JP4565359B2 - Capacitance type surface pressure distribution sensor - Google Patents
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Description
本発明は、静電容量の変化から、測定対象物の凹凸形状等を面圧分布として検出可能な静電容量型面圧分布センサに関する。 The present invention relates to a capacitance-type surface pressure distribution sensor capable of detecting a concavo-convex shape of a measurement object as a surface pressure distribution from a change in capacitance.
例えば、特許文献1には、多数のセンサセルが分散して配置されたセンサシートが開示されている。センサセルは、容量素子用電極と、変位電極と、を備えている。容量素子用電極と、変位電極と、の間には、ギャップが区画されている。言い換えると、容量素子用電極と、変位電極と、の間には、空気層が介挿されている。
For example,
測定対象物からセンサセルに荷重が加わると、空気層の厚さが変化する。空気層の厚さが変化すると、容量素子用電極と、変位電極と、の間の静電容量が変化する。当該静電容量の変化に基づいて、センサシートは、測定対象物の凹凸形状等を面圧分布として検出している。
ところで、静電容量型のセンサセルの静電容量は、以下の式(1)から導出される。
式(1)中、Cは静電容量、ε0は真空の誘電率、εrは比誘電率、sは電極の面積、dは一対の電極間の距離である。式(1)から明らかなように、比誘電率εrが大きいほど、静電容量Cが大きくなる。このため、センサセルから出力される静電容量も大きくなる。すなわち、測定対象物からセンサセルに荷重が加わる前に対する、測定対象物からセンサセルに荷重が加わった後の、静電容量の変化も大きくなる。 In the formula (1), C is a capacitance, ε 0 is a vacuum dielectric constant, ε r is a relative dielectric constant, s is an area of the electrode, and d is a distance between the pair of electrodes. As is clear from the equation (1), the capacitance C increases as the relative dielectric constant ε r increases. For this reason, the electrostatic capacitance output from the sensor cell also increases. That is, the change in capacitance after the load is applied from the measurement object to the sensor cell with respect to that before the load is applied from the measurement object to the sensor cell also increases.
しかしながら、上記文献記載のセンサセルの場合、容量素子用電極と、変位電極と、の間に、空気層が介挿されている。すなわち、誘電層として空気層が配置されている。このため、誘電層として有機物が配置されている場合と比較して、上記文献記載のセンサセルは、比誘電率εrが小さい。したがって、センサセルから出力される静電容量の変化が小さい。 However, in the case of the sensor cell described in the above document, an air layer is interposed between the capacitive element electrode and the displacement electrode. That is, an air layer is disposed as a dielectric layer. For this reason, compared with the case where organic substance is arrange | positioned as a dielectric layer, the sensor cell of the said literature description has a small dielectric constant (epsilon) r . Therefore, the change in the capacitance output from the sensor cell is small.
また、上記文献記載のセンサシートの場合、面圧を検出したい部位ごとに、一つずつ、センサセルが配置されている。このため、センサセルの配置数、すなわち電極の配置数が多い。また、電極の配置数が多いため、静電容量を検出するための配線数も多い。 Further, in the case of the sensor sheet described in the above document, one sensor cell is arranged for each part where the surface pressure is to be detected. For this reason, the number of sensor cells arranged, that is, the number of electrodes arranged is large. In addition, since the number of electrodes arranged is large, the number of wires for detecting the capacitance is also large.
本発明の静電容量型面圧分布センサは、上記課題に鑑みて完成されたものである。したがって、本発明は、静電容量の変化が大きく、電極の配置数が少ない静電容量型面圧分布センサを提供することを目的とする。 The capacitive surface pressure distribution sensor of the present invention has been completed in view of the above problems. Therefore, an object of the present invention is to provide a capacitance-type surface pressure distribution sensor with a large change in capacitance and a small number of electrodes.
(1)上記課題を解決するため、本発明の静電容量型面圧分布センサは、エラストマー製の誘電層と、該誘電層の表側に少なくとも一つ配置され、エラストマーと、該エラストマーに充填される導電性フィラーと、を含んで形成され、表側接続部を有する帯状の表側電極と、該誘電層の裏側に少なくとも一つ配置され、エラストマーと、該エラストマーに充填される導電性フィラーと、を含んで形成され、裏側接続部を有する帯状の裏側電極と、該表側電極と該裏側電極とが、表裏方向から見て、交差することにより形成される複数の検出部と、該表側接続部に接続され、エラストマーと、該エラストマーに充填される導電性粒子と、を含んで形成され、該表側電極よりも電気抵抗が小さい表側配線と、該裏側接続部に接続され、エラストマーと、該エラストマーに充填される導電性粒子と、を含んで形成され、該裏側電極よりも電気抵抗が小さい裏側配線と、を有し、一体的に伸縮可能なセンサ本体と、該表側配線および該裏側配線に電気的に接続され、該表側配線および該裏側配線から検出されるインピーダンスから、該表側電極における該表側接続部から該検出部までの距離による電気抵抗と、該裏側電極における該裏側接続部から該検出部までの距離による電気抵抗と、を分離し、該検出部の静電容量を抽出し、該検出部の該静電容量から、該センサ本体における面圧分布を算出する演算部と、を備えてなることを特徴とする(請求項1に対応)。 (1) In order to solve the above-described problem, the capacitive surface pressure distribution sensor of the present invention is provided with an elastomeric dielectric layer and at least one dielectric layer on the front side of the dielectric layer, and the elastomer and the elastomer are filled. A belt-shaped front electrode having a front-side connection portion, at least one disposed on the back side of the dielectric layer, an elastomer, and a conductive filler filled in the elastomer. A plurality of detection parts formed by crossing the front-side electrode and the back-side electrode when viewed from the front-back direction, and the front-side connection part. An elastomer and conductive particles filled in the elastomer, and connected to the front-side wiring having a lower electrical resistance than the front-side electrode and to the back-side connecting portion; And a conductive particle filled with the elastomer, and a back side wiring having an electric resistance smaller than that of the back side electrode. An electrical resistance that is electrically connected to the backside wiring and that is detected from the frontside wiring and the backside wiring, according to a distance from the front side connection part to the detection part in the front side electrode, and the back side in the back side electrode Calculation to separate the electrical resistance depending on the distance from the connection part to the detection part, extract the capacitance of the detection part, and calculate the surface pressure distribution in the sensor body from the capacitance of the detection part And a section (corresponding to claim 1).
本発明の静電容量型面圧分布センサは、センサ本体と、演算部と、を備えている。センサ本体は、誘電層と、表側電極と、裏側電極と、検出部と、表側配線と、裏側配線と、を備えている。誘電層は、エラストマー製である。このため、誘電層が空気である場合と比較して、静電容量が大きくなる。すなわち、測定対象物からセンサ本体に荷重が加わる前に対する、測定対象物からセンサ本体に荷重が加わった後(荷重が加わっている時)の、静電容量の変化が大きくなる。 The capacitance-type surface pressure distribution sensor of the present invention includes a sensor main body and a calculation unit. The sensor main body includes a dielectric layer, a front side electrode, a back side electrode, a detection unit, a front side wiring, and a back side wiring. The dielectric layer is made of an elastomer. For this reason, compared with the case where a dielectric layer is air, an electrostatic capacitance becomes large. That is, the change in the capacitance after the load is applied from the measurement object to the sensor body (when the load is applied) with respect to before the load is applied from the measurement object to the sensor body is increased.
また、表側電極、裏側電極は、共に帯状である。並びに、検出部は、表側電極と裏側電極との交差部分を利用して配置されている。このため、電極の配置数が少なくなる。また、検出部から静電容量を検出するための配線数が少なくなる。 Moreover, both the front side electrode and the back side electrode are strip-shaped. And the detection part is arrange | positioned using the cross | intersection part of a front side electrode and a back side electrode. For this reason, the number of electrodes is reduced. In addition, the number of wires for detecting the capacitance from the detection unit is reduced.
また、表側電極、裏側電極は、エラストマーと、エラストマーに充填される導電性フィラーと、を含んで形成されている。このため、測定対象物から面圧が加わる場合、当該面圧に応じて、表側電極、裏側電極は、誘電層と共に、伸縮することができる。したがって、誘電層の伸縮を、表側電極あるいは裏側電極が、規制するおそれが小さい。 Moreover, the front side electrode and the back side electrode are formed including an elastomer and a conductive filler filled in the elastomer. For this reason, when a surface pressure is applied from the measurement object, the front side electrode and the back side electrode can expand and contract together with the dielectric layer in accordance with the surface pressure. Therefore, there is little possibility that the expansion or contraction of the dielectric layer is restricted by the front side electrode or the back side electrode.
また、表側配線、裏側配線は、エラストマーと、エラストマーに充填される導電性粒子と、を含んで形成されている。このため、測定対象物から荷重が加わる場合、当該荷重に応じて、表側配線、裏側配線は、伸縮することができる。したがって、誘電層の伸縮を、表側配線あるいは裏側配線が、規制するおそれが小さい。 Moreover, the front side wiring and the back side wiring are formed including an elastomer and conductive particles filled in the elastomer. For this reason, when a load is applied from the measurement object, the front-side wiring and the back-side wiring can expand and contract according to the load. Therefore, there is little possibility that the expansion or contraction of the dielectric layer is restricted by the front side wiring or the back side wiring.
ところで、物体の電気抵抗は、以下の式(2)から導出される。
式(2)中、rは電気抵抗、ρは抵抗率、Lは長さ、Sは断面積である。上記式(2)から明らかなように、物体の長さLが長いほど、電気抵抗rが大きくなる。このため、表側電極における表側接続部から検出部までの距離が長いほど、電気抵抗が大きくなる。同様に、裏側電極における裏側接続部から検出部までの距離が長いほど、電気抵抗が大きくなる。すなわち、複数の検出部の各々において、上記距離に起因する電気抵抗が異なる場合がある。したがって、表側配線および裏側配線から検出されるインピーダンスをそのまま用いて面圧分布を算出する場合、上記電気抵抗の影響により、面圧分布の測定精度が低くなる。 In formula (2), r is electrical resistance, ρ is resistivity, L is length, and S is a cross-sectional area. As apparent from the above formula (2), the longer the length L of the object, the greater the electrical resistance r. For this reason, electrical resistance becomes large, so that the distance from the front side connection part in a front side electrode to a detection part is long. Similarly, the longer the distance from the back side connection part to the detection part in the back side electrode, the greater the electrical resistance. That is, the electrical resistance due to the distance may be different in each of the plurality of detection units. Therefore, when the surface pressure distribution is calculated using the impedance detected from the front side wiring and the back side wiring as they are, the measurement accuracy of the surface pressure distribution is lowered due to the influence of the electric resistance.
この点、本発明の静電容量型面圧分布センサによると、表側配線および裏側配線から検出されるインピーダンスから、表側電極における表側接続部から検出部までの距離による電気抵抗、および裏側電極における裏側接続部から検出部までの距離による電気抵抗を、分離している。すなわち、検出されるインピーダンスから、検出部の静電容量を抽出している。このため、面圧分布の測定精度が高い。 In this regard, according to the capacitance-type surface pressure distribution sensor of the present invention, from the impedance detected from the front side wiring and the back side wiring, the electrical resistance depending on the distance from the front side connection part to the detection part in the front side electrode, and the back side in the back side electrode The electric resistance according to the distance from the connection part to the detection part is separated. That is, the capacitance of the detection unit is extracted from the detected impedance. For this reason, the measurement accuracy of the surface pressure distribution is high.
(1−1)好ましくは、上記(1)の構成において、前記誘電層の材料である前記エラストマーは、シリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムから選ばれる一種以上を含む構成とする方がよい。本構成によると、誘電層の比誘電率が高くなる。このため、静電容量を大きくすることができる。 (1-1) Preferably, in the configuration of the above (1), the elastomer that is a material of the dielectric layer is silicone rubber, acrylonitrile-butadiene copolymer rubber, acrylic rubber, epichlorohydrin rubber, chlorosulfonated polyethylene, It is better to set it as the structure containing 1 or more types chosen from chlorinated polyethylene and urethane rubber. According to this configuration, the dielectric constant of the dielectric layer is increased. For this reason, an electrostatic capacitance can be enlarged.
(1−2)好ましくは、上記(1)の構成において、前記表側電極の材料である前記エラストマーおよび前記裏側電極の材料である前記エラストマーのうち、少なくとも一方は、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴムから選ばれる一種以上を含む構成とする方がよい。本構成によると、表側電極および裏側電極のうち少なくとも一方の伸縮性が高くなる。このため、表側電極および裏側電極のうち少なくとも一方と、誘電層と、が一体的に伸縮しやすい。 (1-2) Preferably, in the configuration of (1) above, at least one of the elastomer that is the material of the front electrode and the elastomer that is the material of the back electrode is made of silicone rubber or ethylene-propylene copolymer. It is better to have one or more types selected from rubber, natural rubber, styrene-butadiene copolymer rubber, acrylonitrile-butadiene copolymer rubber, acrylic rubber, epichlorohydrin rubber, chlorosulfonated polyethylene, chlorinated polyethylene, and urethane rubber. Good. According to this configuration, the elasticity of at least one of the front side electrode and the back side electrode is increased. For this reason, at least one of the front-side electrode and the back-side electrode and the dielectric layer are easily expanded and contracted integrally.
(1−3)好ましくは、上記(1)の構成において、前記表側電極および前記裏側電極に含まれる前記導電性フィラーは、非金属系導電性フィラーである構成とする方がよい。本構成によると、表側電極および裏側電極が金属系導電性フィラーを含む場合と比較して、表側電極、裏側電極の電気抵抗が大きくなる。すなわち、表側電極における表側接続部から検出部までの距離による電気抵抗、および裏側電極における裏側接続部から検出部までの距離による電気抵抗が大きくなる。これらの電気抵抗は、検出されるインピーダンスから、分離される。このため、本構成によると、表側電極および裏側電極の電気抵抗が大きいにもかかわらず、面圧分布の測定精度が高い。 (1-3) Preferably, in the configuration of (1) above, the conductive filler contained in the front side electrode and the back side electrode is preferably a nonmetallic conductive filler. According to this structure, compared with the case where a front side electrode and a back side electrode contain a metal-type conductive filler, the electrical resistance of a front side electrode and a back side electrode becomes large. That is, the electrical resistance due to the distance from the front side connection part to the detection part in the front side electrode and the electrical resistance due to the distance from the back side connection part to the detection part in the back side electrode increase. These electrical resistances are separated from the detected impedance. For this reason, according to this structure, although the electrical resistance of a front side electrode and a back side electrode is large, the measurement precision of surface pressure distribution is high.
(1−4)好ましくは、上記(1−3)の構成において、前記非金属系導電性フィラーは、炭素系導電性フィラーである方がよい。本構成によると、表側電極および裏側電極の電気抵抗が大きいにもかかわらず、面圧分布の測定精度が高い。 (1-4) Preferably, in the configuration of (1-3) above, the nonmetallic conductive filler is preferably a carbon conductive filler. According to this configuration, the measurement accuracy of the surface pressure distribution is high even though the electrical resistance of the front electrode and the back electrode is large.
(2)好ましくは、上記(1)の構成において、前記演算部は、複数の前記検出部の前記静電容量を積分することにより、前記センサ本体に加わる総荷重を算出する構成とする方がよい(請求項2に対応)。本構成によると、各検出部の静電容量から、センサ本体に加わる総荷重を算出することができる。このため、例えば測定対象物の重量などを検出することができる。 (2) Preferably, in the configuration of (1), the calculation unit is configured to calculate a total load applied to the sensor body by integrating the capacitances of the plurality of detection units. Good (corresponding to claim 2). According to this configuration, the total load applied to the sensor body can be calculated from the capacitance of each detection unit. For this reason, for example, the weight of the measurement object can be detected.
(3)好ましくは、上記(1)または(2)の構成において、前記表側電極は、複数列並んで配列されており、前記裏側電極は、複数列並んで配列されており、複数の該表側電極と複数の該裏側電極とは、表裏方向から見て、略直交して配置されている構成とする方がよい(請求項3に対応)。 (3) Preferably, in the configuration of the above (1) or (2), the front side electrodes are arranged in a plurality of rows, the back side electrodes are arranged in a plurality of rows, and a plurality of the front sides are arranged. The electrode and the plurality of backside electrodes are preferably arranged so as to be substantially orthogonal when viewed from the front and back directions (corresponding to claim 3).
本構成によると、複数の検出部を、センサ本体の全面に分散させやすい。このため、センサ本体全面に占める、面圧検出可能な部分の面積を、大きくすることができる。また、センサ本体全面において、検出部の配置がばらつくのを抑制することができる。 According to this configuration, it is easy to disperse a plurality of detection units over the entire surface of the sensor body. For this reason, the area of the part which can detect surface pressure which occupies the whole sensor main body can be enlarged. In addition, it is possible to suppress variations in the arrangement of the detection units on the entire surface of the sensor body.
(4)好ましくは、上記(1)ないし(3)のいずれかの構成において、前記表側電極および前記表側配線は、前記誘電層の表面に印刷されており、前記裏側電極および前記裏側配線は、該誘電層の裏面に印刷されている構成とする方がよい(請求項4に対応)。 (4) Preferably, in any one of the configurations (1) to (3), the front side electrode and the front side wiring are printed on a surface of the dielectric layer, and the back side electrode and the back side wiring are It is better to have a structure printed on the back surface of the dielectric layer (corresponding to claim 4).
つまり、本構成は、誘電層に、表側電極、表側配線、裏側電極、裏側配線を印刷することにより、センサ本体を作製するものである。本構成によると、誘電層、表側電極、表側配線、裏側電極、裏側配線という、面圧測定に必須の構成要素を、比較的簡単に集積化することができる。このため、センサ本体、延いては静電容量型面圧分布センサの生産性が高い。 That is, in this configuration, the sensor body is manufactured by printing the front side electrode, the front side wiring, the back side electrode, and the back side wiring on the dielectric layer. According to this configuration, the components essential for the surface pressure measurement such as the dielectric layer, the front side electrode, the front side wiring, the back side electrode, and the back side wiring can be integrated relatively easily. For this reason, the productivity of the sensor body, and hence the capacitive surface pressure distribution sensor, is high.
また、表側電極、裏側電極が、誘電層に直接印刷されている。このため、表側電極と裏側電極との位置決めが容易である。したがって、所望の位置に、精確に、検出部を配置することができる。 Moreover, the front side electrode and the back side electrode are directly printed on the dielectric layer. For this reason, positioning with a front side electrode and a back side electrode is easy. Therefore, the detection unit can be accurately arranged at a desired position.
(5)好ましくは、上記(1)ないし(4)のいずれかの構成において、前記センサ本体は、さらに、前記表側電極および前記表側配線を、直接あるいは間接的に、覆って印刷され、該表側電極および該表側配線を外部から絶縁する表側絶縁被覆層と、前記裏側電極および前記裏側配線を、直接あるいは間接的に、覆って印刷され、該裏側電極および該裏側配線を外部から絶縁する裏側絶縁被覆層と、を有している構成とする方がよい(請求項5に対応)。 (5) Preferably, in the configuration according to any one of (1) to (4), the sensor main body is further printed by directly or indirectly covering the front side electrode and the front side wiring. A front-side insulation coating layer that insulates the electrode and the front-side wiring from the outside, and a back-side insulation that covers the back-side electrode and the back-side wiring, directly or indirectly, and that insulates the back-side electrode and the back-side wiring from the outside. It is better to have a structure having a coating layer (corresponding to claim 5).
本構成によると、表側電極および表側配線と、静電容量型面圧分布センサの外部の部材と、が導通するのを抑制することができる。並びに、裏側電極および裏側配線と、静電容量型面圧分布センサの外部の部材と、が導通するのを抑制することができる。 According to this structure, it can suppress that a front side electrode and front side wiring, and the member outside an electrostatic capacitance type surface pressure distribution sensor conduct | electrically_connect. In addition, it is possible to suppress conduction between the back-side electrode and the back-side wiring and a member outside the capacitive surface pressure distribution sensor.
(6)好ましくは、上記(1)ないし(3)のいずれかの構成において、前記センサ本体は、さらに、筒状であって、筒内外を絶縁する絶縁筒部材を有し、前記誘電層は、該絶縁筒部材に収容されており、前記表側電極および前記表側配線は、該絶縁筒部材の内面であって、該誘電層の表面に対向する部位に印刷されており、前記裏側電極および前記裏側配線は、該絶縁筒部材の内面であって、該誘電層の裏面に対向する部位に印刷されている構成とする方がよい(請求項6に対応)。 (6) Preferably, in any one of the configurations (1) to (3), the sensor main body further includes a cylindrical cylindrical insulating member that insulates the inside and outside of the cylinder, and the dielectric layer includes The front side electrode and the front side wiring are housed in the insulating cylinder member, and are printed on the inner surface of the insulating cylinder member and facing the surface of the dielectric layer. It is preferable that the back-side wiring is printed on the inner surface of the insulating cylinder member and on the portion facing the back surface of the dielectric layer (corresponding to claim 6).
本構成によると、絶縁筒部材の内側に、誘電層、表側電極、表側配線、裏側電極、裏側配線という、面圧測定に必須の構成要素が、収容されている。このため、これらの部材と、絶縁筒部材の外側の部材と、が導通するのを抑制することができる。 According to this configuration, the components essential for the surface pressure measurement, such as the dielectric layer, the front side electrode, the front side wiring, the back side electrode, and the back side wiring, are accommodated inside the insulating cylinder member. For this reason, it can suppress that these members and the member of the outer side of an insulating cylinder member conduct | electrically_connect.
(7)好ましくは、上記(1)ないし(6)のいずれかの構成において、前記表側電極および前記裏側電極のうち、少なくとも一方の、長手方向両端間の表面抵抗は、100kΩ以下である構成とする方がよい(請求項7に対応)。ここで、長手方向両端間の表面抵抗を100kΩ以下としたのは、100kΩ超過の場合、交流電圧印加時に流れる電流が小さくなり、インピーダンス計測精度が低くなるために結果として、静電容量の計測誤差が拡大するためである。 (7) Preferably, in any one of the configurations (1) to (6), the surface resistance between the longitudinal ends of at least one of the front side electrode and the back side electrode is 100 kΩ or less. It is better (corresponding to claim 7). Here, the surface resistance between both ends in the longitudinal direction is set to 100 kΩ or less because when 100 kΩ is exceeded, the current that flows when the AC voltage is applied becomes small, and the impedance measurement accuracy decreases, resulting in a capacitance measurement error. This is to expand.
(7−1)好ましくは、上記(1)ないし(6)のいずれかの構成において、前記表側電極および前記裏側電極のうち、少なくとも一方は、前記エラストマーと前記導電性フィラーとを含むエラストマー組成物からなり、該エラストマー組成物の、該導電性フィラーの配合量と電気抵抗との関係を表すパーコレーションカーブにおいて、電気抵抗が低下して絶縁体−導電体転移が起こる第一変極点の該導電性フィラーの配合量(臨界体積分率:φc)が25vol%以下である構成とする方がよい。 (7-1) Preferably, in any one of the configurations (1) to (6), at least one of the front electrode and the back electrode includes the elastomer and the conductive filler. In the percolation curve representing the relationship between the blending amount of the conductive filler and the electrical resistance of the elastomer composition, the electrical conductivity at the first inflection point where the electrical resistance decreases and the insulator-conductor transition occurs. It is better to have a configuration in which the filler content (critical volume fraction: φc) is 25 vol% or less.
一般に、絶縁性のエラストマーに導電性フィラーを混合してエラストマー組成物とした場合、エラストマー組成物の電気抵抗は、導電性フィラーの配合量によって変化する。図1に、エラストマー組成物における、導電性フィラーの配合量と電気抵抗との関係を模式的に示す。 Generally, when an electrically conductive filler is mixed with an insulating elastomer to form an elastomer composition, the electrical resistance of the elastomer composition varies depending on the blending amount of the conductive filler. In FIG. 1, the relationship between the compounding quantity of an electroconductive filler and an electrical resistance in an elastomer composition is shown typically.
図1に示すように、エラストマー101に導電性フィラー102を混合していくと、エラストマー組成物の電気抵抗は、はじめはエラストマー101の電気抵抗とほとんど変わらない。しかし、導電性フィラー102の配合量がある体積分率に達すると、電気抵抗が急激に低下して、絶縁体−導電体転移が起こる(第一変極点)。この第一変極点における導電性フィラー102の配合量を、臨界体積分率(φc)と称す。また、さらに導電性フィラー102を混合していくと、ある体積分率から、電気抵抗の変化が少なくなり電気抵抗変化が飽和する(第二変極点)。この第二変極点における導電性フィラー102の配合量を、飽和体積分率(φs)と称す。このような電気抵抗の変化は、パーコレーションカーブと呼ばれ、エラストマー101中に導電性フィラー102による導電パスP1が形成されるためと考えられている。
As shown in FIG. 1, when the
例えば、導電性フィラーの一次粒子が凝集して二次粒子化が進むと、三次元的なネットワーク構造により導電パスが形成されやすい。このような場合には、エラストマー組成物の臨界体積分率(φc)は、20vol%程度と比較的小さくなる。言い換えると、臨界体積分率(φc)が小さい場合には、導電性フィラーは、ストラクチャー性を有する二次凝集体を形成しやすい。このため、導電性フィラーの配合量が比較的少なくても、導電性の高いエラストマー組成物を得ることができる。 For example, when primary particles of the conductive filler aggregate and secondary particles are formed, a conductive path is easily formed by a three-dimensional network structure. In such a case, the critical volume fraction (φc) of the elastomer composition is relatively small, such as about 20 vol%. In other words, when the critical volume fraction (φc) is small, the conductive filler tends to form a secondary aggregate having a structure property. For this reason, even if the compounding quantity of a conductive filler is comparatively small, a highly conductive elastomer composition can be obtained.
本構成によると、表側電極および裏側電極のうち、少なくとも一方が、臨界体積分率(φc)が25vol%以下のエラストマー組成物からなる。臨界体積分率(φc)が比較的小さいため、導電性フィラーは凝集体を形成しやすい。したがって、比較的少量の導電性フィラーにより、導電性の良好な電極を得ることができる。なお、本明細書における「エラストマー組成物」は、エラストマーと導電性フィラーとの混合物の他、エラストマー、導電性フィラー、および他の添加剤等の混合物をも含む。 According to this configuration, at least one of the front electrode and the back electrode is made of an elastomer composition having a critical volume fraction (φc) of 25 vol% or less. Since the critical volume fraction (φc) is relatively small, the conductive filler tends to form aggregates. Therefore, an electrode having good conductivity can be obtained with a relatively small amount of the conductive filler. The “elastomer composition” in the present specification includes a mixture of an elastomer, a conductive filler, and other additives in addition to a mixture of an elastomer and a conductive filler.
(8)好ましくは、上記(1)ないし(7)のいずれかの構成において、前記導電性フィラーは、導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブの誘導体、グラファイト、導電性炭素繊維から選ばれる一種類以上からなる構成とする方がよい(請求項8に対応)。これらの中でも、導電性カーボンブラック、グラファイト、導電性炭素繊維は、導電性が良好で、比較的安価である。このため、本構成によると、静電容量型面圧分布センサの製造コストを低減することができる。 (8) Preferably, in any one of the constitutions (1) to (7), the conductive filler is selected from conductive carbon black, carbon nanotubes, carbon nanotube derivatives, graphite, and conductive carbon fibers. It is better to have a configuration composed of more than one type (corresponding to claim 8). Among these, conductive carbon black, graphite, and conductive carbon fiber have good conductivity and are relatively inexpensive. For this reason, according to this structure, the manufacturing cost of an electrostatic capacitance type surface pressure distribution sensor can be reduced.
本発明によると、静電容量の変化が大きく、電極の配置数が少ない静電容量型面圧分布センサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a capacitance-type surface pressure distribution sensor having a large capacitance change and a small number of electrodes.
次に、本発明の静電容量型面圧分布センサの実施の形態について説明する。 Next, an embodiment of the capacitive surface pressure distribution sensor of the present invention will be described.
<第一実施形態>
[静電容量型面圧分布センサの構成]
まず、本実施形態の静電容量型面圧分布センサの構成について説明する。図2に、本実施形態の静電容量型面圧分布センサの上面透過図を示す。なお、図2においては、表側絶縁被覆層、裏側絶縁被覆層を省略して示す。また、裏側電極、裏側配線を細線で示す。また、検出部にハッチングを施して示す。図3に、図2のIII−III方向断面図を示す。なお、図3においては、センサ本体の上下方向の厚さを強調して示す。図2、図3に示すように、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1は、センサ本体2と、演算部3と、を備えている。
<First embodiment>
[Configuration of Capacitive Surface Pressure Distribution Sensor]
First, the configuration of the capacitive surface pressure distribution sensor of this embodiment will be described. FIG. 2 is a top transparent view of the capacitive surface pressure distribution sensor of this embodiment. In FIG. 2, the front side insulating coating layer and the back side insulating coating layer are omitted. Further, the back side electrode and the back side wiring are shown by thin lines. In addition, the detection unit is hatched. FIG. 3 shows a cross-sectional view in the III-III direction of FIG. In FIG. 3, the thickness of the sensor body in the vertical direction is highlighted. As shown in FIGS. 2 and 3, the capacitive surface
センサ本体2は、誘電層20と、表側電極01X〜16Xと、裏側電極01Y〜16Yと、検出部A0101〜A1616と、表側配線01x〜16xと、裏側配線01y〜16yと、表側絶縁被覆層21と、裏側絶縁被覆層22と、表側配線用コネクタ23と、裏側配線用コネクタ24と、を備えている。なお、検出部の符合「A○○△△」中、上二桁の「○○」は、表側電極01X〜16Xに対応している。下二桁の「△△」は、裏側電極01Y〜16Yに対応している。
The
誘電層20は、エーテル系ウレタンゴム製であって、シート状を呈している。誘電層20の硬度(タイプAデュロメータ硬度:JIS K6253(2006))は、90度である。誘電層20は、XY方向(前後左右方向)に延在している。
The
表側電極01X〜16Xは、誘電層20の上面に、合計16本配置されている。表側電極01X〜16Xは、各々、アクリルゴムと、導電性カーボンブラックと、を含んで形成されている。表側電極01X〜16Xは、各々、帯状を呈している。表側電極01X〜16Xは、各々、X方向(左右方向)に延在している。表側電極01X〜16Xは、Y方向(前後方向)に、所定間隔ごとに離間して、互いに略平行になるように、配置されている。表側電極01X〜16Xの左端には、各々、表側接続部01X1〜16X1が配置されている。
A total of 16 front side electrodes 01 </ b> X to 16 </ b> X are arranged on the upper surface of the
表側配線01x〜16xは、誘電層20の上面に、合計16本配置されている。表側配線01x〜16xは、各々、ウレタンゴムと、銀粉と、を含んで形成されている。表側配線01x〜16xは、各々、線状を呈している。表側配線用コネクタ23は、誘電層20の左後隅に配置されている。表側配線01x〜16xは、各々、表側接続部01X1〜16X1と、表側配線用コネクタ23と、を接続している。
A total of 16
表側絶縁被覆層21は、誘電層20の上方に配置されている。表側絶縁被覆層21は、アクリルゴムを含んで形成されている。表側絶縁被覆層21は、シート状を呈している。表側絶縁被覆層21は、誘電層20、表側電極01X〜16X、表側配線01x〜16xを、上方から覆っている。
The front-side insulating
裏側電極01Y〜16Yは、誘電層20の下面に、合計16本配置されている。裏側電極01Y〜16Yは、各々、アクリルゴムと、導電性カーボンブラックと、を含んで形成されている。裏側電極01Y〜16Yは、各々、帯状を呈している。裏側電極01Y〜16Yは、各々、Y方向に延在している。裏側電極01Y〜16Yは、X方向に、所定間隔ごとに離間して、互いに略平行になるように、配置されている。裏側電極01Y〜16Yの前端には、各々、裏側接続部01Y1〜16Y1が配置されている。
A total of 16 back-
裏側配線01y〜16yは、誘電層20の下面に、合計16本配置されている。裏側配線01y〜16yは、各々、各々、ウレタンゴムと、銀粉と、を含んで形成されている。裏側配線01y〜16yは、各々、線状を呈している。裏側配線用コネクタ24は、誘電層20の左前隅に配置されている。裏側配線01y〜16yは、各々、裏側接続部01Y1〜16Y1と、裏側配線用コネクタ24と、を接続している。
A total of 16
裏側絶縁被覆層22は、誘電層20の下方に配置されている。裏側絶縁被覆層22は、アクリルゴムを含んで形成されている。裏側絶縁被覆層22は、シート状を呈している。裏側絶縁被覆層22は、誘電層20、裏側電極01Y〜16Y、裏側配線01y〜16yを、下方から覆っている。
The back side insulating
検出部A0101〜A1616は、図2にハッチングで示すように、表側電極01X〜16Xと、裏側電極01Y〜16Yと、が上下方向に交差する部分(重複する部分)に配置されている。検出部A0101〜A1616は、合計256個(=16個×16個)配置されている。検出部A0101〜A1616は、センサ本体2の略全面に亘って、略等間隔に配置されている。検出部A0101〜A1616は、各々、表側電極01X〜16Xの一部と、裏側電極01Y〜16Yの一部と、誘電層20の一部と、を備えている。
As shown by hatching in FIG. 2, the detection units A0101 to A1616 are arranged at portions (overlapping portions) where the
演算部3は、電源回路30と、CPU(Central Processing Unit)31と、RAM(Random Access Memory)32と、ROM(Read Only Memory)33と、ディスプレイ34と、を備えている。演算部3は、表側配線用コネクタ23、裏側配線用コネクタ24に、電気的に接続されている。
The
電源回路30は、検出部A0101〜A1616に、正弦波状の交流電圧を印加する。ROM33には、予め、検出部A0101〜A1616における静電容量と面圧との対応を示すマップが、格納されている。また、ROM33には、後述する式(3)、式(5)が格納されている。RAM32には、表側配線用コネクタ23、裏側配線用コネクタ24から入力されるインピーダンス、位相が、一時的に格納される。CPU31は、後述するように、RAM32に格納されたインピーダンス、位相を基に、式(3)、式(5)を用いて、検出部A0101〜A1616の静電容量を抽出する。そして、静電容量から、センサ本体2における面圧分布を算出する。ディスプレイ34は、CPU31が算出した面圧分布を、図示しない画面に、例えば三次元グラフとして表示する。
The
[静電容量型面圧分布センサの製造方法]
次に、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1の製造方法について説明する。本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1の製造方法は、塗料調製工程と、表側電極印刷工程と、表側配線印刷工程と、表側絶縁被覆層印刷工程と、裏側電極印刷工程と、裏側配線印刷工程と、裏側絶縁被覆層印刷工程と、を備えている。
[Manufacturing Method of Capacitive Surface Pressure Distribution Sensor]
Next, a manufacturing method of the capacitive surface
塗料調製工程においては、電極塗料、配線塗料、被覆層塗料を、それぞれ調製する。電極塗料は、以下の手順で調製する。まず、ポリマー(アクリルゴム、商品名:ニポール(登録商標)AR51、日本ゼオン社製)100質量部、加硫助剤(ステアリン酸、商品名:ルナック(登録商標)S30、花王社製)1.00質量部、加硫促進剤(ジメチルジチオカルバミン酸亜鉛、商品名:ノクセラー(登録商標)PZ、大内新興化学社製)2.50質量部、加硫促進剤(ジメチルジチオカルバミン酸第二鉄、商品名:ノクセラーTTFE、大内新興化学社製)0.50質量部を秤量し、ロールを用いてゴム練りを行う。そして、ゴムコンパウンドを調製する。続いて、調製したゴムコンパウンドを有機溶剤(メチルエチルケトン、三協化学社製)1500質量部に浸漬し、有機溶剤を撹拌し、ゴムコンパウンドを有機溶剤に均一に溶解させた溶液を得る。それから、当該溶液に、導電性カーボンブラック(ケッチェンブラック、商品名:EC300J、ライオン社製)22.86質量部を添加する。そして、固形分率約7.8質量%のMEK(メチルエチルケトン)溶液を得る。それから、当該MEK溶液にミル処理を施し、MEK溶液中の導電性カーボンブラックの分散性を向上させる。具体的には、MEK溶液を3200rpmで回転するダイノミルに投入し、40回程度MEK溶液を循環させる。その後、ミル処理後のMEK溶液に印刷用溶剤(ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、三協化学社製)686.7質量部を添加する。それから、印刷用溶剤を添加したMEK溶液を、大気と接する面積を広くするために、口の広い容器に移し替える。そして、当該MEK溶液を、時々撹拌しながら、約一日放置することにより、沸点の低いMEKを充分に蒸発させる。このようにして、電極塗料を調製する。なお、印刷用溶剤の沸点は200℃以上である。このため、印刷用溶剤の揮発は無視できる。 In the paint preparation step, an electrode paint, a wiring paint, and a coating layer paint are prepared. The electrode paint is prepared by the following procedure. First, 100 parts by mass of a polymer (acrylic rubber, trade name: Nipol (registered trademark) AR51, manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.), a vulcanization aid (stearic acid, trade name: Lunac (registered trademark) S30, manufactured by Kao Corporation) 00 parts by mass, vulcanization accelerator (zinc dimethyldithiocarbamate, trade name: Noxeller (registered trademark) PZ, manufactured by Ouchi Shinsei Chemical Co., Ltd.) 2.50 parts by mass, vulcanization accelerator (ferric dimethyldithiocarbamate, commodity Name: Noxeller TTFE (manufactured by Ouchi Shinsei Chemical Co., Ltd.) 0.50 part by mass is weighed and rubber is kneaded using a roll. Then, a rubber compound is prepared. Subsequently, the prepared rubber compound is immersed in 1500 parts by mass of an organic solvent (methyl ethyl ketone, Sankyo Chemical Co., Ltd.), the organic solvent is stirred, and a solution in which the rubber compound is uniformly dissolved in the organic solvent is obtained. Then, 22.86 parts by mass of conductive carbon black (Ketjen Black, trade name: EC300J, manufactured by Lion Corporation) is added to the solution. Then, a MEK (methyl ethyl ketone) solution having a solid content of about 7.8% by mass is obtained. Then, the MEK solution is milled to improve the dispersibility of the conductive carbon black in the MEK solution. Specifically, the MEK solution is put into a dyno mill rotating at 3200 rpm, and the MEK solution is circulated about 40 times. Thereafter, 686.7 parts by mass of a printing solvent (diethylene glycol monobutyl ether acetate, manufactured by Sankyo Chemical Co., Ltd.) is added to the milled MEK solution. Then, the MEK solution to which the printing solvent is added is transferred to a container having a wide mouth in order to widen the area in contact with the atmosphere. Then, the MEK solution is allowed to stand for about one day with occasional stirring to sufficiently evaporate MEK having a low boiling point. In this way, an electrode paint is prepared. The boiling point of the printing solvent is 200 ° C. or higher. For this reason, the volatilization of the printing solvent is negligible.
配線塗料は、以下の手順で調製する。まず、ポリマー(ポリウレタンをMEK/トルエン/イソプロピルアルコールに溶解したもの、商品名:ニッポラン(登録商標)5230、日本ポリウレタン工業社製)333質量部(ポリマーの固形分は30質量%なので、ポリマー333質量部はポリウレタン100質量部に相当する)、10μmフレーク状の銀粒子(商品名:FA−D−4、DOWAエレクトロニクス社製)400質量部、1μm球状の銀粒子(商品名:AG2−1C、DOWAエレクトロニクス社製)400質量部、印刷用溶剤(ブチルカルビトール、三協化学社製)150質量部を秤量し、撹拌して均一化させる。そして、撹拌後の溶液を、大気と接する面積を広くするために、口の広い容器に移し替える。そして、当該溶液を、時々撹拌しながら、約一日放置することにより、沸点の低いMEK、トルエン、イソプロピルアルコールを充分に蒸発させる。このようにして、配線塗料を調製する。 The wiring paint is prepared by the following procedure. First, 333 parts by mass of polymer (polyurethane dissolved in MEK / toluene / isopropyl alcohol, trade name: NIPPOLAN (registered trademark) 5230, manufactured by Nippon Polyurethane Industry Co., Ltd.), because the solid content of the polymer is 30% by mass, 333 mass of polymer Part corresponds to 100 parts by mass of polyurethane), 10 μm flaky silver particles (trade name: FA-D-4, manufactured by DOWA Electronics) 400 parts by mass, 1 μm spherical silver particles (trade names: AG2-1C, DOWA) 400 parts by mass of Electronics Co., Ltd.) and 150 parts by mass of a printing solvent (butyl carbitol, Sankyo Chemical Co., Ltd.) are weighed and stirred to homogenize. Then, the solution after stirring is transferred to a container having a wide mouth in order to widen the area in contact with the atmosphere. Then, the solution is allowed to stand for about a day with occasional stirring to sufficiently evaporate MEK, toluene and isopropyl alcohol having a low boiling point. In this way, a wiring paint is prepared.
被覆層塗料は、以下の手順で調製する。まず、ポリマー(アクリルゴム、商品名:ニポールAR51、日本ゼオン社製)100質量部、加硫助剤(ステアリン酸、商品名:ルナックS30、花王社製)1.00質量部、加硫促進剤(ジメチルジチオカルバミン酸亜鉛、商品名:ノクセラーPZ、大内新興化学社製)2.50質量部、加硫促進剤(ジメチルジチオカルバミン酸第二鉄、商品名:ノクセラーTTFE、大内新興化学社製)0.50質量部を秤量し、ロールを用いてゴム練りを行う。そして、ゴムコンパウンドを調製する。続いて、調製したゴムコンパウンドを印刷用溶剤(エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ダイセル化学工業社製)300質量部に浸漬し、撹拌して均一化させる。このようにして、被覆層塗料を調製する。 The coating layer paint is prepared by the following procedure. First, 100 parts by mass of a polymer (acrylic rubber, trade name: Nipol AR51, manufactured by Nippon Zeon), vulcanization aid (stearic acid, trade name: Lunac S30, manufactured by Kao Corporation), 1.00 parts by weight, vulcanization accelerator (Zinc dimethyldithiocarbamate, trade name: Noxeller PZ, manufactured by Ouchi Shinsei Chemical) 2.50 parts by mass, vulcanization accelerator (Ferric dimethyldithiocarbamate, trade name: Noxeller TTFE, manufactured by Ouchi Shinsei Chemical) 0.50 part by mass is weighed, and rubber kneading is performed using a roll. Then, a rubber compound is prepared. Subsequently, the prepared rubber compound is immersed in 300 parts by mass of a printing solvent (ethylene glycol monobutyl ether acetate, manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.), and stirred to make it uniform. In this way, a coating layer paint is prepared.
表側電極印刷工程においては、塗料調製工程において調製した電極塗料を、誘電層20の上面に印刷する。図4に、本実施形態の静電容量型面圧分布センサの製造方法の表側電極印刷工程前半の模式図を示す。図5に、同工程後半の模式図を示す。
In the front side electrode printing process, the electrode paint prepared in the paint preparation process is printed on the upper surface of the
図4、図5に示すように、本工程においては、スクリーン印刷機9により、誘電層20の上面に、電極塗料80を印刷する。スクリーン印刷機9は、テーブル90と、フレーム91と、スクリーンマスク92と、スキージ93と、を備えている。テーブル90には、誘電層20が載置されている。スクリーンマスク92は、テーブル90の上方に配置されている。スクリーンマスク92は、フレーム91に張設されている。スクリーンマスク92には、表側電極01X〜16X(図3参照)に対応して、孔920が開設されている。スキージ93は、スクリーンマスク92の上方に配置されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, in this step, the
本工程においては、まず、スクリーンマスク92の上面に、電極塗料80を盛りつける。続いて、スクリーンマスク92下面を誘電層20上面に押しつける。それから、スキージ93をY方向に動かすことにより、スクリーンマスク92上面の電極塗料80を、孔920内に押し込む。そして、誘電層20上面の孔920対応部位に、表側電極01X〜16X(図3参照)を印刷する。その後、表側電極01X〜16Xを加熱し、ポリマーを加硫させる。
In this step, first,
表側配線印刷工程においては、表側電極印刷工程と同様に、スクリーン印刷機9を用いて、誘電層20の上面に、塗料調製工程において調製した配線塗料を印刷する。そして、誘電層20の上面に、表側配線01x〜16x(図2参照)を配置する。その後、表側配線01x〜16xを乾燥させる。なお、スクリーンマスク92の孔920は、表側配線01x〜16xに対応して、配置されている。
In the front side wiring printing step, the wiring coating material prepared in the coating material preparation step is printed on the upper surface of the
表側絶縁被覆層印刷工程においては、表側電極印刷工程と同様に、スクリーン印刷機9を用いて、誘電層20、表側電極01X〜16X、表側配線01x〜16xの上面に、塗料調製工程において調製した被覆層塗料を印刷する。そして、誘電層20、表側電極01X〜16X、表側配線01x〜16xの上面に、表側絶縁被覆層21(図3参照)を配置する。その後、表側絶縁被覆層21を加熱し、ポリマーを加硫させる。なお、スクリーンマスク92の孔920は、表側絶縁被覆層21に対応して、配置されている。
In the front side insulating coating layer printing step, similarly to the front side electrode printing step, using the
裏側電極印刷工程においては、表側電極印刷工程と同様に、スクリーン印刷機9を用いて、誘電層20の下面(図3における下面。印刷時には上向きに配置する。)に、塗料調製工程において調製した電極塗料80を印刷する。そして、誘電層20の下面に、裏側電極01Y〜16Y(図2参照)を配置する。その後、裏側電極01Y〜16Yを加熱し、ポリマーを加硫させる。
In the back side electrode printing step, similarly to the front side electrode printing step, it was prepared in the paint preparation step using the
裏側配線印刷工程においては、表側配線印刷工程と同様に、スクリーン印刷機9を用いて、誘電層20の下面に、塗料調製工程において調製した配線塗料を印刷する。そして、誘電層20の下面に、裏側配線01y〜16y(図2参照)を配置する。その後、裏側配線01y〜19yを乾燥させる。
In the back side wiring printing process, the wiring paint prepared in the paint preparation process is printed on the lower surface of the
裏側絶縁被覆層印刷工程においては、表側絶縁被覆層印刷工程と同様に、スクリーン印刷機9を用いて、誘電層20、裏側電極01Y〜16Y、裏側配線01y〜16yの下面に、塗料調製工程において調製した被覆層塗料を印刷する。そして、誘電層20、裏側電極01Y〜16Y、裏側配線01y〜16yの下面に、裏側絶縁被覆層22(図3参照)を配置する。その後、裏側絶縁被覆層22を加熱し、ポリマーを加硫させる。このようにして、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1は、製造される。
In the back side insulating coating layer printing step, similarly to the front side insulating coating layer printing step, the
[静電容量型面圧分布センサの動き]
次に、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1の動きについて説明する。まず、演算部3の静電容量演算方法について説明する。この静電容量演算方法は、検出部A0101〜A1616の各々に対して、実行される。
[Movement of capacitive surface pressure distribution sensor]
Next, the movement of the capacitive surface
前出式(2)に示すように、物体の電気抵抗は、長さに比例する。表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yは、導電性カーボンブラックにより導電性を確保している。このため、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yの電気抵抗は、表側配線01x〜16x、裏側配線01y〜16yと比較して、大きい。
As shown in the above equation (2), the electrical resistance of the object is proportional to the length. The
また、表側電極01X〜16Xにおける、表側接続部01X1〜16X1から検出部A0101〜A1616までの距離(式(2)における長さLに相当)は一定ではない。すなわち、表側電極01X〜16Xにおける、表側接続部01X1〜16X1から検出部A0101〜A1616までの電気抵抗は一定ではない。一例として、図2において表側電極01Xに着目すると、表側接続部01X1から検出部A0101までの距離よりも、表側接続部01X1から検出部A0116までの距離の方が、長い。したがって、表側接続部01X1から検出部A0101までの電気抵抗よりも、表側接続部01X1から検出部A0116までの電気抵抗の方が、大きい。同様に、裏側電極01Y〜16Yにおける、裏側接続部01Y1〜16Y1から検出部A0101〜A1616までの電気抵抗も一定ではない。
Further, the distances (corresponding to the length L in Expression (2)) from the front side connection portions 01X1 to 16X1 to the detection portions A0101 to A1616 in the
図6に、本実施形態の静電容量型面圧分布センサの任意の表側電極−検出部−裏側電極の等価回路図を示す。図6に示すように、任意の表側電極01X〜16X−検出部A0101〜A1616−裏側電極01Y〜16Yは、RC直列回路と等価である。すなわち、任意の表側電極01X〜16X−検出部A0101〜A1616−裏側電極01Y〜16YのインピーダンスZは、表側電極01X〜16Xにおける、表側接続部01X1〜16X1から検出部A0101〜A1616までの電気抵抗rXと、検出部A0101〜A1616の容量リアクタンス1/ωCと、裏側電極01Y〜16Yにおける、裏側接続部01Y1〜16Y1から検出部A0101〜A1616までの電気抵抗rYと、から構成されている。
FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of an arbitrary front side electrode-detection unit-back side electrode of the capacitive surface pressure distribution sensor of the present embodiment. As shown in FIG. 6, the optional
一方、演算部3には、センサ本体2から、任意の表側電極01X〜16X−検出部A0101〜A1616−裏側電極01Y〜16YのインピーダンスZと、電圧に対する電流の進み角(位相)θ(後述する図7参照)と、が入力される。
On the other hand, from the
演算部3において、精度良く検出部A0101〜A1616の静電容量Cを算出するためには、インピーダンスZから電気抵抗rX、rYの影響を分離する必要がある。図7に、RC直列回路のインピーダンスベクトル図を示す。また、式(3)〜(5)に、RC直列回路のインピーダンス関係式を示す。
ここで、電気抵抗Rは、電気抵抗rXと電気抵抗rYとの和である。また、ωは角周波数である。なお、角周波数ωは既知である。 Here, the electric resistance R is the sum of the electric resistance rX and the electric resistance rY. Ω is an angular frequency. The angular frequency ω is known.
ROM33には、予め式(3)、式(5)が格納されている。CPUは、RAM32に一時的に格納された、インピーダンスZおよび位相θを式(3)に代入して、電気抵抗Rを算出する。そして、インピーダンスZ、電気抵抗R、角周波数ωを式(5)に代入して、静電容量Cを算出する。
The
次に、測定対象物を測定する際における静電容量型面圧分布センサの動きについて説明する。まず、測定対象物をセンサ本体2に載置する前に、上記静電容量演算方法を用いて、検出部A0101〜A1616ごとに、静電容量Cを算出する。すなわち、検出部A0101から検出部A1616までを、あたかも走査するように、静電容量Cを算出する。算出された静電容量Cは、検出部A0101〜A1616ごとに、RAM32に格納される。
Next, the movement of the capacitance-type surface pressure distribution sensor when measuring the measurement object will be described. First, before placing the measurement object on the
続いて、測定対象物をセンサ本体2に載置し、載置前同様に、上記静電容量演算方法を用いて、検出部A0101〜A1616ごとに、静電容量Cを算出する。すなわち、検出部A0101から検出部A1616までを、あたかも走査するように、静電容量Cを算出する。算出された静電容量Cは、検出部A0101〜A1616ごとに、RAM32に格納される。
Subsequently, the measurement object is placed on the sensor
それから、CPU31が、測定対象物載置前後の静電容量Cの変化量ΔCから、センサ本体2に加わる面圧を算出する。具体的には、ROM33には、予め静電容量Cと面圧との対応を示すマップが、格納されている。静電容量Cをマップに代入して、任意の検出部A0101〜A1616の面圧を算出する。そして、当該面圧を、ディスプレイ34の画面に、各検出部A0101〜A1616ごとに表示する。
Then, the
また、CPU31が、各検出部A0101〜A1616の静電容量Cの変化量ΔCを積分することにより、全検出部A0101〜A1616つまりセンサ本体2に加わる総荷重を、ディスプレイ34の画面に表示することもできる。
Further, the
[作用効果]
次に、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1の作用効果について説明する。本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1によると、誘電層20がエーテル系ウレタンゴム製である。このため、誘電層20が空気である場合と比較して、検出部A0101〜A1616から出力される静電容量Cが大きくなる。また、静電容量Cの変化量ΔCが大きくなる。
[Function and effect]
Next, the function and effect of the capacitive surface
また、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yは、共に帯状である。並びに、検出部A0101〜A1616は、表側電極01X〜16Xと裏側電極01Y〜16Yとの交差部分を利用して配置されている。このため、電極の配置数が少なくなる。また、配線数が少なくなる。すなわち、検出部A0101〜A1616は、センサ本体2に、合計256個配置されている。ここで、検出部A0101〜A1616ごとに電極を配置すると、表側電極が256個、裏側電極が256個、それぞれ必要になる。これに対して、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1によると、256個の検出部A0101〜A1616を確保するのに、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yを合計32本(=16本+16本)配置するだけで済む。このため、電極の配置数が少なくなる。
The
また、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yは、アクリルゴムと、導電性カーボンブラックと、を含んで形成されている。このため、測定対象物から荷重が加わる場合、当該荷重に応じて、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yは、誘電層20と共に、伸縮することができる。したがって、誘電層20の伸縮を、表側電極01X〜16Xあるいは裏側電極01Y〜16Yが、規制するおそれが小さい。
The
また、表側配線01x〜16x、裏側配線01y〜16yは、ウレタンゴムと、銀粉と、を含んで形成されている。このため、測定対象物から荷重が加わる場合、当該荷重に応じて、表側配線01x〜16x、裏側配線01y〜16yは、伸縮することができる。したがって、誘電層20の伸縮を、表側配線01x〜16xあるいは裏側配線01y〜16yが、規制するおそれが小さい。
Further, the
また、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1によると、インピーダンスZから、表側接続部01X1〜16X1から検出部A0101〜A1616までの電気抵抗rX、および裏側接続部01Y1〜16Y1から検出部A0101〜A1616までの電気抵抗rYを、分離している。すなわち、インピーダンスZから、検出部A0101〜A1616の静電容量Cを抽出している。このため、面圧分布の測定精度が高い。
Further, according to the capacitance-type surface
また、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1によると、演算部3が検出部A0101〜A1616の静電容量Cの変化量ΔCを積分することにより、センサ本体2に加わる総荷重を算出することができる。このため、測定対象物の重量を検出することができる。
Further, according to the capacitance-type surface
また、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1によると、表側電極01X〜16Xが、センサ本体2の全面に亘って、X方向およびY方向に、略等間隔に配置されている。同様に、裏側電極01Y〜16Yが、センサ本体2の全面に亘って、X方向およびY方向に、略等間隔に配置されている。また、表側電極01X〜16Xと、裏側電極01Y〜16Yと、が上下方向から見て、略直交して配置されている。このため、検出部A0101〜A1616を、センサ本体2の全面に分散させることができる。したがって、センサ本体2全面に占める、面圧検出可能な部分の面積を、大きくすることができる。
Further, according to the capacitive surface
また、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1によると、スクリーン印刷方法により、誘電層20に、表側電極01X〜16X、表側配線01x〜16x、裏側電極01Y〜16Y、裏側配線01y〜16yが配置されている。このため、面圧測定に必須の構成要素を、比較的簡単に集積化することができる。したがって、センサ本体2、延いては静電容量型面圧分布センサ1の生産性が高い。
Further, according to the capacitive surface
また、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yが、誘電層20に直接印刷されている。このため、表側電極01X〜16Xと裏側電極01Y〜16Yとの位置決めが容易である。したがって、所望の位置に、精確に、検出部A0101〜A1616を配置することができる。
Further, the front-
また、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1には、表側絶縁被覆層21と裏側絶縁被覆層22と、が配置されている。このため、表側電極01X〜16Xおよび表側配線01x〜16xと、静電容量型面圧分布センサ1の外部の部材と、が導通するのを抑制することができる。並びに、裏側電極01Y〜16Yおよび裏側配線01y〜16yと、静電容量型面圧分布センサ1の外部の部材と、が導通するのを抑制することができる。
In the capacitive surface
また、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1の表側電極01X〜16Xおよび裏側電極01Y〜16Yを形成するエラストマー組成物の、導電性カーボンブラックの配合量と電気抵抗との関係を表すパーコレーションカーブにおける、電気抵抗が低下して絶縁体−導電体転移が起こる第一変極点の導電性カーボンブラックの配合量(臨界体積分率:φc)は、約4vol%である。このため、導電性カーボンブラックは凝集体を形成しやすい。したがって、比較的少量の導電性カーボンブラックにより、導電性の良好な表側電極01X〜16Xおよび裏側電極01Y〜16Yを得ることができる。
Moreover, the relationship between the compounding quantity of electroconductive carbon black and the electrical resistance of the elastomer composition which forms the
<第二実施形態>
本実施形態の静電容量型面圧分布センサと、第一実施形態の静電容量型面圧分布センサと、の相違点は、センサ本体が絶縁筒部材を有している点である。したがって、ここでは相違点についてのみ説明する。
<Second embodiment>
The difference between the capacitance-type surface pressure distribution sensor of the present embodiment and the capacitance-type surface pressure distribution sensor of the first embodiment is that the sensor body has an insulating cylinder member. Therefore, only the differences will be described here.
図8に、本実施形態の静電容量型面圧分布センサのY方向断面図を示す。なお、図3と対応する部位については、同じ符合で示す。図8に示すように、センサ本体2は、絶縁筒部材25を備えている。絶縁筒部材25は、表側絶縁シート250と、裏側絶縁シート251と、を備えている。表側絶縁シート250および裏側絶縁シート251の材質は、第一実施形態の表側絶縁被覆層および裏側絶縁被覆層の材質と同様である。
FIG. 8 is a cross-sectional view in the Y direction of the capacitive surface pressure distribution sensor of the present embodiment. In addition, about the site | part corresponding to FIG. 3, it shows with the same code | symbol. As shown in FIG. 8, the sensor
表側絶縁シート250の内面には、合計16本の表側電極01X〜16Xが印刷されている。裏側絶縁シート251の内面には、合計16本の裏側電極16Yが印刷されている。絶縁筒部材25の内部において、表側電極01X〜16Xと、裏側電極16Yと、の間には、誘電層20が介装されている。
A total of 16 front side electrodes 01 </ b> X to 16 </ b> X are printed on the inner surface of the front
本実施形態の静電容量型面圧分布センサの製造方法は、塗料調製工程と、表側電極印刷工程と、表側配線印刷工程と、裏側電極印刷工程と、裏側配線印刷工程と、絶縁筒部材作製工程と、誘電層挿入工程と、を有している。塗料調製工程においては、電極塗料、配線塗料を、それぞれ調製する。表側電極印刷工程においては、スクリーン印刷機により、表側絶縁シート250の内面に表側電極01X〜16Xを印刷する。そして、表側電極01X〜16Xを加硫させる。表側配線印刷工程においては、スクリーン印刷機により、表側絶縁シート250の内面に表側配線を印刷する。そして、表側配線を乾燥させる。裏側電極印刷工程においては、スクリーン印刷機により、裏側絶縁シート251の内面に裏側電極16Yを印刷する。そして、裏側電極16Yを加硫させる。裏側配線印刷工程においては、スクリーン印刷機により、裏側絶縁シート251の内面に裏側配線を印刷する。そして、裏側配線を乾燥させる。絶縁筒部材作製工程においては、表側絶縁シート250と、裏側絶縁シート251と、を貼り合わせる。そして、絶縁筒部材25を作製する。誘電層挿入工程においては、絶縁筒部材25の内部に、誘電層20を挿入する。
The manufacturing method of the capacitance type surface pressure distribution sensor of the present embodiment includes a paint preparation step, a front side electrode printing step, a front side wiring printing step, a back side electrode printing step, a back side wiring printing step, and an insulating cylinder member production. And a dielectric layer insertion step. In the paint preparation step, an electrode paint and a wiring paint are prepared. In the front side electrode printing step, the
本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1は、構成が共通する部分に関しては、第一実施形態の静電容量型面圧分布センサと同様の作用効果を有する。
The capacitance-type surface
また、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1によると、誘電層20に直接印刷を行わない。このため、印刷に不向きな材料(例えば発泡体など)であっても、誘電層20として用いることができる。したがって、誘電層20の材料選択の自由度が高くなる。
Further, according to the capacitive surface
また、本実施形態の静電容量型面圧分布センサ1によると、絶縁筒部材25の内側に、誘電層20、表側電極01X〜16X、表側配線、裏側電極16Y、裏側配線という、面圧測定に必須の構成要素が、収容されている。このため、これらの部材と、絶縁筒部材25の外側の部材と、が導通するのを抑制することができる。
Further, according to the capacitance type surface
<その他>
以上、本発明の静電容量型面圧分布センサの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
<Others>
The embodiments of the capacitive surface pressure distribution sensor of the present invention have been described above. However, the embodiment is not particularly limited to the above embodiment. Various modifications and improvements that can be made by those skilled in the art are also possible.
例えば、上記実施形態においては、測定対象物載置前の静電容量Cと測定対象物載置後の静電容量Cとを算出し、静電容量の変化量ΔCから面圧分布を求めた。しかしながら、測定対象物載置前の静電容量Cから載置前の面圧を求め、測定対象物載置後の静電容量Cから載置後の面圧を求め、面圧の変化量から面圧分布を求めてもよい。 For example, in the above embodiment, the capacitance C before placing the measurement object and the capacitance C after placing the measurement object are calculated, and the surface pressure distribution is obtained from the change amount ΔC of the capacitance. . However, the surface pressure before placement is obtained from the capacitance C before placing the measurement object, the surface pressure after placement is obtained from the capacitance C after placing the measurement object, and the amount of change in the surface pressure is calculated. The surface pressure distribution may be obtained.
また、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yの配置数、交差角度も特に限定しない。また、隣り合う表側電極01X〜16Xの間隔、裏側電極01Y〜16Yの間隔も特に限定しない。また、表側配線01x〜16x、裏側配線01y〜16yを覆うように、酸化防止剤を印刷してもよい。こうすると、配線中の銀が酸化するのを、抑制することができる。また、静電容量型面圧分布センサ1の用途も特に限定しない。例えば、車両シートの着座位置検出センサ、タッチセンサ、ホットカーペットなどにおける使用者の位置検出センサなどとして用いてもよい。本発明の静電容量型面圧分布センサ1のセンサ本体2は、エラストマーを含んで形成されており、特に柔軟である。このため、本発明の静電容量型面圧分布センサ1は、使用者の体に比較的近接して配置しても、使用者が被る違和感が少ない。したがって、人間からの荷重(例えば体重など)を検出するのに、特に好適である。また、演算部3として、パソコンを用いてもよい。
Further, the number of the
また、静電容量型面圧分布センサ1の製造方法において、表側配線印刷工程→表側電極印刷工程の順に、工程を実行してもよい。同様に、裏側配線印刷工程→裏側電極印刷工程の順に、工程を実行してもよい。
Moreover, in the manufacturing method of the electrostatic capacitance type surface
また、静電容量型面圧分布センサ1の製造方法における印刷方法は特に限定しない。スクリーン印刷の他、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、パッド印刷、リソグラフィーなどを用いてもよい。
Moreover, the printing method in the manufacturing method of the electrostatic capacitance type surface
また、誘電層20を構成するエラストマーは、ゴムおよび熱可塑性エラストマーから適宜選択することができる。エラストマーは、特に限定されるものではない。例えば、キャパシタンスを大きくするという観点では、比誘電率が高いものが望ましい。例えば、常温における比誘電率が3以上、さらには5以上のものが望ましい。例えば、エステル基、カルボキシル基、水酸基、ハロゲン基、アミド基、スルホン基、ウレタン基、ニトリル基等の極性官能基を有するエラストマー、あるいは、これらの極性官能基を有する極性低分子量化合物を添加したエラストマーを採用すると好適である。エラストマーは架橋されていても、されていなくてもよい。また、エラストマーのヤング率を調整することにより、用途に応じて検出感度や検出レンジを調整すればよい。すなわち、測定対象物の荷重の大きさに応じて、様々なヤング率の誘電層20を選択することができる。特に、測定対象物の荷重が小さい場合は、誘電層20のエラストマーとして、発泡体を用いると好適である。その理由は、発泡体はヤング率が小さいため、測定対象物の荷重が小さい場合であっても、誘電層20が充分に変形するからである。すなわち、確実に測定対象物の面圧、荷重を検出することができるからである。
Moreover, the elastomer which comprises the
好適なエラストマーとしては、例えばシリコーンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴム等が挙げられる。 Examples of suitable elastomers include silicone rubber, acrylonitrile-butadiene copolymer rubber, acrylic rubber, epichlorohydrin rubber, chlorosulfonated polyethylene, chlorinated polyethylene, and urethane rubber.
誘電層の厚さは、特に限定されるものではない。例えば、センサ本体2の小型化を図るという観点、および式(1)に示すように、誘電層20の厚さ(電極間距離d)の逆数に比例する静電容量Cを大きくして検出感度の向上を図るという観点から、1μm以上3000μm以下とすることが望ましい。50μm以上500μm以下がより好適である。
The thickness of the dielectric layer is not particularly limited. For example, the detection sensitivity can be increased by increasing the capacitance C proportional to the reciprocal of the thickness of the dielectric layer 20 (distance d between the electrodes) as shown in Equation (1) from the viewpoint of downsizing the
また、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yを構成するエラストマーは、誘電層20に使用するエラストマーと同じでもよく、異なっていてもよい。表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Y、誘電層20が同じエラストマーから構成される場合には、誘電層20の変形に対する表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yの追従性が向上する。また、誘電層20と、表側電極01X〜16Xおよび裏側電極01Y〜16Yと、の密着性が向上する。このため、繰り返し疲労を受けても、誘電層20と、表側電極01X〜16Xおよび裏側電極01Y〜16Yと、の剥離が抑制され、信頼性が向上する。
Moreover, the elastomer which comprises the
また、表側電極01X〜16Xおよび裏側電極01Y〜16Yに好適なエラストマーとしては、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴム等が挙げられる。
Examples of elastomers suitable for the
また、表側電極01X〜16Xおよび裏側電極01Y〜16Yにおいて、エラストマー中に配合されている導電性フィラーの形状は、球状、針状、角柱状等、特に限定されるものではない。例えば、導電性フィラーのアスペクト比(短辺に対する長辺の比)は、1以上が望ましい。例えば、アスペクト比の比較的大きな針状の導電性フィラーを用いると、三次元的な導電ネットワークを形成しやすく、少量で高い導電性が実現できる。加えて、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yが伸縮する際の、導電性変化を抑制することができる。
Moreover, in the
また、導電性フィラーを選択する際には、平均粒子径やエラストマーとの相溶性等を考慮するとよい。例えば、球状の導電性フィラーを採用した場合、導電性フィラーの平均粒子径(一次粒子)は、0.01μm以上0.5μm以下であることが望ましい。0.01μm未満の場合には、凝集性が高く、電極塗料を調製した場合に均一に分散させることが難しい。好ましくは0.03μm以上である。反対に、0.5μmを超えると、凝集体(二次粒子)を形成しにくくなる。好ましくは0.1μm以下である。なお、導電性フィラーとエラストマーとの組み合わせや、導電性フィラーの平均粒子径等を適宜調整することで、パーコレーションカーブにおける臨界体積分率(φc)を、所望の範囲内に調整することができる。 Moreover, when selecting a conductive filler, it is good to consider an average particle diameter, compatibility with an elastomer, etc. For example, when a spherical conductive filler is employed, the average particle diameter (primary particles) of the conductive filler is desirably 0.01 μm or more and 0.5 μm or less. When the thickness is less than 0.01 μm, the cohesiveness is high, and it is difficult to uniformly disperse the electrode paint. Preferably it is 0.03 micrometer or more. On the other hand, when it exceeds 0.5 μm, it becomes difficult to form aggregates (secondary particles). Preferably it is 0.1 micrometer or less. The critical volume fraction (φc) in the percolation curve can be adjusted within a desired range by appropriately adjusting the combination of the conductive filler and the elastomer, the average particle diameter of the conductive filler, and the like.
また、所望の導電性を発現させるため、導電性フィラーは、パーコレーションカーブにおける臨界体積分率(φc)以上の割合で配合されていることが望ましい。一方、導電性フィラーの充填率が30vol%を超えると、エラストマーへの混合が困難となり、成形加工性が低下する。加えて、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yの伸縮性が低下する。このため、30vol%以下であることが望ましい。また、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yの伸縮性を確保するという観点から、比較的少量の導電性フィラーを配合して、高い導電性を発現できることが望ましい。よって、導電性フィラーの充填率は、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yの体積を100vol%とした場合の25vol%以下であることが望ましい。15vol%以下であるとより好適である。
Moreover, in order to express desired electroconductivity, it is desirable that the conductive filler is blended at a ratio equal to or higher than the critical volume fraction (φc) in the percolation curve. On the other hand, when the filling rate of the conductive filler exceeds 30 vol%, mixing with the elastomer becomes difficult, and molding processability is deteriorated. In addition, the stretchability of the
また、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yの厚さは、特に限定されるものではない。誘電層20に対する追従性を考慮し、センサ本体2の小型化を図るという観点から、1μm以上100μm以下であることが望ましい。また、誘電層20の変形に対する追従性を高めるため、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yのヤング率を、0.1MPa以上10MPa以下とすることが望ましい。同様に、引張り試験(JIS K6251)における切断時伸びは、200%以上であることが望ましい。
Further, the thicknesses of the front-
また、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yの電気抵抗は、厚さ方向および面方向において、100kΩ以下であることが望ましく、10kΩ以下であるとより好適である。ここで、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yは、伸縮しても導電性の変化が小さい。例えば、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yを一方向に伸張し、端子間距離を100%引き伸ばした時の端子間抵抗(R1)が、伸張前の端子間抵抗(R0)に対して10倍以下(R1/R0≦10)であれば、「伸縮しても導電性の変化が小さい」ということができる。
The electrical resistance of the
また、表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yには、上記エラストマー、導電性フィラーに加え、各種添加剤が配合されていてもよい。添加剤としては、例えば、架橋剤、加硫促進剤、加硫助剤、老化防止剤、可塑剤、軟化剤、着色剤等が挙げられる。
Moreover, in addition to the said elastomer and a conductive filler, various additives may be mix | blended with the
また、表側配線01x〜16x、裏側配線01y〜16yを構成するエラストマーは、誘電層20や表側電極01X〜16X、裏側電極01Y〜16Yに使用するエラストマーと同じでもよく、異なっていてもよい。例えば、シリコーンゴム、エチレン−プロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレン、ウレタンゴム等が好適である。
Moreover, the elastomer which comprises the
また、導電性粒子の種類は、導電性が高いものであれば、特に限定されるものではない。例えば、銀、銅、金、ニッケル等の金属粉を採用すればよい。また、所望の導電性を発現させるため、エラストマーにおける導電性粒子の充填率は、表側配線01x〜16x、あるいは裏側配線01y〜16yの体積を100vol%とした場合の20vol%以上であることが望ましい。また、表側配線01x〜16x、裏側配線01y〜16yの伸縮性の低下を抑制するため、エラストマーにおける導電性粒子の充填率は、50vol%以下であることが望ましい。
Moreover, the kind of electroconductive particle will not be specifically limited if the electroconductivity is high. For example, metal powder such as silver, copper, gold, or nickel may be employed. Moreover, in order to express desired conductivity, the filling rate of the conductive particles in the elastomer is desirably 20 vol% or more when the volume of the
また、表側絶縁被覆層21、裏側絶縁被覆層22、絶縁筒部材25を形成する材料としては、例えば、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、エチレンプロピレン共重合ゴム、天然ゴム、スチレンーブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、エピクロルヒドリンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、塩素化ポリエチレンゴム等のシートを用いてもよい。
Moreover, as a material which forms the front side insulating
以下、第一実施形態の静電容量型面圧分布センサ1(図2、図3参照)について行った、面圧測定実験について説明する。 Hereinafter, a surface pressure measurement experiment performed on the capacitance-type surface pressure distribution sensor 1 (see FIGS. 2 and 3) according to the first embodiment will be described.
<実験方法>
センサ本体2の表側電極01X〜16Xおよび裏側電極01Y〜16Y配置部分の面積は、552cm2とした。センサ本体2を押圧するウェイトの形状は、直方体状とした。ウェイトにおけるセンサ本体2を押圧する面の面積(荷重印加面積)は、324cm2、180cm2、149cm2とした。これら三パターンの荷重印加面積において、各々、荷重を大きくした場合の、検出部A0101〜A1616から得られる静電容量の変化を観察した。
<Experiment method>
The area of the arrangement | positioning part of the
<実験結果>
図9に、荷重と静電容量積分値との関係をグラフで示す。図9から、荷重印加面積が324cm2、180cm2、149cm2いずれの場合であっても、荷重が大きくなると、静電容量積分値(=検出部A0101〜A1616から得られる静電容量を積分したもの)が大きくなることが判る。すなわち、ウェイトからセンサ本体2に加わる総荷重と、静電容量積分値と、が比例していることが判る。
<Experimental result>
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the load and the integrated capacitance value. 9, the load application area is in either case 324cm 2, 180cm 2, 149cm 2 , when the load increases, the integral of the electrostatic capacitance obtained from the capacitance integration value (= detector A0101~A1616 It can be seen that things are getting bigger. That is, it can be seen that the total load applied to the
図10に、面圧と静電容量との関係をグラフで示す。図10から、荷重印加面積が324cm2、180cm2、149cm2いずれの場合であっても、面圧(=荷重/荷重印加面積)が大きくなると、静電容量(=検出部A0101〜A1616各々の静電容量)が大きくなることが判る。また、荷重印加面積の大小によらず、面圧と静電容量とが比例していることが判る。また、図10から、静電容量から面圧が算出できることが判る。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the surface pressure and the capacitance. From FIG. 10, even when the load application area is any of 324 cm 2 , 180 cm 2 , and 149 cm 2 , when the surface pressure (= load / load application area) increases, the capacitance (= each of the detection units A0101 to A1616). It can be seen that the (capacitance) increases. It can also be seen that the surface pressure is proportional to the capacitance regardless of the load application area. Further, it can be seen from FIG. 10 that the surface pressure can be calculated from the capacitance.
図11に、ウェイトの荷重印加面積が149cm2であって、荷重が3.4kgfの場合の静電容量分布をグラフで示す。静電容量を検出した検出部は、256個の全検出部A0101〜A1616のうち、70個である。静電容量積分値は10728pFである。面圧は2236(Pa)[=(3.4(kgf)×9.8(N/kgf))/(149×10−4(m2))]である。検出部A0101〜A1616一個あたりの静電容量変化(=荷重印加後の静電容量−荷重印加前の静電容量)は、153.3(pF/個)[=10728(pF)/70(個)]である。図11から、静電容量分布がウェイトの荷重印加面の形状(略正方形)に対応していることが判る。 FIG. 11 is a graph showing the capacitance distribution when the weight load application area is 149 cm 2 and the load is 3.4 kgf. The number of detection units that have detected the electrostatic capacitance is 70 out of 256 total detection units A0101 to A1616. The integrated capacitance value is 10728 pF. The surface pressure is 2236 (Pa) [= (3.4 (kgf) × 9.8 (N / kgf)) / (149 × 10 −4 (m 2 ))]. The capacitance change per detection unit A0101-A1616 (= capacitance after load application-capacitance before load application) is 153.3 (pF / piece) [= 10728 (pF) / 70 (pieces) ]]. It can be seen from FIG. 11 that the capacitance distribution corresponds to the shape (substantially square) of the weight load application surface.
1:静電容量型面圧分布センサ、2:センサ本体、3:演算部、9:スクリーン印刷機。
20:誘電層、21:表側絶縁被覆層、22:裏側絶縁被覆層、23:表側配線用コネクタ、24:裏側配線用コネクタ、25:絶縁筒部材、30:電源回路、31:CPU、32:RAM、33:ROM、34:ディスプレイ、80:電極塗料、90:テーブル、91:フレーム、92:スクリーンマスク、93:スキージ。
101:エラストマー、102:導電性フィラー、250:表側絶縁シート、251:裏側絶縁シート、920:孔。
01X1〜16X1:表側接続部、01X〜16X:表側電極、01Y1〜16Y1:裏側接続部、01Y〜16Y:裏側電極、01x〜16x:表側配線、01y〜16y:裏側配線、A0101〜A1616:検出部、P1:導電パス。
1: Capacitive surface pressure distribution sensor, 2: sensor body, 3: calculation unit, 9: screen printer.
20: Dielectric layer, 21: Front side insulating coating layer, 22: Back side insulating coating layer, 23: Front side wiring connector, 24: Back side wiring connector, 25: Insulating cylindrical member, 30: Power supply circuit, 31: CPU, 32: RAM, 33: ROM, 34: display, 80: electrode paint, 90: table, 91: frame, 92: screen mask, 93: squeegee.
101: Elastomer, 102: Conductive filler, 250: Front insulating sheet, 251: Back insulating sheet, 920: Hole.
01X1 to 16X1: Front side connection part, 01X to 16X: Front side electrode, 01Y1 to 16Y1: Back side connection part, 01Y to 16Y: Back side electrode, 01x to 16x: Front side wiring, 01y to 16y: Back side wiring, A0101 to A1616: Detection part , P1: Conductive path.
Claims (8)
該誘電層の表側に少なくとも一つ配置され、エラストマーと、該エラストマーに充填される導電性フィラーと、を含んで形成され、表側接続部を有する帯状の表側電極と、
該誘電層の裏側に少なくとも一つ配置され、エラストマーと、該エラストマーに充填される導電性フィラーと、を含んで形成され、裏側接続部を有する帯状の裏側電極と、
該表側電極と該裏側電極とが、表裏方向から見て、交差することにより形成される複数の検出部と、
該表側接続部に接続され、エラストマーと、該エラストマーに充填される導電性粒子と、を含んで形成され、該表側電極よりも電気抵抗が小さい表側配線と、
該裏側接続部に接続され、エラストマーと、該エラストマーに充填される導電性粒子と、を含んで形成され、該裏側電極よりも電気抵抗が小さい裏側配線と、
を有し、一体的に伸縮可能なセンサ本体と、
該表側配線および該裏側配線に電気的に接続され、該表側配線および該裏側配線から検出されるインピーダンスから、該表側電極における該表側接続部から該検出部までの距離による電気抵抗と、該裏側電極における該裏側接続部から該検出部までの距離による電気抵抗と、を分離し、該検出部の静電容量を抽出し、該検出部の該静電容量から、該センサ本体における面圧分布を算出する演算部と、
を備えてなる静電容量型面圧分布センサ。 An elastomeric dielectric layer;
At least one disposed on the front side of the dielectric layer, formed of an elastomer and a conductive filler filled in the elastomer, and formed into a strip-shaped front electrode having a front side connection portion;
At least one disposed on the back side of the dielectric layer, formed of an elastomer and a conductive filler filled in the elastomer, and formed into a strip-shaped back side electrode having a back side connection portion;
A plurality of detection units formed by crossing the front-side electrode and the back-side electrode when viewed from the front-back direction;
A front-side wiring connected to the front-side connection portion, formed of an elastomer and conductive particles filled in the elastomer, and having a lower electrical resistance than the front-side electrode;
A back-side wiring connected to the back-side connecting portion, formed of an elastomer and conductive particles filled in the elastomer, and having a lower electrical resistance than the back-side electrode;
A sensor body that can be extended and contracted integrally,
An electrical resistance electrically connected to the front side wiring and the back side wiring, from an impedance detected from the front side wiring and the back side wiring, an electrical resistance depending on a distance from the front side connection part to the detection part in the front side electrode, and the back side The electrical resistance according to the distance from the backside connection part to the detection part in the electrode is separated, the capacitance of the detection part is extracted, and the surface pressure distribution in the sensor main body from the capacitance of the detection part An arithmetic unit for calculating
A capacitance-type surface pressure distribution sensor comprising:
前記裏側電極は、複数列並んで配列されており、
複数の該表側電極と複数の該裏側電極とは、表裏方向から見て、略直交して配置されている請求項1または請求項2に記載の静電容量型面圧分布センサ。 The front side electrodes are arranged in a plurality of rows,
The back side electrodes are arranged in a plurality of rows,
The capacitive surface pressure distribution sensor according to claim 1 or 2, wherein the plurality of front-side electrodes and the plurality of back-side electrodes are disposed substantially orthogonally when viewed from the front-back direction.
前記裏側電極および前記裏側配線は、該誘電層の裏面に印刷されている請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の静電容量型面圧分布センサ。 The front side electrode and the front side wiring are printed on the surface of the dielectric layer,
4. The capacitive surface pressure distribution sensor according to claim 1, wherein the back-side electrode and the back-side wiring are printed on a back surface of the dielectric layer. 5.
を有している請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の静電容量型面圧分布センサ。 The sensor body is further printed by directly or indirectly covering the front side electrode and the front side wiring, and the front side insulating coating layer for insulating the front side electrode and the front side wiring from the outside, the back side electrode, and the A back side insulating coating layer that is printed directly or indirectly covering the back side wiring, and that insulates the back side electrode and the back side wiring from the outside;
The electrostatic capacitance type surface pressure distribution sensor according to claim 1, comprising:
前記誘電層は、該絶縁筒部材に収容されており、
前記表側電極および前記表側配線は、該絶縁筒部材の内面であって、該誘電層の表面に対向する部位に印刷されており、
前記裏側電極および前記裏側配線は、該絶縁筒部材の内面であって、該誘電層の裏面に対向する部位に印刷されている請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の静電容量型面圧分布センサ。 The sensor body is further cylindrical and has an insulating cylinder member that insulates the inside and outside of the cylinder,
The dielectric layer is accommodated in the insulating cylinder member,
The front side electrode and the front side wiring are printed on the inner surface of the insulating cylinder member and facing the surface of the dielectric layer,
4. The capacitance type according to claim 1, wherein the back-side electrode and the back-side wiring are printed on an inner surface of the insulating cylinder member and facing a back surface of the dielectric layer. 5. Surface pressure distribution sensor.
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