JPH08110272A

JPH08110272A - 圧力検出装置

Info

Publication number: JPH08110272A
Application number: JP6246467A
Authority: JP
Inventors: Mieko Kawamoto; 美詠子川元; Michiko Endou; みち子遠藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1994-10-12
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 1996-04-30

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は外部より加えられる圧力を検出する
圧力検出装置に関し、検出特性の安定性及び感度制御性
の向上を図ることを目的とする。【構成】略四角錐状の突起部２３上に第１の導体膜２
４が形成された上基板２２を、第２の導体膜２６が形成
された下基板２５に押し付けたときに、該下基板２５に
突起部２３がくい込んで第１及び第２の導体膜２４，２
６の接触面積を変化させる。この接触面積の変化より圧
力検出手段２７が圧力を検出する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、外部より加えられる圧
力を検出する圧力検出装置に関する。近年、圧力検出装
置はＦＡ（ファクトリオートメーション）機器、ＯＡ
（オフィスオートメーション）機器等で使用されるキー
ボードやジョイスティックでの圧力検出として用いられ
ると共に、種々の装置に装着されている安全装置等の分
野で広く用いられている。そして、圧力を検出するにあ
たり検出精度の向上が要求されると共に、感度設定が容
易であることが望まれている。

【０００２】

【従来の技術】図６に、従来の圧力検出装置の断面構成
図を示す。図６は圧力検出装置１１を示したもので、基
板１２上にパターン１３が例えば２つのくし歯パターン
を互いに噛み合わされて形成されている。パターン１３
上には、異方性導電薄膜１４が形成された基板１５が位
置され、基板１５は上下動する駆動部１６の先端に取り
付けられる。異方性導電薄膜１４は、フィルム状の樹脂
中に導電性粒子（Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，ソルダ等）を分散
させたもので、厚さ方向に圧力を加えることで導通状態
となり、圧縮（厚さ）に応じて圧縮された部分の抵抗値
が変化するものである。

【０００３】また、駆動部１６の反対側先端には、例え
ばゴム製の操作部が設けられる。そして、基板１５は、
基板１２に固定されるガイド部１８によりガイドされて
上下動する。すなわち、圧力検出装置１１は、操作部１
７（駆動部１６）が押下されると、パターン１３上に異
方性導電薄膜１４が当接し、押下圧力に応じた抵抗値で
パターン１３同士を導通させる。このときの抵抗値を例
えばパターン１３間の電圧降下を測定し、予め測定され
ている圧力と抵抗値の関係から押下時の圧力を検出する
ものである。

【０００４】ここで、図７に、図６の電気抵抗と圧力と
の関係のグラフを示す。図７に示すように、押下前が無
限大であった抵抗値が、例えば押下されて抵抗値が数Ｋ
Ωとなったときには約１０kgの圧力が加えられており、
抵抗値に応じた圧力を検出するものである。このよう
に、図６に示す圧力検出装置１１は、圧力の変化、絶対
量を接触抵抗の変化、絶対量に変換することで圧力検出
を行うものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の圧力検
出装置１１は、パターン１３に重なる異方性導電薄膜１
４の接触面積が検出特性、感度制御性に影響を及ぼす。
すなわち、異方性導電薄膜１４やパターン形成のばらつ
きが検出特性や感度制御性に影響を与えて特性を安定さ
せることができないと共に、感度を制御することが難し
いことから、設計時とアセンブリ後に検出出力が異なる
という問題がある。

【０００６】そこで、本発明は上記課題に鑑みなされた
もので、検出特性の安定性及び感度制御性の向上を図る
圧力検出装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１では、所定形状の突起部が所定数形成さ
れ、該突起部上に第１の導体膜が形成される第１の構成
部と、該第１の導体膜と接触される第２の導体膜が形成
される第２の構成部と、該第１及び第２の構成部の何れ
かが相対的に移動されて所定圧力での接触時に何れかが
変形され、該第１及び第２の導体膜の接触面積に応じた
電気抵抗の変化により圧力を検出する検出手段と、を有
して圧力検出装置を構成する。

【０００８】請求項２では、請求項１記載の突起部が球
状又は多角錐状に形成されてなる。請求項３では、請求
項２記載の多角錐状の突起部は、異方性エッチングによ
り形成されてなる。請求項４では、請求項１記載の第１
及び第２の構成部が所定間隔でそれぞれ複数配置され、
該複数の第１及び第２の構成部の何れか一方を移動させ
る単一の操作手段が設けられる。

【０００９】

【作用】上述のように請求項１及び２の発明では、球状
又は多角形状の突起部上に第１の導体膜が形成された第
１の構成部と、第２の導体膜が形成された第２の構成部
との何れかの移動で第１の導体膜と第２の導体膜とが所
定圧力で接触され、何れかの変形による接触面積に応じ
た電気抵抗の変化により圧力を検出する。これにより、
突起部又は第２の構成部の何れかが変形して接触面積が
変化することから、接触のばらつきが軽減して検出特性
の安定性を向上させることが可能になると共に、突起部
の配置数で感度設定が可能になって感度制御性の向上を
図ることが可能となる。

【００１０】請求項３の発明では、多角錐状の突起部が
異方性エッチングにより形成される。これにより、ばら
つきのない突起部を容易に形成することが可能となる。
請求項４の発明では、第１及び第２の構成部を複数配置
して単一の操作手段で移動させる。これにより一次元又
は二次元で圧力及びその方向をも検出することが可能と
なる。

【００１１】

【実施例】図１に、本発明の一実施例の構成図を示す。
図１（Ａ）は本発明の圧力検出装置２１の概略断面図で
あり、第１の構成部である上基板２２には略四角錐状の
突起部２３が所定数（本実施例では９個）形成され、こ
れら突起部２３上に第１の導体膜２４が形成される。

【００１２】一方、第２の構成部である下基板２５上に
は第２の導体膜２６が形成される。そして、各第１及び
第２の導体膜２４，２６から検出手段である圧力検出部
２７に接続される。圧力検出部２７は、第１及び第２の
導体膜に電源より固定抵抗Ｒs を介して所定電圧Ｖccを
印加しており、各第１及び第２の導体膜２４，２６間の
電圧降下を測定し、これに基づいて圧力を検出する（後
述する）。

【００１３】上基板２２は、図１（Ｂ）にその外観図が
示されており、例えばシリコン基板を異方性エッチング
により底角５５°の略四角錐（頂部を小面積の正方形平
面としている）に形成される。異方性エッチングは垂直
方向のみのエッチングが行われる現象であり、具体的に
はエッチング材料と反応するガスを使用する反応性イオ
ンエッチングにより行われる。なお、突起部２３を有す
る上基板２２をエポキシ樹脂等でモールドにより形成し
てもよい。

【００１４】この上基板２３の突起部２３上に、例えば
タングステン等を蒸着して形成した第１の導電膜２４が
形成されたものである。また、下基板２５は、図１
（Ｃ）にその外観図が示されており、歪みと復元性を有
する樹脂で形成される。そして、下基板２５上に、例え
ばタングステン等を蒸着して形成した第２の導電膜２６
が形成されたものである。

【００１５】このような圧力検出装置２１は、例えば上
基板２２が上下移動して下基板２５に接触させ、さらに
所定の押圧力を加えることで、上基板２２の突起部２３
の部分（第１の導電膜２４）が下基板２５（第２の導電
膜２６）に、その圧力に応じてくい込む。くい込み量に
応じて第１の導電膜２４と第２の導電膜２６の接触面積
が異なり、接触面積に応じて電気抵抗が変化する。

【００１６】電気抵抗の変化は圧力検出部２７で測定電
圧（電圧降下）の変化として測定され、これに応じた圧
力が検出されるものである。そこで、図２に本発明の検
出原理の説明図を示すと共に、図３に本発明の検出原理
のグラフを示す。図２及び図３において、θは突起部２
３の頂角、ｘは突起部２３が下基板２５にくい込み深
さ、ｂは接触する突起部２３（第１の導体膜２４）の一
辺の長さ、Ｓは第１及び第２の導体膜２４，２６の接触
面積、ｒは接触で変化する第１及び第２の導体膜２４，
２６間の電気抵抗、ｖは圧力検出部２７で測定される第
１及び第２の導体膜２４，２６間の電圧降下（出力電
圧）、ｆは上基板２２の下基板２５への圧力である。

【００１７】いま、上基板２２の突起部２３の先が下基
板２５に触れている状態から該上基板２２に圧力を加え
ると、下基板にくい込み深さｘを圧力ｆは、ｆ＝Ｃｘ（Ｃは定数）・・・ (1) で表わされる。このときのグラフは図３（Ａ）に示され
るように直線的となる。また、突起部２３の頂部は一辺
がｂ（膜厚は無視する）であることから頂部の面積Ｓ₁
はＳ₁＝ｂ²となる。

【００１８】そして、第１及び第２の導体膜２４，２６
が接触している突起部２３における四角錐の一つの斜面
の面積Ｓ₂は、Ｓ₂＝１／２｛ｂ＋（ｂ＋２ｘcot θ) ｝ｘcosec θ ・・・ (2) で表わされる。従って、全接触面積Ｓは、Ｓ＝Ｓ₁＋４Ｓ₂＝ｂ²＋４・１／２｛ｂ＋（ｂ＋２ｘcot θ）｝ｘcosec θ ・・・ (3) となる。

【００１９】すなわち、（３）式より明らかなように第
１及び第２の導体膜２４，２６の接触面積Ｓは深さｘの
２乗に比例する。このときのグラフが図３（Ｂ）に示さ
れる。また、接触面積の変化量ΔＳ（ｄｓ／ｄｘ）は深
さｘに比例する。一方、第１及び第２の導体膜２４，２
６の接触による電気抵抗ｒは接触面積の変化量ΔＳに反
比例し、このときのグラフが図３（Ｃ）に示される。

【００２０】従って、（１）式より圧力検出手段２７に
おける第１及び第２の導体膜２４，２６間の電圧降下と
しての出力電圧ｖは、圧力ｆの２乗に比例することとな
り、このときのグラフが図３（Ｄ）に示される。すなわ
ち、このような出力電圧ｖと圧力ｆの関係を予め求めて
おけば、出力電圧ｖを測定することで加えられる圧力を
検出することができるものである。

【００２１】このように、下基板２５は、上基板２２の
突起部２３がくい込み易いものが用いられ、かつ復元性
で圧力の減少時にヒステリシスが小さくなることから、
第１の導体膜２４（突起部２３）の第２の導体膜２６へ
の接触のばらつきが軽減されて検出特性の安定性が向上
され、ひいては検出精度が向上される。また、突起部２
３の数や大きさを適宜設定することで接触面積の変化の
度合を設定することができ、感度を自在に設定すること
が可能となり、感度制御性を容易とすることができるも
のである。

【００２２】次に、図４に、本発明の一適用例の構成図
を示す。図４に示す圧力検出装置３１は、ポインティン
グデバイスとして構成した場合であり、台板３２上に所
定のパターン層３３が形成され、パターン層３３上に四
つの上記下基板２５が９０度間隔で配置される。一方、
下基板２５に対応した十字形の可動板３４の先端に、該
下基板２５に対向させて四つの上基板２２がそれぞれ取
り付けられ、可動板３４の中心部分に駆動軸３５が立設
される。そして、駆動軸３５の先端に操作部３６が設け
られる。これら可動板３４，駆動軸３５及び駆動軸３５
により操作手段を構成する。

【００２３】また、上基板２２（第１の導体膜２４）と
下基板２５（第２の導体膜２６）はパターン層３３の対
応するパターンにそれぞれ接続され、各パターンが圧力
検出部３７に接続される。このような圧力検出装置３１
は、操作部３６を±Ｘ，±Ｙ方向を基準に３６０度の方
向で操作したときに、可動板３４の何れかの一対の上基
板２２及び下基板２５が所定圧力で接触し、そのときの
接触面積に応じた圧力が圧力検出部３７でそれぞれの一
対の上基板２２及び下基板２５に対して検出を行う。検
出原理は図２及び図３で説明した通りである。

【００２４】すなわち、圧力検出部３７において、それ
ぞれの一対の上基板２２及び下基板２５により検出した
圧力で操作部３６が何れの方向に操作されたかがアナロ
グ検出で判別できるものである。このように、上記圧力
検出装置３１は、従来のジョイスティックのようなポイ
ンティングデバイスに比較して製造容易であり、かつ上
述のように上基板２２及び下基板２５による検出精度及
び感度制御性を良好とすることができるものである。

【００２５】なお、上記実施例では、下基板２５が上基
板２２の突起部２３で変形する場合を示したが、上基板
２２の突起部２３が変形するように構成しても同様であ
る。また、上記実施例では、突起部２３を略四角錐状に
形成した場合を示したが、略三角錐状、五角錐状等の多
角錐状としてもよく、その圧力検出原理は四角錐状と同
様である。

【００２６】次に、図５に、本発明の他の実施例の概略
断面図を示す。図５に示す圧力検出装置２１は、上基板
２２ａが歪みや復元性のあるゴム系の部材で形成され、
突起部２３ａが球状に形成される。そして、突起部２３
ａ上にタングステン等の第１の導体膜２４が形成され
る。また、下基板２５ａは上基板２２ａより硬質の部材
（例えばエポキシ樹脂）で形成され、タングステン等の
第２の導体膜２６が形成されたものである。第１及び第
２の導体膜２４，２６は図１と同様に圧力検出部２７に
接続される。

【００２７】このような圧力検出装置２１は、その圧力
検出原理は図２及び図３と同様であるが、上基板２２ａ
（下基板２５ａでもよい）を移動させて下基板２５ａ
（上基板２２ａ）に押し付けた場合、突起部２３ａが歪
んで撓み、第１の導体膜２２は第２の導体膜２６に対し
て円の面積が次第に増加していくように接触面積が変化
し、この接触面積の変化による電気抵抗、出力電圧で前
述と同様に圧力を検出するものである。

【００２８】すなわち、このように構成することによっ
ても、図１と同様の効果を得ることができるものであ
る。

【００２９】

【発明の効果】以上のように請求項１及び２の発明によ
れば、球状又は多角形状の突起部上に第１の導体膜が形
成された第１の構成部と、第２の導体膜が形成された第
２の構成部との何れかの移動で第１の導体膜と第２の導
体膜とが所定圧力で接触され、何れかの変形による接触
面積に応じた電気抵抗の変化により圧力を検出すること
により、突起部又は第２の構成部の何れかが変形して接
触面積が変化することから、接触のばらつきが軽減して
検出特性の安定性を向上させることができると共に、突
起部の配置数で感度設定が可能になって感度制御性の向
上を図ることができる。

【００３０】請求項３の発明によれば、多角錐状の突起
部が異方性エッチングにより形成されることにより、ば
らつきのない突起部を容易に形成することができる。請
求項４の発明によれば、第１及び第２の構成部を複数配
置して単一の操作手段で移動させることにより一次元又
は二次元で圧力及びその方向をも検出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成図である。

【図２】本発明の検出原理の説明図である。

【図３】本発明の検出原理のグラフである。

【図４】本発明の一適用例の構成図である。

【図５】本発明の他の実施例の概略断面図である。

【図６】従来の圧力検出装置の断面構成図である。

【図７】図６の電気抵抗と圧力との関係のグラフであ
る。

【符号の説明】

２１，３１圧力検出装置２２，２２ａ上基板２３，２３ａ突起部２４第１の導体膜２５，２５ａ下基板２６第２の導体膜２７，３７圧力検出部３２台板３３パターン層３４可動板３５駆動軸３６操作部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定形状の突起部が所定数形成され、該
突起部上に第１の導体膜が形成される第１の構成部と、該第１の導体膜と接触される第２の導体膜が形成される
第２の構成部と、該第１及び第２の構成部の何れかが相対的に移動されて
所定圧力での接触時に何れかが変形され、該第１及び第
２の導体膜の接触面積に応じた電気抵抗の変化により圧
力を検出する検出手段と、を有することを特徴とする圧力検出装置。
【請求項２】請求項１記載の突起部が球状又は多角錐
状に形成されてなることを特徴とする圧力検出装置。
【請求項３】請求項２記載の多角錐状の突起部は、異
方性エッチングにより形成されてなることを特徴とする
圧力検出装置。
【請求項４】請求項１記載の第１及び第２の構成部が
所定間隔でそれぞれ複数配置され、該複数の第１及び第
２の構成部の何れか一方を移動させる単一の操作手段が
設けられることを特徴とする圧力検出装置。