JP2021063801A - Capacitive pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電容量型の感圧センサーに関し、特に産業用ロボットハンドの指先、歩行・走行ロボットの足裏などに適用可能な静電容量型感圧センサーに関するものである。 The present invention relates to a capacitance type pressure sensor, and more particularly to a capacitance type pressure sensor applicable to the fingertips of an industrial robot hand, the sole of a walking / traveling robot, and the like.
従来の静電容量型感圧センサーの構造は、例えば、下記特許文献1に記載のように、外皮カバーと、外皮カバーの内側に設けられた一対のパネル電極と、パネル電極間に配置される誘電体と、パネル電極の周縁に設けられる枠スペーサーと、パネル電極間に設けられた複数の柱状スペーサーと、パネル電極間の空気層とを備えて構成されている。
The structure of the conventional capacitance type pressure sensor is arranged between the outer skin cover, the pair of panel electrodes provided inside the outer skin cover, and the panel electrodes, for example, as described in
静電容量型感圧センサーはその構造が簡単であり、かつ耐久性に優れていることから、ロボットの触覚センサー、産業用ロボットハンド、歩行・走行ロボットの足裏等への応用が検討されている。ロボットの手、足裏等に使用される感圧センサーに求められる性能として、1)僅かな力でも均一に圧縮変形する柔軟性(均一感知性)、2)圧力解除後に迅速に復元する復元性(迅速応答性)、3)大きな力が繰り返しかかっても容易に壊れない耐圧縮性(耐久性)、4)小さな力から大きな力まで測定可能な広範測定性、などが求められる。 Since the capacitance type pressure sensor has a simple structure and excellent durability, its application to the tactile sensor of a robot, an industrial robot hand, the sole of a walking / traveling robot, etc. is being studied. There is. The performance required for pressure-sensitive sensors used in robot hands, soles, etc. is 1) flexibility to compress and deform uniformly even with a slight force (uniform sensitivity), and 2) resilience to quickly restore after pressure release. (Rapid response), 3) compression resistance (durability) that does not easily break even when a large force is repeatedly applied, and 4) wide range of measurable ability that can measure from a small force to a large force are required.
しかし、上述した従来の静電容量型感圧センサーの構造は、複数のスペーサーを対向する電極間に配置し、電極間のスペーサーの占有率をもとに感度に応じた所定の空気層を形成しなければならない。しかし小型の静電容量型感圧センサーにあっては、所望の空気層を小面積のスペーサーにより形成することは極めて難しい、という問題がある。また、従来構造の小型静電容量型感圧センサーは、負荷の繰り返しによりスペーサーがへたる(十分な耐久性が無い)、という問題がある。さらにスペーサーのへたりにより、負荷を解除した後の復元に時間がかかる(迅速応答性に欠ける)、という問題がある。このため、従来構造の静電容量型感圧センサーでは、ロボットの手(指先)、足裏等にかかる圧力を検知するセンサーとしては使用できない、という問題がある。このため現在のところ、ロボットハンド等に使用可能な、小型の静電容量型感圧センサーは存在していない。 However, in the structure of the conventional capacitance type pressure sensor described above, a plurality of spacers are arranged between the opposing electrodes, and a predetermined air layer according to the sensitivity is formed based on the occupancy of the spacers between the electrodes. Must. However, in a small capacitance type pressure sensitive sensor, there is a problem that it is extremely difficult to form a desired air layer by a spacer having a small area. Further, the small capacitance type pressure sensor having a conventional structure has a problem that the spacer is worn out (not sufficiently durable) due to repeated loading. Further, there is a problem that it takes a long time to restore after releasing the load (lack of quick response) due to the sagging of the spacer. Therefore, there is a problem that the capacitance type pressure sensor having a conventional structure cannot be used as a sensor for detecting the pressure applied to the robot's hand (fingertip), sole, etc. Therefore, at present, there is no small capacitive pressure sensor that can be used for robot hands and the like.
そこで本発明の課題は、このような事情に鑑みてなされたものであり、僅かな力でも均一に圧縮変形する柔軟性(均一感知性)、圧力解除後に迅速に復元する復元性(迅速応答性)、大きな力が繰り返しかかっても容易に壊れない耐圧縮性(耐久性)、小さな力から大きな力まで測定可能な広範測定性な性能を備えた小型の静電容量型感圧センサーを提供することを課題とする。 Therefore, the subject of the present invention has been made in view of such circumstances, and the flexibility of uniformly compressing and deforming even with a slight force (uniform sensitivity) and the resilience of quick restoration after pressure release (quick response). ), Provides a compact capacitive pressure sensor with compression resistance (durability) that does not easily break even when a large force is repeatedly applied, and a wide range of measurable performance that can measure from a small force to a large force. That is the issue.
上記課題を解決するための本発明の第一は、少なくとも片面が導電体であるパネル電極Eと、少なくとも片面が導電体であるパネル電極Sと、前記パネル電極E及び/又は前記パネル電極Sとの間に介挿される少なくとも1枚の誘電体シートと、前記パネル電極E又は前記パネル電極Sを直接的又は間接的に覆うように介挿される気泡を含む弾性体のセパレータとを備えたことを特徴とする静電容量型感圧センサー、である。 The first aspect of the present invention for solving the above problems is a panel electrode E having at least one side of a conductor, a panel electrode S having at least one side of a conductor, and the panel electrode E and / or the panel electrode S. It is provided with at least one dielectric sheet inserted between the two, and an elastic separator containing bubbles inserted so as to directly or indirectly cover the panel electrode E or the panel electrode S. It is a capacitive pressure-sensitive sensor, which is a feature.
セパレータは誘電体シートを介して間接的にパネル電極E、パネル電極Sを覆うように介挿してもよく、また誘電体シートを介さず直接的にパネル電極E、パネル電極Sを覆うように介挿しても良い。誘電体シートは1枚でも良く、また2枚以上介挿してもよい。誘電体シートを2枚介挿することで、セパレータはパネル電極E及びパネル電極Sの両方を誘電体シートを介して間接的に覆うことができる。本静電容量型感圧センサーは、セパレータに内包される気泡の反発力により迅速な応答性が確保できる。またセパレータが圧縮された際に外部に漏れないようにシールするシール層を備えることで、セパレータに内包されている気泡がより完全にシールされ、耐圧縮性(耐久性)、及び復元性(迅速応答性)を確保することができる。 The separator may be inserted indirectly through the dielectric sheet so as to cover the panel electrode E and the panel electrode S, or may be inserted so as to directly cover the panel electrode E and the panel electrode S without the dielectric sheet. You may insert it. One dielectric sheet may be used, or two or more dielectric sheets may be inserted. By inserting two dielectric sheets, the separator can indirectly cover both the panel electrode E and the panel electrode S via the dielectric sheet. This capacitive pressure sensor can ensure quick response due to the repulsive force of the bubbles contained in the separator. In addition, by providing a sealing layer that seals the separator so that it does not leak to the outside when it is compressed, the air bubbles contained in the separator are more completely sealed, and compression resistance (durability) and resilience (quick). Responsiveness) can be ensured.
本発明の第二は、少なくとも片面が導電体であるパネル電極Eと、少なくとも片面が導電体であるパネル電極Sと、前記パネル電極E及び/又は前記パネル電極Sとの間に介挿される少なくとも1枚の誘電体シートと、前記パネル電極E又は前記パネル電極Sを直接的又は間接的に覆うように介挿される所定形状の開口部を備えた弾性体のセパレータ とを備えたことを特徴とする静電容量型感圧センサー、である。 The second aspect of the present invention is at least inserted between the panel electrode E having at least one side of the conductor, the panel electrode S having at least one side of the conductor, and the panel electrode E and / or the panel electrode S. It is characterized by comprising one dielectric sheet and an elastic separator having an opening of a predetermined shape inserted so as to directly or indirectly cover the panel electrode E or the panel electrode S. It is a capacitance type pressure sensitive sensor.
セパレータの介挿は、誘電体シートを介してもよく、介さなくても良いことは上記の発明と同様である。本発明の静電容量型感圧センサーは、セパレータに所定形状の開口部を設けられている。かかる開口部は気体層(空気、不活性化ガス等の層)となるが、かかる開口部の気体をシールすることで開口部の気体の反発力をより効果的に利用することができる。これにより耐圧縮性(耐久性)、復元性(迅速応答性)を確保することができる。さらに、気泡を含む材料によるセパレータを用い開口部の気体のシールのみならず、セパレータが内包する気泡を併せてシールすることで、より耐圧縮性(耐久性)、復元性(迅速応答性)を確保することができる。 As in the above invention, the separator may or may not be inserted through the dielectric sheet. In the capacitive pressure sensor of the present invention, the separator is provided with an opening having a predetermined shape. The opening becomes a gas layer (a layer of air, an inert gas, etc.), and by sealing the gas in the opening, the repulsive force of the gas in the opening can be used more effectively. As a result, compression resistance (durability) and resilience (quick response) can be ensured. Furthermore, by using a separator made of a material containing air bubbles to seal not only the gas at the opening but also the air bubbles contained in the separator, more compression resistance (durability) and resilience (quick response) can be achieved. Can be secured.
本発明の第三は、セパレータにより気体層を介して離隔された電極間の静電容量の変化によって圧縮力を測定する静電容量型感圧センサーにおいて、
下部パネル電極Eと、前記下部パネル電極E上に形成された第1誘電体シートと、前記第1誘電体シート上に形成された第1セパレータと、前記第1セパレータ上に形成された第1パネル電極Sと、前記第1パネル電極S上に形成された絶縁体と、前記絶縁体上に形成された第2パネル電極Sと、前記第2パネル電極S上に形成された第2セパレータと、前記第2セパレータ上に形成された第2誘電体シートと、前記第2誘電体シート上に形成された第2パネル電極Eとを備え、
前記第1セパレータは、前記第1パネル電極Sと前記第1誘電体シートとを離隔する第1気体層を有し、
前記第2セパレータは、前記第2パネル電極Sと前記第2誘電体シート層とを離隔する第2気体層を有することを特徴とする静電容量型感圧センサー、である。
The third aspect of the present invention is a capacitance type pressure sensitive sensor that measures a compressive force by a change in capacitance between electrodes separated by a separator via a gas layer.
The lower panel electrode E, the first dielectric sheet formed on the lower panel electrode E, the first separator formed on the first dielectric sheet, and the first separator formed on the first separator. The panel electrode S, the insulator formed on the first panel electrode S, the second panel electrode S formed on the insulator, and the second separator formed on the second panel electrode S. A second dielectric sheet formed on the second separator and a second panel electrode E formed on the second dielectric sheet are provided.
The first separator has a first gas layer that separates the first panel electrode S and the first dielectric sheet.
The second separator is a capacitance type pressure-sensitive sensor characterized by having a second gas layer that separates the second panel electrode S and the second dielectric sheet layer.
本発明は、絶縁体に積層されたパネル電極Sの上下にセパレータ、誘電体シート、パネル電極Eが積層された多極型の静電容量型感圧センサーである。多極構造とすることでより高感度の感圧センサーとなる。本発明では、パネル電極E上に誘電体シートを形成し、誘電体シート上にセパレータを形成する構造となっているが、パネル電極E上にセパレータを形成し、セパレータ上に誘電体シートを形成する構造としても良い。
また、パネル電極に誘電体シート、セパレータを形成する(積層する)順序を、パネル電極E上に第1セパレータを形成し、第1セパレータ上に第1誘電体シートを形成するようにしても良い。同様に、第2パネル電極S上に第2誘電体シートを形成し、第2誘電体シート上に第2セパレータを形成しても良い。さらに、これらを組み合わせるように構成しても良い。
これらの発明における誘電体シートは張力がかかった引張状態で前記セパレータ固着されていることが好適である。張力がかかった状態(引張状態)の誘電体シートは、セパレータの開口部周縁端部を支点としてトランポリン効果を奏するため、圧力解除後のより迅速な復元性(迅速応答性)等を確保することができる。
The present invention is a multi-pole capacitive pressure-sensitive sensor in which a separator, a dielectric sheet, and a panel electrode E are laminated above and below a panel electrode S laminated on an insulator. The multi-pole structure makes it a more sensitive pressure sensor. In the present invention, the structure is such that a dielectric sheet is formed on the panel electrode E and a separator is formed on the dielectric sheet. However, a separator is formed on the panel electrode E and a dielectric sheet is formed on the separator. It may be a structure to be used.
Further, the order of forming (stacking) the dielectric sheet and the separator on the panel electrode may be such that the first separator is formed on the panel electrode E and the first dielectric sheet is formed on the first separator. .. Similarly, the second dielectric sheet may be formed on the second panel electrode S, and the second separator may be formed on the second dielectric sheet. Further, they may be configured to be combined.
It is preferable that the dielectric sheet in these inventions is fixed to the separator in a tensioned state. Since the dielectric sheet in the tensioned state (tensioned state) exerts a trampoline effect with the peripheral edge of the opening of the separator as a fulcrum, it is necessary to ensure quick resilience (quick response) after pressure release. Can be done.
本発明の第四は、少なくとも片面が導電体であるパネル電極Eと、少なくとも片面が導電体であるパネル電極Sと、前記パネル電極E及び/又は前記パネル電極Sとの間に介挿される少なくとも1枚の誘電体シートと、前記パネル電極E又は前記パネル電極Sを直接的又は間接的に覆うように介挿される所定形状の開口部を備えた弾性体のセパレータとを備えたことを特徴とするロボットハンドの指先、及び/又は走行ロボットの足裏にかかる圧力の感知に用いられるロボット用静電容量型感圧センサー、である。
本発明は、従来の静電容量型センサーでは製造することが出来なかったロボットの手(指先)や足裏にかかる圧力をセンサー可能な小型の静電容量型感圧センサーを提供するものである。
The fourth aspect of the present invention is at least inserted between the panel electrode E having at least one side of the conductor, the panel electrode S having at least one side of the conductor, and the panel electrode E and / or the panel electrode S. It is characterized by comprising one dielectric sheet and an elastic separator having an opening of a predetermined shape inserted so as to directly or indirectly cover the panel electrode E or the panel electrode S. A capacitive pressure-sensitive sensor for a robot used for sensing the pressure applied to the fingertips of a robot hand and / or the soles of a traveling robot.
The present invention provides a compact capacitive pressure-sensitive sensor capable of sensing the pressure applied to the hands (fingertips) and soles of a robot, which could not be manufactured by a conventional capacitive sensor. ..
本発明によれば、ロボットの、足裏等にかかる圧力をセンサー(感知)可能であり、僅かな力でも均一に圧縮変形する柔軟性(均一感知性)、圧力解除後に迅速に復元する復元性(迅速応答性)、大きな力が繰り返しかかっても容易に壊れない耐圧縮性(耐久性)、小さな力から大きな力まで測定可能な広範測定性な性能を備えた小型の静電容量型感圧センサーを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to sensor (sense) the pressure applied to the sole of the robot, etc., the flexibility to compress and deform uniformly even with a slight force (uniform sensitivity), and the resilience to quickly restore after pressure release. (Rapid response), compression resistance (durability) that does not easily break even when a large force is repeatedly applied, and a small capacitance type pressure sensor with a wide range of measurable performance that can measure from a small force to a large force A sensor can be provided.
本発明の実施例に基づいて、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図1は本発明の第1実施例である静電容量型感圧センサー1の平面と、それを構成する部材の積層状態を示した図である。
The present invention will be described with reference to the drawings based on the examples of the present invention, but the present invention is not limited thereto. FIG. 1 is a diagram showing a flat surface of the capacitance
静電容量型感圧センサー1は、図1(a)に示すように指先のような形状をした小型の静電容量型感圧センサーである。周囲は外皮カバー16で覆われ内部に絶縁体10等を含む防水構造となっている。内部のパネル電極E(パネル電極11e)とパネル電極S(パネル電極11s)とからリード線20eと、リード線20sとが引き出され、外部測定器(図示していない)に接続される。
As shown in FIG. 1A, the capacitance
第1実施例の静電容量型感圧センサー1は、図1(b)に示すように、セパレータ14を挟みこむように、その上下に誘電体シート12が積層されている。本実施例で用いたセパレータ14の素材は、気泡を内包する高分子弾性体の一つである低圧縮残留歪の特性を有し、気泡及び樹脂が均一なセル構造を形成しているポリウレタンフォーム(発泡ウレタン)である。また、本実施例ではセパレータ14に内包される気泡のシールを誘電体シート12とセパレータ14とを接着剤により密着することで行った。これによりセパレータ14が圧縮されても、そこに内包されている気泡は、シールにより内部から外部に漏れずその反発力を利用することができ、セパレータ14の耐圧縮性、静電容量型感圧センサー1の迅速応答性を確保することができる。なお、本明細書においてはパネル電極間を離隔する部材であるセパレータは、パネル電極を覆うように介挿される一体の部材をいう。これに対してスペーサーは、パネル電極間を離隔する部材、例えば静電容量型感圧センサーの周縁に設ける枠スペーサー、あるいはパネル電極間に点在して設ける柱状の部材をいう。
As shown in FIG. 1B, the capacitance
図2は、本発明の第2実施例である静電容量型感圧センサー1aと、静電容量型感圧センサー1bを構成する部材の積層状態を示した図である。図1に示す静電容量型感圧センサー1と1a、1bとの違いは、セパレータ14に開口部15が形成されていること、開口部15を覆うようにシール層13が積層されているところにある。
FIG. 2 is a diagram showing a laminated state of the capacitance type pressure sensor 1a and the members constituting the capacitance type pressure sensor 1b, which is the second embodiment of the present invention. The difference between the capacitance
第2実施例である静電容量型感圧センサー1a、1bは、セパレータ14の開口部の気体を密閉することで、ウレタンフォームのような気泡を含む高分子弾性体でなくても、反発力の高いセパレータとして使用することができるところにある。密閉された気体が気泡の機能を代替するからである。もちろん気泡を含む高分子弾性体に開口部を設け、気泡と開口部の気体とを反発力として利用しても良いことは言うまでもない。
The capacitive pressure-sensitive sensors 1a and 1b of the second embodiment seal the gas at the opening of the
パレータ14に圧縮力がかかった際に、セパレータ14に内包される気泡と開口部15の気体とが外部に漏れないようにするには、例えば両面テープによりセパレータ14と誘電体シート12とを密着させ、シール層を形成する。あるいはセパレータ14をフィルムで覆った上で誘電体シート12と接着剤等で密着させシール層を形成する。これらにより気泡、気体の漏れ出しを防止することができる。
In order to prevent the air bubbles contained in the
図2(b)静電容量型感圧センサー1bを示す。静電容量型感圧センサー1bと、静電容量型感圧センサー1aとの違いは、静電容量型感圧センサー1aには誘電体シート12の一つの面にシール層13が積層されている。これに対し静電容量型感圧センサー1bには、これに加え誘電体シート12の他の面にもシール層13が積層されているところにある。シール層を複数積層させることで、よりセパレータ14に内包する気泡の漏れをより完全に防止することができるからである。
FIG. 2B shows a capacitance type pressure sensor 1b. The difference between the capacitance type pressure sensor 1b and the capacitance type pressure sensor 1a is that the capacitance type pressure sensor 1a has a
セパレータ14の素材である高分子弾性体として、ウレタンフォーム、シリコーンエラストマー、スチレン系熱可塑性エラストマー、天然ゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、ウレアゴム、フッ素ゴムなどがあげられる
Examples of the polymer elastic body used as the material of the
図3、図4はセパレータ14の形状を示した図である。図3(a)は気泡を内包する高分子弾性体を素材とするセパレータ14の平面図である。図3(b)、図3(c)はセパレータの中央部に開口部が形成されているセパレータ14a、14bの平面図である。図4(a)に示すセパレータは、開口がセパレータの形状に沿って均等に分散配置され、開口の均一性が担保されている。図4(b)は、縦・横の両方に開口部を挟んで対称に配置したセパレータの形状を示す図である。
3 and 4 are views showing the shape of the
図3、図4に示すようにセパレータに開口部15を設けることで、セパレータの素材は、気泡を内包する高分子弾性体に限られない。開口部の占有面積を測定対象物、所望の測定条件、測定値の範囲等に応じて決定することで、所望の感度を備えた静電容量型感圧センサーを製作することができる。
By providing the separator with the
図5は開口部15を有するセパレータを組み込んだ静電容量型感圧センサー1cの断面図である。開口部15を有するセパレータ14aを挟んで、シール層13、誘電体シート12、パネル電極11eとパネル電極11s、絶縁体10、そして外皮カバー16が積層されている。パネル電極E、パネル電極Sの端部からリード線20e、20sがそれぞれ引き出され、外部の測定器(図示していない)に接続する。開口部15には、空気あるいは窒素等の不活性ガス(気体)が充填されており、本明細書においてはかかる開口部を気体層とも称する。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a capacitance type pressure sensitive sensor 1c incorporating a separator having an
(比較実験)
セパレータの開口部の有無によるセンサー感度の違い、開口部の形状(開口面積割合)の違いによるセンサー感度の違いを検証した。この比較実験においては図6に示すような多極型の静電容量型感圧センサー(パネル電極Sを挟んで、パネル電極Eが2極形成されている)の静電容量型感圧センサー1dを用いた。そして静電容量型感圧センサー1dに上述した4種類のセパレータをそれぞれ組み込み、4個の静電容量型感圧センサーを作成し、比較実験を行った。
(Comparative experiment)
We verified the difference in sensor sensitivity depending on the presence or absence of the separator opening, and the difference in sensor sensitivity due to the difference in the shape of the opening (opening area ratio). In this comparative experiment, the capacitance type pressure sensor 1d of the multi-pole type capacitance type pressure sensor (the panel electrode E is formed with two poles sandwiching the panel electrode S) as shown in FIG. Was used. Then, the above-mentioned four types of separators were incorporated into the capacitance type pressure sensor 1d, respectively, four capacitance type pressure sensors were prepared, and a comparative experiment was conducted.
静電容量型感圧センサー1dは、図6に示すように開口部15を有するセパレータ14aが、パネル電極11sと下部パネル電極11e(図6に示す下側のパネル電極11e)と、パネル電極11sと上部パネル電極11e(図6に示す上側のパネル電極11え)の間に2つ介挿されている。セパレータ14aには、それぞれシール層13、誘電体シート12、パネル電極11e、絶縁体10、そして外皮カバー16がそれぞれ積層されている。パネル電極E、パネル電極Sの端部からリード線20e、20sがそれぞれ引き出され、外部の測定器(図示していない)に接続している。
In the capacitance type pressure sensor 1d, as shown in FIG. 6, the separator 14a having the
静電容量型感圧センサー1dのパネル電極Eにはポリカーボネートシート(厚さ0.1mm〜0.3mm)の片面に導電体を被覆したものを用いた。また開口部の空気を密閉するため誘電体シート12とセパレータ14a、セパレータ14aとパネル電極11s、パネル電極11sとセパレータ14a、セパレータ14aと誘電体シート12とを両面テープにより張り合わせ一体形成した。セパレータの素材は、密度(JIS K6401)480kg/m3、残留歪5.9%、厚さ0.8mmのウレタンフォームを用いた。なお、セパレータ14aの開口部の空気を密閉するためのシール層の形成としては、両面テープの他、接着剤などがあげられる。
As the panel electrode E of the capacitance type pressure sensor 1d, a polycarbonate sheet (thickness 0.1 mm to 0.3 mm) coated with a conductor on one side was used. Further, in order to seal the air in the opening, the
図7は、多極型静電容量型感圧センサー1Dの断面を示した図である。多極型静電容量型感圧センサー1Dは、図6に示す多極型の静電容量型感圧センサーと、基本的には同じ構成であるが、シール層13がセパレータ14a1の下側と、セパレータ14a2の上側に設けられている点において相違する。シール層13はセパレータ14の開口部の気体をシール(密閉)できる位置(場所)であればその位置は問わない。また、パネル電極11e上に誘電体シート12を形成し、その上にセパレータ14を形成するのではなく、パネル電極11e上にセパレータ14を形成し、その上に誘電体シート12を形成しても良い。また、パネル電極11s上に誘電体シート12を形成し、その上にセパレータ14を形成しても良い。
FIG. 7 is a view showing a cross section of the multi-pole capacitance
図8は上述した図6に示す4種類のセパレータを組み込んだ多極型の静電容量式感圧センサー1dのそれぞれに30Kgの圧縮荷重を負荷したときの静電容量値の変化と、基準値(開口部の無いセパレータを組み込んだ多極型の静電容量型感圧センサー1dの静電容量の変化値)に対する倍率とを示した図である。 FIG. 8 shows the change in the capacitance value when a compressive load of 30 kg is applied to each of the multipolar capacitive pressure-sensitive sensors 1d incorporating the four types of separators shown in FIG. 6 described above, and the reference value. It is a figure which showed the magnification with respect to (the change value of the capacitance of the multi-pole type capacitance type pressure sensor 1d which incorporated the separator without an opening).
図8に示すセパレータNは表面積397mm2で開口部がなし、セパレータSは中央部に開口部を有し、開口部を除いた表面積は352mm2(開口部表面積45mm2)、セパレータPはセパレータの形状の沿った開口部を有し、開口部を除いた表面積は316.5mm2(開口部表面積80.5mm2)、セパレータTは縦・横に開口部を有し、開口部を除いた表面積は313mm2(開口部表面積84mm2)である。
No openings in the separator N surface area 397 mm 2 shown in FIG. 8, the separator S has an opening in the central portion, the surface area except for the opening 352 mm 2 (the opening
セパレータNを用いた静電容量型感圧センサー1dの無負荷時の静電容量値は15.2PFである。これが30Kgの圧縮荷重を負荷することで静電容量値は69.3PFを示した。静電容量の変化量は54.1PFである。 The capacitance value of the capacitance type pressure sensor 1d using the separator N when no load is applied is 15.2PF. When this was loaded with a compressive load of 30 kg, the capacitance value showed 69.3 PF. The amount of change in capacitance is 54.1 PF.
セパレータSを用いた静電容量型感圧センサー1dの無負荷時の静電容量値は15.3PFであるが、30Kgの圧縮荷重を負荷することで静電容量値は76.5PFを示した。静電容量の変化量は61.2PFである。セパレータNの変化量を基準値とすると変化した倍率は、1.131倍となる。 The capacitance value of the capacitance type pressure sensor 1d using the separator S was 15.3PF when no load was applied, but the capacitance value was 76.5PF when a compressive load of 30 kg was applied. .. The amount of change in capacitance is 61.2PF. When the amount of change in the separator N is used as a reference value, the changed magnification is 1.131 times.
セパレータPを用いた静電容量型感圧センサー1dの無負荷時の静電容量値は14.4PFであるが、30Kgの圧縮荷重を負荷することで静電容量値は86.4PFを示した。静電容量の変化量は72PFである。セパレータNの変化量を基準値とすると変化した倍率は、1.33倍となる。 The capacitance value of the capacitance type pressure sensor 1d using the separator P was 14.4 PF when no load was applied, but the capacitance value was 86.4 PF when a compressive load of 30 kg was applied. .. The amount of change in capacitance is 72 PF. When the amount of change in the separator N is used as a reference value, the changed magnification is 1.33 times.
セパレータTを用いた静電容量型感圧センサー1dの無負荷時の静電容量値は16.1PFであるが、30Kgの圧縮荷重を負荷することで静電容量値は95.6PFを示した。静電容量の変化量は79.5PFである。セパレータNの変化量を基準値とすると変化した倍率は、1.469倍となる。 The capacitance value of the capacitance type pressure sensor 1d using the separator T was 16.1 PF when no load was applied, but the capacitance value was 95.6 PF when a compressive load of 30 kg was applied. .. The amount of change in capacitance is 79.5 PF. When the amount of change in the separator N is used as a reference value, the changed magnification is 1.469 times.
多極型と単極型を比較するため、図2(b)に示す単極型の静電容量型感圧センサーにセパレータNを組み込み、同様の条件で実験を行い変化量を測定した。その結果、無負荷時の静電容量値は8.4PFであったのが、30Kgの圧縮荷重を負荷することで30.1PFを示した。静電容量の変化量は21.7PFであり、基準値に対して変化した倍率は0.401倍であった。 In order to compare the multipolar type and the unipolar type, the separator N was incorporated into the unipolar capacitive pressure sensor shown in FIG. 2B, and an experiment was conducted under the same conditions to measure the amount of change. As a result, the capacitance value at no load was 8.4 PF, but it showed 30.1 PF by applying a compressive load of 30 kg. The amount of change in capacitance was 21.7 PF, and the magnification changed with respect to the reference value was 0.401 times.
以上の比較実験から、多極型の静電容量型感圧センサーとすることで感度を向上させることができる。また、セパレータに設ける開口部の形状、開口部の占める面積を変えることで感度を変えることができる。さらに、セパレータが内包する気泡及び/又は開口部の気体をシールすることで、耐圧縮性が向上すること、荷重を解除後の復元性が著しく向上することが実験において確認できた。 From the above comparative experiments, the sensitivity can be improved by using a multi-pole capacitive pressure sensor. Further, the sensitivity can be changed by changing the shape of the opening provided in the separator and the area occupied by the opening. Furthermore, it was confirmed in the experiment that the compression resistance was improved and the resilience after the load was released was remarkably improved by sealing the air bubbles and / or the gas at the opening contained in the separator.
図9は、本発明の第3実施例である静電容量型感圧センサー1eと、静電容量型感圧センサー1fを構成する部材の積層状態を示した図である。図9に示す静電容量型感圧センサー1e、1fの特徴とするところは、誘電体シート12−1に張力がかかった状態(引張状態)でセパレータ14−1又はセパレータ14に密着固定されているところにある。
FIG. 9 is a diagram showing a laminated state of the capacitance type pressure sensor 1e and the members constituting the capacitance type pressure sensor 1f, which are the third embodiment of the present invention. The feature of the capacitive pressure-sensitive sensors 1e and 1f shown in FIG. 9 is that the dielectric sheet 12-1 is tightly fixed to the separator 14-1 or the
図9(a)に示す静電容量型感圧センサー1cの誘電体シート12−1は引張状態にあり、その端部はセパレータ14−1に固着されている。このため、引張状態にある誘電体シート12−1に荷重がかかると、セパレータ14−1の開口部にある気体とあいまって、誘電体シート12−1はセパレータ14−1の周縁端部を支持点として撓み、荷重が除去されるとその反発力により迅速に復元する。かかる効果は引張状態にある可撓性シートを弾性体支持点で支えるトランポリンの構造から得られる反発力と同様のものである。本明細書においては、この効果をトランポリン効果と称するが、トランポリン効果を奏する構造とすることで、従来構造では成しえなかった高耐久性、迅速復元性等の静電容量型感圧センサーを実現することができる。 The dielectric sheet 12-1 of the capacitance type pressure sensor 1c shown in FIG. 9A is in a tension state, and its end portion is fixed to the separator 14-1. Therefore, when a load is applied to the dielectric sheet 12-1 in the tension state, the dielectric sheet 12-1 supports the peripheral end portion of the separator 14-1 together with the gas in the opening of the separator 14-1. It bends as a point, and when the load is removed, it quickly recovers due to its repulsive force. Such an effect is similar to the repulsive force obtained from the structure of the trampoline that supports the flexible sheet in the tension state at the elastic body support point. In the present specification, this effect is referred to as a trampoline effect, but by adopting a structure that exerts a trampoline effect, a capacitance type pressure-sensitive sensor having high durability, quick resilience, etc., which could not be achieved by a conventional structure, can be obtained. It can be realized.
トランポリン効果を得るための誘電体シート12−1の部材としては、例えばシリコーンエラストマー、スチレン系熱可塑性エラストマー、天然ゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、ウレアゴム、フッ素ゴムなどの弾性体、ゴム弾性体があげられる。またゴム弾性体の他、可撓性のある材料を用いてもよい。 Examples of the member of the dielectric sheet 12-1 for obtaining the trampoline effect include elastic bodies such as silicone elastomer, styrene-based thermoplastic elastomer, natural rubber, nitrile rubber, acrylic rubber, urethane rubber, urea rubber, and fluororubber, and rubber elasticity. The body can be raised. In addition to the rubber elastic body, a flexible material may be used.
図9(b)に示す静電容量型感圧センサー1fの誘電体シート12−1は、それぞれ引張状態にありセパレータ14に固着されている。引張状態にある2つの誘電体シート12−1に荷重がかかると、セパレータ14内の気体とあいまって、セパレータ14の開口部周縁を支持点として、撓み、荷重が除去されると引張力により迅速に復元する。
The dielectric sheet 12-1 of the capacitance type pressure sensor 1f shown in FIG. 9B is in a tension state and is fixed to the
図10は誘電体シート12−1に張力を加える引張治具100の平面図である。また、図11(a)は誘電体シート12−1に張力を加える前の引張治具100の断面図、図11(b)は誘電体シート12−1に引張力を加えている状態の引張治具100の断面図である。
FIG. 10 is a plan view of the
引張治具100による張力の印加は、引張部124の締付ボルト121を緩め、上板122と底板123間に誘電体シートを挟む(図11(a))。次に、四方の締付ボルト121を締めて引張部124に誘電体シートを固定し、四方のナットを均等に回転することで、図11(b)のように引張状態の誘電体シート12−1が得られる。張力はナットの回転回数で調整し、引張状態にある誘電体シート12−1をセパレータの開口部周縁端部に固着する。
When the tension is applied by the
(比較実験2)
引張状態にある誘電体シートを用いた静電容量型感圧センサーの性能を検証するため、図5に示す静電容量型感圧センサー1cと、図9に示す静電容量型感圧センサー1fに、それぞれ15kgの荷重を負荷し静電容量の変化を測定した。
(Comparative experiment 2)
In order to verify the performance of the capacitance type pressure sensor using the dielectric sheet in the tension state, the capacitance type pressure sensor 1c shown in FIG. 5 and the capacitance type pressure sensor 1f shown in FIG. 9 are used. A load of 15 kg was applied to each, and the change in capacitance was measured.
図12は静電容量型感圧センサー1cの測定結果である。荷重前の静電容量4.4pfが、15kgの荷重の負荷により20.6pfとなり、荷重の除去後、0.087秒後に負荷前の静電容量4.4pfに戻った。荷重負荷前後における静電容量の変化は16.2pfであった。 FIG. 12 shows the measurement results of the capacitance type pressure sensor 1c. The capacitance of 4.4 pf before the load became 20.6 pf by the load of 15 kg, and returned to the capacitance of 4.4 pf before the load 0.087 seconds after the load was removed. The change in capacitance before and after the load was 16.2 pf.
図13は静電容量型センサー1fの測定結果である。静電容量型センサー1fの荷重前の静電容量5.3pfが、15kgの荷重の負荷により47.7pfとなり、荷重の除去後、0.093秒後に負荷前の静電容量5.3pfに戻った。負荷前後における静電容量の変化は42.4pfであった。 FIG. 13 is a measurement result of the capacitance type sensor 1f. The capacitance of the capacitance type sensor 1f before loading becomes 47.7 pf due to the load of 15 kg, and returns to the capacitance of 5.3 pf before load 0.093 seconds after the load is removed. It was. The change in capacitance before and after the load was 42.4 pf.
図14はトランポリン効果の検証のため、静電容量型感圧センサー1e(誘電体シートには引張力を加えていない)の測定結果である。荷重前の静電容量5pfが、15kgの負荷により31.9pfとなり、荷重の除去後、0.14秒後に静電容量5.6pfで安定した。負荷前後における静電容量の変化は26.9pfであった。 FIG. 14 is a measurement result of the capacitance type pressure sensor 1e (no tensile force is applied to the dielectric sheet) for verification of the trampoline effect. The capacitance of 5 pf before the load became 31.9 pf by the load of 15 kg, and became stable at the capacitance of 5.6 pf 0.14 seconds after the load was removed. The change in capacitance before and after the load was 26.9 pf.
以上の比較実験により引張状態の誘電体シートを構成部材とすることで、ロボットの手、足裏等に使用可能な、僅かな力でも均一に圧縮変形する柔軟性(均一感知性)、圧力解除後に迅速に復元する復元性(迅速応答性)、大きな力が繰り返しかかっても容易に壊れない耐圧縮性(耐久性)、小さな力から大きな力まで測定可能な広範測定性な性能を備えた手小型の静電容量型感圧センサーを提供できることが明らかになった。 By using a dielectric sheet in a tensioned state as a constituent member in the above comparative experiment, it can be used for the hands, soles, etc. of robots, and has flexibility (uniform sensitivity) to uniformly compress and deform even with a slight force, and pressure release. Hands with recoverability (quick response) that restores quickly later, compression resistance (durability) that does not easily break even when a large force is repeatedly applied, and wide measurable performance that can measure from small force to large force It has become clear that a small capacitive pressure sensor can be provided.
1 静電容量式感知センサー
10 絶縁体
11 11e 11s パネル電極
12 誘電体シート
13 シール層
14 セパレータ
15 開口部(気体層)
16 外皮カバー
20 リード線
100 引張治具
110 ナット
111 ロッド
112 治具枠
113 底盤
120 固定部
121 締付ボルト
122 上板
123 底板
124 引張部
1
16
Claims (13)
少なくとも片面が導電体であるパネル電極Sと、
前記パネル電極E及び/又は前記パネル電極Sとの間に介挿される少なくとも1枚の誘電体シートと、
前記パネル電極E又は前記パネル電極Sを直接的又は間接的に覆うように介挿される気泡を含む弾性体のセパレータ
とを備えたことを特徴とする静電容量型感圧センサー。 A panel electrode E whose at least one side is a conductor,
A panel electrode S whose at least one side is a conductor,
With at least one dielectric sheet inserted between the panel electrode E and / or the panel electrode S,
A capacitance type pressure-sensitive sensor including an elastic separator containing bubbles inserted so as to directly or indirectly cover the panel electrode E or the panel electrode S.
少なくとも片面が導電体であるパネル電極Sと、
前記パネル電極E及び/又は前記パネル電極Sとの間に介挿される少なくとも1枚の誘電体シートと、
前記パネル電極E又は前記パネル電極Sを直接的又は間接的に覆うように介挿される所定形状の開口部を備えた弾性体のセパレータ
とを備えたことを特徴とする静電容量型感圧センサー。 A panel electrode E whose at least one side is a conductor,
A panel electrode S whose at least one side is a conductor,
With at least one dielectric sheet inserted between the panel electrode E and / or the panel electrode S,
A capacitance-type pressure-sensitive sensor including an elastic separator having an opening having a predetermined shape inserted so as to directly or indirectly cover the panel electrode E or the panel electrode S. ..
下部パネル電極Eと、前記下部パネル電極E上に形成された第1誘電体シートと、前記第1誘電体シート上に形成された第1セパレータと、前記第1セパレータ上に形成された第1パネル電極Sと、前記第1パネル電極S上に形成された絶縁体と、前記絶縁体上に形成された第2パネル電極Sと、前記第2パネル電極S上に形成された第2セパレータと、前記第2セパレータ上に形成された第2誘電体シートと、前記第2誘電体シート上に形成された第2パネル電極Eとを備え、
前記第1セパレータは、前記第1パネル電極Sと前記第1パネル電極Eとを離隔する第1気体層を有し、
前記第2セパレータは、前記第2パネル電極Sと前記第2パネル電極Eとを離隔する第2気体層を有することを特徴とする静電容量型感圧センサー。 In a capacitive pressure-sensitive sensor that measures compressive force by a change in capacitance between electrodes separated by a separator via a gas layer.
The lower panel electrode E, the first dielectric sheet formed on the lower panel electrode E, the first separator formed on the first dielectric sheet, and the first separator formed on the first separator. The panel electrode S, the insulator formed on the first panel electrode S, the second panel electrode S formed on the insulator, and the second separator formed on the second panel electrode S. A second dielectric sheet formed on the second separator and a second panel electrode E formed on the second dielectric sheet are provided.
The first separator has a first gas layer that separates the first panel electrode S and the first panel electrode E.
The second separator is a capacitance type pressure sensitive sensor characterized by having a second gas layer that separates the second panel electrode S and the second panel electrode E.
下部パネル電極Eと、前記下部パネル電極E上に形成された第1セパレータと、前記第1セパレータ上に形成された第1誘電体シートと、前記第1誘電体シート上に形成された第1パネル電極Sと、前記第1パネル電極S上に形成された絶縁体と、前記絶縁体上に形成された第2パネル電極Sと、前記第2パネル電極S上に形成された第2誘電体シートと、前記第2誘電体シート上に形成された第2セパレータと、前記第2セパレータ上に形成された第2パネル電極Eとを備え、
前記第1セパレータは、前記第1パネル電極Sと前記第1パネル電極Eとを離隔する第1気体層を有し、
前記第2セパレータは、前記第2パネル電極Sと前記第2パネル電極Eとを離隔する第2気体層を有することを特徴とする静電容量型感圧センサー。 In a capacitive pressure-sensitive sensor that measures compressive force by a change in capacitance between electrodes separated by a separator via a gas layer.
The lower panel electrode E, the first separator formed on the lower panel electrode E, the first dielectric sheet formed on the first separator, and the first dielectric sheet formed on the first dielectric sheet. The panel electrode S, the insulator formed on the first panel electrode S, the second panel electrode S formed on the insulator, and the second dielectric formed on the second panel electrode S. A sheet, a second separator formed on the second dielectric sheet, and a second panel electrode E formed on the second separator are provided.
The first separator has a first gas layer that separates the first panel electrode S and the first panel electrode E.
The second separator is a capacitance type pressure sensitive sensor characterized by having a second gas layer that separates the second panel electrode S and the second panel electrode E.
少なくとも片面が導電体であるパネル電極Sと、
前記パネル電極E及び/又は前記パネル電極Sとの間に介挿される少なくとも1枚の誘電体シートと、
前記パネル電極E又は前記パネル電極Sを直接的又は間接的に覆うように介挿される所定形状の開口部を備えた弾性体のセパレータ
とを備えたことを特徴とするロボットハンドの指先、及び/又は走行ロボットの足裏にかかる圧力の感知に用いられるロボット用静電容量型感圧センサー。 A panel electrode E whose at least one side is a conductor,
A panel electrode S whose at least one side is a conductor,
With at least one dielectric sheet interposed between the panel electrode E and / or the panel electrode S,
A fingertip of a robot hand and / or a robot hand provided with an elastic separator having a predeterminedly shaped opening inserted so as to directly or indirectly cover the panel electrode E or the panel electrode S. Alternatively, a capacitive pressure-sensitive sensor for robots used to detect the pressure applied to the soles of traveling robots.
The robot capacitance used for sensing the pressure applied to the fingertip of the robot hand and / or the sole of the traveling robot according to claim 12, further comprising a seal layer for sealing the gas in the opening. Type pressure sensor.
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