JP7265411B2 - 感圧センサシートおよび感圧センサ - Google Patents

Description

この発明は、感圧センサシートおよびその感圧センサシートを備える感圧センサに関する。

従来、荷重に伴う静電容量の変化を検出する感圧センサが知られている。この感圧センサにより、複数の検出部で静電容量の変化を検出することで、感圧センサの面方向の圧力分布を測定することができる。このような感圧センサは、例えばベッドなどに設置され、就寝者の体圧分布の測定などに用いられる。

感圧センサの構造として、複数の表側電極と、複数の裏側電極と、誘電層とを備えたものが知られている。複数の表側電極と複数の裏側電極は互いに直交しており、表側電極と裏側電極の複数の交差部分（重複部分）が検出部となる。

例えば、特許文献１には、エラストマー製の誘電層と、誘電層の表側に配置され、エラストマーおよび導電性フィラーを含んで形成された表側電極部と、誘電層の裏側に配置され、エラストマーおよび導電性フィラーを含んで形成された裏側電極部とを有する感圧センサが記載されている。表側電極部は、帯状に形成された複数の表側電極を有し、各電極はＸ軸方向に延出している。また、裏側電極部は、帯状に形成された複数の裏側電極を有し、各電極はＹ軸方向に延出している。この感圧センサは、誘電層に加えて、表側電極部および裏側電極部がエラストマーで形成されるので、検出部に荷重が付与されると、表側電極および裏側電極が、誘電層とともに伸長する。

特開２０１０－４３８８１号公報

特許文献１記載の感圧センサにおいて、誘電層は、表側電極および裏側電極を含むシート全体を覆うように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に延在している。誘電層によって広範囲が覆われることで、各検出部における変形の独立性が損なわれ、対象物の圧力分布を精度良く測定することが困難となるおそれがある。

本発明はこのような事情に対処するためになされたものであり、対象物の圧力分布を精度良く測定できる感圧センサシート、およびその感圧センサシートを備える感圧センサを提供することを目的とする。

本発明の感圧センサシートは、センサ面に荷重が加わった際に生じる伸長の変位率に応じて発生する静電容量を検出する感圧センサに用いられる感圧センサシートであって、上記感圧センサシートは、伸長性を有する帯状の第１電極が複数平行に配列された第１電極部と、伸長性を有する帯状の第２電極が複数平行に配列された第２電極部とを有し、上記第１電極と上記第２電極は互いに交差し、交差した部分で接触しており、上記第１電極および上記第２電極はそれぞれ、誘電層および導電層が積層した構造を有し、上記第１電極の導電層と上記第２電極の導電層の間に、上記第１電極の誘電層および上記第２電極の誘電層の少なくともいずれか一方の誘電層が配置されることを特徴とする。

上記第１電極の誘電層は上記第１電極の導電層よりも層厚さが小さく、かつ、上記第２電極の誘電層は上記第２電極の導電層よりも層厚さが小さいことを特徴とする。

上記第１電極の導電層と上記第２電極の導電層の間に、上記第１電極の誘電層および上記第２電極の誘電層が配置されることを特徴とする。

上記第１電極および上記第２電極の切断時伸びが２００％以上であることを特徴とする。

上記第１電極部および上記第２電極部は、対向配置された一対のゴム製のシート部材間に収容されており、上記第１電極部と上記第２電極部は互いに接着されていないことを特徴とする。

本発明の感圧センサは、センサ面に荷重が加わった際に生じる伸長の変位率に応じて発生する静電容量を検出する感圧センサであって、ハウジングの開口部に感圧センサシートが張られたセンサ本体部と、上記感圧センサシートに配線を介して接続される制御部とを備え、上記感圧センサシートが本発明の感圧センサシートであることを特徴とする。

本発明の感圧センサシートは、第１電極部の各電極と第２電極部の各電極とがそれぞれ交差しており、各交差部分の静電容量が検出される。このような構成において、第１電極および第２電極はそれぞれ、誘電層および導電層が積層した帯状の構造を有し、第１電極の導電層と第２電極の導電層の間に、少なくともいずれか一方の誘電層が配置されるので、誘電層がシート全体を覆う構成に比べて、各検出部の独立性が確保され、対象物の圧力分布を精度良く測定できる。また、シート全体の伸長性の低下を抑制できる。

第１電極の誘電層は第１電極の導電層よりも層厚さが小さく、かつ、第２電極の誘電層は第２電極の導電層よりも層厚さが小さいので、導電層間に介在する誘電層の厚さが小さくなり、変形に伴う静電容量の変化が大きくなり、ひいてはセンサ精度を向上できる。

第１電極の導電層と第２電極の導電層の間に、第１電極の誘電層および第２電極の誘電層が配置されるので、変形に伴って第１電極の導電層と第２電極の導電層とが導通することを好適に防止できる。

第１電極部および第２電極部は、対向配置された一対のゴム製のシート部材間に収容されることで、各検出部における電極間の密着性が維持され、さらに、第１電極部と第２電極部が互いに接着されていないので、各電極の伸張性を良好に維持できる。また、この構成によれば、検出部において電極が剥がれることによる検出不良を回避できる。

本発明の感圧センサは、ハウジングの開口部に本発明の感圧センサシートが張られたセンサ本体部と、該感圧センサシートに配線を介して接続される制御部とを備えるので、対象物の圧力分布を精度良く測定できる。

本発明の感圧センサシートを模式的に示す平面図である。 図１の感圧センサシートの部分断面図である。 本発明の感圧センサシートの他の例の部分断面図である。 本発明の感圧センサを模式的に示す平面図である。 感圧センサに荷重が加わった状態を示す図である。

本発明の感圧センサシートの一例を図１に基づいて説明する。図１は感圧センサシートの平面図である。感圧センサシート１は全体として伸長性を有するシートであり、センサ面に加わる荷重に応じて伸長する。感圧センサシート１は、伸長に伴う静電容量の変化を検出する感圧センサのセンサシートとして使用される。なお、説明の便宜上、図１の平面視において、左右方向をＸ軸方向とし、前後方向をＹ軸方向とする。Ｘ軸方向およびＹ軸方向は互いに直交している。

図１に示すように、感圧センサシート１は、帯状のＸ軸電極３Ａ～３Ｇが平行に配列されたＸ軸電極部３と、帯状のＹ軸電極６Ａ～６Ｇが平行に配列されたＹ軸電極部６とを有する。Ｘ軸電極部３の各電極はＸ軸方向に延び、Ｙ軸電極部６の各電極はＹ軸方向に延びており、これらは格子状に並んでいる。Ｘ軸電極部３の各電極とＹ軸電極部６の各電極は交差しており、この交差部分（検出部２）で互いに接触している。図１では検出部２をハッチングで示しており、感圧センサでは検出部２の静電容量が測定される。図１の形態では、Ｘ軸方向に延びる電極が７本、Ｙ軸方向に延びる電極が７本形成され、検出部２は４９ヶ所形成される。なお、Ｘ軸電極３Ａ～３Ｇは、本発明の「第１電極」に相当し、Ｙ軸電極６Ａ～６Ｇは、本発明の「第２電極」に相当する。

図２に、図１のＡ－Ａ線断面図を示す。図２に示すように、感圧センサシート１は、上から順に、上側シート部材９、Ｘ軸電極部３、Ｙ軸電極部６、下側シート部材１０が積層されている。対向配置された一対のシート部材の間に、Ｘ軸電極部３およびＹ軸電極部６が挟まれて収容されている。上側シート部材９の表面がセンサ面１ａとなる。図２の断面視において、シート厚さ方向をＺ軸方向とする。

図２に示すように、Ｘ軸電極部３は、誘電層４と導電層５が積層した２層構造を有する。誘電層４と導電層５は接着されている。また、Ｙ軸電極部６は、誘電層７と導電層８が積層した２層構造を有する。誘電層７と導電層８は接着されている。Ｘ軸電極部３およびＹ軸電極部６は、それぞれエラストマーで形成されており、伸長性を有する。図２の形態では、Ｘ軸電極部３の導電層５とＹ軸電極部６の導電層８の間に、Ｙ軸電極部６の誘電層７が配置されている。つまり、Ｘ軸電極部３の導電層５とＹ軸電極部６の導電層８とが誘電層７を挟んで対向するように配置される。このような構成において、検出部に荷重がかかると、Ｘ軸電極およびＹ軸電極が上下のシート部材とともに伸長する。この場合、該検出部２の導電層５、誘電層７、導電層８の伸長率に応じて、該検出部における静電容量が変化する。検出部における静電容量は、１対の導電層とそれらの間に介在する誘電層の伸長率に対して相対的に変化する。

本発明の感圧センサシートは、各電極の伸び率を大きくし、誘電層の変形量を大きくすることで、静電容量の変化を検出しやすくすることができる。Ｘ軸電極およびＹ軸電極の切断時伸びは１００％以上が好ましく、２００％以上がより好ましく、３００％以上がさらに好ましい。本発明における「切断時伸び」は、試験片が切断したときの伸びであり、試験前の試験長さに対する比率（％）で表し、ＪＩＳ Ｋ ６２５１で規定される試験法による。

本発明の感圧センサシートにおいて、誘電層は導電層の形状と同様の帯状に形成される。この場合、格子状に並べられた電極間の領域、つまり格子間の領域には誘電層が形成されない。そのため、従来の感圧センサのような、誘電層が格子間の領域を含むシート全体を覆う構成に比べて、各検出部の変形の独立性を高めることができる。その結果、曲面や凹凸面といった複雑な形状の対象物に合わせて、感圧センサシートの形状を追従させることができ、センサ面に加えられた圧力分布を正確に測定することができる。また、感圧センサシート全体の伸長性が低下することを抑制できる。

図２において、上側シート部材９とＸ軸電極部３、Ｘ軸電極部３とＹ軸電極部６、Ｙ軸電極部６と下側シート部材１０は、それぞれ接着されていても、接着されていなくてもよい。ただし、検出部において各電極の伸長性が低下することを抑制するため、Ｘ軸電極部３とＹ軸電極部６とは接着されていない方が好ましい。一方、上側シート部材９と下側シート部材１０は、密着されることが好ましい。

ここで、感圧センサシートの静電容量は、下記式（１）で算出される。
静電容量Ｃ ＝ （Ｓ／Ｄ）× ε ・・・（１）

式（１）中、εは誘電率、Ｓは検出部の表面積、Ｄは一対の導電層間の距離である。式（１）より、誘電率εが大きいほど、静電容量Ｃが大きくなる。また、表面積Ｓが大きいほど、静電容量Ｃが大きくなり、一対の導電層間の距離Ｄが小さいほど、静電容量Ｃが大きくなる。静電容量Ｃが大きくなることで、荷重に伴う静電容量の変化も大きくなるため、感圧センサの測定精度が高くなる。

一対の導電層間の距離Ｄは、一対の導電層間に介在する誘電層の厚さに相当する。そのため、静電容量Ｃを大きくするため、導電層間に介在する誘電層の厚さを薄くすることが好ましい。誘電層および導電層の厚さについて、図２に基づいて説明する。なお、図２では、誘電層４および誘電層７の厚さは同じであり、導電層５および導電層８の厚さは同じである。誘電層７の厚さｔ_ａは、例えば５μｍ～１００μｍであり、好ましくは５μｍ～５０μｍであり、より好ましくは５μｍ～３０μｍである。導電層８の厚さｔ_ｂは、誘電層の厚さｔ_ａよりも大きいことが好ましく、厚さｔ_ｂは、例えば１００μｍ～５００μｍであり、好ましくは１００μｍ～３００μｍである。図２の形態において、より具体的な層厚さは、誘電層の厚さｔ_ａが１５μｍであり、導電層の厚さｔ_ｂが１５０μｍである。

また、静電容量Ｃを大きくするため、検出部の表面積、つまり平面視でＸ軸電極とＹ軸電極が重なる面積を大きくすることが好ましい。

図３には、本発明の感圧センサシートの他の例の部分断面図を示す。図３の形態は、図２の形態と比較して、Ｘ軸電極部３のシート厚さ方向の向きが異なっている。図３の感圧センサシート１’では、Ｘ軸電極部３の導電層５とＹ軸電極部６の導電層８の間に、Ｘ軸電極部３の誘電層４およびＹ軸電極部６の誘電層７が配置されている。つまり、Ｘ軸電極部３の誘電層４とＹ軸電極部６の誘電層７とが対向するように配置される。図３の感圧センサシート１’では、各電極が大きく変形した場合であっても、Ｘ軸電極部３の導電層５とＹ軸電極部６の導電層８とが接触しにくい構造となっている。そのため、各電極部の導電層が接触することによって生じる短絡を、好適に防止できる。

また、図３の形態では、検出部において、一対の導電層の間に誘電層が２層介在するため、図２の形態に比べて、誘電層の厚さｔ_ａをより薄くすることが好ましい。図３の形態において、より具体的な層厚さは、誘電層の厚さｔ_ａが７．５μｍであり、導電層の厚さｔ_ｂが１５０μｍである。図２および図３より、検出部において一対の導電層の間に介在する誘電層としての厚さは、１０μｍ～３０μｍが好ましい。

Ｘ軸電極およびＹ軸電極のシート厚さ方向の向きは、図２や図３の形態に限らない。例えば、図３の形態においてＹ軸電極部６の向きを反対にし、Ｙ軸電極部６の誘電層７と下側シート部材１０とが対向するように配置してもよい。また、Ｙ軸電極部６が、Ｘ軸電極部３よりもＺ軸方向で上側（センサ面側）となるように配置してもよい。

また、Ｘ軸電極部およびＹ軸電極部を構成する各電極の本数、配置パターンは特に限定されない。複数の検出部を配置する場合、検出部の配置密度は、測定エリア（圧力分布の測定可能なエリア）全面にわたり一定でなくてもよい。例えば、荷重が集中しやすい部分に密とし、荷重が集中しにくい部分を疎となるように検出部を配置してもよい。

以下には、各シート部材、各電極の誘電層および導電層について説明する。

各シート部材の材質としては、シリコーンゴム、エチレン－プロピレン－ジエン共重合体（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムなどが用いられる。これらは単独で使用してもよく、または２種以上を混合して用いてもよい。また、各シート部材の厚さはそれぞれ、例えば５０μｍ～５００μｍであり、好ましくは５０μｍ～３００μｍである。

各電極の誘電層は、エラストマーで形成され、例えば、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムなどのゴム成分をベースとするゴム組成物が用いられる。上記ゴム成分は単独で使用してもよく、または２種以上を混合して用いてもよい。上記ゴム成分の中でも、伸び率に優れることからシリコーンゴムを用いることが好ましい。

誘電層の具体的な組成として、例えば、シリコーンゴム１００質量部に対して、シリコーンマスターバッチ２０質量部を加えたゴム組成物を用いることができる。

各電極の導電層は、ゴム成分に導電性充填剤を配合したゴム組成物からなり、導電性充填剤が層中に分散することで、導電性を有する。導電層に用いられるゴム成分としては、例えば、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴムなどが用いられる。上記ゴム成分は単独で使用してもよく、または２種以上を混合して用いてもよい。各電極における誘電層と導電層は、それぞれベースとなるゴム成分が同じ種類であることが好ましい。

導電性充填剤としては、黒鉛粉末、導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの固体炭素材料や、銅粉、銀粉、鉄粉などの金属粉末、導電性酸化錫、導電性酸化チタンなどの導電性金属酸化物などが用いられる。これら導電性充填剤は、単独で使用してもよく、または２種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、固体炭素材料が好ましく、黒鉛粉末、導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブがより好ましい。

導電性充填剤の配合量（２種以上用いる場合は合計の配合量）としては、ゴム成分１００質量部に対して２０質量部～７０質量部含むことが好ましく、３０質量部～５０質量部含むことがより好ましい。

導電層の具体的な組成として、例えば、導電性シリコーンゴム７０質量部（導電性充填材としてカーボンブラックを３０～４０質量％配合）、シリコーンゴム３０質量部、カーボンナノチューブ５質量部を加えたゴム組成物を用いることができる。

誘電層および導電層に用いるゴム成分は架橋されていることが好ましい。架橋方法としては、放射線架橋やプレス加硫などの化学架橋を行うことができる。プレス加硫に用いる加硫剤には、２，５－ジメチル－２，５ビス（ｔ－ブチルパーオキシ）ヘキサンなどの有機過酸化物を用いることができる。

放射線架橋には、電子線、γ線、Ｘ線などを用いることができる。本発明においては放射線遮蔽層の効果を制御しやすいという観点で電子線照射が好ましい。電子線照射条件としては、加速電圧が５０ｋＶ～１０００ｋＶ、好ましくは２００ｋＶ～５００ｋＶであり、照射線量が５０ｋＧｙ～４００ｋＧｙ、好ましくは５０ｋＧｙ～２００ｋＧｙである。

誘電層および導電層には、発明の効果を阻害しない範囲で、その他の添加剤を配合することも可能である。例えば、加硫剤、加硫促進剤、補強剤、老化防止剤、軟化剤、着色剤などを配合できる。

本発明の感圧センサシートにおいて、Ｘ軸電極およびＹ軸電極は、同じ構成であることが好ましい。つまり、Ｘ軸電極およびＹ軸電極における、各誘電層の材質および厚さ、各導電層の材質および厚さが同じであることが好ましい。Ｘ軸電極およびＹ軸電極の構成を同じとすることで、感圧センサシートのＸ軸方向およびＹ軸方向の伸び率のバランスを保つことができる。また、感圧センサシートの製造も容易となる。

以下には、Ｘ軸電極およびＹ軸電極の構成を同じとした場合の感圧センサシートの製造方法について説明する。

上述したゴム成分などからなるシート基材を用意し、所定の大きさに裁断して、上側シート部材および下側シート部材を得る。

誘電層を構成するゴム組成物を溶剤に溶解し、濾過、脱泡することで誘電層用塗料を得る。溶剤としては、ゴム成分を溶解可能であればよく、例えば、トルエンなどを用いることができる。得られた塗料を、塗工フィルム（例えば、５０μｍ厚のＰＥＴフィルム）に帯状に塗工する。塗工方法としては、コンマバー法や、スプレー法、ディッピング法、刷毛塗り法など被膜を形成できるものであれば使用できる。塗工後、誘電層用塗料を乾燥する。乾燥は、例えば９０℃の恒温槽内で１０分程度行う。

導電層を構成するゴム組成物を溶剤に溶解し、濾過、脱泡することで導電層用塗料を得る。溶剤としては、誘電層用塗料と同様の溶剤を用いることができる。得られた導電層用塗料を、誘電層用塗料の場合と同様の条件で、塗工フィルムに塗工して乾燥する。

乾燥後の誘電層および導電層を重ね合わせて貼り合せる。貼り合せは圧着ロールなどによって行う。貼り合せた後、電子線照射を上述の照射条件にて行い、各層を架橋させるとともに、誘電層および導電層を接着させる。電子線照射は誘電層側、導電層側のいずれから照射してもよく、膜厚に応じて、片面照射、両面照射、照射回数を適宜調整する。各層を架橋及び接着させることで、Ｘ軸電極部およびＹ軸電極部を構成する電極を得る。

下側シート部材の上に、上記で得た電極を格子状に配置して、上側シート部材を重ね合わせる。上側シート部材および下側シート部材を密着させることで、感圧センサシートが得られる。

感圧センサシートの製造方法は、上記の製造方法に限定されない。例えば、塗工による成形に代えて、金型成形や押出成形、分出し成形によって各ゴム組成物を帯状に成形してもよく、この場合プレス加硫が適する。塗工による成形の場合、薄膜の長尺化や厚さ精度も良いという点で好ましい。また、乾燥した誘電層用塗料の上に直接、導電層用塗料を塗布して乾燥することで、各層を接着させる方法も採用できる。

本発明の感圧センサの一形態を図４に示す。図４は、感圧センサの模式的な平面図である。図４に示すように、感圧センサ１１は、平面視矩形状のハウジング１６の開口部に、感圧センサシート１が張られたセンサ本体部１２と、Ｘ軸電極部の各電極に接続された複数の配線１３と、Ｙ軸電極部の各電極に接続された複数の配線１４と、配線１３と配線１４が接続された制御部１５とを備える。感圧センサシート１は、該シートがＸ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ１０～３０％伸びる程度にテンションを掛けて張られている。制御部１５は電源部（図示省略）と静電容量検出部（図示省略）を有している。

図５に示すように、所定の電圧が印加された状態で、感圧センサシート１に圧力Ｆが負荷されると、感圧センサシート１の伸長に伴って検出部２も伸長する。検出部２の伸長率に応じて該検出部２の静電容量が変化する。図５に示すように、センサ本体部１２内において、感圧センサシート１のセンサ面１ａと反対側には感圧センサシート１が変形可能な空間部１７が形成される。本発明の感圧センサは、荷重の大小によらず、感圧センサシート１の幅広い変形（小変形から大変形）に伴う検出が可能である。空間部１７のシート厚さ方向における厚さｄは、感圧センサの使用用途に基づく変形の程度によって設定できる。例えば、感圧センサシートの大きな変形を想定した感圧センサでは、厚さｄは、大きく設定できる。

本発明の感圧センサでは、複数の検出部における静電容量を検出することで、圧力分布を測定できる。本発明の感圧センサでは、特に、一対の導電層間に介在する誘電層が導電層の形状に沿って形成され、測定エリアにおいて誘電層が積層されない領域があるので、隣接する検出部の変形が互いに影響されにくい。その結果、個々の検出部における圧力の検出精度が向上し、複雑な形状の対象物の圧力分布も精度よく検出できる。

本発明の感圧センサは、柔軟性に優れ、センサ面に加わる圧力を精度良く測定でき、複雑な形状の対象物の圧力分布の測定にも適していることから、体圧や座圧などの測定する着座センサや面センサとして用いることができる。

１ 感圧センサシート
２ 検出部
３ Ｘ軸電極部
４ 誘電層
５ 導電層
６ Ｙ軸電極部
７ 誘電層
８ 導電層
９ 上側シート部材
１０ 下側シート部材
１１ 感圧センサ
１２ センサ本体部
１３ 配線
１４ 配線
１５ 制御部
１６ ハウジング
１７ 空間部

Claims (3)

1. センサ面に荷重が加わった際に生じる伸長の変位率に応じて発生する静電容量を検出する感圧センサに用いられる感圧センサシートであって、
   前記感圧センサシートは、伸長性を有する帯状の第１電極が複数平行に配列された第１電極部と、伸長性を有する帯状の第２電極が複数平行に配列された第２電極部とを有し、前記第１電極と前記第２電極は互いに交差し、交差した部分で接触しており、
   前記第１電極および前記第２電極はそれぞれ、誘電層および導電層が接着されて積層した構造を有し、前記第１電極の導電層と前記第２電極の導電層の間に、前記第１電極の誘電層および前記第２電極の誘電層が配置され、
   前記第１電極および前記第２電極の切断時伸びが２００％以上であり、
   前記第１電極部および前記第２電極部は、対向配置された一対のゴム製のシート部材間に収容されており、前記第１電極部と前記第２電極部は互いに接着されていないことを特徴とする感圧センサシート。
2. 前記第１電極の誘電層は前記第１電極の導電層よりも層厚さが小さく、かつ、前記第２電極の誘電層は前記第２電極の導電層よりも層厚さが小さいことを特徴とする請求項１記載の感圧センサシート。
3. センサ面に荷重が加わった際に生じる伸長の変位率に応じて発生する静電容量を検出する感圧センサであって、
   ハウジングの開口部に感圧センサシートが張られたセンサ本体部と、前記感圧センサシートに配線を介して接続される制御部とを備え、
   前記感圧センサシートが請求項１または請求項２記載の感圧センサシートであることを特徴とする感圧センサ。

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