(57)【要約】【課題】従来よりも大きな静電容量変化と装置の小型化とを両立できる圧カセンサを提供する。【解決手段】誘電体層が一対の電極層及び一対の絶縁基材により順に挟持されてなる層構成を備え、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか１つの撓み量によって変化する電極間の静電容量値に基づいて圧力を検出する圧カセンサであって、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか一方が、電極層と誘電体層との層間に面する表面に凹凸を備え、当該凹凸の少なくとも凸部において電極層と誘電体層とが接触していることを特徴とする、圧カセンサ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体層が一対の電極層及び一対の絶縁基材により順に挟持されてなる層構成を備え、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか１つの撓み量によって変化する電極間の静電容量値に基づいて圧力を検出する圧カセンサであって、
電極層及び誘電体層の少なくともいずれか一方が、電極層と誘電体層との層間に面する表面に凹凸を備え、当該凹凸の少なくとも凸部において電極層と誘電体層とが接触していることを特徴とする、圧カセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来よりも大きな静電容量変化と装置の小型化とを両立できる圧カセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサの一種である面圧センサにおいては、様々な層構成が採用されている。特許文献１には、圧力検出部のコンデンサ素子の加圧力に伴う静電容量の変化を求めることにより圧力を測定する静電容量型力センサにおいて、上記コンデンサ素子の対向電極間に、加圧により弾性変化をする弾性誘電体を介装して複数積層するとともに、一方の電極の積層数と他方の電極の積層数とを異なって上記コンデンサ素子を形成したことを特徴とする静電容量型力センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−５５６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されたような複数の誘電体層を用いる構成は、面圧に垂直な方向の寸法変化が誘電体間で異なることにより誘電体層に反りを生じ出力変動を起こす問題や、構成の複雑化によるコスト増加の問題等が考えられる。
本発明は、圧力センサにおいてよりシンプルな構成が求められている現状を鑑みて成し遂げられたものであり、従来よりも大きな静電容量変化と装置の小型化とを両立できる圧カセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の圧カセンサは、誘電体層が一対の電極層及び一対の絶縁基材により順に挟持されてなる層構成を備え、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか１つの撓み量によって変化する電極間の静電容量値に基づいて圧力を検出する圧カセンサであって、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか一方が、電極層と誘電体層との層間に面する表面に凹凸を備え、当該凹凸の少なくとも凸部において電極層と誘電体層とが接触していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、圧力が比較的小さい段階では、前記凹凸によって電極層と誘電体層との間に空隙が生じ、電極層と誘電体層との接触面積の変化に基づき圧力を検出できるのに対し、圧力が比較的大きい段階では、前記空隙が消失するため、誘電体層の厚みの変化に基づき圧力が検出できる。したがって、本発明によれば、複数段階の圧力検出モードを持つため、主に低い圧力時における静電容量変化を大きくすることと、検出部の小型化とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係る圧力センサの典型例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。
【図２】本発明に係る圧力センサの典型例に、積層方向に沿って比較的小さい圧力が付与された様子を示す断面模式図等である。
【図３】本発明の第１の実施形態の断面模式図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の断面模式図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の圧カセンサは、誘電体層が一対の電極層及び一対の絶縁基材により順に挟持されてなる層構成を備え、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか１つの撓み量によって変化する電極間の静電容量値に基づいて圧力を検出する圧カセンサであって、電極層及び誘電体層の少なくともいずれか一方が、電極層と誘電体層との層間に面する表面に凹凸を備え、当該凹凸の少なくとも凸部において電極層と誘電体層とが接触していることを特徴とする。
【０００９】
本発明者らは、発明の思想として、（１）電極層と誘電体層との層間に微小な凹凸を設け、（２）このうち凹部を主に空隙とすることにより、低い圧力範囲では当該空隙が潰れるように変形する一方、高い圧力範囲では誘電体層そのものの弾性によって変形する構成を、複数の誘電体を用いずに実現できることを見出し、本発明を完成させた。このように、複数段階の圧力検出手段を設けることにより、低い圧力範囲での高分解能を維持しながら、高い圧力範囲までの計測が可能となる。その結果、主に低い圧力時における静電容量変化を大きくできると共に、検出部の小型化も可能となる。
【００１０】
図１は、本発明に係る圧力センサの典型例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。
図１に示すように、本典型例の圧力センサは、誘電体層１０６が一対の電極層（１０２、１０７）により挟持され、当該挟持体がさらに一対の絶縁基材（１０１，１１１）により挟持されてなる。電極層１０２と誘電体層１０６との層間に面する、電極層１０２表面においては、当該表面全体が凹凸形状となるように、凸部１０３及び凹部１０４が複数設けられている。電極層１０７と誘電体層１０６との層間に面する、電極層１０７表面においても、同様に凸部１０８及び凹部１０９が複数設けられている。
面圧が付与されていない状態では、誘電体層１０６と電極層（１０２，１０７）は、それぞれ凸部（１０３，１０８）先端近傍において接触している。この接触部（１１２，１１３）と、当該接触部の間に挟まれた誘電体層１０６とによってコンデンサが形成される。コンデンサの電極面積は、接触部幅１１５により規定される。
また、誘電体層１０６と電極層の凹部（１０４，１０９）との間には、それぞれ空隙（１０５，１１０）が形成されている。空隙（１０５，１１０）の体積は、凹凸高さ１１６により決まる。凹凸高さ１１６は、電極層の厚さ１１７や、誘電体層１０６の厚さとのバランスにより決定される。
【００１１】
図２（ａ）は、本発明に係る圧力センサの典型例に、積層方向に沿って比較的弱い圧力が付与された様子を示す断面模式図である。図２（ａ）中の矢印１１４は、面圧が付与される方向を示す。
圧力センサを構成する積層体の積層方向に沿って圧力が付与された場合、圧力が比較的小さな場合には、図２（ａ）に示すように、図１に示す構造とほぼ同様の構成が維持される。このとき、圧力の大きさによって、電極層の凸部（１０３，１０８）が誘電体層１０６に食い込むか、逆に電極層の凸部（１０３，１０８）の高さが減じるかした結果、誘電体層１０６と電極層（１０２，１０７）との接触部幅１１５ａが増える。
平行平板コンデンサの静電容量をしめす下記式（１）からも分かる通り、このときのコンデンサ静電容量Ｃは、電極面積Ｓの増加に伴い増加する。
Ｃ＝（εＳ）／ｄ    式（１）
（上記式（１）中、Ｃはコンデンサ静電容量、εは誘電体層の誘電率、Ｓは電極面積、ｄは電極間隔をそれぞれ示す。）
【００１２】
図２（ｂ）は、本発明に係る圧力センサの典型例に、積層方向に沿って比較的強い圧力が付与された様子を示す断面模式図である。図２（ｂ）中の矢印１１４は図２（ａ）と同様である。
圧力センサを構成する積層体の積層方向に沿って、ある一定以上の圧力が付与された場合には、電極層の凸部の誘電体層への食い込みや、当該凸部の高さの減少等が限界に達する結果、図２（ｂ）に示すように、誘電体層１０６と電極層（１０２，１０７）との接触部幅１１５ｂが十分大きくなり、誘電体層１０６と電極層（１０２，１０７）とがほぼ密着する。この状態で、さらに圧力が増えても、接触部幅１１５ｂはもはや増えず、その代わりに誘電体層の厚さ１１８が減少する。上記式（１）より、コンデンサ静電容量Ｃは、電極間隔ｄの減少に伴い増加する。
【００１３】
図２（ｃ）は、圧力センサに付与される圧力と静電容量変化との関係を表すグラフである。図２（ｃ）は、静電容量変化δＣ（ｆＦ）を縦軸に、圧力センサに付与される圧力Ｐ（ＭＰａ）を横軸に、それぞれとったグラフである。図２（ｃ）中において、「（ａ）」により示される圧力の範囲（０〜０．２ＭＰａ）は、上述した図２（ａ）に示す状態と対応し、「（ｂ）」により示される圧力の範囲（０．２ＭＰａを超える範囲）は、上述した図２（ｂ）に示す状態と対応する。
図２（ｃ）より、圧力範囲（ａ）においては、小さい圧力で静電容量が大きく変動しており、圧力に対する静電容量変化の感度が高いことが分かる。これは、（１）図２（ａ）の状態において、圧力による電極層の凸部（１０３，１０８）の誘電体層１０６ヘの食い込みや、凸部（１０３，１０８）の高さの減少に伴い、電極層全体の受ける力が当該凸部先端に集中されること、及び（２）圧力変動による接合部幅１１５ａの増加率が高いことによるものである。
一方、図２（ｃ）より、圧力範囲（ｂ）においては、圧力を加えても静電容量の増加は比較的緩やかである。これは、図２（ｂ）の状態においては応力集中が生じず、静電容量変化δＣは誘電体層の弾性率により決まり、圧力が誘電体層の弾性率に対して約１／１００以下の領域ではほぼ直線状になるためである。このように、圧力に対する静電容量変化の感度を圧力範囲（ａ）よりも下げることにより、検出部や装置全体の小型化を図ることができる。
なお、図２（ａ）に示す状態から図２（ｂ）に示す状態へは、ある圧力の閾値で突然変わるものではなく、連続的に変化するものである。したがって、静電容量変化δＣのグラフは、図（ｃ）に示すようになだらかな曲線となる。
【００１４】
以下、本発明の圧力センサを構成する誘電体層、電極層、及び絶縁基材の詳細について、順に説明する。
【００１５】
誘電体層に使用される誘電体は、圧力センサに通常使用される電気絶縁性の物質であれば特に限定されない。本発明においては、誘電体が高分子材料であることが好ましい。誘電体層に使用するのに好ましい高分子材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、テフロン（登録商標）（商品名）等の樹脂；エラストマー、又はゴム等が挙げられる。特に、低弾性率材料を誘電体層に用いることにより、幅広い圧力範囲において圧力の検知が可能となる。
誘電体層の厚さは、圧力センサの構造にもよるが、２０ｎｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。特に、電極層に凹凸を設ける場合には、短絡を防ぐ観点から、誘電体層の厚さは、電極層の凹凸深さの２倍以上であることが好ましい。
【００１６】
電極層は、圧力センサに通常使用される導電性の物質であれば特に限定されない。電極層に使用できる導電性物質としては、例えば、金属、カーボン含有樹脂、及び導電性樹脂が挙げられる。
電極層の厚さは、圧力センサの構造にもよるが、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。特に、電極に凹凸を設ける場合には、電極層の凸部の高さを含む電極層の厚さが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。低い圧力範囲において感度を上げる観点から、電極層が圧力により撓みやすくなるように、電極層の厚さを可能な限り薄くすることが好ましい。
電極に凹凸を設ける場合には、簡便に形成できることから、凸部の形状が角錐上又は円錐状であることが好ましい。
【００１７】
本発明においては、電極層と誘電体層の層間において何らかの凹凸が形成され、その結果、付与される圧力に依存して電極層と誘電体層との接触面積が変化するように構成されていればよい。例えば、上述した図１及び後述する図３に示すように、電極層と誘電体層の層間に面する電極層の表面が凹凸を備えていてもよいし、後述する図４に示すように、誘電体層の両面が凹凸を備えていてもよいし、後述する図５に示すように、電極層と誘電体層の層間に面する誘電体層及び絶縁体基板の表面が共に凹凸を備えていてもよい。
【００１８】
本発明においては、圧力が付与されていない初期の圧力センサにおいて、凹凸の少なくとも凹部により、電極層と誘電体層との間に空隙が形成されていることが好ましい。
ここで、空気圧による変動を防ぐという観点から、空隙は真空であることが好ましい。ただし、空隙は真空である場合に必ずしも限定されず、外気又は基準圧力源と連通していてもよいし、所定の物質が満たされていてもよい。ここで、所定の物質の誘電率は、誘電体層を構成する誘電体の誘電率より小さいことが好ましい。
【００１９】
絶縁基材に使用される絶縁体は、圧力センサに通常使用される電気絶縁性の物質であれば特に限定されない。本発明においては、絶縁体が高分子材料であることが好ましい。絶縁基材に使用するのに好ましい高分子材料としては、例えば、誘電体層用の材料として説明した物を挙げることができる。
誘電体層の厚さは、圧力センサの構造にもよるが、２μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
以下、本発明の３つの実施形態について、図を用いて説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態の断面模式図である。図３に示すように、第１の実施形態は、誘電体層３０６が一対の電極層（３０２，３０７）により挟持され、当該挟持体がさらに一対の絶縁基材（３０１，３１１）により挟持されてなる。誘電体層３０６、電極層（３０２，３０７）、及び絶縁基材（３０１，３１１）の材料及び厚さは上述した通りである。電極層３０２と誘電体層３０６との層間に面する電極層３０２の表面においては、当該表面全体が凹凸形状となるように、凸部３０３及び凹部３０４が複数設けられている。電極層３０７と誘電体層３０６との層間に面する電極層３０７の表面においても、同様に凸部３０８及び凹部３０９が複数設けられている。
面圧が付与されていない状態では、誘電体層３０６と電極層（３０２，３０７）は、それぞれ凸部（３０３，３０８）先端近傍において接触している。この接触部（３１２，３１３）と、当該接触部の間に挟まれた誘電体層３０６とによってコンデンサが形成される。コンデンサの電極面積は、接触部幅３１５により規定される。
また、誘電体層３０６と電極層の凹部（３０４，３０９）との間には、それぞれ空隙（３０５，３１０）が形成されている。空隙（３０５，３１０）の体積は、凹凸高さ３１６により決まる。誘電体層の厚さ３１７は、凹凸高さ３１６の２倍以上とする。
第１の実施形態の製造例は以下の通りである。まず、絶縁基材（３０１，３１１）のそれぞれ一方の面に、電極層（３０２，３０７）を形成する。次に、電極層（３０２，３０７）が形成された絶縁基材（３０１，３１１）の面を内側にして、誘電体層３０６を挟み込む。続いて、絶縁基材３０１と誘電体層３０６を接合面３１８で接合し、かつ絶縁基材３１１と誘電体層３０６を接合面３１９で接合することにより、本発明の圧力センサの第１の実施形態が得られる。なお、接合方法としては、例えば接着剤等を用いて接合してもよいし、特に、絶縁基材及び誘電体層の少なくともいずれか一方が熱可塑性である場合には、熱圧着を用いてもよい。
【００２１】
図４は、本発明の第２の実施形態の断面模式図である。図４に示すように、第２の実施形態は、誘電体層４０６が一対の電極層（４０２，４０７）により挟持され、当該挟持体がさらに一対の絶縁基材（４０１，４１１）により挟持されてなる。誘電体層４０６、電極層（４０２，４０７）、及び絶縁基材（４０１，４１１）の材料及び厚さは上述した通りである。誘電体層４０６の両面には、当該両面全体が凹凸形状となるように、凸部（４０３，４０８）、及び凹部（４０４，４０９）が複数設けられている。
面圧が付与されていない状態では、誘電体層４０６と電極層（４０２，４０７）は、それぞれ凸部（４０３，４０８）先端近傍において接触している。この接触部（４１２，４１３）と、当該接触部の間に挟まれた誘電体層４０６とによってコンデンサが形成される。コンデンサの電極面積は、接触部幅により規定される。
また、誘電体層４０６と誘電体層の凹部（４０４，４０９）との間には、それぞれ空隙（４０５，４１０）が形成されている。
第２の実施形態の製造例は以下の通りである。まず、絶縁基材（４０１，４１１）のそれぞれ一方の面に、電極層（４０２，４０７）を形成する。次に、誘電体層４０６の両面に凹凸を形成する。続いて、電極層（４０２，４０７）が形成された絶縁基材（４０１，４１１）の面を内側にして、誘電体層４０６を挟み接合することにより、本発明の圧力センサの第２の実施形態が得られる。なお、接合方法は上述した第１の実施形態と同様である。
【００２２】
図５は、本発明の第３の実施形態の断面模式図である。図５に示すように、第３の実施形態は、誘電体層５０６が一対の電極層（５０２，５０７）により挟持され、当該挟持体がさらに一対の絶縁基材（５０１，５１１）により挟持されてなる。誘電体層５０６、電極層（５０２，５０７）、及び絶縁基材（５０１，５１１）の材料及び厚さは上述した通りである。絶縁基材５０１と電極層５０２、絶縁基材５１１と電極層５０７はそれぞれ一体化している。電極層５０２表面全体が凹凸形状となるように、電極層全体が波型形状を有しており、凸部５０３及び凹部５０４が複数設けられている。電極層５０７表面においても、同様に凸部５０８及び凹部５０９が複数設けられている。
面圧が付与されていない状態では、誘電体層５０６と電極層（５０２，５０７）は、それぞれ凸部（５０３，５０８）先端近傍において接触している。この接触部（５１２，５１３）と、当該接触部の間に挟まれた誘電体層５０６とによってコンデンサが形成される。コンデンサの電極面積は、接触部幅により規定される。
また、誘電体層５０６と誘電体層の凹部（５０４，５０９）との間には、それぞれ空隙（５０５，５１０）が形成されている。
第３の実施形態の製造例は以下の通りである。まず、絶縁基材（５０１，５１１）のそれぞれ一方の面に凹凸を形成し、当該凹凸形成面に電極層（５０２，５０７）を形成する。電極層（５０２，５０７）の厚みを凹凸形成面の凸部の高さよりも薄くすることにより、凹凸形成面の凹凸形状を電極層（５０２，５０７）に移す。次に、電極層（５０２，５０７）が形成された絶縁基材（５０１，５１１）の面を内側にして、誘電体層５０６を挟み接合することにより、本発明の圧力センサの第３の実施形態が得られる。なお、接合方法は上述した第１の実施形態と同様である。
【００２３】
なお、上記第１〜第３の実施形態は、いずれも、誘電体層を挟んで対称の構造を有する。しかし、圧力検出レンジや、製造工程上の要請により、例えば上記第１〜第３の実施形態の構成を片面ずつ採用したり、これら実施形態の製造方法を片面ずつ適用したりすることによって、非対称な圧力センサとしてもよい。
また、上記第１〜第３の実施形態においては、いずれも、誘電体層と電極層との間に空隙を設けたが、必要に応じこれら空隙に流体（気体や液体等）を充填してもよい。
【符号の説明】
【００２４】
１０１，１１１  絶縁基材
１０２，１０７  電極層
１０３，１０８  電極層の凸部
１０４，１０９  電極層の凹部
１０５，１１０  空隙
１０６  誘電体層
１１２，１１３  接触部
１１４  面圧が付与される方向を示す矢印
１１５  接触部幅
１１５ａ  低い圧力範囲での電極層と誘電体層との接触部幅
１１５ｂ  高い圧力範囲での電極層と誘電体層との接触部幅
１１６  凹凸高さ
１１７  電極層の厚さ
１１８  誘電体層の厚さ
３０１，３１１  絶縁基材
３０２，３０７  電極層
３０３，３０８  電極層の凸部
３０４，３０９  電極層の凹部
３０５，３１０  空隙
３０６  誘電体層
３１２，３１３  接触部
３１５  接触部幅
３１６  凹凸高さ
３１７  誘電体層の厚さ
３１８，３１９  誘電体層と絶縁基材との接合面
４０１，４１１  絶縁基材
４０２，４０７  電極層
４０３，４０８  誘電体層の凸部
４０４，４０９  誘電体層の凹部
４０５，４１０  空隙
４０６  誘電体層
４１２，４１３  接触部
５０１，５１１  絶縁基材
５０２，５０７  電極層
５０３，５０８  電極層の凸部
５０４，５０９  電極層の凹部
５０５，５１０  空隙
５０６  誘電体層
５１２，５１３  接触部
【図１】
2015187561.tif 000003
【図２】
2015187561.tif 000004
【図３】
2015187561.tif 000005
【図４】
2015187561.tif 000006
【図５】
2015187561.tif 000007