JP5486683B2 - 曲げセンサ - Google Patents
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Description
本発明は、電気抵抗の変化から曲げ変形を検出する曲げセンサに関する。
特許文献1には、加圧導電性部材を有する感圧センサが開示されている。加圧導電性部材は、シリコーンゴムと金属微粒子とを備えている。金属微粒子は、シリコーンゴムに分散されている。感圧センサに荷重が加わると、分散されている金属微粒子同士が互いに近づき、電気抵抗が小さくなる。このため、加圧導電性部材は導通可能になる。特許文献1の感圧センサは、当該導通を基に荷重を検出している。
しかしながら、特許文献1の感圧センサによると、感度(=電気抵抗の変化量/変形量)が低い。この点、特許文献2には、曲がり感応抵抗要素を備える衝撃センサシステムが開示されている。曲がり感応抵抗要素は、ストリップを備えている。ストリップの一面には、クラックが点在している。曲がり感応抵抗要素に荷重が加わると、クラックが開く。このため、曲がり感応抵抗要素の電気抵抗が増加する。特許文献2の衝撃センサシステムは、当該電気抵抗の増加を基に衝撃を検出している。このため、特許文献1の感圧センサと比較して、感度が高くなる。
ところが、特許文献2の衝撃センサシステムによると、電気抵抗の変化量が、クラックの分布、開度、形状などに依存している。すなわち、電気抵抗の変化量は、クラックの状態だけに依存している。クラックの状態は、複数のストリップ間において、ばらつきやすい。このため、特許文献2の衝撃センサシステムによると、複数のストリップ間において、感度がばらつきやすい。したがって、衝撃センサシステム起動の際に、ストリップごとに、個別に感度のばらつきを調整する必要がある。
本発明の曲げセンサは、上記課題に鑑みて完成されたものである。本発明は、感度が高く、感度がばらつきにくい曲げセンサを提供することを目的とする。
(1)上記課題を解決するため、本発明の曲げセンサは、樹脂製またはエラストマー製の母材と、該母材に分散される導電性フィラーと、を有する高抵抗層と、樹脂製またはエラストマー製の母材と、該母材に分散される導電性フィラーと、曲げ変形の際に引張応力が加わる引張面と、該引張面に配置される開口を有し積層方向に進展するクラックと、を有し、該クラックが閉じた状態で該高抵抗層よりも電気抵抗が小さい低抵抗層と、樹脂製またはエラストマー製の母材、および該母材に分散される絶縁性フィラーのうち、少なくとも該母材を有し、該高抵抗層と該低抵抗層との間に介在し、該高抵抗層と該低抵抗層とを電気的に絶縁する絶縁層と、該高抵抗層と該低抵抗層とを電気的に並列に接続する複数の電極部と、を備え、曲げ量が小さいオフ状態においては、該クラックが開きにくいため、複数の該電極部から、該高抵抗層の電気抵抗および該低抵抗層の電気抵抗の合成抵抗が、オフ抵抗として出力され、曲げ量が該オフ状態よりも大きいオン状態においては、該オフ状態よりも該クラックが開きやすいため、複数の該電極部から、該高抵抗層の電気抵抗および該低抵抗層の電気抵抗のうち、少なくとも該高抵抗層の電気抵抗が、該オフ抵抗よりも大きいオン抵抗として出力されることを特徴とする。
本発明の曲げセンサは、高抵抗層と、低抵抗層と、絶縁層と、複数の電極部と、を備えている。低抵抗層には、クラックが形成されている。高抵抗層と低抵抗層とは、絶縁部を隔てて、複数の電極部に対して、並列接続されている。
オフ状態においては、低抵抗層のクラックが開きにくい。例えば、クラックが複数配置されている場合、クラック全数のうち、開状態のクラックの占める割合が小さい。また、開状態のクラックの開度が小さい。このため、複数の電極部から、高抵抗層の電気抵抗と、低抵抗層の電気抵抗と、の合成抵抗が、オフ抵抗として出力される。
これに対して、オン状態においては、クラックが開きやすい。例えば、クラックが複数配置されている場合、クラック全数のうち、開状態のクラックの占める割合が大きい。また、開状態のクラックの開度が大きい。このため、複数の電極部から、少なくとも高抵抗層の電気抵抗が、オン抵抗として出力される。
本発明の曲げセンサによると、主にクラックの開閉により、電気抵抗が変化する。このため、特許文献1の感圧センサのように、クラック無しの抵抗層だけを備える曲げセンサと比較して、感度(=電気抵抗の変化量/変形量)が高くなる。このため、オフ状態とオン状態とを判別しやすくなる。
また、オフ抵抗は、高抵抗層の電気抵抗と、低抵抗層の電気抵抗と、の合成抵抗である。また、オン抵抗は、少なくとも高抵抗層の電気抵抗である。このため、オフ抵抗、オン抵抗がばらつきにくい。したがって、オフ状態とオン状態とを判別しやすくなる。
また、高抵抗層に対して、低抵抗層の場合、電気抵抗は、主にクラックの状態(クラックの分布、開度、形状など)に依存している。このため、高抵抗層は、低抵抗層よりも、電気抵抗、感度がばらつきにくい。
この点、本発明の曲げセンサによると、低抵抗層と高抵抗層とが電気的に並列に接続されている。すなわち、曲げセンサから出力されるオフ抵抗、オン抵抗は、いずれも高抵抗層の電気抵抗を含んでいる。このため、低抵抗層のクラックの状態に起因する電気抵抗のばらつきが、オフ抵抗、オン抵抗に反映されにくい。したがって、特許文献2の衝撃センサシステムのように、クラックを有する抵抗層だけを備える曲げセンサと比較して、電気抵抗(オフ抵抗、オン抵抗)がばらつきにくくなる。また、感度がばらつきにくくなる。
また、特許文献2の衝撃センサシステムのように、クラックを有する抵抗層だけを備える曲げセンサの場合、クラックが開いて電気抵抗が大きく増加した場合、センサが応答しているのか、センサが断線(故障)しているのか、判別しにくくなる。このため、センサの応答と、センサの断線と、を判別するしきい値を、ある程度高く設定せざるを得ない。例えば、本発明の曲げセンサの高抵抗層の電気抵抗程度に、しきい値を設定せざるを得ない。
これに対して、本発明の曲げセンサによると、低抵抗層と高抵抗層とが電気的に並列に接続されている。このため、低抵抗層のクラックが開いても、電気抵抗が大きく増加しにくい。したがって、オフ抵抗とオン抵抗との間に、オフ状態とオン状態とを判別するためのしきい値を設定することができる。並びに、オン抵抗よりも高い値に、オン状態と断線状態とを判別するためのしきい値を設定することができる。このように、本発明の曲げセンサによると、オフ状態、オン状態、断線状態を判別することができる。ちなみに、クラックを有する抵抗層だけを備える曲げセンサの場合、オン状態がオフ状態と誤判別されてしまう可能性が高い。あるいは、オン状態が断線状態と誤判別されてしまう可能性が高い。
また、本発明の曲げセンサによると、主にクラックが開くことにより電気抵抗が変化するため、母材の弾性変形のみに依存して電気抵抗が変化する場合と比較して、小さな変形についても、高精度で検出することができる。
また、母材の弾性変形の速度は、雰囲気温度に影響される。この点、本発明の曲げセンサの電気抵抗は、主にクラックが開くことにより切断される。このため、母材の弾性変形のみに依存して電気抵抗が変化する場合と比較して、雰囲気温度に対する応答速度の依存性が小さい。
また、低抵抗層には、予めクラックが形成されている。このため、曲げ変形時に新たなクラックが形成されにくい。したがって、曲げセンサの感度が変化しにくい。また、本発明の曲げセンサの低抵抗層の母材には、導電性フィラーが分散されている。このため、導電性フィラーの表面に沿って、クラックが形成されやすくなる。また、導電性フィラーの表面に沿ってクラックが進展しやすくなるため、低抵抗層の破断歪みを小さくすることができる。また、オフ状態における電気抵抗が高くなりにくい。また、オフ状態からオン状態に切り替わる際、導電性フィラーの接触状態が変化しやすい。また、低抵抗層の肉厚を小さくしやすい。
また、高抵抗層と低抵抗層との間には、絶縁層が配置されている。このため、高抵抗層と低抵抗層との導通を確実に遮断することができる。また、絶縁層に絶縁性フィラーが含まれている場合は、低抵抗層にクラックが形成されやすくなる。
(1−1)好ましくは、上記(1)の構成において、前記低抵抗層の前記導電性フィラーは、球状であって、前記母材中に略単粒子状態でかつ高充填率で充填される構成とする方がよい。ここで、「略単粒子状態」とは、導電性フィラーの全重量を100質量%とした場合の50質量%以上が、凝集した二次粒子としてではなく、単独の一次粒子の状態で存在していることをいう。また、「高充填率」とは、導電性フィラーが最密充填に近い状態で配合されていることをいう。また、「球状」には、真球、略真球状は勿論、楕円球状、長円球状(一対の対向する半球を円柱で連結した形状)、部分球状、部分ごとに半径の異なる球状、水滴形状などが含まれる。本構成によると、オフ状態からオン状態に切り替わる際、電気抵抗が増加しやすい。このため、曲げセンサの感度を向上させることができる。
(1−2)好ましくは、上記(1)の構成において、前記低抵抗層において、複数の前記電極部の配置方向に連なる長さ2mm以下の単位区間を複数区画した場合に、前記クラックは、該単位区間内に、少なくとも一つ形成されている構成とする方がよい。
曲げセンサの感度は、低抵抗層に形成されたクラックの密度(複数の電極部の配置方向における単位長さあたりのクラック本数)に依存する。単位区間の長さを2mm以下としたのは、2mmを超えると、クラックの密度が小さくなり、曲げセンサの感度が低下するからである。言い換えると、所望の感度を実現しにくくなるからである。より好ましくは、単位区間の長さを1mm以下とする方がよい。こうすると、さらに曲げセンサの感度が向上する。
(2)好ましくは、上記(1)の構成において、前記クラックは、前記低抵抗層を積層方向に貫通し、前記絶縁層まで到達する構成とする方がよい。本構成によると、クラックが開きやすくなる。このため、感度が高くなる。また、感度がばらつきにくくなる。
(3)好ましくは、上記(1)または(2)の構成において、前記開口は、複数の前記電極部の配置方向に対して直交する方向に前記引張面を遮断する構成とする方がよい。本構成によると、クラックが開きやすくなる。このため、感度が高くなる。また、感度がばらつきにくくなる。
特に、本構成と上記(2)の構成とを組み合わせると、オフ状態からオン状態に切り替わる際、クラックが開くことにより、低抵抗層の導通が完全に遮断される。このため、オン抵抗が高抵抗層の電気抵抗だけになる。したがって、オフ抵抗とオン抵抗との較差が大きくなる。よって、オフ状態とオン状態とを判別しやすくなる。また、さらに感度がばらつきにくくなる。
(4)好ましくは、上記(1)ないし(3)のいずれかの構成において、前記絶縁層は、前記高抵抗層の荷重出力側に積層され、前記低抵抗層は、該絶縁層の荷重出力側に積層され、さらに、該低抵抗層の荷重出力側に配置され、前記開口を覆う弾性変形可能な被覆層と、該高抵抗層の荷重入力側に配置され、該高抵抗層が固定される基材と、を備える構成とする方がよい。
本構成によると、荷重入力側から荷重出力側に向かって、基材、高抵抗層、絶縁層、低抵抗層、被覆層が、この順番で配置されている(ただし、隣り合う層間に別の部材が介在していてもよい)。
本構成によると、高抵抗層、低抵抗層が基材に積層されている。このため、オン状態において、高抵抗層、低抵抗層に曲げ変形が誘起されやすい。また、本構成によると、低抵抗層の引張面が、被覆層により覆われている。このため、低抵抗層の劣化が抑制される。また、被覆層は弾性変形可能である。よって、オン状態からオフ状態に切り替わる際、被覆層の弾性復元力に助けられて、低抵抗層が元の形状に復元しやすくなる。また、開いたクラックも閉じやすくなる。
また、高抵抗層、低抵抗層は、基材に積層されている。基材の荷重入出力方向の肉厚を調整することにより、曲げセンサの感度を調整することができる。一例として、基材の荷重入出力方向の肉厚を大きくすると、オフ状態からオン状態に切り替わる際、高抵抗層、低抵抗層の変形量が大きくなる。このため、曲げセンサの感度を向上させることができる。
(5)好ましくは、上記(4)の構成において、複数の前記電極部、前記高抵抗層、前記絶縁層、前記低抵抗層、前記被覆層は、前記基材に対して、積層して印刷される構成とする方がよい。本構成によると、各層の肉厚を簡単に小さくすることができる。このため、曲げセンサを薄肉化することができる。また、各層の寸法精度が高くなる。
(6)好ましくは、上記(1)の構成において、前記高抵抗層と前記絶縁層との間に介在し、前記絶縁層よりも前記クラックが進展しにくい補強層を備える構成とする方がよい。例えば、補強層は、絶縁層よりも柔軟である。具体的には、補強層は、絶縁層よりも、ヤング率が小さい。また、補強層は、絶縁層よりも、JIS K 7161における引張破壊歪みが大きい。本構成によると、補強層にクラックが進入しにくい。このため、高抵抗層にクラックが進入するのを、抑制することができる。
(7)好ましくは、上記(6)の構成において、前記補強層は、荷重出力側の面に前記絶縁層、前記低抵抗層が積層して印刷され、荷重入力側の面に前記高抵抗層が印刷される基材である構成とする方がよい。
本構成によると、基材を挟んで、低抵抗層および絶縁層と、高抵抗層と、が隔離して配置されている。このため、高抵抗層にクラックが進入するのを、抑制することができる。また、本構成によると、各層の肉厚を簡単に小さくすることができる。このため、曲げセンサを薄肉化することができる。また、各層の寸法精度が高くなる。
(8)好ましくは、上記(1)の構成において、前記高抵抗層と前記低抵抗層とは、荷重入力側または荷重出力側から見て、重複しないように配置される構成とする方がよい。本構成によると、荷重入力方向に沿って、高抵抗層と低抵抗層とが並んでいない。このため、高抵抗層にクラックが進入するのを、抑制することができる。
(9)好ましくは、上記(1)の構成において、前記高抵抗層は、前記低抵抗層よりも、複数の前記電極部の配置方向に対して直交する方向の断面積が、小さい構成とする方がよい。
複数の電極部間には、導通経路が形成される。本構成によると、高抵抗層の方が、低抵抗層よりも、導通経路の断面積が小さくなる。このため、低抵抗層の電気抵抗に対して、高抵抗層の電気抵抗を、簡単に、高く設定することができる。
特に、本構成と上記(5)の構成とを組み合わせると、高抵抗層の印刷パターン、低抵抗層の印刷パターンを工夫することにより、高抵抗層、低抵抗層の電気抵抗を、簡単に設定することができる。
(10)好ましくは、上記(1)の構成において、前記高抵抗層は、前記低抵抗層よりも、体積抵抗率が大きい構成とする方がよい。本構成によると、体積抵抗率を調整することにより、高抵抗層と低抵抗層との間に、電気抵抗の較差を設定することができる。
(11)好ましくは、上記(10)の構成において、前記高抵抗層および前記低抵抗層に対する前記導電性フィラーの充填率を調整することにより、該高抵抗層と該低抵抗層との間に前記体積抵抗率の較差を設定する構成とする方がよい。本構成によると、母材の材質などを敢えて調整することなく(勿論、調整してもよい。)、簡単に、高抵抗層と低抵抗層との間に、電気抵抗の較差を設定することができる。
(12)好ましくは、上記(1)ないし(11)のいずれかの構成において、前記高抵抗層の一部である高抵抗層分割体と、前記低抵抗層の一部である低抵抗層分割体と、前記絶縁層の一部である絶縁層分割体と、該高抵抗層分割体と該低抵抗層分割体とを電気的に並列に接続する複数の前記電極部と、を有する複数のセンサ分割体を備え、複数の該センサ分割体は、線状に配置される構成とする方がよい。
ここで「線状」とは、直線状、または曲線状、または直線同士を組み合わせた形状(折れ線状)、または曲線同士を組み合わせた形状(例えば、C字状、S字状、波線状など。複数の曲線間の曲率の大小や曲率の向きなどは、一致していても異なっていてもよい。)、または直線と曲線とを組み合わせた形状をいう。また、「線状」には、複数のセンサ分割体が連続している状態(実線状)は勿論、複数のセンサ分割体が断続している状態(点線状、一点鎖線状など)も含まれる。
本構成によると、単一の高抵抗層、単一の低抵抗層を備え、かつ高抵抗層および低抵抗層の両端に一対の電極部を備える曲げセンサと比較して、電気抵抗の測定区間が短くなる。このため、高抵抗層分割体、低抵抗層分割体の固有抵抗に起因する測定誤差を小さくすることができる。したがって、小さな変形についても、高精度で検出することができる。
(13)好ましくは、上記(12)の構成において、前記オフ状態における、任意の前記センサ分割体の、前記高抵抗層分割体の電気抵抗および前記低抵抗層分割体の電気抵抗の合成抵抗は、10kΩ以下である構成とする方がよい。
合成抵抗を10kΩ以下としたのは、10kΩ超過の場合、高抵抗層分割体、低抵抗層分割体の固有抵抗に起因する測定誤差が大きくなるからである。本構成によると、小さな変形についても、高精度で検出することができる。
本発明によると、感度が高く、感度がばらつきにくい曲げセンサを提供することができる。
1:曲げセンサ、1a〜1c:センサ分割体、1α:センサ前駆体、2:高抵抗層、2a:前方部、2b:中央部、2c:後方部、2α:高抵抗層用塗料、3:低抵抗層、3α:低抵抗層用塗料、4:絶縁層、4α:絶縁層用塗料、5L:電極部、5Lα:電極部用塗料、5R:電極部、5a〜5d:電極部、5Rα:電極部用塗料、6:被覆層、6α:被覆層用塗料、7:基材、9:被装着部材。
30:引張面、31:クラック、32:エポキシ樹脂(母材)、33:カーボンビーズ(導電性フィラー)、50L:電極部、50R:電極部、80:クラック形成用型、81:制御装置、90:被覆層、91:補強層。
310:開口、311:先端、800:型面。
O:衝突物、P:導電パス、RH:電気抵抗、RL:電気抵抗、Roff:オフ抵抗、Ron:オン抵抗、Rout:電気抵抗、Soff:オフ状態、Son:オン状態、U:単位区間、p:導電パス分割体。
30:引張面、31:クラック、32:エポキシ樹脂(母材)、33:カーボンビーズ(導電性フィラー)、50L:電極部、50R:電極部、80:クラック形成用型、81:制御装置、90:被覆層、91:補強層。
310:開口、311:先端、800:型面。
O:衝突物、P:導電パス、RH:電気抵抗、RL:電気抵抗、Roff:オフ抵抗、Ron:オン抵抗、Rout:電気抵抗、Soff:オフ状態、Son:オン状態、U:単位区間、p:導電パス分割体。
以下、本発明の曲げセンサの実施の形態について説明する。
<第一実施形態>
以下に示す図においては、説明の便宜上、実際の曲げセンサの寸法に対して、左右方向長さを短縮し、上下方向長さ(肉厚)を伸長して示す。図における左右方向は、本発明の「複数の電極部の配置方向」に相当する。前後方向は、本発明の「複数の電極部の配置方向に対して直交する方向」に相当する。上下方向は、本発明の「積層方向」に相当する。上側は、本発明の「荷重出力側」に相当する。下側は、本発明の「荷重入力側」に相当する。
以下に示す図においては、説明の便宜上、実際の曲げセンサの寸法に対して、左右方向長さを短縮し、上下方向長さ(肉厚)を伸長して示す。図における左右方向は、本発明の「複数の電極部の配置方向」に相当する。前後方向は、本発明の「複数の電極部の配置方向に対して直交する方向」に相当する。上下方向は、本発明の「積層方向」に相当する。上側は、本発明の「荷重出力側」に相当する。下側は、本発明の「荷重入力側」に相当する。
図1に、本実施形態の曲げセンサの透過斜視図を示す。図2に、同曲げセンサの左右方向断面図を示す。図3に、図2の枠III内の拡大図を示す。図1〜図3に示すように、曲げセンサ1は、高抵抗層2と、低抵抗層3と、絶縁層4と、一対の電極部5L、5Rと、被覆層6と、基材7と、を備えている。
基材7は、ポリイミド(PI)製であって、左右方向に長い帯状を呈している。基材7は、被装着部材9の上面に固定されている。電極部5L、5Rは、各々、前後方向に長い短冊状を呈している。電極部5Lは、基材7の上面の左端付近に配置されている。電極部5Rは、基材7の上面の右端付近に配置されている。電極部5L、5Rは、制御装置(図略)に接続されている。
高抵抗層2は、左右方向に長い帯状を呈している。高抵抗層2は、基材7の上面に配置されている。高抵抗層2の左端は、電極部5Lの右端を覆っている。高抵抗層2の右端は、電極部5Rの左端を覆っている。
高抵抗層2は、不飽和ポリエステル樹脂と、多数の50nm以下の導電性カーボン微粒子と、を備えている。不飽和ポリエステル樹脂は、本発明の「母材」の概念に含まれる。導電性カーボン微粒子は、本発明の「導電性フィラー」の概念に含まれる。多数の導電性カーボン微粒子は、不飽和ポリエステル樹脂に充填されている。多数の導電性カーボン微粒子は、不飽和ポリエステル樹脂中に、鎖状凝集状態で充填されている。
絶縁層4は、左右方向に長い帯状を呈している。絶縁層4は、高抵抗層2の上面に配置されている。絶縁層4の左端は、電極部5Lの左右方向中央部を覆っている。絶縁層4の右端は、電極部5Rの左右方向中央部を覆っている。
絶縁層4は、エポキシ樹脂と、多数のシリカ球状粒子と、を備えている。エポキシ樹脂は、本発明の「母材」の概念に含まれる。シリカ球状粒子は、本発明の「絶縁性フィラー」の概念に含まれる。多数のシリカ球状粒子は、エポキシ樹脂に充填されている。
低抵抗層3は、左右方向に長い帯状を呈している。低抵抗層3は、絶縁層4の上面に配置されている。低抵抗層3の左端は、電極部5Lの左端を覆っている。低抵抗層3の右端は、電極部5Rの右端を覆っている。
低抵抗層3は、エポキシ樹脂と、多数のカーボンビーズと、を備えている。エポキシ樹脂は、本発明の「母材」の概念に含まれる。カーボンビーズは、本発明の「導電性フィラー」の概念に含まれる。多数のカーボンビーズは、エポキシ樹脂に充填されている。カーボンビーズの充填率は、低抵抗層3の体積を100体積%とした場合の約45体積%である。多数のカーボンビーズは、エポキシ樹脂中に、略単粒子状態でかつ高充填率で充填されている。すなわち、カーボンビーズの全重量を100質量%とした場合の50質量%以上が、凝集した二次粒子としてではなく、単独の一次粒子の状態で存在している。また、カーボンビーズは、最密充填に近い状態で配合されている。
図3に示すように、低抵抗層3の上面は引張面30である。下方から荷重が入力される際、引張面30には、引張応力が作用する。引張面30には、下方に進展する多数のクラック31が、予め形成されている。多数のクラック31は、低抵抗層3の左右方向に連なる長さ1mmの単位区間U内に、約2個ずつ形成されている。
クラック31の開口310は、引張面30に形成されている。開口310は、前後方向に延在する線状を呈している。開口310は、前後方向に引張面30を遮断している。ただし、クラック31の閉状態においては、クラック31の左壁と右壁とは当接している。クラック31の先端311は、低抵抗層3を上下方向に貫通し、絶縁層4の内部にまで到達している。クラック31が閉状態から開状態に変わると、低抵抗層3において、クラック31の左壁と右壁とが、全面的に離間する。このため、低抵抗層3が左右方向に分断する。
被覆層6は、アクリルゴム製であって、左右方向に長い帯状を呈している。被覆層6は、基材7、一対の電極部5L、5R、高抵抗層2、絶縁層4、低抵抗層3を、上方から覆っている。被覆層6は、弾性変形可能である。
[曲げセンサの製造方法]
次に、本実施形態の曲げセンサ1の製造方法について説明する。本実施形態の曲げセンサ1の製造方法は、塗料準備工程と、印刷工程と、硬化工程と、クラック形成工程と、を有している。
次に、本実施形態の曲げセンサ1の製造方法について説明する。本実施形態の曲げセンサ1の製造方法は、塗料準備工程と、印刷工程と、硬化工程と、クラック形成工程と、を有している。
(塗料準備工程)
塗料準備工程においては、高抵抗層用塗料、低抵抗層用塗料、電極部用塗料、絶縁層用塗料、被覆層用塗料を、各々準備する。
塗料準備工程においては、高抵抗層用塗料、低抵抗層用塗料、電極部用塗料、絶縁層用塗料、被覆層用塗料を、各々準備する。
(印刷工程)
印刷工程においては、スクリーン印刷機により、各層を印刷する。まず、基材7の上面に電極部用塗料を印刷する。次に、電極部用塗料の上方から、基材7の上面に、高抵抗層用塗料を印刷する。続いて、高抵抗層用塗料の上方から、絶縁層用塗料を印刷する。それから、絶縁層用塗料の上方から、低抵抗層用塗料を印刷する。最後に、低抵抗層用塗料の上方から、被覆層用塗料を印刷する。このようにして、基材7の上面に、電極部用塗料、高抵抗層用塗料、絶縁層用塗料、低抵抗層用塗料、被覆層用塗料を塗り重ねる。
印刷工程においては、スクリーン印刷機により、各層を印刷する。まず、基材7の上面に電極部用塗料を印刷する。次に、電極部用塗料の上方から、基材7の上面に、高抵抗層用塗料を印刷する。続いて、高抵抗層用塗料の上方から、絶縁層用塗料を印刷する。それから、絶縁層用塗料の上方から、低抵抗層用塗料を印刷する。最後に、低抵抗層用塗料の上方から、被覆層用塗料を印刷する。このようにして、基材7の上面に、電極部用塗料、高抵抗層用塗料、絶縁層用塗料、低抵抗層用塗料、被覆層用塗料を塗り重ねる。
(硬化工程)
硬化工程においては、各層印刷後の基材7を、乾燥炉内に静置することにより硬化させる。
硬化工程においては、各層印刷後の基材7を、乾燥炉内に静置することにより硬化させる。
(クラック形成工程)
図4に、本実施形態の曲げセンサの製造方法のクラック形成工程の模式図を示す。図4に示すように、クラック形成用型80は、型面800を備えている。センサ前駆体1αは、基材7と、電極部用塗料5Lα、5Rαと、高抵抗層用塗料2αと、絶縁層用塗料4αと、低抵抗層用塗料3αと、被覆層用塗料6αと、を備えている。
図4に、本実施形態の曲げセンサの製造方法のクラック形成工程の模式図を示す。図4に示すように、クラック形成用型80は、型面800を備えている。センサ前駆体1αは、基材7と、電極部用塗料5Lα、5Rαと、高抵抗層用塗料2αと、絶縁層用塗料4αと、低抵抗層用塗料3αと、被覆層用塗料6αと、を備えている。
型面800は、上方に向かって突出する曲面状を呈している。これに対して、基材7は、平板状を呈している。このため、基材7の下面を型面800に押し当てると、基材7が型面に沿って湾曲する。ここで、高抵抗層用塗料2α、絶縁層用塗料4α、低抵抗層用塗料3αは、曲率半径方向内側から外側に向かって、この順に積層されている。このため、各層の外周面に作用する引張応力は、曲率半径の相違により、高抵抗層用塗料2α、絶縁層用塗料4α、低抵抗層用塗料3αの順に大きくなる。よって、低抵抗層用塗料3α、絶縁層用塗料4αにだけ、選択的にクラック31が形成される。すなわち、高抵抗層用塗料2αには、クラック31が形成されない。
[曲げセンサの動き]
次に、本実施形態の曲げセンサ1の動きについて説明する。本実施形態の曲げセンサは、オフ状態とオン状態とを判別することができる。図5に、本実施形態の曲げセンサのオン状態における左右方向断面図を示す。なお、図5は、図2に対応している。図6(a)に、同曲げセンサの低抵抗層のオフ状態の模式図を示す。図6(b)に、同低抵抗層のオン状態の模式図を示す。図7に、同曲げセンサの模式回路図を示す。図7に示すように、高抵抗層2と低抵抗層3とは、電極部5L、5Rに対して、電気的に並列に接続されている。
次に、本実施形態の曲げセンサ1の動きについて説明する。本実施形態の曲げセンサは、オフ状態とオン状態とを判別することができる。図5に、本実施形態の曲げセンサのオン状態における左右方向断面図を示す。なお、図5は、図2に対応している。図6(a)に、同曲げセンサの低抵抗層のオフ状態の模式図を示す。図6(b)に、同低抵抗層のオン状態の模式図を示す。図7に、同曲げセンサの模式回路図を示す。図7に示すように、高抵抗層2と低抵抗層3とは、電極部5L、5Rに対して、電気的に並列に接続されている。
(オフ状態)
オフ状態においては、図2に示すように、曲げセンサ1は、左右方向に長い帯状を呈している。曲げセンサ1は、上下方向に湾曲していない。また、図3に示すように、低抵抗層3のクラック31は閉じている。このため、図6(a)に示すように、エポキシ樹脂32中のカーボンビーズ33同士が連なることにより、左右方向に導電パスPが形成されている。すなわち、図7に示すように、左右方向に隣り合う複数の導電パス分割体pが、閉成されたクラック31を介して、繋がっている。したがって、制御装置81には、高抵抗層2の電気抵抗RHと、低抵抗層3の電気抵抗RLと、の合成抵抗が、オフ抵抗Roffとして入力される。
オフ状態においては、図2に示すように、曲げセンサ1は、左右方向に長い帯状を呈している。曲げセンサ1は、上下方向に湾曲していない。また、図3に示すように、低抵抗層3のクラック31は閉じている。このため、図6(a)に示すように、エポキシ樹脂32中のカーボンビーズ33同士が連なることにより、左右方向に導電パスPが形成されている。すなわち、図7に示すように、左右方向に隣り合う複数の導電パス分割体pが、閉成されたクラック31を介して、繋がっている。したがって、制御装置81には、高抵抗層2の電気抵抗RHと、低抵抗層3の電気抵抗RLと、の合成抵抗が、オフ抵抗Roffとして入力される。
(オン状態)
図5に示すように、曲げセンサ1に、下方から衝突物Oが衝突すると、曲げセンサ1は、上方に突出するように湾曲する。このため、曲げセンサ1は、オフ状態からオン状態に切り替わる。
図5に示すように、曲げセンサ1に、下方から衝突物Oが衝突すると、曲げセンサ1は、上方に突出するように湾曲する。このため、曲げセンサ1は、オフ状態からオン状態に切り替わる。
オン状態においては、低抵抗層3の引張面30に引張応力が作用する。このため、図6(b)に示すように、クラック31が開く。したがって、カーボンビーズ33同士が分離し、導電パスPが遮断される。すなわち、図7に示すように、左右方向に隣り合う複数の導電パス分割体pが、開成されたクラック31(点線で示す)により、分断される。したがって、制御装置81には、高抵抗層2の電気抵抗RHが、オン抵抗Ronとして入力される。オフ抵抗Roffとオン抵抗Ronとの間には、しきい値Rthが設定されている。制御装置81は、入力される電気抵抗と、しきい値Rthと、を比較することにより、オフ状態Soffとオン状態Sonとを判別する。
[作用効果]
次に、本実施形態の曲げセンサ1の作用効果について説明する。図8に、本実施形態の曲げセンサのオフ状態とオン状態との電気抵抗の変化の模式図を示す。図8に示すように、オフ抵抗Roffと、オン抵抗Ronと、は大きく異なる。このため、制御装置81は、しきい値Rthにより、オフ状態Soffと、オン状態Sonと、を確実に判別することができる。
次に、本実施形態の曲げセンサ1の作用効果について説明する。図8に、本実施形態の曲げセンサのオフ状態とオン状態との電気抵抗の変化の模式図を示す。図8に示すように、オフ抵抗Roffと、オン抵抗Ronと、は大きく異なる。このため、制御装置81は、しきい値Rthにより、オフ状態Soffと、オン状態Sonと、を確実に判別することができる。
また、図8に点線で示すように、クラック無しの抵抗層だけを備える曲げセンサの場合、感度(=電気抵抗の変化量/変形量)が低くなる。このため、オフ状態Soffとオン状態Sonとを判別しにくい。これに対して、本実施形態の曲げセンサ1の場合、低抵抗層3は、エポキシ樹脂32の変形を待たずに、クラック31が開く。そして、導電パスPが切断される。このため、感度が高くなる。
また、図8に一点鎖線で示すように、荷重入力の際に曲げセンサ1から出力される電気抵抗Routが、オン抵抗Ronよりも、さらに大きい場合、制御装置81は、曲げセンサ1(具体的には高抵抗層2)が断線していると判別することができる。すなわち、制御装置81は、断線を自己診断することができる。
また、低抵抗層3にはクラック31が配置されているのに対して、高抵抗層2にはクラック31が配置されていない。このため、高抵抗層2は、低抵抗層3よりも、電気抵抗、感度がばらつきにくい。
この点、本実施形態の曲げセンサ1によると、低抵抗層3と高抵抗層2とが電気的に並列に接続されている。すなわち、曲げセンサ1から出力されるオフ抵抗Roff、オン抵抗Ronは、いずれも高抵抗層2の電気抵抗を含んでいる。このため、低抵抗層3のクラック31の状態に起因する電気抵抗RLのばらつきが、オフ抵抗Roff、オン抵抗Ronに反映されにくい。したがって、クラックを有する抵抗層だけを備える曲げセンサと比較して、オフ抵抗Roff、オン抵抗Ronがばらつきにくくなる。また、複数の曲げセンサ1間において、感度がばらつきにくくなる。よって、曲げセンサ1起動の際に、感度のばらつきを調整する必要がない。
また、クラック31は、低抵抗層3を積層方向に貫通し、絶縁層4にまで到達している。並びに、クラック31は、低抵抗層3を前後方向に遮断している。このため、オフ状態Soffからオン状態Sonに切り替わる際、多数のクラック31のうち、少なくとも一つのクラック31が開くことにより、低抵抗層3の導通が完全に遮断される。このため、オン抵抗Ronが高抵抗層2の電気抵抗RHだけになる。したがって、オフ抵抗Roffとオン抵抗Ronとの較差が大きくなる。よって、オフ状態Soffとオン状態Sonとを判別しやすくなる。また、複数の曲げセンサ1間において、さらに感度がばらつきにくくなる。
また、オフ抵抗Roffは、高抵抗層2の電気抵抗RHと、低抵抗層3の電気抵抗RLと、の合成抵抗である。また、オン抵抗Ronは、高抵抗層2の電気抵抗RHである。このため、オフ抵抗Roff、オン抵抗Ronが、各々、ばらつきにくい。したがって、オフ状態Soffとオン状態Sonとを判別しやすくなる。
また、本実施形態の曲げセンサ1は、いずれか一つのクラック31が開けば、オフ抵抗Roffからオン抵抗Ronに切り替わる。このため、曲げセンサ1の変形状態や受圧面積によらず、オフ状態Soffとオン状態Sonとを判別することができる。
また、本実施形態の曲げセンサ1によると、高抵抗層2、低抵抗層3が基材7に積層されている。このため、オフ状態Soffからオン状態Sonに切り替わる際、高抵抗層2、低抵抗層3に曲げ変形が誘起されやすい。
また、本実施形態の曲げセンサ1によると、低抵抗層3の引張面30が、被覆層6により覆われている。このため、低抵抗層3の劣化が抑制される。また、被覆層6は弾性変形可能である。よって、オン状態Sonからオフ状態Soffに切り替わる際、被覆層6の弾性復元力に助けられて、低抵抗層3が元の形状に復元しやすくなる。また、開いたクラック31も閉じやすくなる。
また、一対の電極部5L、5R、高抵抗層2、絶縁層4、低抵抗層3、被覆層6は、スクリーン印刷機により、基材7に対して、積層して印刷されている。このため、各層の肉厚を簡単に小さくすることができる。したがって、曲げセンサ1を薄肉化することができる。また、各層の寸法精度が高くなる。
また、本実施形態の曲げセンサ1によると、主にクラック31が開くことにより導電パスPが切断される。このため、エポキシ樹脂32の弾性変形のみに依存して導電パスが切断される場合と比較して、小さな歪みについても精度良く検出することができる。
また、エポキシ樹脂32の弾性変形の速度は、雰囲気温度に影響される。この点、本実施形態の曲げセンサ1の導電パスは、主にクラック31が開くことにより切断される。このため、エポキシ樹脂32の弾性変形のみに依存して導電パスPが切断される場合と比較して、雰囲気温度に対する応答速度の依存性が小さい。
また、高抵抗層2、低抵抗層3は、基材7の上面に積層されている。基材7の上下方向肉厚を調整することにより、曲げセンサ1の感度を調整することができる。一例として、基材7の上下方向肉厚を大きくすると、オン状態Sonにおける高抵抗層2、低抵抗層3の変形量が大きくなる。このため、曲げセンサ1の感度を向上させることができる。
また、低抵抗層3には、製造時に予めクラック31が形成されている。このため、曲げ変形時に新たなクラック31が形成されにくい。したがって、曲げセンサ1の感度が変化しにくい。
また、本実施形態の曲げセンサ1のエポキシ樹脂32には、カーボンビーズ33が分散されている。このため、カーボンビーズ33の表面に沿って、クラック31が形成されやすくなる。また、カーボンビーズ33の表面に沿ってクラック31が進展しやすくなるため、低抵抗層3の破断歪みを小さくすることができる。また、オフ状態Soffにおける導電パスPの数が少なくなりにくい。また、オフ状態Soffからオン状態Sonに切り替わる際、カーボンビーズ33の接触状態が変化しやすい。また、低抵抗層3の肉厚を小さくしやすい。
また、カーボンビーズ33は球状である。このため、カーボンビーズ33は、エポキシ樹脂32中に、最密充填に近い状態で配合される。したがって、三次元的な導電パスPが形成されやすくなり、所望の導電性が発現しやすくなる。また、低抵抗層3の弾性変形に対して、カーボンビーズ33の接触状態が変化しやすくなる。このため、オフ状態Soffとオン状態Sonとの間で、電気抵抗の変化が大きくなる。また、カーボンビーズ33は、表面の官能基が少ない。このため、カーボンビーズ33とエポキシ樹脂32との界面で破壊が生じやすく、低抵抗層3にクラック31が形成されやすい。
また、本実施形態の曲げセンサ1によると、図3に示すように、クラック31は、低抵抗層3の左右方向に連なる長さ1mmの単位区間U内に、約2個ずつ形成されている。このため、曲げセンサ1の感度が高い。また、絶縁層4には、絶縁性フィラーとして、シリカ球状粒子が分散されている。このため、絶縁層4、低抵抗層3に、クラック31が形成されやすい。
<第二実施形態>
本実施形態の曲げセンサと、第一実施形態の曲げセンサと、の相違点は、高抵抗層の形状だけである。ここでは、相違点についてのみ説明する。図9に、本実施形態の曲げセンサの透過斜視図を示す。なお、図1と対応する部位については、同じ符号で示す。
本実施形態の曲げセンサと、第一実施形態の曲げセンサと、の相違点は、高抵抗層の形状だけである。ここでは、相違点についてのみ説明する。図9に、本実施形態の曲げセンサの透過斜視図を示す。なお、図1と対応する部位については、同じ符号で示す。
図9に示すように、曲げセンサ1の高抵抗層2は、一対の電極部5L、5R間に、S字状に配置されている。すなわち、高抵抗層2は、前方部2aと、中央部2bと、後方部2cと、がS字状に連なって形成されている。前方部2a、中央部2b、後方部2cは、各々、左右方向に延在している。前方部2aの左端は、電極部5Lに接続されている。後方部2cの右端は、電極部5Rに接続されている。
図1を援用して示すように、低抵抗層3の前後方向長さは、前方部2a前縁から後方部2c後縁までの長さに相当する。このため、一対の電極部5L、5Rの配置方向である左右方向に対して、直交する方向(具体的には、上下前後に展開する面方向)の断面積を比較すると、高抵抗層2の方が、低抵抗層3よりも、小さい。
本実施形態の曲げセンサ1は、構成が共通する部分に関しては、第一実施形態の曲げセンサと同様の作用効果を有する。また、本実施形態の曲げセンサによると、一対の電極部5L、5Rの配置方向に対して、直交する方向の断面積を小さくすることにより、高抵抗層2の電気抵抗を、低抵抗層3の電気抵抗よりも、大きく設定している。また、高抵抗層2の左右方向の実質長を長くすることにより、高抵抗層2の電気抵抗を、低抵抗層3の電気抵抗よりも、大きく設定している。本実施形態の曲げセンサ1のように、印刷パターンを工夫することにより、高抵抗層2と低抵抗層3とに、電気抵抗の較差を設定してもよい。
<第三実施形態>
本実施形態の曲げセンサと、第一実施形態の曲げセンサと、の相違点は、基材の荷重入力側の面に、高抵抗層が配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。図10に、本実施形態の曲げセンサの左右方向断面図を示す。なお、図2と対応する部位については、同じ符号で示す。
本実施形態の曲げセンサと、第一実施形態の曲げセンサと、の相違点は、基材の荷重入力側の面に、高抵抗層が配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。図10に、本実施形態の曲げセンサの左右方向断面図を示す。なお、図2と対応する部位については、同じ符号で示す。
図10に示すように、基材7の下面には、高抵抗層2が印刷されている。基材7は、本発明の「補強層」の概念に含まれる。高抵抗層2の左右両端(長手方向両端)には、一対の電極部50L、50Rが配置されている。高抵抗層2および一対の電極部50L、50Rは、被覆層90により下方から覆われている。一方、基材7の上面には、絶縁層4および一対の電極部5L、5Rと、低抵抗層3と、が積層して印刷されている。これらの各層は、被覆層6により上方から覆われている。電極部50Lと電極部5Lとは同電位であり、電気的に接続されている。電極部50Rと電極部5Rとは同電位であり、電気的に接続されている。
本実施形態の曲げセンサ1は、構成が共通する部分に関しては、第一実施形態の曲げセンサと同様の作用効果を有する。また、本実施形態の曲げセンサ1によると、基材7を挟んで、低抵抗層3および絶縁層4と、高抵抗層2と、が隔離して配置されている。基材7は、クラック31の進展を阻害する。このため、基材7を貫通して、高抵抗層2にクラック31が進入するのを、抑制することができる。
<第四実施形態>
本実施形態の曲げセンサと、第一実施形態の曲げセンサと、の相違点は、高抵抗層と絶縁層との間に、補強層が介在している点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。図11に、本実施形態の曲げセンサの左右方向断面図を示す。なお、図2と対応する部位については、同じ符号で示す。
本実施形態の曲げセンサと、第一実施形態の曲げセンサと、の相違点は、高抵抗層と絶縁層との間に、補強層が介在している点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。図11に、本実施形態の曲げセンサの左右方向断面図を示す。なお、図2と対応する部位については、同じ符号で示す。
図11に示すように、高抵抗層2と絶縁層4との間には、補強層91が介在している。補強層91は、アクリルゴム製である。補強層91は、絶縁層4よりも、ヤング率が小さい。
本実施形態の曲げセンサ1は、構成が共通する部分に関しては、第一実施形態の曲げセンサと同様の作用効果を有する。また、本実施形態の曲げセンサ1によると、補強層91にクラック31が進入しにくい。このため、高抵抗層2にクラック31が進入するのを、抑制することができる。
<第五実施形態>
本実施形態の曲げセンサと、第一実施形態の曲げセンサと、の相違点は、3つのセンサ分割体が線状に並んで配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。図12(a)に、本実施形態の曲げセンサの、3つのセンサ分割体を直線状に配置した場合の模式図を示す。図12(b)に、同曲げセンサの、3つのセンサ分割体を曲線状に配置した場合の模式図を示す。なお、図2と対応する部位については同じ符号で示す。
本実施形態の曲げセンサと、第一実施形態の曲げセンサと、の相違点は、3つのセンサ分割体が線状に並んで配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。図12(a)に、本実施形態の曲げセンサの、3つのセンサ分割体を直線状に配置した場合の模式図を示す。図12(b)に、同曲げセンサの、3つのセンサ分割体を曲線状に配置した場合の模式図を示す。なお、図2と対応する部位については同じ符号で示す。
図12(a)に示すように、曲げセンサ1は、3つのセンサ分割体1a〜1cを備えている。センサ分割体1a〜1cは、直線状に連なっている。また、センサ分割体1a〜1cは、所定間隔ずつ離間して配置されている。つまり、センサ分割体1a〜1cは、点線状に連なっている。
センサ分割体1a〜1cの構成は、図2に示す曲げセンサ1同様である。すなわち、センサ分割体1a〜1cは、各々、高抵抗層分割体(図2の高抵抗層2に相当)、低抵抗層分割体(図2の低抵抗層3に相当)、絶縁層分割体(図2の絶縁層4に相当)、被覆層分割体(図2の被覆層6に相当)、基材分割体(図2の基材7に相当)を備えている。
センサ分割体1a〜1c各々の長手方向両端には、一対の電極部5L、5Rが配置されている。電極部5Lは、高抵抗層分割体の長手方向一端および低抵抗層分割体の長手方向一端に、電気的に接続されている。電極部5Rは、高抵抗層分割体の長手方向他端および低抵抗層分割体の長手方向他端に、電気的に接続されている。
図12(b)に示すように、曲げセンサ1は、3つのセンサ分割体1a〜1cを備えている。センサ分割体1a〜1cは、曲線状に連なっている。また、センサ分割体1a〜1cは、連続して配置されている。つまり、センサ分割体1a〜1cは、実線状に連なっている。
センサ分割体1a〜1cの構成は、図2に示す曲げセンサ1同様(図12(a)同様)である。センサ分割体1a〜1cは、各々、湾曲している。図12(b)の曲げセンサ1によると、長手方向に沿って、電極部5a、センサ分割体1a、電極部5b、センサ分割体1b、電極部5c、センサ分割体1c、電極部5dが並んでいる。すなわち、電極部5a〜5dと、センサ分割体1a〜1cと、が交互に並んでいる。
センサ分割体1a、1cの曲率の向きと、センサ分割体1bの曲率の向きと、は互いに反対である。図12(b)の電極部5bは、図12(a)のセンサ分割体1a用の電極部5Rと、センサ分割体1b用の電極部5Lと、を兼ねている。また、図12(b)の電極部5cは、図12(a)のセンサ分割体1b用の電極部5Rと、センサ分割体1c用の電極部5Lと、を兼ねている。
本実施形態の曲げセンサ1は、構成が共通する部分に関しては、第一実施形態の曲げセンサと同様の作用効果を有する。また、本実施形態の曲げセンサ1によると、被装着部材の所望の部位に、曲げセンサ1を配置しやすくなる。
また、本実施形態の曲げセンサ1によると、高抵抗層分割体、低抵抗層分割体の固有抵抗に起因する測定誤差を小さくすることができる。したがって、小さな変形についても、高精度で検出することができる。
また、本実施形態の曲げセンサ1によると、オフ状態における、任意のセンサ分割体1a〜1cの、高抵抗層分割体の電気抵抗および低抵抗層分割体の電気抵抗の合成抵抗は、10kΩ以下に設定されている。この点においても、本実施形態の曲げセンサ1によると、小さな変形を高精度で検出することができる。
<第六実施形態>
本実施形態の曲げセンサと、第一実施形態の曲げセンサと、の相違点は、基材の荷重出力側の面に、低抵抗層と高抵抗層とが並んで配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
本実施形態の曲げセンサと、第一実施形態の曲げセンサと、の相違点は、基材の荷重出力側の面に、低抵抗層と高抵抗層とが並んで配置されている点である。ここでは、相違点についてのみ説明する。
図13に、本実施形態の曲げセンサの前後方向断面図を示す。なお、図2と対応する部位については、同じ符号で示す。図13に示すように、基材7の上面の前部分には、高抵抗層2が印刷されている。また、基材7の上面の後部分には、絶縁層4と低抵抗層3とが積層して印刷されている。また、基材7の上面には、図13に点線で示すように、左右一対の電極部5L、5Rが印刷されている。電極部5Lは、高抵抗層2の左端と低抵抗層3の左端とを、電気的に接続している。電極部5Rは、高抵抗層2の右端と低抵抗層3の右端とを、電気的に接続している。被覆層6は、高抵抗層2、低抵抗層3、絶縁層4、一対の電極5L、5Rを、上方から覆っている。
本実施形態の曲げセンサ1は、構成が共通する部分に関しては、第一実施形態の曲げセンサと同様の作用効果を有する。また、本実施形態の曲げセンサ1によると、上方(荷重出力側)または下方(荷重入力側)から見て、高抵抗層2と低抵抗層3とが重複していない。つまり、高抵抗層2と低抵抗層3とが、クラックの進展方向に並んでいない。このため、高抵抗層2にクラックが進入するのを、抑制することができる。
<その他>
以上、本発明の曲げセンサの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
以上、本発明の曲げセンサの実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。
第一実施形態においては、エポキシ樹脂32に対する導電性フィラーの形状により、高抵抗層2と低抵抗層3との間に電気抵抗の較差を設定した。しかしながら、導電性フィラーの材質、充填率などにより、高抵抗層2と低抵抗層3との間に電気抵抗の較差を設定してもよい。また、他の方法で高抵抗層2および低抵抗層3の体積抵抗率を調整することにより、高抵抗層2と低抵抗層3との間に電気抵抗の較差を設定してもよい。
第二実施形態においては、高抵抗層2の前後方向の合計長を短くすることにより、一対の電極部5L、5Rの配置方向に対して、直交する方向の断面積を小さくした。しかしながら、高抵抗層2の上下方向の肉厚を小さくすることにより、当該断面積を小さくしてもよい。また、高抵抗層2を折り返して冗長的に配置することにより、高抵抗層2の実質長を長くしてもよい。
第一実施形態、第二実施形態においては、電極部5L、5R、高抵抗層2、絶縁層4、低抵抗層3、被覆層6を、基材7の上面に積層して印刷した。しかしながら、各層の形成方法は、印刷法に特に限定しない。例えば、塗料から形成する方法として、ディップ法、スプレー法、バーコート法などを採用してもよい。また、塗料からではなく、上記各層を別途準備して、基材7に取り付けてもよい。例えば、各層を、各々、金型でプレス成形し、貼り合わせてもよい。第五実施形態においては、3つのセンサ分割体1a〜1cを配置したが、センサ分割体1a〜1cの配置数は特に限定しない。
上記実施形態においては、絶縁層4に絶縁性フィラーとしてシリカ球状粒子を分散した。しかしながら、絶縁性フィラーは、分散しなくてもよい。上記実施形態においては、絶縁層4の内部まで、クラック31の先端311を到達させた。しかしながら、先端311を、絶縁層4まで到達させなくてもよい。
また、図4に示すように、クラック形成用型80の型面800の曲率半径を小さくすることにより、クラック31の密度を大きくしてもよい。こうすると、低抵抗層3に多数のクラック31を形成することができる。クラック31の配置数は特に限定しない。単一でも複数でもよい。
被覆層6、90の材質は、特に限定しない。絶縁材料であればよい。また、被覆層6、90を配置しなくてもよい。電極部5L、5Rの数、配置場所についても適宜設定すればよい。例えば、三つ以上の電極部5L、5Rを等間隔ごとに配置し、隣り合う一対の電極部5L、5R間ごとに、電気抵抗を測定してもよい。
補強層91の材質は、特に限定しない。例えば、被覆層6、90と同じ材質にしてもよい。また、補強層91として、空間を配置してもよい。具体的には、絶縁層4と高抵抗層2との間に、スペーサを配置してもよい。すなわち、補強層91は、クラック31の進展を抑制できればよい。また、補強層91と絶縁層4とを一体に配置してもよい。例えば、材料の脆性を高くするフィラーを、絶縁層4側に多く、補強層91側に少なく、含有する傾斜機能層を配置してもよい。
基材7は、高抵抗層2の一面の弾性変形を拘束できるものであればよい。上記実施形態のPIの他、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)などの屈曲性を有する樹脂フィルムが好適である。基材7の肉厚は、例えば、10μm以上500μm以下とすることが望ましい。
高抵抗層2、低抵抗層3、絶縁層4の形状、大きさなどは特に限定しない。これらは、曲げセンサ1の用途などに応じて適宜決定すればよい。例えば、高抵抗層2、低抵抗層3、絶縁層4の肉厚は、曲げセンサ1の小型化、薄型化などの観点から、10μm以上500μm以下とすることが望ましい。250μm以下がより好適である。高抵抗層2、低抵抗層3、絶縁層4の肉厚を小さくすると、基材7による曲げ変形誘起の効果が発揮されやすい。
高抵抗層2、低抵抗層3、絶縁層4の母材は、樹脂およびエラストマーの中から、導電性フィラー、絶縁性フィラーとの相溶性などを考慮して、適宜選択すればよい。特に、高抵抗層用塗料、低抵抗層用塗料、絶縁層用塗料から高抵抗層2、低抵抗層3、絶縁層4を形成する場合には、塗料化が可能な材料を選択することが望ましい。すなわち、自身が液状の材料、あるいは溶剤などに可溶な材料を選択するとよい。
例えば、熱可塑性樹脂として、PE、ポリプロピレン(PP)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリスチレン(PS)、ポリビニルアセテート(PVAc)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリカーボネート(PC)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、PET、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、非晶質フッ素樹脂、非晶質ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂などが挙げられる。なかでも、溶剤に可溶であるという理由から、ポリアミド、非晶質フッ素樹脂、非晶質ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂などが好適である。
また、熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、PIなどが挙げられる。なかでも、エポキシ樹脂が好適である。エポキシ樹脂の硬化前樹脂には、比較的低粘度の液状のものが多い。よって、溶剤を使用せずに塗料化が可能である。また、導電性フィラー、絶縁性フィラーとの相溶性も良好である。このため、導電性フィラーを、略単粒子状態でかつ高充填率で配合しやすい。エポキシ樹脂としては、ビスフェノール型エポキシ樹脂(A型、F型、AD型)、脂環式エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、多価アルコール類とエピクロルヒドリンとを反応させて得られるポリグリシジルエーテルなどが挙げられる。
また、エラストマーは、ゴムおよび熱可塑性エラストマーから適宜選択することができる。例えば、ゴムとしては、天然ゴム(NR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム(NBR)、スチレン−ブタジエン共重合ゴム(SBR)、エチレン−プロピレン共重合ゴム[エチレン−プロピレン共重合体(EPM)、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体(EPDM)など]、ブチルゴム(IIR)、ハロゲン化ブチルゴム(Cl−IIR、Br−IIRなど)、水素化ニトリルゴム(H−NBR)、クロロプレンゴム(CR)、アクリルゴム(AR)、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム(CSM)、ヒドリンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、合成ラテックスなどが挙げられる。また、熱可塑性エラストマーとしては、スチレン系、オレフィン系、ウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、フッ素系などの各種熱可塑性エラストマー、およびこれらの誘導体が挙げられる。なかでも、導電性フィラーとの相溶性が良好なEPDM、NBR、シリコーンゴムが好適である。また、液状IR、液状BR、RTV型(室温硬化型)シリコーンゴムは、硬化前に液状であり、溶剤を使用せずに塗料化可能である点で、好適である。
低抵抗層3の導電性フィラーは、導電性を有するものであれば、特に限定しない。例えば、炭素材料、金属などの微粒子が挙げられる。これらのうち、一種を単独で、あるいは二種以上を併せて用いることができる。例えば、導電性フィラーのアスペクト比(短辺に対する長辺の比)は、1以上2以下の範囲が望ましい。アスペクト比が2より大きくなると、導電性フィラー同士の接触により一次元的な導電パスPが形成されやすいからである。特に、母材中の導電性フィラーの充填状態を、より最密充填状態に近づけるという観点から、導電性フィラーとして、真球あるいは極めて真球に近い形状(略真球状)の粒子を採用するとよい。
例えば、導電性フィラーとしては、カーボンビーズが好適である。カーボンビーズは、導電性が良好で、比較的安価である。また、略真球状を呈しているため、高充填率で配合することができる。具体的には、大阪ガスケミカル社製のメソカーボンマイクロビーズ[MCMB6−28(平均粒子径約6μm)、MCMB10−28(平均粒子径約10μm)、MCMB25−28(平均粒子径約25μm)]、日本カーボン社製のカーボンマイクロビーズ:ニカビーズ(登録商標)ICB、ニカビーズPC、ニカビーズMC、ニカビーズMSB[ICB0320(平均粒子径約3μm)、ICB0520(平均粒子径約5μm)、ICB1020(平均粒子径約10μm)、PC0720(平均粒子径約7μm)、MC0520(平均粒子径約5μm)]、日清紡社製のカーボンビーズ(平均粒子径約10μm)などが挙げられる。
また、導電性フィラーの充填率は、低抵抗層3の全体の体積を100体積%とした場合の30体積%以上であることが望ましい。30体積%未満の場合には、導電性フィラーが最密充填に近い状態で配合されにくく、所望の導電性が発現しにくい。また、低抵抗層3の弾性変形に対する電気抵抗の変化が緩慢になり、電気抵抗の増加挙動を制御することが難しくなる。35体積%以上であるとより好適である。反対に、導電性フィラーの充填率は、低抵抗層3の全体の体積を100体積%とした場合の65体積%以下であることが望ましい。65体積%を超えると、低抵抗層3が弾性変形しにくくなる。また、母材への混合が困難となり、成形加工性が低下する。さらに、低抵抗層用塗料を調製しにくくなる。55体積%以下であるとより好適である。
母材中、導電性フィラーは、できるだけ凝集せず一次粒子の状態で存在することが望ましい。よって、導電性フィラーを選択する際には、平均粒子径や母材との相溶性などを考慮するとよい。例えば、一次粒子の状態で存在する導電性フィラーの平均粒子径は、0.05μm以上100μm以下であることが望ましい。0.05μm未満の場合には、凝集して二次粒子を形成しやすい。0.5μm以上、さらには1μm以上であると好適である。反対に、平均粒子径が100μmを超えると、弾性変形による導電性フィラーの並進運動(平行運動)が、粒子径に比べて相対的に小さくなり、弾性変形に対する電気抵抗の変化が緩慢となる。また、低抵抗層3の肉厚を小さくしにくくなる。60μm以下、さらには30μm以下であると好適である。
高抵抗層2の導電性フィラーは、導電性を有するものであれば、特に限定しない。例えば、炭素材料、金属などの微粒子が挙げられる。これらのうち、一種を単独で、あるいは二種以上を併せて用いることができる。例えば、導電性フィラーのアスペクト比(短辺に対する長辺の比)は、2以上である方が望ましい。アスペクト比が2以上の場合、導電性フィラー同士の接触により一次元的な導電パスPが形成されやすく、伸張しても導電パスPが切れにくいからである。
例えば、導電性フィラーとしては、高ストラクチャーの導電性カーボンが好適である。具体的には、ライオン社製のケッチェンブラック(EC300J(DBP吸油量 360ml/100g))、(EC600JD(DBP吸油量495ml/100g))、キャボット社製のVULCAN XC−72(DBP吸油量178ml/100g)、キャボット社製のBP−2000(DBP吸油量300ml/100g)、三菱化学社製の#3950(DBP吸油量330ml/100g)、#3050B(DBP吸油量180ml/100g)、#4350(DBP吸油量171ml/100g)、電気化学工業社製のHS−100(DBP吸油量150ml/100g)、東海カーボン社製のTB#5500(DBP吸油量155ml/100g)などが挙げられる。
また、導電性フィラーの充填率は、高抵抗層2の全体の体積を100体積%とした場合の10体積%以上30体積%以下であることが望ましい。10体積%未満の場合には、導電性フィラーによる導電パスPが形成されにくく、所望の導電性が発現しにくい。また、高抵抗層2の弾性変形に対する電気抵抗の変化が緩慢になり、電気抵抗の増加挙動を制御することが難しくなる。15体積%以上であるとより好適である。反対に、導電性フィラーの充填率は、高抵抗層2の全体の体積を100体積%とした場合の30体積%以下であることが望ましい。30体積%を超えると、高抵抗層2が弾性変形しにくくなる。また、母材への混合が困難となり、成形加工性が低下する。さらに、高抵抗層用塗料を調製しにくくなる。25体積%以下であるとより好適である。
母材中、導電性フィラーは、できるだけ高次連鎖構造を形成している方が望ましい。よって、導電性フィラーを選択する際には、平均粒子径や母材との相溶性などを考慮するとよい。例えば、一次粒子の状態で存在する導電性フィラーの平均粒子径は、0.05μm以下であることが望ましい。
このように、高抵抗層2の導電性フィラーは、クラック31の発生を抑制するため(多少伸長しても抵抗変化が小さいようにするため)、高ストラクチャー、高アスペクト比である方が望ましい。また、母材中で凝集し、二次構造(鎖状)で存在する方が望ましい。また、充填率が大きいとクラック31が入りやすいため、高抵抗層2の全体の体積を100体積%とした場合の10体積%以上30体積%以下が望ましい。また、DBP吸油量は、100ml/100g以上である方が望ましい。また、アスペクト比は、2以上である方が望ましい。こうすると、高抵抗層2に対するクラック31の発生を抑制することができる。このため、オン抵抗Ron以下の抵抗増加を示さなくなる。
絶縁性フィラーは、絶縁性を有し、クラックを貫通させるために、球状であるものが好適である。例えば、電気化学工業社製の球状シリカ(FB−7SCD(平均粒子径5.8μm)、FB−5SCD(平均粒子径4.5μm)、FB−3SCD(平均粒子径3.4μm))、古河電子社製の球状窒化アルミ(FAN−f05(平均粒子径6μm)、アドマテックス製の球状シリカ(SO−C6(平均粒子径2.2μm)、球状アルミナ(AO−520(平均粒子径20μm))などの微粒子が挙げられる。これらのうち、一種を単独で、あるいは二種以上を併せて用いることができる。
高抵抗層2、低抵抗層3は、例えば、次のようにして製造することができる。母材に熱可塑性樹脂を選択した場合には、加熱溶融した熱可塑性樹脂に、導電性フィラー、必要に応じて添加剤を加えて混合した後、プレス成形、射出成形などを行う。その後、低抵抗層3にクラック31を形成する。
また、母材に熱硬化性樹脂を選択した場合には、硬化前樹脂に、硬化剤、必要に応じて添加剤を加えて混合した後、プレス成形などにより硬化させる。その後、低抵抗層3にクラック31を形成する。
一方、母材にエラストマーを選択した場合は、まず、エラストマーに、加硫助剤、軟化剤などの添加剤を添加して、混練りする。続いて、導電性フィラーを加えて混練りした後、さらに、架橋剤、加硫促進剤を加えて混練りし、エラストマー組成物とする。次に、エラストマー組成物をシート状に成形し、それを金型に充填してプレス加硫する。その後、低抵抗層3にクラック31を形成する。
また、高抵抗層2、低抵抗層3の肉厚を小さくするためには、高抵抗層用塗料、低抵抗層用塗料から形成することが望ましい。すなわち、まず、樹脂またはエラストマーなどの母材の形成成分を含む高抵抗層用塗料、低抵抗層用塗料を調製する。次に、調製した高抵抗層用塗料、低抵抗層用塗料を、基材7に塗布し、乾燥させる。なお、熱硬化樹脂を使用した場合は、高抵抗層用塗料、低抵抗層用塗料を塗布した後、硬化させればよい。また、エラストマーを使用した場合は、乾燥と同時に、あるいは乾燥後に、架橋反応を進行させればよい。
高抵抗層用塗料、低抵抗層用塗料の塗布方法は、種々の方法を採用することができる。例えば、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、スクリーン印刷、パッド印刷、リソグラフィーなどの印刷法の他、ディップ法、スプレー法、バーコート法などが挙げられる。例えば、印刷法を採用すると、塗布する部分と塗布しない部分との塗り分けを、容易に行うことができる。また、大きな面積、細線、複雑な形状の印刷も容易である。さらに、高抵抗層2、低抵抗層3、電極部5L、5R、絶縁層4を同様の方法で形成することができるため、各層を集積化しやすい。印刷法の中でも、高粘度の塗料も使用可能であり、塗膜厚さの調整が容易であるという理由から、スクリーン印刷法が好適である。本発明の曲げセンサは、ドア、窓などの開閉部の挟み込み検知用や、車両の衝突検知用などとして用いることができる。
Claims (13)
- 樹脂製またはエラストマー製の母材と、該母材に分散される導電性フィラーと、を有する高抵抗層と、
樹脂製またはエラストマー製の母材と、該母材に分散される導電性フィラーと、曲げ変形の際に引張応力が加わる引張面と、該引張面に配置される開口を有し積層方向に進展するクラックと、を有し、該クラックが閉じた状態で該高抵抗層よりも電気抵抗が小さい低抵抗層と、
樹脂製またはエラストマー製の母材、および該母材に分散される絶縁性フィラーのうち、少なくとも該母材を有し、該高抵抗層と該低抵抗層との間に介在し、該高抵抗層と該低抵抗層とを電気的に絶縁する絶縁層と、
該高抵抗層と該低抵抗層とを電気的に並列に接続する複数の電極部と、
を備え、
曲げ量が小さいオフ状態においては、該クラックが開きにくいため、複数の該電極部から、該高抵抗層の電気抵抗および該低抵抗層の電気抵抗の合成抵抗が、オフ抵抗として出力され、
曲げ量が該オフ状態よりも大きいオン状態においては、該オフ状態よりも該クラックが開きやすいため、複数の該電極部から、該高抵抗層の電気抵抗および該低抵抗層の電気抵抗のうち、少なくとも該高抵抗層の電気抵抗が、該オフ抵抗よりも大きいオン抵抗として出力される曲げセンサ。 - 前記クラックは、前記低抵抗層を積層方向に貫通し、前記絶縁層まで到達する請求項1に記載の曲げセンサ。
- 前記開口は、複数の前記電極部の配置方向に対して直交する方向に前記引張面を遮断する請求項1に記載の曲げセンサ。
- 前記絶縁層は、前記高抵抗層の荷重出力側に積層され、
前記低抵抗層は、該絶縁層の荷重出力側に積層され、
さらに、該低抵抗層の荷重出力側に配置され、前記開口を覆う弾性変形可能な被覆層と、
該高抵抗層の荷重入力側に配置され、該高抵抗層が固定される基材と、
を備える請求項1に記載の曲げセンサ。 - 複数の前記電極部、前記高抵抗層、前記絶縁層、前記低抵抗層、前記被覆層は、前記基材に対して、積層して印刷される請求項4に記載の曲げセンサ。
- 前記高抵抗層と前記絶縁層との間に介在し、前記絶縁層よりも前記クラックが進展しにくい補強層を備える請求項1に記載の曲げセンサ。
- 前記補強層は、荷重出力側の面に前記絶縁層、前記低抵抗層が積層して印刷され、荷重入力側の面に前記高抵抗層が印刷される基材である請求項6に記載の曲げセンサ。
- 前記高抵抗層と前記低抵抗層とは、荷重入力側または荷重出力側から見て、重複しないように配置される請求項1に記載の曲げセンサ。
- 前記高抵抗層は、前記低抵抗層よりも、複数の前記電極部の配置方向に対して直交する方向の断面積が、小さい請求項1に記載の曲げセンサ。
- 前記高抵抗層は、前記低抵抗層よりも、体積抵抗率が大きい請求項1に記載の曲げセンサ。
- 前記高抵抗層および前記低抵抗層に対する前記導電性フィラーの充填率を調整することにより、該高抵抗層と該低抵抗層との間に前記体積抵抗率の較差を設定する請求項10に記載の曲げセンサ。
- 前記高抵抗層の一部である高抵抗層分割体と、前記低抵抗層の一部である低抵抗層分割体と、前記絶縁層の一部である絶縁層分割体と、
該高抵抗層分割体と該低抵抗層分割体とを電気的に並列に接続する複数の前記電極部と、
を有する複数のセンサ分割体を備え、
複数の該センサ分割体は、線状に配置される請求項1ないし請求項11のいずれかに記載の曲げセンサ。 - 前記オフ状態における、任意の前記センサ分割体の、前記高抵抗層分割体の電気抵抗および前記低抵抗層分割体の電気抵抗の合成抵抗は、10kΩ以下である請求項12に記載の曲げセンサ。
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