JP2021067542A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】流体の圧力の変化及び方向を検出する圧力センサー及び、圧力分布センサーを提供する。【解決手段】圧力センサー１０は、基材１上に３個以上の電極を有する感圧性導電弾力体３を設置し、前記導電性弾力体の上面に細長形状体５を立設させた感圧体（４及び５）を着設し、感圧体に加わった圧力を感圧性導電弾力体に伝達し、電極間の抵抗値を測定することにより、流体の圧力の変化及び方向を検出することを特徴とする。また、前記圧力センサーをシート上にマトリクス状に複数配置することにより圧力分布センサーにすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、気流や液流の圧力の計測と、流れの方向検出機能を有する圧力センサ−及び、本圧力センサーをマトリクス状に複数配置した圧力分布センサーに関する。

２次元面内の圧力分布センサーで、気流のような微弱な圧力変化の検出が可能なものとしては、例えば特許文献１のように、可撓性のシートを切り抜き加工し、片持ち梁型の圧力センサーを複数配置、片持ち梁支持部に形成した歪ゲージによって圧力を検出する圧力分布センサーがある。しかしながら、片持ち梁型の構造では、流れの方向を検出することができない。

特開２０１９−１３５４５８号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、流体の微弱な圧力変化の検出が可能で、流れの方向の検出も可能な圧力分布センサーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明者は鋭意検討した結果、以下の圧力センサー等を発明することができた。すなわち、本発明は以下の技術的構成を有する圧力センサー等である。

〔１〕 基材上に３個以上の電極を有する導電性弾力体を設置し、前記導電性弾力体の上面に細長い形状体を立設させた感圧体を着設した圧力センサー。
〔２〕 前記電極が、導電体であり、前記感圧性導電弾力体との接触部分である前記〔１〕に記載の圧力センサー。
〔３〕 前記電極間の抵抗値測定装置を備えた前記〔１〕又は〔２〕に記載の圧力センサー。
〔４〕 前記〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の圧力センサーをシート上にマトリクス状に複数配置した圧力分布センサー。
〔５〕 前記〔４〕に記載の圧力分布センサーに気流を当てる位置を移動させて、気流の移動方向を検知し、電子機器表示画面上のカーソルを移動させるカーソルの移動方法。

本発明の圧力センサーおよび圧力分布センサーは、流体による微小な圧力の変化と方向を検知することが可能である。また、基板をフレキシブルな材料にすることにより、曲面へ装着することが可能である。例えばロボットの皮膚に用いれば、触覚や気流や水流の検知機能を付与することができる。
また、圧力分布センサーは、息を吹きかけた位置の検出も可能なので、非接触のタッチセンサーとしての応用が可能である。従って、手を使わずにパソコンのカーソル移動が可能である。

本発明による圧力センサーの立体図である。 （ａ）−（ｄ）圧力センサーの製造工程を示す平面図及び、（ａ’）−（ｄ’）側面図である。 圧力センサーの動作原理を示す図である。 圧力センサーの感圧体の別形態を示す図である。（（ａ）基板と支持体間に連結軸を有する圧力センサー。（ｂ）支持体の別形態。） 圧力センサーを複数配置した圧力分布センサーの平面図である。 図５において点線Ｃで囲んだ部分の拡大図である。 実施例で作製した圧力センサーの評価結果を示す図である。（（ａ）風速検知性能の評価結果。（ｂ）方向検知性能の評価結果。）

本発明の圧力センサーは、基材上に３個以上の電極を有する導電性弾力体を設置し、前記導電性弾力体の上面に細長い形状体を立設させた感圧体を着設したことを特徴とする。

本発明に用いる基板は、可撓性の有無にかかわらず、絶縁性の材料のものであればよく、例示すると樹脂、ガラス、セラミック等様々な素材を用いることができる。その中でも、特に、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、テトラフルオロエチレンなどの樹脂シートやガラス基板などを用いるのが適している。基板の形状は、特に制限はないが、通常は、シート状、平板状である。

本発明に用いる感圧性導電弾力体は、導電性と弾力性を有する材料であればなんであってもよい。感圧性導電弾力体の一例を示すと、導電性エラストマーを挙げることができる。

前記導電エラストマーは、導電性フィラーを含んだエラストマーであり、導電フィラーとしてはカーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの炭素材料、金ナノ粒子、銀ナノ粒子などの金属ナノ粒子が用いられる。一方エラストマーにはシリコーンゴムやウレタンゴムなどが用いられる。実際にこれらの材料を用いて導電エラストマーを作製した報告例としては、例えば、非特許文献１（Ｙ．Ｈｕａｎｇ ｅｔ．ａｌ．，Ｊ Ｍａｔｅｒ Ｓｃｉ： Ｍａｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ （２０１７），２８，９４９５−９５０４）ではウレタンスポンジ表面をカーボンブラックとグラフェンで被覆し、加圧によって導電パスが新たに生じることで抵抗が低下する圧力センサーについて報告している。また、非特許文献２（Ｓ．Ｚｈａｎｇ ｅｔ．ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ， ６５２（２０１５），４８−５４）では銀ナノ粒子を表面に担持したカーボンナノチューブをＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）シート表面に敷き詰めた歪センサーについて報告している。

前記感圧性導電弾力体は、３個以上の電極を有している。電極の数は、３個以上必要であるが、好ましくは４個以上であり、電極が多くなるほど圧力センサーの精度を上げることができるが、通常４個あれば十分である。

前記電極は、導電体であり、前記感圧性導電弾力体との接触部分が電極に当たる。前記電極を構成する導電体は、前記感圧性導電弾力体と全部が接触していてもよいし、一部分が接触していてもよい。前記導電体は、電気を通すものであれば制限はないが、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔなどの金属やＩＴＯ、ＩＺＯ、ＦＴＯ等の透明半導体材料、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳなどの導電性ポリマーなどを用いるのが良く、特に、金属薄膜を用いることができる。また、前記導電体には、電気信号が取り出せるよう導線が接続されている。

前記感圧性導電弾力体の上面には、感圧体が着設されている。感圧体は、感圧体上部の細長形状体と感圧部下部の支持体から構成されており、支持体から細長形状体が立設している。

前記感圧性導電弾力体に着設する感圧体下部の支持体は、上部の細長形状体の変位を前記感圧性導電弾力体に伝達できるものであればよいが、弾性体の様に変形しやすいものだと圧力の伝達が正確に行われない可能性があるため、想定される圧力の範囲で変形の恐れのない剛体が適している。
感圧部が受ける流体の方向を測定するのには、細長形状体立設部から電極間の中間方向に向かって張り出した形状が、感圧部が受けた圧力を感圧性導電弾力体に効率よく伝達できるので良い。例えば、電極が細長形状体の周りに９０°間隔で配設されているような場合は、十字の形状のものが良い。

感圧体上部の細長形状体は、自立する細長い形状のものであればよく、太さが一定であっても、テーパー加工されていてもよく、複雑な形状になっていてもよい。棒状、針状が一般的であるが、流体の圧力（風圧、水圧等）を受ける面積を広げるために先端部の面積を広くしてもよく、羽根状のものを張り出させてもよい。また、チューブのように中が中空になった細長形状体であってもよい。
細長形状体に使用できる素材は特に制限は無く、樹脂やゴム、金属いずれも使用可能である。また、細長形状体自身は変形可能なものであっても、変形しないもの（剛体）であってものよい。
細長形状体は、検出対象に応じて最適な設計を行う必要がある。例えば、特定の周波数の振動を検出する場合は、細長形状体の素材や寸法の調整により固有振動数を合わせればよい。水に接触したことを検知する場合は、親水性の高い素材か、表面に親水処理を施した細長形状体を用いればよい。

本発明の圧力センサーは細長形状体の設計により単なる圧力センサーにとどまらず、様々なセンシングに応用できるのである。

以下に、本発明による１つの実施例である圧力センサー１０について、図１を用いて説明する。
図１に示す様に、圧力センサー１０は、基板１上に設置した導電体２と、これを覆う導電性弾力体３と、感圧性導電弾力体３の上に設置した感圧体（４と５で構成）により構成される。図１に示す圧力センサーでは、感圧体上部の細長形状体４が棒状であり、感圧体下部の支持体５が十文字の形状をした板状体であり、上下面正方形の平べったい直方体の感圧性導電弾力体３の側面４方向に電極部を含む導電体２が設置されて基板上に固定されている。

次に圧力センサー１０の作製法の一例について、図２を用いて説明する。
まず図２（ａ）、（ａ’）に示す様に、正方形の板状の基板１上に導電体２を形成する。
導電体２に、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔなどの金属薄膜を用いる場合は、成膜方法で金属薄膜を成膜することができる。成膜方法には、真空蒸着法やスパッタリング法といった乾式法と、塗布法、メッキ法、電解析出法といった湿式法、さらにＡｇ、Ａｕ、Ｃｕなどの金属ナノ粒子インクを用いて、キャスト法、スピンコート法、バーコート法、スリットコート法といった塗布法や、インクジェット法、スクリーン印刷法といった印刷法を用いることができる。

続いて、図２（ｂ）、（ｂ’）に示す様に導電体２の中央部を覆い隠す形で感圧性導電弾力体３を設置する。感圧性導電弾力体が導電体に覆い隠さった部分で、導電体が感圧性導電弾力体と接触している部分が電極である。感圧性導電弾力体として導電エラストマーを用いる場合は、基板１に導電エラストマーを塗布後に硬化させるか、硬化済の導電エラストマーを基板１に接着して用いる。後者の場合は市販の接着剤で基板１に接着する。この際、電極となる導電エラストマー３と電極２が接触する箇所への接着剤の塗布は避けるべきである。導電エラストマーは先に述べた通り、導電性フィラーとエラストマーの混合物であるため、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェンなどの炭素材料、金ナノ粒子、銀ナノ粒子などの金属ナノ粒子などの導電フィラーと、シリコーンゴムやウレタンゴムなどのエラストマーを用いて作製することができるし、シート状に成型したものを市販品として入手することもできる。例としては、イナバゴム（株）製のイナストマーが挙げられる。

続いて、図２（ｃ）、（ｃ’）に示す様に、導電エラストマー３上に感圧体下部（支持体）４及び感圧体上部（細長形状体）５を接着固定する。支持体４と細長形状体５は一体造形されたものを用いてもよいし、接着により一体化してもよい。

次に、圧力検出の原理について、図３を用いて説明する。本圧力センサーは感圧体上部の細長形状体４に加わる圧力を、感圧体下部の支持体５を介して感圧性導電弾力体３に伝達する。感圧性導電弾力体は圧力によって抵抗値が変化するという特性を有しており、導電体２における４つの電極間の抵抗Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を抵抗値測定装置（図示せず）によって測定することにより感圧体上部の細長形状体が流体から受ける圧力及び流体からの圧力を受ける方向を測定することができる。
抵抗Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の抵抗値の変化の仕方は、圧力の加わった方向によって異なり、例えばａ方向に圧力が加わった場合はＲ１の変動が大きくなる。同様にｂ方向に圧力が加わった場合はＲ２が、ｃ方向に圧力が加わった場合はＲ４、ｄ方向に圧力が加わった場合はＲ３の変動が大きくなる。従って、Ｒ１〜Ｒ４の値の変化のパターンから、圧力の加わった方向を検出することが可能である。

流体から受ける圧力は、抵抗値と一対一に対応している。従って、エアブロー装置などを用いて風圧が既知の条件で抵抗値を測定しておけば、風圧と抵抗値の対応表が作成できる。実際に圧力センサーを使用する際は、この対応表に基づいて抵抗値を風圧に換算できるし、マイコン等と組み合わせればその場で風圧を表示させることもできる。

流体が気体の場合は、風力及び風向が測定できる。また、抵抗値の変化を経時的に測定することにより、センサーが流体から受ける圧力（流速）及び方向の変化を検出することができる。

抵抗の測定に用いる抵抗値測定装置は、デジタルマルチメーター等の計測器を用いることができるが、圧力センサー１個につき４つの抵抗値を計測する必要があるため、直流電源とマイコンのＡＤコンバーターを組み合わせる方法が便利である。

感圧体の変位を導電性弾性体に伝達するに当たり、より好ましい形態を図４に示す。図４（ａ）に示すように、感圧体下部の支持体の底面の中心部分と基板を連結軸によって連結し、連結軸が可撓性材料の場合は、連結体が感圧体下部の支持体の底面の中心部分と基板に固着されており、連結軸が可撓性材料でない場合は、連結軸と感圧体下部の支持体との接続部及び／又は支柱と底面の中心部分との接続部が、可動できるような構造（例えば、可撓性あるいは弾力性のある材料で連結、連結軸先端が球状で球体軸受けにより連結）により連結してある。また、基板が樹脂製の可撓性のあるシートの場合は、可撓性のない連結体が双方に固着されていてもよい。

そして、より好ましくは、導電性弾力体が、圧縮されて挟まれている状態が良い。図４（ａ）の形態では、導電性弾力体が加圧されているため、ａの方向に感圧体が傾いた場合、導電性弾性体に加わる圧力は、ａの方向では増加し、反対側では減少する。これは図３で示した抵抗値Ｒ１が減少し、Ｒ３が増加することを意味する。このように図４（ａ）の形態にすることにより、高感度の圧力検知が可能である。

続いて、感圧体下部（支持体）４の底部すなわち導電性弾性体３との接触部の形状として好ましい形態について図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示すように導電性弾性体３との接触面上に支持体底部が、下方に凸型にしてあり、導電性弾性体３に対して局所的に強い圧力が加わるため、より抵抗値の変動が大きくなる。従って、高感度の圧力検知が可能である。

次に、圧力分布センサーについて説明する。
圧力分布センサーは、圧力センサー１０を同一基板上に複数配置して圧力分布センサーとして使用することができる。圧力分布センサーの構造と使用法について図５及び図６を用いて説明する。

図５は、圧力センサー１０を基板１上に５個×５個＝２５個配置した圧力分布センサーの平面図である。縦に１０本の行導電体７と横に１０本の列導電体８を有しているが、行導電体７と列導電体８の電極間抵抗は、図５において点線Ｃで囲んだ部分の拡大図である図６に示す様に圧力センサーの電極間抵抗に対応している。

行導電体７と列導電体８の交点においては、短絡を防ぐために絶縁層９が存在する。絶縁層９の素材は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル、エチルセルロース、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレートなどの樹脂や、シリカ、チタニア、アルミナ、酸化亜鉛などの酸化物を用いることができる。

圧力センサーを複数配置した圧力分布センサーは、圧力分布に加えて流体の流れの方向を観測することができる。従って、例えば液中に浸漬して液体の流れの方向の分布を観測できる。またフレキシブルな基材上に形成可能なため、曲面への装着に適している。例えばロボットの皮膚に用いれば、触覚や気流や水流の検知機能を付与することができる。また、圧力分布センサーは、息を吹きかけた位置の検出も可能なので、非接触のタッチセンサーとしての応用が可能である。従って、手を使わずにパソコンのカーソル移動が可能である。

本圧力分布センサーは、流体が当たる位置が検出可能であるから、流体を当てる位置を変化させることにより、非接触のタッチパッドとしての利用が可能である。このようなユーザーインターフェイスを備えたパソコンなどの機器が実現すれば、手が自由に動かせない状況での又は手が不自由な利用者による機器（例えばパソコン）操作が人間の息を吹きかけることによってできるようになる。
すなわち、本発明の圧力分布センサーに気流を当てる位置を移動させて、気流の移動方向を検知し、電子機器表示画面上のカーソルを移動させるカーソルの移動方法に用いることができる。

この発明の実施の形態を説明する。
（圧力センサーの作製）
まず基板１の表面に電極を構成する導電体２を形成した。基板１には銅箔付きポリイミドフィルム（厚さ５０μｍ）を用い、インクジェット用エッチングレジスト（互応化学製ＰＬＡＳ ＦＩＮＥ ＰＥＲ−７００）で電極パターンを印刷後、１０％塩化鉄水溶液中に浸漬することで余分なＣｕ箔を溶解除去した。さらにＮ−メチルピロリドン中に浸漬することでレジストを剥離除去して電極を作製した。インクジェットプリンタはマテリアルプリンタ（富士フィルムＤＩＭＡＴＩＸ社製 ＤＭＰ−２８５０）を用いた。
続いて導電エラストマー（イナバゴム製 イナストマー中感度、厚さ０．５ｍｍシート）を１０ｍｍ□にカットしたものを市販の接着剤（セメダインスーパーＸ）を用いて基板１に接着した。感圧部下部の支持体４はポリスチレンのシート（厚さ０．５ｍｍ）を加工して用いた。感圧部上部の細長形状体５はポリスチレンのチューブ（内径φ２ｍｍ/外形φ３ｍｍ）を５ｃｍの長さにカットしたものを用い、市販の接着剤（セメダインスーパーＸ）で支持体４と接着した。支持体４と導電エラストマー３は市販の接着剤（セメダインスーパーＸ）を用いて接着した。

（風速感知性能の評価）
作製した圧力センサーの感圧部上端付近にガスを噴出する内径１mmのノズルを近接させて、アルゴンガスを吹き付けた際の抵抗値を測定した。ノズルは風の方向が図３に示したｄ方向にし、風速を変化させた際のＲ３の値を測定した。風速についてはアルゴンボンベのレギュレータによる圧力調節によって調節した。低風速の場合はレギュレータによる調節が困難なため、流量計を接続し、流量計のバルブにより風速を調節した。抵抗値はデジタルマルチメーター(ヒューレットパッカード社製３４４０１Ａ)を用いて測定した。評価結果を図７（ａ）に示す。

（方向検知性能の評価）
ｄ方向に風速１００ｍ/sでアルゴンガスを吹き付けた際のＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の時間変化を測定した。アルゴンガスは約３０秒吹き付けた。時間変化の様子はデータロガー（ＧＲＡＰＨＴＥＣ ｍｉｄｉ ＬＯＧＧＥＲ ＧＬ２２０）を用いて記録した。ただし、データロガーは電圧測定しかできないため、ＤＣ電源を用いてＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４にそれぞれ０．１ｍＡの定電流を流しておき、各抵抗の両端に発生する電位差をデータロガーで記録し、電位差を電流値（０．１ｍＡ）で割ることで抵抗に換算した。評価結果を図７（ｂ）に示す。Ｒ３以外の変動は小さいため、風の方向はｄ方向であることがわかる。

本発明の圧力センサーは、流体の速度と方向を検出するセンサーとして利用できる。

１ 基板
２ 導電体
３ 導電性弾力体
４ 感圧体下部（支持体）
５ 感圧体上部（細長形状体）
６ 連結軸
７ 行導電体
８ 列導電体
９ 絶縁層
１０ 圧力センサー
２０ 圧力分布センサー

Claims (5)

1. 基材上に３個以上の電極を有する感圧性導電弾力体を設置し、前記導電性弾力体の上面に細長形状体を立設させた感圧体を着設した圧力センサー。
2. 前記電極が、導電体であり、前記感圧性導電弾力体との接触部分である請求項１請求項１に記載の圧力センサー。
3. 前記電極間の抵抗値測定装置を備えた請求項１又は請求項２に記載の圧力センサー。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の圧力センサーをシート上にマトリクス状に複数配置した圧力分布センサー。
5. 請求項４に記載の圧力分布センサーに気流を当てる位置を移動させて、気流の移動方向を検知し、電子機器表示画面上のカーソルを移動させるカーソルの移動方法。
   

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