JP2019135458A - Pressure distribution sensor - Google Patents

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周介 金澤
Shusuke Kanazawa
周介 金澤
洋史 牛島
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洋史 牛島
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Abstract

To provide a sheet-like pressure distribution sensor capable of accurately detecting even subtle change of extremely small pressure such as airflow.SOLUTION: This invention is a sheet-like pressure distribution sensor that measures pressure distribution in a two-dimensional plane. The pressure distribution sensor comprises measuring means of measuring the distortion in the vicinity of the remaining part with a tongue-like part of a flexible sheet body as a cantilever beam, wherein the tongue-like part of the flexible sheet has a plurality of tongue-like parts formed in a matrix by giving the remaining part and punching in a ring shape.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、2次元面内の圧力分布を計測するシート状の圧力分布センサに関し、特に、気流のような非常に小さな圧力の微少な変化であっても精度良く検出することのできる圧力分布センサに関する。   The present invention relates to a sheet-like pressure distribution sensor that measures a pressure distribution in a two-dimensional plane, and in particular, a pressure distribution sensor that can accurately detect even a very small change in pressure such as an air flow. About.

圧電素子や圧電フィルムを利用した圧力センサが各種工業製品や計測機器に用いられている。このような圧力センサを面内に複数配置し2次元面内の圧力分布を計測できるようにした圧力分布センサも提案されている。更に、このような圧力分布センサのうち、可撓性を有するフレキシブルなシート状に形成し、平面だけでなく曲面や複雑形状の表面についての圧力分布の計測を与え、また、圧力付加時の衝撃を吸収し破壊することなく圧力分布を計測できるようにしたセンサシートなども提案されている。   Pressure sensors using piezoelectric elements and piezoelectric films are used in various industrial products and measuring instruments. There has also been proposed a pressure distribution sensor in which a plurality of such pressure sensors are arranged in a plane so that the pressure distribution in a two-dimensional plane can be measured. Furthermore, among such pressure distribution sensors, it is formed in a flexible flexible sheet shape, giving pressure distribution measurements not only on flat surfaces but also on curved and complex surfaces, and also when applying pressure. A sensor sheet that can measure pressure distribution without absorbing and destroying water has also been proposed.

例えば、特許文献1では、フィルム上にマトリクス配線を与えてその交点に薄膜トランジスタを形成し、該薄膜トランジスタの表面に感圧導電体を形成した圧力センサ装置を開示している。フィルムにはポリイミドやポリエチレンテレフタレート(PET)のような高分子フィルムを用いるとしており、この上の配線や薄膜トランジスタについては印刷技術を利用できるので、大面積を低価格で実現できるとしている。   For example, Patent Document 1 discloses a pressure sensor device in which a matrix wiring is provided on a film, a thin film transistor is formed at the intersection, and a pressure sensitive conductor is formed on the surface of the thin film transistor. A polymer film such as polyimide or polyethylene terephthalate (PET) is used for the film, and the wiring and thin film transistor on the film can be used for printing, so a large area can be realized at a low price.

また、特許文献2では、マトリクス配線の交差点を圧力計測点として圧力センサを配置した圧力計測シートを用いた歩行解析装置を開示している。圧力センサは、印加された圧力の大きさに応じて電気的な特性値を変化させる感圧層からなり、内部に感圧インクを充填した層状構造体であって、表面に圧力が加えられるとその電気抵抗が低下する圧力素子となっている。   Further, Patent Document 2 discloses a walking analysis apparatus using a pressure measurement sheet in which a pressure sensor is arranged with a cross point of matrix wiring as a pressure measurement point. The pressure sensor is a layered structure that is composed of a pressure-sensitive layer that changes an electrical characteristic value according to the magnitude of an applied pressure, and is filled with pressure-sensitive ink, and when pressure is applied to the surface. This is a pressure element whose electric resistance is lowered.

ところで、面に対して物体が接触することにより与えられる圧力とは異なり、気流のような場合にあっては、その与える圧力は非常に小さくなる。   By the way, unlike the pressure applied when an object contacts the surface, in the case of an air current, the applied pressure becomes very small.

例えば、特許文献3では、工作対象物への気体の吹きつけ時に該工作対象物の受ける圧力を推定するためのセンサとして、片持ち梁(支持梁)を利用してその支持部の歪みゲージにより気体から受ける荷重を計測する圧力センサを開示している。ここでは、工作対象物を乾燥させるなどの目的で与えられるブロワからの比較的強い気流を計測の対象としているが、片持ち梁を利用することで比較的小さな気流の計測であっても可能となり得るであろう。   For example, in Patent Document 3, a cantilever (support beam) is used as a sensor for estimating the pressure received by a workpiece when gas is blown onto the workpiece, and a strain gauge of the support portion is used. The pressure sensor which measures the load received from gas is disclosed. Here, the measurement target is a relatively strong airflow from the blower that is given for the purpose of drying the workpiece, but even a relatively small airflow measurement is possible by using a cantilever beam. You will get.

特開2005−150146号公報JP-A-2005-150146 特開2006−284404号公報JP 2006-284404 A 特開2016−121978号公報JP 2006-121978 A

上記したような2次元面内の圧力分布を計測するシート状の圧力分布センサにおいても、気流のような非常に小さな圧力を受けたときの圧力分布を計測することが求められ、片持ち梁構造を利用することが考慮できる。しかしながら、可撓性を有するシート状の基板の上に片持ち梁構造を与えることは、基板の可撓性を妨げるとともに、計測精度を低下させ、特に、気流のような非常に小さな圧力の微少な変化に対する影響は大きい。   Even in the sheet-like pressure distribution sensor for measuring the pressure distribution in the two-dimensional plane as described above, it is required to measure the pressure distribution when receiving a very small pressure such as an air flow, and the cantilever structure Can be considered. However, providing a cantilever structure on a flexible sheet-like substrate hinders the flexibility of the substrate and lowers the measurement accuracy. In particular, a very small pressure such as an air flow is very small. The impact on major changes is significant.

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、2次元面内の圧力分布を計測するシート状の圧力分布センサであり、気流のような非常に小さな圧力の微少な変化であっても精度良く検出することのできる圧力分布センサを提供することにある。   The present invention has been made in view of the situation as described above, and its object is a sheet-like pressure distribution sensor for measuring pressure distribution in a two-dimensional plane, Another object of the present invention is to provide a pressure distribution sensor that can accurately detect even a small change in a small pressure.

本発明による圧力分布センサは、2次元面内の圧力分布を計測するシート状の圧力分布センサであって、残存部を与えて環状に打ち抜いて形成された舌状部をマトリクス状に複数有する可撓性シート体の前記舌状部を片持ち梁として前記残存部近傍の歪みを計測する計測手段を与えられていることを特徴とする。   The pressure distribution sensor according to the present invention is a sheet-like pressure distribution sensor for measuring a pressure distribution in a two-dimensional plane, and may have a plurality of tongue-like portions formed in a ring shape by giving a remaining portion and punching in an annular shape. The tongue portion of the flexible sheet body is cantilevered, and a measuring means for measuring the distortion in the vicinity of the remaining portion is provided.

かかる発明によれば、基板である可撓性シート体自体を片持ち梁に形成することで、2次元面内の圧力分布を計測できて、気流のような非常に小さな圧力の微少な変化であっても精度良く検出することができるのである。   According to this invention, the pressure distribution in the two-dimensional plane can be measured by forming the flexible sheet body itself, which is a substrate, in a cantilever, and a very small pressure change such as an air flow can be obtained. Even if it exists, it can be detected with high accuracy.

上記した発明において、前記舌状部は舌先端に向けて部分的に幅を減じたくびれ部を有し、前記くびれ部に前記計測手段を与えられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、くびれ部により可動片としての舌状部の撓みを調整できて、気流のような非常に小さな圧力の微少な変化であってもより精度高く検出することができるのである。   In the above-described invention, the tongue-shaped portion may have a constricted portion partially reduced in width toward the tip of the tongue, and the measuring means may be provided to the constricted portion. According to this invention, the deflection of the tongue-like portion as the movable piece can be adjusted by the constricted portion, and even a very small change in pressure such as an air current can be detected with higher accuracy.

上記した発明において、前記舌状部は前記可撓性シート体を四角形に打ち抜いて前記四角形の内部に与えられていることを特徴としてもよい。また、前記舌状部は、前記四角形の内部に間隙を設けて与えられていることを特徴としてもよい。更に、前記舌状部は、前記四角形の1つの角部に前記残存部を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、舌状部の可撓性シート体からの影響を抑制できて、気流のような非常に小さな圧力の微少な変化であってもより精度高く検出することができるのである。   In the above-described invention, the tongue-shaped portion may be provided inside the rectangle by punching the flexible sheet body into a rectangle. Further, the tongue-like portion may be provided with a gap provided inside the square. Further, the tongue portion may have the remaining portion at one corner portion of the square. According to this invention, the influence of the tongue-shaped portion from the flexible sheet body can be suppressed, and even a very small change in pressure such as an air current can be detected with higher accuracy.

上記した発明において、前記計測手段は歪みゲージであることを特徴としてもよい。また、前記可撓性シート体にはマトリクス配線が与えられており、前記マトリクス配線の各格子に前記舌状部が与えられ、前記歪みゲージが前記マトリクス配線に結線されていることを特徴としても良い。かかる発明によれば、プリント技術により、精度の高い圧力分布センサを容易に製造できるようになるのである。   In the above-described invention, the measuring means may be a strain gauge. The flexible sheet body may be provided with matrix wiring, the tongue portion may be provided on each lattice of the matrix wiring, and the strain gauge may be connected to the matrix wiring. good. According to this invention, a highly accurate pressure distribution sensor can be easily manufactured by a printing technique.

上記した発明において、前記可撓性シート体は間にスペーサを与えられてシートの上に設けられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、舌状部のシートからの影響を抑制できて、気流のような非常に小さな圧力の微少な変化であってもより精度高く検出することができるのである。   In the above-described invention, the flexible sheet body may be provided on the sheet with a spacer provided therebetween. According to this invention, the influence of the tongue-shaped portion from the sheet can be suppressed, and even a very small change in pressure such as an air current can be detected with higher accuracy.

本発明による実施例における圧力分布センサの平面図である。It is a top view of the pressure distribution sensor in the Example by this invention. 圧力分布センサの要部の平面図である。It is a top view of the principal part of a pressure distribution sensor. 圧力分布センサの要部の側断面図である。It is a sectional side view of the principal part of a pressure distribution sensor. 圧力分布センサの製造工程を示す平面図である。It is a top view which shows the manufacturing process of a pressure distribution sensor. 歪みゲージの形状を示す平面図である。It is a top view which shows the shape of a strain gauge. 圧力分布センサの要部の平面図である。It is a top view of the principal part of a pressure distribution sensor. 動作試験1に用いた圧力分布センサの素子の配置を示す平面図である。It is a top view which shows arrangement | positioning of the element of the pressure distribution sensor used for the operation test 1. FIG. 動作試験1の結果として電気抵抗を示すグラフである。3 is a graph showing electric resistance as a result of an operation test 1; 動作試験2の結果として抵抗変化量を示すグラフである。It is a graph which shows resistance change amount as a result of the operation test 2. FIG. 圧力分布センサの改変例の断面図である。It is sectional drawing of the modification of a pressure distribution sensor.

以下に、本発明による1つの実施例である圧力分布センサ10について、図1乃至図3を用いて説明する。   Hereinafter, a pressure distribution sensor 10 according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

図1に示すように、圧力分布センサ10は、可撓性を有するシート体1を基板として、かかるシート体1に沿った2次元面内の圧力分布を計測するセンサである。シート体1には、マトリクス状に複数並べられた舌状部3が形成されている。舌状部3は、残存部4を残した環状にシート体1を打ち抜いた打ち抜き部2によって形成される。つまり、舌状部3は、残存部4によって周囲のシート体1と接続されて、片持ち梁となっている。これによって、舌状部3は、周囲の気流のような非常に小さな圧力の微少な変化によってシート体1の両面側に揺動可能な可動片となって残存部4を撓ませることができる。なお、打ち抜き部2は、必ずしも加工方法を打ち抜きに限定するものではなく、例えば、レーザーやカッターによる切り出し加工によるものとすることもできる。   As shown in FIG. 1, the pressure distribution sensor 10 is a sensor that measures a pressure distribution in a two-dimensional plane along the sheet body 1 using a flexible sheet body 1 as a substrate. The sheet body 1 is formed with a plurality of tongue portions 3 arranged in a matrix. The tongue-like portion 3 is formed by a punched portion 2 obtained by punching the sheet body 1 in an annular shape leaving the remaining portion 4. That is, the tongue-like portion 3 is connected to the surrounding sheet body 1 by the remaining portion 4 and is a cantilever. As a result, the tongue portion 3 becomes a movable piece that can swing on both sides of the sheet body 1 by a very small change in pressure such as a surrounding airflow, and the remaining portion 4 can be bent. In addition, the punching part 2 does not necessarily limit a processing method to punching, For example, it can also be based on the cutting process by a laser or a cutter.

本実施例において、複数の舌状部3は、シート体1を四角形に打ち抜いた打ち抜き部2によってかかる四角形の内部にそれぞれ間隙を与えられて配置され、かかる四角形とともに互いに縦横に並べられて上記したマトリクスを形成している。つまり、打ち抜き部2によって形成された舌状部3と、後述する歪ゲージ15とを含む素子20が縦横に並べられている。また、舌状部3は、その長さを長くできるように残存部4を四角形の角部に接続させることが好ましい。特に、舌状部3は、舌先端3aに向けて部分的に幅を減じたくびれ部を有しているとかかるくびれ部を優先的に撓ませるので、可動片としての舌状部3の撓みを調整できる。本実施例では、かかるくびれ部として残存部4を有している。これらのようにすることで、舌状部3によって残存部4を撓ませたときに、打ち抜き部2の周囲のシート体1や他の舌状部3に撓みの影響を与えないようにすることができる。なお、上記したマトリクスは、舌状部3を、例えば0.3mm〜30cmの範囲内の所定のピッチで配置すると圧力分布センサとして適当である。   In the present embodiment, the plurality of tongue-like portions 3 are arranged with gaps provided inside the quadrilaterals by punching portions 2 obtained by punching the sheet body 1 into quadrilaterals, and are arranged vertically and horizontally with the quadrangles as described above. A matrix is formed. That is, the elements 20 including the tongue-shaped portion 3 formed by the punched portion 2 and the strain gauge 15 described later are arranged vertically and horizontally. Moreover, it is preferable to connect the remaining part 4 to the square corner | angular part so that the length can be lengthened. In particular, if the tongue-shaped portion 3 has a constricted portion whose width is partially reduced toward the tongue tip 3a, the constricted portion is bent preferentially, so that the tongue-shaped portion 3 as a movable piece is bent. Can be adjusted. In the present embodiment, the constricted part has a remaining part 4. By doing so, when the remaining portion 4 is bent by the tongue portion 3, the sheet body 1 and the other tongue portion 3 around the punched portion 2 are not affected by the bending. Can do. The matrix described above is suitable as a pressure distribution sensor when the tongue portions 3 are arranged at a predetermined pitch within a range of, for example, 0.3 mm to 30 cm.

シート体1としては、例えば、厚さ10μm〜2mm程度の可撓性を有する材料を用いることができる。シート体1のヤング率は好ましくは10GPa以下である。このようなシート体1の材料としては、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン、アクリロニトリル・スチレン、ポリメチルメタアクリル、ポリビニールアルコール、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド(ナイロン)、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、超高分子量ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標))、フェノール樹脂(ベークライト)、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタンを例示できる。   As the sheet body 1, for example, a flexible material having a thickness of about 10 μm to 2 mm can be used. The Young's modulus of the sheet body 1 is preferably 10 GPa or less. Examples of the material of the sheet 1 include polyvinyl chloride, polyethylene, polypropylene, polystyrene, acrylonitrile / butadiene / styrene, acrylonitrile / styrene, polymethylmethacryl, polyvinyl alcohol, polyvinylidene chloride, polyethylene terephthalate, polyamide (nylon). ), Polyacetal, polycarbonate, polyphenylene ether, polybutylene terephthalate, ultrahigh molecular weight polyethylene, polyvinylidene fluoride, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyarylate, polyamideimide, polyetherimide, polyetheretherketone, polyimide, liquid crystal polymer , Polytetrafluoroethylene (Teflon (registered trademark)), phenol resin (bakelite), lily Resin, melamine resin, unsaturated polyester, epoxy resin, silicone resin, polyurethane can be exemplified.

図2を併せて参照すると、圧力分布センサ10の素子20は、さらに残存部4近傍の歪みを計測する計測手段を備える。かかる計測手段として、例えば、歪みゲージ15を用い得る。歪みゲージ15は、打ち抜き部2の外周側から残存部4に沿って舌状部3の内部まで延びるように取り付けられている。歪みゲージ15は抵抗線であり、その変形に基づく抵抗の変化によって残存部4近傍の歪みを計測できる。ここで、上記したように、舌状部3は、周囲のシート体1に影響を与えないよう残存部4を優先的に撓ませることができ、残存部4近傍の歪みを精度よく計測できる。   Referring also to FIG. 2, the element 20 of the pressure distribution sensor 10 further includes a measuring unit that measures the strain near the remaining portion 4. As such a measuring means, for example, a strain gauge 15 can be used. The strain gauge 15 is attached so as to extend from the outer peripheral side of the punched portion 2 to the inside of the tongue-shaped portion 3 along the remaining portion 4. The strain gauge 15 is a resistance wire, and the strain near the remaining portion 4 can be measured by a change in resistance based on the deformation. Here, as described above, the tongue-shaped portion 3 can preferentially bend the remaining portion 4 so as not to affect the surrounding sheet body 1, and can accurately measure the distortion in the vicinity of the remaining portion 4.

歪みゲージ15は、シート体1に配置された配線に結線されて外部に接続される。配線としては、上記した打ち抜き部2の四角形の周囲のそれぞれの辺に沿うようにして縦方向に延びる縦配線11及び横方向に延びる横配線12を備えるマトリクス配線とすることができる。また、縦配線11及び横配線12の交差する交差点は絶縁体からなる絶縁層13を間に挟むように重ねられて互いに接触しないようにされる。ここでは、シート体1の上面に下から縦配線11、絶縁層13、横配線12の順に配置されている。そして、歪みゲージ15は、かかる交差点を跨ぐようにしてその両極のそれぞれを縦配線11及び横配線12に接続させている。つまり、液晶表示装置の分野で用いられるパッシブマトリクスと同様である。この場合、クロストークを低減させるため、配線(縦配線11及び横配線12のそれぞれ)1本あたりの抵抗は、歪みゲージ15の1つあたりの抵抗の1/100以下とされることが好ましい。なお、縦配線11及び横配線12の交差点を絶縁層13の代わりに半導体で接続し、アクティブマトリクスと同様にスイッチングさせるようにしてもよい。この場合はクロストークをスイッチングにより低減できるので、上記した配線と歪みゲージ15との抵抗の比は特に限定されない。   The strain gauge 15 is connected to the wiring arranged on the sheet body 1 and connected to the outside. As the wiring, a matrix wiring including the vertical wiring 11 extending in the vertical direction and the horizontal wiring 12 extending in the horizontal direction along the respective sides around the square of the punched portion 2 can be used. Further, the intersections of the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12 are overlapped so as to sandwich the insulating layer 13 made of an insulator so as not to contact each other. Here, the vertical wiring 11, the insulating layer 13, and the horizontal wiring 12 are arranged in this order from the bottom on the upper surface of the sheet body 1. The strain gauge 15 connects the poles to the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12 so as to straddle the intersection. That is, it is the same as the passive matrix used in the field of liquid crystal display devices. In this case, in order to reduce crosstalk, the resistance per wiring (each of the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12) is preferably set to 1/100 or less of the resistance per strain gauge 15. Note that the intersection of the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12 may be connected by a semiconductor instead of the insulating layer 13 and switched in the same manner as in the active matrix. In this case, since the crosstalk can be reduced by switching, the ratio of the resistance between the wiring and the strain gauge 15 is not particularly limited.

図3を併せて参照すると、歪みゲージ15と、縦配線11及び横配線12との接続部において、シート体1の上に縦配線11及び横配線12が配置され、これらを部分的に上から覆うように歪みゲージ15の両極が形成される。上記したように、縦配線11は、横配線12との交差点において絶縁層13を挟んで横配線12の下側に配置されるので、歪みゲージ15との接続部においてもシート体1の表面からの高さを横配線12よりも低くするようにしてもよい。   Referring also to FIG. 3, the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12 are disposed on the sheet body 1 at the connection portion between the strain gauge 15 and the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12, and these are partially connected from above. Both electrodes of the strain gauge 15 are formed so as to cover. As described above, since the vertical wiring 11 is disposed below the horizontal wiring 12 with the insulating layer 13 sandwiched at the intersection with the horizontal wiring 12, also from the surface of the sheet body 1 at the connection portion with the strain gauge 15. May be made lower than the horizontal wiring 12.

縦配線11及び横配線12は、上記したクロストークの低減のため、例えば抵抗率を1×10−4Ωcm以下とする材料からなることが好ましい。縦配線11及び横配線12の寸法としては、厚さ10nm〜1mm、幅1μm〜1cm、及び、長さ10cm〜10mの範囲で適宜設定し得るが、歪みゲージ15との関係において所望の電気抵抗となるようにされる。このような縦配線11及び横配線12の材料としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、チタン、鉄、鉛、ニッケル、クロム、ITO、IZO、などの金属や金属酸化物、これらからなる合金、さらには、これらの金属粒子と樹脂とを混錬してインキ化したペースト類を用いることができる。縦配線11及び横配線12は、例えば、スパッタ法による成膜やエッチングによるパターン化、めっき成膜エッチングによるパターン化、スクリーン印刷やインクジェット等の印刷法によって形成させることができる。 The vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12 are preferably made of a material having a resistivity of 1 × 10 −4 Ωcm or less, for example, in order to reduce the above-described crosstalk. The dimensions of the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12 can be set as appropriate within a range of thickness 10 nm to 1 mm, width 1 μm to 1 cm, and length 10 cm to 10 m. It is made to become. Examples of the material of the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12 include metals and metal oxides such as gold, silver, copper, aluminum, magnesium, zinc, titanium, iron, lead, nickel, chromium, ITO, and IZO. In addition, alloys composed of these, and pastes obtained by kneading these metal particles and resin into inks can be used. The vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12 can be formed by a printing method such as film formation by sputtering or patterning by etching, patterning by plating film formation etching, screen printing, ink jet, or the like.

他方、歪みゲージ15は、上記したクロストークの低減のため、1つあたりの電気抵抗を配線1本あたりの電気抵抗の100倍以上とされることが好ましい。このような電気抵抗を得るために、例えば抵抗率を1×10−4Ωcmよりも大きくする材料を用いることが好ましい。このような材料として、例えば、グラファイトやカーボンブラックなどのカーボン系材料、ニッケル−鉄−クロムの合金であるニクロム系合金材料、そして導電性高分子材料などを用い得る。これらはいずれも変形に応じて電気抵抗を変化させ、歪みゲージ15として好適に用い得る。なお、抵抗率の低い材料であっても、厚さや幅を小さくしたり、長さを長くしたりすることで電気抵抗を大きくでき、歪みゲージ15として用いることができる。このような歪みゲージ15は、例えば、スパッタ法による成膜やメッキ成膜をした上でエッチングによってパターン化して形成したり、スクリーン印刷やインクジェット印刷などの印刷技術によって形成したりすることができる。 On the other hand, in order to reduce the above-described crosstalk, the strain gauge 15 preferably has an electric resistance per line of 100 times or more of the electric resistance per wiring. In order to obtain such an electrical resistance, it is preferable to use a material having a resistivity higher than 1 × 10 −4 Ωcm, for example. As such a material, for example, a carbon-based material such as graphite or carbon black, a nichrome-based alloy material that is an alloy of nickel-iron-chromium, and a conductive polymer material can be used. Any of these can change the electric resistance in accordance with deformation and can be suitably used as the strain gauge 15. Even if the material has a low resistivity, the electrical resistance can be increased by reducing the thickness or width, or increasing the length, and the strain gauge 15 can be used. Such a strain gauge 15 can be formed, for example, by patterning by etching after film formation by sputtering or plating, or by printing techniques such as screen printing or ink jet printing.

以上のような圧力分布センサ10であれば、基板である可撓性のシート体1自体を打ち抜いて舌状部3を片持ち梁に形成することで、2次元面内の圧力分布を計測できる。つまり、気体や液体などの流体の非常に小さな圧力の微少な変化であっても、その変化による流れを精度良く検出することができ、圧力分布を計測できるのである。   With the pressure distribution sensor 10 as described above, the pressure distribution in the two-dimensional plane can be measured by punching out the flexible sheet body 1 itself as a substrate and forming the tongue-like portion 3 in a cantilever shape. . In other words, even a very small change in pressure of a fluid such as gas or liquid can detect the flow due to the change with high accuracy and measure the pressure distribution.

特に、舌状部3は、上記したように舌先端3aに向けて部分的に幅を減じたくびれ部として残存部4を有しており、かかるくびれ部である残存部4を優先的に撓ませる。詳細には、長さLの片持ち梁に荷重Pがかかったときの変位Wの式によって説明できる。片持ち梁の材料のヤング率をE、断面二次モーメントをIとして変位Wは以下のように表せる。
W=PL/3EI (式1)
断面二次モーメントIは、梁の断面を長方形とする場合、その幅をh、厚さをbとして以下のように表せる。
I=bh/12 (式2)
つまり、幅hの3乗が断面二次モーメントIに寄与し、変位Wに寄与することが判る。よって、幅hを小さくすることで変位Wを大きくすることができる。つまり、上記したようにくびれ部を与えることで舌状部3の可動片としての変形を大きくでき、圧力の微小な経変化でもさらに精度よく検出できる。
In particular, the tongue-shaped portion 3 has the remaining portion 4 as a constricted portion that is partially reduced in width toward the tongue tip 3a as described above, and the remaining portion 4 that is the constricted portion is preferentially bent. I will. More specifically, this can be explained by the equation of displacement W when a load P is applied to a cantilever having a length L. The displacement W can be expressed as follows, where E is the Young's modulus of the material of the cantilever and I is the moment of inertia of the cross section.
W = PL 3 / 3EI (Formula 1)
When the cross section of the beam is rectangular, the cross section secondary moment I can be expressed as follows, where the width is h and the thickness is b.
I = bh 3/12 (Equation 2)
That is, it can be seen that the cube of the width h contributes to the cross-sectional secondary moment I and contributes to the displacement W. Therefore, the displacement W can be increased by reducing the width h. That is, by providing the constricted portion as described above, the deformation of the tongue-like portion 3 as the movable piece can be increased, and even a minute change in pressure can be detected with higher accuracy.

[動作試験]
上記したような圧力分布センサを製作して、空気を部分的に吹き付けたときの動作試験を行ったので、その詳細について図4乃至図9を用いて説明する。
[Operation test]
Since the pressure distribution sensor as described above was manufactured and an operation test was performed when air was partially blown, the details will be described with reference to FIGS.

<製作>
まず、動作試験に用いる圧力分布センサを製作した。
<Production>
First, a pressure distribution sensor used for the operation test was manufactured.

幅、長さともに200mm、厚さ0.1mmのポリエチレンナフタレート(PEN)フィルムを用意した。このPENフィルムのヤング率を引張試験によって測定したところ5.0GPaであった。   A polyethylene naphthalate (PEN) film having a width and a length of 200 mm and a thickness of 0.1 mm was prepared. The Young's modulus of this PEN film was measured by a tensile test and found to be 5.0 GPa.

図4に示すように、このPENフィルムをシート体1として、その表面に配線及び歪みゲージを形成させた上で、舌状部3を形成させた。   As shown in FIG. 4, the PEN film was used as a sheet body 1, and wirings and strain gauges were formed on the surface thereof, and then a tongue-like portion 3 was formed.

詳細には、図4(a)に示すように、まず、PENフィルムからなるシート体1の上に、縦配線11を形成させた。縦配線11は、印刷用の銀ペースト(GOAGT93C、DIC株式会社製)のスクリーン印刷によって得た。縦配線11は、幅0.2mm、厚さ10μm、長さを150mmとして、横方向に10mm間隔で13か所に配置された。印刷後に銀ペーストはシート体1とともに150℃で30分間加熱されて、硬化された。縦配線11の1本あたりの抵抗値を測定したところ21Ωであった。寸法に照らし合わせて算出される縦配線11の抵抗率は4×10−4Ωcmとなった。 Specifically, as shown in FIG. 4A, first, the vertical wiring 11 was formed on the sheet body 1 made of a PEN film. The vertical wiring 11 was obtained by screen printing of a silver paste for printing (GOAGT93C, manufactured by DIC Corporation). The vertical wirings 11 were arranged at 13 locations at intervals of 10 mm in the horizontal direction with a width of 0.2 mm, a thickness of 10 μm, and a length of 150 mm. After printing, the silver paste was heated at 150 ° C. for 30 minutes together with the sheet body 1 to be cured. The resistance value per one vertical wiring 11 was measured and found to be 21Ω. The resistivity of the vertical wiring 11 calculated in light of the dimensions was 4 × 10 −4 Ωcm.

図4(b)に示すように、縦配線11の上にドット状の絶縁層13をスクリーン印刷にて形成させた。絶縁層13は、上面視で一辺の長さを0.5mmとする正方形とし、厚さを20μmとした。絶縁層13は、縦及び横の両方向に10mm間隔で13行13列の配列とされた。絶縁層13の材料としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレン(テフロン)、ポリイミド、フェノール樹脂(ベークライト)、ユリア樹脂、メラミン樹脂、を例示できる。   As shown in FIG. 4B, a dot-like insulating layer 13 was formed on the vertical wiring 11 by screen printing. The insulating layer 13 was a square having a side length of 0.5 mm and a thickness of 20 μm when viewed from above. The insulating layer 13 was arranged in 13 rows and 13 columns at 10 mm intervals in both the vertical and horizontal directions. Examples of the material of the insulating layer 13 include epoxy resin, acrylic resin, silicon resin, polyvinyl chloride, polyurethane, polystyrene, polytetrafluoroethylene (Teflon), polyimide, phenol resin (bakelite), urea resin, and melamine resin. .

図4(c)に示すように、横配線12を絶縁層13の上に重ねて形成させた。横配線12も縦配線11と同様に、印刷用の銀ペーストのスクリーン印刷によって得た。横配線12は、幅0.2mm、厚さ35μm、長さ150mmとして、縦方向に10mm間隔で13か所に配置された。縦配線11及び絶縁層13の上に配置させるため、縦配線11及び絶縁層13の厚さの合計よりも厚さを大とした。印刷後に銀ペーストはシート体1とともに150℃で30分間加熱されて、硬化された。横配線12の1本あたりの抵抗値を測定したところ7.0Ωであった。寸法に照らし合わせて算出される横配線12の抵抗率は縦配線11と同じく4×10−4Ωcmとなった。 As shown in FIG. 4C, the horizontal wiring 12 was formed so as to overlap the insulating layer 13. Similarly to the vertical wiring 11, the horizontal wiring 12 was obtained by screen printing of a silver paste for printing. The horizontal wirings 12 were arranged at 13 locations at 10 mm intervals in the vertical direction with a width of 0.2 mm, a thickness of 35 μm, and a length of 150 mm. In order to arrange on the vertical wiring 11 and the insulating layer 13, the thickness was made larger than the total thickness of the vertical wiring 11 and the insulating layer 13. After printing, the silver paste was heated at 150 ° C. for 30 minutes together with the sheet body 1 to be cured. The resistance value per one horizontal wiring 12 was measured and found to be 7.0Ω. The resistivity of the horizontal wiring 12 calculated in light of the dimensions was 4 × 10 −4 Ωcm, similar to the vertical wiring 11.

以上により、169個の交差点を有するパッシブマトリクスとなる配線が形成された。このとき、縦配線11及び横配線12の導通をテスターで調べたところ、短絡はなく、絶縁層13によって縦配線11及び横配線12のそれぞれは互いに電気的に絶縁されていることが確認された。   As described above, a wiring serving as a passive matrix having 169 intersections was formed. At this time, when the continuity between the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12 was examined with a tester, it was confirmed that there was no short circuit and that the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12 were electrically insulated from each other by the insulating layer 13. .

さらに、図4(d)に示すように、歪みゲージ15を形成させた。歪みゲージ15は、導電性のカーボンペースト(CH−8、十条ケミカル株式会社製)によって得た。両極を縦配線11及び横配線12のそれぞれに接続させるよう縦配線11及び横配線12の交差点を跨がせて、配線によってできる正方形の対角線方向に延ばし中間部で折り返すように配置した。   Further, a strain gauge 15 was formed as shown in FIG. The strain gauge 15 was obtained with conductive carbon paste (CH-8, manufactured by Jujo Chemical Co., Ltd.). In order to connect the two poles to the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12, respectively, the intersections of the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12 are straddled, and are arranged in a diagonal direction of a square formed by the wiring so as to be folded at an intermediate portion.

また、図5を併せて参照すると、歪みゲージ15は、電極部分16と中間部17の幅を広くして、長さあたりの電気抵抗を上記した対角線の方向に延びる部分18で大きくするようにされた。具体的には、電極部分16の幅W1を0.5mm、中間部17n幅W2を0.1mm、その他の部分の幅W3を80μmとした。また、電極部分16から中間部17までの距離を7mmとし、厚さを45μmとした。   Referring also to FIG. 5, in the strain gauge 15, the width of the electrode portion 16 and the intermediate portion 17 is widened so that the electrical resistance per length is increased at the portion 18 extending in the diagonal direction described above. It was done. Specifically, the width W1 of the electrode portion 16 was 0.5 mm, the intermediate portion 17n width W2 was 0.1 mm, and the width W3 of other portions was 80 μm. Moreover, the distance from the electrode part 16 to the intermediate part 17 was 7 mm, and thickness was 45 micrometers.

歪みゲージ15は、このような形状に上記したカーボンペーストを印刷した上で、シート体1とともに150℃で30分間加熱され、硬化されることで得られた。歪みゲージ15の1つあたりの電気抵抗は40kΩであった。つまり、縦配線11及び横配線12の両者に対して100倍以上の電気抵抗となった。また、寸法に照らし合わせて算出される歪みゲージ15の抵抗率は1×10−2Ωcmとなった。 The strain gauge 15 was obtained by printing the above-described carbon paste in such a shape and then heating and curing the sheet body 1 at 150 ° C. for 30 minutes. The electric resistance per strain gauge 15 was 40 kΩ. That is, the electric resistance was 100 times or more that of both the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12. Moreover, the resistivity of the strain gauge 15 calculated in light of the dimensions was 1 × 10 −2 Ωcm.

次いで、図4(e)に示すように、残存部4を残した環状の打ち抜き部2を切除して、舌状部3を形成し、素子20を13行13列のマトリクス状に配置した圧力分布センサ10を得た。打ち抜き部2は、炭酸ガスレーザーによって切断加工した。   Next, as shown in FIG. 4 (e), the annular punched portion 2 leaving the remaining portion 4 is cut away to form the tongue-shaped portion 3, and the elements 20 are arranged in a matrix of 13 rows and 13 columns. A distribution sensor 10 was obtained. The punching part 2 was cut by a carbon dioxide laser.

図6を併せて参照すると、舌状部3は略楕円形に形成され、かかる楕円形の長軸にあたる残存部4から先端までの長さ3Lを7.5mm、短軸にあたる幅3Wを5.0mmとされた。また、残存部4の長さ及び幅はともに1.0mmとした。打ち抜き部2は舌状部3及び残存部4を内側に形成し、外周側を略正方形の形状とした。かかる正方形の辺の長さ2Lは8.0mmとされた。   Referring also to FIG. 6, the tongue-like portion 3 is formed in a substantially elliptical shape, the length 3L from the remaining portion 4 corresponding to the major axis of the elliptical shape to the tip is 7.5 mm, and the width 3W corresponding to the minor axis is 5. 0 mm. The length and width of the remaining portion 4 were both 1.0 mm. The punched portion 2 has a tongue-shaped portion 3 and a remaining portion 4 formed inside, and the outer peripheral side has a substantially square shape. The square side length 2L was set to 8.0 mm.

<動作試験1>
このようにして製作された圧力分布センサ10を用い、マトリクス状に複数形成された可動片である舌状部3のうちの1つだけを変位させたときに、隣接して配置された他の舌状部3に与える影響について調査した。
<Operation test 1>
When the pressure distribution sensor 10 manufactured in this way is used to displace only one of the tongue-shaped portions 3 that are movable pieces formed in a matrix, other adjacently disposed pieces are arranged. The effect on the tongue 3 was investigated.

まず、図7に示すように、1つの素子20と、これに対して縦方向及び横方向に隣接する他の素子21〜24について、気流の発生していない状態で、すなわち舌状部(舌状片)3の変位のない状態で、縦配線11及び横配線12を含む歪みゲージ15の電気抵抗を計測した。計測にはインピーダンスアナライズ装置を用いた。その結果、全ての素子について電気抵抗は40kΩであった。   First, as shown in FIG. 7, one element 20 and other elements 21 to 24 adjacent to the element 20 in the vertical direction and the horizontal direction are in a state where no airflow is generated, that is, a tongue-shaped part (tongue The electrical resistance of the strain gauge 15 including the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12 was measured in a state in which the shape piece 3) was not displaced. An impedance analyzer was used for the measurement. As a result, the electrical resistance was 40 kΩ for all elements.

そして、エアブロー装置を用い、直径5mmの円筒形のノズルから中央の素子20に対して気流を吹きかけた。このとき、気流が素子20の舌状部3のみに吹きかかるようにし、周囲のシート体1や他の素子21〜24に吹きかかることのないようにした。エアブローによる気流の流量を変化させてそれぞれの素子の電気抵抗を計測した。   Then, using an air blowing device, an air current was blown from the cylindrical nozzle having a diameter of 5 mm to the central element 20. At this time, the air current was blown only on the tongue-like portion 3 of the element 20 and was not blown on the surrounding sheet body 1 and other elements 21 to 24. The electric resistance of each element was measured by changing the flow rate of the air flow by air blow.

図8に示すように、気流を吹きかけた中央の素子20については、気流の流量の増大に伴って電気抵抗も増大した。これに対して、気流を吹きかけなかった素子21〜24については、気流の増大によらず、常に電気抵抗は40kΩを示した。つまり、可撓性のシート体1を用いたにも関わらず、舌状部3の可動片としての動作が他の素子の電気抵抗の計測に影響を与えないのである。   As shown in FIG. 8, with respect to the central element 20 to which the airflow was blown, the electrical resistance increased as the flow rate of the airflow increased. On the other hand, for the elements 21 to 24 where the airflow was not blown, the electric resistance always showed 40 kΩ regardless of the increase of the airflow. That is, although the flexible sheet 1 is used, the operation of the tongue 3 as a movable piece does not affect the measurement of the electrical resistance of other elements.

<動作試験2> <Operation test 2>

さらに、上記した13行13列の素子20を有する圧力分布センサ10を用いて、全ての素子を用いた動作試験を行った。   Further, using the pressure distribution sensor 10 having the elements 20 in the 13 rows and 13 columns, an operation test using all the elements was performed.

まず、無風状態において、全ての素子20について縦配線11及び横配線12を含む歪みゲージ15の電気抵抗を計測した。このとき、全ての素子20についての電気抵抗は40kΩであった。さらに、エアブロー装置を用い、直径8cmの円筒形のノズルから圧力分布センサ10の中央に気流を吹きかけた。この時の各素子の電気抵抗を測定し、40kΩからの差分を得て、抵抗変化量として記録した。   First, the electrical resistance of the strain gauge 15 including the vertical wiring 11 and the horizontal wiring 12 was measured for all the elements 20 in a windless state. At this time, the electrical resistance of all the elements 20 was 40 kΩ. Further, an air flow was blown from the cylindrical nozzle having a diameter of 8 cm to the center of the pressure distribution sensor 10 using an air blowing device. The electrical resistance of each element at this time was measured, the difference from 40 kΩ was obtained, and recorded as the resistance change amount.

図9に示すように、得られた抵抗変化量は13行13列の素子のうち、7行7列の中央の素子について最も大きく、周囲に向けて小さくなった。つまり、圧力分布センサ10の中央に向けた気流による各素子20の舌状部3の動作に基づく残存部4近傍の歪みをそれぞれ計測できる。これによって、気流に基づくシート体1に沿った2次元面内の圧力分布を計測することができる。   As shown in FIG. 9, the obtained resistance change amount was the largest for the element at the center of 7 rows and 7 columns among the elements of 13 rows and 13 columns, and decreased toward the periphery. That is, the distortion in the vicinity of the remaining portion 4 based on the operation of the tongue portion 3 of each element 20 due to the airflow toward the center of the pressure distribution sensor 10 can be measured. Thereby, the pressure distribution in the two-dimensional plane along the sheet body 1 based on the airflow can be measured.

以上のように、圧力分布センサ10によれば、2次元面内の圧力分布を計測できる。また、シート体1は可撓性を有するため、この2次元面を曲面にするなど計測のための設置場所を比較的自由に選択できる。他方、このような可撓性を有するシート体1を基板として用いているにも関わらず、環状の打ち抜き部2によって舌状部3を形成したことで、複数の素子20のそれぞれが互いに影響を与えることなく残存部4近傍の歪みを計測できて、流体の非常に小さな圧力の微少な変化であっても、その変化による流れを精度良く検出することができる。   As described above, according to the pressure distribution sensor 10, the pressure distribution in the two-dimensional plane can be measured. Further, since the sheet body 1 has flexibility, the installation location for measurement can be selected relatively freely, such as making the two-dimensional surface a curved surface. On the other hand, despite the fact that the flexible sheet body 1 is used as a substrate, the tongue-shaped portion 3 is formed by the annular punching portion 2 so that each of the plurality of elements 20 affects each other. The distortion in the vicinity of the remaining portion 4 can be measured without giving it, and the flow due to the change can be accurately detected even if the fluid has a very small pressure change.

なお、図10に示すように、圧力分布センサとしては、シート体1の他にさらに第2シート体9を備えるようにした圧力分布センサ10’としてもよい。この場合、シート体1と第2シート体9との間にはスペーサ8を挟み、舌状部3の可動片としての動作を確保できるだけの空間を設けるようにする。このようにすることで、可撓性を有するシート体1の全体としての撓みや変位を抑制して、舌状部3へのシート体1からの影響を抑制できる。つまり、より小さな圧力の変化であっても精度よく検出できる。なお、同図においては、縦配線11、横配線12、絶縁層13及び歪みゲージ15の図示を省略している。   As shown in FIG. 10, the pressure distribution sensor may be a pressure distribution sensor 10 ′ in which a second sheet body 9 is further provided in addition to the sheet body 1. In this case, the spacer 8 is sandwiched between the sheet body 1 and the second sheet body 9 so that a space sufficient to ensure the operation of the tongue-shaped portion 3 as the movable piece is provided. By doing in this way, the bending and displacement as a whole of the sheet body 1 which has flexibility can be suppressed, and the influence from the sheet body 1 to the tongue-shaped part 3 can be suppressed. That is, even a smaller change in pressure can be detected with high accuracy. In the figure, the vertical wiring 11, the horizontal wiring 12, the insulating layer 13, and the strain gauge 15 are not shown.

ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく改変例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例を見出すことができるだろう。   So far, representative examples and modified examples based on the examples have been described, but the present invention is not necessarily limited thereto. Those skilled in the art will recognize a variety of alternative embodiments without departing from the scope of the appended claims.

1 シート体
2 打ち抜き部
3 舌状部
4 残存部
10 圧力分布センサ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sheet body 2 Punching part 3 Tongue part 4 Remaining part 10 Pressure distribution sensor

Claims (8)

2次元面内の圧力分布を計測するシート状の圧力分布センサであって、
残存部を与えて環状に打ち抜いて形成された舌状部をマトリクス状に複数有する可撓性シート体の前記舌状部を片持ち梁として前記残存部近傍の歪みを計測する計測手段を与えられていることを特徴とする圧力分布センサ。
A sheet-like pressure distribution sensor for measuring a pressure distribution in a two-dimensional plane,
A measuring means is provided for measuring the distortion in the vicinity of the remaining portion by using the tongue-shaped portion of the flexible sheet body having a plurality of tongue-shaped portions formed in a matrix as a result of giving the remaining portion and punching in a ring shape. A pressure distribution sensor.
前記舌状部は舌先端に向けて部分的に幅を減じたくびれ部を有し、前記くびれ部に前記計測手段を与えられていることを特徴とする請求項1記載の圧力分布センサ。   2. The pressure distribution sensor according to claim 1, wherein the tongue-shaped portion has a constricted portion partially reduced in width toward the tip of the tongue, and the measuring means is provided to the constricted portion. 前記舌状部は前記可撓性シート体を四角形に打ち抜いて前記四角形の内部に与えられていることを特徴とする請求項2記載の圧力分布センサ。   3. The pressure distribution sensor according to claim 2, wherein the tongue-shaped portion is provided inside the rectangle by punching the flexible sheet body into a rectangle. 前記舌状部は、前記四角形の内部に間隙を設けて与えられていることを特徴とする請求項3記載の圧力分布センサ。   The pressure distribution sensor according to claim 3, wherein the tongue is provided with a gap inside the square. 前記舌状部は、前記四角形の1つの角部に前記残存部を有することを特徴とする請求項4記載の圧力分布センサ。   The pressure distribution sensor according to claim 4, wherein the tongue has the remaining portion at one corner of the quadrilateral. 前記計測手段は歪みゲージであることを特徴とする請求項1乃至5のうちの1つに記載の圧力分布センサ。   6. The pressure distribution sensor according to claim 1, wherein the measuring means is a strain gauge. 前記可撓性シート体にはマトリクス配線が与えられており、前記マトリクス配線の各格子に前記舌状部が与えられ、前記歪みゲージが前記マトリクス配線に結線されていることを特徴とする請求項6記載の圧力分布センサ。   The flexible sheet body is provided with matrix wiring, the tongue-like portion is provided on each lattice of the matrix wiring, and the strain gauge is connected to the matrix wiring. 6. The pressure distribution sensor according to 6. 前記可撓性シート体は間にスペーサを与えられてシートの上に設けられていることを特徴とする請求項1乃至7のうちの1つに記載の圧力分布センサ。

The pressure distribution sensor according to claim 1, wherein the flexible sheet body is provided on the sheet with a spacer provided therebetween.

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