JP2022142881A - 感圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】圧力に関する出力値が感圧センサに加えられる荷重の変化に対してより直線的に変化する感圧センサを提供する。【解決手段】感圧センサは、圧力を検出するように構成されている。この感圧センサは、第１シート部材と、第２シート部材とを備えている。第２シート部材は、第１シート部材に重ねて配置される。第１シート部材には、第１及び第２電極が形成されている。第２シート部材には、感圧導電層によって覆われた第３電極が形成されている。感圧センサの使用時には、第１及び第２電極間に電圧が印加される。感圧センサが使用中であるか否かにかかわらず、第１及び第２電極の各々は、感圧導電層に接触している。【選択図】図２

Description

本発明は、感圧センサに関し、特に、圧力を検出するように構成された感圧センサに関する。

特開２０１６－０２４１０９号公報（特許文献１）は、感圧センサを開示する。

特開２００１－１５９５６９号公報

例えば、上記特許文献１に開示されているような感圧センサにおいては、感圧センサに加えられる荷重の変化に対して感圧センサの出力値が直線的に変化しないという問題があることを本発明者（ら）は見出した。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、圧力に関する出力値が感圧センサに加えられる荷重の変化に対してより直線的に変化する感圧センサを提供することである。

本発明に従う感圧センサは、圧力を検出するように構成されている。この感圧センサは、第１シート部材と、第２シート部材とを備えている。第２シート部材は、第１シート部材に重ねて配置される。第１シート部材には、第１及び第２電極が形成されている。第２シート部材には、感圧導電層によって覆われた第３電極が形成されている。感圧センサの使用時には、第１及び第２電極間に電圧が印加される。感圧センサが使用中であるか否かにかかわらず、第１及び第２電極の各々は、感圧導電層に接触している。

仮に、第２シート部材に、第３電極が形成されておらず、感圧導電層のみが形成されているとする。この場合には、感圧センサの使用時に、主に感圧導電層を介して、第１及び第２電極の一方から他方に向かって電流が流れる。感圧導電層の広い範囲において電流が流れるため、感圧導電層に起因する体積抵抗値は大きくなる。本発明者（ら）は、感圧導電層に起因する体積抵抗値が大きい程、感圧センサの直線性に悪影響が与えられることを見出した。なお、感圧センサの直線性とは、感圧センサに加えられる荷重の変化に対する感圧センサの出力値の変化の直線度合いのことをいう。ここで、感圧センサの出力値は、例えば、オペアンプを用いることによって、双曲線で示される抵抗値出力が原点を通る電圧値出力に変換されたものである。

本発明に従う感圧センサにおいては、第２シート部材において、感圧導電層が第３電極を覆っている。したがって、この感圧センサにおいては、感圧センサの使用時に、感圧導電層及び第３電極を介して、第１及び第２電極の一方から他方に向かって電流が流れる。この場合には、第２シート部材に第３電極が形成されていない場合と比較して、感圧導電層の狭い範囲において電流が流れるため、感圧導電層に起因する体積抵抗値は小さくなる。したがって、この感圧センサによれば、感圧導電層に起因する体積抵抗値が小さくなるため、感圧センサの直線性を改善することができる。

上記感圧センサにおいて、第３電極は、第１及び第２電極と同一の材料で構成されていてもよい。

上記感圧センサにおいて、第１及び第２電極間の距離をＬ１とし、感圧導電層の厚みをＴ１とした場合に、Ｌ１／Ｔ１は４０よりも大きくてもよい。

上記感圧センサにおいて、第１及び第２電極の各々は、櫛歯形状の部分を有していてもよい。

本発明によれば、圧力に関する出力値が感圧センサに加えられる荷重の変化に対してより直線的に変化する感圧センサを提供することができる。

感圧センサの平面の一部を模式的に示す図である。 図１のＩＩ－ＩＩ断面を模式的に示す図である。 比較対象の感圧センサの断面の一部を模式的に示す図である。 感圧センサの断面の一部を模式的に示す図である。 比較対象の感圧センサの直線性を示す図である。 実施の形態に従う感圧センサの直線性を示す図である。 変形例における感圧センサに含まれる第１電極、第２電極及び感圧導電層の平面を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［１．感圧センサの構成］
図１は、本実施の形態に従う感圧センサ１０の平面の一部を模式的に示す図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ断面を模式的に示す図である。

図１及び図２を参照して、感圧センサ１０は、加えられた圧力を検出するように構成されている。感圧センサ１０は、第１シート部材５０と、第２シート部材６０とを含んでいる。感圧センサ１０において、第１シート部材５０と第２シート部材６０とは、互いに重ね合わされている。第１シート部材５０及び第２シート部材６０の各々は、平面視において、略円形状の部分と、矩形状の部分とを有している。第１シート部材５０及び第２シート部材６０は、互いの略円形状の部分において、互いに接着されていない。感圧センサ１０においては、第１シート部材５０と第２シート部材６０とを挟み込む圧力が検出される。

第１シート部材５０は、基材１００と、第１電極１１０と、第２電極１２０とを含んでいる。基材１００は、シート状の部材であって、略円形状の部分と、矩形状の部分とを有している。基材１００は、例えば、ポリイミド、ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）等の可撓性を有する材料によって構成される。

第１電極１１０及び第２電極１２０の各々は、基材１００上に形成されている。第１電極１１０及び第２電極１２０の各々は、平面視において、櫛歯状の部分と矩形状の部分とを有している。第１電極１１０及び第２電極１２０は、互いの櫛歯が互い違いに位置するように配置されている。第１電極１１０及び第２電極１２０の各々は、例えば、銀箔、銅箔、アルミ箔等の金属箔、又は、導電性ポリマー等によって構成される。なお、第１電極１１０及び第２電極１２０の材料はこれらに限定されず、導電率の高い材料であればどのような材料が用いられてもよい。

第２シート部材６０は、基材２００と、第３電極２２０と、感圧導電層２１０とを含んでいる。基材２００は、シート状の部材であって、基材１００と略同一の形状を有している。基材２００は、基材１００と同様、例えば、ポリイミド、ＰＥＴ等の可撓性を有する材料によって構成される。

第３電極２２０は、基材２００上に形成されている。第３電極２２０の形状は、平面視において、略円形状である。第３電極２２０は、第１電極１１０及び第２電極１２０と同様、例えば、銀箔、銅箔、アルミ箔等の金属箔、又は、導電性ポリマー等によって構成される。なお、第３電極２２０の材料は、これらに限定されず、導電率の高い材料であればどのような材料が用いられてもよい。なお、本実施の形態において、第３電極２２０は、第１電極１１０及び第２電極１２０と同一の材料で構成されている。

感圧導電層２１０は、第２シート部材６０において、第３電極２２０を覆うように形成されている。感圧導電層２１０の形状は、平面視において、第３電極２２０よりも一回り大きい略円形状である。感圧導電層２１０は、感圧導電インクによって形成されている。感圧導電インクとしては、導電性粒子を含む公知の感圧導電インクを用いることができる。

感圧導電インクに含まれる導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバー、カーボンナノコイル等の炭素系粒子（繊維状物も含む）；鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、マグネシウム、プラチナ、銀、金、及びこれらの金属のうち少なくとも１種類を含む合金等の金属粒子；酸化スズ、酸化亜鉛、ヨウ化銀、ヨウ化銅、チタン酸バリウム、酸化インジウム錫、チタン酸ストロンチウム等の導電性無機材料粒子等が挙げられる。導電性粒子は、１種類単独で使用してもよいし、２種類以上を組合せて使用してもよい。

感圧センサ１０において、第１電極１１０及び第２電極１２０間の距離をＬ１とし、感圧導電層２１０の厚みをＴ１とした場合に、Ｌ１／Ｔ１は４０よりも大きい。また、１／Ｔ１は５０よりも大きくてもよい。すなわち、感圧センサ１０において、第１電極１１０及び第２電極１２０間の距離Ｌ１は、感圧導電層２１０の厚みＴ１よりも遥かに長い。

感圧センサ１０においては、第１シート部材５０と第２シート部材６０との間を引き離す部材が特に設けられていない。したがって、感圧センサ１０においては、感圧センサ１０が使用中であるか否かにかかわらず、第１電極１１０及び第２電極１２０の各々が感圧導電層２１０に接触している。

感圧センサ１０の使用時には、第１電極１１０及び第２電極１２０間に電圧が印加される。例えば、第１電極１１０に電源Ｖ１の正極が接続され、第２電極１２０に電源Ｖ１の負極が接続される。この場合に、第１電極１１０及び第２電極１２０は、感圧導電層２１０及び第３電極２２０を介して電気的に接続された状態となる。感圧センサ１０に加えられる圧力が大きくなると、第１電極１１０及び第２電極１２０の各々と感圧導電層２１０との接触面積が大きくなる。その結果、第１電極１１０及び第２電極１２０間の抵抗値が低下し、第１電極１１０及び第２電極１２０間において生じる電流値が大きくなる。この電流値の変化を検出することによって、感圧センサ１０に加えられた圧力が検出される。

［２．第２シート部材に第３電極が設けられている理由］
上述のように、感圧センサ１０においては、感圧導電層２１０が第３電極２２０を覆っている。この理由について次に説明する。一般的に、感圧センサにおいては、圧力に関する出力値が感圧センサに加えられる荷重の変化に対してより直線的に変化することが求められている。ここで、圧力に関する出力値は、例えば、オペアンプを用いることによって、双曲線で示される抵抗値出力が原点を通る電圧値出力に変換されたものである。

図３は、比較対象の感圧センサ１０Ａの断面の一部を模式的に示す図である。図３に示されるように、感圧センサ１０Ａにおいては、基材２００上に第３電極２２０が形成されていない。基材２００上には、感圧導電層２１０Ａのみが形成されている。

第１電極１１０及び第２電極１２０間に電圧が印加された状態で感圧センサ１０Ａに圧力が加えられると、感圧導電層２１０Ａを介して、第１電極１１０及び第２電極１２０間に電流が生じる。すなわち、感圧導電層２１０Ａの広い範囲に電流が流れる。その結果、第１電極１１０及び第２電極１２０間における抵抗成分のうち、感圧導電層２１０Ａに起因する体積抵抗成分が占める割合が大きくなる。

感圧センサ１０Ａに圧力が加えられた場合に、第１電極１１０及び第２電極１２０の各々と感圧導電層２１０Ａとの接触面積に起因する抵抗成分は大きく変化する。一方、感圧センサ１０Ａに圧力が加えられた場合に、感圧導電層２１０Ａに起因する体積抵抗成分はほとんど変化しない。すなわち、第１電極１１０及び第２電極１２０間の全抵抗成分に対して、感圧導電層２１０Ａに起因する体積抵抗成分はオフセットとして存在することとなる。感圧センサ１０Ａは第１電極１１０及び第２電極１２０間の抵抗値の変化に基づいて圧力を検出するため、オフセットの値（感圧導電層２１０Ａに起因する体積抵抗成分）が大きくなると、感圧センサ１０Ａの直線性は低下する。すなわち、本発明者（ら）は、感圧導電層２１０Ａに起因する体積抵抗値が大きい程、感圧センサ１０Ａの直線性に悪影響が与えられることを見出した。

図４は、本実施の形態に従う感圧センサ１０の断面の一部を模式的に示す図である。図４に示されるように、感圧センサ１０においては、感圧導電層２１０が第３電極２２０を覆っている。第３電極２２０の抵抗値は、感圧導電層２１０の抵抗値よりも遥かに低い。したがって、感圧センサ１０に圧力が加えられた場合に、第１電極１１０及び第２電極１２０間においては、感圧導電層２１０及び第３電極２２０を介して電流が流れる。

特に、感圧導電層２１０においては、主に感圧導電層２１０の厚み方向に電流が流れる。感圧導電層２１０の厚み方向の長さは第１電極１１０及び第２電極１２０間の長さと比較して遥かに短いため、感圧導電層２１０において電流が流れる範囲は図３に示される例と比較して狭くなる。したがって、第１電極１１０及び第２電極１２０間において、感圧導電層２１０に起因する体積抵抗値は小さくなる。その結果、感圧センサ１０によれば、感圧導電層２１０に起因する体積抵抗値が小さくなるため、感圧センサ１０の直線性を改善することができる。

図５は、比較対象の感圧センサ１０Ａの直線性を示す図である。図６は、本実施の形態に従う感圧センサ１０の直線性を示す図である。図５及び図６の各々において、横軸は感圧センサに掛かる荷重を示し、縦軸は感圧センサの出力を示す。図５及び図６を参照して、感圧センサ１０Ａと比較して、感圧センサ１０の方が直線性が高いことが分かる。

また、一般的に、櫛歯型の感圧センサにおいては、直線性を高めるために、各電極の各櫛歯の長さを長くすると共に、隣接する櫛歯間の距離を短くする必要があった。しかしながら、第２シート部材６０に第３電極２２０を形成することによって、例えば、櫛歯間の距離が長くなっても感圧センサの直線性は大きく低下しない。したがって、感圧センサ１０によれば、製造工程において微細な加工が不要となるため、生産性を向上させることができる。

［３．特徴］
以上のように、本実施の形態に従う感圧センサ１０においては、第２シート部材６０において、感圧導電層２１０が第３電極２２０を覆っている。したがって、この感圧センサ１０においては、感圧センサ１０の使用時に、感圧導電層２１０及び第３電極２２０を介して、第１電極１１０及び第２電極１２０の一方から他方に向かって電流が流れる。この場合には、第２シート部材６０に第３電極２２０が形成されていない場合と比較して、感圧導電層２１０の狭い範囲において電流が流れるため、感圧導電層２１０に起因する体積抵抗値は小さくなる。したがって、感圧センサ１０によれば、感圧導電層２１０に起因する体積抵抗値が小さくなるため、感圧センサ１０の直線性を改善することができる。

［４．変形例］
以上、実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。以下、変形例について説明する。

＜４－１＞
上述のように、第２シート部材６０に第３電極２２０を形成することによって、例えば、櫛歯間の距離が長くなっても感圧センサの直線性は大きく低下しない。そもそも、各電極を櫛歯型にする必要もない。

図７は、変形例における感圧センサに含まれる第１電極１１０Ｂ、第２電極１２０Ｂ及び感圧導電層２１０Ｂの平面を模式的に示す図である。第２シート部材６０に第３電極２２０が形成されている限り、第１電極１１０Ｂ、第２電極１２０Ｂ及び感圧導電層２１０Ｂの形状は、例えば、図７に示されるような形状であってもよい。すなわち、上記実施の形態に従う感圧センサ１０よりも、第１電極及び第２電極の面積を広くすることができる。感圧導電層には、微小な凹凸がある。この凹凸や導電材料の分布が感圧センサの出力精度に影響する。各電極と感圧導電層との接触面積が大きくなることによって、上記凹凸や導電材料の分布が平均化され、加圧時の抵抗値が安定する。その結果、感圧センサ１０Ｂの出力精度が安定し、繰り返し再現性が向上する。

＜４－２＞
上記実施の形態においては、電源Ｖ１の正極に第１電極１１０が接続され、電源Ｖ１の負極に第２電極１２０が接続された。しかしながら、電源Ｖ１と各電極との接続関係はこれに限定されない。例えば、電源Ｖ１の負極に第１電極１１０が接続され、電源Ｖ１の正極に第２電極１２０が接続されてもよい。

＜４－３＞
上記実施の形態において、感圧導電層２１０及び第３電極２２０の各々の形状は、平面視において略円形状であった。しかしながら、感圧導電層２１０及び第３電極２２０の各々の形状は、必ずしも略円形状である必要はない。例えば、感圧導電層２１０及び第３電極２２０の各々の形状は、矩形状であってもよい。

＜４－４＞
上記実施の形態において、第１電極１１０、第２電極１２０及び第３電極２２０の各々は同一の材料で構成された。しかしながら、第１電極１１０、第２電極１２０及び第３電極２２０の各々は、必ずしも同一の材料で構成されなくてもよい。第１電極１１０、第２電極１２０及び第３電極２２０の各々は、例えば、互いに異なる材料で構成されてもよい。

＜４－５＞
上記実施の形態において、第１電極１１０及び第２電極１２０間の距離をＬ１とし、感圧導電層２１０の厚みをＴ１とした場合に、Ｌ１／Ｔ１は４０よりも大きかった。しかしながら、Ｌ１／Ｔ１は４０よりも小さくてもよい。少なくとも、第１電極１１０及び第２電極１２０間の距離Ｌ１が感圧導電層２１０の厚みＴ１よりも長ければよい。

１０，１０Ａ，１０Ｂ 感圧センサ、５０ 第１シート部材、６０ 第２シート部材、１００，２００ 基材、１１０，１１０Ｂ 第１電極、１２０，１２０Ｂ 第２電極、２１０，２１０Ａ，２１０Ｂ 感圧導電層、２２０ 第３電極、Ｖ１ 電源。

Claims (4)

1. 圧力を検出するように構成された感圧センサであって、
   第１シート部材と、
   前記第１シート部材に重ねて配置された第２シート部材とを備え、
   前記第１シート部材には、第１及び第２電極が形成されており、
   前記第２シート部材には、感圧導電層によって覆われた第３電極が形成されており、
   前記感圧センサの使用時には、前記第１及び第２電極間に電圧が印加され、
   前記感圧センサが使用中であるか否かにかかわらず、前記第１及び第２電極の各々は、前記感圧導電層に接触している、感圧センサ。
2. 前記第３電極は、前記第１及び第２電極と同一の材料で構成されている、請求項１に記載の感圧センサ。
3. 前記第１及び第２電極間の距離をＬ１とし、前記感圧導電層の厚みをＴ１とした場合に、Ｌ１／Ｔ１は４０よりも大きい、請求項１又は請求項２に記載の感圧センサ。
4. 前記第１及び第２電極の各々は、櫛歯形状の部分を有している、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の感圧センサ。

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