる。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、正極側基層23に正極側電極層20が固定されている。並びに、負極側基層24に負極側電極層21が固定されている。このため、正極側電極層20および負極側電極層21の配置が、外部から入力される荷重F1によりずれにくい。また、静電容量型感圧センサ1を製造する際、正極側電極層20と負極側電極層21との位置合わせが簡単である。つまり、感圧部220を、所望の位置に配置することができる。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、柱部221がエラストマー製である。このため、柱部221が樹脂製である場合と比較して、柱部221の圧縮方向のばね定数が小さい。したがって、外部から荷重F1が入力される際、柱部221と空間部222とが一体となって圧縮される。したがって、静電容量の変化量が大きくなる。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、感圧部220の上面の面積を100%として、感圧部220の上面における柱部221の占有面積は約11%である。このため、図4に示すように、荷重F1により多数の柱部221が圧縮されても、隣り合う柱部221同士が径方向に干渉しない。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、多数の柱部221は、誘電層22の全体に亘って、略均一に分布するように、略直交する格子状に配置されている。このため、誘電層22の全体に亘って、荷重F1の検出感度がばらつくのを抑制することができる。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1には、正極側絶縁層25と負極側絶縁層26とが配置されている。このため、誘電層22が大きく圧縮される場合であっても、正極側電極層20と負極側電極層21とが短絡するのを抑制することができる。
また、柱部221が角柱状の場合、外部から荷重が加わる際の応力分布が不均一になりやすい。この点、本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、柱部221が円柱状を呈している。このため、外部から荷重が加わる際の応力分布が不均一になりにくい。したがって、柱部221の形状、寸法、配置数、配置パターンの設計が簡単になる。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1の製造方法によると、スクリーン印刷により、正極側配線27、正極側電極層20、正極側絶縁層25、負極側配線28、負極側電極層21、負極側絶縁層26、柱部221が形成されている。積層体作製工程においては、正極側配線27、正極側電極層20、正極側絶縁層25、負極側配線28、負極側電極層21、負極側絶縁層26を、所定のパターンで、確実かつ簡単に配置することができる。接合体作製工程においては、多数の柱部221を、所定のパターンで、確実かつ簡単に配置することができる。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1の製造方法によると、図8に示すように、接合体作製工程において、柱部塗料221aの印刷厚さを調整することにより、柱部221の長さを調整している。このため、柱部221の長さを簡単に調整することができる。また、多数の柱部221の長さ、形状、径などを、画一化することができる。
柱部221の長さを調整することにより、前出の式(1)の電極間距離dを調整することができる。すなわち、出力される静電容量Cの絶対値を調整することができる。例えば、柱部221の長さを短くすると、電極間距離dが短くなる。このため、静電容量Cの絶対値が大きくなる。したがって、静電容量Cの検出精度が高くなる。また、例えば、柱部221の長さを長くすると、電極間距離dが長くなる。このため、外部から荷重F1が入力される際、正極側電極層20と負極側電極層21とが短絡するのを抑制することができる。
<第二実施形態>
本実施形態の静電容量型感圧センサおよびその製造方法と、第一実施形態の静電容量型感圧センサおよびその製造方法と、の相違点は、感圧部が多数配置されており、二次元の面圧分布を計測できる点である。
[静電容量型感圧センサの構成]
まず、本実施形態の静電容量型感圧センサの構成について説明する。図10に、本実施形態の静電容量型感圧センサの上面透過図を示す。図10においては、負極部を細線で示す。また、感圧部にハッチングを施して示す。また、図1〜図3と対応する部位については、同じ符号で示す。図11に、同静電容量型感圧センサの正極部の上面図を示す。図12に、同静電容量型感圧センサの負極部の上面図を示す。なお、図12においては、負極側絶縁層を省略して示す。図13に、図10のXIII−XIII方向断面図を示す。なお、図13においては、上下方向の厚さを強調して示す。図10〜図13に示すように、本実施形態の静電容量型感圧センサ1は、正極部40と、負極部41と、誘電層22と、を備えている。
正極部40は、正極側基層23と、正極側絶縁層25と、正極側電極層01X〜16Xと、正極側配線01x〜16xと、正極側配線用コネクタ50と、を備えている。正極側基層23は、ウレタンゴム製であって、平板状を呈している。正極側電極層01X〜16Xは、正極側基層23の下面に、合計16本配置されている。正極側電極層01X〜16Xは、正極側基層23の下面に、印刷されている。正極側電極層01X〜16Xは、各々、アクリルゴムと、導電性カーボンブラックと、を含んで形成されている。正極側電極層01X〜16Xは、各々、帯状を呈している。正極側電極層01X〜16Xは、各々、X方向(左右方向)に延在している。正極側電極層01X〜16Xは、Y方向(前後方向)に、所定間隔ごとに離間して、互いに略平行になるように、配置されている。正極側電極層01X〜16Xの下面には、正極側対向面01X1〜16X1が配置されている。
正極側配線用コネクタ50は、正極側基層23の左後隅に配置されている。正極側配線用コネクタ50は、図示しない電気回路に接続されている。正極側配線01x〜16xは、正極側基層23の下面に、合計16本配置されている。正極側配線01x〜16xは、正極側基層23の下面に、印刷されている。正極側配線01x〜16xは、各々、ポリウレタンと銀粒子とを含んで形成されている。正極側配線01x〜16xは、各々、線状を呈している。正極側配線01x〜16xは、各々、正極側電極層01X〜16Xと、正極側配線用コネクタ50と、を接続している。
正極側絶縁層25は、アクリルゴムを含んで形成されている。正極側絶縁層25は、薄膜状を呈している。正極側絶縁層25は、正極側配線01x〜16xの下面、正極側電極層01X〜16Xの正極側対向面01X1〜16X1、正極側基層23の下面に印刷されている。
負極部41は、負極側基層24と、負極側絶縁層26と、負極側電極層01Y〜16Yと、負極側配線01y〜16yと、負極側配線用コネクタ51と、を備えている。負極側基層24、負極側絶縁層26、負極側電極層01Y〜16Y、負極側配線01y〜16y、負極側配線用コネクタ51の材質、構成は、上記正極側基層23、正極側絶縁層25、正極側電極層01X〜16X、正極側配線01x〜16x、正極側配線用コネクタ50の材質、構成と同様である。図13に示すように、負極部41を構成する各層の積層順序は、正極部40を構成する各層の積層順序と、上下対称である。図10に示すように、正極側電極層01X〜16Xおよび負極側電極層01Y〜16Yの中心O1を回転中心として、負極部41は、正極部40に対して、時計回りに略90°回転して配置されている。このため、正極側電極層01X〜16Xと負極側電極層01Y〜16Yとは、略直交している。
誘電層22は、正極部40と負極部41との間に介装されている。誘電層22は、感圧部A0101〜A1616を備えている。感圧部の符号「A○○△△」中、上二桁の「○○」は、正極側電極層01X〜16Xの上二桁の数字に対応している。下二桁の「△△」は、負極側電極層01Y〜16Yの上二桁の数字に対応している。
感圧部A0101〜A1616は、図10にハッチングで示すように、正極側電極層01X〜16Xと負極側電極層01Y〜16Yとが上下方向(表裏方向)に交差する部分に配置されている。感圧部A0101〜A1616は、合計256個(=16個×16個)配置されている。感圧部A0101〜A1616は、誘電層22の略全体に亘って、略等間隔に配置されている。
感圧部A0101〜A1616は、各々、複数の柱部221と、空間部222と、を備えている。図14に負極部および誘電層の部分拡大上面図を示す。なお、図14においては、負極側絶縁層26を省略して示す。図13、図14に示すように、柱部221は、アクリルゴムを含んで形成されている。柱部221は、円柱状を呈している。柱部221は、負極側絶縁層26の上面に印刷されている。多数の柱部221は、右前−左後方向に延在する複数の列と、左前−右後方向に延在する複数の列と、を形成している。すなわち、多数の柱部221は、略直交する格子状に配置されている。多数の柱部221は、誘電層22の全体に亘って、略均一に分布するように、配置されている。空間部222は、多数の柱部221の間に介在している。このため、多数の柱部221は、各々独立して点在している。個々の感圧部A0101〜A1616の上面の面積を100%として、個々の感圧部A0101〜A1616の上面における柱部221の占有面積は約11%である。
[静電容量型感圧センサの動き]
次に、本実施形態の静電容量型感圧センサ1の動きについて説明する。感圧部A0101〜A1616には、あたかも走査するように、順番に所定の電圧が印加される。仮に、静電容量型感圧センサ1の右後隅に荷重が入力される場合、図10に示すように、正極側電極層01Xと負極側電極層16Yとの間隔が狭くなる。すなわち、前出の式(1)に示すように、電極間距離dが短くなる。このため、感圧部A0116の静電容量Cが大きくなる。静電容量Cの変化から、図示しない演算部により、荷重の大きさを算出する。静電容量型感圧センサ1の他の部分に荷重が入力される場合も、同様に荷重の大きさを算出する。
[静電容量型感圧センサの製造方法]
本実施形態の静電容量型感圧センサ1の製造方法は、第一実施形態の静電容量型感圧センサの製造方法と、同様である。すなわち、本実施形態の静電容量型感圧センサ1の製造方法は、塗料調製工程と、積層体作製工程と、接合体作製工程と、誘電層配置工程と、を有している。ここでは説明を割愛する。
[作用効果]
次に、本実施形態の静電容量型感圧センサ1およびその製造方法の作用効果について説明する。本実施形態の静電容量型感圧センサ1およびその製造方法は、構成が共通する部分については、第一実施形態の静電容量型感圧センサおよびその製造方法と同様の作用効果を有する。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、多数の柱部221が、誘電層22の全体に亘って、略均一に分布するように、配置されている。また、多数の柱部221は、各々独立して複数配置されている。このため、任意の感圧部(例えばA0116)に局所的に荷重が加わる場合、当該感圧部A0116の柱部221は変形しやすい。一方、感圧部A0116周囲の感圧部A0115、A0216、A0215の柱部221は変形しにくい。したがって、入力される荷重が集中しやすい。よって、荷重が入力された感圧部A0116を明確に特定することができる。つまり、荷重の分解能が高くなる。
<第三実施形態>
本実施形態の静電容量型感圧センサおよびその製造方法と、第一実施形態の静電容量型感圧センサおよびその製造方法と、の相違点は、柱部が樹脂製である点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
図15に、本実施形態の静電容量型感圧センサの、外部から荷重が入力された場合の、上下方向断面図を示す。なお、図4と対応する部位については同じ符号で示す。図15に示すように、柱部221は、紫外線硬化型ウレタンアクリレート製である。第一実施形態における接合体作製工程において、柱部221を加熱して加硫する代わりに、紫外線を照射して硬化させる。このため、荷重F1が加わっても、柱部221は、圧縮変形しない。これに対して、正極側基層23および負極側基層24は、ウレタンゴム製である。このため、正極側基層23および負極側基層24の方が、柱部221よりも、弾性率が小さい。したがって、荷重F1が加わると、正極側基層23および負極側基層24は、圧縮変形する。
荷重F1が加わると、正極側基層23および負極側基層24のうち柱部221に支持されている部分が圧縮変形する。このため、柱部221が、正極側基層23および負極側基層24に、相対的にくい込むようになる。したがって、結果的に、正極側電極層20と負極側電極層21との間の距離が狭くなる。すなわち、前出の式(1)に示すように、電極間距離dが短くなる。このため、静電容量Cが大きくなる。静電容量Cの変化から、図示しない演算部により、荷重F1の大きさを算出する。
本実施形態の静電容量型感圧センサ1およびその製造方法は、構成が共通する部分については、第一実施形態の静電容量型感圧センサおよびその製造方法と同様の作用効果を有する。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、柱部221が樹脂製である。このため、外部から入力される荷重F1が、静電容量型感圧センサ1の表裏方向(上下方向)の成分(圧縮成分)と、静電容量型感圧センサ1の面方向(水平方向)の成分(せん断成分)と、を含む場合であっても、前出の式(1)に示すように、重複面積Sが変化しにくい。したがって、外部から入力される荷重F1のうち、圧縮成分を優先的に検出することができる。
<第四実施形態>
本実施形態の静電容量型感圧センサおよびその製造方法と、第一実施形態の静電容量型感圧センサおよびその製造方法と、の相違点は、外部から荷重が入力された場合に、正極側基層および負極側基層が圧縮変形する点である。また、柱部がディスペンサー装置により、印刷されている点である。また、柱部、正極側基層、負極側基層の材質が異なる点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
[静電容量型感圧センサの動き]
まず、本実施形態の静電容量型感圧センサ1の動きについて説明する。図16に、本実施形態の静電容量型感圧センサの、外部から荷重が入力された場合の、上下方向断面図を示す。なお、図4と対応する部位については同じ符号で示す。図16に示すように、荷重F1が入力されると、正極側基層23および負極側基層24のうち柱部221に支持されている部分が圧縮変形する。このため、柱部221が、正極側基層23および負極側基層24に、相対的にくい込むようになる。並びに、荷重F1が入力されると、柱部221は、軸方向に収縮し径方向外側に膨張する。
このように、正極側基層23、負極側基層24、柱部221が上下方向に縮むため、正極側電極層20と負極側電極層21との間の距離が狭くなる。すなわち、前出の式(1)に示すように、電極間距離dが短くなる。このため、静電容量Cが大きくなる。静電容量Cの変化から、図示しない演算部により、荷重F1の大きさを算出する。
[静電容量型感圧センサの製造方法]
次に、本実施形態の静電容量型感圧センサ1の製造方法について説明する。本実施形態の静電容量型感圧センサ1の製造方法は、塗料調製工程と、積層体作製工程と、接合体作製工程と、誘電層配置工程と、を有している。
(塗料調整工程)
塗料調製工程においては、配線塗料、電極層塗料、柱部塗料、絶縁層塗料を、それぞれ調製する。このうち、配線塗料、電極層塗料、絶縁層塗料の調整は、第一実施形態と同様に行われる。
柱部塗料は、以下の手順で調製する。まず、ポリマー(アクリロニトリル−ブタジエンゴム、商品名:ニポールDN101、日本ゼオン社製)100質量部、加硫助剤(ステアリン酸、商品名:ルナックS30、花王社製)1.00質量部、加硫助剤(酸化亜鉛(ZnO)商品名:酸化亜鉛2種、堺化学工業社製)5.00質量部、加硫剤(分散性硫黄、商品名:サルファックス、鶴見化学工業社製)0.80質量部、加硫促進剤(テトラメチルチウラムジスルファイド、商品名:サンセラーTT、三新化学工業社製)1.50質量部、加硫促進剤(N−シクロヘキシル−2−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド、商品名:ノクセラーCZ、大内新興化学工業社製)1質量部を秤量し、ロールを用いてゴム練りを行う。そして、ゴムコンパウンドを調製する。続いて、調製したゴムコンパウンドを印刷用溶剤(エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ダイセル化学工業社製)255質量部に浸漬し、撹拌して均一化させる。このようにして、柱部塗料を調製する。なお、柱部塗料の粘度は、室温で230Pa・sである。
(積層体作製工程)
積層体作製工程においては、塗料調製工程において調製した配線塗料、電極層塗料、絶縁層塗料を、スクリーン印刷機により、正極側基層23、負極側基層24の上面に対して積層する。そして、正極側積層体および負極側積層体を形成する。
なお、正極側基層23、負極側基層24は、以下のようにして作製される。まず、上記柱部塗料用のゴムコンパウンドを、シート状に成形する。次いで、シート状のゴムコンパウンドを150℃で30分間プレス加硫する。このようにして、正極側基層23、負極側基層24は作製される。
(接合体作製工程)
接合体作製工程においては、塗料調製工程において調製した柱部塗料を、負極側積層体の上面に塗布する。図17に、本実施形態の静電容量型感圧センサの製造方法の接合体作製工程の模式図を示す。なお、図8と対応する部位については同じ符号で示す。
図17に示すように、柱部塗料の印刷には、ディスペンサー装置8が用いられる。ディスペンサー装置8は、シリンジ80とノズル81とを備えている。シリンジ80は、前後左右方向に移動可能である。シリンジ80の内部には、柱部塗料221aが充填されている。ノズル81は、シリンジ80の下壁に取り付けられている。シリンジ80には、配管(図略)を介して、エアが供給される。エアの圧力により、柱部塗料221aはノズル81から滴下される。
本工程においては、シリンジ80を移動させながら柱部塗料221aを滴下することにより、負極側積層体の上面に点線を引く。そして、柱部を形成する。その後、柱部形成後の負極側積層体を150℃で30分間加熱することにより、柱部を加硫させる。このようにして、負極側積層体と柱部とからなる接合体を形成する。
(誘電層配置工程)
誘電層配置工程においては、接合体作製工程で形成した接合体と、積層体積層工程で形成した正極側積層体と、を接合する。接合により、図16に示すように、本実施形態の静電容量型感圧センサ1が完成する。
[作用効果]
本実施形態の静電容量型感圧センサ1およびその製造方法は、構成が共通する部分については、第一実施形態の静電容量型感圧センサおよびその製造方法と同様の作用効果を有する。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、荷重F1により、柱部221、正極側基層23、負極側基層24が圧縮変形する。このため、荷重F1の検出感度が高くなる。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1の製造方法によると、ディスペンサー装置8を用いて、柱部221を形成している。このため、スクリーン印刷機のように重ね塗りしなくても、柱部塗料221aを一回塗布するだけで、軸方向長さの長い柱部221を、簡単に形成することができる。
また、シリンジ80からの柱部塗料221aの吐出量を調整することにより、柱部221の軸方向長さを簡単に調整することができる。なお、柱部塗料221aの吐出量は、吐出温度、吐出圧力、吐出時間、シリンジ80の移動速度などを調整することにより、調整することができる。
<第五実施形態>
本実施形態の静電容量型感圧センサおよびその製造方法と、第四実施形態の静電容量型感圧センサおよびその製造方法と、の相違点は、正極側基層の上方および負極側基層の下方に、発泡EPDM(エチレン−プロピレン−ジエンゴム)製の荷重伝達層が配置されている点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
図18(a)に、本実施形態の静電容量型感圧センサの、外部から荷重が入力された場合の、上下方向断面図を示す。なお、図16と対応する部位については同じ符号で示す。図18(b)に、同静電容量型感圧センサの、外部から荷重が入力された場合の、静電容量変化分布の模式上面図を示す。なお、図18(a)には、模式的に四本の柱部221だけを例示しているが、実際には、錘7の下方には、多数の柱部221が所定のパターンで配置されている。
図18(a)に示すように、正極側基層23の上方および負極側基層24の下方には、柔軟な発泡EPDM製の荷重伝達層29a、29bが配置されている。荷重伝達層29aの上面に錘7を載置すると、荷重伝達層29a、29bのうち柱部221に支持されている部分が、大きく圧縮変形する。このため、荷重伝達層29a、29bのうち柱部221に支持されていない部分が、大きく空間部222に膨出する。つまり、正極側電極層20、負極側電極層21が、大きく空間部222に膨出する。
図18(b)に示すように、荷重伝達層29a、29bが配置されている場合、正極側電極層20および負極側電極層21が、空間部222に大きく膨出することができる。このため、錘7の下面全面に、静電容量変化が大きい領域E3が現れる。
ちなみに、荷重伝達層29a、29bが共に配置されていない場合、正極側電極層20、負極側電極層21が、空間部222に膨出しにくい。このため、錘7の下面外縁に沿って、細枠状に、静電容量変化が大きい領域E1が現れる。
また、荷重伝達層29a、29bのうち一方だけが配置されている場合、基層が配置されている側の電極層だけが、空間部222に大きく膨出することができる。このため、錘7の下面外縁に沿って、太枠状に、静電容量変化が大きい領域E2が現れる。
本実施形態の静電容量型感圧センサ1およびその製造方法は、構成が共通する部分については、第四実施形態の静電容量型感圧センサおよびその製造方法と同様の作用効果を有する。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、錘7の荷重により、荷重伝達層29a、29bのうち柱部221に支持されていない部分が、大きく空間部222に膨出する。このため、荷重の検出感度が高くなる。
また、本実施形態の静電容量型感圧センサ1によると、錘7の下面全面に、静電容量変化が大きい領域E3が現れる。このため、静電容量変化分布のばらつき、つまり荷重の検出感度のばらつきを抑制することができる。
<その他>
以上、本発明の静電容量型感圧センサ1およびその製造方法の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
例えば、上記実施形態においては、正極側電極層20、01X〜16Xを上方に、負極側電極層21、01Y〜16Yを下方に、それぞれ配置した。しかしながら、正極側電極層20、01X〜16X、負極側電極層21、01Y〜16Yの配置は、上下逆でもよい。また、正極側電極層20、01X〜16X、負極側電極層21、01Y〜16Yを、水平方向に対向するように配置してもよい。
また、上記実施形態においては、正極側絶縁層25と負極側絶縁層26という二層の絶縁層を配置したが、いずれか一方だけを配置してもよい。また、正極側電極層20、01X〜16Xと負極側電極層21、01Y〜16Yとが短絡するおそれがなければ、絶縁層を配置しなくてもよい。また、柱部221の形状、寸法、配置数、配置パターンも特に限定しない。
また、上記実施形態においては、図8に示すように、柱部塗料221aを塗り重ねることにより、柱部221の長さを調整した。しかしながら、スクリーンマスク92の板厚つまり孔920の全長を調整することにより、柱部221の長さを調整してもよい。
また、第二実施形態の静電容量型感圧センサ1の正極側電極層01X〜16X、負極側電極層01Y〜16Yの配置数、交差角度も特に限定しない。また、隣り合う正極側電極層01X〜16Xの間隔、負極側電極層01Y〜16Yの間隔も特に限定しない。また、正極側配線01x〜16x、負極側配線01y〜16yを覆うように、酸化防止剤を印刷してもよい。こうすると、配線中の銀が酸化するのを、抑制することができる。また、静電容量型感圧センサ1の用途も特に限定しない。例えば、車両シートの着座位置検出センサ、タッチセンサ、ホットカーペットなどにおける使用者の位置検出センサなどとして用いてもよい。本実施形態の静電容量型感圧センサ1は、エラストマーを含んで形成されており、特に柔軟である。このため、静電容量型感圧センサ1は、使用者の体に比較的近接して配置しても、使用者が被る違和感が少ない。したがって、人間からの荷重(例えば体重など)を検出するのに、特に好適である。
また、静電容量型感圧センサ1の製造方法における印刷方法は特に限定しない。スクリーン印刷の他、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、パッド印刷、リソグラフィーなどを用いてもよい。
また、第一実施形態および第二実施形態において、柱部221を構成するエラストマーは、ゴムおよび熱可塑性エラストマーから適宜選択することができる。エラストマーは、特に限定しない。例えば、静電容量を大きくするという観点では、比誘電率が高いものが好ましい。例えば、常温における比誘電率が3以上、さらには5以上のものが好ましい。例えば、エステル基、カルボキシル基、水酸基、ハロゲン基、アミド基、スルホン基、ウレタン基、ニトリル基等の極性官能基を有するエラストマー、あるいは、これらの極性官能基を有する極性低分子量化合物を添加したエラストマーを採用すると好適である。エラストマーは架橋されていても、されていなくてもよい。また、エラストマーのヤング率を調整することにより、用途に応じて検出感度や検出レンジを調整すればよい。すなわち、外部から荷重の大きさに応じて、様々なヤング率の誘電層22を選択することができる。
好適なエラストマーとしては、例えばシリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴム等が挙げられる。
また、第三実施形態において、柱部221を構成する樹脂は、特に限定しない。例えば、点字板などに用いられる光硬化性樹脂を材料としてもよい。
柱部221の長さは、特に限定しない。例えば、静電容量型感圧センサ1の薄型化を図るという観点、および前出の式(1)に示すように、電極間距離dの逆数に比例する静電容量Cを大きくして検出感度の向上を図るという観点から、1μm以上3000μm以下とすることが好ましい。50μm以上500μm以下がより好適である。
また、正極側電極層20、01X〜16X、負極側電極層21、01Y〜16Yを構成するエラストマーは、柱部221に使用するエラストマーと同じでもよく、異なっていてもよい。正極側電極層20、01X〜16X、負極側電極層21、01Y〜16Y、柱部221が同じエラストマーから構成される場合には、柱部221の変形に対する正極側電極層20、01X〜16X、負極側電極層21、01Y〜16Yの追従性が向上する。
また、正極側電極層20、01X〜16Xおよび負極側電極層21、01Y〜16Yに好適なエラストマーとしては、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴム等が挙げられる。
正極側電極層20、01X〜16Xおよび負極側電極層21、01Y〜16Yにおいて、エラストマー中に配合されている導電性フィラーの形状は、特に限定しない。例えば、導電性フィラーのアスペクト比(短辺に対する長辺の比)は、1以上が好ましい。例えば、アスペクト比の比較的大きな針状の導電性フィラーを用いると、三次元的な導電ネットワークを形成しやすく、少量で高い導電性が実現できる。加えて、正極側電極層20、01X〜16X、負極側電極層21、01Y〜16Yが伸縮する際の、導電性変化を抑制することができる。
また、導電性フィラーを選択する際には、平均粒子径やエラストマーとの相溶性等を考慮するとよい。例えば、球状の導電性フィラーを採用した場合、導電性フィラーの平均粒子径(一次粒子)は、0.01μm以上0.5μm以下であることが好ましい。0.01μm未満の場合には、凝集性が高く、電極塗料を調製した場合に均一に分散させることが難しい。好ましくは0.03μm以上である。反対に、0.5μmを超えると、凝集体(二次粒子)を形成しにくくなる。好ましくは0.1μm以下である。なお、導電性フィラーとエラストマーとの組み合わせや、導電性フィラーの平均粒子径等を適宜調整することで、パーコレーションカーブにおける臨界体積分率(φc)を、所望の範囲内に調整することができる。
また、所望の導電性を発現させるため、導電性フィラーは、パーコレーションカーブにおける臨界体積分率(φc)以上の割合で配合されていることが好ましい。一方、導電性フィラーの充填率が30vol%を超えると、エラストマーへの混合が困難となり、成形加工性が低下する。加えて、正極側電極層20、01X〜16X、負極側電極層21、01Y〜16Yの伸縮性が低下する。このため、30vol%以下であることが好ましい。また、正極側電極層20、01X〜16X、負極側電極層21、01Y〜16Yの伸縮性を確保するという観点から、比較的少量の導電性フィラーを配合して、高い導電性を発現できることが好ましい。よって、導電性フィラーの充填率は、正極側電極層20、01X〜16X、負極側電極層21、01Y〜16Yの体積を100vol%とした場合の25vol%以下であることが好ましい。15vol%以下であるとより好適である。
正極側電極層20、01X〜16X、負極側電極層21、01Y〜16Yの厚さは、特に限定しない。柱部221に対する追従性を考慮し、静電容量型感圧センサ1の薄型化を図るという観点から、1μm以上100μm以下であることが好ましい。また、柱部221の変形に対する追従性を高めるため、正極側電極層20、01X〜16X、負極側電極層21、01Y〜16Yのヤング率を、0.1MPa以上10MPa以下とすることが好ましい。同様に、引張り試験(JIS K6251)における切断時伸びは、200%以上であることが好ましい。
また、正極側電極層20、01X〜16X、負極側電極層21、01Y〜16Yの電気抵抗は、厚さ方向および面方向において、100kΩ以下であることが好ましく、10kΩ以下であるとより好適である。
また、正極側電極層20、01X〜16X、負極側電極層21、01Y〜16Yには、上記エラストマー、導電性フィラーに加え、各種添加剤が配合されていてもよい。添加剤としては、例えば、架橋剤、加硫促進剤、加硫助剤、老化防止剤、可塑剤、軟化剤、着色剤等が挙げられる。
正極側配線01x〜16x、負極側配線01y〜16yを構成するエラストマーは、柱部221や正極側電極層20、01X〜16Xや負極側電極層21、01Y〜16Yに使用するエラストマーと同じでもよく、異なっていてもよい。例えば、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴム等が好適である。
また、正極側配線01x〜16x、負極側配線01y〜16yにおいて、エラストマー中に配合されている導電性粒子の種類は、導電性が高いものであれば、特に限定しない。例えば、銀、銅、金、ニッケル等の金属粉を採用すればよい。また、所望の導電性を発現させるため、エラストマーにおける導電性粒子の充填率は、正極側配線01x〜16x、あるいは負極側配線01y〜16yの体積を100vol%とした場合の20vol%以上であることが好ましい。また、正極側配線01x〜16x、負極側配線01y〜16yの伸縮性の低下を抑制するため、エラストマーにおける導電性粒子の充填率は、50vol%以下であることが好ましい。
また、正極側絶縁層25、負極側絶縁層26を形成する材料としては、例えば、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、エチレンプロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレンーブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、エピクロルヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレンゴム等が挙げられる。
また、正極側絶縁層25、負極側絶縁層26を構成する材料は、柱部221に使用するエラストマーと同じでもよく、異なっていてもよい。正極側絶縁層25、負極側絶縁層26、柱部221が同じエラストマーから構成される場合には、柱部221の変形に対する正極側絶縁層25、負極側絶縁層26の追従性が向上する。
また、第五実施形態においては、荷重伝達層29a、29bを発泡EPDM製としたが、他の柔軟なエラストマー発泡体製としてもよい。例えば、発泡シリコーンゴム、発泡ウレタンゴム、発泡クロロプレンゴム製としてもよい。また、荷重伝達層29a、29bは、エラストマー発泡体に限ることなく、弾性変形可能な材料であればよい。
荷重伝達層29a、29bの25%圧縮応力は、1MPa以下であることが好ましい。その理由は、荷重伝達層29a、29bから正極側電極層20、負極側電極層21に荷重を効果的に伝達させることができるからである。また、正極側基層23、負極側基層24の少なくとも一方を、荷重伝達層29a、29bのように、エラストマー発泡体などの弾性変形可能な材料製としてもよい。
図18に示す第五実施形態の静電容量型感圧センサ1を用いて、柱部221の配置パターンを変化させた場合の、荷重に対する静電容量の変化を測定した。図19(a)に、実施例1−1の柱部の配置パターンを示す。図19(b)に、実施例1−2の柱部の配置パターンを示す。なお、実施例1−1、1−2共に、柱部221は、武蔵エンジニアリング社製のディスペンサー装置(商品名:SHOTMASTER500)を用いて、形成した。
図19(a)に示すように、実施例1−1の柱部221は、密に配置されている。実施例1−1の柱部221の直径D1は3mmである。また、隣り合う柱部221間の間隔D2は2mmである。また、柱部221の軸方向高さは、0.22〜0.30mmである。また、感圧部の表面の面積を100%として、表面における柱部221の占有面積は28.3%である。
図19(b)に示すように、実施例1−2の柱部221は、疎に配置されている。実施例1−2の柱部221の直径D1は3mmである。また、隣り合う柱部221間の間隔D2は7mmである。また、柱部221の軸方向高さは、0.25〜0.32mmである。また、感圧部の表面の面積を100%として、表面における柱部221の占有面積は14.1%である。
また、荷重の印加面積は324cm(=18cm×18cm)である。また、一つの感圧部(図10にハッチングで示す部分)の電極サイズは、1.96cm(=1.4cm×1.4cm)である。また、感圧部の総数は、256個(=16個×16個)である。
図20に、面圧と感圧部一つあたりの静電容量の変化量との関係を示す。感圧部一つあたりの静電容量の変化量とは、荷重印加時の任意の感圧部の静電容量をC1、無荷重時の同感圧部の静電容量をC0、荷重が印加された感圧部の数をNとして、静電容量の変化量ΔC(=C1−C0)の感圧部N個分の総和を、Nで割ったものである。つまり、静電容量の変化量の平均値である。
図20から、実施例1−2の方が、実施例1−1よりも、面圧が大きくなるのに従って静電容量の変化量が大きくなりやすいことが判る。つまり、柱部221の配置パターンが疎である実施例1−2の方が、柱部221の配置パターンが密である実施例1−1よりも、荷重の検出感度が高いことが判る。このように、柱部221の配置パターンを変えることにより、荷重の検出感度を調整することができる。
図18に示す第五実施形態の静電容量型感圧センサ1を用いて、発泡EPDM製の荷重伝達層29a、29bを加除した場合の、荷重に対する静電容量の変化を測定した。実施例2−1は、第五実施形態の静電容量型感圧センサ1である。実施例2−2は、第五実施形態の静電容量型感圧センサ1から荷重伝達層29aを排除したものである。実施例2−3は、第五実施形態の静電容量型感圧センサ1から荷重伝達層29bを排除したものである。実施例2−4は、第五実施形態の静電容量型感圧センサ1から荷重伝達層29a、29bを排除したものである。
図19(b)を援用して示すように、実施例2−1〜2−4共に、柱部221の直径D1は2mmである。また、隣り合う柱部221間の間隔D2は3.333mmである。また、柱部221の軸方向高さは、約0.2mmである。また、感圧部の表面の面積を100%として、表面における柱部221の占有面積は22.1%である。
また、荷重の印加面積は324cm(=18cm×18cm)である。また、一つの感圧部(図10にハッチングで示す部分)の電極サイズは、1.96cm(=1.4cm×1.4cm)である。また、感圧部の総数は、256個(=16個×16個)である。
図21に、面圧と感圧部一つあたりの静電容量の変化量との関係を示す。図21から、実施例2−1、実施例2−2、実施例2−3、実施例2−4の順に、面圧が大きくなるのに従って静電容量の変化量が大きくなりやすいことが判る。すなわち、荷重の検出感度が最も高いのは実施例2−1であり、その次に高いのは実施例2−2であり、その次に高いのは実施例2−3であり、その次に高いのは実施例2−4であることが判る。このように、正極側基層23、負極側基層24を加除することにより、荷重の検出感度を調整することができる。
1:静電容量型感圧センサ、7:錘、8:ディスペンサー装置、9:スクリーン印刷機。
20:正極側電極層、21:負極側電極層、22:誘電層、23:正極側基層、24:負極側基層、25:正極側絶縁層、26:負極側絶縁層、27:正極側配線、28:負極側配線、28a:配線塗料、29a:荷重伝達層、29b:荷重伝達層、30:負極側積層体、31:接合体、32:正極側積層体、40:正極部、41:負極部、50:正極側配線用コネクタ、51:負極側配線用コネクタ、80:シリンジ、81:ノズル、90:テーブル、91:フレーム、92:スクリーンマスク、93:スキージ。
200:正極側対向面、210:負極側対向面、220:感圧部、221:柱部、221a:柱部塗料、222:空間部、920:孔。
01X〜16X:正極側電極層、01Y〜16Y:負極側電極層、01x〜16x:正極側配線、01y〜16y:負極側配線、01X1〜16X1:正極側対向面、A0101〜A1616:感圧部。
F1:荷重、O1:中心。

Claims (12)

  1. 正極側電極層と、負極側電極層と、該正極側電極層と該負極側電極層との間に介装され該正極側電極層と該負極側電極層とが表裏方向に重複する位置に形成される感圧部を有する誘電層と、を備え、外部から入力される荷重により該正極側電極層と該負極側電極層との間の距離が変化する事に基づき静電容量が変化することを利用して、該荷重の変化を検出可能な静電容量型感圧センサであって、
    前記感圧部は、エラストマー製または樹脂製であって非発泡体製の柱部と、空間部と、を有し、
    前記正極側電極層は、前記誘電層を介して前記負極側電極層に対向する正極側対向面を有し、
    該負極側電極層は、該誘電層を介して該正極側電極層に対向する負極側対向面を有し、
    さらに、該正極側対向面および該負極側対向面のうち少なくとも一方を覆う絶縁層を有することを特徴とする静電容量型感圧センサ。
  2. さらに、前記正極側電極層が配置されるエラストマー製の正極側基層と、前記負極側電極層が配置されるエラストマー製の負極側基層と、を有する請求項1に記載の静電容量型感圧センサ。
  3. 前記誘電層を中心として積層方向両側に向かう方向を外方、その逆方向を内方として、
    さらに、前記正極側基層の外方および前記負極側基層の外方のうち少なくとも一方に配置され、該正極側基層および該負極側基層よりも圧縮弾性率が小さい荷重伝達層を有する請求項2に記載の静電容量型感圧センサ。
  4. 前記感圧部の表面の面積を100%として、該表面における前記柱部の占有面積は0.5%以上51%以下である請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の静電容量型感圧センサ。
  5. 前記占有面積は45%以下である請求項4に記載の静電容量型感圧センサ。
  6. 前記柱部は、各々独立して複数配置される請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の静電容量型感圧センサ。
  7. 複数の前記柱部は、前記誘電層の全体に亘って、略均一に分布するように、所定のパターンで配置される請求項6に記載の静電容量型感圧センサ。
  8. エラストマー製の基層に、順序不同に、配線塗料と電極層塗料とを印刷することにより、該基層と配線と電極層とを有する積層体を作製する積層体作製工程と、
    該積層体に、該電極層に表裏方向に部分的に重複するように、柱部塗料を印刷することにより、該積層体とエラストマー製または樹脂製であって非発泡体製の柱部とを有する接合体を作製する接合体作製工程と、
    該接合体の該柱部の先端に、別の該積層体を接合することにより、該柱部と空間部とを有する誘電層を、一対の該電極層間に配置する誘電層配置工程と、
    を有する静電容量型感圧センサの製造方法。
  9. 前記接合体作製工程において、前記柱部塗料の印刷厚さを調整することにより、該柱部の長さを調整する請求項8に記載の静電容量型感圧センサの製造方法。
  10. 前記積層体作製工程において、さらに、前記電極層を覆うように絶縁層塗料を印刷することにより、前記基層と前記配線と該電極層と絶縁層とを有する前記積層体を作製する請求項8または請求項9に記載の静電容量型感圧センサの製造方法。
  11. 前記接合体作製工程において、前記柱部を、各々独立して複数配置する請求項8ないし請求項10のいずれかに記載の静電容量型感圧センサの製造方法。
  12. 前記接合体作製工程において、複数の前記柱部を、前記積層体の全体に亘って、略均一に分布するように、所定のパターンで配置する請求項11に記載の静電容量型感圧センサの製造方法。
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