KR101818315B1

KR101818315B1 - 정전용량형 압력 센서 및 입력 장치

Info

Publication number: KR101818315B1
Application number: KR1020157022136A
Authority: KR
Inventors: 카츠유키 이노우에; 토시아키 오쿠노; 요시유키 코무라
Original assignee: 오므론 가부시키가이샤
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2018-01-12
Also published as: WO2014141550A1; JP5974939B2; KR20150108875A; CN105008880B; CN105008880A; JP2014174060A

Abstract

고정 전극(32)의 상면에 유전체 층(33)을 형성한다. 유전체 층(33)의 상면을 하방을 향하여 패여지게 함에 의해, 유전체 층(33)의 상면에 리세스(33a)를 형성한다. 리세스(33a)를 덮도록 하여 유전체 층(33)의 상면에 상기판(35a)을 적층한다. 상기판(35a)의 일부, 즉 리세스(33a)의 상방에 위치하는 영역에 의해, 박막형상을 한 도전성 다이어프램(35)을 형성한다. 유전체 층(33)의, 다이어프램(35)과 대향하는 영역에서는, 당해 대향 영역의 중앙을 중심으로 하는 원주상에서의 유전체 층의 존재 비율을, 상기 대향 영역의 중앙부터의 거리에 응하여 변화시킨다.

Description

정전용량형 압력 센서 및 입력 장치{CAPACITIVE PRESSURE SENSOR AND INPUT DEVICE}

본 발명은, 정전용량형 압력 센서 및 입력 장치에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 압력으로 휘어진 다이어프램이 유전체 층에 접촉하여 압력을 검지하는 터치 모드의 정전용량형 압력 센서에 관한 것이다. 또한, 당해 압력 센서를 이용한 입력 장치에 관한 것이다.

일반적인 정전용량형 압력 센서에서는, 도전성의 다이어프램(가동 전극)과 고정 전극이 갭을 사이에 두고 대향하고 있고, 압력으로 휘어진 다이어프램과 고정 전극 사이의 정전용량의 변화로부터 압력을 검출하고 있다. 이 압력 센서가, 글라스 기판이나 실리콘 기판을 이용하여 MEMS 기술로 제조되는 마이크로 디바이스인 경우에는, 다이어프램에 큰 압력이 가하여져서 크게 휘면, 다이어프램이 파괴될 우려가 있다.

그 때문에, 고정 전극의 표면에 유전체 층을 마련하여 두고, 압력에 의해 휘어진 다이어프램이 유전체 층에 접촉하고, 그 접촉 면적의 변화에 의해 다이어프램과 고정 전극 사이의 정전용량이 변화하도록 한 압력 센서가 제안되어 있다. 이 압력 센서는, 터치 모드 정전용량형 압력 센서로 불리는 일이 있다.

터치 모드 정전용량형 압력 센서로서는, 예를 들면 비특허 문헌 1에 기재된 것이 있다. 도 1(A)는 비특허 문헌 1에 기재된 압력 센서(11)를 도시하는 단면도다. 이 압력 센서(11)에서는, 글라스 기판(12)의 상면에 금속 박막으로 이루어지는 고정 전극(13)을 형성하고 있다. 고정 전극(13)은, 도 1(B)에 도시하는 바와 같이, 원판형상으로 되어 있다. 글라스 기판(12)의 상면에는, 고정 전극(13)의 위에서 유전체막(14)을 형성하고 있다. 유전체막(14)의 상면에는, 전극 패드(16)를 마련하고 있다. 유전체막(14)에는 스루홀(15)을 개구하고 있고, 스루홀(15)을 통하여 고정 전극(13)에 전극 패드(16)를 접속하고 있다. 유전체막(14)의 상면에 실리콘 기판(17)을 적층하고 있다. 실리콘 기판(17)의 상면에 패임부(18)를 마련함과 함께, 실리콘 기판(17)의 하면에 리세스(19)를 마련하고, 패임부(18)와 리세스(19)의 사이에 박막형상의 다이어프램(20)을 형성하고 있다. 다이어프램(20)은, 고정 전극(13)과 맞겹치는 위치에 마련하고 있다. 실리콘 기판(17)의 하면은, B(붕소)가 고농도로 도핑된 P+층(21)으로 되어 있고, 그에 의해 다이어프램(20)에 도전성을 부여하여 다이어프램(20)을 가동 전극으로 하고 있다. 다이어프램(20)의 하면과 유전체막(14)의 상면의 사이에는, 리세스(19)에 의해 수㎛의 갭(22)이 이루어져 있다.

도 2는, 압력 센서(11)의 압력과 정전용량과의 관계(압력-용량 특성)를 도시하는 도면으로서, 비특허 문헌 1에 기재된 것이다. 압력 센서(11)의 다이어프램(20)에 압력이 가하여지면, 다이어프램(20)은 그 인가 압력에 응하여 휘고, 어느 압력에서 유전체막(14)에 접촉한다. 도 2의 횡축에서 압력이 0부터 Pa까지의 구간(미접촉 영역)은, 다이어프램(20)이 유전체막(14)에 접촉하지 않은 영역이다. 압력이 Pa부터 Pb까지의 구간(접촉 시작 영역)은, 다이어프램(20)이 유전체막(14)에 접촉하여 나서 어느 정도의 면적으로 확실하게 접촉할 때까지의 영역이다. 압력이 Pb부터 Pc까지의 구간(동작 영역)에서는, 압력의 증가에 수반하여 다이어프램(20)이 유전체막(14)에 접촉하고 있는 부분의 면적이, 점차로 증가하고 있다. 압력이 Pc부터 Pd까지의 구간(포화 영역)은, 다이어프램(20)의 거의 전면(全面)이 유전체막(14)에 접촉하여 있고, 압력이 증가하여도 거의 접촉 면적이 증가하지 않는 영역이다.

도 2의 압력-용량 특성에 의하면, 압력이 증가할 때, 다이어프램(20)이 접촉하지 않은 미접촉 영역에서는 정전용량의 변화는 작지만, 접촉 시작 영역이 되면 점차로 정전용량의 변화율(증가 속도)이 커진다. 동작 영역에서는 선형성은 좋아지는 것이지만 정전용량의 변화율은 점차로 감소하고, 포화 영역이 되면 정전용량은 거의 증가하지 않게 된다.

이 터치 모드의 압력 센서(11)에서는, 다이어프램(20)과 유전체막(14)의 사이에서의 정전용량(C)은, 다음의 수식 1로 표시할 수 있다.

C=Co+ε·(S/d) … (수식 1)

단, 다이어프램(20)과 유전체막(14)과의 접촉 면적을 S, 유전체막(14)의 두께를 d, 유전체막(14)의 유전율을 ε로 나타내고 있다. Co는 미접촉 영역에서의 정전용량이다. 압력이 커질 때, 유전체막(14)의 두께(d)와 유전율(ε)은 변화하지 않고, 다이어프램(20)의 접촉 면적(S)이 증대하기 때문에, 수식 1에 의하면, 이 때 압력 센서(11)의 정전용량(C)이 증가함을 알 수 있다.

그러나, 이 압력 센서의 경우에는, 가압력과 출력과의 관계를 나타내는 출력 특성이, 압력 센서를 가압할 때의 이상적인 가압감을 나타내는 이상곡선을 정밀도 좋게 재현할 수가 없다. 도 7은, 이상곡선과 압력 센서의 출력 특성과의 관계를 도시한 도면이다. 도 7의 횡축은, 다이어프램을 누른 하중(가압력)의 크기를 나타낸다. 도 7의 종축은, 다이어프램과 고정 전극 사이의 정전용량의 변화율(출력비)을 나타낸다.

도 8은, 도 7의 X구간을 확대한 도면이다. 도 7에서 곡선(α)은 이상곡선을 나타내고, 곡선(β)은 종래예의 출력 특성을 나타낸다. 이상곡선(α)과 종래예의 곡선(β)을 비교하면, 양 곡선은 작은 하중이 가하여져 있을 때의 시작 영역(접촉 시작 영역)과 큰 하중이 가하여져 있을 때의 포화 영역에서는 대충 동등한 정전용량 변화율을 갖는다. 그러나, 하중의 중간영역(동작 영역)에서는, 종래예의 정전용량 변화율과 이상곡선과의 출력 특성의 괴리가 크다. 이 압력 센서에서는, 압력 센서로 검출하고 있는 압력의 강도와 조작자의 가압감과의 사이에 어긋남이 있고, 조작자의 가압감의 변화까지 검지할 수가 없다. 특히, 미소한 압력 센서를 다수 배열하여 터치 패드를 구성하는 경우에는, 손가락으로 문자나 도형을 그려진 때의 필압(筆壓)의 변화를 검지하는 것은 곤란하다.

따라서 사람이 압력 센서를 가압할 때의 가압감에 피트한 검지 특성 또는 출력 특성을 갖는 압력 센서의 개발이 요구되고 있다.

특허 문헌 1에는, 고정 전극에 공극부를 마련함에 의해, 고정 전극의 중심부터의 거리에 응하여 고정 전극의 면적 증가률이 커지(따라서 고정 전극의 존재 비율도 단조롭게 증가하고 있다.)도록 한 압력 센서가 개시되어 있다. 그러나, 이 압력 센서는, 압력의 변화량에 대한 정전용량 변화량의 선형성을 개선하는 것을 목적으로 한 것이여서, 특허 문헌 1의 압력 센서에서는 상기한 이상곡선에 가까운 특성을 얻을 수는 없다.

특허 문헌 1 : 일본 특개2006-200980호 공보

비특허 문헌 1 : 야마모토 사토시, 외 4명, 「터치 모드 용량형 압력 센서」, 후지쿠라기보, 주식회사 후지쿠라, 2001년 10월, 제101호, p. 71-74

본 발명은, 상기한 바와 같은 기술적 배경을 감안하여서 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 압력 센서를 가압할 때의 사람의 가압감에 피트한 검지 특성 또는 출력 특성을 갖는 압력 센서를 제공하는 것에 있다. 또한, 당해 압력 센서를 이용한 입력 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 관한 정전용량형 압력 센서는, 고정 전극과, 상기 고정 전극의 상방에 형성된 유전체 층과, 상기 유전체 층의 상방에 공극을 두고 형성된 도전성의 다이어프램을 구비하고, 상기 유전체 층의, 상기 다이어프램이과 대향하는 대향 영역에서, 상기 대향 영역의 중앙을 중심으로 하는 원주상(圓周上)에서의 유전체 층의 존재 비율이, 상기 대향 영역의 중앙부터의 거리에 응하여 변화하는 것을 특징으로 하고 있다. 여기서, 유전체 층의 존재 비율이란, 대향 영역의 중앙을 중심으로 하는 륜대상(輪帶上)에 있는 유전체 층의 체적을 당해 륜대의 면적으로 나눈 값이다.

본 발명의 정전용량형 압력 센서에 의하면, 유전체 층의 대향 영역의 중앙을 중심으로 하는 원주상에서의 유전체 층의 존재 비율을, 대향 영역의 중앙부터의 거리에 응하여 조정함에 의해, 출력 특성을 이상곡선에 근접할 수 있다. 따라서, 압력 센서의 검지 특성 또는 출력 특성을 사람의 가압감에 피트하도록 조정할 수 있다.

본 발명에 관한 정전용량형 압력 센서의 어느 실시양태는, 상기 대향 영역의 중앙부와 외주부와의 중간에서의 유전체 층의 존재 비율이, 상기 대향 영역의 중앙부에서의 유전체 층의 존재 비율보다도 작은 것을 특징으로 하고 있다. 대향 영역의 전면에 균일하게 유전체를 마련하고 있는 종래예의 경우에는, 압력 센서의 출력 특성은 시작 영역과 포화 영역과의 중간역에서는 정전용량의 변화율이 이상곡선보다도 커진다. 이에 대고, 이 실시양태에서는, 대향 영역의 중앙부와 외주부와의 중간에서의 유전체 층의 존재 비율을 대향 영역의 중앙부에서의 유전체 층의 존재 비율보다도 작게 하고 있기 때문에, 중간역의 출력을 작게 할 수가 있어서, 출력 특성을 이상곡선에 근접할 수 있다.

그러나, 대향 영역의 중앙부와 외주부와의 중간에서의 유전체 층의 존재 비율을 작게 하면, 그에 수반하여 출력 특성의 포화 영역에서의 출력도 내려가 버려, 이상곡선보다도 출력이 작아질 우려가 있다. 그 경우에는, 상기 대향 영역의 외주부에서의 유전체 층의 존재 비율이, 상기 대향 영역의 중앙부와 외주부와의 중간에서의 유전체 층의 존재 비율보다도 크게 하면, 출력 특성의 포화 영역에서의 값을 크게 하여 재차 이상곡선에 근접할 수 있다.

또한, 상기 대향 영역의 외주부에서의 유전체 층의 존재 비율이, 상기 대향 영역의 중앙부에서의 유전체 층의 존재 비율보다도 작아지도록 하여 두면, 출력 특성의 포화 영역에서의 값이 너무 커지는 것을 막을 수 있다.

본 발명에 관한 정전용량형 압력 센서의 다른 실시양태는, 상기 대향 영역에서 상기 유전체 층에 개구를 마련하고, 상기 대향 영역의 중앙부터의 거리에 응하여 상기 개구의 비율을 변화시킴에 의해 유전체 층의 존재 비율을 변화시킨 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시양태에 의하면, 예를 들면 대향 영역에 일정 두께의 유전체 층을 형성한 후에, 유전체 층에 개구를 열음에 의해 유전체 층의 존재 비율을 변화시킬 수 있다. 이 경우, 상기 유전체 층의 개구는, 상기 대향 영역의 중앙을 중심으로 하여 방사 형상으로 형성하는 것이 바람직하다. 개구를 방사 형상으로 형성함에 의해, 유전체 층 또는 개구가 특정한 방향으로 치우치는 것을 막을 수 있다.

또한, 유전체 층의 존재 비율을 변화시키려면, 상기 대향 영역에서, 상기 대향 영역의 중앙부터의 거리에 응하여 상기 유전체 층의 두께를 변화시켜도 좋다.

본 발명에 관한 정전용량형 압력 센서의 또 다른 실시형태는, 상기 대향 영역을 그 중앙부터의 거리에 응하여 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간에서 유전체 층의 존재 비율을 일정하게 한 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시형태에 의하면, 각 구간마다 유전체 층의 존재 비율을 조정하면 좋기 때문에, 설계가 용이해진다.

본 발명에 관한 입력 장치는, 본 발명에 관한 정전용량형 압력 센서를 복수개 배열시킨 것을 특징으로 하고 있다. 본 발명의 입력 장치는, 본 발명에 관한 정전용량형 압력 센서를 이용하고 있기 때문에, 가압 위치와 가압력을 검출할 수 있다. 게다가, 손가락 등으로 문자나 도형을 그려진 때의 필압의 변화를 검지하는 것도 가능해진다.

또한, 본 발명에서의 상기 과제를 해결하기 위한 수단은, 이상 설명하는 구성 요소를 적절히 조합한 특징을 갖는 것이고, 본 발명은 이러한 구성 요소의 조합에 의한 많은 변화를 가능하게 하는 것이다.

도 1(A)는 종래예에 의한 압력 센서를 도시하는 개략 단면도. 도 1(B)는, 도 1(A)의 압력 센서에서, 글라스 기판의 상면에 형성된 고정 전극을 도시하는 평면도.
도 2는 도 1(A)에 도시하는 종래예의 압력 센서에서의 압력과 정전용량과의 관계를 도시하는 도면.
도 3(A)는 본 발명의 실시 형태 1에 의한 압력 센서를 도시하는 평면도. 도 3(B)는 도 3(A)에 도시하는 압력 센서에서, 고정 전극의 상면에 형성된 유전체 층을 도시하는 평면도.
도 4는 도 3(A)에 도시하는 압력 센서의 단면도.
도 5는 도 3(B)의 유전체막에서의, 다이어프램의 중심부터 잰 반경 방향의 거리와, 유전체 층의 존재 비율과의 관계를 도시하는 도면.
도 6은 유전체 층의 존재 비율의 정의를 설명하는 도면.
도 7은 다이어프램에 가한 하중(가압력)과, 다이어프램과 고정 전극 사이의 정전용량 변화율과의 관계(출력 특성)를 도시하는 도면.
도 8은 도 7의 X구간을 확대한 도면.
도 9는 종래예와 본 발명의 실시 형태에서의 이상곡선으로부터의 어긋남의 비율을 도시하는 도면.
도 10은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 압력 센서의 변형예를 도시하는 평면도.
도 11은 본 발명의 실시 형태 2에 의한 압력 센서의 단면도.
도 12는 본 발명의 실시 형태 3에 의한 입력 장치의 단면도.

이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 설계 변경할 수 있다.

(실시 형태 1)

도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 형태 1에 의한 압력 센서(31)의 구조를 설명한다. 도 3(A)는, 압력 센서(31)의 평면도이다. 도 3(B)는, 도 3(A)의 압력 센서(31)로부터 상기판(35a)을 제외한 상태의 평면도이고, 고정 전극(32)의 상면에 형성된 유전체 층(33)을 도시한다. 도 4는, 압력 센서(31)의 단면도이다.

압력 센서(31)에서는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 저저항 실리콘 기판이나 금속막 등의 도전성 재료로 이루어지는 고정 전극(32)의 위에 유전체 층(33)을 형성하고 있다. 유전체 층(33)은, SiO₂(열산화막), SiN, TEOS 등의 유전체 재료로 이루어진다. 유전체 층(33)의 상면 중앙부에는, 리세스(33a)(원형의 오목부)를 요설(凹設)하고 있다. 즉, 리세스(33a)의 외측에서는 유전체 층(33)의 두께가 두껍고, 리세스(33a) 내에서는 유전체 층(33)의 두께가 얇게 되어 있다. 리세스(33a) 내의 유전체 층(33)은, 일정한 두께를 갖고 있다.

유전체 층(33)의 상면에는, 저저항 실리콘 기판 등의 도전성 재료로 이루어지는 박막형상의 상기판(35a)을 형성하고 있다. 상기판(35a)은, 리세스(33a)의 상면을 덮고 있고, 리세스(33a)에 의해 상기판(35a)의 하면과 유전체 층(33)의 리세스 저면과의 사이에 에어 갭(34)(공극)을 형성하고 있다. 이렇게 하여, 상기판(35a) 중 에어 갭(34)의 상방에서 수평하게 펴진 영역에 의해, 감압용의 다이어프램(35)을 형성하고 있다. 리세스(33a) 내의 저면에 위치하는 유전체 층(33)은, 다이어프램(35)과 대향하는 대향 영역으로 되어 있다.

유전체 층(33)에는, 에어 갭(34)과 외부 사이의 통기성을 확보하기 위해 벤트 라인(36)(통기로)을 마련하고 있다. 벤트 라인(36)은, 폭이 30㎛ 정도의 가늘은 홈이고, 티끌이나 먼지 등의 이물이 에어 갭(34) 내에 침입하기 어렵도록 굴곡 또는 사행(蛇行)하고 있다.

도 3(B)에 도시하는 바와 같이, 유전체 층(33)은, 리세스(33a) 내의 대향 영역에서는, 대향 영역의 중앙(대향 영역의 중심)부터 반경 방향에 따라 복수의 구간(여기서는, 3개의 구간(I, Ⅱ, Ⅲ)으로 한다.)으로 구분되어 있다. 구간(I)은, 대향 영역의 중앙부에 위치하는 원형의 영역이다. 구간(I)의 전면에는, 유전체 층(33)이 형성되어 있다. 구간(Ⅲ)은, 대향 영역의 외주부에 위치하는 환형상의 영역이다. 구간(Ⅲ)에는, 복수의 개구(39)가 방사 형상으로, 또한, 등간격으로 마련되어 있다. 구간(Ⅱ)은, 대향 영역의 중앙부와 외주부와의 중간에 위치하는 환형상의 영역이다. 구간(Ⅱ)에는, 복수의 개구(39)가 방사 형상으로, 또한, 등간격으로 마련되어 있다. 유전체 층(33)에 마련한 각 개구(39)에는, 고정 전극(32)이 노출하고 있다. 도 3(B)에서 도트 무늬를 붙인 영역은, 유전체 층(33)이 형성된 영역이다. 도 3(B)에서 백지(白地)의 영역은, 고정 전극(32)이 노출한 영역이다.

도 5는, 대향 영역에서의 유전체 층(33)의 존재 비율을 도시하는 도면이다. 도 5의 횡축은, 유전체 층(33)의 대향 영역(또는, 다이어프램(35))의 중심으로부터 잰 반경(반경 방향의 거리)을 나타낸다. 단, 도 5의 횡축의 거리는, 대향 영역의 중심부터 외주까지의 반경을 100으로 하고, 그 비율로 나타내고 있다. 도 5의 종축은, 유전체 층(33)의 존재 비율을 나타낸다. 대향 영역의 중심(C)(중앙)을 중심으로 하는 반경(r)의 위치에서의 유전체 층(33)의 존재 비율은,

V/(2πr·δr) 로 정의된다.

여기서, 기호 V는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 대향 영역의 중심(C)(중앙)을 중심으로 하는 반경(r), 폭(δr)의 륜대(輪帶)를 생각할 때, 그 륜대상에 존재한 유전체 층(33)의 체적을 나타낸다. 2πr·δr는 륜대의 면적이다. δr는 충분히 작은 값이라고 한다. 따라서 륜대상에 존재하는 유전체 층(33)의 면적이 클수록(개구(39)의 면적이 작을수록), 유전체 층(33)의 존재 비율이 커진다. 또한, 륜대상에 존재하는 유전체 층(33)의 두께가 클수록, 유전체 층(33)의 존재 비율이 커진다. 단, 도 5의 종축에서는, 구간(I)에서의 유전체 층(33)의 존재 비율을 100(%)로 하여, 그 비로 표시하고 있다.

구간(Ⅱ)은 개구(39)를 갖고 있기 때문에, 도 5에 도시하는 바와 같이, 구간(Ⅱ)에서의 유전체 층(33)의 존재 비율은, 구간(I)에서의 유전체 층(33)의 존재 비율보다도 작게 되어 있다. 구간(Ⅲ)에서는 구간(Ⅱ)보다도 개구(39)의 비율이 적게 되어 있기 때문에, 구간(Ⅲ)에서의 유전체 층(33)의 존재 비율은, 구간(Ⅱ)에서의 유전체 층(33)의 존재 비율보다도 크게, 또한, 구간(I)에서의 유전체 층(33)의 존재 비율보다도 작게 되어 있다.

상기판(35a)의 상면에는, 다이어프램(35)을 둘러싸도록 하여, 금속재료에 의한 환형상의 상면 전극(37)을 마련하고 있다. 상기판(35a)의 코너부에는 전극 패드(40)를 마련하고 있다. 상면 전극(37)과 전극 패드(40)는, 배선부(42)에 의해 접속되어 있다. 상면 전극(37), 배선부(42) 및 전극 패드(40)는, 하지층 Ti(두께 1000Å)/표면층 Au(두께 3000Å)의 2층 금속 박막에 의해 동시에 제작하고 있다. 고정 전극(32)의 하면에는, 하면 전극(38)을 마련하고 있다. 하면 전극(38)도, 하지층 Ti(두께 1000Å)/표면층 Au(두께 3000Å)의 2층 금속 박막에 의해 제작하고 있다.

상기판(35a)의 상면중 상면 전극(37)보다도 외측의 영역은, 폴리이미드 등의 수지나 SiO₂, SiN 등의 절연막으로 이루어지는 보호막(41)에 의해 덮히여 있다. 그러나, 전극 패드(40)의 부근에서는 보호막(41)을 제외하고 있고, 전극 패드(40)가 보호막(41)으로부터 노출하고 있다.

도 7은, 정전용량의 변화율을 도시하는 도면이다. 도 7에는, 이상곡선(목표로 하는 정전용량의 변화율)(α)과, 종래예의 압력 센서에서의 정전용량의 변화율(β)과, 본 발명의 실시태에 의한 압력 센서에서의 정전용량의 변화율(γ)을 나타낸다. 도 8은, 도 7의 X구간을 횡축 방향으로 확대하여 도시한 도면이다.

도 7의 종축에 나타내는 정전용량의 변화율(ΔC/Co)은, 다음과 같이 정의한다. 하중에 의해 휘어진 다이어프램과 고정 전극 사이의 정전용량을 C로 하고, 다이어프램이 휘지 않은 때의 다이어프램과 고정 전극 사이의 정전용량을 Co로 한다. 정전용량의 변화율(ΔC/Co)은, 정전용량(Co)에 대한, 정전용량의 변화(ΔC)=C-Co의 비이고,

ΔC/Co=(C-Co)/Co 로 나타낸다.

사람이 대상물을 누른 때에는, 예를 들면 손가락 끝에 느끼는 가압 강도는 반드시 하중의 크기에 비례하는 것이 아니고, 하중이 작은 범위에서는 가압 강도의 변화를 민감하게 느끼지만, 하중이 커지면 하중의 크기의 차이는 그다지 느끼지 않게 된다. 이상곡선이란, 사람이 압력 센서를 가압할 때의 가압감(가압 강도의 느끼는 방식)을 압력 센서의 출력으로서 표현한 것이다.

도 7의 정전용량 변화율이 거의 제로에 가까운 영역은, 다이어프램이 유전체 층(유전체막)에 접촉하지 않은 상태로 휘여 있는 영역(미접촉 영역)과, 정전용량 변화율이 급속하게 상승하고 있는 영역(접촉 시작 영역)이다. 이 미접촉 영역과 접촉 시작 영역에서는, 종래예의 출력 특성과 이상곡선과의 차(差)는 작다. 따라서 본 발명의 실시 형태에서도, 접촉 시작 영역에 상당하는 영역(구간(I))에서는, 종래예와 같이 전면에 유전체 층을 형성하고 있다.

이에 대해, 다이어프램이 유전체 층에 접촉하는 면적이 점차로 커저 가는 영역(동작 영역)에서는, 종래예의 출력 특성은 이상곡선보다도 큰 값으로 되어 있다. 따라서 본 발명의 실시 형태에서는, 동작 영역에 상당하는 영역(구간(Ⅱ))에서의 유전체 층의 존재 비율을 작게 하고, 그에 의해 출력 특성을 작게 하여, 이상곡선에 근접하고 있다.

다이어프램의 대부분이 유전체 층에 접촉하여 버려, 하중이 커저도 접촉 면적이 거의 변화하지 않게 된 영역(포화 영역)에서는, 종래예의 출력 특성에서도 이상곡선으로부터의 어긋남은 작다. 그러나, 본 발명의 실시 형태에서는, 구간(Ⅱ)에서의 유전체 층의 존재 비율을 작게 하여 출력 특성의 값을 내리고 있다. 그 때문에, 본 발명의 실시 형태에서는, 포화 영역에 상당하는 영역(구간(Ⅲ))에서의 유전체 층의 존재 비율을 구간(Ⅱ)보다도 크게 하여, 그에 의해 구간(Ⅲ)에서의 출력 특성을 크게 하여, 이상곡선으로부터 떨어지지 않도록 하고 있다.

이 결과, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 이상곡선에 가까운 출력 특성을 얻는 것이 가능해진다. 도 9는, 종래예와 본 발명의 실시 형태에 있어서 이상곡선으로부터의 어긋남의 비율을 도시한다. 여기서, 어느 하중일 때의 이상곡선에서의 정전용량을 Cr, 종래예의 정전용량을 Cc로 할 때, 100×(Cc-Cr)/Cr의 최대치[%]를 종래예의 이상곡선으로부터의 어긋남의 비율이라고 말한다. 마찬가지로, 어느 하중일 때의 이상곡선에서의 정전용량을 Cr, 본 발명의 실시 형태의 정전용량을 Cp로 할 때, 100×(Cp-Cr)/Cr의 최대치[%]를 본 발명의 실시 형태의 이상곡선으로부터의 어긋남의 비율이라고 말한다. 도 9로 부터 알 수 있는 바와 같이, 종래예의 경우에는 이상곡선으로부터의 어긋남의 비율은 약 6.6%임에 대해, 본 발명의 실시 형태에서는 이상곡선으로부터의 어긋남의 비율은 2.0%까지 작게 되어 있다. 따라서, 본 발명의 실시 형태에 의하면, 압력 센서의 검지 특성 또는 출력 특성을 사람의 가압감에 피트하도록 조정할 수 있다.

상면 전극(37)은 원환형상이 아니라도 좋고, 원호형상을 한 복수개의 상면 전극(37)이 마련되어 있어도 좋다(도시 생략). 또한, 상면 전극(37)은 마련하지 않아도 좋다. 상기판(35a)이 도전성을 갖고 있기 때문에, 도 10에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(35)의 영역 외에서 상기판(35a)의 적어도 1개소에 전극 패드(40)를 마련하는 것만으로도 좋기 때문이다.

(실시 형태 2)

도 11은, 본 발명의 실시 형태 2에 의한 압력 센서(51)의 단면도이다.

이 압력 센서(51)에서는, 유전체 층(33)에 개구(39)를 마련하는 것이 아니라, 대향 영역의 중심부터의 반경(거리)에 응하여 유전체 층(33)의 두께를 변화시키고 있다. 그에 의해 대향 영역의 중심부터의 반경에 응하여 유전체 층(33)의 존재 비율을 변화시키고 있다. 특히, 도 11의 경우에서는, 대향 영역을 3개의 구간(I, Ⅱ, Ⅲ)으로 구분하고, 구간(Ⅱ)에서의 유전체 층(33)의 두께를 구간(I)에서의 유전체 층(33)의 두께보다도 얇게 하고 있다. 또한, 구간(Ⅲ)에서의 유전체 층(33)의 두께를, 구간(Ⅱ)에서의 유전체 층(33)의 두께보다도 두껍고, 또한, 구간(I)에서의 유전체 층(33)의 두께보다도 얇게 하고 있다. 이와 같은 실시 형태라도, 실시 형태 1과 같은 작용 효과를 이룰 수 있다.

상기 각 실시 형태에서는, 대향 영역을 3개의 구간으로 구분하여 유전체 층(33)의 패턴, 또는 유전체 층(33)의 존재 비율을 변화시키고 있지만, 4개 이상의 구간으로 구분하여 유전체 층(33)의 패턴, 또는 유전체 층(33)의 존재 비율을 변화시켜도 좋다.

(실시 형태 3)

도 12는, 본 발명의 실시 형태 3에 의한 플레이트형의 입력 장치(61), 예를 들면 터치 패널의 구조를 도시하는 단면도다. 이 입력 장치(61)는, 상기 실시 형태 1에 관한 다수의 압력 센서(31)(센서부)를 어레이형상(예를 들면, 사각형삳이나 허니컴형상)으로 배열한 것이다. 각 압력 센서(31)는 전기적으로 독립하여 있고, 각 압력 센서(31)에 가하여진 압력을 개별적으로 독립하여 검출할 수 있다. 이와 같은 입력 장치(61)에 의하면, 터치 패널과 같이 가압체로 가압된 점을 검출할 수 있음과 함께, 각 점의 가압 강도(압력의 크기)도 검출할 수 있다.

31, 51 : 압력 센서 32 : 고정 전극
33 : 유전체 층 33a : 리세스
34 : 에어 갭 35 : 다이어프램
37 : 상면 전극 39 : 개구
40 : 전극 패드 41 : 보호막
61 : 입력 장치

Claims

고정 전극과,
상기 고정 전극의 상방에 형성된 유전체층과,
상기 유전체층의 상방에 공극을 두고 형성된 도전성의 다이어프램을 구비한 정전 용량형의 압력 센서로서,
상기 유전체층의, 상기 다이어프램과 대향하는 대향 영역에서, 상기 대향 영역의 중앙을 중심으로 하여 방사형상으로 형성된 개구를 상기 유전체층에 마련하고, 상기 대향 영역의 중앙부터의 거리에 따라 상기 개구의 비율을 변화시킴에 의해, 상기 대향 영역의 중앙을 중심으로 하는 원주상에서의 유전체층의 존재 비율을, 상기 대향 영역의 중앙부터의 거리에 따라 변화시킨 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1항에 있어서,
상기 대향 영역의 중앙부와 외주부의 중간에서의 유전체 층의 존재 비율이, 상기 대향 영역의 중앙부에서의 유전체 층의 존재 비율보다도 작은 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
제 2항에 있어서,
상기 대향 영역의 외주부에서의 유전체 층의 존재 비율이, 상기 대향 영역의 중앙부와 외주부와의 중간에서의 유전체 층의 존재 비율보다도 큰 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
제 3항에 있어서,
상기 대향 영역의 외주부에서의 유전체 층의 존재 비율이, 상기 대향 영역의 중앙부에서의 유전체 층의 존재 비율보다도 작은 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
제 4항에 있어서,
상기 다이어프램과 대향하는 대향 영역의 전체에 상기 고정 전극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제 1항에 있어서,
상기 대향 영역을 그 중앙부터의 거리에 따라 복수의 구간으로 구분하고, 각 구간에서 유전체 층의 존재 비율을 일정하게 한 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
제 1항에 기재된 압력 센서를 복수개 배열시킨 것을 특징으로 하는 입력 장치.
삭제
삭제