JP7443424B2 - せん断力センサシート - Google Patents
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Description
すなわち、基板上に第一電極が形成され、第一電極上にポアソン比0~0.48からなる弾性体が形成され、弾性体上に第二電極が形成され、前記第二電極上に保護層が形成され、保護層上から加わるせん断力を静電容量の変化から算出できるせん断力センサシートである。
また、弾性体をフォームより誘電率の高い接着剤層のみで構成することもできるが、接着剤はポアソン比が高いため、押圧しても凹みにくく、結局、せん断力センサシートの検出感度は低くなる。
本発明の一見地に係るせん断力センサシートは、支持基板と、下部検出電極と、弾性体と、上部検出電極と、絶縁層と、フォースコンセントレータ(Force Concentrator)とを順次積層してなる。下部検出電極は、支持基板上の感圧領域に複数に分割して形成されている。弾性体は、支持基板上の下部検出電極が形成された面に全面的に形成されている。上部検出電極は、弾性体上の感圧領域に複数の帯状電極として形成されており、スライド移動により前記下部検出電極との重複面積が変化する。絶縁層は、弾性体上の上部検出電極が形成された面に全面的に形成されている。フォースコンセントレータは、絶縁層上に形成されている。また、フォースコンセントレータは、上部検出電極に対応して形成された凸部を少なくとも有している。
このような構成を有するせん断力センサシートは、上部検出電極に対応して形成された凸部を有するフォースコンセントレータを入力面に備えているので、上部検出電極上に押圧力が集中する。そのため、弾性体のポアソン比に関わらず、十分に検出感度を高くできる。
このような構成を有するせん断力センサシートは、フォースコンセントレータのラミネートにおいてベース部によって大面積で接着されるので、フォースコンセントレータの密着性が高い。
このような構成を有するせん断力センサシートは、ベース部を省略した分だけ、せん断力センサシート全体の厚みを薄くすることができる。
このような構成を有するせん断力センサシートは、シート状のベース部によって表面フラット性が得られる。
このような構成を有するせん断力センサシートは、押圧を加えたときに、変形により隣り合う平面視帯状の凸部どうしが接触して空気層を密封してしまうことを防止できる。
このような構成を有するせん断力センサシートは、シート状のカバー部によって表面フラット性が得られる。
このような構成を有するせん断力センサシートも、押圧を加えたときに、変形により隣り合う平面視帯状の凸部どうしが接触して空気層を密封してしまうことを防止できる。
このような構成を有するせん断力センサシートは、フォースコンセントレータが硬過ぎないため、その下の弾性体の凹みを妨げることがないからである。
できる。
このような構成を有するせん断力センサシートは、フォースコンセントレータのラミネート時にその凸部と上部検出電極の帯状電極との位置ズレが多少生じても検出感度が変わらないため、良品率を上げることができる。
このような構成を有するせん断力センサシートは、弾性体を構成するゲル材料の誘電率が高いので、検出感度をより高くできる。
以下、本発明の第1実施形態を、図面に基づき説明する。
第1実施形態のせん断力センサシート1は、支持基板2と、下部検出電極3と、弾性体4と、上部検出電極5と、絶縁層6と、シールド電極8と、フォースコンセントレータ9とを順次積層してなる(図1参照)。
さらに、下部検出電極3の隙間3a及び隙間3aの両側と重複するように、上部検出電極5が配置されている。つまり、上部検出電極51の幅は、下部検出電極3の隙間3aより大きい。
この積層体によって、せん断力センサシート1のフォースコンセントレータ9を介して加えられた押圧力及びせん断力を検出することができる。
この場合、上部検出電極5を構成する各々の帯状電極と下部検出電極3を構成する各々の帯状電極との重なり部分の相互容量は、Δxに応じて変化する。このせん断力センサシート1を+X方向に押圧した容量の変化によって、+X方向のせん断力を検出することができる。
また、上部検出電極5を構成する各々の帯状電極と下部検出電極3を構成する各々の帯状電極の重なり部分の相互容量は、Δzに応じて変化する。このせん断力センサシート1を+Z方向に押圧した容量の変化によって、+Z方向の押圧力を検出することができる。
また、図1、図2に示すフォースコンセントレータ9は、ベース部9b側を下側にして配置する。ベース部9b側を下側とすることで、フォースコンセントレータ9のラミネートにおいてベース部9bによって大面積でシールド電極8上に接着されるので、フォースコンセントレータ9の密着性が高い。
因みに、上部検出電極5が全面的に形成されていた場合、すなわち凸部9a下でない部分にも上部検出電極5が存在すると、凹み部分と膨らみ部分におけるそれぞれの静電容量変化が相殺してしまい、押圧力Fzによる静電容量変化は検出できない。
支持基板2の材料は、絶縁層6およびフォースコンセントレータ9と比べて剛性の高い材料であれば、特に限定されない。支持基板2の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド、ポリカーボネートなどの樹脂やガラスなどからなるシートが挙げられる。支持基板2の厚みは、0.02mm~1mmの範囲にあるのが好ましい。
上記の構造では、上部検出電極5及び下部検出電極3の間には、入力面からの応力に応じて変形可能な弾性体4が介在している。よって、入力面からの応力によって、上部検出電極5が下部検出電極3に対して変位できる。
弾性体4の材料としては、例えば、シリコーン系、アクリル系、ウレタン系、オレフィン系などの弾性を有するゲルシート、弾性を有するその他の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、ゲルシートが、低弾性かつ高誘電率である点で好ましい。より好ましくは、耐熱性に優れたシリコーン系のゲルシートである。また、ゲルシートは、粘着性があるので、別に粘着剤などを用意することなく支持基板2と絶縁層6を接着できる。
また、弾性を有するその他の樹脂シートとしては、例えば、フォーム材を用いることもできる。なお、ゲルシートは、フォーム材よりも誘電率が高いので、検出感度をより高くできる。
絶縁層6の材質としては、例えば、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、シリコーンゴム、ウレタ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。絶縁層6に用いるシートの厚みは、0.02mm~0.2mmの範囲にあるのが好ましい。
なお、ベース部9bと凸部9aとは、異なる材料であってもよい。
フォースコンセントレータ9は、ベース部9bと凸部9aとが同じ材料である場合には、ミラブル材の圧縮成形、もしくは液体ゴム材料や熱可塑エラストマーの射出成形によって、凸部9aを形成することができる。また、ベース部9bと凸部9aとが異なる材料の場合には、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ベース部9bの上に液体ゴム材料を印刷またはディスペンサーで塗布することによって、凸部9aを形成することができる。フォースコンセントレータ9のベース部9bの厚みは、0.1mm~1mmの範囲にあるのが好ましい。
図1、図2、図3に示すせん断力センサシート1では、フォースコンセントレータ9の凸部9aは、上部検出電極5の帯状電極と同一幅としたが、第1実施形態はこれに限定されない。例えば、第1実施形態のせん断力センサシート1は、フォースコンセントレータ9の凸部9aを、上部検出電極5の帯状電極よりも狭幅としてもよい。
このように構成することで、フォースコンセントレータ9のラミネート時にその凸部9aと上部検出電極5の帯状電極との位置ズレが多少生じても、せん断力センサシート1の検出感度が変わらないため、せん断力センサシート1の良品率が上がるというメリットがある。
また、図1、図2、図3に示すせん断力センサシート1では、フォースコンセントレータ9が、シート状のベース部9b上に凸部9aを一体的に有するものであったが、第1実施形態はこれに限定されない。例えば、第1実施形態のせん断力センサシート1は、フォースコンセントレータ91が、凸部91aのみから成るものであってもよい(図4参照)。
このように構成することで、ベース部9bを省略した分だけ、せん断力センサシート1全体の厚みを薄くすることができる。
なお、この場合、フォースコンセントレータ9のベース部9bが存在しないので、絶縁層6のみで上部検出電極5を保護する。
また、図1、図2、図3に示すせん断力センサシート1では、フォースコンセントレータ9が、シート状のベース部9b上に凸部9aを一体的に有するものであり、フォースコンセントレータ9のベース部9bを下側にして配置したものであったが、第1実施形態はこれに限定されない。例えば、第1実施形態のせん断力センサシート1は、フォースコンセントレータ92が、シート状のベース部92b上に凸部92aを一体的に有するものであり、フォースコンセントレータ92の凸部92a側を下側にして配置し、ベース部92b下の凸部92aを除く領域に空気層94が形成されたものであってもよい(図5参照)。
このように構成することで、シート状のベース部9bによって表面フラット性が得られる。フォースコンセントレータ92の表面がフラットであると、フォースコンセントレータ92の凸部92a上以外が押されたときでも、押圧力を凸部92aに伝えることができるというメリットがある。
また、変化例3の、フォースコンセントレータ92において、さらにベース部92bが、空気層94上に通気口95を有していてもよい(図6参照)。
このように構成することで、押圧を加えたときに、変形により隣り合う平面視帯状の凸部92aどうしが接触して空気層94を密封してしまうことを防止できる。空気層94を凸部92aどうしで密封した状態でさらに押圧されて空気層94の空気が限界を超えて圧縮された場合、無理に逃げようとした空気によってフォースコンセントレータ92が破損する恐れがある。
また、第1実施形態のせん断力センサシート1は、フォースコンセントレータ93が、シート状のベース部93b上に凸部93aを一体的に有し、ベース部93bの凸部93aを有する面と対向するシート状のカバー部93cを凸部93aと一体的に有し、ベース部93bと前面のカバー部93cとの間の凸部93aを除く領域に空気層94が形成されたものであてもよい(図7参照)。
このように構成することで、シート状のカバー部93cによって表面フラット性が得られる。また、変形例3と比べて、フォースコンセントレータ9のラミネート時に凸部93aだけでなくベース部93b全体で接着するため、接着力も高いというメリットもある。
また、変化例6の、フォースコンセントレータ93において、さらにカバー部93cが、空気層94上に通気口95を有していてもよい(図8,図9参照)。
このように構成することで、変化例4と同様に、押圧を加えたときに、変形により隣り合う平面視帯状の凸部93aどうしが空気層94を密封してしまうこと防止できる。
また、第1実施形態及びその変化例は、上記したものに限定はされない。例えば、上部検出電極5および下部検出電極3を構成する複数の帯状電極は、上記した本数に限定されない。また、上部検出電極5および下部検出電極3を構成する複数の帯状電極は、平行に並んでいなくてもよい。また、上部検出電極5および下部検出電極3を構成する複数の帯状電極は、任意の幅とすることもできる。さらには、上部検出電極5の隙間及び隙間の両側と重複するように、下部検出電極3が配置されていてもよい。
以下、本発明の第2実施形態を、図面に基づき説明する。
第1実施形態では上部検出電極5が1層構成であったが、本発明のせん断力センサシート1は、これに限定されない。例えば、せん断力センサシート1は、上部検出電極51が、2層構成であってもよい(第2実施形態)。
第2実施形態のせん断力センサシート1は、第1実施形態と同様に、支持基板2と、下部検出電極31と、弾性体4と、上部検出電極51と、絶縁層6と、シールド電極8と、フォースコンセントレータ96とを順次積層してなる(図10参照)が、以下の点で第1実施形態と相違する。
図10、図11に示した例では、第1上部検出電極51aの電極パターンは、Y方向に延びる6本の平行な帯状電極であり、第2上部検出電極51bの電極パターンはX方向に延びる6本の平行な帯状電極であり、これらによる格子状パターンは直交している。なお、第1上部検出電極51a及び第2上部検出電極51bのパターンは、これに限定されない。
なお、第1上部検出電極51及び第2上部検出電極51bの配置状態、例えば帯状電極の間隔や交差角度によっては、下部検出電極31の島状電極の形状は正方形とならない。例えば、長方形やひし形などその他の形状である。
また、入力面に+Y方向の応力を受けた場合は、第1上部検出電極51a及び第2上部検出電極51bは下部検出電極31に対して+Y方向に移動し、それに応じて重なり面積が変化する。その結果、下部検出電極31のX方向に延びる隙間31aを挟んで一方側の重なりでは相互容量も増大するが、他方側の重なりでは静電容量も減少する。一方で、下部検出電極31のY方向に延びる隙間31aを挟んで一方側の重なり、他方側の重なりでは静電容量は変化しない。
以上より、上記4つの重なりの静電容量を測定することで、X方向とY方向の移動を検出でき、それによりせん断応力が検出できる。
本実施形態のフォースコンセントレータ96も、第1実施形態のフォースコンセントレータ9と平面視した形状は異なるが、第1実施形態のフォースコンセントレータ9と同様の機能を有する。
すなわち、第1実施形態の変化例4および変化例6に対応する第2実施形態の変化例において、ベース部又はカバー部に設けられた通気口95の形状は、例えば、平面視格子状パターンの凸部で囲まれた碁盤目状の各空気層94上を、縦横の串を差すように設けられた、格子状パターンの穴(図12(a)参照)とすることができる。また、平面視格子状パターンの凸部で囲まれた碁盤目状の各空気層94上を、碁盤目毎に設けられる、正円(図12(b)参照)や正三角形,正四角形(正方形),正五角形,正六角形などの正多角形であってもよい。また、これらの組合せであってもよい。
2 支持基板
3,31 下部検出電極
3a,31a 隙間
4 弾性体
5,51 上部検出電極
51a 第1上部検出電極
51b 第2上部検出電極
6,7,10 絶縁層
8 シールド電極
9,91,92,93,96,97 フォースコンセントレータ
9a,91a,92a,93a 96a 凸部
9b,92b,93b 96b ベース部
92c,93d カバー部
94 空気層
95 通気口
A1 感圧領域
A2 配線領域
Claims (12)
- 支持基板と、
前記支持基板上の感圧領域に複数に分割して形成された下部検出電極と、
前記支持基板上の前記下部検出電極が形成された面に全面的に形成された弾性体と、
前記弾性体上の前記感圧領域に複数の帯状電極として形成され、スライド移動により前記下部検出電極との重複面積が変化する上部検出電極と、
前記弾性体上の前記上部検出電極が形成された面に全面的に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、前記上部検出電極に対応して形成された凸部を少なくとも有するフォースコンセントレータと、を備え、
前記フォースコンセントレータが、シート状のベース部上に前記凸部を一体的に有するものであり、前記フォースコンセントレータの前記ベース部側を下側にして配置された、せん断力センサシート。 - 支持基板と、
前記支持基板上の感圧領域に複数に分割して形成された下部検出電極と、
前記支持基板上の前記下部検出電極が形成された面に全面的に形成された弾性体と、
前記弾性体上の前記感圧領域に複数の帯状電極として形成され、スライド移動により前記下部検出電極との重複面積が変化する上部検出電極と、
前記弾性体上の前記上部検出電極が形成された面に全面的に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、前記上部検出電極に対応して形成された凸部を少なくとも有するフォースコンセントレータと、を備え、
前記フォースコンセントレータが、シート状のベース部上に前記凸部を一体的に有するものであり、前記フォースコンセントレータの前記凸部側を下側にして配置し、前記ベース部下の前記凸部を除く領域に空気層が形成された、せん断力センサシート。 - 前記ベース部が、前記空気層上に通気口を有する、請求項2に記載のせん断力センサシート。
- 支持基板と、
前記支持基板上の感圧領域に複数に分割して形成された下部検出電極と、
前記支持基板上の前記下部検出電極が形成された面に全面的に形成された弾性体と、
前記弾性体上の前記感圧領域に複数の帯状電極として形成され、スライド移動により前記下部検出電極との重複面積が変化する上部検出電極と、
前記弾性体上の前記上部検出電極が形成された面に全面的に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、前記上部検出電極に対応して形成された凸部を少なくとも有するフォースコンセントレータと、を備え、
前記フォースコンセントレータが、シート状のベース部上に前記凸部を一体的に有し、前記ベース部の前記凸部を有する面と対向するシート状のカバー部を前記凸部と一体的に有し、前記ベース部と前面の前記カバー部との間の前記凸部を除く領域に空気層が形成された、せん断力センサシート。 - 前記カバー部が、前記空気層上に通気口を有する、請求項4に記載のせん断力センサシート。
- 前記フォースコンセントレータの前記凸部が、前記上部検出電極の前記帯状電極よりも狭幅である、請求項1、2および4のいずれかに記載のせん断力センサシート。
- 支持基板と、
前記支持基板上の感圧領域に複数に分割して形成された下部検出電極と、
前記支持基板上の前記下部検出電極が形成された面に全面的に形成された弾性体と、
前記弾性体上の前記感圧領域に複数の帯状電極として形成され、スライド移動により前記下部検出電極との重複面積が変化する上部検出電極と、
前記弾性体上の前記上部検出電極が形成された面に全面的に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、前記上部検出電極に対応して形成された凸部を少なくとも有するフォースコンセントレータと、を備え、
前記フォースコンセントレータが、前記凸部のみから成り、前記上部検出電極の前記帯状電極よりも狭幅である、せん断力センサシート。 - 前記下部検出電極が、複数の帯状電極として形成されている、請求項1、2、4および7のいずれかに記載のせん断力センサシート。
- 前記フォースコンセントレータが、弾性率100MPa以下の材料で構成されている、請求項1、2、4および7のいずれかに記載のせん断力センサシート。
- 前記上部検出電極が、1層構成であり、前記帯状電極の各々が一方向に沿って並列している、請求項1、2、4および7のいずれかに記載のせん断力センサシート。
- 前記弾性体が、ゲル材料で構成されている、請求項1、2、4および7のいずれかに記載のせん断力センサシート。
- 前記上部検出電極が、2層構成であり、第1層の前記帯状電極の各々が一方向に沿って並列し、第2層の前記帯状電極の各々が第1層の前記帯状電極と交差する方向に沿って並列し、これら2層を合わせて格子状パターンを成すものであり、
前記下部検出電極が、敷き詰められて配置された多数の島状電極からなり、その隙間によって格子状パターンを成すものであり、
前記下部検出電極の前記隙間及び前記隙間の両側と重複するように、前記上部検出電極が配置されており、
さらに前記上部検出電極の2層間に介在する別の絶縁層を備える、請求項1、2、4および7のいずれかに記載のせん断力センサシート。
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