CN104736982A - 传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种包括触觉传感器和弯曲传感器在内的传感器和其制造方法，所述方法制造成本低、制造效率高而且传感器灵敏度提高。本发明涉及包括含有磁性填料的弹性体和磁性传感器的触觉传感器和弯曲传感器的传感器，所述磁性传感器用于检测由上述弹性体的变形引起的磁性变化；以及所述传感器的制造方法，其中用磁性填料将热固性弹性体前体的混合溶液的粘度调整至特定范围。

Description

传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种检测由与含有磁性填料的磁性弹性体接触所引起的变形的传感器以及所述传感器的制造方法。特别地，本发明涉及一种检测由与磁性弹性体接触所引起的变形的触觉传感器，其中磁性填料不均匀地分布于磁性弹性体中；一种检测含有磁性填料的磁性弹性体的弯曲变形的弯曲传感器；以及其制造方法。
背景技术
触觉传感器广泛地用于各个领域。基本上，这些传感器均是在一个物体与另一个物体接触时检测接触的强度、位置、方向等。触觉传感器应用于例如机器人的手和皮肤等，且被用作决定机器人下一步行动的信息。此外，触觉传感器还用于检测汽车座椅的乘坐状态、检测床和地毯的表面压力分布、检测车辆的碰撞状态、检测生物体的运动状态(例如运动捕捉、检测生物体运动如呼吸状态、肌肉的放松状态)、检测向限制进入区域的非法侵入、滑门的异物检测、键盘输入装置等。关于这种触觉传感器和这种触觉传感器的制造方法存在各种提案(专利文献1至3等)。
专利文献1公开了一种压力检测装置，其包括：通过施加压力和去压力而变形的含有磁体的缓冲部、通过磁性传感器检测由缓冲部的变形引起的磁场变化的传感器部。缓冲部中存在的磁体可为一个大的磁体(专利文献1的图1)或均匀分散的小磁体(专利文献1的图7等)。在一个大的磁体的情况下，存在的问题是很难检测到接触产生的变形和接触时产生的异物感。另一方面，在均匀分散的小磁体的情况下，由于即使每个磁体的磁力的方向彼此均相同，在磁体粒子之间仍产生磁力抵消现象，并且接触面附近的磁体移动而缓冲部内部存在的磁体很难移动，因此存在的问题是当外力小从而变形非常小时，检测灵敏度恶化。
专利文献2公开了一种检测装置，其包括通过使磁体原料和粘弹性材料混炼成形而得到的粘弹性磁体、以及用于检测粘弹性磁体的变形导致的磁通量密度矢量变化的磁通量检测装置。在专利文献2的检测装置中，由于将磁体原料混炼到粘弹性材料中，从而磁体原料均匀分散。因此，由于在磁体粒子之间发生磁力抵消现象，并且接触面附近的磁体移动而缓冲部内部存在的磁体很难移动，因此存在的问题是如专利文献1所记载的当外力小从而变形非常小时，检测灵敏度恶化。
专利文献3公开了一种压敏传感器，其包含磁性传感器、依序层叠并固定于磁性传感器上的弹性体和永磁体、分别连接到磁性传感器的输入和输出端子的导线。在所述压敏传感器中，由于弹性材料与含磁体的材料分离，因此需要将其“依序层叠并固定”，从而存在的问题是除了需要层叠步骤外，还会引起由层叠导致的所述层界面的剥离。
此外，在机器人技术领域或其他领域，例如，检测汽车座椅的乘坐状态、床或地毯的表面压力分布、检测车辆的碰撞状态、检测生物体的运动状态(如运动捕捉、检测呼吸状态、检测肌肉的放松状态等)、向限制进入区域的非法侵入、滑门的异物检测、键盘输入装置中，需要通过传感器检测弹性体的弯曲。当控制人形机器人的运动和响应外部压力时，需要检测相应于人形机器人皮肤的弹性体的弯曲。已提出了许多检测这种弯曲变形的传感器及其制造方法(专利文献4、5等)。
专利文献4公开了具有透明性的变形传感器，其为柔性元件且包含非水性聚合物固体电解质及至少一对电极，所述聚合物固体电解质含有聚合物成分和离子液体，所述聚合物成分从含有具有杂原子的单体单元的聚合物或含有该聚合物的嵌段的嵌段共聚物中选择，其中所述柔性元件具有70％以上的总透光率且该柔性元件的变形产生电动势。为了测量电动势，需要安装直接连到柔性元件的电极，从而存在的问题是容易发生元件和电极之间的结合面上的剥离等。
专利文献5公开了一种磁性角度传感器，所述角度传感器可通过防止磁性粉尘向磁隙中的侵入而维持角度的检测精度。由于使用了圆盘状的固体磁体，所以存在的问题是其不具有柔性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP 2009-229453 A
专利文献2：JP 2008-39659 A
专利文献3：JP 62-46222 A
专利文献4：JP 2009-258008 A
专利文献5：JP 2009-19926 A
发明内容
发明要解决的课题
本发明的目的是解决上述以往的传感器及其制造方法所具有的问题点，并通过形成不均匀分布且不均匀地分布在一面侧的磁性填料而提供具有提高了传感器灵敏度的一种触觉传感器；通过使磁性填料在弹性体中分散或不均匀地分布并使用多个磁性传感器检测所述磁性填料而提供具有柔性和高灵敏度的弯曲传感器，以及提供一种由于形成含有无需层叠的单层磁性填料的弹性体从而制造步骤不复杂，因此具有低制造成本和高制造效率的这些传感器的制造方法。
解决课题的方法
本发明人为了解决上述目的，反复努力研究，结果发现，可通过形成不均匀分布且不均匀地分布在一面侧的磁性填料而提供具有提高了传感器灵敏度的一种触觉传感器；通过使磁性填料在弹性体中分散或不均匀地分布并使用多个磁性传感器检测所述磁性填料而提供具有柔性和高灵敏度的一种弯曲传感器，以及提供一种通过将混合溶液的粘度调节至特定范围，从而具有低制造成本、高制造效率和高传感器灵敏度的传感器的制造方法，所述传感器的制造方法包括如下步骤：
将磁性填料和热固性弹性体前体溶液混合以形成混合溶液；使混合溶液成形为片状；使上述磁性填料在上述热固性弹性体前体溶液中不均匀地分布；加热上述热固性弹性体前体溶液并使其固化；以及使磁性填料磁化以形成磁性弹性体，从而完成本发明。
(1)即，本发明涉及一种触觉传感器，其包含：
含有磁性填料的弹性体；和
磁性传感器，其检测由接触导致的所述弹性体的变形而引起的磁性变化，
其中所述磁性填料不均匀地分布于弹性体中，且所述磁性填料在弹性体中的不均匀分布度为1至100。
为了适当地实施本发明，期望：
上述磁性填料不均匀地分布于弹性体的单面侧，且其不均匀分布面作为接触面；
上述磁性填料为稀土类、Fe类、Co类、Ni类或氧化物类，且具有0.02至500μm的平均粒径；
上述磁性填料以1至450质量份的量添加，基于100质量份的弹性体计；以及
上述弹性体为聚氨酯弹性体或硅氧烷弹性体。
(2)本发明还涉及一种弯曲传感器，其包含：
含有磁性填料的弹性体；和
多个磁性传感器，其检测由所述弹性体的弯曲变形而引起的磁性变化。
为了适当地实施本发明，期望：
上述磁性填料不均匀地分布于弹性体中，且上述磁性填料在弹性体中的不均匀分布度为1至100；
上述磁性填料不均匀地分布于弹性体的单面侧，且将多个磁性传感器配置在该不均匀分布面的相反侧；
上述磁性填料为稀土类、Fe类、Co类、Ni类或氧化物类，且具有0.02至500μm的平均粒径；
其中上述磁性填料以1至450质量份的量添加，基于100质量份的弹性体计算；以及
所述弹性体为聚氨酯弹性体或硅氧烷弹性体。
(3)此外，本发明还涉及一种传感器的制造方法，所述传感器包括含有磁性填料的弹性体和磁性传感器，所述制造方法包括：
步骤(i)，将磁性填料和热固性弹性体前体溶液混合以形成混合溶液；
步骤(ii)，使所述混合溶液成形为片状；
步骤(iii)，使所述磁性填料在所述热固性弹性体前体溶液中不均匀地分布；
步骤(iv)，加热所述热固性弹性体前体溶液并使其固化以形成片状弹性体；以及
步骤(v)，使所述磁性填料磁化以形成磁性弹性体，
其中，在所述步骤(i)中形成的混合溶液具有100至50,000mPa·sec的粘度，在所述步骤(iii)中不均匀分布的磁性填料在热固性弹性体中的不均匀分布度为1至100。
为了适当地实施本发明，期望：
使磁性填料不均匀分布的上述步骤(iii)通过施加具有1至3000mT的磁通量密度的磁场而进行；
上述磁性填料不均匀地分布于弹性体的单面侧，且将该不均匀分布的面作为接触面；
上述磁性填料为稀土类、Fe类、Co类、Ni类或氧化物类，且具有0.02至500μm的平均粒径；
上述磁性填料以1至450质量份的量添加，基于100质量份的弹性体计；
上述弹性体为聚氨酯弹性体或硅氧烷弹性体；以及
上述不均匀分布度为2至90。
发明效果
(1)根据本发明的触觉传感器，由于磁性填料在弹性体中不均匀分散从而存在不均匀分布，而且磁性填料的不均匀分布度为1至100，所以磁性填料之间的磁力并未抵消，并且在接触面附近存在许多磁性填料。因此，由于小的外力也能使许多磁性填料移动，因此即使在外力小从而变形非常小时，仍可容易地使用磁性传感器检测。
此外，根据本发明的触觉传感器，由于弹性体未与含有磁性填料的材料分离，所以可以以低成本并容易地制造所述触觉传感器而不发生层间的分离等。另外，就磁性材料的不均匀分布而言，将弹性体的原料与磁性填料混合之后静置一定时间，或在磁性填料已被磁化的情况下只要在混合时将磁体放置于一侧，即可由磁体的引力引起分布不均匀。因此，该制造方法简单且容易，且并未因增加不必要的操作而复杂。当然，除了上述方法，例如，还可使用例如通过离心处理使磁性填料不均匀分布的方法。
(2)根据本发明的弯曲传感器，由于磁性填料分散于弹性体中，因此通过用多个磁性传感器，特别是三个以上磁性传感器检测该弹性体的弯曲状态，能够以高精度检测弯曲。
此外，在本发明的弯曲传感器中，由于磁性填料可不均匀地分布于弹性体中且其不均匀分布度为1至100，因此在磁性填料之间不产生磁力抵消现象，相反，磁力在相同方向上排布。因此，即使在弯曲程度小从而变形非常小时，也容易用弯曲传感器进行检测。
(3)根据本发明的传感器的制造方法，由于磁性填料在弹性体中不均匀分散从而存在不均匀分布，因此磁性填料之间的磁力并未抵消，并且在接触面附近存在许多磁性填料。因此，由于小的外力也能使许多磁性填料移动，因此传感器灵敏度高，从而即使在外力小从而变形非常小时，仍可使用磁性传感器容易地检测。
此外，在本发明的传感器的制造方法中，由于弹性体未与含有磁性填料的材料分离，所以无需将其各层层叠的步骤，不存在层间的分离等问题，因此制造成本低且制造效率高。
附图说明
图1为说明本发明的触觉传感器的截面的示意图，其示意性地说明无压力的情况和施加压力的情况的变化。
图2为说明本发明的弯曲传感器的截面示意图，其示意性地说明没有弯曲的情况和有弯曲的情况。
图3为说明在实施例中所使用的弯曲传感器特性评价方法中的弹性体与三个磁性传感器之间的位置关系的示意图。
图4为说明在各实施例和对比实施例中的弯曲传感器中，弹性体的各角度与各磁性传感器的输出电压变化率值的总和(传感器输出和，ΔVout)之间的关系的图表。
术语定义
本说明书中所使用的“不均匀分布度”为表示磁性填料在弹性体中不均匀分布程度的数值，并通过以下方法测量。用刀片从所制备的弹性体上切下样品，使用数字显微镜在100倍放大倍数下观察样品的截面。使用图像分析软件(三谷商事有限公司制“WinROOF”)，将所得的图像在弹性体的厚度方向上分为三等份，即上层、中间层和下层，并计数每层中的磁性填料颗粒的数目。通过求出每层的颗粒数目与中间层的颗粒数目的比例，求出每层中的磁性填料的存在率。此外，可通过求出[(上层磁性填料的存在率)-(下层磁性填料的存在率)]的值确定不均匀分布度。这里，上层为使用了不均匀分布磁性弹性体的传感器中的接触面侧的层。不均匀分布度值越高，磁性填料越不均匀分布而存在。
具体实施方式
(触觉传感器)
参考图1说明本发明的触觉传感器。图1为说明本发明的触觉传感器的截面的示意图，其示意性地说明无压力的情况(图1的左图)和施加压力的情况(图1的右图)的变化。
本发明的触觉传感器基本上由弹性体1和磁性传感器2构成。弹性体1包含多个磁性填料3，在本发明中，磁性填料3不均匀地分布于图的上方且其不均匀分布度为1至100。如图1所示，在弹性体1和磁性传感器2之间存在基板4。可以没有基板4，但为了支撑弹性体1，其通常是必需的。此外，如果基板4不存在，则将压力5施加于弹性体1时整个弹性体1是弯曲的，可能无法正确地检测压力5。
图1的左图示出了无压力施加于弹性体上的状态，图1的右图中，压力5从弹性体1的上方施加。当弹性体1因压力5而变形时，仅在施加压力部分的磁性填料3的位置向下方下降。出自磁性填料3的磁场通过该磁性填料3向下方的位置变化而变化，其由磁性传感器2检测。
当压力5为强力时，磁性填料3的位置变化大。另一方面，当压力5小时，磁性填料3的位置变化小，从而还可通过由此导致的磁场的变化测量压力5的强度。此外，在压力5在正上方的情况下，可用一个磁性传感器5检测，也可通过优化磁性传感器的数量和配置来检测来自倾斜方向的压力。
优选地，磁性填料3不均匀地分布于弹性体1的单面侧且其不均匀分布的面作为接触面。在图1所示的实施方案中，不均匀分布的面作为接触面。在此实施方案中，磁性填料3的位移大，从而检测容易进行。
(弯曲传感器)
参考图2说明本发明的弯曲传感器。
图2为说明本发明的弯曲传感器的截面的示意图，其示意性地说明了未弯曲的情况(图2的左图)和弯曲的情况(图2的右图)。此外，图3和图4在实施例中说明。
本发明的弯曲传感器基本上由弹性体1和磁性传感器2构成。弹性体1包含多个磁性填料3，在图2中，磁性填料3不均匀地分布于图的上方，其不均匀分布度优选为1至100。图2示出了三个磁性传感器2，但因为是多个，只要是两个以上即可。当磁性传感器2为3个以上时，检测精度提高。
图2的左图示出了弹性体1未弯曲的状态，图2的右图示出了弹性体1弯曲成扇形的状态。弹性体1变形，从而磁性填料3的位置的配置有很大不同。出自磁性填料3的磁场通过该磁性填料3的变化而变化，其由磁性传感器2检测。
当弯曲大时，磁性填料3的位置变化大。另一方面，当弯曲小时，磁性填料3的位置变化小。可通过由此导致的磁场的变化测定弯曲度。
优选地，磁性填料3不均匀地分布于弹性体1的单面侧，且优选其不均匀分布的面作为外侧面。在图2所示的实施方案中，不均匀分布的面作为外侧面。在此实施方案中，磁性填料3的位移大，从而检测容易进行。
(传感器的制造方法)
一种包括含有磁性填料的磁性弹性体和磁性传感器的本发明的触觉传感器和弯曲传感器在内的传感器的制造方法，其需要包括：
步骤(i)，将磁性填料和热固性弹性体前体溶液混合以形成混合溶液；
步骤(ii)，使所述混合溶液成形为片状；
步骤(iii)，使所述磁性填料在所述热固性弹性体前体溶液中不均匀地分布；
步骤(iv)，加热所述热固性弹性体前体溶液并使其固化以形成片状弹性体；以及
步骤(v)，使所述磁性填料磁化以形成磁性弹性体。
在本发明中，在上述步骤(i)中形成的混合溶液需要具有100至50,000mPa·sec，优选200至45,000mPa·sec的粘度。当上述混合溶液的粘度低于100mPa·sec时，填料的浓度降低，从而传感器灵敏度降低。当混合溶液的粘度高于50,000mPa·sec时，磁性填料的移动被妨碍，从而其不均匀分布度降低。
此外，在本发明中，在上述步骤(iii)中不均匀分布的磁性填料在磁性弹性体中的不均匀分布度需要为1至100，优选为2至90，更优选为3至80。当上述不均匀分布度小于1时，磁性填料在磁性弹性体中不明显不均匀分布，因为如现有技术所述的磁力的抵消以及弹性体内部的磁性材料的位移变小，所以可能很难用磁性传感器检测磁性填料的移动。另一方面，当不均分布度为100时，几乎所有的磁性填料存在于弹性体的接触面，从而为优选的，但不均匀分布度实际上在大部分情况下小于100。上述磁性填料在磁性弹性体中的不均匀分布度通过上述“术语定义”中描述的测量方法测定并决定。
在本发明中所使用的磁性填料的实例为稀土类、铁类、钴类、镍类和氧化物类，这些中的任何一种均可。优选稀土类(其可获得高磁力)，但并不限于此。上述磁性填料的形状没有特别限制，可为球形、扁平形、针形、柱形或无定形中的任意一种。上述磁性填料的平均粒径为0.02至500μm，优选为0.1至400μm，更优选为0.5至300μm。当磁性填料的平均粒径小于0.02μm时，磁性填料的磁特性恶化。当磁性填料的平均粒径大于500μm时，磁性弹性体的机械特性恶化(脆性)。
上述磁性填料的配合量为1至450质量份，优选为2至400质量份，基于100质量份的弹性体计。当小于1质量份时，很难检测磁场的变化。另一方面，当大于450质量份时，弹性体本身变脆等，不能获得所需的特性。
作为在本发明的磁性弹性体中所使用的弹性体，可使用通常的弹性体，但若考虑到特性(如压缩永久变形等)，则优选热固性弹性体。作为在本发明中所使用的热固性弹性体，优选地，聚氨酯弹性体或硅氧烷弹性体是合适的。在聚氨酯弹性体的情况下，通过将含有活性氢的化合物、溶剂和磁性填料混合形成混合物，然后将异氰酸酯成分与混合物混合，得到混合溶液。此外，也可通过将溶剂和填料与异氰酸酯成分混合形成混合物，然后将含有活性氢的化合物与混合物混合，得到混合溶液。
在硅氧烷弹性体的情况下，通过将溶剂和磁性填料加入到硅氧烷弹性体的前体中并混合而得到混合溶液。例如，在由主要试剂成分和固化剂成分两种成分构成的双组分硅氧烷弹性体的情况下，通过将主要试剂成分、溶剂和磁性填料混合形成混合物，然后使固化剂成分与混合物混合而得到混合溶液。此外，也可通过将溶剂和填料与固化剂成分混合形成混合物，然后将主要试剂成分与混合物混合，得到混合溶液。
这里，在聚氨酯弹性体的情况下，可用于本发明中的异氰酸酯成分和含有活性氢的化合物可列举如下。
异氰酸酯成分没有特别限定，可使用在聚氨酯领域中公知的化合物。异氰酸酯成分的实例包括芳香族二异氰酸酯如2,4-甲苯二异氰酸酯、2,6-甲苯二异氰酸酯、2,2’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、间苯二异氰酸酯、对二甲苯二异氰酸酯和间二甲苯二异氰酸酯等；脂肪族二异氰酸酯如亚乙基二异氰酸酯、2,2,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、1,6-己二异氰酸酯等；脂环式二异氰酸酯如1,4-环己烷二异氰酸酯、4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、降冰片烷二异氰酸酯等。这些异氰酸酯化合物可单独使用也可以两种以上混合使用。此外，所述异氰酸酯可为氨基甲酸酯改性化、脲基甲酸酯改性化、缩二脲改性化或异氰脲酸酯改性化等改性化异氰酸酯。所述异氰酸酯可为与下述多元醇的预聚物。
作为含有活性氢的化合物，可列举在聚氨酯领域中通常使用的化合物。含有活性氢的化合物的实例包括，例如，聚醚多元醇如聚四亚甲基醚二醇、聚乙二醇等；聚酯多元醇如聚己二酸丁二醇酯；聚酯聚碳酸酯多元醇如碳酸亚烷基酯与聚酯二醇(如聚己内酯多元醇、聚己内酯)的反应产物；通过使碳酸乙烯酯与多元醇反应，然后使得到的反应混合物与有机二羧酸反应而得到的聚酯聚碳酸酯多元醇；通过多羟基化合物与碳酸芳基酯的酯交换反应而得到的聚碳酸酯多元醇等。这些含有活性氢的化合物可单独使用也可两种以上组合使用。
作为含有活性氢的化合物，除了上述高分子量的多元醇成分之外，还可使用低分子量多元醇成分和低分子量多元胺成分。低分子量多元醇成分的实例包括乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,6-己二醇、新戊二醇、1,4-环己烷二甲醇、3-甲基-1,5-戊二醇、二甘醇、三甘醇、1,4-双(2-羟基乙氧基)苯、三羟甲基丙烷、甘油、1,2,6-己三醇、季戊四醇、四羟甲基环己烷、甲基葡糖苷、山梨糖醇、甘露醇、半乳糖醇、蔗糖、2,2,6,6-四(羟甲基)环己醇和三乙醇胺等。低分子量多元胺成分的实例包括乙二胺、甲苯二胺、二苯基甲烷二胺和二亚乙基三胺等。这些含有活性氢的化合物可一种单独使用也可以两种以上组合使用。另外，还可混合多元胺类。所述多元胺的实例包括4,4’-亚甲基双(邻氯苯胺)(MOCA)、2,6-二氯-对苯二胺、4,4’-亚甲基双(2,3-二氯苯胺)、3,5-双(甲硫基)-2,4-甲苯二胺、3,5-双(甲硫基)-2,6-甲苯二胺、3,5-二乙基甲苯-2,4-二胺、3,5-二乙基甲苯-2,6-二胺、丙二醇二对氨基苯甲酸酯、聚氧亚丁基-二-对氨基苯甲酸酯、1,2-双(2-氨基苯硫基)乙烷、4,4’-二氨基-3,3’-二乙基-5,5’-二甲基二苯基甲烷、N,N’-二仲丁基-4,4’-二氨基二苯基甲烷、4,4’-二氨基-3,3’-二乙基二苯基甲烷、4,4’-二氨基-3,3’-二乙基-5,5’-二甲基二苯基甲烷、4,4’-二氨基-3,3’-二异丙基-5,5’-二甲基二苯基甲烷、4,4’-二氨基-3,3’,5,5’-四乙基二苯基甲烷、4,4’-二氨基-3,3’,5,5’-四异丙基二苯基甲烷、间二甲苯二胺、N,N’-二仲丁基对苯二胺、间苯二胺和对二甲苯二胺等。
当使用硅氧烷弹性体作为上述热固性弹性体时，只要其为液体类型即没有特别限定，但是从后述使磁性填料不均匀分布的步骤的可加工性的角度看，优选双组分硅氧烷弹性体。可用于本发明的硅氧烷弹性体的实例包括可从Dow Corning Toray Co.,Ltd.购得的商品名为“DY35-1106”、“CY52-276”、“EG-3000”和“EG-3100”的双组分液体硅氧烷弹性体；可从信越化学工业有限公司购得的商品名为“KE-104Gel Cat-104”、“KE-1051(A/B)”、“KE-1052(A/B)”和“KE-110Gel Cat-110”的双组分液体硅氧烷弹性体等。
此外，为了调节粘度，在上述步骤(i)中形成的混合溶液可包含溶剂。所述溶剂的实例没有特别限定，包括甲苯、二甲苯、四氢呋喃、1,4-二噁烷、丙酮、甲基乙基酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮等。混合溶液中的上述溶剂的配合量为15至200质量份，优选为20至190质量份，基于100质量份的弹性体计。当上述溶剂的配合量小于15质量份时，混合溶液具有高粘度，从而操作性能恶化。当大于200质量份时，需要大量的能量将溶剂从固化后的弹性体中蒸发出来。
此外，为了调节粘度，在上述步骤(i)中形成的混合溶液可包含增塑剂。所述增塑剂的实例没有特别限定，包括邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二异壬酯、邻苯二甲酸二异癸酯、邻苯二甲酸二丁酯、己二酸二辛酯、己二酸二异壬酯、偏苯三酸三辛酯、磷酸三甲苯酯、乙酰柠檬酸三丁酯、环氧化大豆油、环氧化亚麻籽油等。上述增塑剂在混合液体中的配合量为15至200质量份，优选为20至190质量份，基于100质量的弹性体计。当上述增塑剂的配合量小于15质量份时，混合溶液具有高粘度，从而操作性能可能恶化。当大于200质量份时，增塑剂可能从弹性体中流出。
用于实施上述步骤(i)的混合的方法包括用通常的可使液体树脂与填料混合的混合器如均化器、溶解器、双轴行星式混合器等实施的方法。
在本发明的制造方法的上述步骤(ii)中，使混合溶液成形为片状的方法没有特别限定，例如，包括分批式成形法，其通过将混合溶液注入到脱模处理后的模具内然后使其固化而实施；连续成形法，其通过将混合溶液连续供给到脱模处理后的面层材料上然后使其固化而实施。
在本发明的制造方法中，在上述步骤(iii)中需要包括使上述磁性填料不均匀地分布于热固性弹性体前体溶液的步骤。上述使磁性填料不均匀分布的方法包括如下方法：在使含有磁性填料的混合溶液成形为片状之后，通过将混合溶液在室温或给定温度(如-10至50℃)下静置0.1至180分钟，由于磁性填料自身的重量而产生沉淀，从而使磁性填料不均匀地分布于下表面的方法。此外，使磁性填料不均匀分布的步骤还可通过使用物理力(如离心力或磁力)而进行。作为通过使用上述磁力的方法，有通过施加具有1至3000mT的磁通量密度的磁场而使磁性填料不均匀分布的方法。当上述磁通量密度小于1mT时，作用于磁性填料的磁吸引作用很弱，从而很难使磁性填料移动，因此不均匀分布度降低。另一方面，可施加大于3000mT的磁力，但即使施加具有大于3000mT的磁通量密度的磁场，磁性填料的不均匀分布度仍不提高。
在本发明的制造方法的上述步骤(iv)中，固化条件没有特别限定，但此步骤优选在60至200℃下进行10分钟至24小时。当固化温度过高时，弹性体会热劣化，从而机械强度降低。当固化温度过低时，会产生弹性体的固化不良。此外，当固化时间过长时，弹性体会热劣化，从而机械强度降低。当固化时间过短时，会产生弹性体的固化不良。
在本发明的制造方法的步骤(v)中，使磁性填料磁化的方法没有特别限定，可用通常使用的磁化装置进行，例如，用电子磁气工业有限公司制造的“ES-10100-15SH”、株式会社玉川制作所制造的“TM-YS4E”等进行。通常通过施加具有1至3T的磁通量密度的磁场而进行步骤(v)。可在磁化之后将磁性填料添加到弹性体前体溶液中，但优选在将磁性填料添加到弹性体前体溶液之后磁化，因为磁体的方向如图1和图2所示那样相同从而容易检测磁力，或在中途步骤中容易处理操作磁性填料。
如图1所示，本发明的触觉传感器由通过本发明的制作方法的步骤(i)至(v)得到的磁性弹性体和磁性传感器构成。作为本发明的传感器，如图2所示，包含上述磁性弹性体和多个磁性传感器的弯曲传感器也在本发明的范围内。
磁性传感器2通常只要是用于检测磁场变化的传感器即可。磁性传感器的实例包括磁阻元件(例如，半导体化合物磁阻元件、各向异性磁阻元件(AMR)、巨磁阻元件(GMR)或隧道磁阻元件(TMR))、霍尔元件、电感器、MI元件、磁通量闸门传感器等。从灵敏度的角度看，优选使用霍尔元件。
实施例
以下实施例和对比实施例进一步详细说明了本发明，但不应理解为限定本发明的范围。
(触觉传感器)
[实施例1]
在反应容器中加入40质量份的从旭硝子有限公司购得的商品名为“Preminol 7001”(数均分子量6000)的聚丙二醇和60质量份的从旭硝子有限公司购得的商品名为“Excenol 3020”(数均分子量3000)的聚丙二醇，在减压条件下搅拌脱水1小时。然后，反应容器内部用氮气扫吹。然后，向反应容器中添加10质量份的甲苯二异氰酸酯(从三井化学有限公司购得的商品名为“Cosmonate T-80”的TDI-80，2,4-甲苯二异氰酸酯/2,6-甲苯二异氰酸酯＝80/20的混合物)，反应容器中的温度保持在80℃，使其反应5小时，从而合成异氰酸酯封端预聚物。
接下来，如下表1所示，将33质量份的从旭硝子有限公司购得的商品名为“Preminol 7001”(数均分子量6000)的聚丙二醇、8质量份的从旭硝子有限公司购得的商品名为“Excenol 1020”(数均分子量1000)的聚丙二醇、0.06质量份的作为催化剂的辛酸铅(从东荣化工株式会社购得)、100质量份的磁性填料(钕类磁体粉末，从爱知制钢有限公司购得的商品名为“MF-15P”，平均粒径133μm)以及120质量份的甲苯预混，并在减压条件下脱气，从而得到预混合溶液。此外，同样地将59质量份的所述预聚物加热至80℃并在减压条件下脱气。随后，将上述预混合溶液与上述预聚物用混合器(Keyence Corporation有限公司制“HM-500”)混合并脱气，从而得到混合溶液。将混合溶液注入到脱模处理后的模具中，并将脱模处理后的聚对苯二甲酸乙二酯膜覆盖在其上面，然后用压送辊将厚度调整到1mm。其后，作为使磁性填料不均匀分布的处理，通过在室温下静置120分钟而使磁性填料沉淀出来。然后通过将上述模具置于80℃的烘箱中进行1小时固化而得到氨基甲酸酯弹性体。通过用磁化装置(电子磁气工业有限公司制)将所得的该弹性体片在1.3T下磁化而得到氨基甲酸酯磁性弹性体。
使用上述聚氨酯弹性体，根据下述不均匀分布度评价方法，测量磁性填料的不均匀分布度。此外，使用霍尔元件作为磁性传感器，根据下述触觉传感器特性评价，评价触觉传感器的特性。其结果如下表1所示。关于不均匀分布度，表1还示出了不均匀分布处理时间。
[实施例2]
除了使用钐类磁体粉末(由住友金属矿山制造的SmFeN合金细粉末，平均粒径2.5μm)作为磁性填料外，与实施例1同样地，得到氨基甲酸酯弹性体。
使用所得的氨基甲酸酯弹性体，如在实施例1中所述，测量不均匀分布度和传感器灵敏度。其结果如表1所示。
[实施例3]
在反应容器中加入50质量份作为硅氧烷前体的双组分液体硅氧烷橡胶主要试剂(从Dow Corning Toray Co.,Ltd.购得的商品名为“DY35-1106A”)、100质量份的磁性填料和60质量份的甲苯，并在减压条件下于室温搅拌脱气60分钟，从而得到预混合溶液。加入50质量份作为另一种硅氧烷前体的双组分液体硅氧烷橡胶的固化剂成分(从Dow Corning Toray Co.,Ltd.购得的商品名为“DY35-1106B”)和60质量份的甲苯，并在减压条件下搅拌脱气60分钟，从而得到另一个预混合溶液。随后，用混合器将两个预混合溶液混合并脱气，从而得到混合溶液。将该混合溶液滴加到脱模处理后的模具上并将脱模处理后的聚对苯二甲酸乙二酯膜覆盖在其上面，然后用压送辊将厚度调整到1mm。然后，作为使磁性填料不均匀分布的处理，通过在室温下静置120分钟而使磁性填料沉淀出来。然后通过将模具置于120℃的烘箱中进行15分钟固化，并进一步在200℃进行4小时固化而得到硅氧烷弹性体。
通过将所得的硅氧烷弹性体片用磁化装置(电子磁气工业公司制)在1.3T下磁化而得到硅氧烷磁性弹性体。
使用所得的硅氧烷弹性体，如在实施例1中所述，测量不均匀分布度和传感器灵敏度。其结果如表1所示。
[实施例4]
除了使用60质量份的甲苯和在室温下静置60分钟作为使磁性填料不均匀分布的处理之外，通过使用与实施例3相同的原料得到硅氧烷弹性体(其中改变了磁性填料的不均匀分布度)。
使用所得的硅氧烷弹性体，与实施例1同样地，测量不均匀分布度和传感器灵敏度。其结果如表1所示。
[对比实施例1]
除了不进行作为使磁性填料不均匀分布的处理的静置之外，通过使用与实施例3相同的原料得到硅氧烷弹性体(其中磁性填料的不均匀分布度降低)。为了提高混合性，使用稀释剂。
使用所得的硅氧烷弹性体，与实施例1同样地，测量不均匀分布度和传感器灵敏度。其结果如表1所示。
[对比实施例2]
用Labo Plastomill(“4C150-01”，东洋精机制作所公司制)将100质量份的从Dow Corning Toray Co.,Ltd.购得的商品名为“DY32-1000U”的混炼型(热硫化型)硅氧烷橡胶、0.8质量份的从Dow Corning Toray Co.,Ltd.购得的商品名为“RC-450PFD”的交联剂(2,5-双(叔丁基过氧基)-2,5-二甲基己烷)和100.8质量份的磁性填料混炼，从而使磁性填料均匀分散。
通过用压力机在170℃下硫化10分钟后，在烘箱中于200℃下进行2小时二次硫化而得到具有1mm厚度的弹性体片。通过将所得的硅氧烷弹性体片在1.3T下磁化而得到硅氧烷弹性体。在此情况下，磁性填料均匀地分散于所得的硅氧烷弹性体中。
使用所得的硅氧烷弹性体，与实施例1同样地，测量不均匀分布度和传感器灵敏度。其结果如表1所示。
[实施例5]
除了将磁性填料的量改变为5质量份之外，与实施例3同样地，得到硅氧烷弹性体。
使用所得的硅氧烷弹性体，与实施例1同样地，测量不均匀分布度和传感器灵敏度。其结果如表1所示。
[实施例6]
除了将磁性填料的量改变为350质量份之外，与实施例3同样地，得到硅氧烷弹性体。
使用所得的硅氧烷弹性体，如在实施例1中所述，测量不均匀分布度和传感器灵敏度。其结果如表1所示。
(弯曲传感器)
[实施例7]
与对比实施例2同样地，得到硅氧烷弹性体。通过使用上述硅氧烷弹性体，根据下述不均匀分布度评价，测量不均匀分布度。此外，通过使用霍尔元件作为磁性传感器，根据下述弯曲传感器特性评价，评价弯曲传感器的特性。其结果如表2所示。关于不均匀分布度，表2中还示出了不均匀分布处理时间。此外，在实施例7中，由于通过混炼而均匀分散，因此不进行不均匀分布处理，不均匀分布处理时间为0。
[实施例8]
与实施例1同样地，得到聚氨酯弹性体。通过使用所得的聚氨酯弹性体，与实施例7同样地，测量不均匀分布度并评价弯曲传感器的特性。其结果如表2所示。此外，将由各磁性传感器A、B和C的测量值而求出的传感器输出和绘制于图4中。
[实施例9]
与实施例2同样地，得到氨基甲酸酯弹性体。通过使用所得的氨基甲酸酯弹性体，与实施例7同样地，测量不均匀分布度并评价弯曲传感器的特性。其结果如表2所示。此外，将由各磁性传感器A、B和C的测量值而求出的传感器输出和绘制于图4中。
[实施例10]
与实施例3同样地，得到硅氧烷弹性体。通过使用所得的硅氧烷弹性体，与实施例7同样地，测量不均匀分布度并评价弯曲传感器的特性。其结果如表2所示。此外，将由各磁性传感器A、B和C的测量值而求出的传感器输出和绘制于图4中。
[实施例11]
与实施例4同样地，得到硅氧烷弹性体。通过使用所得的硅氧烷弹性体，与实施例7同样地，测量不均匀分布度并评价弯曲传感器的特性。其结果如表2所示。此外，将由各磁性传感器A、B和C的测量值而求出的传感器输出和绘制于图4中。
[实施例12]
与实施例5同样地，得到硅氧烷弹性体。通过使用所得的硅氧烷弹性体，与实施例7同样地，测量不均匀分布度并评价弯曲传感器的特性。其结果如表2所示。此外，将由各磁性传感器A、B和C的测量值而求出的传感器输出和绘制于图4中。
[实施例13]
与实施例6同样地，得到硅氧烷弹性体。通过使用所得的硅氧烷弹性体，与实施例7同样地，测量不均匀分布度并评价弯曲传感器的特性。其结果如表2所示。此外，将由各磁性传感器A、B和C的测量值而求出的传感器输出和绘制于图4中。
[实施例14]
与对比实施例1同样地，得到硅氧烷弹性体。通过使用所得的硅氧烷弹性体，与实施例7同样地，测量不均匀分布度并评价弯曲传感器的特性。其结果如表2所示。此外，将由各磁性传感器A、B和C的测量值而求出的传感器输出和绘制于图4中。
[对比实施例3]
与对比实施例2同样地，得到硅氧烷弹性体。通过使用所得的硅氧烷弹性体，评价弯曲传感器的特性。这里，仅在图3中的位置10(磁性传感器A)设置磁性传感器，而在位置11(磁性传感器B)和12(磁性传感器C)不设置磁性传感器。
(触觉传感器和弯曲传感器)
[实施例15]
与实施例1同样地，得到氨基甲酸酯磁性弹性体。另外，下表3中所示的磁性弹性体配方的混合物的粘度为1000mPa·sec。
[实施例16]
与实施例3同样地，得到硅氧烷磁性弹性体。另外，下表3中所示的磁性弹性体配方的混合物的粘度为1200mPa·sec。
[实施例17]
除了将甲苯的总量从120质量份(每个60质量份)改变为60质量份(每个30质量份)之外，通过使用与实施例16相同的原料将混合溶液的粘度调整至42,000mPa·sec。
[实施例18]
除了在5mT的磁场(使用钕磁体)中于室温下处理120分钟作为使磁性填料不均匀分布的处理之外，通过使用与实施例16相同的原料得到硅氧烷磁性弹性体。
[对比实施例4]
除了将甲苯的总量改变为10质量份(每个5质量份)之外，通过使用与实施例16相同的原料将混合溶液的粘度调整至60,000mPa·sec。
[对比实施例5]
与对比实施例2同样地，得到硅氧烷磁性弹性体片。
表3
(*1)：如实施例1中所述，由40质量份的“Preminol 7001”、60质量份的“Excenol 3020”和10质量份的“Cosmonate T-80”合成的异氰酸酯封端预聚物
(*2)：从旭硝子有限公司购得的商品名为“Preminol 7001”(数均分子量6000)的聚丙二醇
(*3)：从旭硝子有限公司购得的商品名为“Excenol 1020”(数均分子量1000)的聚丙二醇
(*4)：辛酸铅，从东荣化工株式会社购得
(*5)：双组份液体硅酮橡胶的主要试剂，从Dow Corning TorayCo.,Ltd.购得的商品名为“DY35-1106A”
(*6)：双组份液体硅酮烷橡胶的固化剂，从Dow Corning TorayCo.,Ltd.购得的商品名为“DY35-1106B”
(*7)：混炼型(热硫化型)硅氧烷橡胶，从Dow Corning TorayCo.,Ltd.购得的商品名为“DY32-1000U”
(*8)：2,5-双(叔丁基过氧基)-2,5-二甲基己烷(交联剂)，从DowCorning Toray Co.,Ltd.购得的商品名为“RC-450PFD”
(*9)：具有133μm平均粒径的钕类磁体粉末(磁性填料)，从爱知制钢有限公司购得的商品名为“MF-15P”
关于所得的磁性弹性体，与实施例15同样，测量磁性填料在磁性弹性体中的不均匀分布度和传感器灵敏度。结果同热固性弹性体前体溶液与磁性填料的混合溶液的粘度一起示于表4中。各自的试验方法如下。
(试验方法)
(1)粘度测量
根据JIS K-7117-1测量热固性弹性体前体溶液与磁性填料的混合溶液的粘度。
(2)不均匀分布度评价
用刀片从所得的磁性弹性体上切下样品，使用数字显微镜在100倍放大倍数下观察样品的截面。使用图像分析软件(三谷商事有限公司制“WinROOF”)，将所得的图像在厚度方向上分为三等份，即上层、中间层和下层，并计数每层中的磁性填料颗粒的数目。通过求出每层的颗粒数目与中间层的颗粒数目的比例，求出每层中的磁性填料的存在率。此外，可通过求出[(上层磁性填料的存在率)-(下层磁性填料的存在率)]的值确定不均匀分布度。这里，上层为图1所示的触觉传感器中的接触面侧的层，且为图2所示的弯曲传感器中的上面侧的层。
(3)触觉传感器特性评价
将霍尔元件(将从旭化成电子有限公司购得的商品名为“EQ-430L”的霍尔元件和放大电路封装于一体的线性霍尔IC)作为磁性传感器安装到基板上，如图1所示，将磁性弹性体设置在与基板的磁性传感器相反的面上。此时，设置所述磁性弹性体以使磁性填料不均匀分布的面为向其施加压力的接触面。读出用压缩试验机(由株式会社岛津制作所制造的“Autograph”)向其施加30kPa的压力时的霍尔元件的输出电压，以输出电压的变化率(ΔVout)作为传感器的灵敏度，评价触觉传感器的特性。
(4)弯曲传感器特性评价
如图3所示，在基板上将三个霍尔元件(旭化成电子公司制的“EQ-430L”)安装到弹性体上作为磁性传感器。在图3中，10为磁性传感器A、11为磁性传感器B、12为磁性传感器C，通过使弹性体13的端部14沿着箭头15所示的方向弯曲并在箭头所示方向上的各角度16下读出磁性传感器的输出电压而得到弯曲传感器的特性。此外，作为对传感器灵敏度的评价，将在90度的弯曲角度下的各霍尔元件的输出电压变化率值的总和(其为传感器输出和(ΔVout))作为指标记载在表1中。在90度的弯曲角度下的传感器输出电压变化率值的总和越高，认为传感器的灵敏度越良好。在各角度下磁性传感器的输出和的图表如图4所示。
(测试结果)
(1)触觉传感器
从表1中明显看出，当不均匀分布度如实施例1至6所述那样高时，传感器灵敏度也高。另一方面，如对比实施例1和2所述，不均匀分布度低于1时，传感器灵敏度变差。
(2)弯曲传感器
从表2中明显看出，当如实施例7至14所述那样安装三个磁性传感器时，输出和高，从而弯曲传感器特性良好。此外，当不均匀分布度高时，弯曲传感器特性变良好。另一方面，当如对比实施例3所述那样仅安装一个磁性传感器时，弯曲传感器特性恶化。
(3)触觉传感器和弯曲传感器
表4
从表4的结果中明显看出，通过本发明的制造方法得到的实施例15至18的触觉传感器和弯曲传感器，与对比实施例4和5的触觉传感器和弯曲传感器相比，磁性弹性体中磁性填料的不均匀分布度非常大，从而传感器灵敏度非常高。如上所述，在比对比实施例中的触觉传感器和弯曲传感器具有更优异性能的实施例之中，使用了磁力进行磁性填料不均匀分布处理的实施例18中，磁性弹性体中磁性填料的不均匀分布度非常大，从而传感器灵敏度非常高。
与此相对，对比实施例4的触觉传感器和弯曲传感器由于制造时的热固性弹性体前体溶液与磁性填料的混合溶液的粘度非常高，所以很难使磁性填料在弹性体中不均匀分布，从而不均匀分布度非常小，因此，传感器灵敏度非常低。
对比实施例5的触觉传感器和弯曲传感器由于磁性填料通过混炼均匀地分散于磁性弹性体中，因此磁性弹性体中磁性填料的不均匀分布度非常小，从而传感器灵敏度非常低。
附图标记说明
1：弹性体
2：磁性传感器
3：磁性填料
4：基板
5：压力
10：磁性传感器A
11：磁性传感器B
12：磁性传感器C
13：弹性体
14：磁性弹性体的端部
15：磁性弹性体端部弯曲的方向
16：磁性弹性体端部弯曲的角度

Claims (17)

1.一种触觉传感器，其包括：
含有磁性填料的弹性体；和
磁性传感器，其检测由接触导致的所述弹性体的变形而引起的磁性变化，
其中所述磁性填料不均匀地分布于弹性体中，且所述磁性填料在弹性体中的不均匀分布度为1至100。
2.权利要求1所述的触觉传感器，其中所述磁性填料不均匀地分布于弹性体的单侧面，且其不均匀分布面作为接触面。
3.权利要求1或2所述的触觉传感器，其中所述磁性填料为稀土类、Fe类、Co类、Ni类或氧化物类，且具有0.02至500μm的平均粒径。
4.权利要求1至3中的任一项所述的触觉传感器，其中所述磁性填料以1至450质量份的量添加，基于100质量份的弹性体计。
5.权利要求1至4中的任一项所述的触觉传感器，其中所述弹性体为聚氨酯弹性体或硅氧烷弹性体。
6.一种弯曲传感器，其包括：
含有磁性填料的弹性体；和
多个磁性传感器，其检测由所述弹性体的弯曲变形而引起的磁性变化。
7.权利要求6所述的弯曲传感器，其中所述磁性填料不均匀地分布于弹性体中，且所述磁性填料在弹性体中的不均匀分布度为1至100。
8.权利要求7所述的弯曲传感器，其中所述磁性填料不均匀地分布于弹性体的单面侧，且将多个磁性传感器配置在其不均匀分布面的相反侧。
9.权利要求8所述的弯曲传感器，其中所述磁性填料为稀土类、Fe类、Co类、Ni类或氧化物类，且具有0.02至500μm的平均粒径。
10.权利要求6至9中的任一项所述的弯曲传感器，其中所述磁性填料以1至450质量份的量添加，基于100质量份的弹性体计。
11.权利要求6至10中的任一项所述的弯曲传感器，其中所述弹性体为聚氨酯弹性体或硅氧烷弹性体。
12.一种传感器的制造方法，所述传感器包括含有磁性填料的弹性体、和磁性传感器，所述制造方法包括：
步骤(i)，将磁性填料和热固性弹性体前体溶液混合以形成混合溶液；
步骤(ii)，使所述混合溶液成形为片状；
步骤(iii)，使所述磁性填料在所述热固性弹性体前体溶液中不均匀地分布；
步骤(iv)，加热所述热固性弹性体前体溶液并使其固化，从而形成片状弹性体；以及
步骤(v)，使所述磁性填料磁化以形成磁性弹性体，
其中，在所述步骤(i)中形成的混合溶液具有100至50,000mPa·sec的粘度，在所述步骤(iii)中不均匀分布的磁性填料在磁性弹性体中的不均匀分布度为1至100。
13.权利要求12所述的制造方法，其中使磁性填料不均匀分布的所述步骤(iii)通过施加具有1至3000mT的磁通量密度的磁场而进行。
14.权利要求12或13所述的制造方法，其中所述磁性填料不均匀地分布于弹性体的单面侧，且将磁性传感器配置在其不均匀分布面的相反侧。
15.权利要求12至14中的任一项所述的制造方法，其中所述磁性填料为稀土类、Fe类、Co类、Ni类或氧化物类，且具有0.02至500μm的平均粒径。
16.权利要求12至15中的任一项所述的制造方法，其中所述磁性填料以1至450质量份的量添加，基于100质量份的弹性体计。
17.权利要求12至16中的任一项所述的制造方法，其中所述弹性体为聚氨酯弹性体或硅氧烷弹性体。
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