JPH07209101A - 変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】本発明は、複数個の変換器が互いに直列及び並
列に接続されている圧力感知変換器に関する。１の実施
例において、抵抗層は、ポリエステルフィルム上にカー
ボン又はシルバーインクから形成されている。抵抗層よ
り大きい導電率を有する複数の導電性短絡素子が、第２
のポリエステルフィルム上に形成されている。これらの
フィルムは、短絡素子が抵抗層に接触するように互いに
隣接して配置されている。電圧又は圧力が抵抗層に加え
られる。圧力が増加すると、短絡素子の接点を通じて生
じる電流経路の数は増加する。それによって、抵抗層に
おける抵抗は減少し、電流の流れが増加する。他の実施
例においては、複数の板状素子は、誘電体層の一方の側
の面に含まれている。複数の板状素子は、誘電体層の他
方の側の面に含まれている。 【効果】安定的かつ反復性のある反応をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エネルギーの第１次形
態のレベルを感知し、それをエネルギーの第２次形態に
おける対応するレベルに変換する変換器に関する。

【０００２】

【従来例】圧力のような所定の現象を測定する場合、即
ち圧力変動を関連する電気抵抗の変化に変換する変換器
で測定する場合、そのような変換がスムーズかつ反復可
能に行われることが望ましい。また、圧力制御あるいは
プロセスセンサのような多くの応用形態においては、変
換器が直線的に反応することが望ましい。

【０００３】しかしながら、従来の変換器は、多くの本
質的な問題を有しており、そのためそれらの問題を解消
すべくいくつかの方法が開発された。例えば、ノイズを
除去し、一定時間にわたって変動する信号を平均化し、
かつ変換器の反応を直線的にするための電気回路が用い
られた。これらの電気回路は、制約が多いばかりか、変
換器及び関連する補償回路の合成された反応に損失を加
えるものであった。

【０００４】米国特許第４，３１４，２２７号は、変換
器に加えられる圧力の増加に応じて抵抗が減少する電子
圧力感知変換器について開示している。この変換器で
は、２組の導電性を有する接触指状突起がお互いに組み
合わされている。これらの組み合わされた指状突起は、
導電性の低い層に対して押圧されている。そのようにす
ることにより、それらの２組の組み合わされた指状突起
の間に、抵抗面を介して複数の並列な接点を形成してい
る。この変換器に加えられる圧力が比較的低い場合、前
記層を介して指状突起の間に形成される接点の数も少な
い。この変換器は、この作動範囲において、反復性のな
い非直線的な反応を示す。変換器に加わる圧力が増大す
るに従い、指状突起の間における接点の数も増加する。
この範囲においては、反応はより反復性を有するが、か
なり高い圧力まで依然として非直線を有する。

【０００５】この層を介して組み合わされた指状突起の
間の接点のそれぞれは、電気的にお互いに並列であり、
接点の数が極端に多くならない限り、単一の低い抵抗値
の接触が変換器の反応を左右する。上述したように、変
換器に比較的低い圧力が加えられる場合、接点の数は多
くない。１又はそれ以上の低い抵抗値の接触がある場
合、変換器の反応はノイズを含みかつ非直線的になる傾
向がある。このような低い抵抗値の接触は、組み合わさ
れた指状突起の表面仕上げにおけるバラツキや層の抵抗
値のバラツキあるいは変換器の物理的損傷などにより生
じる。組み合わされた指状突起の数が増大すると、接触
の可能性が増大し、そのような問題を減少させる。しか
しながら、実際には、指状突起の間に短絡がなく確実に
作ることができる指状突起の数とそれらの分離には限界
がある。このような短絡は変換器を役に立たなくする。

【０００６】米国特許第４，８９７，６２９号は、隣接
する抵抗層に対して付勢される導電性の弾性材料を含む
可変制御装置について開示している。この弾性材料は、
抵抗層に対して押圧された際、該抵抗層の大きな領域を
短絡させ、それによってこの抵抗層の対向する縁部に接
続された２つの電極間の抵抗を低下させる。このような
変換器は、弾性材料と抵抗層の抵抗値及び互いに接触す
る弾性材料及び抵抗層の表面の形状に依存した反応の範
囲を有している。この弾性材料と抵抗層の抵抗値及びそ
れらの形状が注意深く選定された場合には、比較的低い
ノイズの直線的な反応が得られる。

【０００７】しかしながら、この変換器は、弾性材料を
使用する他の変換器と同様に、いくつかの欠点を有して
いる。即ち、導電性の弾性材料は、時間の経過とともに
変換器の反応に履歴現象を生じさせるクリープ効果を示
すようになる。また、温度変化は、当該材料の弾性を変
化させ、そしてそれはさらに変換器の反応をも変化させ
る。さらに、この弾性材料は、所定の形状に形成されな
ければならない。そのような形状を有さない場合には、
前縁及び後縁の間における接触が変換器の反応を左右す
る。従って、良好な反応を得るには、この抵抗層に接触
する形状を注意深く選定することが必要とされる。この
弾性材料を変形させるためには、動きが必要となる。し
かしながら、多くの場合、変換器あるいは変換器の作動
装置は、動かないかあるいは動くとしても極小さい動き
であることが望ましい。米国特許第４，４７９，３９２
号は、加えられる力の変化に応じた可変抵抗を生じさせ
る力変換器について開示している。この変換器は、平坦
な抵抗層に対向する平坦な低抵抗値の短絡素子を備えて
いる。これらの短絡素子及び抵抗領域は、対向する平坦
な絶縁基板にシルク印刷されたインクから形成されてい
る。これらの基板の一方は、フィルムであり、抵抗層の
著しく増大した表面領域を増大した力に応じて付勢する
ために作動装置が該フィルムに対して動くようになって
いる。導電性の材料は必要としないが、作動装置の形状
を注意深く選定することが必要である。対向する抵抗層
は、接触部の領域だけが作動装置に加えられる力から生
じる領域となることを確実にするために、間隔をおいて
設けられなければならない。

【０００８】この作動装置と接触部の表面領域に加えら
れる力との間には直線的な関係があることが望ましい
が、実際上これを達成することは困難である。また、接
触領域の前縁及び後縁部に沿った接触領域だけが変換器
の反応を決定するという別の欠点もある。従って、加え
られる力に応じて前縁及び後縁の前進を制御するために
注意を払わなければならない。作動装置は正しく動くこ
とが要求されるが、上述したように多くの感知手段とし
ての応用例においては望ましいことではない。この作動
装置は、好ましくは弾性材料から形成されるので、作動
装置に加えられる作動力と短絡面との間の関係は時間及
び温度による変化する場合がある。

【０００９】従来の変換器の他の問題は、変換器の感知
及び反応特性に影響を与える製造パラメータの制御を欠
いていることである。このようなパラメータは、対向す
る層によって作られる接触部間の抵抗や接触部の形状、
あるいは弾性材料の抵抗値などである。これらのパラメ
ータを接近するように制御することは困難であり、とり
わけ大量生産においてはより困難である。従って、容易
に変えることができ所望の変換器の反応を定める容易に
制御される製造パラメータを有することが望ましい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の概略的な目的
は、従来の変換器に関連した問題点を解消する変換素子
配列を提供することにある。本発明の他の目的は、安定
的かつ反復性のある反応をする変換素子配列を提供する
ことにある。本発明の他の目的は、直線的な反応性を有
しかつ相対的に低ノイズの変換素子配列を提供すること
にある。本発明の他の目的は、極めて低い力が加わった
際にその作動範囲を通じて安定的な反応を有する変換素
子配列を提供することにある。本発明の他の目的は、製
造工程においてあるいは物理的な損傷が加わった際に容
易に短絡が生じないような変換素子配列を提供すること
にある。本発明の他の目的は、その一部を欠いた場合で
あっても全体の反応に重大な影響を与えないような変換
素子配列を提供することにある。本発明の他の目的は、
導電性の弾性材料や所定の形に形成された作動装置を有
さない変換素子配列を提供することにある。本発明の他
の目的は、極めて薄く形成されかつそれを作動させるた
めに正しい動きを必要としない変換素子配列を提供する
ことにある。本発明の他の目的は、ほぼ変換器の全体領
域が作動の全領域に対する変換器の反応に寄与する変換
素子配列を提供することにある。本発明の他の目的は、
たとえ該変換器が大量生産により製造された場合でも、
変換器の感度、直線性及び作動領域が容易に制御し得る
パラメータにより制御できるような変換素子配列を提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、エネルギーの第１次形態のレベルを感知
し、それをエネルギーの第２次形態における対応するレ
ベルに変換する装置を有している。複数の変換素子が配
列をなして相互連結されており、ほぼすべての変換素子
が直列連結及び並列連結によって他の変換素子に接続さ
れている。各変換素子は、エネルギーの第１次形態のレ
ベルを感知し、それをエネルギーの第２次形態における
対応する値に変換する。このエネルギーの第２次形態を
測定する装置が該配列の周囲の複数の変換素子に接続さ
れており、エネルギーの第１次形態が該配列に印加され
た際に該配列における反応を測定するようになってい
る。

【００１２】具体的には、本発明は、加えられた物理的
な力に応じて抵抗値を発生する変換器であって、ほぼ非
導電性の第１の基板と、前記第１の基板上に形成された
ほぼ平坦な導電性素子と、前記導電性素子の第１の位置
に電気的に接続された第１の接点と、前記第１の位置か
ら離れた前記導電性素子の第２の位置に電気的に接続さ
れた第２の接点と、ほぼ非導電性の第２の基板と、前記
第２の基板上に設けられ集合をなす複数個の短絡素子で
あって、前記第２の基板は、前記導電性素子と前記短絡
素子とが向かい合うように、第１の基板と対向して配置
されているものと、加えられた物理的な力に応じて、前
記第１及び第２の基板を一緒に押圧する手段と、前記短
絡素子と前記導電性素子との間の電気的接続における変
化から生じる前記第１及び第２の接点間の抵抗における
変化を測定する手段と、を有する変換器。

【００１３】また、本発明は、前記短絡素子を電気的に
相互に接続する手段を有することができる。この相互接
続手段は、前記短絡素子間における直列及び並列な電気
的接続とすることができる。

【００１４】前記基板を一緒に押圧する手段は、好まし
くは、前記基板を支持するほぼ平坦な支持面と、前記基
板上に配置されかつそれに対して付勢される下側面を有
し、前記下側面と前記支持面との間において前記基板を
押圧するための作動手段とすることができる。

【００１５】また、本発明は、ほぼ非導電性の第１の基
板をフィルムから形成し、前記導電層を、第１の基板上
にスクリーン印刷により形成することもできる。また、
前記ほぼ非導電性の前記第２の基板を、フィルムから形
成し、前記短絡素子を前記第２の基板上にスクリーン印
刷されている導電性のインクで形成することもできる。

【００１６】また、前記短絡素子は、変換器の特性を決
める所望の力対抵抗を提供するように選択された予め定
められた幾何学的パターンで寸法決めされかつ配置され
ることが好ましい。この場合、前記短絡素子のそれぞれ
を、ほぼ矩形に構成することもでき、また複数の列及び
段から成る長方形状の矩形配列に配置してもよい。さら
に、この配列の列は、互いにジグザグに配置することも
できる。

【００１７】

【作用】上述した本発明によれば、変換器に圧力が加わ
ると前記短絡素子を通じた電流経路が形成され、それに
よって第１及び第２の接点間で抵抗が変化し、それを測
定することにより圧力の変化を抵抗の変化として感知す
ることができる。

【００１８】

【実施例】添付した図面において、図１の符号１０で示
されているものは、本発明に従って構成された変換器の
分解斜視図である。図示されているように、本発明に係
る変換器(transducer)は複数の変換素子の配列(transdu
cer array)を有している。この変換器１０は、第１及び
第のポリエステルフィルム１２，１４を含んでいる。こ
れらのフィルム１２，１４は、ここでは実質的に非導電
性の基板をなしている。フィルム１４は、ほぼ平坦な表
面１６を有しており、その上には抵抗層１８が設けられ
ている。この抵抗層１８も、導電性素子あるいはほぼ平
坦な層となっており、好ましくは、前記基板１６に印刷
されたカーボンインクスクリーンから形成されている。
このカーボンインクは、好ましくは、５，０００から５
０，０００オームの抵抗値を有している。この抵抗層１
８は、ほぼ平坦な露出面２０を有している。抵抗層１８
の対向端部には、導電性接触部２２，２４が電気的に接
続されている。接触部２４は端子部２６と一体に形成さ
れており、一方接触部２２は端子部２８と一体に形成さ
れている。好ましくは、これらの端子部２６，２８は、
抵抗層１８をスクリーン印刷する前に表面１６にスクリ
ーン印刷される。

【００１９】フィルム１２のほぼ平坦な下向きの面３４
（図２Ａ）には、素子３０，３２のような複数の短絡素
子が設けられている。好ましくは、これらの短絡素子の
それぞれは、抵抗層１８より高い導電性を有しており、
面３４にスクリーン印刷された銀又はカーボンインクか
ら形成される。各短絡素子は、短絡素子３２の面３６
（図２Ａ）のような露出面を有しており、該露出面は抵
抗層１８の面２０の方に向けられている。

【００２０】図１に示されているように、素子３０，３
２のような短絡素子は、互い違いにずれた列あるいは段
をなして配置されている。これらの短絡素子の配置は、
ほぼ長方形状を有する変換器１０の実施例における短絡
素子の集合あるいはパターンとして示されている。

【００２１】作動状態においては、シート１２，１４
は、図２Ａに示されているように位置している。即ち、
短絡面３６のような短絡面のそれぞれが抵抗層１８の表
面２０にほぼ同一平面をなすように当接している。この
シート１４の下側は、通常ほぼ平坦な支持面（図示せ
ず）によって支持されており、作動装置（図示せず）が
フィルム１２の上面にあてがわれ、該作動装置によって
与えられる圧力に比例して変化する力でもって短絡素子
の面を抵抗層の面に付勢する。

【００２２】オームメータのような抵抗測定装置が端子
部２６，２８にまたがって用いられ、図２Ａ及び２Ｄに
おいて矢印３８で示されているような向きの電界を生ぜ
しめる。作動装置が何ら力を与えない場合には、端子部
２６，２８における抵抗値はほぼ抵抗層１８の抵抗値と
等しくなっており、その状態では素子３０，３２のよう
な短絡素子は表面２０と実質的に接触していない。図２
Ａにおいて、作動装置が同様の力を与えた場合、図２Ａ
において電流経路４０によって示されている電流が抵抗
層１８にセットアップされる。図２Ｂに概念的に示され
ているように、短絡素子に与えられた圧力は、接点４
２，４４，４６，４８を生ぜしめ、それらを通じて電流
が抵抗層１８と短絡素子３２との間を流れる。

【００２３】この電流通路４０は、実際には抵抗層１８
を通る非常に多数の電流経路として現れることに留意さ
れたい。圧力が作動装置によって与えられるに従って、
図２Ａにおける接点４２，４４のような接点が形成され
る。その結果、電流は、経路４０から接点４２を介して
短絡素子３２に流れ、さらに電流経路４９に沿って流
れ、接点４４において短絡素子３２から出て、その後抵
抗層１８を流れ続ける。好ましい実施例においては、抵
抗層１８は短絡素子３２より実質的に高い抵抗値を有し
ており、接点４２，４４の間の電流経路５０によって示
されている小量の電流だけが接点４２，４４の間の抵抗
層１８を流れる。これは、実施的に、接点４２，４４と
の間における層１８における抵抗を短絡させる効果を有
しており、その結果、単一の電流経路の場合には極小量
であるが、端子部２６，２８の間における合計抵抗測定
値を低下させる。

【００２４】例えば、電流経路４０における電流によっ
て示される端子部２６，２８において測定される抵抗層
１８の抵抗値は、抵抗層１８における電流経路の長さ、
抵抗層１８のシート抵抗値及び該抵抗層の領域あるいは
外面的形態（geometry）によって定まる。端子部２６，
２８において測定される短絡素子３２を流れる電流（電
流経路４９を流れる電流）に対する抵抗値は、接点４
２，４４における抵抗値、短絡素子における電流経路４
９の長さ、短絡素子のシート抵抗及び短絡素子の領域あ
るいは外面的形態によって定まる。実際に、短絡素子３
２のような所定の短絡素子の抵抗値は、無視できるほど
小さいものと思われる。このことは、端子部２６，２８
で測定されるような電流経路４０，４９を流れる電流に
対する全体の抵抗値は、抵抗層１８のシート抵抗、抵抗
層１８を通る距離、接点４２，４４の双方における接触
抵抗及び接点４２，４４間の距離に大きく依存すること
を意味する。

【００２５】図２Ｃは、接点４２−４８のそれぞれに対
する圧力対抵抗値の関係を示している。図２Ｃの符号４
２ａ，４６ａ，４４ａ，４８ａで示されている曲線は、
図２Ｂにおいて対応した符号が付された点のそれぞれの
個所において変換器に加えられた圧力を変えた場合の反
応に対応している。曲線４２ａ，４６ａの所定位置は、
大体同じ圧力を受けているが抵抗値は極端に相違してい
ることに留意されたい。同様に、接点４４，４８は、異
なる圧力を受けているが、ほぼ同じ抵抗値を有してい
る。実際にこれらの両方の状態が見られる。各接点に加
えられる力あるいは圧力を制御することは困難なので、
各接点における圧力対抵抗の関係を制御することは困難
である。短絡素子あるいは抵抗層１８における微小な表
面の変化及び微小突起は、接点４２−４８のそれぞれに
作用する力を変化させる。短絡素子あるいは抵抗層１８
における微小な表面の変化及び微小突起は、各接点にお
ける力対圧力の関係に変化を生ぜしめる。

【００２６】短絡素子の１つを流れる電流経路４９のよ
うな各電流経路による抵抗の変化は、むしろ制限され
る。複数の短絡素子が同時に電流経路を形成している場
合は、端子部２６，２８において測定される抵抗値を著
しく変化させる。これは、短絡素子を通る個々の電流経
路によってもたらされる非直線性あるいはノイズが制限
させることを意味している。複数の電流経路が複数の短
絡素子に同時に存在する場合は、端子部２６，２８にお
いて測定される抵抗値を著しく変化させる。

【００２７】もし単一の接点における抵抗が変化して
も、それが極端なものであったとしても、実際の結果は
著しく変化しない、即ち端子部２６，２８における抵抗
値は著しい影響を受けないように思われる。実際の結果
は、接点４２−４８のような接点のほとんどの部分が同
時に変化した場合、即ち多数の接触が行われた場合（あ
るいは圧力が減少する場合は接触がなくなる）及び／又
は各接点における抵抗値が作動装置によって与えられる
圧力に応じて低下した場合（あるいは圧力が減少する場
合は上昇する）にのみ変化する。

【００２８】短絡素子３２の各接点４２−４８は、図２
Ｃにおいて曲線で示されているようなそれ自体の反応を
有する分離した変圧器であると考えられる。それは、本
発明の変換器の反応を生ぜしめると同時に作動する接点
のすべてである。

【００２９】図２Ｄは、矢印３８で示す電界及び変換器
に加えられる圧力によって生じる隣接する短絡素子間に
おける電流経路の例を示している。これらの短絡素子
は、お互いに電気的に絶縁されているので、１の短絡素
子から他の短絡素子への経路だけが抵抗層１８を通るよ
うになっている。この図から、電流が、１つの短絡素子
の１つの接点から抵抗層１８及び同じ短絡素子あるいは
異なる短絡素子の異なる接点に流れることがわかる。同
様に、電流が、異なる接点から短絡素子へ、そしてその
後で抵抗層１８に戻る単一の接点に流れることががわか
る。

【００３０】図３は、図１の変換器の端子部２６，２８
において測定される圧力と抵抗値を示す曲線を示してい
る。前述した従来例に比べて、反応がより直線的になっ
ており、そのため多くの応用例においても直線的になる
ことが想定できる。

【００３１】また、従来例に比べて、圧力が加えられな
い場合は、抵抗層１８における抵抗値は一定となる。圧
力が増大する際、初期作動しきい値５２までは変化が起
こらない。しきい値５２においては、変換器１０の短絡
素子の少なくとも２つの接点が抵抗層１８に接触する。
これらの接点は、短絡素子及び抵抗層１８の双方の表面
において微小突起の不規則な分布が自然に生じることか
ら、集合をなす傾向がある。これは、変換器に加えられ
る圧力に応じて起こる初期接触が同一短絡素子で生じる
機会を増大し、それによって前記しきい値に達するのに
比較的小さな圧力を必要とするようになっている。この
しきい値５２を超えると、短絡素子と抵抗層１８との間
の接点の数が増加する。各接点が形成されると、各接点
における抵抗値の変化は、非直線的に減少する傾向があ
る。各接点における抵抗値の非直線的減少と結合された
接触部の合計における比較的早い増加は、図３に示す曲
線によって示された変換器の作動範囲を通して直線に近
い形の合計抵抗値が確実に減少することになる。

【００３２】圧力が高い場合は、他の接点が形成される
程度はゆっくりとなり、接点の抵抗値は低い限界に到達
する傾向がある。これは、非常に高い作動圧力において
飽和状態を生ぜしめる。圧力が減少すると、効果は反転
し、正味抵抗は圧力が加えられていない初期状態に戻る
同じ曲線に従う。

【００３３】図４Ａは、お互いに直列に接続された変換
器５５，５７のような変換器配列を概念的に示した図で
ある。各変換器は、変換器５７へのライン５９，６１の
ような一対のラインを有しており、変換器に加えられる
エネルギーに応じて出力が発生するようになっている。
変換器の配列は、当該配列に加えられるエネルギーに応
じて該配列内の各変換器の出力の合計に等しい出力６
３，６５のような出力を有している。もし、図４Ａの配
列の変換器が従来例のような圧力感知変換器であるなら
ば、配列の出力は、配列における各変換器の抵抗値の合
計に等しくなる。もし、配列における一つの変換器が単
一の異常に高い抵抗を生じる場合には、それが配列にお
ける反応を左右するようになることがわかる。

【００３４】図４Ｂは、図４Ａの変換器がお互いに並列
に接続されるように並び変えたものを概念的に示した図
である。図４Ｂにおいて、出力６３，６５は、配列にお
ける各変換器の並列加算に等しくなる。もし、配列の変
換器が従来例のような圧力感知変換器であるならば、出
力６３，６５において測定される配列の抵抗値は、１／
（（１／Ｒ55）＋（１／Ｒ57）・・・・＋（１／Ｒ
n））に等しくなる。ここで、Ｒnは、配列における各変
換器の抵抗に等しくなる。図４Ｂの配列における単一の
異常に低い抵抗は、配列の反応を左右するようになるこ
とがわかる。

【００３５】図５Ａは、図４Ａ及び図４Ｂの変換器を並
び変えたものを概念的に示したもので、変換器のライン
のほぼすべては、他の多数の変換器のラインに、素子６
７，６９のような接続重み付け素子を介して連結されて
いる。図５Ａにおいて、ライン５９ａ，５９ｂ，６１
ａ，６１ｂのような複数出力ラインが各変換器に設けら
れている。図４Ａ及び図４Ｂにおけるライン５９，６１
の変換器５７により生じる出力は、図５Ａにおいてライ
ン５９ａ，５９ｂ，５９ｃ，６１ａ，６１ｂにそれぞれ
印加される。図５Ａの形状は、ここでは、ほぼすべての
変換器が他の変換器に直列接続及び並列接続によって連
結された形状として示されている。もし、この配列の変
換器が従来例のような圧力感知変換器であって、しかも
重み付け素子が一定の抵抗である場合には、出力６３，
６５に印加される抵抗によって流れる電流は図示されて
いる経路７１のような電流経路のそれぞれを流れる電流
のすべての合計に等しくなる。図５Ａの配列は、前述し
た変換器１０と同様に作動する。

【００３６】このことは、図５Ａの配列を変換器１０の
モデルであると考えることにより理解できる。変換器５
５，５７のような各変換器は、変換器１０における接点
４２，４４（図２Ｂ）のような接点と考えられる。素子
６７，６９のような重み付け素子は、変換器１０におけ
る抵抗層１８をなしている。図５Ａのモデルにおいて表
されている接触点は、同一の短絡素子あるいは異なる短
絡素子であることを注意すべきである。実際に、あらゆ
る接点を、あらゆる他の接点に接続してもよく、それに
よって非常に多数の電流経路を作ることができる。単一
の経路を流れる電流の変化は、出力６３，６５において
測定される合計の電流にほとんど影響を与えない。多数
の接点の抵抗が一緒に変わる場合だけ出力６３，６５に
おいて測定される電流に容易に判断できる変化が生じ
る。反応の全体レベルは、図４Ａ及び図４Ｂの変換器の
配列の全体レベルより小さいが、ノイズ及び直線性は図
５Ａの配列では改善されている。変換器の直列及び並列
接続（接点）は、各変換器に、配列における変換器（接
点）の位置とは無関係に配列全体における反応に寄与す
る。重み付け素子（抵抗層１８）は、配列の反応をスム
ーズかつ平均化する。

【００３７】図５Ｂは、図５Ａよりより詳しく変換器１
０を概念的に説明した図である。配列における各レジス
ターは、圧力に応じて抵抗値が変化する単一の接点を表
している。配列の出力６３，６５の間には、多数の複合
電流経路が位置している。

【００３８】図６Ａにおいて、本発明に従って構成され
た変換器は、前述した変換器の構成に対応しかつ同じ符
号が付された構成を備えている。図１におけるフィルム
１２，１４のようなフィルムは、図６Ａから除かれてい
るが、図６Ａの変換器は変換器１０とほぼ同様に構成さ
れかつ作動することに注意されたい。図６Ａの変換器
は、図示されているような複合的な電流経路を発生させ
るので、それは図４Ａのモデルのようには作動せず、む
しろ図５のモデルのように作動する。

【００３９】図６Ｂにおいて、本発明に従って構成され
た変換器は、前述した変換器の構成に対応しかつ同じ符
号が付された構成を備えている。図１におけるフィルム
１２，１４のようなフィルムは、図６Ｂから除かれてい
るが、図６Ｂの変換器は変換器１０とほぼ同様に構成さ
れかつ作動することに注意されたい。図６Ｂの変換器
は、図示されているような複合的な電流経路を発生させ
るので、それは図４Ｂのモデルのようには作動せず、む
しろ図５のモデルのように作動する。

【００４０】図７Ａ−図７Ｄは、種々の形状及びパター
ンに形成された変換器の短絡素子を示している。図７Ａ
−図７Ｄに描かれている短絡素子は図１の変換器におけ
るフィルム１２のようなフィルム上に設けられており、
また抵抗層１８のような対応する抵抗層が設けられてい
るが、それらは明瞭にするために図７Ａ−図７Ｄには描
かれていない。各図において、与えられる電界の方向
は、どのような方向でもよいが、垂直方向の電界が好ま
しい。図７Ａにおいて、採用されている６角形状パター
ンは、規則的な形状を有しており、しかも各素子に隣接
する数が多くなるので有益である。

【００４１】図７Ｂは、ジグザグ状のパターンを表して
いる。各短絡素子は、隣接する素子と複数の異なる幾何
学的関係を有している。例えば、短絡素子５６及び短絡
素子５８は比較的短い隣接する境界を有しており、素子
５６，５８における接点の間の平均的な距離は比較的長
くなっている。一方、短絡素子５６，６０はより長い共
通する境界を有しており、そのため接点間における平均
的距離は短くなっている。この違いは、異なる短絡素子
における接点間の抵抗の均一性とそれに伴う変換器の反
応を変える。

【００４２】図７Ｃは、入れ子状に組み合わされた山形
紋状形状の短絡素子の列をずらしたパターンを示してい
る。与えられる電界は垂直方向になるので、最も短い電
流経路は対となった形状を横切るようになり、電流経路
に寄与する他の短絡素子上と接続する傾向が増大する。
電流経路に寄与する接点の数及び短絡素子の数が増大す
ると、反応器の反応が安定化する。

【００４３】図７Ｄは、互い違いに傾いたブロック状の
短絡素子の列からなるパターンを示している。このパタ
ーンは、追加の電流経路に寄与する異なる短絡素子との
接点の数を増やす。選択された短絡素子上の接点からの
距離が電界の好ましい垂直方向において長くなるので、
接点が異なる短絡素子に当たる可能性も増大する。この
ことは、このパターンでは電流経路は複数の短絡素子を
通り、選択的な電流経路の数を増大させ、変換器の直線
性を改善することを意味する。

【００４４】素子間の局所的相互接続の数及び均一性を
最大にする形状及びパターンを選択することが望まし
い。これは、感度の犠牲のもとに変換器の直線性及び安
定性を改善する。感度は、単純な外部からの増幅により
補償され、その場合には直線性及び安定性に対する補償
がよりコストのかかるものになる。個々の短絡素子間の
距離を変え、変換器の反応及び直線性を変化させてもよ
い。

【００４５】与えられる電界の軸に沿って長く伸びる形
状は、変換器においてより広い単一のスイング、より良
好な感度及び直線性の低下をもたらす。広い形状は、直
線性の犠牲のもとに感度を向上させる。所定の領域内で
短絡素子の数を増やすことは、同じ領域内で短絡素子の
数を減らした場合に比べ、感度の低下及び良好な直線性
をもたらす。このような変形例は、図８Ａ，図８Ｂ及び
図８Ｃに描かれた短絡素子のサイズ及びパターンにより
示されている。

【００４６】図８Ａは、抵抗層１８に対して押圧された
複数の短絡素子を示している。図７Ａ−図７Ｄに描かれ
ている実施例においては、変換器の他の構造は省略され
ている。しかしながら、図１の変換器１０に関連して記
載された同様の構造、即ちフィルム接触部、端子部、作
動部材などが設けられ、変換器１０とほぼ同様に作動す
ることに留意されたい。図８Ａにおいて、短絡素子の列
は、互い違いのパターンに配置されている。図８Ｂは、
各短絡素子が図８Ａの短絡素子より長くかつ幅広くなっ
ているパターンを示している。従って、図８Ｂの実施例
では、同一領域内における短絡素子の数が少ない。図８
Ｃでは、短絡素子が２個だけ設けられており、それらは
図８Ａ及び図８Ｂの短絡素子と同じ領域を実質的に覆っ
ている。

【００４７】図８Ｄは、図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃの変
換器のそれぞれにおける圧力対抵抗の関係を示すグラフ
であり、各曲線に付された符号は各変換器に対応する。
曲線８Ａは比較的直線的であるが、感度は低下してい
る。即ち、曲線Ａは、曲線８Ｂ及び８Ｃに比べ圧力に対
する抵抗の変化が小さい。曲線８Ｂは、曲線８Ａに比べ
より感度が高く非直線的になっているが、曲線Ｃほどで
はない。

【００４８】所望の反応、即ち圧力対抵抗の関係に応じ
て、形状、サイズ、短絡素子の数及びパターンを任意に
選択し特定の効果を達成することができる。これらのパ
ラメータのそれぞれは、製造の際に容易に選定すること
ができる。従って、本発明に従って製造された変換器に
よれば、反応及び均一性をコントロールすることが容易
である。例えば、スクリーン印刷により、短絡素子の形
状、サイズ及びパターンを容易にコントロールすること
ができる。

【００４９】図９Ａでは、大きな中心短絡素子６２を素
子６４，６６のような小さな外側短絡素子により取り囲
んでいる。図９Ａにおいて、変換器の中心部分は、単一
の大きな短絡素子、即ち高い感度及び大きな非直線性を
有する素子の反応をなす。この変換器の外側部分は、感
度が減少するが良好な直線性を有する小さな複数の短絡
素子の反応を有することになる。

【００５０】図９Ｃは、球状の変形可能部材によって作
動された場合の図９Ａの変換器の圧力反応を示す曲線を
表している。極めて圧力が低い状態では、短絡素子６２
と抵抗層１８との間で一対の接点が生じるまでの初期デ
ッドゾーンがある。変換器の表面は球状形状により非均
一的に作動されているので、即ち力は順次大きな領域に
かかるようになるので、中央短絡素子６２が最初に接続
が生じる領域となる。初期反応ゾーン７０は高感度で非
直線的な反応を示す。中央ゾーン７２では、中央短絡素
子６２は、完全に飽和しており、反応は短絡素子６４，
６６のような小さな短絡素子により支配される。高い圧
力においては、すべての素子が接点の数においてさらに
各接点における抵抗において飽和状態になっており、変
換器の反応は飽和ゾーン７４に示すように平坦化され
る。

【００５１】図９Ｂは，他の短絡素子の形状を示してお
り、異なるパターンの３つの領域において３つのタイプ
の反応を生ぜしめる。短絡素子７６のような最も小さい
短絡素子が組み込まれている領域では、反応はほぼ直線
的になるが、感度はそれほどよくない。単一の大きな短
絡素子８０の領域では、反応は感度が良好で非直線的に
なる。一方、短絡素子７６のような中間サイズの短絡素
子においては、反応は両者の中間になる。作業者は、作
動装置（図示せず）を適当な領域に押圧することによっ
て望ましい反応を選択することができる。ゆっくり押圧
する場合は、スムーズな制御が必要となり、作業者は短
絡素子７６のような小さい短絡素子が位置する領域を押
圧する。中間的な直線性を有する反応うが望ましい場
合、作業者は短絡素子７８のような中間サイズの短絡素
子の領域を押圧する。すばやい直線的な反応が望ましい
場合は、作業者は短絡素子８０の上に作動装置を押圧す
ることができる。もちろん、異なるサイズの短絡素子の
間の境界を押圧すれば、２つのタイプの短絡素子の反応
の中間的な反応を得ることができる。従って、作業者が
容易に選択可能な制御を行うことができる。

【００５２】図１０Ａにおける変換器の他の実施例で
は、短絡素子３０，３２のような短絡素子は、図１の変
換器１０のようにフィルム１２上に直接設けられておら
ず、むしろ高抵抗の裏面層８２に設けられている。従っ
て、各短絡素子は、他の短絡素子からそれぞれ電気的に
部分的に絶縁されている。そのため、各短絡素子は、短
絡素子及び抵抗層１８（図１０には示されていない）と
の間の単一の接点を通じて、変換器の反応全体にわたっ
て関与することができる。なぜならば、短絡素子は、既
に抵抗層８２を介して他の短絡素子に部分的に接続され
ているからである。一般的に、抵抗層８２は、唯一の効
果的な抵抗が各短絡素子の間の比較的狭い間隙で生じる
ので、高抵抗材料から形成される。

【００５３】図１０Ｂからわかるように、抵抗層８２は
フィルム１２上に直接形成されている。短絡素子３０，
３２のような短絡素子のそれぞれは、前記抵抗層８２の
上に形成されている。従って、所定の短絡素子と抵抗層
８２上の他の各短絡素子との間には、一例としてレジス
ターの概略的な表示によって表される有限抵抗が存在す
る。

【００５４】図１０Ｃは、他の実施例を示しており、こ
の実施例では、図１の変換器１０と同様に、短絡素子３
０，３２のような短絡素子がフィルム１２上に直接形成
されている。従って、抵抗層８２は、短絡素子の上に形
成されており、レジスターの概念的な表示によって描か
れているように短絡素子をお互いに電気的に接続する。
図１０Ｃの変換器では、抵抗層８２は作動装置（図示せ
ず）によって、図１の抵抗層１８のような対抗する抵抗
層に対して押圧される。抵抗層の表面の下側に短絡素子
３０，３２のような短絡素子が存在しているので、抵抗
層８２の表面に局所的に低い抵抗値が生じ、それは、変
換器１０との関連で説明したように、表面８２が抵抗層
１８のような抵抗層に対して押圧された際に隣接する電
流経路を形成する。

【００５５】図１１Ａでは、フィルム１２は、バンプ８
４のような複数の導電性弾性バンプを備えている。図１
１Ａの変換器におけるこれらの弾性バンプは、前述した
変換器における短絡素子のように機能する。これらのバ
ンプは、いろいろな形状に又種々の手段によって形成す
ることができ、例えば図１１Ａにおけるモールドされた
球形状、スクリーン印刷された長方形状や他の形状にす
ることができる。この導電性の弾性バンプは、スクリー
ン印刷された導電性インクや剛性コンタクトに比べ、多
数の利点や不都合な点を有している。バンプ８４が図１
における抵抗層１８のような向かい合う抵抗層に対して
付勢された際に、バンプは前述したように抵抗層の選択
された部分を短絡させる。

【００５６】図１１Ｂの実施例においては、弾性シート
８６は、非導電性あるいは比較的高い抵抗値を有してお
り、そのためゾーン８８はシート８６より低い抵抗値を
有するようになっている。図１１Ｂの変換器におけるゾ
ーン８８のような導電性のゾーンは、前述した実施例と
の関連で説明したように、シート８６が抵抗層１８のよ
うな抵抗層に対して付勢された場合に短絡素子と同じ目
的で機能する。

【００５７】図１２において、符号９０で示されている
ものは、本発明に従って構成された４つの素子を有する
可変抵抗圧力感知変換器である。以下においてより詳し
く述べられているように、この変換器は４つの圧力感知
領域を有しており、それぞれは一対の接触電極を有する
抵抗面及び短絡素子が対向するパターンを備えている。
変換器９０は、特に、コンピュータキーボードに埋設さ
れる同形のジョイスティック装置に使用されるようにな
っている。このような装置の例は、本件出願人の米国特
許第５，１２４，６８９号に開示されており、その番号
を引用することにより本出願で開示する。各圧力感知領
域は、４つの対角線方向の１つにおける圧力を検出す
る。

【００５８】非道電性フィルム９１は、パッド９２，９
４のような端子部を支持しており、各パッドはトレース
９６のような電気トレースに接続されている。パッド９
２は、層９８，１００のような４つの抵抗層のそれぞれ
に順次接続されたトレースに接続されている。他の４つ
のパッドのそれぞれは、４つの抵抗層の１つに接続され
ている。これらの層９８，１００のような層は、変換器
１０の抵抗層１８と同じように形成され、ほぼ同様な機
能を有している。

【００５９】複数の短絡素子が点線で図示された枠（そ
の１つは枠１０２で示さている）によって表示されたパ
ターンに配設されている。短絡素子のパターンのそれぞ
れは、フィルム９１上の層９８，１００のような対応す
る抵抗層に対向する第２フィルム１０４の下側に形成さ
れている。これらのフィルム１０４，９１には、それぞ
れ開口１０６，１０８が形成され、そこをキースイッチ
機構（図１２には、図示せず）が通るようになってい
る。フィルム１０４に形成されたタブ１１０の下側には
粘着剤層（図面上では見えない）が設けられている。こ
の粘着剤層はフィルム１０４，９１をお互いに付着さ
せ、層９８，１００のような対応するパターン１０２の
ような各短絡素子パターンの整列状態を維持する。変換
器９０における４つの圧力感知領域のそれぞれは、上述
したコンピュータキースイッチにより与えられる圧力に
応じて前述したように作動する。

【００６０】変換器９０におけるこれらの４つの圧力感
知領域を電気的に接続するための多くの方法がある。図
示されているように、これらの４つの領域はパッド９２
に接続されたリード線を共用しており、それぞれは他の
パッドの異なる１つに対する分離された接続を有してい
る。他に利用されるものは、作動型電圧分周器であり、
その場合には抵抗層９８，１００は直列に接続される。
電圧は、これらの直列接続された層に印加され、これら
の２つの層の共通の接続部において電圧が測定される。
もし、抵抗層９８，１００を含む２つの変換器の反応が
十分に直線的であり、かつ十分に同じな場合には、２つ
の変換器の差動動作に対応する電圧が生じる。

【００６１】図１３Ａでは、本発明に従って構成された
別の変換器１１２が示されている。この変換器１１２
は、加えられた力あるいは圧力における変化をキャパシ
タンスにおける変化に変換する。

【００６２】素子１１４，１１６のような複数の板状素
子がポリエステルフィルム１１８の下側対向面に形成さ
れている。第２のポリエステルフィルム１２には、電気
接触部１２２，１２４が形成されている。これらの電気
接触部１２２，１２４の間には、板状素子１２６，１２
８のような板状素子が形成されている。誘電体層１３０
がフィルム１１８及びフィルム１２０上の板状素子の間
に設けられている。この誘電体層は、好ましくは、ゴム
シートの場合には、弾性的に変形可能である。

【００６３】変換器１１２に前記誘電体層１３０を押圧
するように圧力が加えられた場合、このフィルム１１８
の板状素子はフィルム１２０上の板状素子の方に付勢さ
れる。その結果、接続部１２２，１２４において測定さ
れるキャパシタンスが増加する。対向する重なり合った
板状素子は、複数のキャパシタを構成する。不均一な押
圧により生じる局所的なキャパシタンスの増大は、接続
部１２２，１２４において測定される合計キャパシタン
スに過度の影響を与えることはない。同様に、対抗する
板状素子における局所的な短絡も変換器を役に立たなく
するものではない。これらの影響を受けた板状素子は、
もはや電気接続部において測定される出力に寄与するこ
とはない。

【００６４】本発明の変換素子の配列は、多くの形態に
おいて実施できることに留意されたい。例えば、短絡素
子を抵抗層より高い抵抗値を持つようにすることができ
（例えば、短絡素子をカーボンにより形成できる）、そ
れにより高い直線性を有しスムーズに作動する反面比較
的感度が低い変換器を作ることができる。さらに、この
変換素子には、カーボンやシルバーイング以外の材料、
例えば導電性プラスチックを用いることもできる。ま
た、本発明を実施するにあたっては、光や温度などに反
応する他の変換素子を用いることもできる。変換素子の
配列における単一の変換素子の反応に比べて配列全体の
反応をスムーズかつ平均化する素子間の重み付けは、電
流が流れる配列の場合には典型的には抵抗であな。しか
しながら、この重み付け素子は、電流が流れない変換素
子の配列においては、機構的なものなど他の形態をとる
ことができる。円滑化及び平均化は、コンピュータ化す
ることなく設けることができ、能動素子を有するニュー
ラルネットワークに似ている。

【００６５】好適実施例に基づいて本発明の原理を描き
かつ説明したが、当業者であれば、本発明をそのような
原理から離れることなく配置関係や細部において改良す
ることができることは明白である。従って、請求項に記
載した内容かつ範囲に基づくすべての改良について権利
を求めるものである。

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、安定的かつ反復性のあ
る反応をするとともに、直線的な応答性を有しかつ相対
的に低ノイズの変換器を提供することができる。また、
極めて低い力が加わった場合でも作動範囲において安定
的な反応をする変換器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により構成された変換器の分解斜視図で
ある。

【図２】（Ａ）は、抵抗層及び隣接する短絡素子を通る
電流が流れる経路を描いた（Ｂ）における２Ａ−２Ａ線
に沿った拡大断面図、（Ｂ）は、短絡素子及び図１の変
換器における隣接する抵抗層の一部の拡大図であり、短
絡素子と抵抗層との間のいくつかの電気接触部を概念的
に描いており、（Ｃ）は、（Ｂ）において描かれた接点
のそれぞれに対する圧力対抵抗の関係を示すグラフ、
（Ｄ）は、図１の変換器の短絡素子の４個及び短絡素子
と抵抗層との間の電気接点により形成された複数の電流
経路を示す隣接する抵抗層の拡大平面図である。

【図３】図１の変換器に対する圧力対抵抗の関係を示す
グラフである。

【図４】（Ａ）は、直列相互連結関係を有する変換器配
列を概略的に表した図、（Ｂ）は、並列相互連結関係を
有する変換器配列を概略的に表した図である。

【図５】（Ａ）は、本発明による直列−並列相互連結関
係を有する変換器配列を概略的に表した図、（Ｂ）は、
図１の実施例における直列−並列接続の概略図である。

【図６】（Ａ）は、本発明による短絡素子の並列パター
ンを示す平面図であって、複数の直列−並列電流経路を
表しており、（Ｂ）は、本発明による短絡素子の直列パ
ターンを示す平面図であって、複数の直列−並列電流経
路を表している。

【図７】（Ａ）−（Ｄ）は、本発明により種々の形状及
びパターンに形成された短絡素子を図示している。

【図８】（Ａ）−（Ｃ）は、本発明による異なったサイ
ズの範囲における短絡素子を図示しており、（Ａ）−
（Ｃ）において描かれた短絡素子のパターンを有する変
換器における圧力対抵抗の関係を示すグラフである。

【図９】（Ａ）及び（Ｂ）は、位置感度の違いを達成す
るために本発明による種々の形状及びパターンに形成さ
れた短絡素子を有する変換器を図示しており、（Ｃ）
は、（Ａ）の変換器の抵抗反応に対する圧力を示すグラ
フである。

【図１０】（Ａ）は、本発明により構成された変換器の
別の実施例の斜視図であり、お互いに部分的に電気的に
絶縁されて抵抗層に設けられた導電性の短絡素子を有し
ており、（Ｂ）は、（Ａ）の変換器の一部の拡大断面
図、（Ｃ）は、（Ｂ）と同様の図であり、本発明の別の
実施例を示している。

【図１１】（Ａ）は、本発明の他の実施例の一部の斜視
図、（Ｂ）は、本発明のさらに別の実施例の一部に対す
る（Ａ）と同様な斜視図である。

【図１２】図１２は、本発明により構成された変換器の
分解斜視図である。

【図１３】（Ａ）は、本発明により構成された容量性の
力の変換器の分解斜視図、（Ｂ）は、（Ａ）の変換器の
拡大断面図である。

【符号の説明】

１０ 変換器 １２ 基板 １４ 基盤（フィルム） １８ 抵抗層 ３０，３２ 短絡素子 ４０，４９，５０ 電流経路 ４２，４４，４６，４８ 接点

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加えられた物理的な力に応じて抵抗値を
   発生する変換器であって、 ほぼ非導電性の第１の基板と、 前記第１の基板上に形成されたほぼ平坦な導電性素子
   と、 前記導電性素子の第１の位置に電気的に接続された第１
   の接点と、 前記第１の位置から離れた前記導電性素子の第２の位置
   に電気的に接続された第２の接点と、 ほぼ非導電性の第２の基板と、 前記第２の基板上に設けられ集合をなす複数個の短絡素
   子であって、前記第２の基板は、前記導電性素子と前記
   短絡素子とが向かい合うように、第１の基板と対向して
   配置されているものと、 加えられた物理的な力に応じて、前記第１及び第２の基
   板を一緒に押圧する手段と、 前記短絡素子と前記導電性素子との間の電気的接続にお
   ける変化から生じる前記第１及び第２の接点間の抵抗に
   おける変化を測定する手段と、を有する変換器。
2. 【請求項２】 前記短絡素子を電気的に相互に接続する
   手段を有する請求項１に記載の変換器。
3. 【請求項３】 前記相互接続手段は、前記短絡素子間に
   おける直列及び並列な電気的接続を含む請求項２に記載
   の変換器。
4. 【請求項４】 前記基板を一緒に押圧する手段は、前記
   基板を支持するほぼ平坦な支持面と、前記基板上に配置
   されかつそれに対して付勢される下側面を有し、前記下
   側面と前記支持面との間において前記基板を押圧するた
   めの作動手段とを有する請求項１に記載の変換器。
5. 【請求項５】 ほぼ非導電性の第１の基板はフィルムで
   形成されており、前記導電層は、第１の基板上にスクリ
   ーン印刷されている請求項１に記載の変換器。
6. 【請求項６】 ほぼ非導電性の前記第２の基板は、フィ
   ルムで形成されており、前記短絡素子は前記第２の基板
   上にスクリーン印刷されている導電性のインクで形成さ
   れている請求項５に記載の変換器。
7. 【請求項７】 前記短絡素子は、変換器の特性を決める
   所望の力対抵抗を提供するように選択された予め定めら
   れた幾何学的パターンで寸法決めされかつ配置された請
   求項１に記載の変換器。
8. 【請求項８】 前記短絡素子のそれぞれは、ほぼ矩形で
   ある請求項１に記載の変換器。
9. 【請求項９】 前記短絡素子は、複数の列及び段から成
   る長方形状の矩形配列に配置されている請求項１に記載
   の変換器。
10. 【請求項１０】 前記配列の列は、互いにジグザグに配
    置されている請求項９に記載の変換器。