JP2006184098A - 感圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出圧力のダイナミックレンジが広く、検出感度も良好で正確な感圧センサを提供する。
【解決手段】基板１に複数の円形凹部１ａを行列方向に配列形成して、各円形凹部１ａの底面に一対の渦巻き状電極２、３をそれぞれ設けている。そして、行方向に並ぶ３個の円形凹部１ａを１組として、組毎に、３個の円形凹部１ａの上側を短冊状の導電性感圧ゴム４により覆い、導電性感圧ゴム４の上下端４ａ、４ｂを接着剤５により基板１に接着して、導電性感圧ゴム４を基板１上に支持している。これにより、円形凹部１ａ毎に、円形凹部１ａ、一対の渦巻き状電極２、３、及び導電性感圧ゴム４を有する感圧センサ１０が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、外力の作用により抵抗値が変化する導電性感圧部材を用いた感圧センサに関する。

この種の従来の装置としては、例えば特許文献１、２に記載されたものがある。特許文献１の圧力センサでは、短冊状の各導電性感圧ゴムを柔軟な電極板上に一定間隔で配列して、各導電性感圧ゴム及び電極板を一対の粘着テープ間に挟み込み、これにより該圧力センサを曲面柔軟体に装着することを可能にし、かつ曲がりによる導電性感圧ゴムの導電性の変化を防止している。

また、特許文献２の装置では、感圧エラストマシートの表裏に一対のフレキシブル基板を貼り付け、各フレキシブル基板の電極を通じて、感圧エラストマシートにおけるＸ−Ｙ座標の圧力を検出している。
特開平４−３８４３２号公報 特開平６−２８１５１６号公報

しかしながら、特許文献１の様に各導電性感圧ゴム及び電極板を一対の粘着テープ間に挟み込んだ場合は、各粘着テープの挟み込みにより各導電性感圧ゴム全体に圧縮力が作用して、各導電性感圧ゴム全体に歪が生じ、初期状態（無負荷状態）でありながら各導電性感圧ゴムの抵抗値が既に変化してしまうので、各導電性感圧ゴムの抵抗値の変化範囲が狭くなり、検出圧力のダイナミックレンジ（検出範囲）が低下した。

また、各粘着テープの接着剤の硬化に伴って、圧力センサそのものの硬度が上昇してしまい、このために圧力が加わっても、導電性感圧ゴムが歪み難くなり、圧力センサの検出感度が低下した。

一方、特許文献２の様に感圧エラストマシートの表裏に一対のフレキシブル基板を貼り付ける場合も、各フレキシブル基板の貼り付けに用いられる接着剤が硬化すると、感圧エラストマシートの硬度が上昇してしまい、圧力が加わっても、感圧エラストマシートが歪み難くなり、その検出感度が低下した。

また、硬化した接着剤近傍にフレキシブル基板の電極が存在する場合は、この硬化した接着剤近傍での感圧エラストマシートの検出感度が低下するため、この電極の位置での検出精度が低下し、これが検出感度のバラツキの原因となった。

そこで、本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、検出圧力のダイナミックレンジが広く、検出感度も良好で正確な感圧センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、外力の作用により抵抗値が変化する導電性感圧部材と、この導電性感圧部材を支持する支持体とを備え、外力の検出のために該導電性部材の抵抗値を検出する感圧センサにおいて、外力が作用する前記導電性感圧部材の箇所から離間した該導電性感圧部材の部分を前記支持体に接続して、この導電性感圧部材を支持しており、前記支持体に接続される導電性感圧部材の部分は、前記導電性感圧部材の箇所に外力が作用しても、形質が実質的に変化しない部分である。

また、本発明においては、前記導電性感圧部材の部分の形質とは、該導電性感圧部材の部分の抵抗値である。

更に、本発明においては、前記導電性感圧部材の部分の形質とは、該導電性感圧部材の部分の厚さである。

また、本発明においては、前記導電性感圧部材は、導電性感圧ゴムである。

更に、本発明においては、前記導電性感圧部材は、導電性ゲルである。

また、本発明においては、前記導電性感圧部材は、ゲル又はエラストマにカーボンマイクロコイルを混入したものである。

更に、本発明においては、前記導電性感圧部材は、感圧導電性インクを封入した部材である。

また、本発明においては、前記導電性感圧部材の箇所に外力が作用しても、形質が実質的に変化しない該導電性感圧部材の部分は、この導電性感圧部材の端部であって、接着剤により前記支持体に接続されている。

本発明の感圧センサによれば、外力が作用する導電性感圧部材の箇所から離間した該導電性感圧部材の部分を支持体に接続して、この導電性感圧部材を支持しており、支持体に接続される導電性感圧部材の部分は、導電性感圧部材の箇所に外力が作用しても、形質が実質的に変化しない部分である。従って、支持体に接続される導電性感圧部材の部分が、外力を受ける導電性感圧部材の箇所に影響を与えることはなく、このために初期状態（無負荷状態）では、外力を受ける導電性感圧部材の箇所が歪まず、該箇所の抵抗値が変せず、検出圧力のダイナミックレンジを広く、検出感度を良好に保ち、検出結果のバラツキを抑えることができる。

導電性感圧部材の部分の形質とは、該導電性感圧部材の部分の抵抗値である。あるいは、該部分の抵抗値に対応する該部分の厚さである。

導電性感圧部材としては、導電性感圧ゴム、導電性ゲル、あるいはゲル又はエラストマにカーボンマイクロコイルを混入したもの、及び感圧導電性インクを封入した部材等がある。

また、形質が実質的に変化しない導電性感圧部材の部分は、例えば導電性感圧部材の端部であって、接着剤により支持体に接続される。この様に導電性感圧部材の端部を接着剤により支持体に接続すると、この端部が、つまり支持体に接続される導電性感圧部材の部分が、外力が作用する導電性感圧部材の箇所から離間する。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態を上方から透視して示す平面図である。本実施形態では、基板１に複数の円形凹部１ａを行列方向に配列形成して、各円形凹部１ａの底面に一対の渦巻き状電極２、３をそれぞれ設けている。そして、行方向に並ぶ３個の円形凹部１ａを１組として、組毎に、３個の円形凹部１ａの上側を短冊状の導電性感圧ゴム４により覆い、導電性感圧ゴム４の上下端４ａ、４ｂを接着剤５により基板１に接着して、導電性感圧ゴム４を基板１上に支持している。これにより、円形凹部１ａ毎に、一対の渦巻き状電極２、３、及び導電性感圧ゴム４を有する感圧センサ１０が形成される。

また、行毎に、３個の感圧センサ１０の渦巻き状電極２を行信号線６により共通接続し、列毎に、３個の感圧センサ１０の渦巻き状電極３を列信号線７により共通接続している。

各渦巻き状電極２、３は、それぞれが渦巻き状でありながら、相互に平行に配置されている。

導電性感圧ゴム４は、例えばシリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロプレンゴム等の合成ゴムや、ゴム弾性を示す熱可塑性エラストマ等の非導電性エラストマの中に、金属粒子、カーボンブラック、黒鉛粒子等の導電性粒子を混合分散させてなる。この導電性感圧ゴム４は、外力により圧縮変形されて歪むと、この歪み箇所で各導電性粒子が接近もしくは接触して抵抗値が低下する。従って、導電性感圧ゴム４の抵抗値の低下変動分を検出すれば、導電性感圧ゴム４にどの程度の外力が作用したかを知ることができる。

図２は、単一の感圧センサ１０を示す断面図である。この図２から明らかな様に初期状態（無負荷状態）では、円形凹部１ａの上側を覆う導電性感圧ゴム４が平板状であるため、この導電性感圧ゴム４が該円形凹部１ａの底面の各渦巻き状電極２、３から離間している。

また、例えば図３に示す様に物体Ｊが感圧センサ１０に圧接して、感圧センサ１０に外力が作用すると、この感圧センサ１０の箇所で導電性感圧ゴム４が下方に撓んで円形凹部１ａの底面の各渦巻き状電極２、３に接触する。

そして、この感圧ゴムセンサ１０に作用した外力に応じて導電性感圧ゴム４が圧縮されて歪み、導電性感圧ゴム４の歪み量に応じて導電性感圧ゴム４の抵抗値が低下する。従って、この感圧センサ１０の箇所での導電性感圧ゴム４の抵抗値の低下変動分を検出すれば、この箇所にどの程度の外力が作用したかを知ることができる。

尚、導電性感圧ゴム４の上下端４ａ、４ｂを接着剤５により基板１に接着していることから、導電性感圧ゴム４の平板状を良好に維持することができ、かつ導電性感圧ゴム４と各渦巻き状電極２、３が良好に密接する。

感圧センサ１０の箇所での導電性感圧ゴム４の抵抗値の検出は、行信号線６及び列信号線７を通じて、該感圧センサ１０の各渦巻き状電極２、３間でなされる。例えば、各渦巻き状電極２、３のいずれか一方に固定抵抗を接続しておき（図示せず）、各列信号線７を順次選択し、列信号線７を選択する度に、各行信号線６を順次選択し、このときに固定抵抗、選択した行信号線６の渦巻き状電極２、及び選択した列信号線７の渦巻き状電極３に生じる信号電圧（電圧降下）を検出し、この信号電圧に基づいて感圧ゴム４の箇所での導電性感圧ゴム４の抵抗値を検出する。図２に示す様な初期状態での導電性感圧ゴム４の抵抗値を検出し、また図３に示す様に感圧センサ１０に外力が作用したときの導電性感圧ゴム４の抵抗値を検出し、両者の抵抗値の差を求めれば、導電性感圧ゴム４の抵抗値の低下変動分を検出することができ、この抵抗値の低下変動分に基づいて感圧ゴムセンサ１０の箇所に作用した外力を求めることができる。

この様な外力の検出は、感圧センサ１０毎に行われる。従って、本実施形態では、各感圧センサ１０のいずれに、どの程度の外力が作用したかを検出することができる。

ところで、感圧センサ１０においては、図２に示す様に円形凹部１ａの直径が３ｍｍであり、各渦巻き状電極２、３表面から円形凹部１ａの上縁までの高さが０．０３ｍｍであり、各渦巻き状電極２、３の幅が０．２ｍｍであり、各渦巻き状電極２、３間の離間距離が０．２ｍｍであり、導電性感圧ゴム４の厚さが０．５ｍｍである。

そして、接着剤５により基板１に固定した導電性感圧ゴム４の上端４ａから最も上側に並ぶ円形凹部１ａの各渦巻き状電極２、３の部位Ｐａまでの距離Ｘが０．５ｍｍ以上である。同様に、導電性感圧ゴム４の下端４ｂから最も下側に並ぶ円形凹部１ａの各渦巻き状電極２、３までの距離も０．５ｍｍ以上である。これらの距離は、距離導電性感圧ゴム４の上下端４ａ、４ｂを接着剤５により基板１に接着していることから容易に設定することができる。これにより、導電性感圧ゴム４の上下端４ａ、４ｂが、最も近い感圧センサ１０の円形凹部１ａから十分に離されて固定される。

ここで、外力が導電性感圧ゴム４に作用すると、この外力が作用した箇所だけではなく、この箇所から離間した該導電性感圧ゴム４の部分も歪み、この箇所から離間する程、歪み量が小さくなり、十分に離間すると、殆ど歪まずに、初期状態（無負荷状態）が維持され、抵抗値や厚さも変化しない。導電性感圧ゴム４の上下端４ａ、４ｂは、最も近い感圧センサ１０の円形凹部１ａから十分に離されて固定されているので、外力が円形凹部１ａの導電性感圧ゴム４の箇所に作用しても、上下端４ａ、４ｂの初期状態が維持され、上下端４ａ、４ｂの抵抗値や厚さが保たれる。逆に、上下端４ａ、４ｂは、常に初期状態を維持していることから、接着剤５により固定されていても、外力の作用により圧縮されて歪む導電性感圧ゴム４の箇所（円形凹部１ａ）に影響を与えることはないと言える。このため、初期状態では、上下端４ａ、４ｂが接着剤５により固定されているにもかかわらず、導電性感圧ゴム４の該箇所の抵抗値が変せず、感圧センサ１０の検出圧力のダイナミックレンジを広く、検出感度を良好に保ち、検出結果のバラツキを抑えることができる。

仮に、円形凹部１ａの近傍で導電性感圧ゴム４を接着剤により固定したならば、接着剤により固定された導電性感圧ゴム４の部位が硬化し、この硬化した部位が外力の作用により圧縮されて歪む導電性感圧ゴム４の箇所（円形凹部１ａ）に影響を与える。これは、接着剤により硬化した導電性感圧ゴム４の部位が歪み難く、この近傍である導電性感圧ゴム４の該箇所も歪み難くなって、導電性感圧ゴム４による検出感度が低下し、この箇所での外力の検出誤差が大きくなるためである。

尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、多様に変形することができる。例えば、導電性感圧ゴムの代わりに、導電性ゲル、あるいはゲル又はエラストマにカーボンマイクロコイルを混入したもの、及び感圧導電性インクを封入した部材を適用することができる。

本発明の感圧センサは、圧力分布測定装置やロボットハンドに搭載する触覚センサに使用することができる。

本発明の一実施形態であり、複数個の感圧センサを上方から透視して示す平面図である。 単一の感圧センサを示す断面図である。 図２の感圧センサの動作状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 基板
１ａ 円形凹部
２、３ 渦巻き状電極
４ 導電性感圧ゴム
５ 接着剤
６行信号線
７ 列信号線
１０ 感圧センサ

Claims (8)

1. 外力の作用により抵抗値が変化する導電性感圧部材と、この導電性感圧部材を支持する支持体とを備え、外力の検出のために該導電性部材の抵抗値を検出する感圧センサにおいて、
   外力が作用する前記導電性感圧部材の箇所から離間した該導電性感圧部材の部分を前記支持体に接続して、この導電性感圧部材を支持しており、
   前記支持体に接続される導電性感圧部材の部分は、前記導電性感圧部材の箇所に外力が作用しても、形質が実質的に変化しない部分であることを特徴とする感圧センサ。
2. 前記導電性感圧部材の部分の形質とは、該導電性感圧部材の部分の抵抗値であることを特徴とする請求項１に記載の感圧センサ。
3. 前記導電性感圧部材の部分の形質とは、該導電性感圧部材の部分の厚さであることを特徴とする請求項１に記載の感圧センサ。
4. 前記導電性感圧部材は、導電性感圧ゴムであることを特徴とする請求項１に記載の感圧センサ。
5. 前記導電性感圧部材は、導電性ゲルであることを特徴とする請求項１に記載の感圧センサ。
6. 前記導電性感圧部材は、ゲル又はエラストマにカーボンマイクロコイルを混入したものであることを特徴とする請求項１に記載の感圧センサ。
7. 前記導電性感圧部材は、感圧導電性インクを封入した部材であることを特徴とする請求項１に記載の感圧センサ。
8. 前記導電性感圧部材の箇所に外力が作用しても、形質が実質的に変化しない該導電性感圧部材の部分は、この導電性感圧部材の端部であって、接着剤により前記支持体に接続されることを特徴とする請求項１に記載の感圧センサ。
   

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