CN110140036A - 压敏传感器 - Google Patents

Abstract

[课题]本申请提供一种能抑制异物感、且从低载荷区域至高载荷区域对压力的灵敏度良好的压敏传感器。[解决方案]压敏传感器具备可变电阻部以及多个电极。可变电阻部由导电性发泡弹性体材料构成。导电性发泡弹性体材料是通过使导电性填料分散至弹性体材料中而被赋予导电性的材料，且是使弹性体材料发泡后的材料。多个电极在与可变电阻部相接的一面中，配置于相互空出间隔的位置。

Description

压敏传感器

技术领域

本公开涉及一种压敏传感器。

背景技术

已知有一种压敏传感器，其采用了将一对梳形电极和电阻器层层叠而成的构造(例如，参照专利文献1)。在这样的压敏传感器的情况下，构成为：在梳形电极与电阻器层之间设有微小的空隙，当在梳形电极与电阻器层的层叠方向施加载荷时，该载荷越增大，梳形电极与电阻器层的接触面积越增大。由此，当施加于压敏传感器的载荷增大时，和梳形电极与电阻器层的接触面积增大相应地，在一方的梳形电极与另一方的梳形电极之间，电阻降低。因此，通过读取该电阻的变化，能测定作用于压敏传感器的压力。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-230647号公报

发明内容

发明要解决的问题

如上所述的压敏传感器的大多数的压敏部分的表面硬。因此，若在人触碰的部分设置压敏传感器，则存在异物感，存在想要减少这样的异物感的需求。作为减少这样的异物感的方法，如果是在压敏传感器以外的情况下，则可以实施例如在硬的部分的表面装配柔软的海绵之类的构件来缓和异物感的措施。

但是，在压敏传感器的情况下，若在压敏部分装配海绵之类的构件，则压力的检测精度恐怕会降低。或者，若在压敏部分装配海绵之类的构件，则能检测压力的下限值至上限值的范围恐怕会变窄。此外，在如上所述的压敏传感器的情况下，还存在以下问题：在施加一定程度的压力的时间点，电阻急剧地降低，在其以上的高载荷区域，电阻的变化变小。

在本公开的一个方面中，理想的是，提供一种能抑制异物感、且从低载荷区域至高载荷区域对压力的灵敏度良好的压敏传感器。

技术方案

本公开的一个方案是一种压敏传感器，具备：可变电阻部，由导电性发泡弹性体材料构成，在被加压时根据压力被压缩，其压缩量越增大，电阻越降低，导电性发泡弹性体材料是通过使导电性填料分散至弹性体材料中而被赋予导电性的材料，且是使弹性体材料发泡后的材料；以及多个电极，在与可变电阻部相接的一面中，配置于相互空出间隔的位置，多个电极配置为：在假定了通过相互不交叉的多条假想的线段将各电极的中心之间连结而由该线段划分出的多个三角形的区域时，位于与各区域的顶点对应的位置的三个电极中的至少一个为信号电极，并且，至少一个为接地电极。

根据这种构成的压敏传感器，可变电阻部由导电性发泡弹性体材料构成。因此，与利用非发泡性导电材料(例如导电橡胶等)而构成的压敏传感器相比，能使压敏部分的表面更加柔软。因此，如果是这样的压敏传感器，则即使在设置于人触碰的部分的情况下，也能减少异物感。

此外，在本公开的压敏传感器的情况下，可变电阻部的压缩量越增大，电阻越降低。因此，与构成为梳形电极与电阻器层的接触面积越增大、电阻越降低的压敏传感器不同，如果可变电阻部的压缩量变化，则可变电阻部的电阻变化。并且，在本公开的压敏传感器的情况下，多个电极配置于如上所述的特征的位置。由此，能抑制在施加一定程度的压力的时间点电阻急剧地降低，电阻从低载荷区域至高载荷区域适度地变化。由此，能从低载荷区域至高载荷区域适当地检测压力。

附图说明

[图1]图1A是压敏传感器的主视图。图1B是压敏传感器的右视图。

[图2]图2A是分解地表示压敏传感器的主要部分的说明图。图2B是分解地表示电极基板的说明图。

[图3]图3A是表示第一导电部以及第二导电部的形状与电极的位置关系的说明图。图3B是表示电极之间的位置关系的说明图。

[图4]图4A是表示比较例的压敏传感器的主要部分的主视图。图4B是表示试验装置的概略构成的说明图。

[图5]图5是表示实施例以及比较例的压敏特性的曲线图。

[图6]图6A是表示第一变形例的压敏传感器的主要部分的主视图。图6B是表示第二变形例的压敏传感器的主要部分的主视图。图6C是表示第三变形例的压敏传感器的主要部分的主视图。图6D是表示第四变形例的压敏传感器的主要部分的主视图。

具体实施方式

接着，举出示例性的实施方式对上述压敏传感器进行说明。

[压敏传感器的构成]

如图1A以及图1B所示，压敏传感器1具有：可变电阻部3、电极基板5、以及间隔层(spacer)7等。可变电阻部3由导电性发泡弹性体材料构成。导电性发泡弹性体材料是通过使碳纤维分散至弹性体材料中而被赋予导电性的材料，且是使弹性体材料发泡后的材料。

更详细而言，在本实施方式的情况下，作为弹性体材料，使用对于苯乙烯系弹性体(苯乙烯-乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEEPS)，分子量：10万，苯乙烯含有率：30质量％，制品名：SEPTON(注册商标)4033，株式会社可乐丽制)，配合烃系加工油(石蜡系加工油，在40℃下的运动粘度：30.9mm2/s，分子量：400，SP值7.4)作为软化剂而成的弹性体材料(配合比：SEEPS/烃系加工油＝22.8/77.2(质量份))。作为碳纤维，使用气相生长碳纤维(产品名称：VGCF(注册商标)-H，平均纤维直径0.15μm，纤维长度10μm～20μm，长径比66.7～133.3，昭和电工株式会社制)。此外，为了使弹性体材料发泡，配合市售的发泡剂(产品名称：Daifoam H850，大日精化工业株式会社制)。

在本实施方式的情况下，上述的原料相对于弹性体材料100质量份，以气相生长碳纤维35质量份、以及发泡剂3质量份的配合比进行混合。通过利用双轴挤出机将其混合物挤出，能得到含有无数的独立气泡的导电性发泡弹性体材料的成型品。在本实施方式的情况下，导电性发泡弹性体材料的发泡倍率为2.01倍。面状的可变电阻部3由这样的导电性发泡弹性体材料构成。可变电阻部3为在被加压时根据压力被压缩，其压缩量越增大，电阻越降低的构件。需要说明的是，在本实施方式的情况下，可变电阻部构成为直径18mm×厚度2.5mm的圆板状。

如图2A所示，电极基板5具有：三个信号电极11A、四个接地电极11B、信号端子13A以及接地端子13B。在信号端子13A以及接地端子13B，能连接所希望的长度的引线14A、14B(或者柔性扁平电缆等)。需要说明的是，在实际的压敏传感器1中，信号电极11A以及接地电极11B仅各自所配置的位置有所不同，不存在外观上的差异。不过，在图2A等中，为了能容易地判别哪个是信号电极11A、哪个是接地电极11B，在附图上的相当于接地电极11B的区域加上网格。对于信号端子13A以及接地端子13B而言，也以与信号电极11A以及接地电极11B的情况同样的意义，在相当于接地端子13B的区域添加上网格。

此外，如图2B所示，电极基板5为三层构造，具有：成为第一层的基材15、成为第二层的第一导电部17A以及第二导电部17B、以及成为第三层的绝缘层19。在本实施方式的情况下，基材15、第一导电部17A、以及第二导电部17B利用玻璃环氧基板来构成。即，基材15由使环氧树脂浸含于玻璃纤维织布而成的预浸料(FR-4)构成。此外，第一导电部17A以及第二导电部17B由粘贴在上述的预浸料上的铜箔、以及设于该铜箔表面的非电解镀金膜构成。

绝缘层19由通过对玻璃环氧基板涂敷阻焊剂组合物而构成的绝缘性薄膜构成。第一导电部17A以及第二导电部17B分别被设为如图2A所示的形状。对于这种形状的第一导电部17A以及第二导电部17B，如图3A所示，绝缘层19处于如下状态：在与信号电极11A、接地电极11B、信号端子13A、以及接地端子13B对应的区域以外的范围，覆盖第一导电部17A以及第二导电部17B的表面。

由此，第一导电部17A以及第二导电部17B中的、未被绝缘层19覆盖的部位露出至外部，由其露出部位构成上述的信号电极11A、接地电极11B、信号端子13A、以及接地端子13B。由此，三个信号电极11A和信号端子13A为相互电连接的相同电位的部位。此外，四个接地电极11B和接地端子13B为相互电连接的相同电位的部位。需要说明的是，在图2B中，对于第一导电部17A以及第二导电部17B而言，以与信号电极11A以及接地电极11B的情况同样的意义，在相当于第二导电部17B的区域加上网格。

如图3B所示，信号电极11A以及接地电极11B配置为：在假定了通过相互不交叉的多条假想的线段(参照图3B中的假想线)将各电极的中心之间连结而由该线段划分出的多个三角形的区域时，位于与各区域的顶点对应的位置的三个电极中的至少一个为信号电极11A，并且，至少一个为接地电极11B。

在本实施方式的情况下，上述三角形的区域被设为正三角形的区域。即，位于与各区域的顶点对应的位置的三个电极的中心间距无论在哪个区域中均为等距离(在本实施方式的情况下，电极的中心间距为约9mm，电极之间的间隔为约6.3mm)。由此，无论在哪个正三角形区域中，均一定存在成对的信号电极11A以及接地电极11B，并且，该成对的信号电极11A和接地电极11B的中心间距无论在哪个正三角形区域中均为等距离。

间隔层7是被夹入可变电阻部3与电极基板5之间的、厚度约0.1mm的薄层。如图2A所示，间隔层7具有多个(在本实施方式的情况下为七个)孔9。这些孔9设于与信号电极11A以及接地电极11B对应的位置。由此，可变电阻部3与信号电极11A以及接地电极11B为空出与间隔层7的厚度相当的间隙而对置的状态。间隔层7由丙烯酸系粘接剂构成。由此，间隔层7夹在可变电阻部3与电极基板5之间，还作为将可变电阻部3与电极基板5粘接的粘接层发挥功能。

[性能试验]

对如上所述构成的压敏传感器1测定了其压敏性能(实施例)。此外，为了进行比较，准备了如图4A所示的电极以及电极基板的形状不同的压敏传感器2，也以相同方法测定了其压敏性能(比较例)。压敏传感器2具有：一个信号电极12A和一个接地电极12B。在压敏传感器2的情况下，信号电极12A以及接地电极12B构成为大致长方形，并以在与长尺寸方向正交的方向空出固定的间隔的状态平行地配置。需要说明的是，虽然在图2中省略了图示，但在上述信号电极12A以及接地电极12B之上层叠有由与压敏传感器1同样的材料构成的间隔层和可变电阻部。

作为试验装置，使用了如在图4B中示出概略构成的压缩试验机20以及电阻计30。压缩试验机20是具备基座21、压头23、以及测力传感器(load cell)25等的市售的设备。电阻计30是除了电阻之外还能测定电压、电流的市售的万用表。

作为试验方法，在压缩试验机20的基座21上设置压敏传感器，在压敏传感器的端子装配电阻计30，测定了使压缩载荷变化时的电阻值的变化。对于施加于压敏传感器的压力，通过测力传感器25获取加压时的应力(N)，除以加压面积来计算出压力(Pa)。将测定结果示于图5。

根据图5所示的曲线图，明显可知：实施例的压敏传感器1与比较例的压敏传感器2相比，在使压力变化时，在从低载荷区域至高载荷区域的宽范围，电阻适度地变化。另一方面，在比较例的压敏传感器2的情况下，在压力小于20kPa的低载荷区域，电阻大幅变化，与此相对，在压力为20kPa以上的高载荷区域，电阻没有像低载荷区域的情况那样大幅变化。特别是，在比较例的压敏传感器2的情况下，若压力变为30kPa以上，则电阻的变化变得极小，因此在该区域难以准确地检测压力的微小变化。与此相对，对于实施例的压敏传感器1而言，即使压力变为30kPa以上，电阻也大幅变动。因此，实施例的压敏传感器1在压力测定时的分辨率高，能比比较例的压敏传感器2更加准确地检测压力的微小变化。

[效果]

根据以上说明的压敏传感器1，可变电阻部3由如上所述的导电性发泡弹性体材料构成。因此，与利用非发泡性导电材料(例如导电橡胶等)而构成的压敏传感器相比，能使压敏部分的表面更加柔软。因此，如果是这样的压敏传感器1，则即使在设置于人触碰的部分的情况下，也能减少异物感。

由此，如果是这样的压敏传感器1，则例如可以将压敏传感器1组装至椅子而作为用于进行就座时的姿势管理的传感器来利用。或者，例如可以将压敏传感器1组装至鞋子而作为用于确认行走时的重心移动的传感器来利用。如果能进行这样的行走状态的管理，则能用于因行走方式引起的生活习惯疾病的措施等。或者，例如可以将压敏传感器1组装至床来记录睡觉时的体重移动。由此，能用于睡眠质量的改善。

此外，在上述压敏传感器1的情况下，可变电阻部3的压缩量越增大，电阻越降低。因此，与构成为梳形电极与电阻器层的接触面积越增大、电阻越降低的压敏传感器不同，如果可变电阻部3的压缩量变化，则可变电阻部3的电阻变化。并且，在上述压敏传感器1的情况下，信号电极11A以及接地电极11B配置于如图3B所示的特征的位置。由此，如图5所示，能抑制在低载荷区域施加一定程度的压力的时间点电阻急剧地降低，电阻从低载荷区域至高载荷区域适度地变化。由此，能从低载荷区域至高载荷区域适当地检测压力。

[其他实施方式]

以上，举出示例性的实施方式对压敏传感器进行了说明，但上述实施方式只不过是作为本公开的一个方案而示例的。即，本公开并不限定于上述示例性的实施方式，可以在不脱离本公开的技术思想的范围内以各种方式来实施。

例如，在上述实施方式中，示出了设置三个信号电极11A和四个接地电极11B的例子，但各电极的数量并不限定。例如，也可以如图6A所示设置两个信号电极11A和三个接地电极11B。即使在该情况下，也能将各电极配置于与正三角形区域的顶点对应的位置。或者，也可以如图6B所示设置四个信号电极11A和四个接地电极11B。即使在该情况下，也能将各电极配置于与正三角形区域的顶点对应的位置。这些电极数量考虑例如压敏传感器的压敏部分(可变电阻部)的面积、电极的面积、电极间距以及可变电阻部的电阻值等来进行适当调节即可。

此外，在上述实施方式中，示出了将各电极配置于与正三角形区域的顶点对应的位置的例子，但配置各电极的位置并不限定于与正三角形区域的顶点对应的位置。若举出具体例，则例如也可以如图6C所示将各电极配置于与等腰三角形区域的顶点对应的位置。即使在该情况下，位于等腰三角形区域的顶点的三个电极的至少一个被设为信号电极11A，至少一个被设为接地电极11B。

在图6C所示的例子的情况下，电极间距变为两种。只要这两种电极间距不是过大或过小，电极间距变为两种本身就没有问题。不过，在图6C所示的例子中，等腰三角形的两条等边比另一边长。由此，若使两条等边的长度为最佳的电极间距，则另一边的长度会比最佳的电极间距短。因此，在该情况下，优选以不会使另一边的长度过小的方式设定等腰三角形区域的形状以及大小。相反地，若使另一边的长度为最佳的电极间距，则两条等边的长度会比最佳的电极间距长。因此，在该情况下，优选以不会使两条等边的长度过大的方式设定等腰三角形区域的形状以及大小。

在最佳的电极间距为某一数值范围内的情况下，在该数值范围内选定两条等边的长度以及另一边的长度即可。不过，如果将各电极配置于与正三角形区域的顶点对应的位置，则能在设定最佳的电极间距的同时，以确保那样的电极间距的状态最密配置多个电极。因此，从提高电极密度的观点考虑，优选将各电极配置于与正三角形区域的顶点对应的位置。

或者，例如，也可以如图6D所示将各电极配置于与直角等腰三角形区域的顶点对应的位置。在图6D所示的例子的情况下，实质上各电极也被配置于与正方形区域的顶点对应的位置。即使在该情况下，位于直角等腰三角形区域的顶点的三个电极的至少一个被设为信号电极11A，至少一个被设为接地电极11B。

此外，在上述实施方式中，作为导电性发泡弹性体材料，示出采用苯乙烯系弹性体为母材的例子，作为苯乙烯系弹性体，举例示出了苯乙烯-乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEEPS)，但也可以利用其他苯乙烯系弹性体。例如，除了上述的SEEPS以外，还可以使用苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯-乙烯-丙烯嵌段共聚物(SEP)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEPS)等。这些苯乙烯系弹性体既可以单独使用一种，也可以混合使用两种以上。

或者，也可以采用苯乙烯系弹性体以外的弹性体材料为母材。例如，也可以使用硅橡胶，更详细而言，可以利用乙烯基甲基硅橡胶、甲基硅橡胶、苯基甲基硅橡胶、氟硅橡胶等。这些硅橡胶既可以单独使用一种，也可以混合使用两种以上。

此外，在上述实施方式中，作为导电性填料，使用了气相生长碳纤维，但也可以使用其他导电性填料。作为其他导电性填料，可以举出气相生长碳纤维以外的碳纤维、石墨、金属粉等。

此外，在上述实施方式中，示出了电极之间的间隔为约6.3mm的例子，但多个电极配置于相互空出0.5mm以上的间隔的位置即可。

[补充]

需要说明的是，由以上说明的示例性的实施方式明显可知，本公开的压敏传感器也可以进一步具备以下列举那样的构成。

首先，在本公开的压敏传感器中，可以是，多个电极配置为：在多个三角形的区域的每一个中，各区域所具有的三个内角分别为锐角或直角。

根据这种构成的压敏传感器，各区域所具有的三个内角分别为锐角或直角。因此，与任一个内角为钝角的情况相比，能抑制钝角的对边(即，与形成钝角的两边不同的一边)的长度变得过大。因此，与任一个内角为钝角的情况相比，在确保规定以上的电极间距并且配置多个电极时，能以更高的密度配置多个电极，与之相应地能使压敏传感器的灵敏度提高。

此外，在本公开的压敏传感器中，可以是，多个电极配置为：多个三角形的区域分别为正三角形的区域。

根据这样构成的压敏传感器，各区域为正三角形的区域。因此，与各区域不为正三角形的区域的情况相比，三角形的一边或两边不会比另一边长。因此，与各区域不为正三角形的区域的情况相比，在确保规定以上的电极间距并且配置多个电极时，能以更高的密度配置多个电极，与之相应地能使压敏传感器的灵敏度提高。

此外，在本公开的压敏传感器中，可以是，多个电极配置于相互空出0.5mm以上的间隔的位置。

根据这种构成的压敏传感器，与电极之间的间隔小于0.5mm那样的压敏传感器不同，在形成电极时不进行微细的加工也可以，能使压敏传感器的生产率提高。

此外，在本公开的压敏传感器中，可以是，具有构成为面状的基材，在基材的一面设有多个电极，可变电阻部构成为面状，并重叠配置于基材的一面，由此成为多个电极夹入基材与可变电阻部之间的构造。

根据这种构成的压敏传感器，即使在可变电阻部受到压力而变形的情况下，多个电极也由基材支承。由此，能适当地维持如设计一样的电极间距。

符号说明

1…压敏传感器，3…可变电阻部，5…电极基板，7…间隔层，9…孔，11A…信号电极，11B…接地电极，13A…信号端子，13B…接地端子，14A、14B…引线，15…基材，17A…第一导电部，17B…第二导电部，19…绝缘层，20…压缩试验机，21…基座，23…压头，25…测力传感器，30…电阻计。

Claims (5)

1.一种压敏传感器，具备：

可变电阻部，由导电性发泡弹性体材料构成，在被加压时根据压力被压缩，其压缩量越增大，电阻越降低，所述导电性发泡弹性体材料是通过使导电性填料分散至弹性体材料中而被赋予导电性的材料，且是使所述弹性体材料发泡后的材料；以及

多个电极，在与所述可变电阻部相接的一面中，配置于相互空出间隔的位置，

所述多个电极配置为：在假定了通过相互不交叉的多条假想的线段将各电极的中心之间连结而由所述线段划分出的多个三角形的区域时，位于与各区域的顶点对应的位置的三个所述电极中的至少一个为信号电极，并且，至少一个为接地电极。

2.根据权利要求1所述的压敏传感器，其中，

所述多个电极配置为：在所述多个三角形的区域的每一个中，各区域所具有的三个内角分别为锐角或直角。

3.根据权利要求2所述的压敏传感器，其中，

所述多个电极配置为：所述多个三角形的区域分别为正三角形的区域。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的压敏传感器，其中，

所述多个电极配置于相互空出0.5mm以上的间隔的位置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的压敏传感器，其中，

具有构成为面状的基材，在所述基材的一面设有所述多个电极，

所述可变电阻部构成为面状，并重叠配置于所述基材的一面，由此成为所述多个电极夹入所述基材与所述可变电阻部之间的构造。