WO2007135927A1

WO2007135927A1 - 感圧センサ

Info

Publication number: WO2007135927A1
Application number: PCT/JP2007/060065
Authority: WO
Inventors: Yasushi Shimomoto; Daisuke Kuzuyama; Satoshi Nozoe; Masao Hashimoto; Kazunobu Itonaga
Original assignee: Omron Corporation; Omron Healthcare Co., Ltd.
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2007-11-29
Also published as: JP2007315875A

Abstract

　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。これにより、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。

Description

感圧センサ技術分野

[0001] 本発明は、静電容 t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明

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。静電容田

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の（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の (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とスぺーサ部材 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、シリコンラバー力もなるスぺーサ部材 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、スぺーサ部材 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の (a)参照）が形成される。

[0007] 図 15の（a)および図 15の（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にカロわる圧力によって互、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によつて特定の下部電極 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] し力しながら、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の（a)から（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力もなる誘電体膜 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の（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ぐダイアフラム 216にかかる圧力差が大きくなると、図 17 の（b)、（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とダイァフラム 216との接触面積が広くなつていく。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 :日本国公開特許公報「特開昭 51— 125858号公報 (公開日：1976年 1 1月 2日）」

特許文献 2：国際公開公報「W096Z16418 (公開日： 1996年 5月 30日）」（対応する日本国公表特許公報「特表平 10— 509241号公報 (公表日： 1998年 9月 8日公開)」）

非特干文献 1 : R.S. Fearing, ¥ actile sensing Mechanisms¥ , The International Jour nal 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 A utomation, 1995, pp.641— 646

発明の開示

[0013] し力しながら、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つてしまう。例えば、表面粗は Ra (中心線平均粗さ） =0. 程度となる。

[0014] その結果、個々の感圧コンデンサにおいて、あるいは同一の感圧コンデンサ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ッキゃリニアリティの悪ィ匕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、ガラス力もなる厚さ 0. 3〜3. Ο μ m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力この技術では、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つてしまう。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のできる感圧センサを実現することにある。

[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つて覆われた第 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!/、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力かる手法を用いることなぐ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ィ匕を抑制することができる。

[0022] 本発明に係る感圧センサは、上記感圧センサにぉ、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.： L m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ィ匕を、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！、て、前記被覆部材は、その剛性が前記基材の剛性よりも高、ことが望ま、。

[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つて覆われた第 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. 1 μ m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. 1 m 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ァリティの悪ィ匕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力かる手法を用いることなぐ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ィ匕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さくすることがでさる。

[0033] 本発明の他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分分かるであろう。また、本発明の利点は、添付図面を参照した次の説明によって明白になるであろう。

図面の簡単な説明

[0034] [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]図 1のアレイ型静電容量式センサの構成を示す図であり、 (a)は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]図 1のアレイ型静電容量式センサの構成を示す図であり、 (a)は固定電極側基板を固定電極側力見た平面図であり、（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ヽなヽ側 (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ぺーサを上方力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]他のアレイ型静電容量式センサにおける静電容量素子を説明するための図であり、（a)は上記静電容量素子を模式的に示す分解斜視図であり、（b)は検出面に装着された状態における上記静電容量素子を模式的に示す横断面図である。

圆 8]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説明するための図であり、（a)は上記静電容量素子を模式的に示す分解斜視図であり、（b)は検出面に装着された状態における上記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。

圆 12]図 9の構成の一変形例を示す断面図である。

圆 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。

圆 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。圆 15]図 13に示す圧力検知部を説明するための図であり、 (a)は上記圧力検知部を上方から見た場合の平面図であり、 (b)は上記圧力検知部における静電容量素子のレイアウトを示す模式図である。

圆 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]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り、 ( a)から (c)は上記圧力検知部がそれぞれ互いに異なる圧力を受けた状態を示している。

符号の説明

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 スぺーサ

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）

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、上方力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、スぺーサ 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、エポキシ榭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、ポリイミドフイルム、 PETフィルム、エポキシ榭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] スぺーサ 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、ァレイ型静電容量式センサ 1で検出しょ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。スぺーサ 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およびスぺーサ 3の詳細な構成について図 3を用いて説明する。

[0047] 図 3の（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の (b) は、（a)の部分拡大図であり、図 3の (c)は、可動電極側基板 2を検出面側 (裏面)力ゝ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の（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力これに限定されるものではなぐ少なくとも 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、検出面力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、ずれかに接続されて！、る。

[0049] 可動電極側基板 2には、図 3の（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が検出面力圧力を受けたとき、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の（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の (b) は、（a)の部分拡大図であり、図 4の (c)は、固定電極側基板 5を固定電極 7が設けられて、な、側 (裏面)から見た平面図である。

[0051] 固定電極 7は、図 4の（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力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、検出面力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、て、 3ch用のコネクタ接続部 5aに接続されて!、る。

[0052] 図 5は、スぺーサ 3を上方力も見た場合の平面図である。スぺーサ 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、スぺーサ 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 (スぺーサ開口部） 3aが設けられてヽる。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、ことが好ま、。

[0053] 次に、上述の構成部材力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、スぺーサ 3は、該スぺーサ 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、スぺーサ 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、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力もなるスぺーサ 3によって所定の距離 (たとえば 100 m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 X 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ヽて、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ベぐ固定電極側基板 5の上方力も空気袋 la (図 7の (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） lb (図 7の (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、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 lb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 lb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の（a)は図 1に示したものとは異なる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の (b)は上記アレイ型静電容量式センサを検出面 lb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の (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の (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 lb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の (a)および図 8 の（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] 図 7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） lbの凹凸部に沿って変形する。具体的には、図 7の（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） lb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、図 7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 力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の (b)に示すように、空気袋 la 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力ない。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、図 7の構成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、ため、図 7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ぐ例えば、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!、に略直交する方向に装着する構成としてもょ、。この構成とした場合であつても、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、図 7の構成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、スぺーサ 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 (図 1参照）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。し力しながら、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つてしまう。例えば、表面粗は Ra = 0. 5 m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個々において、あるいは同一のァレイ型静電容量式センサにぉヽ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、圧力一静電容量特性のバラツキやリニアリティの悪ィ匕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、エポキシ榭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. 5 m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 4 m程度、表面粗さ Ra=0. 1 μ m以下のァ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、エポキシ榭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つ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.： m以下を実現することがでさる。

[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、上記エポキシ榭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、上記ァラミドフィルムによつ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の比誘電率にっ、ても高、方が望ま、が、高誘電材料を含む膜を用いた場合には、薄膜ィ匕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ぐ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ょ、。 [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!ヽ。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カゝらである。具体的には、上記エポキシ榭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、上記ァ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 600M Pa程度と、高くなつている。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 Vヽ（グラフの傾き）が一定ではな、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. l (a. u. ：規格ィ匕された単位)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、アレイ型静電容量式センサ個々において、あるいは同一のアレイ型静電容量式センサ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、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力かる手法を用いることなぐ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] なお、上記構成、すなわち、誘電部材 4力固定電極 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とからなる構成は、図 8に示した静電容量素子のみならず、図 7に示した静電容量素子にも適用でき、これによつても上述した効果を奏することができる。

[0084] 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. 1 μ m以下である。

これにより、圧力—静電容量特性のノラツキやリニアリティの悪ィ匕を、特に効果的に抑帘 Uすることができる。

[0085] 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と同一部材力なる誘電体シート 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によつて固定電極側基板 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が形成されてヽる。

[0086] 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、電気メツキ、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, A1等を用いることができる。

[0087] 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。 [0088] 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。

[0089] 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 . 1 m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。

[0090] 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力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)やロボットノヽンド、触覚センサなどに利用できる。

[0091] 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。

[0092] 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. l /z m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。

[0093] 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ァリティの悪ィ匕を抑制することができるという効果を奏する。

[0094] 発明の詳細な説明の項にお!、てなされた具体的な実施形態または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなぐ本発明の精神と次に記載する請求の範囲内にお!、て、、ろ、ろと変更して実施することができるものである。

産業上の利用の可能性

[0095] 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。

Claims

請求の範囲

[1] 表面が誘電部材によって覆われた第 1電極と、

外部力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、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力なることを特徴とする感圧センサ。

[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. 1 μ m以下であることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の感圧センサ。

[3] 前記被覆部材は、その剛性が前記基材の剛性よりも高、ことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の感圧センサ。

[4] 前記基材は、エポキシ榭脂にセラミック材料を配合した誘電体フィルムカゝらなることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の感圧センサ。

[5] 前記被覆部材は、ァラミドフィルム、ポリイミドフィルム、エポキシ榭脂フィルム及び P

PSフィルムの何れかからなることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の感圧センサ。

[6] 前記基材と被覆部材とは、互いに接着されていることを特徴とする請求の範囲第 1 項に記載の感圧センサ。

[7] 前記接着は、半硬化状態の前記基材の上に前記被覆部材を配置した後に前記基材の本硬化を行うことによって実現されていることを特徴とする請求の範囲第 6項に記載の感圧センサ。

[8] 表面が誘電部材によって覆われた第 1電極と、

外部力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. 1 m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。

[9] 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の範囲第 8項に記載の感圧セ /v:/ O s90090/-00ifcl£ z-sssz-ooiAV OS