JP2019109213A - 分布圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】２組の電極列を格子状に配置した間に感圧導電性シートを設けた分布圧力センサにおいて、分解能の低下が少ない分布圧力センサを提供する。【解決手段】検出面１１に加えられた力を計測可能な面状の分布圧力センサ１０であって、感圧導電性シート２０と、前記感圧導電性シートの第１表面２１に並列して設けられた第１電極３０と、前記感圧導電性シートの前記検出面側にある第２表面２２に、前記第１電極と平面視において交差するように並列して設けられた第２電極４０と、前記第２電極の表面を被覆し、少なくとも前記検出面の範囲内で前記第２電極と同じピッチＰ２で並列して設けられた第２樹脂層５０とを有する分布圧力センサ１０。【選択図】図１

Description

本発明は２次元的な圧力分布を計測可能な面状の圧力センサに関する。

ロボットハンドの把持面に貼着する触覚センサなどに、２組の電極列を格子状に配置した間に感圧抵抗体を設けた分布圧力センサが用いられている。感圧抵抗体として感圧導電性インクが使用されることがあるが、そのためには印刷機が必要となり、またセンサの形状・大きさに合わせて刷版を用意する必要があり、多品種を少量製造する場合にはコストが高くなるという問題がある。他方、感圧抵抗体として感圧導電性ゴムなどの感圧導電性エラストマーを使用すれば、シート状の素材を所望の形状・大きさに切断するだけでよいため、多品種を少量製造する場合にも低コストで実施できる。

しかし、感圧抵抗体として感圧導電性エラストマーのシートを用いると、力が局所的に加えられた場合でも加圧点側の電極が長手方向の広い範囲に亘って沈み込んで感圧導電性シートを圧縮するため、圧力分布の当該長手方向における分解能が低下するという問題があった（特許文献１の図２１）。

この問題に対して、特許文献１には、第一電極配線と第二電極配線との間に感圧導電性弾性体を備えることにより第一電極配線と第二電極配線との交点が圧力センサーを構成し、検出面側に配置された第二電極配線が前記圧力センサーの外の領域で屈曲又は湾曲する箇所を有する力検出器が記載されている。この構成により、一つの圧力センサーに加えられた力が第二電極配線を経由して隣の圧力センサーに伝播する事を抑制して、第二電極配線に沿った方向での計測分解能と検出感度との低下を抑制できるとされる。

特開２０１３−１０８７５４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された力検出器では、検出面である感圧導電性弾性体の第二電極配線が設けられた面の全体に対向基板（図１の１３）が積層されている。このため、検出面に圧力が加えられたときに対向基板が第二電極配線の長手方向および幅方向の広い範囲に亘って沈み込んで感圧導電性弾性体を圧縮するので、計測分解能の低下を抑制する効果が不十分であった。

本発明は上記を考慮してなされたものであり、２組の電極列を格子状に配置した間に感圧導電性シートを設けた分布圧力センサであって、圧力分布の分解能の低下に対してより大きな抑制効果を有する分布圧力センサを提供することを目的とする。

本発明の分布圧力センサは、検出面に加えられた力を計測可能な面状の分布圧力センサであって、感圧導電性シートと、前記感圧導電性シートの第１表面に並列して設けられた第１電極と、前記感圧導電性シートの前記検出面側にある第２表面に、前記第１電極と平面視において交差するように並列して設けられた第２電極と、前記第２電極の表面を被覆し、少なくとも前記検出面の範囲内で前記第２電極と同じピッチで並列して設けられた第２樹脂層とを有する。

好ましくは、前記第２樹脂層は、該第２樹脂層の一部が前記第２電極の縁からはみ出した外縁部を有する。

好ましくは、前記第２電極および前記第２樹脂層は、前記検出面に力が加えられたときに、該第２電極および該第２樹脂層の長手方向に発生する張力が緩和されるように変形し、当該力が除かれたときに復元可能な形状を有する。

さらに好ましくは、前記第２電極および前記第２樹脂層は、前記検出面に力が加えられたときに、該第２電極および該第２樹脂層の一部が該第２電極の長手方向に平行な軸の回りに捻じれるように変形する、

好ましくは、前記第１電極および前記第２電極の幅と並列のピッチとの比（幅／ピッチ）が、いずれも０．５以上である。

本発明の分布圧力センサによれば、第２樹脂層が第２電極の幅方向に連続していないので、検出面に力が局所的に加えられた場合でも、第２樹脂層が当該幅方向の広い範囲に亘って沈み込んで感圧導電性シートを圧縮することがない。これにより、計測分解能の低下を抑制できる。

本発明の一実施形態の分布圧力センサの、Ａ：平面図、Ｂ：ＡのＪＪ断面図である。 本発明の一実施形態の分布圧力センサの積層構造を説明するための図である。 本発明の一実施形態における第２電極の変形を説明するための図であって、Ａ：変形前の状態、Ｂ：加圧による変形時の状態、Ｃ：ＢのＫＫ断面を示す図である。 本発明の一実施形態における第２電極の変形を説明するための図であって、Ａ：変形前の状態、Ｂ：加圧による変形時の状態、Ｃ：ＢのＬＬ断面を示す図である。 ＡおよびＢ：第２電極の形状の他の例である。 一定の幅を有する帯状の電極の沈み込みを説明するための図である。

本発明の一実施形態の分布圧力センサについて、まずその構造を図１および図２に基づいて説明する。

図１および図２を参照して、本実施形態の分布圧力センサ１０は感圧導電性シート２０、第１電極３０、第１樹脂層３５、第２電極４０および第２樹脂層５０を有する。分布圧力センサ１０の第２樹脂層側が検出面１１である。各部材は、図２に示した順に、図示しない接着剤層等を挟んで積層される。なお、本明細書において、第２電極の長手方向を「Ｘ方向」、幅方向を「Ｙ方向」という。

分布圧力センサ１０は、ロボットハンドの把持面などの基板に、第１樹脂層３５を基板側にして貼着して用いられる。検出面１１に力が加えられると感圧導電性シート２０が厚さ方向に圧縮されて電気抵抗が減少するので、これを第１電極３０−第２電極４０間の電流値の変化として検知する。第１電極と第２電極の交差部がマトリクス状に配列されているので、各交差部の抵抗変化を検知することにより圧力分布が求められる。第１電極および第２電極の本数は目的に応じて増減できる。

感圧導電性シート２０としては、いわゆる導電ゴムシートなどの種々公知の感圧導電性エラストマーを用いることができる。感圧導電性シートの厚さは好ましくは０．１ｍｍ以上、より好ましくは０．３ｍｍ以上である。感圧導電性シートが薄すぎると使用時に断裂する可能性が高くなるからである。一方感圧導電性シートの厚さは好ましくは２ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下である。感圧導電性シートが厚すぎると後述する第２電極４０および第２樹脂層５０の変形量が大きくなり過ぎるからである。

第１電極３０は感圧導電性シート２０の第１表面２１に、一定の幅Ｗ１を有する帯状で、幅方向に一定のピッチＰ１で並列して設けられる。感圧導電性シート２０からはみ出た、検出面１１の範囲外にある第１電極の両端部３１には図示しない電気回路が接続される。第１電極は金属箔からなり、好ましくは銅箔からなり、より好ましくは圧延銅箔からなる。なお、本明細書において「銅」には「銅合金」を含む。第１電極の厚さは好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは３０μｍ以上である。第１電極が薄すぎると使用時に破断する可能性が高まるからである。一方、第１電極が厚くても性能面での問題は特にないが、第１電極の厚さは好ましくは２ｍｍ以下である。材料費を節減するためである。

第１樹脂層３５は、複数の第１電極３０および感圧導電性シート２０の第１表面２１の全体を覆っている。第１樹脂層は第１電極を保護する。第１樹脂層にはポリイミドやポリエステルなどの絶縁性フィルムを好適に用いることができる。第１樹脂層の厚さは好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは５０μｍ以上である。第１樹脂層が薄すぎると使用時に破断する可能性が高くなるからである。一方、第１樹脂層が厚くても性能面での問題は特にないが、第１樹脂層の厚さは好ましくは２ｍｍ以下である。材料費を節減するためである。

第２電極４０は、感圧導電性シート２０の検出面１１側にある第２表面２２に、平面視において第１電極３０と直交するように幅方向に並列して設けられる。図１Ａでは、第２電極は第２樹脂層５０の向こう側に隠れており、破線で示した。第２電極は環状部４２と連結部４５が交互に一列に繋ぎ合わされた形状を有する。この形状によって、検出面に力が局所的に加えられた場合でも、加圧点近傍の部位がＸ方向に平行な軸の回りに捻じれるように変形して、第２電極内に発生するＸ方向の張力が緩和される。

第２電極４０は幅（最大幅）Ｗ２を有し、幅方向に一定のピッチＰ２で並列して設けられる。感圧導電性シート２０からはみ出た、検出面１１の範囲外にある第２電極の両端部４１には図示しない電気回路が接続される。第２電極は金属箔からなり、好ましくは銅箔からなり、より好ましくは圧延銅箔からなる。第２電極の厚さは好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは３０μｍ以上である。第２電極が薄すぎると使用時に破断する可能性が高くなるからである。一方、第２電極の厚さは好ましくは１２０μｍ以下、より好ましくは８０μｍ以下である。第２電極が厚すぎると変形しにくくなるからである。

第１電極３０および第２電極４０に関して、それぞれの幅と並列のピッチとの比、Ｗ１／Ｐ１およびＷ２／Ｐ２が０．５以上であることが好ましい。同じピッチに対しては、幅を大きくすることで測定感度を向上できるからである。また、同じ幅に対しては、ピッチを小さくすることで測定の面方向の分解能を向上できるからである。

第２樹脂層５０は、第２電極４０の表面を被覆し、第２電極と同じピッチＰ２で並列して設けられる。したがって第２樹脂層も平面視において第１電極３０と直交するように、幅方向に並列して設けられている。第２樹脂層は第２電極を加圧体から絶縁及び保護する。

第２樹脂層５０は、環状部５２と連結部５５が交互に一列に繋ぎ合わされた、第２電極４０と類似の形状を有する。形状が類似であるとは、構成部分の寸法比率が異なることを無視すれば同じ形状であることをいう。この形状によって、検出面１１に力が局所的に加えられた場合でも、加圧点近傍の部位がＸ方向に平行な軸の回りに捻じれるように変形して、第２樹脂層内に発生するＸ方向の張力が緩和される。

また、第２樹脂層５０は、その一部が第２電極４０の縁からはみ出した外縁部５１を有する。外縁部は必須ではない。第２樹脂層が外縁部を有しない場合は、第２樹脂層は第２電極の表面を被覆するので、第２樹脂層と第２電極は同一の形状を有することになる。しかし、次の理由から、第２樹脂層が外縁部を有することが好ましい。第２電極の変形によって隣り合う電極同士が接触すると、分解能が低下したり、誤検出が発生する可能性がある。第２樹脂層が外縁部を有することにより電極変形時において隣り合う電極同士の接触を抑制できる。はみ出し量は、変形していない状態において隣り合う第２樹脂層同士が接触しない程度で適宜設計すればよく、好ましくは外縁部の幅は第２電極の縁から０．０１ｍｍ以上、より好ましくは０．０４ｍｍ以上である。一方、はみ出し量が大きすぎると変形の邪魔になるため、外縁部の幅は好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは０．１ｍｍ以下である。なお、外縁部の幅はすべての場所で一定である必要はなく、場所によって異なっていてもよい。

第２樹脂層５０には、引張強さや引張弾性率の高いポリイミドやポリエステルなどの絶縁性のフィルムを好適に用いることができる。これにより、第２電極４０が薄くても、第２電極が弾性変形領域を超えて伸びることを防止できる。第２樹脂層の厚さは好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは５０μｍ以上である。第２樹脂層が薄すぎると使用時に破断する可能性が高くなるからである。一方、第２樹脂層の厚さは好ましくは２００μｍ以下、より好ましくは１２０μｍ以下である。第２樹脂層が厚すぎると変形しにくくなるからである。

第１電極３０と第１樹脂層３５、ならびに第２電極４０と第２樹脂層５０の形成には、銅張積層フィルムを好適に利用することができる。銅張積層フィルムはフレキシブルプリント基板の製造に用いられるもので、銅箔と絶縁体であるポリイミド、ポリエステル等の樹脂フィルムが張り合わされた積層フィルムである。銅張積層フィルムの銅箔および樹脂層を所望のパターンに加工することで、本実施形態の第１電極と第１樹脂層、または第２電極と第２樹脂層を容易に形成できる。さらに、第２電極と第２樹脂層が同一の形状を有する場合は、第２電極と第２樹脂層を同時にパターン加工できるので、製造工程を簡略化できるという利点がある。

なお、分布圧力センサ１０は検出面１１の全体に保護フィルムやゴムカバー等の被覆材を設けてもよい。その場合、被覆材として感圧導電性シート２０と同等以上の伸縮性、あるいは同等以下の引張弾性率を有する被覆材を用いると、分解能の低下を避けることができるので好ましい。

次に、本実施形態の分布圧力センサ１０の作用を説明する。

まず図６を参照して、分布圧力センサ６０において検出面側の電極６１が一定の幅を有する帯状である場合、電極６１に力Ｆが局所的に加えられると、加圧点を含み、長手方向に広い範囲で電極６１が沈み込んで感圧導電性シート２０を圧縮する。これは、電極６１を構成する材料が伸縮性を有さず、長さを一定に維持しようとするため、電極６１内部に発生する張力ＴＳによって感圧導電性シートを押す力Ｃが働くためである。

これに対して、本実施形態の分布圧力センサ１０では、第２電極４０が変形することにより、第２電極が沈み込んで感圧導電性シート２０を圧縮する範囲を狭くできる。

図３Ａにおいて、第２電極４０の環状部４２ａの側端部４３に力Ｆが加えられたとする。図３ＢおよびＣを参照して、環状部４２ａは図３Ｂの右下方向、図３Ｃの手前方向から見て時計回りに回転する。このとき、環状部４２ａの両側の連結部４５ａ、４５ｂが、Ｘ方向に平行な軸Ｘ１の回りに捻じれるように変形している（Ｔ）。この変形により、第２電極のＸ方向の長さが変化することなく、第２電極内に発生するＸ方向の張力が緩和される。力Ｆが取り除かれると第２電極は元の形状に復元する。

図４Ａにおいて、第２電極４０の連結部４５ｃに力Ｆが加えられたとする。図４Ｂおよび図４Ｃを参照して、連結部４５ｃは沈み込む。このとき、連結部４５ｃの両側の環状部の４２ｃ、４２ｄは、側端部４３、４３が図４Ｂの右下方向、図４Ｃの手前方向から見てＸ方向に平行な軸Ｘ２の回りに反時計回りに、側端部４４、４４が同じ方向から見てＸ方向に平行な軸Ｘ３の回りに時計回りに捻じれるように変形する（Ｔ）。この変形により環状部４２ｃ、４２ｄの穴がＸ方向に伸びることで、第２電極のＸ方向の長さが伸びて、第２電極内に発生するＸ方向の張力が緩和される。力Ｆが取り除かれると第２電極は元の形状に復元する。

第２電極４０の形状が一定の周期性を有する場合は、その周期（図１のＰＰ）は、好ましくは第１電極３０の並列ピッチ（図１のＰ１）の２倍以下である。沈み込みがＸ方向に伝搬する距離を短くして、分解能の低下を抑制できるからである。

第２樹脂層５０を構成する材料も伸縮性を有しないので、第２電極４０についての上記説明は第２樹脂層にも当てはまる。特に、第２樹脂層として引張強さや引張弾性率の高い樹脂を使用する場合には、第２樹脂層の沈み込みが広範囲に及んで感圧導電性シート２０を圧縮することが問題となる。したがって、第２樹脂層が、面に垂直な方向から力が加えられたときに内部に発生する張力が緩和されるように変形し、その力が除かれたときに復元可能であることは極めて重要である。

以上の説明において、第２電極４０は環状部４２と連結部４５が交互に一列に繋ぎ合わされた形状を、第２樹脂層５０は環状部５２と連結部５５が交互に一列に繋ぎ合わされた、第２電極と類似の形状を有していたが、第２電極および第２樹脂層の形状はこれに限られない。

第２電極４０が一定の幅を有する帯状であっても、力が加えられたときの第２電極の沈み込みは、その長手方向（Ｘ方向）には伝搬するが、間隔を空けて隣り合う他の第２電極には伝搬しない。同様に、第２樹脂層５０が一定の幅を有する帯状であっても、少なくとも検出面１１の範囲内で第２電極と同じピッチＰ２で並列して設けられている場合は、幅方向（Ｙ方向）に連続していないので、力が加えられたときの第２樹脂層の沈み込みは間隔を空けて隣り合う他の第２樹脂層には伝搬しない。これにより、分布圧力センサ１０のＹ方向での分解能の低下が抑制される。

第２電極４０の形状が、検出面に力が加えられたときに第２電極内のＸ方向に発生する張力が緩和されるように変形可能であれば、第２電極の沈み込みはＸ方向においても広い範囲に及ぶことがない。そのためには、平面視において、第２電極上から逸脱せずに第２電極の両端を結ぶ直線が描けてはいけない。第２電極の形状は、図５ＡおよびＢに例示するように波型（４７）であったり、渦巻を連結した形状（４８）であってもよい。第２樹脂層５０についても同様である。これにより、分布圧力センサ１０のＸ方向およびＹ方向での分解能の低下が抑制される。

第２電極４０および第２樹脂層５０の形状は最も好ましくは、図１他に示したように、複数の環状部と、隣り合う環状部を繋ぐ連結部からなる。取り扱い時の過失によっても復元不能な塑性変形をしにくいからである。

本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態において、第１電極を第２電極と、第１樹脂層を第２樹脂層と同様に構成してもよい。すなわち、第１電極および第１樹脂層が、面に垂直な方向から力が加えられたときに内部に発生する張力が緩和されるように変形し、その力が除かれたときに復元可能な形状を有していてもよい。これにより分布圧力センサの両面から力が加えられた場合にも面方向の分解能の低下が抑制される。

１０ 分布圧力センサ
２０ 感圧導電性シート
２１ 感圧導電性シートの第１表面
２２ 感圧導電性シートの第２表面
３０ 第１電極
３１ 第１電極の両端部
３５ 第１樹脂層
４０ 第２電極
４１ 第２電極の両端部
４２ 環状部
４３、４４ 環状部の側端部
４５ 連結部
４７、４８ 第２電極
５０ 第２樹脂層
５１ 第２樹脂層の外縁部
５２ 環状部
５５ 連結部
６０ 分布圧力センサ
６１ 一定の幅を有する帯状の電極
Ｗ１ 第１電極の幅
Ｐ１ 第１電極の並列ピッチ
Ｗ２ 第２電極の幅
Ｐ２ 第２電極の並列ピッチ
ＰＰ 第２電極の繰り返しパターンの周期

Claims (5)

1. 検出面に加えられた力を計測可能な面状の分布圧力センサであって、
   感圧導電性シートと、
   前記感圧導電性シートの第１表面に並列して設けられた第１電極と、
   前記感圧導電性シートの前記検出面側にある第２表面に、前記第１電極と平面視において交差するように並列して設けられた第２電極と、
   前記第２電極の表面を被覆し、少なくとも前記検出面の範囲内で前記第２電極と同じピッチで並列して設けられた第２樹脂層とを有する、
   分布圧力センサ。
2. 前記第２樹脂層は、該第２樹脂層の一部が前記第２電極の縁からはみ出した外縁部を有する、
   請求項１に記載の分布圧力センサ。
3. 前記第２電極および前記第２樹脂層は、前記検出面に力が加えられたときに、該第２電極および該第２樹脂層の長手方向に発生する張力が緩和されるように変形し、当該力が除かれたときに復元可能な形状を有する、
   請求項１または２に記載の分布圧力センサ。
4. 前記第２電極および前記第２樹脂層は、前記検出面に力が加えられたときに、該第２電極および該第２樹脂層の一部が該第２電極の長手方向に平行な軸の回りに捻じれるように変形する、
   請求項３に記載の分布圧力センサ。
5. 前記第１電極および前記第２電極の幅と並列のピッチとの比（幅／ピッチ）が、いずれも０．５以上である、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の分布圧力センサ。

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