JP2009150738A

JP2009150738A - センサおよび検出装置

Info

Publication number: JP2009150738A
Application number: JP2007328117A
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たセンサであって、導電体層は一方の電極層に対向する第一面から他方の電極層に対向する第二面に貫通する少なくとも一つの貫通穴を備えた電気絶縁性多孔質樹脂と、貫通穴の壁面に付着した導電性金属とを備えることを特徴とするセンサ。
【選択図】図４

Description

本発明は、電極層間の相対的位置変化量を検出するセンサ、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量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り、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以下にすることは極めて困難であった。

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たセンサであって、導電体層は一方の電極層に対向する第一面から他方の電極層に対向する第二面に貫通する少なくとも一つの貫通穴を備えた電気絶縁性多孔質樹脂と、貫通穴の壁面に付着した導電性金属とを備えることを特徴とするセンサである。（請求項１）。

貫通穴は少なくとも一つあればよく、貫通穴が一つの場合は貫通穴断面の面積を０．０２２５ｍｍ^２以下より小さくすれば、導電体層や電極層の面積を０．０２２５ｍｍ^２以下より小さくすることができる。複数の貫通穴を形成するときは、貫通穴の径と数と密度を調整することにより、導電体層の面積を小さくできる。貫通穴断面の形状を同じ面積の円と仮定したときのその円の直径は、貫通穴の作製しやすさから好ましくは５μｍ以上であり、導電体層や電極層の面積を０．０２２５ｍｍ^２以下より小さくするために好ましくは８０μｍ以下であり、より好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下である。

電気絶縁性多孔質樹脂は導電性金属の保護材になるとともに、電気絶縁性多孔質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。

１５０μｍ以下の厚さの電気絶縁性多孔質樹脂を用いることにより、導電体層の厚さを１５０μｍ以下にすることができる。電気絶縁性多孔質樹脂の厚さは、電極も含めた厚さを１５０μｍ以下とするため、好ましくは１００μｍ以下である。

電気絶縁性多孔質樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、アラミド樹脂またはポリイミド樹脂であることが好ましい（請求項２）。これらの樹脂は耐熱性が高く、また電気絶縁性、耐薬品性にも優れるためである。

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３）。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４）。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は本発明の導電体層の一例を示す斜視模式図である。電気絶縁性多孔質樹脂８に、一方の電極層に対向する第一面から他方の電極層に対向する第二面に貫通する貫通穴７が設けられている。

図３は図２のＡ−Ａ’断面を模式的に示している。貫通穴７の壁面には導電性金属６が付着している。

図２または図３に示したような導電体層の両面に、電極層を貼り付けることによりセンサの検出部となる。電極層には、厚さが３０μｍ以下の金属板、金属箔などを用いることができる。図４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、電気絶縁性多孔質樹脂８と、電気絶縁性多孔質樹脂８の一方の電極層に対向する第一面から他方の電極層に対向する第二面に貫通する貫通穴７と、貫通穴７の壁面に付着した導電性金属６からなっている。導電性金属６は、多孔質構造の樹脂の表面に付着している。

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（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５（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５（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６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５および図６に示されているように、電気絶縁性多孔質樹脂８は微細繊維状組織による多孔質構造になっており、貫通穴壁面の微細繊維の表面に導電性金属６が付着している。

図５および図６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５（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５（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、導電体層６が圧縮される。その結果、電極層４の間の電流経路の断面積が増え、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。また、電極層面に垂直な方向の圧力により対向する電極層間が縮んだ状態になる場合、電極層と導電体層の接触面積の増加も生じて、接触抵抗が減少し、電極層間の電気抵抗値が小さくなる。

次に図５（ｃ）に示すように、対向する電極層間距離が伸びたときは、導電体層６が伸びる。その結果、電極層４の間の電流経路の断面積が減り、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。また、電極層面に垂直な方向の引っ張り力により対向する電極層間が伸びた状態になる場合、電極層と導電体層の接触面積の減少も生じて、接触抵抗が増加し、電極層間の電気抵抗値が大きくなる。

次に図６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、導電体層６が伸びる。その結果、電極層４の間の電流経路の断面積平行な方向の引っ張り力により電極層が変位する場合、電極層と導電体層の接触面積の減少も生じて、接触抵抗が増加し、電極層間の電気抵抗値が大きくなる。

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）
電気絶縁性多孔質樹脂を形成する好ましい合成樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン／パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン共重合体、エチレン／テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＦＴＥ）などのフッ素樹脂、及びポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍＰＰＥ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、アラミド樹脂、などを使用することができる。これらの中でも弾力性が高く、耐熱性に優れるポリテトラエチレン樹脂、アラミド樹脂又はポリイミド樹脂が好ましい。これらの樹脂は一種で使用しても良いし、複数の樹脂を組み合わせても良い。

電気絶縁性多孔質樹脂の厚さは、所望するセンサのサイズに応じて、５μｍ以上８００μｍ以下の範囲で適宜選択する。

電気絶縁性多孔質樹脂に貫通穴を形成する方法としては、例えば、マイクロドリルなどで機械的に加工する方法の他、化学エッチング法、熱分解法、レーザ光や軟Ｘ線照射によるアブレーション法（光アブレーション法）、超音波法などが挙げられる。多孔質ポリテトラフルオロエチレン樹脂を含む電気絶縁性多孔質樹脂を使用する場合には、特に光アブレーション法及び超音波法が好ましい。

光アブレーション法により貫通穴を形成する場合は、所定のパターン状にそれぞれの独
立した複数の光透過部（開口部）を有する光遮蔽シートを介して基膜の表面に光を照射することにより、パターン状の貫通穴を形成する方法を採用することが好ましい。光遮蔽シートの複数の開口部より光が透過して、積層体の被照射箇所がエッチングされて貫通穴が形成される。この方法によれば比較的小さな直径を有する貫通穴を形成することができる。光アブレーション法の照射光としては、シンクロトロン放射光又は波長２５０μｍ以下のレーザ光が好ましい。

超音波法では、先端部に少なくとも１本の振動子を有する超音波ヘッドを用いて、積層体に超音波エネルギーを加えることにより、パターン状の貫通穴を形成する。振動子の先端が接触した近傍のみに超音波エネルギーが加えられ、超音波による振動エネルギーによって局所的に温度が上昇し、容易に樹脂が切断、除去されて貫通穴が形成される。

貫通穴の形成に際し、多孔質ポリテトラフルオロエチレン樹脂の多孔質構造内にポリメチルメタクリレートなどの可溶性ポリマーまたはパラフィンを溶液または溶融状態で含浸させ、固化させてから穿孔する方法を採用することもできる。この方法によれば、貫通穴の壁面における多孔質構造を保持しやすいので好ましい。穿孔後、可溶性ポリマーまたはバラフィンは、溶解もしくは溶融させて除去することができる。

貫通穴の断面形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形、八角形、星型、など任意の形状が可能である。

貫通穴断面の形状を同じ面積の円と仮定したときのその円の直径は、５μｍ以上８００μｍ以下とする。マイクロドリルにより貫通穴を形成すると簡便であるが、その場合、貫通穴の直径は５０μｍ以上１５０μｍ以下とすることが好ましい。

導電性金属を貫通穴の壁面に付着させる方法としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、無電解めっき法などが挙げられる。効率良く導電性金属を析出させて付着させるには無電解めっき法が好ましい。

導電性金属の付着量を適度に制御することによって、付着した導電性金属での多孔質構造を保持することができる。導電性金属が多孔質構造の樹脂部の表面に沿って付着しているため、導電性金属が多孔質構造と一体となって多孔質構造となっている。

無電解めっき法では、通常、めっきを析出させたい箇所に化学還元反応を促進する触媒を付与する必要があり、触媒を付与した後、無電解めっき法により貫通穴の壁面に導電性金属を析出させる。触媒としては、塩化スズ-塩化パラジウムコロイド溶液等を用いることができる。また触媒を付与する前に、エタノールや界面活性剤等で前処理しておくことが好ましい。

導電性金属としては銅、ニッケル、ニッケル合金、金などが挙げられる。

図７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８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９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１ｍｍ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。本発明のセンサの導体層の一例を示す斜視模式図である。本発明のセンサの導体層の断面模式図である。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導電性金属
７貫通穴
８電気絶縁性多孔質樹脂
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たセンサであって、
前記導電体層は、一方の電極層に対向する第一面から他方の電極層に対向する第二面に貫通する少なくとも一つの貫通穴を備えた電気絶縁性多孔質樹脂と、前記貫通穴の壁面に付着した導電性金属とを備えることを特徴とするセンサ。
前記電気絶縁性多孔質樹脂は、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、アラミド樹脂またはポリイミド樹脂である請求項１に記載のセンサ。
請求項１または請求項２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または請求項２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。