(57)【要約】箔上に第一電極配列が付設された第一キャリヤ箔（１２）と箔上に第二電極配列が付設された第二キャリヤ箔（１４）から成る箔型スイッチング素子（１０）であって、前記第一及び第二キャリヤ箔はこれら電極が前記スイッチング素子の活性部分において互いに向き合うようにスペーサー（１６）で一定間隔を空けて配置されている前記スイッチング素子が提供される。少なくとも前記第二電極配列には前記第一電極配列へ対向する抵抗層が備えられている。前記スイッチング素子へ作用する圧力に応じて前記第一及び第二電極配列が一緒に圧迫され、前記第一及び第二電極配列間の機械的接触面（２０）の形状及び／または大きさは加えられた圧力の量に依存する機械的応答関数によって定められる。本発明によれば、前記抵抗層は、センサの電気的応答関数が前記機械的応答関数からの結合を断つように形状化されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
箔上に第一電極配列が付設された第一キャリヤ箔と箔上に第二電極配列が付設された第二キャリヤ箔を備える箔型スイッチング素子であって、前記第一及び第二キャリヤ箔は前記スイッチング素子の活性部分においてスペーサーを用いて一定の間隔を空けて互いに向き合うように配置され、少なくとも前記第二電極配列には前記第一電極配列へ対向する抵抗層が備えられ、前記第一及び第二電極配列は前記スイッチング素子へ作用する圧力に応じて一緒に圧迫され、前記第一及び第二電極配列間の機械的接触面の形状及び／または大きさは加えられる圧力の量に依存する機械的応答関数によって定まり、及び前記抵抗層はセンサの電気的応答関数が前記機械的応答関数からの結合を断つように形状化されていることを特徴とする前記箔型スイッチング素子。
【請求項２】
前記第一電極配列にはさらに前記第二電極配列に対向する抵抗層が備えられ、前記第一及び第二電極配列の各抵抗層は前記センサの電気的応答関数が前記機械的応答関数からの結合を断つように形状化されていることを特徴とする請求項１項記載のスイッチング素子。
【請求項３】
前記第一電極配列には前記スイッチング素子の前記活性部分のほぼ全面を被覆する平面電極が備えられ、前記第二電極配列には前記活性部分のほぼ周辺に配置された周辺電極が備えられ、及び前記周辺電極から前記抵抗層が内側へ延びていることを特徴とする請求項１項記載のスイッチング素子。
【請求項４】
前記第一及び第二電極配列のそれぞれには前記活性部分のほぼ周辺に配置された周辺電極が備えられ、及び前記周辺電極から前記抵抗層が内側へ延びていることを特徴とする請求項２項記載のスイッチング素子。
【請求項５】
前記第一及び第二電極配列のそれぞれには前記スイッチング素子の前記活性部分のほぼ全面を被覆する平面電極が備えられ、及び前記抵抗層が前記第一または第二平面電極の頂部に配置されていることを特徴とする請求項１項または２項記載のスイッチング素子。
【請求項６】
前記抵抗層には前記活性部分を横切って延びる抵抗ストリップが備えられていることを特徴とする請求項１項ないし５項のいずれかに記載のスイッチング素子。
【請求項７】
前記抵抗層には前記活性部分の周辺部から該活性部分の中心部へ向かって延びる少なくとも１個の抵抗性セクターセグメントが備えられ、前記セクターセグメントが前記活性部分の中心部へ向かって先細になっていることを特徴とする請求項１項ないし６項のいずれかに記載のスイッチング素子。
【請求項８】
前記抵抗層には前記活性部分の周辺部から該活性部分の中心部へ向かって延びる渦形セグメントが備えられていることを特徴とする請求項１項ないし７項のいずれかに記載のスイッチング素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、箔上に第一電極配列が付設された第一キャリヤ箔と、箔上に第二電極配列が付設された第二キャリヤ箔から成る箔型スイッチング素子であって、前記第一及び第二電極面が前記スイッチング素子の活性部分において互いに向き合うように前記第一及び第二キャリヤ箔がスペーサーで一定間隔を空けて配置されているスイッチング素子に関する。前記スイッチング素子へ作用する圧力に応じて前記第一及び第二電極配列が前記キャリヤ箔からの反作用力によって一緒に圧迫されることにより前記第一及び第二電極配列間の電気抵抗が減じられる。
【背景技術】
【０００２】
この型式の公知のスイッチング素子においては、前記電極配列の少なくとも１個の電極には、平面電極と、例えば適当な半導性材料等の適当に高い電気抵抗をもつ抵抗層が備えられている。この抵抗層は前記平面電極を完全に被覆している。かかるセンサの機械的反応は膜モデルによって説明することができる。膜のたわみは該膜へ垂直に作用する前記圧力に比例し、かつ該膜の弾性、厚さ及びその抑制装置半径によって左右される。この場合、前記２つの電極配列接続間の抵抗はその半径、すなわち前記２つの電極配列間の接触面の大きさによって左右される。この接触面の大きさは前記スイッチング素子へ作用する前記圧力に依存しているため、該スイッチング素子の電気抵抗は該スイッチング素子へ作用する前記圧力と直接相関する。従ってかかるスイッチング素子を圧力センサとして利用することが可能である。この種の箔型スイッチング素子の一例は国際特許出願ＷＯ−Ａ−９９／３８１７９において開示されている。
【０００３】
このような圧力センサは有効なコストで製造でき、また実用場面においても強固で信頼性が高いことが分かっている。しかしながら、かかる圧力センサの電気的応答、すなわち動態はある種の利用においては不適当なものである。概略円形であるセンサの場合、機械的接触表面積の半径方向への拡がりは本質的に前記スイッチング素子へ働く力の特定の関数であり、前記接触表面面積に対しては、半径の本質的に二次方程式による依存性が取得される。それゆえ、前記力の関数としてのセンサの抵抗の態様はこの二次方程式による依存性によって決められる特性を示すため、このような特性がセンサの特定用途への使用を不適当としている。前記センサの電気的応答関数を特定の用途へ調整するため、ＷＯ−Ａ−９９／３８１７９にはさらに前記抵抗層をその電気抵抗率が前記活性部分の中心からの距離に伴って変化するように設計することが開示されている。この抵抗率の変化は前記抵抗層へ第二の材料を導入することによって達成される。
【０００４】
このような前記抵抗層の抵抗率についての特定の設計が一定種類のスイッチング素子にとって有用であることが明らかである一方、かかる抵抗層の態様ではセンサが所望の応答を行えない型式のセンサもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はより改善された電気的応答が行えるスイッチング素子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】
【０００６】
本目的は請求項１項記載のスイッチング素子により達成される。かかる型式の箔型スイッチング素子は、箔上に第一電極配列が付設された第一キャリヤ箔と、箔上に第二電極配列が付設された第二キャリヤ箔から成り、前記第一及び第二電極面が該スイッチング素子の活性部分において互いに向き合うように前記第一及び第二キャリヤ箔がスペーサーで一定間隔を空けて配置されている。少なくとも前記第二電極配列には前記第一電極配列へ対向する抵抗層が備えられている。前記スイッチング素子へ作用する圧力に応じて前記第一及び第二電極配列が一緒に圧迫されるが、これら第一及び第二電極配列間の機械的接触面の形状及び／または大きさは、加えられる圧力の量に依存する機械的応答関数によって与えられる。本発明によれば、前記抵抗層は、前記センサの電気的応答関数が前記機械的応答関数からの結合を断つように形状化されている。
【０００７】
本スイッチング素子の電気的応答関数Ｒ（ｐ）は、概略的には前記抵抗層と前記第一電極配列間の電気的接触面の形状及び／または大きさによって決まる。すなわち、前記抵抗層の形状を調整することによって前記機械的接触面と電気的接触面間の不整合が起こり、そのためにスイッチング素子の電気的応答が重大な影響を受けるのである。本発明のスイッチング素子を用いれば、前記抵抗層を適当に形状化することによって簡単に前記電気的応答関数を調整することが可能である。なお、所望の反応を得るために前記抵抗層の抵抗率も厚さも変更することは必要とされない。
【０００８】
本発明の他の実施態様においては、前記第一電極配列にも前記第二電極配列へ対向する抵抗層が備えられている。この場合、前記第一及び第二電極配列の抵抗層は、スイッチング素子の電気的応答関数が前記機械的応答関数からの結合を断つように形状化されている。この実施態様においては、スイッチング素子の所望の電気的応答関数を生ずるために前記抵抗層双方を特定の形状に形成することが可能である。なお、前記２つの抵抗層の形状は前記センサの所望の応答次第で同様であっても異なっていてもよい。
【０００９】
本発明は２つの異なる型式のスイッチング素子に関する。第一の実施態様においては、前記第一電極配列には前記スイッチング素子の前記活性部分のほぼ全面を被覆する平面電極が備えられ、他方前記第二電極配列には前記活性部分のほぼ周辺に配置された周辺電極が備えられており、該周辺電極から前記抵抗層が内側へ延びている。前記両電極配列間に電圧が加えられ、かつ、前記平面電極が第二電極配列の抵抗層へ押し付けられると、電流が前記電気的接触面周辺から前記抵抗層を通して放射状に周辺電極へ向かって流れる。この場合、スイッチング素子の抵抗は、抵抗層の非接触層、即ち、機械的接触面と周辺電極との間にある抵抗層の部分、によって決定される。前記機械的接触面の与えられた半径及び前記周辺電極の与えられた半径に対して、前記スイッチング素子の抵抗は前記抵抗層によって被覆される面とともに大きく変化し、この抵抗は被覆率が小さいほど高いことは明らかである。従って、被覆面の非被覆面に対する比率を調整することによって各圧力についての特定の抵抗、すなわち特定の応答関数Ｒ（ｐ）を得ることが可能である。
【００１０】
なお、２つの抵抗層を備えるこの第一の型式のスイッチング素子の変形においては、前記第一及び第二電極配列のそれぞれは前記活性部分のほぼ周辺に配置された周辺電極であって、該周辺電極から前記抵抗層が内側へ延びていてもよい。
【００１１】
本スイッチング素子の第二の実施態様においては、前記第一及び第二電極配列のそれぞれには該スイッチング素子の活性部分のほぼ全面を被覆する平面電極が備えられ、前記抵抗層が前記第一あるいは第二平面電極の頂部に配置されていてもよい。前記両電極配列間に電圧が加えられ、かつ前記平面電極が前記第二電極配列の抵抗層へ押し付けられると、電流が前記第一電極配列と前記抵抗層間の境界層から該抵抗層を縦に通過して該第二電極配列へ向かって流れる。本態様においては、スイッチング素子の抵抗は前記機械的接触面及び前記第二平面電極下方の抵抗材料によって決まる。この場合も同様に被覆率が小さいほど抵抗は高くなる。
【００１２】
なお、前記活性部分全体を被覆する平面電極に関して、前記第一及び第二電極間の直接接触を防止するために、前記抵抗層で被覆されていない平面電極の部分を絶縁性材料を用いて被覆してもよい。
【００１３】
スイッチング素子の型式とは無関係に、前記抵抗層には前記活性部分を横切って延びる抵抗ストリップが備えられていてもよい。この抵抗ストリップは、例えば前記キャリヤ箔上及びキャリヤ箔上へ配置された前記周辺電極上へプリントされる。本実施態様においては、前記接触面と周辺電極間の抵抗は該周辺電極の半径と該接触面の半径との差異に対してほぼ直線的に変動する。従って、対応する電気的応答関数Ｒ（ｐ）は、前記活性部分を完全に被覆する抵抗層、すなわちディスク形抵抗層の対応応答関数に比べてより直線的な挙動をとる。
【００１４】
他の実施態様においては、前記抵抗層には前記活性部分の周辺部から該活性部分の中心部へ向かって延び、かつ該活性部分の中心に向かって先細に形成された少なくとも１個の抵抗性のセクターセグメントが備えられていてもよい。この場合、輪状の増分ごとの被覆部分と無被覆部分との比は一定である。本実施態様における電気的応答関数は抵抗ディスクの電気的応答関数に類似した形状を示すが、その絶対抵抗値はディスク形抵抗層のそれよりも増加されている。なお、前記活性部分中心は必ずしも幾何学上の中心を意味するのではなくむしろ接触中心、すなわち前記第一及び第二電極配列間で最初に接触が起こる点を意味している。また、前記セクターセグメントの半径は前記活性部分の半径より短くとも、つまり前記セクターセグメントは前記中心まで延びていなくともよい。
【００１５】
前記接触面の周辺部と前記周辺電極間の電流流路長を増大させて結果的にスイッチング素子の抵抗を増大させるため、前記抵抗層にはさらに前記活性部分周辺から該活性部分中心へ向かって延びる渦形セグメントが備えられていてもよい。
【００１６】
なお、先に規定した電気的応答関数Ｒ（ｐ）を達成するため、上述した抵抗層の実施態様を組み合わせてもよい。例えば、異なる開き角及び異なる半径を有するいくつかのセクターセグメントを組み合わせれば本スイッチング素子の対応電気的応答関数のステップ関数形状が導かれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は円形スイッチング素子１０の膜モデルを概略的に示した図である。第一キャリヤ箔１２と第二キャリヤ箔１４とがスペーサー１６を用いて一定間隔を空けて配置されている。前記スペーサー１６はスイッチング素子の円形活性部分１８を取り囲んで前記膜の半径ｒＭを定めている。スイッチング素子へ作用する圧力に応じて前記キャリヤ箔１２はキャリヤ箔双方上へ配列された電極配列同士が接触するまでキャリヤ箔１４の方へ湾曲する。一旦接触が果たされると、機械的接触面２０の半径ｒｓは圧力ｐの増加とともに増加する。代表的センサ構成についての機械的応答関数ｒｓ（ｐ）が図２において符号２２で示されている。図２ではさらに接触面の拡張「速度」の導関数ｄｒ／ｄｐも示されている。この導関数のグラフは符号２４で示されている。
【００１８】
以下の説明は特に、前記第一電極配列が活性部分１８全体を被覆する導電性のディスク形電極から成り、他方前記第二電極配列がスイッチング素子の活性部分周辺に配置された導電性の環状接触電極から成る、円形スイッチング素子に関して行われている。抵抗層は前記環状接触電極から内側へ延びている。なお、非円形のスイッチング素子、あるいは前記第二電極配列が抵抗層で被覆されたディスク形電極のスイッチング素子の場合についても以下の説明は有効である。
【００１９】
本発明の実際上の主たる態様は、前記電気的応答関数Ｒ（ｐ）、すなわち抵抗対圧力のグラフを前記電極配列の抵抗層を適当に形状化することによって所定の方式で調整できることである。前記抵抗層の他のパラメーター、例えば抵抗率及び層厚は無関係である。Ｒ（ｐ）の動的挙動は、前記膜ｒＭの半径に対する前記環状接触電極の抵抗層の半径ｒＥを変化させることによってさらに最適化することが可能である。
【００２０】
図３は、本発明に係るスイッチング素子の活性部分１８のほぼ周辺に配置された半径ｒＥの環状接触電極２６を備える電極配列の実施態様を示す図である。本実施態様では、抵抗層として接触電極２６から前記円形活性部分１８を対角に通って延びる抵抗ストリップ２８が備えられている。図示された構成においては、前記膜の半径ｒＭは５ｍｍであり、前記抵抗ストリップの幅ｂは１ｍｍである。図３にはさらに２つのキャリヤ箔の機械的接触面の圧力依存半径ｒｓ（ｐ）が示されている。
【００２１】
図２に示した圧力と接触面半径の機械的応答関数ｒｓ（ｐ）との関係を仮定すれば、図４中に符号３０で示した電気的応答関数が導かれる。図４に示された異なる応答関数３０は、環状接触電極の半径ｒＥの異なる構成によるものである。比較のため、ディスク形抵抗層の電気的応答関数Ｒ（ｐ）も符号３２を付して示されている。この例によれば、抵抗ストリップの場合、従来技術によるディスク形の抵抗層に対して応答関数に大きな相違があることが示されている。さらに、本例では、前記接触電極２６の半径ｒＥを変えることによってスイッチング素子の動作がさらに最適化できることが示されている。抵抗ストリップをさらに設けることにより、抵抗の絶対値を減じることが可能であることが理解されよう。
【００２２】
前記電極配列のさらに他の実施態様を図５に示す。この実施態様による抵抗層には３０°の開き角をもつ２つのセクターセグメント３４が備えられている。対応する電気的応答関数Ｒ（ｐ）は図６に符号３６で示されている。この関数の相対的挙動はディスク形抵抗層の応答関数３２のそれに対応しているものの、その絶対抵抗値は被覆率（被覆部分／無被覆部分）が小さいために高くなっている。異なる接触電極半径ｒＥに対応する応答関数を表すグラフ３８及び４０から、接触電極２６半径ｒＥを減じることによって応答関数の挙動を最適化できることが示されている。
【００２３】
図６は比較のために、前記角セグメントの開き角が６０°である一実施態様の前記電気的応答関数４２をも示している。このグラフ４２の形状はグラフ３６の形状に類似している。この実施態様では被覆率が高いため、開き角が３０°である実質態様の場合よりも前記抵抗値が小さくなっている。
【００２４】
前記抵抗層の幾何学的構造は圧力の増加に伴った抵抗の減少速度を直接的に制御することをさらに可能としている。ディスク形抵抗層の結果としての抵抗Ｒ（ｐ）は前記機械的接触面の半径の圧力依存性ｒｓ（ｐ）と直接的に相関している。標準的センサ構成における圧力に伴った半径ｒｓの極めて速い増加及び２つの膜間の最初の接触部位におけるこの動作の急激な動態が図２に示されている。ディスク形抵抗層を備える従来型センサを用いた場合、有効センサ抵抗はほぼ同速度で減少する。この問題を解消するために、本発明のさらに別の実施態様では、「角速度」ω＝ｒ＊（ｄｒ／ｄｐ）でもって前記接触面２０の半径方向への発達を接線方向へ回避させるウェブ状（巻き糸状）の抵抗被覆加工が施されている。移動への異なる接線方向の寄与ＶＴ／ＶＲ（ＶＴ：接線方向速度、ＶＲ：半径方向速度）に関して渦形セグメント４４、４６及び４８が図７に示されている。
【００２５】
図８は異なる渦形態ごとの抵抗と接触面半径との相関を表すグラフを図３の前記抵抗ストリップ２８の挙動及びディスク形の従来型デザインと比較して示した図である。グラフ５０は渦形セグメント４４に対応し、グラフ５２は渦形セグメント４６に対応し、及びグラフ５４は渦形セグメント４８に対応している。抵抗ストリップ及びディスク形層についての抵抗の挙動はそれぞれ符号５６及び５８で示されている。渦形のデザインの場合、他のデザインに比べて半径に対する抵抗の反応特性がよりよく示されていると認められよう。この反応特性の利点は図９に示した圧力に対する抵抗の表示、すなわち電気的応答関数から明らかである。渦形デザイン４６及び４８の電気的応答関数６０及び６２がディスク形抵抗層の応答関数３２とともにプロットされている。ディスク形層と対称的に、渦形セグメントは圧力の大きい範囲において直線に近い挙動を示している。
【００２６】
異なる環状部分の組合せから成る抵抗層によってステップ関数形状の電気的応答関数Ｒ（ｐ）を達成することが可能である。かかる抵抗層のデザインを図１０に示す。このデザインでは、１５°の開き角をもち前記周辺電極２６から前記活性部分中心へ延びる第一セクターセグメント６４と、３０°及び６０°の開き角をそれぞれもつ２つの環状部分６６及び６８が設けられている。このセクターセグメント６６及び６８は前記周辺接触電極２６から内側へ延びており、それらの半径方向の寸法はセクターセグメント６４よりも短くなっている。圧力の増加に伴って前記機械的接触面が発達することによって異なる抵抗セグメントが逐次平行化されていく。このような抵抗の平行化により本スイッチング素子の各電気的応答関数の段階化がもたらされる。図１１は図１０の実施態様による応答関数を示しており、本図には１５°の開き角をもつ一つの単純なセクターセグメント６４の場合、応答関数が参考的にプロットされている。
【００２７】
本発明に係るスイッチング素子が利用される限りにおいて、前記抵抗層にはさらに他の実施態様が可能である。図１２に、かかる例示として、ハート形デザイン（ａ）の抵抗層７０及び三角法分布（ｂ）の抵抗層７２を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
以下に説明した添付図面を参照した上記の非限定的な説明に基づいて本発明はより明らかにされる。
【図１】本発明による円形スイッチング素子の膜モデルを示した図である。
【図２】機械的接触面の半径と圧力との関係をグラフで表した図である。
【図３】抵抗層に抵抗ストリップが備えられた第二電極配列の実施態様を示した図である。
【図４】図３の電極配列を備えたスイッチング素子の電気的応答関数を示した図である。
【図５】抵抗層に２つのセクターセグメントが備えられた第二電極配列の実施態様を示した図である。
【図６】図５の電極配列を備えたスイッチング素子の電気的応答関数を示した図である。
【図７】抵抗層に数個の渦形セグメントが備えられた第二電極配列の実施態様を示した図である。
【図８】抵抗と接触面の半径との関係をグラフで表した図である。
【図９】図７の電極配列を備えたスイッチング素子の電気的応答関数を示した図である。
【図１０】抵抗層に開き角及び半径方向の寸法が異なる数個のセクターセグメントが備えられた第二電極配列の実施態様を示した図である。
【図１１】図１０の電極配列を備えたスイッチング素子の電気的応答関数を示した図である。
【図１２】抵抗層のさらに可能な２つの実施態様を示した図である。
【図１】
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【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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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年8月13日(2003.8.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
箔上に第一電極配列が付設された第一キャリヤ箔と箔上に第二電極配列が付設された第二キャリヤ箔を備える箔型スイッチング素子であって、前記第一及び第二キャリヤ箔は前記スイッチング素子の活性部分においてスペーサーを用いて一定の間隔を空けて互いに向き合うように配置され、少なくとも前記第二電極配列には前記第一電極配列へ対向する抵抗層が備えられ、前記第一及び第二電極配列は前記スイッチング素子へ作用する圧力に応じて一緒に圧迫され、前記第一及び第二電極配列間の機械的接触面の形状及び／または大きさは加えられる圧力の量に依存する機械的応答関数によって定まり、及び前記抵抗層はセンサの電気的応答関数が前記機械的応答関数と異なるように形状化されていることを特徴とする前記箔型スイッチング素子。
【国際調査報告】
2004532418.tif 000035
2004532418.tif 000036
2004532418.tif 000037