JP7690472B2

JP7690472B2 - ピエゾ抵抗型力センサ

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Publication number: JP7690472B2
Application number: JP2022531039A
Authority: JP
Inventors: ホフマン、パウル; キム、ザーラ
Original assignee: ドイチェインスティチュートフュルテクスティールントファザーフォルシュングデンケンドルフ
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2025-06-10
Anticipated expiration: 2040-11-13
Also published as: EP4066090A1; JP2023503489A; DE102019132028B3; WO2021104899A1; US20220412818A1

Description

本発明は、繊維材料のピエゾ抵抗型抵抗層を備えるピエゾ抵抗型力センサに関する。

ＵＳ２００７／００５４５７７Ａ１は、圧力センサの構成に用いることができる織布又は不織布の形態の電気伝導性繊維材料を記載している。この繊維材料は、活性化のために、及び導電層の塗布のための使い勝手を良くするために前処理される。次に、導電性コーティングは、繊維材料上に１層ごとに塗布される。

このような方法では、導電性繊維材料の電気抵抗の導電率を制御することは困難である。溶液によるコーティングの間、溶液中の導電性粒子の割合が頻繁に変化し、そのため繊維材料の部分の塗布のコーティングの間、広い揮発が発生し、使用不可能な導電性繊維材料の割合の高い部分が形成され得る。

繊維材料における導電性繊維及びその使用は知られている。例えば、ＵＳ２,８４５,９６２は、環境中の相対湿度に関係なく帯電防止繊維材料を使用できるようにするために、導電性カーボンを含む、単位面積当たりの抵抗が比較的高い帯電防止繊維を記載している。

ＥＰ１９６１８４５Ａ２は、溶融紡糸を開示しており、カーボンブラック又はグラファイト粒子は、糸の長手方向軸に沿って導電性経路を形成するために、糸の長手方向軸に沿ってを凝集体を形成する。

ＵＳ５,３６８,９１３Ａは、帯電防止スパンボンド不織布及びその製造方法を記載している。それによって、複数の導電性カーボンフィラメント及び金属フィラメントが、不織布の製造中に非導電性不織布材料中に配置される。

複数の層を有する帯電防止ラミネートは、ＵＳ４,５４０,６２４Ａから知られている。最上層には、放熱のために炭素繊維が配置されている。

ＵＳ６,３４６,４９１Ｂ１は、織布、編布、又は不織布のニードルフェルトを開示している。異なる層において、ニードルフェルトは異なる導電率を含み、導電率は、繊維密度、繊維径、及び繊維の導電率によって調整される。ニードルフェルトによって、様々な用途において、電磁波の干渉を除去又は低減することができる。同様の目的の繊維が、例えば、ＵＳ４,６８４,７６２Ａ、ＵＳ４,９４３,４７７Ａ及びＣＮ１０１７４８５９９Ｂから公知である。

帯電防止衣服は、ＵＳ３,６９９,５９０Ａに記載されている。ＲＦＩＤラベルで使用するための金属材料の導体糸を備えたニット糸構造は、ＷＯ２００８／０９８３８６Ａ１に記載されている。

ＥＰ１７１６０８５Ｂ１は、ガラス繊維用の導電性コーティング組成物、及び浸漬浴中におけるその製造を開示している。

更に、織物担体が導電性糸と組み合わされた複合糸を、例えば、巻く、撚りかける、撚る、又は紡糸することは、多数の文献から知られている。このような複合糸は、例えば、以下の文献に記載されている：ＵＳ４,７７６,１６０Ａ、ＵＳ４,８１３,２１９Ａ、ＵＳ５,９２７,０６０Ａ、ＥＰ１８８５９２５Ｂ１、ＥＰ３４８４７３０Ａ１、ＥＰ２３００６４９Ａ１、ＵＳ７,１３５,２２７Ｂ２、ＤＥ２０２００６０２０４０１Ｕ１、ＷＯ２００４／０２７１３２Ａ１、ＤＥ１８１７２３５Ａ、ＥＰ０２５０２６０Ｂ１、ＵＳ３,８５１,４５６Ａ、ＫＲ１００８９５０９２Ｂｌ、又はＥＰ２２３６６５４Ｂｌ。

特に高い導電率を得るために、ＷＯ２００３／０９５７２４Ａ１及びＥＰ１３６２９４０Ａ１は、高い導電率を有するコーティングを有するステンレス鋼繊維用の金属繊維の糸を提供することを提案している。ＵＳ７８４５１５３Ｂ２は、例えば、情報通信における糸の使用のために、金属フィラメントから導電性糸を製造するための方法を開示している。

導体や簡易スイッチは、例えば、ＪＰ２０１１１３７２７７Ａ、又はＫＲ１０２０１９０３７７２１Ａに記載されているように、高い導電率を有する刺しゅう糸によって実現することができる。

導電性繊維の分野では、更なる文献群は、導電性フィラーを含むポリマー繊維及びそのようなポリマー繊維の製造方法について言及している。例として、以下の文献がある。ＵＳ２００５／０１７０１７７Ａ１、ＵＳ４,４５７,９７３Ａ、ＵＳ４,２１６,２６４Ａ、ＤＥ２３２９４８４Ｂ２、ＵＳ５,９５２,０９９Ａ、ＥＰ０３４３４９６Ｂ１、ＵＳ４,７０４,３１１Ａ、ＵＳ５,２６０,０１３Ａ、ＵＳ５,２７７,８５５Ａ、ＵＳ４,５４５,８３５Ａ、ＵＳ４,１２９,６７７Ａ、ＵＳ４,９９７,７１２Ａ、ＵＳ５,９１６,５０６Ａ、ＤＥ２２５１０７１Ｂ２、ＵＳ４,０４５,９４９Ａ、ＵＳ４,７５６,９６９Ａ、ＵＳ５,２６２,２３４Ａ、及びＵＳ４,２６７,２３３Ａ。

ＵＳ３,２０６,９２３Ａは、ビスコースとの複合糸を浸漬浴中に案内することを提案しており、浸漬浴はカーボンブラック粒子を含む。このビスコースは、カーボンブラック粒子を吸収する。

従来技術から出発して、本発明の課題は、力センサを作成することである。力センサは、力センサ効果の散乱がほとんどなく、簡単かつ安価に製造できる構成を有し、特に大きな力だけでなく小さな力にも対応できるように構成することができる。

この課題は、請求項１の特徴を有する力センサによって解決される。請求項１５には、力センサの製造方法が示されている。

本発明のピエゾ抵抗型力センサは、弾性変形可能な抵抗層を有する。この抵抗層は、第１外面と、第１外面の反対側にある第２外面とを有する。２つの外面は、力センサが外部から２つの外面の間に加わる力、特に圧縮力を検出できる方向に距離を置いて配置されている。抵抗層は、導電性の第１ステープル繊維と非導電性の第２ステープル繊維とが空間的に分散されて配置された混合物を有する。好ましくは、抵抗層は、第１及び第２のステープル繊維の混合物のみからなる。他の成分は除外することができる。

抵抗体層において、少なくとも一部又は多数の第１ステープル繊維は、１又は複数のさらなる第１ステープル繊維に対してそれぞれ当接し、互いに当接しているこれらの第１ステープル繊維の間に導電性接点が形成されるようにする。この結果、１つ又は複数の平行な導電接続が、第１外面と第２外面との間に生成されるか、又は少なくとも外力が加えられている間に生成される。第１ステープル繊維が互いに当接することによって生成される導電接続の数及び／又は配置及び／又は導電率は、加えられる力の量及び方向に応じて変化することができる。

好ましくは、混合物の観察される体積部分において、第１ステープル繊維の密度、及び／又は第２ステープル繊維の密度は、実質的に一定であるか、又は予め定められた許容範囲内にあるように、第１及び第２のステープル繊維の混合物は実質的に均質である。混合物全体内で観察された同じ大きさの体積部分間の第１ステープル繊維及び／又は第２ステープル繊維の密度の偏差は、好ましくは５％以下、又は１０％以下とずれる。密度の偏差が所定の許容範囲内にある場合、本願では、混合物は均質な混合物とみなされる。観察された体積部分は、例えば、最小１ｍｍ^３及び／又は最大１ｃｍ^３の大きさを有することができる。均一性の観点から個別に観察される抵抗層の各体積部分は、最小１ｍｍ^２及び／又は最大１ｃｍ^２のサイズの領域によって定義することができ、抵抗層を介して第１外面と第２外面との間でこの領域に直交して延びることができる。

第１及び第２のステープル繊維の混合物は、不織布の形態で抵抗層を形成することができる。代替的に又は追加的に、１つ又は複数のステープル繊維糸は、第１ステープル繊維及び第２ステープル繊維から製造することができ、スクリム、及び／又は編物、及び／又はタテ編生地、及び／又は織物として抵抗層に存在してもよい。代替的又は追加的に、１つ又は複数のステープル繊維撚糸は、上記のステープル繊維糸から製造することができ、スクリム、及び／又は編物、及び／又はタテ編生地として抵抗層に存在させることができる。

ステープル繊維糸は、リングヤーン、ローターヤーン、フリクションヤーン又はエアジェットヤーンであってもよい。抵抗層は、上記糸の任意の組み合わせを含むことができる。上記ステープル繊維糸の任意の組み合わせから、撚糸又は巻糸は、形成することができ、抵抗層は少なくとも１つの撚糸又は巻糸を含むことができる。撚糸又は巻糸の部分、及び／又は組成物、及び／又は構成要素は、非導電性であってもよい。例えば、撚糸は、１つ又は複数の非導電性糸を含むことができる。

ピエゾ抵抗型力センサは、導電性の第１電極及び導電性の第２電極を有する。各電極は、第１外面又は第２外面に間接的に又は直接的に配置されている。これにより、第１電極から抵抗層を介した第２電極に、又はその逆に導電経路が設けられる。この導電経路のオーム抵抗の抵抗値は、ピエゾ抵抗型力センサに加えられる外力に依存する。この力は、例えば、第１外面と第２外面との間の距離が変化するように抵抗層が弾性変形することによる、圧縮力又は引張力であってもよい。この外力は、２つの外面を遠ざけたり、又は近づけるように促す力成分（例えば、空間ベクトルのベクトル成分）を含むことができる。例えば、検出された力は、ピエゾ抵抗型力センサ上の平面に直交又は平行に加わる少なくとも１つの力成分であり、平面は、２つの外面に実質的に平行に配向している。

本願明細書において、抵抗が言及される場合、特に明記しない限り、オーム抵抗を常に意味する。

導電性の第１ステープル繊維及び非導電性の第２ステープル繊維から弾性変形可能な抵抗層を備える力センサの構成により、導電経路の所望の抵抗値は、容易かつ安価に調整することができる。第１及び第２のステープル繊維の全体に対する導電性の第１ステープル繊維の割合を変更することにより、測定する力の範囲に応じた抵抗値の調整を行うことができる。加えられる外力の量が小さいほど、第１及び第２のステープル繊維の全量に対する第１ステープル繊維の割合は高くなる。

ステープル繊維は、市場で入手可能市であり、簡単かつ安価で購入することができる。ステープル繊維は、不織布、糸、練糸などを形成するように加工することができ、それによって、抵抗層は、不織布、及び／又は少なくとも１つのステープル維糸から形成することが可能である。例えば、１つ又は複数のステープル繊維糸は、織り、編み、縦編みなどによって互いに連結することができ、抵抗層の構成要素とすることができ、又は抵抗層を形成することができる。

好ましくは、第１及び第２のステープル繊維の全量のうち第１ステープル繊維の割合は、最低５％である。さらに好ましくは、第１及び第２ステープル繊維の全量のうちに第１ステープル繊維の割合は、１０％又は２０％を超える。

好ましい実施形態では、第１ステープル繊維及び／又は第２ステープル繊維は、少なくとも２０ｍｍの繊維長を有する。代替的又は追加的に、第１ステープル繊維及び／又は第２ステープル繊維は、最大で１００ｍｍの繊維長を有することができる。

実施形態において、第１ステープル繊維の平均繊維長及び／又は第２ステープル繊維の平均繊維長は、少なくとも２０ｍｍ及び／又は最大で１００ｍｍに達することができる。

抵抗層は、第１外面と第２外面との間に体積抵抗を有する。抵抗層内の接触抵抗は、互いに接触している第１ステープル繊維によって得られる互いに並列及び／又は直列に接続された接触抵抗によって形成されている。

導電経路の全抵抗が複数の抵抗の直列接続から形成されると、さらに有利である。直列接続は、好ましくは、第１電極と抵抗層との間の第１接触抵抗と、第２電極と抵抗層との間の第２接触抵抗と、弾性変形可能な抵抗層内の導電経路の体積抵抗とを含むか、又はこれらの前記抵抗からなる全抵抗からなる。外力が加わると、少なくとも抵抗層内の導電経路の体積抵抗が変化し、任意選択で又は好ましくは、第１接触抵抗及び／又は第２接触抵抗も変化する。これにより、力センサの感度は向上することができる。

好ましい実施形態では、力センサに外力が加えられない場合、導電経路の全抵抗は、最大で１０００ＭΩに達する。追加的又は代替的に、力が力センサに加わる場合、導電経路の全抵抗の値は最小で１ｋΩに達することができる。力センサに外力が加えられない場合の全抵抗値の最大値は、第１及び第２のステープル繊維の部分全体に対する第１のステープル繊維の部分によって、１ｋΩ～１０００ｍΩの間で調整することができると、有利である。

導電経路の全抵抗の値が、定義された相関関係に従って力センサに加える外力の量に応じて変化すると、有利である。この相関関係は、少なくとも、第１及び第２のステープル繊維の全量のうち第１ステープル繊維の割合によっても定義される。好ましくは、この相関関係は、非線形であるが、例えば、指数関数的である。

この相関関係は、少なくとも繊維タイプ及び／又は第１ステープル繊維の導電率によっても定義される。例えば、第１ステープル繊維の繊維タイプ及び／又は導電率、特に最大抵抗値及び／又は最小抵抗値及び／又は全抵抗の抵抗値と外力との間の非線形相関関係の勾配によって、力センサの動作範囲を調整することができる。

最大抵抗値から始まって外力の量が増加するにつれて、導電経路の抵抗値が減少すると、有利である。好ましくは、抵抗値は、少なくとも最大許容外力までの範囲において、力の増加に伴って最小抵抗値に漸近的に近づくことができる。力センサの動作範囲は、全抵抗のうちの最小抵抗値から始まって、全抵抗のうちの抵抗値と外力と間の非線形相関関係の傾きの量が閾値を超える、全抵抗のうちの抵抗値までの範囲であることが好ましい。

有利な実施形態では、第１ステープル繊維は、複数の成分を含み、その少なくとも１つの成分は導電性である。例えば、第１ステープル繊維は、導電性フィラーを含むポリマーを含有することができる。第１ステープル繊維は、例えば、二成分繊維として構成することができる。実施形態において、二成分繊維は、コアと外層とを含むことができる。外層は、コアを完全に又は部分的に覆うことができる。外層は、導電性材料、特に導電性フィラー、好ましくは導電性カーボン（例えば、いわゆるカーボンブラック）を含む。二成分繊維のコアは、弾性変形可能であってもよく、発生する力に対して塑性的でなく、かつ弾性変形可能でなくてもよい。コアは、好ましくは非導電性である。二成分繊維は、他の成分を含むことができる。二成分繊維の代わりに、第１ステープル繊維は、例えば、導電性フィラーを含むポリマーからなり、その後に塗布された導電性コーティングを有するコアを含むなど、異なる構成を有することもできる。

力センサ、特に上記で説明した実施形態の１つによる力センサの製造については、以下のように進めることができる。

まず、導電性の第１ステープル繊維及び非導電性の第２ステープル繊維を準備される。次に、第１及び第２のステープル繊維は、互いに混合されて、好ましくは第１及び第２のステープル繊維の均一な分散が混合物中に存在するように、混合物を形成する。第１及び第２のステープル繊維を混合するために、カーディングのような方法を用いることができる。

次に、この混合物を用いて、弾性変形可能な抵抗層を形成する。このために、混合物をフェルト化することができ、又は混合物から１本のステープル繊維糸、又は複数の繊維糸からなる撚糸を作成することができる。抵抗層は、不織布及び／又は少なくとも１本のステープル繊維糸及び／又は複数のステープル繊維糸からなる少なくとも１本の撚糸を含むことができる。ステープル繊維糸、又は撚糸又は巻糸は、製織及び/又は編み及び/又はタテ編等の方法により互いに連結することができる。不織布は、例えば、フェルティングニードル及び／又はウォータージェットを用いて、第１及び第２のステープル繊維を固化させることによって製造することができる。固化は、化学物質の添加下での熱を加えることによって、追加的又は代替的に、実施することもできる。

抵抗層には、第１及び第２の外面が存在する。導電性の第１電極及び導電性の第２電極は、それぞれ一方の外面に取り付けられている。これにより、第１電極から抵抗層を介して第２電極へと、又はその逆への導電経路が形成される。製造された力センサのこの導電経路の抵抗値は、２つの外面の間の引張又は圧縮の態様で加えられる外力に依存する。

本発明の有利な改良は、従属請求項、説明及び図面から導き出される。以下では、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。図面には、以下のものが示されている。

図１は、第１電極、第２電極、及び弾性変形可能な抵抗層、並びに導電経路のオーム抵抗の等価回路を備えた力センサの概略ブロック図の説明図である。図２は、第１電極、第２電極、及び弾性変形可能な抵抗層、並びに導電経路のオーム抵抗の等価回路を備えた力センサの概略ブロック図の説明図である。図３は、それぞれ、第１ステープル繊維及び第２ステープル繊維の抵抗層の構成、並びに関連する電気的等価回路図の原理の概略図、及び関連する電気的等価回路図である。図４は、それぞれ、第１ステープル繊維及び第２ステープル繊維の抵抗層の構成、並びに関連する電気的等価回路図の原理の概略図、及び関連する電気的等価回路図である。図５は、それぞれ、第１ステープル繊維及び第２ステープル繊維の抵抗層の構成、並びに関連する電気的等価回路図の原理の概略図、及び関連する電気的等価回路図である。図６は、例示的な二成分繊維の形態の第１ステープル繊維の実施形態の一部における概略図である。図７は、外力が加えられていない場合の力センサの原理の概略図を示している。図８は、外力が加えられている場合の図７の力センサを示している。図９は、導電率と抵抗層内の第１ステープル繊維の部分との相関関係を示す図を示している。図１０は、第１ステープル繊維の異なる部分に加えられた外力に依存する力センサを通る導電経路の抵抗値の間の相関関係を示す図である。

図１には、力センサ１５と、回路１６への接続のブロック図が示されている。力センサ１５は、弾性変形可能な抵抗層１７を備える。抵抗層１７は、第１外面１８と、第１外面１８とは反対を向いている反対側の第２外面１９とを有する。二つの外面１８，１９は、力測定方向Ｍに互いに反対の距離を置いて配置されている。この例では、力測定方向Ｍは、外面１８,１９に平行に配向された平面に対して略直交するように配向されている。代替的又は追加的に、力センサ１０は、この平面に平行に配向された力成分の力を検出することができる。力センサ１０は、圧力センサ及び／又は張力センサ及び／又は歪みセンサとすることができる。基本的に、抵抗層１７を弾性変形させ、特に外面１８、１９間の距離を変化させる力又は力成分を測定することができる。

力センサ１５は、加えて、第１電極２０及び第２電極２１を有する。２つの電極２０、２１は、力センサの抵抗層１７を介して間接的に互いに機械的及び電気的に接続されている。２つの電極２０、２１の間に直接の電気的接続は存在しない。したがって、電流は、抵抗層１７を介してのみ電極２０、２１の間で流れることができる。

図１の実施形態では、第１電極２０は第１外面１８に取り付けられ、第２電極２１は第２外面１９に取り付けられている。力測定方向Ｍに垂直な平面内の電極２０、２１のサイズは、抵抗層１７の外面１８又は１９のサイズに適合させることができる。電極２０、２１は、力測定方向Ｍ（図２）に垂直な少なくとも１つの方向において、それらがそれぞれ取り付けられている抵抗層１７の外面１８又は１９よりも小さくすることができる。

図２に例示した実施形態から、電極２０、２１は、必ずしも抵抗層１７の反対側に配置される必要はないことは明らかである。むしろ、電極２０、２１は、抵抗層１７の第１外面１８に、又は説明したように第２外面１９に一緒に取り付けることもできる。

抵抗層１７は導電性であり、２つの電極２０、２１の導電率よりも低い導電率を有する。電極２０、２１は、例えば、金属含有材料から作製することができる。取り付けのために、電極２０、２１は、例えば、導電性接着剤ボンドによって、抵抗層１７に取り付けることができる。

図３～図５を参照して、抵抗層１７の構成について説明する。抵抗層１７は、導電性の第１ステープル繊維２５と非導電性の第２ステープル繊維２６との混合物を含む。図３～図５では、導電性の第１ステープル繊維２５は黒色で示され、非導電性の第２ステープル繊維２６は白色で示されている。第１ステープル繊維２５及び第２ステープル繊維２６は、抵抗層１７内に実質的に均一に分散している。実施形態によれば、これは、例えば、第１外面１８から第２外面１９まで力測定方向Ｍに延び、第１外面１８よりも小さく、かつ第２外面１９よりも小さい力測定方向Ｍに直交する断面を有する特定の最小サイズを有する各観察体積部分において、第２ステープル繊維２６の数に対する第１ステープル繊維２５の数の比は、実質的に等しいことを意味する。第１ステープル繊維２５及び／又は第２ステープル繊維２６の数の偏差、又は２つの観察体積部分の間の比率は、好ましくは最大５％又は最大１０％に達する。体積部分は、力測定方向Ｍにおいて一定の断面を有する。断面積は、特に、第１外面１８及び第２外面１９よりも小さい係数５又は７又は１０程度であることができる。

抵抗層１７において、多数の第１ステープル繊維２５は、常に、一つ又は複数のさらなる第１ステープル繊維２５に当接し、これらの当接している第１ステープル繊維２５の間に導電性接点が形成される。第１ステープル繊維２５の配置又は密度は、第１外面１８と第２外面１８との間に一つ又は複数の平行な導電性接続部位が形成されるようなものであり、又は少なくとも外力が加えられている間に形成され得る。したがって、可変の体積抵抗３７を有する第１ステープル繊維２５を介して、二つの外面１８、１９の間に導電性接続が存在する。抵抗層１７の体積抵抗３７は、等価回路（図３～図５）において、第１ステープル繊維２５が互いに接触していることによって形成される、互いに並列及び／又は直列に接続された個々の接触抵抗によって定義される。図３～図５は、第１ステープル繊維２５の異なる部分の原理を説明するための概略図にすぎず、２つの外面１８、１９の間の導電性接続を明示的に図示していない。

抵抗層１７内での均一な分散を達成することを目的として第１ステープル繊維２５と第２ステープル繊維２６の混合するために、ステープル繊維２５、２６は、例えば、カーディング又はカーディングによって分散及び配向させることができる。実施形態によればステープル繊維２５、２６の主な伸長方向は、例えば、力測定方向Ｍに対して直角であり、好ましくはそれに平行ではない。これは、第１及び第２のステープル繊維の５０％超又は７５％超又は９０％超が、力測定方向Ｍに直交する伸長成分よりも小さい力測定方向Ｍに平行な伸長成分を有することを意味する。

抵抗層１７は、図面に非常に概略的に示されている。それは、不織布及び／又は織布及び／又は編布及び／又はタテ編生地などとして構成することができる。例えば、抵抗層１７は、織物、編物又はタテ編によって互いに接続されるか、又は敷き布を形成する一つ又は複数のステープル繊維糸及び／又はステープル繊維撚糸を含むことができる。ステープル繊維糸は、リングヤーン、ローターヤーン、フリクションヤーン、ラップヤーン又はエアジェットヤーンとして実現することができる。

実施形態では、第２ステープル繊維２６は、プラスチック、好ましくはポリマーからなる。

第１ステープル繊維２５は、導電性材料、特にいわゆる「カーボンブラック」のような導電性カーボンを含む。第１ステープル繊維２５は、さらに一つ以上の非導電性成分を含むことができ、例えば、二成分繊維２７として構成することができる（図６）。この実施形態によれば、二成分繊維２７は、外層２９が全体的に又は部分的に塗布されているコア２８を有する。コア２８は、非導電性であり、弾性的に変形することができる材料、又は発生する力Ｆに対して弾性的に変形しない材料、例えば、ポリマーのようなプラスチックからなることができる。外層２９は、導電性成分、例えば導電性カーボンを含む。また、第１ステープル繊維２５の他の構成は、複数の構成成分を含むことが可能であり、少なくとも一つが導電性成分である。例えば、第１ステープル繊維は、導電性フィラーを含むポリマーを含むことができ、又はそれからなることができる。

実施形態では、第１ステープル繊維２５及び第２ステープル繊維２６は、２０～１００ｍｍの範囲の繊維長を有する。

図７において、力センサ１５は、外力Ｆを受けない初期位置又は静止位置に図示されている。互いに接触している抵抗層１７内の導電性の第１ステープル繊維２５により、導電経路が、抵抗層１７を介して第１電極２０と第２電極２１との間又はその逆に形成され、電流が流れることができる。力センサ１５（図８）に力Ｆが加えられると、この導電経路の抵抗値Ｒが変化する。力Ｆが第１外面１８と第２外面１９が初期状態と比較して互いに近づくように力センサ１５を圧縮する力であれば、導電経路の抵抗値Ｒは減少する。その逆で、圧縮力の代わりに２つの外面１８，１９の間に引張力が加わると、導電経路の抵抗値Ｒは増加することになる。

外力Ｆ、例えば圧縮力を測定するために、電圧又は電流源３３は、図１及び図２の回路１６が示すように、直列抵抗器３４を介して電極２０、２１に電気的に接続することができる。その際、第１電極２０と第２電極２１との間に、測定可能で、かつ導電経路の全抵抗３５の抵抗値に比例して変化する電圧Ｕが印加される。導電経路の全抵抗３５は、複数の抵抗の直列接続の実施形態において構成される：第１電極２０と抵抗層１７との間の第１接触抵抗３６、形成された導電経路に沿った抵抗層１７の内部の体積抵抗３７、及び抵抗層１７と第２電極２１との間の第２接触抵抗３８。したがって、全抵抗３５の抵抗値Ｒは、この直列接続の個々の抵抗値の合計に対応する。図１及び図２の等価回路に概略的に示されるように、直列接続の抵抗３６、３７、３８の全ては、加えられる力Ｆの量に応じて可変とすることができる。少なくとも、弾性変形可能な抵抗層１７の厚さ又は高さは、力が加えられている間に力測定方向Ｍに変化し、その結果、その体積抵抗３７は変化する。

導電経路の全抵抗３５の抵抗値Ｒは、力センサ１５の初期状態において、外力Ｆが加えられていない場合（図７）、例えば最大１０００ＭΩである。力センサ１５が構成され又は承認されている力センサ１５（図８）に最大外力Ｆが加えられている場合、導電経路の全抵抗３５の抵抗値Ｒは、好ましくは最小１ｋΩである。

第１ステープル繊維２５及び第２ステープル繊維２６の全量のうち第１ステープル繊維２５の割合Ａが変化し得ることは、図３～図５及び図９から、概略的に明らかである。ステープル繊維２５，２６の全量のうち第１ステープル繊維２５の割合Ａが高いほど、力測定方向Ｍにおける抵抗層１７の導電率σが高くなり、すなわち外面１８，１９と直交することが好ましい。第１ステープル繊維２５の割合Ａを変えることにより、抵抗層１７の所望の導電率σを達成することができる。これにより、力センサ１５は、例えば、測定される外力Ｆの量が可能な範囲に応じて十分な感度を調整するために、異なる用途に適合させることができる。加えられる力Ｆの量の範囲が非常に小さい場合、第１ステープル繊維２５の割合Ａを増加させることによって、センサの初期状態における抵抗層１７の導電率σを増加させることが合理的であり得、これは、小さな力Ｆの場合の変化に対する感度を向上させる。大きい力Ｆが測定される場合、第１ステープル繊維２５の割合Ａをより小さく選択することができる。

図３～図５では、第１ステープル繊維２５の異なる割合Ａを有する抵抗層１７が概略的に示されている。割合Ａは図３で最も高く、図５で最も低い。第１ステープル繊維２５の割合Ａが高いほど、導電経路に沿って抵抗層１７内に体積抵抗３７を形成する等価回路内に、より並列に接続された個々の抵抗が存在する。これは、外力Ｆが加えられていない力センサ１５の初期状態では、抵抗層１７内の体積抵抗３７が低く、第１ステープル繊維２５の割合Ａが高いことを意味する。この相関関係は、抵抗層１７内の体積抵抗３７の等価回路を例示することによってのみ概略的に示される。

加えられる力Ｆ、例えば圧縮力の量と、導電経路の全抵抗３５の抵抗値Ｒとの相関関係を、第１曲線Ｋ１及び第２曲線Ｋ２に基づいて図１０に例示する。相関関係は非線形である。加えられる力Ｆがゼロに等しい場合、力センサ１５は、その初期条件において、同様に第１ステープル繊維２５の割合Ａに依存する最大値Ｒｍａｘを有する。曲線Ｋ１，Ｋ２の勾配は、より大きな力の範囲よりも小さな力の範囲で高くなります。曲線Ｋ１，Ｋ２は指数関数的な進行を有することができ、抵抗値Ｒの最小値Ｒｍｉｎまで圧縮力の増加とともに漸近的に近づくことができる。

図１０の第１曲線Ｋ１は、第１ステープル繊維２５の第１割合Ａ１の場合の加えられる圧縮力（力Ｆ）と抵抗値Ｒとの相関関係を示し、曲線Ｋ２は、第１ステープル繊維２５の第２割合Ａ２の場合の相関関係を示す。第２割合Ａ２は、第１割合Ａ１よりも高い。外力Ｆが加えられない場合、抵抗値Ｒは最大値Ｒｍａｘを有し、その量は第１ステープル繊維２５の割合Ａに依存する。このように、用途に適合した力センサ１５の好適な力抵抗特性は、第１ステープル繊維２５の割合Ａを変えることによって達成することができる。

一般に、加えられる力Ｆの量と導電経路の全抵抗３５の抵抗値Ｒとの相関関係は、以下のパラメータによって具体的に影響又は調整され得る:
第１及び第１のステープル短繊維（２６）の全量のうち、第１ステープル繊維（２５）の割合（Ａ）及び/又は
第１ステープル繊維（２５）の繊維タイプ及び／又は
第１ステープル繊維（２５）の導電率。
１つ又は複数の示されたパラメータによって、例えば、力Ｆの測定範囲、及び／又は最小抵抗値Ｒｍｉｎ及び／又は最大抵抗値Ｒｍａｘ及び／又は最小抵抗値Ｒｍｉｎと最大抵抗値Ｒｍａｘとの差分量に影響を与え又は調整することが可能である。

本発明は、特に圧力センサとして構成され、力測定方向Ｍにおいて力センサ１５に加えられる力Ｆの量に依存するセンサ信号を生成することができるピエゾ抵抗型力センサ１５に関する。力センサ１５は、第１電極２０、第２電極２１及び２つの電極２０，２１を電気的に接続する弾性変形可能な抵抗層１７を備える。抵抗層１７を介して第１電極２０から第２電極２１までの導電経路の全抵抗３５の抵抗値Ｒは、加えられる力Ｆの量に依存して変化する。それ故、例えば電極２０，２１間の電圧Ｕや導電経路に沿って流れる電流を測定することによって、加えられる力Ｆの量を特徴付けるセンサ信号を検出することができる。抵抗層１７は、導電性の第１ステープル繊維２５と、非導電性の第２ステープル繊維２６とを含む。力センサ１５の力と抵抗との特性をそれぞれの用途に適合させるために、ステープル繊維２５，２６の全量のうち第１ステープル繊維２５の割合Ａは、変化させることができる。

１５力センサ
１６回路
１７抵抗層
１８第１外面
１９第２外面
２０第１電極
２１第２電極
２５第１ステープル繊維
２６第２ステープル繊維
２７二成分繊維
２８コア
２９外層
３３電圧又は電流源
３４直列抵抗
３５導電経路の全抵抗
３６第１接触抵抗
３７抵抗層内の導電経路の体積抵抗
３８第２接触抵抗
Ａ割合
Ｆ力
Ｋｌ第１曲線
Ｋ２第２曲線
Ｍ力測定方向
Ｒ全抵抗の抵抗値
Ｒｍａｘ全抵抗のうちの最大抵抗値
Ｒｍｉｎ全抵抗のうちの最小抵抗値
Ｕ電圧

Claims

第１外面（１８）と前記第１外面（１８）の反対側の第２外面（１９）とを有し、分散された導電性の第１ステープル繊維（２５）及び非導電性の第２ステープル繊維（２６）の混合物を含む弾性変形可能な抵抗層（１７）と、
導電性の第１電極（２０）及び導電性の第２電極（２１）とを備え、
各電極（２０，２１）が、前記第１電極（２０）から前記抵抗層（１７）を介して前記第２電極（２１）に導電経路が形成されるように、前記第１外面（１８）又は前記第２外面（１９）に配置されており、
前記導電経路の抵抗の抵抗値（Ｒ）が、前記第１外面（１８）と前記第２外面（１９）との間に加わる外力（Ｆ）の量に依存する、ピエゾ抵抗型力センサ（１５）。
前記第１ステープル繊維（２５）及び前記第２ステープル繊維（２６）が、前記抵抗層（１７）中において、実質的に均一に分散していることを特徴とする請求項１に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
前記第１ステープル繊維（２５）及び前記第２ステープル繊維（２６）の全量のうちの前記第１ステープル繊維（２５）の割合（Ａ）が、最小５％又は最小１０％に達することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
前記第１ステープル繊維（２５）及び前記第２ステープル繊維（２６）の全量のうちの前記第１ステープル繊維（２５）の割合（Ａ）が、２０％より高いことを特徴とする請求項３に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
前記第１ステープル繊維（２５）及び／又は前記第２ステープル繊維（２６）が、２０～１００ｍｍの繊維長を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
前記抵抗層（１７）が、互いに接触している２つの第１ステープル繊維（２５）間の各接触部位に形成され、互いに並列及び／又は直列に接続された個々の接触抵抗によって生じる、外力（Ｆ）に依存する体積抵抗（３７）を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
前記導電経路の全抵抗（３５）が、前記第１電極（２０）と前記抵抗層（１７）との間の第１接触抵抗（３６）、前記抵抗層（１７）内の前記導電経路の体積抵抗（３７）、及び前記抵抗層（１７）と前記第２電極（２１）との間の第２接触抵抗（３８）の直列接続によって形成されていることを特徴とする請求項６に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
前記力センサ（１５）に外力（Ｆ）が加えられていない場合、前記導電経路の全抵抗（３５）の抵抗値（Ｒ）が最大１０００ＭΩに達することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
前記力センサ（１５）に外力（Ｆ）を加えた場合、前記導電経路の全抵抗（３５）の抵抗値（Ｒ）が最小１ｋΩに達することを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
相関関係（Ｋ１、Ｋ２）が、第１及び第２ステープル繊維（２６）の全量のうち第１ステープル繊維（２５）の割合（Ａ）、及び／又は第１ステープル繊維（２５）の繊維タイプ、及び／又は前記第１ステープル繊維（２５）の導電率によって定義され、
前記相関関係は、前記力センサ（１５）に加える外力（Ｆ）の量に応じた前記導電経路の全抵抗（３５）の抵抗値（Ｒ）の変化を特徴付けていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
前記相関関係（Ｋ１、Ｋ２）が非線形であることを特徴とする請求項１０に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
最大抵抗値（Ｒｍａｘ）から始まって抵抗値（Ｒ）が減少し、前記外力（Ｆ）の量が増加するにつれて最小抵抗値（Ｒｍｉｎ）に漸近的に近づくことを特徴とする、請求項１０又は請求項１１に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
前記第１ステープル繊維（２５）が二成分繊維（２７）であることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
前記抵抗層（１７）が、第１ステープル繊維（２５）及び第２ステープル繊維（２６）を含む少なくとも１つのステープル繊維糸を含むことを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
前記少なくとも１つのステープル繊維糸は、スクリム、及び／又は織物、及び/又はタテ編生地を形成する請求項１４に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
前記抵抗層（１７）が、前記第１ステープル繊維（２５）及び前記第２ステープル繊維（２６）を含む不織布を含むことを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のピエゾ抵抗型力センサ。
以下のステップを含む力センサの製造方法：
導電性の第１ステープル繊維（２５）と非導電性の第２ステープル繊維（２６）を準備すること、
前記第１ステープル繊維（２５）及び前記第２ステープル繊維（２６）を混合して、前記第１ステープル繊維（２５）及び前記第２ステープル繊維（２６）が分散した混合物を形成すること、
第１外面（１８）と、前記第１外面（１８）の反対側にある第２外面（１９）とを有する弾性変形可能な抵抗層（１７）を前記混合物から形成すること、および
導電性の第１電極（２０）から前記抵抗層（１７）を介して導電性の第２電極（２０）へと導電経路が形成されるように、前記導電性の第１電極（２０）を前記第１外面（１８）又は前記第２外面（１９）に取り付け、前記導電性の第２電極（２１）を前記第１外面（１８）又は前記第２外面（１９）に取り付けること、ここで、導電経路の全抵抗（３５）の抵抗値（Ｒ）は、前記第１外面（１８）と前記第２外面（１９）との間に加わる外力（Ｆ）に依存する。