(57)【要約】【課題】コストの増大を抑制しつつ、圧力−静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪化を抑制することができる感圧センサを実現する。【解決手段】感圧センサは、表面が誘電部材４によって覆われた固定電極７と、外部からの圧力を受けることにより表面が誘電部材４の表面に部分的に接し、その圧力の大きさに応じた静電容量を固定電極７との間に生じる可動電極６とを備える。そして、誘電部材４は、固定電極７側の層を形成する下層膜４ａと、下層膜４ａの表面よりも表面粗さの小さい表面を有し、下層膜４ａを覆うように配置されたシート状の上層膜４ｂとからなっている。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が誘電部材によって覆われた第１電極と、
外部からの圧力を受けることにより表面が前記誘電部材の表面に部分的に接し、その圧力の大きさに応じた静電容量を前記第１電極との間に生じる第２電極とを備え、
前記誘電部材は、前記第１電極側の層を形成する基材と、前記基材の表面よりも表面粗さの小さい表面を有し、前記基材を覆うように配置されたシート状の被覆部材とからなることを特徴とする感圧センサ。
【請求項２】
前記被覆部材の前記第２電極側の表面は、表面粗さＲａ＝０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の感圧センサ。
【請求項３】
前記被覆部材は、その剛性が前記基材の剛性よりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の感圧センサ。
【請求項４】
表面が誘電部材によって覆われた第１電極と、
外部からの圧力を受けることにより表面が前記誘電部材の表面に部分的に接し、その圧力の大きさに応じた静電容量を前記第１電極との間に生じる第２電極とを備え、
前記誘電部材の前記第２電極側の表面は、表面粗さＲａ＝０．１μｍ以下の誘電体シートによって構成されていることを特徴とする感圧センサ。
【請求項５】
前記第１電極は、前記誘電部材における前記第２電極とは反対側の面に密着するように形成された導電体からなることを特徴とする請求項４に記載の感圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量の変化によって圧力を検出する感圧センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、圧力を測定するセンシング方式としては、歪み抵抗素子を利用したセンシング方式の他に、静電容量素子を利用したセンシング方式が知られている。静電容量素子を利用したセンシング方式では、センサ素子の構造が上記歪み抵抗素子に比べて簡素であるため、多額の製造コストを要する半導体製造プロセスを利用することなく安価に製作できるというメリットがある。
【０００３】
この静電容量素子を利用したセンシング方式としては、例えば、非特許文献１に記載の触覚センサや、非特許文献２に記載の触覚センサがある。これらは、センシング面に静電容量素子がアレイ状に配置された圧力センサであるため、圧変動波形の測定に適している。
【０００４】
以下においては、上記非特許文献２に記載の触覚センサについて詳細に説明する。図１３は、上記非特許文献２に記載の触覚センサの圧力検知部の外観斜視図であり、図１４は、図１３に示す圧力検知部の分解斜視図である。図１５（ａ）は、図１３に示す圧力検知部を上方から見た場合の平面図であり、図１５（ｂ）は、静電容量素子のレイアウトを示す模式図である。図１６は、図１３に示す圧力検知部を含む触覚センサの回路構成図である。
【０００５】
図１３および図１４に示すように、上記非特許文献２に記載の触覚センサ１Ｅは、下部電極１１と上部電極２１とスペーサ部材３１とを主に備える。下部電極１１は、互いに並走するように行状に設けられた実質的に直線状に延びる複数の帯状銅箔電極からなる。上部電極２１は、上記下部電極１１と直交する方向に互いに並走するように列状に設けられた実質的に直線状に延びる複数の帯状銅箔電極からなる。これら下部電極１１および上部電極２１の間には、シリコンラバーからなるスペーサ部材３１が配置されている。
【０００６】
行列状に配置された下部電極１１および上部電極２１の交差部においては、スペーサ部材３１によって所定の距離をもって下部電極１１の一部と上部電極２１の一部とが対向配置される。これにより、この交差部においてセンサ素子としての静電容量素子４１（図１５（ａ）参照）が形成される。
【０００７】
図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、上記構成の触覚センサ１Ｅにおいては、圧力検知部を平面的に見た場合に、静電容量素子４１がアレイ状に整列して配置されることになる。個々の静電容量素子４１は、上部電極２１または下部電極１１に加わる圧力によって互いに接近する方向に歪むことにより、その静電容量が変化する。
【０００８】
そこで、図１６に示すように、行列状に配置される下部電極１１または上部電極２１の一方の電極にマルチプレクサ５０を介して電源６０を接続し、他方の電極に同じくマルチプレクサ５０を介して検出器７０を接続した回路構成とし、マルチプレクサ５０によって特定の下部電極１１および上部電極２１を選択することにより、アレイ状に配置された静電容量素子４１のうちの１の静電容量素子の静電容量を検出器７０を介して得ることが可能になる。たとえば、図１６において、上から２行目の下部電極１１と左から３列目の上部電極２１とを選択した場合には、符号４１で示す１の静電容量素子の静電容量が出力される。したがって、触覚センサ１Ｅのセンサ面の任意の位置における圧力を測定することが可能になる。
【０００９】
しかしながら、上記触覚センサ１Ｅのように、個々の静電容量素子４１において、上部電極２１または下部電極１１に加わる圧力によってこれらが互いに接近する方向に歪むことによりその静電容量が変化する構成では、ある圧力範囲における静電容量の変化は限定されてしまう。このことは、特に、比較的小型のセンサにおいて顕著である。
【００１０】
これに対し、特許文献１に開示された感圧コンデンサ２００では、図１７（ａ）から図１７（ｃ）に示すように、コンデンサの極板の実効面積の変化によって静電容量の変化を実現しており、これにより静電容量変化範囲をより広くしている。
【００１１】
この感圧コンデンサ２００は、支持面２１０ａを有する薄くて平らな板状の非導電性基板２１０と、支持面２１０ａに形成され、当該感圧コンデンサ２００の一方の極板を構成する導電膜２１２と、この導電膜２１２を覆うように厚膜技術によって形成されたガラス材料からなる誘電体膜２１４と、可撓性を有し、当該感圧コンデンサ２００の他方の極板を構成する導電性のダイアフラム２１６と備えている。
【００１２】
この感圧コンデンサ２００では、ダイアフラム２１６にかかる圧力差がその圧力差範囲の下限にあるときには、図１７（ａ）に示すように、誘電体膜２１４とダイアフラム２１６との接触面積は比較的小さく、ダイアフラム２１６にかかる圧力差が大きくなると、図１７（ｂ）、図１７（ｃ）に示すように、ダイアフラム２１６が変形することにより誘電体膜２１４とダイアフラム２１６との接触面積が広くなっていく。このようにして、コンデンサの極板の実効面積の変化が実現される。
【特許文献１】特開昭５１−１２５８５８号公報（１９７６年１１月２日公開）
【特許文献２】特表平１０−５０９２４１号公報（１９９８年９月８日公開）
【非特許文献１】R.S. Fearing, "Tactile Sensing Mechanisms", The International Journal of Robotics Research, June 1990, Vol.9, No.3, pp.3-23
【非特許文献２】D.A.Kontarinis et al., "A Tactile Shape Sensing and Display System for Teleoperated Manipulation", IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1995, pp.641-646
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来の感圧コンデンサでは、厚膜技術により、すなわち、ペースト状にした粉体を、導電膜を覆うように印刷し、乾燥、焼成することにより誘電体膜が形成されていることから、形成される誘電体膜２１４の表面粗さ及びそのバラツキが比較的大きくなってしまう。例えば、表面粗はＲａ（中心線平均粗さ）＝０．５μｍ程度となる。
【００１４】
その結果、固体間、あるいは同一固体においても電極と誘電体膜との接触部位に応じて、電極と誘電体膜との間に介在する微小な空気層の大きさにバラツキが生じる。このことは、圧力−静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪化を招来することになる。この問題は、特に電極面積を小さくするほど顕著となる。
【００１５】
なお、従来、特許文献２に開示されているように、ガラスからなる厚さ０．３〜３．０μｍの誘電体膜をスパッタリングによって形成する技術も知られているが、この技術では、表面粗さを小さくすることができたとしても、スパッタリングを用いていることから製造コストが高くなってしまう。特に、感圧面積を広範囲にするためには、コストの増大が顕著である。
【００１６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストの増大を抑制しつつ、圧力−静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪化を抑制することができる感圧センサを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る感圧センサは、上記課題を解決するために、表面が誘電部材によって覆われた第１電極と、外部からの圧力を受けることにより表面が前記誘電部材の表面に部分的に接し、その圧力の大きさに応じた静電容量を前記第１電極との間に生じる第２電極とを備え、前記誘電部材は、前記第１電極側の層を形成する基材と、前記基材の表面よりも表面粗さの小さい表面を有し、前記基材を覆うように配置されたシート状の被覆部材とからなることを特徴としている。
【００１８】
上記構成では、第２電極は、外部からの圧力を受けることにより表面が誘電部材の表面に部分的に接する。そして、上記圧力に応じた静電容量が、誘電部材を介して第１電極と第２電極との間に生じる。この静電容量に基づくことにより、上記圧力の大きさを検知することができる。
【００１９】
ここで、上記構成では、誘電部材は、第１電極側の層（下層）を形成する基材と、基材の表面よりも表面粗さの小さい（つまり、平滑性のある）表面を有する被覆部材とからなっている。これにより、誘電部材が基材のみで構成されている場合と比較して、第２電極と誘電部材との間に介在する微小な空気層の大きさのバラツキを抑えることができる。その結果、圧力−静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪化を抑制することができる。
【００２０】
さらに、上記被覆部材は基材を覆うように配置されたシート状の部材である。これにより、スパッタリング等のコストのかかる手法を用いることなく、単にシート状の部材を基材表面に配置することによって上記被覆部材を構成することができる。その結果、コストの増大を抑制することができる。
【００２１】
このように、上記構成では、コストの増大を抑制しつつ、圧力−静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪化を抑制することができる。
【００２２】
本発明に係る感圧センサは、上記感圧センサにおいて、前記被覆部材の前記第２電極側の表面は、表面粗さＲａ＝０．１μｍ以下であることが望ましい。
【００２３】
上記構成では、圧力−静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪化を、特に効果的に抑制することができる。
【００２４】
本発明に係る感圧センサは、上記感圧センサにおいて、前記被覆部材は、その剛性が前記基材の剛性よりも高いことが望ましい。
【００２５】
上記構成では、被覆部材に表面保護機能をもたせることができ、誘電部材の屈曲耐久性を向上させることができる。
【００２６】
本発明に係る感圧センサは、上記課題を解決するために、表面が誘電部材によって覆われた第１電極と、外部からの圧力を受けることにより表面が前記誘電部材の表面に部分的に接し、その圧力の大きさに応じた静電容量を前記第１電極との間に生じる第２電極とを備え、前記誘電部材の前記第２電極側の表面は、表面粗さＲａ＝０．１μｍ以下の誘電体シートによって構成されていることを特徴としている。
【００２７】
上記構成では、第２電極は、外部からの圧力を受けることにより表面が誘電部材の表面に部分的に接する。そして、上記圧力に応じた静電容量が、誘電部材を介して第１電極と第２電極との間に生じる。この静電容量に基づくことにより、上記圧力の大きさを検知することができる。
【００２８】
ここで、上記構成では、誘電部材の第２電極側の表面は、表面粗さＲａ＝０．１μｍ以下である。これにより、第２電極と誘電部材との間に介在する微小な空気層の大きさのバラツキを抑えることができる。その結果、圧力−静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪化を抑制することができる。
【００２９】
さらに、上記誘電部材の第２電極側の表面は、誘電体シートによって構成されている。これにより、スパッタリング等のコストのかかる手法を用いることなく、単にシート状の部材を配置することによって上記誘電部材の第２電極側の表面を構成することができる。その結果、コストの増大を抑制することができる。
【００３０】
このように、上記構成では、コストの増大を抑制しつつ、圧力−静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪化を抑制することができる。
【００３１】
本発明に係る感圧センサは、上記感圧センサにおいて、前記第１電極は、前記誘電部材における前記第２電極とは反対側の面に密着するように形成された導電体からなることが望ましい。
【００３２】
上記構成では、第１電極は、誘電部材における第２電極とは反対側の面に密着するように形成された導電体からなっているので、第１電極と誘電部材との間に他の層が介在していない。したがって、第１電極と第２電極との間に生じる静電容量をより大きくすることができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係る感圧センサは、以上のように、誘電部材は、第１電極側の層を形成する基材と、基材の表面よりも表面粗さの小さい表面を有し、基材を覆うように配置されたシート状の被覆部材とからなる構成である。
【００３４】
また、本発明に係る感圧センサは、以上のように、誘電部材の第２電極側の表面は、表面粗さＲａ＝０．１μｍ以下の誘電体シートによって構成されている構成である。
【００３５】
上記構成では、コストの増大を抑制しつつ、圧力−静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪化を抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明の一実施形態について、図面を用いて説明すると以下のとおりである。なお、アレイ型静電容量式センサは、静電容量の変化によって物理量を検出するセンサとして様々な分野に適用可能であるが、本実施の形態では、その一例として、生体における動脈内圧の波形を測定する場合を例に挙げて説明する。
【００３７】
初めに、本実施形態のアレイ型静電容量式センサの概要について、簡単に説明する。
【００３８】
本実施形態のアレイ型静電容量式センサは、例えば、生体の体表面に押圧することにより、動脈内圧の圧変動波形を測定できるものであって、押圧時において、動脈の延在方向と略直交する方向に直線状に延びるように互いに並行して配置される３行の固定電極を有する固定電極側基板と、上記固定電極と所定の距離をもって対向配置され、上記固定電極の延在方向と交差する方向に延びるように互いに並行して配置される２４列の可動電極を有する可動電極側基板と、上記３行の固定電極と上記２４列の可動電極との交差部において形成される７２個の静電容量素子とを備えている。また、上記２４列の可動電極は、それぞれの間にスリットが設けられており、可動電極側基板に印加される圧力に対して、独立して変形する構成である。
【００３９】
一般的に、動脈内圧の波形の測定に用いられるアレイ型静電容量式センサは、生体の体表面に押圧するために、上方から空気袋等により圧力が加えられる。これにより、上記可動電極側基板を被験者の測定部位の形状（凹凸）に沿うように密着させて、上記静電容量素子の静電容量を検出することによって、動脈内圧を測定することができる。
【００４０】
以下に、本実施の形態におけるアレイ型静電容量式センサ（感圧センサ）の詳細な構成について説明する。
【００４１】
図１は、本発明の実施の形態１におけるアレイ型静電容量式センサの分解斜視図であり、図２は、上記アレイ型静電容量式センサをａ−ａ方向から見た部分断面図である。図１および図２に示すように、アレイ型静電容量式センサ１は、可動電極側基板２と、スペーサ３と、誘電部材４と、固定電極側基板５とを備えている。
【００４２】
可動電極側基板（第２基板）２は、検出面（ここでは生体の体表面）に接触して、測定対象となる動脈内圧を受け取るものであり、上記検出面とは反対側に、可撓性を有するシート状の可動電極（第２電極）６を備えると共に、可動電極６の両端部には、コネクタ接続部２ａが設けられている。可動電極側基板２は、例えば、絶縁性のあるガラス−エポキシ基板、ポリイミドフィルム、ＰＥＴフィルム、エポキシ樹脂フィルム等で構成されている。可動電極側基板２および可動電極６の詳細については後述する。
【００４３】
固定電極側基板（第１基板）５は、可動電極側基板２における上記検出面とは反対側に、該可動電極側基板２と対向配置され、固定電極（第１電極）７を備えると共に、固定電極７の端部には、コネクタ接続部５ａが設けられている。固定電極側基板５は、可動電極側基板２と同様、例えば、絶縁性のあるガラス−エポキシ基板、ポリイミドフィルム、ＰＥＴフィルム、エポキシ樹脂フィルム等で構成されている。固定電極側基板５および固定電極７の詳細については後述する。
【００４４】
スペーサ３は、シリコンラバー等からなるものであり、可動電極側基板２および固定電極側基板５との間に所定の距離（ギャップ）を確保するよう配置される。可動電極側基板２と固定電極側基板５との間のギャップ（空間）の保持を行うことによって、可動電極６と固定電極７との間のギャップの保持を行っている。上記ギャップの大きさは、アレイ型静電容量式センサ１で検出しようとする物理量の大きさの幅と可動電極側基板２の変形量に応じて任意に設定されるものである。スペーサ３の詳細については後述する。
【００４５】
誘電部材４は、可動電極側基板２の可動電極６および固定電極側基板５の固定電極７の接触による短絡を防ぐものであると共に、静電容量を増大させるものである。なお、誘電部材４の詳細については後述する。
【００４６】
ここで、可動電極側基板２、固定電極側基板５およびスペーサ３の詳細な構成について図３を用いて説明する。
【００４７】
図３（ａ）は、可動電極側基板２を可動電極６側から見た平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の部分拡大図であり、図３（ｃ）は、可動電極側基板２を検出面側（裏面）から見た平面図である。なお、本実施形態および後述する各実施形態において、可動電極６を形成する複数の帯状電極の延在方向をＹ方向とし、Ｙ方向に直交し可動電極側基板２面に平行する方向をＸ方向と仮定する。
【００４８】
可動電極６は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、Ｙ方向に２４行の直線状に延びる帯状電極からなり、互いに等間隔をあけて並行するように配置されている。なお、本実施形態では、可動電極６は、２４行の帯状電極としているが、これに限定されるものではなく、少なくとも２行以上であればよい。また、可動電極６は、スパッタリング法、蒸着法またはエッチング法を用いて銅箔等により可動電極側基板２上に形成されるものであり、検出面から受ける圧力に応じて、可動電極側基板２の変形に伴って変形できる構成である。それぞれの帯状電極は、その端部において、１２ｃｈ用の２つのコネクタ接続部２ａのいずれかに接続されている。
【００４９】
可動電極側基板２には、図３（ｂ）（ｃ）に示すように、上記の２４行の直線状に延びる帯状電極における互いの隙間に対応して、複数のスリット（基板スリット部）２ｂが直線状に並行して設けられている。これにより、可動電極側基板２が検出面から圧力を受けたとき、可動電極６を構成するそれぞれの帯状電極は、隣接する帯状電極とは独立して変形することが可能となる。
【００５０】
図４（ａ）は、固定電極側基板５を固定電極７側から見た平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の部分拡大図であり、図４（ｃ）は、固定電極側基板５を固定電極７が設けられていない側（裏面）から見た平面図である。
【００５１】
固定電極７は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、Ｘ方向に３列の直線状に延びる帯状電極からなり、互いに等間隔をあけて並行するように配置されている。なお、本実施形態では、固定電極７は、３列の帯状電極としているが、これに限定されるものではなく、少なくとも２列以上であればよい。また、固定電極７は、スパッタリング法、蒸着法またはエッチング法を用いて銅箔等により固定電極側基板５上に形成されるものであり、検出面から受ける圧力の影響を受けない構成である。それぞれの帯状電極は、その端部において、３ｃｈ用のコネクタ接続部５ａに接続されている。
【００５２】
図５は、スペーサ３を上方から見た場合の平面図である。スペーサ３は、上記可動電極側基板２および固定電極側基板５の間に配置されて、両者の間の距離を一定に保つものである。また、スペーサ３には、固定電極７を覆わないように、固定電極７の配置に応じてＸ方向に直線状に３列の開口部（スペーサ開口部）３ａが設けられている。開口部３ａの幅および長さは、固定電極７の幅および長さと同一であるか、またはそれよりも大きいことが好ましい。
【００５３】
次に、上述の構成部材からなるアレイ型静電容量式センサ１の組み立て方法について説明する。
【００５４】
図１に示すように、可動電極６を有する可動電極側基板２と固定電極７を有する固定電極側基板５とは、上方から見て、それぞれの帯状電極すなわち２４行の帯状電極と３列の帯状電極とが交差するように積層される。また、スペーサ３は、該スペーサ３の開口部３ａと固定電極側基板５の固定電極７とが合致するように、可動電極側基板２と固定電極側基板５との間に配置される。なお、可動電極側基板２と固定電極側基板５との間には、スペーサ３の他、誘電部材４が配置される。
【００５５】
上記のように組み立てられたアレイ型静電容量式センサ１において、行列状に配置された可動電極６および固定電極７の交差部では、可動電極６と固定電極７とがシリコンラバー等からなるスペーサ３によって所定の距離（たとえば１００μｍ程度）が保持され、空間領域が形成される。これにより、可動電極６の一部と固定電極７の一部とが、空間領域を介在して対向して配置されることになり、この交差部においてセンサ素子としての静電容量素子が形成される。本実施形態のアレイ型静電容量式センサ１では、３行×２４列の電極により合計７２個の静電容量素子が形成される。
【００５６】
次に、アレイ型静電容量式センサ１の使用方法および原理について説明する。図６は、アレイ型静電容量式センサ１を被験者の体表面（例えば、手首）に装着した場合において、可動電極側基板２を模式的に示す図である。
【００５７】
アレイ型静電容量式センサ１は、図６に示すように、可動電極側基板２の直線状のスリット２ｂの長手方向と被験者の動脈１００の延在方向とが略一致するように、可動電極側基板２における可動電極６が設けられる面とは反対側の面を手首に押圧して装着される。なお、可動電極側基板２を手首に密着させるべく、固定電極側基板５の上方から空気袋１ａ（図７（ｂ）参照）により押圧力が加えられる。このように可動電極側基板２が検出面（手首）１ｂ（図７（ｂ）参照）に押圧して装着されるため、可動電極側基板２および可動電極６は、手首の形状に沿って変形することになる。このとき、可動電極側基板２には、可動電極６を構成する帯状電極と並行してスリット２ｂが設けられているため、従来のように装着時の変形によりそれぞれの帯状電極に圧縮応力および引張応力が働くことはない。
【００５８】
これにより、静電容量素子を形成する可動電極６は、手首からの動脈内圧を受けることにより、固定電極７側に変形する。そして、可動電極６が変形することにより、可動電極６と固定電極７との間の距離が変化し、静電容量（帯電する電気量）が変化する。変化した静電容量を電圧に変換することによって、可動電極側基板２に加わる圧力を検出することができる。
【００５９】
このように、本実施形態におけるアレイ型静電容量式センサ１では、可動電極側基板２の直線状のスリット２ｂの長手方向と被験者の動脈１００の延在方向とが略一致するように、可動電極側基板２を検出面１ｂに装着した場合に、可動電極６を構成する帯状の電極は、検出面１ｂの形状に沿ってそれぞれ独立して変形することになる。したがって、アレイ型静電容量式センサ１に形成される複数の静電容量素子は、互いに変形の影響を及ぼすことがない。この点について、図７および図８を用いてさらに詳細に説明する。
【００６０】
図７は、静電容量素子を模式的に示す図であり、図７（ａ）は従来のアレイ型静電容量式センサにおける静電容量素子を模式的に示す分解斜視図であり、図７（ｂ）は従来のアレイ型静電容量式センサを検出面１ｂに装着した場合における静電容量素子を模式的に示す横断面図であり、図８（ａ）は本実施形態のアレイ型静電容量式センサ１における静電容量素子を模式的に示す分解斜視図であり、図８（ｂ）は本実施形態のアレイ型静電容量式センサ１を検出面１ｂに装着した場合における静電容量素子を模式的に示す横断面図である。図７（ａ）および図８（ａ）には、動脈の延在方向（図中矢印Ｘ方向）に隣接する可動電極６ａおよび６ｂと、Ｘ方向に直交する方向（図中矢印Ｙ方向）に隣接する可動電極６ａおよび６ｃが示されている。なお、可動電極６ａ，６ｂ，６ｃに対応する静電容量素子（図示せず）をそれぞれ静電容量素子ａ，ｂ，ｃと表す。
【００６１】
従来のアレイ型静電容量式センサでは、アレイ型静電容量式センサ１を被験者の手首に押圧して装着したとき、それぞれの帯状電極が１枚の連続的な可動電極側基板２に配置されているため、複数の帯状電極が検出面（手首）１ｂの凹凸部に沿って変形する。具体的には、図７（ｂ）に示すように、手首の凹部に接触する部分の静電容量素子ａでは、可動電極６ａに隣接する可動電極６ｃにより該可動電極６ａに引張応力が働き、また固定電極７ａには圧縮応力が働く。これにより、可動電極６ａおよび固定電極７ａの間の距離が小さくなるため、静電容量素子ａの静電容量が変動し、アレイ型静電容量式センサ１を手首に装着させない平常状態もしくは平面装着時と比べて、初期出力が増大する。また、測定時には常に上記応力が働いた状態となるため、検出面（手首）１ｂからの圧力（脈圧）に対する静電容量の変化が小さくなる、つまり、静電容量素子ａの応答性が悪くなり、アレイ型静電容量式センサ１の感度が悪くなる。このように、従来のアレイ型静電容量式センサでは、脈圧を受け取る静電容量素子ａが、隣接する静電容量素子ｃの影響を受けるため、正確で安定した圧力測定ができない。
【００６２】
これに対して、本実施形態におけるアレイ型静電容量式センサ１では、可動電極側基板２において帯状電極の間に直線状のスリット２ｂが設けられ、該スリット２ｂの長手方向と被験者の動脈の延在方向（図中矢印Ｘ方向）とが略一致するように、アレイ型静電容量式センサ１が被験者の手首に装着されるため、複数の可動電極６は手首の凹凸部に沿って独立して変形する。具体的には、図８（ｂ）に示すように、空気袋１ａにより押圧された部分の静電容量素子ａでは、可動電極６ａが、隣接する可動電極６ｃとは分離された状態で独立している。そのため可動電極６ａには、可動電極６ｃによる引張応力は働かない。したがって、アレイ型静電容量式センサ１を凹凸面に装着した場合でも、静電容量素子ａおよびｃの関係は、平面装着状態と同じ環境、すなわち静電容量素子ａおよびｂと同じ関係となる。つまり、アレイ型静電容量式センサ１を屈曲部や湾曲部等の凹凸面に装着したとしても、見かけ上の変形が生じるだけで、静電容量素子ａ〜ｃは、アレイ型静電容量式センサ１を凹凸面に装着していない状態と同一となる。したがって、従来のように初期出力の増大が起こらず、正確で安定した圧力測定が可能となる。
【００６３】
また、上述のようにアレイ型静電容量式センサ１の装着時でも、隣接する静電容量素子ａおよびｃは互いに、可動電極側基板２および可動電極６の変形の影響を受けないため、従来のアレイ型静電容量式センサに比べてクロストークを低減することができる。
【００６４】
以上のように、本実施形態のアレイ型静電容量式センサ１は、可動電極６の延在方向およびスリット２ｂの延在方向と、被験者の動脈の延在方向とが略一致するように装着する構成としている。すなわち、スリット２ｂは、アレイ型静電容量式センサ１の装着時において、可動電極側基板２の屈曲方向に略直交する方向に設けられている。上記屈曲方向とは、アレイ型静電容量式センサ１を被験者の手首に装着する際に折れ曲がる方向であり、動脈の延在方向とは略直交する方向である。このように、可動電極６間のスリット２ｂが上記屈曲方向に直交するようにアレイ型静電容量式センサ１を装着することによって、スリット２ｂの効果すなわち可動電極６の独立した変形効果を増大させることができる。
【００６５】
なお、アレイ型静電容量式センサ１は上記の構成に限定されるものではなく、例えば、可動電極６の延在方向およびスリット２ｂの延在方向と、被験者の動脈の延在方向とが互いに略直交する方向に装着する構成としてもよい。この構成とした場合であっても、可動電極６ａおよび可動電極６ｃの間にはスリット２ｂが介在しているため、可動電極６ａおよび可動電極６ｃは互いに変形の影響を受けることがない。したがって、従来のように初期出力の増大が起こらず、正確で安定した圧力測定が可能となる。
【００６６】
このように、本実施形態におけるアレイ型静電容量式センサ１は、複数の静電容量素子がそれぞれ独立して変形できる構成であることが好ましい。具体的には、隣接する２つの静電容量素子の間には、可動電極６側にスリット２ｂが設けられている、または、スペーサ３が設けられていることが好ましい。
【００６７】
次に、上記アレイ型静電容量式センサにおける誘電部材４について説明する。
【００６８】
従来、誘電部材としては、厚膜技術により、すなわち、ペースト状にした粉体を、導電膜を覆うように印刷し、乾燥、焼成することにより形成されたものが用いられていた。しかしながら、このようにして形成された誘電部材は、表面粗さ及びそのバラツキが比較的大きくなってしまう。例えば、表面粗はＲａ＝０．５μｍ程度となる。
【００６９】
その結果、製造されるアレイ型静電容量式センサの個体間、あるいは同一固体においても電極と誘電部材との接触部位に応じて、電極と誘電部材との間に介在する微小な空気層の大きさにバラツキが生じる。このことは、圧力−静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪化を招来することになる。この問題は、特に電極面積を小さくするほど顕著となる。
【００７０】
そこで、本実施形態のアレイ型静電容量式センサでは、図９に示すように、下層膜（基材）４ａ上に、当該下層膜４ａの表面よりも表面粗さの小さい表面を有する上層膜（被覆部材）４ｂを、貼り付けるあるいは単に積層することによって配置することにより、誘電部材４を構成することとした。
【００７１】
ここで、下層膜４ａは、エポキシ樹脂にセラミック材料（例えばチタン酸バリウム等）を配合した材料（誘電体フィルム）によって形成されている。この下層膜４ａの表面粗さは、例えばＲａ＝０．５μｍ程度と比較的大きい。なお、下層膜４ａは、ラミネート工程、スクリーン印刷、電着塗装等によって形成することもできる。
【００７２】
そして、上層膜４ｂは、シート状に形成され、膜厚４μｍ程度、表面粗さＲａ＝０．１μｍ以下のアラミドフィルムによって形成されている。なお、上層膜４ｂは、ポリイミドフィルム、エポキシ樹脂フィルム等のエポキシ系フィルム、ＰＰＳフィルム等のフィルムによって形成することもできる。これらによっても表面粗さＲａ＝０．１μｍ以下を実現することができる。
【００７３】
また、出力感度をできるだけ大きくするために、下層膜４ａは、比誘電率３０以上の高誘電体であることが望ましい。なお、上記エポキシ樹脂にセラミック材料を配合した材料によって形成された下層膜４ａの比誘電率は３０程度、上記アラミドフィルムによって形成された上層膜４ｂの比誘電率は３．５程度である。
【００７４】
上層膜４ｂの比誘電率についても高い方が望ましいが、高誘電材料を含む膜を用いた場合には、薄膜化により表面粗さが悪くなる傾向にある。そのため、上層膜４ｂについては、比誘電率の低いものを用いてもよく、その場合には膜厚を薄くすることにより出力感度を拡大するようにすればよい。
【００７５】
下層膜４ａと上層膜４ｂとの接着は、下層膜４ａにおける上層膜４ｂとの接着面に粘着性をもたせることにより実現することができる。そのためには、下層膜４ａとして半硬化品状態のものを用い、上層膜４ｂを配置した後に本硬化工程を行うようにすればよい。これにより、別途接着層を設けることを省くことができる。
【００７６】
また、上層膜４ｂは、下層膜４ａよりも剛性の高いものを用いることが望ましい。これにより、上層膜４ｂに表面保護機能をもたせることができ、誘電部材４の屈曲耐久性を向上させることができるからである。具体的には、上記エポキシ樹脂にセラミック材料を配合した材料によって形成された下層膜４ａの剛性は引張強度６０ＭＰａ程度であるのに対し、上記アラミドフィルムによって形成された上層膜４ｂの剛性は引張強度６００ＭＰａ程度と、高くなっている。上層膜４ｂの剛性としては、引張強度５００ＭＰａ以上が好適である。
【００７７】
上記構成のアレイ型静電容量式センサにおける、圧力変化に対する容量変化の測定結果を図１０に示す。なお、比較のために、上記構成から上層膜４ｂを除いた比較例としてのアレイ型静電容量式センサにおける測定結果を図１１に示す。
【００７８】
比較例では、図１１に示すように、圧力Ｐの変化に対する静電容量Ｃの変化の度合い（グラフの傾き）が一定ではないのに対し、上記構成のアレイ型静電容量式センサでは、図１０に示すように、圧力約０．１（ａ．ｕ．：規格化された単位）以上の範囲において圧力Ｃの変化に対する静電容量Ｐの変化の度合いがほぼ一定となり、リニアリティの悪化が抑制された。
【００７９】
また、上記構成のアレイ型静電容量式センサでは、個体間、あるいは同一固体においても可動電極６と誘電部材４との接触部位に応じた圧力Ｐ−静電容量Ｃ特性のバラツキを抑制できることも確認できた。
【００８０】
以上のように、本実施形態のアレイ型静電容量式センサ１は、表面が誘電部材４によって覆われた固定電極７と、外部からの圧力を受けることにより表面が誘電部材４の表面に部分的に接し、その圧力の大きさに応じた静電容量を固定電極７との間に生じる可動電極６とを備える。そして、誘電部材４は、固定電極７側の層を形成する下層膜４ａと、下層膜４ａの表面よりも表面粗さの小さい表面を有し、下層膜４ａを覆うように配置されたシート状の上層膜４ｂとからなっている。
【００８１】
これにより、誘電部材４が下層膜４ａのみで構成されている場合と比較して、可動電極６と誘電部材４との間に介在する微小な空気層の大きさのバラツキを抑えることができる。その結果、圧力−静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪化を抑制することができる。
【００８２】
さらに、スパッタリング等のコストのかかる手法を用いることなく、単にシート状の上層膜４ｂを下層膜４ａ表面に配置することによって被覆部材４を構成することができる。その結果、コストの増大を抑制することができる。
【００８３】
そして、被覆部材４の可動電極６側の表面は、表面粗さＲａ＝０．１μｍ以下である。これにより、圧力−静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪化を、特に効果的に抑制することができる。
【００８４】
次に、図１２に基づき、本実施形態における一変形例について説明する。図１２に示す構成では、誘電部材４は、上記図９の構成における上層膜４ｂと同一部材からなる誘電体シート４ｃによって構成されている。この誘電体シート４ｃは、接着層４ｄによって固定電極側基板５に接着されている。また、この誘電体シート４ｃにおける固定電極側基板５側の面には、固定電極７が形成されている。
【００８５】
この固定電極７は、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ（気層成長法）、イオンプレーティング、電着塗装、スクリーン印刷、電気メッキ、エッチング等の手法を用い、誘電体シート４ｃの表面に導電体材料からなる所定のパターンを形成することによって実現できる。固定電極７を形成する導電材料としては、Ａｕ、Ｃｕ，Ａｌ等を用いることができる。
【００８６】
また、接着層４ｄは、エポキシ、ポリエステル、シリコーン等からなり、誘電体シート４ｃと固定電極７との間には介在せず、誘電体シート４ｃと固定電極側基板５との間、および固定電極７と固定電極側基板５との間に介在している。
【００８７】
この構成では、可動電極６が誘電体シート４ｃに接した領域では、可動電極６と固定電極７との間には誘電体シート４ｃのみが介在することになる。そのため、図９の構成と比較して、静電容量が大きくなるので、接触領域の変化による静電容量の変化も大きくなるため、検出感度を向上させることができる。
【００８８】
また、この構成においても、被覆部材４の可動電極６側の表面は、表面粗さＲａ＝０．１μｍ以下である。これにより、圧力−静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪化を、特に効果的に抑制することができる。
【００８９】
なお、本実施形態では、生体における動脈内圧の波形を測定するためのアレイ型静電容量式センサについて説明したが、本発明に係る感圧センサは、アレイ型静電容量式センサに限らず、圧力を検出するための種々のセンサとして応用可能である。例えば、アレイ型を成さない１素子のみの構成は一般的な感圧センサとして利用でき、アレイ型の構成は、入力装置（マウス、キーボード等）やロボットハンド、触覚センサなどに利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の感圧センサは、生体の圧脈派測定のような微小の圧力変化の測定に特に好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の実施の形態におけるアレイ型静電容量式センサの分解斜視図である。
【図２】図１のアレイ型静電容量式センサをａ−ａ方向から見た部分断面図である。
【図３】（ａ）は図１のアレイ型静電容量式センサにおける可動電極側基板を可動電極側から見た平面図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図であり、（ｃ）は上記可動電極側基板を検出面側（裏面）から見た平面図である。
【図４】（ａ）は図１のアレイ型静電容量式センサにおける固定電極側基板を固定電極側から見た平面図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図であり、（ｃ）は上記固定電極側基板を固定電極が設けられていない側（裏面）から見た平面図である。
【図５】図１のアレイ型静電容量式センサにおけるスペーサを上方から見た場合の平面図である。
【図６】図１のアレイ型静電容量式センサを被験者の体表面（手首）に装着した場合において、可動電極側基板を模式的に示す図である。
【図７】（ａ）は従来のアレイ型静電容量式センサにおける静電容量素子を模式的に示す分解斜視図であり、（ｂ）は従来のアレイ型静電容量式センサを検出面に装着した場合における静電容量素子を模式的に示す横断面図である。
【図８】（ａ）は図１のアレイ型静電容量式センサにおける静電容量素子を模式的に示す分解斜視図であり、（ｂ）は本実施形態のアレイ型静電容量式センサを検出面に装着した場合における静電容量素子を模式的に示す横断面図である。
【図９】図１のアレイ型静電容量式センサをａ−ａ方向から見た部分断面図であり、誘電部材の構成をより詳細に示した断面図である。
【図１０】図９の構成を有するアレイ型静電容量式センサにおける、圧力と静電容量との関係を示すグラフである。
【図１１】比較例としてのアレイ型静電容量式センサにおける、圧力と静電容量との関係を示すグラフである。
【図１２】図９の構成の一変形例を示す断面図である。
【図１３】従来の静電容量式の圧力センサの圧力検知部の外観斜視図である。
【図１４】図１３に示す静電容量式の圧力センサの圧力検知部の分解斜視図である。
【図１５】（ａ）は図１３に示す圧力検知部を上方から見た場合の平面図であり、（ｂ）は静電容量素子のレイアウトを示す模式図である。
【図１６】図１３に示す圧力検知部を含む静電容量式圧力センサの回路構成図である。
【図１７】（ａ）から（ｃ）は、従来の他の静電容量式における圧力センサの圧力検知部の断面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１      アレイ型静電容量式センサ（感圧センサ）
２      可動電極側基板
３      スペーサ
４      誘電部材
４ａ    下層膜（基材）
４ｂ    上層膜（被覆部材）
４ｃ    誘電体シート
４ｄ    接着層
５      固定電極側基板
６      可動電極（第２電極）
７      固定電極（第１電極）
【図１】
2007315875.tif 000003
【図２】
2007315875.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】
2007315875.tif 000009
【図８】
2007315875.tif 000010
【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】
2007315875.tif 000015
【図１４】
2007315875.tif 000016
【図１５】
2007315875.tif 000017
【図１６】
2007315875.tif 000018
【図１７】
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