JPWO2017057598A1 - Capacitive sensor - Google Patents
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Abstract
静電容量型センサ(1)は、エラストマー製の誘電層(20)と、誘電層(20)を厚さ方向に挟んで配置され各々に電極層(01X〜08X、01Y〜08Y)を有する一対の電極ユニット(30、40)と、を備え、電極層(01X〜08X、01Y〜08Y)が誘電層(20)を介して対向する部分に感圧部(D)が設定される。0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、静電容量型センサ(1)の感度は7.5×10−11F/MPa以上7.5×10−10F/MPa以下であり、誘電層(20)は次式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足する。Pk=ε0×S/(d0×a)×{εrk/(1−k)−εr0} ・・・(I)The capacitive sensor (1) is a pair of an elastomeric dielectric layer (20) and a pair of electrode layers (01X to 08X, 01Y to 08Y) that are arranged with the dielectric layer (20) sandwiched in the thickness direction. The electrode units (30, 40) are provided, and the pressure sensitive part (D) is set in a part where the electrode layers (01X to 08X, 01Y to 08Y) face each other with the dielectric layer (20) therebetween. In a pressure range greater than 0 MPa and less than or equal to 0.015 MPa, the sensitivity of the capacitive sensor (1) is 7.5 × 10 −11 F / MPa to 7.5 × 10 −10 F / MPa, and the dielectric layer (20 ) Satisfies the pressure-strain curve represented by the following formula (I). Pk = ε0 × S / (d0 × a) × {εrk / (1-k) −εr0} (I)
Description
本発明は、例えば、荷重分布センサやタッチセンサなどとして用いられる静電容量型センサに関する。 The present invention relates to a capacitive sensor used as, for example, a load distribution sensor or a touch sensor.
静電容量型センサの誘電層としては、樹脂、エラストマー、これらの発泡体などが用いられる。静電容量型センサを用いて小さい荷重を検出するためには、小荷重でも誘電層の厚さの変化が大きいこと、すなわち、誘電層の荷重入力方向のばね定数(=荷重変化量/変形量。以下、単に「ばね定数」と称する。)は小さい方が好ましい。このため、例えば特許文献1に開示されているように、小荷重検出用の誘電層としては、ソリッド体と比べてばね定数の小さい発泡体が用いられることが多い。
As the dielectric layer of the capacitive sensor, resin, elastomer, foamed material thereof, or the like is used. In order to detect a small load using a capacitance type sensor, the change in the thickness of the dielectric layer is large even with a small load, that is, the spring constant in the load input direction of the dielectric layer (= load change amount / deformation amount). Hereinafter, it is simply referred to as “spring constant”). For this reason, for example, as disclosed in
図21に、発泡ウレタンからなる従来の誘電層を厚さ方向に圧縮した時の、圧力−ひずみ曲線の一例を示す。図21中、縦軸は誘電層に加わる圧力、横軸は誘電層のひずみである。本明細書において誘電層の「ひずみ」とは、誘電層を厚さ方向に圧縮した時の、初期(無荷重状態)の厚さ方向の長さd0に対する変形長さΔdの割合である(Δd/d0)。圧力−ひずみ曲線は、いわゆるS−S(応力−ひずみ)曲線に対応する。FIG. 21 shows an example of a pressure-strain curve when a conventional dielectric layer made of urethane foam is compressed in the thickness direction. In FIG. 21, the vertical axis represents the pressure applied to the dielectric layer, and the horizontal axis represents the strain of the dielectric layer. In this specification, the “strain” of the dielectric layer is a ratio of the deformation length Δd to the initial length (no load state) length d 0 when the dielectric layer is compressed in the thickness direction ( Δd / d 0 ). The pressure-strain curve corresponds to a so-called SS (stress-strain) curve.
図21に示すように、従来の誘電層の圧力−ひずみ曲線は、変極点が二箇所ある。このため、圧力に対する変位の挙動が、圧力が小さい領域と大きい領域とで異なる。例えば、ひずみが小さい領域においては、圧力の立ち上がりが大きい。換言すると、圧力が小さい領域においては、ひずみが変化しにくい。つまり変位量が小さい。このように、従来の誘電層によると、圧力が小さい領域では静電容量の変化が小さいため、小荷重を正確に検出することができなかった。 As shown in FIG. 21, the pressure-strain curve of the conventional dielectric layer has two inflection points. For this reason, the behavior of displacement with respect to pressure is different between a region where the pressure is low and a region where the pressure is large. For example, in a region where the strain is small, the pressure rise is large. In other words, the strain hardly changes in the region where the pressure is small. That is, the amount of displacement is small. As described above, according to the conventional dielectric layer, since the change in the capacitance is small in the region where the pressure is small, the small load cannot be accurately detected.
この点、特許文献2には、厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を有する発泡体製の誘電層が開示されている。貫通孔を形成することにより、誘電層全体のばね定数は小さくなるため、小荷重を検出しやすくなる。しかしながら、ばね定数が小さ過ぎると、ある荷重以上において誘電層が潰れきってしまい、それ以上の荷重を検出することができない。また、貫通孔が配置される分だけ誘電層全体としての比誘電率が小さくなる。このため、所望の静電容量を得ようとすると電極面積を大きくする必要がある。この場合、センサ全体における感圧部の数を少なくせざるを得なくなり、高分解能での測定が難しい。
In this regard,
一方、特許文献3には、ソリッド体からなる柱状の誘電層が開示されている。この場合も、誘電層のばね定数は小さくなるため、小荷重を検出しやすくなる。しかしながら、荷重が大きくなると誘電層が潰れてしまうため、大荷重を検出することは難しい。また、柱の高さが極めて小さいため、精度良く作製することが難しく、出力のばらつきを招くおそれがある。
On the other hand,
また、特許文献6には、誘電体構造で分離された第一電極層と第二電極層とを有する静電容量型センサが開示されている。当該誘電体構造においては、第一電極層と第二電極層との間に空隙を形成するために、複数の誘電体要素を互いに離間して配置している。特許文献6に記載されているセンサは、触覚入力装置として用いられるものであり、誘電体要素が所定の荷重により潰れ、さらには倒れることにより、入力者に操作感(触覚フィードバック)を与えることを目的としている。特許文献6に記載されているセンサは、誘電体要素が潰れやすいため、小さな荷重から大きな荷重までを検出するための荷重センサとして不向きである。また、特許文献6の段落[0037]によると、当該センサは、圧力の上昇に伴い、信号強度が線形に上昇する局面と非線形に上昇する局面との二元的局面を有することが記載されている。この特徴は、「圧力に対する変位の挙動が、圧力が小さい領域と大きい領域とで異なる」という本発明の課題にほかならない。 Patent Document 6 discloses a capacitive sensor having a first electrode layer and a second electrode layer separated by a dielectric structure. In the dielectric structure, a plurality of dielectric elements are spaced apart from each other in order to form a gap between the first electrode layer and the second electrode layer. The sensor described in Patent Document 6 is used as a tactile input device, and gives a feeling of operation (tactile feedback) to an input person when a dielectric element is crushed by a predetermined load and further falls. It is aimed. The sensor described in Patent Document 6 is not suitable as a load sensor for detecting a small load to a large load because the dielectric element is easily crushed. Further, according to paragraph [0037] of Patent Document 6, it is described that the sensor has a dual aspect of a state in which the signal intensity increases linearly and a state in which the signal intensity increases nonlinearly with an increase in pressure. Yes. This feature is nothing but the subject of the present invention that “the behavior of displacement with respect to pressure differs between a region where the pressure is low and a region where the pressure is large”.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、荷重検出範囲が広く、特に小荷重を精度良く検出することができる静電容量型センサを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a capacitive sensor that has a wide load detection range and can detect a small load with high accuracy.
上記課題を解決するため、本発明の静電容量型センサは、エラストマー製の誘電層と、該誘電層を厚さ方向に挟んで配置され各々に電極層を有する一対の電極ユニットと、を備え、該電極層が該誘電層を介して対向する部分に感圧部が設定される静電容量型センサであって、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、該静電容量型センサの感度は7.5×10−11F/MPa以上7.5×10−10F/MPa以下であり、該誘電層は次式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足することを特徴とする。
Pk=ε0×S/(d0×a)×{εrk/(1−k)−εr0} ・・・(I)
k:誘電層が厚さ方向に圧縮された時のひずみ[−]
Pk:ひずみkで圧縮された誘電層に加わる圧力[MPa]
S:感圧部における電極面積[m2]
d0:圧縮前の誘電層の厚さ[m]
a:静電容量型センサの感度[F/MPa]
ε0:真空の誘電率[F/m]
εr0:圧縮前の誘電層の比誘電率[−]
εrk:ひずみkで圧縮された時の誘電層の比誘電率[−]
ここで、感圧部における電極面積とは、誘電層を挟んで対向する一対の電極層の面積の合計である。感圧部が複数ある場合には、そのうちの一つあたりの電極面積である。In order to solve the above problems, a capacitive sensor of the present invention includes an elastomeric dielectric layer, and a pair of electrode units each having an electrode layer disposed between the dielectric layer in the thickness direction. A capacitive sensor in which a pressure-sensitive portion is set at a portion where the electrode layer faces through the dielectric layer, and the capacitance sensor is in a pressure range of greater than 0 MPa and less than or equal to 0.015 MPa. The sensitivity is 7.5 × 10 −11 F / MPa or more and 7.5 × 10 −10 F / MPa or less, and the dielectric layer satisfies the pressure-strain curve represented by the following formula (I): To do.
P k = ε 0 × S / (
k: Strain when the dielectric layer is compressed in the thickness direction [-]
P k : Pressure applied to the dielectric layer compressed with strain k [MPa]
S: Electrode area in pressure-sensitive part [m 2 ]
d 0 : thickness of dielectric layer before compression [m]
a: Sensitivity of capacitive sensor [F / MPa]
ε 0 : dielectric constant of vacuum [F / m]
ε r0 : relative dielectric constant [−] of the dielectric layer before compression
ε rk : dielectric constant of the dielectric layer when compressed with strain k [−]
Here, the electrode area in the pressure-sensitive portion is the total area of a pair of electrode layers facing each other with the dielectric layer interposed therebetween. When there are a plurality of pressure-sensitive parts, the electrode area is one of them.
本発明者は、より正確に小荷重を検出可能な誘電層について鋭意研究を重ね、誘電層に必要な理想の圧力−ひずみ曲線を求めた。以下に、上記式(I)で示される理想の圧力−ひずみ曲線の導出方法を説明する。 The present inventor conducted extensive research on a dielectric layer capable of detecting a small load more accurately, and obtained an ideal pressure-strain curve required for the dielectric layer. Below, the derivation | leading-out method of the ideal pressure-strain curve shown by said Formula (I) is demonstrated.
まず、ある圧力で誘電層を圧縮した場合、圧力をPk[MPa]、ひずみをk[−]とすると、静電容量Ck[F]は、次式(a)で示される。
Ck=ε0εrkS/dk ・・・(a)
S:誘電層を挟んで対向する電極面積[m2]
ε0:真空の誘電率[F/m]
εrk:ひずみkで圧縮された時の誘電層の比誘電率[−]
dk:ひずみkで圧縮された時の誘電層の厚さ[m]
ここで、圧縮前の無荷重状態の誘電層の厚さをd0[m]とすると、dk=d0×(1−k)と表せるため、式(a)は次式(b)になる。
Ck=ε0εrkS/{d0×(1−k)} ・・・(b)
次に、センサとして理想的な圧力と静電容量との関係(圧力に対する静電容量の挙動)は、測定したい圧力範囲において、センサの感度が7.5×10−11F/MPa以上7.5×10−10F/MPa以下であり、かつ、圧力に対して静電容量が線形的に変化することである。これらを式で表すと、次式(c)になる。
Ck=a×Pk+b ・・・(c)
a:センサの感度[F/MPa]
ここで、bは無荷重状態(ひずみk=0)の静電容量であるため、圧縮前の無荷重状態の誘電層の比誘電率をεr0[−]とすると、式(a)より、b=ε0εr0S/d0と表せる。これを式(c)に代入すると、次式(d)になる。
Ck=a×Pk+ε0εr0S/d0 ・・・(d)
式(b)、(d)より、次式(e)が導かれる。
ε0εrkS/{d0×(1−k)}=a×Pk+ε0εr0S/d0 ・・・(e)
式(e)を変形すると、次式(f)になる。
Pk=ε0εrkS/{d0×(1−k)×a}−ε0εr0S/(d0×a) ・・・(f)
式(f)式における定数項と変数項とを分けて表すと、上記式(I)になる。
Pk=ε0×S/(d0×a)×{εrk/(1−k)−εr0} ・・・(I)
例えば、誘電層の比誘電率がひずみkによらず一定である場合には、εrk=εr0を式(f)に代入して、次式(g)を得る。
Pk=ε0εr0S/{d0×(1−k)×a}−ε0εr0S/(d0×a)
=ε0εr0S/(d0×a)×1/(1−k)−ε0εr0S/(d0×a) ・・・(g)
式(g)の定数項ε0εr0S/(d0×a)をα、−ε0εr0S/(d0×a)をβとおくと、次式(II)になる(β=−α)。
Pk=α×1/(1−k)+β ・・・(II)
したがって、誘電層の比誘電率がひずみkによらず一定である場合には、上記式(I)は式(II)で表される。First, when the dielectric layer is compressed at a certain pressure, when the pressure is P k [MPa] and the strain is k [−], the capacitance C k [F] is expressed by the following equation (a).
C k = ε 0 ε rk S / d k (a)
S: Area of electrodes facing each other across the dielectric layer [m 2 ]
ε 0 : dielectric constant of vacuum [F / m]
ε rk : dielectric constant of the dielectric layer when compressed with strain k [−]
d k : thickness of dielectric layer when compressed with strain k [m]
Here, when the thickness of the dielectric layer in a no-load state before compression is d 0 [m], d k = d 0 × (1−k) can be expressed. Therefore, the equation (a) is expressed by the following equation (b): Become.
C k = ε 0 ε rk S / {d 0 × (1-k)} (b)
Next, the relationship between the ideal pressure and electrostatic capacity as a sensor (the behavior of the electrostatic capacity with respect to the pressure) is as follows. The sensitivity of the sensor is 7.5 × 10 −11 F / MPa or more in the pressure range to be measured. It is 5 × 10 −10 F / MPa or less and the capacitance changes linearly with respect to pressure. These are expressed by the following formula (c).
C k = a × P k + b (c)
a: Sensor sensitivity [F / MPa]
Here, since b is a capacitance in a no-load state (strain k = 0), when the relative dielectric constant of the dielectric layer in the no-load state before compression is ε r0 [−], from the equation (a), b = ε 0 ε r0 S / d 0 Substituting this into equation (c) yields the following equation (d).
C k = a × P k +
From the equations (b) and (d), the following equation (e) is derived.
ε 0 ε rk S / {d 0 × (1−k)} = a × P k + ε 0 ε r0 S / d 0 (e)
When formula (e) is transformed, the following formula (f) is obtained.
P k = ε 0 ε rk S / {d 0 × (1−k) × a} −ε 0 ε r0 S / (d 0 × a) (f)
When the constant term and the variable term in the formula (f) are separately expressed, the above formula (I) is obtained.
P k = ε 0 × S / (
For example, when the relative dielectric constant of the dielectric layer is constant regardless of the strain k, ε rk = ε r0 is substituted into the equation (f) to obtain the following equation (g).
P k = ε 0 ε r0 S / {
= Ε 0 ε r0 S / (d 0 × a) × 1 / (1-k) −ε 0 ε r0 S / (d 0 × a) (g)
When the constant term ε 0 ε r0 S / (d 0 × a) in equation (g) is α and −ε 0 ε r0 S / (d 0 × a) is β, the following equation (II) is obtained (β = −α).
P k = α × 1 / (1-k) + β (II)
Therefore, when the relative dielectric constant of the dielectric layer is constant regardless of the strain k, the above formula (I) is expressed by the formula (II).
図1に、式(I)で示される圧力−ひずみ曲線のモデル図を示す。図1中、縦軸は誘電層に加わる圧力(Pk)、横軸は誘電層のひずみ(k)である。図1に示すように、式(I)で示される圧力−ひずみ曲線は、従来の誘電層において見られたような、圧力が小さい領域における立ち上がり部分を有さず、広い圧力範囲において単調に増加する。したがって、式(I)の圧力−ひずみ曲線を満足する静電容量型センサは、小荷重から大荷重に至る広範囲の領域で、圧力に対して静電容量が線形的に変化する挙動を示す。すなわち、圧力が小さい領域においても、静電容量の変化が大きいため、小荷重を正確に検出することができる。In FIG. 1, the model figure of the pressure-strain curve shown by Formula (I) is shown. In FIG. 1, the vertical axis represents the pressure (P k ) applied to the dielectric layer, and the horizontal axis represents the strain (k) of the dielectric layer. As shown in FIG. 1, the pressure-strain curve represented by the formula (I) does not have a rising portion in a region where the pressure is low as seen in a conventional dielectric layer, and increases monotonously in a wide pressure range. To do. Therefore, the capacitance type sensor satisfying the pressure-strain curve of the formula (I) exhibits a behavior in which the capacitance changes linearly with respect to pressure in a wide range from a small load to a large load. That is, even in a region where the pressure is small, since the change in capacitance is large, a small load can be accurately detected.
誘電層が式(I)を満足するかどうかの判断は、以下のように行えばよい。まず、0MPaより大きく0.015MPa以下の範囲の複数の圧力で誘電層を圧縮し、個々の圧力に対するひずみを測定する。また、測定されたひずみにおける誘電層の比誘電率を測定する。さらに、誘電層の厚さ方向両面に電極層を配置してセンサを構成し、圧力の変化量に対する静電容量の変化量に基づいてセンサの感度を算出する。次に、測定されたひずみ(k)および誘電層の比誘電率(εrk)、センサの感度(a)、電極面積(S)などを式(I)に代入して、ひずみ(k)に対する圧力(Pk)を計算する。そして、ひずみが同じ値である圧力の実測値(Pm)と計算値(Pc)とを用いて、次式(III)により一致度を算出する。
一致度=圧力の実測値(Pm)/圧力の計算値(Pc) ・・・(III)
ここで、実測値と計算値とが完全に一致すれば、一致度は1になる。両者が乖離すればするほど一致度は1より大きい値または小さい値になる。本発明においては、一致度が0.3以上3.0以下であれば、圧力の実測値と計算値とが一致するとみなす。したがって、複数のひずみの値について算出された一致度のうち、最大値および最小値の両方が0.3以上3.0以下の範囲内である場合には、誘電層は式(I)を満足すると判断する。The determination as to whether the dielectric layer satisfies the formula (I) may be performed as follows. First, the dielectric layer is compressed at a plurality of pressures in the range of greater than 0 MPa and less than or equal to 0.015 MPa, and the strain with respect to each pressure is measured. In addition, the relative dielectric constant of the dielectric layer at the measured strain is measured. Further, the sensor is configured by disposing electrode layers on both sides in the thickness direction of the dielectric layer, and the sensitivity of the sensor is calculated based on the amount of change in capacitance with respect to the amount of change in pressure. Next, the measured strain (k) and relative dielectric constant (ε rk ) of the dielectric layer, sensor sensitivity (a), electrode area (S), etc. are substituted into equation (I), and the strain (k) Calculate the pressure (P k ). Then, the degree of coincidence is calculated by the following formula (III) using the actual measurement value (P m ) and the calculated value (P c ) of the pressure having the same strain.
Consistency = actual measurement value of pressure (P m ) / calculated value of pressure (P c ) (III)
Here, the degree of coincidence becomes 1 if the actual measurement value and the calculated value completely coincide. The more the two deviate from each other, the greater the coincidence value is or a smaller value. In the present invention, if the degree of coincidence is not less than 0.3 and not more than 3.0, it is considered that the measured value of pressure and the calculated value coincide. Therefore, the dielectric layer satisfies the formula (I) when both the maximum value and the minimum value are within the range of 0.3 to 3.0 among the degrees of coincidence calculated for a plurality of strain values. Judge that.
式(I)において、誘電層の比誘電率εr0、εrkは、誘電層の材質および形状により変化する。また、センサの感度aは、誘電層の形状、比誘電率に依存すると考えられる。このため、誘電層の材質および形状、電極面積などを調整することにより、式(I)の圧力−ひずみ曲線を満足させることができる。例えば、誘電層が比較的ばね定数が大きいソリッド体、または高密度の発泡体から形成した場合でも、形状などを工夫して式(I)の圧力−ひずみ曲線を満足させることにより、繰り返し荷重が加わってもへたりにくく、かつ、小荷重を正確に検出可能な静電容量型センサを実現することができる。In the formula (I), the dielectric constants ε r0 and ε rk of the dielectric layer vary depending on the material and shape of the dielectric layer. The sensor sensitivity a is considered to depend on the shape of the dielectric layer and the relative dielectric constant. For this reason, the pressure-strain curve of Formula (I) can be satisfied by adjusting the material and shape of the dielectric layer, the electrode area, and the like. For example, even when the dielectric layer is formed of a solid body having a relatively large spring constant or a high-density foam, the load is repeatedly applied by satisfying the pressure-strain curve of formula (I) by devising the shape and the like. It is possible to realize a capacitance type sensor that is difficult to sag even when applied and that can accurately detect a small load.
1:静電容量型センサ、10:コネクタ、20:誘電層、21:平板部、22:突起部、23:第三誘電層、30:第一電極ユニット、31:第一基材、32:第一複合ユニット、33:第一電極ユニット、34:第一誘電層、35:平板部、36:細線部、40:第二電極ユニット、41:第二基材、42:第二複合ユニット、43:第二電極ユニット、44:第二誘電層、45:平板部、46:細線部、50:誘電層、51:第一誘電層、52:第二誘電層、53:誘電層、54:第一誘電層、55:第二誘電層、60:誘電層、61:平板部、62:波形部、510:平板部、511:帯状柱部、520:平板部、521:帯状柱部、540:平板部、541:細線部、550:平板部、551:細線部、620:突条、01X〜08X:第一電極層、01x〜08x:第一配線層、01Y〜08Y:第二電極層、01y〜08y:第二配線層、D:感圧部。 1: capacitive sensor, 10: connector, 20: dielectric layer, 21: flat plate portion, 22: protrusion, 23: third dielectric layer, 30: first electrode unit, 31: first substrate, 32: First composite unit, 33: first electrode unit, 34: first dielectric layer, 35: flat plate part, 36: fine wire part, 40: second electrode unit, 41: second substrate, 42: second composite unit, 43: second electrode unit, 44: second dielectric layer, 45: flat plate portion, 46: fine wire portion, 50: dielectric layer, 51: first dielectric layer, 52: second dielectric layer, 53: dielectric layer, 54: First dielectric layer, 55: second dielectric layer, 60: dielectric layer, 61: flat plate portion, 62: corrugated portion, 510: flat plate portion, 511: strip-shaped column portion, 520: flat plate portion, 521: strip-shaped column portion, 540 : Flat plate portion, 541: fine wire portion, 550: flat plate portion, 551: fine wire portion, 620: ridge, 01X to 08 : First electrode layer, 01X~08x: first wiring layer, 01Y~08Y: second electrode layer, 01Y~08y: the second wiring layer, D: pressure sensing section.
次に、本発明の静電容量型センサの実施の形態について説明する。 Next, an embodiment of the capacitive sensor of the present invention will be described.
<第一実施形態>
次に、本発明の静電容量型センサの実施の形態について説明する。以下の図においては、上下方向が本発明の誘電層の厚さ方向に対応している。<First embodiment>
Next, an embodiment of the capacitive sensor of the present invention will be described. In the following drawings, the vertical direction corresponds to the thickness direction of the dielectric layer of the present invention.
[静電容量型センサの構成]
まず、本実施形態の静電容量型センサの構成について説明する。図2に、本実施形態の静電容量型センサの透過上面図を示す。図3に、同静電容量型センサの斜視分解図を示す。図4に、同静電容量型センサを構成する誘電層の突起部一つ分の上下方向断面図を示す。なお、説明の便宜上、図3においては、突起部を誇張して示している。[Configuration of capacitive sensor]
First, the configuration of the capacitive sensor of this embodiment will be described. FIG. 2 shows a transparent top view of the capacitive sensor of the present embodiment. FIG. 3 is a perspective exploded view of the capacitance type sensor. FIG. 4 shows a vertical sectional view of one protrusion of the dielectric layer constituting the capacitance type sensor. For convenience of explanation, the protrusions are exaggerated in FIG.
図2、図3に示すように、静電容量型センサ1は、誘電層20と、第一電極ユニット30と、第二電極ユニット40と、コネクタ10と、を備えている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
誘電層20は、ソリッド体のシリコーンゴム製である。誘電層20は、平板部21と、多数の突起部22と、を有している。平板部21は、正方形のシート状を呈している。図4に示すように、平板部21の厚さL1は1mmである。多数の突起部22は、平板部21の上面に突設されている。多数の突起部22は、平板部21の上面全体に略均一に配置されている。多数の突起部22は、全て同じ形状、大きさを有している。すなわち、突起部22は、平板部21に向かって広がる円錐台状を呈している。図4に示すように、突起部22の上底の直径L2は1.8mm、下底の直径L3は2.2mm、高さL4は0.7mmである。
The
第一電極ユニット30は、誘電層20の上側に配置されている。第一電極ユニット30は、第一基材31と、8本の第一電極層01X〜08Xと、8本の第一配線層01x〜08xと、を有している。
The
第一基材31は、熱可塑性ポリウレタン(TPU)製であって、長方形のシート状を呈している。第一基材31の厚さは、0.2mmである。第一基材31の下面には、8本の第一電極層01X〜08Xおよび8本の第一配線層01x〜08xが配置されている。また、第一基材31の下面側には、第一電極層01X〜08Xおよび第一配線層01x〜08xを下側から被覆するように、図示しない第一保護層が配置されている。第一保護層は、シリコーンゴム製であって、第一基材31の大きさと略同じ長方形のシート状を呈している。第一保護層の厚さは0.03mmである。
The
8本の第一電極層01X〜08Xは、各々、アクリルゴムおよび導電性カーボンブラックを含んでいる。第一電極層01X〜08Xは、各々、幅20mmの帯状を呈している。第一電極層01X〜08Xは、各々、左右方向に延在している。第一電極層01X〜08Xは、前後方向に2mmの間隔で離間して互いに平行に配置されている。
The eight
8本の第一配線層01x〜08xは、各々、アクリルゴムおよび銀粉末を含んでいる。8本の第一配線層01x〜08xは、各々、線状を呈しており、8本の第一電極層01X〜08Xと、コネクタ10と、を電気的に接続している。コネクタ10は、図示しない制御装置に電気的に接続されている。
The eight first wiring layers 01x to 08x each contain acrylic rubber and silver powder. The eight first wiring layers 01x to 08x each have a linear shape, and the eight
第二電極ユニット40は、誘電層20の下側に配置されている。第二電極ユニット40の構成は、第一電極ユニット30の構成と同じである。すなわち、第二電極ユニット40は、第二基材41と、8本の第二電極層01Y〜08Yと、8本の第二配線層01y〜08yと、を有している。
The
第二基材41は、TPU製であって、長方形のシート状を呈している。第二基材41の厚さは、0.2mmである。第二基材41の上面には、8本の第二電極層01Y〜08Yおよび8本の第二配線層01y〜08yが配置されている。また、第二基材41の上面側には、第二電極層01Y〜08Yおよび第二配線層01y〜08yを上側から被覆するように、図示しない第二保護層が配置されている。第二保護層は、シリコーンゴム製であって、第二基材41の大きさと略同じ長方形のシート状を呈している。第二保護層の厚さは0.03mmである。
The
8本の第二電極層01Y〜08Yは、各々、アクリルゴムおよび導電性カーボンブラックを含んでいる。第二電極層01Y〜08Yは、各々、幅20mmの帯状を呈している。第二電極層01Y〜08Yは、各々、前後方向に延在している。第二電極層01Y〜08Yは、左右方向に2mmの間隔で離間して互いに平行に配置されている。
The eight
8本の第二配線層01y〜08yは、各々、アクリルゴムおよび銀粉末を含んでいる。8本の第二配線層01y〜08yは、各々、線状を呈しており、8本の第二電極層01Y〜08Yと、コネクタ10と、を電気的に接続している。
The eight
第一基材31および第二基材41の周縁部は、所定の間隔でスポット融着されている。すなわち、第一基材31と第二基材41とは、袋状に貼り合わされている。上方から見て、第一電極層01X〜08Xと第二電極層01Y〜08Yとは格子状に並んでいる。第一電極層01X〜08Xと第二電極層01Y〜08Yとが重複する部分には、複数の感圧部Dが設定されている。感圧部Dは、合計64個設定されている。感圧部D一つあたりの電極面積は、400mm2である。The peripheral portions of the
[静電容量型センサの動き]
次に、本実施形態の静電容量型センサ1の動きについて説明する。まず、静電容量型センサ1に荷重が加わる前(初期状態)に、第一電極層01X〜08Xおよび第二電極層01Y〜08Yに電圧を印加して、感圧部Dごとに静電容量Cを算出する。続いて、静電容量型センサ1に荷重が加わった後も同様に、感圧部Dごとに静電容量Cを算出する。荷重が加わった部分の感圧部Dにおいては、第一電極層と第二電極層との距離が小さくなる。これにより、当該感圧部Dの静電容量Cは、大きくなる。この静電容量Cの変化量ΔCに基づいて、感圧部Dごとの面圧が算出される。このようにして、荷重分布を測定することができる。[Capacitive sensor movement]
Next, the movement of the
詳細は後の実施例において説明するが、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、静電容量型センサ1の感度は3.5×10−10F/MPaである。また、当該圧力範囲における複数のひずみの値について、上記式(III)により算出された一致度のうち、最大値は1.3、最小値は0.6である。したがって、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、誘電層20は上記式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足している。Although details will be described in the following examples, the sensitivity of the
[静電容量型センサの作用効果]
次に、本実施形態の静電容量型センサ1の作用効果について説明する。0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、本実施形態の静電容量型センサ1は所定の感度を有し、誘電層20は上記式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足している。このため、静電容量型センサ1は、圧力が小さい領域においても、圧力に対して静電容量が線形的に変化する挙動を示す。したがって、静電容量型センサ1によると、小荷重を正確に検出することができる。[Effects of capacitive sensor]
Next, the function and effect of the
誘電層20は、比較的ばね定数が大きいソリッド体からなる。このため、繰り返し荷重が加わってもへたりにくい。また、誘電層20は、平板部21と、該平板部の表面に突設される複数の突起部22と、を有している。圧力が加わると、最初に突起部22が圧縮され、その後に平板部21が圧縮される。このため、大荷重の場合には、圧力を受ける面積が増加して、その分だけ圧力が分散される。これにより、誘電層20への負荷が減少し、へたりが抑制される。突起部22は、平板部21に向かって広がる円錐台状を呈している。このため、突起部22は平板部21から引き裂かれて脱離しにくく、座屈しにくい。よって、誘電層20は耐久性に優れる。また、圧力が大きくなるにつれ、突起部22が潰れて、感圧部Dにおける空気層が少なくなる。これにより、比誘電率が大きくなるため、静電容量が大きくなる。したがって、静電容量型センサ1によると、大荷重を感度よく検出することができる。
The
<第二実施形態>
本実施形態の静電容量型センサと第一実施形態の静電容量型センサとは、誘電層の構成のみが相違する。したがって、ここでは相違点を中心に説明する。図5に、本実施形態の静電容量型センサを構成する誘電層の斜視分解図を示す。図6に、同誘電層を構成する第二誘電層の一部分の上下方向断面図を示す。なお、説明の便宜上、図5においては、帯状柱部を誇張して示している。<Second embodiment>
The capacitive sensor of the present embodiment is different from the capacitive sensor of the first embodiment only in the configuration of the dielectric layer. Therefore, the difference will be mainly described here. FIG. 5 shows a perspective exploded view of a dielectric layer constituting the capacitance type sensor of the present embodiment. FIG. 6 is a vertical sectional view of a part of the second dielectric layer constituting the dielectric layer. For convenience of explanation, in FIG. 5, the band-shaped column portion is exaggerated.
図5に示すように、誘電層50は、第一誘電層51と第二誘電層52とからなる。第一誘電層51と第二誘電層52とは、上下方向に積層されている。下側の第二誘電層52は、ソリッド体のシリコーンゴム製である。第二誘電層52は、平板部520と多数の帯状柱部521とを有している。平板部520は、正方形のシート状を呈している。図6に示すように、平板部520の厚さL1は0.3mmである。多数の帯状柱部521は、平板部520の上面に配置されている。多数の帯状柱部521は、各々、四角柱状を呈しており、左右方向に延在している。多数の帯状柱部521は、前後方向に所定の間隔で離間して互いに平行に配置されている。帯状柱部521の大きさは、全て同じである。すなわち、図6に示すように、帯状柱部521の高さL2は1mm、幅L3は1mm、隣接する帯状柱部521同士の間隔L4は6mmである。
As shown in FIG. 5, the
上側の第一誘電層51の構成は、第二誘電層52の構成と同じである。すなわち、第一誘電層51は、ソリッド体のシリコーンゴム製であり、平板部510と多数の帯状柱部511とを有している。
The configuration of the upper first dielectric layer 51 is the same as the configuration of the
第一誘電層51は、第二誘電層52に対して面方向(前後左右方向)に90°回転させた状態で配置されている。よって、誘電層50を上側または下側から見た場合に、第一誘電層51の多数の帯状柱部511と、第二誘電層52の多数の帯状柱部521と、は井桁状に配置されている。
The first dielectric layer 51 is arranged in a state where it is rotated by 90 ° in the plane direction (front / rear / left / right direction) with respect to the
詳細は後の実施例において説明するが、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、本実施形態の静電容量型センサの感度は2.4×10−10F/MPaである。また、当該圧力範囲における複数のひずみの値について、上記式(III)により算出された一致度のうち、最大値は1.5、最小値は0.8である。したがって、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、誘電層50は上記式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足している。Although details will be described in the following examples, the sensitivity of the capacitive sensor of the present embodiment is 2.4 × 10 −10 F / MPa in a pressure range of greater than 0 MPa and less than or equal to 0.015 MPa. Moreover, about the value of the some distortion in the said pressure range, among the coincidence calculated by said Formula (III), the maximum value is 1.5 and the minimum value is 0.8. Therefore, the
このように、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、本実施形態の静電容量型センサは所定の感度を有し、誘電層50は上記式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足している。このため、本実施形態の静電容量型センサによると、小荷重を正確に検出することができる。また、誘電層50を構成する第一誘電層51および第二誘電層52は、いずれも、比較的ばね定数が大きいソリッド体からなる。このため、誘電層50は、繰り返し荷重が加わってもへたりにくい。
Thus, in the pressure range of greater than 0 MPa and less than or equal to 0.015 MPa, the capacitive sensor of the present embodiment has a predetermined sensitivity, and the
誘電層50は、厚さ方向に積層される第一誘電層51と第二誘電層52とからなり、第一誘電層51および第二誘電層52は、いずれも、平板部510、520と、平板部510、520の表面に互いに離間して平行に配置される複数の帯状柱部511、521と、を有し、誘電層50を厚さ方向に透過して見た場合に、第一誘電層51および第二誘電層52は、第一誘電層51の複数の帯状柱部511と、第二誘電層52の複数の帯状柱部521と、が井桁状になるよう配置されている。本実施形態の誘電層50は、線状ではなく点状に圧縮される。このため、帯状柱部511、521の幅が比較的大きくても、小荷重で圧縮される。したがって、所望の感度を維持しつつ、帯状柱部511、521、ひいては誘電層50の耐久性を向上させることができる。また、誘電層50は、使用時に加わるせん断力に対しても耐久性が高い。さらに、誘電層50は、プレス加工、射出成形などにより、比較的容易に製造することができる。
The
<第三実施形態>
本実施形態の静電容量型センサと第一実施形態の静電容量型センサとは、誘電層の構成のみが相違する。したがって、ここでは相違点を中心に説明する。図7に、本実施形態の静電容量型センサを構成する誘電層の斜視図を示す。図8に、同誘電層の突条一つ分の上下方向断面図を示す。なお、説明の便宜上、図7においては、波形部を誇張して示している。<Third embodiment>
The capacitive sensor of the present embodiment is different from the capacitive sensor of the first embodiment only in the configuration of the dielectric layer. Therefore, the difference will be mainly described here. FIG. 7 is a perspective view of a dielectric layer constituting the capacitance type sensor of this embodiment. FIG. 8 shows a vertical cross-sectional view of one protrusion on the dielectric layer. For convenience of explanation, the waveform portion is exaggerated in FIG.
図7に示すように、誘電層60は、発泡ウレタン製である。誘電層60は、平板部61と、波形部62と、を有している。平板部61は、正方形のシート状を呈している。図8に示すように、平板部61の厚さL1は1.1mmである。波形部62は、平板部61の上面に配置されている。波形部62は、多数の突条620から形成されている。多数の突条620は、各々、山型状の断面を有しており、前後方向に延在している。多数の突条620は、左右方向に互いに平行に配置されている。突条620の頂部は曲面状を呈しており、隣接する突条620同士は曲面にて連続している。突条620の大きさは、全て同じである。すなわち、図8に示すように、突条620の高さL2は1.65mm、幅L3は7mmである。
As shown in FIG. 7, the
詳細は後の実施例において説明するが、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、本実施形態の静電容量型センサの感度は5.3×10−10F/MPaである。また、当該圧力範囲における複数のひずみの値について、上記式(III)により算出された一致度のうち、最大値は1.9、最小値は0.6である。したがって、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、誘電層60は上記式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足している。Although details will be described in the following examples, the sensitivity of the capacitive sensor of the present embodiment is 5.3 × 10 −10 F / MPa in the pressure range of greater than 0 MPa and less than or equal to 0.015 MPa. Moreover, about the value of the some distortion in the said pressure range, among the coincidence calculated by said Formula (III), the maximum value is 1.9 and the minimum value is 0.6. Therefore, the
このように、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、本実施形態の静電容量型センサは所定の感度を有し、誘電層60は上記式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足している。このため、本実施形態の静電容量型センサによると、小荷重を正確に検出することができる。また、誘電層60は、比較的ばね定数が小さい発泡体からなる。このため、本実施形態の静電容量型センサは、より小荷重を検出しやすい。
Thus, in the pressure range of greater than 0 MPa and less than or equal to 0.015 MPa, the capacitive sensor of the present embodiment has a predetermined sensitivity, and the
誘電層60は、平板部61と、平板部61の表面に互いに平行に配置される複数の突条620からなる波形部62と、を有している。突条620の頂部は曲面状を呈し、隣接する突条620同士は曲面にて連続している。これにより、感度と耐久性とを両立することができる。
The
<第四実施形態>
本実施形態の静電容量型センサと第一実施形態の静電容量型センサとの主な相違点は、誘電層の構成および製造方法である。したがって、ここでは相違点を中心に説明する。図22に、本実施形態の静電容量型センサの斜視分解図を示す。図23に、図22におけるXXIII−XXIII方向の断面模式図を示す。図24に、第二誘電層の一部分の上下方向断面図を示す。説明の便宜上、図22においては、誘電層の細線部を点線で示している。図23は、第一複合ユニットおよび第二複合ユニットの積層状態の断面を示している。<Fourth embodiment>
The main difference between the capacitive sensor of the present embodiment and the capacitive sensor of the first embodiment is the configuration and manufacturing method of the dielectric layer. Therefore, the difference will be mainly described here. FIG. 22 is an exploded perspective view of the capacitive sensor of this embodiment. FIG. 23 is a schematic cross-sectional view in the XXIII-XXIII direction in FIG. FIG. 24 shows a vertical sectional view of a part of the second dielectric layer. For convenience of explanation, in FIG. 22, the thin line portion of the dielectric layer is indicated by a dotted line. FIG. 23 shows a cross section of the stacked state of the first composite unit and the second composite unit.
図22、図23に示すように、静電容量型センサ1は、第一複合ユニット32と、第二複合ユニット42と、コネクタ10と、を備えている。第一複合ユニット32と第二複合ユニット42とは、上下方向に積層されている。
As shown in FIGS. 22 and 23, the
第一複合ユニット32は、第一電極ユニット33と、第一誘電層34と、を有している。第一誘電層34は、第一電極ユニット33の下側に積層されている。第一電極ユニット33は、第一基材31と、8本の第一電極層01X〜08Xと、8本の第一配線層01x〜08xと、を有している。これらの構成は、第一実施形態と同じであるため、説明を省略する。但し、本実施形態においては、第一電極層01X〜08Xの幅は14mm、隣接する電極層同士の間隔は14mmである。
The first
第一誘電層34は、平板部35と、多数の細線部36と、を有している。平板部35は、シリコーンゴム製であって、第一基材31の大きさと略同じ長方形のシート状を呈している。平板部35は、第一電極層01X〜08Xおよび第一配線層01x〜08xを下側から被覆するように、第一基材31の下側に積層されている。平板部35の厚さは0.03mmである。平板部35は、第一実施形態の第一保護層に相当する。多数の細線部36は、シリコーンゴム製であって、平板部35の下面に配置されている。多数の細線部36は、各々、線状を呈しており、前後方向に延在している。多数の細線部36は、左右方向に所定の間隔で離間して互いに平行に配置されている。多数の細線部36は、第一電極層01X〜08Xと直交するように配置されている。多数の細線部36は、全て同じ形状、大きさを有している。すなわち、細線部36は、台形状の断面を有し、細線部36の高さL2は0.09mm、幅L3は0.4mm、隣接する細線部36同士の間隔L4は2.4mmである(図24参照)。
The first dielectric layer 34 has a
第一電極ユニット33と第一誘電層34とは、印刷法により一体的に製造されている。すなわち、第一複合ユニット32は、第一基材31の下面に、第一電極層01X〜08X、第一配線層01x〜08x、平板部35、多数の細線部36をこの順にスクリーン印刷して、製造されている。
The
第二複合ユニット42の構成は、第一複合ユニット32の構成と同じである。すなわち、第二複合ユニット42は、第二電極ユニット43と、第二誘電層44と、を有している。第二誘電層44は、第二電極ユニット43の上側に積層されている。第二電極ユニット43は、第二基材41と、8本の第二電極層01Y〜08Yと、8本の第二配線層01y〜08yと、を有している。これらの構成は、第一実施形態と同じであるため、説明を省略する。但し、本実施形態においては、第二電極層01Y〜08Yの幅は14mm、隣接する電極層同士の間隔は14mmである。
The configuration of the second
第二誘電層44の構成は、第一誘電層34の構成と同じである。すなわち、第二誘電層44は、平板部45と、多数の細線部46と、を有している。平板部45は、第二電極層01Y〜08Yおよび第二配線層01y〜08yを上側から被覆するように、第二基材41の上側に積層されている。図24に示すように、平板部45の厚さL1は0.03mmである。平板部45は、第一実施形態の第二保護層に相当する。多数の細線部46は、平板部45の上面に配置されている。多数の細線部46は、各々、線状を呈しており、左右方向に延在している。多数の細線部46は、前後方向に所定の間隔で離間して互いに平行に配置されている。多数の細線部46は、第二電極層01Y〜08Yと直交するように配置されている。多数の細線部46は、全て同じ形状、大きさを有している。すなわち、細線部46は、図24に示すように、台形状の断面を有し、細線部46の高さL2は0.09mm、幅L3は0.4mm、隣接する細線部46同士の間隔L4は2.4mmである。
The configuration of the second dielectric layer 44 is the same as the configuration of the first dielectric layer 34. That is, the second dielectric layer 44 has a
第二電極ユニット43と第二誘電層44とは、印刷法により一体的に製造されている。すなわち、第二複合ユニット42は、第二基材41の上面に、第二電極層01Y〜08Y、第二配線層01y〜08y、平板部45、多数の細線部46をこの順にスクリーン印刷して、製造されている。
The
静電容量型センサ1の誘電層は、第一誘電層34および第二誘電層44の積層体である。静電容量型センサ1を上側または下側から見た場合に、第一誘電層34の細線部36と第二誘電層44の細線部36とは、井桁状に配置されており、交差する部分で当接している。
The dielectric layer of the
第一基材31および第二基材41の周縁部は、所定の間隔でスポット融着されている。すなわち、第一基材31と第二基材41とは、袋状に貼り合わされている。第一電極層01X〜08Xと第二電極層01Y〜08Yとが重複する感圧部D一つあたりの電極面積は、196mm2である(前出図2参照)。The peripheral portions of the
詳細は後の実施例において説明するが、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、静電容量型センサ1の感度は7.5×10−10F/MPaである。また、当該圧力範囲における複数のひずみの値について、上記式(III)により算出された一致度のうち、最大値は1.7、最小値は0.9である。したがって、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、誘電層34、44は上記式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足している。Although details will be described in the following examples, the sensitivity of the
このように、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、静電容量型センサ1は所定の感度を有し、誘電層34、44は上記式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足している。このため、静電容量型センサ1によると、小荷重を正確に検出することができる。
Thus, in the pressure range of greater than 0 MPa and less than or equal to 0.015 MPa, the
第一誘電層34は、スクリーン印刷法により第一電極ユニット33と一体的に製造されている。第二誘電層44についても同じである。これにより、誘電層を薄く軽量にすることができる。誘電層を薄くすると、柔軟性を確保しつつセンサの感度を大きくすることができる。このため、ばね定数が比較的大きく硬い材料であっても誘電層の材料として使用することができ、材料選択の幅が広がる。硬い材料を使用すると、圧縮が抑制されへたりにくくなるため、耐久性が向上する。また、印刷法によると、電極層、配線層など同じ一連の工程で誘電層を製造することができる。これにより、電極ユニットと別体で製造する場合と比較して、製造が容易になり、大量生産に適している。加えて、部品点数が少なくなり、誘電層と電極ユニットとを固定する工程も削減することができる。
The first dielectric layer 34 is manufactured integrally with the
第一誘電層34の平板部35と細線部36とは、共にシリコーンゴム製である。第二誘電層44についても同じである。平板部35と細線部36とが同じ材質であるため、密着性が高く、使用時に細線部36が剥がれにくく切断しにくい。よって、第一誘電層34、第二誘電層44は耐久性に優れる。第一誘電層34は細線部36を有し、第二誘電層44も細線部46を有している。これにより、平板部のみから形成した場合と比較して、柔軟性が向上し、小荷重を検出しやすい。
Both the
<第五実施形態>
本実施形態の静電容量型センサと第四実施形態の静電容量型センサとは、誘電層として第三誘電層が追加されている点のみが相違する。したがって、ここでは相違点を中心に説明する。図25に、本実施形態の静電容量型センサの斜視分解図を示す。説明の便宜上、図25においては、誘電層の細線部を点線で示している。<Fifth embodiment>
The capacitive sensor of this embodiment is different from the capacitive sensor of the fourth embodiment only in that a third dielectric layer is added as a dielectric layer. Therefore, the difference will be mainly described here. FIG. 25 is an exploded perspective view of the capacitive sensor of this embodiment. For convenience of explanation, in FIG. 25, the thin line portion of the dielectric layer is indicated by a dotted line.
図25に示すように、静電容量型センサ1は、第一複合ユニット32と、第二複合ユニット42と、第三誘電層23と、コネクタ10と、を備えている。第三誘電層23は、第一複合ユニット32と第二複合ユニット42との間に介装されている。第三誘電層23は、TPU製であって、第一基材31および第二基材41の大きさと略同じ長方形のシート状を呈している。第三誘電層23の厚さは、0.2mmである。静電容量型センサ1の誘電層は、第一誘電層34、第二誘電層44、および第三誘電層23の積層体である。第三誘電層23は、平板部の概念に含まれる。
As shown in FIG. 25, the
詳細は後の実施例において説明するが、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、静電容量型センサ1の感度は3.8×10−10F/MPaである。また、当該圧力範囲における複数のひずみの値について、上記式(III)により算出された一致度のうち、最大値は1.2、最小値は0.6である。したがって、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、誘電層34、23、44は上記式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足している。Although details will be described in the following examples, the sensitivity of the
このように、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、静電容量型センサ1は所定の感度を有し、誘電層34、23、44は上記式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足している。このため、静電容量型センサ1によると、小荷重を正確に検出することができる。
Thus, in the pressure range of greater than 0 MPa and less than or equal to 0.015 MPa, the
第三誘電層23は、シリコーンゴムと比較して硬いTPUからなる。第三誘電層23を介装させることにより、静電容量型センサ1の形状保持性が向上し、しわが生じにくく、取り扱い性が向上する。また、第三誘電層23はTPU製であるのに対して、細線部36、46はシリコーンゴム製である。両者はすべりやすいため、接触時のせん断力による細線部36、46の剥離などは生じにくい。一方、第三誘電層23は、第一電極ユニット33の第一基材31、および第二電極ユニット43の第二基材41と同じ材質である。このため、第三誘電層23、第一基材31、第二基材41の周囲をスポット融着して、容易に固定することができる。
The
例えば、測定対象物が小さい場合、それが細線部36同士の隙間に入り込んでしまい、荷重を正確に検出できない場合がある。しかし、本実施形態のように、対向する細線部36、46の間に平板状の第三誘電層23を介装させると、測定対象物の細線部間への埋入を抑制し、検出精度を向上させることができる。また、第三誘電層23を介装させる分だけ静電容量が小さくなる。これを利用して、静電容量を調整することができる。
For example, when the measurement object is small, it may enter the gap between the
例えば、電極層が長い場合などには、電気抵抗の増加を抑制するために、配線層を電極層の長手方向に延長して配置する場合がある。この場合、配線層が積層される分だけ厚さが大きくなる。よって、平板部35により配線層が充分に被覆されていないと、対向する配線層同士が接触して導通するおそれがある。しかし、本実施形態のように、対向する細線部36、46の間に平板状の第三誘電層23を介装させると、仮に配線層の被覆が充分にされていない場合でも、導通を抑制することができる。
For example, when the electrode layer is long, the wiring layer may be extended in the longitudinal direction of the electrode layer in order to suppress an increase in electrical resistance. In this case, the thickness increases as the wiring layers are stacked. Therefore, if the wiring layer is not sufficiently covered by the
<第六実施形態>
本実施形態の静電容量型センサと第一実施形態の静電容量型センサとの主な相違点は、誘電層の構成である。したがって、ここでは相違点を中心に説明する。図26に、本実施形態の静電容量型センサにおける誘電層の斜視分解図を示す。図27に、同誘電層を構成する第二誘電層の一部分の上下方向断面図を示す。<Sixth embodiment>
The main difference between the capacitive sensor of this embodiment and the capacitive sensor of the first embodiment is the configuration of the dielectric layer. Therefore, the difference will be mainly described here. FIG. 26 is a perspective exploded view of a dielectric layer in the capacitive sensor of this embodiment. FIG. 27 shows a vertical sectional view of a part of the second dielectric layer constituting the dielectric layer.
図26に示すように、誘電層53は、第一誘電層54と第二誘電層55とからなる。第一誘電層54と第二誘電層55とは、上下方向に積層されている。第一誘電層54は、平板部540と、多数の細線部541と、を有している。平板部540は、TPU製であって、第一電極ユニット30を構成する第一基材31の大きさと略同じ長方形のシート状を呈している。平板部540の厚さは0.2mmである。多数の細線部541は、シリコーンゴム製であって、平板部540の下面に配置されている。多数の細線部541は、各々、線状を呈しており、前後方向に延在している。多数の細線部541は、左右方向に所定の間隔で離間して互いに平行に配置されている。多数の細線部541は、第一電極層01X〜08Xと直交するように配置されている。多数の細線部541は、全て同じ形状、大きさを有している。すなわち、細線部541は、台形状の断面を有し、細線部541の高さL2は0.11mm、幅L3は0.4mm、隣接する細線部541同士の間隔L4は2.4mmである(図27参照)。多数の細線部541は、平板部540の下面にスクリーン印刷されている。
As shown in FIG. 26, the
第二誘電層55の構成は、第一誘電層54の構成と同じである。すなわち、第二誘電層55は、平板部550と、多数の細線部551と、を有している。図27に示すように、平板部550の厚さL1は0.2mmである。多数の細線部551は、平板部550の上面に配置されている。多数の細線部551は、各々、線状を呈しており、左右方向に延在している。多数の細線部551は、前後方向に所定の間隔で離間して互いに平行に配置されている。多数の細線部551は、第二電極層01Y〜08Yと直交するように配置されている。細線部551は、全て同じ形状、大きさを有している。すなわち、細線部551は、図27に示すように、台形状の断面を有し、細線部551の高さL2は0.11mm、幅L3は0.4mm、隣接する細線部551同士の間隔L4は2.4mmである。多数の細線部551は、平板部550の上面にスクリーン印刷されている。誘電層53を上側または下側から見た場合に、第一誘電層54の細線部541と第二誘電層55の細線部551とは、井桁状に配置されており、交差する部分で当接している。
The configuration of the
本実施形態においては、第一電極層01X〜08Xの幅は14mm、隣接する電極層同士の間隔は14mmである。第一電極層01X〜08Xと第二電極層01Y〜08Yとが重複する感圧部D一つあたりの電極面積は、196mm2である(前出図2参照)。In the present embodiment, the width of the
詳細は後の実施例において説明するが、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、本実施形態の静電容量型センサの感度は4.5×10−10F/MPaである。また、当該圧力範囲における複数のひずみの値について、上記式(III)により算出された一致度のうち、最大値は1.3、最小値は0.5である。したがって、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、誘電層53は上記式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足している。Although details will be described in the following examples, the sensitivity of the capacitive sensor of the present embodiment is 4.5 × 10 −10 F / MPa in a pressure range greater than 0 MPa and less than or equal to 0.015 MPa. Moreover, about the value of the some distortion | strain in the said pressure range, the maximum value is 1.3 and the minimum value is 0.5 among the coincidence calculated by said Formula (III). Therefore, the
このように、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、本実施形態の静電容量型センサは所定の感度を有し、誘電層53は上記式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足している。このため、本実施形態の静電容量型センサによると、小荷重を正確に検出することができる。
Thus, in the pressure range of greater than 0 MPa and less than or equal to 0.015 MPa, the capacitive sensor of the present embodiment has a predetermined sensitivity, and the
第一誘電層54は、平板部540の下面に多数の細線部541をスクリーン印刷して製造されている。第二誘電層55についても同じである。第四、第五実施形態とは異なり、電極ユニットとは別体の基材上に細線部を印刷する。このため、印刷時の下層による制限がなくなり、誘電層の厚さや材質の選択の幅が広がると共に製造が容易になる。また、下層の凹凸に影響されずに、細線部を寸法精度良く均一に印刷することができる。
The
<その他の形態>
以上、本発明の静電容量型センサの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。<Other forms>
The embodiment of the capacitive sensor of the present invention has been described above. However, the embodiment is not limited to the above embodiment. Various modifications and improvements that can be made by those skilled in the art are also possible.
[誘電層]
誘電層としては、比誘電率が比較的大きいエラストマーまたは熱可塑性エラストマーを用いるとよい。例えば、比誘電率が2.5以上(測定周波数25kHz)のものが好適である。このようなエラストマーとしては、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、イソプレンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、ブチルゴム、スチレン−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、エピクロルヒドリンゴム、クロロプレンゴム、塩素化ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレンなどが挙げられる。また、熱可塑性エラストマーとしては、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、フッ素系、ニトリル系、スチレン系などが挙げられる。なかでも、比誘電率と柔軟性との両方を満足するという理由から、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ヒドリンゴム、アクリルゴムが好適である。また、誘電層が複数の層から構成される場合には、各々の層の材質は同じでも異なっていてもよい。[Dielectric layer]
As the dielectric layer, an elastomer or a thermoplastic elastomer having a relatively high relative dielectric constant may be used. For example, a material having a relative dielectric constant of 2.5 or more (
エラストマーまたは熱可塑性エラストマーは、ソリッド体、発泡体のいずれであってもよい。本明細書における「発泡ウレタン」は、ウレタンゴムの発泡体に含まれる。例えば、柔軟性に優れるという観点では、発泡体が好適である。また、エラストマーとして、ポリロタキサンなどの環動分子を介した架橋構造を有するものを採用してもよい。環動分子は、環状分子と直鎖状分子とを持つ。環状分子は、直鎖状分子に沿って移動することができる。エラストマーのポリマー鎖の少なくとも一部は、環状分子と架橋する。環状分子の移動に伴い、架橋点が移動するため、伸縮を繰り返しても、応力が架橋点に集中しにくい。したがって、環動分子を介した架橋構造を有するエラストマーによると、柔軟性と耐へたり性とを両立した誘電層を実現することができる。 The elastomer or thermoplastic elastomer may be a solid body or a foamed body. The “foamed urethane” in the present specification is included in a foamed urethane rubber. For example, a foam is preferable from the viewpoint of excellent flexibility. Moreover, you may employ | adopt as an elastomer what has a crosslinked structure through ring-moving molecules, such as a polyrotaxane. The ring-moving molecule has a cyclic molecule and a linear molecule. Cyclic molecules can move along linear molecules. At least a portion of the polymer chain of the elastomer crosslinks with the cyclic molecule. As the cyclic molecule moves, the cross-linking point moves, so that stress is less likely to concentrate on the cross-linking point even if the expansion and contraction are repeated. Therefore, according to the elastomer having a cross-linked structure via a ring-moving molecule, a dielectric layer having both flexibility and sag resistance can be realized.
誘電層の形状、厚さなどの寸法は、材質に応じて、静電容量型センサの感度が所定の範囲内になり、かつ、上記式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足するように、適宜決定すればよい。例えば、人の足圧分布や体圧分布(赤ちゃんから成人まで)を測定するという用途、および、センサの装着性、携帯性、設置のしやすさなどを考慮すると、誘電層の厚さを、0.1mm以上にすることが望ましい。より好適な厚さは、0.2mm以上、0.4mm以上、0.5mm以上である。また、誘電層の厚さを、5.0mm以下、さらには3.0mm以下にすることが望ましい。ここで、誘電層の厚さとは、複数の層が積層されている場合にはその合計の厚さである。 The dimensions, such as the shape and thickness of the dielectric layer are such that the sensitivity of the capacitive sensor falls within a predetermined range according to the material and satisfies the pressure-strain curve represented by the above formula (I). It may be determined as appropriate. For example, considering the use of measuring human foot pressure distribution and body pressure distribution (from babies to adults), and sensor mounting, portability, ease of installation, etc., the thickness of the dielectric layer is It is desirable to be 0.1 mm or more. More preferable thickness is 0.2 mm or more, 0.4 mm or more, 0.5 mm or more. The thickness of the dielectric layer is preferably 5.0 mm or less, and more preferably 3.0 mm or less. Here, the thickness of the dielectric layer is the total thickness when a plurality of layers are stacked.
また、上記第四、第五実施形態においては、それ以外の実施形態における電極ユニットの保護層を誘電層の平板部として機能させた。本発明の静電容量型センサにおいては、電極層間に配置されているエラストマー層を、以下のように扱うこととする。すなわち、原則として、電極層間に配置されているエラストマー層は誘電層とみなされる。しかし、電極ユニットとは別に製造された誘電層があり、かつ、一つの電極ユニットにおける当該エラストマー層の厚さが当該誘電層の厚さの1/10より小さい場合には、当該エラストマー層は誘電層とみなされない。例えば、上記第六実施形態においては、一対の電極ユニットの各々に0.03mmの保護層(エラストマー層)が配置されているが、電極ユニットとは別に製造された厚さ0.62mmの誘電層53があり、かつ、一つの電極ユニットにおける保護層の厚さが誘電層53の厚さの1/10より小さいため、一対の電極ユニットのいずれにおいても保護層を誘電層とみなしていない。
In the fourth and fifth embodiments, the protective layer of the electrode unit in the other embodiments functions as a flat plate portion of the dielectric layer. In the capacitive sensor of the present invention, the elastomer layer disposed between the electrode layers is handled as follows. That is, in principle, an elastomer layer disposed between electrode layers is regarded as a dielectric layer. However, if there is a dielectric layer manufactured separately from the electrode unit and the thickness of the elastomer layer in one electrode unit is less than 1/10 of the thickness of the dielectric layer, the elastomer layer is dielectric. Not considered a layer. For example, in the sixth embodiment, a 0.03 mm protective layer (elastomer layer) is disposed on each of the pair of electrode units, but a 0.62 mm thick dielectric layer manufactured separately from the electrode units. 53, and the thickness of the protective layer in one electrode unit is smaller than 1/10 of the thickness of the
上記第一〜第三実施形態においては、平板部に突起部、波形部、または帯状柱部を組み合わせた形態を示した。しかしながら、平板部のみの形態、すなわち、平板状の誘電層であってもよい。誘電層は、少なくとも平板部を有することが望ましい。また、突起部、波形部、帯状柱部などは、上記実施形態に示したように、平板部の厚さ方向一面にのみ配置されていてもよいが、平板部の厚さ方向両面に配置されていてもよい。 In the said 1st-3rd embodiment, the form which combined the projection part, the waveform part, or the strip | belt-shaped column part with the flat plate part was shown. However, only a flat plate portion, that is, a flat dielectric layer may be used. The dielectric layer preferably has at least a flat plate portion. Further, as shown in the above embodiment, the protrusions, corrugations, strip-shaped pillars, etc. may be disposed only on one surface in the thickness direction of the flat plate portion, but are disposed on both surfaces in the thickness direction of the flat plate portion. It may be.
誘電層は、電極ユニットとは別体で製造してもよく、電極ユニットと一体的に製造してもよい。前者の方法としては、プレス加工法、射出成形法、スクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、切削加工法などが挙げられる。後者の方法としては、スクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、インクジェット印刷法、液状射出成形法(ディスペンス法)などが挙げられる。 The dielectric layer may be manufactured separately from the electrode unit or may be manufactured integrally with the electrode unit. Examples of the former method include a pressing method, an injection molding method, a screen printing method, a metal mask printing method, and a cutting method. Examples of the latter method include screen printing, metal mask printing, ink jet printing, and liquid injection molding (dispensing).
エラストマーおよび熱可塑性エラストマーの原料形態は、固形状または液状である。固形状の場合には、プレス加工法を用いたり、溶剤を加えて液状にしてスクリーン印刷法などを用いることができる。一方、液状の場合には、溶剤を加える必要がない。よって、溶剤の乾燥工程を経ることなくそのまま架橋工程で架橋することができ、工程を簡素化することができる。液状のエラストマーとしては、液状シリコーンゴム、液状エチレン−プロピレンゴム、液状エチレン−プロピレン−ジエンゴム、液状アクリルゴム、液状イソプレンゴム、液状ブタジエンゴム、液状クロロプレンゴム、液状スチレン−ブタジエンゴム、液状ニトリルゴム、液状ウレタンゴム、液状ブチルゴムなどが挙げられる。また、液状のエラストマーは、熱だけでなく紫外線などの光によっても架橋することができるため、比較的短時間に架橋体を得ることができる。 The raw material form of the elastomer and the thermoplastic elastomer is solid or liquid. In the case of a solid form, a press working method can be used, or a screen printing method or the like can be used by adding a solvent to form a liquid. On the other hand, when it is liquid, it is not necessary to add a solvent. Therefore, it can bridge | crosslink in a bridge | crosslinking process as it is, without passing through the drying process of a solvent, and a process can be simplified. Liquid elastomers include liquid silicone rubber, liquid ethylene-propylene rubber, liquid ethylene-propylene-diene rubber, liquid acrylic rubber, liquid isoprene rubber, liquid butadiene rubber, liquid chloroprene rubber, liquid styrene-butadiene rubber, liquid nitrile rubber, liquid Examples thereof include urethane rubber and liquid butyl rubber. Moreover, since a liquid elastomer can be crosslinked not only by heat but also by light such as ultraviolet rays, a crosslinked product can be obtained in a relatively short time.
上記第一実施形態においては、平板部に向かって広がる円錐台状の突起部を配置した。この場合、突起部の上底は、平面ではなく曲面であってもよい。また、円錐の傾きは直線的でなくてもよい。例えば、上底や下底付近の傾きを他の部分の傾きより徐々に小さくして、上底や下底付近をR形状にしてもよい。R形状にすることにより、突起部の耐久性が向上する。また、突起部の形状は、円錐台状に限定されず、例えば、角錐台状、円錐状、角錐状などでもよい。角錐台状の場合も、上底は平面でも曲面でもよい。複数の突起部は、第一実施形態に示したように、平板部の表面に所定の間隔で離間して配置してもよく、間隔をあけずに突起部同士が連続するように配置してもよい。複数の突起部を連続して配置することにより、いわゆるプロファイル加工品のように、表面全体に凹凸を付与することができる。 In the first embodiment, the frustoconical protrusions extending toward the flat plate portion are arranged. In this case, the upper base of the protrusion may be a curved surface instead of a flat surface. Further, the inclination of the cone may not be linear. For example, the inclination near the upper base or the lower base may be made gradually smaller than the inclination of other parts, and the vicinity of the upper base or the lower base may be formed into an R shape. By adopting the R shape, the durability of the protrusion is improved. Further, the shape of the protrusion is not limited to the truncated cone shape, and may be, for example, a truncated pyramid shape, a cone shape, or a pyramid shape. In the case of a truncated pyramid shape, the upper base may be a flat surface or a curved surface. As shown in the first embodiment, the plurality of protrusions may be arranged on the surface of the flat plate part at a predetermined interval, or arranged so that the protrusions are continuous with no gap therebetween. Also good. By arranging a plurality of protrusions continuously, the entire surface can be provided with unevenness like a so-called profile processed product.
上記第二実施形態においては、平板部の表面に複数の帯状柱部が配置された二つの誘電層(第一誘電層および第二誘電層)を積層して使用した。しかしながら、第一誘電層および第二誘電層のいずれか一方を使用してもよい。また、帯状柱部の形状も、四角柱状に限定されず、例えば、円柱状、円筒状などでもよい。 In the second embodiment, two dielectric layers (first dielectric layer and second dielectric layer) in which a plurality of strip-shaped column portions are arranged on the surface of the flat plate portion are stacked and used. However, any one of the first dielectric layer and the second dielectric layer may be used. Further, the shape of the belt-like column part is not limited to the rectangular column shape, and may be, for example, a columnar shape or a cylindrical shape.
上記第四〜第六実施形態においては、平板部に多数の細線部が形成された誘電層を使用した。細線部の配置形態、数、寸法などは特に限定されない。上記第四〜第六実施形態においては、細線部を、平板部を介して隣接する電極層と直交するように配置したが、隣接する電極層と平行に配置してもよい。特に、第四、第五実施形態のように、電極層に重ねて誘電層を印刷する場合には、電極層に平行に配置すると、印刷時に下層の凹凸による影響が少なくなり、細線部を精度良く印刷することができる。例えば、電極層が長い場合などには、電気抵抗の増加を抑制するために、配線層を電極層の長手方向に延長して配置する場合がある。この場合、電極層と配線層とが積層されるため、凹凸が大きくなる。また、配線層と誘電層の細線部とが重複する所と重複しない所とで、誘電層の厚さが異なることにより、センサの感度が変化するおそれがある。このような場合には、細線部を電極層に平行に配置するとよい。 In the said 4th-6th embodiment, the dielectric layer in which many thin wire | line parts were formed in the flat plate part was used. The arrangement form, number, dimensions, etc. of the thin wire portions are not particularly limited. In the fourth to sixth embodiments, the thin wire portion is arranged so as to be orthogonal to the adjacent electrode layer via the flat plate portion, but may be arranged parallel to the adjacent electrode layer. In particular, as in the fourth and fifth embodiments, when the dielectric layer is printed over the electrode layer, if it is arranged parallel to the electrode layer, the influence of the unevenness of the lower layer is reduced during printing, and the fine line portion is accurately Can print well. For example, when the electrode layer is long, the wiring layer may be extended in the longitudinal direction of the electrode layer in order to suppress an increase in electrical resistance. In this case, since the electrode layer and the wiring layer are laminated, the unevenness increases. Further, the sensitivity of the sensor may change due to the difference in the thickness of the dielectric layer where the wiring layer and the thin line portion of the dielectric layer overlap. In such a case, it is preferable to arrange the thin line portion parallel to the electrode layer.
細線部の数や寸法は、電極層との関係などを考慮して、測定対象に応じて所望の感度が得られるよう適宜決定すればよい。小さい物の荷重を検出するためには、細線部をできるだけ密に形成するとよい。例えば、上記第四、第五実施形態において、細線部の幅を0.3mm、隣接する細線部同士の間隔を1.1mmに変更することにより、より小さな物の荷重を検出できるようになる。 The number and size of the thin wire portions may be appropriately determined so as to obtain a desired sensitivity according to the measurement object in consideration of the relationship with the electrode layer. In order to detect the load of a small object, the thin line portion should be formed as densely as possible. For example, in the fourth and fifth embodiments, the load of a smaller object can be detected by changing the width of the thin wire portion to 0.3 mm and the interval between adjacent thin wire portions to 1.1 mm.
上記第四、第五実施形態のように、誘電層と電極ユニットとを一体的に製造して、電極層の保護層を誘電層の平板部として機能させることができる。この場合、細線部を保護層(平板部)と同じ材質にすると、密着性が向上し、誘電層、ひいてはセンサの耐久性を向上させることができる。一方、第六実施形態のように、誘電層と電極ユニットとを別体で製造する場合、誘電層の平板部を電極ユニットの基材と同じ材質にすると、平板部と基材とを熱融着により容易に固定することができる。また、上記第五実施形態において追加した第三誘電層についても、電極ユニットの基材と同じ材質にすることにより、基材との熱融着により固定が容易になる。 As in the fourth and fifth embodiments, the dielectric layer and the electrode unit can be manufactured integrally, and the protective layer of the electrode layer can function as a flat plate portion of the dielectric layer. In this case, if the thin wire portion is made of the same material as that of the protective layer (flat plate portion), the adhesion can be improved, and the durability of the dielectric layer and thus the sensor can be improved. On the other hand, when the dielectric layer and the electrode unit are manufactured separately as in the sixth embodiment, if the flat part of the dielectric layer is made of the same material as the base of the electrode unit, the flat part and the base are thermally fused. Can be easily fixed by wearing. In addition, the third dielectric layer added in the fifth embodiment is also easily fixed by thermal fusion with the base material by using the same material as the base material of the electrode unit.
上記第五実施形態においては、第一誘電層を有する第一複合ユニットと、第二誘電層を有する第二複合ユニットと、の間に第三誘電層を介装した。しかし、一方に複合ユニットを配置し、他方に電極ユニットを配置して、それらの間に平板状の誘電層を介装させてもよい。また、第六実施形態の第一誘電層と第二誘電層との間にさらに誘電層を配置してもよい。 In the fifth embodiment, the third dielectric layer is interposed between the first composite unit having the first dielectric layer and the second composite unit having the second dielectric layer. However, a composite unit may be disposed on one side and an electrode unit may be disposed on the other side, and a flat dielectric layer may be interposed therebetween. Further, a dielectric layer may be further disposed between the first dielectric layer and the second dielectric layer of the sixth embodiment.
[第一電極ユニット、第二電極ユニット]
上記実施形態においては、基材に電極層などを形成して電極ユニットとした。しかしながら、誘電層に直接電極層などを形成して電極ユニットとしてもよい。すなわち、誘電層の厚さ方向の両面に、各々、電極層、配線層、保護層などを形成して、電極ユニットとしてもよい。また、上記実施形態においては、電極ユニットに保護層を含めたが、保護層は必ずしも必要ではない。また、電極ユニットにおける電極層および配線層の配置形態は、特に限定されない。すなわち、電極層を任意の大きさ、形状で配置して、一対の電極ユニットを積層方向に透過して見た場合に、誘電層を挟んで電極層が重複することにより、少なくとも一つの感圧部を設定できればよい。[First electrode unit, second electrode unit]
In the above embodiment, an electrode layer or the like is formed on the base material to form an electrode unit. However, an electrode unit or the like may be formed directly on the dielectric layer to form an electrode unit. That is, an electrode unit may be formed by forming an electrode layer, a wiring layer, a protective layer, and the like on both surfaces in the thickness direction of the dielectric layer. Moreover, in the said embodiment, although the protective layer was included in the electrode unit, a protective layer is not necessarily required. Moreover, the arrangement form of the electrode layer and the wiring layer in the electrode unit is not particularly limited. That is, when an electrode layer is arranged in an arbitrary size and shape, and the pair of electrode units are seen through in the stacking direction, the electrode layers overlap with each other across the dielectric layer, so that at least one pressure sensitive It is only necessary to set the part.
基材としては、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリイミド、ポリエチレンなどの樹脂フィルム、シリコーンゴム、ブチルゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、エチレン―プロピレン共重合ゴムなどのエラストマーシート、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系などの熱可塑性エラストマーからなるシート、および当該熱可塑性エラストマー、PET、ナイロンなどからなる伸縮布などが好適である。 Base materials include polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide, polyethylene and other resin films, silicone rubber, butyl rubber, acrylonitrile-butadiene copolymer rubber, elastomer sheet such as ethylene-propylene copolymer rubber, polyurethane Sheets made of thermoplastic elastomers such as polyesters, polyesters, polyamides, polystyrenes, polyolefins, and polyvinyl chlorides, and stretchable fabrics made of such thermoplastic elastomers, PET, nylon, and the like are suitable.
保護層としては、柔軟性や引張永久歪みなどを考慮して、ウレタンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレンなどが好適である。 As a protective layer, in consideration of flexibility and tensile permanent strain, urethane rubber, acrylic rubber, silicone rubber, ethylene-propylene copolymer rubber, natural rubber, styrene-butadiene copolymer rubber, acrylonitrile-butadiene copolymer rubber, Nitrile rubber, hydrogenated nitrile rubber, epichlorohydrin rubber, chlorosulfonated polyethylene, chlorinated polyethylene and the like are suitable.
電極層は、誘電層の変形に追従しやすいという観点から、柔軟で伸縮性を有することが望ましい。例えば、エラストマーおよび導電材を含んで、電極層を形成するとよい。電極層は、エラストマー中に導電材が分散されている態様の他、導電材からなる層とエラストマーからなる層とが積層されている態様でもよい。後者の態様においては、エラストマーの一部が導電材層に含浸していてもよい。 The electrode layer is desirably flexible and stretchable from the viewpoint of easily following the deformation of the dielectric layer. For example, the electrode layer may be formed including an elastomer and a conductive material. The electrode layer may be a mode in which a conductive material layer and an elastomer layer are laminated in addition to a mode in which a conductive material is dispersed in an elastomer. In the latter embodiment, a part of the elastomer may be impregnated in the conductive material layer.
エラストマーとしては、ウレタンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム(ニトリルゴム)、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレンなどが好適である。導電材としては、銀、金、銅、ニッケル、ロジウム、パラジウム、クロム、チタン、白金、鉄、およびこれらの合金などからなる金属粒子、酸化亜鉛、酸化チタンなどからなる金属酸化物粒子、チタンカーボネートなどからなる金属炭化物粒子、銀、金、銅、白金、およびニッケルなどからなる金属ナノワイヤ、導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラファイト、およびグラフェンなどの導電性炭素材料の中から、適宜選択すればよい。これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。 Elastomers include urethane rubber, acrylic rubber, silicone rubber, ethylene-propylene copolymer rubber, natural rubber, styrene-butadiene copolymer rubber, acrylonitrile-butadiene copolymer rubber (nitrile rubber), epichlorohydrin rubber, and chlorosulfonated polyethylene. Chlorinated polyethylene is preferred. Examples of the conductive material include silver, gold, copper, nickel, rhodium, palladium, chromium, titanium, platinum, iron, metal particles made of these alloys, metal oxide particles made of zinc oxide, titanium oxide, etc., titanium carbonate A metal carbide particle composed of silver, gold, copper, platinum, nickel, etc., a conductive carbon material such as conductive carbon black, carbon nanotube, graphite, and graphene may be appropriately selected. . One of these can be used alone, or two or more can be mixed and used.
配線層も、柔軟で伸縮性を有することが望ましい。例えば、エラストマーおよび導電材を含んで、配線層を構成するとよい。配線層は、電極層と電気的に接続されていればよく、電極層の一端部に接続する他、電極層の一端部から所定の長さで延在させて電極層に積層してもよい。 The wiring layer is also preferably flexible and stretchable. For example, the wiring layer may be configured to include an elastomer and a conductive material. The wiring layer only needs to be electrically connected to the electrode layer. In addition to being connected to one end of the electrode layer, the wiring layer may be extended from the one end of the electrode layer to a predetermined length and stacked on the electrode layer. .
エラストマーとしては、電極層と同様に、ウレタンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ニトリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレンなどが好適である。導電材としては、電極層と同様に、金属粒子、金属酸化物粒子、金属炭化物粒子、金属ナノワイヤ、および導電性炭素材料の中から、適宜選択すればよい。これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。 As the elastomer, urethane rubber, acrylic rubber, silicone rubber, ethylene-propylene copolymer rubber, natural rubber, styrene-butadiene copolymer rubber, nitrile rubber, epichlorohydrin rubber, chlorosulfonated polyethylene, chlorine as well as the electrode layer Polyethylene etc. are suitable. As with the electrode layer, the conductive material may be appropriately selected from metal particles, metal oxide particles, metal carbide particles, metal nanowires, and conductive carbon materials. One of these can be used alone, or two or more can be mixed and used.
[静電容量型センサ]
上記実施形態の静電容量型センサにおいては、0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、感度が7.5×10−11F/MPa以上7.5×10−10F/MPa以下であり、誘電層は式(I)を満足する。したがって、測定圧力範囲に0.015MPa以下の荷重領域を含めると、本発明の効果を存分に発揮することができる。なお、本発明の静電容量型センサを、当該圧力範囲より大きい圧力を測定するために使用できることは言うまでもない。[Capacitive sensor]
In the capacitive sensor of the above embodiment, the sensitivity is 7.5 × 10 −11 F / MPa or more and 7.5 × 10 −10 F / MPa or less in a pressure range of greater than 0 MPa and less than or equal to 0.015 MPa. The dielectric layer satisfies the formula (I). Therefore, when the load range of 0.015 MPa or less is included in the measurement pressure range, the effect of the present invention can be fully exhibited. Needless to say, the capacitive sensor of the present invention can be used to measure a pressure larger than the pressure range.
上述したように、誘電層が式(I)を満足するかどうかの判断は、式(III)により算出される一致度が0.3以上3.0以下か否かによりなされる。一致度が0.5以上2.0以下であるとより好適である。一致度が0.5以上2.0以下であると、測定圧力範囲内で感度が一定に近づくため、静電容量から圧力を換算する検量線が実際の現象と合致しやすくなり、測定精度がより向上する。 As described above, whether or not the dielectric layer satisfies the formula (I) is determined by whether or not the degree of coincidence calculated by the formula (III) is 0.3 or more and 3.0 or less. The degree of coincidence is more preferably 0.5 or more and 2.0 or less. If the degree of coincidence is 0.5 or more and 2.0 or less, the sensitivity approaches constant within the measurement pressure range, so the calibration curve for converting the pressure from the capacitance easily matches the actual phenomenon, and the measurement accuracy is improved. More improved.
静電容量型センサは、上記実施形態のまま使用してもよいが、外装カバーに収容して使用してもよい。外装カバーに収容すると、センサが人の体に接触した時の違和感を低減することができる他、安全性、防汚性、意匠性が向上する。外装カバーの材質としては、塩化ビニル、TPUなどの樹脂およびエラストマー、ポリウレタンやポリエステルなどの弾性繊維を用いた伸縮布、エラストマーと伸縮布との積層体などが好適である。 The capacitive sensor may be used as it is in the above embodiment, but may be used by being housed in an exterior cover. When housed in the exterior cover, it is possible to reduce a sense of incongruity when the sensor comes into contact with a human body, and safety, antifouling properties, and design properties are improved. Suitable materials for the exterior cover include resins and elastomers such as vinyl chloride and TPU, elastic fabrics using elastic fibers such as polyurethane and polyester, and laminates of elastomers and elastic fabrics.
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。まず、材質、形状、寸法などが異なる10種類の誘電層を製造した。表1に、製造した10種類の誘電層の詳細を示す。また、表2および表3に、各誘電層におけるひずみに対する比誘電率の値を示す。
[実施例1]
実施例1の誘電層は、上記第一実施形態における誘電層20と同じである(前出図3、図4参照)。すなわち、実施例1の誘電層は平板部と多数の突起部とからなる。平板部は、縦120mm、横120mm、厚さ(L1)1mmの正方形シート状を呈している。円錐台状の突起部の上底の直径(L2)は1.8mm、下底の直径(L3)は2.2mm、高さ(L4)は0.7mmである。[Example 1]
The dielectric layer of Example 1 is the same as the
[実施例2]
実施例2の誘電層は、上記第二実施形態における誘電層50と平板部の厚さを除いて同じである(前出図5、図6参照)。すなわち、実施例2の誘電層は、上下方向に積層された第一誘電層と第二誘電層とからなる。第一誘電層および第二誘電層は、いずれも平板部と多数の帯状柱部とからなる。平板部は、縦120mm、横120mm、厚さ(L1)0.15mmの正方形シート状を呈している。多数の帯状柱部の高さ(L2)は1mm、幅(L3)は1mm、隣接する帯状柱部同士の間隔(L4)は、6mmである。[Example 2]
The dielectric layer of Example 2 is the same as the
[実施例3]
実施例3の誘電層は、上記第二実施形態における誘電層50と同じである(前出図5、図6参照)。すなわち、実施例3の誘電層は、上下方向に積層された第一誘電層と第二誘電層とからなる。第一誘電層および第二誘電層は、いずれも平板部と多数の帯状柱部とからなる。平板部は、縦120mm、横120mm、厚さ(L1)0.3mmの正方形シート状を呈している。多数の帯状柱部の高さ(L2)は1mm、幅(L3)は1mm、隣接する帯状柱部同士の間隔(L4)は、6mmである。[Example 3]
The dielectric layer of Example 3 is the same as the
[実施例4]
実施例4の誘電層は、上記第三実施形態における誘電層60と平板部の厚さおよび突条の寸法を除いて同じである(前出図7、図8参照)。すなわち、実施例4の誘電層は、平板部と波形部とからなる。平板部は、縦120mm、横120mm、厚さ(L1)1.7mmの正方形シート状を呈している。波形部を形成する多数の突条は、上記第三実施形態における突条620よりもなだらかな山型状の断面を有しており、隣接する突条同士は曲面にて連続している。突条の高さ(L2)は1.0mm、幅(L3)は7mmである。[Example 4]
The dielectric layer of Example 4 is the same as that of the
[実施例5]
実施例5の誘電層は、上記第三実施形態における誘電層60と同じである(前出図7、図8参照)。すなわち、実施例5の誘電層は、平板部と波形部とからなる。平板部は、縦120mm、横120mm、厚さ(L1)1.1mmの正方形シート状を呈している。波形部を形成する多数の突条の高さ(L2)は1.65mm、幅(L3)は7mmである。[Example 5]
The dielectric layer of Example 5 is the same as the
[実施例6]
実施例6の誘電層は、発泡ヒドリンゴム製であり、平板状を呈している。実施例6の誘電層の大きさは、縦120mm、横120mm、厚さ2.10mmである。[Example 6]
The dielectric layer of Example 6 is made of foamed hydrin rubber and has a flat plate shape. The size of the dielectric layer of Example 6 is 120 mm long, 120 mm wide, and 2.10 mm thick.
[実施例7]
実施例7の誘電層は、上記第四実施形態における誘電層と同じである(前出図22〜図24参照)。すなわち、実施例7の誘電層は、第一複合ユニットにおける第一誘電層と、第二複合ユニットにおける第二誘電層と、の積層体である。第一誘電層および第二誘電層は、各々、平板部と多数の細線部とからなる。平板部は、縦900mm、横700mm、厚さ(L1)0.03mmの長方形シート状を呈している。多数の細線部の高さ(L2)は0.09mm、幅(L3)は0.4mm、隣接する細線部同士の間隔(L4)は、2.4mmである。[Example 7]
The dielectric layer of Example 7 is the same as the dielectric layer in the fourth embodiment (see FIGS. 22 to 24). That is, the dielectric layer of Example 7 is a laminate of the first dielectric layer in the first composite unit and the second dielectric layer in the second composite unit. Each of the first dielectric layer and the second dielectric layer includes a flat plate portion and a large number of thin wire portions. The flat plate portion has a rectangular sheet shape with a length of 900 mm, a width of 700 mm, and a thickness (L1) of 0.03 mm. The height (L2) of many thin wire | line parts is 0.09 mm, width (L3) is 0.4 mm, and the space | interval (L4) between adjacent thin wire | line parts is 2.4 mm.
[実施例8]
実施例8の誘電層は、上記第五実施形態における誘電層と同じである(前出図25参照)。すなわち、実施例8の誘電層は、第一複合ユニットにおける第一誘電層と、第二複合ユニットにおける第二誘電層と、これらの間に配置された第三誘電層と、の積層体である。第一誘電層および第二誘電層は、各々、平板部と多数の細線部とからなる。平板部は、縦900mm、横700mm、厚さ(L1)0.03mmの長方形シート状を呈している。多数の細線部の高さ(L2)は0.09mm、幅(L3)は0.4mm、隣接する細線部同士の間隔(L4)は、2.4mmである(前出図24参照)。第三誘電層は、縦900mm、横700mm、厚さ0.2mmの長方形シート状を呈している。[Example 8]
The dielectric layer of Example 8 is the same as the dielectric layer in the fifth embodiment (see FIG. 25). That is, the dielectric layer of Example 8 is a laminate of the first dielectric layer in the first composite unit, the second dielectric layer in the second composite unit, and the third dielectric layer disposed therebetween. . Each of the first dielectric layer and the second dielectric layer includes a flat plate portion and a large number of thin wire portions. The flat plate portion has a rectangular sheet shape with a length of 900 mm, a width of 700 mm, and a thickness (L1) of 0.03 mm. The height (L2) of many thin wire | line parts is 0.09 mm, the width (L3) is 0.4 mm, and the space | interval (L4) between adjacent thin wire | line parts is 2.4 mm (refer above-mentioned FIG. 24). The third dielectric layer has a rectangular sheet shape with a length of 900 mm, a width of 700 mm, and a thickness of 0.2 mm.
[実施例9]
実施例9の誘電層は、上記第六実施形態における誘電層53と同じである(前出図26、図27参照)。すなわち、実施例9の誘電層は、上下方向に積層された第一誘電層と第二誘電層とからなる。第一誘電層および第二誘電層は、各々、平板部と多数の細線部とからなる。平板部は、縦900mm、横700mm、厚さ(L1)0.2mmの長方形シート状を呈している。多数の細線部の高さ(L2)は0.11mm、幅(L3)は0.4mm、隣接する細線部同士の間隔(L4)は、2.4mmである。[Example 9]
The dielectric layer of Example 9 is the same as the
[比較例1]
比較例1の誘電層は、発泡ウレタン製であり、平板状を呈している。比較例1の誘電層の大きさは、縦120mm、横120mm、厚さ3.00mmである。[Comparative Example 1]
The dielectric layer of Comparative Example 1 is made of urethane foam and has a flat plate shape. The size of the dielectric layer of Comparative Example 1 is 120 mm long, 120 mm wide, and 3.00 mm thick.
表1中、センサの感度aは、以下のようにして測定した。まず、実施例1〜6、9および比較例1については、上記実施形態と同様に、各誘電層の上面に第一電極ユニット、下面に第二電極ユニットを配置して、静電容量型センサを作製した。実施例7、8については、第一、第二誘電層に電極ユニットが一体化されている。このため、実施例7については、第一複合ユニットと第二複合ユニットとを積層したものを、実施例8については第一複合ユニットと第三誘電層と第二複合ユニットとを積層したものを、静電容量型センサとして使用した。それから、質量0.3kg、86mm角の正方形板状の金属錘を複数個準備した。金属錘の一面には、樹脂板が配置されている。当該一面は、幅20mmの帯状の電極層4本に重なる(感圧部は4×4=16個)。次に、金属錘を、樹脂板が配置されている一面を下にして静電容量型センサに載せ、中央4か所の感圧部の静電容量を測定した。続いて、金属錘の個数を増加して圧力を変化させながら、同4か所の静電容量を測定した。測定された4か所の静電容量の平均値を算出し、当該平均値をその圧力に対する静電容量とした。そして、圧力の変化量に対する静電容量の変化量からセンサの感度aを算出した。 In Table 1, the sensitivity a of the sensor was measured as follows. First, in Examples 1 to 6, 9 and Comparative Example 1, as in the above embodiment, the first electrode unit is disposed on the upper surface of each dielectric layer, and the second electrode unit is disposed on the lower surface. Was made. In Examples 7 and 8, the electrode unit is integrated with the first and second dielectric layers. Therefore, for Example 7, the first composite unit and the second composite unit are stacked, and for Example 8, the first composite unit, the third dielectric layer, and the second composite unit are stacked. Used as a capacitive sensor. Then, a plurality of square plate-shaped metal weights having a mass of 0.3 kg and an 86 mm square were prepared. A resin plate is disposed on one surface of the metal weight. The one surface overlaps four belt-like electrode layers having a width of 20 mm (4 × 4 = 16 pressure-sensitive portions). Next, the metal weight was placed on the capacitance type sensor with one surface on which the resin plate was placed facing down, and the capacitance of the pressure sensitive portions at the four central locations was measured. Subsequently, the capacitance at the four locations was measured while increasing the number of metal weights and changing the pressure. The average value of the measured capacitances at four locations was calculated, and the average value was defined as the capacitance with respect to the pressure. Then, the sensitivity a of the sensor was calculated from the amount of change in capacitance with respect to the amount of change in pressure.
式(I)の定数項の算出に必要な真空の誘電率ε0は、8.85×10−12[F/m]とした。表2に示した比誘電率は、実施例1〜6、比較例1については、誘電層をサンプルホルダー(ソーラトロン社製、12962A型)に設置し、誘電率測定インターフェイス(同社製、1296型)および周波数応答アナライザー(同社製、1255B型)を併用して測定した。比誘電率は、誘電層に与えるひずみを変化させながら測定した。測定周波数は25kHz、測定電圧は1Vとした。The dielectric constant ε 0 of the vacuum necessary for calculating the constant term of the formula (I) was 8.85 × 10 −12 [F / m]. The relative dielectric constants shown in Table 2 are as follows. For Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, the dielectric layer was placed in a sample holder (Solartron, type 12962A), and the dielectric constant measurement interface (made by the company, type 1296) And a frequency response analyzer (manufactured by the company, model 1255B). The relative dielectric constant was measured while changing the strain applied to the dielectric layer. The measurement frequency was 25 kHz and the measurement voltage was 1V.
実施例7〜9については、誘電層の厚さが小さいため、電極ユニットが一体化された状態で以下のようにして比誘電率を測定した。図28に、比誘電率の測定装置の概略図を示す。図28に示すように、測定対象の試料71はアクリル樹脂製の台座70の上に配置されている。試料71は、誘電層の上下両側に電極ユニットが一体化されている積層体(静電容量型センサ)であり、感圧部1つが含まれる。試料71の上下電極層は、各々、誘電率測定装置75に接続されている。誘電率測定装置75としては、上述した誘電率測定インターフェイスおよび周波数応答アナライザーを使用した(測定周波数25kHz、測定電圧1V)。試料71の上面には、試料71への圧力負荷面積を一定にするための第一アクリル板72が配置され、さらにその上には第二アクリル板73が配置されている。第二アクリル板73は、後述する変位量の測定と圧力付加条件を同じにするために配置した。これにより、試料71には0.00027MPaの圧力が加わっている。この状態(錘74を載せない状態)を誘電層のひずみ0として、第二アクリル板73の上に種々の質量の錘74を載せ、誘電層に加わる圧力を増加させながら比誘電率を測定した。得られた圧力−比誘電率のデータに、後述するレーザ変位計により得られた圧力−ひずみのデータを組み合わせて、ひずみ−比誘電率のデータを得た。
In Examples 7 to 9, since the thickness of the dielectric layer was small, the relative dielectric constant was measured as follows with the electrode unit integrated. FIG. 28 shows a schematic diagram of a relative dielectric constant measuring apparatus. As shown in FIG. 28, the
実施例9については、一対の電極ユニットの保護層が誘電層に積層された状態で比誘電率を測定した。このため、測定された比誘電率は、誘電層のみの比誘電率とは異なる。したがって、測定された比誘電率を補正して、誘電層の比誘電率として使用した。補正式としては、次式(i)を使用した。上記表3には、次式(i)により算出したεr2を、補正した誘電層の比誘電率εrk’として示す。補正式は、以下の手法により導出した。For Example 9, the relative dielectric constant was measured in a state where the protective layer of the pair of electrode units was laminated on the dielectric layer. For this reason, the measured dielectric constant is different from the dielectric constant of only the dielectric layer. Therefore, the measured dielectric constant was corrected and used as the dielectric constant of the dielectric layer. As a correction formula, the following formula (i) was used. In Table 3 above, ε r2 calculated by the following equation (i) is shown as the relative dielectric constant ε rk ′ of the corrected dielectric layer. The correction formula was derived by the following method.
まず、積層されている保護層と誘電層とを直列接続されたコンデンサとみなすと、全体の静電容量Cは保護層の静電容量C1と誘電層の静電容量C2とから次式(h)で表すことができる。
1/C=1/C1+1/C2+1/C1 ・・・(h)
式(h)に、平板コンデンサの関係式C=ε0εrS/dを代入して整理すると、次式(i)が得られる。
εr2=d2/(d/εr−2×d1/εr1) ・・・(i)
ここで、εrは全体の比誘電率(測定された誘電率)、εr1は保護層の比誘電率(3.2)、εr2は誘電層の比誘電率、dは全体(保護層+誘電層+保護層)の厚さ、d1は保護層の厚さ(0.03mm:一定値とみなす)、d2は誘電層の厚さである。前述した通りd2は、初期厚さをd0、ひずみをkとすると、d2=d0×(1−k)で表される。First, assuming that the laminated protective layer and dielectric layer are capacitors connected in series, the total capacitance C is calculated from the capacitance C 1 of the protective layer and the capacitance C 2 of the dielectric layer as follows: (H).
1 / C = 1 / C 1 + 1 / C 2 + 1 / C 1 (h)
Substituting the relational expression C = ε 0 ε r S / d for the plate capacitor into the equation (h) and rearranging, the following equation (i) is obtained.
ε r2 = d 2 / (d / ε r -2 × d 1 / ε r1 ) (i)
Here, ε r is the relative permittivity of the whole (measured permittivity), ε r1 is the relative permittivity of the protective layer (3.2), ε r2 is the relative permittivity of the dielectric layer, and d is the overall (protective layer) + Dielectric layer + protective layer), d 1 is the thickness of the protective layer (0.03 mm: regarded as a constant value), and d 2 is the thickness of the dielectric layer. As described above, d 2 is represented by d 2 = d 0 × (1−k) where d 0 is the initial thickness and k is the strain.
10種類の誘電層について、荷重に対する変位量を測定し、圧力−ひずみ曲線を作成した。実施例1〜6および比較例1については、ロードセルを使用した。実施例7〜9については、比誘電率の測定と同様に、電極ユニットが一体化された状態で以下のようにして変位量を測定した。図29に、変位量の測定装置の概略図を示す。図29中、図28と同じ部材は同じ符号で示す。図29に示すように、試料71の上面には、下から順に第一アクリル板72、第二アクリル板73が配置されている。第二アクリル板73は透明であり、その右端下面には、レーザ変位計77から照射されるレーザ光(図中点線で示す)を受光する受光部76が配置されている。図示しないが、レーザー変位計77は、センサヘッド(KEYENCE社製「LK−G10」)、コントローラ(同社製「LK−G3000V」)、電源供給装置(同社製「MS2−H50」)から構成されている。錘74を載せない初期状態において、試料71には0.00027MPaの圧力が加わっている。この状態を誘電層のひずみ0として、第二アクリル板73の上に種々の質量の錘74を載せ、誘電層に加わる圧力を増加させながら変位量を測定した。なお、試料71には、誘電層の他に電極層を形成するためのTPU製の基材が含まれるが、当該基材の変位は無いものとみなし、測定された変位量は全て誘電層の変位量とした。
About 10 types of dielectric layers, the displacement amount with respect to a load was measured and the pressure-strain curve was created. For Examples 1 to 6 and Comparative Example 1, a load cell was used. About Examples 7-9, the displacement amount was measured as follows in the state which integrated the electrode unit similarly to the measurement of a dielectric constant. FIG. 29 is a schematic diagram of a displacement measuring device. 29, the same members as those in FIG. 28 are denoted by the same reference numerals. As shown in FIG. 29, on the upper surface of the
図9に、実施例1〜6および比較例1の誘電層において実測された圧力−ひずみ曲線をまとめて示す。図30に、実施例7〜9および比較例1の誘電層において実測された圧力−ひずみ曲線をまとめて示す。図9、図30に示すように、比較例の誘電層の圧力−ひずみ曲線には変極点が二箇所あるのに対して、実施例の誘電層の圧力−ひずみ曲線は、ほぼ単調に増加している。 FIG. 9 collectively shows the pressure-strain curves actually measured in the dielectric layers of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1. In FIG. 30, the pressure-strain curve measured in the dielectric layer of Examples 7-9 and the comparative example 1 is shown collectively. As shown in FIGS. 9 and 30, the pressure-strain curve of the dielectric layer of the comparative example has two inflection points, whereas the pressure-strain curve of the dielectric layer of the example increases almost monotonously. ing.
次に、10種類の誘電層について、式(I)により圧力−ひずみ曲線(計算線)を作成し、図9、図30に示した実測の圧力−ひずみ曲線とを比較した。図10に、実施例1の誘電層における計算線と実測値とを合わせて示す。図11に、実施例2の誘電層における計算線と実測値とを合わせて示す。図12に、実施例3の誘電層における計算線と実測値とを合わせて示す。図13に、実施例4の誘電層における計算線と実測値とを合わせて示す。図14に、実施例5の誘電層における計算線と実測値とを合わせて示す。図15に、実施例6の誘電層における計算線と実測値とを合わせて示す。図16に、比較例1の誘電層における計算線と実測値とを合わせて示す。図31に、実施例7の誘電層における計算線と実測値とを合わせて示す。図32に、実施例8の誘電層における計算線と実測値とを合わせて示す。図33に、実施例9の誘電層における計算線と実測値とを合わせて示す。 Next, pressure-strain curves (calculation lines) were created for the 10 types of dielectric layers according to the formula (I), and the measured pressure-strain curves shown in FIGS. 9 and 30 were compared. In FIG. 10, the calculation line and the measured value in the dielectric layer of Example 1 are shown together. In FIG. 11, the calculation line and the measured value in the dielectric layer of Example 2 are shown together. In FIG. 12, the calculation line and measured value in the dielectric layer of Example 3 are shown together. FIG. 13 shows the calculation lines and measured values in the dielectric layer of Example 4 together. In FIG. 14, the calculation line and measured value in the dielectric layer of Example 5 are shown together. In FIG. 15, the calculation line and the measured value in the dielectric layer of Example 6 are shown together. In FIG. 16, the calculation line and the measured value in the dielectric layer of Comparative Example 1 are shown together. In FIG. 31, the calculation line and measured value in the dielectric layer of Example 7 are shown together. In FIG. 32, the calculation line in the dielectric layer of Example 8 and the measured value are shown together. In FIG. 33, the calculation line and measured value in the dielectric layer of Example 9 are shown together.
図10〜図15、図31〜図33に示すように、実施例の誘電層によると、0.015MPa以下の荷重領域において、実測された圧力−ひずみ曲線は、計算された式(I)の圧力−ひずみ曲線に近似していることがわかる。 As shown in FIG. 10 to FIG. 15 and FIG. 31 to FIG. 33, according to the dielectric layer of the example, in the load region of 0.015 MPa or less, the actually measured pressure-strain curve is represented by the calculated formula (I). It can be seen that it approximates the pressure-strain curve.
さらに、各誘電層が式(I)を満足するか否かを判断するため、式(III)により一致度を算出した。図17に、実施例1〜6および比較例1の誘電層の一致度を、実測された圧力に対してプロットしたグラフを示す。図34に、実施例7〜9の誘電層の一致度を、実測された圧力に対してプロットしたグラフを示す。図17、図34に示すように、実施例の誘電層の一致度は、0.015MPa以下の圧力範囲において、0.3以上3.0以下の範囲内、さらには0.5以上2.0以下の範囲内であった。一方、比較例の誘電層の一致度は3.0を大幅に超えた。これにより、実施例の誘電層は、式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足することが確認された。 Further, in order to judge whether each dielectric layer satisfies the formula (I), the degree of coincidence was calculated by the formula (III). In FIG. 17, the graph which plotted the coincidence degree of the dielectric layer of Examples 1-6 and the comparative example 1 with respect to the actually measured pressure is shown. FIG. 34 shows a graph in which the degree of coincidence of the dielectric layers of Examples 7 to 9 is plotted against the actually measured pressure. As shown in FIGS. 17 and 34, the degree of coincidence of the dielectric layers of the examples is within the range of 0.3 or more and 3.0 or less, and further 0.5 or more and 2.0 in the pressure range of 0.015 MPa or less. Within the following range. On the other hand, the degree of coincidence of the dielectric layer of the comparative example greatly exceeded 3.0. Thereby, it was confirmed that the dielectric layer of an Example satisfy | fills the pressure-strain curve shown by Formula (I).
次に、10種類の誘電層を用いて静電容量型センサを作製し、荷重に対するセンサの出力を測定した。静電容量型センサの構成は、誘電層に応じた上記実施形態と同じである。作製した静電容量型センサについては、使用した誘電層の番号に対応させて、実施例1〜9、比較例1と番号付けした。図18に、実施例1〜3の静電容量型センサの出力をグラフで示す。図19に、実施例4〜6の静電容量型センサの出力をグラフで示す。図20に、比較例1の静電容量型センサの出力をグラフで示す。図35に、実施例7〜9の静電容量型センサの出力をグラフで示す。 Next, a capacitive sensor was manufactured using 10 types of dielectric layers, and the output of the sensor with respect to the load was measured. The configuration of the capacitive sensor is the same as that of the above-described embodiment corresponding to the dielectric layer. The produced capacitive sensors were numbered as Examples 1 to 9 and Comparative Example 1 in correspondence with the numbers of the dielectric layers used. In FIG. 18, the output of the capacitive sensor of Examples 1-3 is shown with a graph. In FIG. 19, the output of the capacitive sensor of Examples 4-6 is shown with a graph. FIG. 20 is a graph showing the output of the capacitive sensor of Comparative Example 1. In FIG. 35, the output of the capacitive sensor of Examples 7-9 is shown with a graph.
図20に示すように、式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足しない比較例の静電容量型センサにおいては、0.002MPa付近までの静電容量の値が小さく、変化も少ない。これに対して、図18、図19、図35に示すように、実施例の静電容量型センサにおいては、圧力に対して静電容量がほぼ線形的に変化しており、0.002MPa以下の小荷重を精度良く測定できることが確認された。 As shown in FIG. 20, in the capacitance type sensor of the comparative example that does not satisfy the pressure-strain curve represented by the formula (I), the capacitance value up to about 0.002 MPa is small and the change is small. On the other hand, as shown in FIGS. 18, 19, and 35, in the capacitance type sensor of the example, the capacitance changes almost linearly with respect to the pressure, and is 0.002 MPa or less. It was confirmed that the small load can be measured with high accuracy.
Claims (9)
0MPaより大きく0.015MPa以下の圧力範囲において、該静電容量型センサの感度は7.5×10−11F/MPa以上7.5×10−10F/MPa以下であり、該誘電層は次式(I)で示される圧力−ひずみ曲線を満足することを特徴とする静電容量型センサ。
Pk=ε0×S/(d0×a)×{εrk/(1−k)−εr0} ・・・(I)
k:誘電層が厚さ方向に圧縮された時のひずみ[−]
Pk:ひずみkで圧縮された誘電層に加わる圧力[MPa]
S:感圧部における電極面積[m2]
d0:圧縮前の誘電層の厚さ[m]
a:静電容量型センサの感度[F/MPa]
ε0:真空の誘電率[F/m]
εr0:圧縮前の誘電層の比誘電率[−]
εrk:ひずみkで圧縮された時の誘電層の比誘電率[−]A dielectric layer made of an elastomer, and a pair of electrode units arranged with the dielectric layer sandwiched in the thickness direction and having an electrode layer on each of the dielectric layers, and pressure sensitive to a portion where the electrode layer faces through the dielectric layer A capacitive sensor in which a part is set,
In a pressure range greater than 0 MPa and less than or equal to 0.015 MPa, the sensitivity of the capacitive sensor is 7.5 × 10 −11 F / MPa to 7.5 × 10 −10 F / MPa, and the dielectric layer is A capacitance type sensor satisfying a pressure-strain curve represented by the following formula (I):
P k = ε 0 × S / (d 0 × a) × {ε rk / (1-k) -ε r0} ··· (I)
k: Strain when the dielectric layer is compressed in the thickness direction [-]
P k : Pressure applied to the dielectric layer compressed with strain k [MPa]
S: Electrode area in pressure-sensitive part [m 2 ]
d 0 : thickness of dielectric layer before compression [m]
a: Sensitivity of capacitive sensor [F / MPa]
ε 0 : dielectric constant of vacuum [F / m]
ε r0 : relative dielectric constant [−] of the dielectric layer before compression
ε rk : dielectric constant of the dielectric layer when compressed with strain k [−]
該第一誘電層および該第二誘電層は、いずれも、平板部と、該平板部の表面に互いに離間して平行に配置される複数の帯状柱部と、を有し、
該誘電層を厚さ方向に透過して見た場合に、該第一誘電層および該第二誘電層は、該第一誘電層の複数の該帯状柱部と、該第二誘電層の複数の該帯状柱部と、が井桁状になるよう配置される請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の静電容量型センサ。The dielectric layer comprises a first dielectric layer and a second dielectric layer laminated in the thickness direction,
Each of the first dielectric layer and the second dielectric layer has a flat plate portion and a plurality of strip-shaped column portions that are arranged in parallel and spaced from each other on the surface of the flat plate portion,
When viewed through the dielectric layer in the thickness direction, the first dielectric layer and the second dielectric layer include a plurality of the strip-shaped column portions of the first dielectric layer and a plurality of the second dielectric layers. The capacitive sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the belt-like column portion is arranged so as to have a cross beam shape.
該第一電極ユニットにおいて、前記電極層は互いに平行に並ぶ複数の第一電極層からなり、該第二電極ユニットにおいて、前記電極層は互いに平行に並ぶ複数の第二電極層からなり、
該第一電極ユニット、前記誘電層、および該第二電極ユニットを積層方向に透過して見た場合に、複数の該第一電極層と複数の該第二電極層とは、互いに交差する方向に延在し、複数の該第一電極層と複数の該第二電極層とが重複する部分に複数の前記感圧部が設定される請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の静電容量型センサ。The electrode unit disposed on one side in the thickness direction of the dielectric layer is a first electrode unit, and the electrode unit disposed on the other side in the thickness direction of the dielectric layer is a second electrode unit.
In the first electrode unit, the electrode layer comprises a plurality of first electrode layers arranged in parallel with each other, and in the second electrode unit, the electrode layer comprises a plurality of second electrode layers arranged in parallel with each other,
A direction in which the plurality of first electrode layers and the plurality of second electrode layers intersect each other when the first electrode unit, the dielectric layer, and the second electrode unit are seen through in the stacking direction. The static pressure according to any one of claims 1 to 8, wherein a plurality of the pressure-sensitive portions are set at a portion that extends to the portion where the plurality of first electrode layers and the plurality of second electrode layers overlap. Capacitive sensor.
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