JP2009150737A

JP2009150737A - センサおよび検出装置

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Publication number: JP2009150737A
Application number: JP2007328116A
Authority: JP
Inventors: Kohei Yoshikawa; 浩平吉川; Haruhisa Toyoda; 晴久豊田; Seiji Nishimoto; 清治西本
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2009-07-09

Abstract

【課題】小さな検出部を有するセンサおよび検出装置を提供する。
【解決手段】複数の電極層と電極層間に挟まれるように配置された導電体層とを含む検出部と、電気抵抗値測定部とを備え、電極層間の電気抵抗値変化量を電気抵抗値測定部により検出するように構成されているセンサであって、導電体層は、複数の導電性１次粒子が一の長手方向を持つように結合した導電性粒子と、電気絶縁性樹脂とを含み、導電性粒子は電気絶縁性樹脂中に分散されていることを特徴とするセンサ。導電性粒子は、その長手方向が電極層面に略垂直な方向に配向していることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極層間の相対的位置変化を検出するセンサ、および加えられる圧力の変化量や電極層の相対的位置変化を検出する検出装置に関する。

被測定物に加わる荷重、圧力変化量などによる歪み量を、電気抵抗値や電圧値などの電気量に変換して検出する歪みゲージ式のセンサが知られている。このようなセンサは、測定誤差が少なく、出力の直線性や応答が良好であり、被測定物の物理特性や機械的特性を測定するために広く利用されている。

実用新案文献１には、抵抗材料からなり、歪みを感知してその歪みに対応した抵抗変化を示す幅狭のゲージ素子パターン部と、ゲージリードが接続される幅広の少なくとも１対のゲージタブパターン部と、このゲージタブパターン部と上記ゲージ素子パターン部の各端部とを電気的に連接する少なくとも１対の接続パターン部が、可撓性を有する絶縁材料からなるゲージベース上に添着された歪みゲージが記載されている。

登録実用新案第３０４０６８４号公報

図１は、従来の歪みゲージ式のセンサを模式的に示す平面図である。可撓性を有する絶縁材料からなるゲージベース１の上に、Ｃｕ−Ｎｉ合金などの金属箔からなる抵抗材料が、フォトエッチング技術により所定の長さに連続的に折り返されて蛇行状にパターニングされた幅狭のゲージ素子パターン部２が形成されている。ゲージ素子パターン部２の電気抵抗値が、ゲージベース１を介して伝達される被測定物の歪み量に対して変化するので、その電気抵抗値変化量を検出することにより、被測定物の歪み量を測定することができる。

しかしながら、被測定物の微小な領域の局所的な歪みの測定や、微小な領域を測定点として歪みの分布状況を調べるためには、センサの検出部を小さくする必要があるが、従来の歪みゲージ式のセンサでは、抵抗材料を蛇行状にパターニングしているため、小さくすることが困難であった。例えば、検出部のサイズを１５０μｍ以下にすることはできていなかった。

したがって、本発明の目的は検出部が小さなセンサおよび検出装置を提供することにある。

本発明は、複数の電極層と電極層間に挟まれるように配置された導電体層を含む検出部と、電気抵抗値測定部とを備え、電極層間の電気抵抗値変化量を前記電気抵抗値測定部により検出するように構成されているセンサであって、導電体層は複数の導電性１次粒子が一の長手方向を持つように結合した導電性粒子と電気絶縁性樹脂とを含み、導電性粒子は電気絶縁性樹脂中に分散されていることを特徴とするセンサである。（請求項１）。

導電体層の導電体を、複数の導電性１次粒子が一の長手方向を持つように結合した導電性粒子とすることにより、導電体層を介して対向する電極層間の相対的な位置の変化量で導電性１次粒子間の接触面積が変化し、電極層間の電気抵抗値が変化するようにすることができる。

また、導電性１次粒子の最大径を１５０μｍより小さくすることは可能であるので、電極層面に投影される導電性粒子７の最大径も１５０μｍより小さくし、また導電体層の厚さを１５０μｍよりも小さくすることは可能である。例えば、最大径が０．１μｍから１０μｍの導電性１次粒子を１０個程度結合して導電性粒子とすることにより導電体層の厚さは１００μｍ以下とすることができ、さらに１０〜１００個のこの導電性粒子を電気絶縁性樹脂中に一様に分散させることにより、検出部のサイズは１５０μｍ以下にすることができる。

さらに、複数の電極層は略平行に配置され、導電性粒子の長手方向が電極層面に略垂直な方向に配向していることが好ましい（請求項２）。導電体層の電極層面に垂直な方向の導電性を確保でき、電気絶縁性樹脂は導電体の保護材になるとともに、導電性粒子が電気絶縁性樹脂中に分散していれば、本発明には不要な、導電体層の電極層面に平行な方向の導電性は極めて小さくすることができる。また、電気絶縁性樹脂はセラミックスなどに比べて柔軟性が大きいので、導電体層が電極層間の位置の相対的な変化に追随しやすい。

導電性１次粒子は、磁性材料とすることが好ましい（請求項４）。導電体層の作製工程において、電極層面に垂直な方向に磁場を印加することにより、導電性粒子を電極層面に略垂直な方向に配向させることが容易にできるからである。

また、電極層間の相対的な位置の変化量を電極層面に垂直な方向の変化とするセンサと、電極層間の電気抵抗値変化量を電極層に垂直な方向に加えられた圧力変化量に換算する換算器とを備える検出装置とすることができる（請求項５）。電気抵抗値変化量―圧力変化量換算器で電気抵抗値変化量を電極層間の圧力変化量に変換するには、あらかじめ電極層面に垂直な方向に加えられた圧力変化量と電極層間の電気抵抗値変化量の相関関係を測定しておき、例えば電極層間の電気抵抗値変化量から電極層面に垂直な方向に加えられた圧力変化量への変換式を導出し、その変換式を用いて電気抵抗値変化量―圧力変化量換算器に電極層間の電気抵抗値変化量を電極層面に垂直な方向に加えられた圧力変化量に換算する方法や、予め電気抵抗値変化量と圧力変化量の関係をテーブルとして記憶しておき換算する方法など、既知の変換手法が適用できる。

この検出装置では電極層面に垂直な方向に加えられる圧力変化量を電極層間の電気抵抗値変化量として検出することができ、電極層に垂直な方向に加えられた圧力変化量を表示あるいは記録することが容易となる。

さらに、電極層間の電気抵抗値変化量を電極層間の相対的な位置の変化量に換算する換算器とを備える検出装置とすることができる（請求項６）。電気抵抗値変化量―変位量換算器で電気抵抗値変化量を電極層間の変位量に変換するには、あらかじめ電極層間の変位量と電極層間の電気抵抗値変化量の相関関係を測定しておき、例えば電極層間の電気抵抗値変化量から電極層間の変位量への変換式を導出し、その変換式を用いて電気抵抗値変化量―変位換算器に電極層間の電気抵抗値変化量を電極層間の変位量に換算する方法や、予め電気抵抗値変化量と電極層間の変位量の関係をテーブルとして記憶しておき換算する方法など、既知の変換手法が適用できる。

この検出装置では電極層間の相対的な位置の変化量を表示あるいは記録することが容易となる。また、例えば、被測定物の測定面に対して電極層面が垂直に、被測定物の歪みに対して電極層が追随するようにセンサを添着すると、被測定物の歪みを電極層間の相対的な位置変化として検出することができる。

以上のように、本発明によれば、小さな検出部を有するセンサおよび検出装置を提供することができる。

以下に実施の形態を挙げて本発明を詳細に説明する。

図２は本発明のセンサの検出部の断面模式図である。センサの検出部３は、導電体層５と、対向する２つの電極層４とからなり、２つの電極層４の間に導電体層５が配置されている。導電体層５は、電気絶縁性樹脂８と、電気絶縁性樹脂８中に分散する導電性粒子７からなり、導電性粒子７は複数の導電性１次粒子６が電気的につながった集合体である。

図３（ａ）はセンサの検出部の電極層が変位する前の断面模式図であり、図３（ｂ）は対向する電極層間が縮んだときの断面模式図であり、図３（ｃ）は対向する電極層間が伸びたときの断面模式図である。また、図４はセンサの検出部の対向する電極層４が、相対的に電極層面に平行な方向に位置変化したときの断面模式図である。図３および図４により、対抗する電極層４の相対的な位置変化により、電極層間の電気抵抗値が変化する原理について説明する。

図３（ａ）に示すようなセンサの検出部２の電極層４が変位する前の状態から、図３（ｂ）に示すように対向する電極層間が縮んだ状態に変化したとき、導電性粒子７が圧縮される。その結果、導電性１次粒子間の接触面積が増えることにより電極層４の間の電流経路の断面積が増え、また電極層４の間の電流経路の長さが短くなるので、電極層間の電気抵抗値は小さくなる。

次に図３（ｃ）に示すように、対向する電極層間距離が伸びたときは、導電性粒子７が伸びる。その結果、導電性１次粒子間の接触面積が減ることにより電極層４の間の電流経路の断面積が減り、また電極層４の間の電流経路の長さが長くなるので、電極層間の電気抵抗値は大きくなる。

次に図４に示すように、対向する電極層４が相対的に電極層面に平行な方向に変位したときも、導電性粒子７が伸びる。その結果、導電性１次粒子間の接触面積が減ることにより電極層４の間の電流経路の断面積が減り、また電極層４の間の電流経路の長さが長くなるので、電極層間の電気抵抗値は大きくなる。

以上説明したように、対向する電極層間の相対的な位置の変化量が、電極層面に対して垂直な方向と平行な方向のいずれの場合でも、電極層間の電気抵抗値が変化する。したがって電極層面に垂直な方向または平行な方向の、電極層間の位置変化による電気抵抗値変化量を検出することが可能である。

また、以下の実施の形態で説明するように、本発明のセンサは、電極層面に垂直な方向の圧力変化量を検出する圧力センサとすることもできるし、被測定物の歪を検出する歪センサとすることもできる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

（実施の形態１）
導電体層は、電気絶縁性樹脂中に、導電性１次粒子が一の長手方向を持つように結合した導電性粒子を分散させ、電気絶縁性樹脂を硬化させることにより作製できる。さらに、導電体層の両面に電極層を貼り付けることにより、検出部が形成される。電気絶縁性樹脂としては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、フッ素系樹脂などを挙げることができる。

導電性１次粒子の最大径は、少なくとも所望する検出部の大きさより小さくすることが必要である。複数の導電性１次粒子が結合して適当な導電性粒子とするため、導電性１次粒子の最大径は０．１μｍ以上１０μｍ以下とするのが好ましく、より好ましくは０．１μｍ以上０．５μｍ以下である。

導電性１次粒子の材質は、導電性の材料であればなんでもよく、金属のほか、導電性セラミックス、導電性有機物などが利用できる。また、導電性１次粒子の形状は、図２では断面が円になっているが、球状や楕円球状などに限定されるものでなく、角粒状、柱状、針状、糸状、不定形、などでも構わない。

また、導電性１次粒子が磁性材料であれば、電気絶縁性樹脂中に導電性粒子を分散させた後、電極層面に垂直な方向に磁場を印加することにより、導電性粒子の長手方向を電極層面に略垂直な方向に配向させることができる。磁性材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ，Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏなどの磁性金属や磁性合金などが挙げられる。

印加する磁場の大きさは、磁性材料の種類、粒子の大きさや形状によって適宜調整するが、配向させるのに十分であるとともに、設備が大きくなりすぎず過剰な電力を消費しないようにする点から、磁束密度で１ｍＴ以上１００ｍＴ以下が好ましく、さらには１０ｍＴ以上５０ｍＴ以下が好ましい。

導電性１次粒子が電気的につながって導電性粒子が形成されているが、図２のように鎖状に結合させることにより、一の長手方向を持つように結合した導電性粒子とすることができる。このとき電極層面に投影される導電性粒子の最大径は、導電性１次粒子の最大径と粒子数とつながり方の形状を調整することにより、少なくとも所望する検出部の大きさより小さくしている。

さらに、導電性粒子の数と、導電性粒子の分散状態を調整することにより、電極層の面積を小さくし、検出部の大きさを小さくすることができる。検出部のサイズを電極層の面方向のサイズとすると、上記述べたような調整により１５０μｍ以下にすることもできる。したがって、面積として０．０２２５ｍｍ^２以下の微小な領域に加わる圧力変化量による電極層間の相対的な位置の変化量を電極層間の電気抵抗値変化量の変化として検出することも可能となる。

また導電体層の厚さは、導電性１次粒子の最大径と粒子数とつながり方、導電性粒子の数などにより、適宜調整して１５０μｍより薄くする。できるだけ薄くし、かつ適当な電気抵抗値を有するようにするため、導電体層の厚さは好ましくは１μｍ以上１００μｍ以下である。

導電体層の両面に電極層を貼り付けることによりセンサの検出部となる。また、電極層には厚さが５０μｍ以下の金属板、金属箔などを用いることができる。

なお、ここでは１層の導電体層とそれを挟む２層の電極層で構成される例を示したが、２層以上の導電体層とそれらを挟む複数の電極層を積層して構成することも可能である。

図５はセンサの構成を示す模式図であり、検出部３の電極層４が、電気抵抗測定部である電気抵抗値測定器９に配線１０で接続されている。電極層４の相対的な位置変化による電極層間の電気抵抗値の変化を電気抵抗値測定器９で計測できる。

（実施の形態２）
図６は検出装置の構成を示す模式図であり、実施の形態１のセンサに電気抵抗値変化量―変位換算器１１を加えたものである。電気抵抗値変化量―変位換算器１１は電気抵抗値変化量測定器９に接続されており、電気抵抗値測定器９で計測した電極層間の電気抵抗値変化量を電気抵抗値変化量―変位換算器１１に送り、電気抵抗値変化量―変位換算器１１で電気抵抗値変化量を電極層間の変位量に変換するように設定されている。また、電気抵抗値変化量―変位換算器１１で換算された電極層間の変位量は適当な表示装置により表示させたり、適当な記憶装置により記憶させる。

電気抵抗値変化量―変位換算器１１で電気抵抗値変化量を電極層間の変位量に変換するには、あらかじめ電極層間の変位量と電極層間の電気抵抗値変化量の相関関係を測定しておき、例えば電極層間の電気抵抗値変化量から電極層間の変位量への変換式を導出し、その変換式を用いて電気抵抗値変化量―変位換算器１１に電極層間の電気抵抗値変化量を電極層間の変位量に換算する方法や、予め電気抵抗値変化量と電極層間の変位量の関係をテーブルとして記憶しておき換算する方法など、既知の変換手法が適用できる。

（実施の形態３）
実施の形態２において、対向する電極層間の相対的な変位が、電極層面に垂直な方向に加えられる圧力変化量による電極層面に垂直な方向の変位の場合、電気抵抗値変化量―変位換算器を電気抵抗値変化量―圧力変化量換算器に代え、圧力変化量検出装置とすることができる。電気抵抗値測定部で検出した電極層間の電気抵抗値変化量を電気抵抗値変化量―圧力変化量換算器に送り、電気抵抗値変化量―圧力変化量換算器で電気抵抗値変化量を電極層面に垂直な方向に加えられた圧力変化量に変換するように設定されている。また、電気抵抗値変化量―圧力変化量換算器で換算された電極層面に垂直な方向に加えられた圧力変化量は適当な表示装置により表示させたり、適当な記憶装置により記憶させる。

電気抵抗値変化量―圧力変化量換算器で電気抵抗値変化量を電極層間の圧力変化量に変換するには、あらかじめ電極層面に垂直な方向に加えられた圧力変化量と電極層間の電気抵抗値変化量の相関関係を測定しておき、例えば電極層間の電気抵抗値変化量から電極層面に垂直な方向に加えられた圧力変化量への変換式を導出し、その変換式を用いて電気抵抗値変化量―圧力変化量換算器に電極層間の電気抵抗値変化量を電極層面に垂直な方向に加えられた圧力変化量に換算する方法や、予め電気抵抗値変化量と圧力変化量の関係をテーブルとして記憶しておき換算する方法など、既知の変換手法が適用できる。

（実施の形態４）
図７は、板状の被測定物１２の被測定面に対してセンサの電極層面が垂直になるように、センサの検出部３を被測定物１２に添着させたときの、添着面に平行な面の平面模式図である。被測定物１２に添着させている電極層４は、被測定物１２の被測定面の変位に追随するように添着させている。また、被測定物１２が導電性材料の場合は、検出部３と被測定物１２の間は薄い絶縁シートなどで絶縁されている。

被測定物１２が歪んで伸縮するとき、それに追随してセンサの電極層間の相対的位置も変化する。したがって、電極層間の相対的位置変化による電極層間の電気抵抗値の変化量を測定することにより、被測定物１２の歪の測定が可能となる。

このセンサを、実施の形態２の構成にしておけば、被測定物１２の歪量に応じて変化する電極層間の相対的位置変化を測定できるので、歪センサとして動作する。

（実施の形態５）
実施の形態１〜４の検出装置は、検出部を所定の面内に複数配置する検出装置とすることもできる。所定の面内に検出部を複数配置することにより、被測定物の歪や電極層に垂直な方向に加わる圧力変化量の、面内の分布状況を測定することができる。さらに、本発明のセンサの検出部はサイズを小さくできるので、従来のセンサでは不可能だった１５０μｍ以下の領域に分割して分布状況を測定することができる。

本発明のセンサおよび検出装置は微小な検出部を有するので、例えば自動車などのシートに配置し、シートを微小な領域に分割して圧力分布の測定などに利用できる。

従来の歪みゲージ式のセンサを模式的に示す平面図である。本発明のセンサの検出部の断面模式図である。本発明のセンサの検出部の、電極層が変位する前の断面模式図（ａ）、対向する電極層間が縮んだときの断面模式図（ｂ）、対向する電極層間が伸びたときの断面模式図（ｃ）である。本発明のセンサの検出部の対向する電極層が、相対的に電極層面に平行な方向にしたときの断面模式図である。本発明のセンサの構成を示す模式図である。本発明の検出装置の構成を示す模式図である。本発明のセンサの検出部を、被測定物に添着させた状態を示す平面模式図である。

符号の説明

１ゲージベース
２ゲージ素子パターン部
３検出部
４電極層
５導電体層
６導電性１次粒子
７導電性粒子
８電気絶縁性樹脂
９電気抵抗値測定器
１０配線
１１電気抵抗値変化量―変位換算器
１２被測定物

Claims

複数の電極層と前記電極層間に挟まれるように配置された導電体層とを含む検出部と、電気抵抗値測定部とを備え、前記電極層間の電気抵抗値変化量を前記電気抵抗値測定部により検出するように構成されているセンサであって、
前記導電体層は、複数の導電性１次粒子が一の長手方向を持つように結合した導電性粒子と、電気絶縁性樹脂とを含み、
前記導電性粒子は、前記電気絶縁性樹脂中に分散されていることを特徴とするセンサ。
前記複数の電極層は略平行に配置され、前記導電性粒子はその長手方向が前記電極層面に略垂直な方向に配向している請求項１に記載のセンサ。
前記導電性１次粒子は、磁性材料からなる請求項２に記載のセンサ。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のセンサと、前記電極層間の電気抵抗値変化量を前記電極層に垂直な方向に加えられた圧力変化量に換算する換算器とを備えている検出装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のセンサと、前記電極層間の電気抵抗値変化量を前記電極層間の相対的な位置の変化量に換算する換算器とを備えている検出装置。