JP2006153471A

JP2006153471A - 感圧センサ

Info

Publication number: JP2006153471A
Application number: JP2004340136A
Authority: JP
Inventors: Takashi Aoyama; 貴青山; Tomiya Abe; 富也阿部; Harunori Sakaguchi; 春典坂口
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】圧力に対する感度が良好な感圧センサを提供するものである。
【解決手段】本発明に係る感圧センサ１０は、感圧部材１１の周りを絶縁体１３で覆ったものであり、感圧部材１１を、繊維状の導電性物質で構成したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力が加わると抵抗が変化する感圧センサに関するものである。

圧力の大きさを検知する感圧センサは、自動車の座席に人がいるかどうか判断する着座センサやロボットの触覚センサなどのさまざまな用途に既に適用されていたり、又は今後適用することが検討されている。このような感圧センサとしては、例えば、圧力により感圧部材の抵抗が変化するタイプと、感圧部材として圧電素子を用いるタイプとがある。

図４に示すように、圧力により感圧部材の抵抗が変化する感圧センサ４０は、感圧部材４１の両面に導体（電極）４２ａ，４２ｂを配設し、感圧部材４１及び導体４２ａ，４２ｂ全体を絶縁体４３で覆ってなるものである（例えば、特許文献１参照）。感圧部材４１は、絶縁性樹脂にカーボンや金属などの導電性粒子を分散させた複合導電性樹脂（電気伝導性樹脂）で構成される。感圧センサ４０は、加わる圧力の大きさによって、導体４２ａ，４２ｂの離間距離や、導電性粒子同士の繋がりや、導体４２ａ，４２ｂと感圧部材４１の接触面積が変化し、感圧センサ４０の抵抗が変化することを利用するものである。

また、図５に示すように、圧電素子を用いる感圧センサ５０は、導体（電極）４２ａの周りに、感圧部材５１、導体（電極）４２ｂの層を設け、導体４２ｂの層を絶縁体４３で覆ってなるものである（例えば、特許文献２参照）。感圧部材５１は、絶縁性樹脂に圧電性物質の粒子を分散させた複合圧電性樹脂で構成される。感圧センサ５０は、加わる圧力の大きさによって、圧電性物質の粒子の分極状態が変化することを利用するものである。

特開平５−９９７６６号公報特開２００１−３２４３９３号公報

しかしながら、図４（又は図５）記載の感圧センサ４０（又は５０）は、圧力を加えた時における抵抗の変化割合（又は分極状態の変化割合）が小さいことから、感度があまり良好でないという問題があった。よって、感圧センサに加わる圧力が非常に小さい場合、圧力を検知することができないおそれがあった。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、圧力に対する感度が良好な感圧センサを提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係る感圧センサは、感圧部材の周りを絶縁体で覆った感圧センサであって、感圧部材を、繊維状の導電性物質で構成したものである。感圧部材は、導体で挟まれていてもよい。

ここで、感圧部材は、繊維状の導電性物質を格子状に織ってなる織布又はその織布の積層体や、繊維状の導電性物質の不織布又はその不織布の積層体で構成される。

また、繊維状の導電性物質の繊維径は10ｎｍ〜500μｍであることが好ましい。

さらに、繊維状の導電性物質は、導電性高分子、具体的には、
ポリチオフェン、
ポリピロール、
ポリパラフェニレンビニレン、
ポリアニリン、
ポリエチレンジオキシチオフェン（以下、PEDOTという）、
又はこれらの誘導体、
の内から選択される少なくとも１種であることが好ましい。

本発明によれば、感圧センサに加わる圧力が小さくても、感度よく圧力を検知することができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明の好適一実施の形態に係る感圧センサの横断面図を図１に示す。

図１に示すように、本実施の形態に係る感圧センサ１０は、繊維状の導電性物質で構成される感圧部材１１の両面に導体（電極）１２ａ，１２ｂを配設し、感圧部材１１を導体（電極）１２ａ，１２ｂで挟み込み、感圧部材１１及び導体１２ａ，１２ｂ全体を絶縁体１３で覆ってなるシートタイプのものである。感圧部材１１は、繊維状の導電性物質の集合体、より具体的には、繊維状の導電性物質を格子状に織ってなる織布（又はその織布の積層体）や、繊維状の導電性物質の不織布（又はその不織布の積層体）で構成される。

導電性物質の繊維径は、10ｎｍ〜500μｍ程度、好ましくは10ｎｍ〜100μｍとされる。ここで、繊維径が500μｍを超えると（太すぎると）、感圧部材１１に含まれる全繊維の合計長さが短くなり、つまり感圧部材１１における全繊維の接触長が短くなり、圧力に対する繊維同士の接触面積の増加が少なくなる。また、感圧部材１１の変形に要する圧力が大きくなって、感圧センサ１０の感度が悪くなってしまう。一方、繊維径が10ｎｍ未満だと（細すぎると）、繊維自体の作製が技術的に困難であり、感圧部材１１の値段が高価となってしまう（製作コストが上昇してしまう）。

繊維状の導電性物質としては、絶縁性樹脂にカーボンや金属などの導電性粒子を分散させた複合導電性樹脂（電気伝導性樹脂）や、金属などが挙げられるが、特に、導電性高分子が好ましい。導電性高分子は、繊維の形成が容易で安価に作製でき、腐食などが生じず、かつ、軽量であるといったメリットがある。ここで、導電性高分子としては、導電率が高く、空気中で安定なものであれば特に限定するものではないが、例えば、これらの条件を満足するものとして、
ポリチオフェン、
ポリピロール、
ポリパラフェニレンビニレン、
ポリアニリン、
PEDOT、
又はこれらの誘導体、
の内から選択される少なくとも１種が挙げられる。

導体１２ａ，１２ｂの構成材としては、感圧センサの導体として慣用的に用いられているものが全て適用可能であり、特に限定するものではないが、導電率が高く、可撓性が良好なものが好ましく、例えば、すずめっき銅や軟銅が挙げられる。

次に、本実施の形態に係る感圧センサの作用を説明する。

感圧センサ１０の感圧部材１１を、繊維状の導電性物質の織布又は不織布で構成しているため、感圧部材１１内部には適度な空隙が存在することになる。この空隙が存在する分、感圧部材１１全体の抵抗は高くなるが、感圧センサ１０に圧力が加えられた際に、感圧部材１１が容易に変形することができる。感圧部材１１の変形の結果、導体１２ａ，１２ｂ間隔が狭くなり、繊維同士の接触面積が増加することから、感圧部材１１全体の抵抗が低くなる。

すなわち、感圧部材１１を、繊維状の導電性物質の織布又は不織布で構成することで、感圧センサ１０に加えられた圧力が小さくても、感圧部材１１は容易に変形することができる。また、感圧部材１１の変形が小さくても、変形の度合いに比例して繊維同士の接触面積が増加し、この接触面積の増加に応じて感圧部材１１全体の抵抗が低くなる。このため、感圧センサ１０は、良好な感度で圧力を検知することができると共に、抵抗の大きさから精度よく圧力値を検知することができる。

また、感圧部材１１を、繊維状の導電性物質の織布又は不織布で構成することで、感圧部材１１内部に空隙が存在するため、感圧部材１１、延いては感圧センサ１０の可撓性が良好となる。よって、シートタイプの感圧センサ１０は、容易に曲げることができ、曲面部であっても設置、貼り付けが可能である。

さらに、感圧部材１１を、単に導電性物質の繊維の集合体ではなく、繊維状の導電性物質の織布又は不織布で構成することで、感圧センサ１０を製造する際の取り扱い（ハンドリング）が良好となり、かつ、圧力−抵抗特性が安定する。

本実施の形態においては、感圧部材１１の両面に導体１２ａ，１２ｂを配設し、感圧部材１１及び導体１２ａ，１２ｂ全体を絶縁体１３で覆ってなる感圧センサ１０の場合について説明を行ったが、特にこれに限定するものではない。例えば、感圧センサ１０の一変形例を図２に示すように、導体を用いることなく、感圧部材１１のみを絶縁体１３で覆ってなる感圧センサ２０であってもよい。この感圧センサ２０は、図１に示した感圧センサ１０と比べて感度はやや劣るものの、構造が簡単であることからより安価に形成することができ、汎用性がより高くなる。

また、本実施の形態においては、シートタイプの感圧センサ１０について説明を行ったが、特にこれに限定するものではない。例えば、感圧センサ１０の他の一変形例を図３に示すように、線タイプのものであってもよい。具体的には、線状の導体（電極）１２ａの周りに、順に、導電性物質で構成される感圧部材１１、導体（電極）１２ｂ、絶縁体１３を層状に設けてなる感圧センサ３０であってもよい。つまり、感圧部材１１の層が、導体（電極）１２ａ，１２ｂの各層で挟まれている。この感圧センサ３０は、長手方向に長い管材や線材に沿って、又は円筒状や球体状などの構造物の周囲に設置するのに好適である。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

次に、本発明について、実施例に基づいて説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１のタイプの感圧センサを作製した。絶縁体にはＥＰゴムを使用し、その外形サイズは縦10ｍｍ、横10ｍｍ、厚さ5ｍｍとした。また、導体には厚さ0.5ｍｍのすずめっき銅板を用いた。感圧部材には、直径5μｍ〜20μｍの繊維状のPEDOTを用い、PEDOT繊維の織布を何層にも重ねて感圧部材を作製した。

この感圧センサの、圧力を付与していない時（以下、無圧力時という）の導体間抵抗は1000Ωであった。その後、圧力を加えていくと、ほぼ圧力に比例して抵抗は小さくなった。圧力を100ｇ（0.1ｋｇ）加えた時の導体間抵抗は10Ωであった。

（実施例２）
図１のタイプの感圧センサを作製した。絶縁体にはポリエチレンテレフタレートを使用し、その外形サイズは縦15ｍｍ、横15ｍｍ、厚さ3ｍｍとした。また、導体には厚さ0.3ｍｍのすずめっき銅板を用いた。感圧部材には、エレクトロスピニング法によって作製したポリパラフェニレンビニレンの導電性不織布繊維を用いた。繊維径は70ｎｍ〜300ｎｍであった。

この感圧センサの無圧力時の導体間抵抗は2000Ωであった。その後、圧力を加えていくと、ほぼ圧力に比例して抵抗は小さくなった。圧力を100ｇ（0.1ｋｇ）加えた時の導体間抵抗は8Ωであった。

（従来例１）
感圧部材の構成材が異なる以外は実施例１と同様にして感圧センサを作製した。感圧部材には、ＥＰゴムにカーボンを分散させた複合導電性樹脂を使用した。

この感圧センサの無圧力時の導体間抵抗は1000Ωであった。その後、圧力を加えていくと、ほぼ圧力に比例して抵抗は小さくなるものの、圧力を1ｋｇ加えた時の導体間抵抗は300Ωであった。

（従来例２）
感圧部材の構成材が異なる以外は実施例２と同様にして感圧センサを作製した。感圧部材には、ポリエチレンテレフタレートにカーボンを分散させた複合導電性樹脂を使用した。

この感圧センサの無圧力時の導体間抵抗は2000Ωであった。その後、圧力を加えていくと、ほぼ圧力に比例して抵抗は小さくなるものの、圧力を1ｋｇ加えた時の導体間抵抗は500Ωであった。

以上より、従来例１，２の感圧センサでは、1ｋｇの圧力を加えた時の導体間抵抗は、無圧力時の導体間抵抗の約0.25〜0.30もあり、感度が良好でなく、不十分であった。よって、従来例１，２の感圧センサは、1ｋｇ未満の小さな圧力が加えられた時に、精度良く圧力を検知することができないおそれがあった。

これに対して、実施例１，２の感圧センサでは、0.1ｋｇの圧力を加えた時の導体間抵抗は、無圧力時の導体間抵抗の約0.004〜0.01しかなく、感度が非常に良好であった。よって、実施例１，２の感圧センサは、0.1ｋｇ未満のごく小さな圧力が加えられた時であっても、精度良く圧力を検知することができる。

本発明の好適一実施の形態に係る感圧センサの横断面図である。図１の感圧センサの一変形例である。図１の感圧センサの他の一変形例である。従来の感圧センサの横断面図である。従来の感圧センサの横断面図である。

符号の説明

１０感圧センサ
１１感圧部材
１３絶縁体

Claims

感圧部材の周りを絶縁体で覆った感圧センサであって、上記感圧部材を、繊維状の導電性物質で構成したことを特徴とする感圧センサ。
上記感圧部材を導体で挟んでなる請求項１記載の感圧センサ。
上記感圧部材が、繊維状の導電性物質を格子状に織ってなる織布又はその織布の積層体で構成される請求項１又は２記載の感圧センサ。
上記感圧部材が、繊維状の導電性物質の不織布又はその不織布の積層体で構成される請求項１又は２記載の感圧センサ。
上記繊維状の導電性物質の繊維径が10ｎｍ〜500μｍである請求項１から４いずれかに記載の感圧センサ。
上記繊維状の導電性物質が導電性高分子である請求項１から５いずれかに記載の感圧センサ。
上記導電性高分子が、
ポリチオフェン、
ポリピロール、
ポリパラフェニレンビニレン、
ポリアニリン、
ポリエチレンジオキシチオフェン、
又はこれらの誘導体、
の内から選択される少なくとも１種である請求項６記載の感圧センサ。