CN1148166A - 压力传感器 - Google Patents

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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors

Abstract

提供一种结构并不复杂，可高精度地测定重量或压力的压力传感器。在第1电极层和第2电极层之间交替地配置着其断面形状互相左右对称配置的第1电介质片及第2电介质片。当对第1电极层沿上下方向加载时，第1电介质片及第2电介质片具有防止第1电极层和第2电极层沿左右方向偏移的作用。因此压力传感器的电容呈线性变化的区域宽。

Description

压力传感器
本发明涉及由橡胶弹性体构成的电介质层受压力作用而产生弹性变形后测量静电容变化时使用的压力传感器，更详细地说，是涉及结构并不复杂、可高精度地测定重量或压力的压力传感器。
以往，已知使用测力传感器作为检测压力用的压力传感器。作为利用该测力传感器的方式，通常是采用将应变片粘贴在弹性体上构成压力传感器且利用因压力加在弹性体上而使应变片的电阻变化的方式；或将与应变片中所使用的同样的细金属丝直接缠在弹性体上构成压力传感器，且利用因压力加在弹性体上而使金属丝的电阻变化的称为U型电组丝应变计的方式。
还有一种通过利用橡胶弹性体的介电常数、采用复杂的结构、使加压、减压时产生的橡胶弹性体本身固有的滞后作用减轻的静电电容式的也可作为压力传感器使用的橡胶垫方式的压力传感器已实用化(参照特公昭50-19057号公报)。
另外，还设计出了一种用金属弹簧之类的完全弹性体补偿橡胶本身固有的滞后性、通过采用介电常数大的橡胶以提高灵敏度、同时利用金属弹簧之类的完全弹性体的恢复力、更好地提高重复性的感压装置(参照实公平5-35303号公报)。
可是，在使用测力传感器作为压力传感器的方法中，不管使用上述的哪一种方式，其结构都复杂，作为所使用的弹性体，主要是使用弹簧钢材，所以存在既重又厚，价格也高，以及落下等的冲击时精度易于失准的问题。
另外，在上述橡胶垫方式中，是利用橡胶弹性体的纯压缩变形，所以橡胶弹性体本身固有的滞后性大，必须设置将其除去的机构，存在结构复杂的问题。因此，批量产品之间的输出偏差大，必须一个一个地检查产品，逐个地对输出通过电气处理进行调整、修正等作业，作业复杂。
采用这种方式时，由于与加压对应的变形量小，所以单位面积的输出变小，为了增大作为电容器的电容的变化量，需要大的面积，难以获得达到测力传感器水平的小型压力传感器。
另外，在采用介电常数大的橡胶弹性体的感压装置的情况下，为了提高介电常数，而将钛酸钡等介电常数大的配合剂大量地添加到非极性橡胶中(例如相对于100单位重量的非极性橡胶添加300至800单位重量的配合剂)，使用由这样的橡胶弹性体构成的电介质层，虽然介电常数变大，但橡胶弹性体的滞后性变大，为了即使反复使用也能确保恢复性、并维持精度，还需要同时使用金属弹簧之类的完全弹性体，以减小滞后性，存在结构复杂的问题。
以往，如图39所示，电介质层7’沿其纵向(垂直于图纸的方向)切断的断面形状呈矩形，只沿纯压缩方向(图39的上下方向)变形，所以如图40所示，在电介质层7’的初始变形区A中，电容的变化呈线性，但在要求电容呈线性变化的区域B中，存在当超过某点P时，电容便不呈线性变化的问题。另外，在图39中，6’，8’分别表示第1电极层，第2电极层。
为了在施加同一负载的情况下，扩大电容变化的区域，也可以考虑减小电介质层7’的与图39所示的厚度尺寸T对应的宽度尺寸W的大小，但在第1电极层6’上施加负载时，存在电介质层7’的变形性能变得不稳定，第1电极层6’和第2电极层8’容易沿图39的左右方向偏移的问题。
另外，由于电介质层的材料即橡胶是粘弹性体，所以有滞后性，作为压力传感器仅用原有材料不能维持精度，还需要橡胶以外的金属弹簧之类的完全弹性体加以辅助，否则不能使用，所以存在压力传感器的结构复杂的问题。
因此，本发明的目的在于提供一种结构并不复杂、可高精度地测定重量或压力的压力传感器。
为了达到上述目的，本发明提供的压力传感器的第一种形态的结构具有以下特征。
即，如果采用本发明，则能提供一种具有一对电极层、及夹在上述一对电极层之间而将上述一对电极层分别隔开的由橡胶弹性体构成的电介质层的压力传感器，其特征在于：上述电介质层在10℃至30℃下的1至30Hz时的tanδ为0.03以下，同时10℃至30℃时的以JIS-K-6301为基准的A级橡胶硬度为20至80度。
如果采用本发明，则能提供一种权利要求1所述的压力传感器，它在10℃至30℃时采用以JIS-K-6301为基准的测定方法测定的回跳弹性在75％以上。
如果采用本发明，则能提供一种权利要求1或2所述的压力传感器，它在10℃至30℃时采用以JIS-K-6301为基准的测定方法测定的压缩永久变形在3％以下。
如果采用本发明，则能提供一种权利要求1至3中任意一项所述的压力传感器，其电介质层由天然橡胶、聚丁二烯橡胶、聚异戊二烯橡胶、聚氨基甲酸乙脂橡胶及硅橡胶中的任意一种构成。
本发明的第二种形态的结构具有以下特征。
即，如果采用本发明，则能提供一种具有互相平行配置的第1电极层及第2电极层、以及其一端面与上述第1电极层贴紧而另一端面与上述第2电极层贴紧而将上述第1电极层和第2电极层隔开的由橡胶弹性体构成的长条状的电介质层的压力传感器，其特征在于：上述电介质层的上述一端面与上述第1电极层的接触面，以及上述另一端面与上述第2电极层的接触面互相错开形成。
如果采用本发明，则能提供一种权利要求5所述的压力传感器，其上述电介质层沿与上述电介质层的纵向正交的方向切断后的断面形状大致呈平行四边形。
如果采用本发明，则能提供一种权利要求6所述的压力传感器，其与上述第1电极层和第2电极层正交的面同上述电介质层构成的角度为30～85°。
如果采用本发明，则能提供一种权利要求5或6所述的压力传感器，上述电介质层与上述第1电极层及第2电极层交叉的面的一侧同上述第2电极层构成的角度为30～85°。与上述第1电极层及第2电极层交叉的面的另一侧同上述第2电极层构成的角度为90～145°。
如果采用本发明，则能提供一种权利要求5至8中任意一项所述的压力传感器，其上述电介质层由第1电介质片及第2电介质片构成，该第1电介质片及第2电介质片沿着这样的方向配置，即能抵消当对上述第1电极层及第2电极层沿与各面正交的方向加压时各电极层在与加压方向不同的方向上发生的偏移。
如果采用本发明，则能提供一种权利要求9所述的压力传感器，其上述第1电介质片及第2电介质片大致相同。
如果采用本发明，则能提供一种权利要求5至10所述的压力传感器，其上述接触面上的与上述电介质层的纵向大致正交方向上的长度被上述第1电极层和第2电极层之间的距离除得的值为0.2～5.0。
如果采用本发明，则能提供一种权利要求5至11中任意一项所述的压力传感器，其电介质层在JIS-K-6301中的A级橡胶硬度为20～80度。
如果采用本发明，则能提供一种权利要求5至12中任意一项所述的压力传感器，上述第1电极层和第2电极层之间的距离为0.2～5.0mm。
如果采用本发明，则能提供一种权利要求5至13中任意一项所述的压力传感器，它具有3个以上的奇数个上述电极层，各电极之间紧密地夹着上述电介质层。
橡胶弹性体有弹性性能，同时又有粘性性能，橡胶也可以说是一种粘弹性体，这是众所周知的。如果压缩应力、拉伸应力从外部反复地加到橡胶弹性体上，则在应力和位移之间产生时间差，表现出所谓的粘弹性性能，产生称之为滞后性、蠕变等的应力松弛。可是，如果能极力减小橡胶弹性体本身所固有的粘性性能，那么，也可将橡胶弹性体作为与几乎完全没有粘性性能的金属弹簧一样的弹簧使用。
用来确认粘弹性性能的一个特征值即tanδ越接近于零，橡胶弹性体的滞后性、应力松弛越小，变得越好，反之，tanδ越大，橡胶弹性体的滞后性、应力松弛也越大，有恶化的倾向。另外，压缩永久变形越接近于零，滞后性、应力松弛变得越小，而前者若越大，后者有恶化的倾向。如所周知，例如，热塑性弹性聚合物的tanδ一般较小，是一种橡胶弹性也大的好的弹性体，但已知其大多数材料是压缩永久变形大、滞后性、应力松弛大的材料，为了获得与金属弹簧同样的弹簧性能，最重要的是采用以JIS-K-6301为基准的测定方法测定的回跳弹性大、且tanδ小、同时压缩永久变形小。
着眼于上述观点，本发明者们通过考虑了橡胶弹性体的分子结构的聚合物的选定及橡胶掺合的意图、设计，进行了使粘性性能尽量变小的研究，研制出了能确保上述权利要求1～3中的物理特性的橡胶弹性体，已确认如果使用该弹性体，则作为压力传感器，其粘性性能变得极小，能充分使用。
另外，橡胶弹性体虽有各种各样的材料，但根据众所周知的分子结构推断，改变、研究了掺合配方，确认压力传感器的功能，其结果断定适合使用天然橡胶、聚异戊二烯橡胶、聚丁二烯橡胶、聚氨基甲酸乙脂橡胶及硅橡胶，作为可确保获得权利要求1～3中的物理特性的弹性体材料，根据掺合配方等特别指定了权利要求4中的橡胶材质。特别是硅橡胶，从低温区到高温区，弹簧常数变化小，弹簧常数经过长时间的变化也小，另外，其橡胶弹性也比其它弹性体材料的高，且tan δ小、同时压缩永久变形小，因此是最佳材料之一。根据掺合配方，聚氨基甲酸乙脂橡胶可制成能满足权利要求1至3的要求的弹性体，其介电常数比其它弹性体材料的高，制成压力传感器后，与其它材料相比，能获得高的灵敏度，是压力传感器的有效材料之一。
在权利要求1所述发明中，若tan δ的值大于0.03，则压力传感器的滞后性有变大的倾向，若以JIS-K-6301为基准的A级橡胶硬度在20至80度的范围以外，则滞后性有变大的倾向。
在权利要求2所述发明中，若在10℃至30℃时采用以JIS-K-6301为基准的测定方法测定的回跳弹性比75％小，则压缩永久变形有变大的倾向。
在权利要求3所述发明中，若在10℃至30℃时采用以JIS-K-6301为基准的测定方法测定的压缩永久变形比3％大，则压力传感器的滞后性有变大的倾向。
其次说明本发明的第2种形态。与权利要求5所述发明有关的压力传感器，其电介质层被夹在互相平行配置的第1电极层及第2电极层之间。电介质层由橡胶弹性体构成，呈长条状，其一端面与第1电极层贴紧而另一端面与第2电极层贴紧而将第1电极层和第2电极层隔开。在权利要求1所述发明中，电介质层的上述一端面与第1电极层的接触面，和上述另一端面与第2电极层的接触面互相错开形成。
与本发明有关的压力传感器不需要辅助性的附加金属弹簧之类的完全弹性体，即，是一种结构简单、可进行高精度测定的压力传感器。
在权利要求5所述发明中，在电压加在第1电极层和第2电极层之间的状态下，当沿与各面垂直的方向加载时，电介质层发生剪切变形，所以能充分确保其变形量。因此，能使沿接近及离开第1电极层和第2电极层的方向移动而产生的电容的线性变化区域宽，提高了检测灵敏度。
在本发明中，若一端面与第1电极层的接触面，和上述另一端面与第2电极层的接触面互相错开，则如图22所示，在接触面50、52上，接触面50的一条边50A和接触面52的一条边52A彼此错开，而且，当然包括接触面50的另一条边50B和接触面52的另一条边52B彼此沿图22的左右方向错开的情况，还包括图26(A)所示的状态。
即，还包括在接触面41A、41B上，接触面41A的一条边41E和接触面41B的一条边41F分别位于图的左右方向同一位置，只是接触面41A的另一条边41C和接触面41B的另一条边41D沿图的左右方向错开的情况。
在图22中，符号53表示第1电极层，54表示第2电极层，9’表示第1电介质片，10’表示第2电介质片，在图26(A)中，符号39表示第1电极层，40表示第2电极层，41表示第1电介质片，42表示第2电介质片。第1电介质片9’和第2电介质片10’、第一电介质片41和第2电介质片42各自的断面形状相互间左右对称配置。
与权利要求6所述发明有关的压力传感器，其电介质层沿与电介质层的纵向垂直的方向切断的断面形状大致呈平行四边形，电介质层呈剪切变形的形状，因此有与上述权利要求1同样的作用，能使电容呈线性变化的区域宽，提高了检测灵敏度。
与权利要求7所述发明有关的压力传感器，其与第1电极层和第2电极层正交的面同电介质层构成的角度为30～85°，最好为45°。因此，能充分确保电介质层的剪切变形量。上述角度可从90度变到几乎接近于与电极层平行的0度附近，但若α大于85°时，有压缩变形的比率增大而剪切变形变小的倾向，反之，若角度小于30°，则压缩变形的比率减小而剪切变形增大，所以有与电极层的粘接容易被破坏的倾向。
与权利要求8所述发明有关的压力传感器，其电介质层与第1电极层及第2电极层交叉的面的一侧同第2电极层构成的角度为30～85°。与上述第1电极层及第2电极层交叉的面的另一侧同上述第2电极层构成的角度为145～90°，因此，能充分确保电介质层的剪切变形量。在前者的角度及后者的角度超出上述范围的情况下，当前者及后者的角度大于上述范围时，有压缩变形的比率增大而剪切变形少的倾向，而当前者及后者的角度小于上述范围时，有粘接容易被破坏的倾向。
在与权利要求9所述发明有关的压力传感器中，电介质层由第1电介质片及第2电介质片构成，该第1电介质片及第2电介质片沿着这样的方向配置，即能抵消当对第1电极层及第2电极层沿与各面正交的方向加压时各电极层在与加压方向不同的方向上发生的偏移。
因此，在与权利要求9所述发明有关的压力传感器中，能抑制第1电极层及第2电极层伴随电介质层的变形而在与加压方向不同的方向上发生的偏移。
权利要求10所述的压力传感器，其第1电介质片及第2电介质片大致相同，能发挥大致相同程度的防止第1电介质片及第2电介质片分别产生的第1电极层及第2电极层向与加压方向不同的方向的偏移的效果，因此能防止第1电极层及第2电极层在与加压方向不同的方向上发生的偏移。
权利要求11所述的压力传感器，其接触面的与电介质层的纵向大致正交方向上的长度被第1电极层和第2电极层之间的距离除得的值为0.2～5.0。因此，压力传感器的制作容易，同时能减小每个产品的偏差。
如果上述值小于0.2，则有难以制作压力传感器的倾向，而如果大于0.5，则有压缩变形的比率增大而剪切变形变小的倾向。
权利要求12所述的压力传感器，其电介质层以JIS-K-6301为基准的A级橡胶硬度为20～80度，因此，适合于制作最大可测负载从10Kg到1000Kg的各种灵敏度的一般用压力传感器。
在权利要求13所述发明中，第1电极层和第2电极层之间的距离为0.2～5.0mm，因此，压力传感器的制作容易，同时能提供每个产品无灵敏度偏差的压力传感器。
在权利要求14所述发明中，备有3个以上的奇数个电极层，电介质层紧密地设在各电极之间。因此，在本发明中，即使当所测定的负载过重使电介质层的变形过大而超出电介质层的线性变形区时，或同样当电介质层的变形过大而电介质层有可能破损时，都能获得足够的灵敏度，同时能防止压力传感器损坏。
图1(a)是电介质层的斜视图，(b)是上下配置的电介质层相互平行的压力传感器的剖面图，(c)是电极层的斜视图。
图2是表示测定压力传感器的电容的状态的斜视图。
图3(a)是压力传感器的分解斜视图，(b)是压力传感器的斜视图。
图4是表示测定压力传感器的电容的状态的斜视图。
图5是加在实施例1中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图6是加在实施例2中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图7是加在实施例3中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图8是加在比较例1中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图9是加在比较例2中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图10是加在实施例1中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图11是加在实施例2中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图12是加在实施例3中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图13是加在比较例1中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图14是加在比较例2中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图15是加在实施例4中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图16是加在比较例3中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图17是加在比较例4中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图18是加在比较例5中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图19是加在实施例5中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图20是加在比较例6中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图21是加在比较例7中的压力传感器上的负载与电容的变化量的关系曲线图。
图22是表示本发明的第2种形态的具体例的剖面图。
图23是表示本发明的第2种形态的另一具体例的剖面图。
图24(A)是压力传感器的侧视图，(B)是2层电介质层互相垂直配置的压力传感器的斜视图，(C)是电极层的斜视图，(D)是电介质层的斜视图。
图25(A)～(E)是压力传感器的剖面图。
图26(A)～(D)是压力传感器的剖面图。
图27(A)～(E)是压力传感器的剖面图。
图28是表示测定压力传感器的电容的状态的斜视图。
图29是表示负载与电容的关系的曲线图。
图30(A)是安装第1电极层之前的状态的压力传感器的俯视图，(B)是(A)的侧视图，(C)是第1电极层安装之后的压力传感器的剖面图。
图31是表示负载与电容的关系的曲线图。
图32是安装第1电极层之前的状态的压力传感器的俯视图。
图33是图32的侧视图。
图34是安装第1电极层之前的状态的压力传感器的俯视图。
图35是图34的侧视图。
图36是安装第1电极层之前的状态的压力传感器的俯视图。
图37是从电介质层的纵向一侧所看到的图36中的压力传感器的图。
图38是从电介质层的纵向另一侧所看到的图36中的压力传感器的图。
图39是现有的压力传感器的剖面图。
图40是现有的压力传感器的负载与电容的变化量的关系曲线图。
以下，根据实施例说明本发明的第1种形态。
实施例1～3、比较例1及2：
为了确认tanδ的大小及压缩永久变形与滞后之间的关系，用聚丁二烯橡胶作为橡胶原料，并用橡胶混合用碾辊混碾已调整过各种配合剂的生橡胶，以便使加硫后的硬度达到JIS-K-6301中的A级40度，作好准备。在165℃×15分、200Kg/cm2的条件下，对各种生橡胶进行电热加压成形，制成了厚1.5mm、宽150mm、长200mm的加硫橡胶片。
实施例1～3、比较例1及2中的生橡胶的配合情况如表1所示。
实施例1～3、比较例1及2各自的加硫橡胶片在25℃时实际测得的JIS-K-6301中的A级橡胶硬度及25℃时用ORIENTEC公司制的动态粘弹性自动测量仪DDV-25FP测定的10Hz的tanδ及25℃时的以JIS-K-6301为标准的压缩永久变形如表1的下部分所示。
其次，如图1(a)所示，将各种加硫橡胶片1切断加工成厚1.5mm、宽150mm、长200mm的窄长方形。然后，在图1(C)所示的第1电极层2、第2电极层3、第3电极层4之间通过氨基甲酸乙脂系列的双组份液态粘接剂将各种加硫橡胶长方形条上下各粘接20片，将该加工物制成图1(b)所示的实施例1～3、比较例1及2各自的试验品。如图1(b)所示，构成各试验品的上层电介质层1的电介质片1A和构成下层电介质层的电介质片1B互相平行配置。
采用宽200mm、长250mm、厚5mm的铝制平板作为上述各电极层。
如图2所示，用软电线6、7通过接线部8将第1电极层2、第3电极层4连接在休莱特巴卡德(ヒユ-レツトパツカ-ド)公司制的HP4284精密的LCR测量仪的一个输出端子9上，剩下的第2电极层3用软电线10连接在LCR测量仪的另一输出端子11上，施加1MHz、6V的交流电压，准备对各试验品进行电容测定。
其次，在此状态下依次将20Kg的砝码12加在连接好的各个试验品上，且按1个、2个、3个、4个、5个的顺序重叠，以使各次加压时的负载达到20Kg、40Kg、60Kg、80Kg、100Kg，对各试件在每一种负载下测定了7次电容。计算出各自结果的最大值和最小值，在曲线图上画出曲线，得到图5至图9所示的曲线。各图中的(a)是电容的最大值曲线，(b)是最小值曲线。
图5是表示实施例1的测定结果的曲线图，图6、图7分别是实施例2、实施例3的测定结果的曲线图，图8、图9分别是比较例1、比较例2的测定结果的曲线图。
作为压力传感器，重要的是重复性好、偏差应极小。比较一下图5至图9中的加100Kg负载时各自的最大值和最小值之差，判明了tanδ越小的试验品的上述之差越小，从而滞后也越小。
即，实施例1的试验品(tanδ＝0.01)的滞后的最大值和最小值之差为1PF，与此不同，比较例2的试验品(tanδ＝0.043)的滞后的最大值和最小值之差为8PF。
因此，试想用这些试验品制作测定印刷机的加压橡胶辊的压力用的最大可测负载达100Kg的压力传感器时，在实施例1中，达到100Kg时的电容的最大变化量为68PF，所以能制作每加压1Kg、电容的变化量为0.68PF的压力传感器。利用该压力传感器测量100Kg时，100Kg时的最大值和最小值之差也只有1PF，所以偏差的大仅为约1.5Kg，因此至少能读取以2Kg为单位的加压变化量。另外，能制作最大可测负载为100Kg、最小读取值为2Kg且只有橡胶电介质层和电极板的简单、重量轻、价格低、不易破坏的压力传感器。
另一方面，用比较例2的试验品同样制作最大可测负载达100Kg的压力传感器时，电容的变化量最大为48PF，所以能制作每加压1Kg、电容的变化量为0.48PF的压力传感器。因此，测量100Kg时，100Kg时的最大值和最小值之差为8PF，所以有约16.6Kg的偏差，故只能制作最大负载为100Kg、最小读取值为15Kg至20Kg的精度性能差的压力传感器。因此，作为实际的压力传感器，达到商品化时，偏差幅度小的要数实施例1至3的试验品，由于这个理由，可断定tanδ在0.03以下适当。
另外，如所周知，压缩永久变形特性在热塑性弹性体的情况下，tanδ和压缩永久变形特性之间没有相关性，在取交联形态的加硫橡胶弹性体的情况下，tanδ和压缩永久变形特性之间有极密切的相关性，tanδ越小，压缩永久变形也越小，具有压缩永久变形特性好的倾向。
热塑性弹性体和取交联形态的加硫橡胶弹性体两者的回跳弹性都与tanδ有有极密切的关系，即，tanδ越小，回跳弹性越大，有好的倾向。可是，在取交联形态的加硫橡胶弹性体的情况下，如所周知，回跳弹性和压缩永久形变有密切的相关性，回跳弹性越大的材料，压缩永久形变越小，性能越好。
根据这个事实，由此次结果断定，作为获得优异的压力传感器用的橡胶弹性体的物理特性的一部分，压缩永久形变在3％以下最好，而回跳弹性越接近100％越好，最适合在75％以上。
其次，以连续加压-减压的方式，进行了tanδ、压缩永久变形和滞后的相关性的验证。
在该验证中，再次使用上述实施例1～3、比较例1及2中的试验品，采用与上述同样的试验方法，使用同一个试验装置，以无砝码的0Kg负载测定后，用与上述同样的砝码连续地加压20Kg、40Kg、60Kg、80Kg、100Kg，然后，与加砝码时一样，以20Kg为单位，一边逐个地除去砝码，一边测定80Kg、60Kg、40Kg、20Kg、0Kg时的电容，得到图10至图14。图10是表示实施例1测定结果的曲线图，图11、图12分别表示实施例2、实施例3、图13、图14分别表示比较例1、比较例2各自的测定结果的曲线图。
从图10至图14可知，实施例1的试验品的滞后最小，比较例2的滞后最大，具有
另外，可知实施例1至实施例3的试验品用各种加压方法试验的结果都具有同样的倾向，压力传感器的tanδ的范围在0.02以下，且压缩永久变形在3％以下，另外，回跳弹性在75％以上，可知性能最好。
                      表1
配合 实施例1 实施例2 实施例3 比较例1比较例2
1  JSR BR-01     100   ←     ←   ←      ←
2  活性氧化锌     5.0   ←     ←   ←      ←
3  硬脂酸     0.5   ←     ←   ←      ←
4  防老化剂·3C     0.5   ←     ←   ←      ←
5  Di-cup-40-c     6.0   ←     ←   ←      ←
6  タイアナPX-50     8   14     25   32      39
7  Nipsil YN3     2   6     13   24      37
8  沉淀硫     1.0   ←     ←   ←      ←
加硫橡胶物理特性 硬度     40度   40度     40度   40度    40度
tanδ     0.010   0.018     0.025   0.037   0.043
回跳弹性     86％   78％     72％   68％    63％
压缩永久变形     1.0％   2.6％     3.4％   5.8％   6.8％
实施例4、比较例3～5：
其次，使用橡胶硬度为50度的物理特性不同的现有等级的硅橡胶，进行了tanδ、回跳弹性、压缩永久变形和滞后的相关关系的验证。如表2所示，按厂家指定的掺合配方，用碾辊进行混碾，在170℃、200Kg/cm2的条件下，进行电热加压成形，制成厚1.5mm、宽100mm、长200mm的加硫橡胶片，在200℃下用电炉追加硫4小时，测定了各自的tanδ。
采用回跳弹性、压缩永久变形各专用型，在与上述同一条件下成形，并进行了测定。其结果如表2所示。其次，如图3(a)中的符号12(第1电介质层)、13(第2电介质层)所示，将与实施例4、比较例3～5有关的加硫橡胶片按厚1.5mm、宽3mm、长50mm的尺寸切断加工成其断面呈长方形的长方条，分别用粘接剂粘接于第1电极层14、第2电极层15、第3电极层16，使其上下连续粘接10片，且使上下各层成90度的角度，分别制成了实施例4、比较例3～5的试验品[图3(b)]。使用50mm见方、厚1.0mm的铝板作为上述各电极层，作为粘接剂采用了硬度为30度的RTV系列的粘接剂。
其次，考虑到能对这些试验品的第1电极层14及第3电极层16分别均匀加压，以及电绝缘性，将橡胶板19、20用两面胶带贴在第1电极层14及第3电极层16上。作为橡胶板19、20，采用了50mm见方、厚5.0mm、硬度为60度的EPT橡胶。
与上述一样，将各试验品连接到LCR测量仪上，并安装到新兴通信工业株式会社制·万能拉伸压缩试验机的TCM-1000拉伸压缩测定部分17、18上，使用满量程为500Kg的测力传感器，以每分钟1mm的速度，且以循环模式加压减压至240Kg，得到图15至图18所示的曲线。
图15是实施例4的测定结果的曲线图，图16、图17、图18分别是比较例3比较例4、比较例5的测定结果的曲线图。
由图15至图18可知，实施例4的试验品的滞后最小，比较例5的滞后最大，与表2下部分所示的加硫成形品的物理特性有密切关系。由该试验结果可知，滞后为1PF的材料只有实施例4的试验品。
                                    表2
实施例4 比较例3 比较例4 比较例5
商品目录记载事项 等级名 #KE9511-U(信越化学)   #KE951-U(信越化学)   #KE152-U(信越化学)     #KE650-U(信越化学)
主要用途 高弯曲疲劳用工业用材料   食品垫医用橡胶拴工业用垫   饮料用透明管等用品     橡皮套O形环及其它密封件
硬度 50度     50度     50度     50度
压缩永久变形 4.6％     10.0％     18.0％     36.0％
实测值 硬度 50度     49度     50度     51度
tanδ 0.016     0.038     0.046     0.065
回跳弹性 83％     68％     57％     41％
压缩永久形变 2.5％     6.2％     12.3％     18.7％
[*1…在150℃×22小时的条件下测定  *2…在25℃×22小时的条件下测定]
实施例5、比较例6及7：
使用表3所示的己内酯系列的50度聚氨基甲酸乙脂橡胶材料，同样进行了确认试验。多羟基化合物使用由己内酯聚酯构成的双官能的两端羟基、分子量为2000的商品名为PCL220N(ダイセル公司制)的材料，在120℃下将其脱水后，与商品名为米利奥耐特MT(日本聚氨基甲酸乙脂公司制)的MDI·异氰酸酯和交联剂·TMP混合后，注入制作管状制品用的模具中，用电炉在100℃下加热12小时，使其固化制成原材料。
用橡胶用研磨机将该原材料研磨加工成厚1.5mm，再切断加工成片状，制成与实施例3为同一尺寸的窄长方条，等间隔地使用与上述同样的窄长方条，制成了图3(b)所示的实施例5、比较例6及7的试验品。用与实施例1同样的方法和条件，对该试验品进行试验，获得图19～21。
图19是实施例5的测定结果的曲线图，图20、21分别是比较例6、7的测定结果的曲线图。
在表3的物理特性中，对该结果进行比较，则可知与实施例1～3同样，tanδ、回跳弹性、压缩永久变形都好的实施例5能作为压力传感器使用，已确认即使使用聚氨基甲酸乙脂橡胶，也能获得具有本发明的物理特性的材料。
另外，在上述各实施例中，说明了设有3层电极层的情况，但也可以平行配置5层以上的奇数个电极层，可将电介质层夹在各电极层之间，也可采用平行配置2个电极层且将电介质层夹在这些电极层之间的结构。
                          表3
实施例5 比较例6 比较例7
配合 PCL 220N     100.0     ←     ←
ミリオネ-トMT 21 23 25
TMP     2.6     3.0     3.5
实测值 硬度 60度 59度 60度
回跳弹性     80％     56％     42％
tanδ     0.015     0.039     0.064
压缩永久变形     2.1％     8.5％     36.2％
以下，举具体例说明本发明的第2种形态。
在图22的具体例中，第1电介质片9’及第2电介质片10’设在第1电极层53及第2电极层54之间。第1电介质片9’及第2电介质片10’配置得使其纵向沿着与图纸垂直的方向，且沿与其纵向垂直的方向切断后的断面形状呈平行四边形。
第1电介质片9’相对于第2电极层54向右倾斜α°，第2电介质片10’相对于第2电极层54向左倾斜α°。而且该第1电介质片9’和第2电介质片10’交替配置，同时第1电介质片9’和第2电介质片10’分别设置同样个数。而在图22中，第1电介质片9’和第2电介质片10’各设1个，但也可以各设不同数量的若干个。
按照如上所述的结构，当对第1电极层53加压时，能抵消第1电极层53和第2电极层54沿与加压方向不同的方向的偏移，能有效地利用剪切变形。利用这种结构，第1电极层53和第2电极层54不沿横向偏移，能提供一种电容呈线性变化的区域宽的压力传感器。
与第1电极层53(第2电极层54)接触的第1电介质片9’(第2电介质片10’)的宽度(W1)和第1电介质层9(第2电介质层10)的厚度(T1)的比率最好为W1/T1＝2/3，若考虑到制作的难易程度、灵敏度及减小每个产品的偏差，则第1电介质片9’及第2电介质片10’的厚度可为0.2mm～5mm，最好是1.5mm。
实现本发明的方式时，如图23所示，也可将相对于第2电极层54向右倾斜α°的第1电介质片9’在一侧设置N个(在图23中，N＝5)，而将相对于第2电极层54向左倾斜α°的第2电介质片10’在另一侧设置N个(在图23中，N＝5)。
制作实用的压力传感器时，如图24(A)所示，采用2层电介质层即电介质层14A及14B和夹着它们的3层电极层15’、16’、17’的结构，这样作是因为使用时不易受外界空中电荷的影响，测定时电容的误差小。
另外，当在加到压力传感器上的压力无特定方向的情况下使用时，如图3(B)所示，最好采用使分别构成上下电介质层14A、14B的各个电介质片互相垂直配置的结构。
当将某种规格的橡胶弹性体用作电介质层时，若测定的负载过重，平行四边形等的电介质层的变形过大而超出线性变形区时，或者同样平行四边形的电介质层的变形过大而电介质层可能破损时，如图25(A)～(E)所示，通过增加电极层38、电介质层39，采用多层结构，减轻各电介质层上的加压负担，能防止以最大负载加到压力传感器上时对压力传感器的损伤。这时，可平行配置奇数个电极层38，将电介质层39重叠在各电介质层之间，用软导线将按奇数序号(但电介质层不算数)层叠的电极层38之间并联起来，另一端连到交流电源上，且用软导线将按偶数序号(但电介质层不算数)层叠的电极层38之间并联起来，另一端也连到交流电源上。
在本发明的方式中防止在剪切变形下的加压部分的不必要的偏移的方式，也可以使断面形状不呈平行四边形，可以使用图26(A)～(D)所示的各种形状的电介质片41、42、43、44、45、46，大致使用相同数量的各电介质片。即，如图26(A)所示，电介质片的断面形状满足α＝45°、β＝90°即可，只要满足α在30～85°、β在145～90°的范围内，可采取任意的形状，例如可采用图26(B)及(C)中的符号43～46所示形状的电介质片。
另外，电介质片不一定象图26(A)～(D)所示的那样使其断面形状交替地(即按电介质片41、42的顺序，电介质片43、44的顺序等)左右对称配置，也可以如图26(D)所示，将N个(在图26(D)中，N＝3)朝向同一方向的电介质片41设置在一侧，将N个(在图26(D)中，N＝3)其断面形状与电介质片41左右对称配置的电介质片42设置在另一侧。
在图26(A)～(D)中，50表示第1电极层，40表示第2电极层。
电介质层的配置方法不受上述所限，例如，也可采用图32及图33所示的方法。即，将电介质片47、48设置成对第2电极层35的边35A倾斜一规定角度γ的状态。各电介质片47、48以其断面形状左右对称的状态配置。
如图34及图35所示，使一对电介质片47、48在图34中的上端部的间隔比下端部的宽的状态配置，也可以使该一对电介质片47、48在图34中以交替地上下反转的状态依次配置。另外，如图36～图38所示，还可以将图36中的其宽度尺寸(图36中左右方向的尺寸)从上至下逐渐变窄的一对电介质片47在图36中以交替地上下反转的状态依次配置。
作为所使用的电介质片的材料，重要的是采用回跳弹性大、同时压缩永久变形小的橡胶材料，可使用天然橡胶、IR、BR、聚氨基甲酸乙脂橡胶及硅橡胶等回跳弹性大、压缩永久变形小的材料。
由于橡胶硬度越小，弹簧常数越小，橡胶硬度越大，弹簧常数越大，所以例如制作从最大可测负载为10Kg的压力传感器到最大可测负载为1000Kg的各种灵敏度的一般用压力传感器时，若考虑到弹簧常数、形状、面积、及其它，则电介质片可使用JIS-K-6301中的A级橡胶硬度为20～80度范围内的橡胶。
另外，假定制作测定印刷机的橡胶辊的压力用的最大可测负载达100Kg的压力传感器时，电介质片所使用的橡胶最好是JIS-K-6301中的A级橡胶硬度为30～40度的橡胶，作为电介质层用的橡胶材料，最适合的材料之一是压缩永久变形小、橡胶弹性好、同时弹簧常数长期变化小、由温度引起的弹簧常数变化也小的硅橡胶。
实施例6及7、比较例8～10：
用同一橡胶材料、同一橡胶硬度、在同一加压面积的条件下，进行了确认形状和输出之间的关系的试验。
使用按表4中的掺合配方制成的聚丁二烯橡胶，在165℃×15分钟、200Kg/cm2的条件下，进行电热加压成形，制成了厚1.5mm、宽150mm、长200mm的加硫橡胶片。橡胶硬度为JIS-K-6301中的A级40度。
其次，不改变该橡胶片的厚度及长度，如图27所示，将该橡胶片切断加工成A～E所示的断面形状(沿与纵向正交的方向切断后的断面形状)，制成5种窄长方条(电介质片)。将A～E所示的各长方条粘接在图24(C)所示的平行配置的第1电极层15’、第2电极层16’、第3电极层17’之间。各电极层采用宽200mm、长250mm、厚5mm的铝板。该粘接是这样进行的，即通过氨基甲酸乙脂系列的双组份液态粘接剂，按表6记载的片数将上述长方条(电介质片)象图24(A)那样粘接，使电介质层14A、14B一起的加压面积[构成电介质片14A(14B)的电介质片的一面和电极层的接触面积之和]对于A～E都相等，为60cm2(参见表6)。
于是，得到图27中的(A)～(E)以断面图表示的具有2层电介质层和3层电介质层的重叠成5层结构的试验品No.T-1(比较例8)、No.T-2(比较例9)、No.T-3(比较例10)、No.T-4(实施例6)、No.T-5(实施例7)。
图27(A)～(E)中的27’、29’分别是第1电介质层、第2电介质层。在图27(D)中，符号27A、27B分别表示第1电介质层27’中的第1电介质片、第2电介质片，符号29A、29B分别表示第2电介质层29’中的第1电介质片、第2电介质片。在图27(E)中，符号27C、27D分别表示第1电介质层27’中的第1电介质片、第2电介质片，29C、29D分别表示第2电介质层29’中的第1电介质片、第2电介质片。另外，图24(A)是用图24(D)所示的长方条14A(14B)(No.T-3)制成的例。
其次，如图28所示，分别将软电线18’、19’连接到第1电极层15’和第3电极层17’上，通过接线部20’将No.T-1～No.T-5的各试验品连接到休莱特巴卡德公司制的HP4284精密的LCR测量仪的一个端子22’，用软电线21’连接第2电极层16’，同样连接到LCR测量仪的另一端子23’上。在该状态下施加1MHz.6V的交流电压，对No.T-1～No.T-5的各试验品，将20Kg的秤砣25’依次加到试样(第1电极层15’)上(参见图28)，测定了加压0Kg、20Kg、40Kg、60Kg、80Kg、100Kg时的电容。测定结果示于表7及图29。
由表7及图29可知，实施例6的试验品(断面形状：菱形)及实施例7的试验品(断面形状：平行四边形)的电容变化量与具有与电极层相同接触面积的纯压缩的比较例8～10的试验品相比较，有明显的差值，已证明具有数倍的灵敏度。另外，已弄清了在纯压缩的情况下，加压时电介质层变形异常但不被压坏，可以说比较例9的试验品(W/T＝20)处于极限状态，由于比较例10的试验品不用于纯压缩，所以与纯压缩最一般的比较例9的试验品相比较，实施例8的试验品(W/T＝1)的电容变化量达4倍以上，实施例7的试验品(W/T＝2/3)达5倍以上。
表4
配合药品     重量份数
JSR-BR-01     100.0
活性氧化锌     5.0
硬脂酸     0.5
老化防止剂·3C     0.5
パ-クミル D-40     6.0
ダイアナ·PX-50     8.0
Nipsil YN3     2
沉淀硫     1.0
表5
表6
    各试验品用的橡胶形状(表5中的电介质层)   各试验品的一层中用的橡胶片数 加压面积
比较例8(No.T-1)     No.A(长方形)     5片     60cm2
比较例9(No.T-2)     No.B(长方形)     10片     60cm2
比较例10(No.T-3)     No.C(正方形)     20片     60cm2
实施例6(No.T-4)     No.D(菱形)     30片     60cm2
实施例7(No.T-5)     No.E(平行四边形)     30片     60cm2
             表7实施例6及7与比较例8～10的试验结果(各种负载时电容(Cp)的变化，以及以比较例8为1时的变化率，数值用微法(Cp)表示)
负载 0Kg     20Kg     40Kg   60Kg  80Kg    100Kg
△Cp   △Cp  变化率   △Cp   变化率   △Cp   变化率 △Cp   变化率   △Cp   变化率
比较例8(No.T-1) 0.0     4.8    1.0     9.2    1.0     13.3    1.0  16.8     1.0    18.5    1.0
比较例9(No.T-2) 0.0     12.0    2.5     22.4    2.4     31.6    2.4   39.0    2.3    43.6    2.4
比较例10(No.T-3) 0.0     15.8    3.3     30.1    3.3     43.2    3.2   54.1    3.2    61.4    3.3
实施例6(No.T-4) 0.0     32.0    6.7     63.1    6.9     95.6    7.2   129.6   7.7    159.6   8.6
实施例7(No.T-5) 0.0     38.3    8.0     75.7    8.2     114.7   8.6   154.5   9.2    191.0   10.3
实施例8～10、比较例11及12
作为进一步增大变化率以达到实用化用的试验是这样进行的，即采用弹簧常数变化小、耐热性及耐寒性好、与温度的相关性小的硅橡胶作为电介质层，将橡胶硬度、加压面积、形状对电容有些什么影响与标准的纯压缩形状进行了比较。表8中示出了构成各实施例及比较例电介质层的电介质片的断面形状、试验品的断面形状、以及电介质片和电极层的接触面积。
所使用的硅橡胶是用现有等级的二甲基硅酮橡胶作为橡胶辊材料，用厂方指定的现有的配合方法，且用开式辊，对压缩永久变形小的信越化学公司制的#KE941U(40度)和信越化学公司制的#KE931U(30度)进行混碾，准备好了生橡胶。按下述方法制成了表8中预料电容变化率大的No.T-8(实施例8)、No.T-9(实施例9)、及No.T-10(实施例10)的3种试验品。
即，如图30(A)及(B)所示，使用新制作的专用加压成形模具，在170℃、10分钟、200Kg/cm2的成形条件下，通过粘接剂将电介质片31、34以表8所示的实施例8～10中的断面形状左右对称地配置在由厚为0.2mm的不锈钢板SUS#301构成的第2电极层(35)的上下，进行固化粘接，制成中间品。图30(A)是从上方所看到的该中间品的图，图30(B)是从横向所看到的该中间品的图。
通过橡胶硬度为30度的RTV硅橡胶将用铝制的厚为1mm的第1电极层36、第3电极层37粘接在该中间品的电介质片31、34的上下面，制成图30(C)所示的试制品。图30(C)是试验品的断面图。
如下制作比较用的纯压缩形状的比较例11的试验品，以及比较例12的试验品2种。与实施例6同样制作由厚1.5mm的硅橡胶构成的加压成形模片，并制成表8中试验号No.T-6、No.T-7所示的断面形状为长方形的长条片。
其次，用与实施例6同样的方法粘接该长条片，制成了试验品。粘接剂使用了与No.T-8～No.T-10相同的橡胶硬度为30度的RTV硅橡胶。制成的No.T-6～No.T-10的5种试验品在试验前用电炉进行了200℃×4小时的补充加热，以使物性稳定。
用与实施例1同样的方法对上述试验品进行试验，其结果示于表9及图31。
由该结果可知，使加压面积比实施例6等的60cm2少40cm2且使橡胶硬度为30度的实施例10的试验品与纯压缩下的平均橡胶硬度为40度的试验品(比较例11的试验品)相比较，前者的电容变化率约为后者的5倍，与现有的方式相比，电容变化率确实大。
若使用实施例10的试验品制作测定印刷机的加压辊的压力用的压力传感器，则加压100Kg时，有245PF的变化，而且，大致呈线性变化，因此只需由至少1PF＝0.5kg的电介质层(橡胶制)和电极板构成，就能制成不易破损、廉价的能测定100Kg的压力传感器。
表8
Figure A9610925200241
表9
实施例8及9与比较例11、12的试验结果(各种负载时电容(Cp)的变化，以及以比较例8为1时的变化率，数值用微微法(Cp)表示
负载  0Kg     20Kg     40Kg     60Kg       80Kg     100Kg
 △Cp  △Cp  变化率  △Cp  变化率  △Cp  变化率  △Cp  变化率  △Cp  变化率
比较例11(No.T-6)   0.0   12.8   1.0   24.1   1.0   33.8   1.0   40.9    1.0   46.1   1.0
比较例12(No.T-7)   0.0   15.1   1.2   28.4   1.2   39.9   1.2   49.2    1.2   56.4   1.2
实施例8(No.T-8)   0.0   39.2   3.1   75.8   3.1   117.4  3.5   152.8   3.7   187.0  4.1
实施例9(No.T-9)   0.0   45.6   3.6   91.2   3.8   132.8  3.9   174.6   4.3   217.6  4.7
实施例10(No.T-10)   0.0   55.2   4.3   103.6   4.3   152.8  4.5   202.3   4.9   245.0  5.3
如果采用本发明，则能提供一种结构并不复杂、可高精度地测定重量或压力的压力传感器。

Claims (14)

1.一种压力传感器，它具有一对电极层、及夹在上述一对电极层之间而将上述一对电极层分别隔开的由橡胶弹性体构成的电介质层，其特征在于：上述电介质层在10℃至30℃下的1至30Hz时的tanδ为0.03以下，同时10℃至30℃时的以JIS-K-6301为基准的A级橡胶硬度为20～80度。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：它在10℃至30℃时采用以JIS-K-6301为基准的测定方法测定的回跳弹性在75％以上。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于：它在10℃至30℃时采用以JIS-K-6301为基准的测定方法测定的压缩永久形变在3％以下。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的压力传感器，其特征在于：其电介质层由天然橡胶、聚丁二烯橡胶、聚异戊二烯橡胶、聚氨基甲酸乙脂橡胶及硅橡胶中的任意一种构成。
5.一种压力传感器，它具有互相平行配置的第1电极层及第2电极层、以及其一端面与上述第1电极层贴紧而另一端面与上述第2电极层贴紧而将上述第1电极层和第2电极层隔开的由橡胶弹性体构成的长条状的电介质层的压力传感器，其特征在于：上述电介质层的上述一端面与上述第1电极层的接触面，以及上述另一端面与上述第2电极层的接触面互相错开形成。
6.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于：其上述电介质层沿与上述电介质层的纵向正交的方向切断后的断面形状大致呈平行四边形。
7.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征在于：其与上述第1电极层和第2电极层正交的面同上述电介质层构成的角度为30～85°。
8.根据权利要求5或6所述的压力传感器，其特征在于：上述电介质层与上述第1电极层及第2电极层交叉的面的一侧同上述第2电极层构成的角度为30～85°，与上述第1电极层及第2电极层交叉的面的另一侧同上述第2电极层构成的角度为90～145°。
9.根据权利要求5至8中任意一项所述的压力传感器，其特征在于：其上述电介质层由第1电介质片及第2电介质片构成，该第1电介质片及第2电介质片沿着这样的方向配置，即能抵消当对上述第1电极层及第2电极层沿与各面正交的方向加压时各电极层沿与加压方向不同的方向的偏移。
10.根据权利要求9所述的压力传感器，其特征在于：其上述第1电介质片及第2电介质片大致相同。
11.根据权利要求5至10中任意一项所述的压力传感器，其特征在于：其上述接触面的与上述电介质层的纵向大致正交方向上的长度被上述第1电极层和第2电极层之间的距离除得的值为0.2～5.0。
12.根据权利要求5至11中任意一项所述的压力传感器，其特征在于：其电介质层在JIS-K-6301中的A级橡胶硬度为20～80度。
13.根据权利要求5至12中任意一项所述的压力传感器，其特征在于：上述第1电极层和第2电极层之间的距离为0.2～5.0mm。
14.根据权利要求5至13中任意一项所述的压力传感器，其特征在于：它具有3个以上的奇数个上述电极层，各电极之间紧密地夹着上述电介质层。
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