(57)【要約】【課題】  小荷重領域を含む所定の圧力範囲において、感度および分解能が高い静電容量型センサを提供する。【解決手段】  静電容量型センサ１は、誘電層２０と、誘電層２０を厚さ方向に挟んで配置され各々に電極層０１Ｘ〜０８Ｘ、０１Ｙ〜０８Ｙを有する一対の電極ユニット３０、４０と、を備え、電極層０１Ｘ〜０８Ｘ、０１Ｙ〜０８Ｙが誘電層２０を介して対向する部分に感圧部Ｄが設定される。静電容量型センサ１において、誘電層２０は、発泡体シート２１と、発泡体シート２１に積層されエラストマーのソリッド体からなるソリッド体シート２２と、を有し、ソリッド体シート２２は、平板部２３と、平板部２３における発泡体シート２１側の表面に配置される複数の突部２４と、を有する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電層と、該誘電層を厚さ方向に挟んで配置され各々に電極層を有する一対の電極ユニットと、を備え、該電極層が該誘電層を介して対向する部分に感圧部が設定される静電容量型センサであって、
該誘電層は、発泡体シートと、該発泡体シートに積層されエラストマーのソリッド体からなるソリッド体シートと、を有し、
該ソリッド体シートは、平板部と、該平板部における該発泡体シート側の表面に配置される複数の突部と、を有することを特徴とする静電容量型センサ。
【請求項２】
前記発泡体シートの１０％圧縮応力は２６６６．４４Ｐａより小さく、該発泡体シートの４０％圧縮応力は５９９９．４９Ｐａより小さく、前記ソリッド体シートにおいて前記平板部の面積を１００％とした場合の前記突部の面積割合は６．２５％より大きく７５％より小さい請求項１に記載の静電容量型センサ。
【請求項３】
前記ソリッド体シートの前記突部の硬さは、前記発泡体シートの硬さよりも大きい請求項１または請求項２に記載の静電容量型センサ。
【請求項４】
前記発泡体シートの厚さは１ｍｍ以下であり、前記ソリッド体シートの前記突部の高さは３０μｍ以上である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の静電容量型センサ。
【請求項５】
前記誘電層は、樹脂製の基材シートを有し、
該基材シートは、前記発泡体シートの前記ソリッド体シートとは反対側に積層され、該発泡体シートを支持する請求項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】
前記発泡体シートは、ウレタンフォームからなる請求項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】
前記ソリッド体シートの前記突部は、シリコーンゴムからなる請求項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】
複数の前記突部は、前記平板部の表面に互いに離間して平行に配置される複数の突条である請求項１ないし請求項７のいずれか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、例えば、荷重分布センサやタッチセンサなどとして用いられる静電容量型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
静電容量型センサは、誘電層とそれを挟んで配置される一対の電極層とを備え、電極層間距離の変化に伴う静電容量の変化を利用して荷重を検出する。誘電層としては、樹脂、エラストマー、これらの発泡体などが用いられる。小さな荷重を検出するためには、小荷重でも電極層間距離、すなわち誘電層の厚さの変化が大きいことが望ましい。しかし、従来の誘電層によると、小荷重領域における厚さの変位量が小さいため、静電容量の変化が小さく、小荷重を正確に検出することができなかった。
【０００３】
小荷重を検出しやすくした静電容量型センサとして、特許文献１には、複数の貫通孔を有する発泡体製の誘電層を備えるセンサが開示されている。特許文献２には、非発泡体からなる柱部と空間部とを有する誘電層を備えるセンサが開示されている。特許文献３には、所定の圧力−ひずみ曲線を満足する誘電層を備え、０ＭＰａより大きく０．０１５ＭＰａ以下の圧力範囲において、感度が７．５×１０−１１Ｆ／ＭＰａ以上７．５×１０−１０Ｆ／ＭＰａ以下である静電容量型センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１７３１００号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２３９５３号公報
【特許文献３】国際公開第２０１７／０５７５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されているように、誘電層に貫通孔を形成すると、誘電層の厚さ方向のばね定数が小さくなる（誘電層が柔らかくなる）ため、小荷重でも誘電層が変形しやすくなり、小荷重を検出しやすくなる。しかしながら、誘電層が柔らかいため、ある荷重以上になると誘電層が潰れきってしまい、それ以上の荷重を検出することができない。また、発泡体はへたりやすいため、繰り返し使用した場合に出力や感度にばらつきを生じやすい。
【０００６】
特許文献２に記載されているように、柱部と空間部とで誘電層を構成すると、空間部が存在する分だけ、誘電層全体の厚さ方向のばね定数を小さくすることができる。しかしながら、柱部自体は非発泡体（ソリッド体）からなるため、荷重が小さい領域においては変形しにくく、小荷重の検出には充分とはいえない。
【０００７】
小さな荷重をノイズに埋もれることなく測定するためには、センサの感度が０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇ（１ｍｍＨｇ＝１３３．３２２Ｐａとして換算すると２．２５×１０−１０Ｆ／ＭＰａ。以下、本明細書においては同様に換算する。）以上であるとよい。この点、特許文献３に記載されている静電容量型センサの感度は、小荷重領域を含む圧力範囲において、７．５×１０−１１Ｆ／ＭＰａ以上７．５×１０−１０Ｆ／ＭＰａ以下である。よって、特許文献３に記載されている静電容量型センサは、小荷重の測定に充分な感度を有しているようにみえる。例えば、静電容量型センサを寝具に配置して、寝ている人の体圧分布を測定する場合、首や二の腕などの体圧変化が小さい部分についても正確に測定できることが望まれる。このためには、１０ｍｍＨｇ（１３３３．２２Ｐａ）程度の小さな圧力差を測定できるようにする必要がある。しかし、特許文献３に記載されている静電容量型センサの感度は、大小二つの荷重（圧力）をセンサに加えた時に検出された静電容量の変化量から算出されるにすぎないため（静電容量の変化量／圧力の変化量）、１０ｍｍＨｇ刻みで圧力を変化させた場合、感度が０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇを下回ってしまう場合があることがわかった。すなわち、特許文献３に記載されている静電容量型センサによると、分解能がそれほど高くないため、小さな荷重の変化を見逃してしまうおそれがある。
【０００８】
特許文献３の第一実施形態には、シリコーンゴムのソリッド体からなり、平板部と多数の突起部とを有する誘電層が記載されている（特許文献３の図３参照）。第二実施形態には、二つの誘電層を面方向に９０°回転させた状態で積層した積層誘電層が記載されている（特許文献３の図５参照）。二つの誘電層は、いずれもシリコーンゴムのソリッド体からなり、平板部と多数の突条とを有している。積層誘電層を上側から見ると、突条は井桁状に配置されている。このように、特許文献３に記載されている静電容量型センサにおいては、誘電層の形状を工夫しているが、使用している材料は一種類である。すなわち、誘電層の材質は、平板部と突起部などで同じである。この場合、材質に起因した以下の問題が生じる。すなわち、ソリッド体は比較的硬いため、荷重が小さい領域においては変形しにくい。これにより、感度が低下するおそれがある。一方、発泡体は比較的柔らかいが、へたりやすく（耐久性が低く）、ある荷重以上になると潰れきってしまう。
【０００９】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、小荷重領域を含む所定の圧力範囲において、感度および分解能が高い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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の静電容量型センサは、誘電層と、該誘電層を厚さ方向に挟んで配置され各々に電極層を有する一対の電極ユニットと、を備え、該電極層が該誘電層を介して対向する部分に感圧部が設定される静電容量型センサであって、該誘電層は、発泡体シートと、該発泡体シートに積層されエラストマーのソリッド体からなるソリッド体シートと、を有し、該ソリッド体シートは、平板部と、該平板部における該発泡体シート側の表面に配置される複数の突部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の静電容量型センサの誘電層は、発泡体シートとソリッド体シートとを有する。ソリッド体シートは、平板部と発泡体シート側に突設される複数の突部とを有する。荷重が加わっていない無荷重状態において、複数の突部は、発泡体シートに接触していてもしていなくてもよいが、少しでも荷重が加われば突部は速やかに発泡体シートに接触する。なお、突部と発泡体シートとの接触は、直接的でも他の部材を介して間接的でも構わない。
【００１２】
誘電層を、発泡体とソリッド体（非発泡体）という材質の異なるシートから構成することにより、個々の材料が有する欠点を補い、利点を生かして、優れた効果を発揮することができる。すなわち、低圧領域（小荷重領域）においては、まず、ソリッド体シートの複数の突部が発泡体シートに接触する。突部と発泡体シートとの接触状態は、突部の形状に応じて、点接触または線接触になる。これにより、シート同士が面接触する場合と比較して、突部の接触部分に荷重が集中されるため、発泡体シート単体では変形しないような微小な荷重であっても、発泡体シートを変形させることができる。これにより、感度が向上し、小荷重を精度良く測定することができる。荷重が大きくなるにつれて、複数の突部は発泡体シートに埋もれていく。この状態においては、ソリッド体シートの平板部と発泡体シートとの間の空間が小さくなることにより、誘電層の比誘電率が大きくなり、静電容量が大きくなる。これにより、感度が向上し、小〜中荷重を精度良く測定することができる。さらに荷重が大きくなると、複数の突部は発泡体シートに埋入する。これ以降は、ソリッド体シートの平板部と共に発泡体シート自体が変形することにより、大荷重を精度良く測定することができる。
【００１３】
以上説明したように、本発明の静電容量型センサによると、誘電層を構成する各シートの材質、厚さなどに応じて、小荷重から大荷重に至るまでの比較的広範囲の荷重を、高感度で測定することができる。また、材質および形状が異なる二種類のシートを組み合わせて誘電層とすることにより、微小な圧力変化もきめ細やかに測定することが可能になる。すなわち、静電容量型センサの分解能を向上させることができる。本発明の静電容量型センサによると、例えば０ｍｍＨｇ（０ＭＰａ）より大きく１８０ｍｍＨｇ（２３９９７．９６Ｐａ＝約０．０２４ＭＰａ）以下の圧力範囲において、１０ｍｍＨｇ（１３３３．２２Ｐａ）ごとの感度を、０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇ（２．２５×１０−１０Ｆ／ＭＰａ）以上に維持することができる。また、発泡体のみを用いた場合と比較して、誘電層がへたりにくい。このため、耐久性が向上し、繰り返し使用しても出力や感度にばらつきが生じにくい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第一実施形態の静電容量型センサの透過上面図である。
【図２】同静電容量型センサの斜視分解図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図４】第二実施形態の静電容量型センサの誘電層におけるソリッド体シートの斜視図である。
【図５】比較例１の誘電層の斜視分解図である。
【図６】比較例２の誘電層の斜視分解図である。
【図７】実施例１の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果を示すグラフである。
【図８】比較例１の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果を示すグラフである。
【図９】比較例３の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果を示すグラフである。
【図１０】参考例１の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果を示すグラフである。
【図１１】参考例２の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果を示すグラフである。
【図１２】参考例３の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果を示すグラフである。
【図１３】参考例４の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果を示すグラフである。
【図１４】参考例５の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果を示すグラフである。
【図１５】参考例６の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の静電容量型センサの実施の形態について説明する。以下の図においては、上下方向が本発明の誘電層の厚さ方向に対応している。
【００１６】
＜第一実施形態＞
［静電容量型センサの構成］
まず、本実施形態の静電容量型センサの構成について説明する。図１に、本実施形態の静電容量型センサの透過上面図を示す。図２に、同静電容量型センサの斜視分解図を示す。図３に、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図を示す。なお、説明の便宜上、図２、図３においては、ソリッド体シートの突条を誇張して示している。
【００１７】
図１、図２に示すように、静電容量型センサ１は、誘電層２０と、第一電極ユニット３０と、第二電極ユニット４０と、コネクタ１０と、を備えている。誘電層２０は、発泡体シート２１と、ソリッド体シート２２と、基材シート２１０と、を有している。
【００１８】
発泡体シート２１は、ウレタンフォーム（ウレタンゴムの発泡体）からなる。発泡体シート２１は、厚さ０．９５ｍｍの矩形シート状を呈している。発泡体シート２１の１０％圧縮応力は１８００Ｐａであり、４０％圧縮応力は４２００Ｐａである。発泡体シート２１のタイプＡデュロメータ硬さを、ＪＩＳ  Ｋ６２５３−３：２０１２に規定される方法で測定したところ、測定限界の下限値に満たず測定することができなかった。基材シート２１０は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製であり、厚さ０．０５ｍｍの矩形シート状を呈している。基材シート２１０は、厚さを除いて発泡体シート２１と同じ大きさである。発泡体シート２１は、基材シート２１０に支持されている。
【００１９】
ソリッド体シート２２は、発泡体シート２１の上面に積層されている。ソリッド体シート２２は、平板部２３と複数の突条２４とを有している。平板部２３は、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）からなる。平板部２３は、厚さ０．２ｍｍの矩形シート状を呈している。平板部２３は、厚さを除いて発泡体シート２１と同じ大きさである。複数の突条２４は、平板部２３の下面（発泡体シート２１側の表面）に配置されている。複数の突条２４は、荷重が加わっていない無荷重状態において、発泡体シート２１に接触している。複数の突条２４は、シリコーンゴムからなる。熱可塑性ポリウレタンおよびシリコーンゴムは、「エラストマーのソリッド体」の概念に含まれる。複数の突条２４のタイプＡデュロメータ硬さは、いずれも２５である。すなわち、複数の突条２４の硬さは、発泡体シートの硬さよりも大きい。
【００２０】
複数の突条２４は、各々、断面矩形状の線状を呈しており、前後方向に延在している。複数の突条２４は、左右方向に所定の間隔で離間して互いに平行に配置されている。複数の突条２４の形状、大きさは全て同じである。複数の突条２４の高さは０．０８ｍｍ（８０μｍ）、幅は０．５ｍｍ、隣接する突条２４同士の間隔は１．５ｍｍである。複数の突条２４は、平板部２３の下面にスクリーン印刷されている。平板部２３の面積（下面全体の面積）を１００％とすると、複数の突条２４の面積割合は２５％である。突条２４は、本発明における「突部」の概念に含まれる。
【００２１】
第一電極ユニット３０は、誘電層２０の上側に配置されている。第一電極ユニット３０は、第一基材３１と、８本の第一電極層０１Ｘ〜０８Ｘと、８本の第一配線層０１ｘ〜０８ｘと、第一保護層３２と、を有している。
【００２２】
第一基材３１は、ＴＰＵ製であって、矩形シート状を呈している。第一基材３１の厚さは、０．２ｍｍである。第一基材３１の下面には、８本の第一電極層０１Ｘ〜０８Ｘおよび８本の第一配線層０１ｘ〜０８ｘが配置されている。第一保護層３２は、第一電極層０１Ｘ〜０８Ｘおよび第一配線層０１ｘ〜０８ｘを下側から被覆するように、第一基材３１の下面側に配置されている。第一保護層３２は、シリコーンゴム製であって、第一基材３１の大きさと同じ矩形シート状を呈している。第一保護層３２の厚さは０．０３ｍｍである。
【００２３】
８本の第一電極層０１Ｘ〜０８Ｘは、各々、アクリルゴムおよび導電性カーボンブラックを含んでいる。第一電極層０１Ｘ〜０８Ｘは、各々、幅２０ｍｍの帯状を呈している。第一電極層０１Ｘ〜０８Ｘは、各々、左右方向に延在している。第一電極層０１Ｘ〜０８Ｘは、前後方向に２ｍｍの間隔で離間して互いに平行に配置されている。
【００２４】
８本の第一配線層０１ｘ〜０８ｘは、各々、アクリルゴムおよび銀粉末を含んでいる。８本の第一配線層０１ｘ〜０８ｘは、各々、線状を呈しており、８本の第一電極層０１Ｘ〜０８Ｘと、コネクタ１０と、を電気的に接続している。コネクタ１０は、図示しない制御装置に電気的に接続されている。
【００２５】
第二電極ユニット４０は、誘電層２０の下側に配置されている。第二電極ユニット４０の構成は、第一電極ユニット３０の構成と同じである。すなわち、第二電極ユニット４０は、第二基材４１と、８本の第二電極層０１Ｙ〜０８Ｙと、８本の第二配線層０１ｙ〜０８ｙと、第二保護層４２と、を有している。
【００２６】
第二基材４１は、ＴＰＵ製であって、長方形のシート状を呈している。第二基材４１の厚さは、０．２ｍｍである。第二基材４１の上面には、８本の第二電極層０１Ｙ〜０８Ｙおよび８本の第二配線層０１ｙ〜０８ｙが配置されている。第二保護層４２は、第二電極層０１Ｙ〜０８Ｙおよび第二配線層０１ｙ〜０８ｙを上側から被覆するように、第二基材４１の上面側に配置されている。第二保護層４２は、シリコーンゴム製であって、第二基材４１の大きさと同じ矩形シート状を呈している。第二保護層４２の厚さは０．０３ｍｍである。
【００２７】
８本の第二電極層０１Ｙ〜０８Ｙは、各々、アクリルゴムおよび導電性カーボンブラックを含んでいる。第二電極層０１Ｙ〜０８Ｙは、各々、幅２０ｍｍの帯状を呈している。第二電極層０１Ｙ〜０８Ｙは、各々、前後方向に延在している。第二電極層０１Ｙ〜０８Ｙは、左右方向に２ｍｍの間隔で離間して互いに平行に配置されている。
【００２８】
８本の第二配線層０１ｙ〜０８ｙは、各々、アクリルゴムおよび銀粉末を含んでいる。８本の第二配線層０１ｙ〜０８ｙは、各々、線状を呈しており、８本の第二電極層０１Ｙ〜０８Ｙと、コネクタ１０と、を電気的に接続している。
【００２９】
第一基材３１および第二基材４１の周縁部は、所定の間隔でスポット融着されている。すなわち、第一基材３１と第二基材４１とは、袋状に貼り合わされている。上方から見て、第一電極層０１Ｘ〜０８Ｘと第二電極層０１Ｙ〜０８Ｙとは格子状に並んでいる。第一電極層０１Ｘ〜０８Ｘと第二電極層０１Ｙ〜０８Ｙとが重複する部分には、複数の感圧部Ｄが設定されている。感圧部Ｄは、合計６４個設定されている。
【００３０】
［静電容量型センサの動き］
次に、本実施形態の静電容量型センサ１の動きについて説明する。まず、静電容量型センサ１に荷重が加わる前（初期状態）に、第一電極層０１Ｘ〜０８Ｘおよび第二電極層０１Ｙ〜０８Ｙに電圧を印加して、感圧部Ｄごとに静電容量Ｃを算出する。続いて、静電容量型センサ１に荷重が加わった後も同様に、感圧部Ｄごとに静電容量Ｃを算出する。荷重が加わった部分の感圧部Ｄにおいては、第一電極層と第二電極層との距離が小さくなる。これにより、当該感圧部Ｄの静電容量Ｃは、大きくなる。この静電容量Ｃの変化量ΔＣに基づいて、感圧部Ｄごとの面圧が算出される。このようにして、荷重分布を測定することができる。
【００３１】
［静電容量型センサの作用効果］
次に、本実施形態の静電容量型センサ１の作用効果について説明する。静電容量型センサ１においては、誘電層２０が、発泡体シート２１と複数の突条２４を有するソリッド体シート２２とから構成されている。静電容量型センサ１に荷重が加わると、まず突条２４が発泡体シート２１に線接触する。これにより、荷重が線状に集中されるため、発泡体シート２１単体では変形しないような微小な荷重であっても、発泡体シート２１を変形させることができる。したがって、静電容量型センサ１によると、小荷重を精度良く測定することができる。また、荷重が大きくなると、複数の突条２４は発泡体シート２１に埋もれていく。この状態においては、平板部２３と発泡体シート２１との間の空間が小さくなることにより、誘電層２０の比誘電率が大きくなり、静電容量が大きくなる。したがって、静電容量型センサ１によると、小〜中荷重を精度良く測定することができる。さらに荷重が大きくなると、複数の突条２４は発泡体シート２１に埋入する。これ以降は、平板部２３および発泡体シート２１自体が変形する。したがって、静電容量型センサ１によると、大荷重を精度良く測定することができる。
【００３２】
このように、静電容量型センサ１によると、微小な圧力変化もきめ細やかに測定することができる。詳細は後の実施例において説明するが、静電容量型センサ１によると、０ｍｍＨｇ（０ＭＰａ）より大きく１８０ｍｍＨｇ（２３９９７．９６Ｐａ＝約０．０２４ＭＰａ）以下の圧力範囲において、１０ｍｍＨｇ（１３３３．２２Ｐａ）ごとの感度を、０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇ（２．２５×１０−１０Ｆ／ＭＰａ）以上に維持することができる。すなわち、静電容量型センサ１は高い分解能を有する。静電容量型センサ１においては、突条２４と発泡体シート２１とが、無荷重状態において接触している。このため、荷重に対して誘電層２０が速やかに変形する。よって、静電容量型センサ１の応答性は良好である。
【００３３】
誘電層２０は、発泡体シート２１単体ではなく、非発泡体からなるソリッド体シート２２との積層体である。このため、発泡体シート２１のみを用いた場合と比較して、繰り返し荷重が加わっても誘電層２０がへたりにくい。したがって、静電容量型センサ１は耐久性に優れ、繰り返し使用しても出力や感度のばらつきが少ない。また、発泡体シート２１は、樹脂製の基材シート２１０に支持される。よって、発泡体シート２１を薄膜化しやすい。これにより、静電容量型センサ１全体を薄型にすることができ、感度向上を図るのに好適である。
【００３４】
＜第二実施形態＞
本実施形態の静電容量型センサと第一実施形態の静電容量型センサとは、誘電層におけるソリッド体シートの構成のみが相違する。したがって、ここでは相違点を中心に説明する。図４に、本実施形態の誘電層におけるソリッド体シートの斜視図を示す。説明の便宜上、図４においては、突起部を誇張して示している。
【００３５】
図４に示すように、ソリッド体シート２５は、平板部２６と複数の突起部２７とを有している。ソリッド体シート２５は、全体がシリコーンゴム製の一体物である。平板部２６は、厚さ１ｍｍの矩形シート状を呈している。平板部２６は、厚さを除いて発泡体シートと同じ大きさである。
【００３６】
複数の突起部２７は、平板部２６の表面（発泡体シート側の表面）に配置されている。複数の突起部２７は、平板部２６の表面全体に略均一に配置されている。複数の突起部２７は、全て同じ形状、大きさを有している。すなわち、突起部２７は、平板部２６に向かって広がる円錐台状を呈している。突起部２７の上底の直径は１．２ｍｍ、下底の直径は１．８ｍｍ、高さは０．２５ｍｍである。複数の突起部２７は、荷重が加わっていない無荷重状態において、発泡体シートに接触している。複数の突起部２７のタイプＡデュロメータ硬さは、いずれも１３である。すなわち、複数の突起部２７の硬さは、発泡体シートの硬さよりも大きい。平板部２６の面積（表面全体の面積）を１００％とすると、複数の突起部２７の面積割合は２８．３％である。突起部２７は、本発明における「突部」の概念に含まれる。
【００３７】
本実施形態の静電容量型センサにおいては、ソリッド体シート２５が平板部２６と複数の突起部２７とからなる。突起部２７は、平板部２６に向かって広がる円錐台状を呈している。このため、突起部２７は平板部２６から引き裂かれて脱離しにくく、座屈しにくい。よって、誘電層２０は耐久性に優れる。
【００３８】
＜その他の形態＞
以上、本発明の静電容量型センサの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
【００３９】
（１）誘電層
［発泡体シート］
発泡体シートは、樹脂またはエラストマーの発泡体から製造すればよい。エラストマーには、架橋ゴムおよび熱可塑性エラストマーが含まれる。例えば、ウレタンフォームの他、ポリスチレンフォーム、ポリエチレンフォーム、ポリプロピレンフォーム、ポリオレフィン発泡体、ＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合体）フォーム、ＰＥＴフォーム、フェノールフォーム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）フォーム、シリコーンフォーム、ポリ塩化ビニルフォーム、アクリルフォーム、ポリイミドフォーム、ポリ乳酸系樹脂発泡体、メラミンフォーム、ポリメタクリルイミドフォーム、フッ素樹脂フォームなどが挙げられる。
【００４０】
発泡体シートは、センサの感度を向上させるという観点から、薄い方が望ましい。したがって、発泡体シートの厚さを１ｍｍ以下にすることが望ましい。上記実施形態のように、基材シート上に成形すると、発泡体シートの薄膜化が容易になる。
【００４１】
発泡体シートが柔らかすぎると、潰れやすいため、測定可能な荷重範囲が狭まってしまう。反対に硬すぎると、変形しにくいため、感度が低下してしまう。これらを考慮すると、発泡体シートの１０％圧縮応力を２６６６．４４Ｐａ（２０ｍｍＨｇ）より小さくし、かつ４０％圧縮応力を５９９９．４９Ｐａ（４５ｍｍＨｇ）より小さくすることが望ましい。１０％圧縮応力、４０％圧縮応力は、発泡体シートを厚さ方向に１０％または４０％圧縮した時の荷重を、圧縮部の厚さ方向に垂直な断面積で除した値である。本明細書における圧縮応力の測定においては、直径１５ｍｍの円形状の押圧部を有する金属製測定子を用い、当該金属製測定子を１ｍｍ／分の速度で移動させて発泡体シートを圧縮した。この際、発泡体シートに０．０１Ｎの荷重を加えた状態を圧縮率０％（初期状態）とした。
【００４２】
［基材シート］
上記実施形態においては、発泡体シートを支持するために基材シートを用いたが、基材シートは必ずしも必要ではない。基材シートとしては、ＰＥＴの他、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド、ポリエチレンなどの樹脂製のシートを用いればよい。
【００４３】
［ソリッド体シート］
ソリッド体シートは、エラストマーのソリッド体から製造すればよい。ソリッド体とは、非発泡体の固体である。エラストマーとしては、例えば、比誘電率が２．５以上（測定周波数２５ｋＨｚ）であるものとして、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、イソプレンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、ブチルゴム、スチレン−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、エピクロルヒドリンゴム、クロロプレンゴム、塩素化ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレンなどが挙げられる。また、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、フッ素系、ニトリル系、スチレン系などの熱可塑性エラストマーでもよい。なかでも、比誘電率と柔軟性との両方を満足するという理由から、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ヒドリンゴム、アクリルゴムが好適である。
【００４４】
ソリッド体シートは、平板部と複数の突部とを有する。平板部と突部との材質は、同じでも異なっていてもよい。ソリッド体シートは、一体的に製造されても、平板部と突部とが別々に製造されても構わない。例えば、プレス加工法、切削加工法、射出成形法などにより一体的に製造することができる。また、平板部の表面に、スクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、インクジェット印刷法などにより、突部を形成してもよい。
【００４５】
突部の形状は、特に限定されない。第一実施形態のように突条を配置する場合には、横断面を矩形状、台形状、三角形などにする他、半円形、円形、楕円形などにして頂部を曲面状にしてもよい。第二実施形態のように突起部を配置する場合には、その形状を、円錐台状の他、角錐台状、円錐状、角錐状などにすることができる。突起部の上底は、平面でも曲面でもよい。複数の突起部は、平板部の表面に所定の間隔で離間して配置してもよく、間隔をあけずに突起部同士が連続するように配置してもよい。複数の突起部を連続して配置することにより、いわゆるプロファイル加工品のように、表面全体に凹凸を付与することができる。
【００４６】
突部の高さは、発泡体シートを押圧して変形させる、発泡体シートとの間の空間を調整するなどの機能を考慮して、適宜決定すればよい。例えば、発泡体シートの厚さが１ｍｍ以下の場合には、突部の高さを３０μｍ以上にするとよい。５０μｍ以上にするとより好適である。突部の高さが小さすぎる（突部が低すぎる）と、荷重が加わるとすぐに発泡体シートに埋入してしまうため、小荷重領域における感度が低下する。また、突部の硬さは、発泡体シートの硬さよりも大きいことが望ましい。本明細書において、硬さは、ＪＩＳ  Ｋ６２５３−３：２０１２に規定されるタイプＡデュロメータ硬さである。突部に応力を集中させる、繰り返し使用してもへたりにくいなどの観点から、突部のタイプＡデュロメータ硬さは、１０以上、より好ましくは２０以上、さらには２５以上であるとよい。
【００４７】
平板部に対する突部の面積割合は、突部による応力集中効果を考慮して適宜決定すればよい。「突部の面積」とは、無荷重状態において、突部を相手部材に接触させた場合の接触面積である。突部の面積割合が小さすぎると、突部同士の間で平板部が撓んで発泡体シートに接触しやすくなるなどして、充分な応力集中効果が得られない。したがって、平板部の面積を１００％とした場合に、突部の面積割合を６．２５％より大きくするとよい。１２．５％以上にするとより好適である。反対に、突部の面積割合が大きすぎると、発泡体シートへの接触面が面状に近くなるため、充分な応力集中効果が得られない。したがって、突部の面積割合を７５％より小さくするとよい。５０％以下にするとより好適である。
【００４８】
無荷重状態において、突部と発泡体シートとは接触していてもしていなくてもよいが、荷重が加わることにより速やかに接触することが望ましい。突部と発泡体シートとの接触は、直接的でも他の部材を介して間接的でも構わない。すなわち、発泡体シートの変形を阻害しない範囲において、突部と発泡体シートとの間に薄膜状の他のシート部材が介在していても構わない。上述したように、誘電層は、発泡体シート、ソリッド体シートに加えて、基材シートなどの他のシート部材を有していてもよい。
【００４９】
（２）電極ユニット
上記実施形態においては、基材に電極層などを形成して電極ユニットとした。しかしながら、誘電層に直接電極層などを形成して電極ユニットとしてもよい。すなわち、誘電層の厚さ方向の両面に、各々、電極層、配線層、保護層などを形成して、電極ユニットとしてもよい。また、上記実施形態においては、電極ユニットに保護層を含めたが、保護層は必ずしも必要ではない。また、電極ユニットにおける電極層および配線層の配置形態は、特に限定されない。すなわち、電極層を任意の大きさ、形状で配置して、一対の電極ユニットを積層方向に透過して見た場合に、誘電層を挟んで電極層が重複することにより、少なくとも一つの感圧部を設定できればよい。
【００５０】
基材としては、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ポリイミド、ポリエチレンなどの樹脂シート、シリコーンゴム、ブチルゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、エチレン―プロピレン共重合ゴムなどのエラストマーシート、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系などの熱可塑性エラストマーからなるシート、および当該熱可塑性エラストマー、ＰＥＴ、ナイロンなどからなる伸縮布などが好適である。
【００５１】
保護層としては、柔軟性や引張永久歪みなどを考慮して、ウレタンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレンなどが好適である。
【００５２】
電極層は、誘電層の変形に追従しやすいという観点から、柔軟で伸縮性を有することが望ましい。例えば、エラストマーおよび導電材を含んで、電極層を形成するとよい。電極層は、エラストマー中に導電材が分散されている態様の他、導電材からなる層とエラストマーからなる層とが積層されている態様でもよい。後者の態様においては、エラストマーの一部が導電材層に含浸していてもよい。
【００５３】
エラストマーとしては、ウレタンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム（ニトリルゴム）、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレンなどが好適である。導電材としては、銀、金、銅、ニッケル、ロジウム、パラジウム、クロム、チタン、白金、鉄、およびこれらの合金などからなる金属粒子、酸化亜鉛、酸化チタンなどからなる金属酸化物粒子、チタンカーボネートなどからなる金属炭化物粒子、銀、金、銅、白金、およびニッケルなどからなる金属ナノワイヤ、導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラファイト、およびグラフェンなどの導電性炭素材料の中から、適宜選択すればよい。これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。
【００５４】
配線層も、柔軟で伸縮性を有することが望ましい。例えば、エラストマーおよび導電材を含んで、配線層を構成するとよい。配線層は、電極層と電気的に接続されていればよく、電極層の一端部に接続する他、電極層の一端部から所定の長さで延在させて電極層に積層してもよい。
【００５５】
エラストマーとしては、電極層と同様に、ウレタンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ニトリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレンなどが好適である。導電材としては、電極層と同様に、金属粒子、金属酸化物粒子、金属炭化物粒子、金属ナノワイヤ、および導電性炭素材料の中から、適宜選択すればよい。これらの一種を単独で、あるいは二種以上を混合して用いることができる。
【００５６】
（３）静電容量型センサ
上記実施形態の静電容量型センサにおいては、０ＭＰａより大きく０．０２４ＭＰａ以下の圧力範囲において、１０ｍｍＨｇ（１３３３．２２Ｐａ）ごとの感度を、０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇ（２．２５×１０−１０Ｆ／ＭＰａ）以上に維持することができる。したがって、測定圧力範囲に０．０２４ＭＰａ以下の荷重領域を含めると、本発明の効果を存分に発揮することができる。なお、本発明の静電容量型センサを、当該圧力範囲より大きい圧力を測定するために使用できることは言うまでもない。
【００５７】
静電容量型センサは、上記実施形態のまま使用してもよいが、外装カバーに収容して使用してもよい。外装カバーに収容すると、センサが人の体に接触した時の違和感を低減することができる他、安全性、防汚性、意匠性が向上する。外装カバーの材質としては、塩化ビニル、ＴＰＵなどの樹脂およびエラストマー、ポリウレタンやポリエステルなどの弾性繊維を用いた伸縮布、エラストマーと伸縮布との積層体などが好適である。
【実施例】
【００５８】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００５９】
（１）実験１
構成が異なる四種類の誘電層を用いて静電容量型センサを製造し、センサの感度を測定した。
【００６０】
＜誘電層の製造＞
［実施例１］
上記第一実施形態と同じ構成の誘電層を製造して実施例１の誘電層とした（前出図２、図３参照）。まず、ＰＥＴシート（縦３５０ｍｍ、横３５０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ）の表面に、厚さ０．９５ｍｍのウレタンフォームシートを配置して、基材シートに支持された発泡体シートを製造した。次に、ＴＰＵシート（縦３５０ｍｍ、横３５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ）の表面に、シリコーンゴムをスクリーン印刷して、複数の線状の突条を成形した。個々の突条の高さは０．０８ｍｍ（８０μｍ）、幅は０．５ｍｍ、隣接する突条同士の間隔は１．５ｍｍである。このようにして得られたソリッド体シートの突条面を、発泡体シートに重ね合わせて、実施例１の誘電層を製造した。発泡体シートの１０％圧縮応力は１８００Ｐａであり、４０％圧縮応力は４２００Ｐａである。ＴＰＵシート（平板部）における複数の突条の面積割合は、２５％である。
【００６１】
［比較例１］
二つの部材を積層して、比較例１の誘電層とした。図５に、比較例１の誘電層の斜視分解図を示す。図５に示すように、比較例１の誘電層９０は、第一部材９１と第二部材９２とからなる。第一部材９１と第二部材９２とは、上下方向に積層されている。第一部材９１と第二部材９２とは同じ部材であるため、ここでは下側の第二部材９２についてのみ説明する。
【００６２】
第二部材９２は、シリコーンゴム製であり、平板部９２０と複数の突条９２１とを有している。平板部９２０は、縦１２０ｍｍ、横１２０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの矩形シート状を呈している。複数の突条９２１は、平板部９２０の上面に配置されている。複数の突条９２１は、各々、四角柱状を呈しており、左右方向に延在している。突条９２１の高さは１ｍｍ、幅は１ｍｍである。複数の突条９２１は、前後方向に６ｍｍの間隔で離間して互いに平行に配置されている。第一部材９１は、第二部材９２に対して面方向（前後左右方向）に９０°回転させた状態で配置されている。よって、比較例１の誘電層９０を上側または下側から見た場合に、第一部材９１の複数の突条９１１と、第二部材９２の複数の突条９２１と、は井桁状に配置されており、交差する部分で当接している。
【００６３】
［比較例２］
二つの部材を積層して、比較例２の誘電層とした。図６に、比較例２の誘電層の斜視分解図を示す。図６に示すように、比較例２の誘電層９３は、第一部材９４と第二部材９５とからなる。第一部材９４と第二部材９５とは、上下方向に積層されている。第一部材９４と第二部材９５とは同じ部材であるため、ここでは下側の第二部材９５についてのみ説明する。
【００６４】
第二部材９５は、平板部９５０と、複数の突条９５１と、を有している。平板部９５０は、ＴＰＵ製であり、縦９００ｍｍ、横７００ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの矩形シート状を呈している。複数の突条９５１は、シリコーンゴム製であり、平板部９５０の上面にスクリーン印刷されている。複数の突条９５１は、各々、断面台形状の線状を呈しており、左右方向に延在している。突条９５１の高さは０．１ｍｍ、幅は０．４ｍｍである。複数の突条９５１は、前後方向に２．４ｍｍの間隔で離間して互いに平行に配置されている。第一部材９４は、第二部材９５に対して面方向（前後左右方向）に９０°回転させた状態で配置されている。よって、比較例２の誘電層９３を上側または下側から見た場合に、第一部材９４の複数の突条９４１と第二部材９５の複数の突条９５１とは、井桁状に配置されており、交差する部分で当接している。
【００６５】
［比較例３］
縦３５０ｍｍ、横３５０ｍｍ、厚さ３ｍのウレタンフォーム製の矩形シートを、比較例３の誘電層とした。
【００６６】
＜静電容量型センサの感度の測定＞
［測定方法］
上記実施形態と同様に、製造した誘電層の上面に第一電極ユニットを、下面に第二電極ユニットを重ね合わせ、周縁部をスポット融着することにより一体化して、静電容量型センサを製造した。第一電極ユニットおよび第二電極ユニットは、各々、基材の表面に、配線層、電極層、および保護層を順にスクリーン印刷して製造した。製造した静電容量型センサの感度を、次のようにして測定した。
【００６７】
まず、質量０．３ｋｇ、８６ｍｍ角の正方形板状の金属錘を複数個準備した。金属錘の一面には、樹脂板が配置されている。当該一面は、幅２０ｍｍの帯状の電極層４本に重なる（感圧部は４×４＝１６個）。次に、金属錘を、樹脂板が配置されている一面を下にして静電容量型センサに載せ、中央４か所の感圧部の静電容量を測定した。続いて、金属錘の個数を増加して圧力を１０ｍｍＨｇ（１３３３．２２Ｐａ）ずつ変化させながら、同４か所の静電容量を測定した。測定された４か所の静電容量の平均値を算出し、当該平均値をその圧力に対する静電容量とした。そして、圧力の変化量に対する静電容量の変化量を算出し（静電容量の変化量／圧力の変化量）、それをセンサの感度とした。
【００６８】
［測定結果］
表１に、各静電容量型センサにおいて、１８０ｍｍＨｇ（２３９９７．９６Ｐａ）以下の圧力範囲で測定された１０ｍｍＨｇごとの感度の最低値を示す。また、図７に、実施例１の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果をグラフで示す。図８に、比較例１の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果をグラフで示す。図９に、比較例３の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果をグラフで示す。
【表１】
2019124506.tif 000003
【００６９】
表１および図７に示すように、実施例１のセンサの最低感度は０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇ（２．２５×１０−１０Ｆ／ＭＰａ）であった。これにより、実施例１のセンサによると、０ｍｍＨｇより大きく１８０ｍｍＨｇ以下の圧力範囲において、１０ｍｍＨｇごとの感度を０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇ以上に維持できることが確認された。これに対して、表１および図８、図９に示すように、比較例１〜３のセンサの最低感度は、いずれも０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇを下回った。特に、比較例１のセンサにおいては、圧力範囲の全体において感度が低かった。
【００７０】
（２）実験２
実験１で使用した実施例１の誘電層において、ソリッド体シートの突条の本数を変更することにより突条の面積割合を変更して、参考例１、２の誘電層を製造した。参考例１の誘電層における突条の面積割合は６．２５％であり、参考例２の誘電層における突条の面積割合は７５％である。そして、参考例１、２の誘電層を用いた静電容量型センサの感度を、実験１と同様にして測定した。図１０に、参考例１の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果をグラフで示す。図１１に、参考例２の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果をグラフで示す。
【００７１】
突条の面積割合を小さくすると、図１０に示すように、圧力が１０ｍｍＨｇの場合に、最低感度が０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇを下回った。突条の面積割合を大きくすると、図１１に示すように、圧力が１０ｍｍＨｇの場合に、最低感度が０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇを下回った。
【００７２】
（３）実験３
実験１で使用した実施例１の誘電層において、ウレタンフォームの硬さを変更することにより発泡体シートの１０％圧縮応力または４０％圧縮応力の値を変更して、参考例３、４の誘電層を製造した。参考例３の誘電層における発泡体シートの４０％圧縮応力は６８００Ｐａ（１０％圧縮応力は１８６０Ｐａ）であり、参考例４の誘電層における発泡体シートの１０％圧縮応力は２９５０Ｐａ（４０％圧縮応力は５９４０Ｐａ）である。そして、参考例３、４の誘電層を用いた静電容量型センサの感度を、実験１と同様にして測定した。図１２に、参考例３の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果をグラフで示す。図１３に、参考例４の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果をグラフで示す。
【００７３】
発泡体シートの４０％圧縮応力を５９９９．４９Ｐａ以上にすると、発泡体シートが硬くなるため、図１２に示すように、全体の感度が低下して、小荷重領域においては最低感度が０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇを下回った。また、発泡体シートの１０％圧縮応力を２６６６．４４Ｐａ以上にすると、発泡体シートが硬くなるため、図１３に示すように、圧力によっては最低感度が０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇを下回る場合があった。
【００７４】
（４）実験４
実験１で使用した実施例１の誘電層において、発泡体シートの厚さを１．１ｍｍに変更して、参考例５の誘電層を製造した。また、ソリッド体シートの突条の高さを２９μｍに変更して、参考例６の誘電層を製造した。そして、参考例５、６の誘電層を用いた静電容量型センサの感度を、実験１と同様にして測定した。図１４に、参考例５の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果をグラフで示す。図１５に、参考例６の誘電層を用いたセンサの感度の測定結果をグラフで示す。
【００７５】
発泡体シートの厚さを１ｍｍより大きくすると、図１４に示すように、圧力が１８０ｍｍＨｇの場合に、最低感度が０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇを下回った。また、突条の高さを３０μｍより小さくすると、図１５に示すように、圧力が１０ｍｍＨｇの場合に、最低感度が０．０３ｐＦ／ｍｍＨｇを下回った。
【符号の説明】
【００７６】
１：静電容量型センサ、１０：コネクタ、２０：誘電層、２１：発泡体シート、２２：ソリッド体シート、２３：平板部、２４：突条（突部）、２５：ソリッド体シート、２６：平板部、２７：突起部（突部）、３０：第一電極ユニット、３１：第一基材、３２：第一保護層、４０：第二電極ユニット、４１：第二基材、４２：第二保護層、０１Ｘ〜０８Ｘ：第一電極層、０１ｘ〜０８ｘ：第一配線層、０１Ｙ〜０８Ｙ：第二電極層、０１ｙ〜０８ｙ：第二配線層、Ｄ：感圧部。
【図１】
2019124506.tif 000004
【図２】
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【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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