JP6643647B2 - 感圧素子 - Google Patents

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Description

本開示は、感圧素子に関する。より詳細には、本開示は、各種電子機器に用いることができる感圧素子に関する。
近年、スマートフォン及びカーナビゲーション・システム等の各種電子機器の高機能化及び多様化が急速に図られている。これに伴って、電子機器の構成要素となる感圧素子も確実な操作性が求められている。感圧素子は、導電性弾性体などを素材としており、外部からの荷重印加に伴って検知が行われるセンサである。それゆえ、かかる感圧素子は、各種電気機器において“センサ素子”として利用できる。例えば、特許文献１から３はこれらの背景技術を開示している。
特開平０１−９２６３２号公報 特開２０１４−１４２１９３号公報 特開２０１１−１５９５９９
本願発明者らは、鋭意検討の末、静電容量式の感圧センサとして用いられる感圧素子は、その製品寿命の点で改善点があることを今回見出した。従来の感圧素子では、荷重による弾性電極の変形に伴って弾性電極と誘電体層との接触部分の面積が拡大し、容量変化が発生することになり、それよって荷重検出が行われる。従って、従来の感圧素子においては、弾性電極への応力集中により材料疲労を起こすため、製品寿命に課題があった。
本願発明者らはまた、従来の感圧素子は、そのリニアリティの制御の点で更なる改善点があることも見出した。従来の感圧素子では、感圧素子の容量は“接触部分”の拡大のみに依存して増加するものの、弾性電極の変形に必要な荷重は変形量および接触面積の2つのパラメータの上昇に伴って増加する。従って、容量変化は低荷重領域では大きいものの高荷重領域では小さくなり、リニアリティの制御には複雑な感圧素子構造（例えば山形の弾性電極を更に複雑化した形状など）が必要とされる。
本開示は、かかる事情に鑑みて為されたものである。即ち、本開示の課題は、製品寿命の比較的長い感圧素子を提供することである。
本開示の一態様に係る感圧素子は、少なくとも１つの突起部を含む第１電極、前記少なくとも１つの突起部と対向する第２電極、および前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、第１誘電体と第２誘電体とを含む誘電体を備え、前記第１誘電体が、前記少なくとも１つの突起部の最頂部分と前記第２電極との双方に接し、かつそれらの間に位置し、前記第２誘電体が、前記少なくとも１つの突起部を除く前記第１電極と前記第１誘電体との間に位置し、前記少なくとも１つの突起部の弾性率は前記第１誘電体の弾性率よりも高い。
本開示に従えば、製品寿命の比較的長い感圧素子が得られる。
図１は、本開示の感圧素子の構成を模式的に示した断面図である。 図２Ａは、本開示の第１実施態様に係る一例の感圧素子に荷重が加えられた際の突起部近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。 図２Ｂは、本開示の第１実施態様に係る一例の感圧素子に荷重が加えられた際の突起部近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。 図２Ｃは、本開示の第１実施態様に係る一例の感圧素子に荷重が加えられた際の突起部近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。 図３Ａは、本開示の第１実施態様に係る一例の感圧素子に荷重が加えられた際の第２誘電体近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。 図３Ｂは、本開示の第１実施態様に係る一例の感圧素子に荷重が加えられた際の第２誘電体近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。 図３Ｃは、本開示の第１実施態様に係る一例の感圧素子に荷重が加えられた際の第２誘電体近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。 図４Ａは、本開示の第１実施態様に係る別の一例の感圧素子に荷重が加えられた際の突起部近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。 図４Ｂは、本開示の第１実施態様に係る別の一例の感圧素子に荷重が加えられた際の突起部近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。 図４Ｃは、本開示の第１実施態様に係る別の一例の感圧素子に荷重が加えられた際の突起部近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。 図５Ａは、本開示の第１実施態様に係る別の一例の感圧素子に荷重が加えられた際の第２誘電体近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。 図５Ｂは、本開示の第１実施態様に係る別の一例の感圧素子に荷重が加えられた際の第２誘電体近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。 図５Ｃは、本開示の第１実施態様に係る別の一例の感圧素子に荷重が加えられた際の第２誘電体近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。 図６Ａは、本開示の第２実施態様に係る感圧素子の第１コンデンサを模式的に示した断面図である。 図６Ｂは、本開示の第２実施態様に係る感圧素子に荷重が加えられた際の第１コンデンサの状態を模式的に示した断面図である。 図６Ｃは、本開示の第２実施態様に係る感圧素子にさらに大きい荷重が加えられた際の第１コンデンサの状態を模式的に示した断面図である。 図６Ｄは、本開示の第２実施態様に係る感圧素子において、押圧時の第１コンデンサの容量変化特性を説明するための模式図である。 図７Ａは、本開示の第２実施態様に係る感圧素子の第２コンデンサを模式的に示した断面図である。 図７Ｂは、本開示の第２実施態様に係る感圧素子に荷重が加えられた際の第２コンデンサの状態を模式的に示した断面図である。 図７Ｃは、本開示の第２実施態様に係る感圧素子にさらに大きい荷重が加えられた際の第２コンデンサの状態を模式的に示した断面図である。 図７Ｄは、本開示の第２実施態様に係る感圧素子において、押圧時の第２コンデンサの容量変化特性を説明するための模式図である。 図８は、「突起部と第１誘電体との接触領域」および「突起部と第１誘電体との非接触領域」をそれぞれ説明するための感圧素子断面である。 図９Ａは、感圧素子における第１コンデンサの領域および第２コンデンサの領域を示す断面図である。 図９Ｂは、押圧時の感圧素子容量の容量変化特性を示す模式図である。 図１０は、第１コンデンサおよび第２コンデンサのそれぞれの構成要素を説明するための感圧素子断面である。 図１１は、第１コンデンサおよび第２コンデンサのそれぞれの誘電体を説明するための感圧素子断面である。 図１２は、支持基材、押圧基材およびスペーサを更に有して成る感圧素子の構成を模式的に示した断面図である。 図１３Ａは、本開示の感圧素子の製造方法における支持基材の準備工程を示した模式的断面図である。 図１３Ｂは、本開示の感圧素子の製造方法における第１電極の形成工程を示した模式的断面図である。 図１３Ｃは、本開示の感圧素子の製造方法におけるスペーサの形成工程を示した模式的断面図である。 図１３Ｄは、本開示の感圧素子の製造方法における第２電極の形成工程を示した模式的断面図である。 図１３Ｅは、本開示の感圧素子の製造方法における第１誘電体の形成工程を示した模式的断面図である。 図１３Ｆは、本開示の感圧素子の製造方法における押圧側部材の載置工程を示した模式的断面図である。
本開示の一態様の概要は以下の通りである。
（項目１）本開示の一態様に係る感圧素子は、少なくとも１つの突起部を含む第１電極、前記少なくとも１つの突起部と対向する第２電極、および前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、第１誘電体と第２誘電体とを含む誘電体を備え、前記第１誘電体が、前記少なくとも１つの突起部の最頂部分と前記第２電極との双方に接し、かつそれらの間に位置し、前記第２誘電体が、前記少なくとも１つの突起部を除く前記第１電極と前記第１誘電体との間に位置し、前記少なくとも１つの突起部の弾性率は前記第１誘電体の弾性率よりも高い。
（項目２）上記項目１に記載の感圧素子において、前記第１誘電体が可撓性を有していてもよい。
（項目３）上記項目２に記載の感圧素子において、前記感圧素子に荷重が加えられると、前記第１誘電体の撓みに伴って前記第２誘電体の厚みが減少するように、前記第２誘電体が構成されていてもよい。
（項目４）上記項目１に記載の感圧素子において、前記第１誘電体が弾性を有していてもよい。
（項目５）上記項目４に記載の感圧素子において、前記感圧素子に荷重が加えられると、前記少なくとも１つの突起部の少なくとも一部が前記第１誘電体に食い込むことにより、前記少なくとも１つの突起部と前記第１誘電体との接触領域の面積が拡大するように、前記第２誘電体が構成されていてもよい。
（項目６）上記項目５に記載の感圧素子において、前記感圧素子に荷重が加えられると、前記少なくとも１つの突起部の少なくとも一部が前記第１誘電体に食い込むことにより、前記第２誘電体の厚みが減少するように、前記第２誘電体が構成されていてよい。
（項目７）上記項目１から６のいずれかに記載の感圧素子において、前記感圧素子の容量が、第１容量および第２容量を含み、前記第１容量が、前記少なくとも１つの突起部と前記第１誘電体との接触領域を含む第１コンデンサにおける静電容量であり、前記第２容量が、前記第１誘電体と前記第２誘電体との接触領域を含む第２コンデンサにおける静電容量であってもよい。
（項目８）上記項目７に記載の感圧素子において、前記感圧素子の容量特性が、前記第１容量および前記第２容量の各々の容量特性よりも高いリニアリティを有していてもよい。
（項目９）上記項目７または８に記載の感圧素子において、前記第１コンデンサが、前記少なくとも１つの突起部と、前記少なくとも１つの突起部と対向する位置に存在する前記第２電極の第１部分と、前記少なくとも１つの突起部と前記第２電極の前記第１部分との間に位置する前記第１誘電体の第１部分とから構成され、前記第２コンデンサが、前記少なくとも１つの突起部が設けられていない部分である、前記第１電極の第１部分と、前記第１電極の前記第１部分と対向する位置に存在する前記第２電極の第２部分と、前記第１電極の前記第１部分と前記第２電極の前記第２部分との間に位置する前記第１誘電体の第２部分と、前記第２誘電体とから構成されていてもよい。
（項目１０）上記項目１から９のいずれかに記載の感圧素子において、前記少なくとも１つの突起部は、その幅が第２電極に向かって漸次減じられたテーパ形状を有していてもよい。
（項目１１）上記項目１から１０のいずれかに記載の感圧素子において、前記第１電極、前記第２電極、前記第１誘電体および前記第２誘電体の少なくとも１つが光透過性を有していてもよい。
（項目１２）上記項目１から１１のいずれかに記載の感圧素子において、支持基材および押圧基材を更に備え、前記第１電極が、前記第２電極に対向する第１主面と、前記第１主面と反対側の第２主面とを有し、前記第２電極が、前記第１電極に対向する第３主面と、前記第３主面と反対側の第４主面とを有し、前記支持基材が前記第２主面と接しており、前記押圧基材が前記第４主面と接していてもよい。
（項目１３）上記項目１から１２のいずれかに記載の感圧素子において、前記第１電極と前記第２電極との間に配置されたスペーサを更に備えていてもよい。
［本開示の感圧素子］
本開示の感圧素子は、容量（キャパシタンス）を有する素子であって、コンデンサ機能またはキャパシタ機能を有している。かかる感圧素子では、荷重印加によって容量変化がもたらされ、その容量変化から荷重が検出される。従って、本開示の感圧素子は“静電容量型感圧センサ素子”、“容量性圧力検出センサ素子”または“感圧スイッチ素子”などとも称される。
以下にて、本開示の一実施態様に係る感圧素子について図面を参照しながら説明する。図面に示す各種の要素は、本開示の理解のために模式的に示したにすぎず、寸法比及び外観などは実物と異なり得ることに留意されたい。尚、本明細書で直接的または間接的に用いる“上下方向”は、図中における上下方向に対応した方向に相当する。また特記しない限り、同じ符号または記号は、形状が異なること以外、同じ部材または同じ意味内容を示すものとする。
図１に、本開示の感圧素子１００の構成を模式的に示す。本開示の感圧素子１００は、第１電極１０、第２電極２０および誘電体３０を有して成る。
第１電極１０は、少なくとも１つの突起部１５を備えている。第２電極２０は、層形態を有していてもよい。第２電極２０は、第１電極１０と対向配置されている。より具体的には、第２電極２０は、突起部１５を間に挟み込むように第１電極１０と対向配置されている。誘電体３０は、全体として、第１電極１０と第２電極２０との間に設けられている。
本開示に係る感圧素子１００の誘電体３０は、第１誘電体３１および第２誘電体３２という２つの誘電体部から構成されている。図１に示されるように、第１誘電体３１と第２誘電体３２とは互いに隣接して設けられている（即ち、第１誘電体３１と第２誘電体３２とが互いに重なり合うように互いに接した状態で設けられている）。特に、第１電極１０と第２電極２０とが互いに対向する方向（即ち、図面中の“上下方向”）において相互に隣接するように又は重なるように第１誘電体３１と第２誘電体３２とが設けられている。第１誘電体３１は、第１電極１０の突起部１５の最頂部分１５’と第２電極２０との双方に接し、それらの間に位置付けられている。即ち、突起部１５の最頂部分１５’と第２電極２０とによって挟まれるように第１誘電体３１が設けられている。一方、第２誘電体３２は、突起部１５に起因して形成された第１電極１０の凹部分に位置付けられている。つまり、第２誘電体３２は、互いに隣接する突起部１５の間の領域に位置付けられている。換言すれば、図示されるように「突起部が設けられていない第１電極１０の突起非設置部１７の上面」と「突起部１５の側面」とが成す間隙部に第２誘電体３２が位置付けられている。
以下、各部材について詳しく説明する。
第１電極１０は、少なくとも１つの突起部１５を備えた電極部材である。特に突起部１５は、剛性特性（即ち、「外力による変形に対して抵抗する特性」）を有し、それゆえ、第１電極１０は、剛性電極部材に相当し得る。第１電極１０は、「剛性特性（特に「突起部１５における剛性特性）」と「導電特性」との双方の性質を有していれば、いずれの材質から成るものであってよい。「剛性特性」について、第１電極１０、特に突起部１５は、例えば、感圧素子に対して加えられる通常の押圧力（例えば約１Ｎ〜１０Ｎの押圧力）によっても変形しないような、約１０6Ｐａ超、特に１０6Ｐａ超１０９Ｐａ以下の弾性率、例えば１つ例示すると約１０7Ｐａの弾性率、を有していればよい。「導電特性」について、第１電極１０、特に突起部１５は、所望の周波数帯域において容量のインピーダンスよりも十分に小さい抵抗率を有していればよい。
第１電極１０は、例えば、金属体から構成されたものであってもよいし、ガラス体およびその表面に形成された導電層および／またはその中に分散された導電性フィラーから構成されたものであってもよいし、または樹脂体およびその表面に形成された導電層および／またはその樹脂体内に分散された導電性フィラーから構成されたものであってよい。金属体は、金属からなる電極部材であり、すなわち第１電極１０は実質的に金属からなるものでよい。金属体は、例えば、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｃ（カーボン）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｉｎ２Ｏ３（酸化インジウム（III））およびＳｎＯ２（酸化スズ（IV））から成る群から選択される少なくとも１種の金属を含んで成る。ガラス体は、酸化ケイ素の網目状構造を有するものであれば特に限定されず、例えば、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等から成る群から選択される少なくとも１種のガラス材料を含んで成るものであってよい。樹脂体は、スチレン系樹脂、シリコーン系樹脂（例えば、ポリジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ））、アクリル系樹脂、ロタキサン系樹脂およびウレタン系樹脂等から成る群から選択される少なくとも１種の樹脂材料を含んで成るものであってよい。ガラス体および樹脂体の導電層は、金属体を構成し得る金属と同様の金属の群から選択される少なくとも１種の金属を蒸着させてなる層であってもよいし、または導電性インクの塗布などによって形成されてなる層であってもよい。ガラス体および樹脂体の導電性フィラーは、金属体を構成し得る金属と同様の金属の群から選択される少なくとも１種の金属を含んで成るものであってよい。
弾性率について、例えば、第１電極１０が金属体から構成される場合、またはガラス体および導電層および／または導電性フィラーから構成される場合、その弾性率は通常、上記範囲内である。また例えば、第１電極１０が樹脂体および導電層および／または導電性フィラーから構成される場合、その弾性率は、樹脂体を構成する樹脂材料の重合度および化学構造の設計、当該樹脂材料と導電性フィラーの相対的割合を変更することによって調整できる。
また抵抗率について、例えば、第１電極１０が金属体から構成される場合、またはガラス体または樹脂体および導電層から構成される場合、その抵抗率は通常、所望の周波数帯域において容量のインピーダンスよりも十分に小さい抵抗率を有している。また例えば、第１電極１０がガラス体または樹脂体および導電性フィラーから構成される場合、その抵抗率は、ガラス体を構成するガラス材料または樹脂体を構成する樹脂材料と導電性フィラーとの相対的割合を変更することによって調整できる。
突起部１５は、図示するように（例えば図１に示すように）、第１電極１０のベース部分から第２電極２０に向かって突出する形態を有している。換言すれば、第１電極１０は、そのベース部分から第２電極２０の設置方向に向かって局所的に隆起した形態を有している。第１電極１０の突起部１５の個数は、少なくとも１つである。突起部１５が２つ以上設けられており、それゆえ、第１電極１０は複数の突起部１５を有していてもよい。複数の突起部１５が設けられている態様に起因して、第１電極１０が全体として凹凸形態を有することになり、その凹凸形態における凸部が突起部１５に相当する。
突起部１５は、第１電極１０上における当該突起部１５間に第２誘電体３２の形成を確保できる限り、あらゆる形状を有していてよい。突起部１５は、例えば図１に示すような円錐台、四角錐台などの錐台形状を有していてもよいし、円柱体、四角柱体などの柱体形状を有していてもよいし、または半球体形状を有していてもよい。突起部１５は、装置のさらなる長寿命化の観点から、テーパ形状を有していてもよい。具体的には、第１電極の突起部１５は、その幅寸法が第２電極に向かって漸次減じられたテーパ形状を有していてもよい（図１参照）。前記形状のうち、テーパ形状としては、錐台形状、半球体形状が挙げられる。
突起部１５の高さ寸法は、後述の第１誘電体３１の弾性変形または撓み変形に資するものであれば、いずれの寸法であってよい。つまり、第１誘電体３１の第２電極側からの押圧によって、第１誘電体３１が弾性変形または撓み変形するのであれば、いずれの高さ寸法であってもよい。また、複数の突起部１５は規則正しく配列されていてもよい。複数の突起部１５のピッチ寸法もまた、第１誘電体３１の弾性変形または撓み変形に資すると共に、隣接する突起部間に凹部（即ち、第２誘電体３２のための領域）がもたらされるものであれば、特に制限はない。
第１誘電体３１は、第１電極１０の突起部１５の最頂部分１５’と第２電極２０との双方に接し、それらの間に位置付けられている。即ち、突起部１５の最頂部分１５’（例えば最頂面）と第２電極２０とによって挟まれるように第１誘電体３１は設けられている。第１誘電体３１は層形態を有していてもよい。
第１誘電体３１は、「誘電体」としての性質を有するとともに、「可変形性」を有している。第１誘電体３１および後述の第２電極２０の説明において「可変形性」とは、「弾性特性」（即ち、「外力によって局所的に凹み変形し、除力すると元の形状へと戻る特性」）および「可撓特性」（即ち、「外力によって撓み変形し、除力すると元の形状へと戻る特性」）を包含して意味する。第１誘電体３１は弾性特性または可撓特性のいずれかの特性を有すればよい。
第１誘電体３１が弾性特性を有する場合、第１誘電体３１は弾性誘電体／弾性誘電体層と称することができる。第１誘電体３１が“弾性誘電体”／“弾性誘電体層”となることによって、感圧素子が押圧された際、第１電極１０の突起部１５の一部に食い込まれることにより、第１誘電体３１の弾性変形がもたらされる。また、そのように、第１誘電体３１が弾性変形することによって、第２誘電体３２は、その厚みを減じるように変形する（後述する「第２実施態様」を参照のこと）。
第１誘電体３１が弾性特性を有する場合、当該第１誘電体３１は、押圧時にて第１電極１０（特にその突起部１５）よりも変形するように、第１電極１０（特にその突起部１５）よりも低い弾性率を有していてもよい。例えば、第１電極１０（特にその突起部１５）の弾性率が約１０６Ｐａ超である場合、それよりも低い弾性率、例えば約１０４Ｐａ〜１０６Ｐａ、を第１誘電体３１が有していてもよい。この場合、第１誘電体３１の厚みは、突起部１５の一部の第１誘電体３１への食い込みによる、突起部１５と第１誘電体３１との接触領域の面積の拡大および第２誘電体３２の厚みの減少に寄与できる程度の弾性変形がもたらされる限り特に限定されない。
第１誘電体３１が可撓特性を有する場合、第１誘電体３１は可撓性誘電体／可撓性誘電体層と称することができる。第１誘電体３１が“可撓性誘電体”／“可撓性誘電体層”となることによって、感圧素子が押圧された際、第１電極１０の突起部１５間において、第１誘電体３１の撓み変形がもたらされる。その撓み変形に伴って第２誘電体３２の厚み寸法が減少するように第２誘電体３２が変形する。（後述する「第１実施態様」を参照のこと）。
第１誘電体３１が可撓特性を有する場合、当該第１誘電体３１は通常、約１０７Ｐａ超の弾性率を有する。この場合、第１誘電体３１の厚みは、第２誘電体３２の厚みの減少に寄与できる程度の撓み変形がもたらされる限り特に限定されない。例えば、第１誘電体３１がフィルム状に薄い場合、撓み変形が起こり易く、その厚みは通常、１〜１００μｍであってよい。
第１誘電体３１は、少なくとも「誘電体」としての性質および「可変形性」を有していれば、いずれの材質から成るものであってよい。例えば、第１誘電体３１は、樹脂材、セラミック材および／または酸化金属材などを含んで成るものであってよい。あくまでも例示にすぎないが、第１誘電体３１は、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンテレフテレート樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、Ａｌ２Ｏ３、およびＴａ２Ｏ５などから成る群から選択される少なくとも１種の材料を含んで成るものであってよい。弾性率はセラミック材および／または酸化金属材と樹脂成分との相対的割合を変更することによって調整できる。第１誘電体３１は、所望の周波数帯域において、容量のインピーダンスよりも高い抵抗値を有する材料を含んでいてもよい。第１誘電体３１の誘電率及び膜厚に関していえば、変形前における第２誘電体３２よりも単位面積当たりの容量が大きくなるように、第１誘電体３１の材料選択・膜厚調整がなされてもよい。
第２誘電体３２は、突起部１５に起因して形成された第１電極１０の凹部分に位置付けられている。つまり、第２誘電体３２は、互いに隣接する突起部１５の間の領域に位置付けられている。換言すれば、図１に示されるように、「突起部が設けられていない第１電極１０の突起非設置部１７の上面」と「突起部１５の側面」とが成す間隙部に第２誘電体３２が位置付けられている。図示される形態から分かるように、第２誘電体３２の上面は、突起部１５の最頂部分１５’（即ち、突起部１５の最頂面）と面一になっていてもよい。
第２誘電体３２は、誘電体から成るものであり、第１誘電体３１の変形を阻害するものでなければ、いずれの誘電体から成るものであってよい。例えば、第２誘電体３２が空気部であってよい。かかる場合、感圧素子が押圧された際に、第１誘電体３１の変形がもたらされ、それによって、第２誘電体３２が、その厚みを効果的に減じるように変形できる。
第２電極２０は、第１電極１０と対向配置される電極部材である。第２電極２０は層形態を有していてもよい。かかる第２電極２０は、「導電特性」の性質を少なくとも有するのであれば、いずれの材質から成るものであってよい。例えば、第２電極２０の材質は、常套的な感圧素子・センサ素子などの電極層の材質と同様であってよい。
第２電極２０は「可変形性」を有していてもよい。第２電極２０において「可変形性」は、第１誘電体３１の説明における「可変形性」と同様に、「弾性特性」（即ち、「外力によって局所的に凹み変形し、除力すると元の形状へと戻る特性」）および「可撓特性」（即ち、「外力によって撓み変形し、除力すると元の形状へと戻る特性」）を包含して意味する。第２電極２０は弾性特性または可撓特性のいずれかの特性を有していてもよい。
第２電極２０が弾性特性を有する場合、第２電極２０は弾性電極／弾性電極層と称することができる。第２電極２０が“弾性電極”／“弾性電極層”となり、さらに第１誘電体３１が“弾性誘電体”／“弾性誘電体層”となることによって、感圧素子が押圧された際、第１電極１０の突起部１５の一部の食い込みにより、第１誘電体３１および第２電極２０のより一層、大きな弾性変形がもたらされる。また、そのように、第１誘電体３１および第２電極２０が弾性変形することによって、第２誘電体３２は、その厚みをより一層、減じるように変形する（後述する「第２実施態様」を参照のこと）。
第２電極２０が弾性特性を有する場合、当該第２電極２０は、押圧時にて第１電極１０（特にその突起部１５）よりも弾性変形するように、第１電極１０（特にその突起部１５）よりも低い弾性率を有していてもよい。例えば、第１電極１０（特にその突起部１５）の弾性率が約１０７Ｐａ超である場合、それよりも低い弾性率、例えば約１０４Ｐａ〜１０７Ｐａ、を第２電極２０が有していてもよい。この場合、第２電極２０の厚みは、突起部１５と第１誘電体３１との接触領域の面積の拡大および第２誘電体３２の厚みの減少に寄与できる程度の弾性変形がもたらされる限り特に限定されない。
第２電極２０が可撓特性を有する場合、第２電極２０は可撓性電極／可撓性電極層と称することができる。第２電極２０が“可撓性電極”／“可撓性電極層”となり、さらに第１誘電体３１が“可撓性誘電体”／“可撓性誘電体層”となることによって、感圧素子が押圧された際、第１電極１０の突起部１５間において、第１誘電体３１の撓み変形がより一層、十分にもたらされる。その撓み変形に伴って第２誘電体３２の厚み寸法がより一層、十分に減少するように第２誘電体３２が変形する。（後述する「第１実施態様」を参照のこと）。
第２電極２０が可撓特性を有する場合、当該第２電極２０は通常、約１０7Ｐａ超の弾性率を有する。この場合、第２電極２０の厚みは、第２誘電体３２の厚みの減少に寄与できる程度の撓み変形がもたらされる限り特に限定されない。
第２電極２０が可変形性を有する場合、第２電極２０は少なくとも「可変形性」と「導電特性」の性質を有するのであれば、いずれの材質から成るものであってよい。例えば、第２電極２０は、第１電極１０の説明で記載した樹脂体およびその表面に形成された導電層および／またはその樹脂体内に分散された導電性フィラーから構成されたものであってよい。弾性率は樹脂体の樹脂成分としてのポリマーの重合度、導電性フィラーと樹脂体の樹脂成分との相対的割合を変更することによって調整できる。
本開示に係る感圧素子の一態様では、対向配置された第１電極および第２電極において、第２電極の外面側が感圧素子の押圧側となっている。図１に示すように、感圧素子１００の「Ａ側」（図中の上側）および「Ｂ側」（図中の下側）という側部でいえば、「Ａ側」が押圧側となる。かかる態様において本開示の感圧素子は、第２電極の外面側からその内面側に向かって押圧される、即ち、感圧素子１００の「Ａ側」からＢ側へと向かって押圧されることになる。
本開示の感圧素子は、種々の実施態様で実現することができる。以下それについて説明する。
（第１実施態様）
本実施態様の感圧素子は、上記した感圧素子において、第１誘電体３１および第２電極２０が「可撓特性」を有するものである。かかる感圧素子において、感圧素子に荷重が加えられると、例えば図２Ａ〜図２Ｃに示すように、突起部１５（特にその最頂部分）と第１誘電体３１との接触領域の面積Ｓ１は変化しないが、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、第１誘電体３１および第２電極２０が撓み変形するため、第２誘電体３２が変形し、誘電体の厚みｄ１（特に第２誘電体３２の厚み）が減少する。厚みｄ１の減少に起因して容量変化がもたらされ、その容量変化から荷重が検出される。本実施態様において検出される容量変化は、具体的には、後述する第２実施態様に係る感圧素子における第２コンデンサにおける静電容量Ｂの変化と同様の変化に基づくものである。図２Ａ〜図２Ｃは、本開示の第１実施態様に係る一例の感圧素子に荷重が加えられた際の突起部近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。図３Ａ〜図３Ｃは、図２Ａ〜図２Ｃと同様の感圧素子に荷重が加えられた際の第２誘電体近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。
図２Ａ〜図２Ｃにおいて突起部１５は錐台形状を有しているが、柱体形状または半球体形状を有していてもよい。製品のさらなる長寿命化の観点から、突起部１５は錐台形状または半球体形状を有していてもよい。
なお本実施態様において、突起部１５を半球体形状にすると、後述する第２実施態様においてと同様に、容量変化特性（荷重印加時の容量変化特性）につきリニアリティが向上する。詳しくは、感圧素子に荷重が加えられると、第１誘電体３１および第２電極２０が撓み変形により、例えば図４Ａ〜図４Ｃに示すように、突起部１５（特にその最頂部分）と第１誘電体３１との接触領域の面積Ｓ２が拡大するとともに、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、第２誘電体３２が変形し、誘電体の厚みｄ２（特に第２誘電体３２の厚み）が減少する。面積Ｓ２の拡大に起因して容量変化がもたらされ、この容量変化は低荷重の方が高荷重よりも大きい。厚みｄ２の減少に起因して容量変化がもたらされ、この容量変化は高荷重の方が低荷重よりも大きい。このように２種の異なる容量変化特性を組み合わせるため、容量変化特性（荷重印加時の容量変化特性）につきリニアリティが向上する。具体的には、面積Ｓ２の拡大に起因する容量変化は後述する第２実施態様に係る感圧素子の第１コンデンサにおける静電容量Ａの変化と同様の変化に基づくものである。厚みｄ２の減少に起因する容量変化は後述する第２実施態様に係る感圧素子の第２コンデンサにおける静電容量Ｂの変化と同様の変化に基づくものである。図４Ａ〜図４Ｃは、本開示の第１実施態様に係る別の一例の感圧素子に荷重が加えられた際の突起部近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。図５Ａ〜図５Ｃは、図４Ａ〜図４Ｃと同様の感圧素子に荷重が加えられた際の第２誘電体近傍の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。
容量変化の検出方式、容量変化からの荷重の導出方法および感圧素子と共に使用され得る制御装置は、後述する第２実施態様においてと同様である。
（第２実施態様）
本実施態様の感圧素子は、上記した感圧素子において、少なくとも第１誘電体３１が「弾性特性」を有するものである。かかる感圧素子に荷重が加えられると、図６Ｂに示すように、突起部１５の一部が少なくとも第１誘電体３１に食い込むように第１誘電体３１が弾性変形し、突起部１５（特にその最頂部分）と第１誘電体３１との接触領域の面積Ｓが拡大する。面積Ｓの拡大に起因して容量変化がもたらされる。一方で、第１誘電体３１の弾性変形に伴い、図７Ｂ及び７Ｃに示すように、第２誘電体３２が変形し、誘電体の厚みｄ（特に第２誘電体３２の厚み）が減少する。厚みｄの減少に起因して容量変化がもたらされる。このような２種類の容量変化から荷重が検出されるため、容量変化特性（荷重印加時の容量変化特性）につきリニアリティが向上する。本実施態様においては、第２電極２０は弾性特性または可撓特性のいずれかの特性を有していてもよいが、リニアリティのさらなる向上の観点から、第２電極２０も「弾性特性」を有し、感圧素子への荷重付加により、図６Ｃに示すように、第１誘電体３１および第２電極２０が弾性変形してもよい。
図６Ａから６Ｃにおいて突起部１５は錐台形状を有しているが、柱体形状または半球体形状を有していてもよい。容量変化特性に関するリニアリティ特性の向上および製品のさらなる長寿命化の観点から、突起部１５は錐台形状または半球体形状を有していてもよい。
本実施態様の感圧素子について、以下、具体的に説明する。
本実施態様の感圧素子の静電容量は、第１容量および第１容量と異なる第２容量とが合わせられることによって成っている。換言すれば、本実施態様の感圧素子では、第１容量および第２容量のそれぞれを検知して、センシングするようになっている。
第１容量は、図８および図９Ａに示すように突起部１５と第１誘電体３１との接触領域を含む第１コンデンサにおける静電容量Ａである。つまり、図示するように、突起部１５の最頂部分（例えば最頂面）と第１誘電体３１の主面との接触面を有する第１コンデンサにおける容量が第１容量に相当する。一方、第２容量は、突起部１５と第１誘電体３１との非接触領域を含む第２コンデンサにおける静電容量Ｂである。つまり、図示するように、突起部１５の最頂部分（例えば最頂面）と第１電極３１の主面との接触面を有していない第２コンデンサにおける容量が第２容量に相当する。第２容量は、図８に示すように、第２誘電体３２と第１誘電体３１との接触領域を含む第２コンデンサにおける静電容量であるといえる。
「第１容量」および「第２容量」について詳述する。ここで、第１コンデンサの容量Ｃ〔ｐＦ〕および感圧素子に加えられる荷重Ｆ〔Ｎ〕は、それぞれ以下の式で表される。
Figure 0006643647
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ここで、ε〔ｐＦ／ｍ〕は誘電体の誘電率、Ｓ〔ｍ２〕は突起部と第１誘電体との接触面積、ｄ’〔ｍ〕は第１誘電体の厚さ、Ｅ〔Ｐａ〕はヤング率、ｅはひずみである。
本実施態様において第１容量の特性は、“容量に対して荷重のほうが増加しやすい特性”となっている。換言すれば、図６Ｄに示されるように、第１コンデンサにおいては、加えられる荷重が大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が小さくなってくる。容量Ｃは、面積Ｓ（突起部１５と第１誘電体３１との接触面積）の可変パラメータに依存するところ、荷重Ｆは、面積Ｓとひずみｅ（第１誘電体３１および第２電極２０の変形量）と２つの可変パラメータに依存する。よって、第１コンデンサは、感圧素子に荷重を加えた際に“容量に対して荷重のほうが増加しやすい特性”を有し得、それゆえ、加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が小さくなる傾向を有している。尚、「加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が小さくなる傾向」とは、図６Ｄのグラフに示されるように、低荷重領域では容量Ｃの増加率が相対的に高いものの、高荷重領域では容量Ｃの増加率が相対的に低くなる傾向を指している。
第１コンデンサにおいては、突起部１５の第１誘電体３１への“食い込み”に起因して第１誘電体３１の厚みが減少する。即ち、“食い込み”に起因して突起部１５の最頂部分１５’と第２電極２０との離隔距離ｄ’が減じられる。このため、当該離隔距離ｄ’も容量Ｃの可変パラメータのひとつとなるが、荷重Ｆが依存するひずみｅと比較すると、その影響は極めて小さいため、主たる可変パラメータにはならない。
一方、第２コンデンサの容量Ｃ〔ｐＦ〕は、以下の式で表される。
Figure 0006643647
ここで、ε〔ｐＦ／ｍ〕は誘電体の誘電率、Ｓ〔ｍ２〕は電極と誘電体との接触面積、ｄ〔ｍ〕は誘電体の厚さである。
本実施態様において第２容量は、図７Ｄに示されるように、加えられる荷重が大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が大きくなる傾向を有している。第２コンデンサの容量Ｃは、誘電体の厚みｄ（特に第２誘電体３２の厚み）の可変パラメータに対して反比例する関係を有し、その影響が大きく、それゆえ、加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が大きくなる傾向となっている。「加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が大きくなる傾向」とは、図７Ｄのグラフに示されるように、低荷重領域では容量Ｃの増加率が相対的に低いものの、高荷重領域では容量Ｃの増加率が相対的に高くなる傾向を指している。
本実施態様の感圧素子の容量は、このように容量特性の異なる「第１容量」および「第２容量」に基づいており、それゆえ、図９Ｂに示すように高いリニアリティ特性を呈することができる。具体的には、「第１容量」と「第２容量」との割合が調整されることにより低荷重領域および高荷重領域での感度が調整され、感圧素子の高いリニアリティ特性が実現される。より具体的には、「第１コンデンサにおける荷重と第１容量との相関関係特性」と「第２コンデンサにおける荷重と第２容量との相関関係特性」との割合が適宜調整され合わせられることによって、低荷重領域および高荷重領域での感度が調整され、感圧素子として高いリニアリティ特性が実現される。例えば「加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が小さくなる第１コンデンサの特性」が「加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が大きくなる第２コンデンサの特性」よりも相対的に大きい場合、「第１容量」の割合を「第２容量」に対して相対的に小さくする、逆にいえば、「第２容量」の割合を「第１容量」に対して相対的に大きくすることによって、感圧素子の高いリニアリティ特性を一般に実現することができる。同様にして、例えば「加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が小さくなる第１コンデンサの特性」が「加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が大きくなる第２コンデンサの特性」よりも相対的に小さい場合、「第１容量」の割合を「第２容量」に対して相対的に大きくする、逆にいえば、「第２容量」の割合を「第１容量」に対して相対的に小さくすることによって、感圧素子の高いリニアリティ特性を一般に実現することができる。
ちなみに、第１コンデンサの特性（即ち、荷重と第１容量との相関関係特性）が第２コンデンサの特性（即ち、荷重と第２容量との相関関係特性）よりも上回るように「第１容量」と「第２容量」との割合が調整されると、低荷重領域では大きい感度、高荷重領域では小さい感度を呈する感圧センサ素子を実現することもできる。同様にして、第２コンデンサの特性（即ち、荷重と第２容量との相関関係特性）が第１コンデンサの特性（即ち、荷重と第１容量との相関関係特性）よりも上回るように「第１容量」と「第２容量」との割合が調整されると、低荷重領域では小さい感度、高荷重領域では大きい感度を呈する感圧センサ素子を実現することもできる。
感圧素子の容量特性（即ち、荷重と静電容量との相関関係特性）について高いリニアリティが実現される場合、特に図９Ｂに示すグラフ図から分かるように、かかる感圧素子の容量特性は、第１コンデンサの静電容量特性（即ち、荷重と第１容量との相関関係特性）および第２コンデンサの静電容量特性（即ち、荷重と第２容量との相関関係特性）の各々よりも高いリニアリティを有している。つまり、感圧素子に荷重を加えた際の荷重と容量との相関関係について、感圧素子は、第１コンデンサおよび第２コンデンサのそれぞれ単独よりも高いリニアリティ特性を全体として有している。
「第１コンデンサ」および「第２コンデンサ」について詳述する。第１コンデンサは、突起部１５の領域を含むように構成されている。換言すれば、第１コンデンサは、突起部１５の最頂部分１５’と第１誘電体３１の主面との接触面を有するコンデンサ部に相当する。より具体的には、図１０に示すように、第１コンデンサは、「第１電極１０の突起部１５」と、「突起部１５と対向する位置に存在する第２電極２０の第1部分（２０Ａ）」と、「突起部１５と第1部分（２０Ａ）との間に位置付けられた第１誘電体３１の第１部分（３１Ａ）」とから構成されている。一方、第２コンデンサは、突起部１５の領域を含まない構成を有している。換言すれば、第２コンデンサは、突起部１５と第１誘電体３１とが接触していない領域に相当する非接触領域を含むように構成されており、即ち、突起部１５の最頂部分１５’と第２電極１０の主面との接触面を有していないコンデンサ部である。より具体的には、図１０に示すように、第２コンデンサは、「突起部が設けられていない第１電極の突起非設置部１７」と、「突起非設置部１７と対向する位置に存在する第２電極２０の第２部分（２０Ｂ）」と、「突起非設置部１７と第２部分（２０Ｂ）との間に位置付けられた、第１誘電体３１の第２部分（３１Ｂ）および第２誘電体３２」とから構成されている。
図１１には、第１コンデンサおよび第２コンデンサのそれぞれの誘電体が模式的に示されている。図示される態様から分かるように、第１コンデンサでは、第１電極の突起部１５と、第２電極２０の第1部分（２０Ａ）と、最頂部分１５’と第1部分（２０Ａ）との間の誘電体とから構成される素子領域に電荷が蓄えられるのに対して、第２コンデンサでは、第１電極の突起非設置部１７と、第２電極２０の第２部分（２０Ｂ）と、それらの間の誘電体とから構成される素子領域に電荷が蓄えられることになる。
本実施態様の感圧素子は、このような構成の異なる２種類の「第１コンデンサ」および「第２コンデンサ」から成り、それゆえ、荷重印加時における静電容量の変化特性が全体として高いリニアリティを呈し得る。
本実施態様においては、感圧素子の高いリニアリティ特性は、２種類の静電容量を検知してセンシングすることによってもたらされ得る。具体的には、第１電極の突起部分（突起部）と第２電極間で生じる静電容量と、変形可能な誘電体（即ち、第２誘電体）の配置された部分で生じる静電容量の総和の静電容量を検知して、センシングすることによって、感圧素子として高いリニアリティ特性が得られる。
容量変化の検出は、自己容量方式または相互容量方式のいずれを採用してもよい。あるいは、別法にてその他の既知の方式を容量変化の検出のために採用してもよい。すなわち、感圧素子の用途等に応じて適当な方式を適宜採用すればよい。また、感圧素子の静電容量変化からの荷重の導出方法も、既知のいずれかの手法を採用すればよい。
感圧素子は制御装置と共に使用され得る。かかる制御装置は、例えば、感圧素子における静電容量変化もしくは導出した荷重分布を記憶するか、あるいは、外部のＰＣ等の機器へと出力する機能を有していてもよい。このような制御装置は、感圧素子とは別体に設けられるものであってよく、それゆえ、例えば感圧素子が外部のＰＣ等の演算処理装置によって制御されるものであってもよい。
（他の部材）
本開示の一態様では、図１２に示すように、支持基材５０および押圧基材６０を更に有して成る。図示するように、第１電極１０と第２電極２０と誘電体３０とから構成される構造体の両側に支持基材５０および押圧基材６０が設けられる。
支持基材５０は、図１２に示すように、第１電極１０の外側主面と接するように設けられている。支持基材５０は、「第１電極１０と第２電極２０と誘電体３０とから構成される構造体」を少なくとも支持するのに供する部材である。支持基材５０は可撓性を有していてもよい。かかる支持基材５０は、樹脂基板であってよい。従って、支持基材５０は、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネートおよびポリイミドなどから成る群から選択される少なくとも１種の樹脂成分を含んで成る。
押圧基材６０は、図１２に示すように、第２電極２０の外側主面と接するように押圧基材が設けられている。押圧基材６０は、「第１電極１０と第２電極２０と誘電体３０とから構成される構造体」において押圧に直接的に付される部材である。押圧基材６０は可撓性を有していてもよい。かかる押圧基材６０は、樹脂基板であってよい。従って、押圧基材６０は、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネートおよびポリイミドなどから成る群から選択される少なくとも１種の樹脂成分を含んで成る。
本開示の感圧素子は、スペーサを更に有して成るものであってもよい。具体的には、図１２に示すように、対向配置された第１電極１０と第２電極２０との間にスペーサ７０が設けられてよい。図示するように、第１電極１０と第２電極２０との周縁領域にスペーサ７０が設けられてよい。スペーサ７０が設けられることによって、第１電極１０と第２電極２０との対向配置がもたらされると共に、押圧時にて「第１誘電体３１の変形およびその変形回復」及び「厚み減少を伴う第２誘電体３２の変形およびその変形回復」などがもたらされることになる。スペーサは、例えば、絶縁性樹脂材（ポリエステル樹脂および／またはエポキシ樹脂等の絶縁性樹脂材）を含んで成るものであってよい。別法にて、第１電極１０の突起部１５をそのままスペーサとして利用してもよい。
（透明感圧素子の実施態様）
かかる実施態様は、感圧素子が透明な素子となっている態様である。かかる実施態様によれば、第１電極１０、第２電極２０、第１誘電体３１および第２誘電体３２の少なくとも１つが光透過性を有している。つまり、感圧素子の構成要素の少なくとも１つが可視光領域において透明となっている。
感圧素子の構成要素の全てが透明要素となっており、それゆえ、第１電極１０、第２電極２０、第１誘電体３１および第２誘電体３２の全てが光透過性を有していてもよい。支持基材５０および押圧基材６０も光透過性を有していてもよい。
本開示の感圧素子１００の上記の構成要素は、透明性を担保するため例えば以下の材料的特徴を有している。まず、支持基材５０および押圧基材６０は、ポリエチレンテレフタレートおよび／またはポリカーボネート等の透明樹脂材料を含んでいてもよい。
第１電極１０が樹脂体およびその中に分散した導電性フィラーから構成される場合、樹脂体がシリコーン系樹脂、スチレン系樹脂、ポリメタクリル酸メチル等のアクリル系樹脂およびロタキサン系樹脂から成る群から選択される少なくとも１種の高い透明性の樹脂材から成っていてもよい。導電性フィラーは、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３及びＳｎＯ２、またはＺｎＯ及びＳｎＯ２等から成るナノ粒子の形態を有するものであってもよく、あるいは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕおよび／またはＣなどから成る直径数十ｎｍのナノワイヤーの形態を有するものであってもよい。このような、樹脂体と導電性フィラーとから構成されることによって第１電極１０の透明性を確保することができる。尚、第１電極１０では導電性フィラーを用いず、樹脂体の表面にＩｎ２Ｏ３のような透明な導電性インクを塗布して透明導電層が設けられてもよい。更には、樹脂体の表面に幅数百ｎｍのラインでＡｇまたはＣｕ等から構成される数十μｍ程度の導電性格子パターン等を設けてもよい。
第１電極１０がガラス体およびその中に分散した導電性フィラーから構成される場合、ガラス体が石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラスおよび鉛ガラスから成る群から選択される少なくとも１種の高い透明性のガラス材から成ってもよい。導電性フィラーは、上記透明樹脂体の導電性フィラーと同様のものが使用される。このような、ガラス体と導電性フィラーとから構成されることによって第１電極１０の透明性を確保することができる。尚、第１電極１０では導電性フィラーを用いず、ガラス体の表面にＩｎ２Ｏ３のような透明な導電性インクを塗布して透明導電層が設けられてもよい。更には、ガラス体の表面に幅数百ｎｍのラインでＡｇまたはＣｕ等から構成される数十μｍ程度の導電性格子パターン等を設けてもよい。
第２電極２０は、透明電極層の形態を有していてもよい。例えば、第２電極２０はＩｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３及びＳｎＯ２、またはＺｎＯ及びＳｎＯ２から成る透明電極材料を含んでいてもよい。
第１誘電体３１は、透明誘電体層の形態を有していてもよい。例えば、第１誘電体３１は、ポリエチレンテレフテレート樹脂および／またはポリイミド樹脂などの透明誘電体材料を含んでいてもよい。
第２誘電体３２は、空気層の形態を有していてもよい。このように空気層の形態を有する第２誘電体３２は、光透過性を呈し得る。
（マトリックス型の複数センサの実施態様）
かかる実施態様は、センサ素子として複数の感圧素子をマトリックス型に構成した態様である。
かかる実施態様に従えば、静電容量検出部における静電容量の変化に基づいて、複数の感圧素子を備えたセンサデバイスの検出面内において荷重印加位置を特定できる。具体的には、検出面に沿って配列される複数の第２電極と、第２電極に対向して設けられる第１電極と、第２電極および第１電極の対からなる複数の静電容量検出部が設けられている。かかる実施態様において、第１電極は、所定方向にて隣接するもの同士が電気的に接続されていてよい。第２電極同士および／または第１電極同士が電気的に接続されていてもよい。
［感圧素子の製造方法］
次に、本開示の感圧素子の製造方法について説明する。
本開示の感圧素子は、以下の工程を含む方法により製造することができる：
支持基材を準備する工程（支持基材の準備工程）、
前記支持基材上に第１電極を形成する工程（第１電極の形成工程）、
押圧基材上に第２電極を形成する工程（第２電極の形成工程）、
前記第２電極上に第１誘電体を形成する工程（第１誘電体の形成工程）、
前記第２電極と第１誘電体とを備えた押圧基材を、前記第１電極が形成された支持基材上に、第１誘電体と第１電極とが直接的に対向するように載置し、第１誘電体と第１電極との間に第２誘電体を形成する工程（押圧側部材の載置工程）。
以下、本開示の感圧素子の製造方法の一態様を図１３Ａ〜図１３Ｆにより詳しく説明する。図１３Ａ〜図１３Ｆには、ある１つの態様に従った本開示の感圧素子の製造方法の概略工程を模式的に示している。
〈支持基材の準備工程〉
まず、図１３Ａに示されるように、支持基材５０を準備する。支持基材５０としては、可撓性を有する基板を用いてよい。例えば、支持基材５０は、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネートおよび／またはポリイミド等を含んで成るプラスチック基板であってよい。
〈第１電極の形成工程〉
次いで、支持基材５０上に「液状のポリマー樹脂原料に対して導電性フィラーを含有させて成る複合材料」を塗布する。例えば、ウレタン系樹脂、シリコーン系樹脂、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂および／またはロタキサン系樹脂等の液状のポリマー樹脂原料に対して導電性フィラーを複合させて成る複合材料を支持基材５０上に塗布する。導電性フィラーの材質は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃ、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３およびＳｎＯ２等から成る群から選択されるものであってよい。
次いで、凹凸パターンを有したモールドを用い、支持基材５０上の複合材料層に対して押付け処理を施し、複合材料層を硬化させる。これにより、突起部１５を有する第１電極１０が形成される（図１３Ｂ）。具体的には、モールドの凹凸パターンを複合材料層に転写することによって、複数のピラー状突起（即ち、突起部１５）が形成される。尚、使用されるモールドの凹凸パターンの形状に応じて、複数のピラー状突起は、種々の形状（例えば、円柱形状、円錐形状、円錐台形状、四角錐台形状、半球形状または格子形状などの形状）を有し得る。
導電性フィラーを含有させて成る複合材料を用いず、第１電極１０を形成することもできる。例えば、液状のポリマー樹脂原料を塗布することで得られた樹脂原料層に対して、凹凸パターンを転写して樹脂体を形成した後、かかる樹脂体の表面に導電性フィラーを含んだインクを塗布して導電層を形成してもよい。
このような第１電極１０の形成方法は、ナノインプリント技術を用いたものである。ナノインプリント技術とは、凹凸パターンを有したモールドを被転写材料の樹脂体に押し付け、ナノオーダーでモールドに形成されたパターンを樹脂体に転写する技術である。かかる技術は、リソグラフィ技術と比べて微細なパターンかつ円錐等の傾斜を有した立体を形成することができる。ナノインプリント技術では、予め規定した所望の凹凸パターンを備えたモールドを用い、第１電極１０の全体的形状及び突起部高さなどを容易に制御することができる。同様にして、ナノインプリント技術では、突起部の形状制御も容易となる。突起部の形状制御によって、感圧素子において突起部１５と第１誘電体層３１との接触面積の変化（押圧時の接触面積の変化）を特に緩やかにすることができる。つまり、押圧時の容量変化につき制御が可能となり、押圧力が精度良く検知される感圧素子を実現できる。
当然のことながら、ナノインプリント技術以外にフォトリソグラフィエッチングまたは現像・剥離技術を利用することによって第１電極１０の形成を行ってもよい。フォトリソグラフィエッチングの場合では、エッチング液の濃度及び流量を制御することにより、所望の突起部高さ・突起部形状を形成できる。
樹脂原料を用いず、第１電極１０を形成することもできる。例えば、第１電極１０として金属体を用いる場合、金属箔の粗化処理、マイクロブラスト工法、蒸着またはスパッタによる、パターン形成を行い、所望の突起部高さ・突起部形状を形成してもよい。また、第１電極１０が複数の突起部１５を有する場合、当該複数の突起部は同一の金属から形成されるものに限定されない。また例えば、第１電極１０としてガラス体を用いる場合、ブラスト工法、機械加工、研磨技術、ケミカルエッチングを用いてもよい。
〈スペーサの形成工程〉
次いで、図１３Ｃに示すように、スペーサ７０を形成する。図示されるように、支持基材５０および第１電極１０の複合体の周縁部にスペーサ７０を形成してもよい。スペーサ自体は、ポリエステル樹脂および／またはエポキシ樹脂等の絶縁性樹脂原料から形成してよい。別法にて、第１電極１０の突起部１５をスペーサとして代用してもよい。
〈第２電極の形成工程〉
次いで、図１３Ｄに示すように、押圧基材６０に対して複数の第２電極２０を形成する。より具体的には、押圧基材６０として用いられる「樹脂材から成る可撓性のプラスチック基板」に対して、複数の第２電極２０を互いに離隔した形態で設ける。押圧基材６０に用いられる樹脂材としては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネートおよび／またはポリイミド等を挙げることができる。
第２電極２０の形成方法は特に制限はない。例えば「液状のポリマー樹脂原料に対して導電性フィラーを含有させた複合材料」を押圧基材６０上にパターン印刷し、硬化に付すことで第２電極２０を形成できる。ポリマー樹脂原料は、例えば、シリコーン系樹脂、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂および／またはロタキサン系樹脂等であってよい。一方、導電性フィラーは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃ、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、およびＳｎＯ２等から成る群から選択されるものであってよい。別法にて、無電解めっき又はゾルゲル法を利用して第２電極２０を形成してもよい。
〈第１誘電体の形成工程〉
次いで、図１３Ｅに示すように、第１誘電体３１を形成する。具体的には、第２電極２０上に第１誘電体３１を形成する。例えば、樹脂原料を第２電極２０上に塗布することを通じて第１誘電体３１を形成できる。第１誘電体３１の樹脂原料としては、例えば、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンテレフテレート樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂およびＡｌ２Ｏ３、およびＴａ２Ｏ５等から成る群から選択されるものを挙げることができる。
〈押圧側部材の載置工程〉
次いで、押圧側部材を「支持基材および第１電極の複合体」に対して載置させる。具体的には、図１３Ｆに示すように、「第２電極２０と第１誘電体３１とを備えた押圧基材６０」を、スペーサ７０を介して、「支持基材５０および第１電極１０の複合体」に載置させる。特に、第１誘電体３１と第１電極１０とが直接的に対向するように載置を行う。これにより、第１誘電体３１と第１電極１０との間に形成される空隙部が第２誘電体３２を成すことになる。
上記工程を経ることによって、最終的には、図１３Ｆに示すような感圧素子１００を得ることができる。
以上、本開示の実施形態について説明してきたが、本開示はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。
本開示の感圧素子は各種電子機器のセンサ素子として好適に利用できる。具体的にいえば、本開示の第１実施態様および第２実施態様に係る感圧素子は、車載機器（カーナビゲーション・システム、音響機器など）、家電機器（電気ポット、ＩＨクッキングヒーターなど）、スマートフォン、電子ペーパー、電子ブックリーダーなどの種々の電子機器に適用され、これまで以上にユーザーの利便性が図られたタッチセンサ素子（操作パネル・操作スイッチ）として利用できる。
特に、第１実施態様において剛性突起部１５が半球体形状を有する感圧素子および第２実施態様に係る感圧素子は、簡易的な構造であるものの低荷重領域および高荷重領域の双方におけるリニアリティが好適に制御されるので、シート状であって変位量がマイクロメートルオーダーの感圧センサを実現できる。
１０ 第１電極
１５ 第１電極の突起部
１５’ 突起部の最頂部分
１７ 第１電極の突起非設置部
２０ 第２電極
２０Ａ 第２電極の第1部分
２０Ｂ 第２電極の第２部分
３０ 誘電体
３１ 第１誘電体
３１Ａ 第１誘電体の第１部分
３１Ｂ 第１誘電体の第２部分
３２ 第２誘電体
５０ 支持基材
６０ 押圧基材
７０ スペーサ
１００ 感圧素子

Claims (11)

  1. 少なくとも１つの突起部を含む第１電極、
    前記少なくとも１つの突起部と対向する第２電極、および
    前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、第１誘電体と第２誘電体とを含む誘電体
    を備え、
    前記第１誘電体が、前記少なくとも１つの突起部の最頂部分と前記第２電極との双方に接し、かつそれらの間に位置し、
    前記第２誘電体が、前記少なくとも１つの突起部を除く前記第１電極と前記第１誘電体との間に位置し、
    前記少なくとも１つの突起部の弾性率は前記第１誘電体の弾性率よりも高い、感圧素子であって、
    前記感圧素子の容量が、第１容量および第２容量を含み、
    前記第１容量が、前記少なくとも１つの突起部と前記第１誘電体との接触領域を含む第１コンデンサにおける静電容量であり、
    前記第２容量が、前記第１誘電体と前記第２誘電体との接触領域を含む第２コンデンサにおける静電容量であり、
    さらに、前記感圧素子の容量特性が、前記第１容量および前記第２容量の各々の容量特性よりも高いリニアリティを有している、感圧素子。
  2. 前記第１誘電体が可撓性を有する、請求項１に記載の感圧素子。
  3. 前記感圧素子に荷重が加えられると、前記第１誘電体の撓みに伴って前記第２誘電体の厚みが減少するように、前記第２誘電体が構成されている、請求項２に記載の感圧素子。
  4. 前記第１誘電体が弾性を有する、請求項１に記載の感圧素子。
  5. 前記感圧素子に荷重が加えられると、前記少なくとも１つの突起部の少なくとも一部が前記第１誘電体に食い込むことにより、前記少なくとも１つの突起部と前記第１誘電体との接触領域の面積が拡大するように、前記第２誘電体が構成されている、請求項４に記載の感圧素子。
  6. 前記感圧素子に荷重が加えられると、前記少なくとも１つの突起部の少なくとも一部が前記第１誘電体に食い込むことにより、前記第２誘電体の厚みが減少するように、前記第２誘電体が構成されている、請求項５に記載の感圧素子。
  7. 前記第１コンデンサが、前記少なくとも１つの突起部と、前記少なくとも１つの突起部と対向する位置に存在する前記第２電極の第１部分と、前記少なくとも１つの突起部と前記第２電極の前記第１部分との間に位置する前記第１誘電体の第１部分とから構成され、
    前記第２コンデンサが、前記少なくとも１つの突起部が設けられていない部分である、前記第１電極の第１部分と、前記第１電極の前記第１部分と対向する位置に存在する前記第２電極の第２部分と、前記第１電極の前記第１部分と前記第２電極の前記第２部分との間に位置する前記第１誘電体の第２部分と、前記第２誘電体とから構成されている、請求項１から６のいずれかに記載の感圧素子。
  8. 前記少なくとも１つの突起部は、その幅が第２電極に向かって漸次減じられたテーパ形状を有する、請求項１から７のいずれかに記載の感圧素子。
  9. 前記第１電極、前記第２電極、前記第１誘電体および前記第２誘電体の少なくとも１つが光透過性を有する、請求項１から８のいずれかに記載の感圧素子。
  10. 支持基材および押圧基材を更に備え、
    前記第１電極が、前記第２電極に対向する第１主面と、前記第１主面と反対側の第２主面とを有し、
    前記第２電極が、前記第１電極に対向する第３主面と、前記第３主面と反対側の第４主面とを有し、
    前記支持基材が前記第２主面と接しており、
    前記押圧基材が前記第４主面と接している、請求項１から９のいずれかに記載の感圧素子。
  11. 前記第１電極と前記第２電極との間に配置されたスペーサを更に備える、請求項１から１０のいずれかに記載の感圧素子。
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN206848977U (zh) * 2016-02-19 2018-01-05 苹果公司 一种电子设备以及用于电子设备的电容式力传感器
CN109923388A (zh) 2016-11-25 2019-06-21 松下知识产权经营株式会社 压敏元件以及转向装置
CN108209003B (zh) * 2016-12-21 2021-08-06 中国移动通信有限公司研究院 一种压力检测和发电的方法、鞋底结构和鞋
EP3396796B1 (de) * 2017-04-25 2021-07-21 WEZAG GmbH & Co. KG Press-, crimp- oder schneidwerkzeug sowie werkzeuggruppe
JP2019011982A (ja) * 2017-06-29 2019-01-24 住友理工株式会社 センサシート、静電容量型センサ、およびセンサシートの製造方法
JP6973036B2 (ja) * 2017-12-25 2021-11-24 カシオ計算機株式会社 操作状態検出装置、操作状態検出用シート及び電子楽器
CN108731850A (zh) * 2018-07-25 2018-11-02 汉王科技股份有限公司 电容式压力传感器及电子笔
CN114222904A (zh) * 2019-08-27 2022-03-22 松下知识产权经营株式会社 负荷传感器
US20230009475A1 (en) * 2020-03-31 2023-01-12 Sony Group Corporation Sensor and electronic apparatus
FR3118166B1 (fr) * 2020-12-22 2023-08-11 Paris Sciences Lettres Quartier Latin Dispositif pour mesurer localement une contrainte mécanique normale exercée par un élément de contact
JP2022100447A (ja) * 2020-12-24 2022-07-06 横河電機株式会社 力検出器及び力検出システム
CN112798153B (zh) * 2020-12-25 2022-12-23 苏州大学 柔性电容压力传感器及其制备方法
US20220333659A1 (en) * 2021-04-15 2022-10-20 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Composite material capable of measuring bending deformation, spring including the same, and manufacturing method thereof
CN113138042B (zh) * 2021-04-30 2022-11-25 温州大学 一种pdms—ps聚合物电介质的电容式柔性压力传感器及其制作工艺

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL72736A0 (en) * 1984-08-21 1984-11-30 Cybertronics Ltd Surface-area pressure transducers
US4852443A (en) * 1986-03-24 1989-08-01 Key Concepts, Inc. Capacitive pressure-sensing method and apparatus
US4827763A (en) * 1986-04-11 1989-05-09 Purdue Research Foundation Pressure mapping system with capacitive measuring pad
JP2579638B2 (ja) * 1987-06-05 1997-02-05 キ−・コンセプツ，インコ−ポレ−テッド 容量性圧力検出方法及び装置
JP3545500B2 (ja) 1995-07-28 2004-07-21 日本ダイナマット株式会社 感圧センサー
JP3628972B2 (ja) * 2001-03-14 2005-03-16 ニッタ株式会社 静電容量式センサ
JP2007315875A (ja) * 2006-05-24 2007-12-06 Omron Corp 感圧センサ
US7719007B2 (en) * 2008-04-30 2010-05-18 Milliken & Company Flexible electroluminescent capacitive sensor
CN101901089B (zh) * 2009-05-25 2012-10-17 汉王科技股份有限公司 基于可变电容的坐标获取装置
JP4585615B1 (ja) 2010-02-03 2010-11-24 株式会社オーギャ 入力装置
JP2012026906A (ja) 2010-07-26 2012-02-09 Seiko Epson Corp 検出装置、電子機器及びロボット
JP2014142193A (ja) 2013-01-22 2014-08-07 Oga Inc 荷重分布検出装置
JP2014219263A (ja) * 2013-05-08 2014-11-20 バンドー化学株式会社 静電容量型センサシート及び静電容量型センサ
CN105716748B (zh) * 2014-12-22 2020-08-21 松下知识产权经营株式会社 感压元件

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