特開 2024-86155 静電容量型センサ、静電容量型センサの製造方法

(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】P2024086155

(43)【公開日】2024-06-27

(54)【発明の名称】静電容量型センサ、静電容量型センサの製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/14 20060101AFI20240620BHJP

【ＦＩ】

G01L1/14 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022201140

(22)【出願日】2022-12-16

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】508282568

【氏名又は名称】ザ ユニバーシティ オブ ブリティッシュ コロンビア

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100126664

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 慎吾

(74)【代理人】

【識別番号】100154852

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 太一

(74)【代理人】

【識別番号】100194087

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 伸一

(72)【発明者】

【氏名】石▲崎▼ 隆介

(72)【発明者】

【氏名】濱津 文哉

(72)【発明者】

【氏名】ジョーン ディー ダブリュー マッデン

(72)【発明者】

【氏名】キーラン モートン

(72)【発明者】

【氏名】オースティン ウェアー

(72)【発明者】

【氏名】ミルザ サキーブ サーウォー

(57)【要約】

【課題】センサ特性を向上し剥離耐性を向上する。
【解決手段】複数の層からなる静電容量型センサであって、第１電極を含む第１層と、第１層に対向するように配置される第２電極を含む第２層と、を備え、少なくとも第１層または第２層のいずれか一方は、誘電体かつ弾性変形可能なエラストマからなるエラストマ層であり、第１層または第２層と同じ材料である硬化前状態のエラストマを塗布して硬化した接着層によりエラストマ層が接着されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の層からなる静電容量型センサであって、
第１電極を含む第１層と、
当該第１層に対向するように配置される第２電極を含む第２層と、
を備え、
少なくとも前記第１層または前記第２層のいずれか一方は、誘電体かつ弾性変形可能なエラストマからなるエラストマ層であり、
前記第１層または前記第２層と同じ材料である硬化前状態のエラストマを塗布して硬化した接着層により前記エラストマ層が接着されている、
ことを特徴とする静電容量型センサ。

【請求項2】

前記第１層および前記第２層の間には、前記第１層と前記第２層とが対向する積層方向に延在するとともに、前記積層方向に交差する方向に互いに離間して配置された複数のピラーを有し、
前記ピラーは、前記第１層または前記第２層と同じエラストマからなる材料である前記接着層により接着されている、
ことを特徴とする請求項１記載の静電容量型センサ。

【請求項3】

前記ピラーは、前記第１層または前記第２層の少なくともいずれか一方と一体に形成される、
ことを特徴とする請求項２記載の静電容量型センサ。

【請求項4】

複数の層からなり、
第１電極を含む第１層と、
当該第１層に対向するように配置される第２電極を含む第２層と、
を備える静電容量型センサの製造方法であって、
少なくとも前記第１層または前記第２層のいずれか一方として、誘電体かつ弾性変形可能なエラストマからなるエラストマ層を形成する準備工程と、
前記第１層または前記第２層と同じ材料である硬化前状態のエラストマを塗布した後に硬化して前記エラストマ層を接着する接着層を形成する接着工程と、
を有する、
ことを特徴とする静電容量型センサの製造方法。

【請求項5】

前記第１層および前記第２層の間には、前記第１層と前記第２層とが対向する積層方向に延在するとともに、前記積層方向に交差する方向に互いに離間して複数配置された前記第１層または前記第２層と同じ材料であるピラーを有し、
前記接着工程では、前記接着層により前記ピラーが接着される、
ことを特徴とする請求項４記載の静電容量型センサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は静電容量型センサ、静電容量型センサの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

触覚センサなどとして、柔軟な静電容量型センサが用いられる。このような静電容量型センサとしては、互いに離間して対向する電極間の位置が変わることで、所定のセンシングを可能としている。

【0003】

ここで、センサにおける検出特性としては、積層された電極間の距離など相対位置の変化量に、大きな影響を与えられる。そこで、電極を所定の相対位置関係で維持するとともに、かつ、センシング量に対応して、速やかな変位可能に支持する構造が必要である。このような電極支持の構造として、たとえば、柔軟なエラストマ等からなる層を積み重ねる構成が知られている。このような構成からなるセンサの製造時には、積み重ねられたそれぞれの柔軟な層が互いに接着される。

【0004】

特許文献１～４には、エラストマ等の柔軟な弾性材料における接着に関する技術が開示される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９－１５４４４３号公報

【特許文献2】特開平０２－２３３２４２号公報

【特許文献3】特表２０２１－５０８７４７号公報

【特許文献4】特開２０１６－０２６５５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしこれらの特許文献１～４には、静電容量型センサの製造におけるエラストマなどの柔軟層の接着に用いて好ましい技術が記載されていない。
特に、必要なセンサ特性を維持するためには、エラストマ等の柔軟層と接着剤とにおいて、応力に対する変形特性が一致していることが必要であるが、特許文献１～４に記載される技術では不十分であった。同時に、応力に対する変形特性が均一であることが必要であるが、特許文献１～４に記載される接着技術では不十分であった。
さらに、柔軟な静電容量型センサでは、変形することが前提であり、エラストマ等の柔軟層と接着剤とが剥離しないことが必要であるが、特許文献１～４に記載される技術では応力が集中しやすく剥がれやすいという問題があった。

【0007】

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、接着剤により積層されたセンサ部分における柔軟性が異なることがなく，変形度合いが均一で、センサの柔軟特性が一定で、感度が低下することがなく、また、応力集中の発生を抑制可能で、剥離発生を抑制することができる静電容量型センサを提供可能とするという目的を達成しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題の解決手段として、請求項１に記載した発明は、
複数の層からなる静電容量型センサ（１０）であって、
第１電極（１３）を含む第１層（１１）と、
当該第１層（１１）に対向するように配置される第２電極（１４）を含む第２層（１２）と、
を備え、
少なくとも前記第１層（１１）または前記第２層（１２）のいずれか一方は、誘電体かつ弾性変形可能なエラストマからなるエラストマ層であり、
前記第１層（１１）または前記第２層（１２）と同じ材料である硬化前状態のエラストマを塗布して硬化した接着層（１８ａ）により前記エラストマ層が接着されている、
ことを特徴とする。
請求項２に記載した発明は、請求項１記載の静電容量型センサ（１０）において、
前記第１層（１１）および前記第２層（１２）の間には、前記第１層（１１）と前記第２層（１２）とが対向する積層方向に延在するとともに、前記積層方向に交差する方向に互いに離間して配置された複数のピラー（１５）を有し、
前記ピラー（１５）は、前記第１層（１１）または前記第２層（１２）と同じエラストマからなる材料である前記接着層（１８ａ）により接着されている、
ことを特徴とする。
請求項３に記載した発明は、請求項２記載の静電容量型センサ（１０）において、
前記ピラー（１５）は、前記第１層（１１）または前記第２層（１２）の少なくともいずれか一方と一体に形成される、
ことを特徴とする。
上記課題の解決手段として、請求項４に記載した発明は、
複数の層からなり、
第１電極（１３）を含む第１層（１１）と、
当該第１層（１１）に対向するように配置される第２電極（１４）を含む第２層（１２）と、
を備える静電容量型センサ（１０）の製造方法であって、
少なくとも前記第１層（１１）または前記第２層（１２）のいずれか一方として、誘電体かつ弾性変形可能なエラストマからなるエラストマ層を形成する準備工程（Ｓ００）と、
前記第１層（１１）または前記第２層（１２）と同じ材料である硬化前状態のエラストマを塗布した後に硬化して前記エラストマ層を接着する接着層（１８ａ）を形成する接着工程（Ｓ１１，Ｓ１２）と、
を有する、
ことを特徴とする。
請求項５に記載した発明は、請求項４記載の静電容量型センサ（１０）の製造方法において、
前記第１層（１１）および前記第２層（１２）の間には、前記第１層（１１）と前記第２層（１２）とが対向する積層方向に延在するとともに、前記積層方向に交差する方向に互いに離間して複数配置された前記第１層（１１）または前記第２層（１２）と同じ材料であるピラー（１５）を有し、
前記接着工程（Ｓ１１，Ｓ１２）では、前記接着層（１８ａ）により前記ピラー（１５）が接着される、
ことを特徴とする。

【0009】

請求項１に記載した発明によれば、積層されるエラストマ層を同じ材料からなる接着剤によって接着することで、この接着箇所における柔軟さを変化させずに均等な柔軟さを有する。すなわち、接着剤による接着箇所において、応力に対応した変形程度を均一にして、接着に起因する電極間の相対位置の変動に対する不均一な状態を抑制できる。これにより、電極間の相対変位による静電容量変化を所定の状態にして、センサ特性悪化を抑制することが可能となる。
ここで、同一材料であるエラストマ層と接着剤との接着面では、分子レベルで結合している必要はなく、エラストマ層の接着面に形成されている微小な凹凸に硬化前の接着剤が浸み込むとともに、この状態で接着剤が硬化されることによって充分な接着性、剥離耐性を有することができる。

【0010】

請求項２に記載した発明によれば、それぞれ電極を有する第１層および第２層の間に形成されたピラーを接着剤で接着することで、同じ外力が作用した場合でも電極間の位置変位を大きくするピラーにおいて、応力に対応した変形程度を接着剤と同じにして、接着剤の柔軟性がピラーの柔軟性と異なることに起因するセンサとしての検出精度の悪化を防止することができる。したがって、センサとしての検出精度を向上させることができる。
また、電極の対向面に沿った方向でピラーの形成寸法を所定の状態に設定することで、センサとして検出する外力の方向を適宜設定する構成とした際に、所定のセンサ特性を規定するピラーにおいて、接着剤の柔軟性がピラーの柔軟性と異なることに起因するセンサ特性としての検出精度の悪化を防止することができる。これにより、所定のセンサ特性である検出精度を向上可能なセンサを提供することが可能となる。

【0011】

請求項３に記載した発明によれば、センサの検出特性に直結する電極間の相対変位を規定するピラーを接着剤で接着することで、同じ外力が作用した場合でも電極間の位置変位を大きくすることができるピラーにおいて、接着剤の柔軟性がピラーの柔軟性と異なることに起因するセンサとしての検出精度の悪化を防止することができる。したがって、センサとしての検出精度を向上させることができる。
また、電極の対向面に沿った方向でピラーの形成寸法を所定の状態に設定することで、センサとして検出する外力の方向を適宜設定する構成とした際に、所定のセンサ特性を規定するピラーにおいて、接着剤の柔軟性がピラーの柔軟性と異なることに起因するセンサ特性としての検出精度の悪化を防止することができる。これにより、所定のセンサ特性である検出精度を向上可能なセンサを提供することが可能となる。

【0012】

請求項４に記載した発明によれば、積層されるエラストマ層を同じ材料からなる接着剤によって接着することで、この接着箇所における柔軟さを変化させずに均等な柔軟さを有する。すなわち、接着剤による接着箇所において、応力に対応した変形程度を均一にして、接着に起因する電極間の相対位置の変動に対する不均一な状態を抑制できる。これにより、電極間の相対変位による静電容量変化を所定の状態にして、センサ特性悪化を抑制可能な静電容量型センサを提供することができる。
請求項５に記載した発明によれば、それぞれ電極を有する第１層および第２層の間にピラーをして接着剤で接着することで、同じ外力が作用した場合でも電極間の位置変位を大きくすることができるピラーにおいて、接着剤の柔軟性がピラーの柔軟性と異なることに起因するセンサとしての検出精度の悪化を防止することができる。したがって、センサとしての検出精度を向上させることができる。
また、電極の対向面に沿った方向でピラーの形成寸法を所定の状態に設定することで、センサとして検出する外力の方向を適宜設定する構成とした際に、所定のセンサ特性を規定するピラーにおいて、接着剤の柔軟性がピラーの柔軟性と異なることに起因するセンサ特性としての検出精度の悪化を防止することができる。これにより、所定のセンサ特性である検出精度を向上可能なセンサを提供することが可能となる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、接着面で柔軟さが変わらず均一な変形特性を有することで、センサ特性の不均一化を防止可能で、接着箇所で強固に結合し剥離発生を防止でき、さらに、同じセンサ特性で追加積層できることで多機能化が可能となり、高感度とワイドダイナミックレンジを両立するような複雑なピラー構造を実現可能な静電容量型センサを提供可能とすることができるという効果を奏することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に係る静電容量型センサ、静電容量型センサの製造方法の第１実施形態を示す模式断面図である。

【図2】本発明に係る静電容量型センサの製造方法の第１実施形態における工程を示すフローチャート図である。

【図3】本発明に係る静電容量型センサの製造方法の第１実施形態における工程を示す断面図である。

【図4】本発明に係る静電容量型センサの製造方法の第１実施形態における工程を示す断面図である。

【図5】本発明に係る静電容量型センサの製造方法の第１実施形態の動作を説明する断面図である。

【図6】本発明に係る静電容量型センサ、静電容量型センサの製造方法の第２実施形態を示す断面図である。

【図7】本発明に係る静電容量型センサの製造方法の第２実施形態における工程を示す斜視図である。

【図8】本発明に係る静電容量型センサの製造方法の第２実施形態における工程を示す斜視図である。

【図9】本発明に係る静電容量型センサの第２実施形態の動作を説明する断面図である。

【図10】本発明に係る静電容量型センサの第２実施形態の動作を説明する断面図である。

【図11】本発明に係る静電容量型センサの第２実施形態の動作を説明するための垂直荷重と変形量との関係を示す図である。

【図12】本発明に係る静電容量型センサ、静電容量型センサの製造方法の第２実施形態におけるピラーの他の例を示す断面図である。

【図13】本発明に係る静電容量型センサ、静電容量型センサの製造方法の第２実施形態におけるピラーの他の例を示す断面図である。

【図14】本発明に係る静電容量型センサ、静電容量型センサの製造方法の第２実施形態におけるピラーの他の例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明に係る静電容量型センサ、静電容量型センサの製造方法の第１実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における静電容量型センサを示す断面図であり、図において、符号１０は、静電容量型センサである。

【0016】

本実施形態に係る静電容量型センサ１０は、図１に示すように、第１電極１３を含む第１電極支持層（第１層）１１と、第１電極支持層１１に対向するように配置される第２電極１４を含む第２電極支持層（第２層）１２と、接着剤からなる接着層１８ａと、を備える。第１電極支持層１１および／または第２電極支持層１２は、誘電体かつ弾性変形可能なエラストマからなるエラストマ層である。接着層１８ａは、エラストマ層と同じ材料である硬化前状態のエラストマを接着剤として塗布した後に硬化したものである。

【0017】

第１電極支持層１１、第２電極支持層１２、接着層１８ａは、塗布後に硬化可能なエラストマとされる。たとえば、熱硬化性樹脂などを選択することが好ましい。
第１電極支持層１１、第２電極支持層１２、接着層１８ａは、たとえば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）のゲル、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、シリコン系樹脂、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、あるいは、これらの複合材料等から成る柔軟な誘電体により弾性変形可能に構成される。なお、エラストマは、後述する硬化処理に対して、可逆性を有さないものを選択することが好ましい。

【0018】

第１電極１３および第２電極１４は、いずれも伸縮性を有する導体により構成される。第１電極１３および第２電極１４は、炭素、カーボンナノファイバ、グラファイトなどの導体を混入したシリコン系などの樹脂、銀、銅などの金属導電性フィラーなどを含有するシリコン系などの樹脂、チオフェン系導電性高分子、ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）等の導電性樹脂、あるいは、これらの複合材料から形成されることができる。

【0019】

第１電極１３は、第１電極支持層１１に形成される。第１電極１３は、第１電極支持層１１の厚さ方向に含有されていてもよい。第１電極１３は、第１電極支持層１１のいずれかの表面に露出して形成されてもよい。第１電極１３は、第１電極支持層１１を形成する際に、所定の形状として形成されていればよい。第１電極１３は、第１電極支持層１１と同じ材料に炭素粉末、カーボンナノファイバ、金属粉末等の導電材料を混入して形成されていてもよい。

【0020】

第１電極１３は、センサ特性に応じて第１電極支持層１１の厚さ方向、あるいは第１電極支持層１１の面内方向における形成形状、形成位置、形成数をあらかじめ設定することができる。
第２電極１４は、第１電極１３と同様に、第２電極支持層１２を形成する際に、所定の形状として形成されていればよい。

【0021】

第１電極支持層１１、第２電極支持層１２は、接着層１８ａによって接着可能に積層されていれば、その形状などは特に限定されない。特に、第１電極支持層１１と第２電極支持層１２との間に、厚さ方向に他の層が積層されること、厚さ方向で第１電極支持層１１に対して第２電極支持層１２とは反対側となる位置に他の層が積層されること、厚さ方向で第２電極支持層１２に対して第１電極支持層１１とは反対側となる位置に他の層が積層されること、など他の構成が可能である。

【0022】

次に、本実施形態における静電容量型センサの製造方法について説明する。

【0023】

図２は、本実施形態における静電容量型センサの製造方法を示すフローチャートであり、図３は、本実施形態における静電容量型センサの製造方法を示す断面工程図であり、図４は、本実施形態における静電容量型センサの製造方法を示す断面工程図である。
静電容量型センサの製造方法は、図２に示すように、準備工程Ｓ００と、塗布工程Ｓ１１と、硬化工程Ｓ１２とを有する。塗布工程Ｓ１１と硬化工程Ｓ１２とは、接着工程を構成する。

【0024】

準備工程Ｓ００においては、図３に示すように、第１電極支持層１１および第２電極支持層１２を準備する。第１電極支持層１１および第２電極支持層１２は、いずれも略板状に形成することができる。第１電極支持層１１および第２電極支持層１２は、所定の型により成型することなどができる。また、成型時に第１電極支持層１１と第１電極１３とを同時に形成することもできる。同様に、第２電極支持層１２と第２電極１４とを同時に形成してもよい。
また、第１電極支持層１１および第２電極支持層１２は、おなじ材質とすることもできるし、異なる材質とすることもできる。

【0025】

塗布工程Ｓ１１においては、図４に示すように、第１電極支持層１１および／または第２電極支持層１２の接着面に、接着剤１８ｂを塗布する。接着剤１８ｂを塗布する面は、少なくとも、接着剤１８ｂと同じエラストマとすることができる。なお、塗布時の接着剤１８ｂは、硬化されていない。
なお、図４においては、第１電極支持層１１に接着剤１８ｂを塗布しているが、第２電極支持層１２に接着剤１８ｂを塗布してもよい。

【0026】

硬化工程Ｓ１２においては、塗布された接着剤１８ｂに所定の処理をおこなって硬化することで、接着層１８ａを形成する。硬化処理としては、加熱処理、紫外線照射処理等、エラストマの材質に応じて選択することができる。なお、硬化処理は、エラストマに対して可逆性を有さない、すなわち、接着剤１８ｂへの硬化処理で、第１電極支持層１１および第２電極支持層１２が可塑性を呈さない程度の処理を選択することが好ましい。

【0027】

硬化工程Ｓ１２で硬化処理を施すことにより、接着剤１８ｂは、同一材料であるエラストマからなる第１電極支持層１１および第２電極支持層１２との接着面で、分子レベルで結合している必要はなく、接着前に第１電極支持層１１および第２電極支持層１２の接着面に形成されている微小な凹凸に硬化前の接着剤１８ｂが浸み込むとともに、この状態で接着剤１８ｂが硬化されて接着層１８ａが形成されることによって、充分な接着性、剥離耐性を有することができる。

【0028】

接着層１８ａによって接着された第１電極支持層１１および第２電極支持層１２により、静電容量型センサ１０が完成する。

【0029】

図５は、本実施形態における静電容量型センサの動作を説明する断面図である。
本実施形態に係る静電容量型センサ１０は、図５に示すように、外部荷重Ｆが印加されていない状態では、平面視して第１電極１３と第２電極１４との重なる面積はＳである。これに対して、図５で右側に位置する第１電極１３は、外部荷重Ｆが印加されると、第２電極１４との重なる面積はＳ＋ΔＳとなる。これにより、第１電極１３と第２電極１４とで形成される静電容量が変化し、この容量変化を検出することで、外部荷重Ｆを測定することが可能となる。

【0030】

同様に、図５で左側に位置する第１電極１３は、外部荷重Ｆが印加されると、第２電極１４との重なる面積はＳ－ΔＳとなる。このように、第１電極１３と第２電極１４とで形成される静電容量が変化し、この容量変化を検出することで、外部荷重Ｆを測定することが可能となる。

【0031】

このとき、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２および接着層１８ａは、いずれも同一材料のエラストマからなる。このため、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２および接着層１８ａは、いずれも応力特性が同じである。したがって、局所的に硬さが異なる、あるいは、局所的に柔らかいなどの変形の特異性を有していない。第１電極支持層１１、第２電極支持層１２および接着層１８ａは、変形度合いが均一である。つまり、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２および接着層１８ａは、印加された外部荷重Ｆに対して、いずれも同じように変形する。これにより、第１電極１３と第２電極１４との静電容量変化を正確に検出することが可能となる。

【0032】

また、第１電極支持層１１と接着層１８ａとの界面、および、第２電極支持層１２と接着層１８ａとの界面は、いずれも応力特性が同じ状態を維持可能である。このため、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２および接着層１８ａは、印加された外部荷重Ｆに対して、いずれも同じように変形する。したがって、接着面での変形特性の不連続性が発生しない。つまり、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２および接着層１８ａは、印加された外部荷重Ｆに対して、接着面の有無にかかわらず同じように変形する。これにより、第１電極１３と第２電極１４との静電容量変化を正確に検出することが可能となる。

【0033】

さらに、第１電極支持層１１と接着層１８ａとの界面、および、第２電極支持層１２と接着層１８ａとの界面は、同材から形成されていることで、均一な特性であるため応力集中が発生せず、剥離耐性を高めることが可能である。また、第１電極支持層１１と接着層１８ａとの界面、および、第２電極支持層１２と接着層１８ａとの界面では、分子構造が同じエラストマどうしで形成されているので結合が強く、互いに剥がれにくい。

【0034】

なお、図５において、印加される外部荷重Ｆを図の左右方向に向かうものとしたが、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２の厚さ方向に印加されることもできる。この場合、第１電極１３と第２電極１４との静電容量変化は、電極間距離ｄによって検出される。

【0035】

さらに、本実施形態においては、第１電極１３と第２電極１４とに対応した第１電極支持層１１と第２電極支持層１２層との境界である接着層１８ａの両側において、柔軟さが変わらず均一な特性を有することが可能である。また、第１電極支持層１１と第２電極支持層１２層と接着層１８ａとの間で分子構造が同じであるため、互いの結合を強めることができ、剥がれにくいという効果を奏することができる。

【0036】

以下、本発明に係る静電容量型センサ、静電容量型センサの製造方法の第２実施形態を、図面に基づいて説明する。
図６は、本実施形態における静電容量型センサを示す断面図であり、本実施形態において、上述した第１実施形態と異なるのは、ピラーに関する点であり、これ以外の上述した第１実施形態と対応する構成には同一の符号を付してその説明を省略する。なお、図６において、第１電極１３と第２電極１４とは図示を省略している。

【0037】

本実施形態における静電容量型センサ１０は、図６に示すように、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２との間に、複数の柱状のピラー１５が形成されている。
ピラー１５は、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２の面内方向に沿って、互いに離間しつつ、複数形成される。ピラー１５は、第２電極支持層１２と一体として形成されている。ピラー１５は、全て同じ高さを有することができる。ピラー１５は、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２の面内位置に応じて異なる高さを有することができる。ピラー１５は、一方向に傾斜して高さが変化することができる。ピラー１５の高さは、センサ特性に応じて設定されることができる。

【0038】

ピラー１５の端部は、対向する第１電極支持層１１と接着される。ピラー１５の端部１５ａは、全てが第１電極支持層１１と接着されることができる。ピラー１５の端部１５ａは、第１電極支持層１１と接着されていないものがあってもよい。ピラー１５の端部１５ａの接着部分には、第１電極支持層１１との間に接着層１８ａが形成される。ピラー１５の接着部分には、端部１５ａの全体に接着層１８ａが形成されることができる。ピラー１５の接着部分には、端部１５ａのうち一部に接着層１８ａが形成されることができる。

【0039】

第１電極支持層１１、第２電極支持層１２、ピラー１５、接着層１８ａは、いずれも同じ材質とすることもできる。第１電極支持層１１、第２電極支持層１２、ピラー１５、接着層１８ａは、第１実施形態と同様に、同じエラストマから形成される。

【0040】

次に、本実施形態における静電容量型センサの製造方法について説明する。

【0041】

図７は、本実施形態における静電容量型センサの製造方法の工程を示す斜視図であり、図８は、本実施形態における静電容量型センサの製造方法の工程を示す斜視図である。
本実施形態における静電容量型センサの製造方法は、図２に示す第１実施形態と同様に、準備工程Ｓ００と、塗布工程Ｓ１１と、硬化工程Ｓ１２とを有する。

【0042】

準備工程Ｓ００においては、図７に示すように、第１電極支持層１１および第２電極支持層１２を準備する。第１電極支持層１１は、略板状に形成することができる。第２電極支持層１２は、ピラー１５と一体として複数の柱が立設された略板状に形成することができる。第１電極支持層１１および第２電極支持層１２は、所定の型により成型することなどができる。また、成型時に第１電極支持層１１と第１電極１３とを同時に形成することもできる。同様に、第２電極支持層１２と第２電極１４とピラー１５とを同時に形成してもよい。
また、第１電極支持層１１と、第２電極支持層１２およびピラー１５とは、おなじ材質とすることもできるし、異なる材質とすることもできる。

【0043】

塗布工程Ｓ１１においては、図８に示すように、ピラー１５の端部１５ａの接着面に、接着剤１８ｂを塗布する。接着剤１８ｂを塗布する端部１５ａは、少なくとも、接着剤１８ｂと同じエラストマとすることができる。なお、塗布時の接着剤１８ｂは、硬化されていない。なお、接着箇所となる第１電極支持層１１に接着剤１８ｂを塗布することもできる。
なお、図８においては、ピラー１５の端部１５ａに接着剤１８ｂを塗布しているが、第１電極支持層１１の前面に接着剤１８ｂを塗布してもよい。

【0044】

硬化工程Ｓ１２においては、塗布された接着剤１８ｂに所定の処理をおこなって硬化することで、接着層１８ａを形成する。
硬化工程Ｓ１２で硬化処理を施すことにより、接着剤１８ｂは、同一材料であるエラストマからなる第１電極支持層１１およびピラー１５の端部１５ａの接着面で、分子レベルで結合している必要はなく、接着前に第１電極支持層１１およびピラー１５の端部１５ａの接着面に形成されている微小な凹凸に硬化前の接着剤１８ｂが浸み込むとともに、この状態で接着剤１８ｂが硬化されて接着層１８ａが形成されることによって、充分な接着性、剥離耐性を有することができる。

【0045】

接着層１８ａによって接着された第１電極支持層１１および第２電極支持層１２により、静電容量型センサ１０が完成する。

【0046】

図９は、本実施形態における静電容量型センサの動作を説明する断面図である。
本実施形態に係る静電容量型センサ１０は、図９に示すように、外部荷重Ｆが印加されていない状態では、平面視して第１電極１３と第２電極１４との重なる面積はＳである。これに対して、図９で右側に位置する第１電極１３は、外部荷重Ｆが印加されると、第２電極１４との重なる面積はＳ＋ΔＳとなる。同様に、図５で左側に位置する第１電極１３は、外部荷重Ｆが印加されると、第２電極１４との重なる面積はＳ－ΔＳとなる。
これにより、第１電極１３と第２電極１４とで形成される静電容量が変化し、この容量変化を検出することで、外部荷重Ｆを測定することが可能となる。

【0047】

このとき、本実施形態に係る静電容量型センサ１０は、第１電極支持層１１および第２電極支持層１２の全面が接着層１８ａにより接着されている第１実施形態に比べて、面内方向に離間した複数のピラー１５の端部１５ａに位置する接着層１８ａにより接着されているので、第１電極支持層１１と第２電極支持層１２との間の面内方向の位置変化を起こしやすい。すなわち、センサ特性としての感度を向上することができる。

【0048】

このとき、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２、ピラー１５および接着層１８ａは、いずれも同一材料のエラストマからなる。このため、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２、ピラー１５および接着層１８ａは、いずれも応力特性が同じである。したがって、局所的に硬さが異なる、あるいは、局所的に柔らかいなどの変形の特異性を有していない。第１電極支持層１１、第２電極支持層１２、ピラー１５および接着層１８ａは、変形度合いが均一である。つまり、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２および接着層１８ａは、印加された外部荷重Ｆに対して、いずれも同じように変形する。これにより、第１電極１３と第２電極１４との静電容量変化を正確に検出することが可能となる。

【0049】

また、第１電極支持層１１と接着層１８ａとの界面、および、ピラー１５の端部１５ａと接着層１８ａとの界面は、いずれも応力特性が同じ状態を維持可能である。このため、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２、ピラー１５および接着層１８ａは、印加された外部荷重Ｆに対して、いずれも同じように変形する。したがって、接着面での変形特性の不連続性が発生しない。つまり、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２、ピラー１５および接着層１８ａは、印加された外部荷重Ｆに対して、接着面の有無にかかわらず同じように変形する。これにより、第１電極１３と第２電極１４との静電容量変化を正確に検出することが可能となる。

【0050】

さらに、第１電極支持層１１と接着層１８ａとの界面、および、ピラー１５と接着層１８ａとの界面は、同材から形成されていることで、均一な特性であるため応力集中が発生せず、剥離耐性を高めることが可能である。また、第１電極支持層１１と接着層１８ａとの界面、および、ピラー１５と接着層１８ａとの界面では、分子構造が同じエラストマどうしで形成されているので結合が強く、互いに剥がれにくい。
特に、ピラー１５の端部１５ａにおいては、応力が集中して剥がれやすい構造であるが、同じエラストマどうしで接着されているので、結合が強く、互いに剥がれにくい。

【0051】

図１０は、本実施形態における静電容量型センサの動作を説明する断面図である。
なお、図１０に示すように、印加される外部荷重Ｆを図の上下方向に向かうように、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２の厚さ方向に印加されることもできる。この場合、第１電極１３と第２電極１４との静電容量変化は、電極間距離ｄによって検出される。

【0052】

このとき、本実施形態に係る静電容量型センサ１０は、第１電極支持層１１および第２電極支持層１２の全面が接着層１８ａにより接着されている第１実施形態に比べて、面内方向に離間した複数のピラー１５の端部１５ａに位置する接着層１８ａにより接着されているので、第１電極支持層１１と第２電極支持層１２との間の厚さ方向の位置変化を起こしやすい。すなわち、センサ特性としての感度を向上することができる。

【0053】

図１１は、本実施形態における静電容量型センサの動作を説明するための垂直荷重と変形量との関係を示す図である。
また、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２、ピラー１５および接着層１８ａが、同じエラストマから形成されているので、厚さ方向の圧縮力である外部荷重Ｆに対して、同じように変形する。
図１１に示すように、接着層１８ａが第１電極支持層１１、第２電極支持層１２、ピラー１５と異なる材質からなった場合、特に、接着層１８ａが第１電極支持層１１、第２電極支持層１２、ピラー１５に比べて硬い材料で形成された場合、破線で示すように、第１電極支持層１１と第２電極支持層１２との電極間距離（層間距離）ｄの圧縮による変形量が小さい。これに対し、第１電極支持層１１、第２電極支持層１２、ピラー１５および接着層１８ａが、同じエラストマから形成されている場合には、実線で示すように、第１電極支持層１１と第２電極支持層１２との層間距離ｄの圧縮による変形量が大きくなる。すなわち、センサ特性としての感度を向上することができる。

【0054】

図１２は、本実施形態における静電容量型センサのピラーの他の例を示す断面図であり、図１３は、本実施形態における静電容量型センサのピラーの他の例を示す断面図である。
上記の実施形態では、第１電極支持層１１と第２電極支持層１２との厚さ方向において、ピラー１５を同じ太さとして示したが、図１２，図１３に示すように、高さ方向で異なる太さを有するピラー１５とすることも可能である。

【0055】

たとえば、図１２，図１３に示すように、第２電極支持層１２から第１電極支持層１１に近接するにつれて、細くなるピラー１５とすることも可能である。特に、図１２には、第２電極支持層１２に近接する部分が等しい太さで、第２電極支持層１２と第１電極支持層１１との中央付近から第１電極支持層１１に向かって傾斜して細くなるピラー１５を示す。また、図１３には、第２電極支持層１２に近接する部分が等しい太さで、第２電極支持層１２と第１電極支持層１１との中央付近に段差が形成されて、第１電極支持層１１に近接する部分が細いピラー１５を示す。

【0056】

また、これらの場合、図１２，図１３に示すように、ピラー１５の全高を第２電極支持層１２と一体として形成し、接着層１８ａを第１電極支持層１１との境界位置に形成することができる。あるいは、ピラー１５の上半分を第１電極支持層１１と一体として形成し、ピラー１５の下半分を第２電極支持層１２と一体として形成し、第２電極支持層１２と第１電極支持層１１との中央付近となるピラー１５の途中に接着層１８ａを形成することができる。または、ピラー１５の全高を第１電極支持層１１と一体として形成し、接着層１８ａを第２電極支持層１２との境界位置に形成することができる。

【0057】

以下、本発明に係る静電容量型センサ、静電容量型センサの製造方法の第３実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１４は、本実施形態における静電容量型センサを示す断面図であり、本実施形態において、上述した第１実施形態と異なるのは、エラストマからなる層の積層に関する点である。

【0058】

本実施形態における静電容量型センサ２０は、図１４に示すように、第１電極支持層２１と、第２電極支持層２２と、第３電極支持層２３と、第４電極支持層２４と、を有する。第１電極支持層２１は、第１電極２５を有する。第２電極支持層２２は、第２電極２６を有する。第３電極支持層２３は、第３電極２７を有する。第４電極支持層２４は、第４電極２８を有する。

【0059】

第１電極支持層２１、第２電極支持層２２、第３電極支持層２３、第４電極支持層２４は、第１，２実施形態の第１電極支持層１１および第２電極支持層１２に対応し、互いに積層されて、それぞれ接着層により接着される。第１電極支持層２１、第２電極支持層２２、第３電極支持層２３、第４電極支持層２４および、それぞれの接着層は、第１，２実施形態と同様に、いずれも同じエラストマから形成される。接着層の形成および各電極支持層の接着は、第１，２実施形態と同様である。なお、各接着層は図示を省略している。

【0060】

第１電極支持層２１、第２電極支持層２２は、近接センサを構成する。第３電極支持層２３、第４電極支持層２４は、近接センサを構成する。ここで、第２電極２６は、ＧＮＤシールド層を構成する。第２電極２６は、第１電極２５、第３電極２７および第４電極２８を電気的に遮蔽するように、第１電極支持層２１、第２電極支持層２２、第３電極支持層２３、第４電極支持層２４の全面に形成されることができる。これにより、第１電極支持層２１および第２電極支持層２２から構成される上側の近接センサと、第３電極支持層２３および第４電極支持層２４から構成される近接センサとは、それぞれ静電容量型センサ２０の上側での近接検出、下側での近接検出をおこなうことができる。

【0061】

本実施形態における静電容量型センサ２０は、それぞれの電極に対応する電極支持層を別々に形成し、同じ材質からなるエラストマからなる接着層によってそれぞれの層を接着することができる。ここで、静電容量型センサ２０の厚さ方向に異なる位置に形成される電極ごとに、厚さ方向に分割された構成として、それぞれの電極支持層を形成することが可能である。つまり、要求されるセンサ特性の必要性によって配置される電極位置に応じて、各層を多段に分解し、これらを接着することができる。これにより、静電容量型センサ２０の製造を容易にするとともに、センサ感度を向上し、剥離耐性を向上することができる。
このとき、同じ電極支持層内に、平面視して重ならないように異なる厚さ方向位置の電極を配置することもできる。

【0062】

同時に、複雑な多層構造とされた静電容量型センサ２０の製造が容易になるため、ことなる特性を有するセンサをさらに複合した構成を提供することが可能となる。
ここで、必要に応じて、各電極支持層の間に第２実施形態のようなピラーを形成して、センサ特性を向上することが容易になる。

【0063】

本実施形態における静電容量型センサ２０は、複数の層および複数の層間における接着層が同じエラストマから形成されているので、上述した実施形態と同等の効果を奏することが可能となる。さらに、第１電極２５によりセンサ外部との近接データを計測でき、第３電極２７および第４電極２８により印加される荷重の３軸力を計測できる。
この場合、第２電極２６は、上述した近接センサと３軸力センサとを分離するためのグランド電極であり、ＧＮＤシールド効果を奏することができる。

【0064】

ここで、近接を静電容量値の変化で取得し、圧力を抵抗値で取得するセンサでは，それぞれのデータ取得回路が必要となる。これに対して、本実施形態においては、１つの静電容量式のセンサである静電容量型センサ２０によって、近接・３軸力両方を取得することができる。したがって、本実施形態における静電容量型センサ２０は、計測回路の規模も小さくでき、システムの小型化が可能であるという効果を奏することができる。

【0065】

なお、別形態として、第１電極２５をなくし、第２電極２６を自己容量式の近接センサとして使用することも可能である。この場合、第３電極２７および第４電極２８によって圧力を取得するタイミングと、第２電極２６で近接データを取得するタイミングとを時分割で切り替えることができる。

【0066】

また、上記の各実施形態においては、全ての電極支持層を同じ材質から構成したが、たとえば、第１実施形態において、第１電極支持層１１をエラストマ層とし、第２電極支持層１２をリジット基板とすることもできる。この場合でも、第１電極支持層１１と接着層１８ａとの接着状態を向上することができる。
また、第２実施形態において、第２電極支持層１２およびピラー１５をエラストマから形成し、第１電極支持層１１をフレキシブル基板とすることもできる。この場合でも、第２電極支持層１２と接着層１８ａとの接着状態を向上することができる。

【0067】

さらに、本発明においては、上述した各実施形態における個々の構成を個別に選択して、それぞれ組み合わせて実施することも可能である。

【符号の説明】

【0068】

１０，２０…静電容量型センサ
１１…第１電極支持層（第１層）
１２…第２電極支持層（第２層）
１３…第１電極
１４…第２電極
１５…ピラー
１５ａ…端部
１８ａ…接着層
１８ｂ…接着剤
２１…第１電極支持層
２２…第２電極支持層
２３…第３電極支持層
２４…第４電極支持層
２５…第１電極
２６…第２電極
２７…第３電極
２８…第４電極
ｄ…電極間距離（層間距離）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】