JP7355029B2 - センサ、積層型センサよび電子機器 - Google Patents
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Description
静電容量式のセンシング部を含むセンサ電極層と、
センサ電極層の第1の面に対向して設けられた第1のリファレンス電極層と、
第1のリファレンス電極層とセンサ電極層との間に設けられ、面内方向に加えられるせん断力により弾性変形可能に構成された第1の弾性層と
を備え、
第1のリファレンス電極層および第1の弾性層の少なくとも一方は、第1の弾性層の弾性変形に応じて面内方向に変位し、センシング部の静電容量を変化させる第1のプローブ部を含み、
第1のリファレンス電極層は、第1の面に対向する凸部または凹部を有し、
第1のプローブ部は、凸部または凹部であるセンサである。
第2の開示は、
静電容量式のセンシング部を含むセンサ電極層と、
センサ電極層の第1の面に対向して設けられた第1のリファレンス電極層と、
第1のリファレンス電極層とセンサ電極層との間に設けられ、面内方向に加えられるせん断力により弾性変形可能に構成された第1の弾性層と
を備え、
第1のリファレンス電極層および第1の弾性層の少なくとも一方は、第1の弾性層の弾性変形に応じて面内方向に変位し、センシング部の静電容量を変化させる第1のプローブ部を含み、
第1の弾性層は、第1の誘電率を有する第1の部分と、第1の誘電率とは異なる第2の誘電率を有する第2の部分とを面内方向に有し、
第1のプローブ部は、第2の部分であるセンサである。
第3の開示は、
静電容量式のセンシング部を含むセンサ電極層と、
センサ電極層の第1の面に対向して設けられた第1のリファレンス電極層と、
第1のリファレンス電極層とセンサ電極層との間に設けられ、面内方向に加えられるせん断力により弾性変形可能に構成された第1の弾性層と
を備え、
第1のリファレンス電極層および第1の弾性層の少なくとも一方は、第1の弾性層の弾性変形に応じて面内方向に変位し、センシング部の静電容量を変化させる第1のプローブ部を含み、
第1のプローブ部およびセンシング部が螺旋状を有するセンサである。
圧力を検出する第1のセンサと、
第1のセンサ上に設けられ、せん断力を検出する第2のセンサと
を備え、
第2のセンサは、第1の開示のセンサ、第2の開示のセンサおよび第3の開示のセンサのいずれかである積層型センサである。
1 第1の実施形態(センサおよびそれを備える電子機器の例)
2 第2の実施形態(センサおよびそれを備える電子機器の例)
[電子機器の構成]
図1は、本開示の第1の実施形態に係る電子機器10の構成を示す。電子機器10は、センサモジュール11と、電子機器10の本体であるホスト機器12とを備える。電子機器10は、筐体等の外装体を備え、この外装体の表面の面内方向に加えられるせん断力分布をセンサモジュール11により検出し、検出結果に応じて動作する。
センサモジュール11は、センサ20と、制御部および演算部としてのコントローラIC13とを備える。センサ20は、電子機器10の外装体の表面に設けられ、外装体の表面の面内方向に加えられるせん断力分布に応じた静電容量の変化を検出し、それに応じた出力信号をコントローラIC13に出力する。コントローラIC13は、センサ20を制御し、センサ20から供給される出力信号に基づき、センサ20に加わるせん断力分布を検出し、ホスト機器12に出力する。センサ20が設けられる外装体の表面形状は、平面であってもよいし、曲面であってもよい。
図2は、センサ20の外観を示す。センサ20は、せん断力分布を検出可能な静電容量式のせん断力センサであり、フィルム状を有している。なお、本開示においては、フィルムには、シートも含まれるものと定義する。センサ20は、フィルム状を有しているため、平面のみならず、曲面にも適用可能である。
図5は、電極基材22の構成を示す。電極基材22は、センサ電極層21の第1の面に対向する面に円柱状を有する複数の凸部22Cを有している。凸部22Cは、せん断力による弾性層24の弾性変形に応じて面内方向に変位し、センシング部20SEの静電容量を変化させるプローブ部の一例である。4つのセンシング部20SEが、凸部22Cの周辺部に対向する部分に設けられている。凸部22Cは、センサエレメント20EMの中央に対向する位置に設けられている。
センサ電極層21は、図4に示すように、可撓性を有するフィルム状の基材21Aと、基材21Aの一方の主面に設けられ、四角形状を有する複数のセンシング部20SEと、これらのセンシング部20SEが設けられた基材21Aの一方の主面を覆う保護層21Bとを備える。センサ電極層21は、伸縮性を有していてもよい。センサ電極層21は、複数の凸部22Cそれぞれに対向する複数の対向部を有し、4つのセンシング部20SEが、各対向部を囲むように設けられている。
弾性層24は、絶縁性を有すると共に、センサ20の面内方向に加えられたせん断力により弾性変形可能に構成されている。センサ20の面内方向における弾性層24の弾性率により、センサ20の感度を調整することができる。弾性層24が、必要に応じて支持体上に設けられていてもよい。支持体の材料としては、例えばエラストマ等を用いることができる。
ギャップ層25は、絶縁性を有すると共に、電極基材23とセンサ電極層21との間を離間するものであり、ギャップ層25の厚みによりセンサ20の初期の静電容量が調整される。センサ20の面内方向におけるギャップ層25の弾性率は、センサ20の面内方向における弾性層24の弾性率よりも大きいことが好ましい。これにより、センサ20の面内方向にせん断力が加えられた場合に、センサ20の面内方向に弾性層24が弾性変形する前に、センサ20の面内方向にギャップ層25が弾性変形することを抑制することができる。したがって、せん断力の検出感度の低下を抑制することができる。
接着層26A、26B、27A、27Bは、例えば、絶縁性を有する接着剤または両面接着フィルムにより構成される。接着剤としては、上述のギャップ層25の接着剤と同様のものを例示できる。
以下、上述の構成を有するセンサ20のせん断力分布の検出動作の一例について説明する。センサ20の面内方向にせん断力が加えられると、図3Bに示すように、センサ20の面内方向に弾性層24が弾性変形し、センサ20の面内方向における電極基材22とセンサ電極層21の相対位置がずれる。これにより、凸部22Cが、図6Bに示すように、センシング部20SE上に移動し、センシング部20SEの静電容量が変化する。コントローラIC13は、この静電容量の変化に基づき、センサ20に加えられた剪断力の方向および大きさを算出し、ホスト機器12に出力する。
図7A~図7Eを参照して、上述の構成を有するセンサ20の製造方法について説明する。まず、一方の面に複数の凸部22Dが設けられた基材22Aを作製する。次に、図7Aに示すように、基材22Aの一方の面に凸部22Dに倣うようにしてREF電極層22Bを形成する。これにより、一方の面に凸部22Cを有する電極基材22が得られる。
第1の実施形態に係るセンサ20は、複数の静電容量式のセンシング部20SEを含むセンサ電極層21と、センサ電極層21の第1の面に対向して設けられた電極基材22と、電極基材22とセンサ電極層21との間に設けられ、センサ20の面内方向に加わるせん断力により弾性変形可能に構成された弾性層24と、センサ電極層21の第2の面に対向して設けられた電極基材23と、電極基材23とセンサ電極層21との間に設けられたギャップ層25とを備える。また、電極基材22は、センサ電極層21の第1の面に対向する複数の凸部22Cを有し、センサ電極層21には、凸部22Cに対向する対向部分を中心として4方向にセンシング部20SEが配置されている。上記構成を有するセンサ20では、センサ20の面内方向にせん断力が加えられると、弾性層24が弾性変形し、センサ20の面内方向における電極基材22とセンサ電極層21の相対位置がずれる。これにより、凸部22Cは、センサ20の面内方向に変位し、センシング部20SEの静電容量を変化させる。コントローラIC13は、この静電容量の変化に基づき、せん断力分布(具体的には、各センサエレメント20EMにおける剪断力の方向および大きさ)を算出することができる。
(電極基材の変形例)
基材22Aは無くてもよい。すなわち、センサ20が、電極基材22に代えてREF電極層22Bを備えるようにしてもよい。この場合、REF電極層22Bは、一方の面に複数の凸部22Cを備える。このような構成を有するREF電極層22Bとしては、例えば、伸縮性を有する導電性フィルムと、導電性フィルムの一方の面に貼り付けられた複数の導電ディスクとを備えるものが挙げられる。伸縮性を有する導電フィルムとしては、例えば、導電糸で編んだ編み物、または導電微粒子を含むエラストマフィルム等を用いることができる。導電ディスクは、例えば、導電性微粒子および樹脂材料を含む。樹脂材料としては、エラストマを用いてもよい。複数の導電ディスクは、例えば、導電性接着材により導電フィルムの一方の面に貼り合わされる。
第1の実施形態では、センシング部20SEが、四角形状を有する場合について説明したが、図11Aに示すように、円弧状を有していてもよい。この場合、円弧状を有する複数のセンシング部20SEは、凸部22Cに対向する部分を中心とした円上に配置される。
第1の実施形態では、プローブ部が、電極基材22に設けられた凸部22Cである場合について説明したが、プローブ部が、以下のように弾性層24に設けられていてもよい。すなわち、弾性層24が、図12に示すように、第1の誘電率を有する第1の部分24Aと、第1の誘電率とは異なる第2の誘電率を有する第2の部分24Bとを面内方向に有し、第1の部分24Aは、センシング部20SEに対向して設けられていてもよい。この場合、第2の部分24Bが、プローブ部となる。第1の部分24Aおよび第2の部分24Bの一方が、中空であってもよい。第1の誘電率が第2の誘電率に比べて高くしてもよいし、第1の誘電率が第2の誘電率に比べて低くてもよい。
図13に示すように、センサ20が、電極基材23側となる裏面に弾性層28をさらに備えるようにしてもよい。センサ20の厚み方向における弾性層28の弾性率は、センサ20の厚み方向における弾性層24の弾性率に比べて小さい。これにより、センサ20の厚み方向に圧力が加えられた場合に、弾性層24が潰れる前に弾性層28が潰れるため、弾性層24の潰れが抑制される。したがって、せん断力と圧力との分離性を高めることができる。よって、センサ20のせん断力分布の検出精度を向上することができる。弾性層28は、例えば、発泡樹脂、エラストマ、織布および不織布のうちの少なくとも1種を含む。発泡樹脂およびエラストマとしては、弾性層24と同様のものを例示することができる。
本開示は、筐体等の外装体を有する種々の電子機器に適用可能である。例えば、パーソナルコンピュータ、スマートフォン等の携帯電話、テレビ、リモートコントローラ、カメラ、ゲーム機器、ナビゲーションシステム、電子書籍、電子辞書、携帯音楽プレイヤー、キーボード、スマートウオッチやヘッドマウンドディスプレイ等のウェアラブル端末、ラジオ、ステレオ、医療機器またはロボット等に適用可能である。
本開示は電子機器に限定されるものではなく、電子機器以外の様々なものにも適用可能である。例えば、電動工具、冷蔵庫、エアコン、温水器、電子レンジ、食器洗浄器、洗濯機、乾燥機、照明機器または玩具等の電気機器に適用可能である。更に、住宅をはじめとする建築物、建築部材、乗り物、テーブルや机等の家具、製造装置または分析機器等にも適用可能である。建築部材としては、例えば、敷石、壁材、フロアータイルまたは床板等が挙げられる。乗り物としては、例えば、車両(例えば自動車、オートバイ等)、船舶、潜水艦、鉄道車両、航空機、宇宙船、エレベータまたは遊具等が挙げられる。
図16は、本開示の第2の実施形態に係る電子機器110の構成を示す。電子機器110は、センサモジュール111と、電子機器110の本体であるホスト機器112とを備える。電子機器110は、筐体等の外装体を備え、この外装体の表面の面内方向に加えられるせん断力分布およびこの外装体の表面に対して垂直方向に加えられる圧力分布をセンサモジュール11により検出し、検出結果に応じて動作する。
センサモジュール111は、積層型センサ113と、第1の制御部としての第1のコントローラIC114と、第2の制御部としての第2のコントローラIC115とを備える。積層型センサ113は、せん断力分布と圧力分布との両方を検出可能なものであり、圧力分布を検出する第1のセンサ120と、せん断力分布を検出する第2のセンサ130とを備え、電子機器10の外装体の表面に設けられる。
図17は、本開示の第2の実施形態に係る積層型センサ113の構成を示す。積層型センサ113は、上述したように、第1のセンサ120と第2のセンサ130とを備え、第2のセンサ130は、第1のセンサ120上に設けられている。積層型センサ113の第1のセンサ120側の面は、接着層(図示せず)を介して電子機器110の外装体に貼り合わされる。第2のセンサ130は、第1の実施形態に係るセンサ20と同様であるので、ここでは第1のセンサ120の構成についてのみ説明する。
第2の実施形態に係る積層型センサ113は、第1のセンサ120と、第1のセンサ120上に設けられ第2のセンサ130とを備えるので、せん断力分布と圧力分布との両方を検出することができる。
第2の実施形態では、第1のセンサ120、第2のセンサ130それぞれに対して、第1のコントローラIC114、第2のコントローラIC115がそれぞれ設けられている場合について説明したが、第1のセンサ120および第2のセンサ130に対して1つのコントローラが設けられ、この1つのコントローラICにより第1のセンサ120および第2のセンサ130が制御されるようにしてもよい。この場合、コントローラICが、第1のセンサ120の出力値を用いて、第2のセンサ130の出力値を補正するようにしてもよい。
(1)
静電容量式のセンシング部を含むセンサ電極層と、
前記センサ電極層の第1の面に対向して設けられた第1のリファレンス電極層と、
前記第1のリファレンス電極層と前記センサ電極層との間に設けられ、面内方向に加えられるせん断力により弾性変形可能に構成された第1の弾性層と
を備え、
前記第1のリファレンス電極層および前記第1の弾性層の少なくとも一方は、前記第1の弾性層の弾性変形に応じて面内方向に変位し、前記センシング部の静電容量を変化させる第1のプローブ部を含むセンサ。
(2)
前記第1のリファレンス電極層は、前記第1の面に対向する凸部または凹部を有し、
前記第1のプローブ部は、前記凸部または前記凹部である(1)に記載のセンサ。
(3)
前記センシング部は、前記凸部または前記凹部の周辺部に対向する部分に設けられている(2)に記載のセンサ。
(4)
前記第1の弾性層は、第1の誘電率を有する第1の部分と、前記第1の誘電率とは異なる第2の誘電率を有する第2の部分とを面内方向に有し、
前記第1のプローブ部は、前記第2の部分である(1)から(3)のいずれかに記載のセンサ。
(5)
前記第1の部分は、前記センシング部に対向する(4)に記載のセンサ。
(6)
前記第1のプローブ部および前記センシング部が螺旋状を有する(1)から(5)のいずれかに記載のセンサ。
(7)
前記センサ電極層が、前記センシング部を複数含み、
複数の前記センシング部が、前記第1のプローブ部に対向する、前記センサ電極層の対向部を囲むように設けられている(1)から(5)のいずれかに記載のセンサ。
(8)
前記センサ電極層が、前記センシング部を複数含み、
前記第1のリファレンス電極層および前記第1の弾性層の少なくとも一方は、前記第1のプローブ部を複数含み、
複数の前記センシング部が、複数の前記第1のプローブ部それぞれに対向する、前記センサ電極層の各対向部を囲むように設けられている(1)から(5)のいずれかに記載のセンサ。
(9)
複数の前記センシング部の静電容量の変化に基づき、面内方向に加えられたせん断力の方向および大きさを算出する演算部をさらに備える(7)または(8)のいずれかに記載のセンサ。
(10)
前記第1のリファレンス電極層が、伸縮性を有する(1)から(9)のいずれかに記載のセンサ。
(11)
面内方向における前記第1の弾性層の弾性率は、厚み方向における前記第1の弾性層の弾性率に比べて小さい(1)から(10)のいずれかに記載のセンサ。
(12)
前記センサ電極層の第2の面に対向して設けられた第2のリファレンス電極層と、
前記第2のリファレンス電極層と前記センサ電極層との間に設けられたギャップ層と
をさらに備える(1)から(11)のいずれかに記載のセンサ。
(13)
前記ギャップ層は、面内方向に加えられるせん断力により弾性変形可能に構成された弾性層であり、
前記第2のリファレンス電極層および前記ギャップ層の少なくとも一方は、前記ギャップ層の弾性変形に応じて面内方向に変位し、前記センシング部の静電容量を変化させる第2のプローブ部を含む(12)に記載のセンサ。
(14)
前記センサ電極層は、伸縮性を有する(13)に記載のセンサ。
(15)
前記第2のリファレンス電極層の両面のうち、前記センサ電極層側とは逆側の面に設けられた第2の弾性層をさらに備え、
厚み方向における前記第2の弾性層の弾性率は、厚み方向における前記第1の弾性層の弾性率に比べて小さい(12)から(14)のいずれかに記載のセンサ。
(16)
圧力を検出する第1のセンサと、
前記第1のセンサ上に設けられ、せん断力を検出する第2のセンサと
を備え、
前記第2のセンサは、(1)から(15)のいずれかに記載の前記センサである積層型センサ。
(17)
前記第1のセンサは、第3の弾性層を備え、
厚み方向における前記第3の弾性層の弾性率は、厚み方向における前記第1の弾性層の弾性率に比べて小さい(16)に記載の積層型センサ。
(18)
(1)から(17)のいずれかに記載の前記センサを備える電子機器。
11、111 センサモジュール
12 ホスト機器
13 コントローラIC(演算部)
20 センサ
20A 接続部
20B 接続端子
20EM センサエレメント
20SE センシング部
21、121 センサ電極層
21A、22A、23A 基材
21B 保護層
21C パルス電極(第1の電極)
21D センス電極(第2の電極)
21C1、21D1 サブ電極を
22、23、122 電極基材
22B リファレンス電極層(第1のリファレンス電極)
23B リファレンス電極層(第2のリファレンス電極)
22C、22D 凸部
22E 凹部
24 弾性層(第1の弾性層)
25、124 ギャップ層
26A、26B、27A、27B 接着層
28 弾性層(第2の弾性層)
113 積層型センサ
114 第1のコントローラIC
115 第2のコントローラIC
120 第1のセンサ
123 弾性層(第3の弾性層)
130 第2のセンサ
140 ロボットハンド
L 電気力線
Claims (17)
- 静電容量式のセンシング部を含むセンサ電極層と、
前記センサ電極層の第1の面に対向して設けられた第1のリファレンス電極層と、
前記第1のリファレンス電極層と前記センサ電極層との間に設けられ、面内方向に加えられるせん断力により弾性変形可能に構成された第1の弾性層と
を備え、
前記第1のリファレンス電極層および前記第1の弾性層の少なくとも一方は、前記第1の弾性層の弾性変形に応じて面内方向に変位し、前記センシング部の静電容量を変化させる第1のプローブ部を含み、
前記第1のリファレンス電極層は、前記第1の面に対向する凸部または凹部を有し、
前記第1のプローブ部は、前記凸部または前記凹部であるセンサ。 - 静電容量式のセンシング部を含むセンサ電極層と、
前記センサ電極層の第1の面に対向して設けられた第1のリファレンス電極層と、
前記第1のリファレンス電極層と前記センサ電極層との間に設けられ、面内方向に加えられるせん断力により弾性変形可能に構成された第1の弾性層と
を備え、
前記第1のリファレンス電極層および前記第1の弾性層の少なくとも一方は、前記第1の弾性層の弾性変形に応じて面内方向に変位し、前記センシング部の静電容量を変化させる第1のプローブ部を含み、
前記第1の弾性層は、第1の誘電率を有する第1の部分と、前記第1の誘電率とは異なる第2の誘電率を有する第2の部分とを面内方向に有し、
前記第1のプローブ部は、前記第2の部分であるセンサ。 - 静電容量式のセンシング部を含むセンサ電極層と、
前記センサ電極層の第1の面に対向して設けられた第1のリファレンス電極層と、
前記第1のリファレンス電極層と前記センサ電極層との間に設けられ、面内方向に加えられるせん断力により弾性変形可能に構成された第1の弾性層と
を備え、
前記第1のリファレンス電極層および前記第1の弾性層の少なくとも一方は、前記第1の弾性層の弾性変形に応じて面内方向に変位し、前記センシング部の静電容量を変化させる第1のプローブ部を含み、
前記第1のプローブ部および前記センシング部が螺旋状を有するセンサ。 - 前記センシング部は、前記凸部または前記凹部の周辺部に対向する部分に設けられている請求項1に記載のセンサ。
- 前記第1の部分は、前記センシング部に対向する請求項2に記載のセンサ。
- 前記センサ電極層が、前記センシング部を複数含み、
複数の前記センシング部が、前記第1のプローブ部に対向する、前記センサ電極層の対向部を囲むように設けられている請求項1から3のいずれか1項に記載のセンサ。 - 前記センサ電極層が、前記センシング部を複数含み、
前記第1のリファレンス電極層および前記第1の弾性層の少なくとも一方は、前記第1のプローブ部を複数含み、
複数の前記センシング部が、複数の前記第1のプローブ部それぞれに対向する、前記センサ電極層の各対向部を囲むように設けられている請求項1から3のいずれか1項に記載のセンサ。 - 複数の前記センシング部の静電容量の変化に基づき、面内方向に加えられたせん断力の方向および大きさを算出する演算部をさらに備える請求項6に記載のセンサ。
- 前記第1のリファレンス電極層が、伸縮性を有する請求項1から3のいずれか1項に記載のセンサ。
- 面内方向における前記第1の弾性層の弾性率は、厚み方向における前記第1の弾性層の弾性率に比べて小さい請求項1から3のいずれか1項に記載のセンサ。
- 前記センサ電極層の第2の面に対向して設けられた第2のリファレンス電極層と、
前記第2のリファレンス電極層と前記センサ電極層との間に設けられたギャップ層と
をさらに備える請求項1から3のいずれか1項に記載のセンサ。 - 前記ギャップ層は、面内方向に加えられるせん断力により弾性変形可能に構成された弾性層であり、
前記第2のリファレンス電極層および前記ギャップ層の少なくとも一方は、前記ギャップ層の弾性変形に応じて面内方向に変位し、前記センシング部の静電容量を変化させる第2のプローブ部を含む請求項11に記載のセンサ。 - 前記センサ電極層は、伸縮性を有する請求項12に記載のセンサ。
- 前記第2のリファレンス電極層の両面のうち、前記センサ電極層側とは逆側の面に設けられた第2の弾性層をさらに備え、
厚み方向における前記第2の弾性層の弾性率は、厚み方向における前記第1の弾性層の弾性率に比べて小さい請求項11に記載のセンサ。 - 圧力を検出する第1のセンサと、
前記第1のセンサ上に設けられ、せん断力を検出する第2のセンサと
を備え、
前記第2のセンサは、請求項1から3のいずれか1項に記載の前記センサである積層型センサ。 - 前記第1のセンサは、第3の弾性層を備え、
厚み方向における前記第3の弾性層の弾性率は、厚み方向における前記第1の弾性層の弾性率に比べて小さい請求項15に記載の積層型センサ。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の前記センサを備える電子機器。
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