JP2007132888A

JP2007132888A - 感圧センサ装置

Info

Publication number: JP2007132888A
Application number: JP2005328525A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kawahira; 哲也川平
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2007-05-31

Abstract

【課題】高圧力或いは高荷重領域で圧力センシング動作を行える感圧センサ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】感圧センサ装置は、荷重圧力に応じて抵抗が変化するセンサセル２を有するフィルム状の感圧センサ１及び前記センサセル２に重ね合わせ配置される弾性部材１２により構成された重ね合わせ体と、前記重ね合わせ体の荷重圧力が印加される側に配置され前記弾性部材よりも大きい剛性を有する板状の剛体１３とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は感圧センサ装置に係り、特に高荷重の圧力変化を測定するのに好適な感圧センサ装置に関する。

感圧或いは荷重センサには、広範に分布させた複数のセンサセルを有するフレキシブルフィルム製のセンサが既に広く利用されている。例えば、自動車用の荷重センサ（着座スイッチ）には、多数のセル孔を有するフィルム状の絶縁スペーサの両面にフレキシブルな絶縁フィルムを張り合わせ、前記各セル孔毎の前記両絶縁フィルム内面にセル電極対が形成され、着座（荷重）の有無により電極対のオン／オフを行うメンブレンスイッチ構造のものがある。

また、感圧センサには、前記着座スイッチと同様な構造で、前記セル電極に高抵抗材料の感圧インクからなる感圧抵抗層を設けたものがある。この感圧センサは、前記感圧抵抗層の抵抗値が荷重圧力の増加に伴って減少変化することを利用して乗員体格やチャイルドシート有無などの状態を検知でき、一般にその圧力検知の可能範囲は、圧力（ＬｏｇＰ）−抵抗（ＬｏｇＲ）特性を示す図５の特性線５０で示すように、１ｋＰａ〜２０ｋＰａ程度となっている。

ところで、例えばキーボードや電子ピアノのような電子楽器の分野では、鍵盤荷重を受けて、各鍵盤圧力に応じた抵抗値を検知するために、鍵盤配列に沿って前記感圧センサの複数のセンサセルの群が配列される。電子楽器の打鍵圧力は、一般に１０ｋＰａ〜５００ｋＰａ程度の高く広い範囲に亘る垂直応力を生じさせるので、前記センサセルの群に沿ってその上にラバーのような板状の弾性部材を重ねておき、各鍵盤に対応した押圧子（加圧子）からの圧力を前記弾性部材で一旦受けて、前記応力範囲の圧力を的確にセンサの感圧抵抗層に伝達するようにされている。従って、電子楽器に適用される弾性部材付加形の感圧センサ装置でも、圧力検知の可能範囲（圧力−抵抗特性）は、図５の特性線５１で示すように、１０ｋＰａ〜５００ｋＰａ程度となっている。

なお、感圧セルに関する先行文献としては、メンブレンスイッチのセルに感圧導電層を設けた技術が特許文献１に開示され、電子楽器に適用可能なフィルム状の圧力センサに感圧インクを用いた技術が特許文献２に開示されている。
特開平１１−２１９６３５号公開特許公報特開平６−５９７９５号公開特許公報

ところで、本発明者は、例えば車両の衝突などにおいて生じる例えば１０００ｋＰａ（１ＭＰａ）程度以上もの圧力を測定可能な感圧センサ装置の実用化に着目してきた。そこで、前記弾性部材付加形の従来技術の感圧センサ装置において、前記弾性部材が１０００ｋＰａ以上にも及ぶ高く広範な範囲で圧力の度合いに比例して撓みや変形を生じるようにするために、前記弾性部材の硬さや厚さを調整することを考えた。しかしながら、弾性部材は、それ自体を硬い材料にすると高圧力により割れやすく、厚くすると加圧時の圧縮変形の繰り返しに伴って圧縮永久歪が加圧回数を増す毎に蓄積され、加圧排除後においても復元せず加圧部分に大きな局部変形（窪み）が生じてしまい易い。従って、感圧センサ装置使用に当たって、早期に圧力（ＬｏｇＰ）−抵抗（ＬｏｇＲ）特性が損なわれ的確かつ安定した圧力測定ができなくなるという問題がある。

本発明は、前記従来技術の問題点を解決し、高圧力或いは高荷重領域で圧力センシング動作を行える感圧センサ装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明の感圧センサ装置は、荷重圧力に応じて抵抗が変化するセンサセルを有するフィルム状の感圧センサ及び前記センサセルに重ね合わせ配置される弾性部材により構成された重ね合わせ体と、前記重ね合わせ体の荷重圧力が印加される側に配置され前記弾性部材よりも大きい剛性を有する板状の剛体とを備えてい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に記載の感圧センサ装置において、前記感圧センサは、前記センサセルに対応するセル孔を有するフィルム状の絶縁スペーサ、前記スペーサの両面にそれぞれ重ねられた第１及び第２絶縁フィルム、前記セル孔内に位置して前記第１及び第２絶縁フィルムの各内面にそれぞれ設けられたセル電極、及び前記各セル電極の少なくとも一方に設けられた感圧抵抗層を有し、前記感圧抵抗層は、弾性を有する絶縁粒子を感圧インクに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。

本発明の感圧センサ装置によれば、前記板状剛体は、前記弾性部材よりも剛性が大きいために、その板面の一部に印加された荷重圧力（垂直応力）を板面に沿う方向に分散し、板面全体が印加圧力の大きさに比例した撓み変形により隣接部材に圧力を伝達できると共に、弾性部材に比して局所変形（窪み）を起こし難い。また、前記板状剛体は、弾性部材よりも硬い材料であるが、前記弾性部材の柔軟性により、前記印加圧力の成分が分散・吸収されるために割れ発生は避け易い。従って、前記弾性部材の硬さや厚さなどの設計の自由度が向上するために、特に高圧領域での外部圧力や応力を的確かつ安定して測定可能な感圧センサ装置を提供することができるという効果を奏する。

以下、本発明による感圧センサ装置の実施形態である実施例１乃至実施例４を図１乃至図４を参照して説明する。

（実施例１）：
図1（ａ）は、本発明の実施例１に係る感圧センサ装置の全体構造を示す一部切欠縦断面図であり、図１（ｂ）は図1（ａ）のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図である。

本実施例１における感圧センサ装置は、例えば自動車のバンパーに装着して、追突時などの衝撃度を圧力−抵抗特性により測定するために使用される。フィルム状の感圧センサ１は、例えば長尺矩形状に形成されており、その長手方向に所定のピッチで配列された複数のセンサセル２を有する。そして、感圧センサ１の一構成部材である長尺矩形状のＰＥＮフィルム製の可撓性の絶縁スペーサ３は、前記各セル２に対応する位置に、それぞれ貫通形成された複数のセル孔４を有する。前記スペーサ３の両面には、いずれも長尺矩形状のＰＥＴ製の可撓性の第１（上部）及び第２（下部）絶縁フィルム５、６が、前記各セル孔４を塞ぐようにして重ね合わされ、粘着剤により相互接着されている。

前記各センサセル２の構造を図１（ｂ）により詳細に説明すると、前記セル孔４に対面する部分の第１絶縁フィルム５の内面には、平板状の第１セル電極７が設けられている。前記セル電極７は、例えば銀ペーストによる１層目の導電層７ａ及び２層目のカーボンペーストによるカバー導電層７ｂを順次スクリーン印刷して形成されている。同様に前記セル孔４に対面する部分の第２絶縁フィルム６の内面には、例えば銀ペーストのスクリーン印刷による環状の第２セル電極８が設けられている。

また、前記環状の第２セル電極８表面及び環内の第２絶縁フィルム６の表面に亘って感圧抵抗層９が設けられており、前記感圧抵抗層９は、ここでは、高比抵抗のカーボンペーストを含む感圧インク９ａに絶縁物フィラ９ｂを混在させたものをスクリーン印刷することによって形成されている。前記絶縁物フィラ９ｂとして弾性を有する例えばナイロン樹脂或いはシリコン樹脂等からなる球状の粒状体又は粒子が用いられ、フィラ表面は前記感圧インクにより被覆された状態にあり、前記感圧抵抗層９はその表面の凹凸化及び実効表面積の増大化が図られている。この凹凸形成は、前記感圧抵抗層９の接触抵抗成分を小さい値にし抵抗変化の不安定性を抑制でき、そのバルク抵抗による高感度／高精度の対圧力変化測定結果が得られる。なお、前記第２セル電極８はセル孔全体に亘る平板状であってもよいが、前記のように環状である方が、感圧インク９ａが前記絶縁フィルム６に馴染んで付着力が強く保てるので好ましい。なお、前記感圧抵抗層９は、フィラ無しの感圧インク材で表面平坦に形成するも自由である。

ここでは詳細な図解はされていないが、感圧センサ１の内部配線について説明する。前記各第１セル電極７の１層目の導電層７ａに接続された回路配線層パターンが、前記第１絶縁フィルム５の内面に、前記導電層７ａの銀ペースト印刷と共に形成され、外部端子１０に接続される。また、前記各第２セル電極８に接続された回路配線層パターンが、前記第２絶縁フィルム６の内面に、前記第２セル電極８の銀ペースト印刷と共に形成され、外部端子１１に接続される。従って、この場合は、前記第１及び第２絶縁フィルム５、６にはいずれもセンサセルに接続された回路配線が形成されている。

また、例えば前記第２セル電極８を一セル内で、相互離間する２電極の対状に形成して、この電極対間で感圧抵抗層９の抵抗変化を測定できるような回路構成にした場合は、前記第２絶縁フィルム６に配線パターンを形成し、前記第１絶縁フィルム５には前記第１セル電極７に対する回路配線を設けなくてもよい。即ち、各センサセル２に接続される回路配線は、１対の絶縁フィルムを構成する前記第１及び第２絶縁フィルム５、６の少なくとも一つに形成されていればよい。なお、外部端子１０、１１は、図中に２端子だけ示されているが、実際には、センサセル数や回路配線数などに応じて必要数が設けられる。

前記感圧センサ１の長手方向に沿ってその上方に重ね合わせ配置された長尺矩形平板状の弾性部材１２は、板厚が１．５ｍｍ程度の例えばエチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）或いはシリコーンゴムなどの弾性板材で構成され、前記各センサセル２群への圧力伝達媒体とされている。前記弾性部材１２は、ここでは、前記感圧センサ１の上部側の第１絶縁フィルム５に重ねられて前記弾性部材１２と前記感圧センサ１との重ね合わせ体が構成され、重ね合わせ部分は、この例では、粘着材により接着されている。

前記弾性部材１２上に重ねられた例えば矩形平板状の複数の剛体（剛性体）１３は、前記各センサセル２にそれぞれ対向して配置され、その材料としては、前記弾性部材１２よりも大きい剛性を有し板厚が１ｍｍ程度の例えば鉄或いはステンレスなどの金属板材、或いは硬質ウレタン樹脂板材などが用いられている。前記剛体１３の材質としては、ＰＥＮやＰＥＴなどとほぼ同等の弾性率である例えば１０ｋＰａ以上の弾性率のものを用い、その剛性をより大きくするためには板材の厚さをより大きくすればよく、剛性の調整は板材の弾性率や厚さを選択設計することによって行うことができる。

ところで、前記セル孔４の内径を１０ｍｍ程度にした場合、前記弾性部材１２及び剛体１３は、いずれも各セル２面への荷重圧力の伝達を安定かつ確実にするために、各セル面全体を覆うように、その矩形の最小幅が２０ｍｍ程度とされている。また、前記感圧センサ１の下方にはポリスチレン系樹脂（ＡＢＳ樹脂）からなる耐衝撃性の高いベース板（図示せず）を配置してもよい。

この例では、前記感圧センサ装置の周辺部材として扱う複数の加圧体或いは加圧子（押圧子）１４は、前記各センサセル２にそれぞれ対向配置されていて、それらの外径はいずれも前記各セル孔４の内径よりも小さく、セル孔面積の範囲内の位置にある。前記各加圧子１４は、例えばバンパーの衝撃受容体（図示せず）に取り付けられ、その衝撃受容体の荷重分布に応じて、センサ面に直角の方向に移動可能な状態に支持されている。

そこで、前記加圧子１４に例えば衝突（追突）による外部からの荷重応力（圧力）が印加されると、その荷重を受けた前記板状の剛体１３はセンサセル方向に凸となる球面状に撓んで彎曲し、その荷重に比例した圧力を前記弾性部材１２に伝達する。その際に、前記弾性部材１２は、その伝達圧力を緩衝すると共に、センサセル方向に凸となる球面状に撓んで彎曲し、前記荷重に比例した漸減或いは緩和圧力を前記センサセル２の第１絶縁フィルム５に伝達する。また、その際に、前記第１絶縁フィルム５は第１セル電極７と共にセル孔４内方に向けて断面弧状に彎曲して、前記感圧抵抗層９に前記荷重に比例した漸減圧力を伝達する。その結果、前記感圧抵抗層９は、種々の荷重圧力量に比例した種々の抵抗値を出力することになる。

以上のように、前記板状剛体１３は、剛性が前記弾性部材１２よりも大きい故に、前記加圧子１４によって直接押圧を受けても従来のような局所変形を生じ難く、前記弾性部材１２もまた前記剛体１３による荷重緩衝（バッファー）作用により機械的保護を受けて局所変形を起こし難い。しかも、前記剛体１３並びに前記弾性部材１２の存在により、外部荷重圧力がこれに比例した漸減圧力に変換されてセンサセル２に伝達されるために、センサを損傷することなく、安定かつ的確な圧力（ＬｏｇＰ）−抵抗（ＬｏｇＲ）特性を得ることができる。

ちなみに、本実施例１によれば、その圧力（ＬｏｇＰ）−抵抗（ＬｏｇＲ）特性は、図５の特性線５２に示されているように、外部からの荷重圧力が約１００ｋＰａ〜５０００ｋ（５ＭＰａ）という高い圧力値及び広い圧力範囲に亘って、圧力変化量を測定することができる。また、前記剛体１３や前記弾性部材１２の弾性率或いは硬度、厚さなどを前記実施例１よりも大きく設定すれば、図５の特性線５３に示すように、１ＭＰａ〜５０ＭＰａ程度にも及ぶ高荷重の圧力測定が可能であり、前記剛体１３や前記弾性部材１２の硬度、厚さ或いは形状などの組み合わせを調整することによって、圧力測定レンジを調整することができる。

ところで、前記感圧センサ装置は、センサセル２を１列に配置した長尺状の形状とされているが、前記感圧センサ装置を複数本並列に配置して、全体的には、複数のセンサセル２をマトリックス状に配列させて、広い分布での圧力−抵抗特性の測定を行えるようにすることもできる。また、感圧センサ１は、絶縁フィルムやスペーサを広面積のものにし、センサセル２をマトリックス状に配列させた一フィルム状に設計されていてもよい。

(実施例２)：
図２は、実施例２に係る感圧センサ装置を説明するための拡大断面図であり、前記実施例１を示す図１（ｂ）に対応する部分の構造を示している。そして、実施例１と同一の部分には同一の符号を付して、その部分の説明を省略する。

本実施例２における感圧センサ装置においては、平板状の弾性部材１２ａ及び１２ｂが用いられ、前記弾性部材１２ａは、感圧センサ１の上面と剛体１３との間に介在され、前記弾性部材１２ｂは感圧センサ１の下面に配置されている。即ち、感圧センサと弾性部材との重ね合わせ体は、前記各弾性部材１２ａと１２ｂとの間に感圧センサ１を挟んだサンドイッチ構造とされている。この場合、前記実施例１と同等の圧力測定レンジとするために、前記弾性部材１２ａ及び１２ｂはその合計厚さが実施例１における弾性部材１２の板厚とほぼ同等となるような寸法とされている。

本実施例２の感圧センサ装置においては、弾性部材１２ａ及び１２ｂの各々の厚さが、実施例１における弾性部材１２よりも薄くされているので、実施例１の場合よりも加圧時の圧縮変形の繰り返しに伴う圧縮永久歪の蓄積が軽減されて復元力が維持される。従って、弾性部材１２の局部変形がより一層回避され、より的確かつ安定した圧力測定ができる。なお、本実施例２においても実施例１における各部材に関する種々の実施形態の適用例を同様に適用してもよい。

（実施例３）：
図３は、実施例３に係る感圧センサ装置を説明するための拡大断面図であり、前記実施例１を示す図１（ｂ）に対応する部分の構造を示している。そして、実施例１と同一の部分には同一の符号を付して、その部分の説明を省略する。

本実施例３における感圧センサ装置においては、感圧センサ１の上面に剛体１３が直接重ね合わせて配置され、平板状の弾性部材１２ｃは感圧センサ１の下面に重ね合わせ配置されている。即ち、前記感圧センサ１は、前記感圧センサ１と弾性部材１２ｃとの重ね合わせ体の荷重圧力が印加される側に配置され、加圧子１４から前記剛体１３を介して荷重圧力を受けるようになっている。

この場合、加圧子１４からの荷重圧力は、前記剛体１３及び第１絶縁フィルム５のセル孔４内へ向かう撓みにより第１セル電極７を感圧抵抗層９に押圧するように作用する。また、前記剛体１３及び第１絶縁フィルム５に伝達された前記荷重圧力の一部は、前記セル孔４周縁部のスペーサ３及び第２絶縁フィルム６を通じて前記弾性部材１２ｃに伝達される。従って、前記弾性部材１２ｃは、セル孔４の周縁部で圧縮応力を受けると共に、セル孔４に面する部分がセル孔４内方に向かって突出する形状に変形し、感圧抵抗層９を第１セル電極７に押圧するように作用する。

本実施例３によれば、弾性部材１２ｃは、加圧子１４からの荷重圧力を、前記剛体１３及び感圧センサ１を介して受けることになるために、加圧子１４の形状に見合う局部応力集中が避けられるので、前記各実施例の場合よりも加圧時の弾性部材１２の局部変形が避けられる。また、弾性部材１２ｃは、前記第２絶縁フィルム６側に配置されていても、前記剛体１３に印加された荷重圧力を分散吸収する作用を有するので、前記剛体１３や前記感圧センサ１の破損が避けられ、前記剛体１３並びに前記弾性部材１２ｃの存在により、外部荷重圧力がこれに比例した漸減圧力に変換されてセンサセル２に伝達される。

（実施例４）：
図４は、実施例４に係る感圧センサ装置のアセンブリ構造を説明するための拡大断面図である。そして、実施例１と同一の部分には同一の符号を付して、その部分の説明を省略する。

本実施例４における感圧センサ装置は、前記実施例１の感圧センサ１、弾性部材１２及び剛体１３の組立体を筐体１５に収納したアセンブリ構造を有している。前記筐体１５は、ここでは、前記加圧子１４の装着部分以外を樹脂モールドにより密閉した構造とされ、前記加圧子１４は、セル面に直角方向に移動可能な状態で前記筐体１５のセル対向部分に設けられた開口１６内に挿入されている。また、前記筐体１５は、断面ほぼＵ字溝状の長尺な筐体本体内及び加圧子受け開口を有する蓋体で構成してもよい。なお、感圧抵抗層１７は、ここでは、絶縁フィラを用いないで感圧インク１７ａをスクリーン印刷して平坦に形成した例で示されている。本実施例によれば、感圧センサ装置は、前記筐体１５及び加圧子１４をも含めたアセンブリ製品として商品化可能であり、前記各実施例の感圧センサ装置と同様の作用効果を奏することができる。

ところで、前記各実施例の感圧センサ装置は、自動車のバンパーに装着する例として説明されているが、高圧力或いは高荷重で広い圧力測定レンジでの測定或いは検知が望まれる他の分野のシステムに広く適用することができる。前記感圧抵抗層は、第２セル電極８及び第１セル電極７の両方に設けても、第１セル電極７のみに設けてもよく、第１及び第２セル電極７、８の少なくとも一方に設けられていればよい。前記各実施例において、感圧センサ１、弾性部材１２，１２ａ〜１２ｃ及び剛体１３の相互間は、接着した例で示されているが、接着せずに重ね合わせ接触させておいてもよい。

また、センサセル２、セル孔４、セル電極７，８及び感圧抵抗層９，１７の平面形状は、円形に限らず、矩形状、楕円状など種々の形状とすることができる。更に、前記弾性部材１３は、センサ全長に亘る長尺平板状に限らず、セル毎に分離形成してもよく、セル中心部に対応する部分の厚さをその周辺部よりも厚くするなどして、センサとしてのダイナミックレンジを調整してもよい。前記弾性部材１３の材質は、使用温度範囲を勘案して選択することになるが、自動車用途においては、温度特性（変化）の小さいシリコンゴムが適している。剛体１３は、セル毎に対応した小片に限らず装置全体に亘る１枚板状にしてもよい。

本発明の実施例１に係る感圧センサ装置を示すもので、（ａ）はその全体構造を示す断面図、（ｂ）は前記（ａ）のＡ−Ａ線に沿う拡大平面図である。本発明の実施例２に係る感圧センサ装置の一センサセルに対応する部分の拡大平面図である。本発明の実施例３に係る感圧センサ装置の一センサセルに対応する部分の拡大平面図である。本発明の実施例４に係る感圧センサ装置の一センサセルに対応する部分の拡大平面図である。従来及び本発明の感圧センサ装置の特性を比較説明するために、横軸を圧力（ＬｏｇＰ）で、縦軸を抵抗（ＬｏｇＲ）で表した圧力−抵抗特性図である。

符号の説明

１感圧センサ
２センサセル
３絶縁スペーサ
４セル孔
５第１（上部）絶縁フィルム
６第２（下部）絶縁フィルム
７第１セル電極
８第２セル電極
９感圧抵抗層
１２、１２ａ〜１２ｃ弾性部材
１３剛体
１４加圧子

Claims

荷重圧力に応じて抵抗が変化するセンサセルを有するフィルム状の感圧センサ及び前記センサセルに重ね合わせ配置される弾性部材により構成された重ね合わせ体と、前記重ね合わせ体の荷重圧力が印加される側に配置され前記弾性部材よりも大きい剛性を有する板状の剛体とを備えていることを特徴とする感圧センサ装置。
請求項１に記載の感圧センサ装置において、前記感圧センサは、前記センサセルに対応するセル孔を有するフィルム状の絶縁スペーサ、前記スペーサの両面にそれぞれ重ねられた第１及び第２絶縁フィルム、前記セル孔内に位置して前記第１及び第２絶縁フィルムの各内面にそれぞれ設けられたセル電極、及び前記各セル電極の少なくとも一方に設けられた感圧抵抗層を有し、前記感圧抵抗層は、弾性を有する絶縁粒子を感圧インクに混在させて形成されていることを特徴とする感圧センサ装置。