(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エラストマー製の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている一対の電極と、を備えてなり、弾性的に曲げ変形可能であり、
該一対の電極は、エラストマーと、該エラストマー中に配合され炭素材料からなる導電性フィラーと、を有し、該誘電膜の変形に応じて伸縮可能であり、
該一対の電極は、該エラストマーと該導電性フィラーとを含むエラストマー組成物からなり、該エラストマー組成物の、該導電性フィラーの配合量と電気抵抗との関係を表すパーコレーションカーブにおいて、電気抵抗が低下して絶縁体−導電体転移が起こる第一変極点の該導電性フィラーの配合量（臨界体積分率：φｃ）が２５ｖｏｌ％以下であり、
該一対の電極の少なくとも一方の表面には、該表面の弾性変形を拘束する拘束部材が配置されており、
該一対の電極間の静電容量変化に基づいて変形を検出することを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項２】
前記拘束部材は、前記一対の電極の一方の表面に配置されており、
曲げ変形の際、該一対の電極間の静電容量変化に基づいて該曲げ変形の方向を判別可能である請求項１に記載の静電容量型センサ。
【請求項３】
弾性的に曲げ変形可能な板状の基準部材と、
該基準部材の両側に配置され、弾性的に曲げ変形可能な一対のセンサ素子と、を備えてなり、
該一対のセンサ素子は、各々、エラストマー製の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている一対の電極と、を有し、
該一対の電極は、エラストマーと、該エラストマー中に配合され炭素材料からなる導電性フィラーと、を有し、該誘電膜の変形に応じて伸縮可能であり、
該一対の電極は、該エラストマーと該導電性フィラーとを含むエラストマー組成物からなり、該エラストマー組成物の、該導電性フィラーの配合量と電気抵抗との関係を表すパーコレーションカーブにおいて、電気抵抗が低下して絶縁体−導電体転移が起こる第一変極点の該導電性フィラーの配合量（臨界体積分率：φｃ）が２５ｖｏｌ％以下であり、
曲げ変形の際、該基準部材の両側で該誘電膜の膜厚の増減が逆になることを利用して、一方の該センサ素子における静電容量変化と、他方の該センサ素子における静電容量変化と、の差に基づいて該曲げ変形を検出することを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項４】
前記一対のセンサ素子の各々の表面には、さらに該表面の弾性変形を拘束する拘束部材が配置されている請求項３に記載の静電容量型センサ。
【請求項５】
前記誘電膜の材料である前記エラストマーは、シリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、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、ウレタンゴムから選ばれる一種以上を含む請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の静電容量型センサ。
【請求項６】
前記一対の電極の材料である前記エラストマーは、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、アクリルゴム、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、ウレタンゴムから選ばれる一種以上を含む請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の静電容量型センサ。
【請求項７】
前記一対の電極の前記エラストマーは、前記誘電膜の前記エラストマーと同じである請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の静電容量型センサ。
【請求項８】
前記誘電膜および前記一対の電極の前記エラストマーは、アクリルゴムである請求項７に記載の静電容量型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極間の静電容量変化に基づいて変形を検出する静電容量型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
静電容量型センサによると、一対の電極間距離の変化に伴う静電容量の変化を利用して、圧縮変形を検出することができる。例えば、特許文献１には、空隙を挟んで対向する一対の金属製電極を備えた静電容量型触覚センサが紹介されている。また、特許文献２には、シート状誘電体の両面に、導電布からなる電極を配置した静電容量型圧力センサが紹介されている。
【特許文献１】特開平５−２８８６１９号公報
【特許文献２】特開２００５−３１５８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載された静電容量型センサによると、電極間距離に高い寸法精度が要求されるため、製造コストが高い。また、電極には金属材料が用いられている。金属製の電極には伸縮性がないため、例えば電極が曲げ変形した場合には、電極が塑性変形により破壊されやすい。また、金属製の電極間に弾性変形可能な誘電体を介在させて静電容量型センサを構成した場合、誘電体は曲げ変形可能であるが、電極は誘電体の変形に追従することができない。このため、電極と誘電体とが剥離してしまい、繰り返し使用することができない。このように、金属製の電極を備えた静電容量型センサは、曲げ変形の検出には不適である。また、曲面形状への装着も難しい。
【０００４】
一方、特許文献２に記載された静電容量型センサでは、電極に導電性の布（導電布）を使用している。導電布は、伸縮性を有する。しかし、織り方により伸縮方向が規制される。また、網目を有するため、その隙間の分だけ電極面積が小さくなり、静電容量が小さくなる。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、耐久性に優れ、曲げ変形を検出することのできる静電容量型センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明の静電容量型センサは、エラストマー製の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている一対の電極と、を備えてなり、該一対の電極は、エラストマーと、該エラストマー中に配合されている導電性フィラーと、を有し、該誘電膜の変形に応じて伸縮可能であると共に、伸縮しても導電性の変化が小さく、該一対の電極間の静電容量変化に基づいて変形を検出することを特徴とする（請求項１に対応）。
【０００７】
一般に、一対の電極間に誘電体が配置されてなる静電容量型センサにおける静電容量（キャパシタンス）は、次式（Ｉ）により求めることができる。
Ｃ＝ε０εｒＳ／ｄ・・・（Ｉ）
［Ｃ：キャパシタンス、ε０：真空中の誘電率、εｒ：誘電体の比誘電率、Ｓ：電極面積、ｄ：電極間距離］
式（Ｉ）から明らかなように、外部から入力された歪みに対して、電極面積（Ｓ）が大きくなると、キャパシタンス（Ｃ）は大きくなる。また、誘電体の厚さ、すなわち電極間距離（ｄ）が小さくなると、キャパシタンス（Ｃ）は大きくなる。
【０００８】
本発明の静電容量型センサによると、一対の電極間にエラストマー製の誘電膜が配置されている。エラストマーの比誘電率は、空気の比誘電率よりも大きい。つまり、上記式（Ｉ）においてεｒが大きくなる。このため、単に一対の電極を空隙を介して対向配置したものと比較して、キャパシタンス（Ｃ）が大きくなり、検出感度を向上させることができる。
【０００９】
また、一対の電極は、エラストマーを母材とする。このため、柔軟であり、誘電膜と一体となって変形することができる。つまり、曲げ変形した場合でも、誘電膜の変形に追従して変形することができる。ここで、本明細書における「変形」には、圧縮、伸張、曲げ等による変形がすべて含まれる。このように、一対の電極が誘電膜の変形に応じて伸縮可能であるため、曲面形状に対しても容易に装着することができる。また、繰り返し使用しても、電極と誘電膜とは剥離しにくく、耐久性に優れる。
【００１０】
また、一対の電極は、エラストマーを母材とするため、布製の電極とは異なり緻密である。加えて、後述する導電性フィラーによる導電パスの形成により、導電性は良好で、かつ伸縮しても導電性の変化は小さい。したがって、誘電膜の変形量が大きい場合でも、電極としての機能が低下しにくい。
【００１１】
また、誘電膜と電極との両方がエラストマーから構成されているため、センサ全体として柔軟であり、加工性に優れ形状設計の自由度が高い。よって、本発明の静電容量型センサは、ソフトセンサとして幅広く利用することができる。また、柔軟であるため、変形量が大きい場合にも対応することができ、検出レンジが大きい。
【００１２】
ところで、電極間にエラストマーを配置した場合、高温下ではエラストマーが膨張するため電極間距離が大きくなる。このため、その分だけキャパシタンスは小さくなってしまう。このように、高温下では変形以外の要因でキャパシタンスが変化するため、変形を正確に検出することは難しい。この点、本発明の静電容量型センサによると、温度による膜厚変化を補正することにより、変形を正確に検出することができる。
【００１３】
後の実施例で詳しく説明するが、本発明の静電容量型センサにおける周波数に対するインピーダンス（交流抵抗）変化によると、低周波数領域では温度の上昇と共にインピーダンスが減少する。これは、低周波数領域ではキャパシタンス（Ｃ）成分よりも直流抵抗（Ｒ）成分の方が、インピーダンスに対する影響力が大きいためである。つまり、低周波数領域では温度の上昇と共にＲが減少するため、インピーダンスが減少する。したがって、低周波数領域における温度とＲとの関係を把握しておけば、高温下におけるエラストマーの膜厚の増加分を補正することができる（自己温度補償機能）。このように、本発明の静電容量型センサによると、自己温度補償機能を利用して、使用環境の温度に依存することなく、変形を正確に検出することができる。
【００１４】
（２）好ましくは、上記（１）の構成において、前記一対の電極は、前記エラストマーと前記導電性フィラーとを含むエラストマー組成物からなり、該エラストマー組成物の、該導電性フィラーの配合量と電気抵抗との関係を表すパーコレーションカーブにおいて、電気抵抗が低下して絶縁体−導電体転移が起こる第一変極点の該導電性フィラーの配合量（臨界体積分率：φｃ）が２５ｖｏｌ％以下である構成とするとよい（請求項２に対応）。
【００１５】
一般に、絶縁性のエラストマーに導電性フィラーを混合してエラストマー組成物とした場合、エラストマー組成物の電気抵抗は、導電性フィラーの配合量によって変化する。図１に、エラストマー組成物における、導電性フィラーの配合量と電気抵抗との関係を模式的に示す。
【００１６】
図１に示すように、エラストマー１０１に導電性フィラー１０２を混合していくと、エラストマー組成物の電気抵抗は、はじめはエラストマー１０１の電気抵抗とほとんど変わらない。しかし、導電性フィラー１０２の配合量がある体積分率に達すると、電気抵抗が急激に低下して、絶縁体−導電体転移が起こる（第一変極点）。この第一変極点における導電性フィラー１０２の配合量を、臨界体積分率（φｃ）と称す。また、さらに導電性フィラー１０２を混合していくと、ある体積分率から、電気抵抗の変化が少なくなり電気抵抗変化が飽和する（第二変極点）。この第二変極点における導電性フィラー１０２の配合量を、飽和体積分率（φｓ）と称す。このような電気抵抗の変化は、パーコレーションカーブと呼ばれ、エラストマー１０１中に導電性フィラー１０２による導電パスＰ１が形成されるためと考えられている。
【００１７】
例えば、導電性フィラーの一次粒子が凝集して二次粒子化が進むと、三次元的なネットワーク構造により導電パスが形成されやすい。このような場合には、エラストマー組成物の臨界体積分率（φｃ）は、２０ｖｏｌ％程度と比較的小さくなる。言い換えると、臨界体積分率（φｃ）が小さい場合には、導電性フィラーは、ストラクチャー性を有する二次凝集体を形成しやすい。このため、導電性フィラーの配合量が比較的少なくても、導電性の高いエラストマー組成物を得ることができる。
【００１８】
本構成によると、一対の電極は、臨界体積分率（φｃ）が２５ｖｏｌ％以下のエラストマー組成物からなる。臨界体積分率（φｃ）が比較的小さいため、導電性フィラーは凝集体を形成しやすい。したがって、比較的少量の導電性フィラーにより、導電性の良好な電極を得ることができる。なお、本明細書における「エラストマー組成物」は、エラストマーと導電性フィラーとの混合物の他、エラストマー、導電性フィラー、および他の添加剤等の混合物をも含む。
【００１９】
（３）好ましくは、上記（１）または（２）の構成において、前記導電性フィラーは、炭素材料からなる構成とするとよい（請求項３に対応）。炭素材料は、導電性が良好で、比較的安価である。このため、炭素材料からなる導電性フィラーを用いると、静電容量型センサの製造コストを低減することができる。
【００２０】
（４）好ましくは、上記（１）ないし（３）のいずれかの構成において、前記誘電膜の材料である前記エラストマーは、シリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、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、ウレタンゴムから選ばれる一種以上を含む構成とするとよい（請求項４に対応）。これらのエラストマーは、比誘電率が高く、キャパシタンスを大きくすることができる。
【００２１】
（５）好ましくは、上記（１）ないし（４）のいずれかの構成において、前記一対の電極の材料である前記エラストマーは、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、アクリルゴム、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、ウレタンゴムから選ばれる一種以上を含む構成とするとよい（請求項５に対応）。これらのエラストマーは、伸縮性が良好であり、誘電膜と一体となって変形することができる。
【００２２】
（６）好ましくは、上記（１）ないし（５）のいずれかの構成において、弾性的に曲げ変形可能であり、前記一対の電極の少なくとも一方の表面には、該表面の弾性変形を拘束する拘束部材が配置されている構成とするとよい（請求項６に対応）。
【００２３】
本構成によると、曲げ変形による電極表面の少なくとも一面の弾性変形が、拘束部材により規制される。これにより、曲げ変形時の電極間距離の変化が大きくなる。このため、より曲げ変形を検出しやすくなる。
【００２４】
（７）好ましくは、上記（６）の構成において、前記一対の電極の一方の表面には、該表面の弾性変形を拘束する拘束部材が配置されており、曲げ変形の際、該一対の電極間の静電容量変化に基づいて該曲げ変形の方向を判別可能である構成とするとよい（請求項７に対応）。
【００２５】
後の実施例で詳しく説明するが、例えば、曲げ方向が左右反対になると、曲げ変形時の撓み量に対するキャパシタンスの変化挙動が反対になる。したがって、本発明の静電容量型センサによると、キャパシタンスの変化挙動に基づいて曲げ変形の方向を判別することができる。
【００２６】
（８）好ましくは、上記（１）ないし（５）のいずれかの構成において、前記誘電膜と前記一対の電極とを備える一対のセンサ素子が、弾性的に曲げ変形可能な板状の基準部材の両側に各々配置されてなり、曲げ変形の際、該基準部材の両側で該誘電膜の膜厚の増減が逆になることを利用して、一方の該センサ素子における静電容量変化と、他方の該センサ素子における静電容量変化と、の差に基づいて該曲げ変形を検出する構成とするとよい（請求項８に対応）。
【００２７】
基準部材は、隣接する電極表面の弾性変形を拘束する役割を果たす。曲げ変形の際、基準部材の両側に配置された誘電膜には、各々、圧縮または引張り応力が加わる。これにより、基準部材の両側で、曲げ変形に対する誘電膜の膜厚の増減、つまり電極間距離の増減は逆になる。したがって、仮に個々のセンサ素子における静電容量変化が小さくても、一方のセンサ素子における静電容量変化と、他方のセンサ素子における静電容量変化と、の差を求め、その差の値に基づいて曲げ変形を検出することにより、検出感度を向上させることができる。このように、本構成によると、高感度であって、誤動作、誤判定の少ない静電容量型センサを提供することができる。
【００２８】
（９）好ましくは、上記（８）の構成において、前記一対のセンサ素子の各々の表面には、さらに該表面の弾性変形を拘束する拘束部材が配置されている構成とするとよい（請求項９に対応）。
【００２９】
本構成によると、曲げ変形による各々のセンサ素子の表面の弾性変形が、拘束部材により規制される。これにより、曲げ変形時の電極間距離の変化が大きくなる。このため、より曲げ変形を検出しやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の静電容量型センサの実施形態について説明する。まず、本発明の静電容量型センサの構成について詳しく説明し、次に、実施形態例を説明する。
【００３１】
〈静電容量型センサの構成〉
本発明の静電容量型センサは、エラストマー製の誘電膜と、該誘電膜を介して配置されている一対の電極と、を備えてなる。誘電膜を構成するエラストマーは、ゴムおよび熱可塑性エラストマーから適宜選択することができる。エラストマーは、特に限定されるものではないが、比誘電率が高いものが望ましい。具体的には、常温における比誘電率が３以上、さらには５以上のものが望ましい。例えば、エステル基、カルボキシル基、水酸基、ハロゲン基、アミド基、スルホン基、ウレタン基、ニトリル基等の極性官能基を有するエラストマー、あるいは、これらの極性官能基を有する極性低分子量化合物を添加したエラストマーを採用すると好適である。エラストマーは架橋されていても、されていなくてもよい。好適なエラストマーとしては、例えばシリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、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、ウレタンゴム等が挙げられる。
【００３２】
誘電膜の膜厚は、特に限定されるものではないが、センサの小型化を図るという観点、および膜厚の逆数に比例するキャパシタンスを大きくして検出感度の向上を図るという観点から、１μｍ以上３０００μｍ以下とすることが望ましい。５０μｍ以上５００μｍ以下がより好適である。
【００３３】
一対の電極は、上記誘電膜を挟んで、該誘電膜の表面に各々配置されている。電極を構成するエラストマーは、誘電膜に使用するエラストマーと同じでもよく、異なっていてもよい。電極と誘電膜とが同じエラストマーから構成される場合には、誘電膜の変形に対する電極の追従性が向上する。また、誘電膜と電極との密着性も向上するため、繰り返し疲労を受けても誘電膜と電極との剥離が抑制され、信頼性が向上する。また、電極用のエラストマーは、導電性フィラーとの混合物（エラストマー組成物）を調製した場合に、パーコレーションカーブにおける臨界体積分率φｃが２５ｖｏｌ％以下となるものを用いることが望ましい。臨界体積分率φｃが２５ｖｏｌ％以下の場合には、導電性フィラーの配合量が比較的少なくても、導電性の高い電極を得ることができる。電極に好適なエラストマーとしては、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、アクリルゴム、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、ウレタンゴム等が挙げられる。
【００３４】
エラストマー中に配合されている導電性フィラーは、導電性を有する粒子であればよく、炭素材料や金属等の微粒子を用いればよい。これらのうち、一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いればよい。例えば、比較的安価で、導電パスの形成が容易であるという理由から、炭素材料を用いることが望ましい。炭素材料としては、粒子径が小さく凝集しやすいという理由から、例えば、ケッチェンブラック等の導電性に優れるカーボンブラックが好適である。
【００３５】
導電性フィラーの形状は、球状、針状、角柱状等、特に限定されるものではない。例えば、導電性フィラーのアスペクト比（短辺に対する長辺の比）は、１以上が望ましい。例えば、アスペクト比の比較的大きな針状の導電性フィラーを用いると、三次元的な導電ネットワークを形成しやすく、少量で高い導電性が実現できる。加えて、電極伸縮時の導電性変化を抑制することができる。
【００３６】
また、導電性フィラーを選択する際には、平均粒子径やエラストマーとの相溶性等を考慮するとよい。例えば、球状の導電性フィラーを採用した場合、導電性フィラーの平均粒子径（一次粒子）は、０．０１μｍ以上０．５μｍ以下であることが望ましい。０．０１μｍ未満の場合には、凝集性が高く、塗料を調製した場合に均一に分散させることが難しい。好ましくは０．０３μｍ以上である。反対に、０．５μｍを超えると、凝集体（二次粒子）を形成しにくくなる。好ましくは０．１μｍ以下である。なお、導電性フィラーとエラストマーとの組み合わせや、導電性フィラーの平均粒子径等を適宜調整することで、パーコレーションカーブにおける臨界体積分率（φｃ）を、所望の範囲内に調整することができる。
【００３７】
所望の導電性を発現させるため、導電性フィラーは、パーコレーションカーブにおける臨界体積分率（φｃ）以上の割合で配合されていることが望ましい。但し、電極の伸縮性を確保するという観点から、比較的少量の導電性フィラーを配合して、高い導電性を発現できることが望ましい。例えば、導電性フィラーの充填率は、電極の体積を１００ｖｏｌ％とした場合の２５ｖｏｌ％以下であることが望ましい。１５ｖｏｌ％以下であるとより好適である。一方、導電性フィラーの充填率が３０ｖｏｌ％を超えると、エラストマーへの混合が困難となり、成形加工性が低下する。加えて、電極の伸縮性が低下する。このため、３０ｖｏｌ％以下であることが望ましい。
【００３８】
電極の膜厚は、特に限定されるものではないが、誘電膜に対する追従性を考慮し、センサの小型化を図るという観点から、１μｍ以上１００μｍ以下であることが望ましい。また、誘電膜の変形に対する追従性を高めるため、電極のヤング率を、０．１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下とすることが望ましい。同様に、引張り試験（ＪＩＳ  Ｋ６２５１）における切断時伸びは、２００％以上であることが望ましい。
【００３９】
また、電極の電気抵抗は、厚さ方向および面方向において、１００ｋΩ以下であることが望ましく、１０ｋΩ以下であるとより好適である。ここで、電極は、伸縮しても導電性の変化が小さい。例えば、電極を一方向に伸張し、端子間距離を１００％引き伸ばした時の端子間抵抗（Ｒ１）が、伸張前の端子間抵抗（Ｒ０）に対して１０倍以下（Ｒ１／Ｒ０≦１０）であれば、「伸縮しても導電性の変化が小さい」ということができる。
【００４０】
電極には、上記エラストマー、導電性フィラーに加え、各種添加剤が配合されていてもよい。添加剤としては、例えば、架橋剤、加硫促進剤、加工助剤、老化防止剤、可塑剤、軟化剤、着色剤等が挙げられる。
【００４１】
また、本発明の静電容量型センサにおいて、曲げ変形を検出するためには、一対の電極の少なくとも一方の表面に、該表面の弾性変形を拘束する拘束部材を配置することが望ましい。拘束部材は、絶縁性を有し、弾性変形可能なものであれば特に限定されるものではない。例えば、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂フィルム等を用いることができる。
【００４２】
また、上記誘電膜と上記一対の電極とからセンサ素子を構成し、該センサ素子を弾性的に曲げ変形可能な板状の基準部材の両側に各々配置して、本発明の静電容量型センサを構成してもよい。基準部材は、絶縁性を有し、弾性的に曲げ変形可能なものであれば特に限定されるものではない。例えば、上記拘束部材と同様に、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の樹脂フィルムや樹脂板を用いることができる。また、一対のセンサ素子の各々の表面には、さらに該表面の弾性変形を拘束する拘束部材を配置することが望ましい。拘束部材については上述した通りである。
【００４３】
本発明の静電容量型センサは、例えば、以下のようにして製造することができる。まず、誘電膜用のエラストマーに、加工助剤、加硫促進剤等の添加剤を添加して混練りし、エラストマー組成物とする。その後、エラストマー組成物をシート状に成形し、それを金型に充填し、所定の条件下で架橋させて誘電膜を作製する。次に、電極用のエラストマー、導電性フィラー、および加硫促進剤等の添加剤を、溶剤中にて分散、混合して塗料とした後、該塗料を薄膜状に成形して、未加硫の電極を作製する。次に、作製した誘電膜の一対の表面に、未加硫の電極を配置して、所定の条件下でプレスして加硫接着する。ここで、誘電膜と電極とは、互いの粘着力（タック）により接着するだけでもよい。しかし、誘電膜と電極とを加硫接着すると、両者の密着力が向上し、より耐久性が向上する。また、基準部材、拘束部材を配置する場合には、接着剤等により電極表面に接着すればよい。
【００４４】
〈実施形態〉
以下、本発明の静電容量型センサの実施形態例を説明する。なお、本発明の静電容量型センサの実施形態は、本実施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が可能である。
【００４５】
（１）第一実施形態
まず、第一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、静電容量型センサの斜視図を示す。図３に、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図を示す。図２、図３に示すように、静電容量型センサ１は、誘電膜２と一対の電極３ａ、３ｂと拘束部材４とを備えている。
【００４６】
誘電膜２は、アクリルゴム製であって、左右方向に延びる帯状を呈している。誘電膜２の膜厚ｄは、約２００μｍである。誘電膜２は、後述する拘束部材４の上面に、電極３ｂを介して配置されている。
【００４７】
一対の電極３ａ、３ｂは、左右方向に延びる帯状を呈している。電極３ａ、３ｂのうち、電極３ａは誘電膜２の上面に配置されている。電極３ｂは誘電膜２の下面に配置されている。電極３ａ、３ｂは、いずれも誘電膜２と加硫接着されている。電極３ａ、３ｂには、導線（図略）が接続されている。電極３ａ、３ｂは、アクリルゴム中に、ケッチェンブラック（平均粒子径約４０ｎｍ）が配合されたエラストマー複合材料からなる。電極３ａ、３ｂにおけるケッチェンブラックの充填率は、電極３ａ、３ｂの体積を各々１００ｖｏｌ％とした場合の約１５ｖｏｌ％である。また、アクリルゴムにケッチェンブラックを混合したエラストマー組成物のパーコレーションカーブにおいて、臨界体積分率（φｃ）は約４ｖｏｌ％、飽和体積分率（φｓ）は約１５ｖｏｌ％である。
【００４８】
拘束部材４は、ポリイミド製であって、左右方向に延びる帯状を呈している。拘束部材４は、電極３ｂの下面に接着剤により固定されている。
【００４９】
次に、静電容量型センサ１が上方に曲げ変形した場合、つまり下方に開口するＣ字状に曲げ変形した場合における静電容量型センサ１の動きについて説明する。図４に、曲げ変形時における静電容量型センサの断面図（前出図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面に相当）を示す。
【００５０】
図４に示すように、静電容量型センサ１が上方に曲げ変形すると、誘電膜２、一対の電極３ａ、３ｂ、拘束部材４は一体となって、下方に開口するＣ字状に湾曲する。これにより、誘電膜２は上下方向から圧縮され、膜厚ｄは小さくなる。その結果、電極３ａ、３ｂ間のキャパシタンスは大きくなる。このキャパシタンス変化により、曲げ変形が検出される。
【００５１】
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。本実施形態の静電容量型センサ１が曲げ変形すると、キャパシタンスが大きくなる。このキャパシタンス変化により、曲げ変形を容易に検出することができる。また、静電容量型センサ１は、誘電膜２および電極３ａ、３ｂをエラストマー（アクリルゴム）から構成しているため、柔軟であり加工性に優れている。このため、配置場所の自由度が高い。また、柔軟であるため、変形量が大きい場合にも対応することができ、検出レンジが大きい。さらに、一対の電極３ａ、３ｂ間に、比誘電率の高いアクリルゴム製の誘電膜２を配置しているため、単に一対の電極３ａ、３ｂを空隙を介して対向配置したものと比較して、キャパシタンスが大きく、検出感度が高い。また、一対の電極３ａ、３ｂは伸縮可能であり、曲げ変形した場合でも誘電膜２の変形に追従して変形することができる。よって、繰り返し使用しても、一対の電極３ａ、３ｂと誘電膜２とが剥離しにくく、耐久性に優れる。また、電極３ｂの下面に拘束部材４が配置されているため、電極３ｂおよび誘電膜２の下面の弾性変形が規制される。これにより、曲げ変形時における膜厚ｄ、すなわち電極３ａ、３ｂ間の距離の変化が大きくなる。このため、より曲げ変形を検出しやすい。
【００５２】
（２）第二実施形態 
まず、第二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５に、本実施形態の静電容量型センサの断面図を示す。図５に示すように、静電容量型センサ１は、一対のセンサ素子２０ａ、２０ｂと基準部材４０と拘束部材４１ａ、４１ｂとを備えている。
【００５３】
基準部材４０は、ポリイミド製であって、左右方向に延びる帯状を呈している。基準部材４０の上方にはセンサ素子２０ａが、下方にはセンサ素子２０ｂが、各々配置されている。
【００５４】
一対のセンサ素子２０ａ、２０ｂは、各々、誘電膜２と一対の電極３ａ、３ｂとからなる。誘電膜２および一対の電極３ａ、３ｂについては、第一実施形態と同じであるため説明を省略する。センサ素子２０ａは、電極３ｂが基準部材４０の上面と接するように配置されている。センサ素子２０ａの電極３ｂと基準部材４０の上面とは接着剤により固定されている。センサ素子２０ｂは、電極３ａが基準部材４０の下面と接するように配置されている。センサ素子２０ｂの電極３ａと基準部材４０の下面とは接着剤により固定されている。
【００５５】
拘束部材４１ａ、４１ｂは、各々、ポリイミド製であって、左右方向に延びる帯状を呈している。拘束部材４１ａは、センサ素子２０ａの電極３ａの上面に接着剤により固定されている。同様に、拘束部材４１ｂは、センサ素子２０ｂの電極３ｂの下面に接着剤により固定されている。
【００５６】
次に、静電容量型センサ１が曲げ変形した場合における静電容量型センサ１の動きについて説明する。図６に、曲げ変形時における静電容量型センサの断面図を示す。（ａ）は上方向（＋）の曲げ変形を、（ｂ）は下方向（−）の曲げ変形を示す。図６（ａ）に示すように、静電容量型センサ１が、基準部材４０の断面における膜厚方向（上下方向）の中央が応力に対する中立軸４２となるように上方に曲げ変形すると、基準部材４０、センサ素子２０ａ、２０ｂ、拘束部材４１ａ、４１ｂは一体となって、下方に開口するＣ字状に湾曲する。中立軸４２を含む基準部材４０の水平面には、圧縮応力および引張応力のいずれも作用しない。ここで、センサ素子２０ａは、上下方向から圧縮される。このため、誘電膜２の膜厚は小さくなり、電極３ａ、３ｂ間のキャパシタンスは大きくなる。一方、センサ素子２０ｂには、引張り応力が加わる。このため、誘電膜２の膜厚は大きくなり、電極３ａ、３ｂ間のキャパシタンスは小さくなる。
【００５７】
また、図６（ｂ）に示すように、静電容量型センサ１が、基準部材４０の断面における膜厚方向（上下方向）の中央が応力に対する中立軸４２となるように下方に曲げ変形すると、基準部材４０、センサ素子２０ａ、２０ｂ、拘束部材４１ａ、４１ｂは一体となって、上方に開口するＣ字状に湾曲する。上記同様に、中立軸４２を含む基準部材４０の水平面には、圧縮応力および引張応力のいずれも作用しない。ここで、センサ素子２０ａには、引張り応力が加わる。このため、誘電膜２の膜厚は大きくなり、電極３ａ、３ｂ間のキャパシタンスは小さくなる。一方、センサ素子２０ｂは、上下方向から圧縮される。このため、誘電膜２の膜厚は小さくなり、電極３ａ、３ｂ間のキャパシタンスは大きくなる。表１に、曲げ変形時における、センサ素子２０ａ、２０ｂの各誘電膜２の膜厚変化（増：＋、減：−）をまとめて示す。
【表１】
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【００５８】
表１に示すように、基準部材４０の上下両側では（上側：センサ素子２０ａ、下側：センサ素子２０ｂ）、曲げ変形に対する誘電膜２の膜厚の増減は逆になっている。つまり、センサ素子２０ａ、２０ｂは、基準部材４０に対して対称の関係にある。ここで、曲げ変形時におけるセンサ素子２０ａのキャパシタンス変化をΔＣａ、センサ素子２０ｂのキャパシタンス変化をΔＣｂとすれば、センサ素子２０ａ、２０ｂの各々の静電容量変化が小さい場合でも、「ΔＣａ−ΔＣｂ」の値に基づいて曲げ変形を確実に検出することができる。
【００５９】
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。本実施形態の静電容量型センサ１は、第一実施形態の静電容量型センサと共通する部分については、第一実施形態の静電容量型センサと同様の作用効果を奏する。また、本実施形態の静電容量型センサ１によると、センサ素子２０ａにおける静電容量変化（ΔＣａ）と、センサ素子２０ｂにおける静電容量変化（ΔＣｂ）と、の差に基づいて曲げ変形を検出することにより、検出感度を向上させることができる。したがって、本実施形態の静電容量型センサ１は、高感度であって、誤動作、誤判定が少ない。また、センサ素子２０ａ、２０ｂの表面には、拘束部材４１ａ、４１ｂが各々配置されている。このため、曲げ変形時の誘電膜２の膜厚変化がより大きくなり、曲げ変形を検出しやすい。
【００６０】
なお、本実施形態では、拘束部材４１ａ、４１ｂを配置したが、拘束部材４１ａ、４１ｂを配置しない態様でもよい。この場合、基準部材４０、センサ素子２０ａ、２０ｂの全体を覆うように、絶縁体からなるカバーフィルムを配置してもよい。外部に表出した電極３ａ、３ｂをカバーフィルムで被覆することで、静電容量型センサ１の表面を絶縁体にすることができると共に、耐候性の向上等に効果的である。カバーフィルムとしては、弾性変形可能な柔軟なエラストマー薄膜等が好適である。また、拘束部材４１ａ、４１ｂを配置する場合、基準部材４０と、拘束部材４１ａ、４１ｂとの材質、厚さ等は、同じであっても異なっていてもよい。
【実施例】
【００６１】
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。上記第一実施形態の静電容量型センサ１（前出図２、図３参照）を用い、種々の変形に対する応答性を評価した。なお、静電容量型センサ１は、次のように作製した。まず、誘電膜を作製した。すなわち、アクリルゴム（日本ゼオン社製「ニポール（登録商標）ＡＲ５１」）１００重量部（以下「部」と略称する）と、加工助剤のステアリン酸（花王社製「ルナック（登録商標）Ｓ３０」）１部と、加硫促進剤のジメチルカルバミン酸亜鉛（大内新興化学社製「ノクセラー（登録商標）ＰＺ」）２．５部、およびジメチルカルバミン酸鉄（大内新興化学社製「ノクセラーＴＴＦＥ」）０．５部と、をロール練り機にて混合し、分散させ、エラストマー組成物を調製した。調製したエラストマー組成物を薄いシート状に成形した後、金型に充填し、１７０℃で約３０分間プレス架橋することにより、薄膜状の誘電膜を得た。
【００６２】
次に、未加硫の電極を作製した。すなわち、アクリルゴム（同上）１００部をメチルエチルケトン（ＭＥＫ）に溶解させたものに、導電性フィラーとしてケッチェンブラック（ライオン社製「ケッチェン６００ＪＤ」、平均粒子径約４０ｎｍ）２０部と、加硫促進剤のジメチルカルバミン酸亜鉛（同上）２．５部、およびジメチルカルバミン酸鉄（同上）０．５部と、を添加して、ダイノミルにて混合し、分散させて塗料とした。この塗料をバーコート法により薄膜状に成形し、未加硫の電極を得た。そして、作製した誘電膜の一対の表面に、未加硫の電極を配置して、１７０℃で約３０分間プレスすることにより加硫接着させた。
【００６３】
（１）曲げ変形に対する応答性
上記静電容量型センサ１を曲げ変形させて、変形量に対するキャパシタンス変化を測定した。本実験において「変形量」とは、図７に示すように、左右方向における初期長さＬ０と曲げ変形時の長さとの差（Ｌ１）である。図８に、変形量の違いよる周波数に対するキャパシタンス変化を示す。図８中、縦軸の「Ｅ−１０」は「１０−１０」を意味する（以下の図においても同じ）。よって、例えば「３．０Ｅ−１０」は「３．０×１０−１０」を示す。図８に示すように、１０〜１０００Ｈｚのいずれの周波数においても、変形量の増加と共にキャパシタンスは大きくなった。また、図９に、変形量に対する、キャパシタンスおよび膜厚（電極間距離）の変化を示す。なお、図９中の膜厚は、キャパシタンス変化を、誘電膜の均一な膜厚変化に基づくと仮定して、上記式（Ｉ）「Ｃ＝ε０εｒＳ／ｄ」から算出した計算値である。図９より、変形量が増加するとともに、膜厚は小さくなる一方、キャパシタンスは大きくなることがわかる。
【００６４】
以上より、本発明の静電容量型センサによると、曲げ変形を検出することができることが確認された。また、繰り返し曲げ変形させても、電極は誘電膜に追従して伸縮し、誘電膜と電極との剥離は生じなかった。これより、本発明の静電容量型センサは耐久性に優れることが確認された。
【００６５】
（２）圧縮変形に対する応答性
誘電膜の厚さを約２．５ｍｍに変更した以外は、上記静電容量型センサ１と同様に構成した静電容量型センサを用いて、圧縮変形時の膜厚（電極間距離）に対するキャパシタンス変化を測定した。本実験では、誘電膜の膜厚が面全体で均一に小さくなるよう、上方から圧縮した。圧縮量が大きいほど、膜厚は小さくなる。図１０に、圧縮量の違いよる周波数に対するキャパシタンス変化を示す。図１０に示すように、１０００〜１００００Ｈｚのいずれの周波数においても、圧縮量の増加と共にキャパシタンスは大きくなった。また、図１１に、膜厚の逆数（１／ｄ）とキャパシタンスとの関係を示す。図１１に示すように、膜厚の逆数（１／ｄ）とキャパシタンスとの間には線形性が成り立つ。つまり、圧縮量が０〜２６％程度の広い範囲で、上記式（Ｉ）「Ｃ＝ε０εｒＳ／ｄ」が成立していることがわかる。以上より、本発明の静電容量型センサによると、圧縮変形および圧縮量を検出することができることが確認された。
【００６６】
（３）衝突センサとしての応答性
上記静電容量型センサ１を、バンパカバーの裏面に取り付けて、バンパカバー表面からの衝撃に対する応答性を評価した。静電容量型センサ１は、拘束部材４側をバンパカバーの裏面に接着させて取り付けた。また、静電容量型センサ１の長手方向中央付近には、加速度センサを配置した。ハンマーでバンパカバーの表面を叩いて衝撃を加え、その時のインピーダンスおよび加速度を測定した。結果を図１２に示す。図１２には、インピーダンス変化の一次微分の値も併せて示す。
【００６７】
図１２に示すように、ハンマーの衝撃に対して、インピーダンスは速やかに低下した。すなわち、衝撃に対する応答遅れはほとんどなく、本発明の静電容量型センサの応答性は高い。よって、本発明の静電容量型センサは、応答性の速さという点からも車両の衝突検出において有用である。
【００６８】
（４）自己温度補償機能
上記静電容量型センサ１について、３０℃、５０℃、８０℃、１００℃の各温度下でインピーダンスを測定し、インピーダンスの温度依存性を調査した。結果を図１３に示す。図１３に示すように、低周波数領域では温度の上昇と共にインピーダンスが低下した。この理由は、次のように考えられる。
【００６９】
図１４に示すように、静電容量型センサ１を直流抵抗（Ｒ）とキャパシタンス（Ｃ）との並列回路とみなした場合、インピーダンス（Ｚ）は、式（ＩＩ）のように表すことができる。高周波数領域では、インピーダンスが周波数に応じて変化することからもわかるように、キャパシタンスに基づく項（ωＣ）がインピーダンスに対して支配的であり、直流抵抗Ｒの影響はほとんどない。一方、低周波数領域では、温度上昇に伴ってインピーダンスが低下すると共に、インピーダンスが一定値を示す周波数領域が拡大する。すなわち、周波数依存性のない直流抵抗Ｒの項がインピーダンスに対して支配的な要因であることを示しており、インピーダンスの低下は直流抵抗Ｒの低下を意味している。したがって、温度上昇によって直流抵抗Ｒが減少したため、低周波数領域のインピーダンスが低下したと考えられる。
【００７０】
ここで、図１３の回帰分析により、Ｒ、Ｃを求めた結果を図１５に示す。図１５に示すように、低周波数領域では温度とＲとの比例関係が得られる。したがって、低周波数領域における温度とＲとの関係を把握しておけば、高温下におけるエラストマー（誘電膜）の熱膨張による膜厚の増加に伴うキャパシタンスＣの減少を補正することができる。すなわち、本発明の静電容量型センサによると、自己温度補償機能を利用して、使用環境の温度に依存することなく、変形を正確に検出することができる。
【００７１】
（５）曲げ方向の判別
上記静電容量型センサ１を、長手方向が上下方向になるよう配置した。そして、拘束部材４に対して左右方向に曲げ変形させて、撓み量に対するキャパシタンス変化を測定した。図１６に、本実験の模式図を示す。図１６に示すように、静電容量型センサ１を、初期状態（変形前：長さＬ０）から左方向、右方向にそれぞれ曲げ変形させた。ここで、左方向への曲げ変形を凹曲げ、右方向への曲げ変形を凸曲げと各々定義した。また、撓み量Ｌ２を、図１７に示すように、式（ａ）〜（ｅ）から算出した。すなわち、初期長さＬ０の静電容量型センサ１が曲げ変形により湾曲した状態を、半径ｒの円の一部（円弧Ｌ０、円周角２θ）とみなすと、式（ｄ）、式（ｅ）が導かれる。ここで、実験により得られたＬ０、Ｌ１の測定値を式（ｅ）に代入してθの値を算出し、求めたθの値を式（ｄ）に代入して、撓み量Ｌ２を算出した。
【００７２】
図１８に、撓み量に対するキャパシタンス変化（１／Ｃ）を示す。図１８中、凸曲げにおける撓み量を正の値で、凹曲げにおける撓み量を負の値で示す。図１８に示すように、曲げ方向が左右反対になると、撓み量に対するキャパシタンスの変化挙動が反対になった。例えば、凸曲げの場合には、誘電膜２に対して圧縮応力が加わるため、撓み量の増加と共に電極間距離が小さくなり、キャパシタンス（Ｃ）が大きくなったと考えられる。一方、凹曲げの場合には、誘電膜２に対して引張り応力が加わるため、撓み量の増加と共に膜厚（電極間距離）が大きくなり、キャパシタンス（Ｃ）が小さくなったと考えられる。このように、本発明の静電容量型センサによると、キャパシタンスの変化挙動に基づいて曲げ変形の方向および大きさを判別することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の静電容量型センサは、人工皮膚等のソフトな面圧センサ、人の動きを検出するモーションキャプチャ、キーボード等の情報入力デバイスをはじめ、着座センサ、車両の衝突検知センサ、ベッド用面圧分布センサ等、様々な用途に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】エラストマー組成物におけるパーコレーションカーブの模式図である。
【図２】本発明の第一実施形態の静電容量型センサの斜視図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図４】同静電容量型センサの曲げ変形時の断面図である（図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面に相当）。
【図５】本発明の第二実施形態の静電容量型センサの断面図である。
【図６】同静電容量型センサの曲げ変形時の断面図であって、（ａ）は上方向（＋）の曲げ変形を、（ｂ）は下方向（−）の曲げ変形を示す。
【図７】曲げ変形における変形量Ｌ１の説明図である。
【図８】曲げ変形における周波数に対するキャパシタンス変化を示すグラフである。
【図９】変形量に対する、キャパシタンスおよび膜厚（電極間距離）の変化を示すグラフである。
【図１０】圧縮変形における周波数に対するキャパシタンス変化を示すグラフである。
【図１１】膜厚の逆数（１／ｄ）とキャパシタンスとの関係を示すグラフである。
【図１２】衝撃に対するインピーダンス、加速度の経時変化を示すグラフである。
【図１３】インピーダンスの温度依存性を示すグラフである。
【図１４】静電容量型センサ１の等価回路、およびインピーダンス（Ｚ）の計算式を示す。
【図１５】低周波数領域における温度に対するＲ、Ｃの計算結果を示すグラフである。
【図１６】曲げ方向判別実験の模式図である。
【図１７】同実験における撓み量Ｌ２の説明図である。
【図１８】撓み量に対するキャパシタンス変化（１／Ｃ）を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７５】
１：静電容量型センサ  ２：誘電膜  ２０ａ、２０ｂ：センサ素子  ３ａ、３ｂ：電極
４：拘束部材  ４０：基準部材  ４１ａ、４１ｂ：拘束部材  ４２：中立軸
１０１：エラストマー  １０２：導電性フィラー  Ｐ１：導電パス
Ｌ１：変形量  Ｌ２：撓み量
【図１】
0005496446.tif 000003
【図２】
0005496446.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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