JP2020510830A - 積層センサ装置及びその製造方法 - Google Patents

積層センサ装置及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

センサ装置は、上部層、底部層、及び導電体層を有する少なくとも１つの中間層を有する複数の層の第１のもの含み、上部層、底部層、及び少なくとも１つの中間層のそれぞれは、各隣接する層と直接接触するように配置される。複数の層の第２のものは、第２の複数の層の底部層が、第１の複数の層の上部層に直接接触して配置されるように、第１の複数の層と直接接触して配置される。第１の複数の層及び第２の複数の層は、外部の電流生成デバイスなしに、かつ変形されたことに応じて、圧電電圧を生じ、また変形されたことに応じて、静電容量の変化を生ずる。

Description

本開示は、一般に、センシング装置に関し、詳細には、積層センサに、またより詳細には、積層フォーム・センサに関する。
柔軟な可撓性のあるセンサは、数例をあげると、ＩｏＴ（モノのインターネット）デバイス、装着可能なもの（例えば、ヘルメットなど）、衣料品、及び医療用デバイスなど、ますます多くの用途で有用である。既存の適合可能なセンサは、パッケージ化したセラミックス、及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）ベースの材料を含む。例示的な可撓性のある静電容量センサは、特許文献１に記載されている。圧電反応を生じ、ひずみ計の測定用途で有用な例示的なエラストマー複合材料が、特許文献２に記載されている。例示的な摩擦電気発生器は、特許文献３に記載されている。
この背景情報は、本出願人が、本発明に対しておそらく関連すると思われる情報を明らかにするために提供される。先行するいずれかの情報が本発明に対する先行技術を構成することを必ずしも認めるものではなく、あるいはそのように解釈されるべきではない。
米国特許第７，３０１，３５１号 米国特許第８，９８４，９５４号 米国特許第９，１７８，４４６号
このような材料から製作される既存の材料及びセンサは、その意図された目的に対して適切であり得るが、柔軟な可撓性のあるセンサに関する技術は、線形なセンシング特性を備えるデュアルセンシングを与える柔軟な可撓性のあるセンサと共に進歩するはずである。
実施形態では、センサ装置は、上部層、底部層、及び少なくとも１つの中間層を有する複数の層の第１のものを含み、少なくとも１つの中間層は導電体層を有し、上部層、底部層、及び少なくとも１つの中間層のそれぞれは、各隣接層と直接接触するように配置される。複数の層の第２のものは、第１の複数の層と直接接触して配置され、したがって、第２の複数の層の底部層は、第１の複数の層の上部層と直接接触して配置される。第１の複数の層及び第２の複数の層は、外部の電流生成デバイスなしに、かつ変形されたことに応じて、圧電電圧を生じ、また第１の複数の層及び第２の複数の層は、変形されたことに応じて、静電容量の変化を生ずる。
実施形態では、前述のセンサ装置を製作する方法は、エラストマー・フォームＡ層を、エラストマーＢ層を備える金属被覆基板の上に適用して、エラストマー・フォームＡ層とエラストマーＢ層の間に配置された金属被覆基板の金属被覆部分と積層構造を形成する工程であって、エラストマー・フォームＡ層は、摩擦電気系列表で第１の格付けを有し、エラストマーＢ層は、摩擦電気系列表で第２の格付けを有する、工程と、金属被覆基板の第２のものを積層構造の上に適用し、かつエラストマー・フォームＡ層の第２のものを、第２の金属被覆基板の金属被覆部分の上に適用して複数の積層構造を形成する、工程と、複数の積層構造を硬化させる工程とを含む。
実施形態では、前述のセンサ装置を製作する別の方法は、エラストマー・フォームＡ層を、エラストマーＢ層を備える金属被覆基板の上に適用して、エラストマー・フォームＡ層とエラストマーＢ層の間に配置された金属被覆基板の金属被覆部分と積層構造を形成する工程であって、エラストマー・フォームＡ層は、摩擦電気系列表で第１の格付けを有し、エラストマーＢ層は、摩擦電気系列表で第２の格付けを有する、工程と、積層構造を硬化させて、硬化した積層構造を形成し、かつ硬化した積層構造の第１のものを提供する工程と、硬化した積層構造の第２のものを、第１の硬化した積層構造の上に取り付ける工程であって、第１の硬化した積層構造及び第２の硬化した積層構造は、同一に順序付けられた層を有する、工程とを含む。
本発明の上記の特徴及び利点、ならびに他の特徴及び利点は、添付図面と併せて、本発明の以下の詳細な記述を読めば、容易に明らかになる。
例示的な、非限定の図面を参照するが、添付図において、同様の要素は同様に番号付けされる。
実施形態による積層構造の横断側面図。 実施形態による図１の複数の積層構造の横断側面図。 実施形態による別の積層構造の横断側面図。 実施形態による図３の複数の積層構造の横断側面図。 実施形態による、図４で示された実施形態と同様の複数の積層構造であるが、別の数の積層構造を備えた、試験された実施形態の圧電出力電圧信号を比較する図。 実施形態による、図２で示された積層構造、又は代替的に、図４で示されたような積層構造を表す２層構成の斜視図。 実施形態による、図２で示された積層構造、又は代替的に、図４で示されたような積層構造を表す３層構成の斜視図。 実施形態による、図２、図４、図６、及び図７で示されたものと同様であるが、図３で示されたような第２の積層構造と交互に構成された、図１で示されたような第１の積層構造を有する複数の積層構造８０１の図。
以下の詳細な説明は、説明のために多くの細部を含むが、当業者であれば、以下の詳細に対する多くの変形及び改変は、特許請求の範囲に含まれることが理解されよう。したがって、以下の例示的な実施形態は、特許請求される本発明に対して何らかの一般性を失うことなく、かつそれに対して限定を課することなく記載される。
様々な図、及び添付の文章により示され、かつ述べられるような実施形態は、センシングの圧電モード、及びセンシングの静電容量モードの２つのセンシング・モードを有する積層フォーム・センシング装置を提供する。センシングの圧電モード（すなわち、圧電センサ）は、金属とエラストマーの隣接する層間の摩擦電気効果により達成され、またセンシングの静電容量モード（すなわち、静電容量センサ）は、圧電センサの同じ金属層及びエラストマー層を利用する平行板キャパシタにより達成される。本明細書で述べられ、かつ示される実施形態は、例示的な積層フォーム・センシング装置として、一定数の積層構造を示すが、開示される本発明は、そのように限定されず、本明細書で開示される目的に適した任意の数の積層構造を包含することが理解されよう。
図１は、上部層１０２、底部層１０４、及び少なくとも１つの中間層１０６など、複数の層を有する積層構造１００の実施形態を示す。図１で示された実施形態では、少なくとも１つの中間層１０６の層は導電体層である。上部層１０２、底部層１０４、及び導電体層１０６のそれぞれは、各隣接する層と密接に直接接触するように配置される。本明細書で使用される場合、密接に直接接触させるというフレーズは、各境界面において、ある程度の物理的に接合された状態で、直接物理的に接触することを意味し、したがって、得られた構造は、本明細書で述べられるように実施することができる。
図２は、図１で示された積層構造１００の４つのものを示しており、それらは、ここで、参照数字１００．１、１００．２、１００．３、及び１００．４により示され、かつ総称的に参照数字１０１により参照され、各積層構造１００．１、１００．２、１００．３、及び１００．４は、図１で示された積層構造１００のものと同様の、上から下に順番に、層１０２、１０６、及び１０４の順序及び構成を有する。すなわち、第２の積層構造１００．２は、第１の積層構造１００．１と密接に直接接触して配置され、したがって、第２の積層構造１００．２の底部層１０４．２が、第１の積層構造１００．１の上部層１０２．１と密接に直接接触して配置される。層１０２、１０６、及び１０４の同様の順序及び構成が、第２の積層構造１００．２に対する第３の積層構造１００．３に対して、また第３の構造１００．３に対する第４の積層構造１００．４に対して繰り返される。図１で示された積層構造１００の数は、１つであり、図２では４つであるが、本発明の範囲は、そのように限定されることはなく、本明細書で開示される目的に対して適した任意の数の積層構造を包含することが理解されよう。すなわち、図２で示された複数の積層構造１０１は、本明細書で開示されるように構成された２、３、４、又はそれを超える積層構造１００を表す。
図１及び図２で示された実施形態では、所与の積層構造１００の上部層１０２は、摩擦電気系列表で第１の格付けを有する第１のエラストマー・フォーム層であり、また所与の積層構造１００の底部層１０４は、摩擦電気系列表で第２の格付けを有する第２のエラストマー層である。中間の導電体層１０６を挟むエラストマー層１０２、１０４を利用することにより、また図２で示されるように、一方を他方の上に置く順序付けられた構成で、少なくとも２つの積層構造１００．１、１００．２を利用することにより、２つの積層構造は、外部電流生成デバイスなしに、かつ本明細書の以下で述べるように変形されることに応じて圧電電圧を生じ、かつ本明細書の以下で述べるように変形されることに応じて、静電容量における変化を生ずる。実施形態では、第１のエラストマー層１０２、及び第２のエラストマー層１０４は、本明細書で開示されるように、適切な金属に隣接して積層されたとき、本明細書で開示される目的に対して適切な摩擦電気効果を生成するのに十分な摩擦電気系列表の格付けを有する。
図１及び図２で示された実施形態では、底部層１０４及び中間層１０６は、片面金属被覆基板の形態で提供されることができ、基板はエラストマーであり、また実施形態では、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）である。当技術分野では、底部層１０４と中間層１０６の組み合わされた形態は、片面金属被覆ＰＥＴフィルムと呼ばれる。
次に、図１及び図２のそれぞれで示されたものと同様であるが、次に述べられる差を備えた実施形態を示す図３及び図４に対して参照を行う。
図３は、上部層２０２、底部層２０４、及び少なくとも１つの中間層２０６など、複数の層を有する積層構造２００の別の実施形態を示す。図３で示される実施形態では、上部層２０２は、摩擦電気系列表で第１の格付けを有する第１のエラストマー・フォーム層であり、少なくとも１つの中間層２０６は、第１の導電体層２０７と、摩擦電気系列表で第２の格付けを有する第２のエラストマー層２０８とを含み、また底部層２０４は、第２の導電体層である。上部の第１のエラストマー・フォーム層２０２、第１の導電体層２０７、第２のエラストマー層２０８、及び底部の第２の導電体層２０４のそれぞれは、各隣接層と密接に直接接触するように配置される。示されるように、上部の第１のエラストマー・フォーム層２０２、及び第１の導電体層２０７は、互いに密接に直接接触するように配置され、第２のエラストマー層２０８は、上部の第１のエラストマー・フォーム層２０２のものとは反対側で第１の導電体層２０７と密接に直接接触するように配置され、また底部の第２の導電体層２０４は、第１の導電体層２０７のものとは反対側で第２のエラストマー層２０８と密接に直接接触するように配置される。実施形態では、第１及び第２のエラストマー層２０２、２０８は、本明細書で開示されるような適切な金属に隣接して積層されたとき、本明細書で開示される目的に適した摩擦電気効果を生成するのに十分な摩擦電気系列表格付けを有する。
図４は、図３で示された積層構造２００の４つのものを示しており、それらは、ここでは、参照数字２００．１、２００．２、２００．３、及び２００．４により示され、かつ総称的に参照数字２０１により参照され、各積層構造２００．１、２００．２、２００．３、及び２００．４は、図３で示された積層構造２００のものと同様の、上から下に順番に、層２０２、２０７、２０８、及び２０４の順序及び構成を有する。すなわち、第２の積層構造２００．２は、第１の積層構造２００．１と密接に直接接触して配置され、したがって、第２の積層構造２００．２の底部層２０４．２が、第１の積層構造２００．１の上部層２０２．１と密接に直接接触して配置される。層２０２、２０７、２０８、及び２０４の同様の順序及び構成が、第２の積層構造２００．２に対する第３の積層構造２００．３に対して、かつ第３の積層構造２００．３に対する第４の積層構造２００．４に対して繰り返される。図３において示された積層構造２００の数は、１つであり、図４では４つであるが、本発明の範囲は、そのように限定されることはなく、本明細書で開示される目的に対して適した任意の数の積層構造を包含することが理解されよう。例えば、図４で示される複数の積層構造２０１は、本明細書で開示されるように構成された２、３、４、又はそれを超える積層構造２００を表す。
図１及び図２で示された実施形態と同様に、図３及び図４で示される実施形態では、所与の積層構造２００の上部層２０２は、摩擦電気系列表で第１の格付けを有する第１のエラストマー・フォーム層であり、また所与の積層構造２００の第２のエラストマー層２０８は、摩擦電気系列表で第２の格付けを有する。図１及び図２で示された実施形態に対して異なっているのは、図３及び図４で示された実施形態では、底部層２０４が、第２の導電体層であることである。中間の第１の導電体層２０７を挟むエラストマー層２０２、２０８を利用することにより、また第１の導電体層２０７のものとは反対側で第２のエラストマー層２０８と密接に直接接触をするように配置された第２の導電体層２０４を利用することにより、単一の積層構造２００は、外部電流生成デバイスなしに、かつ本明細書の以下で述べるように変形されることに応じて、圧電電圧を生じ、かつ本明細書の以下で述べるように変形されることに応じて、静電容量における変化を生ずる。図４で示されるように、一方を他方の上に置く順序付けられた構成で、２つ以上の積層構造２００を利用することにより、２つ以上の積層構造はまた、外部電流生成デバイスなしに、かつ変形されることに応じて、圧電電圧を生じ、また変形されることに応じて、静電容量における変化を生ずる。使用される積層構造２００の数に応じて、異なる電圧及び静電容量信号値が、変形の後に得られることになるが、それは以下でさらに論じられる。
図３及び図４で示される実施形態では、底部の導電体層２０４、及び少なくとも１つの中間層２０６（第２のエラストマー層２０８及び第１の導電体層２０７）は、両面金属被覆基板の形態で提供されることができ、その場合、実施形態では、基板（第２のエラストマー層２０８）はＰＥＴである。当技術分野では、層２０４、２０８、及び２０７の組み合わされた形態は、両面金属被覆ＰＥＴフィルムと呼ばれる。
実施形態では、積層構造１００、２００の上部層１０２、２０２は、それぞれ、無充填のポリウレタンである第１のエラストマー・フォーム層、すなわち、可撓性のあるフォーム層である。実施形態では、無充填のポリウレタンは、立方センチメートル当たり０．１４４グラム（立方フィート当たり９ポンド）以上、及び立方センチメートル当たり０．４００グラム（立方フィート当たり２５ポンド）以下の密度を有するポリウレタン・フォームである。別の実施形態では、第１のエラストマー・フォーム層は、シリコーンベースのフォーム、ラテックスベースのフォーム、又はオレフィンベースのフォームとすることができる。
実施形態では、積層構造１００の底部層１０４、及び積層構造２００の少なくとも１つの中間層２０６の第２のエラストマー層２０８は、エラストマーである、すなわち、例えば、ＰＥＴなどのポリエステル、ポリＰＥＴフィルム、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミド、ポリイミド、又は熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）などの可撓性を有するポリマーである。
実施形態では、積層構造１００の導電体層１０６、及び積層構造２００の導電体層２０７、２０４は、ニッケル、アルミニウム、銀、銅、又は金のうちの少なくとも１つから作られ、固体金属の薄いフィルム、又は結合材に埋め込まれた金属粒子とすることができる。
図１及び図３で示された積層構造１００もしくは２００、又は図２及び図４で示された複数の積層構造１０１、２０１のいずれかの実施形態では、複数の層、又は複数の積層構造が変形されたのに応じて生成される圧電電圧は、複数の層により、またより具体的には、各導電体層と、関連する隣接したエラストマー層との間の相対移動により示される摩擦電気効果である。
実施形態では、図２及び図４で示されたような複数の積層構造１０１又は２０１は、それぞれ１．１ギガパスカル（ＧＰａ）以下の曲げ弾性率を有し、かつ２ｍｍ以上で４０ｍｍ以下の全体厚さＴ１又はＴ２をそれぞれが有する。図２及び図４は、それぞれ積層構造１００、２００の４つの層を示しているが、本明細書で開示されるすべてのものから、積層構造の数は、１つ以上の積層構造と２０以下の積層構造の範囲を包含することが理解されよう。実施形態では、第１のエラストマー・フォーム層１０２、２０２の厚さは、第２のエラストマー層１０４、２０８の厚さよりも実質的に厚く、その場合、厚さ比は、３：１以上、５：１以上、１０：１以上、又はさらに２５：１以上とすることができる。第２のエラストマー層１０４、２０８よりも実質的に厚い第１のエラストマー・フォーム層１０２、２０２を利用することによって、積層構造１００、２００は、別個のセンシング・モードを備えて提供され、したがって、第１のエラストマー・フォーム層１０２、２０２は、衝撃／圧力に応じて、衝撃／圧力センシングのための手段を提供し、また第２のエラストマー層１０４、２０８は、力に応じて、力センシングのための手段を提供する薄いフィルム・キャパシタの一部を形成する。
本明細書の上記で示したように、図２で示された複数の積層構造１０１、及び図４で示された複数の積層構造２０１は、本明細書で開示されるように構成された２、３、４、又はそれ以上の各積層構造１００、２００を表す。実施形態では、２つ以上の各積層構造１００、２００を有する複数の積層構造１０１又は２０１は、第１の衝撃力による変形に応じて、第１の圧電電圧及び静電容量における第１の変化を、第２の衝撃力による変形に応じて、第２の圧電電圧及び静電容量における第２の変化を、かつ第３の衝撃力による変形に応じて、第３の圧電電圧及び静電容量における第３の変化を生じる、ここで、第１、第２、及び第３の圧電電圧は、各第１、第２、及び第３の衝撃力と線形関係を有し、また静電容量における第１、第２、及び第３の変化は、各第１、第２、及び第３の衝撃力と線形関係を有する。
図５は、図４で示されたものと同様の複数の積層構造２０１の試験された実施形態の圧電出力電圧信号を比較した図表を示すが、それは、積層構造２００の２層（図４における２００．１及び２００．２、ならびに図５における２０１．２を参照のこと）を、積層構造２００の３層（図４における２００．１、２００．２、及び２００．３、ならびに図５における２０１．３を参照のこと）を、また積層構造２００の４層（図４における２００．１、２００．２、２００．３、及び２００．４、ならびに図５における２０１．４）を利用し、ここで、２０１．２、２０１．３、２０１．４により図５において示される構成の各実施形態は、３０．４８ｃｍ（１フィート）、４５．７２ｃｍ（１．５フィート）、及び６０．９６ｃｍ（２フィート）の３つの異なる高さから１キログラム重の自由落下による衝撃力にさらされた。試験された各実施形態では、各積層構造２００の第１のエラストマー２０２は、２ｍｍの厚さにおいて、立方センチメートル当たり０．３２０グラム（立方フィート当たり２０ポンド）の密度を有する無充填のポリウレタン・フォームであった。本試験サンプルに使用された特定のポリウレタン・フォーム配合物は、米国コネチカット州のロジャーズ・コーポレーション（Ｒｏｇｅｒｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）により製作されたＰＯＲＯＮ ＸＲＤ＊であった（ここで、＊は、ロジャーズ・コーポレーションにより所有される商標を示す）。試験された各実施形態では、各積層構造２００の底部の３層２０７、２０８、及び２０４は、米国コネチカット州デービル（Ｄａｙｖｉｌｌｅ）のＲＯＬ−ＶＡＣ、ＬＰにより製作された７５マイクロメータ（μｍ）の厚さを有する両面金属被覆ＰＥＴフィルムであった。試験された実施形態では、両面金属被覆ＰＥＴフィルムに対する第１のエラストマー・フォーム層２０２の厚さ比は、約２６：１であった。３つの落下高さのそれぞれに対して、３つの構造２０１．２、２０１．３、２０１．４のそれぞれの出力電圧信号を比較することによって分かるように、各第１、第２、及び第３の圧電電圧は、各第１、第２、及び第３の落下高さと、したがって、３つの構造２０１．２、２０１．３、２０１．４のそれぞれに関連する第１、第２、及び第３の衝撃力と統計的に有意な線形関係を有する。このようなセンサ装置の利点は、静電容量センサによる線形な力センシングと、圧電センサによる線形な衝撃センシングの両方を組み合わせて有する混成センサを提供する。
２層、及び３層をそれぞれ有する複数の積層構造６０１、７０１の代表的な実施形態を斜視図で示す図６及び図７に対して次に参照が行われる。複数の積層構造６０１、７０１は、本明細書の上記で述べられた方法で積層された、積層構造１００の反復する積層化により、又は積層構造２００の反復する積層化により形成され得る。
図６では、２層構成は、積層構造１００が使用される場合、図２で示される積層構造１００．１及び１００．２を表し、又は積層構造２００が使用される場合、図４で示される積層構造２００．１及び２００．２を表す。
図７では、３層構成は、積層構造１００が使用される場合、図２において示された積層構造１００．１、１００．２、及び１００．３を表し、又は積層構造２００が使用される場合、図４において示された積層構造２００．１、２００．２、及び２００．３を表す。
図６で示された２層構成では、積層構造１００又は２００のいずれが使用されるかに応じて、部分６０２（６０２．１及び６０２．２として別々に示される）は、図１で示されたエラストマー層１０２、又は図３で示されたエラストマー層２０２を表し、また部分６０４（６０４．１，６０４．２として別々に示される）は、図１における残りの複数の層１０４、１０６、又は図３における残りの複数の層２０４、２０６を表す。積層構造１００が使用される場合、電気信号線６１０及び６１２は、導電体層１０６．１，１０６．２（図２で示される）のそれぞれ１つに対して電気的に接続され、積層構造２００が使用される場合、電気信号線６１０は、導電体層２０４．１，２０７．１（図４で示される）に対して並列に電気的に接続され、電気信号線６１２は、導電体層２０４．２，２０７．２（図４で示される）に対して並列に電気的に接続される。
同様に、図７で示される３層構成では、積層構造１００又は２００のいずれが使用されるかに応じて、部分７０２（７０２．１，７０２．２，７０２．３として別々に示される）は、図１で示されたエラストマー層１０２、又は図３で示されたエラストマー層２０２を表し、また部分７０４（７０４．１，７０４．２，７０４．３として別々に示される）は、図１における残りの複数の層１０４、１０６、又は図３における残りの複数の層２０４、２０６のいずれかを表す。積層構造１００が使用される場合、電気信号線７１０は、導電体層１０６．１（図２で示される）に電気的に接続され、また電気信号線７１２は、導電体層１０６．２，１０６．３（図２で示される）に並列に電気的に接続される。積層構造２００が使用される場合、電気信号線７１０は、導電体層２０４．１，２０７．１（図４で示される）に対して並列に電気的に接続され、また電気信号線７１２は、導電体層２０４．２，２０７．２，２０４．３，２０７．３（図４で示される）に対して並列に電気的に接続される。
図６及び図７で示す実施形態では、複数の積層構造６０１、７０１が、ｚ軸に対して円形横断面「Ａ」を備える円筒形状で示され、また各第１のエラストマー層６０２もしくは７０２（又は図１〜図４において示された実施形態では１０２、２０２）は高さ「ｄ」を有する。しかし、本発明の範囲は、そのように限定されるものではなく、本明細書で開示される目的に適した任意の３次元形状及びサイズを包含する。
図１で示された積層構造１００、又は図３で示された積層構造２００の実施形態、及び図６もしくは図７で示されるように配置され、かつ構造化された実施形態のいずれかを用いると、静電容量センサは、Ｃ＝ε×Ａ／ｄにより与えられる静電容量Ｃの変化によって提供され、ここで、Ｃは、各複数の積層構造６０１、７０１のファラッドで示す静電容量であり、εは、各第１のエラストマー層６０２、７０２の誘電率であり、Ａは、各第１のエラストマー層６０２、７０２の横断面積であり（論議上、この横断面積Ａは、各隣接する導電体層と重なる面積を画定すると仮定する）、かつｄは、各第１のエラストマー層６０２、７０２の高さである（論議上、この高さｈは、各隣接する導電体層間の距離を画定するものと仮定する）。複数の積層構造６０１、７０１が、ｘ−ｙ平面で歪みを受けるか、それともｚ軸に沿って変形を受けるかどうかにかかわらず、各電気信号線６１０、６１２、又は７１０、７１２によって感知され得る、静電容量における測定可能な変化が生ずることになる。本明細書の上記で論じたように、得られた装置（すなわち、複数の積層構造６０１、７０１）は、静電容量センサによる線形な力センシングと、圧電センサによる線形な衝撃センシングの両方を組み合わせて有する混成センサを提供し、ここで、静電容量センサと、圧電センサの両方に対して感知される信号は、各信号線６０１、６１２、又は７１０、７１２により感知される。
図２、図４、図６、及び図７で示されたような形状をし、かつ構成された、積層構造１００の同じ個々のものを利用する複数の積層構造１０１を有する、又は積層構造２００の同じ個々のものを利用する複数の積層構造２０１を有する本発明の実施形態が、本明細書で述べられ、かつ示されてきたが、本発明の範囲はそのように限定されるものではなく、また図８で示されるものを参照して次に述べられる、積層構造１００（すなわち、単一の金属積層ＰＥＴなど）と、積層構造２００（すなわち、二重の金属積層ＰＥＴなど）を共に利用する複数の積層構造の構成も包含することが理解されよう。
図８は、図２、図４、図６、及び図７で示されたものと同様の複数の積層構造８０１を示しているが、底部に第１の積層構造１００．１（図１における積層構造１００）、第１の積層構造１００．１の上に直接、かつ密接に配置された第２の積層構造２００．１（図３の積層構造２００）、第２の積層構造２００．１の上に直接、かつ密接に配置された第３の積層構造１００．２（図１の積層構造１００）、及び第３の積層構造１００．２の上に直接、かつ密接に配置された第４の積層構造２００．２（図３の積層構造２００）を有する。積層構造１００及び２００を任意の構成順序で積層する任意の、かつすべての組合せが本明細書で企図され、かつ本明細書で開示される本発明の範囲に含まれるものと見なされる。
前述の内容を考慮すると、前述の構造のいずれかによるセンサ装置は、様々な方法で製作され得ることが理解されよう。このような方法のいくつかが次に述べられる。
実施形態では、本明細書で述べられるようなセンサ装置を製作する方法は、エラストマー・フォームＡ層を、エラストマーＢ層を備える金属被覆基板の上に適用して、エラストマー・フォームＡ層とエラストマーＢ層の間に配置された金属被覆基板の金属被覆部分と積層構造を形成する工程であって、エラストマー・フォームＡ層は、摩擦電気系列表で第１の格付けを有し、エラストマーＢ層は、摩擦電気系列表で第２の格付けを有する、工程と、金属被覆基板の第２のものを積層構造の上に適用し、かつエラストマー・フォームＡ層の第２のものを、第２の金属被覆基板の金属被覆部分の上に適用して複数の積層構造を形成する工程と、複数の積層構造を硬化させる工程とを含む。
方法の実施形態では、適用されるエラストマー・フォームＡ層は、未硬化のポリウレタン・フォームであり、かつ実施形態では、無充填で未硬化のポリウレタン・フォームであり、そのそれぞれは、適用された後、続いて硬化される。
方法の実施形態では、エラストマーＢ層は、ＰＥＴフィルムである。
方法の実施形態では、金属被覆基板は、例えば、片面金属被覆ＰＥＴの薄いフィルムなど、片面金属被覆基板である。
方法の実施形態では、金属被覆基板は、エラストマーＢ層の一方の側に第１の金属被覆部分、及びエラストマーＢ層の反対側に第２の金属被覆部分を有する両面金属被覆基板であり、第１の金属被覆部分は、エラストマー・フォームＡ層とエラストマーＢ層の間に配置された金属被覆部分であり、金属被覆基板の第２のものを適用する工程は、積層構造の上に両面金属被覆基板の第２のものを適用する工程を含み、かつエラストマー・フォームＡ層の第２のものを適用する工程は、第２の両面金属被覆基板の第１の金属被覆部分の上にエラストマー・フォームＡ層の第２のものを適用する工程を含む。
方法の実施形態では、金属被覆基板は、例えば、両面金属被覆ＰＥＴの薄いフィルムなど、両面金属被覆基板である。
方法の実施形態では、エラストマー・フォームＡ層を塗布する工程は、これだけに限らないが、ロール式ナイフ・コーティング法、プレート・オーバー・ロール（ｐｌａｔｅ−ｏｖｅｒ−ｒｏｌｌ）・コーティング法、グラビア・コーティング法、リバース・ロール・コーティング法、計量ロッド・コーティング法、スロット・ダイ・コーティング法、浸漬コーティング法、カーテン・コーティング法、エアナイフ・コーティング法、又は本明細書で開示される目的に適した任意の他のロール・コーティング法など、ロール・コーティング法を備える。
別の実施形態では、本明細書で述べられるようなセンサ装置を製作する第２の方法は、エラストマー・フォームＡ層を、エラストマーＢ層を備える金属被覆基板の上に適用して、エラストマー・フォームＡ層とエラストマーＢ層の間に配置された金属被覆基板の金属被覆部分と積層構造を形成する工程であって、エラストマー・フォームＡ層は、摩擦電気系列表で第１の格付けを有し、エラストマーＢ層は、摩擦電気系列表で第２の格付けを有する、工程と、積層構造を硬化させて、硬化した積層構造を形成し、かつ硬化した積層構造の第１のものを提供する工程と、硬化した積層構造の第２のものを、第１の硬化した積層構造の上に取り付ける工程であって、第１の硬化した積層構造及び第２の硬化した積層構造は、同一に順序付けられた層を有する、工程とを含む。
第２の方法の実施形態では、適用されるエラストマー・フォームＡ層は、未硬化のポリウレタン・フォームであり、また実施形態では、無充填で未硬化のポリウレタン・フォームである。
第２の方法の実施形態では、エラストマーＢ層は、ＰＥＴフィルムである。
第２の方法の実施形態では、金属被覆基板は、例えば、片面金属被覆ＰＥＴの薄いフィルムなど、片面金属被覆基板である。
第２の方法の実施形態では、金属被覆基板は、エラストマーＢ層の一方の側に第１の金属被覆部分、及びエラストマーＢ層の反対側にある第２の金属被覆部分を有する両面金属被覆基板であり、第１の金属被覆部分は、エラストマー・フォームＡ層とエラストマーＢ層の間に配置された金属被覆部分である。
第２の方法の実施形態では、取り付ける工程は、化学的な接合、機械的な接合、もしくは振動性の接合のうちの１つ、又は前述の接合タイプの組合せを含む。
本明細書で開示される実施形態のいずれかの場合、本明細書で開示される目的に適した例示的な無充填ポリウレタン・フォームは、米国コネチカット州のロジャーズ・コーポレーション（Ｒｏｇｅｒｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から販売されているＰＯＲＯＮ ＸＲＤ＊である（ここで、＊は、ロジャーズ・コーポレーションにより所有される商標を示す）。
本明細書で開示される実施形態のいずれかの場合、本明細書で開示される目的に適したＰＥＴの薄いフィルム、片面金属被覆、又は両面金属被覆は、市販されているＰＥＴの薄いフィルムを含む。
本発明は、第１のエラストマー層１０２、２０２、及び第２のエラストマー層１０４、２０８を参照して本明細書で述べられており、このような層に対する例示的な材料が、異なるエラストマーである、又は一方なフォームであり、他方はフォームではないものであるが、２つのエラストマー層は、層の一方が衝撃／圧力センシングに対する手段を提供するように働き、かつ層の他方が、力センシングに対する手段を提供するように働く限り、同じ材料から製作され得ることも企図される。
本発明が、例示的な実施形態を参照して述べられてきたが、当業者であれば、その要素に対して、特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、また均等な形態で置き換えられ得ることが理解されよう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、多くの修正が行われ得る。したがって、本発明は、本発明を実行するように企図された最良の、又は唯一のモードであるとして、開示された特定の実施形態に限定されるのではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むように意図される。また、図面及び記述において、例示的な実施形態が開示されており、また特定の用語及び／又は寸法が使用されているが、それらは、別段の指定がない限り、限定するためのものではなく、一般的な、例示的な、かつ／又は記述的な意味においてのみ使用されており、したがって、特許請求の範囲はそのように限定されない。さらに、第１、第２などの用語の使用は、何らかの順序又は重要性を示すものではなく、第１、第２などの用語は、１つの要素を他のものと区別するために使用される。さらに１つの（ａ）、１つの（ａｎ）などの用語の使用は、量の限定を示すのではなく、むしろ参照された項目の少なくとも１つの存在を示す。加えて、本明細書で使用される場合、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、１つ又は複数のさらなる特徴を含む可能性を排除するものではない。

Claims (22)

  1. 上部層、底部層、及び少なくとも１つの中間層からなる第１の複数の層であって、前記少なくとも１つの中間層は、導電体層を備え、前記上部層、前記底部層、及び前記少なくとも１つの中間層のそれぞれが、各隣接層と直接接触するように配置される、第１の複数の層と、
    前記第１の複数の層と直接接触して配置される第２の複数の層であって、前記第２の複数の層の前記底部層は、前記第１の複数の層の前記上部層と直接接触して配置される、前記第２の複数の層とからなるセンサ装置であって、
    前記第１の複数の層及び前記第２の複数の層が、外部の電流生成デバイスなしに、かつ変形されたことに応じて、圧電電圧を生じ、かつ
    前記第１の複数の層及び前記第２の複数の層は、変形されたことに応じて、静電容量の変化を生ずる、センサ装置。
  2. 前記複数の層の前記上部層は、摩擦電気系列表で第１の格付けを有する第１のエラストマー・フォーム層であり、かつ
    前記複数の層の前記底部層は、摩擦電気系列表で第２の格付けを有する第２のエラストマー層である、請求項１に記載のセンサ装置。
  3. 前記複数の層の前記上部層は、摩擦電気系列表で第１の格付けを有する第１のエラストマー・フォーム層であり、
    前記少なくとも１つの中間層の前記導電体層は、前記上部層と直接接触するように配置される第１の導電体層であり、
    前記少なくとも１つの中間層は、摩擦電気系列表で第２の格付けを有する第２のエラストマー層をさらに備え、前記第２のエラストマー層は、前記上部層のものとは反対側で前記第１の導電体層と直接接触するように配置され、かつ
    前記底部層は、前記第１の導電体層のものとは反対側で前記第２のエラストマー層と直接接触するように配置された第２の導電体層である、請求項１又は２に記載のセンサ装置。
  4. 前記第１の複数の層及び前記第２の複数の層は、第１の衝撃力により変形されたことに応じて第１の圧電電圧を、第２の衝撃力により変形されたことに応じて第２の圧電電圧を、また第３の衝撃力により変形されたことに応じて第３の圧電電圧を生じ、
    前記第１の圧電電圧、前記第２の圧電電圧、及び前記第３の圧電電圧は、各前記第１の衝撃力、前記第２の衝撃力、及び前記第３の衝撃力と線形関係を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ装置。
  5. 前記第１のエラストマー・フォーム層は、無充填ポリウレタンである、請求項２又は３に記載のセンサ装置。
  6. 前記無充填ポリウレタンは、立方センチメートル当たり０．１４４グラム（立方フィート当たり９ポンド）以上、及び立方センチメートル当たり０．４００グラム（立方フィート当たり２５ポンド）以下の密度を有するポリウレタン・フォームである、請求項５に記載のセンサ装置。
  7. 前記第２のエラストマー層は、ポリエチレンテレフタレート・フィルムである、請求項２又は３に記載のセンサ装置。
  8. 前記導電体層の材料は、ニッケル、アルミニウム、又は銀のうちの少なくとも１つを備える、請求項１乃至７のいずれかに記載のセンサ装置。
  9. 前記第１の導電体層の材料、及び前記第２の導電体層の材料は、ニッケル、アルミニウム、又は銀のうちの少なくとも１つを備える、請求項３又は４に記載のセンサ装置。
  10. 反復して順序付けられた積層構造を形成するように、互いに直接接触させて配置された第３以上の前記複数の層をさらに備え、
    前記積層構造は、第１の衝撃力により変形されたことに応じて第１の圧電電圧を、第２の衝撃力により変形されたことに応じて第２の圧電電圧を、また第３の衝撃力により変形されたことに応じて第３の圧電電圧を生じ、
    前記第１の圧電電圧、前記第２の圧電電圧、及び前記第３の圧電電圧は、各前記第１の衝撃力、前記第２の衝撃力、及び前記第３の衝撃力と線形関係を有する、請求項１乃至９のいずれかに記載のセンサ装置。
  11. 前記複数の層が変形されたことに応じて生成された前記圧電電圧は、前記複数の層により示される摩擦電気効果である、請求項１乃至１０のいずれかに記載のセンサ装置。
  12. 前記複数の層は、１．１ＧＰａ（ギガパスカル）以下の曲げ弾性率を有する、請求項１乃至１１のいずれかに記載のセンサ装置。
  13. 前記複数の層は、２ｍｍ以上で４０ｍｍ以下の全体厚さを有する、請求項１乃至１２のいずれかに記載のセンサ装置。
  14. 前記複数の層の前記第１のもの、及び前記第２のものは、同一に順序付けられた層を有する、請求項１乃至１３のいずれかに記載のセンサ装置。
  15. 請求項１乃至１４のいずれかに記載のセンサ装置の製造方法において、
    エラストマー・フォームＡ層を、エラストマーＢ層を備える金属被覆基板の上に適用して、前記エラストマー・フォームＡ層と前記エラストマーＢ層の間に配置された前記金属被覆基板の金属被覆部分と積層構造を形成する工程であって、前記エラストマー・フォームＡ層は、摩擦電気系列表で第１の格付けを有し、前記エラストマーＢ層は、摩擦電気系列表で第２の格付けを有する、工程と、
    前記金属被覆基板の第２のものを前記積層構造の上に適用し、かつ前記エラストマー・フォームＡ層の第２のものを、前記第２の金属被覆基板の前記金属被覆部分の上に付着させて複数の前記積層構造を形成する工程と、
    前記複数の積層構造を硬化させる工程と
    を備える方法。
  16. 前記金属被覆基板は、前記エラストマーＢ層の一方の側に第１の金属被覆部分を有し、かつ前記エラストマーＢ層の反対側に第２の金属被覆部分を有する両面金属被覆基板であり、前記第１の金属被覆部分が、前記エラストマー・フォームＡ層と前記エラストマーＢ層の間に配置された前記金属被覆部分であり、
    前記金属被覆基板の第２のものを適用する前記工程は、前記両面金属被覆基板の第２のものを前記積層構造の上に適用する工程を備え、かつ
    前記エラストマー・フォームＡ層の第２のものを付着させる前記工程は、前記エラストマー・フォームＡ層の第２のものを前記第２の両面金属被覆基板の前記第１の金属被覆部分の上に付着させる工程を備える、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記適用されたエラストマー・フォームＡ層は、未硬化のポリウレタン・フォームである、請求項１５又は１６に記載の方法。
  18. 前記エラストマーＢ層は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムである、請求項１５乃至１７のいずれかに記載の方法。
  19. エラストマー・フォームＡ層を適用する前記工程は、ロール塗布法を備える、請求項１５乃至１８のいずれかに記載の方法。
  20. 請求項１乃至１４のいずれかに記載のセンサ装置を製作する方法であって、
    エラストマー・フォームＡ層を、エラストマーＢ層を備える金属被覆基板の上に適用して、前記エラストマー・フォームＡ層と前記エラストマーＢ層の間に配置された前記金属被覆基板の金属被覆部分と積層構造を形成する工程であって、前記エラストマー・フォームＡ層は、摩擦電気系列表で第１の格付けを有し、前記エラストマーＢ層は、摩擦電気系列表で第２の格付けを有する、工程と、
    前記積層構造を硬化させて、硬化した積層構造を形成し、かつ前記硬化した積層構造の第１のものを提供する工程と、
    前記硬化した積層構造の第２のものを、前記第１の硬化した積層構造の上に取り付ける工程であって、前記第１の硬化した積層構造及び前記第２の硬化した積層構造は、同一に順序付けられた層を有する、工程と
    を備える方法。
  21. 前記金属被覆基板は、前記エラストマーＢ層の一方の側に第１の金属被覆部分を有し、かつ前記エラストマーＢ層の反対側に第２の金属被覆部分を有する両面金属被覆基板であり、前記第１の金属被覆部分が、前記エラストマー・フォームＡ層と前記エラストマーＢ層の間に配置された前記金属被覆部分である、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記取り付ける工程は、化学的な接合、機械的な接合、又は振動性の接合を備える、請求項２０又は２１に記載の方法。
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