JP7443424B2 - せん断力センサシート - Google Patents

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Description

本発明は、タイヤ、靴底、トラックポイントなどの接地状態を測定するための装置に使用するためのせん断力を算出できるせん断力センサシートに関する。
従来、タイヤの接地状態などを測定する方法として、下記特許文献1に開示された発明が知られている。この発明は、タイヤを接地させるための表面を有する基体と、基体の表面上に配されかつ複数の圧力測定点を有する圧力センサシートと、圧力センサシートの表面を覆う保護シートなどから構成され、圧力センサシートは第1線状電極と第2線状電極との間に圧縮されたときの変形量に応じて電気抵抗が小さくなる樹脂が充填されている構造の発明である。
そして、この樹脂の電気抵抗は、シートの外面を押圧する力が大きくなると減少する。そのため、第1線状電極と第2線状電極との平面視での交点において、シートが押圧されることにより、第1線状電極と第2線状電極との電気抵抗が小さくなる。したがって、電気抵抗が測定されることにより、交点での樹脂に作用する力を測定することができ、タイヤの接地面形状および接地圧分布が得られる。
しかしながら、交点での樹脂に作用する力で検出できるのは、Z方向(線状電極と垂直方向)の成分のみであり、XY方向(タイヤが移動する方向をX軸、それと垂直の方向をY軸)の成分については検出できない。すなわち、このような構造の圧力センサシートでは、Z方向の接地圧分布のみが得られるだけで、例えば、タイヤが接地面に及ぼす斜め方向に加わるXY方向の応力(せん断力)の接地圧分布を測定することはできない。したがって、タイヤと接地面との真の接地状態を測定することになっておらず、タイヤの性能等を測定する試験装置としては不十分であるという問題があった。
そこで、本出願人は、保護層の上から斜め方向に加わる力のZ方向の成分(押圧力)だけでなく、XY方向の成分(せん断力)をも算出できる圧力センサシート(以下、せん断力センサシート)であって、その基本として第一電極と第二電極との間に形成される絶縁層が所定の特徴をもつ弾性体で構成されている発明を提案した(特許文献2参照)。
すなわち、基板上に第一電極が形成され、第一電極上にポアソン比0~0.48からなる弾性体が形成され、弾性体上に第二電極が形成され、前記第二電極上に保護層が形成され、保護層上から加わるせん断力を静電容量の変化から算出できるせん断力センサシートである。
特開2008-281403号公報 特開2020-46371号公報
特許文献2に開示されたせん断力センサシートは、通常、Z方向の成分(押圧力)も測定するために、押圧により凹みやすいポアソン比の小さなフォーム材を接着剤で貼り合わせて弾性体として用いていた。しかしながら、フォーム材は誘電率が高くないため、せん断力センサシートの検出感度は低い。
また、弾性体をフォームより誘電率の高い接着剤層のみで構成することもできるが、接着剤はポアソン比が高いため、押圧しても凹みにくく、結局、せん断力センサシートの検出感度は低くなる。
したがって、本発明は、上記の課題を解決し、弾性体のポアソン比に関わらず、十分に検出感度を高くできる、せん断力センサシートを提供することを目的とする。
以下に、課題を解決するための手段として複数の態様を説明する。これら態様は、必要に応じて任意に組み合せることができる。
本発明の一見地に係るせん断力センサシートは、支持基板と、下部検出電極と、弾性体と、上部検出電極と、絶縁層と、フォースコンセントレータ(Force Concentrator)とを順次積層してなる。下部検出電極は、支持基板上の感圧領域に複数に分割して形成されている。弾性体は、支持基板上の下部検出電極が形成された面に全面的に形成されている。上部検出電極は、弾性体上の感圧領域に複数の帯状電極として形成されており、スライド移動により前記下部検出電極との重複面積が変化する。絶縁層は、弾性体上の上部検出電極が形成された面に全面的に形成されている。フォースコンセントレータは、絶縁層上に形成されている。また、フォースコンセントレータは、上部検出電極に対応して形成された凸部を少なくとも有している。
このような構成を有するせん断力センサシートは、上部検出電極に対応して形成された凸部を有するフォースコンセントレータを入力面に備えているので、上部検出電極上に押圧力が集中する。そのため、弾性体のポアソン比に関わらず、十分に検出感度を高くできる。
上述のせん断力センサシートは、前記下部検出電極の一例として、複数の帯状電極として形成されていてもよい。
上述のせん断力センサシートは、フォースコンセントレータが、シート状のベース部上に凸部を一体的に有するものであってもよい。そして、このせん断力センサシートは、フォースコンセントレータのベース部側を下側にして配置してもよい。
このような構成を有するせん断力センサシートは、フォースコンセントレータのラミネートにおいてベース部によって大面積で接着されるので、フォースコンセントレータの密着性が高い。
上述のせん断力センサシートは、フォースコンセントレータが、凸部のみから成っていてもよい。
このような構成を有するせん断力センサシートは、ベース部を省略した分だけ、せん断力センサシート全体の厚みを薄くすることができる。
上述のせん断力センサシートは、フォースコンセントレータがシート状のベース部上に凸部を一体的に有するものであって、さらにフォースコンセントレータの凸部側を下側にして配置してもよい。このとき、ベース部下の凸部を除く領域には空気層が形成されている。
このような構成を有するせん断力センサシートは、シート状のベース部によって表面フラット性が得られる。
また、上記のベース部下の凸部を除く領域に空気層が形成されている構成においては、ベース部は、空気層上に通気口を設けてもよい。
このような構成を有するせん断力センサシートは、押圧を加えたときに、変形により隣り合う平面視帯状の凸部どうしが接触して空気層を密封してしまうことを防止できる。
上述のせん断力センサシートは、フォースコンセントレータがシート状のベース部上に凸部を一体的に有するものであって、さらにベース部の凸部を有する面と対向するシート状のカバー部を凸部と一体的に有していてもよい。このせん断力センサシートは、ベース部と前面のカバー部との間の凸部を除く領域に空気層が形成されたものである。
このような構成を有するせん断力センサシートは、シート状のカバー部によって表面フラット性が得られる。
また、上記のベース部とカバー部との間の凸部を除く領域に空気層が形成されている構成においては、カバー部は、空気層上に通気口を設けてもよい。
このような構成を有するせん断力センサシートも、押圧を加えたときに、変形により隣り合う平面視帯状の凸部どうしが接触して空気層を密封してしまうことを防止できる。
上述のせん断力センサシートは、フォースコンセントレータが弾性率100MPa以下の材料で構成されていてもよい。
このような構成を有するせん断力センサシートは、フォースコンセントレータが硬過ぎないため、その下の弾性体の凹みを妨げることがないからである。
できる。
上述のせん断力センサシートは、フォースコンセントレータの凸部が、上部検出電極の帯状電極よりも狭幅としてもよい。
このような構成を有するせん断力センサシートは、フォースコンセントレータのラミネート時にその凸部と上部検出電極の帯状電極との位置ズレが多少生じても検出感度が変わらないため、良品率を上げることができる。
なお、上述のせん断力センサシートは、上部検出電極が、1層構成であり、帯状電極の各々が一方向に沿って並列していてもよい。
また、上述のせん断力センサシートは、弾性体がゲル材料で構成されていてもよい。
このような構成を有するせん断力センサシートは、弾性体を構成するゲル材料の誘電率が高いので、検出感度をより高くできる。
また、上述のせん断力センサシートは、上部検出電極が、2層構成であってもよい。具体的には、上部検出電極のうち、第1層の帯状電極の各々が一方向に沿って並列し、第2層の帯状電極の各々が第1層の帯状電極と交差する方向に沿って並列し、これら2層を合わせて格子状パターンを成すものである。そして、このせん断力センサシートは、下部検出電極が、複数の電極に分割され、その隙間によって格子状パターンを成している。さらに、下部検出電極の隙間及び隙間の両側と重複するように、上部検出電極が配置されている。なお、このせん断力センサシートは、上部検出電極の2層間に介在する別の絶縁層を備えている。
本発明のせん断力センサシートは、弾性体のポアソン比に関わらず、十分に検出感度を高くできる。
本発明のせん断力センサシートの第1実施形態を示す断面図である。 第1実施形態のせん断力センサシートにおける各電極とフォースコンセントレータとの位置関係の一例を示す上面図である。 本発明のせん断力センサシートに真上方向からシート全体に押圧力を加えた場合の変形を示す断面図である。 第1実施形態のせん断力センサシートにおけるフォースコンセントレータの一変化例を示す断面図である。 第1実施形態のせん断力センサシートにおけるフォースコンセントレータの他の変化例を示す断面図である。 第1実施形態のせん断力センサシートにおけるフォースコンセントレータの他の変化例を示す断面図である。 第1実施形態のせん断力センサシートにおけるフォースコンセントレータの他の変化例を示す断面図である。 第1実施形態のせん断力センサシートにおけるフォースコンセントレータの他の変化例を示す断面図である。 第1実施形態のせん断力センサシートにおける通気口を有するフォースコンセントレータの一例を示す上面図である。 本発明のせん断力センサシートの第2実施形態を示す断面図である。 第2実施形態のせん断力センサシートにおける各電極とフォースコンセントレータとの位置関係の一例を示す上面図である。 第2実施形態のせん断力センサシートにおける通気口を有するフォースコンセントレータの一例を示す上面図である。
<第1実施形態>
以下、本発明の第1実施形態を、図面に基づき説明する。
第1実施形態のせん断力センサシート1は、支持基板2と、下部検出電極3と、弾性体4と、上部検出電極5と、絶縁層6と、シールド電極8と、フォースコンセントレータ9とを順次積層してなる(図1参照)。
本実施形態の下部検出電極3は、支持基板2上の感圧領域A1に複数に分割して形成されている。弾性体4は、支持基板2上の下部検出電極3が形成された面に全面的に形成されている。上部検出電極5は、弾性体上の感圧領域A1に複数の帯状電極として形成されている(図1、図2参照)。絶縁層6は、弾性体4上の上部検出電極5が形成された面に全面的に形成されている。図1、図2に示す例では、上部検出電極5のパターンはY方向に延びる6本の平行な帯状電極、下部検出電極3のパターンはY方向に延びる7本の平行な帯状電極である。
さらに、下部検出電極3の隙間3a及び隙間3aの両側と重複するように、上部検出電極5が配置されている。つまり、上部検出電極51の幅は、下部検出電極3の隙間3aより大きい。
この積層体によって、せん断力センサシート1のフォースコンセントレータ9を介して加えられた押圧力及びせん断力を検出することができる。
せん断力センサシート1で、上部検出電極5を構成する複数の帯状電極と交差する+X方向に押圧(せん断力)が発生した場合を考える。その場合、上部検出電極5を構成する複数の帯状電極は圧力の強さに応じて+Z方向および+X方向に移動する。
この場合、上部検出電極5を構成する各々の帯状電極と下部検出電極3を構成する各々の帯状電極との重なり部分の相互容量は、Δxに応じて変化する。このせん断力センサシート1を+X方向に押圧した容量の変化によって、+X方向のせん断力を検出することができる。
また、上部検出電極5を構成する各々の帯状電極と下部検出電極3を構成する各々の帯状電極の重なり部分の相互容量は、Δzに応じて変化する。このせん断力センサシート1を+Z方向に押圧した容量の変化によって、+Z方向の押圧力を検出することができる。
シールド電極8は、絶縁層6上に全面的に形成されている。せん断力センサシート1を実装した製品の使用環境や製品内部からのRFノイズ(無線周波数帯域の電磁波ノイズ)が強くて電磁界シールドが必要となる場合は、感圧領域A1の上部検出電極5、下部検出電極3およびこれらに電気接続されて感圧領域A1を囲う配線領域A2に形成された配線(図示せず)を保護して、ノイズによる誤検出を防ぐ。なお、シールド電極8をせん断力センサシート1の構成から除くこともできる。なお、配線領域A2に形成された図示しない配線は、外部にあるコントローラーと電気接続されるものである。
図1、図2に示すフォースコンセントレータ9は、シールド電極8上に全面的に形成されている。また、フォースコンセントレータ9は、上部検出電極5に対応して形成された凸部9aをシート状のベース部9b上に一体的に有している。図1、図2に示す例では、上部検出電極5は6本の平行な帯状電極で構成されているため、これに対応してフォースコンセントレータ9の。凸部9aも6本の平行な帯状に設けられる。また、フォースコンセントレータ9の凸部9aは、平面視で上部検出電極5の帯状電極と同一長さ、同一幅の帯状に形成されており、それぞれの凸部9aが上部検出電極5の帯状電極上に完全に重なっている。
また、図1、図2に示すフォースコンセントレータ9は、ベース部9b側を下側にして配置する。ベース部9b側を下側とすることで、フォースコンセントレータ9のラミネートにおいてベース部9bによって大面積でシールド電極8上に接着されるので、フォースコンセントレータ9の密着性が高い。
上部検出電極5に対応して形成された凸部9aを有するフォースコンセントレータ9を介してせん断力が発生するように押圧するとき、凸部9aのみに押圧が加わる。そのため弾性体4のポアソン比が大きい場合でも、図3(図中、(a)は押圧前、(b)は押圧中の状態を示し、矢印は断面図に描かれた凸部のうち4つを押圧している押圧力である)に示すように、弾性体4が、水平方向に変形するとともに、押圧された領域のうち凸部9a下の部分だけ集中して凹む。逆に、押圧された領域のうち凸部9a下でない部分では、弾性体4は膨らむ(上に凸になる)。弾性体4が凹んでいる箇所にのみに上部検出電極5の各々の帯状電極があるため、押圧力Fzは静電容量の増加として検出される。なお、図3は、弾性体4などの変形、凹みが判り易いように図1、図2と凸部9aの数や寸法を変更して描いている。
因みに、上部検出電極5が全面的に形成されていた場合、すなわち凸部9a下でない部分にも上部検出電極5が存在すると、凹み部分と膨らみ部分におけるそれぞれの静電容量変化が相殺してしまい、押圧力Fzによる静電容量変化は検出できない。
支持基板2の形状は、特に限定されない。図2に示す例では、正方形状である。
支持基板2の材料は、絶縁層6およびフォースコンセントレータ9と比べて剛性の高い材料であれば、特に限定されない。支持基板2の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド、ポリカーボネートなどの樹脂やガラスなどからなるシートが挙げられる。支持基板2の厚みは、0.02mm~1mmの範囲にあるのが好ましい。
上部検出電極5および下部検出電極3の材料としては、数mΩから数百Ωの表面抵抗値(導電性)を示すことが好ましく、例えば、酸化インジウム、酸化錫、インジウム錫酸化物(ITO)、錫アンチモン酸等の金属酸化物や、金、銀、銅、白金、パラジウム、アルミニウム、ロジウム等の金属などで成膜することができる。これらの材料からなる上部検出電極5及び下部検出電極3の形成方法としては、スパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法等のPVD法、あるいはCVD法、塗工法等で透明導電膜を形成した後にエッチングによりパターニングする方法や、印刷法等がある。
上記の構造では、上部検出電極5及び下部検出電極3の間には、入力面からの応力に応じて変形可能な弾性体4が介在している。よって、入力面からの応力によって、上部検出電極5が下部検出電極3に対して変位できる。
弾性体4は、力が作用すると変形可能な部材である。
弾性体4の材料としては、例えば、シリコーン系、アクリル系、ウレタン系、オレフィン系などの弾性を有するゲルシート、弾性を有するその他の樹脂シートや伸縮性のある不織布シートなどが挙げられる。とくに、ゲルシートが、低弾性かつ高誘電率である点で好ましい。より好ましくは、耐熱性に優れたシリコーン系のゲルシートである。また、ゲルシートは、粘着性があるので、別に粘着剤などを用意することなく支持基板2と絶縁層6を接着できる。
また、弾性を有するその他の樹脂シートとしては、例えば、フォーム材を用いることもできる。なお、ゲルシートは、フォーム材よりも誘電率が高いので、検出感度をより高くできる。
なお、弾性体4は、押出成形などの一般的なシート成形法によりシート化されたものに限定されるわけでなく、印刷やコーターなどによって形成されたコーティング層であってもよい。その場合、厚みは20μm~2mmの範囲で適宜選択すると良い。
絶縁層6は、上部検出電極5を形成するための層である。
絶縁層6の材質としては、例えば、アクリル、ウレタン、フッ素、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリアミド、オレフィン、シリコーンゴム、ウレタンなどの熱可塑性または熱硬化性樹脂シートのほか、シアノアクリレートなどの紫外線硬化型樹脂シートなどが挙げられるが、とくに限定されない。絶縁層6に用いるシートの厚みは、0.02mm~0.2mmの範囲にあるのが好ましい。
シールド電極8の材料及び形成方法としては、上部検出電極5および下部検出電極3と同様の材料、形成方法とすることができる。また、シールド電極8の材料として、銀ペーストを用いることもできる。
フォースコンセントレータ9の材料としては、例えば、シリコーンゴムやウレタンゴムなどのシートが挙げられる。とくに、弾性率100MPa以下の材料を用いるのが好ましい。弾性率100MPaを超える材料であると、フォースコンセントレータ9が硬すぎてその下の弾性体4の凹みを妨げてしまうからである。
なお、ベース部9bと凸部9aとは、異なる材料であってもよい。
フォースコンセントレータ9は、ベース部9bと凸部9aとが同じ材料である場合には、ミラブル材の圧縮成形、もしくは液体ゴム材料や熱可塑エラストマーの射出成形によって、凸部9aを形成することができる。また、ベース部9bと凸部9aとが異なる材料の場合には、押出成形などの一般的なシート成形法によりシート化されたベース部9bの上に液体ゴム材料を印刷またはディスペンサーで塗布することによって、凸部9aを形成することができる。フォースコンセントレータ9のベース部9bの厚みは、0.1mm~1mmの範囲にあるのが好ましい。
フォースコンセントレータ9の凸部9aの高さは、0.05mm~2mmの範囲にあるのが好ましい。凸部9aの高さが0.05mmに満たないと、凸部9aと凸部9a以外の部分の凹凸差が小さくなって上部検出電極5上に押圧力を集中させる機能が損なわれる問題がある。凸部9aの高さが2mmを超えると、押圧物が引っかかってしまい凸部9aを破壊しやすくなったり、そもそも凸部9aの形成が難しくなったりする問題がある。より好ましくは、0.1mm~0.5mmである。
なお、本明細書において、上部検出電極5に対応して形成された凸部9aどうしは、上部検出電極5の複数の帯状電極どうしの間の距離と同程度に十分に隔てられた空間を有する。つまり、この空間は、所謂切り目とは異なるものである。
以上、第1実施形態のせん断力センサシート1について説明したが、以下の変化例のように構成してもよい。
(変化例1)
図1、図2、図3に示すせん断力センサシート1では、フォースコンセントレータ9の凸部9aは、上部検出電極5の帯状電極と同一幅としたが、第1実施形態はこれに限定されない。例えば、第1実施形態のせん断力センサシート1は、フォースコンセントレータ9の凸部9aを、上部検出電極5の帯状電極よりも狭幅としてもよい。
このように構成することで、フォースコンセントレータ9のラミネート時にその凸部9aと上部検出電極5の帯状電極との位置ズレが多少生じても、せん断力センサシート1の検出感度が変わらないため、せん断力センサシート1の良品率が上がるというメリットがある。
(変化例2)
また、図1、図2、図3に示すせん断力センサシート1では、フォースコンセントレータ9が、シート状のベース部9b上に凸部9aを一体的に有するものであったが、第1実施形態はこれに限定されない。例えば、第1実施形態のせん断力センサシート1は、フォースコンセントレータ91が、凸部91aのみから成るものであってもよい(図4参照)。
このように構成することで、ベース部9bを省略した分だけ、せん断力センサシート1全体の厚みを薄くすることができる。
なお、この場合、フォースコンセントレータ9のベース部9bが存在しないので、絶縁層6のみで上部検出電極5を保護する。
(変化例3)
また、図1、図2、図3に示すせん断力センサシート1では、フォースコンセントレータ9が、シート状のベース部9b上に凸部9aを一体的に有するものであり、フォースコンセントレータ9のベース部9bを下側にして配置したものであったが、第1実施形態はこれに限定されない。例えば、第1実施形態のせん断力センサシート1は、フォースコンセントレータ92が、シート状のベース部92b上に凸部92aを一体的に有するものであり、フォースコンセントレータ92の凸部92a側を下側にして配置し、ベース部92b下の凸部92aを除く領域に空気層94が形成されたものであってもよい(図5参照)。
このように構成することで、シート状のベース部9bによって表面フラット性が得られる。フォースコンセントレータ92の表面がフラットであると、フォースコンセントレータ92の凸部92a上以外が押されたときでも、押圧力を凸部92aに伝えることができるというメリットがある。
(変化例4)
また、変化例3の、フォースコンセントレータ92において、さらにベース部92bが、空気層94上に通気口95を有していてもよい(図6参照)。
このように構成することで、押圧を加えたときに、変形により隣り合う平面視帯状の凸部92aどうしが接触して空気層94を密封してしまうことを防止できる。空気層94を凸部92aどうしで密封した状態でさらに押圧されて空気層94の空気が限界を超えて圧縮された場合、無理に逃げようとした空気によってフォースコンセントレータ92が破損する恐れがある。
ベース部92bに設けられた通気口95の形状は、特に限定されない。例えば、平面視帯状の凸部92aどうしの間の各空気層94上に沿ってそれぞれ延びるように設けられた、細長い穴(図9(a)参照)とすることができる。また、平面視帯状の凸部92aどうしの間の各空気層94上に沿ってそれぞれ列をなすように設けられる、複数の正円(図9(b)参照)や正三角形,正四角形(正方形),正五角形,正六角形などの正多角形であってもよい。また、これらの組合せであってもよい。
(変化例5)
また、第1実施形態のせん断力センサシート1は、フォースコンセントレータ93が、シート状のベース部93b上に凸部93aを一体的に有し、ベース部93bの凸部93aを有する面と対向するシート状のカバー部93cを凸部93aと一体的に有し、ベース部93bと前面のカバー部93cとの間の凸部93aを除く領域に空気層94が形成されたものであてもよい(図7参照)。
このように構成することで、シート状のカバー部93cによって表面フラット性が得られる。また、変形例3と比べて、フォースコンセントレータ9のラミネート時に凸部93aだけでなくベース部93b全体で接着するため、接着力も高いというメリットもある。
(変化例6)
また、変化例6の、フォースコンセントレータ93において、さらにカバー部93cが、空気層94上に通気口95を有していてもよい(図8,図9参照)。
このように構成することで、変化例4と同様に、押圧を加えたときに、変形により隣り合う平面視帯状の凸部93aどうしが空気層94を密封してしまうこと防止できる。
カバー部93cに設けられた通気口95の形状は、特に限定されない。例えば、変化例4と同様に、平面視帯状の凸部92aどうしの間の各空気層94上に沿ってそれぞれ延びるように設けられた、細長い穴とすることができる。また、変化例4と同様に、平面視帯状の凸部92aどうしの間の各空気層94上に沿ってそれぞれ列をなすように設けられる、複数の正円や正三角形,正四角形(正方形),正五角形,正六角形などの正多角形であってもよい。また、これらの組合せであってもよい。
(その他の変化例)
また、第1実施形態及びその変化例は、上記したものに限定はされない。例えば、上部検出電極5および下部検出電極3を構成する複数の帯状電極は、上記した本数に限定されない。また、上部検出電極5および下部検出電極3を構成する複数の帯状電極は、平行に並んでいなくてもよい。また、上部検出電極5および下部検出電極3を構成する複数の帯状電極は、任意の幅とすることもできる。さらには、上部検出電極5の隙間及び隙間の両側と重複するように、下部検出電極3が配置されていてもよい。
<第2実施形態>
以下、本発明の第2実施形態を、図面に基づき説明する。
第1実施形態では上部検出電極5が1層構成であったが、本発明のせん断力センサシート1は、これに限定されない。例えば、せん断力センサシート1は、上部検出電極51が、2層構成であってもよい(第2実施形態)。
第2実施形態のせん断力センサシート1は、第1実施形態と同様に、支持基板2と、下部検出電極31と、弾性体4と、上部検出電極51と、絶縁層6と、シールド電極8と、フォースコンセントレータ96とを順次積層してなる(図10参照)が、以下の点で第1実施形態と相違する。
すなわち、上部検出電極51は、前述の通り、2層構成である。2層の上部検出電極51のうち、第1層(以下、第1上部検出電極51aという)の帯状電極の各々が一方向に沿って並列している。また、第2層(以下、第2上部検出電極51bという)の帯状電極の各々が第1上部検出電極51aの帯状電極と交差する方向に沿って並列している。第1上部検出電極51aと第2上部検出電極51bの2層を合わせて格子状パターンを成すものである。なお、上部検出電極51の2層間に介在する別の絶縁層7を備えている。
図10、図11に示した例では、第1上部検出電極51aの電極パターンは、Y方向に延びる6本の平行な帯状電極であり、第2上部検出電極51bの電極パターンはX方向に延びる6本の平行な帯状電極であり、これらによる格子状パターンは直交している。なお、第1上部検出電極51a及び第2上部検出電極51bのパターンは、これに限定されない。
また、下部検出電極31は、第2実施形態では、第1実施形態のように帯状電極ではなく、感圧領域A1に敷き詰められて配置された多数の島状電極からなる。そして、島状電極どうしの隙間31aによって格子状パターンを成している(図11参照)。別の言い方をすれば、下部検出電極31がマトリックスを構成している。図示した例では、個々の島状電極の形状は正方形である。
さらに、下部検出電極31の隙間31a及び隙間31aの両側と重複するように、上部検出電極51が配置されている。つまり、第1上部検出電極51及び第2上部検出電極51bの幅は、下部検出電極31の隙間31aより大きい。
なお、第1上部検出電極51及び第2上部検出電極51bの配置状態、例えば帯状電極の間隔や交差角度によっては、下部検出電極31の島状電極の形状は正方形とならない。例えば、長方形やひし形などその他の形状である。
入力面に+X方向の応力を受けた場合、第1上部検出電極51a及び第2上部検出電極51bは下部検出電極31に対して+X方向に移動し、それに応じて重なり面積が変化する。その結果、下部検出電極31のY方向に延びる隙間31aを挟んで一方側の重なりでは相互容量も増大するが、他方側の重なりでは静電容量も減少する。一方で、下部検出電極31のX方向に延びる隙間31aを挟んで一方側の重なり、他方側の重なりでは静電容量は変化しない。
また、入力面に+Y方向の応力を受けた場合は、第1上部検出電極51a及び第2上部検出電極51bは下部検出電極31に対して+Y方向に移動し、それに応じて重なり面積が変化する。その結果、下部検出電極31のX方向に延びる隙間31aを挟んで一方側の重なりでは相互容量も増大するが、他方側の重なりでは静電容量も減少する。一方で、下部検出電極31のY方向に延びる隙間31aを挟んで一方側の重なり、他方側の重なりでは静電容量は変化しない。
以上より、上記4つの重なりの静電容量を測定することで、X方向とY方向の移動を検出でき、それによりせん断応力が検出できる。
図10、図11に示すフォースコンセントレータ96は、シールド電極8上に全面的に形成されている。また、フォースコンセントレータ96は、上部検出電極51に対応して形成された凸部96aをシート状のベース部96b上に一体的に有している。図10、図11に示すフォースコンセントレータ96の凸部96aは、平面視で上部検出電極5の帯状電極と同一長さ、同一幅の帯状に形成されており、それぞれの凸部96aが上部検出電極51の格子状パターン上に完全に重なっている。
本実施形態のフォースコンセントレータ96も、第1実施形態のフォースコンセントレータ9と平面視した形状は異なるが、第1実施形態のフォースコンセントレータ9と同様の機能を有する。
上部検出電極51および下部検出電極31の材料および形成方法としては、第1実施形態の上部検出電極5および下部検出電極3と同様のものを用いることができる。
第1上部検出電極51aと第2上部検出電極51bの間に介在する絶縁層7の材料および形成方法としては、第1実施形態の絶縁層6と同様のものを用いることができる。
その他の構成については、第1実施形態と同様であるから説明を省略する。
また、第1実施形態の各変化例についても、第2実施形態に適用できる。ただし、変化例4および変化例6については、第2実施形態の上部検出電極51が互いに交差する上部検出電極51および下部検出電極31の2層構成であるため、フォースコンセントレータ97の通気口95の形状が第1実施形態とは少し異なる。
すなわち、第1実施形態の変化例4および変化例6に対応する第2実施形態の変化例において、ベース部又はカバー部に設けられた通気口95の形状は、例えば、平面視格子状パターンの凸部で囲まれた碁盤目状の各空気層94上を、縦横の串を差すように設けられた、格子状パターンの穴(図12(a)参照)とすることができる。また、平面視格子状パターンの凸部で囲まれた碁盤目状の各空気層94上を、碁盤目毎に設けられる、正円(図12(b)参照)や正三角形,正四角形(正方形),正五角形,正六角形などの正多角形であってもよい。また、これらの組合せであってもよい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の実施形態および変形例は必要に応じて任意に組み合せ可能である。
1 せん断力センサシート
2 支持基板
3,31 下部検出電極
3a,31a 隙間
4 弾性体
5,51 上部検出電極
51a 第1上部検出電極
51b 第2上部検出電極
6,7,10 絶縁層
8 シールド電極
9,91,92,93,96,97 フォースコンセントレータ
9a,91a,92a,93a 96a 凸部
9b,92b,93b 96b ベース部
92c,93d カバー部
94 空気層
95 通気口
A1 感圧領域
A2 配線領域

Claims (12)

  1. 支持基板と、
    前記支持基板上の感圧領域に複数に分割して形成された下部検出電極と、
    前記支持基板上の前記下部検出電極が形成された面に全面的に形成された弾性体と、
    前記弾性体上の前記感圧領域に複数の帯状電極として形成され、スライド移動により前記下部検出電極との重複面積が変化する上部検出電極と、
    前記弾性体上の前記上部検出電極が形成された面に全面的に形成された絶縁層と、
    前記絶縁層上に形成され、前記上部検出電極に対応して形成された凸部を少なくとも有するフォースコンセントレータと、を備え
    前記フォースコンセントレータが、シート状のベース部上に前記凸部を一体的に有するものであり、前記フォースコンセントレータの前記ベース部側を下側にして配置された、せん断力センサシート。
  2. 支持基板と、
    前記支持基板上の感圧領域に複数に分割して形成された下部検出電極と、
    前記支持基板上の前記下部検出電極が形成された面に全面的に形成された弾性体と、
    前記弾性体上の前記感圧領域に複数の帯状電極として形成され、スライド移動により前記下部検出電極との重複面積が変化する上部検出電極と、
    前記弾性体上の前記上部検出電極が形成された面に全面的に形成された絶縁層と、
    前記絶縁層上に形成され、前記上部検出電極に対応して形成された凸部を少なくとも有するフォースコンセントレータと、を備え、
    前記フォースコンセントレータが、シート状のベース部上に前記凸部を一体的に有するものであり、前記フォースコンセントレータの前記凸部側を下側にして配置し、前記ベース部下の前記凸部を除く領域に空気層が形成された、せん断力センサシート。
  3. 前記ベース部が、前記空気層上に通気口を有する、請求項2に記載のせん断力センサシート。
  4. 支持基板と、
    前記支持基板上の感圧領域に複数に分割して形成された下部検出電極と、
    前記支持基板上の前記下部検出電極が形成された面に全面的に形成された弾性体と、
    前記弾性体上の前記感圧領域に複数の帯状電極として形成され、スライド移動により前記下部検出電極との重複面積が変化する上部検出電極と、
    前記弾性体上の前記上部検出電極が形成された面に全面的に形成された絶縁層と、
    前記絶縁層上に形成され、前記上部検出電極に対応して形成された凸部を少なくとも有するフォースコンセントレータと、を備え、
    前記フォースコンセントレータが、シート状のベース部上に前記凸部を一体的に有し、前記ベース部の前記凸部を有する面と対向するシート状のカバー部を前記凸部と一体的に有し、前記ベース部と前面の前記カバー部との間の前記凸部を除く領域に空気層が形成された、せん断力センサシート。
  5. 前記カバー部が、前記空気層上に通気口を有する、請求項4に記載のせん断力センサシート。
  6. 前記フォースコンセントレータの前記凸部が、前記上部検出電極の前記帯状電極よりも狭幅である、請求項1、2および4のいずれかに記載のせん断力センサシート。
  7. 支持基板と、
    前記支持基板上の感圧領域に複数に分割して形成された下部検出電極と、
    前記支持基板上の前記下部検出電極が形成された面に全面的に形成された弾性体と、
    前記弾性体上の前記感圧領域に複数の帯状電極として形成され、スライド移動により前記下部検出電極との重複面積が変化する上部検出電極と、
    前記弾性体上の前記上部検出電極が形成された面に全面的に形成された絶縁層と、
    前記絶縁層上に形成され、前記上部検出電極に対応して形成された凸部を少なくとも有するフォースコンセントレータと、を備え、
    前記フォースコンセントレータが、前記凸部のみから成り、前記上部検出電極の前記帯状電極よりも狭幅である、せん断力センサシート。
  8. 前記下部検出電極が、複数の帯状電極として形成されている、請求項1、2、4および7のいずれかに記載のせん断力センサシート。
  9. 前記フォースコンセントレータが、弾性率100MPa以下の材料で構成されている、請求項1、2、4および7のいずれかに記載のせん断力センサシート。
  10. 前記上部検出電極が、1層構成であり、前記帯状電極の各々が一方向に沿って並列している、請求項1、2、4および7のいずれかに記載のせん断力センサシート。
  11. 前記弾性体が、ゲル材料で構成されている、請求項1、2、4および7のいずれかに記載のせん断力センサシート。
  12. 前記上部検出電極が、2層構成であり、第1層の前記帯状電極の各々が一方向に沿って並列し、第2層の前記帯状電極の各々が第1層の前記帯状電極と交差する方向に沿って並列し、これら2層を合わせて格子状パターンを成すものであり、
    前記下部検出電極が、敷き詰められて配置された多数の島状電極からなり、その隙間によって格子状パターンを成すものであり、
    前記下部検出電極の前記隙間及び前記隙間の両側と重複するように、前記上部検出電極が配置されており、
    さらに前記上部検出電極の2層間に介在する別の絶縁層を備える、請求項1、2、4および7のいずれかに記載のせん断力センサシート。
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