KR20170074914A - 정전 용량형 센서 - Google Patents

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capacitance
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히데오 오타카
마사야 요네자와
유스케 벳쇼
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반도 카가쿠 가부시키가이샤
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Abstract

사용 환경에 의한 정전 용량 측정값의 변동이 작은 정전 용량형 센서를 제공하는 것을 목적으로 하고, 본 발명의 정전 용량형 센서는, 중앙 전극층, 상기 중앙 전극층 상면에 적층된 제1 유전층, 상기 중앙 전극층 하면에 적층된 제2 외측 전극층, 상기 제1 유전층의 상기 중앙 전극층측과 반대측 면에 형성된 제1 외측 전극층, 상기 제2 유전층의 상기 중앙 전극층측과 반대측 면에 형성된 제2 외측 전극층을 포함하고, 상기 제1 유전층 및 상기 제2 유전층은 엘라스토머제이고 상기 중앙 전극층 및 상기 제1 외측 전극층이 대향하는 부분을 제1 검출부, 상기 중앙 전극층 및 상기 제2 외측 전극층이 대향하는 부분을 제2 검출부로 하고 가역적으로 변형가능하고 또한 변형에 따라 상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부의 정전 용량이 변화되는 센서 시트와 계측기를 구비하고, 상기 제1 검출부의 정전 용량과 상기 제2 검출부의 정전 용량을 가산한 합계 정전 용량에 따라 상기 센서 시트의 변형 상태를 계측한다.

Description

정전 용량형 센서{CAPACITANCE SENSOR}
본 발명은 정전 용량형 센서에 관한 것이다.
정전 용량형 센서는 유전층을 사이에 두고 대향하게 배치된 한 쌍의 전극층간의 정전 용량 변화에서 측정 대상물의 요철 형상등을 검출할 수 있는 센서이다.
일반적으로 정전 용량형 센서에서의 정전 용량(커패시턴스)은 이하의 식(1)으로 표시된다.
C=ε0εrS/d… (1)
여기서 C는 커패시턴스, ε0은 자유공간의 유전율, εr은 유전층의 비유전율, S는 전극층 면적, d는 전극간 거리이다.
또 특허 문헌 1에는 엘라스토머제의 유전층과 이 유전층의 표면(겉면) 및 배측 각각에 형성된 표측 전극층 및 배측 전극층을 구비한 정전 용량형 센서 시트가 기재되어 있다. 이 정전 용량형 센서 시트에 있어서 유전층은 엘라스토머제이기 때문에 반복 신축 변형하는 것이 가능하다. 또 이 정전 용량형 센서 시트에 있어서 각 전극층은 카본 나노튜브를 포함하기 때문에 유전층 변형에 추종해서 변형하는 것이 가능하다.
따라서 특허 문헌 1에 기재된 정전 용량형 센서 시트는 측정 대상물이 유연하고 신장도가 큰 측정 대상물이라도 측정 대상물의 변형이나 동작에 추종해서 변형할 수 있고, 이 변형에 의해 정전 용량이 변화하게 된다.
일본국 특허 공개 2014-81355호 공보
한편 종래의 정전 용량 센서는 상술한 바와 같이 유전층과 그 양면에 설치된 전극층으로 이루어지는 콘덴서 구조를 구비하고 있고, 사용 환경에 따라 정전 용량의 측정값이 변동하는 경우가 있었다.
예를 들면 전극층이 노출되어 있는 경우에는 이 전극층이 도체와 접촉하였을 때에 정전 용량의 측정값이 크게 변동하게 되었다.
따라서 특허 문헌 1에서는 전극층과 외부 부재의 도통을 억제하기 위해 보호층을 설치하는 것이 제안되어 있다.
그러나 특허 문헌 1에서 제안된 바와 같은 측정 대상물의 변형이나 동작에 추종해서 변형하는 것을 전제로 하는 정전 용량형 센서에서는 센서 시트의 유연성(가변형성)을 확보하기 위해 보호층을 설치하더라도 보호층의 두께를 얇게 하지 않으면 안된다.
그리고 보호층의 두께가 얇은 경우에는 사용 환경에 의한 정전 용량 측정값의 변동을 충분히 억제할 수 없는 경우가 있었다.
본 발명자들의 검토에 의하면 전자 노이즈나 상용 전원에 의한 전원 노이즈 등의 전자파 노이즈가 계측기에 침입하면 정전 용량의 측정값이 변동하는 것이 확인되고 있다. 예를 들면 정전 용량형 센서 시트를 사용할 때에 상용 전원등이 근처에 있으면 정확하게 정전 용량을 측정할 수 없는 경우가 있는 것이 명백해져 있다.
또 특허 문헌 1에 기재된 바와 같은 유전층의 양면에 전극층(표측 전극층 및 배측 전극층)이 적층된 센서 시트를 사용하는 경우에는 전기적으로 접속된 도체가 각 전극층에 근접한 경우(즉 표측 전극층 및 배측 전극층 각각에 도체가 근접하고 또한 표측 전극층의 근접한 전극과 배측 전극층에 근접한 도체가 전기적으로 접속되어 있는 경우)에는 계측되는 정전 용량의 측정값이 커지는 것도 명백해져 있다.
본 발명은 이와 같은 사정에 감안해서 이루어진 것으로, 그 목적은 사용 환경에 의한 정전 용량의 측정값 변동이 작은 정전 용량형 센서를 제공함에 있다.
본 발명의 정전 용량형 센서는
중앙 전극층,
상기 중앙 전극층 상면에 적층된 제1 유전층,
상기 중앙 전극층 하면에 적층된 제2 유전층,
상기 제1 유전층의 상기 중앙 전극층측과 반대측 면에 형성된 제1 외측 전극층,
상기 제2 유전층의 상기 중앙 전극층측과 반대측 면에 형성된 제2 외측 전극층을 포함하고,
상기 제1 유전층 및 상기 제2 유전층은 엘라스토머제이고
상기 중앙 전극층 및 상기 제1 외측 전극층이 대향하는 부분을 제1 검출부, 상기 중앙 전극층 및 상기 제2 외측 전극층이 대향하는 부분을 제2 검출부로 하고
가역적으로 변형가능하고 또한 변형에 따라 상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부의 정전 용량이 변화되는 센서 시트와
상기 중앙 전극층, 상기 제1 외측 전극층 및 상기 제2 외측 전극층에 접속되고 상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부의 정전 용량을 측정하는 계측기를 구비하고,
상기 제1 검출부의 정전 용량과 상기 제2 검출부의 정전 용량을 가산한 합계 정전 용량에 따라 상기 센서 시트의 변형 상태를 계측하는 것을 특징으로 한다.
상기 정전 용량형 센서는 중앙 전극층, 그 양측에 유전층을 개재해서 형성된 외측 전극층을 가지는 센서 시트를 구비하고 있고 중앙 전극층 및 제1 외측 전극층이 대향하는 부분의 정전 용량(제1 검출부의 정전 용량)과 중앙 전극층 및 제2 외측 전극층이 대향하는 부분의 정전 용량(제2 검출부의 정전 용량)을 가산한 합계 정전 용량을 측정하고 그 측정값에 따라 센서 시트의 변형 상태를 계측한다. 상기 정전 용량형 센서는 2개의 검출부의 합계 정전 용량에 따라 센서 시트의 변형 상태를 계측하므로 사용 환경에 의한 정전 용량 측정값의 변동이 생기기 어렵다고 하는 우수한 효과를 가진다.
상기 정전 용량형 센서는 상기 중앙 전극층, 상기 제1 외측 전극층 및 상기 제2 외측 전극층이 모두 카본 나노튜브를 함유하는 도전성 조성물로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 구성에 의하면 각 전극층은 도전성에 뛰어난 동시에 유전층 변형에 추종해서 변형하는데 적합하다.
상기 정전 용량형 센서에 있어서 상기 센서 시트는 또한 상기 제1 외측 전극층의 상기 제1 유전층측과 반대측에 적층된 제1 보호층 및 상기 제2 외측 전극층의 상기 제2 유전층측과 반대측에 적층된 제2 보호층 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
본 구성에 의하면 각 전극층을 보호할 수 있는 동시에 측정시의 정전 용량의 측정 오차를 보다 확실하게 저감할 수 있다.
상기 정전 용량형 센서에 있어서 상기 계측기는 교류 임피던스를 이용해서 정전 용량을 계측하는 회로를 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우 높은 주파수 신호를 이용한 측정이라도 반복 정밀도에 우수하고, 높은 주파수 신호를 이용하는 것으로 임피던스가 지나치게 커지지 않기 때문에 계측 정밀도를 보다 높일 수 있고 나아가서는 정전 용량 계측에 요하는 시간을 단축할 수 있다.
또한 상술한 바와 같은 교류 임피던스를 이용해서 정전 용량을 계측하는 회로를 구비한 계측기를 가지는 정전 용량 센서에서는 상기 계측기가 CV변환 회로를 구비하고 상기 중앙 전극층이 상기 CV변환 회로측에 접속되고 또한 상기 제1 외측 전극층과 상기 제2 외측 전극층이 전기적으로 접속된 상태에서 상기 계측기의 교류 신호 생성측에 접속되는 것이 바람직하다.
또 상술한 바와 같은 교류 임피던스를 이용해서 정전 용량을 계측하는 회로를 구비한 계측기를 가지는 정전 용량 센서에서는 상기 계측기가 CF변환 회로를 구비하고 상기 중앙 전극층이 상기 CF변환 회로측에 접속되고 또한 상기 제1 외측 전극층과 상기 제2 외측 전극층이 전기적으로 접속된 상태에서 접지되는 것도 바람직하다.
이들 구성을 구비한 정전 용량형 센서에 의하면 센서 시트의 표면측 및 이면측 어느 측에 노이즈원이 있더라도 그 노이즈원의 존재에 의해 정전 용량의 측정값이 변동하는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있고, 보다 정확하게 검출부의 정전 용량을 측정할 수 있다.
본 발명의 정전 용량형 센서에서는 정전 용량 측정값의 변동을 매우 작게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2(a)는 본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서를 구성하는 센서 시트의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이고, (b)는 (a)의 A-A선 단면도이다.
도 3은 정전 용량형 센서가 구비한 유전층의 제작에 사용하는 성형 장치의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4(a)∼(d)는 센서 시트의 제작 공정을 설명하기 위한 사시도이다.
도 5(a)는 본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서를 구성하는 센서 시트의 다른 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이고, (b)는 (a)의 B-B선 단면도이다.
도 6은 실시예에 따른 센서 시트(A)를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은 비교예에 따른 센서 시트(B)를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은 실시예1 및 비교예1에서의 정전 용량의 측정에 이용한 반전 증폭 회로를 나타내는 개략도이다.
도 9는 실시예2 및 비교예2에서의 정전 용량의 측정에 이용한 슈미트 트리거 발진 회로를 나타내는 개략도이다.
도 10은 실시예3 및 비교예3에서의 정전 용량의 측정에 이용한 반파배전압 정류 회로를 나타내는 개략도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서는 중앙 전극층, 상기 중앙 전극층 상면에 적층된 제1 유전층, 상기 중앙 전극층 하면에 적층된 제2 외측 전극층, 상기 제1 유전층의 상기 중앙 전극층측과 반대측 면에 형성된 제1 외측 전극층, 상기 제2 유전층의 상기 중앙 전극층측과 반대측 면에 형성된 제2 외측 전극층을 포함하고,
상기 제1 유전층 및 상기 제2 유전층은 엘라스토머제이고
상기 중앙 전극층 및 상기 제1 외측 전극층이 대향하는 부분을 제1 검출부, 상기 중앙 전극층 및 상기 제2 외측 전극층이 대향하는 부분을 제2 검출부로 하고
가역적으로 변형가능하고 또한 변형에 따라 상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부의 정전 용량이 변화되는 센서 시트와
상기 중앙 전극층, 상기 제1 외측 전극층 및 상기 제2 외측 전극층에 접속되고 상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부의 정전 용량을 측정하는 계측기를 구비하고,
상기 제1 검출부의 정전 용량과 상기 제2 검출부의 정전 용량을 가산한 합계 정전 용량에 따라 상기 센서 시트의 변형 상태를 계측하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2(a)는 본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서를 구성하는 센서 시트의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이고, (b)는 (a)의 A-A선 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 본 실시예에 따른 정전 용량형 센서(1)는 도 1에 도시한 바와 같이 정전 용량을 검출하는 센서 시트(2), 센서 시트(2)와 외부배선(리드선 등)을 개재해서 전기적으로 접속된 계측기(3), 계측기(3)에서의 계측 결과를 표시하기 위한 표시기(4)를 구비하고 있다.
계측기(3)는 정전 용량(C)을 주파수 신호(F)로 변환하기 위한 슈미트 트리거 발진 회로(3a), 주파수 신호(F)를 전압 신호(V)로 변환하는 F/V변환 회로(3b), 전원 회로(도시하지 않음)를 구비하고 있다. 계측기(3)는 센서 시트(2)의 검출부에서 검출된 정전 용량(C)을 주파수 신호(F)로 변환한 후, 또 전압 신호(V)로 변환하고 표시기(4)에 송신한다. 또한 후술하는 바와 같이 계측기(3)의 구성은 이러한 구성에 한정되는 것은 아니다.
표시기(4)는 모니터(4a), 연산 회로(4b), 기억부(4c)를 구비하고 있다. 표시기(4)는 계측기(3)에서 측정된 상기 정전 용량(C)의 변화를 모니터(4a)에 표시하게 하는 동시에 상기 정전 용량(C)의 변화를 기록 데이터로서 기억한다.
센서 시트(2)는 엘라스토머제로 시트형 배측 유전층(제2 유전층)(11B), 배측 유전층(11B)의 표면(겉면)에 형성된 중앙 전극층(12A), 배측 유전층(11B)의 이면에 형성된 배측 전극층(제2 외측 전극층)(12C), 중앙 전극층(12A)의 전면(도 2에서 상측)에 적층된 표측 유전층(제1 유전층)(11A), 표측 유전층(11A)의 표면에 형성된 표측 전극층(제1 외측 전극층)(12B)을 구비한다. 따라서 센서 시트(2)에서는 중앙 전극층(12A)의 상면에 표측 유전층(11A)이 적층되고, 중앙 전극층(12A)의 하면에 배측 유전층(11B)이 적층되어 있다.
또한 센서 시트(2)는 중앙 전극층(12A)에 연결된 중앙 배선(13A), 표측 전극층(12B)에 연결된 표측 배선(13B), 배측 전극층(12C)에 연결된 배측 배선(13C), 중앙 배선(13A)의 중앙 전극층(12A)과 반대측 단부에 장착된 중앙 접속부(14A), 표측 배선(13B)의 표측 전극층(12B)과 반대측 단부에 장착된 표측 접속부(14B), 배측 배선(13C)의 배측 전극층(12C)과 반대측 단부에 장착된 배측 접속부(14C)를 구비한다.
또 센서 시트(2)에서는 표측 유전층(11A)의 전면에 표측 보호층(제1 보호층)(15A)이 설치되고, 배측 유전층(11B)의 배면에 배측 보호층(제2 보호층)(15B)이 설치되어 있다.
중앙 전극층(12A), 표측 전극층(12B) 및 배측 전극층(12C)은 동일의 평면시 형상을 가지고 있다. 중앙 전극층(12A)과 표측 전극층(12B)은 표측 유전층(11A)을 사이에 두고 전체가 대향하고 있고, 중앙 전극층(12A)과 배측 전극층(12C)은 배측 유전층(11B)을 사이에 두고 전체가 대향하고 있다. 센서 시트(2)에서는 중앙 전극층(12A)과 표측 전극층(12B)의 대향한 부분이 표측 검출부(제1 검출부)가 되고, 중앙 전극층(12A)과 배측 전극층(12C)의 대향한 부분이 배측 검출부(제2 검출부)가 된다.
또한 상기 센서 시트에 있어서 상기 중앙 전극층 및 상기 표측 전극층은 반드시 유전층을 사이에 두고 그 전체가 대향하고 있을 필요는 없고 적어도 그 일부가 대향하고 있으면 된다. 또 상기 중앙 전극층 및 상기 배측 전극층도 반드시 유전층을 사이에 두고 그 전체가 대향하고 있을 필요는 없고 적어도 그 일부가 대향하고 있으면 된다.
센서 시트(2)에서는 상기 제1 검출부의 정전 용량과 상기 제2 검출부의 정전 용량을 가산한 합계 정전 용량을 센서 시트(2) 검출부의 정전 용량으로 한다.
따라서 센서 시트(2)에서는 표측 전극층(12B)(표측 접속부(14B))과 배측 전극층(12C)(배측 접속부(14C))이 전기적으로 접속된 상태(단락된 상태)에서 리드선 등을 개재해서 계측기(3)의 단자에 접속되고, 중앙 전극층(12A)(중앙 접속부(14A))이 리드 등을 개재해서 계측기(3)의 다른 단자에 접속된다.
또 센서 시트(2)에서는 도시하고 있지 않지만, 센서 시트(2)의 표측 및/또는 배면의 최외층에 점착층이 형성되어 있을 수도 있다.
상기 점착층을 형성함으로써 센서 시트를 측정 대상물에 부착해서 사용할 수 있다.
센서 시트(2)에서는 표측 유전층(11A) 및 배측 유전층(11B) 모두 엘라스토머제이므로 면방향으로 변형(신축) 가능하다. 또 유전층(11)(표측 유전층(11A) 및 배측 유전층(11B))이 면방향으로 변형된 때에는 그 변형에 추종해서 각 전극층(중앙 전극층(12A), 표측 전극층(12B) 및 배측 전극층(12C)) 및 표측 보호층(15A) 및 배측 보호층(15B)(이하 양자를 합쳐서 단순히 보호층이라고도 한다)이 변형된다.
그리고 센서 시트(2)의 변형에 따라 각 검출부의 정전 용량이 유전층(표측 유전층(11A) 및 배측 유전층(11B))의 변형량과 상관해서 변화된다. 따라서 정전 용량의 변화를 검출하는 것으로 센서 시트(2)의 변형량을 검출할 수 있다.
센서 시트(2)를 구비한 정전 용량형 센서는 노이즈에 의한 정전 용량 측정값의 변동을 억제할 수 있고, 노이즈가 존재하는 상황이나 측정시에 노이즈가 변동하는 상황하에서도 정확하게 센서 시트의 변형 상태를 계측할 수 있다.
정전 용량형 센서를 사용하는 경우 상술한 바와 같이 전자 노이즈나 전원 노이즈가 들어오기 쉬운 장소나 센서 시트의 전극층이 도체와 접촉 또는 근접하는 환경에서 사용하면, 사용 상황에 의해 검출부의 정전 용량의 측정값이 변동할 수 있다.
예를 들면 특허 문헌 1에 개시된 바와 같은 1층의 유전층과 그 표면 및 이면 각각에 형성된 전극층을 구비한 센서 시트에서는 전면에서 노이즈가 들어가는지(전면이 노이즈원에 근접하는지) 또는 배면에서 노이즈가 들어가는지(배면이 노이즈원에 근접하는지)에 따라 정전 용량의 측정값이 다를 수 있다.
또한 전면의 전극층 및 배면의 전극층 양쪽에 도체가 근접하고 전면의 도체층에 근접한 도체와 배면의 도체층에 근접한 도체가 전기적으로 접속되어 있는 경우(예를 들면 전극층 위에 보호층이 적층된 센서 시트의 양측이 물이나 신체에 접촉되는 경우나 전극층 위에 보호층이 적층된 센서 시트의 양측을 전기적으로 접속된 금속판으로 끼우는 경우등)에도 정전 용량의 측정값이 다를 수 있다. 이 경우에는 전면의 전극층과 이것에 근접한 도체 사이의 정전 용량 및 배면의 전극층과 이것에 근접한 도체 사이의 정전 용량이 직렬로 접속된 2개의 정전 용량의 합성 정전 용량으로서 센서 시트의 본래 검출부의 정전 용량에 가산되어 측정되게 된다.
이에 대하여 상기 정전 용량형 센서에서는 센서 시트가 상술한 구성을 구비하고 제1 검출부의 정전 용량과 제2 검출부의 정전 용량을 가산한 합계 정전 용량을 측정한다. 다시 말해 상기 센서 시트에서는 검출부의 구조(제1 검출부 및 제2 검출부의 구조)를 2개의 콘덴서가 병렬로 배치된 구조로 보고 정전 용량의 측정을 행한다. 그러므로 예를 들면 상기 정전 용량형 센서에서는 표측 전극층(제1 외측 전극층)과 배측 전극층(제2 외측 전극층)을 양자가 전기적으로 접속된 상태(단락된 상태)에서 계측기에 접속한다. 이 경우 전면(상면측)에서 노이즈가 들어가는(전면이 노이즈원에 근접하는) 경우나 배면(하면측)에서 노이즈가 들어가는(배면이 노이즈원에 근접하는) 경우나 각 전극층을 소정의 방향으로 계측기에 접속하고 있는 한 정전 용량의 측정값은 대략 동일한 값이 된다.
또 센서 시트의 표측 및 배면의 양측에서 제1 외측 전극층 및 제2 외측 전극층 각각에 서로 전기적으로 접속된 도체가 근접한 경우(예를 들면 물에 잠기거나 신체에 보호층이 적층된 센서 시트의 양측이 접촉되거나 접속된 2장의 금속판에 보호층이 적층된 센서 시트를 끼우는)에도 각 전극층을 소정의 방향으로 계측기에 접속하고 있는 한 정전 용량의 측정값은 대략 동일한 값이 된다. 이 경우 제1 외측 전극층과 제2 외측 전극층은 동일한 전위가 되므로 각각의 외측 전극층과 근접한 도체 사이의 정전 용량이 개입되는 경로가 형성되지 않고, 근접하는 도체와 각 외측 전극층 사이의 정전 용량이 가산되어 측정되는 일이 없기 때문이다.
따라서 상술한 바와 같이 본 실시예에 따른 정전 용량형 센서 시트에서는 노이즈에 의한 정전 용량 측정값의 변동을 억제할 수 있다.
또한 본 발명에 있어서 외측 전극층에 도체가 근접한다는 것은, 금속부재 등의 도전성 부재가 근접하는 경우는 물론 생체표면이 근접하는 경우나 물이나 땀, 체액 등의 도전성을 가지는 액체가 외측 전극층에 부착하는 경우 등을 포함하는 개념이다.
이하 상기 정전 용량형 센서가 구비하는 각 부재에 대해서 상세하게 설명한다.
또한 이하의 설명에서는 제1 유전층 및 제2 유전층 설명에 관해서 특별히 양자를 구별할 필요가 없는 경우는 단순히 「유전층」이라고 표기하고, 중앙 전극층, 제1 외측 전극층(표측 전극층) 및 제2 외측 전극층(배측 전극층)의 설명에 관해서 특별히 각 전극층을 구별할 필요가 없는 경우는 단순히 「전극층」이라고 표기한다.
<센서 시트>
<<유전층(제1 유전층 및 제2 유전층)>>
상기 센서 시트는 엘라스토머제의 제1 유전층 및 제2 유전층을 구비한다. 상기 제1 유전층 및 상기 제2 유전층은 엘라스토머 조성물을 이용하여 형성할 수 있다. 제1 유전층과 제2 유전층은 동일의 엘라스토머 조성물을 이용하여 형성될 수도 있고, 다른 엘라스토머 조성물을 이용하여 형성될 수도 있다. 상기 제1 유전층 및 상기 제2 유전층은 동일의 엘라스토머 조성물을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다. 유전층이 변형할 때에 같은 동작을 나타내기 때문이다.
상기 유전층은 엘라스토머 조성물을 이용하여 형성된 시트형물이고, 그 표리면의 면적이 변화되게 가역적으로 변형할 수 있다. 또한 유전층의 표리면이란 유전층의 표(겉)면 및 배면을 의미한다.
상기 엘라스토머 조성물로서는 엘라스토머와 필요에 따라 다른 임의성분을 함유하는 조성물을 들 수 있다.
상기 엘라스토머로서는 예를 들면 천연 고무, 이소프렌 고무, 니트릴고무(NBR), 에틸렌프로필렌 고무(EPDM), 스티렌·부타디엔 고무(SBR), 부타디엔 고무(BR), 클로로프렌 고무(CR), 실리콘 고무, 플루오르 고무, 아크릴 고무, 수소 첨가 니트릴고무, 우레탄고무 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용할 수도 있고, 2종이상 병용할 수도 있다.
이들 중에서는 우레탄고무, 실리콘 고무가 바람직하다. 영구왜곡(또는 영구연신)이 작기 때문이다. 또한 실리콘 고무에 비해 카본 나노튜브와 밀착성이 우수하기 때문에 전극층이 카본 나노튜브를 함유하는 경우에는 우레탄고무가 특히 바람직하다.
상기 우레탄고무는 적어도 폴리올 성분과 이소시아네이트 성분이 반응해서 이루어지는 것이다. 상기 우레탄고무의 구체적인 예로서는 예를 들면 올레핀계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 올레핀계 우레탄고무, 에스테르계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 에스테르계 우레탄고무, 에테르계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 에테르계 우레탄고무, 카보네이트계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 카보네이트계 우레탄고무, 피마자유계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 피마자유계 우레탄고무 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용할 수도 있고 2종이상 병용할 수도 있다. 또 상기 우레탄고무는 2종이상의 상기 폴리올 성분을 병용할 수도 있다.
상기 올레핀계 폴리올로서는 예를 들면 에폴(이데미쓰코산사 제품)등을 들 수 있다.
또 상기 에스테르계 폴리올로서는 예를 들면 폴리 라이트8651(DIC사 제품)등을 들 수 있다.
또 상기 에테르계 폴리올로서는 예를 들면 폴리옥시테트라메틸렌글리콜, PTG-2000SN(호도가야화학공업사 제품), 폴리프로필렌글리콜, 프레미놀S3003(아사히가라스사 제품), 판덱스GCB-41(DIC사제품) 등을 들 수 있다.
상기 이소시아네이트 성분으로서는 특별히 한정되지 않고 종래 공지의 이소시아네이트 성분을 이용할 수 있다.
또 상기 우레탄고무를 합성할 때에는 그 반응계 중에 필요에 따라 쇄연장제, 가교제, 촉매, 가류 촉진제등을 추가할 수도 있다.
또 상기 엘라스토머 조성물은 엘라스토머 이외에 가소제, 산화 방지제, 노화 방지제, 착색제 등의 첨가제, 유전성 필러 등을 함유할 수도 있다.
상기 유전층의 평균 두께(표측 유전층 및 배측 유전층 각각의 평균 두께)는 정전 용량(C)을 크게 해서 검출 감도의 향상을 도모하는 관점 및 측정 대상물에 추종성의 향상을 도모하는 관점에서 10∼1000μm인 것이 바람직하고 30∼200μm인 것이 보다 바람직하다.
또한 상기 표측 유전층 및 상기 배측 유전층 각각의 두께는 동일 또는 상이할 수도 있으나, 동일한 것이 바람직하다.
상기 유전층은 변형시에 면적(표측 유전층의 표면의 면적 및 배측 유전층의 이면의 면적)이 무신장 상태에서 30%이상 증대하게 변형 가능한 것이 바람직하다. 이러한 특성을 가지면 상기 센서 시트를 측정 대상물에 부착해서 사용하는 경우에 측정 대상물의 변형 등에 추종해서 변형하는데 적합하기 때문이다.
여기서 면적이 30%이상 증대하게 변형 가능하다는 것은 상기 유전층이 하중을 곱해서 면적을 30% 증대시켜도 파단되지 않고 또한 하중을 해방하면 원래의 상태로 복원되는(즉 탄성 변형 범위에 있는) 것을 의미한다. 상기 유전층 면적의 변형 가능한 범위는 50%이상 증대되게 변형 가능한 것이 보다 바람직하고, 100%이상 증대되게 변형 가능한 것이 더 바람직하고, 200%이상 증대되게 변형 가능한 것이 특히 바람직하다.
상기 유전층의 면방향의 변형 가능한 범위는 유전층의 설계(재질이나 형상등)에 의해 제어할 수 있다.
상기 유전층의 상온에서의 비유전율은 2이상이 바람직하고 5이상이 보다 바람직하다. 유전층의 비유전율이 2미만이면 검출부의 정전 용량이 작아지고 센서 시트로서 충분한 감도가 얻어지지 않을 수 있다.
상기 유전층의 영률은 0.1∼10MPa인 것이 바람직하다. 영률이 0.1MPa 미만이면 유전층이 너무 부드러워 고품질 가공이 어렵고 충분한 측정 정밀도가 얻어지지 않을 수 있다. 한편 영률이 10MPa를 넘으면 유전층이 너무 단단해서 측정 대상물이 변형하려고 하는 때에 그 변형을 저해할 우려가 있다.
상기 유전층의 경도는 JIS K 6253에 준거한 타입A 듀로메타를 이용한 경도(JIS A경도)로 0∼30°이거나 또는 JIS K 7321에 준거한 타입C 듀로메타를 이용한 경도(JIS C경도)로 10∼55°가 바람직하다.
상기 유전층이 너무 부드러우면 고품질 가공이 어렵고, 충분한 측정 정밀도를 확보할 수 없는 경우가 있다. 한편 상기 유전층이 너무 단단하면 측정 대상물의 변형을 저해할 우려가 있다.
<<전극층(중앙 전극층, 제1 외측 전극층(표측 전극층) 및 제2 외측 전극층(배측 전극층))>>
상기 전극층(중앙 전극층, 제1 외측 전극층 및 제2 외측 전극층)은 모두 도전 재료를 함유하는 도전성 조성물로 이루어진다.
여기서 각 전극층 각각은 동일 조성의 도전성 조성물로 구성하여도 되고, 다른 조성의 도전성 조성물로 구성하여도 된다.
상기 도전 재료로서는 예를 들면 카본 나노튜브, 그라펜, 카본나노혼, 카본파이버, 도전성 카본블랙, 그래파이트, 금속 나노 와이어, 금속 나노 입자, 도전성 고분자 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용할 수도 있고 2종이상 병용할 수도 있다.
상기 도전 재료로서는 카본 나노튜브가 바람직하다. 유전층 변형에 추종해서 변형하는 전극층의 형성에 적합하기 때문이다.
상기 카본 나노튜브로서는 공지의 카본 나노튜브를 사용할 수 있다. 상기 카본 나노튜브는 단층 카본 나노튜브(SWNT)일 수도 있고, 또 2층 카본 나노튜브(DWNT) 또는 3층이상의 다층 카본 나노튜브(MWNT)일 수도 있다(본 명세서에서는 양자를 합쳐서 단순히 다층 카본 나노튜브라고 함). 상기 카본 나노튜브로서는 층수가 상이한 카본 나노튜브를 2종이상 병용할 수도 있다.
상기 카본 나노튜브의 형상(평균 길이나 섬유직경, 종횡비)도 특별히 한정되지는 않고, 정전 용량형 센서의 사용 목적이나 센서 시트에 요구되는 도전성이나 내구성 또는 전극층을 형성하기 위한 처리나 비용을 종합적으로 판단해서 적당히 선택하면 된다.
상기 카본 나노튜브의 평균 길이는 10μm이상이 바람직하고 50μm이상이 보다 바람직하다. 이러한 섬유길이가 긴 카본 나노튜브를 이용하여 형성된 전극층은 도전성에 우수하고 유전층 변형에 추종해서 변형하였을 때(특히 신장하였을 때)에 전기 저항이 거의 증대되지 않고 또한 반복 신축하더라도 전기 저항의 불균일이 작다고 하는 우수한 특성을 가지기 때문이다.
이에 대하여 상기 카본 나노튜브의 평균 길이가 10μm미만에서는 전극층의 변형에 따라 전기 저항이 증대되거나 전극층을 반복 신축하였을 때에 전기 저항의 불균일이 커지거나 하는 경우가 있다. 특히 센서 시트(유전층)의 변형량이 커진 경우에 이러한 문제가 발생하기 쉬워진다.
상기 카본 나노튜브 평균 길이의 바람직한 상한은 1000μm이다. 평균 길이가 1000μm를 넘는 카본 나노튜브는 현시점에서는 그 제조, 입수가 곤란하다. 또 후술하는 바와 같이 카본 나노튜브의 분산액을 도포해서 전극층을 형성하는 경우에 카본 나노튜브의 분산성이 불충분하기 때문에 도전 패스가 형성되기 어렵고 결과적으로 전극층의 도전성이 불충분해질 우려가 있기 때문이다.
상기 카본 나노튜브의 평균 길이의 하한은 100μm가 더욱 바람직하고 상한은 600μm가 더욱 바람직하다. 상기 카본 나노튜브의 평균 길이가 상기 범위내에 있으면 도전성에 우수하고 신장시에 전극층의 전기 저항이 거의 증대되지 않고 반복 신축시에 전기 저항의 불균일이 작다고 하는 우수한 특성을 높은 레벨로 보다 확실하게 확보할 수 있다.
상기 카본 나노튜브의 섬유길이는 카본 나노튜브를 전자 현미경으로 관찰하고 그 관찰 화상으로부터 측정하면 된다.
상기 카본 나노튜브의 평균 길이는 예를 들면 카본 나노튜브의 관찰 화상에서 무작위로 선택한 10개의 카본 나노튜브의 섬유 길이에 근거해서 평균값을 산출하면 된다.
상기 카본 나노튜브의 평균 섬유직경은 특별히 한정되지 않으나 0.5∼30nm가 바람직하다.
상기 섬유직경이 0.5nm미만에서는 카본 나노튜브의 분산이 악화되고 그 결과 도전 패스가 확산되지 않고 전극층의 도전성이 불충분해질 수 있다. 한편 상기 섬유직경이 30nm를 넘으면 동일 중량이라도 카본 나노튜브의 개수가 적어지고 도전성이 불충분해질 수 있다. 상기 카본 나노튜브의 평균 섬유직경은 5∼20nm가 보다 바람직하다.
상기 카본 나노튜브는 다층 카본 나노튜브가 단층 카본 나노튜브보다도 바람직하다.
단층 카본 나노튜브를 이용한 경우 상술한 바람직한 범위의 평균 길이를 가지는 카본 나노튜브를 이용한 경우에도 전기 저항이 높아지거나 신장시에 전기 저항이 크게 증대되거나 반복 신축시에 전기 저항이 크게 분산되거나 할 수 있다.
이 이유에 대해서는 다음과 같이 추측하고 있다. 단층 카본 나노튜브는 통상 금속성 카본 나노튜브와 반도체성 카본 나노튜브의 혼합물로 합성되기 때문에, 이 반도체성 카본 나노튜브의 존재가 전기 저항이 높아지거나 신장시에 전기 저항이 크게 증대되거나 반복 신축시에 전기 저항이 크게 분산되거나 하는 원인으로 된다고 추측하고 있다.
또한 금속성 카본 나노튜브와 반도체성 카본 나노튜브를 분리하고 평균 길이가 긴 금속성의 단층 카본 나노튜브를 이용하면 평균 길이가 긴 다층 카본 나노튜브를 이용한 경우와 같은 전기 특성을 구비한 전극층을 형성할 수 있을 가능성이 있다. 그러나 금속성 카본 나노튜브와 반도체성 카본 나노튜브의 분리는 용이하지 않고(특히 섬유길이가 긴 카본 나노튜브에서), 양자의 분리에는 복잡한 작업이 필요해지기 때문에 전극층을 형성할 때의 작업 용이성 및 경제성의 관점에서도 상술한 바와 같이 상기 카본 나노튜브로서는 다층 카본 나노튜브가 바람직하다.
상기 카본 나노튜브는 탄소순도가 99중량%이상인 것이 바람직하다. 카본 나노튜브는 그 제조 공정에서 촉매금속이나 분산제 등이 포함될 수 있고 이러한 카본 나노튜브 이외의 성분(불순물)을 다량 함유하는 카본 나노튜브를 이용한 경우 도전성의 저하나 전기 저항의 불균일이 발생할 수 있다.
상기 카본 나노튜브의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고 종래 공지의 제조 방법에서 제조된 것이면 가능하나, 기판 성장법에 의해 제조된 것이 바람직하다.
기판 성장법은 CVD법의 1종으로, 기판위에 도포한 금속촉매에 탄소원을 공급하는 것으로 성장시켜서 카본 나노튜브를 제조하는 방법이다. 기판 성장법은 비교적 섬유길이가 길고 또한 섬유길이가 같은 카본 나노튜브를 제조하는데 알맞은 제조 방법이므로, 상기 전극층에 사용하는 카본 나노튜브로서 적합하다.
상기 카본 나노튜브가 기판 제조법에 의해 제조된 경우 카본 나노튜브의 섬유길이는 CNT포레스트의 성장 길이와 실질적으로 동일하다. 그러므로 전자 현미경을 이용해서 카본 나노튜브의 섬유길이를 측정하는 경우는 CNT포레스트의 성장 길이를 측정하면 된다.
상기 도전성 조성물은 카본 나노튜브 등의 도전 재료 이외에 예를 들면 바인더 성분을 함유할 수 있다.
상기 바인더 성분은 연결 재료로서 기능한다. 따라서 상기 바인더 성분을 함유시킴으로써 전극층과 유전층의 밀착성 및 전극층 자체의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한 후술하는 방법으로 전극층을 형성할 때에 카본 나노튜브 등의 도전 재료의 비산을 억제할 수 있기 때문에 전극층 형성시의 안전성도 높일 수 있다.
상기 바인더 성분으로서는 예를 들면 부틸고무, 에틸렌프로필렌 고무, 폴리에틸렌, 클로로 술폰화 폴리에틸렌, 천연 고무, 이소프렌 고무, 부타디엔 고무, 스티렌·부타디엔 고무, 폴리스티렌, 클로로프렌 고무, 니트릴고무, 폴리 메타아크릴산 메틸, 폴리 아세트산 비닐, 폴리 염화비닐, 아크릴 고무, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 공중합체(SEBS) 등을 들 수 있다.
또 상기 바인더 성분으로서는 생고무(천연 고무 및 합성 고무의 가황시키지 않은 상태의 것)도 사용할 수 있다. 생고무와 같은 비교적 탄성이 약한 재료를 이용하는 것으로 유전층 변형에 대한 전극층의 추종성도 높일 수 있다.
상기 바인더 성분은 특히 유전층을 구성하는 엘라스토머와 동종의 것이 바람직하다. 유전층과 전극층의 밀착성을 현저하게 향상시킬 수 있기 때문이다.
상기 도전성 조성물은 카본 나노튜브 등의 도전 재료 및 바인더 성분 이외에 또한 각종 첨가제를 함유할 수도 있다.
상기 첨가제로서는 예를 들면 도전 재료의 분산성을 높이기 위한 분산제, 바인더 성분을 위한 가교제, 가류 촉진제, 가류 보조제, 노화 방지제, 가소제, 연화제, 착색제 등을 들 수 있다.
상기 센서 시트에서는 상기 도전 재료가 카본 나노튜브일 경우 전극층이 실질적으로 카본 나노튜브만으로 형성되어 있을 수도 있다. 이 경우도 전극층과 유전층 사이에서 충분한 밀착성을 확보할 수 있다. 카본 나노튜브와 유전층는 판델 월스력 등에 의해 견고하게 밀착된다.
상기 전극층 중의 카본 나노튜브의 함유량은 도전성이 발현되는 농도면 특별히 한정되지 않고 바인더 성분을 함유하는 경우에는 바인더 성분의 종류에 따라서도 달라지나, 전극층의 전체 고형성분에 대하여 0.1∼100중량%인 것이 바람직하다.
또 카본 나노튜브의 함유량을 높이면 전극층의 도전성을 향상시킬 수 있다. 따라서 전극층을 얇게 하여도 요구되는 도전성을 확보할 수 있고 그 결과 전극층을 얇게 하거나 전극층의 유연성을 확보하거나 하는 것이 보다 용이해진다.
상기 전극층의 평균 두께(각 전극층 각각의 평균 두께)는 0.1∼10μm인 것이 바람직하다. 전극층의 평균 두께가 상기 범위에 있는 것으로 전극층이 유전층 변형에 대하여 보다 우수한 추종성을 발휘할 수 있다.
한편 상기 평균 두께가 0.1μm미만에서는 도전성이 부족하고 센서 시트로서의 측정 정밀도가 저하될 우려가 있다. 한편 10μm를 넘으면 카본 나노튜브 등의 도전 재료의 보강 효과에 의해 센서 시트가 단단해지고 센서 시트의 신축성이 저하되고 측정 대상물의 변형이나 움직임에 추종한 변형이 저해될 수 있다. 또 센서 시트가 단단해지면 측정 대상물 자체의 변형 등을 저해할 수 있다.
상기 전극층의 평균 두께는 예를 들면 레이저 현미경(예를 들면 기엔스사 제품, VK-9510)을 이용해서 측정할 수 있다. 구체적으로는 유전층의 표면에 형성된 전극층의 두께 방향을 0.01μm마다 스캔하고 유전층 표면의 3D형상을 측정한 후 유전층상의 전극층이 적층되어 있는 영역 및 적층되어 있지 않은 영역에서 각각 세로 200×가로 200μm의 직사각형영역의 평균 높이를 계측하고 그 평균 높이의 단차를 전극층의 평균 두께로 하면 된다.
상기 센서 시트를 구성하는 중앙 전극층, 표측 전극층 및 배측 전극층 각각의 도전성은 특별히 한정되지 않는다.
<<보호층>>
상기 센서 시트는 도 2에 나타낸 예와 같이 보호층(표측 보호층 및 배측 보호층)이 적층되어 있는 것이 바람직하다. 상기 보호층을 설치하는 것에 의해 표측 전극층 및 배측 전극층 등을 외부에서 전기적으로 절연할 수 있다. 또 상기 보호층을 설치하는 것에 의해 센서 시트의 강도나 내구성을 높일 수 있다.
상기 보호층의 재질은 특별히 한정되지 않고 그 요구 특성에 따라 적당히 선택하면 된다. 상기 보호층 재질의 구체적인 예로서는 예를 들면 상기 유전층 재질과 같은 엘라스토머 조성물 등을 들 수 있다.
<<그 외>>
상기 센서 시트는 도 2에 나타낸 예와 같이 통상 각 전극층과 접속된 중앙 배선, 표측 배선, 배측 배선이 형성되어 있다.
이들의 각 배선은 유전층 변형을 저해하지 않고 동시에 유전층이 변형되어도 도전성이 유지되는 것이면 된다. 각 배선의 구체적인 예로서는 예를 들면 상기 전극층과 같은 도전성 조성물로 이루어지는 도체를 들 수 있다.
또 상기의 각 배선은 필요로 하는 도전성이 확보되는 범위에서 그 폭이 좁은 것이 바람직하다.
또한 상술한 각 배선 각각의 전극층과 반대측 단부에는 도 2에 나타낸 예와 같이 통상 외부배선과 접속하기 위한 접속부(중앙 접속부, 표측 접속부 및 배측 접속부)가 형성되어 있다. 이들 각 접속부로서는 예를 들면 구리박등을 이용하여 형성된 것을 들 수 있다.
상기 센서 시트는 상술한 바와 같이 센서 시트 배면의 최외층에 점착층을 형성할 수도 있다. 이에 따라 점착층을 개재해서 상기 센서 시트를 측정 대상물에 부착할 수 있다.
상기 점착층으로서는 특별히 한정되지 않고 예를 들면 아크릴계 점착제, 고무계 점착제, 실리콘계 점착제 등으로 이루어지는 층을 들 수 있다.
여기서 각 점착제는 용제형으로 할 수도 있고 에멀젼형으로 할 수도 있고 핫멜트형으로 할 수도 있다. 상기 점착제는 정전 용량형 센서의 사용 형태등에 따라 적당히 선택해서 사용하면 된다. 단 상기 점착층은 상기 유전층의 신축을 저해하지 않는 유연성이 필요하다.
상기 점착층은 센서 시트 전면의 최외층에도 형성할 수 있다.
상기 센서 시트는 무신장상태에서 1축 방향으로 100% 신장시킨 후 무신장상태로 되돌리는 사이클을 1사이클로 하는 신축을 1000사이클 반복하였을 때에 2사이클째의 100% 신장시의 상기 전극층의 전기 저항에 대한, 1000사이클째의 100% 신장시의 상기 전극층의 전기 저항의 변화율([1000사이클째 100% 신장시의 전기 저항값] - [2사이클째 100% 신장시의 전기 저항값]의 절대치〕/ [2사이클째 100% 신장시의 전기 저항값]×100)이 작은 것이 바람직하다. 구체적으로는 10%이하인 것이 바람직하고 5%이하인 것이 보다 바람직하다.
여기서 1사이클째가 아니라 2사이클째 이후의 전극층의 전기 저항을 평가 대상으로 하고 있는 이유는 미신장 상태에서 신장시킨 1회째(1사이클째)의 신장시에는 신장시의 전극층 동작(전기 저항의 변동 방법)이 2회째(2사이클째)이후의 신축시와 크게 다르기 때문이다. 이 원인에 대해서는 센서 시트를 제작한 후 1회 신장시킴으로써 처음 전극층을 구성하는 카본 나노튜브 등의 도전 재료 상태를 안정화하기 위함이라고 추측하고 있다.
다음에 상기 센서 시트를 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 여기서는 도 2(a), (b)에 나타낸 구조의 센서 시트(2)를 예로 센서 시트를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
(1)엘라스토머 조성물로 이루어지는 시트형 유전층 2장과 엘라스토머 조성물로 이루어지는 시트형 보호층 2장을 제작한다. 상기 유전층과 상기 보호층은 동일한 방법에 의해 제작할 수 있다. 여기서는 유전층 제작 방법으로서 그 제작 방법을 설명한다.
먼저 원료 조성물로서 엘라스토머(또는 그 원료)에 필요에 따라 쇄연장제, 가교제, 가류 촉진제, 촉매, 유전 필러, 가소제, 산화 방지제, 노화 방지제, 착색제 등의 첨가제를 배합한 원료 조성물을 조제한다. 다음에 이 원료 조성물을 성형함으로써 유전층을 제작한다. 상기 원료 조성물을 성형하는 방법으로서는 종래 공지의 방법을 채용할 수 있다.
구체적으로는 예를 들면 우레탄고무를 포함하는 유전층을 성형하는 경우에는 하기의 방법등을 이용할 수 있다.
먼저 폴리올 성분, 가소제 및 산화 방지제를 계량하고 가열, 감압하에서 일정시간 교반 혼합하고 혼합액을 조제한다. 다음에 이 혼합액을 계량하고 온도를 조정한 후 촉매를 첨가하고 아지타 등으로 교반한다. 그 후 소정량의 이소시아네이트 성분을 첨가하고 아지타 등으로 교반후 즉석에서 혼합액을 도 3에 나타내는 성형 장치에 주입하고 보호 필름으로 샌드위치형으로 해서 반송하면서 가교 경화시키고 보호 필름 부착의 소정 두께의 시트를 얻는다. 그 후 필요에 따라 일정시간 후 가교시키고 최후로 소정 형상으로 재단하는 것으로 유전층을 제작할 수 있다.
도 3은 유전층의 제작에 사용하는 성형 장치의 일례를 설명하기 위한 모식도이다. 도 3에 나타낸 성형 장치(30)에서는 원료 조성물(33)을 이간해서 배치된 한 쌍의 롤(32),(32)로부터 연속적으로 송출되는 폴리에틸렌　테레프탈레이트(PET)제 보호 필름(31)의 간극에 유입하고 그 간극에 원료 조성물(33)을 유지한 상태에서 경화 반응(가교 반응)을 진행시키면서 가열 장치(34)내에 도입하고 원료 조성물(33)을 한 쌍의 보호 필름(31)사이에서 유지한 상태로 열경화시키고 유전층이 되는 시트형물(35)을 성형한다.
상기 유전층은 원료 조성물을 조제한 후 각종 코팅 장치, 바 코팅, 닥터 블레이드 등의 범용의 성막장치나 성막방법을 이용해서 제작할 수도 있다.
상술한 바와 같이 보호층은 유전층의 제작과 동일한 방법으로 제작하면 된다.
(2)다음에 상기 (1)의 공정과는 별도로 전극층을 형성하기 위한 도포액을 조제한다.
여기서는 상기 도포액으로서 카본 나노튜브 등의 도전 재료 및 분산매를 포함하는 조성물을 조제한다.
구체적으로는 먼저 카본 나노튜브 등의 도전 재료를 분산매에 첨가한다. 이 때 필요에 따라 바인더 성분(또는 바인더 성분의 원료) 등의 상술한 다른 성분이나 분산제를 더 첨가할 수도 있다.
다음에 도전 재료를 포함하는 각 성분을 습식 분산기로 분산매 중에 분산(또는 용해)시킴으로써 전극층 형성에 이용하는 도포액을 조제한다. 여기서는 예를 들면 초음파 분산기, 제트밀, 비즈밀등의 기존의 분산기를 이용해서 분산시키면 된다.
상기 분산매로서는 예를 들면 톨루엔, 메틸이소부틸케톤(MIBK), 알코올류, 물 등을 들 수 있다. 이들 분산매는 단독으로 사용할 수도 있고, 2종이상 병용할 수도 있다.
상기 도포액에 있어서 도전 재료가 카본 나노튜브일 경우 상기 카본 나노튜브의 농도는 0.01∼10중량%가 바람직하다. 상기 농도가 0.01중량%미만에서는 카본 나노튜브 농도가 너무 옅어서 반복해서 도포할 필요가 생기는 경우가 있다. 한편 상기 농도가 10중량%를 넘으면 도포액의 점도가 지나치게 높아지고 또 재응집에 의해 카본 나노튜브의 분산성이 저하되고 균일한 전극층을 형성하는 것이 곤란하게 되는 경우가 있다.
(3)다음에 유전층 및 보호층을 중합시키면서 적시에 전극층 등을 형성해서 센서 시트를 제작한다. 본 공정에 대해서는 도 4를 참조하면서 설명한다. 도 4(a)∼(d)는 센서 시트의 제작 공정을 설명하기 위한 사시도이다.
(a) 먼저 상기 (1)의 공정에서 제작한 1장의 보호층(배측 보호층(15B))의 한면(전면)의 소정 위치에 상기 (2)의 공정에서 조제한 도포액을 스프레이 코트 등에 의해 도포하고 건조시킨다(도 4(a)참조). 이에 따라 배측 보호층(15B)위에 배측 전극층(12C)과 배측 배선(13C)을 형성한다.
여기서 상기 도포액의 건조 조건은 특별히 한정되지 않고 분산매의 종류나 엘라스토머 조성물의 조성 등에 따라 적당히 선택하면 된다.
또 상기 도포액을 도포하는 방법은 스프레이 코트에 한정되는 것이 아니라 그 이외에 예를 들면 스크린 인쇄법, 잉크젯트 인쇄법 등도 채용할 수 있다.
또한 상기 도포액을 도포할 때에는 전극층을 형성하지 않는 위치를 마스킹한 후 상기 도포액을 도포할 수도 있다.
(b) 다음에 배측 전극층(12C)의 전체 및 배측 배선(13C)의 일부를 피복하도록 상기 (1)의 공정에서 제작한 1장의 유전층(배측 유전층(11B))을 배측 보호층(15B)위에 접합함으로써 적층한다. 그 후 상기 (a)와 같은 방법을 이용하여 배측 유전층(11B) 상면의 소정 위치에 중앙 전극층(12A)과 중앙 배선(13A)을 형성한다(도 4(b)참조).
(c) 다음에 중앙 전극층(12A)의 전체 및 중앙 배선(13A)의 일부를 피복하도록 상기 (1)의 공정에서 제작한 또 1장의 유전층(표측 유전층(11A))을 배측 유전층(11B)위에 접합함으로써 적층한다. 그 후 상기 (a)와 같은 방법을 이용하여 표측 유전층(11A) 상면의 소정 위치에 표측 전극층(12B)과 표측 배선(13B)을 형성한다(도 4(c)참조).
(d) 다음에 표측 전극층(12B)의 전체 및 표측 배선(13B)의 일부를 피복하도록 상기 (1)의 공정에서 제작한 또 1장의 보호층(표측 보호층(15A))을 적층한다.
그 후 중앙 배선(13A), 표측 배선(13B) 및 배측 배선(13C) 각각의 단부에 구리박을 장착하고 중앙 접속부(14A), 표측 접속부(14B) 및 배측 접속부(14C)로 한다(도 4(d)참조).
이러한 방법을 채용함으로써 상기 센서 시트를 제작할 수 있다.
도 2(a), (b)에 나타낸 센서 시트는 검출부를 1군데에 구비한 것이나, 본 발명의 실시예에서 센서 시트의 검출부 수는 1군데에 한정되는 것이 아니고 센서 시트는 복수개소의 검출부를 구비할 수도 있다. 여기서는 제1 검출부와 제2 검출부를 합해서 1군데의 검출부로 한다.
복수의 검출부를 구비한 센서 시트의 구체적인 예로서는 예를 들면 도 5(a), (b)에 나타낸 센서 시트를 들 수 있다.
도 5(a)는 본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서를 구성하는 센서 시트의 다른 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이고, (b)는 (a)의 B-B선 단면도이다.
도 5(a), (b)에 도시한 바와 같이 복수개소의 검출부를 구비하는 센서 시트(2′)는 엘라스토머제로 시트형 배측 유전층(제2 유전층)(130), 배측 유전층(130)의 전면(표면)에 형성된 복수개의 중앙 전극층(101A)∼(116A), 배측 유전층(130)의 이면에 형성된 복수개의 배측 전극층(제2 외측 전극층)(101C)∼(116C), 중앙 전극층(101A)∼(116A)의 전면(도 5(b) 중 상측)에 적층된 표측 유전층(제1 유전층)(120), 표측 유전층(120)의 표면에 형성된 복수개의 표측 전극층(제1 외측 전극층)(101B)∼(116B)을 구비한다.
또한 센서 시트(2′)는 중앙 전극층(101A)∼(116A), 배측 전극층(101C)∼(116C) 및 표측 전극층(101B)∼(116B) 각각의 한쪽 단부에 장착된 외부배선과 접속하기 위한 접속부(도 5(a) 중 (101A1)∼(116A1), (101B1)∼(116B1) 등)를 구비한다.
또 센서 시트(2′)에서는 표측 유전층(120)의 전면에 표측 보호층(제1 보호층)(140)이 설치되고 배측 유전층(130)의 배면에 배측 보호층(제2 보호층)(150)이 설치되어 있다.
중앙 전극층(101A)∼(116A) 각각은 띠형을 이루고 있고 센서 시트(2′)는 합계 16개의 중앙 전극층을 가지고 있다.
중앙 전극층(101A)∼(116A)은 각각 X방향(도 5(a) 중 좌우방향)으로 연장되어 있다. 중앙 전극층(101A)∼(116A)은 각각 Y방향(도 5(a) 중 상하 방향)으로 소정 간격마다 이간해서 서로 대략 평행이 되게 각각 배치되어 있다.
표측 전극층(101B)∼(116B)은 각각 띠형을 이루고 있고 센서 시트(2′)는 합계 16개의 표측 전극층을 가지고 있다.
표측 전극층(101B)∼(116B)은 각각 중앙 전극층(101A)∼(116A)과 표리 방향(유전층의 두께 방향)에서 보아 대략 직각으로 교차하게 배치되어 있다. 다시 말해 표측 전극층(101B)∼(116B)은 각각 Y방향으로 연장되어 있다. 또 표측 전극층(101B)∼(116B)은 X방향으로 소정 간격마다 이간해서 서로 대략 평행이 되게 각각 배치되어 있다.
배측 전극층(101C)∼(116C)은 각각 띠형을 이루고 있고 센서 시트(2′)는 합계 16개의 배측 전극층을 가지고 있다.
배측 전극층(101C)∼(116C)은 각각 표리 방향에서 보아 표측 전극층(101B)∼(116B)과 겹치게 배치되어 있다. 따라서 배측 전극층(101C)∼(116C)은 각각 중앙 전극층(101A)∼(116A)과 표리 방향에서 보아 대략 직각으로 교차하게 배치되어 있다.
센서 시트(2′)에서는 표리 방향에서 보아 중앙 전극층(101A)∼(116A), 표측 전극층(101B)∼(116B) 및 배측 전극층(101C)∼(116C)이 대향하고 있는 각각의 개소(도 5(a)에 도시한 바와 같이 센서 시트(2′)에서는 256군데)가 검출부(C)가 된다.
각 검출부(C)는 중앙 전극층과 표측 전극층의 대향한 부분이 표측 검출부(제1 검출부)가 되고 중앙 전극층과 배측 전극층의 대향한 부분이 배측 검출부(제2 검출부)가 된다.
센서 시트(2′)를 구비한 정전 용량형 센서에서는 256군데의 검출부(C)를 1군데씩 전환하면서 각 검출부의 정전 용량을 측정할 수 있고 그 결과 각 검출부의 왜곡량이나 정전 용량형 센서 시트내의 왜곡 위치 정보를 검지할 수 있다.
<계측기>
상기 계측기는 상기 센서 시트와 전기적으로 접속되어 있다. 상기 계측기는 상기 유전층 변형에 따라 변화되는 상기 검출부(제1 검출부 및 제2 검출부)의 정전 용량을 측정하는 기능을 가진다.
이 때 상기 센서 시트의 검출부 구조(제1 검출부 및 제2 검출부 구조)를 2개의 콘덴서가 병렬로 배치된 구조로 하고 표측 전극층(표측 접속부) 및 배측 전극층(배측 접속부)을 계측기의 동일 단자에 접속하고 중앙 전극층(중앙 접속부)을 계측기의 표측 전극층 및 배측 전극층을 접속하는 단자와는 다른 단자에 접속해서 정전 용량의 측정을 행한다.
게다가 센서 시트가 도 5에 나타낸 센서 시트(2′)와 같이 복수의 검출부를 구비하는 경우에는 측정 대상이 되고 있는 검출부에 위치하는 중앙 전극층(중앙 접속부) 이외의 중앙 전극층을 접지한 상태로 해서 상기 측정 대상이 되고 있는 검출부의 정전 용량의 측정을 행한다.
따라서 상기 정전 용량형 센서 시트에 있어서 검출부의 정전 용량은 상기 제1 검출부의 정전 용량(C1)과 상기 제2 검출부의 정전 용량(C2)을 가산한 합계 정전 용량(Ct)(Ct=C1+C2)으로서 계측된다. 상기 정전 용량형 센서 시트에서는 이 합계 정전 용량(Ct)에 근거해서 상기 센서 시트의 변형 상태를 계측한다.
다시 말해 상기 정전 용량형 센서에서는 표측 전극층과 배측 전극층이 전기적으로 접속된 상태(단락된 상태)로 하고 이 상태에서 상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부 각각의 정전 용량을 측정하는 것이 바람직하다. 이에 따라 보다 정확하게 정전 용량의 변화를 측정할 수 있다.
여기서 상기 표측 전극층과 배측 전극층을 전기적으로 접속하는 방법으로서는 특별히 한정되지 않고 예를 들면 이하의 방법을 채용할 수 있다. 다시 말해 (1)양자(표측 전극층 및 배측 전극층)를 센서 시트내에서 전기적으로 접속하는(예를 들면 표측 배선과 배측 배선을 접속하는 배선을 형성하는) 방법, (2)양자를 센서 시트와 계측기 사이에서 접속하는(예를 들면 표측 배선에 접속된 외부배선과 배측 배선에 접속된 외부배선을 결선한 후 계측기에 접속하는) 방법, (3)양자를 계측기내(예를 들면 정전 용량 측정 회로내)에서 접속하는 방법 등을 채용할 수 있다.
상기 정전 용량(Ct)을 측정하는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 교류 임피던스를 이용한 방법이 바람직하다. 교류 임피던스를 이용한 측정 방법은 높은 주파수 신호를 이용한 측정에서도 반복 정밀도에 우수하고, 높은 주파수 신호를 이용하는 것으로 임피던스가 지나치게 커지지 않기 때문에 계측 정밀도를 보다 높일 수 있다. 또 정전 용량 계측에 요하는 시간을 단축할 수 있기 때문에 센서로서는 시간당 계측 회수를 증가시키는 것이 가능하게 된다.
상기 계측기는 정전 용량의 측정에 필요로 하는 정전 용량 측정 회로, 연산 회로, 증폭 회로, 전원 회로 등을 구비하고 있다.
상기 정전 용량(Ct)을 측정하는 방법(회로)의 구체적인 예는 도 1에 나타낸 슈미트 트리거 발진 회로와 F/V변환 회로를 조합해서 이용하는 방법에 한정되지 않는다. 예를 들면 자동 평형 브리지 회로를 이용한 CV변환 회로(LCR메터 등), 반전 증폭 회로를 이용한 CV변환 회로, 반파배전압 정류 회로를 이용한 CV변환 회로, 슈미트 트리거 발진 회로를 이용한 CF발진 회로 등을 채용할 수도 있다.
여기서 검출부의 정전 용량을 보다 정확하게 측정하기 위해 (1)계측기가 슈미트 트리거 발진 회로와 같은 CF변환 회로를 구비하는 경우는 상기 중앙 전극층이 CF변환 회로측에 접속되고 또한 상기 표측 전극층과 상기 배측 전극층이 전기적으로 접속된 상태에서 접지되는 것이 바람직하다. 또 (2)계측기가 반파배전압 정류 회로나 반전 증폭 회로, 자동평형 브리지 회로를 구비하는 경우는 상기 중앙 전극층이 반파배전압 정류 회로, 반전 증폭 회로 또는 자동평형 브리지 회로측에 접속되고 또한 상기 표측 전극층과 상기 배측 전극층이 전기적으로 접속된 상태에서 상기 계측기의 교류 신호 생성측에 접속되는 것이 바람직하다.
또한 센서 시트가 도 5에 나타낸 센서 시트(2′)와 같이 복수의 검출부를 구비하는 경우에는 하기의 접속 상태 (1)이나 (2)가 되도록 회로를 변경하면서 측정 대상이 되고 있는 검출부의 정전 용량을 측정하는 것이 바람직하다. 다시 말해
(1)계측기가 슈미트 트리거 발진 회로와 같은 CF변환 회로를 구비하는 경우 :
측정 대상이 되고 있는 검출부에 위치하는 중앙 전극층이 CF변환 회로측에 접속되고 다른 중앙 전극층이 접지되고 또한 표리 방향으로 서로 대향하는 표측 전극층과 배측 전극층이 각각 전기적으로 접속되면서 측정 대상이 되고 있는 검출부에 위치하는 한 쌍의 표측 전극층 및 배측 전극층이 전기적으로 접속된 상태에서 접지되어 있다.
(2)계측기가 반파배전압 정류 회로나 반전 증폭 회로, 자동평형 브리지 회로를 구비하는 경우 :
측정 대상이 되고 있는 검출부에 위치하는 중앙 전극층이 반파배전압 정류 회로, 반전 증폭 회로 또는 자동평형 브리지 회로측에 접속되고 다른 중앙 전극층이 접지되고 또한 표리 방향으로 서로 대향하는 표측 전극층과 배측 전극층이 각각 전기적으로 접속되면서 측정 대상이 되고 있는 검출부에 위치하는 한 쌍의 표측 전극층 및 배측 전극층이 전기적으로 접속된 상태에서 상기 계측기의 교류 신호 생성측에 접속되어 있다.
또한 본 발명의 실시예에 있어서 접지하는 이란, 단순히 대지와 어스를 잡는다고 하는 것 뿐만 아니라 소정의 전위(예를 들면 0V)에 고정하는 경우도 포함하는 개념이다. 각 전극층을 접지하는 경우에는 예를 들면 계측기의 GND단자등에 접속하면 된다.
<표시기>
상기 정전 용량형 센서는 도 1에 나타낸 예와 같이 표시기를 구비하고 있어도 된다. 이에 의해 상기 정전 용량형 센서의 사용자는 정전 용량(Ct)의 변화에 근거하는 정보를 실시간으로 확인할 수 있다. 상기 표시기는 그 때문에 필요로 하는 모니터, 연산 회로, 증폭 회로, 전원 회로 등을 구비하고 있다.
또 상기 표시기는 도 1에 나타낸 예와 같이 정전 용량(Ct)의 측정 결과를 기억하기 위해 RAM, ROM, HDD 등의 기억부를 구비하고 있어도 된다. 또한 상기 기억부는 상기 계측기가 구비하고 있어도 된다.
상기 표시기로서는 퍼스널 컴퓨터, 스마트 폰, 타블렛 등의 단말기기를 이용할 수도 있다.
또 도 1에 나타낸 정전 용량형 센서(1)에 있어서 측정기(3)와 표시기(4)의 접속은 유선으로 행해지고 있으나, 상기 정전 용량형 센서에 있어서 이들 접속은 반드시 유선으로 행해지고 있을 필요는 없고 무선으로 접속되어 있어도 된다. 정전 용량형 센서의 사용 형태에 따라서는 측정기와 표시기가 물리적으로 분리되어 있는 것이 사용하기 쉬운 경우도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서는 상기 센서 시트의 유전층(표측 유전층 및 배측 유전층)이 변형할 때에 변형 전후로 정전 용량(제1 검출부 및 제2 검출부의 합계 정전 용량(Ct))을 측정하고 그 측정 결과로부터 변형 전후의 합계 정전 용량(Ct)의 변화량(ΔCt)을 산출하는 것으로 변형시의 센서 시트의 변형량을 계측할 수 있다. 그러므로 상기 정전 용량 센서는 예를 들면 측정 대상물의 변형량을 구하기 위한 센서로서 이용할 수 있다.
또 상기 센서 시트가 복수의 검출부를 구비하는 경우에는 측정 대상물의 변형 왜곡 분포를 구하기 위한 센서로서 이용할 수도 있다.
상기 정전 용량형 센서는 예를 들면 엑스펜더나 재활 튜브, 고무 볼, 고무 풍선, 에어백 등의 신축물이나 쿠션이나 구두창 인너 등의 유연물 등을 측정 대상물로 하고 이 측정 대상물에 상기 센서 시트를 부착해서 측정 대상물의 변형을 계측하기 위한 센서로서 사용할 수 있다.
또 상기 정전 용량형 센서는 예를 들면 사람등의 동물을 측정 대상물로 하고 그 움직임을 계측하는 센서 등으로서 사용할 수 있다. 구체적으로는 예를 들면 관절, 요골동맥이나 경동맥 등의 맥이 닿는 곳, 손바닥이나 손등, 발 바닥이나 발등, 흉부나 복부, 볼이나 입 주위 등 신체표면의 임의의 개소에 센서 시트를 부착해서 사용하는 것으로 신체표면의 변형(움직임)을 계측하기 위한 센서로서 사용할 수 있다.
또 상기 정전 용량형 센서는 예를 들면 의복을 착용하고 그 의복의 표면에 센서 시트를 부착해서 사용하는 것으로 신체 운동에 따른 의복의 변형(신축) 방법이나 의복의 신체에 대한 추종성을 계측하기 위한 센서로서 사용할 수도 있다.
또 상기 정전 용량형 센서에서는 예를 들면 유저가 능동적으로 상기 센서 시트를 변형시킬 수도 있다. 이 경우 상기 정전 용량형 센서는 유저의 의지를 반영한 정보를 정전 용량의 변화에 따라 제작하고 그 정보를 발신하기 위한 사용자 인터페이스 장치에 사용할 수도 있다.
또 상기 정전 용량형 센서에서는 상기 센서 시트를 전동 의수 의족의 근전 센서의 인터페이스의 대체품으로서 이용할 수 있다.
또 상기 정전 용량형 센서에서는 상기 센서 시트가 중도심신장애인의 입력 인터페이스의 입력 단말기로서도 사용할 수 있다.
또 상기 정전 용량형 센서에 있어서 센서 시트가 다수의 검출부를 구비하는 경우 상기 정전 용량형 센서는 측정 대상물이 센서 시트에 접촉한 상태에서 이동하였을 때의 위치 정보를 검출하기 위한 센서로서 사용할 수 있다. 또한 예를 들면 터치패널용 입력 인터페이스로서도 사용할 수 있다.
또한 상기 정전 용량형 센서는 기존 센서인 광학식 모션 캡처에서는 측정할 수 없는 광의 차단부위에서의 측정에도 이용하는 것이 가능하다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 정전 용량형 센서는 각종 이용 분야 및 사용 환경에서 사용할 수 있다. 그리고 상술한 바와 같이 상기 정전 용량형 센서는 이용 분야, 사용 환경마다 전자 노이즈나 전원 노이즈, 센서 시트의 한쪽 면 또는 양면이 도체(예를 들면 신체나 땀 등)에 닿는 등 각종의 측정 노이즈에 노출되게 된다.
이에 대하여 상기 정전 용량형 센서는 정전 용량의 측정시에 정전 용량형 센서 주변의 노이즈 상황이 변화되어도 정전 용량 측정값의 변동을 작게 억제할 수 있다.
실시예
이하 실시예에 의해 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 실시예는 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
<센서 시트(A)의 제작>
(1)유전층(표측 유전층 및 배측 유전층)의 제작
폴리올(판덱스GCB-41, DIC사 제품) 100질량부에 대하여 가소제(디옥틸술포네이트) 40중량부와 이소시아네이트(판덱스GCA-11, DIC사 제품) 17.62중량부를 첨가하고 아지타에서 90초간 교반 혼합하고 유전층용의 원료 조성물을 조제하였다. 다음에 원료 조성물을 도 3에 나타낸 성형 장치(30)에 주입하고 보호 필름(31)으로 샌드위치형으로 해서 반송하면서 로내온도 70도, 로내 시간 30분간의 조건에서 가교 경화해서 보호 필름 부착의 소정 두께의 롤에 감긴 시트를 얻었다. 그 후 70도로 조절한 로에서 12시간후 가교해서 폴리에테르계 우레탄고무로 이루어지는 시트를 제작하였다. 얻어진 우레탄 시트를 재단하여 14mm×74mm×두께 50μm의 시트를 2장 제작하였다. 또한 재단된 시트 1장에 대해서 각부의 한 곳을 5mm×7mm×두께 50μm의 사이즈로 잘라서 표측 유전층을 제작하였다. 또 재단된 시트의 나머지 1장에 대해서 각부의 한 곳을 9mm×7mm×두께 50μm의 사이즈로 잘라서 배측 유전층을 제작하였다.
또 제작한 유전층에 대해서 파단시 연신(%) 및 비유전율을 측정한 바 파단시 연신(%)은 505%, 비유전율은 5.7이었다.
여기서 상기 파단시 연신은 JIS K 6251에 준거해서 측정하였다.
또 상기 비유전율은 20mmΦ의 전극에서 유전층을 사이에 두고 LCR하이 테스터(히오키전기사 제품 3522-50)을 이용해서 계측 주파수 1kHz에서 정전 용량을 측정하여 전극면적과 측정 자료의 두께로부터 비유전율을 산출하였다.
(2)전극층 재료의 조제
기판 성장법에 의해 제조한 다층 카본 나노튜브인 다이요우닛산사 제품의 고배향 카본 나노튜브 (층수 4∼12층, 섬유직경 5∼20nm, 섬유길이 150∼300μm, 탄소순도 99.5%) 30mg를 2-프로판올30g에 첨가하고 제트밀(나노 제트펄 JN10-SP003 죠고사 제품)을 이용해서 습식 분산 처리를 실시하고 10배로 희석해서 농도 0.01중량%의 카본 나노튜브 분산액을 얻었다.
(3)보호층(표측 보호층 및 배측 보호층)의 제작
상술한 (1)유전층의 제작과 동일한 방법을 이용해서 폴리에테르계 우레탄고무제로 14mm×74mm×두께 50μm의 배측 보호층과 14mm×67mm×두께 50μm의 표측 보호층을 제작하였다.
(4)센서 시트(A)의 제작
하기의 제작 공정을 거쳐 센서 시트를 제작하였다(도 4 및 도 6 참조).
(a) 상기 (3)의 공정에서 제작한 배측 보호층(15B)의 한쪽면(표면)에 이형 처리된 PET필름에 소정 형상의 개구부가 형성된 마스크(도시하지 않음)를 부착하였다.
상기 마스크에는 배측 전극층 및 배측 배선에 상당하는 개구부가 형성되어 있고 개구부의 사이즈는 배측 전극층에 상당하는 부분이 폭 10mm×길이 50mm, 배측 배선에 상당하는 부분이 폭 2mm×길이 10mm이다.
다음에 상기 (2)의 공정에서 조제한 카본 나노튜브 분산액 7.2g을 10cm 거리에서 에어브러시를 이용해서 도포하고 이어서 100도에서 10분간 건조해서 배측 전극층(12C) 및 배측 배선(13C)을 형성하였다. 그 후 마스크를 박리하였다(도4(a) 참조).
(b) 다음에 배측 전극층(12C)의 전체 및 배측 배선(13C)의 일부를 피복하게 상기 (1)의 공정에서 제작한 배측 유전층(11B)을 배측 보호층(15B)위에 접합함으로써 적층하였다.
또한 배측 유전층(11B)의 전면에 상기 공정 (a)에서의 배측 전극층(12C) 및 배측 배선(13C)의 형성과 같은 방법을 이용하여 소정 위치(배측 전극층(12C) 및 중앙 전극층(12A)을 평면에서 보았을 때에 양자가 겹치는 위치)에 중앙 전극층(12A) 및 중앙 배선(13A)을 형성하였다(도 4(b)참조).
(c) 다음에 중앙 전극층(12A)의 전체 및 중앙 배선(13A)의 일부를 피복하게 상기 (1)의 공정에서 제작한 표측 유전층(11A)을 배측 유전층(11B)위에 접합함으로써 적층하였다.
또한 표측 유전층(11A)에 전면에 상기 공정 (a)에서의 배측 전극층(12C) 및 배측 배선(13C)의 형성과 같은 방법을 이용하여 소정 위치(중앙 전극층(12A) 및 표측 전극층(12B)을 평면에서 보았을 때에 양자가 겹치는 위치)에 표측 전극층(12B) 및 표측 배선(13B)을 형성하였다(도 4(c)참조).
(d) 다음에 표측 전극층(12B) 및 표측 배선(13B)을 형성한 표측 유전층(11A)의 전면에 표측 전극층(12B)의 전체 및 표측 배선(13B)의 일부를 피복하게 상기 (3)의 공정에서 제작한 표측 보호층(15A)을 적층하였다(도 4(d)참조).
(e) 그 후 중앙 배선(13A), 표측 배선(13B) 및 배측 배선(13C) 각각의 단부에 구리박을 장착하고 중앙 접속부(14A), 표측 접속부(14B) 및 배측 접속부(14C)로 하였다.
다음에 중앙 접속부(14A), 표측 접속부(14B) 및 배측 접속부(14C) 각각에 외부배선이 되는 리드선(19)(19a∼19c)을 솔더로 고정하였다.
또한 중앙 접속부(14A), 표측 접속부(14B) 및 배측 접속부(14C)의 배측 보호층(15B)위에 위치하는 부분에 두께 100μm의 PET필름(17)을 아크릴 점착테이프(3M사 제품 Y-4905(두께0.5mm))(16)를 개재해서 부착하여 보강하고 센서 시트(A)를 완성하였다(도6 참조).
센서 시트(A)는 중앙 전극층, 상기 중앙 전극층을 사이에 두도록 형성된 표측 유전층 및 배측 유전층 그리고 표측 유전층 및 배측 유전층 각각의 반대측에 형성된 표측 전극층 및 배측 전극층을 구비한다.
<센서 시트(B)의 제작>
(1)유전층의 제작
센서 시트(A) 제작의 경우와 동일하게 하여 14mm×74mm×두께 50μm의 폴리에테르계 우레탄고무제 시트를 제작한 후 각부의 한 곳을 7mm×7mm×두께 50μm의 사이즈로 잘라서 유전층을 제작하였다.
(2)전극층 재료의 조제
센서 시트(A) 제작의 경우와 동일하게 하여 카본 나노튜브 분산액을 조제하였다.
(3)보호층(표측 보호층 및 배측 보호층)의 제작
센서 시트(A) 제작의 경우와 동일하게 하여 폴리에테르계 우레탄고무제로 14mm×74mm×두께 50μm의 배측 보호층과 14mm×67mm×두께 50μm의 표측 보호층을 제작하였다.
(4)센서 시트(B)(도 7 참조)의 제작
(a) 상기 (3)의 공정에서 제작한 배측 보호층(25B)의 한쪽면(표면)에 이형 처리된 PET필름에 소정 형상의 개구부가 형성된 마스크를 부착한 후 상기 (2)의 공정에서 조제한 카본 나노튜브 분산액을 에어브러시를 이용해서 도포하고 건조시키고 그 후 마스크를 박리함으로써 배측 전극층(22B) 및 배측 배선(23B)을 형성하였다.
본 공정의 구체적인 방법으로서는 센서 시트(A)의 제작에서의 (4)의 공정(a)과 동일한 방법을 채용하였다. 단 마스크의 개구부 사이즈는 배측 전극층에 상당하는 부분이 폭 10mm×길이 50mm 배측 배선에 상당하는 부분이 폭 2mm×길이 10mm로 하였다.
(b) 다음에 배측 전극층(22B)의 전체 및 배측 배선(23B)의 일부를 피복하게 상기 (1)의 공정에서 제작한 유전층(21)을 배측 보호층(25B)위에 접합함으로써 적층하였다.
또한 유전층(21)의 표측에 상기 공정(a)에서의 배측 전극층(22B) 및 배측 배선(23B)의 형성과 같은 방법을 이용하여 소정 위치(배측 전극층(22B)과 표측 전극층(22A)이 평면에서 볼 때에 겹치는 위치)에 표측 전극층(22A) 및 표측 배선(23A)을 형성하였다.
(c) 다음에 표측 전극층(22A) 및 표측 배선(23A)을 형성한 유전층(21)의 표측에 표측 전극층(22A) 전체 및 표측 배선(23A)의 일부를 피복하게 상기 (3)의 공정에서 제작한 표측 보호층(25A)을 적층하였다.
(d) 그 후 표측 배선(23A) 및 배측 배선(23B) 각각의 단부에 구리박을 장착하고 표측 접속부(24A) 및 배측 접속부(24B)로 하였다. 그 후 표측 접속부(24A) 및 배측 접속부(24B)에 외부배선이 되는 리드선(29)을 솔더로 고정하였다(도7 참조).
마지막으로 센서 시트(A) 제작의 경우와 동일하게 하여 표측 접속부(24A) 및 배측 접속부(24B)의 배측 보호층(25B)위에 위치하는 부분에 두께 100μm의 PET필름을 아크릴 점착테이프(3M사 제품 Y-4905(두께0.5mm))를 개재해서 부착하여 보강하고 센서 시트(B)를 완성하였다.
센서 시트(B)는 1층의 유전층과 그 양면에 형성된 전극층을 구비한다.
<센서 시트(A) 및 (B)의 초기 성능의 확인>
상술한 방법으로 제작한 센서 시트(A) 및 센서 시트(B) 각각을 하기와 같이 하여 리드선을 개재해서 LCR메터(히오키전기사 제품 LCR하이 테스터3522-50)와 접속하고 무신장 상태에서 정전 용량을 계측하였다. 결과를 표1에 나타내었다.
(접속 상태)
A:센서 시트(A)와 LCR메터를 접속하였다. 이 때 중앙 전극층 및 배측 전극층은 각각 LCR메터의 상이한 단자에 접속하고 표측 전극층은 LCR메터에 접속하지 않았다. 다시 말해 도 6에서의 리드선(19a), (19b)을 각각 따로따로 LCR메터에 접속하고 리드선(19c)은 LCR메터에 접속하지 않았다.
B:센서 시트(A)와 LCR메터를 접속하였다. 이 때 표측 전극층 및 배측 전극층을 전기적으로 접속해서(표측 전극층과 배측 전극층이 단락된 상태로해서) 이를 LCR메터에 접속하고 중앙 전극층은 LCR메터의 표측 전극층 및 배측 전극층을 접속한 단자와는 다른 단자에 접속하였다. 다시 말해 도 6에서의 리드선(19b) 및 (19c)을 1개의 리드선에 통합해서 이것을 LCR메터에 접속하는 동시에 리드선(19a)을 LCR메터의 다른 단자에 접속하였다.
C:센서 시트(B)를 LCR메터와 접속하였다. 이 때 표측 전극층 및 배측 전극층은 각각 LCR메터의 상이한 단자에 접속하였다.
Figure pct00001
표 1에 나타낸 바와 같이 센서 시트(A)에서 표측 전극층 및 배측 전극층을 리드선으로 전기적으로 접속하고(표측 전극층 및 배측 전극층이 단락된 상태로 하고) 이 리드선을 LCR메터의 한쪽 단자에 접속하고 중앙 전극층을 리드선을 개재해서 다른 단자에 접속하는 것으로 센서 시트(A)의 제1 검출부의 정전 용량(C1)과 제2 검출부의 정전 용량(C2)의 합계 정전 용량(Ct)을 측정할 수 있다.
그리고 그 합계 정전 용량(Ct)은 제2 검출부의 정전 용량(C2)의 약 2배가 되는 것이 명백해졌다. 또한 합계 정전 용량(Ct)이 정확하게 정전 용량(C2)의 2배가 되지 않았던 이유는 각 전극층의 치수오차에 의한 것이라고 추측하고 있다.
<정전 용량형 센서와 노이즈의 관계 : 실시예 1∼3, 비교예 1∼3>
여기서는 (i)센서 시트 양면에 노이즈원을 설치하지 않은 상태 (ii)센서 시트의 한쪽에만 노이즈원을 설치한 상태 및 (iii)센서 시트의 양측에 노이즈원을 설치한 상태 중 어느 하나의 상태로 한 센서 시트와 계측기를 접속하고 각 센서 시트 검출부의 정전 용량을 측정하였다.
이 때 계측기의 전원으로서는 DC전원(정전압 전원)을 사용하고 어스에서 DC전원 및 노이즈원인 펑션제너레이터에 어떤 노이즈가 침입하는 영향을 피하기 위해 동일 AC콘센트에서 공급되는 AC를 사용하였다.
여기서 상기 (i) 및 (ii)의 경우는 먼저 폴리프로필렌제의 작업대 위에 구리박을 탑재하고 또한 이 구리박 위에 센서 시트를 배면으로 해서 구리박과 센서 시트 사이에 기포가 들어가지 않도록 탑재하였다. 그 후 펑션제너레이터(Tektronix사 제품 AFG3021)를 구리박에 접속하였다.
그리고 상기 (ii)의 경우에는 소정의 노이즈 신호(60Hz, -2.5V∼2.5V 또는 10kHz, -1.0V∼1.0V)를 구리박에 인가하였다.
한편 상기 (i)의 경우에는 펑션제너레이터를 OFF인채로 하였다.
또 상기 (iii)의 경우는 상기 (ii)의 경우와 마찬가지로 센서 시트를 구리박 위에 양자 사이에 기포가 들어가지 않도록 탑재한 후 센서 시트의 상면에 두께 1mm의 진유판을 탑재하였다. 그 후 펑션제너레이터(AFG3021)를 구리박 및 진유판에 접속하고 소정의 노이즈 신호(60Hz, -2.5V∼2.5 또는 10kHz, -1.0V∼1.0V)를 구리박 및 진유판 각각에 인가하였다.
(실시예 1)
계측기로서 도 8에 나타낸 바와 같은 반전 증폭 회로(300)를 사용하고 이것을 센서 시트(A)(도 8에서 (310))와 접속해서 합계 정전 용량(Ct)을 측정하였다. 반전 증폭 회로(300)에서 교류 인가 장치(311)의 발진 주파수는 5kHz, 귀환 커패시터(313)의 정전 용량은 1000pF, 귀환 저항(314)의 저항치는 4.7MΩ로 하였다. 또 도 8에서 (315)는 BEF(band elimination filter)이다.
이 때 중앙 전극층을 연산 증폭기(312)에 접속하고 표측 전극층 및 배측 전극층을 단락된 상태에서 교류 인가 장치(311)에 접속한 배선 조건을 정접속으로 하였다. 반대로 중앙 전극층을 교류 인가 장치(311)에 접속하고 표측 전극층 및 배측 전극층을 단락된 상태에서 연산 증폭기(312)에 접속한 배선 조건을 역접속으로 하였다. 각각의 배선 조건에서 상기 (i)∼ (iii)의 노이즈 상태에서의 측정을 행하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
또한 각 실시예에서의 전극층 접속 방법의 설명에 있어서 전극층끼리가 단락된 상태란 전극층끼리가 전기적으로 접속된 상태에 있는 것을 의미한다.
(비교예 1)
계측기로서 실시예 1과 동일의 반전 증폭 회로(300)를 사용하고 이것을 센서 시트(B)와 접속하여 검출부의 정전 용량을 측정하였다.
이 때 표측 전극층을 연산 증폭기(312)에 접속하고 배측 전극층을 교류 인가 장치(311)에 접속한 배선 조건을 정접속으로 하였다. 반대로 표측 전극층을 교류 인가 장치(311)에 접속하고 배측 전극층을 연산 증폭기(312)에 접속한 배선 조건을 역접속으로 하였다. 각각의 배선 조건에서 상기 (i) 또는 (ii)의 노이즈 상태에서의 측정을 행하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(실시예 2)
계측기로서 도 9에 나타낸 바와 같은 슈미트 트리거 발진 회로(400)를 사용하고 이것을 센서 시트(A)(도 9에서 (410))와 접속해서 슈미트 트리거(412)로부터의 출력 주파수보다 합계 정전 용량(Ct)을 측정하였다. 슈미트 트리거 발진 회로(400)에서 가변 저항(413)은 통상 측정의 정접속에서 발진 주파수가 5kHz가 되게 저항치를 조절하였다.
이 때 중앙 전극층을 슈미트 트리거(412)측에 접속하고 표측 전극층 및 배측 전극층을 단락된 상태에서 접지한 배선 조건을 정접속으로 하였다. 반대로 중앙 전극층을 접지하고 표측 전극층 및 배측 전극층을 단락된 상태에서 슈미트 트리거(412)측에 접속한 배선 조건을 역접속으로 하였다. 각각의 배선 조건에서 상기 (i)∼ (iii)의 노이즈 상태에서의 측정을 행하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(비교예 2)
계측기로서 실시예 2와 동일의 슈미트 트리거 발진 회로(400)를 사용하고 이것을 센서 시트(B)와 접속하여 검출부의 정전 용량을 측정하였다.
이 때 표측 전극층을 슈미트 트리거(412)측에 접속하고 배측 전극층을 접지한 배선 조건을 정접속으로 하였다. 반대로 표측 전극층을 접지하고 배측 전극층을 슈미트 트리거(412)측에 접속한 배선 조건을 역접속으로 하였다. 각각의 배선 조건에서 상기 (i) 또는 (ii)의 노이즈 상태에서의 측정을 행하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(실시예 3)
계측기로서 도 10에 나타낸 바와 같은 반파배전압 정류 회로(500)를 사용하고 이것을 센서 시트(A)(도 10에서 (510))와 접속해서 출력되는 전압을 측정하였다. 반파배전압 정류 회로(500)에서 교류 인가 장치(511)의 발진 주파수는 5kHz, 콘덴서(512)의 정전 용량은 0.1μF, 저항(513)의 저항치는 33kΩ 또는 470kΩ로 하였다. 또 다이오드(514), (515)로서는 쇼트키 다이오드를 사용하였다.
이 때 중앙 전극층을 OUTPUT측에 접속하고 표측 전극층 및 배측 전극층을 단락된 상태에서 교류 인가 장치(511)에 접속한 배선 조건을 정접속으로 하였다. 반대로 중앙 전극층을 교류 인가 장치(511)에 접속하고 표측 전극층 및 배측 전극층을 단락된 상태에서 OUTPUT측에 접속한 배선 조건을 역접속으로 하였다. 각각의 배선 조건에서 상기 (i)∼ (iii)의 노이즈 상태에서의 측정을 행하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(비교예 3)
계측기로서 실시예 3과 동일의 반파배전압 정류 회로(500)를 사용하고 이것을 센서 시트(B)와 접속해서 출력되는 전압을 측정하였다.
이 때 표측 전극층을 OUTPUT측에 접속하고 배측 전극층을 교류 인가 장치(511)에 접속한 배선 조건을 정접속으로 하였다. 반대로 표측 전극층을 교류 인가 장치(511)에 접속하고 배측 전극층을 OUTPUT측에 접속한 배선 조건을 역접속으로 하였다. 각각의 배선 조건에서 상기 (i) 또는 (ii)의 노이즈 상태에서의 측정을 행하였다. 결과를 표 2에 나타내었다.
Figure pct00002
표 2에 나타낸 결과에서 센서 시트(A)를 구비한 정전 용량형 센서에서는 정접속이면 노이즈원이 편측에만 있는지 또는 양측에 있는지를 불문하고 계측값이 영향을 받지 않는 것이 명백해졌다.
한편 센서 시트(B)를 구비한 정전 용량형 센서에서는 정접속이 되는 편측으로부터의 노이즈에 대해서는 계측값이 영향을 받지 않지만, 반대측 편측으로부터의 노이즈에 대해서는 측정값이 크게 영향을 받는 것이 명백해졌다. 물론 센서 시트(B)에서는 노이즈원이 양측에 있는 경우에도 동일하게 측정값이 크게 영향을 받는다.
(실시예4/비교예4)
센서 시트(A)(실시예4) 및 센서 시트(B)(비교예4) 각각에 대해서 평면에서 볼 때에 센서 시트의 검출부 전체가 덮혀지게 센서 시트의 양면에 구리박을 설치하는 동시에 양면의 구리박을 전기 접속한 상태로 하고 이 상태에서 상기 초기 성능의 확인과 마찬가지로 LCR메터를 이용해서 정전 용량을 측정하였다.
이 때 LCR메터의 측정 주파수는 5kHz로 하고 센서 시트(A)와 LCR메터의 접속은 상기 접속 상태(B)에서 행하고 센서 시트(B)와 LCR메터의 접속은 상기 접속 상태(C)에서 행하였다.
또한 구리박의 노이즈 인가는 행하지 않았다.
그 결과 센서 시트(A)의 정전 용량은 502.7pF이고 구리박을 설치하지 않고 측정한 초기 성능의 정전 용량(501.7pF(표1 참조))에 비해 1.0pF변화하고 있었다.
한편 센서 시트(B)의 정전 용량은 370.9pF이고 구리박을 설치하지 않고 측정한 초기 성능의 정전 용량(252.7pF(표1 참조))에 비해 118.2pF변화하고 있었다.
이와 같이 센서 시트(B)는 그 양측에서 전기적으로 접속된 도체로 끼워진 경우 정전 용량이 크게 변화되는 것에 대해 센서 시트(A)는 그 양측에서 전기적으로 접속된 도체로 끼워진 경우에도 정전 용량이 대부분 변화되지 않는 것이 명백해졌다.
이 이유에 대해서 센서 시트(B)에서는 표측 전극층과 이 표측 전극층에 근접한 구리박 사이의 정전 용량 및 배측 전극층과 이 배측 전극층에 근접한 구리박 사이의 정전 용량 2개가 직렬로 접속한 합성 정전 용량이 센서 시트 본래의 검출부의 정전 용량과 병렬로 연결되고 정전 용량이 가산되어 측정되었다고 생각할 수 있다. 상기 센서 시트(B)의 구성으로 하면 가산에 의해 정전 용량의 측정값이 1.50배로 증가하는 계산이 되는 바 측정값으로 1.47배가 되어있는 것으로부터도 상기 고찰이 맞다는 것이 명백해졌다.
한편 센서 시트(A)에서는 표측 전극층과 배측 전극층이 단락된 상태에서 계측기(LCR메터)에 접속되어 있고 양 전극층은 동전위이므로 센서 시트(B)와 같이 표측 전극층이나 배측 전극층과 구리박 사이의 정전 용량이 개입되는 경로가 존재하지 않고 검출부에서 측정되는 정전 용량의 측정값이 가산되는 일은 없다.
이상에서 센서 시트(A)를 구비한 정전 용량형 센서는 계측 환경의 영향을 받기 어렵다는 것이 명백해졌다.
(실시예 5)
센서 시트(A)의 외부에 노출된 도전성 부위(각 배선부나 각 접속부, 리드선의 단부 등) 전체를 절연성의 전기 부품용 접착제(세메다인 주식회사 SX720B)로 피복하여 도전성 부재가 외부에 노출되지 않도록 한 후 센서 시트(A)를 LCR메터와 접속하였다. 센서 시트(A)와 LCR메터의 접속은 상술한 초기 성능 확인에서의 접속 상태(B)와 마찬가지로 하여 행하였다(주파수는 5kHz).
먼저 센서 시트(A)의 공기 중에서의 합계 정전 용량(Ct)을 측정하였다. 그 결과 합계 정전 용량(Ct)은 497.5pF이었다.
다음에 센서 시트(A) 전체를 이온 교환수내에 가라앉히고 1분간 경과 후 합계 정전 용량(Ct)을 측정하였다. 그 결과 합계 정전 용량(Ct)은 525.7pF이고 28.2pF증가하고 있었다.
(비교예 5)
센서 시트(B)의 외부에 노출된 도전성 부위(각 배선부나 각 접속부, 리드선의 단부 등) 전체를 절연성 접착제로 피복하여 도전성 부재가 외부에 노출되지 않도록 한 후 센서 시트(B)를 LCR메터와 접속하였다. 센서 시트(B)와 LCR메터의 접속은 상술한 초기 성능 확인에서의 접속 상태(C)와 마찬가지로 하여 행하였다(주파수는 5kHz).
먼저 센서 시트(B)의 공기중에서의 정전 용량을 측정하였다. 그 결과 정전 용량은 248.2pF이었다.
다음에 센서 시트(B) 전체를 이온 교환수내에 가라앉히고 1분간 경과 후 정전 용량을 측정하였다. 그 결과 정전 용량은 405.6pF이고 157.4pF증가하고 있었다.
실시예 5 및 비교예 5의 결과로부터 센서 시트(A)를 구비한 정전 용량형 센서에서는 센서 시트(B)를 구비한 정전 용량형 센서에 비해 표면이 젖은 상태에서 사용하더라도 검출부에서의 정전 용량의 변화가 작은 것이 명백해졌다.
이러한 점에서 상기 정전 용량형 센서는 센서 시트가 땀 등으로 젖는 환경에서의 사용 예를 들면 운동시에 생체에 부착해서 사용 등의 사용 환경에도 적합하게 사용할 수 있다고 생각된다.
(1) 정전 용량형 센서
(2), (2′) 센서 시트
(3) 계측기
(3a), (400) 슈미트 트리거 발진 회로
(3b) F/V변환 회로
(4) 표시기
(4a) 모니터
(4b) 연산 회로
(4c) 기억부
(11A), (120) 표측 유전층(제1 유전층)
(11B), (130) 배측 유전층(제2 유전층)
(12A), (101A)∼(116A) 중앙 전극층
(12B), (101B)∼(116B) 표측 전극층(제1 외측 전극층)
(12C), (101C)∼(116C) 배측 전극층(제2 외측 전극층)
(13A) 중앙 배선
(13B) 표측 배선
(13C) 배측 배선
(14A) 중앙 접속부
(14B) 표측 접속부
(14C) 배측 접속부
(15A), (140) 표측 보호층(제1 보호층)
(15B), (150) 배측 보호층(제2 보호층)
(101A1)∼(116A1), (101B1)∼(116B1) 접속부
(300) 반전 증폭 회로
(500) 반파배전압 정류 회로

Claims (6)

  1. 중앙 전극층,
    상기 중앙 전극층 상면에 적층된 제1 유전층,
    상기 중앙 전극층 하면에 적층된 제2 유전층,
    상기 제1 유전층의 상기 중앙 전극층측과 반대측 면에 형성된 제1 외측 전극층,
    상기 제2 유전층의 상기 중앙 전극층측과 반대측 면에 형성된 제2 외측 전극층을 포함하고,
    상기 제1 유전층 및 상기 제2 유전층은 엘라스토머제이고
    상기 중앙 전극층 및 상기 제1 외측 전극층이 대향하는 부분을 제1 검출부, 상기 중앙 전극층 및 상기 제2 외측 전극층이 대향하는 부분을 제2 검출부로 하고
    가역적으로 변형가능하고 또한 변형에 따라 상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부의 정전 용량이 변화되는 센서 시트와
    상기 중앙 전극층, 상기 제1 외측 전극층 및 상기 제2 외측 전극층에 접속되고 상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부의 정전 용량을 측정하는 계측기를 구비하고,
    상기 제1 검출부의 정전 용량과 상기 제2 검출부의 정전 용량을 가산한 합계 정전 용량에 따라 상기 센서 시트의 변형 상태를 계측하는 것을 특징으로 하는 정전 용량형 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중앙 전극층, 상기 제1 외측 전극층 및 상기 제2 외측 전극층은 모두 카본 나노튜브를 함유하는 도전성 조성물로 이루어지는 정전 용량형 센서.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 센서 시트는 또한 상기 제1 외측 전극층의 상기 제1 유전층측과 반대측에 적층된 제1 보호층 및 상기 제2 외측 전극층의 상기 제2 유전층측과 반대측에 적층된 제2 보호층 중 적어도 하나를 포함하는 정전 용량형 센서.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계측기는 교류 임피던스를 이용해서 정전 용량을 계측하는 회로를 구비한 정전 용량형 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 계측기는 CV변환 회로를 구비하고
    상기 중앙 전극층이 상기 CV변환 회로측에 접속되고 또한 상기 제1 외측 전극층과 상기 제2 외측 전극층이 전기적으로 접속된 상태에서 상기 계측기의 교류 신호 생성측에 접속되는 정전 용량형 센서.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 계측기는 CF변환 회로를 구비하고
    상기 중앙 전극층이 상기 CF변환 회로측에 접속되고 또한 상기 제1 외측 전극층과 상기 제2 외측 전극층이 전기적으로 접속된 상태에서 접지되는 정전 용량형 센서.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210043358A (ko) * 2019-10-11 2021-04-21 한국생산기술연구원 신축감지 정전용량센서 및 이를 포함하는 보행분석 센싱 구조체 및 신축감지 정전용량센서의 제조방법

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2016194543A1 (ja) * 2015-06-01 2017-12-14 株式会社ワコム 位置検出センサ及び位置検出センサの製法
KR102440208B1 (ko) * 2015-09-03 2022-09-05 엘지이노텍 주식회사 압력 감지 소자
EP3410929A4 (en) * 2016-02-03 2020-01-22 Hutchinson Technology Incorporated MINIATURE PRESSURE / FORCE SENSOR WITH INTEGRATED ELECTRODES
KR102553036B1 (ko) * 2016-06-29 2023-07-07 엘지이노텍 주식회사 압력 감지 센서
FI127245B (en) * 2016-07-11 2018-02-15 Forciot Oy Power and / or pressure sensors
JP2018054590A (ja) * 2016-09-21 2018-04-05 東洋紡株式会社 伸縮性コンデンサおよび変形センサ
JP6328733B1 (ja) * 2016-11-24 2018-05-23 バンドー化学株式会社 判定装置、モニタリングシステム、及びモニタ装置
US10444912B2 (en) * 2016-12-30 2019-10-15 Industrial Technology Research Institute Sensing method of sensing device and stretchable sensor device
CN111406010B (zh) * 2017-11-29 2024-01-09 Iee国际电子工程股份公司 自立夹层结构、包含它的车辆方向盘及其应用方法
TWI639010B (zh) 2017-12-28 2018-10-21 財團法人工業技術研究院 靜電偵測裝置
US10739221B2 (en) * 2018-06-15 2020-08-11 Apple Inc. Water detecting pressure sensors
CN112771358B (zh) * 2018-10-18 2023-09-26 松下知识产权经营株式会社 压敏元件以及电子设备
CN113795740A (zh) * 2019-06-26 2021-12-14 百医医材科技股份有限公司 压力感应系统及压力感应设定方法
CN110333008A (zh) * 2019-07-17 2019-10-15 复旦大学 电容式触觉传感器
CN114616447B (zh) * 2019-10-29 2024-08-13 松下知识产权经营株式会社 载荷传感器
CN112577643B (zh) * 2020-12-11 2022-08-05 武汉大学 一种实现三轴测力的大量程电容式柔性传感器

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4827763A (en) * 1986-04-11 1989-05-09 Purdue Research Foundation Pressure mapping system with capacitive measuring pad
TW350026B (en) * 1995-07-28 1999-01-11 Hokushin Ind Pressure sensor
JP2000249773A (ja) * 1999-03-01 2000-09-14 Nitta Ind Corp 着座センサ
CN1157594C (zh) * 1999-07-09 2004-07-14 Nec东金株式会社 静电电容式应变传感器及其使用方法
WO2003009319A1 (en) * 2001-07-17 2003-01-30 Redwood Microsystems, Inc. Micro-electromechanical sensor
JPWO2003036247A1 (ja) 2001-10-22 2005-09-29 マイクロジェニックス株式会社 感圧センサ及び該感圧センサを使用したモニタ
TW583592B (en) * 2002-04-03 2004-04-11 Lightuning Tech Inc Capacitive fingerprint sensor
KR101248127B1 (ko) * 2008-12-04 2013-04-01 가부시키가이샤후지쿠라 정전 용량 센서
JP5484891B2 (ja) * 2009-03-04 2014-05-07 株式会社ジャパンディスプレイ 表示装置
JP5366051B2 (ja) * 2009-04-20 2013-12-11 株式会社ジャパンディスプレイ 情報入力装置、表示装置
JP2011017626A (ja) * 2009-07-09 2011-01-27 Sony Corp 力学量検知部材及び力学量検知装置
CN102353855B (zh) * 2011-09-28 2013-11-13 上海安平静电科技有限公司 一种便携式静电检测装置及其静电检测方法
JP5497222B2 (ja) 2012-09-28 2014-05-21 バンドー化学株式会社 静電容量型センサシート及び静電容量型センサシートの製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210043358A (ko) * 2019-10-11 2021-04-21 한국생산기술연구원 신축감지 정전용량센서 및 이를 포함하는 보행분석 센싱 구조체 및 신축감지 정전용량센서의 제조방법

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Publication number Publication date
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