JP2020071072A - 感圧センサーおよびハンド - Google Patents
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Abstract
【課題】高荷重での測定の再現性の向上を図ることのできる感圧センサーおよびハンドを提供する。【解決手段】感圧センサーは、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置している導電性樹脂と、を有し、前記導電性樹脂は、第１領域と、前記第１領域とは、前記第１電極と前記第２電極とが並ぶ方向の厚さが異なっている第２領域と、を備え、前記第２領域は前記第１領域を囲んでいる。また、前記第２領域の前記厚さは、前記第１領域の前記厚さよりも厚い。また、前記第１電極と前記第２電極とが並ぶ方向からの平面視で、前記第１領域内に前記第１電極の中心が位置している。【選択図】図１
Description
本発明は、感圧センサーおよびハンドに関するものである。
特許文献１に記載されている感圧センサーは、基板と、基板の上面に配置された感圧抵抗体と、感圧抵抗体の上面に配置された電極基盤と、を有している。ここで、広い荷重範囲に亘って検出できることを目的として、感圧抵抗体は、厚さの異なる領域がストライプ状または格子状に配置されている。
しかしながら、特許文献１の感圧センサーでは、その構造上、高荷重での測定の再現性の向上を図ることが困難である。
本発明の感圧センサーは、第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に位置している導電性樹脂と、を有し、
前記導電性樹脂は、
第１領域と、
前記第１領域とは、前記第１電極と前記第２電極とが並ぶ方向の厚さが異なっている第２領域と、を備え、
前記第２領域は、前記第１領域を囲んでいることを特徴とする。
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に位置している導電性樹脂と、を有し、
前記導電性樹脂は、
第１領域と、
前記第１領域とは、前記第１電極と前記第２電極とが並ぶ方向の厚さが異なっている第２領域と、を備え、
前記第２領域は、前記第１領域を囲んでいることを特徴とする。
以下、本発明の感圧センサーおよびハンドを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る感圧センサーを示す断面図である。図２は、図１に示す感圧センサーの平面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」とも言い、下側を「下」とも言う。また、第１電極１１と第２電極１２とが並ぶ方向を「厚さ方向」とも言い、厚さ方向に沿った各部の長さを「厚さ」とも言う。
図１は、本発明の第１実施形態に係る感圧センサーを示す断面図である。図２は、図１に示す感圧センサーの平面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」とも言い、下側を「下」とも言う。また、第１電極１１と第２電極１２とが並ぶ方向を「厚さ方向」とも言い、厚さ方向に沿った各部の長さを「厚さ」とも言う。
図１に示す感圧センサー１は、第１電極１１と、第１電極１１と対向して配置された第２電極１２と、第１電極１１と第２電極１２との間に配置されたシート状の導電性樹脂１３と、第１電極１１を支持する第１支持シート１４と、第２電極１２を支持する第２支持シート１５と、を有する。このような構成の感圧センサー１では、物体との接触によって、感圧センサー１にその厚さ方向に沿った荷重Ｎが加わると、第１、第２電極１１、１２と導電性樹脂１３との間の接触面積が変化し、これに伴って、第１電極１１と第２電極１２との間の抵抗値が変化する。そのため、感圧センサー１は、第１電極１１と第２電極１２との間の抵抗値変化に基づいて、受けた荷重を検出することができる。以下、感圧センサー１の各部について順に説明する。
導電性樹脂１３は、樹脂混合物であり、ベースとなる絶縁性の樹脂１３１と導電性材料であるカーボンナノチューブ１３２とを含む感圧導電性樹脂で構成されている。すなわち、導電性樹脂１３は、樹脂１３１とカーボンナノチューブ１３２との混合物であり、樹脂１３１にカーボンナノチューブ１３２を混錬することにより形成されている。このような構成によれば、容易に導電性樹脂１３をシート状に成形することができ、感圧センサー１の薄型化および軽量化を図ることができる。なお、導電性樹脂１３は、例えば、射出成型、押出成形等で製造することができる。
導電性材料としてカーボンナノチューブ１３２を用いることにより、導電性樹脂１３の体積抵抗率が温度の影響を受け難くなり、温度変化による測定値の変動を低減することができる。そのため、例えば、過度な温度補正の必要がなく、受けた荷重を精度よく検出することができる。また、導電性材料としてカーボンナノチューブ１３２を用いることにより、例えば、導電性材料としてカーボンを用いた場合と比較して、比較的少ない含有量で、導電性樹脂１３の抵抗値（第１電極１１と第２電極１２との間の電気抵抗）を十分に下げることができる。そのため、カーボンナノチューブ１３２の含有量を抑えることができ、樹脂１３１との混練が容易となる。ただし、導電性材料としては、特に限定されず、例えば、カーボン、各種金属材料等を用いてもよい。
導電性樹脂１３中のカーボンナノチューブ１３２の含有量としては、特に限定されないが、例えば、２ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であることが好ましく、１０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であることがより好ましく、２０ｗｔ％以上２５ｗｔ％以下であることがさらに好ましい。これにより、導電性樹脂１３に適度な導電性を付与することができる。さらには、カーボンナノチューブ１３２の含有量が十分に抑えられ、導電性樹脂１３の機械的強度の低下を抑制することができる。
また、カーボンナノチューブ１３２の直径としては、特に限定されないが、例えば、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、１３０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下であることがより好ましい。また、カーボンナノチューブ１３２の長さとしては、特に限定されないが、例えば、２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上８μｍ以下であることがより好ましい。このような大きさの直径および長さとすることにより、カーボンナノチューブ同士の凝集を防ぎ、安定した抵抗値を得ることができる。そのため、感圧センサー１に加わる荷重をより精度よく検出することができる。なお、前記「直径」は、導電性樹脂１３中に含まれる複数のカーボンナノチューブ１３２の平均直径であり、前記「長さ」は、導電性樹脂１３中に含まれる複数のカーボンナノチューブ１３２の平均長さである。
また、樹脂１３１としては、特に限定されないが、例えば、荷重たわみ温度が１００℃以上であることが好ましい。なお、荷重たわみ温度とは、所定の荷重を与えた状態で、試料の温度を上げていき、たわみの大きさが一定の値になる温度を言い、この温度が高い程、高い耐熱性を有することを意味している。また、荷重たわみ温度は、ＪＩＳ ７１９１に準じた試験方法で測定することができる。これにより、高温環境下での導電性樹脂１３の弾性の低下を抑制することができ、感圧センサー１は、高温環境下においても常温環境下や低温環境下と同様の検出精度を発揮することができる。
また、樹脂１３１としては、特に限定されないが、例えば、ヤング率が１ＧＰａ以上であることが好ましく、１．５ＧＰａ以上であることがより好ましく、２ＧＰａ以上であることがさらに好ましい。これにより、より硬い導電性樹脂１３となるため、感圧センサー１の機械的強度を高めることができる。また、導電性樹脂１３の経時的な変形やへたりが抑えられ、経時的な検出特性の低下や変動を抑制することができる。
また、樹脂１３１としては、特に限定されないが、熱可塑性樹脂であることが好ましい。これにより、樹脂１３１とカーボンナノチューブ１３２との混練が容易となり、分散性もよくなるため、導電性樹脂１３の製造が容易となる。熱可塑性樹脂としては、特に限定されず、例えば、ＡＢＳ樹脂、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を混合して用いることができる。
これらの中でも、樹脂１３１は、ＰＣ（ポリカーボネート）を含んでいることが好ましい。樹脂１３１がＰＣを含むことにより、安価で、取り扱い易く、樹脂１３１とカーボンナノチューブ１３２との混練も容易となる。また、導電性樹脂１３を硬くし易い。そのため、単位面積当たりの許容荷重が大きくなり、感圧センサー１の機械的強度を高めることができると共に、測定可能範囲を広く確保することもできる。また、導電性樹脂１３の経時的な変形やへたりが抑えられ、経時的な検出特性の低下や変動を抑制することができる。なお、樹脂１３１中のＰＣの含有量としては、特に限定されないが、例えば、５０ｗｔ％以上であることが好ましく、７５ｗｔ％以上であることがより好ましく、９５ｗｔ％以上であることがさらに好ましい。これにより、上述した効果をより顕著に発揮することができる。
また、導電性樹脂１３のヤング率としては、特に限定されないが、例えば、樹脂１３１のヤング率の１．５倍以上２倍以下であることが好ましい。具体的には、導電性樹脂１３のヤング率としては、例えば、４ＧＰａ以上６ＧＰａ以下であることが好ましい。これにより、導電性樹脂１３が十分に硬くなり、より高荷重まで検出することができる。また、導電性樹脂１３が過度に硬くなってしまうことを抑制することができ、低荷重のときに検出特性が低下することを効果的に抑制することができる。
以上のような構成の導電性樹脂１３は、中央部に位置する第１領域１３３と、第１領域１３３の周囲に配置され、第１領域１３３の全周を囲む第２領域１３４と、を有している。また、図２に示すように、第１領域１３３の輪郭は、円形となっている。このように、第１領域１３３の輪郭を円形とすることにより、第１領域１３３の全域に偏りなく荷重が加わり易くなるため、導電性樹脂１３全体でより精度よく受けた荷重を検出することができる。なお「円形」とは、真円と一致する場合の他、製造上生じ得る小さな誤差等を有し、真円から若干崩れた円形、長円、楕円等を含む意味である。
また、図１に示すように、第１領域１３３の平均の厚さをｔ１、第２領域１３４の平均の厚さをｔ２としたとき、ｔ１とｔ２とが異なっており、本実施形態では、ｔ１＜ｔ２の関係となっている。このような構成では、実質的に荷重を受けていない自然状態や比較的小さい荷重を受けている状態、すなわち低荷重状態では、第１領域１３３と第１、第２電極１１、１２との間に隙間Ｓがあるためこれらの接触面積が殆ど変化せず、主に第２領域１３４と第１、第２電極１１、１２との接触面積が変化する。これに対して、比較的大きい荷重を受けている状態では、第１領域１３３と第１、第２電極１１、１２との間の隙間Ｓがなくなるかまたは小さくなり、第１、第２領域１３３、１３４と第１、第２電極１１、１２との接触面積が変化する。このように、荷重の増加に伴って第２領域１３４と第１、第２電極１１、１２との接触面積が変化する状態（第１状態）から第１、第２領域１３３、１３４と第１、第２電極１１、１２との接触面積が変化する状態（第２状態）へ移行することにより、特に、第２状態における抵抗値変化率を大きく保つことができる。そのため、高荷重側の計測レンジが広くなり、高荷重側においても精度よく荷重を検出することができると共に、検出の再現性が向上する感圧センサー１が得られる。なお、低荷重状態において、第１領域１３３は、第１、第２電極１１、１２と接触していなくてもよいし、その表面粗さ等によっては、一部が第１、第２電極１１、１２と接触していてもよい。
特に、本実施形態では、ｔ１＜ｔ２の関係を満足し、外側にある第２領域１３４が内側にある第１領域１３３よりも厚くなっているため、導電性樹脂１３の全域に偏りなく荷重が加わり易くなる。そのため、上述した効果をより顕著に発揮することができる。ただし、これに限定されず、例えば、ｔ１＞ｔ２の関係を満足していてもよい。このような関係を満足することでも、ｔ１＜ｔ２の場合と同様に、ｔ１≠ｔ２とすることにより発揮される上述の効果が得られる。
また、第１領域１３３と第２領域１３４とは別体で形成されている。つまり、第２領域１３４と第１領域１３３とを別々に形成し、第２領域１３４の中央に形成した貫通孔１３４ｄに第１領域１３３を挿入することにより、導電性樹脂１３が形成されている。このように、第１領域１３３と第２領域１３４とを別体で形成することにより、導電性樹脂１３を製造し易くなる。ただし、これに限定されず、例えば、第１領域１３３と第２領域１３４とが一体で形成されていてもよい。
なお、第１領域１３３および第２領域１３４は、それぞれ、同じ材料で構成されていてもよいし、異なる材料で構成されていてもよいが、同じ材料で構成されていることが好ましい。これにより、導電性樹脂１３の製造がより容易で安価となる。また、本実施形態では、貫通孔１３４ｄの内径と、第１領域１３３の外径とがほぼ一致しており、第１領域１３３の外周面が貫通孔１３４ｄの内周面と接しているが、これに限定されず、貫通孔１３４ｄの内径よりも第１領域１３３の外径が小さく、第１領域１３３の外周面が貫通孔１３４ｄの内周面と離間していてもよい。
また、第１領域１３３および第２領域１３４の表面粗さＲａとしては、それぞれ、特に限定されないが、例えば、５μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以下であることがより好ましく、２μｍ以下であることがさらに好ましい。このような大きさの表面粗さＲａとすることにより、自然状態において第１、第２領域１３３、１３４と第１、第２電極１１、１２とを適度に接触させることができ、例えば、荷重の増加と共にこれらの接触面積をスムーズに増加させることができる。そのため、より広い検出レンジとより高い検出精度とを有する感圧センサー１が得られる。また、このような大きさの表面粗さＲａは、第１、第２領域１３３、１３４を射出成型、押出成形等で製造することにより、容易に実現することができる。なお、第１領域１３３と第２領域１３４とで表面粗さＲａが同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、上面１３３ａ、１３４ａと下面１３３ｂ、１３４ｂとで表面粗さＲａが同じであってもよいし、異なっていてもよい。
また、第１領域１３３の上面１３３ａは、第２領域１３４の上面１３４ａよりも下側に位置し、第１領域１３３の下面１３３ｂは、第２領域１３４の下面１３４ｂよりも上側に位置している。つまり、上面１３３ａ、１３４ａの間には段差が形成されており、下面１３３ｂ、１３４ｂの間にも段差が形成されている。特に、本実施形態では、第１領域１３３の厚さ方向の中心と第２領域１３４の厚さ方向の中心とが同一面上に位置し、上面１３３ａ、１３４ａの平均離間距離ｄ１と下面１３３ｂ、１３４ｂの平均離間距離ｄ２とが等しい。つまり、ｄ１≒ｄ２の関係、特に、ｄ１＝ｄ２の関係を満足している。これにより、感圧センサー１が上下対称の形状となり、配置の向きによる検出特性の異なりを抑制することができる。つまり、第１支持シート１４側を対象物の表側に向けて配置しても第２支持シート１５を対象物の表側に向けて配置しても、同様の検出特性を発揮することができる。ここで、前記「等しい」とは、ｄ１とｄ２との差が±５％以内である場合を含む意味である。
ただし、これに限定されず、ｄ１＜ｄ２であってもよいし、ｄ１＞ｄ２であってもよい。ｄ１＜ｄ２の場合は、例えば、上面１３３ａ、１３４ａの間に段差が形成されていてもよいし、上面１３３ａ、１３４ａが面一となっていてもよい。同様に、ｄ１＞ｄ２の場合は、例えば、下面１３３ｂ、１３４ｂの間に段差が形成されていてもよいし、下面１３３ｂ、１３４ｂが面一となっていてもよい。このような構成によっても、本実施形態と同様の効果を発揮することができる。
平均離間距離ｄ１、ｄ２としては、特に限定されないが、第１、第２領域１３３、１３４の表面粗さＲａよりも大きいことが好ましい。具体的には、前述したように、表面粗さＲａが５μｍ以下であれば、ｄ１、ｄ２≧７μｍであることが好ましく、ｄ１、ｄ２≧１０μｍであることがより好ましい。これにより、第１領域１３３と第２領域１３４との間に形成された段差が第１、第２領域１３３、１３４の表面の凹凸に紛れてしまい、自然状態において第１領域１３３が第１、第２電極１１、１２の表面と過剰に接触してしまうことを抑制することができる。そのため、高荷重側の計測レンジが広く、高荷重側においても精度よく荷重を検出することができると共に、検出の再現性を向上させることができる感圧センサー１をより確実に実現することができる。ここで、平均離間距離ｄ１、ｄ２は、（ｔ２−ｔ１）／２で算出することができる。
また、第１領域１３３および第２領域１３４の平均厚さとしては、それぞれ、特に限定されないが、例えば、５０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、８０μｍ以上１２０μｍ以下であることがより好ましく、９０μｍ以上１１０μｍ以下であることがさらに好ましい。これにより、その機能を十分に発揮することができ、かつ、十分に薄い導電性樹脂１３となる。そのため、感圧センサー１の検出特性を維持しつつ、感圧センサー１の小型化を図ることができる。なお、厚さｔ１、ｔ２は、それぞれ、例えば、株式会社ミツトヨ製「シックネスゲージ：Ｎｏ５４７−４０１（ダイヤルゲージ応用測定器）」を用い、測定子：φ６．３フラット、測定力：３．５Ｎ以下で測定したときの厚さとすることができる。
また、第１、第２領域１３３、１３４は、それぞれ、第１電極１１と第２電極１２とに挟まれた領域中の１０％以上を占有していることが好ましく、２０％以上を占有していることがより好ましく、３０％以上を占有していることがさらに好ましい。つまり、厚さ方向からの平面視で、第１電極１１と第２電極１２とに挟まれた領域中に占める第１領域１３３の面積と第２領域１３４の面積との比は、１０：９０から９０：１０の間であることが好ましく、２０：８０から８０：２０の間であることがより好ましく、３０：７０から７０：３０の間であることがさらに好ましい。これにより、第１、第２領域１３３、１３４のいずれかの面積が過度に小さくなることを抑制でき、上述した効果をより顕著に発揮することができる。
以上、導電性樹脂１３について説明した。本実施形態では、上述したように、導電性樹脂１３が第１領域１３３と、この周囲に配置された第２領域１３４と、を有する構成となっているが、これに限定されず、例えば、さらに、第２領域１３４の周囲に配置された第３領域、第３領域の周囲に配置された第４領域またはそれ以上の領域を有していてもよい。また、本実形態では、第１領域１３３と第２領域１３４との間に形成される段差が厚さ方向に沿って垂直に切り立っているが、段差としてはこれに限定されず、例えば、厚さ方向に対して傾斜していてもよい。言い換えると、導電性樹脂１３は、第２領域１３４と第１領域１３３との間に、第２領域１３４から第１領域１３３に向けて厚さが漸減するテーパー部を有していてもよい。
また、第１電極１１および第２電極１２は、導電性樹脂１３を間に挟み込むようにして図１中の上下方向に離間して配置されている。本実施形態では、導電性樹脂１３の上面側に第１電極１１が配置されており、下面側に第２電極１２が配置されている。このような配置とすることにより、第１、第２電極１１、１２を互いに邪魔することなく配置することができるため、第１、第２電極１１、１２の配置の自由度が向上する。また、第１、第２電極１１、１２をそれぞれより大きく形成することができる。また、導電性樹脂１３の厚さ方向に電気が流れるため、電流経路が安定し、より精度よく荷重を検出することができる。
また、第１電極１１は、導電性樹脂１３の上面と接合されることなく接触しており、第２電極１２は、導電性樹脂１３の下面と接合されることなく接触している。このように、第１電極１１および第２電極１２を導電性樹脂１３の主面と接合しないことにより、荷重に応じて第１、第２電極１１、１２と導電性樹脂１３との接触抵抗が変化し易くなる。
また、第１、第２電極１１、１２は、それぞれ、輪郭が円形であり、厚さ方向からの平面視で、導電性樹脂１３の第１領域１３３と同心的に配置されている。つまり、厚さ方向からの平面視で、第１、第２電極１１、１２の中心が第１領域１３３の内側に位置している。これにより、第１、第２電極１１、１２の間に導電性樹脂１３を偏りなく配置することができる。そのため、荷重の増加に伴う第１状態から第２状態への移行がよりスムーズとなり、より優れた検出精度を有する感圧センサー１となる。ただし、これに限定されず、厚さ方向からの平面視で、第１、第２電極１１、１２の中心が第１領域１３３の外側に位置していてもよい。また、第１、第２電極１１、１２の輪郭は、円形でなくてもよい。また、第１、第２電極１１、１２の輪郭は、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。
第１電極１１および第２電極１２の構成材料としては、導電性を有していれば、特に限定されず、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）等の各種金属、またはこれらのうちの少なくとも１種を含む合金等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば積層構造として）用いてもよい。
また、図１に示すように、第１支持シート１４は、第１電極１１の上面側に位置している。そして、第１支持シート１４の下面に第１電極１１が設けられ、第１支持シート１４が有する図示しない配線と第１電極１１とが電気的に接続されている。これにより、第１電極１１を簡単に引き出すことができる。ただし、第１支持シート１４は、省略してもよい。
同様に、第２支持シート１５は、第２電極１２の下面側に位置している。そして、第２支持シート１５の上面に第２電極１２が設けられ、第２支持シート１５が有する図示しない配線と第２電極１２とが電気的に接続されている。これにより、第２電極１２を簡単に引き出すことができる。ただし、第２支持シート１５は、省略してもよい。
このような第１支持シート１４および第２支持シート１５としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、フレキシブルプリント配線基板、リジッドプリント配線基板等の各種プリント基板を用いることができる。本実施形態では、第１支持シート１４および第２支持シート１５は、それぞれ、フレキシブルプリント配線基板で構成されており、互いの外縁部が接着剤１９を介して接合されている。これにより、第１支持シート１４と第２支持シート１５との間に導電性樹脂１３が挟み込まれ、感圧センサー１の分解が抑制されている。
以上、感圧センサー１について簡単に説明した。このような感圧センサー１は、前述したように、第１電極１１と、第２電極１２と、第１電極１１と第２電極１２との間に位置している導電性樹脂１３と、を有している。また、導電性樹脂１３は、第１領域１３３と、第１領域１３３とは、第１電極１１と第２電極１２とが並ぶ方向すなわち図１中の上下方向の厚さが異なっている第２領域１３４と、を備えている。つまり、第１領域１３３の厚さｔ１と第２領域１３４の厚さｔ２とが異なっている。そして、第２領域１３４は、第１領域１３３を囲んでいる。このような構成とすることにより、前述したように、荷重の増加に伴って、第２領域１３４と第１、第２電極１１、１２との接触面積が変化する第１状態から第１、第２領域１３３、１３４と第１、第２電極１１、１２との接触面積が変化する第２状態へ移行するため、特に、第２状態における抵抗値変化率を大きく保つことができる。そのため、高荷重側の計測レンジが広くなり、高荷重側においても精度よく荷重を検出することができると共に、検出の再現性が向上する感圧センサー１が得られる。
また、前述したように、第２領域１３４の厚さｔ２は、第１領域１３３の厚さｔ１よりも厚い。すなわち、ｔ２＞ｔ１の関係を満足している。これにより、外側にある第２領域１３４が内側にある第１領域１３３よりも厚くなるため、導電性樹脂１３の全域に偏りなく荷重が加わり易くなる。
また、前述したように、第１電極１１と第２電極１２とが並ぶ方向、すなわち、厚さ方向からの平面視で、第１領域１３３内に第１電極１１の中心が位置している。同様に、厚さ方向からの平面視で、第１領域１３３内に第２電極１２の中心が位置している。これにより、第１、第２電極１１、１２の間に導電性樹脂１３を偏りなく配置することができる。そのため、荷重の増加に伴う第１状態から第２状態への移行がよりスムーズとなり、より優れた検出精度を有する感圧センサー１となる。
また、前述したように、導電性樹脂１３は、カーボンナノチューブ１３２を含んでいる。これにより、導電性樹脂１３の体積抵抗率が温度の影響を受け難くなり、温度変化による測定値の変動を低減することができる。そのため、例えば、過度な温度補正の必要がなく、受けた荷重を精度よく検出することができる。
また、前述したように、第１領域１３３と第２領域１３４とは、別体で構成されている。このように、第１領域１３３と第２領域１３４とを別体で形成することにより、導電性樹脂１３を製造し易くなる。
また、前述したように、第１電極１１と第２電極１２とが並ぶ方向からの平面視で、第１領域１３３の輪郭は、円形である。このように、第１領域１３３の輪郭を円形とすることにより、第１領域１３３の全域に偏りなく荷重が加わり易くなる。そのため、荷重の増加に伴う第１状態から第２状態への移行がよりスムーズとなり、より優れた検出精度を有する感圧センサー１となる。
また、前述したように、第１領域１３３の厚さｔ１と第２領域１３４の厚さｔ２の差は、第１領域１３３の表面粗さＲａおよび第２領域１３４の表面粗さＲａよりも大きい。また、第１領域１３３と第２領域１３４との主面同士の間に形成されている段差は、第１領域１３３の表面粗さＲａおよび第２領域１３４の表面粗さＲａよりも大きい。すなわち、上面１３３ａ、１３４ａの平均離間距離ｄ１は、上面１３３ａ、１３４ａの表面粗さＲａよりも大きく、下面１３３ｂ、１３４ｂの平均離間距離ｄ２は、下面１３３ｂ、１３４ｂの表面粗さＲａよりも大きい。これにより、第１領域１３３と第２領域１３４との間に形成された段差が第１、第２領域１３３、１３４の表面の凹凸に紛れてしまい、自然状態において第１領域１３３が第１、第２電極１１、１２の表面と過剰に接触してしまうことを抑制することができる。そのため、高荷重側の計測レンジが広く、高荷重側においても精度よく荷重を検出することができると共に、検出の再現性を向上させることができる感圧センサー１をより確実に実現することができる。
＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態に係る感圧センサーを示す平面図である。
図３は、本発明の第２実施形態に係る感圧センサーを示す平面図である。
本実施形態に係る感圧センサー１は、主に、導電性樹脂１３の第１領域１３３の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の感圧センサー１と同様である。以下の説明では、第２実施形態の感圧センサー１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図３では、前述した第１実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
図３に示すように、厚さ方向からの平面視で、第１領域１３３の輪郭は、正四角形（正方形）となっている。すなわち、第１電極１１と第２電極１２とが並ぶ方向からの平面視で、第１領域１３３の輪郭は、正多角形である。このような形状としても、前述した第１実施形態と同様に、第１領域１３３の全域に偏りなく荷重が加わり易くなる。そのため、荷重の増加に伴う第１状態から第２状態への移行がよりスムーズとなり、より優れた検出精度を有する感圧センサー１となる。なお、第１領域１３３の輪郭は、正多角形であれば正四角形に限定されず、正三角形、正五角形、正六角形等であってもよい。また、前記「正多角形」とは、正多角形と一致するものの他にも、例えば、製造上生じ得る誤差により、正多角形から若干崩れた形状を含む意味である。
以上のような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
＜第３実施形態＞
図４は、本発明の第３実施形態に係る感圧センサーを示す平面図である。
図４は、本発明の第３実施形態に係る感圧センサーを示す平面図である。
本実施形態に係る感圧センサー１は、主に、導電性樹脂１３の第２領域１３４の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態の感圧センサー１と同様である。以下の説明では、第３実施形態の感圧センサー１に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図４では、前述した第１実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。
図４に示すように、第２領域１３４は、第１領域１３３の周方向に沿って３つ配置されている。また、３つの第２領域１３４は、それぞれ、第１領域１３３の周方向に等間隔に配置され、かつ、互いに離間している。このように、第１領域１３３の周囲に複数の第２領域１３４を配置することによっても、言い換えると、第２領域１３４を第１領域１３３の周囲の一部だけを囲む構成としても、前述した第１実施形態と同様に、高荷重側の計測レンジが広くなり、高荷重側においても精度よく荷重を検出することができると共に、検出の再現性が向上する感圧センサー１が得られる。
なお、第１領域１３３の周囲に配置する第２領域１３４の数としては、３つ以上であれば、特に限定されず、例えば、４つであってもよいし、５つであってもよいし、６つであってもよい。また、本実施形態では、３つの第２領域１３４が互いに同じ形状となっているが、これに限定されず、少なくとも１つの第２領域１３４が他の第２領域１３４と形状が異なっていてもよい。また、本実施形態では、３つの第２領域１３４が互いに等間隔で配置されているが、これに限定されず、不規則に配置されていてもよい。
以上のような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
＜第４実施形態＞
図５は、本発明の第４実施形態に係るハンドを示す平面図である。図６は、図５に示すハンドが有する指部の断面図である。図７は、図６に示す指部に配置された感圧センサーの断面図である。図８および図９は、それぞれ、感圧センサーが荷重を検出する仕組みを説明するための断面図である。
図５は、本発明の第４実施形態に係るハンドを示す平面図である。図６は、図５に示すハンドが有する指部の断面図である。図７は、図６に示す指部に配置された感圧センサーの断面図である。図８および図９は、それぞれ、感圧センサーが荷重を検出する仕組みを説明するための断面図である。
図５に示すハンド２は、例えば、ロボット等に装着された状態で使用され、対象物を両側から挟み込んで把持することのできるハンドである。ハンド２は、ベース３０と、ベース３０に対してスライド可能に支持された一対のスライダー３１、３２と、スライダー３１、３２に固定された指部４、５と、スライダー３１、３２をスライドさせるモーター６、７と、を有している。
スライダー３１、３２は、それぞれ、スライドガイドＳＧを介してベース３０に支持され、ベース３０に対して図中の矢印方向にスライド可能となっている。また、スライダー３１にはモーター６が接続されており、モーター６の駆動によってスライダー３１がスライドする。同様に、スライダー３２にはモーター７が接続されており、モーター７の駆動によってスライダー３２がスライドする。モーター６、７としては、特に限定されず、例えば、圧電モーターを用いることができる。このように、モーター６、７によってスライダー３１、３２を移動させることにより、指部４、５で対象物を把持したり、把持した対象物をリリースしたりすることができる。
以下、指部４、５について説明するが指部４、５は、互いに同様の構成であるため、以下では、指部４について代表して説明し、指部５については、その説明を省略する。図６に示すように、指部４は、スライダー３１に固定された固定部４１と、固定部４１に固定された爪部４２と、を有している。また、固定部４１は、スライダー３１にねじ止めされた基部４１１と、基部４１１に接続された応力伝達部４１２と、を有している。また、応力伝達部４１２は、基部４１１と空隙を隔てて対向配置された変位部４１３と、変位部４１３の一端部と基部４１１とを接続する接続部４１４と、を有している。変位部４１３に応力が加わると、変位部４１３が接続部４１４を支点にして基部４１１に対して変位するようになっている。なお、固定部４１とスライダー３１との固定方法は、ねじ止めに限定されない。
爪部４２は、変位部４１３にねじ止めされ、指部５側に向けて斜めに延びている。また、爪部４２は、基部４１１と空隙Ｇを隔てて対向する基部４２１を有する。そして、基部４１１と基部４２１との間に感圧センサー１が配置されている。なお、爪部４２と変位部４１３との固定方法は、ねじ止めに限定されない。
図７に示すように、感圧センサー１は、第１基板１６と、第１基板１６と対向配置され、基部４１１を兼ねる第２基板１７と、第１基板１６と第２基板１７との間に配置されたシート状の導電性樹脂１３と、第１基板１６と導電性樹脂１３との間に配置された第１電極１１と、第１基板１６と第１電極１１との間に位置する第１支持シート１４と、第２基板１７と導電性樹脂１３との間に配置された第２電極１２と、第２基板１７と第２電極１２との間に位置する第２支持シート１５と、第１電極１１、導電性樹脂１３および第２電極１２の積層体である積層体１０を与圧する与圧部１８と、を有している。
与圧部１８は、１本のねじ１８０を有し、ねじ１８０は、爪部４２の基部４２１に螺号しており、ねじ１８０を締め込むことにより、ねじ１８０の先端部において第１基板１６が押圧され、これにより、積層体１０が与圧される。このような構成によれば、ねじ１８０の締め込み量を調整することにより、積層体１０への与圧の大きさを簡単に調整することができる。
このような構成によれば、例えば、爪部４２、５２の先端で対象物を押圧するような動作を行った場合等、図８に示すように、爪部４２に矢印Ａ１の応力が加わった際には、接続部４１４を支点にして変位部４１３が矢印Ａ２に示すように変位する。そのため、基部４１１と基部４２１との間の空隙Ｇのギャップが広がり、それに伴って、導電性樹脂１３に加わる力が減少する。一方、例えば、爪部４２、５２で対象物を把持する動作を行った場合等、図９に示すように、爪部４２に矢印Ｂ１の応力が加わった際には、接続部４１４を支点にして変位部４１３が矢印Ｂ２に示すように変位する。そのため、基部４１１と基部４２１との間の空隙Ｇのギャップが縮まり、それに伴って、導電性樹脂１３に加わる力が増大する。したがって、このような構成によれば、例えば、爪部４２、５２の先端で対象物を押圧する動作により加わる力と、爪部４２、５２で対象物を把持する動作により加わる力と、を判別することができると共に、それらの力を精度よく検出することができる。
以上のように、ハンド２は、感圧センサー１を有している。すなわち、ハンド２は、第１電極１１と、第２電極１２と、第１電極１１と第２電極１２との間に位置している導電性樹脂１３と、を有している。また、導電性樹脂１３は、第１領域１３３と、第１領域１３３とは、第１電極１１と第２電極１２とが並ぶ方向の厚さが互いに異なっている第２領域１３４と、を備えている。すなわち、第１領域１３３の厚さｔ１と第２領域１３４の厚さｔ２とが異なっている。そして、第２領域１３４は、第１領域１３３を囲んでいる。このような構成とすることにより、前述したように、荷重の増加に伴って、第２領域１３４と第１、第２電極１１、１２との接触面積が変化する第１状態から第１、第２領域１３３、１３４と第１、第２電極１１、１２との接触面積が変化する第２状態へ移行するため、特に、第２状態における抵抗値変化率を大きく保つことができる。そのため、高荷重側の計測レンジが広くなり、高荷重側においても精度よく荷重を検出することができると共に、検出の再現性が向上するハンド２が得られる。
なお、ハンド２の構成としては、特に限定されない。例えば、本実施形態のハンド２では、２つの指部４、５を有しているが、指部の数としては、これに限定されず、１本であってもよいし、３本以上であってもよい。また、本実施形態のハンド２では、指部４、５がそれぞれ感圧センサー１を有しているが、これに限定されず、いずれか一方を省略してもよい。すなわち、複数の指部を有する場合、少なくとも１つの指部に感圧センサー１が配置されていればよい。また、本実施形態のハンド２では、指部４、５に感圧センサー１が配置されているが、感圧センサー１の配置としては、これに限定されず、例えば、ベース３０に配置されていてもよい。
以上、本発明の感圧センサーおよびハンドについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
まず、以下のように、比較例および実施例１〜３の感圧センサーを得た。
≪比較例≫
厚さ１００μｍの導電性樹脂を第１、第２電極で挟み込んで感圧センサーを得た。
厚さ１００μｍの導電性樹脂を第１、第２電極で挟み込んで感圧センサーを得た。
≪実施例１≫
厚さ１００μｍの第２領域と厚さ９０μｍの第１領域とを有する導電性樹脂を第１、第２電極で挟み込んで感圧センサーを得た。なお、第１領域は円形であり、その直径は７ｍｍであった。また、第１、第２電極は、それぞれ、第１領域と同心的に配置された円形であった。
厚さ１００μｍの第２領域と厚さ９０μｍの第１領域とを有する導電性樹脂を第１、第２電極で挟み込んで感圧センサーを得た。なお、第１領域は円形であり、その直径は７ｍｍであった。また、第１、第２電極は、それぞれ、第１領域と同心的に配置された円形であった。
≪実施例２≫
第１領域の直径が８ｍｍであること以外、前述した実施例１と同様である。
第１領域の直径が８ｍｍであること以外、前述した実施例１と同様である。
≪実施例３≫
第１領域の直径が９ｍｍであること以外、前述した実施例１と同様である。
第１領域の直径が９ｍｍであること以外、前述した実施例１と同様である。
そして、これら比較例および実施例１〜３について荷重と第１、第２電極間の抵抗値変化率との関係を測定し、その結果を図１０および下記の表１に示す。なお、抵抗変化率は、荷重が１０倍になった時に抵抗値が変化した割合と定義し、近似した累乗関数から以下の式を用いて計算することができる。つまり、第１、第２電極間の抵抗値をＲとし、荷重をＦとしたとき、近似した累乗関数Ｒは、Ｒ＝ａＦｂ（ただし、ａ、ｂは定数）、抵抗変化率ｃは、ｃ＝１０ｂ−１で表すことができる。同図および同表から分かるように、実施例１〜３は、いずれも、比較例と比べて抵抗値変化率が十分に大きい。そのため、前述したように、従来と比較して、高荷重側の計測レンジが広くなり、高荷重側においても精度よく荷重を検出することができると共に、検出の再現性が向上する感圧センサーが得られることが分かる。
次に、以下のように実施例４〜７の感圧センサーを得た。
≪実施例４≫
厚さ１０５μｍの第２領域と厚さ９０μｍの第１領域とを有する導電性樹脂を第１、第２電極で挟み込んで感圧センサーを得た。なお、なお、第１領域は円形であり、その直径は７ｍｍであった。また、第１、第２電極は、それぞれ、第１領域と同心的に配置された円形であった。
厚さ１０５μｍの第２領域と厚さ９０μｍの第１領域とを有する導電性樹脂を第１、第２電極で挟み込んで感圧センサーを得た。なお、なお、第１領域は円形であり、その直径は７ｍｍであった。また、第１、第２電極は、それぞれ、第１領域と同心的に配置された円形であった。
≪実施例５≫
第１領域の厚さが９５μｍであること以外、前述した実施例４と同様である。
第１領域の厚さが９５μｍであること以外、前述した実施例４と同様である。
≪実施例６≫
第１領域の厚さが１００μｍであること以外、前述した実施例４と同様である。
第１領域の厚さが１００μｍであること以外、前述した実施例４と同様である。
≪実施例７≫
第１領域の厚さが１１０μｍであること以外、前述した実施例４と同様である。
第１領域の厚さが１１０μｍであること以外、前述した実施例４と同様である。
そして、比較例および実施例４〜７について荷重と抵抗値変化率との関係を測定し、その結果を図１１および下記の表２に示す。同図および同表から分かるように、実施例４〜７は、いずれも、比較例よりも抵抗値変化率が十分に大きい。そのため、前述したように、従来と比較して、高荷重側の計測レンジが広くなり、高荷重側においても精度よく荷重を検出することができると共に、検出の再現性が向上する感圧センサーが得られることが分かる。なお、実施例４〜６は、第１領域が第２領域よりも薄いのに対して、実施例７は、第１領域が第２領域よりも厚い。これらを比べると、実施例４〜６は、実施例７よりも抵抗値変化率が大きい。そのため、前述した構成のように、第１領域を第２領域よりも薄くすることにより、上述の効果がより顕著となることが分かる。
次に、以下のように実施例８〜１０の感圧センサーを得た。
≪実施例８≫
厚さ１００μｍの第２領域と厚さ９０μｍの第１領域とを有する導電性樹脂を第１、第２電極で挟み込んで感圧センサーを得た。なお、なお、第１領域は正四角形（正方形）であり、その一片の長さは６ｍｍであった。また、第１、第２電極は、それぞれ、第１領域と同心的に配置された正四角形であり、その一片の長さは９ｍｍであった。
厚さ１００μｍの第２領域と厚さ９０μｍの第１領域とを有する導電性樹脂を第１、第２電極で挟み込んで感圧センサーを得た。なお、なお、第１領域は正四角形（正方形）であり、その一片の長さは６ｍｍであった。また、第１、第２電極は、それぞれ、第１領域と同心的に配置された正四角形であり、その一片の長さは９ｍｍであった。
≪実施例９≫
第１領域の一片の長さが７ｍｍであること以外、前述した実施例８と同様である。
第１領域の一片の長さが７ｍｍであること以外、前述した実施例８と同様である。
≪実施例１０≫
第１領域の一片の長さが８ｍｍであること以外、前述した実施例８と同様である。
第１領域の一片の長さが８ｍｍであること以外、前述した実施例８と同様である。
そして、比較例、実施例８〜１０について荷重と抵抗値変化率との関係を測定し、その結果を図１２および下記の表３に示す。同図および同表から分かるように、実施例８〜１０は、いずれも、比較例よりも抵抗値変化率が十分に大きい。そのため、前述したように、従来と比較して、高荷重側の計測レンジが広くなり、高荷重側においても精度よく荷重を検出することができると共に、検出の再現性が向上する感圧センサーが得られることが分かる。また、第１領域の輪郭を正多角形としても、円形の場合と同様の効果が得られることが分かる。
次に、以下のように比較例および実施例５について、受ける荷重に対する抵抗値のばらつきを測定し、その結果を図１３、図１４および下記の表４に示す。図１３、図１４には、抵抗値を１０回測定した結果を示し、表４には荷重が２０Ｎのときの最大ばらつきを示している。なお、図１３が実施例５の結果であり、図１４が比較例の結果である。同図および同表から分かるように、実施例５は、比較例と比べて、抵抗値のばらつきが十分に小さくなっている。そのため、前述したように、従来と比較して、検出の再現性が向上した感圧センサーが得られることが分かる。
１…感圧センサー、１０…積層体、１１…第１電極、１２…第２電極、１３…導電性樹脂、１３１…樹脂、１３２…カーボンナノチューブ、１３３…第１領域、１３３ａ…上面、１３３ｂ…下面、１３４…第２領域、１３４ａ…上面、１３４ｂ…下面、１３４ｄ…貫通孔、１４…第１支持シート、１５…第２支持シート、１６…第１基板、１７…第２基板、１８…与圧部、１９…接着剤、２…ハンド、３０…ベース、３１、３２…スライダー、４…指部、４１…固定部、４１１…基部、４１２…応力伝達部、４１３…変位部、４１４…接続部、４２…爪部、４２１…基部、５…指部、５２…爪部、６…モーター、７…モーター、１８０…ねじ、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２…矢印、Ｇ…空隙、Ｎ…荷重、Ｓ…隙間、ＳＧ…スライドガイド、ｄ１…離間距離、ｄ２…離間距離、ｔ１、ｔ２…厚さ
Claims (10)
- 第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に位置している導電性樹脂と、を有し、
前記導電性樹脂は、
第１領域と、
前記第１領域とは、前記第１電極と前記第２電極とが並ぶ方向の厚さが異なっている第２領域と、を備え、
前記第２領域は、前記第１領域を囲んでいることを特徴とする感圧センサー。 - 前記第２領域の前記厚さは、前記第１領域の前記厚さよりも厚い請求項１に記載の感圧センサー。
- 前記第１電極と前記第２電極とが並ぶ方向からの平面視で、
前記第１領域内に前記第１電極の中心が位置している請求項１または２に記載の感圧センサー。 - 前記導電性樹脂は、カーボンナノチューブを含んでいる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の感圧センサー。
- 前記第１領域と前記第２領域とは別体で構成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の感圧センサー。
- 前記第１電極と前記第２電極とが並ぶ方向からの平面視で、
前記第１領域の輪郭は、円形である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の感圧センサー。 - 前記第１電極と前記第２電極とが並ぶ方向からの平面視で、
前記第１領域の輪郭は、正多角形である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の感圧センサー。 - 前記第２領域は、前記第１領域の周方向に沿って互いに離間して３つ以上配置されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の感圧センサー。
- 前記第１領域の厚さと前記第２領域の厚さの差は、前記第１領域の表面粗さおよび前記第２領域の表面粗さよりも大きい請求項１ないし８のいずれか１項に記載の感圧センサー。
- 第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に位置している導電性樹脂と、を有し、
前記導電性樹脂は、
第１領域と、
前記第１領域とは、前記第１電極と前記第２電極とが並ぶ方向の厚さが異なっている第２領域と、を備え、
前記第２領域は、前記第１領域を囲んでいることを特徴とするハンド。
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