JP2006317340A - 荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】荷重センサの絶縁フィルムのへたり現象を抑え、荷重負荷の状態に適応したセンシング動作を常に確実に実行でき、誤動作及び動作不能を防止する。
【解決手段】荷重センサは、セル孔１１を有する可撓性の絶縁スペーサ１０と、前記スペーサ１０の両面にそれぞれ重ね合わせて相互にほぼ平行に配置された可撓性の第１及び第２絶縁フィルム１２、１３と、外部からの荷重状態をセンシングするために前記各セル孔内に対向配置され前記第１及び第２フィルムの各内面にそれぞれ設けられた複数の第１及び第２セル電極７ａ、７ｂと、前記第１及び第２フィルムの少なくとも一方に形成された回路配線層８ａ、８ｂとを備え、前記第１及び第２セル電極の少なくとも一方のセル電極はその表面に感圧抵抗層７ａ２、７ｂ２を有し、前記感圧抵抗層は、相対向する他方のセル電極に向かって突出する突起部７ａ３、７ｂ３を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は荷重センサに係り、特に座席シートへの着座状態を検出するための着座センサ（スイッチ）に好適なフレキシブルフィルム状の荷重センサに関する。

例えば自動車のシートベルト着用システムでは、その着用／未着用を表示する電装表示パネル及び座席のシート表皮裏側に内装されたフレキシブルフィルム状の着座（荷重）センサ等が備えられ、そのセンサは例えば着座有無に応じたセンス信号をパネル表示回路へ伝達する役割を持っている。

この種のフィルム状着座センサ或いは着座メンブレンスイッチに関する従来技術は既に知られている（例えば、特許文献１参照）。この従来のセンサは、座席の着座センス範囲に対応する複数のセンサセル（単位体）の分布パターンをもっている。

このセル（単位体）の第１例の構造では、図６（ａ）に示すように、可撓性の絶縁スペーサ５１の一部に例えば円形の貫通孔からなるセル孔５２が形成され、このスペーサ５１の両面には前記セル孔５２を塞ぐように可撓性の平坦形状の第１及び第２絶縁フィルム５３及び５４が重ね合わされている。そして、例えば銀ペースト層及びその表面の保護カーボン層からなる良導電性の第１及び第２のセル電極５５、５６が、前記セル孔５２内にて所定の間隔で相対向する状態で、前記第１及び第２フィルム５３及び５４の各内面にそれぞれ被着されている。

前記第１例構造のセルにおいては、一般に、前記各絶縁フィルム５３、５４はＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）製で厚さが約１００μｍ、スペーサ５１はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）製基材及びその両面接着テープ製粘着材からなっていて、基材厚を約１００μｍ、粘着材厚を約２５μｍ×２とし、全厚が約１５０μｍ、セル孔５２の直径が約１０ｍｍとされている。

また、セル（単位体）の第２例の構造では、図６（ｂ）に示すように、前記第１例の構造に加えて、高抵抗性材料の感圧インクを用いた感圧抵抗層５７及び５８が第１及び第２のセル電極５５及び５６上にそれぞれ設けられていて、前記第１例と同じ引用符号が付された各部材は同様な材料、形状及び寸法とされている。

前記各スペーサは未着座時には相対向する前記各配線層の接点セル同士を離間させている（オフ状態）が、着座時には前記絶縁フィルムが押圧されて前記セル孔内空間における前記セル電極同士が押圧接触され（オン状態）、例えばシートベルト着用システムにセンサ信号が供給される。
特許第２９０９９６１号公報（特開平９−３１５１９９号公報）

しかしながら、前記センサは、着座／非着座（荷重負荷／非負荷）に相応するオン／オフの長期間の繰り返し動作に伴う前記絶縁フィルムの撓み及び復元に係わる材料劣化を生じ、オン荷重値の低下並びに誤オン動作を生じたり、極端な場合は図６（ａ）に破線で示すように第１絶縁フィルム５３がへたり現象を起こして第１セル電極５５が第２セル電極５６に常時接触し荷重負荷の有無に係わらず常時オン状態となったりしてセンス動作機能を損ない易いという問題がある。

前記へたり現象は、実験によれば、前記センサが荷重無負荷にて１０００時間の間、１００℃の温度を与えたときに約３０％のオン荷重値低下を生じる程に、また、荷重負荷にて５０時間の間、１００℃の温度を与えたときに常時オン（スイッチング動作不能）状態となる程に進行している。

ここで、抵抗（対数値）―荷重圧力（対数値）特性について図５を参照して説明すると、前記第１例のセンサは、正常時には特性線４１のように荷重印加とほぼ同時に良導電性のセル電極同士が接触し、極めて低い抵抗値へ急速に飽和してオン状態に入る。

そこで、前記絶縁フィルムのへたり現象が生じると、特性線４１ａに示すように、低荷重においてオン状態となり、極端な場合は非荷重でも特性線４１ｂに示すように常時オン状態に至る。

また、前記第２例のセンサは、正常時には特性線４２のように荷重印加後、荷重量増変化に応じた感圧抵抗同士の接触面積増変化に伴い第１例よりも緩やかな傾斜で抵抗値（感圧抵抗層のバルク抵抗＋相互接触抵抗）がほぼ直線的に低下し、飽和状態に至る。

そこで、前記絶縁フィルムのへたり現象が生じると、特性線４２ａに示すように、低荷重において前記抵抗値が飽和領域に入り、オン荷重が低下する。なお、前記第２例では、周辺機器作動に対する抵抗閾値を設定できるために、前記へたり現象による構造上の常時オン状態が生じても回路動作上の常時オンは避けるように調整できる。

本発明は、前記従来の問題点を解決するもので、荷重負荷の状態に適応したセンシング動作を常に確実に実行でき、誤動作及び動作不能を防止した荷重センサを提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明の荷重センサは、貫通孔からなるセル孔を有する可撓性の絶縁スペーサと、前記各セル孔を塞いで前記スペーサの両面にそれぞれ重ね合わせて相互にほぼ平行に配置された可撓性の第１及び第２絶縁フィルムと、外部からの荷重状態をセンシングするために前記各セル孔内に対向配置され前記第１及び第２フィルムの各内面にそれぞれ設けられた第１及び第２セル電極と、前記第１及び第２フィルムの少なくとも一方に形成され前記セル電極に係わる回路配線層とを備え、前記第１及び第２セル電極の少なくとも一方のセル電極はその表面に感圧抵抗層を有し、前記感圧抵抗層は、相対向する他方のセル電極に向かって突出する突起部を有することを特徴とするものである。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の荷重センサにおいて、前記突起部における前記第１セル電極と第２セル電極との合計の厚さが前記スペーサの厚さ以上となっていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載の荷重センサにおいて、前記感圧抵抗層は感圧インクに前記突起部の形成素材としての粒状体を混在させて形成されていることを特徴とするものである。

本発明の荷重センサによれば、少なくとも一方のセル電極に設けられた感圧抵抗層が相対向する他方のセル電極に向かって突出する突起部を有する構造となっているために、前記各絶縁フィルムがへたり現象を起こし易い外部環境に曝されても、実使用状態における前記絶縁フィルムのへたり現象が抑制もしくは防止され、荷重負荷の状態に適応したセンシング動作が常に確実に実行され、誤動作及び動作不能を防止することができるという効果を奏する。

以下、本発明による荷重センサを例えば自動車座席に装着する着座センサ（スイッチ）に適用した一実施形態について図１乃至図４を参照して説明する。

図1（ａ）は前記着座スイッチの全体的平面パターン構造を示している。着座センサ１は、座席シート（被装着体）の形状やセンシング領域の設定等によって、そのパターン形状は様々なものがあるが、一例として図示のようにほぼヨの字状のパターンとされ、その躯幹部２及び例えば３列の細条状に分岐された第１乃至第３分岐部３、４、５を有する。前記各分岐部３、４、５には、それぞれスイッチセルとして例えばほぼ円形状の複数のセンサセル６が相互に所定の間隔をもって前記分岐部毎に一連の状態に並置されている。

前記各セル６には各１対のセル電極対を構成する第１セル電極７ａ及び第２セル電極７ｂがそれぞれ設けられていて、前記各分岐部３、４、５毎に、複数の第１セル電極７ａ相互間を接続する第１回路配線層８ａ、及び複数の第２セル電極７ｂ相互間を接続する第２回路配線層８ｂが前記パターンの延在方向に沿って配置されている。前記第１及び第２配線層８ａ及び８ｂは前記躯幹部２の一部に設けられた端子部９に導かれ、この端子部９を通じて周辺機器との接続がなされる。このような着座センサは、その座席シート（被装着体）の着座センス範囲に配置され、そのシートへの乗員の着座の有無（外部荷重状態）をセンシングする。

次に、前記複数のセル６は相互にほぼ同一の形状及び寸法を有しているので、そのうちの一セル（単位体）の構造を、図１（ｂ）及び図１（ｃ）を参照して説明する。

例えばＰＥＮやＰＥＴからなる可撓性のフィルム状の絶縁スペーサ１０の一部には、例えば円形の貫通孔からなるセル孔１１が形成され、このスペーサ１０の両面には前記セル孔１１を塞ぐように例えばＰＥＴからなる可撓性の第１及び第２絶縁フィルム１２、１３が相互にほぼ平行に重ね合わせて配置されている。前記スペーサ１０と絶縁フィルム１２、１３とは粘着材（図示省略）によって相互接着されている。

そして、セル孔１１内にて対向する例えば円形薄層からなる第１及び第２のセル電極７ａ、７ｂが前記第１及び第２フィルム１２、１３各内面に回路印刷技術によりそれぞれ被着形成されていて、セル単位毎にセル電極対が構成されている。

前記第１セル電極７ａは、第１絶縁フィルム１２の内面に被着された例えば銀ペーストのような良導電性材料からなる第１セル電極層７ａ１及びその表面に重ねて被着された例えば感圧インクのような高抵抗材料からなる第１感圧抵抗層７ａ２による二層構造で構成されている。そして、前記第１感圧抵抗層７ａ２はその表面が凹凸状になるように例えば印刷技術により形成され相対向する他方のセル電極の方向に突出する複数の第１突起部７ａ３を有する形状となっている。

また、前記第２セル電極７ｂは、前記第１セル電極７ａと同様に、良導電性材料の銀ペーストからなる第２セル電極層７ｂ１及びその表面に重ねて被着された高抵抗材料の感圧インクからなる第２感圧抵抗層７ｂ２による二層構造とされ、前記第２感圧抵抗層７ｂ２はその表面が凹凸状になるようにな複数の第２突起部７ｂ３を有する形状となっている。

各々複数の前記第１及び第２突起部は、それぞれのセル電極７ａ、７ｂの各表層を構成する感圧抵抗層７ａ２、７ｂ２の各平面パターン上に、例えば紙ヤスリの砥粒のように散在させた状態となるように、感圧インクを例えば印刷して直接形成することができる。

また、複数の突起部の散在状態を形成するために有効な一方法例を示すと、図２に示すように、前記突起部の形成素材として例えばナイロン樹脂或いはシリコン樹脂等からなる例えば球状の弾性の粒状体又は粒子７ａ４或い７ｂ４を用いる。

そして、この粒子７ａ４或い７ｂ４をフィラとして混在させた感圧インクを前記第１電極層７ａ１及び第２電極層７ｂの双方或いはいずれか一方に印刷或いは塗布することによって、散在する突起部７ａ３、７ｂ３を有する第１感圧抵抗層７ａ２及び第２感圧抵抗層７ｂ２を簡単に形成することができる。この場合、突起部の高さは、主として前記球状粒子の粒径を選択管理するだけでよく、突起部の高さの調整、形成管理は著しく簡単である。

前記第１突起部７ａ３及び第２突起部７ｂ３の高さは、相互にほぼ突き合わせた状態で相互に当接された状態となる高さとされている。この当接状態を確実にするために、ここでは、前記突起部７ａ３及び７ｂ３を含めた前記第１セル電極７ａ及び第２セル電極７ｂの合計の厚さＴが前記スペーサの厚さ（第１及び第２絶縁フィルム間の間隔に相当）ｔとの関係において、Ｔ＞ｔとなるよう設計されている。

このように、前記第１セル電極７ａと第２セル電極７ｂとが相互に常時当接した状態とされているために、これらセンサ電極によりセンサ製品完成から使用状態に亘って第１及び第２絶縁フィルム１２、１３はほぼ平行に機械的に支持された状態となっている。

従って、この実施形態による本発明の着座センサによれば、例えば高温使用条件下のように、センサの繰り返し作動において前記各絶縁フィルムがへたり現象を起こし易い外部環境に曝されても、前記絶縁フィルムのへたり現象が抑制もしくは防止される。従って荷重負荷の状態に適応したセンシング動作が常に確実に実行され、誤動作及び動作不能が防止される。

また、この実施形態による本発明の着座センサの抵抗（対数値）―荷重圧力（対数値）特性は、図５の特性線４３で示すように、正常時には特性線４３のように荷重印加後、荷重量増変化に応じた感圧抵抗同士の接触面積増変化に伴い前記従来の第２例とほぼ同様に緩やかな傾斜で抵抗値（感圧抵抗層のバルク抵抗＋相互接触抵抗）がほぼ直線的に低下し、飽和状態に至る。また、本実施形態にあっては、突起部７ａ３及び７ｂ３の存在により、前記第２例に比して、感圧抵抗層の表面積が著しく大きくて荷重負荷時の第１及び第２感圧抵抗層相互の接触面積が著しく大きくなり、その接触抵抗が小さくなるために、特性線４３は特性線４２よりも低い飽和抵抗値となるようにシフトした特性を示す。

このために周辺機器作動に対する抵抗閾値を前記第２例の場合よりも低い値まで幅広く、より自由に設定することができるという利点がある。また、前記絶縁フィルムのへたり現象が防止されたことにより、第２例で示された特性線４２ａのようなオン荷重の低下がなく、荷重負荷の状態に適応したセンシング動作が常に確実に実行され、誤動作及び動作不能が防止される。

ところで、前記感圧インク層の本体部分の厚さは前記粒子径よりも小さい値となるが、
前記接触抵抗（成分）を小さくするためには、前記粒子７ａ４、７ｂ４が絶縁物である場合は、その全表面を感圧インクが覆うように被着されていることが好ましい。また、前記接触抵抗（成分）を小さくする必要性がない場合や前記粒子に高抵抗性材料を適用した場合には、感圧インクによって、その粒子全面を必ずしも覆わなくてもよく、その感圧インクの被覆管理を比較的ラフにすることもできる。

ここで、前記セル６の各部の寸法を示すと、前記各絶縁フィルム１２、１３の厚さは約１００μｍ、スペーサ１０の厚さｔは約５０μｍ、セル孔１１の直径は約１０ｍｍ、第１セル電極７ａと第２セル電極７ｂ厚さをそれぞれ約２５μｍ以上として突起部位置における双方の合計厚さＴは約５０μｍ以上とされ、Ｔ≧ｔの関係とされている。この場合、前記球状粒子７ａ４、７ｂ４は約２０乃至３０μｍの直径とされ、前記各セル電極の直径は前記セル孔径より小さな約８ｍｍとされている。

前記Ｔ≧ｔの関係は、センサ組立において、既に前記第１セル電極７ａと第２セル電極７ｂとが当接状態となるように前記突起部の高さが調整されていることを示しており、このことにより前記絶縁フィルム１２、１３のへたり現象の影響が確実に防止されるようになっていることを意味している。

ところで、前記セル電極対の合計厚さＴが前記スペーサの厚さｔよりも極僅かに小さい場合であっても、センサ作動において、前記へたり現象の影響を防止する作用をもち得るので、このことを含めて、非荷重時において前記突起部の高さは前記第１セル電極７ａと第２セル電極７ｂとが、ほぼ当接する程度の高さとなされているとよい。

また、前記へたり現象の防止により、前記絶縁フィルム１２、１３材料としては、高温特性に優れた高価なＰＥＮに代えて、安価なＰＥＴを使用することができ、スペーサの厚さは前記従来の１／２程度に薄くすることができ、絶縁フィルムとスペーサとを接着するための粘着剤は絶縁フィルムの必要な面に印刷により予め簡単に形成しておく手法がとれるので、センサの材料コストを著しく低減できるという附随的効果もある。

図３（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）には、セル電極７ａ及び７ｂの感圧抵抗層７ａ２、７ｂ２に形成された突起部７ａ３、７ｂ３の平面パターンに関する本発明センサの種々の変形例が示されている。各突起部７ａ３、７ｂ３は、いずれも突起部頂部の山の稜線の模様を表しており、図３（ａ）に示された突起部はその稜線が複数の直線状平行線、図３（ｂ）に示された突起部はその稜線が複数のジグザグ状平行線、図３（ｃ）に示された突起部はその稜線が複数の同軸円環状とそれぞれなるようなパターンに形成されている。勿論、図２に示された前記球状粒子７ａ４や７ｂ４をこのようなパターンに配列させてもよい。

前記変形例を採用すれば、突起部の稜線の本数、パターン形状の選択により、様々な表面積を有する感圧抵抗層を形成できるため、オン抵抗の一成分を構成する接触抵抗を所望の小さい値に設定することができる。例えば、図３（ｂ）のものが図３（ａ）のものより感圧抵抗層の表面積及び接触抵抗成分が小さく、オン抵抗が小さくなり、その抵抗閾値をより低くしかも広い範囲で設定し易くなる。

また、図４（ａ）及び（ｂ）は、第１及び第２セル電極７ａ及び７ｂの構造の変形例を示すものであり、前記実施形態のセンサと同一部分については同一の引用符号を付してその説明を省略する。

即ち、図４（ａ）の変形例では、第１及び第２セル電極７ａ及び７ｂは、前記実施形態における第１及び第２セル電極層７ａ１、７ｂ１を省き、第１及び第２絶縁フィルム１２、１３にそれぞれ直接被着された第１及び第２感圧抵抗層７ａ２、７ｂ２で構成されている。

この場合、前記第１及び第２感圧抵抗層７ａ２、７ｂ２は、図示しないが、その一部側縁部において、図１に示されている第１及び第２回路配線層８ａ、８ｂと電気的に接続される。勿論、第１及び第２セル電極７ａ及び７ｂのいずれか一方に前記セル電極層を設けておいてもよい。

図４（ｂ）の変形例では、第１感圧抵抗層７ａ２は突起部７ａ３を有し、第２感圧抵抗層７ｂ２は突起部のない平坦形状とされていて、この場合の突起部７ａ３の高さ（感圧抵抗層の最大厚さ）は前記実施形態における突起部高さよりも大きくなっている。この場合も、図４（ａ）の変形例のように、第１及び第２セル電極層７ａ１、７ｂ１の少なくとも一方を省いてもよい。

前記突起部の数は、前述の例では複数個となっているが、従来技術のへたり現象の課題を改善するためには、少なくとも１個設けてあればその効果が得られることは言うまでもない。

前記実施形態において、図１に示すように第１及び第２回路配線層８ａ、８ｂが、第１及び第２絶縁フィルム１２、１３にそれぞれ形成されているが、前記第１及び第２セル電極の変形例として、第２セル電極７ｂは２個の櫛形部を噛み合わせ状態で相互離間して並置した構成とし、各櫛形部に対してそれぞれ接続された２つの回路配線層を前記第２絶縁フィルム１３上に形成し、第１セル電極７ａは、未着座時には前記２個の櫛形部から離間（オフ状態）していて、着座時（荷重時）には前記両櫛形部に跨って接触してこの両櫛形部をショート（オン状態）するように形成してもよい。

この場合は、第１セル電極７ａ及び第１絶縁フィルム１２には回路配線層を設ける必要はなく、従って、回路配線層は、セル電極構造に応じてその回路を構成するために、第１及び第２絶縁フィルムのうち少なくとも一方に形成され、セル電極に対して電気的に結合（カプリング）され、各セル電極に係わるスイッチング閉回路を構成すればよい。

なお、前記実施形態においては、本発明を着座センサ（スイッチ）のように、いわゆるデジタル的なスイッチング動作に適用した例について説明したが、セル電極同士の初期の部分接触からその接触面積が、センサのセンス面に対して拡がり変化を示し荷重量のアナログ変化をセンスすることができる感圧センサに適用することも可能である。この場合は、一対の感圧抵抗層同士の接触面積が、突起部の存在により大きくなるので、前記アナログ変化を広い範囲で直線性（リニアリティ）をもってセンスすることできる。

本発明の一実施形態に係る荷重センサを示す図であり、（ａ）はその全体像を示す一部切欠平面図、（ｂ）はそのセンサセル単位体を拡大して示す一部切欠平面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の一実施形態に係る荷重センサの感圧抵抗層構造の一例を示すもので、図２（ａ）はその平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 本発明の一実施形態に係る荷重センサの感圧抵抗層の他の変形例を示すもので、（ａ）乃至（ｃ）はいずれもその平面図ある。 本発明の一実施形態に係る荷重センサの第１及び第２セル電極の構造の変形例を示すもので、（ａ）及び（ｂ）はいずれもその断面図である。 本発明の一実施形態に係る荷重センサ及び従来技術における抵抗（対数値）―荷重圧力（対数値）特性を比較説明するための特性図である。 （ａ）及び（ｂ）はいずれも従来の荷重センサのセンサセル単位体を示す断面図である。

符号の説明

１ 荷重センサ
６ センサセル
７ａ 第１セル電極
７ａ１ 第１セル電極層
７ａ２ 第１感圧抵抗層
７ａ３ 第１突起部
７ａ４、７ｂ４ 球状粒子
７ｂ 第２セル電極
７ｂ１ 第２セル電極層
７ｂ２ 第２感圧抵抗層
７ｂ３ 第２突起部
８ａ、８ｂ 回路配線層
１０ スペーサ
１１ セル孔
１２ 第１絶縁フィルム
１３ 第２絶縁フィルム

Claims (3)

1. 貫通孔からなるセル孔を有する可撓性の絶縁スペーサと、前記各セル孔を塞いで前記スペーサの両面にそれぞれ重ね合わせて相互にほぼ平行に配置された可撓性の第１及び第２絶縁フィルムと、外部からの荷重状態をセンシングするために前記各セル孔内に対向配置され前記第１及び第２フィルムの各内面にそれぞれ設けられた第１及び第２セル電極と、前記第１及び第２フィルムの少なくとも一方に形成され前記セル電極に係わる回路配線層とを備え、前記第１及び第２セル電極の少なくとも一方のセル電極はその表面に感圧抵抗層を有し、前記感圧抵抗層は、相対向する他方のセル電極に向かって突出する突起部を有することを特徴とする荷重センサ。
2. 請求項１に記載の荷重センサにおいて、前記突起部における前記第１セル電極と第２セル電極との合計の厚さが前記スペーサの厚さ以上となっていることを特徴とする荷重センサ。
3. 請求項１または請求項２に記載の荷重センサにおいて、前記感圧抵抗層は感圧インクに前記突起部の形成素材としての粒状体を混在させて形成されていることを特徴とする荷重センサ。

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