JP7405113B2 - 静電容量式感圧センサ - Google Patents
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Description
本発明は、静電容量式感圧センサに関するものである。
静電容量式感圧センサは、同センサに圧縮力が働くと、誘電体弾性材が圧縮され、誘電体弾性材を介して隔てられた電極間の静電容量が増加するため、その増加を検出し測定することでセンサに働く圧縮力を測定するものである。
特許文献１には、検出電極と、その両面に積層した誘電体弾性材と、その両面に積層した駆動電極とを含む静電容量式感圧センサが開示されている。誘電体弾性材の材料としては「例えば弾性ゴム」の記載があるにとどまる。
特許文献２には、第１導電層と、第１誘電層と、第２導電層と、第２誘電層と、第３導電層と、第２絶縁層とを順に積層し、第２誘電層が第１誘電層より硬い、さらには第２誘電層のヤング率が第１誘電層のヤング率より大きい、静電容量型センサが開示されている。その目的は、測定できる荷重についてダイナミックレンジの広いセンサを実現するためとされている。
静電容量式感圧センサの感度を高める、すなわち、より小さい圧縮力を検出するには、誘電体弾性材にヤング率の小さい柔らかい弾性材料を用いることが有効である。しかし、柔らかい弾性材料（例えば軟質のポリウレタン材料）は、低反発性でヒステリシスロスが大きい傾向がある。本発明者が、ポリウレタン材料を用いた後述する比較例２の静電容量式感圧センサを試作したところ、ヒステリシスロス率は２０％を越えた。
特許文献１，２ではこの課題について認識されておらず、特許文献２のように第２誘電層のヤング率を第１誘電層のヤング率より大きくしても、この課題を解決するものではなかった。
そこで、本発明の目的は、弾性層にある１種類の弾性材料を用いて作製した静電容量式感圧センサのヒステリシスロス率が高い場合に、別の特定の弾性材料を加えた２種類の弾性材料を用いることで該ヒステリシスロス率を低くすることにある。
より好ましくは、当該別の特定の弾性材料の１種類を用いて作製した静電容量式感圧センサのヒステリシスロス率よりもさらに低いヒステリシスロス率を得て、計測期間から非計測期間（通常期間）への復帰時間を短縮し、繰り返しの計測に適した静電容量式感圧センサを提供することにある。
より好ましくは、当該別の特定の弾性材料の１種類を用いて作製した静電容量式感圧センサのヒステリシスロス率よりもさらに低いヒステリシスロス率を得て、計測期間から非計測期間（通常期間）への復帰時間を短縮し、繰り返しの計測に適した静電容量式感圧センサを提供することにある。
本発明は、上記課題の要因であるヒステリシスロス率が最大値である時の応力に着目し、検討を重ねて次の手段に到達したものである。
本発明の静電容量式感圧センサは、第１電極、第１弾性層、第２電極、第２弾性層及び第３電極を順に積層して含む静電容量式感圧センサにおいて、
第１弾性層と第２弾性層はそれぞれを２３℃において速度０．５ｍｍ／分で圧縮及び除圧して測定した静電容量のヒステリシスロス率最大値時の弾性層応力が相異なり、その差異が３ｋＰａ以上であることを特徴とする。
第１弾性層と第２弾性層はそれぞれを２３℃において速度０．５ｍｍ／分で圧縮及び除圧して測定した静電容量のヒステリシスロス率最大値時の弾性層応力が相異なり、その差異が３ｋＰａ以上であることを特徴とする。
ここで、静電容量式感圧センサを２３℃において速度０．５ｍｍ／分で圧縮及び除圧して測定した静電容量のヒステリシスロス率最大値時のセンサ応力は、第１弾性層の前記弾性層応力と第２弾性層の前記弾性層応力との中間値であることが好ましい。
第１弾性層と第２弾性層は、発泡体であることが好ましい。発泡体は非発泡体よりも柔らかいため、センサの感度を高めることができる。
＜作用＞
第１弾性層と第２弾性層の前記ヒステリシスロス率最大値時の弾性層応力の差異が３ｋＰａ以上であることにより、センサの静電容量のヒステリシスロス特性を制御することができ、第１弾性層と第２弾性層の少なくとも高い方の静電容量のヒステリシスロス率最大値に対して、センサの静電容量のヒステリシスロス率最大値が低くなり、計測期間から通常期間への復帰時間を短縮することができる。
第１弾性層と第２弾性層の前記ヒステリシスロス率最大値時の弾性層応力の差異が３ｋＰａ以上であることにより、センサの静電容量のヒステリシスロス特性を制御することができ、第１弾性層と第２弾性層の少なくとも高い方の静電容量のヒステリシスロス率最大値に対して、センサの静電容量のヒステリシスロス率最大値が低くなり、計測期間から通常期間への復帰時間を短縮することができる。
本発明によれば、弾性層にある１種類の弾性材料を用いて作製した静電容量式感圧センサのヒステリシスロス率が高い場合に、別の特定の弾性材料を加えた２種類の弾性材料を用いることで該ヒステリシスロス率を低くすることができる。
［１］第１弾性層、第２弾性層
第１弾性層と第２弾性層の各材料としては、各種の誘電体エラストマーを用いることができる。
誘電体エラストマーとしては、特に限定されないが、ポリウレタン、シリコーン、熱可塑性エラストマー、天然ゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、ウレアゴム、フッ素ゴム、架橋ポリロタキサン等を例示できる。
第１弾性層の材料と第２弾性層の材料は、同種の材料で前記ヒステリシスロス率最大値時の弾性層応力の差異が３ｋＰａ以上であるものを用いてもよいし、異種の材料で前記ヒステリシスロス率最大値時の弾性層応力の差異が３ｋＰａ以上であるものを用いてもよい。
第１弾性層と第２弾性層の各材料としては、各種の誘電体エラストマーを用いることができる。
誘電体エラストマーとしては、特に限定されないが、ポリウレタン、シリコーン、熱可塑性エラストマー、天然ゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、ウレアゴム、フッ素ゴム、架橋ポリロタキサン等を例示できる。
第１弾性層の材料と第２弾性層の材料は、同種の材料で前記ヒステリシスロス率最大値時の弾性層応力の差異が３ｋＰａ以上であるものを用いてもよいし、異種の材料で前記ヒステリシスロス率最大値時の弾性層応力の差異が３ｋＰａ以上であるものを用いてもよい。
第１弾性層と第２弾性層の前記ヒステリシスロス率最大値時の弾性層応力の差異は、１０ｋＰａ以上であることがより好ましく、１１．５ｋＰａ以上であることが最も好ましい。この差異が大きいほど、センサの静電容量のヒステリシス特性を制御しやすくなり、センサの静電容量のヒステリシスロス率最大値を低くすることができるからである。
［２］第１電極、第２電極、第３電極
これらの電極の材料としては、特に限定されないが、第１弾性層と第２弾性層の圧縮変形に追従できるものが好ましく、導電性粒子層、導電性塗膜、表面又は内部に導電性を付与したエラストマー等を例示できる。
導電性粒子としては、特に限定されないが、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、白金、金、銀、銅、ニッケル等の粒子等を例示できる。
エラストマーとしては、特に限定されないが、上記［１］で例示した誘電体エラストマーを例示できる。
これらの電極の材料としては、特に限定されないが、第１弾性層と第２弾性層の圧縮変形に追従できるものが好ましく、導電性粒子層、導電性塗膜、表面又は内部に導電性を付与したエラストマー等を例示できる。
導電性粒子としては、特に限定されないが、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、白金、金、銀、銅、ニッケル等の粒子等を例示できる。
エラストマーとしては、特に限定されないが、上記［１］で例示した誘電体エラストマーを例示できる。
［３］絶縁層
第１電極の第１弾性層とは反対側に絶縁層を積層して含むことが好ましい。
第３電極の第２弾性層とは反対側に絶縁層を積層して含むことが好ましい。
絶縁層により、電気的な外乱でセンサの静電容量が変化することを防ぐことができ、また、第１電極、第三電極を保護した耐久性を高めることができるからである。
絶縁層の材料としては、特に限定されないが、樹脂板、エラストマー板等を例示できる。
第１電極の第１弾性層とは反対側に絶縁層を積層して含むことが好ましい。
第３電極の第２弾性層とは反対側に絶縁層を積層して含むことが好ましい。
絶縁層により、電気的な外乱でセンサの静電容量が変化することを防ぐことができ、また、第１電極、第三電極を保護した耐久性を高めることができるからである。
絶縁層の材料としては、特に限定されないが、樹脂板、エラストマー板等を例示できる。
図１に示すように、下から、絶縁層、第１電極、第１弾性層、第２電極、第２弾性層、第３電極及び絶縁層を順に積層してなる静電容量式感圧センサの、比較例１～４と実施例１～３を作製した。
表１に示すように、各例は、第１弾性層と第２弾性層に用いたポリウレタン材料においてのみ相違するものであり、その他は共通のものである。比較例１～４では、第１弾性層と第２弾性層に同一のポリウレタン材料を用いた。実施例１～３では、第１弾性層と第２弾性層に相異なるポリウレタン材料を用いた。
第１弾性層と第２弾性層に用いたポリウレタン材料は、いずれも株式会社ロジャースイノアックの製品である。
型番「ＳＲ－Ｓ－１５Ｐ＿ｔ０．５」は、低反発性と柔らかさを特徴とするするポリウレタンフォーム（厚さ０．５ｍｍ）をＰＥＴフィルム（厚さ５０μｍ）と一体成形したものである。
型番「ＳＳ－２０Ｐ＿ｔ０．５」と型番「ＳＳ－３２Ｐ＿ｔ０．５」は、高反発性と柔らかさを特徴とするするポリウレタンフォーム（厚さ０．５ｍｍ）をＰＥＴフィルム（厚さ５０μｍ）と一体成形したものであり、両者は密度が異なる。
型番「ＷＰ－２４Ｐ＿ｔ０．５」は、撥水性を付与したポリウレタンフォーム（厚さ０．５ｍｍ）をＰＥＴフィルム（厚さ５０μｍ）と一体成形したものである。
これらのポリウレタン材料の特性（カタロク値）を、表２に示す。
型番「ＳＲ－Ｓ－１５Ｐ＿ｔ０．５」は、低反発性と柔らかさを特徴とするするポリウレタンフォーム（厚さ０．５ｍｍ）をＰＥＴフィルム（厚さ５０μｍ）と一体成形したものである。
型番「ＳＳ－２０Ｐ＿ｔ０．５」と型番「ＳＳ－３２Ｐ＿ｔ０．５」は、高反発性と柔らかさを特徴とするするポリウレタンフォーム（厚さ０．５ｍｍ）をＰＥＴフィルム（厚さ５０μｍ）と一体成形したものであり、両者は密度が異なる。
型番「ＷＰ－２４Ｐ＿ｔ０．５」は、撥水性を付与したポリウレタンフォーム（厚さ０．５ｍｍ）をＰＥＴフィルム（厚さ５０μｍ）と一体成形したものである。
これらのポリウレタン材料の特性（カタロク値）を、表２に示す。
第１電極と第２電極と第３電極は、微粒子の銀粉がポリエステル樹脂に均一に分散された薄膜（厚さ８μｍ）である。
両側の絶縁層は、ポリカーボネートの薄板（厚さ０．５ｍｍ）である。
第１電極、第１弾性層、第２電極、第２弾性層及び第３電極は、平面視形状が長円形であり、平面視面積が３９７ｍｍ２である。
両側の絶縁層は、第１電極等よりも一回り大きい長円形である。
両側の絶縁層は、第１電極等よりも一回り大きい長円形である。
絶縁層と第１電極との間、第１電極と第１弾性層との間、第１弾性層と第２電極との間、第２電極と第２弾性層との間、第２弾性層と第３電極との間、第３電極と絶縁層との間は、それぞれ両面粘着テープ（図示略）により接着されている。
以上のように構成された実施例１～３及び比較例１～４の静電容量式感圧センサについて、静電容量のヒステリシスロス特性を次のようにして測定した。
図１（ｃ）に示すように、試験体を任意の速度で繰り返し圧縮及び除圧することができるストローク試験機と、静電容量を計測できるＬＣＲメータとを使用し、同試験器の剛性の台に静電容量式感圧センサを（第１電極を下側、第３電極を上側にして）載せ、ＬＣＲメータの一方の入力端子に第１電極及び第３電極を接続し、他方の入力端子に第３電極を接続した。
同試験機の押し子（下面は平ら）を作動させて絶縁層に当接させ、２３℃において速度０．５ｍｍ／分で圧縮（下降）及び除圧（上昇）して、静電容量－荷重曲線を３回記録した。最大荷重は１０Ｎとした。
同試験機の押し子（下面は平ら）を作動させて絶縁層に当接させ、２３℃において速度０．５ｍｍ／分で圧縮（下降）及び除圧（上昇）して、静電容量－荷重曲線を３回記録した。最大荷重は１０Ｎとした。
図２（ａ）に比較例１の、（ｂ）に比較例４の、（ｃ）に実施例１の各静電容量－荷重曲線を示す。
図３に実施例２，３の静電容量－荷重曲線（いずれも３回記録したうちの１回）を示す。
図３に実施例２，３の静電容量－荷重曲線（いずれも３回記録したうちの１回）を示す。
表１に、各例の静電容量の初期値、最大荷重時の値、変化量、変化率を示す。また、下記の式１で求められるヒステリシスロス率が最大となった時の値、同ヒステリシスロス率最大時の荷重、同ヒステリシスロス率最大時のセンサ応力（ヒステリシスロス率最大時の荷重を第１弾性層及び第２弾性層の平面視面積３９７ｍｍ２で除して求められる。）を示す。これらはいずれも記録した３回の平均値である。
ヒステリシスロス率＝１００×（除圧時の静電容量－圧縮時の静電容量）／（最大荷重時の静電容量変化量）・・・式１
ヒステリシスロス率＝１００×（除圧時の静電容量－圧縮時の静電容量）／（最大荷重時の静電容量変化量）・・・式１
比較例１～４では第１弾性層と第２弾性層に同一のポリウレタン材料を用いているから、上記で求められたヒステリシスロス率最大時のセンサ応力は、ヒステリシスロス率最大時の両弾性層の弾性層応力でもあるといえる。
実施例１～３では第１弾性層と第２弾性層に相異なるポリウレタン材料（但し比較例１～４で用いたポリウレタン材料の２種類の組み合わせ）を用いているから、表１に比較例１～４で求められたヒステリシスロス率最大時の両弾性層の弾性層応力の差異を示した。
実施例１～３では第１弾性層と第２弾性層に相異なるポリウレタン材料（但し比較例１～４で用いたポリウレタン材料の２種類の組み合わせ）を用いているから、表１に比較例１～４で求められたヒステリシスロス率最大時の両弾性層の弾性層応力の差異を示した。
表１のとおり、実施例１～３では、第１弾性層と第２弾性層の少なくとも高い方のヒステリシスロス率最大値に対して、センサのヒステリシスロス率最大値が低くなった。この低くなった程度は、ヒステリシスロス率最大時の両弾性層の弾性層応力の差異が１０ｋＰａ以上である実施例１，３で大きかった。
特に、ヒステリシスロス率最大時の両弾性層の弾性層応力の差異が１１．５ｋＰａ以上である実施例１では、両弾性層のヒステリシスロス率最大値に対して顕著に低いセンサのヒステリシスロス率最大値が得られた。よって、実施例１によれば、比較例１及び比較例４のいずれよりも、圧縮後の復元が早くなることから、センサ性能の一つである、計測期間から非計測期間（通常期間）への復帰時間を短縮でき、繰り返しの計測に適するものとなる。
特に、ヒステリシスロス率最大時の両弾性層の弾性層応力の差異が１１．５ｋＰａ以上である実施例１では、両弾性層のヒステリシスロス率最大値に対して顕著に低いセンサのヒステリシスロス率最大値が得られた。よって、実施例１によれば、比較例１及び比較例４のいずれよりも、圧縮後の復元が早くなることから、センサ性能の一つである、計測期間から非計測期間（通常期間）への復帰時間を短縮でき、繰り返しの計測に適するものとなる。
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することができる。
Claims (3)
- 第１電極、第１弾性層、第２電極、第２弾性層及び第３電極を順に積層して含む静電容量式感圧センサにおいて、
第１弾性層と第２弾性層はそれぞれを２３℃において速度０．５ｍｍ／分で圧縮及び除圧して測定した静電容量のヒステリシスロス率最大値時の弾性層応力が相異なり、その差異が３ｋＰａ以上であることを特徴とする静電容量式感圧センサ。 - 静電容量式感圧センサを２３℃において速度０．５ｍｍ／分で圧縮及び除圧して測定した静電容量のヒステリシスロス率最大値時のセンサ応力は、第１弾性層の前記弾性層応力と第２弾性層の前記弾性層応力との中間値である請求項１記載の静電容量式感圧センサ。
- 第１弾性層及び第２弾性層は発泡体である請求項１又は２記載の静電容量式感圧センサ。
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