JP6823100B2

JP6823100B2 - 静電容量検出装置

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Publication number: JP6823100B2
Application number: JP2019044259A
Authority: JP
Inventors: 森　富士男; 富士男森; 勝己徳野; 英子関; 裕次渡津
Original assignee: Nissha Co Ltd
Current assignee: Nissha Co Ltd
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2039-03-11
Also published as: JP2020148507A

Description

本発明は、下部電極とＡＣドライブ回路が複雑で微細なパターンで形成され、下部電極と上部電極との間の静電容量値の変化を検出することにより、圧力分布などを高精度で測定できる静電容量検出装置に関する（図８参照）。

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、検出感度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。さらに、平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、平面に対して平行な面方向(Ｘ,Ｙ方向)の応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、複雑で微細な電極パターンは柔らかい絶縁層上に形成せず、下部電極として基板上に形成し、その下部電極の各々がＡＣドライブ回路を介して処理部と接続することで、高精度に圧力分布を測定できるようにした静電容量型検出装置の発明である。また上部電極を、例えば二層に分けかつ線状にパターン化して複数配置することにより、平面に対して平行な面方向(Ｘ,Ｙ方向)の応力，即ちせん断力の分布についても測定できるようにした発明である。

すなわち、本発明の第一実施態様は、基材上に下部電極が形成され、下部電極上に絶縁層が形成され、絶縁層上に上部電極が形成され、前記下部電極はＡＣドライブ回路を介して処理部と接続され、前記上部電極は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。また本発明の第二実施態様は、前記下部電極と上部電極との間の静電容量値の変化を検出して、前記上部電極の上部押圧面から加わる押圧力の圧力分布またはせん断力分布を測定でき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ＡＣドライブ回路がロジック回路から構成された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ＡＣドライブ回路が、薄膜トランジスタからなることを特徴とす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、基材上に下部電極が形成され、下部電極上に絶縁層が形成され、絶縁層上に上部電極が形成され、前記下部電極はＡＣドライブ回路を介して処理部と接続され、前記上部電極は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、エラストマーのような柔らかい素材ではなく、しっかりとした基材上に下部電極を形成するため、下部電極を複雑で微細なパターンに形成することができる。そして、その複雑で微細なパターンの下部電極各々が同じく複雑で微細なパターンのＡＣドライブ回路を介して処理部と接続され、上部電極も信号変換部を介して処理部と接続されているため、非常に微細な範囲ごとに静電容量値を検出することができるため、高精度な測定ができる効果がある。また、しっかりとした基材上に下部電極を形成しているため、押圧試験中に下部電極パターンが動くことはなく、下部電極が断線するリスクが解消される効果がある。

また本発明の静電容量検出装置は、前記下部電極と上部電極との間の静電容量値の変化を検出して、前記上部電極の上部押圧面から加わる押圧力の圧力分布またはせん断力分布を測定できることを特徴とする。したがって、例えばロボットハンドなどの製品の高精度な応力分布だけでなく、高精度のせん断力分布をも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ＡＣドライブ回路がロジック回路から構成されたことを特徴とする。したがって、広範囲に形成しかつ上記の所定の静電容量値および抵抗値に設定すれば、非常に大きなサイズでかつ高精度な静電容量検出装置を製作でき、例えば、人の歩行試験や自動車タイヤの走行試験にも使用できる高精度な圧力センサまたはせん断力センサを得ることができる効果がある。また、切り替え速度が非常に速く、迅速に静電容量値を測定できる効果がある。

また本発明の第四実施態様は、前記ＡＣドライブ回路が薄膜トランジスタからなることを特徴とする。したがって、サイン波など、より複雑なＡＣ信号を出力できる効果がある。また、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ことができ、その場合は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、早く得られた信号を伝達できる効果がある。

本発明の一実施形態の静電容量検出装置の断面図である。本発明の一実施形態の静電容量検出装置の第一上部電極、第二上部電極、下部電極の回路パターン例を説明する概略図である。ＡＣドライブ回路をロジック回路で形成した場合における構成概略図と動作したときの信号例を示す概略図である。下部電極の各々の電極と、ＡＣドライブ回路の各々と、ドライブ回路との接続配線図例を示す。図４の下部電極の各々の電極のうち、３つの電極に、個別に交流信号を出力(ＡＣ駆動)したときの９本の信号線とドライブ電極で検出される信号例を示す概略図である。ＡＣドライブ回路をＰチャンネル型薄膜トランジスタで形成した場合における構成概略図と動作したときの信号例を示す概略図である。ＡＣドライブ回路をＮチャンネル型薄膜トランジスタで形成した場合における構成概略図と動作したときの信号例を示す概略図である。本発明の静電容量検出装置の試作品の写真と、その試作品を押圧して測定した静電容量変化の数値分布である。

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、下部電極２０と上部電極４０とが絶縁層３０を挟んで形成され、前記下部電極２０が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と接続され、上部電極４０は信号変換部１３０を介して処理部１２０と接続される装置であり、下部電極２０の各々の電極２１と上部電極４０との間の静電容量値の変化を検出して、押圧面６１の上から加わる押圧力６０の圧力分布またはせん断力分布を高精度で計測することを特徴とする（図１参照）。

すなわち、押圧面６１の上から押圧力６０が加わると、押圧力６０によって上部電極４０と絶縁膜３０とが変形し、上部電極４０と下部電極２０との間の距離が短くなり、上部電極４０と下部電極２０との間の静電容量値が変化する。その静電容量の変化量から押圧力６０のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸各成分の強度分布が検出できる。

その際、下部電極２０は、碁盤目状に区切られたパターンで形成されているのが好ましい（図２参照）。その碁盤目状に区切られた下部電極２０の各々の電極２１の一つずつに対応して、それぞれＡＣドライブ回路５が一つずつ接続され、そのＡＣドライブ回路５はドライブ回路１１０を介して処理部１２０と接続される（図１、図２参照）。処理部１２０は、ドライブ回路１１０を介してＡＣドライブ回路５を制御し、下部電極２０の各々の電極２１の一つずつに対し、それぞれ交流信号 (ＡＣ信号)を加える。

そして、電流が流されていないスイッチオフ状態のとあるＡＣドライブ回路５に電流を流し込み、飽和してスイッチオン状態にまで変化させ、電流が飽和していてスイッチオン状態になっている別のＡＣドライブ回路５への電流を遮断してスイッチオフの状態に変化させることで、ドライブ回路１１０の切り替えが成し遂げられる。ドライブ回路１１０に流す電流は、消費電力削減の観点からは小さい方が好ましいが、小さすぎるとノイズに弱くなるので、１０μＡから数十ｍＡ程度にするのが好ましい。

なお、この発明でいうドライブ回路１１０は、ＡＣドライブ回路５を駆動する回路のことであり、ドライブ回路１１０を切り替えることとは、処理部からの出力信号の流れを別の回路に変えることを指す。つまり、ドライブ回路１１０は、出力信号である電流の流れる方向を変化したり、電流を流す量を制御可能な範囲にコントロールする機能を有する回路である。

ＡＣドライブ回路５は、ドライブ回路１１０からの信号を受け入れる２つ以上の入力と、下部電極２０の各々の電極２１に交流信号を出力する１つの出力を持ち、ドライブ回路１１０からの入力信号パターンに応じて、交流信号を変える回路である。ＡＣドライブ回路５はロジック回路にするのが好ましい。ロジック回路型では、入力が２つで出力が１つであるタイプ（ＡＮＤ、ＯＲ、ＮＡＮＤ、ＸＯＲ）を用いることができ、信号線の本数を削減できる効果があるからである。

たとえば、ＡＮＤを使用した場合、ＩＮＡに矩形波のＡＣ信号を常に出していても、ＩＮＢがＨＩＧＨのときのみＯＵＴからはその信号が出力される（図３参照）。なお、図１では、ＡＣドライブ回路５は、基材１０に対して下部電極２０と反対面に配置してスルーホールによって下部電極２０と接続しているが、下部電極２０と同一の面上に並列して配置してもよい。また、図１では押圧面６１は上側としているが、下側を押圧面６１としてもよい。

図４は、下部電極２０の各々の電極２１とＡＣドライブ回路５の各々と、ドライブ回路１１０の接続配線図例を示す。実際はもっとより多くの下部電極２０の各々の電極２１を想定しているが、簡略化のため４×５＝２０個の下部電極２０の各々の電極２１で説明する。同じ行のＡＣドライブ回路５は互いに入力端子を共通化し、同じ列のＡＣドライブ回路５は互いに入力端子を共通化する。よって、下部電極２０からは、４＋５＝９本の信号線で制御される。

例として、図４の下部電極２０の各々の電極２１のうち、３つ（(１，２)と(１，３)と(４，３)）に、個別に交流信号を出力(ＡＣ駆動)したときの９本の信号線の信号例を図５に示す。これはＡＣドライブ回路５がＡＮＤ回路の場合であり、その他の回路の場合は適宜変更される。下部電極２０の各々の電極２１が個別にＡＣ駆動されているとき、その下部電極２０の各々の電極２１と上部電極４０との間の静電容量の大きさに応じて、上部電極４０は信号を受け取る。

ＡＣドライブ回路５をロジック回路型にした場合、静電容量検出装置１は、（上部電極４０と下部電極２０との間に発生する静電容量値＋下部電極２０の寄生容量）×ロジック回路の出力抵抗値＜１μｓ（時定数：1マイクロ秒）の条件を満たすように各静電容量値および抵抗値を設定すると良い。時定数は通常上げた方が好ましいが、時定数が１μｓより高くなると切り替え速度が低下する不具合が生じることがあるからである。なお、時定数とは、ＲＣ回路（すなわち、抵抗器とコンデンサーで構成され、電圧または電流で駆動される電気回路）における抵抗値と静電容量値の積のことである。また寄生容量とは、下部電極２０の中で生じる設計者が意図しない物理的な構造に起因する静電容量値のことである。

下部電極２０、ＡＣドライブ回路５、ドライブ回路１１０の電極材料は特に限定されず、銅、銀、金、ニッケル、アルミニウム等の金属膜のほか、それらを含有した導電インキ、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛などを使用してもよい。形成方法は、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などが挙げられる。パターンとしては、丸状，角状、線状などいずれの形状であってもよい。厚みは、０．１μｍ〜５ｍｍの範囲内で適宜選択するとよい。

また、ＡＣドライブ回路５は、薄膜トランジスタ１００からなっていてもよい（図６、図７参照）。単なるロジック回路型では矩形波しか出力できないが、薄膜トランジスタ１００で形成された場合は、サイン波など、より複雑なＡＣ信号を出力できる効果があるからである。薄膜トランジスタ１００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２１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。

したがって、薄膜トランジスタ１００に蓄えられる電荷が不足する（静電容量値が低い）と切り替え速度が低下する場合があるので、トランジスタ１００を電気接続した際の抵抗値は十分に小さくするのが好ましい。トランジスタ１００を電気接続した際の抵抗値を小さくすることで、トランジスタ１００どうしの間を流れる電流が多くなり、その結果、充電が促進されて電荷が充分補充され、静電容量値が増加するからである。

なお、薄膜トランジスタ１００が電気接続されていないときは、蓄えられた電荷が抜けていかないように、通常は時定数（（上部電極４０と下部電極２０との間に発生する静電容量値＋各々の薄膜トランジスタ１００のゲート/ドレイン間の静電容量値＋各々薄膜トランジスタ１００がオフされた時のソース/ドレイン間の静電容量値＋ドレインの寄生容量値）×（エレメント内のプルダウン抵抗値またはプルアップ抵抗値））を十分上げた方が好ましい。しかし一方で、時定数が１０μｓより高くなると切り替え速度が低下する不具合が生じることがある。したがって、上記時定数の数値は１０μｓ未満になるようにするのが好ましい。

なお、エレメント内のプルダウン抵抗値とは、入力が無い場合（ＯＦＦ状態）のときにＬｏｗベルの電圧（通常、デジタル回路の信号としての電圧を０ボルト）にする働きをする抵抗器のことである。また、エレメント内のプルアップ抵抗値とは、入力が無い場合（ＯＦＦ状態）のときにＨｉレベルの電圧（例えば、デジタル回路の信号としての電圧を５ボルト）にする働きをする抵抗器のことである。

なお、薄膜トランジスタがオンされた際の抵抗値は、エレメント内のプルダウン抵抗値やプルアップ抵抗値よりも十分小さくするのが好ましい。一方、薄膜トランジスタがオフされた際の抵抗値は、エレメント内のプルダウン抵抗値やプルアップ抵抗値よりも十分大きくするのが好ましい。エレメント内のプルダウン抵抗値やプルアップ抵抗値をこのように設定すれば、信号が円滑に伝達されるからである。

また、薄膜トランジスタ１００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。

上部電極４０は、信号変換部１３０と接続され、さらに処理部１２０と接続される（図１参照）。すなわち、上部電極４０は下部電極２０から発せられた交流信号を受け取り、その受け取られた交流信号は信号変換部１３０で電圧に変換され、さらに処理部１２０で処理される。その処理される交流信号の強度は、下部電極２０の各々の電極と上部電極４０との間の静電容量値に比例する。これにより、下部電極２０の各々の電極２１の箇所の上部における押圧力６０の圧力値が測定でき、押圧力６０の圧力が面状の分布として測定できる。

信号変換部１３０は、上部電極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、下部電極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。

上部電極４０は、単一層で形成してもよいが、二層に分けかつパターン化して、複数配置するのが好ましい。そのようにすることで、法線方向(Ｚ軸方向)の押圧力６０の面内分布だけでなく、平面に対して平行な面方向(Ｘ,Ｙ方向)の押圧力６０の分布も検出できるからである。すなわち、上部電極４０を図１に示すように二層の第一上部電極４１と第二上部電極４２とに分け、かつパターン化して複数配置することにより、せん断力も計測できる効果がある。

その際の具体例として図２に示す電極パターンが挙げられる。Ｘ方向に延びる第一上部電極４１の短冊が、平面視で下部電極２０のＸ方向に延びる電極の隙間を覆うように配置され、Ｙ方向に延びる第二上部電極４２の短冊が下部電極２０のＹ方向に延びる電極の隙間を覆うように配置される櫛型状の電極パターンからなる。

なお、せん断力を計測できる態様は、上部電極４０が形成されている面上の複数の位置から、各々信号変換部１３０を介して処理部１２０に信号を伝達できるような態様になっていればよく、上記の構成に限定されるわけではない。なお、上記せん断力が摩擦力と同等と見なせる場合においては、それを法線方向(Ｚ軸方向)の押圧力６０の値で除算することで、Ｆ＝μＮの物理公式から摩擦係数μの値を求めることもできる。

上部電極４０の電極材料は特に限定されないが、、仕事関数の高い金、パラジウム等の金属膜のほか、酸化インジウムスズなどを使用するとよい。形成方法は、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。上部電極４０のパターンとしては、櫛型状、丸状，角状、線状などいずれの形状であってもよい。上部電極４０の厚みは、０．１μｍ〜５ｍｍの範囲内で適宜選択するとよい。

ターンオン時間およびターンオフ時間は１マイクロ秒未満になるようにすることが好ましい。通常の回路ではこれらの時間は非常に短いため無視される場合が多いが、本発明のドライブ回路１１０は複雑でスイッチング周波数を高める必要があり、またドライブ回路１１０に過電圧がかかる状態が長く続くとトランジスタ１００などの部品に故障が発生する懸念があるからである。なお、ターンオン時間とは、出力電圧が約１０％から約９０％に変化し順電圧に達して安定化するまでに要する時間のことであり、ターンオフ時間とは、出力電圧が約９０％から約１０％に変化し、電圧がかからない状態に安定化するまでに要する時間のことである。

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、かつ下部電極２０からの交流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設けてもよい。シールド電極は、少なくとも下部電極２０と上部電極４０をすべて覆うベタパターンにするのが好ましい。材質や厚みは上部電極４０と同等でよい。

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

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

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

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

また、押圧面６１に加わる押圧力６０から、上部電極４０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）。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。

以下、本発明の実施例１として、ロボットハンドの把持力の圧力分布およびせん断力分布を測定するために用いた静電容量検出装置について記載する。実施例１の静電容量検出装置は、以下の手順で製造した。１ｍｍ厚のガラスエポキシ基材上に、厚さ２０μｍの銅箔からなり縦横８個づつのマトリックス状の島状正方形微細パターン（１．００ｍｍ角、ピッチ１．０５ｍｍ）からなる下部電極をサブトラクト法で形成し、その上に３０μｍ厚のシリコーン発泡体からなる絶縁層をリバースコート法で形成した。次いで、その絶縁層上に厚さ２μｍの銅箔からなる櫛型状の上部第一電極を形成し、上部第一電極層上に５μｍ厚のウレタン樹脂層を形成し、その上に同じ厚さ・材質で方向が９０度異なる櫛型状の上部第二電極を形成した後、１００μｍ厚のポリエステルフィルムからなる保護層を形成した。なお、上記ガラスエポキシ基材は、予め各下部電極に対応する０．３ｍｍφのスルーホールが開けられており、このスルーホールを通じて裏面に形成されたポリ-３-ヘキシルチオフェンの有機薄膜トランジスタからなる厚み２０μｍのＡＣドライブ回路に電気接続されるようにした。この有機薄膜トランジスタは８個×８個のアクティブマトリックス方式で形成した。そして、そのＡＣドライブ回路は、ロジック回路にもなっており、ドライブ回路を介して処理部と電気接続した。一方、前記上部第一電極および上部第二電極も、それぞれチャージアンプおよびＡＤコンバータを介して処理部と電気接続した。

上記得られた静電容量検出装置において、保護層の上部押圧面に対して斜め方向から押圧力を加え、処理部からドライブ回路、ＡＣドライブ回路に電流を流し込み、飽和してスイッチオン状態にまで変化させ、電流が飽和していてスイッチオン状態になっている別のＡＣドライブ回路への電流を遮断してスイッチオフの状態に変化させることで、ドライブ回路の切り替えの性能試験を順次行った。その切り替えによって生じる各条件における下部電極各々の電極と上部電極との間の静電容量値の変化などを測定し、時定数の値（（上部電極と下部電極との間に発生する静電容量値＋各々の薄膜トランジスタのゲート/ドレイン間の静電容量値＋各々薄膜トランジスタがオフされた時のソース/ドレイン間の静電容量値＋ドレインの寄生容量値）×（エレメント内のプルダウン抵抗値またはプルアップ抵抗値））を算出した。また、その切り替えによって生じる各条件における下部電極各々の電極と上部電極との間の静電容量値の変化などを測定し、時定数の値（（上部電極と下部電極との間に発生する静電容量値＋各々の薄膜トランジスタのゲート/ドレイン間の静電容量値＋各々薄膜トランジスタがオフされた時のソース/ドレイン間の静電容量値＋ドレインの寄生容量値）×（エレメント内のプルダウン抵抗値またはプルアップ抵抗値））を算出した。また、ＡＣドライブ回路の時定数（（上部電極と下部電極との間に発生する静電容量値＋下部電極寄生容量）×ＡＣドライブ回路の出力抵抗値）も算出した。その結果を下表に示す（◎は結果優良、〇は結果良好、△は若干低下）。その結果、切り替えによって生じる各条件の時定数が１０μ秒未満であれば、良好な結果が得られることが分かった。また、ＡＣドライブ回路の時定数が１μ秒未満であれば、良好な結果が得られることが分かった。
＜切り替えによって生じる各条件の時定数の算出および評価結果＞
（表１）
＜ＡＣドライブ回路の時定数の算出および評価結果＞
（表２）

上記製造された静電容量検出装置をロボットハンドの各指の関節部および掌部に設置し、２０℃の環境温度下において、ロボットハンドで軟式テニスボールを握ったときの把持力をテストした。その測定結果は以下の通りであり、Ｚ軸方向圧力（指で押圧したときの垂直抗力）のみならずＸ軸方向せん断力(ロボットハンドの指の出ている方向のせん断力)やＹ軸方向せん断力(ロボットハンドの指の出ている方向と垂直方向のせん断力)も測定できた。その結果、ロボットハンド各箇所でのＸ、Ｙ各方向の静摩擦係数も算出できた。

以下、本発明の実施例２として、自動車タイヤにかかる圧力分布およびせん断力分布を測定するために用いた静電容量検出装置について記載する。実施例２の静電容量検出装置は、以下の手順で製造した。厚さ１ｍｍのガラスエポキシ基材上に、厚さ２０μｍの銅箔からなり縦横１００個づつのマトリックス状の島状正方形微細パターン（２．００ｍｍ角、ピッチ２．１０ｍｍ）からなる下部電極をサブトラクト法で形成し、その上に３０μｍ厚のシリコーン発泡体からなる絶縁層をリバースコート法で形成した。次いで、その絶縁層上に厚さ２μｍの銅箔からなる櫛型状の上部第一電極を形成し、上部第一電極層上に５μｍ厚のウレタン樹脂層を形成し、その上に同じ厚さ・材質で方向が９０度異なる櫛型状の上部第二電極を形成した後、１００μｍ厚のポリエステルフィルムからなる保護層を形成した。なお、上記ガラスエポキシ基材は、予め各下部電極に対応する１ｍｍφのスルーホールが開けられており、このスルーホールを通じて裏面に形成されたポリ-３-ヘキシルチオフェンの有機薄膜トランジスタからなる厚み２０μｍのＡＣドライブ回路に電気接続されるようにした。この有機薄膜トランジスタは１００個×１００個のアクティブマトリックス方式で形成した。そして、そのＡＣドライブ回路は、ロジック回路にもなっており、ドライブ回路を介して処理部と電気接続した。一方、前記上部第一電極および上部第二電極も、それぞれチャージアンプおよびＡＤコンバータを介して処理部と電気接続した。

上記静電容量検出装置において、保護層の上部押圧面に対して斜め方向から押圧力を加え、処理部からドライブ回路、ＡＣドライブ回路に電流を流し込み、飽和してスイッチオン状態にまで変化させ、電流が飽和していてスイッチオン状態になっている別のＡＣドライブ回路への電流を遮断してスイッチオフの状態に変化させることで、ドライブ回路の切り替えの性能試験を順次行った。その切り替えによって生じる各条件における下部電極各々の電極と上部電極との間の静電容量値の変化などを測定し、時定数の値（（上部電極と下部電極との間に発生する静電容量値＋各々の薄膜トランジスタのゲート/ドレイン間の静電容量値＋各々薄膜トランジスタがオフされた時のソース/ドレイン間の静電容量値＋ドレインの寄生容量値）×（エレメント内のプルダウン抵抗値またはプルアップ抵抗値））を算出した。また、ＡＣドライブ回路の時定数（（上部電極と下部電極との間に発生する静電容量値＋下部電極寄生容量）×ＡＣドライブ回路の出力抵抗値）も算出した。その結果を下表に示す（◎は結果優良、〇は結果良好、△は若干低下）。その結果、切り替えによって生じる各条件の時定数が１０μ秒未満であれば、良好な結果が得られることが分かった。また、ＡＣドライブ回路の時定数が１μ秒未満であれば、良好な結果が得られることが分かった。
＜切り替えによって生じる各条件の時定数の算出および評価結果＞
（表４）
＜ＡＣドライブ回路の時定数の算出および評価結果＞
（表５）
図面番号：000007

上記製造された静電容量検出装置の上に、サイズが２１５／４５Ｒ１８９３Ｗの自動車タイヤを設置し、２０℃の環境温度下において、タイヤを時速０ｋｍから時速２０ｋｍ、４０ｋｍ、６０ｋｍ、８０ｋｍに相当する回転数に急加速したときの圧力分布およびせん断力分布を測定した。その測定結果は以下の通りであり、Ｚ軸方向圧力（タイヤが静電容量検出装置を押圧したときの垂直抗力）のみならずＸ軸方向せん断力(タイヤの走行方向の摩擦力)やＹ軸方向せん断力(タイヤの走行方向と垂直方向の摩擦力)も測定できた。

１静電容量検出装置
５ＡＣドライブ回路
１０基板
２０下部電極
２１下部電極の各々の電極
３０絶縁層
４０上部電極
４１第一上部電極
４２第二上部電極
５０保護層
６０押圧力
６１押圧面
１００薄膜トランジスタ
１１０ドライブ回路
１２０処理部
１３０信号変換部

Claims

基材上に碁盤目状に区切られたパターンで形成され、複数の電極を有する下部電極が形成され、
下部電極上に絶縁層が形成され、
絶縁層上に上部電極が形成され、
前記下部電極の各々の前記電極の一つずつに対応して、それぞれＡＣドライブ回路が一つずつ接続され、
前記ＡＣドライブ回路はドライブ回路を介して処理部と接続され、
前記ＡＣドライブ回路は、前記ドライブ回路から受け入れる２つ以上の入力と、前記下部電極の各々の前記電極に交流信号を出力する１つの出力を持ち、前記ドライブ回路からの入力信号パターンに応じて、前記下部電極の各々の前記電極の一つずつに対し、それぞれ交流信号を加える回路であり、
前記上部電極は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。
前記下部電極と上部電極との間の静電容量値の変化を検出して、
前記上部電極の上部押圧面から加わる押圧力の圧力分布またはせん断力分布を測定する、請求項１記載の静電容量検出装置。
前記ＡＣドライブ回路がロジック回路から構成された、
請求項１または請求項２のいずれかに記載の静電容量検出装置。
前記ＡＣドライブ回路が、薄膜トランジスタからなることを特徴とする、
請求項１から請求項３のいずれかに記載の静電容量検出装置。