JP6739500B2 - 触知センサ - Google Patents

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Description

本発明はセンサに関する。より具体的には、本発明は触知センサに関する。
最近数１０年において、人工知能関連技術の急速な進歩により多くの自律式人型ロボットが徐々に開発されている。理想的な自律式人型ロボットは、周囲環境（人、被加工材、並びに他のロボット及び物体を含む）の変化に対する十分な感知能力を装備して、ロボットの行為を安全かつ正確に実施するのを確実にする必要がある。したがって、圧縮の大きさを感知及び決定することの他に、剪断力を決定できる触知センサも必要である。
多次元応力を同時に感知する多重モード触知センサが長年にわたる研究対象であった。にもかかわらず、製造設備の限界に基づいて、多くの触知センサは平面上に作製されるだけで、湾曲面上には直接作製できなかった。湾曲面上に触知センサを作製するプロセスは複雑でコストがかかる。
構造簡単でしかも湾曲面上に作製できる触知センサを提供する。
本発明の実施形態において、触知センサは、弾性誘電層、複数個の第1リボン状電極、及び複数個の第２リボン状電極を備える。弾性誘電層は互いに相反する第１表面及び第２表面を有する。第１リボン状電極は第１表面上に配置する。第１リボン状電極それぞれは、第１方向に延在し、また第１方向に直列的に接続した複数個の第１感知部分を有する。第２リボン状電極は第２表面上に配置する。第２リボン状電極それぞれは、第２方向に延在する。第１方向はこの第２方向と交差する。第１感知部分それぞれは、Ｎ個の第２リボン状電極に対してクロスオーバーして第１方向に延在する第１方向長さを有する。第１感知部分それぞれは、第２方向に平行な第１端縁を有する。第１端縁は、１個の第２リボン状電極の端縁と整列する。Ｎは１より大きい正の整数である。
上述のことに基づいて、本発明の実施形態によって提供される触知センサは、簡単な構造を有するが、剪断力及び圧縮を含めて多次元応力感知をもたらすことができる。さらに、触知センサは湾曲面上に作製することもできる。
添付図面を伴う幾つかの例示的実施形態を以下に詳細に説明して、本発明を一層詳細に説明する
添付図面は、本発明をよりよく理解してもらうために設けたものであり、本明細書の一部に組み入れ、また一部を構成するものである。図面は、本発明の例示的実施形態を示すものであり、また明細書の記載とともに本発明の原理を説明するのに提示される。
本発明の例示的実施形態による触知センサの局部的概略図である。 本発明の例示的実施形態による触知センサにおける第1リボン状電極及び第２リボン状電極の平面概略図である。 本発明の例示的実施形態による触知センサにおける第1リボン状電極及び第２リボン状電極の平面概略図である。 本発明の例示的実施形態による触知センサの断面概略図である。 本発明の他の例示的実施形態による触知センサの断面概略図である。 本発明の例示的実施形態による剪断力を受けていない剪断感知素子の断面概略図である。 本発明の例示的実施形態による剪断力を受けている剪断感知素子の断面概略図である。 本発明の例示的実施形態による剪断力を受けている剪断感知素子の断面概略図である。 本発明の例示的実施形態による剪断力を受けている剪断感知素子の断面概略図である。 本発明の他の例示的実施形態による応力を受けていない剪断感知素子の断面概略図、及び応力を受けている剪断感知素子の断面概略図である。 本発明の他の例示的実施形態による触知センサにおける第1リボン状電極及び第２リボン状電極の平面概略図である。 本発明のさらに他の例示的実施形態による触知センサにおける第1リボン状電極及び第２リボン状電極の平面概略図である。 本発明のさらにまた別の例示的実施形態による触知センサにおける第1リボン状電極及び第２リボン状電極の平面概略図である。
以下の詳細な説明において、説明目的として多数の特別な細部を記載し、本発明実施形態を完全に理解されるようにする。しかし、１つ又はそれ以上の実施形態はこれら特別な細部なしに実施できることは明らかであろう。他の場合において、周知の構造及びデバイスは図面を簡素化するため概略的に示す。
図１は本発明の例示的実施形態による触知センサの局部的概略図である。図１に示すように、触知センサ１００は、弾性誘電層１１０、複数個の第1リボン状電極１２０、及び複数個の第２リボン状電極１３０を備える。弾性誘電層１１０の材料としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シリコーン樹脂、エポキシ、又はそれらの組合せがある。他の実施形態において、外部力を受けるとき圧縮変形／伸張変形を生ずることができ、また変形後に元の状態に復元できる誘電材料は、すべて弾性誘電層１１０を作製するのに使用することができる。弾性誘電層１１０の厚さは５０ミクロン〜５００ミクロンの範囲にわたるものとし、弾性誘電層１１０の硬さは３０〜９０のショアＡ硬さとすることができる。弾性誘電層１１０は互いに相反する第１表面１１２及び第２表面１１４を有する。第１リボン状電極１２０はすべて第１表面１１２上に配置し、第２リボン状電極１３０はすべて第２表面１１４上に配置する。換言すれば、弾性誘電層１１０は第1リボン状電極１２０と第2リボン状電極１３０との間に介在する。
第1リボン状電極１２０及び第２リボン状電極１３０は双方ともに導電材料で形成され、かつ一定の形状及び輪郭を有するようパターン形成される。図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の例示的実施形態による触知センサにおける第1リボン状電極及び第２リボン状電極の平面概略図である。第１リボン状電極１２０それぞれは、第１方向Ｄ１に延在し、また第１リボン状電極１２０は互いに平行に配列する。第１リボン状電極１２０それぞれは、複数個の第１感知部分１２２及び複数個の第１接続部分１２４を有する。第１接続部分１２４それぞれは隣接する２つの第１感知部分１２２間を接続する。第1リボン状電極１２０それぞれは、第１接続部分１２４により直列的に接続される第１感知部分１２２によって構成された電極とすることができる。他の実施形態において、第1リボン状電極１２０それぞれは、第1感知部分１２２を直列的に接続するよう第1リボン状電極１２０それぞれの全長にわたり延在するワイヤを有するものとすることができ、例えば、第1接続部分１２４をワイヤに置換することができる。
第２リボン状電極１３０それぞれは第２方向Ｄ２に延在し、また第２リボン状電極１３０は互いに平行に配列する。本明細書において、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２は互いに直交するが、本発明はこれに限定されない。第２リボン状電極１３０それぞれは、複数個の第２感知部分１３２及び複数個の第２接続部分１３４を有する。第２接続部分１３４それぞれは隣接する２つの第２感知部分１３２間を接続する。第２リボン状電極１３０それぞれは、第２接続部分１３４により直列的に接続される第２感知部分１３２によって構成された電極とすることができる。他の実施形態において、第２リボン状電極１３０それぞれは、第２感知部分１３２を直列的に接続するよう第２リボン状電極１３０それぞれの全長にわたり延在するワイヤを有するものとすることができ、例えば、第２接続部分１３４をワイヤに置換することができる。
第１感知部分１２２それぞれは、第１方向Ｄ１に延在する第１方向長さＬ１２２を有し、この第１方向長さＬ１２２は、１個の単独第１感知部分１２２がＮ個の第２リボン状電極１３０に対してクロスオーバーするのに十分な長さである。Ｎは１より大きい正の整数である。さらに、第２感知部分１３２それぞれは、第２方向Ｄ２に延在する第２方向長さＬ１３２を有し、この第２方向長さＬ１３２は、１個の単独第２感知部分１３２がＭ個の第１リボン状電極１２０に対してクロスオーバーするのに十分な長さである。Ｍは１より大きい正の整数である。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、第1リボン状電極１２０それぞれにおける１個の単独第１感知部分１２２は、第２リボン状電極１３０のＮ個の第２感知部分１３２に対してクロスオーバーし、また第２リボン状電極１３０それぞれにおける１個の単独第２感知部分１３２は、第１リボン状電極１２０のＭ個の第１感知部分１２２に対してクロスオーバーする。さらに、Ｎ及びＭの双方ともに２である。しかし、本発明の実施形態は上述のことに限定されない。１個の第１感知部分１２２は、１個の第２感知部分１３２上にオーバーラップして上述の形態に基づく１個のキャパシタンス感知ユニットＣＳを画定する。さらに、１個の剪断感知素子ＳＳは、Ｎ×Ｍ個のキャパシタンス感知ユニットＣＳそれぞれによって画定することができる。
第１感知部分１２２それぞれは、第１方向Ｄ１に平行な第１端縁１２２Ｅ１、及び第２方向Ｄ２に平行な第１端縁１２２Ｅ２を有する。第２感知部分１３２それぞれは、第１方向Ｄ１に平行な第２端縁１３２Ｅ１、及び第２方向Ｄ２に平行な第２端縁１３２Ｅ２を有する。この実施形態によれば、１つの第１端縁１２２Ｅ１は１つの第２端縁１３２Ｅ１に整列し、また１つの第１端縁１２２Ｅ２は１つの第２端縁１３２Ｅ２に整列する。すなわち、各第１感知部分１２２の端縁の一部は、１個の第２リボン状電極１３０における端縁の一部に整列することができる。同様に、各第２感知部分１３２の端縁の一部は、１個の第１リボン状電極１２０における端縁の一部に整列することができる。
この実施形態によれば、第２方向Ｄ２に測った各第１感知部分１２２の幅Ｗ１２２は、第２方向Ｄ２に測った各第１接続部分１２４の幅Ｗ１２４よりも大きい。例えば、第１接続部分１２４の幅Ｗ１２４は第１感知部分１２２の幅Ｗ１２２の１／２以下とすることができる。第１接続部分１２４の幅Ｗ１２４は、第１感知部分１２２の幅Ｗ１２２の１／３、１／４、又は他の比率とすることができる。同様に、第１方向Ｄ１に測った各第２感知部分１３２の幅Ｗ１３２は、第１方向Ｄ１に測った各第２接続部分１３４の幅Ｗ１３４よりも大きい。第２接続部分１３４の幅Ｗ１３４は第２感知部分１３２の幅Ｗ１３２の１／２以下とすることができる。第２接続部分１３４の幅Ｗ１３４は、第２感知部分１３２の幅Ｗ１３２の１／３、１／４、又は他の比率とすることができる。
この実施形態において、キャパシタンス感知ユニットＣＳは第１感知部分１２２と第２感知部分１３２との間のオーバーラップ面積によって画定される。第１リボン状電極１２０と第２リボン状電極１３０との間の弾性誘電層１１０は、伸張可能であり、また圧縮可能とすることができる。したがって、剪断感知素子ＳＳが剪断力を受けるとき、第１リボン状電極１２０と第２リボン状電極１３０との間の相対位置は変化し得る。第１接続部分１２４の幅及び第２接続部分１３４の幅が第１感知部分１２２の幅及び第２感知部分１３２の幅に近接する場合、第１リボン状電極１２０が第２リボン状電極１３０に対して第１方向Ｄ１又は第２方向Ｄ２にシフトとするときキャパシタンス感知ユニットＣＳのキャパシタンス変化を正確に決定することができないおそれがある。したがって、第１接続部分１２４の幅Ｗ１２４は第１感知部分１２２の幅Ｗ１２２の１／２以下とし、また第２接続部分１３４の幅Ｗ１３４は第２感知部分１３２の幅Ｗ１３２の１／２以下とする。このようにして、キャパシタンス感知ユニットＣＳのキャパシタンス変化は、電極変位の範囲をより正確に反映することができる。
図３は本発明の例示的実施形態による触知センサの断面概略図である。図３に示すように、触知センサ２００は、弾性誘電層１１０、第1リボン状電極１２０、第２リボン状電極１３０、第１支持層２４０、及び第２支持層２５０を備える。弾性誘電層１１０、第1リボン状電極１２０、及び第２リボン状電極１３０の相対配置関係、パターン設計、及び材料は、上述の実施形態で説明したのと同様であり、したがって、第1リボン状電極１２０及び第２リボン状電極１３０のレイアウト設計については図２Ａ及び図２Ｂを参照されたい。第１支持層２４０は、弾性誘電層１１０の第１表面１１２上に配置し、また第２支持層２５０は弾性誘電層１１０の第２表面１１４上に配置する。同時に、第１リボン状電極１２０を第１支持層２４０上に配置し、また第２リボン状電極を第２支持層２５０上に配置する。弾性誘電層１１０と比べると、第１支持層２４０及び第２支持層２５０はほとんど圧縮も伸張もしそうにない。したがって、第１支持層２４０上に配置される第１リボン状電極１２０は固定ギャップを有し、また第２支持層２５０上に配置される第２リボン状電極１３０は固定ギャップを有することができる。それにもかかわらず、第１リボン状電極１２０と第２リボン状電極１３０との間の距離及び相対位置は弾性誘電層１１０の変形とともに変化し得る。
この実施形態において、第１リボン状電極１２０を先ず第１支持層２４０上に作製し、また第２リボン状電極１３０を第２支持層２５０上に作製する。次に、第１リボン状電極１２０が配置される第１支持層２４０を第１表面１２２に取り付け、また第２リボン状電極１３０が配置される第２支持層２５０を弾性誘電層１１０の第２表面１１４に取り付けて、触知センサ２００を形成する。代案として、第１リボン状電極１２０を第１支持層２４０上に作製し、また第２リボン状電極１３０を第２支持層２５０上に作製した後、弾性誘電層１１０は先ず第２支持層２５０に対するコーティングによって形成する。弾性誘電層１１０が硬化した後、第１支持層２４０を弾性誘電層１１０に取り付ける。加えて、弾性誘電層１１０が形成された後、第１リボン状電極１２０を弾性誘電層１１０上に作製し、また次いで第１支持層２４０を第１リボン状電極１２０上に形成する。すなわち、第1リボン状電極１２０が配置される第１支持層２４０は前もって作製する必要はない。その代わりに、第1リボン状電極１２０及び第１支持層２４０は弾性誘電層１１０上に順次に作製される。
第１リボン状電極１２０が配置される第１支持層２４０、及び第２リボン状電極１３０が配置される第２支持層２５０は、それぞれ印刷回路板又は可撓性印刷回路板から構成することができる。代案として、第１支持層２４０及び第２支持層２５０は、それぞれガラス基板、プラスチック基板、又は他の層状物体若しくは支持特性に特徴があり、かつ第１リボン状電極１２０間の固定ギャップ及び第２リボン状電極１３０間の固定ギャップを可能にするプレート状物体とすることができる。
図４は本発明の例示的実施形態による触知センサの断面概略図である。触知センサ３００は、弾性誘電層１１０、第1リボン状電極１２０、第２リボン状電極１３０、第１支持層３４０、第２支持層３５０、湾曲面基板３６０、及び保護層３７０を備える。弾性誘電層１１０、第1リボン状電極１２０、及び第２リボン状電極１３０の相対配置関係、パターン設計、及び材料は上述の実施形態で説明したのと同様である。したがって、第1リボン状電極１２０及び第２リボン状電極１３０のレイアウト設計については図２Ａ及び図２Ｂに示したのと同一とすることができ、また弾性誘電層１１０の特性は図１の実施形態で説明したのと同一である。
第１リボン状電極１２０は第１支持層３４０上に配置し、また第２リボン状電極は第２支持層３５０上に配置する。第１支持層３４０及び第２支持層３５０は、それぞれ弾性誘電層１１０の第１表面１１２及び第２表面１１４上に配置し、また第１表面１１２及び第２表面１１４は互いに相反する。この実施形態において、湾曲面基板３６０は、３次元構体を有する物体である。湾曲面基板３６０の外面３６０Ｓは湾曲面である。第１支持層３４０、第２支持層３５０、弾性誘電層１１０は、湾曲面基板３６０上に配置し、また外面３６０Ｓに形状適合して湾曲する。したがって、触知センサ３００は、非平面設計のセンサであり、様々な分野に適用することができる。例えば、湾曲面基板３６０は、応力センサとして作用するようロボットのような人工知能デバイスに適用することができる。
図４に示すように、第１支持層３４０は第１リボン状電極１２０と弾性誘電層１１０との間に配置し、第２リボン状電極１３０は第２支持層３５０と弾性誘電層１１０との間に配置する。それにもかかわらず、リボン状電極及び支持層の割り当て配置は異なる作製方法に従って変化し得る。他の実施形態において、第1リボン状電極１２０及び第１支持層３４０の割り当て配置は交換することができ、又は第２リボン状電極１３０及び第２支持層３５０の割り当て配置は交換することができる。
幾つかの実施形態において、レーザー誘発性材料を湾曲面基板３６０上に形成することができ、また次にそのレーザー誘発性材料を硬化させて第２支持層３５０を形成することができる。レーザー誘発性材料は、絶縁ゲルに分散させた複数の誘発粒子を含む。本明細書において、レーザー誘発性材料として作用する絶縁ゲルの材料としては、エポキシ、ポリウレタン（ＰＵ）、環状オレフィン・コポリマー／ポリマー（ＣＯＣ／ＣＯＰ）等がある。誘発粒子は、有機金属粒子、金、銀、銅、スズ、アルミニウム、ニッケル、及びパラジウムからなる金属キレートとすることができる。誘発粒子は、さらに、窒化ゲルマニウム、硫化亜鉛、炭化ケイ素、酸化亜鉛、二酸化チタン、及び３電子ボルト以上のエネルギーギャップを有する他の半導体微粒子とすることができる。さらに、誘発粒子は、絶縁ゲル内に均一に分散させることができ、またレーザー誘発性材料における０.１重量％〜３０重量％の割合を占めることができる。レーザー誘発性材料は、スプレーコーティングによって湾曲面基板３６０上に形成することができる。したがって、第２支持層３５０は湾曲面基板３６０に沿って湾曲することができる。レーザー誘発性材料が硬化した後、表面レーザー処理を第２支持層３５０の表面上に実施する。表面レーザー処理のステップは、レーザービームを第２支持層３５０の表面における選択した領域に照射して、選択した領域にパターンを形成するステップを含む。
次に、第２リボン状電極１３０を無電解めっき方法によりパターンの場所に形成することができる。本明細書において、無電解めっき方法とは、第２支持層３５０（及び湾曲面基板３６０）をめっき溶液に浸漬し、例えば、導電性金属材料をパターンの領域上に堆積させて、第２リボン状電極１３０を形成する。このめっき溶液は、銅めっき溶液、ニッケルめっき溶液、又は無電解めっき方法によりパターンの領域上に導電性金属材料を形成できる他のめっき溶液とすることができる。
第２リボン状電極１３０を形成するステップの後、弾性誘電層１１０を第２リボン状電極１３０及び第２支持層３５０上に形成することができる。弾性誘電層１１０の材料としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シリコーン樹脂、エポキシ、又はそれらの組合せがある。他の実施形態において、外部力を受けるとき圧縮変形／伸張変形を生ずることができ、また変形後に元の状態に復元できる誘電材料は、すべて弾性誘電層１１０を作製するのに使用することができる。弾性誘電層１１０の厚さは５０ミクロン〜５００ミクロンの範囲にわたるものとし、弾性誘電層１１０の硬さは３０〜９０のショアＡ硬さとすることができる。弾性誘電層１１０は、コーティングによって第２リボン状電極１３０及び第２支持層３５０上に形成することができる。このようにして、弾性誘電層１１０は、第２支持層３５０に形状適合するよう湾曲することができる。
この後、第２リボン状電極１３０及び第２支持層３５０の作製方法と同一の方法を採用して、弾性誘電層１１０上に第１リボン状電極１２０及び第１支持層３４０を形成することができる。その他に、保護層３７０も第１リボン状電極１２０及び第１支持層３４０上に形成することができ、これにより触知センサ３００が完成する。保護層３７０はコーティングによって第１支持層３４０上に形成することができる。保護層３７０の材料は、ポリイミド、アクリル樹脂、又はポリウレタン（ＰＵ）等のような絶縁ポリマー材料があり得る。
この実施形態において、弾性誘電層１１０、第１リボン状電極１２０、第２リボン状電極１３０、第１支持層３４０、第２支持層３５０、及び保護層３７０は、取り付けをすることなく湾曲面基板３６０上に形成される。したがって、弾性誘電層１１０、第１リボン状電極１２０、第２リボン状電極１３０、第１支持層３４０、第２支持層３５０、及び保護層３７０は、曲げ操作によって発生する応力を受けることなく、湾曲面基板３６０の外面３６０Ｓに沿う形状に湾曲し、これにより触知センサ３００は、有利な生産量及び耐用年数をもたらすことができる。
他の実施形態において、第１リボン状電極１２０は第１支持層３４０上に作製することができ、第２リボン状電極１３０は第２支持層３５０上に作製することができ、弾性誘電層１１０は前もってフィルムとして作製することができ、この後、第２支持層３５０、弾性誘電層１１０、及び第１支持層３４０を順次に湾曲面基板３６０上に取り付ける。この場合、曲げ応力に対する耐性がより大きい材料を、弾性誘電層１１０、第１支持層３４０、及び第２支持層３５０に選択することができ、またこうすることで有利な生産量及び耐用年数をもたらすことができる。第２支持層３５０、弾性誘電層１１０、及び第１支持層３４０は、順次取り付けることによって湾曲面基板３６０上に形成することができ、第１リボン状電極１２０及び第１支持層３４０の積層順序並びに第２リボン状電極１３０及び第２支持層３５０の積層順序は図４に示す関係性と同一にすることができるが、図４に示す関係性と異なるものとすることもできる。
平面図による図２Ａ及び図２Ｂにつき説明すると、各第１リボン状電極１２０における1個の単独第1感知部分１２２は第２リボン状電極１３０のＮ個の第２感知部分１３２に対してクロスオーバーし、また各第２リボン状電極１３０における1個の単独第２感知部分１３２は第１リボン状電極１２０のＭ個の第１感知部分１２２に対してクロスオーバーする。Ｎ及びＭの双方は２である。1個の第１感知部分１２２は1個の第２感知部分１３２にオーバーラップして、上述の形態に基づいて１個のキャパシタンス感知ユニットＣＳを画定する。さらに、１個の剪断感知素子ＳＳは、Ｎ×Ｍ個のキャパシタンス感知ユニットＣＳそれぞれによって画定することができる。剪断感知素子ＳＳの感知動作を以下に図面につき説明する。
図５は、本発明の例示的実施形態による剪断力を受けていない剪断感知素子の断面概略図である。剪断感知素子ＳＳは、2個の第1感知部分１２２及び２個の第２感知部分１３２によって構成され、したがって、２×２構成で配列された４個のキャパシタンス感知ユニットＣＳａ、ＣＳｂ、ＣＳｃ、及びＣＳｄを含む。４個のキャパシタンス感知ユニットＣＳａ、ＣＳｂ、ＣＳｃ、及びＣＳｄは、それぞれ1個の第２感知部分１３２にオーバーラップする１個の第１感知部分１２２のオーバーラップ面積によって画定される。４個のキャパシタンス感知ユニットＣＳａ、ＣＳｂ、ＣＳｃ、及びＣＳｄのキャパシタンス値は、以後にＣ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、及びＣ２２によって表すことができる。
図６〜図８は、本発明の例示的実施形態による剪断力を受けている剪断感知素子の断面概略図である。図６において、剪断感知素子ＳＳは第１方向Ｄ１に剪断力を受けていて、これにより第１感知部分１２２が第２感知部分１３２に対して距離Ｌだけ第１方向Ｄ１に変位する。このとき、キャパシタンス感知ユニットＣＳａの面積及びキャパシタンス感知ユニットＣＳｃの面積は変化せず、これによりキャパシタンスＣ１１及びキャパシタンスＣ２１は変化しない。にもかかわらず、キャパシタンス感知ユニットＣＳｂの面積及びキャパシタンス感知ユニットＣＳｄの面積は、電極変位につれて縮小し、これによりキャパシタンスＣ１２及びキャパシタンスＣ２２は減少する。キャパシタンスＣ１２の減少量及びキャパシタンスＣ２２の減少量は電極の変位量に比例する。このようにして、剪断感知素子ＳＳの第１方向Ｄ１に加わる剪断力の大きさは、キャパシタンスＣ１１のキャパシタンスＣ１２に対する比によって決定することができる、又はキャパシタンスＣ２１のキャパシタンスＣ２２に対する比によって決定することができる。
図７において、剪断感知素子ＳＳは第２方向Ｄ２に剪断力を受けていて、これにより第１感知部分１２２が第２感知部分１３２に対して距離Ｗだけ第２方向Ｄ２に変位する。このとき、キャパシタンス感知ユニットＣＳａの面積及びキャパシタンス感知ユニットＣＳｂの面積は変化せず、これによりキャパシタンスＣ１１及びキャパシタンスＣ１２は変化しない。にもかかわらず、キャパシタンス感知ユニットＣＳｃの面積及びキャパシタンス感知ユニットＣＳｄの面積は、電極変位につれて縮小し、これによりキャパシタンスＣ２１及びキャパシタンスＣ２２は減少する。キャパシタンスＣ２１の減少量及びキャパシタンスＣ２２の減少量は電極の変位量に比例する。このようにして、剪断感知素子ＳＳの第２方向Ｄ２に加わる剪断力の大きさは、キャパシタンスＣ２１のキャパシタンスＣ１１に対する比によって決定することができる、又はキャパシタンスＣ２２のキャパシタンスＣ１２に対する比によって決定することができる。
図８において、剪断感知素子ＳＳは斜め方向の剪断力を受けていて、これにより第１感知部分１２２が第２感知部分１３２に対して第１方向Ｄ１に距離Ｌだけ変位し、また第２感知部分１３２に対して距離Ｗだけ第２方向Ｄ２に変位する。このとき、キャパシタンス感知ユニットＣＳａの面積は変化せず、これによりキャパシタンスＣ１１は変化しない。にもかかわらず、キャパシタンス感知ユニットＣＳｂの面積、キャパシタンス感知ユニットＣＳｃの面積、及びキャパシタンス感知ユニットＣＳｄの面積は、電極変位につれて縮小し、これによりキャパシタンスＣ１２、キャパシタンスＣ２１、及びキャパシタンスＣ２２は減少する。キャパシタンスＣ１２の減少量、キャパシタンスＣ２１の減少量、及びキャパシタンスＣ２２の減少量は電極の変位量に比例する。このようにして、剪断感知素子ＳＳの第１方向Ｄ１に加わる剪断力の大きさは、キャパシタンスＣ１１のキャパシタンスＣ１２に対する比によって決定することができる、又はキャパシタンスＣ２１のキャパシタンスＣ２２に対する比によって決定することができる。剪断感知素子ＳＳの第２方向Ｄ２に加わる剪断力の大きさは、キャパシタンスＣ２１のキャパシタンスＣ１１に対する比によって決定することができる、又はキャパシタンスＣ２２のキャパシタンスＣ１２に対する比によって決定することができる。
図９は、本発明の他の例示的実施形態による応力を受けていない、また応力を受けている剪断感知素子の断面概略図である。図９につき説明すると、弾性誘電層１１０は、剪断感知素子ＳＳの第１感知部分１２２と第２感知部分１３２との間に配置される。応力を受けるとき、弾性誘電層１１０の厚さＩ０は元の状態から圧縮され、図９に示すように、距離ｚだけ減少する。このような応力が加わるとき、第１リボン状電極１２２と第２リボン状電極１３２との間のキャパシタンスは増加する。さらに、距離ｚが増大するときキャパシタンス増加量も増える。
図６〜図９から分かるように、応力が剪断感知素子ＳＳに加わるとき、第１感知部分１２２及び第２感知部分１３２は第１方向Ｄ１及び／又は第２方向Ｄ２に相対変位し、またさらに、第１リボン状電極１２２と第２リボン状電極１３２との間の厚さ方向距離も変化する。したがって、剪断感知素子ＳＳが応力を受けるとき、水平方向に変位することに加えて、各キャパシタンス感知ユニットＣＳのキャパシタンスも厚さ方向への距離によって変化し得る。にもかかわらず、水平方向変位に無関係に、剪断感知素子ＳＳにおける少なくとも１個のキャパシタンス感知ユニットＣＳのキャパシタンスは、変化する水平方向変位によって影響を受けない。
例えば、図６につき説明すると、電極が水平の第１方向Ｄ１に変位するときに、キャパシタンス感知ユニットＣＳａ及びキャパシタンス感知ユニットＣＳｃのキャパシタンスは変化しない。したがって、剪断感知素子ＳＳが応力を受けるとき、図６の電極変位を生ずる場合、キャパシタンス感知ユニットＣＳａ及びキャパシタンス感知ユニットＣＳｃのキャパシタンス変化を使用して図９における距離ｚの量を決定することができる。例えば、図７につき説明すると、電極が水平の第２方向Ｄ２に変位するときに、キャパシタンス感知ユニットＣＳａ及びキャパシタンス感知ユニットＣＳｂのキャパシタンスは変化しない。したがって、剪断感知素子ＳＳが応力を受けるとき、図７の電極変位を生ずる場合、キャパシタンス感知ユニットＣＳａ及びキャパシタンス感知ユニットＣＳｂのキャパシタンス変化を使用して図９における距離ｚの量を決定することができる。例えば、図８につき説明すると、電極が水平の第１方向D1及び第２方向Ｄ２に傾いて変位するときに、キャパシタンス感知ユニットＣＳａのキャパシタンスは変化しない。したがって、剪断感知素子ＳＳが応力を受けるとき、図８の電極変位を生ずる場合、キャパシタンス感知ユニットＣＳａのキャパシタンス変化を使用して図９における距離ｚの量を決定することができる。
例えば、図８の電極変位を生ずる場合、距離ｚは以下の式、すなわち、
ｚ＝Ｉ０−（ε／Ｃ１１）×（Ｗ１３２×Ｗ１２２）
によって得られ、
ここでεは弾性誘電層１１０の誘電率、Ｃ１１は図８におけるキャパシタンス感知ユニットＣＳａのキャパシタンス値、Ｗ１３２は第２感知部分１３２の第１方向Ｄ１における幅、Ｗ１２２は第１感知部分１２２の第２方向Ｄ２における幅、及びＩ０は応力を受ける前の弾性誘電層１１０の厚さである。このようにして、厚さ方向に平行に剪断感知素子ＳＳに加わっている法線応力Ｆの大きさは、以下の式、すなわち、
Ｆ＝Ｅ（ｚ／Ｉ０）
であり、Ｅは弾性誘電層１１０のヤング率である。
さらに、図６〜図８における電極の水平方向変位の距離は、キャパシタンス値が電極面積に比例するので以下の式から得ることができる。距離Ｌは図６及び図８において以下の式から得ることができる。
Ｌ＝（１−Ｃ１２／Ｃ１１）×Ｗ１３２ 又は
Ｌ＝（１−Ｃ２２／Ｃ２１）×Ｗ１３２
であり、上記でＷ１３２は第２感知部分１３２の第１方向Ｄ１における幅である。距離Ｗは図７及び図８において以下の式から得ることができ、すなわち、
Ｗ＝（１−Ｃ２１／Ｃ１１）×Ｗ１２２、又は
Ｗ＝（１−Ｃ２２／Ｃ１２）×Ｗ１２２
であり、Ｗ１２２は第１感知部分１２２の第２方向の幅である。
図１０は、本発明の他の例示的実施形態による触知センサにおける第1リボン状電極及び第２リボン状電極の平面概略図である。図１０において、各第１リボン状電極１２０Ａの１個の単独第1感知部分１２２Ａは、第２リボン状電極１３０ＡのＮ個の第２感知部分１３２Ａにクロスオーバーし、各第２リボン状電極１３０Ａの１個の単独第1感知部分１３２Ａは、第１リボン状電極１２０ＡのＭ個の第１感知部分１２２Ａにクロスオーバーする。Ｎは２に等しく、またＭは３に等しい。１個の第１感知部分１２２Ａは１個の第２感知部分１３２Ａにオーバーラップし、上述の形態に基づいて１個のキャパシタンス感知ユニットＣＳを画定することができる。さらに、１個の剪断感知素子ＳＳは、Ｎ×Ｍのそれぞれによって、例えば、２×３個のキャパシタンス感知ユニットＣＳによって画定することができる。
図１１は、本発明のさらに他の例示的実施形態による触知センサにおける第1リボン状電極及び第２リボン状電極の平面概略図である。図１１において、各第１リボン状電極１２０Ｂにおける１個の単独第1感知部分１２２Ｂは、第２リボン状電極１３０ＢのＮ個の第２感知部分１３２Ｂにクロスオーバーし、また各第２リボン状電極１３０Ｂにおける１個の単独第２感知部分１３２Ｂは、第１リボン状電極１２０ＢのＭ個の第１感知部分１２２Ｂにクロスオーバーする。Ｎ及びＭの双方は３である。１個の第１感知部分１２２Ｂは１個の第２感知部分１３２Ｂにオーバーラップして、上述の形態に基づいて１個のキャパシタンス感知ユニットＣＳを画定することができる。１個の剪断感知素子ＳＳは、Ｎ×Ｍのそれぞれによって、例えば、３×３個のキャパシタンス感知ユニットＣＳによって画定することができる。
図１２は、本発明のさらにまた別の例示的実施形態による触知センサにおける第1リボン状電極及び第２リボン状電極の平面概略図である。図１２において、複数個の第１リボン状電極１２０Ｃそれぞれは第１方向Ｄ１′に延在し、また第１リボン状電極１２０Ｃは互いに平行に配列される。複数個の第２リボン状電極１３０Ｃそれぞれは第２方向Ｄ２′に延在し、また第２リボン状電極１３０Ｃは互いに平行に配列される。ここで、第１方向Ｄ１′及び第２方向Ｄ２′は互いに交差するが、互いに直交しない。各第１リボン状電極１２０Ｃは、直列接続した複数個の第１感知部分１２２Ｃを有する。各第２リボン状電極１３０Ｃは、直列接続した複数個の第２感知部分１３２Ｃを有する。各第１リボン状電極１２０Ｃにおける１個の単独第１感知部分１２２Ｃは第２リボン状電極１３０ＣにおけるＮ個の第２感知部分１３２Ｃにクロスオーバーし、また各第２リボン状電極１３０Ｃにおける１個の単独第２感知部分１３２Ｃは第１リボン状電極１２０ＣにおけるＭ個の第１感知部分１２２Ｃにクロスオーバーする。Ｎ及びＭの双方は２である。にもかかわらず、他の実施形態において、Ｎ及びＭは１より大きい他の正の整数とすることができ、またＮ及びＭは等しいものである必要はない。
このように、図２Ａ、図２Ｂ、図１０、図１１及び図１２から分かるように、第１リボン状電極及び第２リボン状電極において、Ｎ及びＭは互いに等しい、又は等しくないものとして設計することができる。さらに、第１リボン状電極及び第２リボン状電極の延在方向は、互いに直交する状態又は互いに非直交状態で交差することができる。図１０における第１リボン状電極１２０Ａ及び第２リボン状電極１３０Ａは、図３の触知センサ２００及び図４の触知センサ３００のうち任意な一方に適用することができる。図１１における第１リボン状電極１２０Ｂ及び第２リボン状電極１３０Ｂは、図３の触知センサ２００及び図４の触知センサ３００のうち任意な一方にも適用することができる。さらに、図１２における第１リボン状電極１２０Ｃ及び第２リボン状電極１３０Ｃは、図３の触知センサ２００及び図４の触知センサ３００のうち任意な一方にも適用することができる。
上述の実施形態に記載の触知センサは、圧縮応力感知を実現するのに使用でき、また剪断応力感知を実現するのにも使用でき、またひいては人間のタッチをシミュレートするのにも使用することができる。例えば、上述の実施形態の触知センサはロボットの指に適用することができる。ロボットが指で物体をピックアップするとき、物体に加わるグリップ力は触知センサにより決定することができる。触知センサが剪断力（例えば、図６〜図８の状況が生ずる）を感知するとき、物体が変位する（例えば、摺動する）ことを示す。このとき、ロボットは、剪断力変化が感知されなくなるまで物体をピックアップしている指のグリップ力を調整でき、これにより物体はロボットの指から滑るのを阻止され、またロボットの行為モードは人間の行為により近似するようになる。
上述の観点から、本発明の実施形態により提供される触知センサにおいて、第１リボン状電極における１個の単独感知部分は第２リボン状電極の複数の感知部分とクロスオーバーする設計にして剪断力の応力感知を実現する。圧縮応力に加えて剪断応力も感知することができる。したがって、単に２層の電極構体の下で多次元応力感知は、本発明触知センサによって達成することができる。さらに、本発明実施形態により提供される触知センサは、取り付ける作業なしに湾曲面基板上に作製することができ、したがって、この触知センサは非平面状設計のデバイスに適用することができ、またさらに多様な用途分野に適用することができる。
開示した実施形態に対して様々な変更及び改変を加えることができることは当業者には明らかであろう。本明細書及び実施例は単に例示として見なされるべきものであり、本発明の真の範囲は特許請求の範囲及びその均等物によって示されることを意図する。
本発明の触知センサは３Ｄ感知デバイスに適用することができる。
100：触知センサ
110：弾性誘電層
112：第１表面
114：第２表面
120, 120A, 120B, 120C：第１リボン状電極
122E1, 122E2：第１端縁
124：第１接続部分
130, 130A, 130B, 130C：第２リボン状電極
132, 132A, 132B, 132C：第２感知部分
132E1, 132E2：第２端縁
134：第２接続部分
240, 340：第１支持層
250, 350：第２支持層
360：湾曲面基板
360S：外面（外側表面）
370：保護層
C11, C12, C21, C22：キャパシタンス
CS, CSa, CSb, CSc, CSd：キャパシタンス感知ユニット
SS：剪断感知素子
D1, D1’：第１方向
D2, D2’：第２方向
L, W, z：距離
L122：第１方向長さ
L132：第２方向長さ
I0：厚さ
W122, W124, W132, W134：幅

Claims (18)

  1. 触知センサにおいて、
    互いに相反する第１表面及び第２表面を有する弾性誘電層と、
    前記第１表面に配置された複数個の第1リボン状電極であって、前記第1リボン状電極それぞれは、第１方向に延在し、また前記第１方向に直列接続した複数個の第１感知部分を有する、該複数個の第1リボン状電極と、及び
    前記第２表面に配置された複数個の第２リボン状電極であって、前記第２リボン状電極それぞれは前記第１方向に交差する第２方向に延在する、該複数個の第２リボン状電極と、
    を備え、
    前記第１感知部分それぞれは、Ｎ個の前記第２リボン状電極に対してクロスオーバーして前記第１方向に延在する第１方向長さを有し、前記第１感知部分それぞれは、前記第２方向に平行な第１端縁を有し、且つ前記第１表面と前記第２表面と垂直な方向から見て、前記第１端縁は、１個の前記第２リボン状電極の端縁と整列し、Ｎは１より大きい正の整数であり、各前記第２リボン状電極は前記第２方向に沿って直列接続した複数個の第２感知部分を含み、
    複数個の前記第１感知部分それぞれと、複数個の前記第２感知部分それぞれと、前記弾性誘電層とが互いに重なり複数のキャパシタンス感知ユニットを定義し、これにより剪断感知素子を形成し、前記剪断感知素子が複数の前記キャパシタンス感知ユニットを介しキャパシタンスの変化を感知することで、剪断を感知する、触知センサ。
  2. 請求項１記載の触知センサにおいて、前記第1リボン状電極それぞれは、さらに、複数個の第１接続部分を有し、前記第１接続部分それぞれは、隣接する２つの前記第１感知部分間を接続し、また前記第１感知部分それぞれの幅は前記第１接続部分それぞれの幅より大きい、触知センサ。
  3. 請求項２記載の触知センサにおいて、前記第１接続部分それぞれの前記第２方向に測った幅は、前記第１感知部分それぞれの前記第２方向に測った幅の１／２以下である、触知センサ。
  4. 請求項１〜３のうちいずれか一項記載の触知センサにおいて、前記第２リボン状電極それぞれは、第２方向に直列接続した複数個の第２感知部分を有する、触知センサ。
  5. 請求項４記載の触知センサにおいて、前記第２リボン状電極それぞれは、さらに、複数個の第２接続部分を有し、前記第２接続部分それぞれは、隣接する２つの前記第２感知部分間を接続し、また前記第２感知部分それぞれの幅は前記第２接続部分それぞれの幅より大きい、触知センサ。
  6. 請求項４記載の触知センサにおいて、前記第１感知部分それぞれは、Ｎ個の前記第２感知部分にクロスオーバーする、触知センサ。
  7. 請求項４記載の触知センサにおいて、前記第２感知部分それぞれは、Ｍ個の前記第１感知部分に対してクロスオーバーして前記第２方向に延在する第２方向長さを有し、前記Ｍは１より大きい正の整数である、触知センサ。
  8. 請求項４記載の触知センサにおいて、前記第１感知部分それぞれの第１端縁は、１個の前記第２感知部分の端縁に整列する、触知センサ。
  9. 請求項４記載の触知センサにおいて、前記第２感知部分それぞれの前記第１方向に平行な第２端縁は、１個の前記第１感知部分の前記第１方向に平行な前記第１端縁に整列する、触知センサ。
  10. 請求項１〜９のうちいずれか一項記載の触知センサにおいて、前記第１方向は前記第２方向に直交する、触知センサ。
  11. 請求項１〜１０のうちいずれか一項記載の触知センサにおいて、さらに、それぞれ前記弾性誘電層の前記第１表面及び前記第２表面に配置された第１支持層及び第２支持層を備え、前記第1リボン状電極は前記第１支持層に配置され、また前記第２リボン状電極は前記第２支持層に配置されている、触知センサ。
  12. 請求項１１記載の触知センサにおいて、前記第1リボン状電極は、前記第１支持層と前記弾性誘電層との間に配置されている、触知センサ。
  13. 請求項１１記載の触知センサにおいて、前記第２リボン状電極は、前記第２支持層と前記弾性誘電層との間に配置されている、触知センサ。
  14. 請求項１１記載の触知センサにおいて、前記第１支持層は、前記第１リボン状電極と前記弾性誘電層との間に配置されている、触知センサ。前記
  15. 請求項１１記載の触知センサにおいて、さらに、湾曲面基板を備え、前記第２支持層は、前記湾曲面基板上に配置され、また前記湾曲面基板に形状適合する、触知センサ。
  16. 請求項１１記載の触知センサにおいて、前記第２支持層は、絶縁ゲル及び前記絶縁ゲルに分散させた複数のレーザー誘発性の誘発粒子からなるものである、触知センサ。
  17. 請求項１１記載の触知センサにおいて、さらに、第１支持層上にコーティングで配置された保護層を備え、前記保護層の材料は絶縁ポリマー材料を含む、触知センサ。
  18. 請求項１〜１７のうちいずれか一項記載の触知センサにおいて、前記弾性誘電層の厚さは、５０ミクロン〜５００ミクロンの範囲にわたる、触知センサ。
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