JPS6246222A - 感圧センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、磁気センサに対する磁界の相対変位を検知
することによって外力の作用の有無ならびにその外力の
大きさを検知することができる感圧センサに関し、極め
て軽量かつ小型にして各種の押ボタンスイッチ、ときと
しては荷重１１定装置、圧力測定装置などにも適用され
て常に適正なるスイッチング作動、高精度の測定結果を
もたらすものである。

（従来の技術） たとえば押ボタンスイッチに適用され、磁気センサに対
する磁界の相対変位を検知することによって外力の作用
の有無を検知する従来の感圧センサとしては、所定位置
に固定される磁気センサの近傍部分に、永久磁石を取り
付けた皿状の板ばねもしくは金属製のコイルスプリング
を配設したものがある。

かかる感圧センサーは、板ばねもしくはコイルスプリン
グに外力が作用した場合に、その外力の大きさにほぼ比
例したそれらの撓みに基づいて永久磁石の磁気センサに
対する相対変位をもたらし、そしてこの相対変位量を、
永久磁石が磁気センサに及ぼす磁界の強さに応じた磁気
センサからの出力信号によって検知する。

したがって、このような感圧センサを用いた押ボタンス
イッヂでは、永久磁石と磁気センサどの相対距離が所定
以下になったこと、いいかえれば感圧センサに作用する
外力が所定値を越えたことを磁気センサからの出力信号
によって確認することにより、スイッチのオンもしくは
オフ作動が行われることになる。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、かかる従来の感圧センサは、板ばね、コイル
スプリングなどの様械的可動部分を有していることから
、繰り返し使用による疲労、可動部分のＭ擦などによる
性能低下その他の問題を有する他、構造が複雑になると
ともに、センサそれ自体が大型になるという問題を有し
ており、しかも、皿状の板ばねを用いたセンサでは、板
ばねの形状に固有の変形抵抗、その板ばねとそれの支持
部分とのｍ振力などの作用により、板ばねの、外力に対
する変形特性曲線において、ヒステリシス、いいかえれ
ば、増加曲線と減少曲線どの差が相当大きくなるため、
そのセンサには、オン・オフスイッチには適用し得ても
荷重測定装置、圧力測定装置などには適用することがで
きないという問題があり、また一方において、金属性の
コイルスプリングを用いたセンサでは、そのスプリング
の外力−変形特性曲線におけるヒステリシスは無視し得
るほどに小さくなるが、スプリングの有する高い透磁性
の故に、永久磁石の相対変位に基づく磁界の強度変化の
影響を磁気センサに正確に及ぼす゛ことができず、これ
を解決するためには、各構成部品の配置についての特性
の工夫、補助構成部品の使用などが必要となって、セン
サが一層複雑になるとともに大型になるという問題があ
った。

そこで、とくに、小型にして簡単な構造であることを目
的とした感圧センサとして、たとえば特開昭５５−１３
３７０９号（特願昭５４−４０８７０号）公報に開示さ
れているように、一対の電極を、感圧導電体の異なる側
面にそれぞれ密着配置して接点機構を構成し、そしてこ
の接点機構を、外皮形成手段によって密閉被覆してなる
テープ状スイッチが提案されている。

このテープ状スイッチは、感圧導電体に作用する外力が
増加するにつれてその導電体の電気抵抗値が徐々に減少
することに基づぎ、一般的には、その抵抗値が所定の値
まで低下したときに、スイッチング回路に接続した電動
手段その他ををオンもしくはオフ作動させるべく作用す
る。

ところが、このようなテープ状スイッチでは、感圧導電
体は通常、ゴムもしくはゴム状弾性体を主体として構成
されていることから、ヒステリシスロスが比較的大きく
、これがため、そのスイッチを荷重測定装置、圧力測定
装置などに適用した場合には、測定精度が極めて低く、
かつ再現性に乏しいという問題があった。

しかも、このテープ状スイッチでは、感圧導電体に、そ
の圧縮、曲げ、捩りなどの方向の外力が繰り返し作用し
た場合に、感圧導電体の内部に分散混合された金属粉末
その伯の導電粒子が比較的早期に脱落するという問題が
あるとともに、金属板、金属薄膜、導電性フィルム、蒸
着薄膜などにて構成され、感圧導電体に密着させて配置
された一対の電極がそれに繰り返し作用する外力によっ
て、これもまた比較的早期に破断その他の損傷を受ける
という問題があった。

この発明は、従来技術のかかる問題を解決すべくなされ
たものであり、オン・オフスイッチに適用して常に適正
なるスイッチング作動をもたらし得ることはもちろん、
荷重測定装置、圧力測定装置などに適用し′て十分正確
に測定結果をもたらし得る簡単な構造にして軽量かつ小
型で、著しくすぐれた耐久性を有する感圧センサを提供
するものである。

（問題点を解決するための手段） この発明の感圧センサは、たとえば、ホール素子、半導
体磁気抵抗素子などとすることができる磁気センサ上に
、弾性エラストマＪ３よび永久ｔ４石を順次に積層固定
した、その磁気センサの入出力端子にリード線をそれぞ
れ接続してなる。

またこの発明の好適例では、これらのことに加え、磁気
センサの露出表面ならびにそのセンサへのリード線接続
部分を、耐水性を有する絶縁材料にて密閉被覆する。

なおここにおいて、永久磁石どしては、磁性体粒子もし
くは粉末を、高分子材料またはゴム貿山に一様に分散混
合さけるとともに、磁化させて／ｊるプラスナック磁石
あるいはゴム磁石の他、磁性材料の蒸着膜、高分子バイ
ンダー中に分散混合させた磁性材料の塗布薄膜などを用
いることができ、また、弾性エラストマとしては、ヒス
テリシスロスの極めて少ない材料、たとえば、天然ゴム
の他、シリコンゴム、ブタジェンゴム、イソプレンゴム
、スチレンブタジェンゴム、ニトリルゴム、クロロブレ
ンゴムなどの混合ゴム、熱可塑性エラストマその他を選
択することが好ましい。

（作用） この感圧センサでは、永久磁石に直接的もしくは間接的
に外力が作用した場合には、弾性エラストマに、その外
力の大きさに比例した弾性変形が生じ、このことにて、
永久磁石が、磁気センサに対し、たとえばそれに接近す
る方向へ相対変位づるので、この相対変位によって永久
磁石が磁気センサに及ぼす磁界の強さの変化をその磁気
センサにて検知することにより、予め求めた外力の大き
ざと弾性エラストマの変形徴との関係に基づき、外力の
大きさを求めることができる。

ここでこの感圧センサは、板ばね、コイルスプリングな
どの機械的可動部分を有していないので、それらの疲労
、摩耗などに起因する性能低下が生じるおそれがなく、
また、そのセンサの構造を簡単にできるとともに、軽量
小型化を達成することができる。しかも、弾性エラス］
ヘマは一般に、空気と同程度の透磁率を有するので、永
久磁石の磁気センサに対する相対変位に際し、その磁石
が磁気センナに及ぼず磁界の強さの変化を、磁気センサ
にて十分正確に検知することができ、測定精度の有効な
る向」二をもたらすことができる。

そしてまた、ここにおける弾性エラストマは一般に、化
ステリシスロスがほとんどないので、それを荷重測定装
置、圧縮測定装置などに適用した場合において、作用外
力の増加および減少を正確に測定することができる。

さらに、合成材料または弾性もしくは可撓性材料にて構
成することができる永久磁石は、そこへの外力の作用に
対し、すぐれた耐久性を有するので、弾性エラストマお
よび磁気センサの十分なる耐久性と相俟って、感圧セン
サの耐久性を著しく高めることができる。

なおここにおいて、磁気センサの露出表面ならびにその
センサへのリード線接続部分を、耐水性の絶縁材料にて
密閉被覆した場合には、感圧センサの屋外、水中などで
の使用に際し、長期にわたる防塵および防水性を十分に
発揮することができる。

（実施例） 以下にこの発明を図示例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示す縦断面図であり、図
中１は磁気センナの一例としてのホール素子を示す。

ここでこのホール素子１は、第２図に示すように、半導
体薄Ｂ’Ａ　２の相互に対応する端子３，４に微小電流
を流した状態において、その薄膜２に作用する磁界がな
いときには、端子３，４と直交する方向に対抗して位置
する端子５．６間に電位差を生じさせることがない一方
、その薄膜表面と直交する方向に磁界′が作用するど、
端子５，６間に磁間の強さに比例した電圧信号をもたら
す磁電変換素子にて構成される。

このホール素子１を、好ましくは、高剛性の絶縁材料、
たとえば、ポリイミド句脂、フェノール樹脂、ポリメチ
ルメタクリレート樹脂などの高分子材料またはセラミッ
ク材料その他にて構成することができる荷重支持プレー
ト７上に固定し、そしてこのホール素子１０入出力端子
５．６にはリード線８．９をそれぞれ接続する。

なおここに６（ブるこれらのリード線８．９は、好まし
くは、耐水性の絶縁外皮を有する。

そしてこのホール素子上に（課、弾性エラストマ１０お
よび永久磁石１１を順次にＦ？ｉ層固足固定。なお図示
例では、弾性エラストマ１０アよび永久磁石１１の平面
寸法を、ホール素子１のそれよりも相当大きい寸法どし
ているが、それらの平面寸法を、ホール素子１のそれど
ほぼ同程度とすることも′Ｃ−き、このようにした場合
には、より一層小型の感圧センサを得ることができる。

ここｅ１ホール素子１に接着その他によって固定される
弾性エラストマ１０は、そこに作用する外力をそれ自身
の弾性変形量に変換すべく作用するものであることから
、外力の大きさと弾性変形量との関係を十分なる精度を
もって一定に維持するためには、そのエラストマ１０を
、前述したように、ヒステリシスロスの極めて小ざい材
料にて構成することが好ましく、かかる材料を選択した
場合には、この感圧センサーは、オン・オフスイッチに
適用されて常に適正なるスイッチング作動をもたらし得
るのみならず、荷重１３よび圧力測定装置に適用されて
十分なる測定精度を発揮することができる。なお、この
弾性エラストマ１０の厚さおよび硬度は、そこへ作用す
る外力の大きさに応じて適宜に選択することができる。

またこの例では、弾性エラストマ上に、これもまた接着
その他によって固定される永久磁石１１を、ゴムもしく
はゴム状弾性体からなる弾性材料に、フェライトその他
の磁性材料を分散混合してシート状に成形した後、ホー
ル素子１の平面寸法以上の磁極ピッチ幅で、磁性材料を
磁化させることによって構成する。

このようにして構成される感圧センサは、たとえば、ホ
ール素子１の寸法を、厚さｌｌｌ１ｍの３ｍ？とじ、弾
性エラストマ１０の厚さを５ｍｍ、永久磁石１１として
のゴム磁石の厚さを１ｍｍとすることにより、厚さ７ｍ
ｍで３ｍ？の極めて小型のものとすることができる。ま
たこの感圧センサは、金属材料その他の大比重の材ｒ１
をほとんど使用することなく構成することができるので
、著しく重量の小さいものとすることができる。

そしてまたこの例では、感圧センサの防塵および防水性
の向上のため、荷重支持プレート７と弾性エラストマ１
０との間において、ボール素子１の全側面およびその入
出力端子５，６へのリード線８．９の接続部分を、耐水
性を有する被覆材料１２によって密閉被覆する。

ここで、ホール素子１に荷重支持プレート７を固定しな
い場合には、ボール素子１の底面をもまた被覆材料１２
にて密閉被覆することが好適である。

なあ、この被覆材料１２に耐水性の他に耐油性をも付与
した場合には、感圧センサの屋外および水中での使用は
もちろん、油中での使用もまた可能になるという利点が
ある。

第３図はこのように構成してなる感圧センサのの、ホー
ル電圧とそのセンサに作用する外力との関係を示す特性
曲線であり、これによれば、ホール素子１は、弾性エラ
ストマ１０の作用下にて、感圧センサひいては永久磁石
１１に作用する外力の大きさに比例した電圧信号を出力
することができ、そしてその出力電圧値の、増加曲線と
減少曲線とにおける差は極めて微小であることが解かる
。

従って、この感圧センサを、押ボタンスイッヂその伯の
オン・オフスイッチに適用した場合には、たとえば、出
力電圧値が所定値以上になったことを検知することによ
り、特定値以上の大きざの外力に対して常に確実なるス
イッチング作動をもたらすことができる。また、この感
圧センサを荷重測定装置その伯に適用した場合には、ど
くには弾性エラストマ１０の小さなヒステリシスロスの
故に、十分な精度を有する測定結果をもたらすことがで
きる。

第４図はこの発明の感圧センサを、荷重分布測定装置に
適用した場合を例示する斜視図であり、この装置は、感
圧センナを三行三列に整列させて間隙なく配置するとと
もに、それぞれのリード線８．９を、各感圧センサの位
置およびそれぞれの感圧センサからの電圧信号を識別し
得る電子掃引装置その他に接続することにより構成され
る。

この装置によれば、位置を特定されたそれぞれの感圧セ
ンサから出力される電圧値を検知することにより、二次
元平面内でのｖｉｒｆｆｘ分ｎｉを正確に検知すること
ができる。なおここにおけるこの荷重分布はそれぞれの
荷重値を荷重作用面積にて除ｆることにより、圧力分布
に簡単に変換し得ることはもちろんである。

またかかる荷重分布測定装置ま分解能を向上させるため
には、−の荷重支持プレート７上に、たとえば数μｍの
ホール素子を高い密度にて集積し、その上に、弾性エラ
ストマ１０および永久磁石１１を順次に積苦固定するこ
とが好ましい。なおここで、数μｌ１１０のホール素子
は、たとえば、単一のシリコンウエハに、フォトリソグ
ラフィによるパターン形成法を適用することにより構成
することができる。

（発明の効果） 従って、この発明によれば、とくには、十分小さな寸法
とすることができる磁気センサに、弾性エラス１〜マお
よび永久磁石を順次に積層固定することその他にて感圧
センサを構成することができるので、感圧センサの構造
が簡単になるとともに、それの十分なる小形化および軽
量化を達成することができる。またここでは、ヒステリ
シスロスの少ない弾性エラストマによって、カー変位変
換を行っているので極めて精度の高い外力検知ならびに
測定を行うことが可能になるとともに、摩擦、疲労など
に起因する性能低下を有効に防止することができる。そ
してざらにここでは、弾性の顕著な弾性エラストマはも
ちろん、剛性部材、弾性部材その他とすることができる
永久磁石も、繰り返し変位に対して十分なる耐久性を有
するので、感圧センサそれ自身の耐久性の有利なる向上
をもたらすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す縦断面図、第２図は
ホール素子の作動原理を示す路線斜視図、 第３図は第１図の感圧センサのホール電圧と外力との関
係を示す特性曲線、 第４図は第１図の感圧センサの荷重分布測定装置への適
用例を示す斜視図である。 １・・・ホール素子　　　　　５・・・入力端子６・・
・出力端子　　　　　　８．９・・・リード線１０・・
・弾性エラストマ　　１１・・・永久磁石１２・・・被
覆材料 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、磁気センサと、この磁気センサ上に順次に積層固定
   した弾性エラストマおよび永久磁石と、磁気センサの入
   出力端子にそれぞれ接続したリード線とを具えてなる感
   圧センサ。 ２、前記磁気センサの露出表面ならびにそのセンサへの
   リード線接続部分を、耐水性を有する絶縁材料にて密閉
   被覆してなる１項記載のセンサ。