JP3545500B2 - 感圧センサー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力によってゴム弾性体からなる誘電体層が弾性変形され、静電容量が変化することを測定に利用した感圧センサーに関するものであって、より詳しくは、構造を複雑にすることなく、高精度に重量や圧力を測定可能な感圧センサーに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、圧力を検出するための感圧センサーとしては、ロードセルを使用したものが知られている。このロードセルを用いる方式としては、ひずみゲージを弾性体に張り付けて感圧センサーを構成し、弾性体に圧力が掛かる事によりひずみゲージの電気抵抗が変化することを利用する方式、あるいは、ひずみゲージに使用されているものと同様の細い金属線を弾性体に直接巻き付けて感圧センサーを構成し、弾性体に圧力がかかる事により金属線の電気抵抗が変化することを利用した、いわゆる、Ｕゲージと称する方式のどちらかが一般的である。
【０００３】
また、ゴム弾性体の誘電率を利用して複雑な構造を採用することにより、加圧減圧時に発生する、ゴム弾性体が本来有するヒステリシスを軽減させた静電容量式で、感圧センサーとしても使用可能なゴムマット方式のものも実用化されている（特公昭５０−１９０５７号公報参照）。
【０００４】
さらに、金属バネ等の完全弾性体を補助的に設け、誘電率の高いゴムを採用することにより感度を高めると共に金属バネ等の完全弾性体の復元力を利用して再現性を良くした感圧装置も提案されている（実公平５−３５３０３号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、感圧センサーとして、ロードセルを使用する方法では、上記いずれの方式を用いても構造が複雑になり、使用される弾性体として、主にバネ鋼材を使用するために重く、価格も高く、落下などの衝撃で精度が狂いやすく、又、２倍以上の過負荷が掛かると破損したり精度が狂いやすい欠点があった。
【０００６】
また、上記のゴムマット方式の場合は、ゴム弾性体の単純圧縮変形を利用する方式を採用しているために加圧に対する変形量が小さい。このため、単位面積当たりの出力が小さくなり、コンデンサーとしてのキャパシタンスの変化量を大きくするためには広い面積が必要となり、ロードセル程度までに小型の感圧センサーを得るのは困難であった。
【０００７】
すなわち、図１８に示す如く、誘電体層７は、その長手方向（紙面に直交する方向）に沿って切断した断面形状が矩形状であり、単純圧縮方向（図１８の上下方向）のみに変形する構成なので、図１９で示す如く、誘電体層７の初期の変形領域Ａでは、直線的にキャパシタンスが変化するが、キャパシタンスが直線的に変化することが要求される領域Ｂであってもある点Ｐを越えると直線的にキャパシタンスが変化しなくなってしまうという問題がある。なお、図１８において、６及び８は、それぞれ第１電極層、第２電極層を示している。
【０００８】
同一荷重をかけた場合においてキャパシタンスが変化する領域を広げるために、誘電体層７の図１８に示す肉厚寸法Ｔに対する幅寸法Ｗの大きさを小さくすることも考えられるが、第１電極層６に荷重がかかった場合の、誘電体層７の変形挙動が不安定になり、第１電極層６と第２電極層８とが図１８の左右方向にずれやすくなるという問題がある。
【０００９】
また、誘電体層の材料であるゴムは粘弾性体であるのでヒステリシスがあり、そのままでは、感圧センサーとしては精度を維持できず、ゴム以外の金属ばね等の完全弾性体を補助として使用せざるをえないために、感圧センサーの構造が複雑であるという問題点があった。
さらに、前記の誘電率の高いゴム弾性を用いた感圧装置の場合には、誘電率を高めるためには、非極性ゴムにチタン酸バリウムなどの誘電率の高い配合剤を大量に添加して（非極性ゴム１００重量部に対して３００ないし８００重量部）ゴム弾性体からなる誘電層として使用する必要がある。この場合、誘電率は高くなるが、誘電体層としてのゴム弾性体が硬くなるため加圧時に変形しにくく、また、圧縮永久歪みが大きくなるという問題がある。
【００１０】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、構造を複雑にすることなく、圧力及び重量を高精度に測定のできる感圧センサーを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために提案されたものであり、下記の構成からなることを特徴とするものである。
すなわち、本発明によれば、互いに平行配置される第１電極層及び第２電極層と、前記第１電極層に一方の端面が密着され前記第２電極層に他方の端面が密着された状態で前記第１電極層と第２電極層とを離間状態とするゴム弾性体からなる長尺状の誘電体層と、を備えてなる感圧センサーであって、前記誘電体層が、前記一方の端面と前記第１電極層との接触面と、前記他方の端面と前記第２電極層との接触面と、が互いにずらされて形成されていることを特徴とする感圧センサーが提供される。
【００１２】
また、本発明によれば、請求項１記載の感圧センサーであって、前記誘電体層が、前記誘電体層の長手方向と直交する方向に沿って切断した断面形状が略平行四辺形である感圧センサーが提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、請求項２記載の感圧センサーであって、前記第１電極層及び第２電極層に直交する面と、前記誘電体層とのなす角度が３０ないし８５°である感圧センサーが提供される。
【００１４】
また、本発明によれば、請求項１又は２記載の感圧センサーであって、前記誘電体層が、前記第１電極層及び第２電極層と交差する面の一方と、前記第２電極層とのなす角度が３０ないし８５°であり、前記第１電極層及び第２電極層と交差する面の他方と、前記第２電極層とのなす角度が１４５ないし９０°である感圧センサーが提供される。
【００１５】
また、本発明によれば、請求項１ないし４のいずれか１項記載の感圧センサーであって、前記誘電体層が、前記第１電極層及び第２電極層を各々の面と直交する方向へ加圧したときに各々の電極層が加圧方向と異なる方向へずれるのを打ち消すような向きに配置された第１誘電体片及び第２誘電体片からなる感圧センサーが提供される。
【００１６】
また、本発明によれば、請求項５記載の感圧センサーであって、前記第１誘電体片と第２誘電体片とが略同一個設けられてなる感圧センサーが提供される。
【００１７】
また、本発明によれば、請求項１ないし６記載の感圧センサーであって、前記接触面における前記誘電体層の長手方向と略直交する方向の長さを、前記第１電極層と第２電極層との間の距離で除した値が０．２ないし５．０である感圧センサーが提供される。
【００１８】
また、本発明によれば、請求項１ないし７のいずれか１項記載の感圧センサーであって、誘電体層がＪＩＳ−Ｋ−６３０１でのＡスケールにおけるゴム硬度が２０ないし８０度である感圧センサーが提供される。
【００１９】
また、本発明によれば、請求項１ないし８のいずれか１項記載の感圧センサーであって、前記第１電極層と第２電極層との間の距離が０．２ないし５．０ｍｍである感圧センサーが提供される。
【００２０】
また、本発明によれば、請求項１ないし９のいずれか１項記載の感圧センサーであって、前記電極層を３個以上の奇数個備え、各々の電極間に前記誘電体層が密着して設けられてなる感圧センサーが提供される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
請求項１の発明に係る感圧センサーは、互いに平行配置される第１電極層と第２電極層との間に誘電体層が介在されてなるものである。誘電体層は、ゴム弾性体からなる長尺状に形成されており、第１電極層に一方の端面が密着され第２電極層に他方の端面が密着された状態で第１電極層と第２電極層とを離間状態としている。請求項１の発明では、誘電体層が、前記一方の端面と第１電極層との接触面と、前記他方の端面と第２電極層との接触面と、が互いにずらされて形成されている。
本発明に係る感圧センサーは、金属ばね等の完全弾性体を補助的に付加する必要はなく、すなわち、簡単な構造で高精度な測定を可能とするものである。
【００２２】
請求項１の発明においては、第１電極層と第２電極層との間に電圧が印加された状態で、各々の面に直交する方向に荷重がかかった場合に、誘電体層が剪断変形するため、その変形量が充分に確保される。したがって、第１電極層と第２電極層とが接近及び離れる方向へ移動することによるキャパシタンスの直線的に変化する領域を広くできるため、検出感度が向上する。
なお、本発明において、一方の端面と第１電極層との接触面と、他方の端面と第２電極層との接触面と、が互いにずらされているとは、図１に示す如く、接触面５０、５２において、接触面５０の一方の辺５０Ａと、接触面５２の一方の辺５２Ａの各々がずれており、かつ、接触面５０の他方の辺５０Ｂと、接触面５２の他方の辺５２Ｂの各々が図１の左右方向にずれている場合は当然含まれるものであるが、図５（Ａ）に示す状態をも含むものである。
【００２３】
すなわち、接触面４１Ａ、４１Ｂにおいて、接触面４１Ａの一方の辺４１Ｅと、接触面４１Ｂの一方の辺４１Ｆの各々が図の左右方向同一位置に位置しており、接触面４１Ａの他方の辺４１Ｃと、接触面４１Ｂの他方の辺４１Ｄのみが図の左右方向にずれている場合も含むものである。
なお、図１において、符号５３は、第１電極層、５４は第２電極層、９は第１誘電体片、１０は第２誘電体片を示しており、図５（Ａ）において、符号３９は、第１電極層、４０は第２電極層、４１は第１誘電体片、４２は第２誘電体片を示している。なお、第１誘電体片９と第２誘電体片１０の各々、第１誘電体片４１と第２誘電体片４２の各々は、互いに断面形状が左右対称になるように配置されている。
【００２４】
また、請求項２の発明に係る感圧センサーは、誘電体層が、誘電体層の長手方向と直交する方向に沿って切断した断面形状が略平行四辺形に形成されており、誘電体層が剪断変形する形状に形成されているので、前記請求項１と同様の作用により、キャパシタンスが直線的に変化する領域を広くできるため、検出感度が向上する。
【００２５】
請求項３の発明に係る感圧センサーは、第１電極層及び第２電極層に直交する面と、誘電体層とのなす角度が３０ないし８５°、特に好ましくは４５°に構成されてなるものである。このため、誘電体層の剪断変形量が充分に確保される。上記角度は９０度ないし電極層とほぼ平行に近い０度付近まで変えることは可能であるが、αが８５°よりも大きいと、圧縮変形の比率が増えて剪断変形が少なくなる傾向にあり、逆に３０°よりも角度が小さいと、圧縮変形の比率が減って剪断変形が大きくなるので、電極層との接着破壊がしやすくなる傾向がある。
【００２６】
請求項４の発明に係る感圧センサーは、誘電体層が、第１電極層及び第２電極層と交差する面の一方と、第２電極層とのなす角度が３０ないし８５°であり、前記第１電極層及び第２電極層と交差する面の他方と、前記第２電極層とのなす角度が１４５ないし９０°に構成されており、これにより、誘電体層の剪断変形量が充分に確保される。前者の角度及び後者の角度が上記範囲からはずれる場合、前者及び後者の角度が上記範囲よりも大きいときには、圧縮変形の比率が増えて剪断変形が少なくなる傾向にあり、前者及び後者の角度が上記範囲よりも小さいときには、接着破壊が生じやすい傾向にある。
【００２７】
請求項５の発明に係る感圧センサーでは、誘電体層が、第１電極層及び第２電極層を各々の面と直交する方向へ加圧したときに各々の電極層が加圧方向と異なる方向へずれるのを打ち消すような向きに配置された第１誘電体片及び第２誘電体片からなるものである。
このため、請求項５の発明に係る感圧センサーでは、誘電体層の変形にともなって、第１電極層と第２電極層とが圧力付与方向と異なる方向へずれるのが抑制される。
【００２８】
また、請求項６の感圧センサーは、第１誘電体片と第２誘電体片とが略同一個設けられてなるものであり、第１誘電体片及び第２誘電体片の各々による、第１電極層と第２電極層との加圧方向と異なる方向へのずれを防止する効果が略同一の度合いで発揮されるため、第１電極層と第２電極層とが加圧方向と異なる方向へずれるのが防止される。
【００２９】
また、請求項７の感圧センサーは、接触面における誘電体層の長手方向と略直交する方向の長さを、第１電極層と第２電極層との間の距離で除した値が０．２ないし５．０となっている。このため、感圧センサーの製作が容易であると共に製品毎のばらつきを小さくできる。
上記値が、０．２よりも小さいと、感圧センサーを製造しにくくなる傾向にあり、５．０よりも大きいと圧縮変形の比率が増えて剪断変形が少なくなる傾向にある。
【００３０】
また、請求項８の感圧センサーは、誘電体層がＪＩＳ−Ｋ−６３０１でのＡスケールにおけるゴム硬度が２０ないし８０度となっており、これにより、例えば、最大測定可能荷重１０ｋｇ程度の感圧センサーから最大測定可能荷重１０００ｋｇ程度までの各種感度の一般用感圧センサーを製造する場合に適するものとなる。
【００３１】
また、請求項９の発明では、第１電極層と第２電極層との間の距離が０．２ないし５．０ｍｍとされており、これにより、感圧センサーの製作が容易であると共に製品毎の感度のばらつきのない感圧センサーが提供される。
請求項１０の発明では、電極層を３個以上の奇数個備え、各々の電極間に誘電体層が密着して設けられている。このため、本発明では、測定する負荷荷重が高すぎて誘電体層の変形が大き過ぎ、誘電体層が直線的に変形する領域からはずれる場合、あるいは、同様に誘電体層の変形が大き過ぎて誘電体層が破損するおそれのある場合等にも、十分な感度を得られると共に、感圧センサーの損傷を防止できる。
【００３２】
以下に図面を参照して本発明の具体例を説明する。
すなわち、図１の具体例では、第１電極層５３と第２電極層５４との間に、第１誘電体片９及び第２誘電体片１０が設けられている。第１誘電体片９及び第２誘電体片１０は、その長手方向を紙面に直交する方向へ向けて配置されており、この長手方向と直交する方向で切断した断面形状が平行四辺形とされている。
第１誘電体片９は、第２電極層５４に対してα°右方へ傾斜しており、第２誘電体片１０は、第２電極層５４に対してα°左方へ傾斜している。そして、この第１誘電体片９と第２誘電体片１０とが交互に配置されていると共に、第１誘電体片９と第２誘電体片１０とは各々同数個設けられている。なお、図１では、第１誘電体片９と第２誘電体片１０は各々同一個設けられているが、若干各々の数が異なっていてもよい。
【００３３】
上記の如く、構成することにより、第１電極層５３が加圧された場合に、加圧方向（図１の上下方向）と異なる方向へ第１電極層５３と第２電極層５４とがずれる事が打ち消され、剪断変形を有効に利用できる。この構造により、第１電極層５３と第２電極層５４とが、横方向にずれることがなく、直線的にキャパシタンスが変化する領域の広い感圧センサーが提供される。
【００３４】
また、第１電極層５３（第２電極層５４）と接触する第１誘電体片９（第２誘電体片１０）の幅（Ｗ１）と第１誘電体層９（第２誘電体層１０）の厚さ（Ｔ１）の比率はＷ１／Ｔ１＝２／３が好ましく、第１誘電体片９及び第２誘電体片１０の厚さは、製作のしやすさ、感度及び製品毎のばらつきが少なくなる事を考慮すると０．２ｍｍないし５ｍｍがよく、特に１．５ｍｍが好ましい。
【００３５】
なお、本発明方式を実現する場合は、図２のように、第２電極層５４に対してα°右方に傾斜した第１誘電体片９をＮ個（図２では、Ｎ＝５）一方側に設け、第２電極層５４に対してα°左方に傾斜した第２誘電体片１０を他方側にＮ個（図２では、Ｎ＝５）設けてもよい。
更に実用的な感圧センサーとするには、図３（Ａ）のように２層の誘電体層、すなわち、誘電体層１４Ａ及び１４Ｂとそれらを挟持する３層の電極層１５、１６、１７からなる構造を採用するのが、使用時に外界の空中電荷の影響を受けにくく、測定時のキャパシタンスの誤差が少なくなり良好である。
【００３６】
また、感圧センサーに掛かる圧力が特定方向でない場合などの用途では、図３（Ｂ）のように上下の誘電体層１４Ａ、１４Ｂを各々を構成する誘電体片の各々が直角をなすように配置する構造が望ましい。
なお、ある仕様のゴム弾性体を誘電体層使用した場合に、測定する負荷荷重が高すぎ平行四辺形状等の誘電体層の変形が大き過ぎて、直線変形領域からはずれる場合、あるいは、同様に平行四辺形状の誘電体層の変形が大き過ぎて誘電体層が破損するおそれのある場合には、図４（Ａ）ないし（Ｅ）に示す如く、電極層３８、誘電体層３９を増やし、複数積層構造にすることにより、各誘電体層毎の加圧負担を軽減させ、感圧センサーとしての最大負荷時の感圧センサーの損傷を防止することも可能である。その場合に、電極層３８を奇数個平行配置し、各々の電極層間に誘電体層３９を積層し、奇数番目（ただし、誘電体層は数えない）に積層された電極層３８同士を配線コードで並列につないで、一方の交流電源に接続し偶数番目（ただし、誘電体層は数えない）に積層された電極層３８同士を配線コードで並列につないで、もう一方の交流電源に接続すればよい。
【００３７】
本発明方式における剪断変形での加圧部の不必要なずれを防止する方式は断面形状が平行四辺形でなくともよく、図５の（Ａ）ないし（Ｄ）に記載した各種の形状の誘電体片４１、４２、４３、４４、４５、４６を使用でき、各々の誘電体片４１ないし４６は略同数個使用する。すなわち、図５（Ａ）に示す如く、誘電体片の断面形状が、α＝４５°、β＝９０°を満たすものでもよく、αが３０ないし８５°、βが１４５ないし９０°の範囲を満たすかぎりにおいて任意の形状のものを採用でき、図５（Ｂ）及び（Ｃ）の符号４３ないし４６に示すような形状のものを採用できる。
【００３８】
また、誘電体片は、図５（Ａ）ないし（Ｃ）に示す如く、交互に（すなわち、誘電体片４１、４２の順、誘電体片４３、４４の順等）その断面形状が左右対称となるように必ずしも配置する必要はなく、図５（Ｄ）に示す如く、同一方向に向けられた誘電体片４１をＮ個（図２では、Ｎ＝３）一方側に設け、誘電体片４１と断面形状が左右対称になるように配置された誘電体片４２を他方側にＮ個（図２では、Ｎ＝３）に設けてもよい。
なお、図５（Ａ）ないし（Ｄ）において、５０は第１電極層、４０は第２電極層を示している。
【００３９】
誘電体層の配置等は上記に限定されるものではなく、例えば、図１１及び図１２に示すものも採用できる。すなわち、第２電極層３５の辺３５Ａに所定角度γだけ傾斜した状態に誘電体片４７、４８を設けてもよい。誘電体片４７、４８の各々は断面形状が左右対称となるように配置されている。
また、図１３及び図１４に示す如く、一対の誘電体片４７、４８を図１３の上方側端部が下方端部よりも間隔を広くした状態に配置し、この一対の誘電体片４７、４８を図１３において上下反転を交互に行った状態で順次配置してもよい。
【００４０】
また、図１５ないし図１７に示す如く、図１５の下方側へ向けて次第に幅寸法（図１５の左右方向寸）が短くされた一対の誘電体片４７を、図１５において上下反転を交互に行った状態で順次配置してもよい。 また、使用する誘電体片の材質としては、反発弾性が高く、同時に圧縮永久歪みの少ないゴム材質であることが重要であり、天然ゴム、ＩＲ、ＢＲ、ポリウレタンゴム、シリコーンゴム等の反発弾性が高く圧縮永久歪の少ない材質が使用できる。
【００４１】
公知の事実のようにゴム硬度が低い程、バネ定数が低くなり、ゴム硬度が高い程、バネ定数が高くなるので、例えば、最大測定可能荷重１０ｋｇ程度の感圧センサーから最大測定可能荷重１０００ｋｇ程度までの各種感度の一般用感圧センサーを製造する場合の誘電体片はバネ定数、形状、面積、その他を考慮すると、ゴムは、Ｊ ＩＳ−Ｋ−６３０１ でのＡスケールにおけるゴム硬度が２０度ないし８０度の範囲のものが使用できる。
また、印刷機のゴムロールの加圧力を測定するための最大測定可能荷重１００ｋｇ程度の感圧センサーを製造する場合を想定すると、誘電体片に使用するゴムのＪＩＳ−Ｋ−６３０１でのＡスケールにおけるゴム硬度は３０度ないし４０度が好ましく、誘電体層用のゴム材料としては、圧縮永久歪み性がよく、ゴム弾性がよいと同時に経時によるバネ定数の変化が少なく、温度によるバネ定数の変化も少ないシリコーンゴムは最適材料の１つである。
【００４２】
【実施例】
以下に実施例によって本発明を説明する。
実施例１及び２、比較例１ないし３
同一ゴム材質、同一ゴム硬度で、同一の加圧面積下における形状と出力との関係を確認するために以下の試験を行った。
誘電体層としては表１の配合からなるポリブタジエンラバーを使用し、１６５℃×１５分、２００ｋｇ／ｃｍ２ の条件下で電熱プレス成型して厚さ１．５ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍの加硫ゴムシートを作成した。ゴム硬度はＪＩＳ−Ｋ−６３０１のＡスケールで４０度であった。
【００４３】
次に、このゴムシートを厚さ及び長さを変えることなく表２のようにＮｏ．ＡないしＥに示す断面形状（長手方向と直交する方向に沿って切断した断面形状）となるように切断加工して５種類の短冊（誘電体片）を作成した。Ｎｏ．ＡないしＥのそれぞれの短冊を、図３（Ｃ）に示す互いに平行配置された第１電極層１５、第２電極層１６、第３電極層１７間に接着した。なお、各々の電極層は、幅２００ｍｍ、長さ２５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板を使用している。この接着は、誘電体層１４Ａ、１４Ｂともに加圧面積〔誘電体片１４Ａ（１４Ｂ）を構成する誘電体片の片面と電極層との接触面積の和〕がＮｏ．ＡないしＥ共に等しく６０ｃｍ２ （表３参照）になるように前記短冊（誘電体片）を表３に記載の本数それぞれウレタン系の２液性接着剤を介して図３（Ａ）のように接着させることによって行った。
これにより、図６の（Ａ）ないし（Ｅ）に断面図で示す２層の誘電体層と三層の誘電体層をもつ５層積層構造の試験品Ｎｏ．Ｔ−１（比較例１）、Ｎｏ．Ｔ−２（比較例２）、Ｎｏ．Ｔ−３（比較例３）、Ｎｏ．Ｔ−４（実施例１）、Ｎｏ．Ｔ−５（実施例２）を得た。
【００４４】
なお、図６の（Ａ）ないし（Ｅ）の２７、２９はそれぞれ第１誘電体層、第２誘電体層である。図６（Ｄ）において、符号２７Ａ、２７Ｂはそれぞれ第１誘電体層２７における第１誘電体片、第２誘電体片を示しており、符号２９Ａ、２９Ｂはそれぞれ第２誘電体層２９における第１誘電体片、第２誘電体片を示している。また、図６（Ｅ）において、符号２７Ｃ、２７Ｄは、それぞれ、第１誘電体層２７における第１誘電体片、第２誘電体片を示しており、２９Ｃ、２９Ｄは第１誘電体層２７における第１誘電体片、第２誘電体片を示している。なお、図３（Ａ）は図３（Ｄ）に示す短冊１４Ａ（１４Ｂ）（Ｎｏ．Ｔ−３）を使用して作成した例である。
【００４５】
次に、Ｎｏ．Ｔ−１ないしＮｏ．Ｔ−５の各試験品を図７のように第１電極層１５と第３電極層１７にそれぞれ電線コード１８、１９を接続し、結線部２０で結線し、ヒューレットパッカード社製のＨＰ４２８４プレシジョンＬＣＲメーターの一方の端子２２に接続し、第２電極層１６を電線コード２１で結線し、同様にＬＣＲメーターのもう一方の端子２３に接続した。この状態で１ＭＨｚ・６Ｖの交流電圧を印加し、Ｎｏ．Ｔ−１ないしＮｏ．Ｔ−５のそれぞれの試験品に２０ｋｇの分銅２５を試料（第１電極層１５）に順次乗せて（図７参照）０ｋｇ、２０ｋｇ、４０ｋｇ、６０ｋｇ、８０ｋｇ、１００ｋｇ加圧時のキャパシタンスを測定した。測定結果を表４、及び図８に示した。
【００４６】
表４及び図８より明らかなように実施例１の試験品（断面形状；菱形）、実施例２の試験品（断面形状；平行四辺形）のキャパシタンスの変化量は電極層との同一接触面積を持つ単純圧縮である比較例１ないし３の試験品と比較して明確な差があり、数倍の感度を持つことが証明された。又、単純圧縮の場合は、加圧時に誘電体層が異常な変形をしたり倒れ込まないように比較例２の試験品（Ｗ／Ｔ＝２．０）が限界と言われており、比較例３の試験品は単純圧縮では、使用されないので、単純圧縮の最も一般的な比較例２の試験品と比較すると、実施例１の試験品（Ｗ／Ｔ＝１）で４倍以上、実施例２の試験品（Ｗ／Ｔ＝２／３）では５倍以上の変化量があることが判明した。
【００４７】
【表１】
【００４８】
【表２】
【００４９】
【表３】
【００５０】
【表４】
【００５１】
実施例３ないし５、比較例４及び５
更に変化率を大きくして実用化するための試験として、誘電体層としてバネ定数の変化が少なく、又、耐熱性、耐寒性が良く、温度依存性が少ないシリコーンゴムを採用し、ゴム硬度、加圧面積、形状がキャパシタンスにどのように影響するかを標準の単純圧縮形状と比較して試験を行った。表５に各実施例及び各比較例の誘電体層を構成する誘電体片の断面形状、試験品の断面形状、及び誘電体片と電極層との接触面積を記載する。
【００５２】
使用したシリコーンゴムは、既存のグレードのジメチルシリコーンゴムで、ゴムロール材料として圧縮永久歪みの少ない、信越化学社製・＃ＫＥ９４１Ｕ（４０度）、と同・＃ＫＥ９３１Ｕ（３０度）をメーカー指定の既存の配合手法で行い、オープンロールで混練し生ゴムを準備した。表５でキャパシタンスの変化量の大きいことが予想されるＮｏ．Ｔ−８（実施例３）、Ｎｏ．Ｔ−９（実施例４）、及びＮｏ．Ｔ−１０（実施例５）の３種類の試験品は以下のように作成した。
【００５３】
すなわち、図９（Ａ）及び（Ｂ）のように厚さ０．２ｍｍのステンレス鋼板・ＳＵＳ＃３０１からなる第２電極層（３５）の上下に表５に記載した実施例３ないし５に係る断面形状が左右対称となるように配置した状態に誘電体片３１、３４を新規に製作した専用プレス成形型を使用して１７０℃、１０分、２００ｋｇ／ｃｍ２ の成形条件で接着剤を介して焼き付け接着して中間品を製作した。図９の（Ａ）はその中間品を上から見た図であり、図９の（Ｂ）はその中間品を横から見た図である。
【００５４】
この中間品の誘電体片３１、３４の上下面に、アルミニウム製で、厚さ１ｍｍの第１電極層、第３電極層３６、３７をゴム硬度３０度のＲＴＶシリコーンゴムを介して接着させて図９（Ｃ）の試作品を製作した。ここで、図９（Ｃ）は試験品の断面図である。
比較用の単純圧縮形状の比較例４の試験品、比較例５の試験品２種類は、以下のように製作した。実施例１と同様に、厚さ１．５ｍｍのシリコーンゴムからなるプレス成形型シートを製作し、表５の試験Ｎｏ．Ｔ−６、Ｎｏ．Ｔ−７に記載した断面形状が長方形の短冊片を作成した。
【００５５】
次に、この短冊を実施例１と同様な方法で接着させて、試験品を製作した。なお、接着剤はＮｏ．Ｔ−８ないしＮｏ．Ｔ−１０と同一のゴム硬度３０のＲＴＶシリコーンゴムを使用した。製作したＮｏ．Ｔ−６ないしＮｏ．Ｔ−１０の５種類の試験品は試験を行う前に２００℃×４時間、電気炉で追加熱して物性を安定させた。
上記の試験品を実施例１と同様の方法で試験し、その結果を表６、及び図１０に示した。
その結果より、加圧面積を実施例１等の６０ｃｍ２ より少ない４０ｃｍ２ とし、ゴム硬度を３０度にした実施例５の試験品は平均的な単純圧縮でゴム硬度４０度品（比較例４に試験品）と比較して約５倍のキャパシタンスの変化率があることが判明し、従来方式と比較して格段のキャパシタンス変化率があることが確実となった。
【００５６】
なお、実施例５の試験品を使用して印刷機の加圧ロールの圧力を測定する感圧センサーを製作すると、１００ｋｇ加圧で２４５ＰＦの変化があり、且つ、ほぼ、直線性もあるので、少なくとも１ＰＦ＝０．５ｋｇの誘電体層（ゴム製）と電極板だけからなり、破損しにくく、安価な１００ｋｇまで測定できる感圧センサーの製作が可能になった。
【００５７】
【表５】
【００５８】
【表６】
【００５９】
【発明の効果】
以上の如く構成したので、本発明によれば、構造を複雑にすることなく、高精度に重量や圧力を測定可能な感圧センサーを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体例を示す断面図である。
【図２】本発明の他の具体例を示す断面図である。
【図３】（Ａ）は感圧センサーの側面図、（Ｂ）は２層の誘電体層の各々が直角をなすように配置された感圧センサーの斜視図、（Ｃ）は電極層の斜視図。（Ｄ）は誘電体層の斜視図である。
【図４】（Ａ）ないし（Ｅ）は感圧センサーの断面図である。
【図５】（Ａ）ないし（Ｄ）は感圧センサーの断面図である。
【図６】（Ａ）ないし（Ｅ）は感圧センサーの断面図である。
【図７】感圧センサーのキャパシタンスを測定する状態を示す斜視図である。
【図８】荷重とキャパシタンスとの関係を示すグラフである。
【図９】（Ａ）は第１電極層を取付け前の状態の感圧センサーの平面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図、（Ｃ）は第１電極層が取付けられた後の感圧センサーの断面図である。
【図１０】荷重とキャパシタンスとの関係を示すグラフである。
【図１１】第１電極層を取付け前の状態の感圧センサーの平面図である。
【図１２】図１１の側面図である。
【図１３】第１電極層を取付け前の状態の感圧センサーの平面図である。
【図１４】図１３の側面図である。
【図１５】第１電極層を取付け前の状態の感圧センサーの平面図である。
【図１６】図１５の感圧センサーを誘電体層の長手方向一方側から見た図である。
【図１７】図１５の感圧センサーを誘電体層の長手方向他側から見た図である。
【図１８】従来の感圧センサーの断面図である。
【図１９】従来の感圧センサーの荷重とキャパシタンスの変化量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
６ 第１電極層
７ 誘電体層
８ 第２電極層
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力によってゴム弾性体からなる誘電体層が弾性変形され、静電容量が変化することを測定に利用した感圧センサーに関するものであって、より詳しくは、構造を複雑にすることなく、高精度に重量や圧力を測定可能な感圧センサーに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、圧力を検出するための感圧センサーとしては、ロードセルを使用したものが知られている。このロードセルを用いる方式としては、ひずみゲージを弾性体に張り付けて感圧センサーを構成し、弾性体に圧力が掛かる事によりひずみゲージの電気抵抗が変化することを利用する方式、あるいは、ひずみゲージに使用されているものと同様の細い金属線を弾性体に直接巻き付けて感圧センサーを構成し、弾性体に圧力がかかる事により金属線の電気抵抗が変化することを利用した、いわゆる、Ｕゲージと称する方式のどちらかが一般的である。
【０００３】
また、ゴム弾性体の誘電率を利用して複雑な構造を採用することにより、加圧減圧時に発生する、ゴム弾性体が本来有するヒステリシスを軽減させた静電容量式で、感圧センサーとしても使用可能なゴムマット方式のものも実用化されている（特公昭５０−１９０５７号公報参照）。
【０００４】
さらに、金属バネ等の完全弾性体を補助的に設け、誘電率の高いゴムを採用することにより感度を高めると共に金属バネ等の完全弾性体の復元力を利用して再現性を良くした感圧装置も提案されている（実公平５−３５３０３号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、感圧センサーとして、ロードセルを使用する方法では、上記いずれの方式を用いても構造が複雑になり、使用される弾性体として、主にバネ鋼材を使用するために重く、価格も高く、落下などの衝撃で精度が狂いやすく、又、２倍以上の過負荷が掛かると破損したり精度が狂いやすい欠点があった。
【０００６】
また、上記のゴムマット方式の場合は、ゴム弾性体の単純圧縮変形を利用する方式を採用しているために加圧に対する変形量が小さい。このため、単位面積当たりの出力が小さくなり、コンデンサーとしてのキャパシタンスの変化量を大きくするためには広い面積が必要となり、ロードセル程度までに小型の感圧センサーを得るのは困難であった。
【０００７】
すなわち、図１８に示す如く、誘電体層７は、その長手方向（紙面に直交する方向）に沿って切断した断面形状が矩形状であり、単純圧縮方向（図１８の上下方向）のみに変形する構成なので、図１９で示す如く、誘電体層７の初期の変形領域Ａでは、直線的にキャパシタンスが変化するが、キャパシタンスが直線的に変化することが要求される領域Ｂであってもある点Ｐを越えると直線的にキャパシタンスが変化しなくなってしまうという問題がある。なお、図１８において、６及び８は、それぞれ第１電極層、第２電極層を示している。
【０００８】
同一荷重をかけた場合においてキャパシタンスが変化する領域を広げるために、誘電体層７の図１８に示す肉厚寸法Ｔに対する幅寸法Ｗの大きさを小さくすることも考えられるが、第１電極層６に荷重がかかった場合の、誘電体層７の変形挙動が不安定になり、第１電極層６と第２電極層８とが図１８の左右方向にずれやすくなるという問題がある。
【０００９】
また、誘電体層の材料であるゴムは粘弾性体であるのでヒステリシスがあり、そのままでは、感圧センサーとしては精度を維持できず、ゴム以外の金属ばね等の完全弾性体を補助として使用せざるをえないために、感圧センサーの構造が複雑であるという問題点があった。
さらに、前記の誘電率の高いゴム弾性を用いた感圧装置の場合には、誘電率を高めるためには、非極性ゴムにチタン酸バリウムなどの誘電率の高い配合剤を大量に添加して（非極性ゴム１００重量部に対して３００ないし８００重量部）ゴム弾性体からなる誘電層として使用する必要がある。この場合、誘電率は高くなるが、誘電体層としてのゴム弾性体が硬くなるため加圧時に変形しにくく、また、圧縮永久歪みが大きくなるという問題がある。
【００１０】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、構造を複雑にすることなく、圧力及び重量を高精度に測定のできる感圧センサーを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するために提案されたものであり、下記の構成からなることを特徴とするものである。
すなわち、本発明によれば、互いに平行配置される第１電極層及び第２電極層と、前記第１電極層に一方の端面が密着され前記第２電極層に他方の端面が密着された状態で前記第１電極層と第２電極層とを離間状態とするゴム弾性体からなる長尺状の誘電体層と、を備えてなる感圧センサーであって、前記誘電体層が、前記一方の端面と前記第１電極層との接触面と、前記他方の端面と前記第２電極層との接触面と、が互いにずらされて形成されていることを特徴とする感圧センサーが提供される。
【００１２】
また、本発明によれば、請求項１記載の感圧センサーであって、前記誘電体層が、前記誘電体層の長手方向と直交する方向に沿って切断した断面形状が略平行四辺形である感圧センサーが提供される。
【００１３】
また、本発明によれば、請求項２記載の感圧センサーであって、前記第１電極層及び第２電極層に直交する面と、前記誘電体層とのなす角度が３０ないし８５°である感圧センサーが提供される。
【００１４】
また、本発明によれば、請求項１又は２記載の感圧センサーであって、前記誘電体層が、前記第１電極層及び第２電極層と交差する面の一方と、前記第２電極層とのなす角度が３０ないし８５°であり、前記第１電極層及び第２電極層と交差する面の他方と、前記第２電極層とのなす角度が１４５ないし９０°である感圧センサーが提供される。
【００１５】
また、本発明によれば、請求項１ないし４のいずれか１項記載の感圧センサーであって、前記誘電体層が、前記第１電極層及び第２電極層を各々の面と直交する方向へ加圧したときに各々の電極層が加圧方向と異なる方向へずれるのを打ち消すような向きに配置された第１誘電体片及び第２誘電体片からなる感圧センサーが提供される。
【００１６】
また、本発明によれば、請求項５記載の感圧センサーであって、前記第１誘電体片と第２誘電体片とが略同一個設けられてなる感圧センサーが提供される。
【００１７】
また、本発明によれば、請求項１ないし６記載の感圧センサーであって、前記接触面における前記誘電体層の長手方向と略直交する方向の長さを、前記第１電極層と第２電極層との間の距離で除した値が０．２ないし５．０である感圧センサーが提供される。
【００１８】
また、本発明によれば、請求項１ないし７のいずれか１項記載の感圧センサーであって、誘電体層がＪＩＳ−Ｋ−６３０１でのＡスケールにおけるゴム硬度が２０ないし８０度である感圧センサーが提供される。
【００１９】
また、本発明によれば、請求項１ないし８のいずれか１項記載の感圧センサーであって、前記第１電極層と第２電極層との間の距離が０．２ないし５．０ｍｍである感圧センサーが提供される。
【００２０】
また、本発明によれば、請求項１ないし９のいずれか１項記載の感圧センサーであって、前記電極層を３個以上の奇数個備え、各々の電極間に前記誘電体層が密着して設けられてなる感圧センサーが提供される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
請求項１の発明に係る感圧センサーは、互いに平行配置される第１電極層と第２電極層との間に誘電体層が介在されてなるものである。誘電体層は、ゴム弾性体からなる長尺状に形成されており、第１電極層に一方の端面が密着され第２電極層に他方の端面が密着された状態で第１電極層と第２電極層とを離間状態としている。請求項１の発明では、誘電体層が、前記一方の端面と第１電極層との接触面と、前記他方の端面と第２電極層との接触面と、が互いにずらされて形成されている。
本発明に係る感圧センサーは、金属ばね等の完全弾性体を補助的に付加する必要はなく、すなわち、簡単な構造で高精度な測定を可能とするものである。
【００２２】
請求項１の発明においては、第１電極層と第２電極層との間に電圧が印加された状態で、各々の面に直交する方向に荷重がかかった場合に、誘電体層が剪断変形するため、その変形量が充分に確保される。したがって、第１電極層と第２電極層とが接近及び離れる方向へ移動することによるキャパシタンスの直線的に変化する領域を広くできるため、検出感度が向上する。
なお、本発明において、一方の端面と第１電極層との接触面と、他方の端面と第２電極層との接触面と、が互いにずらされているとは、図１に示す如く、接触面５０、５２において、接触面５０の一方の辺５０Ａと、接触面５２の一方の辺５２Ａの各々がずれており、かつ、接触面５０の他方の辺５０Ｂと、接触面５２の他方の辺５２Ｂの各々が図１の左右方向にずれている場合は当然含まれるものであるが、図５（Ａ）に示す状態をも含むものである。
【００２３】
すなわち、接触面４１Ａ、４１Ｂにおいて、接触面４１Ａの一方の辺４１Ｅと、接触面４１Ｂの一方の辺４１Ｆの各々が図の左右方向同一位置に位置しており、接触面４１Ａの他方の辺４１Ｃと、接触面４１Ｂの他方の辺４１Ｄのみが図の左右方向にずれている場合も含むものである。
なお、図１において、符号５３は、第１電極層、５４は第２電極層、９は第１誘電体片、１０は第２誘電体片を示しており、図５（Ａ）において、符号３９は、第１電極層、４０は第２電極層、４１は第１誘電体片、４２は第２誘電体片を示している。なお、第１誘電体片９と第２誘電体片１０の各々、第１誘電体片４１と第２誘電体片４２の各々は、互いに断面形状が左右対称になるように配置されている。
【００２４】
また、請求項２の発明に係る感圧センサーは、誘電体層が、誘電体層の長手方向と直交する方向に沿って切断した断面形状が略平行四辺形に形成されており、誘電体層が剪断変形する形状に形成されているので、前記請求項１と同様の作用により、キャパシタンスが直線的に変化する領域を広くできるため、検出感度が向上する。
【００２５】
請求項３の発明に係る感圧センサーは、第１電極層及び第２電極層に直交する面と、誘電体層とのなす角度が３０ないし８５°、特に好ましくは４５°に構成されてなるものである。このため、誘電体層の剪断変形量が充分に確保される。上記角度は９０度ないし電極層とほぼ平行に近い０度付近まで変えることは可能であるが、αが８５°よりも大きいと、圧縮変形の比率が増えて剪断変形が少なくなる傾向にあり、逆に３０°よりも角度が小さいと、圧縮変形の比率が減って剪断変形が大きくなるので、電極層との接着破壊がしやすくなる傾向がある。
【００２６】
請求項４の発明に係る感圧センサーは、誘電体層が、第１電極層及び第２電極層と交差する面の一方と、第２電極層とのなす角度が３０ないし８５°であり、前記第１電極層及び第２電極層と交差する面の他方と、前記第２電極層とのなす角度が１４５ないし９０°に構成されており、これにより、誘電体層の剪断変形量が充分に確保される。前者の角度及び後者の角度が上記範囲からはずれる場合、前者及び後者の角度が上記範囲よりも大きいときには、圧縮変形の比率が増えて剪断変形が少なくなる傾向にあり、前者及び後者の角度が上記範囲よりも小さいときには、接着破壊が生じやすい傾向にある。
【００２７】
請求項５の発明に係る感圧センサーでは、誘電体層が、第１電極層及び第２電極層を各々の面と直交する方向へ加圧したときに各々の電極層が加圧方向と異なる方向へずれるのを打ち消すような向きに配置された第１誘電体片及び第２誘電体片からなるものである。
このため、請求項５の発明に係る感圧センサーでは、誘電体層の変形にともなって、第１電極層と第２電極層とが圧力付与方向と異なる方向へずれるのが抑制される。
【００２８】
また、請求項６の感圧センサーは、第１誘電体片と第２誘電体片とが略同一個設けられてなるものであり、第１誘電体片及び第２誘電体片の各々による、第１電極層と第２電極層との加圧方向と異なる方向へのずれを防止する効果が略同一の度合いで発揮されるため、第１電極層と第２電極層とが加圧方向と異なる方向へずれるのが防止される。
【００２９】
また、請求項７の感圧センサーは、接触面における誘電体層の長手方向と略直交する方向の長さを、第１電極層と第２電極層との間の距離で除した値が０．２ないし５．０となっている。このため、感圧センサーの製作が容易であると共に製品毎のばらつきを小さくできる。
上記値が、０．２よりも小さいと、感圧センサーを製造しにくくなる傾向にあり、５．０よりも大きいと圧縮変形の比率が増えて剪断変形が少なくなる傾向にある。
【００３０】
また、請求項８の感圧センサーは、誘電体層がＪＩＳ−Ｋ−６３０１でのＡスケールにおけるゴム硬度が２０ないし８０度となっており、これにより、例えば、最大測定可能荷重１０ｋｇ程度の感圧センサーから最大測定可能荷重１０００ｋｇ程度までの各種感度の一般用感圧センサーを製造する場合に適するものとなる。
【００３１】
また、請求項９の発明では、第１電極層と第２電極層との間の距離が０．２ないし５．０ｍｍとされており、これにより、感圧センサーの製作が容易であると共に製品毎の感度のばらつきのない感圧センサーが提供される。
請求項１０の発明では、電極層を３個以上の奇数個備え、各々の電極間に誘電体層が密着して設けられている。このため、本発明では、測定する負荷荷重が高すぎて誘電体層の変形が大き過ぎ、誘電体層が直線的に変形する領域からはずれる場合、あるいは、同様に誘電体層の変形が大き過ぎて誘電体層が破損するおそれのある場合等にも、十分な感度を得られると共に、感圧センサーの損傷を防止できる。
【００３２】
以下に図面を参照して本発明の具体例を説明する。
すなわち、図１の具体例では、第１電極層５３と第２電極層５４との間に、第１誘電体片９及び第２誘電体片１０が設けられている。第１誘電体片９及び第２誘電体片１０は、その長手方向を紙面に直交する方向へ向けて配置されており、この長手方向と直交する方向で切断した断面形状が平行四辺形とされている。
第１誘電体片９は、第２電極層５４に対してα°右方へ傾斜しており、第２誘電体片１０は、第２電極層５４に対してα°左方へ傾斜している。そして、この第１誘電体片９と第２誘電体片１０とが交互に配置されていると共に、第１誘電体片９と第２誘電体片１０とは各々同数個設けられている。なお、図１では、第１誘電体片９と第２誘電体片１０は各々同一個設けられているが、若干各々の数が異なっていてもよい。
【００３３】
上記の如く、構成することにより、第１電極層５３が加圧された場合に、加圧方向（図１の上下方向）と異なる方向へ第１電極層５３と第２電極層５４とがずれる事が打ち消され、剪断変形を有効に利用できる。この構造により、第１電極層５３と第２電極層５４とが、横方向にずれることがなく、直線的にキャパシタンスが変化する領域の広い感圧センサーが提供される。
【００３４】
また、第１電極層５３（第２電極層５４）と接触する第１誘電体片９（第２誘電体片１０）の幅（Ｗ１）と第１誘電体層９（第２誘電体層１０）の厚さ（Ｔ１）の比率はＷ１／Ｔ１＝２／３が好ましく、第１誘電体片９及び第２誘電体片１０の厚さは、製作のしやすさ、感度及び製品毎のばらつきが少なくなる事を考慮すると０．２ｍｍないし５ｍｍがよく、特に１．５ｍｍが好ましい。
【００３５】
なお、本発明方式を実現する場合は、図２のように、第２電極層５４に対してα°右方に傾斜した第１誘電体片９をＮ個（図２では、Ｎ＝５）一方側に設け、第２電極層５４に対してα°左方に傾斜した第２誘電体片１０を他方側にＮ個（図２では、Ｎ＝５）設けてもよい。
更に実用的な感圧センサーとするには、図３（Ａ）のように２層の誘電体層、すなわち、誘電体層１４Ａ及び１４Ｂとそれらを挟持する３層の電極層１５、１６、１７からなる構造を採用するのが、使用時に外界の空中電荷の影響を受けにくく、測定時のキャパシタンスの誤差が少なくなり良好である。
【００３６】
また、感圧センサーに掛かる圧力が特定方向でない場合などの用途では、図３（Ｂ）のように上下の誘電体層１４Ａ、１４Ｂを各々を構成する誘電体片の各々が直角をなすように配置する構造が望ましい。
なお、ある仕様のゴム弾性体を誘電体層使用した場合に、測定する負荷荷重が高すぎ平行四辺形状等の誘電体層の変形が大き過ぎて、直線変形領域からはずれる場合、あるいは、同様に平行四辺形状の誘電体層の変形が大き過ぎて誘電体層が破損するおそれのある場合には、図４（Ａ）ないし（Ｅ）に示す如く、電極層３８、誘電体層３９を増やし、複数積層構造にすることにより、各誘電体層毎の加圧負担を軽減させ、感圧センサーとしての最大負荷時の感圧センサーの損傷を防止することも可能である。その場合に、電極層３８を奇数個平行配置し、各々の電極層間に誘電体層３９を積層し、奇数番目（ただし、誘電体層は数えない）に積層された電極層３８同士を配線コードで並列につないで、一方の交流電源に接続し偶数番目（ただし、誘電体層は数えない）に積層された電極層３８同士を配線コードで並列につないで、もう一方の交流電源に接続すればよい。
【００３７】
本発明方式における剪断変形での加圧部の不必要なずれを防止する方式は断面形状が平行四辺形でなくともよく、図５の（Ａ）ないし（Ｄ）に記載した各種の形状の誘電体片４１、４２、４３、４４、４５、４６を使用でき、各々の誘電体片４１ないし４６は略同数個使用する。すなわち、図５（Ａ）に示す如く、誘電体片の断面形状が、α＝４５°、β＝９０°を満たすものでもよく、αが３０ないし８５°、βが１４５ないし９０°の範囲を満たすかぎりにおいて任意の形状のものを採用でき、図５（Ｂ）及び（Ｃ）の符号４３ないし４６に示すような形状のものを採用できる。
【００３８】
また、誘電体片は、図５（Ａ）ないし（Ｃ）に示す如く、交互に（すなわち、誘電体片４１、４２の順、誘電体片４３、４４の順等）その断面形状が左右対称となるように必ずしも配置する必要はなく、図５（Ｄ）に示す如く、同一方向に向けられた誘電体片４１をＮ個（図２では、Ｎ＝３）一方側に設け、誘電体片４１と断面形状が左右対称になるように配置された誘電体片４２を他方側にＮ個（図２では、Ｎ＝３）に設けてもよい。
なお、図５（Ａ）ないし（Ｄ）において、５０は第１電極層、４０は第２電極層を示している。
【００３９】
誘電体層の配置等は上記に限定されるものではなく、例えば、図１１及び図１２に示すものも採用できる。すなわち、第２電極層３５の辺３５Ａに所定角度γだけ傾斜した状態に誘電体片４７、４８を設けてもよい。誘電体片４７、４８の各々は断面形状が左右対称となるように配置されている。
また、図１３及び図１４に示す如く、一対の誘電体片４７、４８を図１３の上方側端部が下方端部よりも間隔を広くした状態に配置し、この一対の誘電体片４７、４８を図１３において上下反転を交互に行った状態で順次配置してもよい。
【００４０】
また、図１５ないし図１７に示す如く、図１５の下方側へ向けて次第に幅寸法（図１５の左右方向寸）が短くされた一対の誘電体片４７を、図１５において上下反転を交互に行った状態で順次配置してもよい。 また、使用する誘電体片の材質としては、反発弾性が高く、同時に圧縮永久歪みの少ないゴム材質であることが重要であり、天然ゴム、ＩＲ、ＢＲ、ポリウレタンゴム、シリコーンゴム等の反発弾性が高く圧縮永久歪の少ない材質が使用できる。
【００４１】
公知の事実のようにゴム硬度が低い程、バネ定数が低くなり、ゴム硬度が高い程、バネ定数が高くなるので、例えば、最大測定可能荷重１０ｋｇ程度の感圧センサーから最大測定可能荷重１０００ｋｇ程度までの各種感度の一般用感圧センサーを製造する場合の誘電体片はバネ定数、形状、面積、その他を考慮すると、ゴムは、Ｊ ＩＳ−Ｋ−６３０１ でのＡスケールにおけるゴム硬度が２０度ないし８０度の範囲のものが使用できる。
また、印刷機のゴムロールの加圧力を測定するための最大測定可能荷重１００ｋｇ程度の感圧センサーを製造する場合を想定すると、誘電体片に使用するゴムのＪＩＳ−Ｋ−６３０１でのＡスケールにおけるゴム硬度は３０度ないし４０度が好ましく、誘電体層用のゴム材料としては、圧縮永久歪み性がよく、ゴム弾性がよいと同時に経時によるバネ定数の変化が少なく、温度によるバネ定数の変化も少ないシリコーンゴムは最適材料の１つである。
【００４２】
【実施例】
以下に実施例によって本発明を説明する。
実施例１及び２、比較例１ないし３
同一ゴム材質、同一ゴム硬度で、同一の加圧面積下における形状と出力との関係を確認するために以下の試験を行った。
誘電体層としては表１の配合からなるポリブタジエンラバーを使用し、１６５℃×１５分、２００ｋｇ／ｃｍ２ の条件下で電熱プレス成型して厚さ１．５ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ２００ｍｍの加硫ゴムシートを作成した。ゴム硬度はＪＩＳ−Ｋ−６３０１のＡスケールで４０度であった。
【００４３】
次に、このゴムシートを厚さ及び長さを変えることなく表２のようにＮｏ．ＡないしＥに示す断面形状（長手方向と直交する方向に沿って切断した断面形状）となるように切断加工して５種類の短冊（誘電体片）を作成した。Ｎｏ．ＡないしＥのそれぞれの短冊を、図３（Ｃ）に示す互いに平行配置された第１電極層１５、第２電極層１６、第３電極層１７間に接着した。なお、各々の電極層は、幅２００ｍｍ、長さ２５０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアルミニウム板を使用している。この接着は、誘電体層１４Ａ、１４Ｂともに加圧面積〔誘電体片１４Ａ（１４Ｂ）を構成する誘電体片の片面と電極層との接触面積の和〕がＮｏ．ＡないしＥ共に等しく６０ｃｍ２ （表３参照）になるように前記短冊（誘電体片）を表３に記載の本数それぞれウレタン系の２液性接着剤を介して図３（Ａ）のように接着させることによって行った。
これにより、図６の（Ａ）ないし（Ｅ）に断面図で示す２層の誘電体層と三層の誘電体層をもつ５層積層構造の試験品Ｎｏ．Ｔ−１（比較例１）、Ｎｏ．Ｔ−２（比較例２）、Ｎｏ．Ｔ−３（比較例３）、Ｎｏ．Ｔ−４（実施例１）、Ｎｏ．Ｔ−５（実施例２）を得た。
【００４４】
なお、図６の（Ａ）ないし（Ｅ）の２７、２９はそれぞれ第１誘電体層、第２誘電体層である。図６（Ｄ）において、符号２７Ａ、２７Ｂはそれぞれ第１誘電体層２７における第１誘電体片、第２誘電体片を示しており、符号２９Ａ、２９Ｂはそれぞれ第２誘電体層２９における第１誘電体片、第２誘電体片を示している。また、図６（Ｅ）において、符号２７Ｃ、２７Ｄは、それぞれ、第１誘電体層２７における第１誘電体片、第２誘電体片を示しており、２９Ｃ、２９Ｄは第１誘電体層２７における第１誘電体片、第２誘電体片を示している。なお、図３（Ａ）は図３（Ｄ）に示す短冊１４Ａ（１４Ｂ）（Ｎｏ．Ｔ−３）を使用して作成した例である。
【００４５】
次に、Ｎｏ．Ｔ−１ないしＮｏ．Ｔ−５の各試験品を図７のように第１電極層１５と第３電極層１７にそれぞれ電線コード１８、１９を接続し、結線部２０で結線し、ヒューレットパッカード社製のＨＰ４２８４プレシジョンＬＣＲメーターの一方の端子２２に接続し、第２電極層１６を電線コード２１で結線し、同様にＬＣＲメーターのもう一方の端子２３に接続した。この状態で１ＭＨｚ・６Ｖの交流電圧を印加し、Ｎｏ．Ｔ−１ないしＮｏ．Ｔ−５のそれぞれの試験品に２０ｋｇの分銅２５を試料（第１電極層１５）に順次乗せて（図７参照）０ｋｇ、２０ｋｇ、４０ｋｇ、６０ｋｇ、８０ｋｇ、１００ｋｇ加圧時のキャパシタンスを測定した。測定結果を表４、及び図８に示した。
【００４６】
表４及び図８より明らかなように実施例１の試験品（断面形状；菱形）、実施例２の試験品（断面形状；平行四辺形）のキャパシタンスの変化量は電極層との同一接触面積を持つ単純圧縮である比較例１ないし３の試験品と比較して明確な差があり、数倍の感度を持つことが証明された。又、単純圧縮の場合は、加圧時に誘電体層が異常な変形をしたり倒れ込まないように比較例２の試験品（Ｗ／Ｔ＝２．０）が限界と言われており、比較例３の試験品は単純圧縮では、使用されないので、単純圧縮の最も一般的な比較例２の試験品と比較すると、実施例１の試験品（Ｗ／Ｔ＝１）で４倍以上、実施例２の試験品（Ｗ／Ｔ＝２／３）では５倍以上の変化量があることが判明した。
【００４７】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
実施例３ないし５、比較例４及び５
更に変化率を大きくして実用化するための試験として、誘電体層としてバネ定数の変化が少なく、又、耐熱性、耐寒性が良く、温度依存性が少ないシリコーンゴムを採用し、ゴム硬度、加圧面積、形状がキャパシタンスにどのように影響するかを標準の単純圧縮形状と比較して試験を行った。表５に各実施例及び各比較例の誘電体層を構成する誘電体片の断面形状、試験品の断面形状、及び誘電体片と電極層との接触面積を記載する。
【００５２】
使用したシリコーンゴムは、既存のグレードのジメチルシリコーンゴムで、ゴムロール材料として圧縮永久歪みの少ない、信越化学社製・＃ＫＥ９４１Ｕ（４０度）、と同・＃ＫＥ９３１Ｕ（３０度）をメーカー指定の既存の配合手法で行い、オープンロールで混練し生ゴムを準備した。表５でキャパシタンスの変化量の大きいことが予想されるＮｏ．Ｔ−８（実施例３）、Ｎｏ．Ｔ−９（実施例４）、及びＮｏ．Ｔ−１０（実施例５）の３種類の試験品は以下のように作成した。
【００５３】
すなわち、図９（Ａ）及び（Ｂ）のように厚さ０．２ｍｍのステンレス鋼板・ＳＵＳ＃３０１からなる第２電極層（３５）の上下に表５に記載した実施例３ないし５に係る断面形状が左右対称となるように配置した状態に誘電体片３１、３４を新規に製作した専用プレス成形型を使用して１７０℃、１０分、２００ｋｇ／ｃｍ２ の成形条件で接着剤を介して焼き付け接着して中間品を製作した。図９の（Ａ）はその中間品を上から見た図であり、図９の（Ｂ）はその中間品を横から見た図である。
【００５４】
この中間品の誘電体片３１、３４の上下面に、アルミニウム製で、厚さ１ｍｍの第１電極層、第３電極層３６、３７をゴム硬度３０度のＲＴＶシリコーンゴムを介して接着させて図９（Ｃ）の試作品を製作した。ここで、図９（Ｃ）は試験品の断面図である。
比較用の単純圧縮形状の比較例４の試験品、比較例５の試験品２種類は、以下のように製作した。実施例１と同様に、厚さ１．５ｍｍのシリコーンゴムからなるプレス成形型シートを製作し、表５の試験Ｎｏ．Ｔ−６、Ｎｏ．Ｔ−７に記載した断面形状が長方形の短冊片を作成した。
【００５５】
次に、この短冊を実施例１と同様な方法で接着させて、試験品を製作した。なお、接着剤はＮｏ．Ｔ−８ないしＮｏ．Ｔ−１０と同一のゴム硬度３０のＲＴＶシリコーンゴムを使用した。製作したＮｏ．Ｔ−６ないしＮｏ．Ｔ−１０の５種類の試験品は試験を行う前に２００℃×４時間、電気炉で追加熱して物性を安定させた。
上記の試験品を実施例１と同様の方法で試験し、その結果を表６、及び図１０に示した。
その結果より、加圧面積を実施例１等の６０ｃｍ２ より少ない４０ｃｍ２ とし、ゴム硬度を３０度にした実施例５の試験品は平均的な単純圧縮でゴム硬度４０度品（比較例４に試験品）と比較して約５倍のキャパシタンスの変化率があることが判明し、従来方式と比較して格段のキャパシタンス変化率があることが確実となった。
【００５６】
なお、実施例５の試験品を使用して印刷機の加圧ロールの圧力を測定する感圧センサーを製作すると、１００ｋｇ加圧で２４５ＰＦの変化があり、且つ、ほぼ、直線性もあるので、少なくとも１ＰＦ＝０．５ｋｇの誘電体層（ゴム製）と電極板だけからなり、破損しにくく、安価な１００ｋｇまで測定できる感圧センサーの製作が可能になった。
【００５７】
【表５】
【表６】
【発明の効果】
以上の如く構成したので、本発明によれば、構造を複雑にすることなく、高精度に重量や圧力を測定可能な感圧センサーを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体例を示す断面図である。
【図２】本発明の他の具体例を示す断面図である。
【図３】（Ａ）は感圧センサーの側面図、（Ｂ）は２層の誘電体層の各々が直角をなすように配置された感圧センサーの斜視図、（Ｃ）は電極層の斜視図。（Ｄ）は誘電体層の斜視図である。
【図４】（Ａ）ないし（Ｅ）は感圧センサーの断面図である。
【図５】（Ａ）ないし（Ｄ）は感圧センサーの断面図である。
【図６】（Ａ）ないし（Ｅ）は感圧センサーの断面図である。
【図７】感圧センサーのキャパシタンスを測定する状態を示す斜視図である。
【図８】荷重とキャパシタンスとの関係を示すグラフである。
【図９】（Ａ）は第１電極層を取付け前の状態の感圧センサーの平面図、（Ｂ）は（Ａ）の側面図、（Ｃ）は第１電極層が取付けられた後の感圧センサーの断面図である。
【図１０】荷重とキャパシタンスとの関係を示すグラフである。
【図１１】第１電極層を取付け前の状態の感圧センサーの平面図である。
【図１２】図１１の側面図である。
【図１３】第１電極層を取付け前の状態の感圧センサーの平面図である。
【図１４】図１３の側面図である。
【図１５】第１電極層を取付け前の状態の感圧センサーの平面図である。
【図１６】図１５の感圧センサーを誘電体層の長手方向一方側から見た図である。
【図１７】図１５の感圧センサーを誘電体層の長手方向他側から見た図である。
【図１８】従来の感圧センサーの断面図である。
【図１９】従来の感圧センサーの荷重とキャパシタンスの変化量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
６ 第１電極層
７ 誘電体層
８ 第２電極層
Claims (10)
- 互いに平行配置される第１電極層及び第２電極層と、前記第１電極層に一方の端面が密着され前記第２電極層に他方の端面が密着された状態で前記第１電極層と第２電極層とを離間状態とするゴム弾性体からなる長尺状の誘電体層と、を備えてなる感圧センサーであって、
前記誘電体層が、前記一方の端面と前記第１電極層との接触面と、前記他方の端面と前記第２電極層との接触面と、が互いにずらされて形成されていることを特徴とする感圧センサー。 - 前記誘電体層が、前記誘電体層の長手方向と直交する方向に沿って切断した断面形状が略平行四辺形である請求項１記載の感圧センサー。
- 前記第１電極層及び第２電極層に直交する面と、前記誘電体層とのなす角度が３０ないし８５°である請求項２記載の感圧センサー。
- 前記誘電体層が、前記第１電極層及び第２電極層と交差する面の一方と、前記第２電極層とのなす角度が３０ないし８５°であり、前記第１電極層及び第２電極層と交差する面の他方と、前記第２電極層とのなす角度が１４５ないし９０°である請求項１又は２記載の感圧センサー。
- 前記誘電体層が、前記第１電極層及び第２電極層を各々の面と直交する方向へ加圧したときに各々の電極層が加圧方向と異なる方向へずれるのを打ち消すような向きに配置された第１誘電体片及び第２誘電体片からなる請求項１ないし４のいずれか１項記載の感圧センサー。
- 前記第１誘電体片と第２誘電体片とが略同一個設けられてなる請求項５項記載の感圧センサー。
- 前記接触面における前記誘電体層の長手方向と略直交する方向の長さを、前記第１電極層と第２電極層との間の距離で除した値が０．２ないし５．０である請求項１ないし６のいずれか１項記載の感圧センサー。
- 前記誘電体層がＪＩＳ−Ｋ−６３０１でのＡスケールにおけるゴム硬度が２０ないし８０度である請求項１ないし７のいずれか１項記載の感圧センサー。
- 前記第１電極層と第２電極層との間の距離が０．２ないし５．０ｍｍである請求項１ないし８のいずれか１項記載の感圧センサー。
- 前記電極層を３個以上の奇数個備え、各々の電極間に前記誘電体層が密着して設けられてなる請求項１ないし９のいずれか１項記載の感圧センサー。
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