JP2020071061A - Elastic body and pressure sensitive element - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、弾性体、特に押圧力を受けるように設けられた突起部を備えた弾性体に関する。
本開示はまた、各種電子機器に用いることができる、弾性体を有する感圧素子に関する。
The present disclosure relates to an elastic body, and particularly to an elastic body including a protrusion provided to receive a pressing force.
The present disclosure also relates to a pressure-sensitive element having an elastic body that can be used in various electronic devices.
近年、スマートフォンおよびカーナビゲーション・システム等の各種電子機器の高機能化および多様化が急速に図られている。これに伴って、電子機器の構成要素となる感圧素子も確実な操作性が求められている（例えば、特許文献１）。感圧素子は、導電性弾性体などを素材としており、外部からの荷重印加に伴って検知が行われるセンサである。それゆえ、かかる感圧素子は、各種電気機器において“センサ素子”として利用できる。 BACKGROUND ART In recent years, various electronic devices such as smartphones and car navigation systems have been rapidly enhanced in functionality and diversified. Along with this, reliable operability is also required for pressure-sensitive elements that are constituent elements of electronic devices (for example, Patent Document 1). The pressure-sensitive element is a sensor that is made of a conductive elastic body or the like and that is detected when a load is applied from the outside. Therefore, such a pressure sensitive element can be used as a "sensor element" in various electric devices.
本願発明者らは、鋭意検討の末、感圧素子に使用される導電性弾性体を含む弾性体については更なる改善点があることを見出した。具体的には、例えば図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、平坦面を有する板状部５０３と、平坦面から突出する突起部５０５とを備えた弾性体５０１において、突起部５０５に押圧力が繰り返し付与されると、図１２Ｃおよび図１２Ｄに示すように、板状部５０３と突起部５０５との接続部（すなわちそれらの境界部分）において、亀裂５１０が発生することがあった。図１２Ｄにおいては、矢印の先端に亀裂が発生している。図１２Ａは、従来の弾性体の構成を模式的に示した斜視図である。図１２Ｂは、図１２Ａの弾性体の構成を模式的に示した断面図である。図１２Ｃは、突起部に押圧力が繰り返し付与されたときの従来の弾性体の模式的斜視図である。図１２Ｄは、図１２Ｃにおける突起部の一部拡大写真（顕微鏡写真）である。
The inventors of the present application, after intensive studies, have found that there is a further improvement in the elastic body including the conductive elastic body used in the pressure-sensitive element. Specifically, for example, as shown in FIGS. 12A and 12B, in an
従って、突起部にかかる応力が降伏応力を超えないように、突起部（特にその形状）を設計する必要があるため、従来の弾性体においては、押圧力が比較的小さいときに、突起部にかかる応力が降伏応力を超えた。 Therefore, it is necessary to design the protrusion (particularly its shape) so that the stress applied to the protrusion does not exceed the yield stress. Therefore, in the conventional elastic body, when the pressing force is relatively small, Such stress exceeded the yield stress.
本開示は、突起部に押圧力が繰り返し付与されても、亀裂の発生をより十分に抑制することができる弾性体、および当該弾性体を備えた感圧素子を提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide an elastic body that can sufficiently suppress the occurrence of cracks even when a pressing force is repeatedly applied to the protrusion, and a pressure-sensitive element including the elastic body.
本開示はまた、突起部に付与された押圧力に基づく応力を緩和することができる弾性体、および当該弾性体を備えた感圧素子を提供することを目的とする。 Another object of the present disclosure is to provide an elastic body that can relieve the stress caused by the pressing force applied to the protrusion, and a pressure-sensitive element including the elastic body.
本開示の一態様に係る弾性体は、
略平坦な平坦面を有する板状部と、
前記平坦面から突出し、押圧力を受けるように設けられた突起部と、
前記突起部の周囲に設けられた凹部と、
を備えている。
An elastic body according to an aspect of the present disclosure,
A plate-shaped portion having a substantially flat flat surface,
A protrusion provided so as to project from the flat surface and receive a pressing force,
A recess provided around the protrusion,
Is equipped with.
本開示の一態様に係る感圧素子は、押圧力の感圧部に、上記の弾性体を有している。 A pressure-sensitive element according to an aspect of the present disclosure has the above elastic body in a pressure-sensitive portion for pressing force.
本開示に従えば、突起部に押圧力が繰り返し付与されても、亀裂の発生をより十分に抑制することができる弾性体、および当該弾性体を備えた感圧素子を実現できる。
本開示に従えば、突起部に付与された押圧力に基づく応力を緩和することができる弾性体、および当該弾性体を備えた感圧素子を実現できる。
According to the present disclosure, it is possible to realize an elastic body that can more sufficiently suppress the occurrence of cracks even when a pressing force is repeatedly applied to a protrusion, and a pressure-sensitive element including the elastic body.
According to the present disclosure, it is possible to realize an elastic body that can relieve a stress caused by a pressing force applied to a protrusion, and a pressure-sensitive element including the elastic body.
本開示の弾性体は、押圧力を受けるように設けられた突起部を板状部に備えた弾性体である。押圧力を受けるように設けられた突起部とは、突起部が有する弾性特性に基づいて、押圧力が付与されることにより変形し、かつ除力されることにより元の形状に戻ることを期待されて設けられた突起部という意味である。本開示のこのような弾性体は、感圧センサの押圧力吸収部材として有用であり、後述するように、押圧力の印加によって静電容量の変化がもたらされ、その静電容量の変化から押圧力が検出される感圧素子の１つの部材（例えば第１電極）として特に有用である。 The elastic body of the present disclosure is an elastic body having a plate-shaped portion provided with a protrusion provided so as to receive a pressing force. Based on the elastic properties of the protrusions, it is expected that the protrusions that are provided to receive the pressing force will deform when the pressing force is applied, and that they will return to their original shape when the force is removed. It means that the protrusion is provided. Such an elastic body of the present disclosure is useful as a pressing force absorbing member of a pressure-sensitive sensor, and as will be described later, a change in electrostatic capacitance is brought about by the application of a pressing force. It is particularly useful as one member (for example, the first electrode) of the pressure-sensitive element whose pressing force is detected.
本明細書でいう「平面視」とは、突起部の高さ方向に沿って対象物を上側または下側（特に上側）からみたときの状態（上面図または下面図）のことである。又、本明細書でいう「断面視」とは、突起部の高さ方向に対する垂直方向からみたときの断面状態（断面図）のことである。 The “plan view” in this specification refers to a state (top view or bottom view) of the object viewed from above or below (particularly above) along the height direction of the protrusion. Further, the “cross-sectional view” in the present specification refers to a cross-sectional state (cross-sectional view) when viewed in a direction perpendicular to the height direction of the protrusion.
以下にて、本開示に係る弾性体および感圧素子について図面を参照しながら説明する。図面に示す各種の要素は、本開示の理解のために模式的に示したにすぎず、寸法比及び外観などは実物と異なり得ることに留意されたい。本明細書で直接的または間接的に用いる“上下方向”、“左右方向”および“表裏方向”はそれぞれ、図中における上下方向、左右方向および表裏方向に対応した方向に相当する。特記しない限り、同じ符号または記号は、同じ部材または同じ意味内容を示すものとする。ある好適な態様では、鉛直方向下向き（すなわち、重力が働く方向）が「下方向」に相当し、その逆向きが「上方向」に相当すると捉えることができる。なお、本開示の弾性体において、押圧は、突起部と板状部との相対的な関係において、突起部側または板状部側のいずれの側で行われてもよい。本開示の弾性体においては、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、押圧は、突起部と板状部との相対的な関係において、突起部側で行われることが好ましい。本開示の感圧素子において、押圧は、第１電極と第２電極との相対的な関係において、第１電極側または第２電極側のいずれの側で行われてもよい。本開示の感圧素子においては、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、押圧は、第１電極と第２電極との相対的な関係において、第２電極側で行われることが好ましい。 The elastic body and the pressure sensitive element according to the present disclosure will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the various elements shown in the drawings are merely schematic for understanding of the present disclosure, and dimensional ratios, appearances, and the like may be different from actual ones. The “vertical direction”, “horizontal direction” and “front and back direction” used directly or indirectly in the present specification correspond to the vertical direction, the left and right direction and the front and back direction in the figure, respectively. Unless otherwise specified, the same reference sign or symbol indicates the same member or the same meaning. In a preferable aspect, it can be considered that the downward direction in the vertical direction (that is, the direction in which gravity acts) corresponds to the “downward direction” and the opposite direction corresponds to the “upward direction”. In the elastic body of the present disclosure, the pressing may be performed on either the protrusion side or the plate-shaped side in the relative relationship between the protrusion and the plate-shaped portion. In the elastic body of the present disclosure, from the viewpoint of further improving the crack suppression property by relaxing the stress based on the pressing force, the pressing is performed on the protruding portion side in the relative relationship between the protruding portion and the plate-shaped portion. Is preferred. In the pressure-sensitive element of the present disclosure, the pressing may be performed on either the first electrode side or the second electrode side in the relative relationship between the first electrode and the second electrode. In the pressure-sensitive element of the present disclosure, from the viewpoint of further improving the crack suppressing property by relaxing the stress based on the pressing force, the pressing is performed on the second electrode side in the relative relationship between the first electrode and the second electrode. It is preferably carried out.
［本開示の弾性体］
本開示の弾性体は板状部と突起部と凹部とを備えている。詳しくは、本開示の弾性体１は、図１〜図３に示すように、略平坦な平坦面３ａを有する板状部３と、平坦面３ａから突出し、押圧力を受けるように設けられた突起部５と、突起部５の周囲に設けられた凹部７と、を備えている。図１は、本開示の第１実施態様に係る弾性体の構成を模式的に示した斜視図である。図２は、本開示の第１実施態様に係る弾性体の構成を模式的に示した断面図である。図３は、本開示の第１実施態様に係る弾性体の構成を模式的に示した平面図である。
[Elastic body of the present disclosure]
The elastic body of the present disclosure includes a plate-shaped portion, a protruding portion, and a concave portion. More specifically, as shown in FIGS. 1 to 3, the
板状部３は少なくとも片面（通常は両面）が平坦面である弾性部材ある。板状部３は、各突起部５の周囲に凹部７を有し、かつ各凹部７の周囲に平坦面を有している。平坦とは、凹凸がないことを意味する。平坦面は、弾性体の用途に応じて、平面であってもよいし、または曲面であってもよい。平坦面は、例えば板状部３をその厚み方向が鉛直方向に平行になるように、載置したとき、水平になる面である。弾性体１が後述する突起部５を２つ以上で有する場合（特に対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の場合）、平坦面３ａは通常、隣接する２つの突起部５における少なくとも中間地点に配置されている。
The plate-shaped
板状部３が有する弾性特性は、外力（例えば、対人感圧用途において感圧素子に対して加えられる通常の押圧力：例えば約０．１〜１００Ｎ／ｃｍ２の押圧力）によって局所的に変形し、除力すると元の形状へと戻る特性である。板状部３の弾性率は、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性の観点から特に限定されず、例えば約１０５Ｐａ〜１０１２Ｐａである。板状部３の弾性率は、対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、約１０５Ｐａ〜１０８Ｐａであることが好ましく、例えば１つ例示すると約１０６Ｐａが特に好ましい。弾性率は、例えば架橋密度を変更することによって調整できる。架橋密度は架橋材の添加量により調整できる。対人感圧用途とは、後述するように、人体に起因する圧力をモニタリングする用途のことである。
The elastic property of the plate-shaped
板状部３は、上記のような弾性特性を有していれば、いずれの材質から成るものであってよい。例えば、板状部３は、樹脂材料（特にゴム材料）から構成されたものであってよい。押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、好ましい板状部３は、ゴム材料から構成される。板状部３の樹脂材料としては、例えば、スチレン系樹脂、シリコーン系樹脂（例えば、ポリジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ））、アクリル系樹脂、ロタキサン系樹脂およびウレタン系樹脂等から成る群から選択される少なくとも１種の樹脂材料であってよい。板状部３のゴム材料としては、例えば、シリコーンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、フッ素ゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム、および天然ゴム等から成る群から選択される少なくとも１種のゴム材料であってよい。板状部３の好ましい材料を１つ例示するとシリコーンゴムである。ゴム材料は、ゴムの種類に応じて、各種架橋材を含んでもよい。
The plate-
板状部３は、導電性フィラー、着色剤、補強材、消泡剤等からなる群から選択される１種以上の添加剤をさらに含んでもよい。
The plate-shaped
板状部の板厚Ｔｂは特に限定されず、例えば、０．０５〜１００ｍｍであってもよい。板状部の板厚Ｔｂは、対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、好ましくは０．０５〜１０ｍｍであり、より好ましくは０．０５〜５ｍｍであり、さらに好ましくは０．０５〜１ｍｍであり、例えば１つ例示すると約０．１ｍｍが特に好ましい。 The plate thickness Tb of the plate portion is not particularly limited and may be, for example, 0.05 to 100 mm. The plate thickness Tb of the plate-like portion is preferably 0.05 to 10 mm from the viewpoint of further improving the crack suppression property by relaxing the stress based on the pressing force for human pressure-sensitive applications (particularly for pressure-sensitive element applications described below). , More preferably 0.05 to 5 mm, even more preferably 0.05 to 1 mm, and for example, about 0.1 mm is particularly preferable.
突起部５は、断面視において、平坦面３ａから板状部の厚み方向Ｐ１（図２参照）に突出および***している弾性部材である。すなわち、突起部５は通常、断面視において、平坦面３ａの高さよりも、板状部の厚み方向Ｐ１（図２参照）に突出および***している。
The projecting
突起部５の形状は、突起部５が断面視において平坦面３ａの高さよりも、板状部の厚み方向Ｐ１（図２参照）に突出および***している限り特に限定されず、例えば、テーパ形状であってもよいし、またはピラー形状であってもよい。テーパ形状とは、断面視において、その幅が突出方向Ｐ１において漸次減じられた形状である。テーパ形状としては、例えば、半球体形状（例えば図１〜図３に示すような半球体形状）、半楕円球体形状；円錐台形状、楕円錐台形状、三角錐台形状、四角錐台形状、五角錐台形状、六角錐台形状などの錐台形状；円錐形状、楕円錐形状、三角錐形状、四角錐形状、五角錐形状、六角錐形状などの錐体形状等が挙げられる。ピラー形状とは、断面視において、その幅が突出方向Ｐ１において変化しない形状である。ピラー形状としては、例えば、円柱形状、楕円柱形状、三角柱形状、四角柱形状、五角柱形状、六角柱形状などの柱体形状等が挙げられる。
The shape of the projecting
突起部５は、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、好ましくはテーパ形状を有し、より好ましくは半球体形状、半楕円球体形状、または錐台形状を有し、さらに好ましくは半球体形状、または半楕円球体形状を有し、最も好ましくは半球体形状を有する。
The
突起部５が有する弾性特性は、板状部３が有する弾性特性と同様であってもよい。突起部５の弾性率は、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性の観点から特に限定されず、例えば約１０５Ｐａ〜１０１２Ｐａである。突起部５の弾性率は、対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、約１０５Ｐａ〜１０８Ｐａであることが好ましく、例えば１つ例示すると約１０６Ｐａが特に好ましい。弾性率は、例えば架橋密度を変更することによって調整できる。架橋密度は架橋材の添加量により調整できる。
The elastic characteristic of the
突起部５は、上記のような弾性特性を有していれば、いずれの材質から成るものであってよい。例えば、突起部５は、板状部３と同様に、樹脂材料（特にゴム材料）から構成されたものであってよい。押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、好ましい突起部５は、ゴム材料から構成される。突起部５の樹脂材料は、板状部３の樹脂材料として例示した樹脂材料と同様の樹脂材料であってよい。突起部５のゴム材料は、板状部３のゴム材料として例示したゴム材料と同様のゴム材料であってよい。突起部５の好ましい材料を１つ例示するとシリコーンゴムである。ゴム材料は、ゴムの種類に応じて、各種架橋材を含んでもよい。
The protruding
突起部５は、導電性フィラー、着色剤、補強材、消泡剤等からなる群から選択される１種以上の添加剤をさらに含んでもよい。
The
突起部５の構成材料は、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、板状部３と同様の構成材料であることが好ましく、より好ましくは板状部３と同様のゴム材料である。
The constituent material of the
突起部５は、図１〜図３において、板状部３と共に一体的に成形および製造されることにより板状部３と一体化されているが、板状部３とは別部材として製造された後、板状部３と一体化されていてもよい。突起部５は、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、板状部３と共に一体的に成形および製造されることにより板状部３と一体化されていることが好ましい。
1 to 3, the projecting
突起部５の高さＨｔ（図２参照）は、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性の観点から、特に限定されず、例えば０．００１ｍｍ以上、特に０．００５ｍｍ以上であり、好ましくは０．０１〜１００ｍｍである。突起部５の高さＨｔは、対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、好ましくは０．０１〜１０ｍｍであり、より好ましくは０．０１〜５ｍｍであり、さらに好ましくは０．０１〜１ｍｍであり、例えば１つ例示すると、約０．０６ｍｍが特に好ましい。突起部５の高さＨｔは、平坦面３ａから突起部の頂点までの高さである。
The height Ht of the protrusion 5 (see FIG. 2) is not particularly limited from the viewpoint of crack suppression characteristics by relaxing stress based on pressing force, and is, for example, 0.001 mm or more, particularly 0.005 mm or more, and preferably It is 0.01 to 100 mm. The height Ht of the protruding
突起部５の高さＨｔは、押圧力の測定に及ぼす誤差の低減の観点から、板状部３の板厚Ｔｂに対して、好ましくはＴｂ以下であり、より好ましくは０．８×Ｔｂ以下である。詳しくは、押圧力を受けて突起部５が変形した場合であっても、板状部３に対する変形の影響を小さくすることができ、結果として、押圧力の測定に及ぼす誤差を小さくすることができる。
The height Ht of the
突起部５の幅Ｗｔ（図２参照）は、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性の観点から、特に限定されず、例えば０．００１ｍｍ以上、特に０．０１ｍｍ以上であり、好ましくは０．０５〜５００ｍｍである。突起部５の幅Ｗｔは、対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、好ましくは０．０５〜５０ｍｍであり、より好ましくは０．０５〜１０ｍｍであり、さらに好ましくは０．０５〜５ｍｍであり、最も好ましくは０．０５〜０．５ｍｍであり、例えば１つ例示すると、約０．０９ｍｍが特に好ましい。突起部５の幅Ｗｔは、断面視における突起部の最大幅である。
The width Wt (see FIG. 2) of the
凹部７は突起部５の周囲に設けられており、詳しくは突起部５と平坦面３ａとの間に設けられている。凹部７とは、平坦面３ａから板状部３の厚み方向Ｐ１に凹んでいる部分または陥没している部分のことである。凹部７が突起部５の周囲に設けられているとは、凹部７は突起部５と連続的に設けられているという意味であり、詳しくは凹部７は、図３に示すように、平面視において、突起部５の周囲に突起部５の外周Ｇと直接的に接して設けられている。図１および図３において、破線は、平面視における突起部５の外周（すなわち輪郭線）Ｇを示している。このような破線Ｇは、突起部５と凹部７とを接続する接続部（または接続点）に対応し、仮に凹部７が設けられなかったと仮定したときに、板状部３の平坦面３ａと突起部５とが接続される「平坦面３ａと突起部５との仮想接続部分（または仮想接続点）Ｇ」とも称され得る。凹部が突起部の周囲に設けられることにより、突起部が受ける押圧力による板状部の変形を凹部で吸収することができるため、板状部の変形に対する機械的強度を維持しつつ、突起部のサイズに比して大きな押圧力を突起部と凹部とで吸収することができる。その結果、当該押圧力に基づく応力を十分に緩和することができ、押圧力による繰り返し変形に対する弾性体の亀裂（および破断）の発生を十分に低減することができる。例えば、図１３に示すように、突起部５と凹部７との間に平坦面３ａが存在する場合等のように、凹部７が突起部５と直接的に接することなく離れて設けられている場合には、突起部に付与された押圧力に基づく応力を十分に緩和することができず、結果として、亀裂抑制特性は十分に得られない。
The
凹部７の断面視形状は、凹部が突起部５の外周と直接的に接しながら、平坦面３ａから凹んでいる限り特に限定されない。凹部７の断面視形状は、例えば、図２に示すような略円弧形状（例えば略半円形状）であってもよいし、図４Ａに示すような四角形状において一方の辺が開放されている「開放型四角形状」であってもよいし、図４Ｂに示すような三角形状において一方の辺が開放されている「開放型三角形状」であってもよいし、または図４Ｃおよび図４Ｄに示すような、これらの複合形状であってもよい。
The cross-sectional shape of the
突起部５と凹部７とを接続する接続部（または接続点）Ｇは滑らかな曲面によって構成されていることが好ましい。接続部Ｇが滑らかな曲面によって構成されているとは、図２および図４Ｃに示すように、断面視において、突起部５と凹部７とを接続する接続部（または接続点）Ｇに変曲点を有しながら、当該変曲点の突起部５側近傍も凹部７側近傍も曲線で示されるという意味である。変曲点とは、断面視における平面上の曲線で曲がる方向が変わる点のことである。接続部Ｇが滑らかな曲面によって構成されることにより、応力の集中がより一層、抑制され、押圧力に基づく応力をより一層、十分に緩和することができ、押圧力による繰り返し変形に対する弾性体の亀裂（および破断）の発生をより一層、十分に低減することができる。
It is preferable that the connecting portion (or connecting point) G connecting the protruding
突部起５および凹部７は滑らかな曲面によって構成されていることが好ましい。突部起５および凹部７が滑らかな曲面によって構成されているとは、突起部５および凹部７はいずれも、断面視において、曲線で示されるという意味である。すなわち、突起部５および凹部７は、断面視で直線によって示される部分は有さない。このような１つの態様として、例えば、図２に示すように、突起部５が略半球体形状を有し、かつ凹部７が略円弧形状を有する態様が挙げられる。突部起５および凹部７が滑らかな曲面によって構成されていることにより、応力の集中がより一層、抑制され、押圧力に基づく応力をより一層、十分に緩和することができ、押圧力による繰り返し変形に対する弾性体の亀裂（および破断）の発生をより一層、十分に低減することができる。
The
凹部７は、図１〜図３において、突起部５の周囲（特に外周Ｇ）の全周にわたって設けられているが、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、当該周囲（特に外周Ｇ）の一部に設けられていてもよい。図５Ａおよび図５Ｂにおいては、凹部７は、突起部５の周囲（特に外周Ｇ）において、平面視で等間隔にて設けられている。図５Ｃにおいては、凹部７は、突起部５の周囲（特に外周Ｇ）において、平面視で偏って設けられている。
1 to 3, the recessed
凹部７が突起部５の周囲（特に外周Ｇ）の一部に設けられている場合、凹部７は、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、当該周囲（特に外周Ｇ）の全長の５０％以上（特に５０〜１００％）に設けられていることが好ましい。この場合、同観点から、より好ましい態様においては、凹部７は、図５Ａ〜図５Ｂに示すように、当該周囲（特に外周Ｇ）に等間隔にて設けられていることが好ましい。
When the
凹部７は、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、最も好ましい態様においては、図３に示すように、突起部５の周囲（特に外周Ｇ）の全周にわたって設けられている。
From the viewpoint of further improving the crack suppressing property by relaxing the stress based on the pressing force, the recessed
凹部７の深さＤｃは、押圧力に基づく応力を緩和することができる限り特に限定されず、例えば、突起部の高さＨｔに対して、０．０５×Ｈｔ〜０．８×Ｈｔであり、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、好ましくは０．２５×Ｈｔ〜０．４５×Ｈｔである。凹部７の深さＤｃは、対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の押圧力に基づく応力の緩和の観点から、通常は０．００１〜０．１ｍｍであり、好ましくは０．００５〜０．０５ｍｍであり、例えば１つ例示すると、約０．０２ｍｍが特に好ましい。凹部の深さＤｃは、平坦面３ａから凹部の最底部までの深さである。
The depth Dc of the
凹部７の幅Ｗｃは、押圧力に基づく応力を緩和することができる限り特に限定されず、例えば、突起部の幅Ｗｔに対して、０．０５×Ｗｔ〜０．８×Ｗｔであり、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上の観点から、好ましくは０．２５×Ｗｔ〜０．４５×Ｗｔである。凹部７の幅Ｗｃは、対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の押圧力に基づく応力の緩和の観点から、通常は０．００１〜１ｍｍであり、好ましくは０．０１〜０．５ｍｍであり、例えば１つ例示すると、約０．０３ｍｍが特に好ましい。凹部の幅Ｗｃは、断面視における凹部の最大幅である。
The width Wc of the
凹部７の深さＤｃは、押圧力の測定に及ぼす誤差の低減の観点から、板状部の板厚Ｔｂに対して、好ましくはＴｂ以下であり、好ましくは０．５×Ｔｂ以下である。詳しくは、押圧力を受けて突起部が変形した場合であっても、板状部に対する変形の影響を小さくすることができ、結果として、押圧力の測定に及ぼす誤差を小さくすることができる。
The depth Dc of the
弾性体１が２つ以上の突起部５を有する場合（特に対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の場合）、弾性体１は通常、平面視において、２つ以上の突起部５を規則的なパターン形状で有する。このとき、隣接する任意の２つの突起部５間の距離（すなわちピッチ）Ｐ（例えば、図７Ａ参照）は押圧力に基づく応力を緩和することができる限り特に限定されず、対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の押圧力に基づく応力の緩和の観点から、通常は０．０１〜１０ｍｍであり、好ましくは０．０５〜５ｍｍであり、より好ましくは０．０８〜１ｍｍであり、例えば１つ例示すると、約０．３ｍｍが特に好ましい。
When the
［本開示の弾性体の製造方法］
本開示の弾性体は、支持基材上に液状のポリマー樹脂原料（特にゴム原料）を塗布し、突起部５および凹部７に対応する成形面を有するモールドを用いて、支持基材上のポリマー樹脂原料（特にゴム原料）層に対して押付け処理を施し、ポリマー樹脂原料（特にゴム原料）層を硬化させることにより、製造することができる。詳しくは、突起部５および凹部７に対応する成形面を有するモールドの成形面を、支持基材上のポリマー樹脂原料（特にゴム原料）層に対して押付け処理して、転写させつつ、硬化を行い、板状部３に突起部５および凹部７を形成することができる。
[Method for manufacturing elastic body of the present disclosure]
The elastic body of the present disclosure is obtained by applying a liquid polymer resin raw material (particularly rubber raw material) onto a supporting base material and using a mold having molding surfaces corresponding to the
［本開示の弾性体の用途］
本開示の弾性体は、後述する本開示の感圧素子の用途だけでなく、単なる押圧によりアナログ入力することができる用途にも有用である。そのような用途して、例えば、以下の用途が挙げられる：
・ＰＣキーボード等電子機器の入力部（ゴム板等）
・ゲームコントローラーの入力部
・ロボットハンドの表層部（物体検知）
・音量、風量、光量、温度等の入力部
・電磁気、電波、ステアリングスイッチ等の動作部
・ウェアラブル機器（スマートウォッチ等）入力部
・ヒアラブル機器（ワイヤレスイヤホン等）入力部
・タッチパネル入力部
・電子ペン入力部（インク量等調節）
・ペンライト入力部（光量、色調節）
・光る衣服入力部（光量調節）
・楽器の入力部（音量調節）
[Use of Elastic Body of Present Disclosure]
INDUSTRIAL APPLICABILITY The elastic body of the present disclosure is useful not only for the use of the pressure-sensitive element of the present disclosure described later, but also for the purpose of allowing analog input by simple pressing. Such applications include, for example:
・ Input part of electronic equipment such as PC keyboard (rubber plate, etc.)
・ Input part of game controller ・ Surface layer of robot hand (object detection)
・ Volume, air volume, light intensity, temperature, etc. input section ・ Electromagnetic, radio waves, steering switch etc. operation section ・ Wearable device (smart watch etc.) input section ・ Hearable device (wireless earphone etc.) input section ・ Touch panel input section ・ Electronic pen Input section (adjustment of ink amount, etc.)
・ Penlight input part (light intensity, color adjustment)
-Glowing clothes input (light intensity adjustment)
・ Instrument input (volume control)
［本開示の感圧素子］
本開示の感圧素子は、上記した本開示の弾性体を含む。詳しくは、本開示の感圧素子は基本的な構造として、押圧力を付与される感圧部と押圧力を検出する検出器とを備えており、本開示の感圧素子は通常、感圧部に、上記した本開示の弾性体を含む。
[Pressure Sensitive Element of the Present Disclosure]
The pressure-sensitive element of the present disclosure includes the elastic body of the present disclosure described above. Specifically, the pressure-sensitive element of the present disclosure has, as a basic structure, a pressure-sensitive portion to which a pressing force is applied and a detector that detects the pressing force. The part includes the elastic body of the present disclosure described above.
本開示の感圧素子は、上記した本開示の弾性体を有する限り、いかなる測定方式を採用していてもよい。本開示の感圧素子は、例えば、静電容量式または抵抗式のいずれの測定方式を採用していてもよい。以下、静電容量式を採用した本開示の感圧素子について詳しく説明するが、以下の説明から、本開示の感圧素子が抵抗式を採用する場合であっても、本開示の感圧素子が静電容量式を採用する場合と同様に、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性に関する効果が得られることは明らかである。 The pressure-sensitive element of the present disclosure may employ any measurement method as long as it has the elastic body of the present disclosure described above. The pressure-sensitive element of the present disclosure may employ, for example, either a capacitance type measurement method or a resistance type measurement method. Hereinafter, the pressure-sensitive element of the present disclosure that employs the capacitance type will be described in detail, but from the following description, even if the pressure-sensitive element of the present disclosure adopts the resistance type, the pressure-sensitive element of the present disclosure is also described. It is clear that, as in the case of adopting the electrostatic capacity formula, the effect on the crack suppression property by the relaxation of the stress based on the pressing force can be obtained.
本開示の感圧素子が、感圧部において、本開示の弾性体を含む場合、本開示の感圧素子は、例えば第１電極として上記した本開示の弾性体を含む。すなわち、本開示の感圧素子において、第１電極は上記した本開示の弾性体に相当する。以下、本開示の感圧素子について詳しくは説明するが、第１電極は、以下に特記すること以外、上記した本開示の弾性体と同様である。例えば、第１電極は、導電性を有する上記した本開示の弾性体である。詳しくは、図６に示すように、第１電極１０は、略平坦な平坦面３ａを有する板状部３と、平坦面３ａから突出し、押圧力を受けるように設けられた突起部５と、突起部５の周囲に設けられた凹部７と、を備えており、第１電極１０における板状部３、突起部５および凹部７はそれぞれ、上記した弾性体１における板状部３、突起部５および凹部７に対応する。特に第１電極１０における板状部３および突起部５はそれぞれ、導電性を有すること以外、上記した弾性体１における板状部３および突起部５と同様である。図６は、本開示の第９実施態様に係る弾性体（すなわち第１電極）の構成を模式的に示した斜視図である。
When the pressure-sensitive element of the present disclosure includes the elastic body of the present disclosure in the pressure-sensitive portion, the pressure-sensitive element of the present disclosure includes the elastic body of the present disclosure described above, for example, as the first electrode. That is, in the pressure-sensitive element of the present disclosure, the first electrode corresponds to the elastic body of the present disclosure described above. Hereinafter, the pressure-sensitive element of the present disclosure will be described in detail, but the first electrode is the same as the elastic body of the present disclosure described above, except for the following special notes. For example, the first electrode is the above-described elastic body of the present disclosure having conductivity. More specifically, as shown in FIG. 6, the
図７Ａに、本開示の感圧素子１００の構成を模式的に示す。本開示の感圧素子１００は、第１電極１０、第２電極２０および誘電体３０を有して成る。図７Ａは、本開示の感圧素子に押圧力が付与される前の状態を模式的に示した感圧素子の断面図である。
FIG. 7A schematically shows the configuration of the pressure
第１電極１０は、少なくとも１つの弾性を有する突起部５を備えており、各突起部５の周囲に凹部７が設けられている。このため、本開示の感圧素子は、本開示の弾性体と同様に、突起部に押圧力が繰り返し付与されても、亀裂の発生をより十分に抑制することができる。また、突起部に付与された押圧力に基づく応力を緩和することができる。さらに、突起部のサイズに比して大きな押圧力を測定することができる。
The
第２電極２０は、第１電極１０と対向配置されている。第２電極２０は、層形態を有していてもよい。より具体的には、第２電極２０は、弾性を有する突起部５を間に挟み込むように第１電極１０と対向配置されている。誘電体３０は、全体として、第１電極１０と第２電極２０との間に設けられている。
The
誘電体３０は、第１誘電体３１および第２誘電体３２と２つの誘電体部から構成されている。図７Ａに示されるように、第１誘電体３１と第２誘電体３２とは互いに隣接して設けられている（即ち、第１誘電体３１と第２誘電体３２とが互いに重なり合うように互いに接した状態で設けられている）。特に、第１電極１０と第２電極２０とが互いに対向する方向（即ち、図面中の“上下方向”）において相互に隣接するように又は重なるように第１誘電体３１と第２誘電体３２とが設けられている。第１誘電体３１は、第１電極１０の弾性を有する突起部５の最頂部分５’と第２電極２０との双方に接し、それらの間に位置付けられている。即ち、弾性を有する突起部５の最頂部分５’と第２電極２０とによって挟まれるように第１誘電体３１が設けられている。一方、第２誘電体３２は、弾性を有する突起部５に起因して形成された第１電極１０の凹部分に位置付けられている。つまり、第２誘電体３２は、互いに隣接する弾性を有する突起部５の間の領域に位置付けられている。換言すれば、図示されるように「弾性を有する突起部が設けられていない第１電極１０の突起非設置部１７の上面」と「弾性を有する突起部５の側面」とが成す間隙部に第２誘電体３２が位置付けられている。
The dielectric 30 is composed of a
本開示の感圧素子１００は、容量（キャパシタンス）を有する素子であって、コンデンサ機能またはキャパシタ機能を有している。かかる感圧素子では、荷重印加によって容量変化がもたらされ、その容量変化から荷重が検出される。例えば、図７Ｂに示すように感圧素子に荷重が加えられると、弾性を有する突起部５の変形に起因して容量変化がもたらされ、その容量変化から荷重が検出される。従って、本開示の感圧素子１００は“静電容量型感圧センサ素子”、“容量性圧力検出センサ素子”または“感圧スイッチ素子”などと称され得る。図７Ｂは、本開示の感圧素子に押圧力が付与された際の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。
The pressure-
本開示の感圧素子１００は、その容量が特性の異なる２種類の容量に基づいて構成され、比較的高いリニアリティ特性を呈する特徴を有している。つまり、感圧素子の静電容量は、第１容量および第２容量と異なるサブ静電容量同士が合わせられることによって成っている。換言すれば、本開示の感圧素子では、第１容量および第２容量のそれぞれを検知して、センシングするようになっている。
The pressure-
より具体的には、第１容量は、図７Ｃに示すように弾性を有する突起部５と第１誘電体３１との接触領域を含む第１コンデンサＲ１における静電容量である。つまり、図示するように、弾性を有する突起部５の最頂部分（例えば最頂面）５’と第１誘電体３１の主面との接触面を有する第１コンデンサＲ１における容量が第１容量に相当する。一方、第２容量は、弾性を有する突起部５と第１誘電体３１とが接触しない領域を含む第２コンデンサＲ２における静電容量である。つまり、図示するように、弾性を有する突起部５の最頂部分（例えば最頂面）５’と第１誘電体３１の主面との接触面を有していない第２コンデンサＲ２における容量が第２容量に相当する。第２容量は、図７Ｃに示すように、第２誘電体３２と第１誘電体３１との接触領域を含む第２コンデンサＲ２における静電容量であるといえる。
More specifically, the first capacitance is the capacitance in the first capacitor R1 including the contact region between the
「第１容量」および「第２容量」について詳述する。図７Ａは、本開示の感圧素子に押圧力が付与される前の状態を模式的に示した感圧素子の断面図である。図７Ｂは、本開示の感圧素子に押圧力が付与された際の経時変化を模式的に示した感圧素子の断面図である。図７Ｃは、本開示の感圧素子における第１コンデンサ領域Ｒ１および第２コンデンサ領域Ｒ２の配置を模式的に示した感圧素子の断面図である。図８Ａは、押圧時の第１コンデンサＲ１の容量変化特性を説明するための模式図である。図８Ｂは、押圧時の第２コンデンサＲ２の容量変化特性を説明するための模式図である。図８Ｃは、押圧時の感圧素子容量の容量変化特性を示す模式図である。ここで、第１コンデンサＲ１の容量Ｃ〔ｐＦ〕および感圧素子に加えられる荷重Ｆ〔Ｎ〕は、それぞれ以下の式で表される。 The “first capacity” and the “second capacity” will be described in detail. FIG. 7A is a cross-sectional view of a pressure-sensitive element that schematically shows a state before a pressing force is applied to the pressure-sensitive element of the present disclosure. FIG. 7B is a cross-sectional view of the pressure-sensitive element that schematically shows changes with time when a pressing force is applied to the pressure-sensitive element of the present disclosure. FIG. 7C is a cross-sectional view of the pressure-sensitive element that schematically shows the arrangement of the first capacitor region R1 and the second capacitor region R2 in the pressure-sensitive device of the present disclosure. FIG. 8A is a schematic diagram for explaining the capacitance change characteristic of the first capacitor R1 during pressing. FIG. 8B is a schematic diagram for explaining the capacitance change characteristic of the second capacitor R2 during pressing. FIG. 8C is a schematic diagram showing the capacitance change characteristic of the pressure-sensitive element capacitance during pressing. Here, the capacitance C [pF] of the first capacitor R1 and the load F [N] applied to the pressure sensitive element are represented by the following equations, respectively.
本開示において第１容量の特性は、“容量に対して荷重のほうが増加しやすい特性”となっている。換言すれば、図８Ａに示されるように、第１コンデンサＲ１においては、加えられる荷重が大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が小さくなってくる。容量Ｃは、面積Ｓ（弾性を有する突起部５と第１誘電体３１との接触面積）の可変パラメータに依存するところ、荷重Ｆは、面積Ｓとひずみｅ（弾性を有する突起部５の変形量）と２つの可変パラメータに依存する。よって、第１コンデンサＲ１は、感圧素子に荷重が加えた際に“容量に対して荷重のほうが増加しやすい特性”を有し得、それゆえ、加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が小さくなる傾向を有している。尚、「加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が小さくなる傾向」とは、図８Ａのグラフに示されるように、低荷重領域では容量Ｃの増加率が相対的に高いものの、高荷重領域では容量Ｃの増加率が相対的に低くなる傾向を指している。
In the present disclosure, the characteristic of the first capacitance is “characteristic that the load is more likely to increase with respect to the capacitance”. In other words, as shown in FIG. 8A, in the first capacitor R1, the increase rate of the capacitance C becomes smaller as the applied load becomes larger. Where the capacitance C depends on the variable parameter of the area S (contact area between the
一方、第２コンデンサＲ２の容量Ｃ〔ｐＦ〕は、以下の式で表される。 On the other hand, the capacitance C [pF] of the second capacitor R2 is expressed by the following equation.
本開示において第２容量は、図８Ｂに示されるように、加えられる荷重が大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が大きくなる傾向を有している。第２コンデンサＲ２の容量Ｃは、誘電体の厚みｄ（特に第２誘電体３２の厚み）の可変パラメータに対して反比例する関係を有し、その影響が大きく、それゆえ、加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が大きくなる傾向となっている。「加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が大きくなる傾向」とは、図８Ｂのグラフに示されるように、低荷重領域では容量Ｃの増加率が相対的に低いものの、高荷重領域では容量Ｃの増加率が相対的に高くなる傾向を指している。 In the present disclosure, the second capacitance has a tendency that the increase rate of the capacitance C increases as the applied load increases, as shown in FIG. 8B. The capacitance C of the second capacitor R2 has a relation that is inversely proportional to the variable parameter of the thickness d of the dielectric (in particular, the thickness of the second dielectric 32), and its influence is large, and therefore the applied load F is As the size increases, the rate of increase of the capacity C tends to increase. As shown in the graph of FIG. 8B, “the increase rate of the capacity C tends to increase as the applied load F increases” means that the increase rate of the capacity C is relatively low in the low load region, but is high. In the load region, the increasing rate of the capacity C tends to be relatively high.
本開示の感圧素子の容量は、このように容量特性の異なる「第１容量」および「第２容量」に基づいており、それゆえ、図８Ｃに示すように高いリニアリティ特性を呈することができる。具体的には、「第１容量」と「第２容量」との割合が調整されることにより低荷重領域および高荷重領域での感度が調整され、感圧素子の高いリニアリティ特性が実現される。より具体的には、「第１コンデンサにおける荷重と第１容量との相関関係特性」と「第２コンデンサにおける荷重と第２容量との相関関係特性」との割合が適宜調整され合わせられることによって、低荷重領域および高荷重領域での感度が好適に調整され、感圧素子として高いリニアリティ特性が実現される。例えば「加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が小さくなる第１コンデンサの特性」が「加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が大きくなる第２コンデンサの特性」よりも相対的に大きい場合、「第１容量」の割合を「第２容量」に対して相対的に小さくする、逆にいえば、「第２容量」の割合を「第１容量」に対して相対的に大きくすることによって、感圧素子の高いリニアリティ特性を一般に実現することができる。同様にして、例えば「加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が小さくなる第１コンデンサの特性」が「加えられる荷重Ｆが大きくなるにつれて、容量Ｃの増加率が大きくなる第２コンデンサの特性」よりも相対的に小さい場合、「第１容量」の割合を「第２容量」に対して相対的に大きくする、逆にいえば、「第２容量」の割合を「第１容量」に対して相対的に小さくすることによって、感圧素子の高いリニアリティ特性を一般に実現することができる。 The capacitance of the pressure-sensitive element of the present disclosure is based on the “first capacitance” and the “second capacitance” having different capacitance characteristics as described above, and thus can exhibit high linearity characteristics as shown in FIG. 8C. .. Specifically, the sensitivity in the low load region and the high load region is adjusted by adjusting the ratio between the “first capacitance” and the “second capacitance”, and high linearity characteristics of the pressure sensitive element are realized. .. More specifically, the ratio between the “correlation characteristic between the load and the first capacitance in the first capacitor” and the “correlation characteristic between the load and the second capacitance in the second capacitor” is appropriately adjusted and adjusted. The sensitivity in the low load region and the high load region is suitably adjusted, and high linearity characteristics are realized as the pressure sensitive element. For example, “the characteristic of the first capacitor in which the increase rate of the capacitance C decreases as the applied load F increases” is “the characteristic of the second capacitor in which the increase rate of the capacitance C increases as the applied load F increases”. If it is relatively larger than, the ratio of the “first capacity” is made relatively small with respect to the “second capacity”. Conversely, the ratio of the “second capacity” is compared with the “first capacity”. In general, a high linearity characteristic of the pressure sensitive element can be realized by relatively increasing the linearity characteristic. Similarly, for example, “the characteristic of the first capacitor in which the increase rate of the capacitance C decreases as the applied load F increases” “the increase rate of the capacitance C increases as the applied load F increases in the second If it is relatively smaller than the “characteristic of the capacitor”, the ratio of the “first capacity” is made relatively large with respect to the “second capacity”. Conversely, the ratio of the “second capacity” is set to the “first capacity”. By making it relatively small with respect to "capacity", high linearity characteristics of the pressure sensitive element can be generally realized.
ちなみに、第１コンデンサの特性（即ち、荷重と第１容量との相関関係特性）が第２コンデンサの特性（即ち、荷重と第２容量との相関関係特性）よりも上回るように「第１容量」と「第２容量」との割合が調整されると、低荷重領域では大きい感度、高荷重領域では小さい感度を呈する感圧センサ素子を実現することもできる。同様にして、第２コンデンサの特性（即ち、荷重と第２容量との相関関係特性）が第１コンデンサの特性（即ち、荷重と第１容量との相関関係特性）よりも上回るように「第１容量」と「第２容量」との割合が調整されると、低荷重領域では小さい感度、高荷重領域では大きい感度を呈する感圧センサ素子を実現することもできる。 Incidentally, the “first capacitance” is set so that the characteristic of the first capacitor (that is, the correlation characteristic between the load and the first capacitance) exceeds the characteristic of the second capacitor (that is, the correlation characteristic between the load and the second capacitance). By adjusting the ratio between the "" and the "second capacitance", it is possible to realize a pressure-sensitive sensor element exhibiting high sensitivity in the low load region and low sensitivity in the high load region. Similarly, the characteristic of the second capacitor (that is, the correlation characteristic between the load and the second capacitance) is set so as to exceed the characteristic of the first capacitor (that is, the correlation characteristic between the load and the first capacitance). By adjusting the ratio of "1 capacity" to "2nd capacity", it is possible to realize a pressure-sensitive sensor element exhibiting low sensitivity in a low load region and high sensitivity in a high load region.
感圧素子の容量特性（即ち、荷重と静電容量との相関関係特性）について高いリニアリティが実現される場合、特に図８Ｃに示すグラフ図から分かるように、かかる感圧素子の容量特性は、第１コンデンサの静電容量特性（即ち、荷重と第１容量との相関関係特性）および第２コンデンサの静電容量特性（即ち、荷重と第２容量との相関関係特性）の各々よりも高いリニアリティを有している。つまり、感圧素子に荷重を加えた際の荷重と容量との相関関係について、感圧素子は、第１コンデンサおよび第２コンデンサのそれぞれ単独よりも高いリニアリティ特性を全体として有している。 When a high linearity is realized in the capacitance characteristic of the pressure sensitive element (that is, the correlation characteristic between the load and the electrostatic capacitance), the capacitance characteristic of the pressure sensitive element is as shown in the graph diagram of FIG. 8C. Higher than each of the capacitance characteristic of the first capacitor (that is, the correlation characteristic between the load and the first capacitance) and the capacitance characteristic of the second capacitor (that is, the correlation characteristic between the load and the second capacitance). It has linearity. That is, regarding the correlation between the load and the capacitance when a load is applied to the pressure sensitive element, the pressure sensitive element as a whole has higher linearity characteristics than the first capacitor and the second capacitor alone.
「第１コンデンサ」および「第２コンデンサ」について詳述する。第１コンデンサＲ１は、弾性を有する突起部５の領域を含むように構成されている。換言すれば、第１コンデンサは、弾性を有する突起部５の最頂部分５’と第１誘電体３１の主面との接触面を有するコンデンサ部に相当する。より具体的には、図７Ｃに示すように、第１コンデンサＲ１は、「第１電極１０の弾性を有する突起部５」と、「弾性を有する突起部５と対向する位置に存在する第２電極２０の第１電極部分（２０Ａ）」と、「弾性を有する突起部５と第１電極部分（２０Ａ）との間に位置付けられた第１誘電体３１の第１誘電体部分（３１Ａ）」とから構成されている。一方、第２コンデンサＲ２は、弾性を有する突起部５の領域を含まない構成を有している。換言すれば、第２コンデンサＲ２は、弾性を有する突起部５と第１誘電体３１とが接触していない領域に相当する非接触領域を含むように構成されており、即ち、弾性を有する突起部５の最頂部分５’と第１誘電体３１の主面との接触面を有していないコンデンサ部である。より具体的には、図７Ｃに示すように、第２コンデンサＲ２は、「弾性を有する突起部が設けられていない第１電極の突起非設置部１７」と、「突起非設置部１７と対向する位置に存在する第２電極２０の第２電極部分（２０Ｂ）」と、「突起非設置部１７と第２電極部分（２０Ｂ）との間に位置付けられた、第１誘電体３１の第２誘電体部分（３１Ｂ）および第２誘電体３２」とから構成されている。
The "first capacitor" and the "second capacitor" will be described in detail. The first capacitor R1 is configured to include the region of the
図７Ｃには、第１コンデンサＲ１および第２コンデンサＲ２のそれぞれの誘電体領域が模式的に示されている。図示される態様から分かるように、第１コンデンサＲ１では、第１電極の弾性を有する突起部５と、第２電極２０の第１電極部分（２０Ａ）と、最頂部分５’と第１電極部分（２０Ａ）との間の誘電体領域とから構成される素子領域に電荷が蓄えられるのに対して、第２コンデンサＲ２では、第１電極の突起非設置部１７と、第２電極２０の第２電極部分（２０Ｂ）と、それらの間の誘電体領域とから構成される素子領域に電荷が蓄えられることになる。
FIG. 7C schematically shows the respective dielectric regions of the first capacitor R1 and the second capacitor R2. As can be seen from the illustrated mode, in the first capacitor R1, the
本開示の感圧素子は、このような構成の異なる２種類の「第１コンデンサ」および「第２コンデンサ」から成り、それゆえ、荷重印加時における静電容量の変化特性が全体として高いリニアリティを呈し得る。 The pressure-sensitive element of the present disclosure is composed of two types of “first capacitors” and “second capacitors” having different configurations as described above, and therefore, the change characteristic of the capacitance when a load is applied has a high linearity as a whole. Can be presented.
以下では、本開示の感圧素子の各種の構成要素を詳述していく。即ち、本開示の感圧素子を構成する「第１電極１０」、「第２電極２０」および「誘電体３０」ならびにその他の付加的要素につき説明していく。
Hereinafter, various constituent elements of the pressure-sensitive element of the present disclosure will be described in detail. That is, the "
第１電極１０は、少なくとも１つの弾性を有する突起部５を備えた電極部材である。第１電極１０は、以下で説明すること以外、前記した弾性体１と同様である。第１電極１０は、上記した弾性体１（すなわち板状部３、突起部５および凹部７）に対応する。
The
第１電極１０は弾性特性および導電特性を有する。第１電極１０が有する弾性特性は、前記した板状部３および突起部５が有する弾性特性と同様であってもよい。第１電極１０の弾性率は、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性の観点から特に限定されない。詳しくは、第１電極１０は、感圧部への押圧力により、第１電極１０と誘電体１３との接触領域の面積が拡大するような弾性特性を有すればよい。詳しくは、第１電極１０は、押圧時に誘電体１３よりも変形するように、誘電体１３よりも低い弾性率を有していてもよい。押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上および押圧力の測定範囲のさらなる拡大および感圧感度のさらなる向上の観点から、第１電極１０の弾性率は例えば約１０５Ｐａ〜１０７Ｐａであることが好ましく、例えば１つ例示すると約１０６Ｐａが特に好ましい。第１電極１０の弾性率は上記範囲内で大きいほど、押圧力の測定範囲は広くなる。第１電極１０の弾性率は上記範囲内で小さいほど、感圧感度は向上する。感圧感度が向上すると、例えば、従来では検出し難い微小な押圧力でも、検出できるようになる。これに伴い、押圧力の付与開始を精度よく検出できるようになる。弾性率は、例えば架橋密度を変更することによって調整できる。架橋密度は架橋材の添加量により調整できる。導電特性について、第１電極１０の導電率は、所望の周波数帯域において容量のインピーダンスよりも十分に小さくてもよい。第１電極１０の導電率は通常は３００Ω・ｃｍ以下、特に０．００００１〜３００Ω・ｃｍであり、例えば１つ例示すると２５Ω・ｃｍがより好ましい。かかる導電率は、後述の導電性フィラーと樹脂材料（ゴム材料）との相対的割合を変更することによって調整できる。
The
第１電極１０は弾性電極部材に相当し、伸縮性部材とも称されうる。第１電極１０は、上記のような弾性特性と導電特性との双方の性質を有していれば、いずれの材質から成るものであってよい。例えば、第１電極１０は、樹脂材料（特にゴム材料）およびその樹脂材料内に分散した導電性フィラーからなる導電性樹脂から構成されたものであってよい。押圧力の測定範囲のさらなる拡大および感圧感度のさらなる向上の観点から好ましい第１電極１０は、ゴム材料およびそのゴム材料内に分散した導電性フィラーからなる導電性ゴムから構成される。第１電極１０が導電性ゴムから構成されることにより、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性がさらに向上するとともに、押圧力をより効果的に検出することができ、また押圧時の押圧感を演出できる。第１電極１０の樹脂材料は、板状部３および突起部５の樹脂材料として例示した樹脂材料と同様の樹脂材料であってよい。第１電極１０のゴム材料は、板状部３および突起部５のゴム材料として例示したゴム材料と同様のゴム材料であってよい。第１電極１０の好ましい材料を１つ例示するとシリコーンゴムである。ゴム材料は、ゴムの種類に応じて、各種架橋材を含んでもよい。導電性フィラーは、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、黒鉛、Ｃ（カーボン）等のカーボン材料）；Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｉｎ２Ｏ３（酸化インジウム（III））およびＳｎＯ２（酸化スズ（IV）等の金属材料；ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（すなわち、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）から成る複合物）等の導電性高分子材料；金属コート有機物繊維、金属線（繊維状態）等の導電性繊維；から成る群から選択される少なくとも１種の材料を含んでよい。導電性フィラーの形状は、導電性フィラー同士が接触しやすい形状であることが好ましく、球形、楕円形（断面形状）、カーボンナノチューブ形状、グラフェン形状、テトラポット形状、ナノロッド形状であってもよい。導電性フィラーは表面（表層）に分散剤などの、分散性をよくする添加剤が付着していてもよい。導電性フィラーは、寸法、形状および種類が異なる２種以上の導電性フィラーを用いてもよい。また、導電性フィラーに代えて又はそれに加えて、導電層を用いてもよい。具体的には、上記した樹脂材料（特にゴム材料）からなる樹脂構造体（特にゴム構造材）の表面に導電性インク（例えばＡｇインク）の塗布などによって導電層が設けられて成る第１電極であってもよい。
The
第１電極１０の厚みは、前記した板状部の板厚Ｔｂに対応する。
The thickness of the
第１電極１０が有する突起部５および凹部７はそれぞれ、前記した弾性体１における突起部５および凹部７に対応する。
The
第１電極１０が複数の突起部５を有する場合、本開示の感圧素子は、当該複数の突起部５のうち少なくとも１つの突起部５の周囲に凹部７を有していればよい。この場合、本開示の感圧素子は、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上および押圧力の測定範囲のさらなる拡大および感圧感度のさらなる向上の観点から、全ての突起部５の周囲に凹部７を有していることが好ましい。
When the
複数の突起部５の周囲に設けられる凹部７の各々は、それぞれ独立して、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、各突起部５の周囲（特に外周Ｇ）の一部に設けられていてもよいし、または各突起部５の周囲（特に外周Ｇ）の全周に設けられていてもよい。
Each of the
複数の突起部５の周囲に設けられる凹部７の各々が各突起部５の周囲（特に外周Ｇ）の一部に設けられている場合、当該凹部７は、対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上、押圧力の測定範囲のさらなる拡大および感圧感度のさらなる向上の観点から、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、当該周囲（特に外周Ｇ）の全長の５０％以上（特に５０〜１００％）に設けられていることが好ましい。この場合、同観点から、より好ましい態様においては、各突起部５の周囲に設けられる凹部７は、図５Ａ〜図５Ｂに示すように、当該周囲（特に外周Ｇ）に等間隔にて設けられていることが好ましい。
When each of the
複数の突起部５の周囲に設けられる凹部７の全ては、対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上、押圧力の測定範囲のさらなる拡大および感圧感度のさらなる向上の観点から、最も好ましい態様においては、図３に示すように、突起部５の周囲（特に外周Ｇ）の全周にわたって設けられている。
All of the
第２電極２０は、第１電極１０と対向配置される電極部材である。第２電極２０は層形態（例えば箔形態および板形態）を有していてもよい。かかる第２電極２０は、「導電特性」の性質を少なくとも有するのであれば、いずれの材質から成るものであってよい。例えば、第２電極２０の材質は、常套的な感圧素子・センサ素子などの電極層の材質と同様であってよい。第２電極２０を構成し得る材料の具体例として、例えば、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、Ｉｎ２Ｏ３（酸化インジウム（III）およびＳｎＯ２（酸化スズ（IV））等の金属材料；ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（すなわち、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）とポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）から成る複合物）等の導電性高分子材料が挙げられる）。第２電極２０は、第１電極１０よりも高い弾性率を有していてもよく、例えば１０８Ｐａ以上の弾性率を有している。つまり、第２電極２０は、非弾性特性を呈してもよく、それゆえ、第２電極２０は非弾性電極部材と称すことができる。
The
第２電極２０が層形態（例えば箔形態、板形態およびフィルム形態）を有する場合、第２電極２０の厚みは、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性の観点から、特に限定されず、例えば０．００１〜５ｍｍであってもよい。第２電極２０の厚みは、対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上、押圧力の測定範囲のさらなる拡大および感圧感度のさらなる向上の観点から、好ましくは０．００１〜１ｍｍであり、より好ましくは０．００１〜０．５ｍｍであり、例えば１つ例示すると、約０．０５ｍｍが特に好ましい。
When the
第１誘電体３１は、第１電極１０の弾性を有する突起部５の最頂部分５’と第２電極２０との双方に接し、それらの間に位置付けられている。即ち、弾性を有する突起部５の最頂部分５’（例えば最頂面）と第２電極２０とによって挟まれるように第１誘電体３１は設けられている。第１誘電体３１は層形態（例えば箔形態および板形態）を有していてもよい。
The
第１誘電体３１は、少なくとも「誘電体」としての性質を有していれば、いずれの材質から成るものであってよい。例えば、第１誘電体３１は、樹脂材、セラミック材および／または酸化金属材などを含んで成るものであってよい。あくまでも例示にすぎないが、第１誘電体３１は、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンテレフテレート樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、Ａｌ２Ｏ３、およびＴａ２Ｏ５などから成る群から選択される少なくとも１種の材料を含んで成るものであってよい。第１誘電体１の好ましい構成材料はポリイミド樹脂である。
The
第１誘電体３１の比誘電率は、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性の観点から、特に限定されず、例えば０．１〜１５０００であってもよい。第１誘電体３１の比誘電率は、対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上、感圧特性の直線性(リニアリティー)の観点から、１〜５であり、例えば１つ例示すると、約３が特に好ましい。
The relative permittivity of the
第１誘電体３１は、剛性特性を有するものであってよく、あるいは、弾性特性（即ち、「外力によって変形し、除力すると元の形状へと戻る特性」）を有するものであってもよい。第１誘電体３１が弾性特性を有する場合、第１誘電体３１は弾性誘電体／弾性誘電体層と称することができる。第１誘電体３１が“弾性誘電体”／“弾性誘電体層”となることによって、感圧素子が押圧された際、第１電極１０の弾性を有する突起部５の弾性変形と共に、第１誘電体３１の弾性変形がもたらされる。また、そのように、第１誘電体３１および第１電極１０（特に弾性を有する突起部５）の双方が変形することによって、第２誘電体３２は、その厚みをより多く減じるように変形する。
The
尚、第１誘電体３１は、押圧時にて第１電極１０（特にその弾性を有する突起部５）よりも変形しないように、第１電極１０（特にその弾性を有する突起部５）よりも高い弾性率を有していてもよい。例えば、第１電極１０（特にその弾性を有する突起部５）の弾性率が約１０４Ｐａ〜１０８Ｐａである場合、それよりも高い弾性率を第１誘電体３１が有していてもよい。同様にして、第１誘電体３１は、押圧時に第１電極１０（特にその弾性を有する突起部５）よりも変形しないように、第１電極１０（特にその弾性を有する突起部５）の変形量よりも薄膜であってもよい。第１誘電体３１は、所望の周波数帯域において、容量のインピーダンスよりも高い抵抗値を有する材料を含んでいてもよい。第１誘電体３１の誘電率及び膜厚に関していえば、変形前における第２誘電体３２よりも単位面積当たりの容量が大きくなるように、第１誘電体３１の材料選択・膜厚調整がなされてもよい。
The
第１誘電体３１が層形態（例えば箔形態、板形態およびフィルム形態）を有する場合、第１誘電体３１の厚みは、押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性の観点から、特に限定されず、例えば０．００１〜０．１ｍｍであってもよい。第１誘電体３１の厚みは、対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の対人感圧用途（特に後述の感圧素子用途）の押圧力に基づく応力の緩和による亀裂抑制特性のさらなる向上、押圧力の測定範囲のさらなる拡大および感圧感度のさらなる向上の観点から、好ましくは０．００５〜０．１ｍｍであり、より好ましくは０．００５〜０．０５ｍｍであり、例えば１つ例示すると、約０．０１ｍｍが特に好ましい。
When the first
第２誘電体３２は、弾性を有する突起部５に起因して形成された第１電極１０の凹部分に位置付けられている。つまり、第２誘電体３２は、互いに隣接する弾性を有する突起部５の間の領域に位置付けられている。換言すれば、図７Ａに示されるように、「弾性を有する突起部が設けられていない第１電極１０の突起非設置部１７の上面」と「弾性を有する突起部５の側面」とが成す間隙部に第２誘電体３２が位置付けられている。図示される形態から分かるように、第２誘電体３２の上面は、弾性を有する突起部５の最頂部分５’（即ち、弾性を有する突起部５の最頂面）と面一になっていてもよい。
The
第２誘電体３２は、誘電体から成るものであり、第１電極１０（特にその弾性を有する突起部５）および／または第１誘電体３１の弾性変形を阻害するものでなければ、いずれの誘電体から成るものであってよい。例えば、第２誘電体３２が空気部であってよい。かかる場合、感圧素子が押圧された際に、第１電極１０の弾性を有する突起部５および／または第１誘電体３１の好適な変形がもたらされ、それによって、第２誘電体３２が、その厚みを効果的に減じるように変形できる。
The
本開示に係る感圧素子の好適な態様では、対向配置された第１電極および第２電極において、第２電極の外面２１側が感圧素子の押圧側となっている。図７Ａに示すように、感圧素子１００の「Ａ側」（図中の上側）および「Ｂ側」（図中の下側）と互いに対向する側部でいえば、「Ａ側」が押圧側となる。かかる態様において本開示の感圧素子は、第２電極の外面２１側からその内面側に向かって押圧される、即ち、感圧素子１００の「Ａ側」からＢ側へと向かって押圧されることになる。そのように押圧されると、図７Ｂに示すように弾性を有する突起部５はその高さ寸法を減じつつも幅寸法を徐々に大きくして変形することになり、弾性を有する突起部５と第１誘電体３１との接触領域が増加すると共に、第２誘電体３２は、その厚みを減じるように変形する。
In a preferred mode of the pressure-sensitive element according to the present disclosure, the
押圧側から感圧素子に荷重が加えられると、図７Ｂに示すように弾性を有する突起部５の変形に伴って第１電極１０の弾性を有する突起部５（特にその最頂部分）と第１誘電体３１との接触領域の面積が増加するが、これは、第１コンデンサＲ１において容量変化がもたされることを意味している。つまり、第１コンデンサＲ１の静電容量特性（即ち、荷重と第１容量との相関関係特性）が発現される。一方、押圧側から感圧素子に荷重が加えられると、図７Ｂに示すように、第２誘電体３２の厚み寸法が減少するように第２誘電体３２が変形するが、これは、第２コンデンサＲ２にて容量変化がもたされることを意味している。つまり、第２コンデンサＲ２の静電容量特性（即ち、荷重と第２容量との相関関係特性）が発現される。本開示の感圧素子では、第１コンデンサＲ１の静電容量特性と第２コンデンサＲ２の静電容量特性とを組み合わせており、それによって、容量変化特性（荷重印加時の容量変化特性）につきリニアリティの向上した感圧素子を実現している。
When a load is applied to the pressure-sensitive element from the pressing side, as shown in FIG. 7B, the
容量変化の検出は、自己容量方式または相互容量方式のいずれを採用してもよい。あるいは、別法にてその他の既知の方式を容量変化の検出のために採用してもよい。すなわち、感圧素子の用途等に応じて適当な方式を適宜採用すればよい。また、感圧素子の静電容量変化からの荷重の導出方法も、既知のいずれかの手法を採用すればよい。 Either a self-capacitance method or a mutual capacitance method may be used to detect the capacitance change. Alternatively, another known method may be adopted as another method for detecting the capacitance change. That is, an appropriate method may be appropriately adopted depending on the application of the pressure sensitive element. Further, as a method for deriving the load from the change in capacitance of the pressure sensitive element, any known method may be adopted.
感圧素子は制御装置と共に使用され得る。かかる制御装置は、例えば、感圧素子における静電容量変化もしくは導出した荷重分布を記憶するか、あるいは、外部のＰＣ等の機器へと出力する機能を有してもよい。このような制御装置は、感圧素子とは別体に設けられるものであってよく、それゆえ、例えば感圧素子が外部のＰＣ等の演算処理装置によって制御されるものであってもよい。 The pressure sensitive element may be used with a controller. Such a control device may have a function of, for example, storing the capacitance change in the pressure-sensitive element or the derived load distribution, or outputting it to an external device such as a PC. Such a control device may be provided separately from the pressure-sensitive element, and therefore the pressure-sensitive element may be controlled by an arithmetic processing unit such as an external PC, for example.
［感圧素子の製造方法］
次に、本開示の感圧素子の製造方法について説明する。図９Ａ〜図９Ｆにはある１つの好適な態様に従った感圧素子の製造方法の概略工程を模式的に示している。
[Method of manufacturing pressure sensitive element]
Next, a method for manufacturing the pressure-sensitive element of the present disclosure will be described. 9A to 9F schematically show schematic steps of a method for manufacturing a pressure-sensitive element according to one preferred embodiment.
〈支持基材の準備工程〉
まず、図９Ａに示されるように、支持基材５０を準備する。支持基材５０としては、可撓性を有する基板を用いてよい。例えば、支持基材５０は、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネートおよび／またはポリイミド等を含んで成るプラスチック基板であってよい。
<Preparation process of supporting substrate>
First, as shown in FIG. 9A, the supporting
〈第１電極の形成工程〉
次いで、支持基材５０上に「液状のポリマー樹脂原料に対して導電性フィラーを含有させて成る複合材料」を塗布する。例えば、シリコーンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン・ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ポリイソブチレン、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、フッ素ゴム、エピクロルヒドリンゴム、ウレタンゴム、および天然ゴム等の液状のポリマー樹脂原料（特にゴム原料）に対して導電性フィラーを複合させて成る複合材料を支持基材５０上に塗布する。導電性フィラーの材質は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃ、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３およびＳｎＯ２等から成る群から選択されるものであってよい。
<Step of forming first electrode>
Next, the “composite material obtained by containing a conductive filler in a liquid polymer resin raw material” is applied onto the supporting
次いで、突起部５および凹部７の凹凸パターンを有したモールドを用い、支持基材５０上の複合材料層に対して押付け処理を施し、複合材料層を硬化させる。これにより、弾性を有する突起部５および凹部７を有する第１電極１０が形成される（図９Ｂ参照）。具体的には、モールドの凹凸パターンを複合材料層に転写することによって、複数の突起部５および複数の凹部７が形成される。
Next, the composite material layer on the supporting
導電性フィラーを含有させて成る複合材料を用いず、第１電極１０を形成することもできる。例えば、液状のポリマー樹脂原料（特にゴム原料）を塗布することで得られたポリマー樹脂原料（特にゴム原料）層に対して、凹凸パターンを転写してゴム構造体を形成した後、かかるゴム構造体の表面に導電性フィラーを含んだインクを塗布して導電層を形成してもよい。
The
このような第１電極１０の形成方法は、ナノインプリント技術を用いたものである。ナノインプリント技術とは、凹凸パターンを有したモールドを被転写材料のゴム構造体に押し付け、ナノオーダーでモールドに形成されたパターンをゴム構造体に転写する技術である。かかる技術は、リソグラフィ技術と比べて微細なパターンかつ半球体等の傾斜を有した立体を好適に形成することができる。ナノインプリント技術では、予め規定した所望の凹凸パターンを備えたモールドを用い、第１電極１０の全体的形状、突起部高さおよび凹部深さなどを容易に制御することができる。同様にして、ナノインプリント技術では、突起部および凹部の形状制御も容易となる。突起部の形状制御によって、感圧素子において弾性を有する突起部５と第１誘電体層３１との接触面積の変化（押圧時の接触面積の変化）を特に緩やかにすることができる。つまり、押圧時の容量変化につき好適な制御が可能となり、押圧力が精度良く検知される感圧素子を実現できる。
Such a method of forming the
当然のことながら、ナノインプリント技術以外にフォトリソエッチングおよび現像・剥離技術を利用することによって第１電極１０の形成を行ってもよい。フォトリソエッチングの場合では、エッチング液の濃度または流量を制御することにより、所望の突起部高さ・突起部形状を形成できる。
As a matter of course, the
〈スペーサの形成工程〉
次いで、図９Ｃに示すように、スペーサ７０を形成する。図示されるように、支持基材５０および第１電極１０の複合体の周縁部にスペーサ７０を形成してもよい。スペーサ自体は、ポリエステル樹脂および／またはエポキシ樹脂等の絶縁性樹脂原料から形成してよい。別法にて、第１電極１０の弾性を有する突起部５をスペーサとして代用してもよい。
<Spacer forming process>
Next, as shown in FIG. 9C, the
〈第２電極の形成工程〉
次いで、図９Ｄに示すように、押圧基材６０に対して複数の第２電極２０を形成する。より具体的には、押圧基材６０として用いられる「樹脂材から成る可撓性のプラスチック基板」に対して、複数の第２電極２０を互いに離隔した形態で設ける。押圧基材６０に用いられる樹脂材としては、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネートおよび／またはポリイミド等を挙げることができる。
<Step of forming second electrode>
Next, as shown in FIG. 9D, a plurality of
第２電極２０の形成方法は特に制限はない。例えば「液状のポリマー樹脂原料に対して導電性フィラーを含有させた複合材料」を押圧基材６０上にパターン印刷し、硬化に付すことで第２電極２０を形成できる。ポリマー樹脂原料は、例えば、シリコーン系樹脂、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂および／またはロタキサン系樹脂等であってよい。一方、導電性フィラーは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃ、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、およびＳｎＯ２等から成る群から選択されるものであってよい。別法にて、無電解めっき又はゾルゲル法を利用して第２電極２０を形成してもよい。
The method for forming the
〈第１誘電体の形成工程〉
次いで、図９Ｅに示すように、第１誘電体３１を形成する。具体的には、第２電極２０上に第１誘電体３１する。例えば、樹脂原料を第２電極２０上に塗布することを通じて第１誘電体３１を形成できる。第１誘電体３１の樹脂原料としては、例えば、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレンテレフテレート樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂等のポリマー材料、Ａｌ２Ｏ３およびＴａ２Ｏ５等の金属酸化物、ならびにチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム等の機能性セラミックス材料から成る群から選択されるものを挙げることができる。
<Step of forming first dielectric>
Next, as shown in FIG. 9E, the
〈押圧側部材の載置工程〉
次いで、押圧側部材を「支持基材および第１電極の複合体」に対して載置させる。具体的には、図９Ｆに示すように、「第２電極２０と第１誘電体３１とを備えた押圧基材６０」を、スペーサ７０を介して、「支持基材５０および第１電極１０の複合体」に載置させる。特に、第１誘電体３１と第１電極１０とが直接的に対向するように載置を行う。これにより、第１誘電体３１と第１電極１０との間に形成される空隙部が第２誘電体３２を成すことになる。
<Step of placing the pressing side member>
Then, the pressing member is placed on the “composite of the supporting base material and the first electrode”. Specifically, as shown in FIG. 9F, the “pressing
上記工程を経ることによって、最終的には、図９Ｆに示すような感圧素子１００を得ることができる。
Through the above steps, the pressure
以上、本開示の実施形態について説明してきたが、本開示はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。 Although the embodiments of the present disclosure have been described above, those skilled in the art will easily understand that the present disclosure is not limited thereto and various modifications can be made.
［本開示の感圧素子の用途］
本開示の感圧素子は各種管理システムおよび各種電子機器におけるセンサ素子として好適に利用できる。
[Application of Pressure Sensitive Element of Present Disclosure]
The pressure-sensitive element of the present disclosure can be suitably used as a sensor element in various management systems and various electronic devices.
管理システムとしては、例えば、欠品管理システム（レジかご、物流管理、冷蔵庫関連品、在庫管理）、車管理システム（またはドライバーモニタリングシステム）（座席シート、操舵装置、コンソール周りのスイッチ（アナログ入力可能））、コーチング管理システム（シューズ、衣類）、セキュリティー管理システム（接触部全部）、介護・育児管理システム（機能性寝具および機能性便座関連品）等が挙げられる。 As the management system, for example, out-of-stock management system (cash register, logistics management, refrigerator related product, inventory management), car management system (or driver monitoring system) (seat seat, steering device, switches around console (analog input possible) )), A coaching management system (shoes, clothes), a security management system (all contact parts), a care / child care management system (functional bedding and functional toilet seat related products), and the like.
車管理システム（またはドライバーモニタリングシステム）では、ドライバーの操舵装置に対する圧力分布（すなわち把持力および／または把持位置）およびその変化ならびにドライバー（着座状態）の車載シートに対する圧力分布（例えば、重心位置）およびその変化をモニタリングする。これにより、運転状態を把握し、ドライバーの状態(眠気・心理状態など)を読み取り、フィードバックすることが可能である。
コーチング管理システムは、人体（例えば足裏）の重心および／または荷重分布ならびにそれらの変化などをモニタリングし、適正な状態および／または心地よい状態へ矯正または誘導することができるシステムである。
セキュリティー管理システムにおいては、例えば、人が通過する際に、体重、歩幅、通過速度および靴底パターンなどを同時に読み取ることが可能であり、データと照合することで、人物を特定することが可能である。
介護・育児管理システムは、人体の寝具および便座等に対する圧力分布および／またはその重心ならびにそれらの変化などをモニタリングし、行動を推定することにより、転倒および転落を防止するシステムである。
In the vehicle management system (or driver monitoring system), the pressure distribution (ie, gripping force and / or gripping position) of the driver to the steering device and its change, and the pressure distribution (eg, center of gravity position) of the driver (seated state) to the vehicle seat, and Monitor the change. As a result, it is possible to grasp the driving state, read the driver's state (drowsiness, psychological state, etc.), and provide feedback.
The coaching management system is a system capable of monitoring the center of gravity and / or load distribution of a human body (for example, the sole of the foot) and changes thereof, and correcting or guiding to a proper state and / or a comfortable state.
In a security management system, for example, when a person passes by, it is possible to simultaneously read the weight, the stride, the passing speed, the sole pattern, etc., and it is possible to identify the person by collating with the data. is there.
The nursing care / child care management system is a system for preventing falls and falls by monitoring the pressure distribution and / or the center of gravity of the human body with respect to bedding, a toilet seat, and the like, and their changes, and estimating the behavior.
電子機器としては、例えば、車載機器（カーナビゲーション・システム、音響機器など）、家電機器（電気ポット、ＩＨクッキングヒーターなど）、スマートフォン、電子ペーパー、電子ブックリーダー等が挙げられる。本開示の感圧素子を、上記のような各種管理システムおよび各種電子機器に適用することにより、これまで以上にユーザーの利便性が図られたタッチセンサ素子（感圧シート、操作パネルおよび操作スイッチ等）として利用できる。 Examples of electronic devices include in-vehicle devices (car navigation systems, audio devices, etc.), home appliances (electric pots, IH cooking heaters, etc.), smartphones, electronic paper, electronic book readers, and the like. By applying the pressure-sensitive element of the present disclosure to various management systems and various electronic devices as described above, a touch sensor element (pressure-sensitive sheet, operation panel, and operation switch) that is more convenient for the user than ever has been achieved. Etc.) are available.
本開示の感圧素子の用途は、対人感圧用途と非対人感圧用途とに分類することができる。
対人感圧用途とは、人体に起因する圧力をモニタリングする用途であり、上記した用途のうち、例えば、車管理システム（またはドライバーモニタリングシステム）、コーチング管理システム、セキュリティー管理システム、介護・育児管理システムを包含する。
非対人感圧用途とは、人体以外の物体に起因する圧力をモニタリングする用途であり、上記した用途のうち、例えば、欠品管理システムを包含する。
Applications of the pressure-sensitive element of the present disclosure can be classified into interpersonal pressure-sensitive applications and non-personal pressure-sensitive applications.
The person-to-person pressure sensitive application is an application for monitoring the pressure caused by the human body, and of the above-mentioned applications, for example, a car management system (or driver monitoring system), a coaching management system, a security management system, a care / child care management system. Includes.
The non-personal pressure-sensitive application is an application for monitoring a pressure caused by an object other than the human body, and includes, for example, a stockout management system among the applications described above.
（実施例１）
シリコーンゴムからなる、図１〜図３に示す弾性体を製造した。詳しくは、支持基材上に液状のシリコーンゴム原料、架橋剤および補強材の混合物を塗布した。次いで、突起部５および凹部７に対応する成形面を有するモールドの成形面を、支持基材上のシリコーンゴム原料層に対して押付け処理して、転写させつつ、硬化を行い、板状部３、突起部５および凹部７を一体的に形成した。
(Example 1)
The elastic body shown in FIGS. 1 to 3 made of silicone rubber was manufactured. Specifically, a mixture of a liquid silicone rubber raw material, a cross-linking agent and a reinforcing material was applied on a supporting substrate. Next, the molding surface of the mold having the molding surfaces corresponding to the
板状部３、突起部５および凹部７の特性を以下に示す。
板状部３および突起部５の弾性率＝１０６Ｐａ
板状部３の板厚Ｔｂ＝０．１ｍｍ
突起部５の形状＝半球体形状
突起部５の高さＨｔ（図２参照）＝０．０６ｍｍ
突起部５の幅Ｗｔ（図２参照）＝０．０９ｍｍ
凹部７の断面視形状＝円弧形状
凹部７の深さＤｃ（図２参照）＝０．０２ｍｍ
凹部７の幅Ｗｃ（図２参照）＝０．０３ｍｍ
The characteristics of the plate-
Elastic modulus of the plate-
The plate thickness Tb of the plate-shaped
Shape of
Width Wt of protrusion 5 (see FIG. 2) = 0.09 mm
Cross-sectional shape of
Width Wc of recess 7 (see FIG. 2) = 0.03 mm
（比較例１）
凹部７を設けなかったこと以外、実施例１と同様の方法により、図１２Ａに示す弾性体を製造した。
(Comparative Example 1)
An elastic body shown in FIG. 12A was manufactured by the same method as in Example 1 except that the
（評価１：耐久性）
実施例１および比較例１の弾性体の突起部に対して、２０Ｎ／ｃｍ２の打ち付けを１００万回行った。
実施例１で得られた弾性体について、顕微鏡写真を撮影し、目視観察したところ、亀裂は発生していなかった。
比較例１で得られた弾性体について、顕微鏡写真を撮影し、目視観察したところ、突起部と板状部との境界（図１２ＡにおけるＧ’）の近傍に亀裂が発生していた（図１２Ｄ参照）。
(Evaluation 1: Durability)
The protrusions of the elastic bodies of Example 1 and Comparative Example 1 were hit with 20 N / cm 2 for 1 million times.
Microscopic pictures of the elastic body obtained in Example 1 were taken and visually observed, and as a result, no crack was generated.
A micrograph of the elastic body obtained in Comparative Example 1 was taken and visually observed. As a result, a crack was generated near the boundary between the protrusion and the plate-like portion (G ′ in FIG. 12A) (FIG. 12D). reference).
（評価２：圧力変化量およびストローク距離と荷重との関係）
実施例１で得られた弾性体について押圧力を付与し、平面視における突起部５の外周Ｇ（例えば図１および図３参照）での圧力変化量と荷重との関係、およびストローク距離と荷重との関係を測定し、それぞれ図１０Ａおよび図１０Ｂに示した。ストローク距離とは、押圧力の付与により突起部５の頂点が押下される量（すなわち距離）のことであり、例えば図２に示すＳＬに相当する。
(Evaluation 2: Relationship between pressure change amount and stroke distance and load)
A pressing force is applied to the elastic body obtained in Example 1, and the relationship between the pressure change amount and the load on the outer periphery G (see, for example, FIG. 1 and FIG. 3) of the
比較例１で得られた弾性体についても、実施例１で得られた弾性体と同様に、押圧力を付与し、圧力変化量と荷重との関係、およびストローク距離と荷重との関係を測定し、それぞれ図１０Ａおよび図１０Ｂに示した。比較例１の圧力変化量は、突起部と板状部との境界（図１２ＡにおけるＧ’）での圧力変化量である。 Also for the elastic body obtained in Comparative Example 1, similarly to the elastic body obtained in Example 1, a pressing force is applied to measure the relationship between the pressure change amount and the load and the relationship between the stroke distance and the load. And shown in FIGS. 10A and 10B, respectively. The pressure change amount of Comparative Example 1 is the pressure change amount at the boundary (G ′ in FIG. 12A) between the protrusion and the plate-shaped portion.
これらの結果から、突起部周囲に凹部７を形成することで、急激な応力変化を抑制出来ていることが確認できた。しかも、凹部７の形成は、押圧力の測定範囲および感圧感度に影響のあるストローク距離にはほとんど影響しないことが確認できた。従って、本開示の弾性体を感圧素子に使用することにより、押圧力の測定範囲および感圧感度を損なうことなく、信頼性（例えば耐久性）が向上することが明らかである。
From these results, it was confirmed that by forming the
（評価３：応力緩和）
実施例１および比較例１の弾性体について、応力−荷重曲線を応力解析シミュレーションにより算出し、図１１Ａおよび図１１Ｂに示した。詳しくは、図１１Ｃに示すように、突起部表面におけるＸ１、Ｘ２、Ｘ３の３か所の位置での応力を算出した。Ｘ１は突起部の付け根（すなわち図１におけるＧ）の位置、Ｘ２は高さが１／２×ｈの位置、Ｘ３は高さが５／６×ｈの位置である。なお、図１１Ｃにおいては凹部が省略されており、ｈは突起部の高さＨｔのことである。図１１Ｃは、評価３における応力解析シミュレーションの算出位置を説明するための突起部の模式的斜視図である。
(Evaluation 3: stress relaxation)
The stress-load curves of the elastic bodies of Example 1 and Comparative Example 1 were calculated by stress analysis simulation, and are shown in FIGS. 11A and 11B. Specifically, as shown in FIG. 11C, stress was calculated at three positions of X1, X2, and X3 on the surface of the protrusion. X1 is the position of the base of the protrusion (that is, G in FIG. 1), X2 is the position of height ½ × h, and X3 is the position of
実施例１の弾性体は、凹部を有さない比較例１の弾性体と比較して、応力を緩和できていた。
凹部の形状を最適化することで、より応力緩和が期待できる。
The elastic body of Example 1 was able to relax the stress as compared with the elastic body of Comparative Example 1 having no recess.
Stress optimization can be expected by optimizing the shape of the recess.
本開示の弾性体（特に感圧素子）は各種電子機器のセンサ素子として好適に利用できる。特に、簡易的な構造であるものの低荷重領域および高荷重領域の双方におけるリニアリティが好適に制御されるので、シート状であって変位量がマイクロメートルオーダーの感圧センサを実現できる。 The elastic body (particularly the pressure sensitive element) of the present disclosure can be suitably used as a sensor element for various electronic devices. In particular, although the structure is simple, the linearity in both the low load region and the high load region is preferably controlled, so that it is possible to realize a pressure sensor having a sheet shape and a displacement amount of the order of micrometers.
より具体的にいえば、本開示の弾性体（特に感圧素子）は、車載機器（カーナビゲーション・システム、音響機器など）、スマートフォン、電子ペーパーなどの種々の電子機器に適用され、これまで以上にユーザーの利便性が図られたタッチセンサ素子として利用できる。 More specifically, the elastic body (particularly the pressure sensitive element) of the present disclosure is applied to various electronic devices such as in-vehicle devices (car navigation systems, audio devices, etc.), smartphones, electronic papers, etc. In addition, it can be used as a touch sensor element for the convenience of the user.
１：弾性体
３：板状部
５：突起部
５’突起部の最頂部分
１０：第１電極
１７：第１電極の突起非設置部
２０：第２電極
２０Ａ：第２電極の第１電極部分
２０Ｂ：第２電極の第２電極部分
３０：誘電体
３１：第１誘電体
３１Ａ：第１誘電体の第１誘電体部分
３１Ｂ：第１誘電体の第２誘電体部分
３２：第２誘電体
５０：支持基材
６０：押圧基材
７０：スペーサ
１００ 感圧素子
1: Elastic body 3: Plate-like part 5:
Claims (10)
前記平坦面から突出し、押圧力を受けるように設けられた突起部と、
前記突起部の周囲に設けられた凹部と、
を備えた弾性体。 A plate-shaped portion having a substantially flat flat surface,
A protrusion provided so as to project from the flat surface and receive a pressing force,
A recess provided around the protrusion,
Elastic body with.
前記凹部の幅Ｗｃは、前記突起部の幅Ｗｔに対して、０．０５×Ｗｔ〜０．８×Ｗｔである、請求項１〜５のいずれかに記載の弾性体。 The depth Dc of the recess is 0.05 × Ht to 0.8 × Ht with respect to the height Ht of the protrusion,
The elastic body according to claim 1, wherein the width Wc of the recess is 0.05 × Wt to 0.8 × Wt with respect to the width Wt of the protrusion.
前記突起部の幅Ｗｔは、０．００１ｍｍ以上である、請求項６に記載の弾性体。 The height Ht of the protrusion is 0.001 mm or more,
The elastic body according to claim 6, wherein the width Wt of the protrusion is 0.001 mm or more.
前記突起部を少なくとも１つ有する前記弾性体からなる第１電極と、
前記少なくとも１つの突起部を挟んで、前記第１電極と対向する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置される誘電体と、
を備え、
前記第１電極と前記第２電極との間に加わる押圧力に応じて前記第１電極と前記第２電極との間の静電容量が変化する、請求項８に記載の感圧素子。 The elastic body is a conductive elastic body having conductivity,
A first electrode made of the elastic body having at least one protrusion,
A second electrode facing the first electrode with the at least one protrusion interposed therebetween;
A dielectric disposed between the first electrode and the second electrode,
Equipped with
9. The pressure sensitive element according to claim 8, wherein the electrostatic capacitance between the first electrode and the second electrode changes according to the pressing force applied between the first electrode and the second electrode.
前記誘電体は前記第２電極の第１電極側表面に配置された樹脂フィルムからなる、
請求項９に記載の感圧素子。 The second electrode is made of a metal plate or a metal foil having a supporting portion on the back surface,
The dielectric is made of a resin film disposed on the first electrode side surface of the second electrode,
The pressure-sensitive element according to claim 9.
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114270156A (en) * | 2020-07-23 | 2022-04-01 | 株式会社矽因赛德 | Pressure sensor and earphone comprising same |
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| WO2023136051A1 (en) * | 2022-01-12 | 2023-07-20 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Load sensor |
| WO2023181911A1 (en) * | 2022-03-24 | 2023-09-28 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Load sensor |
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