JP2023165261A - シート型荷重センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成でせん断荷重が検出可能なシート型荷重センサを提供する。【解決手段】第１基材と、第２基材と、第１基材および第２基材の間に設けられた複数の感圧層と、第１基材上に設けられ、感圧層に接続される第１配線と、第２基材上に設けられ、感圧層のそれぞれに接続される複数の第２配線と、第１基材上に設けられる複数の第３配線と、第２配線の各々と第３配線の各々とを電気的に接続すると共に、第１基材および第２基材を接着する複数の導電接合部とを備える、シート型荷重センサ。【選択図】図１

Description

本発明は、シート状の荷重センサに関するもので、特にせん断荷重を計測できるシート型荷重センサに関するものである。

医療や介護の現場にて、対象者のベッドでの状態を感知するための大面積でシート状のセンサが求められている。このようなシート型荷重センサは、センサ面に対して垂直方向の荷重（垂直荷重）に加え、センサ面に対して平行な方向の荷重（せん断荷重）が検出可能であることが好ましい。

シート型荷重センサでは、センサに加えられた垂直荷重およびせん断荷重に対して、シート内部に形成された感圧層の抵抗値や静電容量などの電気物性値が変化することで荷重検出が行われている（特許文献１および２）。一般的なシート型荷重センサでは、上下の基材のそれぞれに形成された感圧層を対向配置させ、外力によって変化する上側基材の感圧層と下側基材の感圧層との間の信号を、上下基材に配した配線からそれぞれ計測器に出力することで荷重を算出している。

特許第６８５１５３４号公報 特開２０２０－１４８５６１号公報

シート型荷重センサにおいて、上下基材の感圧層に対応する配線の取り回しや、上下基材を接合する接合部などの設計が複雑になりやすい。

それ故に、本願発明は、簡単な構成でせん断荷重が検出可能なシート型荷重センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の一局面は、第１基材と、第２基材と、第１基材および第２基材の間に設けられた複数の感圧層と、第１基材上に設けられ、感圧層に接続される第１配線と、第２基材上に設けられ、感圧層のそれぞれに接続される複数の第２配線と、第１基材上に設けられる複数の第３配線と、第２配線の各々と第３配線の各々とを電気的に接続すると共に、第１基材および第２基材を接着する複数の導電接合部とを備える、シート型荷重センサである。

本発明によれば、簡単な構成でせん断荷重が検出可能なシート型荷重センサを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る荷重センサの概略平面図。 図１のＡ－Ｂ断面図。 本発明の第２実施形態に係る荷重センサの概略平面図。 図３のＣ－Ｄでの断面図。 参考例１に係る荷重センサの断面図。 参考例２に係る荷重センサの断面図。

本発明は、せん断荷重を抵抗値などの物理量変化として出力可能な感圧センサに関するものである。本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る荷重センサの概略平面図であり、図２は、図１のＡ－Ｂ断面図である。

本実施形態に係るシート型荷重センサ１００は、シート型荷重センサ１００の面に対して垂直方向の荷重（垂直荷重）に加え、センサ面に対して平行な方向の荷重（せん断荷重）が検出可能なセンサである。シート型荷重センサ１００は、第１基材１、第２基材２、感圧層３、第１配線１１、第２配線１２、第３配線１３、導電接合部４を備える。感圧層３は第１基材１と第２基材２との間に複数形成される。第１配線１１および第３配線１３は第１基材上に形成されており、第１配線１１は感圧層３に接続されている。第２配線１２は第２基材上に形成されており、感圧層３に接続されている。導電接合部４は、第２配線１２と第３配線１３とを電気的に接続すると共に、第１基材１および第２基材２を接着している。第１配線１１はコモン電極１１ａおよびコモン配線１１ｂを含む。第２配線１２は個別電極１２ａおよび個別配線１２ｂを含む。シート型荷重センサ１００において、個別電極１２ａから出力された信号は、第２基材２上の個別配線１２ｂから導電接合部４を介して、第１基材１側の第３配線１３に伝達される。このように、本実施形態にかかるシート型荷重センサ１００は、片側基材に出力可能なセンサである。

＜基材＞
第１基材１および第２基材２は、シート状の基材であり、可撓性を有することが好ましい。第１基材１および第２基材２を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、アクリルなどを用いることができる。また、第１基材１および第２基材２の厚さは、１０μｍ以上３０μｍ以下とすることが好ましい。この範囲であれば基材が折れ曲がることなく、丸めることも可能となる。

＜感圧層＞
感圧層３は、第１基材１と第２基材２との間に形成され、第１基材１（第２基材２）の表面に対して垂直方向（シート型荷重センサ１００の厚み方向）に加えられる垂直荷重を検出する部分である。感圧層３は、第１基材１上に設けられる抵抗体素子３Ａと、第２基材２上に設けられる抵抗体素子３Ｂとが対向配置された状態で貼り合わせられて構成される。第１基材１上の抵抗体素子３Ａと第２基材２上の抵抗体素子３Ｂとの接触状態がシート型荷重センサ１００に加えられる外力に応じて変化するため、感圧層３の抵抗値の変化からシート型荷重センサ１００に加えられた垂直荷重を算出することができる。

感圧層３は、複数設けられることで垂直荷重に加えてせん断荷重が検出可能となる。シート型荷重センサ１００にせん断荷重が加えられると、第１基材１上の抵抗体素子３Ａと第２基材２上の抵抗体素子３Ｂとが接触する接触面積が変化するため、感圧層３の抵抗値の変化からシート型荷重センサ１００に加えられたせん断荷重を算出することができる。例えば、３つの感圧層３が設けられる場合、１つの感圧層３Ｚを原点としたＸＹ座標系において、Ｘ軸上に感圧層３Ｘ、Ｙ軸上に感圧層３Ｙをそれぞれ配置する。このような構成においては、せん断荷重が加えられると、感圧層３Ｘ、感圧層３Ｙ、感圧層３Ｚの間で抵抗値に差が生じる。Ｘ軸方向にせん断荷重が発生した場合には、Ｘ軸上に並ぶ感圧層３Ｚと感圧層３Ｘとの抵抗値（あるいは抵抗値から求められる垂直荷重）の差分から、Ｘ軸方向のせん断荷重を算出することができる。同様に、Ｙ軸方向にせん断荷重が発生した場合には、Ｙ軸上に並ぶ感圧層３Ｚと感圧層３Ｙとの抵抗値（あるいは抵抗値から求められる垂直荷重）の差分から、Ｙ軸方向のせん断荷重を算出することができる。

感圧層３の抵抗体素子３Ａ、３Ｂを構成する材料としては、荷重により第１基材１上の抵抗体素子３Ａと第２基材２上の抵抗体素子３Ｂとの間の接触抵抗が変化する材料であればよく、好適には、金属やカーボンなどの導電フィラーをバインダー樹脂に分散した材料を用いることができる。導電フィラーとバインダー樹脂の材料および配合比を適宜選択することで、所望する荷重域に適した抵抗値変化量に調整することが可能である。感圧層３は、上述の材料をバインダー樹脂と共に溶剤に溶解することで粘度を調整してインクや塗料とし、コーティングや印刷で形成することができる。印刷による形成は素子を個別に配列しやすいため好適である。印刷ではスクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェットなどの手法が挙げられ、また、コーティング手法としては、グラビアコート、静電スプレー、ダイコートなどが挙げられる。コーティング手法では抵抗素子のパターンのマスクを用いて形成する。

感圧層３において、第１基材１上に設けられる抵抗体素子３Ａはコモン電極１１ａと接続される。また、第２基材２上に設けられる抵抗体素子３Ｂは個別電極１２ａと接続され、個別電極１２ａは第２配線１２と接続される。ただし、感圧層３の側面で導通が取れるのであれば、個別電極１２ａは省略し、感圧層３と個別配線１２ｂとが接続しても良い。

感圧層３を有する抵抗値変化型センサは、感圧層３の接触状態、接触面積及び材料を用途に応じて調整または選択し、外力により感圧層３の抵抗値が変化する構成であればよい。

なお、感圧層３は、垂直荷重およびせん断荷重に対して物理量が変化して検出できる構成であればよく、上述した抵抗値変化型以外にも、圧電材料型やコンデンサ構造の静電容量変化型などでもよい。

＜電極および配線＞
第１配線１１は、コモン電極１１ａおよびコモン配線１１ｂを含み、第１基材１上に設けられる。コモン電極１１ａ上には複数の感圧層３（抵抗体素子３Ａ）が形成される。

第２配線１２は、個別電極１２ａおよび個別配線１２ｂを含み、第２基材２上に複数の感圧層３と同数設けられる。個別電極１２ａ上には、個別電極１２ａを覆うように感圧層３（抵抗体素子３Ｂ）がそれぞれ形成される。複数の個別電極１２ａは、平面視においてコモン電極１１ａの領域内に配置される。

第３配線１３は、第１基材１上に設けられ、導電接合部４を介して第２配線１２と電気的に接続される。

第１配線１１、第２配線１２、および第３配線１３を構成する材料は導電材料であれば特に限定されない。それぞれの形成方法は、金属箔のエッチングからパターンを形成する方法、パターン形状に蒸着する方法、スパッタなどで形成する方法、導電ペーストを用いて印刷する方法など適宜選択できる。

＜導電接合部＞
導電接合部４は、第２基材２側の第２配線１２（個別配線１２ｂ）と第１基材１側の第３配線１３とを電気的に接続している。すなわち、コモン配線１１ｂが形成された第１基材１側に感圧層３の出力を伝達できるため、シート型荷重センサ１００は、片側出力接続可能となっている。

さらに、導電接合部４は、第１基材１および第２基材２を接着する。導電接合部４は第１基材１と第２基材２との間の電気的接続と物理的接続の両方の機能を有するため、シート型荷重センサ１００は、物理的接続部に加えて電気的接続部を別途設けることなく、片側出力接続可能となっている。

本実施形態において導電接合部４は感圧層３と同数形成される。このとき、導電接合部４の各々は、複数の感圧層３が配置された領域の外側において、感圧領域９の重心を中心とした回転対称な多角形（例えば、感圧層３が３つ形成される場合は正三角形）の頂点に配置される。そのため、感圧層３に加わる荷重のバランスが崩れるのを抑制でき、より正確なせん断荷重の計測が可能となる。なお、感圧領域９とは、シート型荷重センサ１００が荷重を検出可能な、シート型荷重センサ１００の面上の領域である。

導電接合部４は、弾性を有する導電性接着剤を用いて形成することができる。例えば、シート状に形成した導電接着材シートからパターンを切り出して所定の位置へ転写して形成する方法や、導電接着ペーストを用いて印刷形成する方法を用いることができる。導電性接着剤を第１基材１または第２基材２のいずれか一方に塗布し、必要に応じて加熱やＵＶ照射により接着硬化を行うことで基材を貼り合わせることができる。また、導電接合部４は弾性変形が可能なため、シート型荷重センサ１００に入力された荷重が感圧層３へ伝達するのを阻害しない。

シート型荷重センサ１００は、大判の基材に感圧層３と各配線を印刷した後、打ち抜き加工によって基材をセンサ外形形状に加工し、導電接続材料を用いて基材の貼り合わせを行うことで得ることができる。また、予めシート型荷重センサ１００の外形の形状に加工した基材に感圧層３と各配線を印刷形成した後、基材の貼り合わせを行ってもよい。また、第１基材１と第２基材２の表面には、センサの保護と意匠性を持たせるために外装部をそれぞれ設けても良い（不図示）。外装部は、パウチフィルムなどをラミネートして形成しても良いし、保護層材料などで表面をコーティングして形成しても良い。さらに外装部の表面には印刷などを施してもよい。

ここで、参考例と比較して本実施形態に係るシート型荷重センサ１００について説明する。図５は、参考例１に係る荷重センサの断面図であり、図６は、参考例２に係る片面配線の荷重センサの断面図である。

図５に記載の参考例１に係る荷重センサは、第１基材１０１と第２基材１０２間に電気的な配線を受け渡す経路が形成されていない。そのため、コモン電極１１１ａと個別電極１１２ａの出力配線１１１ｂ、１１２ｂは第１基材１０１と第２基材１０２のそれぞれに存在することになり、第１基材１０１と第２基材１０２のそれぞれから配線を引き出す必要がある。ただし、配線が第１基材１０１と第２基材１０２の間にあることから、コネクタを接続するために接続配線の反対側の基材をカットするなどの加工が必要になり、コネクタ自体も両面接続型のコネクタが必要となる。

一方、本実施形態に係るシート型荷重センサ１００においては、導電接合部４が設けられているため第１基材１と第２基材２間で電気的な配線の受け渡しが可能であり、かつ、第１基材１と第２基材２との接続も導電接合部４によって行われている。そのため、配線の引き回しの設計やコネクタ接続のための加工が図５に記載の荷重センサと比較して容易である。

図６に記載の参考例２に係る荷重センサは、第１基材１０１と第２基材１０２の接合部材１０４とは別に電気的受け渡しを行う導電部２０４が設けられており、片面出力が可能になっている。しかし、当該構成では、感圧層１０３および接合部材１０４以外に第１基材１０１と第２基材１０２とを繋ぐ部分が存在することになるため、感圧層１０３に加わる荷重のバランスが崩れて正確なせん断荷重の計測が出来ない恐れがあり、また、構成も複雑となる。

一方、本実施形態に係るシート型荷重センサ１００においては、第１基材１と第２基材２との間の配線の受け渡しおよび物理的な接合を導電接合部４のみで行っている。さらに、導電接合部４の各々は、複数の感圧層３が配置された領域の外側において、感圧領域９の重心を中心とした回転対称な多角形の頂点に配置される。そのため、感圧層３に加わる荷重のバランスが崩れるのを抑制でき、さらに、図６に記載の参考例に係る荷重センサよりも簡単な構成にすることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係るシート型荷重センサについて、第１実施形態との相違点を中心に説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係る荷重センサの概略平面図であり、図４は、図３のＣ－Ｄでの断面図である。

第２実施形態に係るシート型荷重センサは、導電接合部４’が異方導電材料により構成される。導電接合部４’は、複数の感圧層３が配置された領域を取り囲むように、円環状に設けられる。円環状の導電接合部４’上に複数の配線が形成されていても、異方導電材料を用いること短絡なくそれぞれの配線経路が確保できる。また、導電接合部４’を円環状とすることで、せん断荷重がＸＹ平面でどの方向から加えられた場合でも好適に感圧層３に荷重を伝達することが可能になり、感圧層３に加わる荷重のバランスが崩れるのを抑制できる。また、感圧層３の数に応じて導電接合部の形成位置を変更する必要もない。

導電接合部４’は、異方導電フィルムや異方導電ペーストを用いて形成することができる。

＜実施例１＞
図１に記載される構成のるシート型荷重センサを作製した。具体的な作成手順は下記の通りである。

基材（１００μｍのＰＥＴフィルム）上に、銀ペーストを用いて電極および配線を印刷し、また、カーボンインク（十条ケミカル、商品名ＪＥＬＣＯＮ ＣＨ－Ｎ）を用いて感圧層を印刷した。導電接着剤（セメダイン、商品名：導電接着剤ＳＸ－ＥＣＡ）を基材上の感圧部（５ｍｍ角、外接半径７ｍｍ）に対して、感圧領域の中心から１０ｍｍの位置、かつ、感圧領域の中心を原点とした正三角形の頂点のそれぞれの位置に塗布し、φ３ｍｍの導電接合部を３つ形成した。導電接合部を介して基材を貼り合わせて接合部を挟んで仮止めし、８０℃でホットラミネート３０分を行い固定し、実施例１に係るシート型荷重センサを作製した。

実施例１に係るシート型荷重センサにおいては、シート型荷重センサに垂直荷重２０Ｎを加え、８Ｎのせん断荷重を加えたところ、ＸＹ方向にそれぞれに対応する抵抗素子の抵抗値が２００Ω±３０Ωの範囲で変化することが観察された。また、端面の配線端子から簡単にコネクタ出力を取ることができた。

＜実施例２＞
基材として１２５μｍのポリイミドフィルムを用いたこと、導電接着剤として異方導電接着材（デクセリアルズ、商品名；ＣＰ８８２ＣＭ－２５ＡＣ）を用いたこと、導電接合部を感圧領域を中心とした半径５ｍｍの円形に形成したこと、貼り合わせ条件を片側の基材への仮止めを１６０℃、１０秒、基材の貼合本接着を３００℃、６０秒とした以外は実施例１と同様にして、実施例２に係るシートセンサを形成した。

実施例２に係るシート型荷重センサにおいては、シート型荷重センサに垂直荷重２０Ｎを加え、８Ｎのせん断荷重を加えたところ、ＸＹ平面全方向にそれぞれに対応する抵抗素子の抵抗値が２００Ω±３０Ωの範囲で変化することが観察された。また、端面の配線端子から簡単にコネクタ出力を取ることができた。

本発明は、せん断力が検出可能なシート型荷重センサとして利用できる。

１ 第１基材
２ 第２基材
３ 感圧層
４ 導電接合部
４’ 導電接合部
１１ 第１配線
１２ 第２配線
１３ 第３配線
１００ シート型荷重センサ

Claims (3)

1. 第１基材と、
   第２基材と、
   前記第１基材および前記第２基材の間に設けられた複数の感圧層と、
   前記第１基材上に設けられ、前記感圧層に接続される第１配線と、
   前記第２基材上に設けられ、前記感圧層のそれぞれに接続される複数の第２配線と、
   前記第１基材上に設けられる複数の第３配線と、
   前記第２配線の各々と前記第３配線の各々とを電気的に接続すると共に、前記第１基材および前記第２基材を接着する複数の導電接合部とを備える、シート型荷重センサ。
2. 前記導電接合部の各々が、前記複数の感圧層が配置された領域の外側において回転対称な多角形の頂点に配置される複数の導電部材の各々により構成される、請求項１に記載のシート型荷重センサ。
3. 前記導電接合部の各々が、前記複数の感圧層が配置された領域を取り囲む円環状の異方導電材料の一部により構成される、請求項１に記載のシート型荷重センサ。