特開2021-92593(P2021-92593A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2021-92593(P2021-92593A)
(43)【公開日】2021年6月17日
(54)【発明の名称】感圧素子
(51)【国際特許分類】
   G01L 1/14 20060101AFI20210521BHJP
【FI】
   G01L1/14 J
【審査請求】有
【請求項の数】10
【出願形態】OL
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2021-47888(P2021-47888)
(22)【出願日】2021年3月22日
(62)【分割の表示】特願2018-552491(P2018-552491)の分割
【原出願日】2017年11月2日
(31)【優先権主張番号】特願2016-229425(P2016-229425)
(32)【優先日】2016年11月25日
(33)【優先権主張国】JP
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックIPマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106116
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 健司
(74)【代理人】
【識別番号】100115554
【弁理士】
【氏名又は名称】野村 幸一
(72)【発明者】
【氏名】森浦 祐太
(72)【発明者】
【氏名】小掠 哲義
(72)【発明者】
【氏名】増田 忍
(72)【発明者】
【氏名】野稲 啓二
(72)【発明者】
【氏名】沢田 唯
(57)【要約】
【課題】押圧力の測定範囲が比較的広く、かつ構造が比較的簡易な感圧素子を提供すること。
【解決手段】押圧力を付与される感圧部(1A)と押圧力を検出する検出器(2A)とを備えた感圧素子であって、感圧部(1A)は、シート状の導電性ゴムから成る第1の導電部材(11)と、第1の導電部材(11)の一面に形成された誘電体(13)と、誘電体(13)の下に配備され、金属ワイヤから成り、断面円形状の第2の誘電体(12)とを有し、感圧部(1A)に押圧力が付与されると、誘電体(13)と第2の導電部材(12)との接触領域の面積が拡大することで、静電容量が変化し、検出器(2A)は、静電容量の変化に基づいて、押圧力を検出する。
【選択図】図4
【特許請求の範囲】
【請求項1】
押圧力を付与される感圧部と前記押圧力を検出する検出器とを備えた感圧素子であって、
前記感圧部は、
シート状の導電性ゴムから成る第1の導電部材と、
前記第1の導電部材の一面に形成された誘電体と、
前記誘電体の下に配備され、金属ワイヤから成り、断面円形状の第2の誘電体と、を有し、
前記感圧部に前記押圧力が付与されると、前記誘電体と前記第2の導電部材との接触領域の面積が拡大することで、静電容量が変化し、
前記検出器は、前記静電容量の変化に基づいて、前記押圧力を検出する感圧素子。
【請求項2】
前記第2の導電部材は長尺部材である、請求項1に記載の感圧素子。
【請求項3】
前記第2の導電部材は可撓性長尺部材である、請求項1に記載の感圧素子。
【請求項4】
前記第2の導電部材は網形状または織物状の金属である、請求項1〜3のいずれかに記載の感圧素子。
【請求項5】
前記第2の導電部材は弾性を有する、請求項1〜4のいずれかに記載の感圧素子。
【請求項6】
前記誘電体が20nm〜2mmの厚みを有する、請求項1〜5のいずれかに記載の感圧素子。
【請求項7】
前記第2の導電部材は前記感圧素子のヒータ要素である、請求項1〜6のいずれかに記載の感圧素子。
【請求項8】
前記感圧部における前記第2の導電部材の位置ズレを制限する拘束部材をさらに有する、請求項1〜7に記載の感圧素子。
【請求項9】
前記拘束部材は糸状部材である、請求項8に記載の感圧素子。
【請求項10】
前記糸状部材が上糸および下糸から構成されている、請求項9に記載の感圧素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は感圧素子に関する。
【背景技術】
【0002】
感圧素子は、産業機器、ロボットおよび車両などの分野において、人が触れる部分に、押圧力(接触圧)を検出する感圧センサとして装着されることにより、幅広く利用されている。近年、コンピュータによる制御技術の発展および意匠性の向上とともに、人型のロボットおよび自動車の内装品等のような自由曲面を多彩に使用した電子機器の開発が進んでいる。それに合わせて、各自由曲面に高性能な感圧素子を装着することが求められている。例えば、特許文献1〜3はこれらの背景技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2011−102457号公報
【特許文献2】特開2015−114308号公報
【特許文献3】特開2014−190712号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本願発明者らは、鋭意検討の末、静電容量式の感圧センサとして用いられる感圧素子は、押圧力の測定範囲(ダイナミックレンジ)および構造の簡易化の点で改善点があることを見い出した。
【0005】
詳しくは、特許文献1の技術においては、導電糸間の距離の変化に基づく静電容量の変化を利用して、押圧力を検出するため、押圧力の測定範囲が比較的狭いことが問題となっていた。
【0006】
特許文献2の技術においては、クランク状の屈曲構造を有する接続部により検出素子間を接続する必要があるため、感圧素子の構造の簡易化が求められていた。
【0007】
特許文献3の技術においては、荷重センサ部はエラストマー製の基材および該基材の表側および裏側それぞれに配置される表側電極および裏側電極を備え、押圧による電極間距離の変化に基づいて押圧力が検出される。そのため、押圧力の測定範囲が比較的狭いことが問題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の目的は、押圧力の測定範囲が比較的広く、かつ構造が比較的簡易な感圧素子を提供することである。
【0009】
本発明の感圧素子は、押圧力を付与される感圧部と前記押圧力を検出する検出器とを備えた感圧素子であって、前記感圧部は、シート状の導電性ゴムから成る第1の導電部材と、前記第1の導電部材の一面に形成された誘電体と、前記誘電体の下に配備され、金属ワイヤから成り、断面円形状の第2の誘電体と、を有し、前記感圧部に前記押圧力が付与されると、前記誘電体と前記第2の導電部材との接触領域の面積が拡大することで、静電容量が変化し、前記検出器は、前記静電容量の変化に基づいて、前記押圧力を検出する。
【発明の効果】
【0010】
本発明に従えば、押圧力の測定範囲が比較的広く、かつ構造が比較的簡易な感圧素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1図1は、本発明の参考例に関する感圧素子のを模式的に示した断面図である。
図2図2は、図1の感圧素子の感圧部に押圧力が付与された際の感圧部の構成を模式的に示した断面図である。
図3図3は、図1の感圧素子における第2の導電部材の平面視形状の一例および当該第2の導電部材の位置ズレを制限する拘束部材の一例を模式的に示す図であって、基材および第2の導電部材を第2の導電部材側から見たときの見取り図である。
図4図4は、本発明の感圧素子の構成を模式的に示した断面図である。
図5図5は、図4の感圧素子の感圧部に押圧力が付与された際の感圧部の構成を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明にかかる感圧素子および当該感圧素子の用途の詳細について、図面を用いて説明する。
【0013】
[感圧素子]
本発明の感圧素子は、容量(キャパシタンス)を有する素子であって、コンデンサ機能またはキャパシタ機能を有している。かかる感圧素子では、押圧力の印加によって容量変化がもたらされ、その容量変化から押圧力が検出される。従って、本発明の感圧素子は「静電容量型感圧センサ素子」、「容量性圧力検出センサ素子」または「感圧スイッチ素子」などとも称される。
【0014】
以下にて、本発明に係る感圧素子について図面を参照しながら説明する。図面に示す各種の要素は、本発明の理解のために模式的に示したにすぎず、寸法比及び外観などは実物と異なり得ることに留意されたい。尚、本明細書で直接的または間接的に用いる「上下方向」は、図中における上下方向に対応した方向に相当する。また特記しない限り、同じ符号または記号は、同じ部材または同じ意味内容を示すものとする。
【0015】
(参考例)
先ず、本発明の参考例に係る感圧素子100Aの構成を図1に模式的に示す。すなわち、図1は、感圧素子100Aの構成を模式的に示した断面図である。感圧素子100Aは、押圧力を付与される感圧部1Aと押圧力を検出する検出器2Aとを備えている。
【0016】
[感圧部1A]
感圧部1Aは第1の導電部材11、第2の導電部材12および誘電体13を有している。誘電体13は、図1において、第2の導電部材12の表面を覆っているが、第1の導電部材11または第2の導電部材12のいずれか一方の表面を覆っていればよい。
【0017】
図2は、図1の感圧素子100Aの感圧部1Aに押圧力が付与された際の感圧部1Aの構成を模式的に示した断面図である。
【0018】
感圧素子100Aにおいては、図2に示すように、感圧部1Aに押圧力Fが付与されると、第1の導電部材11および第2の導電部材12のうち、誘電体13が覆われていない導電部材(図1および図2中、第1の導電部材11)と誘電体13との接触領域の面積(以下、単に「接触領域の面積」ということがある)が、第1の導電部材11が有する弾性に基づいて増大する。その結果、第1の導電部材11と第2の導電部材12との間の静電容量C〔pF〕が変化する。静電容量C〔pF〕および感圧部に付与される押圧力F〔N〕はそれぞれ以下の(式1)および(式2)で表されるので、検出器2Aにより押圧力Fが検出される。上記のように接触領域の面積の変化に基づいて押圧力Fが検出される。
【0019】
【数1】
【0020】
【数2】
なお、(式1)および(式2)中において、ε〔pF/m〕は誘電体の誘電率、S〔m〕は誘電体が覆われていない導電部材と誘電体との接触面積、d〔m〕は誘電体の厚み、E〔Pa〕は第1の導電部材のヤング率、eは第1の導電部材のひずみである。
【0021】
従来の感圧素子においては、電極間距離の変化でもって静電容量Cの変化をとらえ、押圧力Fを検出する。一方、本発明の感圧素子においては、接触領域の面積の変化に基づいて静電容量Cの変化をとらえ、押圧力Fを検出する。静電容量Cの変化において、接触領域の面積の変化による寄与は、電極間距離の変化による寄与よりも大きい。特に、押圧力Fの大きさが小さい場合、押圧力Fの印加により電極間距離がほとんど変化しないので電極間距離の変化に基づく静電容量Cの変化は非常に小さい。一方、押圧力Fの大きさが小さくても、押圧力Fの印加により接触領域の面積は変化するので、接触領域の面積の変化に基づく静電容量Cの変化は大きい。なぜならば、静電容量Cは、接触領域の面積に比例するが、電極間距離に反比例する(C∝S、C∝1/d)からである。このため、本発明態様の感圧素子は、従来の感圧素子と比べ、押圧力Fの測定範囲が広い。
【0022】
感圧素子における感圧部1Aには、第1の導電部材11および第2の導電部材12のうち、いずれの導電部材側から押圧力が付与されてもよいが、通常は第1の導電部材11側から押圧力が付与される。図2は、押圧力が第1の導電部材11側から付与され、その反作用により、後述の基材14側からも力が作用することを示している。
【0023】
第1の導電部材11は弾性特性および導電特性を有し、いわゆる電極として機能する。弾性特性とは、外力によって局所的に変形し、除力すると元の形状へと戻る特性をいう。なお、外力は、感圧素子に対して加えられる通常の押圧力であり、その大きさは、例えば約0.1N/cm以上、約100N/cm以下である。具体的には、第1の導電部材11は、感圧部への押圧力により、第1の導電部材11と誘電体13との接触領域の面積が拡大するような弾性特性を有すればよい。詳しくは、第1の導電部材11は、押圧時に誘電体13よりも変形するように、誘電体13よりも低い弾性率を有していてもよい。押圧力の測定範囲のさらなる拡大および感圧感度の向上の観点から、第1の導電部材11の弾性率は例えば約10Pa以上、約10Pa以下であることが好ましく、例えば1つ例示すると約10Paである。第1の導電部材11の弾性率は上記範囲内で大きいほど、押圧力の測定範囲は広くなる。第1の導電部材11の弾性率は上記範囲内で小さいほど、感圧感度は向上する。感圧感度が向上すると、例えば、従来では検出し難い微小な押圧力でも、検出できるようになる。これに伴い、押圧力の付与開始を精度よく検出できるようになる。導電特性について、第1の導電部材11の抵抗率は、所望の周波数帯域において容量のインピーダンスよりも十分に小さくてもよい。かかる抵抗率は、後述の導電性フィラーと樹脂材料(ゴム材料)との相対的割合を変更することによって調整できる。
【0024】
第1の導電部材11は弾性電極部材に相当し、伸縮性部材とも称されうる。第1の導電部材11は、上記のような弾性特性と導電特性との双方の性質を有していれば、いずれの材質から成るものであってよい。例えば、第1の導電部材11は、樹脂材料(特にゴム材料)およびその樹脂材料内に分散した導電性フィラーからなる導電性樹脂から構成されたものであってよい。押圧力の測定範囲のさらなる拡大の観点から好ましい第1の導電部材11は、ゴム材料およびそのゴム材料内に分散した導電性フィラーからなる導電性ゴムから構成される。第1の導電部材11が導電性ゴムから構成されることにより、感圧部1Aは、押圧力を効果的に検出することができる。また、第1の導電部材11が導電性ゴムから構成されることにより、感圧部1Aは、押圧時の押圧感を有するようになる。樹脂材料としては、例えば、スチレン系樹脂、シリコーン系樹脂(例えば、ポリジメチルポリシロキサン(Polydimethylpolysiloxane、略してPDMS)、アクリル系樹脂、ロタキサン系樹脂およびウレタン系樹脂等から成る群から選択される少なくとも1種の樹脂材料であってよい。ゴム材料としては、例えば、シリコーンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、フッ素ゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム等から成る群から選択される少なくとも1種のゴム材料であってよい。導電性フィラーは、Au(金)、Ag(銀)、Cu(銅)、C(カーボン)、ZnO(酸化亜鉛)、In(酸化インジウム(III))およびSnO(酸化スズ(IV))から成る群から選択される少なくとも1種の材料を含んで成るものであってよい。また、導電性フィラーに代えて又はそれに加えて、導電層を用いてもよい。
具体的には、上記した樹脂材料(特にゴム材料)からなる樹脂構造体(特にゴム構造材)の表面に導電性インクの塗布などによって導電層が設けられて成る第1の導電部材であってもよい。
【0025】
第1の導電部材11の厚みは、外部からの押圧力により第1の導電部材11と第2の導電部材12との間の静電容量が変化する限り特に限定されず、通常は100μm以上10cm以下、好ましくは500μm以上1cm以下であり、例えば1つ例示すると1mmがより好ましい。
【0026】
第1の導電部材11は通常、シート状または板状を有するが、第2の導電部材12の対応する位置(例えば、図1のように第2の導電部材12の直上)に第1の導電部材11の少なくとも一部が配置される限り、いかなる形状を有していてもよく、例えば長尺形状(例えば、線状)を有していてもよい。
【0027】
第1の導電部材11は、押圧力の測定時におけるノイズ防止の観点から、検出器の接地(グランド、0V)に接続されることが好ましい。
【0028】
第1の導電部材11は以下の方法により得ることができる。例えば、まず、所望の樹脂材料(ゴム材料)の溶液または原料溶液に対して導電性フィラーを含有させて複合材料を得る。次いで、複合材料を剥離用基材上に塗布および乾燥し、所望により硬化(架橋)させた後、剥離用基材から剥離して、第1の導電部材を得る。
【0029】
第1の導電部材11は以下の別の方法により得ることもできる。例えば、まず、所望の樹脂材料(ゴム材料)の溶液または原料溶液を剥離用基材上に塗布および乾燥し、所望により硬化(架橋)させる。次いで、得られた樹脂層(ゴム層)の表面に導電性フィラーを含むインクを塗布して導電層を形成した後、剥離用基材から剥離して、第1の導電部材を得る。
【0030】
第2の導電部材12は第1の導電部材11に近接配置されている。すなわち、第2の導電部材12は誘電体13を介して間接的に第1の導電部材11と接触するように配置されている。第2の導電部材12は誘電体13と空気層とを介して間接的に第1の導電部材11と接触するように配置されていてもよい。
【0031】
第2の導電部材12は少なくとも導電特性を有し、いわゆる電極として機能する。第2の導電部材12は通常、可撓性を有するが、弾性特性を有してもよい。可撓性とは、外力によって全体として撓み変形しても、除力すると元の形状へと戻る特性をいう。なお、ここで外力とは、感圧素子に対して加えられる通常の押圧力であり、その大きさは、例えば約0.10N/cm以上、約100N/cm以下である。第2の導電部材12は可撓性を有する場合、例えば約10Pa超、特に10Pa超かつ1012Pa以下の弾性率、例えば1つ例示すると約1.2×1011Paの弾性率を有している。導電特性について、第2の導電部材12は、所望の周波数帯域において容量のインピーダンスよりも十分に小さい抵抗率を有していればよい。
【0032】
第2の導電部材12は、少なくとも導電特性を有する限り、いずれの材質から成るものであってよい。第2の導電部材12は、可撓性を有する場合、例えば、金属体から構成されたものであってもよいし、ガラス体およびその表面に形成された導電層またはその中に分散された導電性フィラーから構成されたものであってもよい。また、第2の導電部材12は、樹脂体およびその表面に形成された導電層またはその樹脂体内に分散された導電性フィラーから構成されたものであってよい。金属体は、金属からなる電極部材であり、すなわち第2の導電部材12は実質的に金属からなるものでよい。金属体は、例えば、Au(金)、Ag(銀)、Cu(銅)、Ni−Cr合金(ニクロム)、C(カーボン)、ZnO(酸化亜鉛)、In(酸化インジウム(III))およびSnO(酸化スズ(IV))から成る群から選択される少なくとも1種の金属を含んで成る。ガラス体は、酸化ケイ素の網目状構造を有するものであれば特に限定されず、例えば、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛ガラス等から成る群から選択される少なくとも1種のガラス材料を含んで成るものであってよい。樹脂体は、スチレン系樹脂、シリコーン系樹脂(例えば、ポリジメチルポリシロキサン(PDMS))、アクリル系樹脂、ロタキサン系樹脂およびウレタン系樹脂等から成る群から選択される少なくとも1種の樹脂材料を含んで成るものであってよい。ガラス体および樹脂体の導電層は、金属体を構成し得る金属と同様の金属の群から選択される少なくとも1種の金属を蒸着させてなる層であってもよいし、または導電性インクの塗布などによって形成されてなる層であってもよい。ガラス体および樹脂体の導電性フィラーは、金属体を構成し得る金属と同様の金属の群から選択される少なくとも1種の金属を含んで成るものであってよい。第2の導電部材12は、弾性特性を有する場合、第1の導電部材11と同様の導電性ゴムから構成されていてもよい。
【0033】
第2の導電部材12は通常、長尺形状(例えば、線状)を有する長尺部材である。第2の導電部材12が長尺部材であって、かつ金属体から構成されるとき、当該第2の導電部材12は金属線または金属ワイヤ(例えば、銅線)に相当し、押圧力の測定範囲のさらなる拡大および感圧感度の向上の観点から好ましい。第2の導電部材12が長尺部材のとき、当該長尺部材は、感圧素子の曲面への装着性の向上の観点から、当該長尺部材への張力の印加なしに、配置されることが好ましい。例えば、長尺部材は、図3に示すように、一定の主方向xに沿って波状に配置されることが好ましい。
【0034】
図3は、図1の感圧素子100Aにおける第2の導電部材12の平面視形状(長尺形状および波状)の一例を模式的に示す図であって、後述する基材および第2の導電部材を第2の導電部材側から見たときの見取り図である。平面視形状とは、上面から見たときの形状という意味であり、例えば、図1の感圧部を、当該感圧部が有するシート形状に対する垂直方向(例えば、図1中、上方向)から見たときの透視形状も包含する。
【0035】
第2の導電部材12は感圧素子のヒータ要素であってもよい。第2の導電部材12がヒータ要素であるとき、当該第2の導電部材12を有する感圧素子はヒータとしても機能する。詳しくは、当該感圧素子を操舵装置(例えば、ステアリングホイール)表面に設置した場合に、操舵装置を握る手が冷たくないように保温できる。ヒータ要素として、ニクロム線が挙げられる。
【0036】
第2の導電部材12の断面形状は、押圧力の付与により、接触領域の面積が拡大する限り特に限定されず、例えば、図1に示すような円形状であってもよいし、または楕円形状もしくは三角形状等であってもよい。
【0037】
第2の導電部材12の断面寸法は、第2の導電部材12と第1の導電部材11との間の静電容量を測定できる限り特に限定されず、通常は1μm以上10mm以下であり、押圧力の測定範囲のさらなる拡大および感圧感度の向上の観点から好ましくは100μm以上1mm以下であり、例えば1つ例示すると300μmがより好ましい。第2の導電部材12の断面寸法を小さくすると、接触領域の面積の変化が大きくなり、感圧感度が向上する。長尺部材の断面寸法を大きくすると、押圧力の測定範囲がさらに広くなる。第2の導電部材12の断面寸法は断面形状における最大寸法である。詳しくは、第2の導電部材12の断面寸法は、第2の導電部材12が直線状を有するものと仮定したときに、長尺方向に対する垂直断面における最大寸法(例えば、直径)のことである。
【0038】
第2の導電部材12が特に長尺部材のとき、通常は複数で使用される。このとき、当該複数の第2の導電部材12のそれぞれと第1の導電部材11との容量変化を検出器により検出することにより、パターニングが可能である。パターニングとは、押圧力とともに、押圧位置も検出することである。第1の導電部材11を分割することでも、パターニングが可能である。
【0039】
第2の導電部材12として複数の長尺部材を用いるとき、隣接する当該長尺部材間の距離(ピッチ)p(図3)は通常、1mm以上30mm以下であり、操舵装置用途の観点から好ましくは2mm以上10mm以下であり、例えば1つ例示すると5mmがより好ましい。第2の導電部材12として複数の長尺部材を波状に配置して用いるとき、波状の波長λ(図3)は通常、1mm以上40mm以下であり、操舵装置用途の観点から好ましくは2mm以上20mm以下であり、例えば1つ例示すると10mmがより好ましい。また波状の振幅a(図3)は通常、1mm以上20mm以下であり、操舵装置用途の観点から好ましくは2mm以上10mm以下であり、例えば1つ例示すると5mmがより好ましい。
【0040】
誘電体13は、図1においては、第2の導電部材12の表面全体を完全に覆っているが、誘電体13の被覆領域は、誘電体13が第1の導電部材11または第2の導電部材12の表面を少なくとも部分的に覆う限り、特に限定されない。誘電体13が第1の導電部材11または第2の導電部材12の表面を少なくとも部分的に覆うとは、誘電体13が、第1の導電部材11または第2の導電部材12のいずれか一方の表面における、少なくとも第1の導電部材11と第2の導電部材12との間の部分を覆っている状態をいう。換言すると、誘電体13は、第1の導電部材11と第2の導電部材12との間に存在する限り、第1の導電部材11または第2の導電部材12の表面における少なくとも一部を覆っていればよい。誘電体13について、「覆う」とは、第1の導電部材11または第2の導電部材12のいずれか一方の表面に対して皮膜状に密着しつつ一体化されることである。
【0041】
誘電体13は、感圧素子構造のさらなる簡易化の観点から、第1の導電部材11または第2の導電部材12の一方の表面全体を完全に覆っていることが好ましい。感圧素子構造のさらなる簡易化および感圧素子材料の入手容易性の観点からは、誘電体13は、第2の導電部材12の表面全体を完全に覆っていることが好ましい。誘電体13が第2の導電部材12の表面全体を完全に覆っている場合、誘電体13は第2の導電部材12の絶縁皮膜を構成し、誘電体13および第2の導電部材12は通常、一体化されている。一体化された誘電体13および第2の導電部材12は絶縁コート金属線に相当してもよく、例えば、エナメル線、エレメント線であってもよい。絶縁コート金属線を用いると、これを第1の導電部材11と基材14との間で配置させるだけで、エッチングなどのフォトリソグラフィプロセスなしに、感圧素子を構成できるので、感圧素子構造の簡易化をより一層、十分に達成でき、しかも製造コストが安価である。
【0042】
誘電体13は、少なくとも「誘電体」としての性質を有していれば、いずれの材質から成るものであってよい。例えば、誘電体13は、樹脂材料、セラミック材料および/または金属酸化物材料などを含んで成るものであってよい。あくまでも例示にすぎないが、誘電体13は、ポリプロピレン樹脂、ポリエステル樹脂(例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂)、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリビニルホルマール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂などから成る群から選択される少なくとも1種の樹脂材料から成っていてもよい。また、誘電体13は、AlおよびTa などから成る群から選択される少なくとも1種の金属酸化物材料から成るものであってもよい。誘電体13は通常、所望の周波数帯域において、容量のインピーダンスよりも高い抵抗値を有する材料からなっている。
【0043】
誘電体13は通常、剛性特性を有する。剛性特性とは、外力による変形に対して抵抗する特性をいう。なお、ここで外力とは、感圧素子に対して加えられる通常の押圧力であり、その大きさは、例えば約0.1N/cm以上、約100N/cm以下である。誘電体13は通常、上記のような通常の押圧力によっては変形しない。誘電体13は、感圧部への押圧力の付与時に第1の導電部材11よりも変形しないように、第1の導電部材11よりも高い弾性率を有していてもよい。例えば、第1の導電部材11の弾性率が約10Pa以上かつ約10Pa以下である場合、それよりも高い弾性率を誘電体13が有していてもよい。
【0044】
誘電体13の厚みは、外部からの押圧力により第1の導電部材11と第2の導電部材12との間の静電容量が変化する限り特に限定されず、通常は20nm以上2mm以下であり、操舵装置用途の観点から好ましくは20nm以上1mm以下であり、例えば1つ例示すると10μmがより好ましい。
【0045】
誘電体13が樹脂材料からなる場合、樹脂材料溶液を塗布し、乾燥させるコーティング法、および樹脂材料溶液中で電着を行う電着法等により形成することができる。
【0046】
誘電体13が金属酸化物材料からなる場合、陽極酸化法等により形成することができる。
【0047】
感圧部1Aは、第2の導電部材12における第1の導電部材11側の反対側に、基材14をさらに有していてもよい。基材14は、第1の導電部材11と第2の導電部材12との間における静電容量の変化を阻害しない限り、いかなる材料からなっていてもよい。基材14は、感圧素子の曲面への装着性の向上の観点から、伸縮性を有する伸縮性部材であることが好ましい。伸縮性部材は、例えば、前記第1の導電部材11の説明で記載した同様のゴム材料(特に導電性ゴム)から構成されていてもよく、1つ例示するとシリコーンゴムを含む。
【0048】
基材14の厚みは特に限定されるものではなく、例えば、上記した第1の導電部材11の厚みと同様の範囲内であってよい。
【0049】
感圧部1Aは、当該感圧部における第2の導電部材12の位置ズレを制限する拘束部材15(図3参照)をさらに有してもよい。拘束部材15は、第2の導電部材12を感圧部における所定の位置に必ずしも固定しなければならないというわけではなく、第2の導電部材12が所定の位置に保持される程度の拘束力を有していればよい。感圧部が拘束部材を有することにより、第2の導電部材12の位置ズレを防止でき、結果として、所定位置での押圧力を確実に検出することができる。また感圧素子を曲面に装着するとき、歪みなどを緩和し易く、破損を防止できる。
【0050】
拘束部材15は、図3において、第2の導電部材12を基材14に拘束しているが、第2の導電部材12を第1の導電部材11または基材14の少なくとも一方に拘束できればよい。すなわち、拘束部材15は、第2の導電部材12を第1の導電部材11または基材14の一方に拘束してもよいし、またはこれらの両方に拘束してもよい。拘束部材15が第2の導電部材12を上記の両方に拘束するとは、第2の導電部材12を第1の導電部材11と基材14との間に配置させた状態で、第1の導電部材11、第2の導電部材12および基材14を一体化するという意味である。
【0051】
拘束部材15の具体例として、例えば、糸状部材、パーティション、接着剤等が挙げられる。拘束部材15は糸状部材であることが好ましい。拘束部材15が糸状部材であると、第2の導電部材12の位置ズレを防止しながらも、感圧素子構造のさらなる簡易化を達成することができ、また感圧素子の曲面への装着性が向上する。
【0052】
糸状部材は、図3に示すように、第2の導電部材12を第1の導電部材11または基材14に縫い付け得る程度に細長くかつ柔軟性のある部材であれば特に限定されず、導電性または非導電性のいずれの特性を有していてもよい。糸状部材は、第2の導電部材12を第1の導電部材11または基材14の少なくとも一方に縫い付ければよい。すなわち、糸状部材は、第2の導電部材12を第1の導電部材11または基材14の一方に縫い付けてもよいし、またはこれらの両方に縫い付けてもよい。糸状部材が第2の導電部材12を上記の両方に縫い付けるとは、第2の導電部材12を第1の導電部材11と基材14との間に配置させた状態で縫い付けることにより、第1の導電部材11、第2の導電部材12および基材14を一体化するという意味である。
【0053】
糸状部材の具体例として、例えば、天然または合成の繊維を細長く引きのばして撚りをかけたものであってもよいし、釣り糸または金属糸であってもよい。糸状部材は、例えば図3に示されているように、規則的な位置で第2の導電部材12を縫い付けてもよいし、任意のランダムな位置で第2の導電部材12を縫い付けてもよい。
【0054】
糸状部材による第2の導電部材12の第1の導電部材11または基材14への縫い付けは並縫い(串縫い)により達成されてもよいし、上糸および下糸を用いたミシン縫いにより達成されてもよい。糸状部材による第2の導電部材12の縫い付けがミシン縫いにより達成される場合、当該糸状部材は上糸および下糸から構成されており、上糸と下糸とは係合している。第2の導電部材12を第1の導電部材11または基材14の一方に縫い付ける場合、上糸と下糸との係合部は、第1の導電部材11または基材14の中に位置付けられる。第2の導電部材12を第1の導電部材11および基材14の両方に縫い付ける場合、上糸と下糸との係合部は、第1の導電部材11と基材14との間に位置付けられる。
【0055】
パーティションは、第1の導電部材11と基材14との間で厚み方向に略平行に立設されることにより、これらの間を仕切って、区画を形成する部材である。パーティションにより、第2の導電部材12を所定の区画内に保持する。パーティションは、例えば、前記第1の導電部材11の説明で記載した同様の樹脂材料(特にゴム材料(すなわちエラストマー材料))から構成されていてもよく、1つ例示するとシリコーンゴムを含む。パーティションは、平面視形状において、点状に形成されてもよいし、または連続的に線状に形成されてもよい。パーティションは後述のスペーサとして機能してもよい。
【0056】
感圧部1Aは、第1の導電部材11と基材14との間に、これらの間隙を確保するためのスペーサをさらに有してもよい。感圧部1Aがスペーサを有することにより、第1の導電部材11が、押圧力の除去後、迅速に元の形状に戻るようになり、押圧力の検出速度および応答速度が向上する。スペーサは、平面視形状において、点状に形成されてもよいし、または連続的に線状に形成されてもよい。スペーサは、例えば、前記第1の導電部材11の説明で記載した同様の樹脂材料(特にゴム材料(すなわちエラストマー材料))から構成されていてもよく、1つ例示するとシリコーンゴムを含む。
【0057】
[検出器2A]
検出器2Aは、第1の導電部材11と第2の導電部材12との間の静電容量の変化に基づいて、押圧力を検出する回路である。検出器2Aは、第1の導電部材11から引き出された配線および第2の導電部材12から引き出された配線とそれぞれ端子T11およびT12を介して電気的に接続されている。検出器2Aは、制御回路および集積回路等であってよい。ノイズの影響の低減による押圧力検出の安定化の観点から、第1の導電部材11は検出器2Aの接地(グランド)に接続されていることが好ましい。すなわち第1の導電部材11から引き出された配線が電気的に接続される検出器2Aの端子T11は接地(グランド)にさらに接続されていることが好ましい。
【0058】
第2の導電部材12が複数で使用される場合、検出器2Aは、当該複数の第2の導電部材12のそれぞれから引き出された配線と電気的に接続するための複数の端子を有する。
【0059】
[感圧素子100Aによる押圧力の測定]
感圧素子100Aにおいては、誘電体13を変形させることなく、接触領域の面積の変化に基づく端子T11と端子T12との間の静電容量の変化を計測することで、押圧力が測定される。接触領域の面積の変化は、特に小さな押圧力においては、従来の感圧素子における電極間距離の変化よりも大きいため、本発明においては簡易な構造で、広い範囲の押圧力を測定することができる。
【0060】
(本発明)
本発明の感圧素子100Aの構成を図4に模式的に示す。この感圧祖素子の構成は、第2の導電部材12が誘電体13に覆われる代わりに、誘電体13が第1の導電部材11の主面における、第2の導電部材12に対応する一部分に形成された構成である。他の部分は、図1に示す感圧素子100Aと同様である。
【0061】
図5は、図4の感圧素子の感圧部に押圧力が付与された際の感圧部の構成を模式的に示した断面図である。本変形例の感圧素子100Aにおいては、図5に示すように、感圧部1Aに押圧力Fが付与されると、誘電体13と第2の導電部材12との接触面積が増大する。その結果、第1の導電部材11と第2の導電部材12との間の静電容量C〔pF〕が変化する。静電容量C〔pF〕および感圧部に付与される押圧力F〔N〕はそれぞれ上記の(式1)および(式2)で表されるので、検出器2Aにより押圧力Fが検出される。
【0062】
なお、誘電体13は、感圧部1Aに押圧力Fが付与された場合に、第2の導電部材12と接しないようにする必要がある。さもなければ、第1の導電部材11と第2の導電部材12との間の静電容量Cを測定することができなくなるからである。そのためには、例えば図4に示す感圧素子100Dの場合、誘電体13の、第1の導電部材11の主面に平行な方向に沿った長さをL、導電部材の半径をrとしたとき、(式3)を満たすことが望ましい。
【0063】
【数3】
なお、ここでπは円周率である。
【0064】
[感圧素子の用途]
本発明の感圧素子は各種管理システムおよび各種電子機器におけるセンサ素子として好適に利用できる。
【0065】
管理システムとしては、例えば、欠品管理システム(レジかご、物流管理、冷蔵庫関連品)、車管理システム(座席シート、操舵装置、コンソール周りのスイッチ(アナログ入力可能))、コーチング管理システム(シューズ、衣類)、セキュリティー管理システム(接触部全部)、介護・育児管理システム(機能性寝具関連品)等が挙げられる。車管理システムは、さりげなく運転状態を把握し、運転者の状態(眠気・心理状態など)を読み取り、フィードバックすることが可能なシステムである。コーチング管理システムは、人体の重心、荷重分布などを読み取り、瞬時に心地よい状態へ誘導することができるシステムである。セキュリティー管理システムにおいては、例えば、人が通過する際に、体重、歩幅、通過速度および靴底パターンなどを同時に読み取ることが可能であり、データと照合することで、人物を特定することが可能である。
【0066】
電子機器としては、例えば、車載機器(カーナビゲーション・システム、音響機器など)、家電機器(電気ポット、IHクッキングヒーターなど)、スマートフォン、電子ペーパー、電子ブックリーダー等が挙げられる。本発明の感圧素子を、上記のような各種管理システムおよび各種電子機器に適用することにより、これまで以上にユーザーの利便性が図られたタッチセンサ素子(感圧シート、操作パネルおよび操作スイッチ等)として利用できる。
【産業上の利用可能性】
【0067】
本発明の感圧素子は上記した各種管理システムおよび各種電子機器におけるセンサ素子として好適に利用できる。本発明の感圧素子を、上記のような各種管理システムおよび各種電子機器に適用することにより、これまで以上にユーザーの利便性が図られたタッチセンサ素子(感圧シート、操作パネルおよび操作スイッチ等)として利用できる。
【符号の説明】
【0068】
1A 感圧部
2A 検出器
11 第1の導電部材
12 第2の導電部材
13 誘電体
14 基材
15 拘束部材
100A 感圧素子
図1
図2
図3
図4
図5