JP5945469B2 - 感圧センサ - Google Patents
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Description
(1)感圧導電性弾性体に常時圧力が加わっているため、外部からの圧力が加わる以前に電気信号が出力されており、誤検知の恐れがある。
(1)検知部は開口部分に限定されており、スペーサ部分を避けて検知部に対してのみ圧力を加えないと、圧力が検知されない。
(2)また前記(1)の構造上の理由により、小型化に適していない。
本発明に係る絶縁性被覆部材は、少なくとも可撓性フィルムと固定剤層とを有する部材であって、導電性ゴム部材と電極基板を被覆すると共に固定するための部材である。このような絶縁性被覆部材を用いることで、導電性ゴム部材と電極基板とを近接非接触状態で対向配置することが可能であり、上記隙間量を容易に調整することが可能である。
本発明に係る可撓性フィルムは、前記絶縁性被覆部材の主要な構成要素である。導電性ゴム部材と電極基板とが絶縁性被覆部材によって近接非接触状態に固定されている際に、可撓性フィルムの撓んでいる部分は腰として作用し、無負荷状態における電極と導電性ゴム部材との離間状態を維持し、誤検知を防止する。また荷重が加わった際に可撓性フィルムは撓み変形して導電性ゴム部材と電極を接触させることができる。さらに、荷重を除いた場合には、フィルムの腰の力によって導電性ゴム部材と電極とを離間状態に復元することができ、荷重の負荷−除荷における出力のヒステリシスを生じ難くすることができる。さらに長期間に亘って繰り返し使用した際にも安定した離間状態を維持し、誤検知を防止することができる。
式(1) フィルムの腰の強さ∝E・b・d3 。
前記電極基板および前記導電性ゴム部材を、前記絶縁性被覆部材によって周回被覆した状態において、面積が最大となる方向からみた前記絶縁性被覆部材の投影面積は3mm2以上、80mm2以下であることが好ましい。図5は、本発明に係る感圧センサの絶縁性被覆部材の投影面積が最大となる方向からみた図の一例である。絶縁性被覆部材(130)は、電極基板(120)と導電性ゴム部材(図示省略)を内包し固定している。最大投影面積Sは、絶縁性被覆部材の横幅bと、長手方向の長さ(縦長さ)cの積(S=b×c)で表わされる。最大投影面積が上記範囲内であれば、絶縁性被覆部材による導電性ゴム部材と電極の固定ができ、また出力特性のばらつきが抑えられる。最大投影面積が3mm2以上である場合は、絶縁性被覆部材において導電性ゴム部材及び電極基板との固定しろが十分に確保できるため固定力が不足することなく、導電性ゴム部材や電極基板が剥離し難い。最大投影面積が80mm2以下である場合は、荷重が加わった際に、荷重の加わる位置によって、対向する電極と導電性ゴム部材との接触状態が不均一になり難く、出力特性のばらつきは生じ難い。
本発明の絶縁性被覆部材を構成する可撓性フィルムにおいては、少なくとも固定剤層が設けられている。固定剤層は、例えば、可撓性フィルムの少なくとも一方の表面に粘着剤を塗布することによって形成することができる。図1〜図4の感圧センサにおいて、固定剤層は可撓性フィルムの一方の表面(内面)の全体に亘って形成されている。固定剤層は、少なくとも導電性ゴム部材のB面と電極基板のb面に対応する領域、及び、可撓性フィルムが互いに重なり合う領域に形成されていることが好ましい。
本発明の感圧センサにおいて、電極基板としては公知の電極基板が使用できる。例えばガラスエポキシ基板等の絶縁性基板に銅箔等をプリントしてパターンを形成したもの、及び、フレキシブルプリント基板のようにポリアミド等の絶縁性フィルムと銅箔等の導体を組み合わせたもの等が挙げられる。また、感圧センサの小型化や柔軟化のために、ポリアミドやポリエチレンテレフタレート(PET)製の絶縁性フィルム上に銀やカーボンブラックを含む導電性ペーストを任意のパターンでスクリーン印刷したものを使用することもできる。
本発明の感圧センサにおいて、導電性ゴム部材は、圧縮に伴い弾性変形し、導電性ゴム部材と対向して配置される電極との導通抵抗が有為に変化する作用を有するゴム部材である。導電性ゴム部材は、導電性付与剤を含有するゴム組成物を架橋した導電性ゴム基材であってもよく、イオン導電性ゴムからなるゴム組成物を架橋した導電性ゴム基材であってもよい。また、これらのゴム基材の表面に導電性被覆層が形成された二層以上の構成を有するものであってもよい。表面に導電性被覆層が形成されているものは、形成されていないものに比べて、導電性ゴム部材の粘着性に由来するヒステリシスロスを抑制することができるので好適に用いられる。導電性ゴム部材のA面(電極基板と対向する面)には、少なくとも一層の導電性被覆層が形成されていることが好ましい。
導電性被覆層がゴム基材の表面に形成された導電性ゴム部材は、導電性被覆層が形成されていない導電性ゴム部材に比べて、導電性ゴム部材の粘着性に由来するヒステリシスロスを抑制することができる。導電性被覆層としては、ゴム基材の表面に紫外線や電子線を照射して表面に変性層を設けたものでもよく、また、ゴム基材の表面に樹脂を塗工して樹脂塗膜層を設けたものであってもよい。より効果的に粘着性に由来するヒステリシスロスを抑制するには、樹脂塗膜層を設けたものが好適である。
<1.導電性ゴム部材の作成>
[1−1.ゴム基材の作成]
表1に示す7種類の材料を2本ロールにて20分間混合し、未加硫ゴムコンパウンドを作製した。次に、この未加硫ゴムコンパウンドを、予め170℃に加熱した縦50mm、横50mm、深さ0.5mmの金型内に充填し、170℃、100kgfにて15分間プレス加硫を行い、導電性ゴム部材の基材となるゴム基材を得た。
続いて、表2に示す6種類の材料を配合し、インデックス(NCO/OH比)1.0、固形分30質量%の樹脂溶液を得た。この樹脂溶液200質量部に対して、直径0.8mmのガラスビーズを200質量部加えて、450mlのマヨネーズビンに入れ、ペイントシェイカーを使用して12時間分散した。最後に200メッシュの網で溶液をろ過して、塗料組成物を作成した。
前記塗料組成物を浴槽に入れ、前記ゴム基材を浸漬して、引き上げ速度10mm/secでゴム基材の表面に塗膜を形成し、30分間風乾後、オーブンを用い、160℃で1時間加熱することによって塗膜を硬化させ、膜厚13μmの導電性被覆層を形成した。このようにして導電性ゴム部材1を作成した。
可撓性フィルムとして、ポリイミドフィルム(東レ・デュポン(株)製、商品名「カプトン100H(ヤング率3.4GPa、厚み25μm)」)を使用した。このフィルムの片面にアクリル系粘着剤(東洋インキ(株)製、商品名「オリバインBPS−5127」)をグラビアロール方式で塗布して塗膜を形成し、これを乾燥して、厚み15μmの粘着剤層(固定剤層)を有する絶縁性被覆部材1を得た。
前記導電性ゴム部材1から、小片形状の導電性ゴム部材1’(縦3.5mm、横4mm、厚み0.5mm)を得た。また前記絶縁性被覆部材1から、幅4mmに裁断した絶縁性被覆部材1’を得た。
このようにして得られた感圧センサについて以下の各評価を実施した。評価結果を表9に示す。
最大投影面積の測定には、(株)キーエンス製「マイクロスコープ」VHX−900を用いた。測定条件は、倍率50倍である。作成した感圧センサを図5に示す方向(紙面に垂直な方向)から投影し、投影図における絶縁性被覆部材の横幅(b)および縦長さ(c)を測定し、絶縁性被覆部材の投影図の面積(S=b×c)を求めた。
隙間量の測定には、(株)キーエンス製「マイクロスコープ」VHX−900を用いた。測定条件は、倍率50倍である。作成した感圧センサを図1に示す方向(紙面に垂直な方向)から観察し、導電性ゴム部材と電極基板との隙間量(141)を求めた。
弾性率の測定には、(株)島津製作所製「島津ダイナミック超微小硬度計」DUH−W 201Sを用いた。測定条件は、試験モード:負荷−除荷試験、負荷速度:0.28mN/sec、保持時間:5sec、圧子の種類:三角すい圧子115である。試験力は、圧子の押し込み深さが、測定対象物の厚みの1/10以下なるよう調整した。つまり、例えば、ゴム基材の厚みが0.5mmの時は、押し込み深さが50μm以下となるように、試験力を調整した。また例えば、樹脂塗膜層の厚みが13μmの時は、押し込み深さが1.3μm以下となるように、試験力を調整した。
感圧センサを、温度23℃、相対湿度60%の環境(N/N環境)に24時間以上放置した後、図7に示すような感圧特性の評価装置を用い、固定された感圧センサの上部から押圧部の面積が1mm2の立方形状の押子(410)によって検知部(101)に対して荷重が加わるようにした。この状態でくし型電極に直流電圧5Vを印加し、荷重測定器にて感圧センサの厚さ方向に5mm/minの速度で0〜1MPaの範囲で、負荷−除荷試験を行ない、くし型電極に直列接続した1kΩの抵抗体にかかる電圧を測定した。
図8に示すように、検知部中央の位置(符号「1」の箇所)に押子を設置して荷重が加わるようにした。このときの負荷時において、50mV以上の電圧が検出され始める時の荷重(N検知)を最小検出荷重の指標とした。この負荷−除荷試験を1000回繰り返して、最小検出荷重の最大値(N検知max)および最小値(N検知min)を求め、表3の数式で示される値によって最小検出荷重の安定性を評価した。
図8に示すように、検知部中央の位置(符号「1」の箇所)に押子を設置して荷重が加わるようにした。200kPaから1MPaまでの荷重における、負荷時の抵抗値(LogR負荷)と除荷時の抵抗値(LogR除荷)の差の絶対値を求め、これの最大値をヒステリシスロスの指標とした。また、表4に示す基準でランク付けした。
図8に示すように、検知部中央の位置(符号「1」の箇所)に押子を設置して荷重が加わるようにした。上記負荷−除荷試験を1000回繰り返し行ない、200kPaから1MPaまでの荷重における、検出抵抗値の再現性を評価した。負荷時の抵抗値(LogR負荷)の各荷重における1000回測定した値の標準偏差(3σ)、及び、除荷時の抵抗値(LogR除荷)の各荷重における1000回測定した値の標準偏差(3σ)を求め、これの最大値(3σmax)を再現性の指標とした。また、表5に示す基準でランク付けした。
図8に示すように、押子を「符号1〜5」の5箇所に順次設置し、500kPaの荷重が加わるようにし、そのときの感圧センサの電気抵抗値のばらつきから評価した。即ち、先ず、各測定箇所1、2、3、4、及び5における電気抵抗値R1、R2、R3、R4、及びR5を測定し、次いで、それぞれの対数値logR1、logR2、logR3、logR4、及びlogR5を求めた。表6に示す基準でランク付けした。
感圧センサの荷重検知性能の総合評価は、表7に示す基準にて行った。
感圧センサの作成の際に、表8に示す大きさの離間形成冶具を用いたこと以外は実施例1と同様にして感圧センサを得た。評価結果を表9に示す。
可撓性フィルムとして表9に示す可撓性フィルムを用いたこと以外は実施例1と同様にして感圧センサを得た。評価結果を表9に示す。
感圧センサの作成の際に、表8に示す大きさの導電性ゴム部材、くし型電極基板および離間形成冶具を用いたこと以外は実施例1と同様にして感圧センサを得た。評価結果を表9に示す。
感圧センサの作成の際に、離間形成冶具を用いなかったこと以外は実施例1と同様にして電極基板と導電性ゴム部材が接触状態の感圧センサを得た。評価結果を表10に示す。
可撓性フィルムとして表10に示す可撓性フィルムを用いたこと以外は実施例1と同様にして感圧センサを得た。尚、比較例2及び3における可撓性フィルムの厚みは、それぞれ5.7μm及び75μmである。また、比較例4及び5における可撓性フィルムのヤング率は、それぞれ0.71GPa及び15GPaである。評価結果を表10に示す。
実施例1においては、導電性ゴム部材と電極基板とが近接非接触状態であって、最小検出荷重安定性、ヒステリシスロス、再現性、および位置によるばらつきが、すべて優れており、本発明の導電性ゴム部材を適用することにより、好適な感圧センサを提供できることがわかる。
101 検知部
110 導電性ゴム部材
120 電極基板
111 導電性ゴム部材の電極基板と対向する面(A面)
112 導電性ゴム部材の電極基板と対向する面の反対側の面(B面)
121 電極基板の電極を有する面(a面)
122 電極基板の電極を有する面の反対側の面(b面)
130 絶縁性被覆部材
131 可撓性フィルム
132 固定剤層
140 離間形成冶具
140a 離間形成冶具の幅
140b 離間形成冶具の厚み
141 導電性ゴム部材と電極基板との隙間量
b 絶縁性被覆部材が最大投影面積を示すときの横幅
c 絶縁性被覆部材が最大投影面積を示すときの縦長さ
410 押子
420 直流電圧発生器
430 抵抗体
440 電圧測定器
450 荷重測定器
Claims (3)
- 電極基板と導電性ゴム部材とが、近接非接触状態で対向配置されてなる感圧センサにおいて、前記電極基板および前記導電性ゴム部材は、少なくとも固定剤層が設けられた可撓性フィルムからなる絶縁性被覆部材によって周回被覆されていると共に、前記固定剤層を介して前記絶縁性被覆部材に固定されており、前記近接非接触状態の前記電極基板と前記導電性ゴム部材との隙間量が10μm以上、300μm以下であり、前記可撓性フィルムは、ヤング率が2GPa以上、10GPa以下であって、厚みが10μm以上、60μm以下であることを特徴とする感圧センサ。
- 前記電極基板および前記導電性ゴム部材を、前記絶縁性被覆部材によって周回被覆した状態において、面積が最大となる方向からみた前記絶縁性被覆部材の投影面積が3mm2以上、80mm2以下であることを特徴とする請求項1に記載の感圧センサ。
- 前記導電性ゴム部材の、前記電極基板と対向する面には、少なくとも一層の導電性被覆層が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の感圧センサ。
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