JPWO2016132868A1

JPWO2016132868A1 - 触覚センサの被覆構造及び触覚センサ

Info

Publication number: JPWO2016132868A1
Application number: JP2016543096A
Authority: JP
Inventors: 雄輝室田; 広梅林; 宇田　徹; 徹宇田; 秀和吉原; 泰介木村; 敬三外山
Original assignee: Nippon Mektron KK; Nok Corp
Current assignee: Nippon Mektron KK; Nok Corp
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-11-24
Also published as: TW201643395A; WO2016132868A1; TWI668417B; KR20170097000A; US10584983B2; US20170343394A1; CN107110724A; KR102053855B1

Abstract

本発明は、接着剤層を設けることなくセンサ本体と被覆層との接着性を十分に確保できると共に、被覆層の形成に伴うセンサの誤検知が生じるおそれのない触覚センサの被覆構造及び触覚センサを提供することを課題とする。本発明の触覚センサの被覆構造は、センサ本体2に弾性体からなる被覆層3を形成した触覚センサの被覆構造であって、被覆層3は、最も外側に配置される外層32と、センサ本体2に接して配置され、外層32よりも粘着性が高く且つ硬度が低い内層31との少なくとも２層からなると共に、注型成形によってセンサ本体2に一体成形されている。センサ本体2は基材4の上面に設置され、被覆層3は、センサ本体2と基材4とに亘って被覆されていると共に、基材4の下面は内層31によって被覆されていないことが好ましい。

Description

本発明は触覚センサの被覆構造及び触覚センサに関し、詳しくは、接着剤層を設けることなくセンサ本体と被覆層との接着性を十分に確保できると共に、被覆層の形成に伴うセンサの誤検知が生じるおそれのない触覚センサの被覆構造及び触覚センサに関する。

近年、人体の圧力を検知することを目的としたセンサ開発が盛んに行われている。これらは手、足、体それぞれの部位を直接測定する必要があり、表面が柔軟な被覆層によって覆われたセンサデバイスが求められている。

人体の圧力を検知するセンサとしては、従来、感圧ゴムセンサや静電容量型センサが知られている。何れのセンサも、センサ本体とその表面を覆う被覆層とを組み合わせるために、センサ本体と被覆層とをそれぞれ別体に成形した後、接着剤を用いて接着していた（特許文献１）。

特開２０１３−９６７１６号公報

従来のように、センサ本体と被覆層とを接着剤を用いて接着した場合、接着剤硬化時の内部応力によってセンサ本体に荷重が掛かった状態となってしまい、センサの誤検知を引き起こす要因の一つとなっている。このため、粘着テープを用いてセンサ本体と被覆層を接着することも考えられたが、センサ本体が凹凸を有する形状である場合は適用することが困難であった。

そこで、本発明は、接着剤層を設けることなくセンサ本体と被覆層との接着性を十分に確保できると共に、被覆層の形成に伴うセンサの誤検知が生じるおそれのない触覚センサの被覆構造及び触覚センサを提供することを課題とする。

また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

１．センサ本体に弾性体からなる被覆層を形成した触覚センサの被覆構造であって、
前記被覆層は、最も外側に配置される外層と、前記センサ本体に接して配置され、前記外層よりも粘着性が高く且つ硬度が低い内層との少なくとも２層からなると共に、注型成形によって前記センサ本体に一体成形されていることを特徴とする触覚センサの被覆構造。
２．前記センサ本体は基材の上面に設置されており、前記被覆層は、前記センサ本体と前記基材とに亘って被覆されていると共に、前記基材の下面は前記内層によって被覆されていないことを特徴とする前記１記載の触覚センサの被覆構造。
３．前記内層は、ショアＡ硬度が０度〜４０度であり、前記外層は、ショアＡ硬度が２０度〜９０度であることを特徴とする前記１又は２記載の触覚センサの被覆構造。
４．前記内層の厚さは、１．０ｍｍ〜２０．０ｍｍであり、前記外層の厚さは、０．２ｍｍ〜２．０ｍｍであることを特徴とする前記１、２又は３記載の触覚センサの被覆構造。
５．前記１〜４の何れかに記載の触覚センサの被覆構造を備えてなることを特徴とする触覚センサ。

本発明によれば、接着剤層を設けることなくセンサ本体と被覆層との接着性を十分に確保できると共に、被覆層の形成に伴うセンサの誤検知が生じるおそれのない触覚センサの被覆構造及び触覚センサを提供することができる。

本発明に係る触覚センサの被覆構造の第１の実施形態を示す触覚センサの平面図図１中の(ii)-(ii)線に沿う断面図本発明に係る触覚センサの第２の実施形態を示す触覚センサの平面図図３中の(iv)-(iv)線に沿う断面図

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明に係る触覚センサの被覆構造の第１の実施形態を示す触覚センサの平面図、図２は、図１中の(ii)-(ii)線に沿う断面図である。

触覚センサ１は、基材４の上面にセンサ本体２が設置され、基材４とセンサ本体２とに亘って一体に被覆するように、弾性体からなる被覆層３が一体成形されている。

センサ本体２は、ＦＰＣ（フレキシブルプリント回路基板）２１上に、例えば感圧センサや静電容量型センサ等からなる複数のセンサ素子２２が触覚センサ１の長さ方向に沿って一列に配列されており、樹脂や金属等からなる基材４の上面に、センサ素子２２を上方に配向させて設置されている。

この被覆層３は、内層３１と、該内層３１の外側を被覆するように配置される外層３２との２層構造であり、このうちの内層３１がセンサ本体２と接するように配置されている。

具体的には、内層３１は、幅広に形成されている基材４の先端側で、センサ本体２の上面を含む基材４の上面と、基材４の側面とを被覆するように設けられている。但し、内層３１は、基材４の下面と面一となるように形成されている。したがって、基材４の下面（センサ本体２が設置される面の反対面）は内層３１によって被覆されていない。

また、外層３２は、被覆層３の最も外側の層を構成し、この内層３１の外表面を被覆すると共に、基材４の下面にも回り込んで、該基材４の下面も被覆するように設けられている。この外層３２は、ＦＰＣ２１及びセンサ素子２２を設けているセンサ本体２を保護する機能を有している。そして、本発明では、被覆層３が基材４の下面側にも回り込んで一体成形されることにより、被覆層３が基材４から剥離するおそれがない。

内層３１と外層３２は何れも柔軟な弾性体からなるが、内層３１を構成する弾性体は、外層３２を構成する弾性体よりも粘着性が高く且つ硬度が低い弾性体によって構成されている。外層３２を構成する弾性体の方が、内層３１を構成する弾性体よりも架橋密度が大きく、粘着性が低くて硬度が高いものが好ましい。

被覆層３は、これら内層３１と外層３２の両層が、それぞれ注型成形によってセンサ本体２と基材４とに亘って一体成形されている。

注型成形は、基材４上にセンサ本体２を設置させた一体物を成形型内にセットした後、被覆層３の原料を流し込み、固化させることによって被覆層３を形成するものである。

具体的には、まず、基材４上にセンサ本体２が設置された一体物を内層３１用の成形型にセットし、内層３１の原料を流し込んで固化させる。このとき、基材４の下面を成形型の内壁面に当接させた状態とし、基材４の下面側には内層３１の原料が回り込まないようにする。

次いで、内層３１が一体成形された一体物を成形型から取り出し、次いで、外層３２用の成形型にセットする。このとき、基材４の下面を成形型の内壁面から外層３２の厚み分だけ離すことにより、基材４の下面にも外層３２の原料が回り込むようにする。そして、上記同様に外層３２の原料を流し込んで固化させ、内層３１の外面に外層３２を一体成形する。

これにより、センサ本体２及び基材４と被覆層３とは、外層３２よりも粘着性が高い内層３１の粘着力によって密着一体化される。また、内層３１と外層３２との間も、内層３１が有する粘着力によって密着一体化される。このため、センサ本体２や基材４と被覆層３との一体化のために接着剤を使用することなく、両者間の接着性を十分に確保できる。接着剤を使用しないため、接着剤硬化時の内部応力に起因する誤検知を発生させるおそれもない。

また、被覆層３は、外層３２よりも硬度が低い内層３１によって、センサ本体２に接するように注型成形によって一体成形される。したがって、センサ本体２の表面が凹凸形状であっても該凹凸形状に沿って隙間なく密着することができる。このため、凹凸形状のセンサ本体２であっても、被覆層３との接着性を十分に確保できることはもちろんのこと、外層３２に作用する荷重（圧力）を、内層３１を介して各センサ素子２２に確実に作用させことができる。しかも、別体物同士を組み合わせる際の接着作業や組み付け作業が不要となり、作業工数も削減できる。

さらに、注型成形は低温低圧での成形が可能であり、圧縮成形や射出成形のような高温高圧になることがないため、被覆層３の形成に起因して誤検知や破損を発生させるおそれもない。

本実施形態では基材４の下面には内層３１が被覆されないようにしている。このため、基材４の下面側の保護を図ると共に、基材４の下面側を台によって支持されるように触覚センサ１を設置した場合等に、センサ本体２の上面側から加わる荷重（圧力）を基材４が沈み込むことなく受け止めてセンサ素子２２に作用させることができる。したがって、より高精度の検知を行うことができる。また、内層３１の使用量を削減できるため、材料費を抑え、低コスト化を図ることもできる。

被覆層３に使用される弾性体の具体的な硬度は、内層３１がショアＡ硬度で０度〜４０度とすることが好ましく、０度〜２０度とすることがより好ましい。また、外層３２は、内層３１よりも硬度が高い条件で、ショアＡ硬度で２０度〜９０度とすることが好ましく、４０度〜６０度とすることがより好ましい。内層３１と外層３２の硬度がこの範囲内であれば、センサ本体２や基材４と被覆層３との一体化と検知精度の確保とを良好に両立することができる。

各層３１、３２の硬度は、使用される弾性体の材質を適宜選定することや、弾性体を成形する際の主剤と硬化剤の混合比を適宜選定することによって調整することができる。

被覆層３に使用される具体的な弾性体は、検知対象物の形状、性質等に応じて適宜選定されるものであり、特に限定されないが、軟質のゴム又は樹脂材料を使用することができる。具体的には、ゴム、シリコーン、ウレタン等が挙げられる。

内層３１と外層３２は、粘着性及び硬度が異なるものであれば、同じ材質であってもよいし、それぞれ異なる材質であってもよい。内層３１と外層３２との層間に高い接着性を付与できる観点からは、内層３１と外層３２は同材質であることが好ましい。

内層３１、外層３２の具体的な厚みは、内層３１の下に配置されるＦＰＣ２１の寸法、形状、断面形状、数量、配置、検知対象物、検知方法等によって適宜最適化できるものである。ただ、外層３２に作用する荷重（圧力）を内層３１を介してセンサ素子２２によって良好に検知できるようにする観点から、内層３１よりも外層３２を薄く形成することが好ましい。

具体的な厚みの一例を挙げれば、内層３１は、１．０ｍｍ〜２０．０ｍｍとすることが好ましく、２．０ｍｍ〜１０．０ｍｍとすることがより好ましい。また、外層３２は、内層３１よりも薄い条件で、０．２ｍｍ〜２．０ｍｍとすることが好ましく、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍとすることがより好ましい。内層３１と外層３２の厚みがこの範囲内であれば、センサ本体２や基材４と被覆層３との一体化と検知精度の確保とを良好に両立することができる。

この第１の実施形態の具体例を挙げると、図１、図２に示すように、複数のセンサ素子２２をＦＰＣ２１上に一列に配列させたセンサ本体２を基材４上に設置した一体物の外形寸法を、幅２０ｍｍ×高さ３０ｍｍ×厚み１０ｍｍに形成する。これらに被覆層３として注型成形によって、硬度０度のウレタン材料からなる６ｍｍ厚の内層３１を一体成形し、その外側に硬度５０度ウレタン材料からなる１ｍｍ厚の外層３２を一体成形した触覚センサ１を製造した。

得られた触覚センサ１の被覆層３の内層３１は、外層３２よりも粘着性が高く、センサ本体２及び基材４と被覆層３の内層３１とが隙間なく密着一体化され、内層３１と外層３２との間も密着一体化され、何れも剥離は認められず、十分な接着性が確保されることが確認できた。

この触覚センサ１に対して被覆層３の表面からセンサ素子２２に向けて、先端が丸め加工（Ｒ＝２ｍｍ）された棒で押したところ、外層３２及び内層３１の変形が確認でき、センサ素子２２からの信号出力も確認できた。また、得られた触覚センサ１の誤検知及び破損は全く確認されなかった。

次に、図３は、本発明に係る触覚センサの被覆構造の第２の実施形態を示す触覚センサの平面図、図４は、図３中の(iv)-(iv)線に沿う断面図である。
図１、図２と同一符号の部位は同一構成の部位を示しているため、それらの説明は上記説明を援用し、ここでは省略する。

この触覚センサ１０は、被覆層３が内層３１と外層３２の２層構造である点で上述した触覚センサ１と同一であるが、基材４上に設置されたセンサ本体２が、ＦＰＣ２１上に複数のセンサ素子２２を縦横に格子状に配列することによって構成されている点で相違する。そして、被覆層３は、内層３１がセンサ本体２と接するようにセンサ本体２と基材４とに亘って一体成形されている。

この触覚センサ１０の被覆構造及び触覚センサ１０によっても、上記触覚センサ１の被覆構造及び触覚センサ１と同様の効果が得られる。また、この触覚センサ１０も、基材４の下面側は内層３１によって被覆されておらず、最も外側の層を構成する外層３２のみが、内層３１の外側及び基材４の下面側を包むように一体成形されているので、前記触覚センサ１の場合と同様、被覆層３が基材４から剥離するおそれがない。また、基材４の沈み込みを抑えたより高精度の検知が可能になり、内層３１の使用量の削減による低コスト化を図ることもできる。

この第２の実施形態の具体例を挙げると、図３、図４に示すように、複数のセンサ素子２２をＦＰＣ２１上に一縦横に格子状に配列させたセンサ本体２を基材４上に設置した一体物の外形寸法を、１００ｍｍ×１００ｍｍの四角形状に形成する。これに被覆層３として注型成形によって、硬度０度のウレタン材料からなる５ｍｍ厚の内層３１を一体成形し、その外側に硬度５０度ウレタン材料からなる１ｍｍ厚の外層３２を一体成形した触覚センサ１０を製造した。

内層３１は外層３２よりも粘着性が高く、センサ本体２及び基材４と被覆層３の内層３１とが隙間なく密着一体化された。また、内層３１と外層３２との間でも密着一体化され、何れも剥離は認められず、十分な接着性が確保されることが確認できた。

この触覚センサ１０に対して被覆層３の表面からセンサ素子２２に向けて、上記同様に先端が丸め加工（Ｒ＝２ｍｍ）された棒で押したところ、外層３２及び内層３１の変形が確認でき、センサ素子２２からの信号出力も確認できた。また、得られた触覚センサ１０の誤検知及び破損は全く確認されなかった。

以上説明した触覚センサ１、１０の被覆層３は、内層３１と外層３２の２層構造としたが、本発明の効果を損なわない範囲で、内層３１と外層３２との間に１又は２以上の他の弾性体からなる層を注型成形によって一体成形してもよい。

また、被覆層３は、少なくともセンサ本体２の上面に被覆されていればよく、必ずしもセンサ本体２の上面から基材４の下面側に亘って形成されていなくてもよい。

さらに、センサ本体２の平面形状、センサ素子２２の配列形態及び基材４の形状は、何れも以上説明した触覚センサ１、１０の態様に限定されず、様々な平面形状、配列形態及び形状とすることができる。

本発明における触覚センサの被覆構造及び触覚センサは、医療、介護分野における体圧分布センサ、介護ロボットのアーム、車両用シートの着座認証システム等のように人体と接触する必要がある箇所の触覚センサに好ましく適用できる。

１、１０：触覚センサ
２：センサ本体
２１：ＦＰＣ
２２：センサ素子
３：被覆層
３１：内層
３２：外層
４：基材

Claims

センサ本体に弾性体からなる被覆層を形成した触覚センサの被覆構造であって、
前記被覆層は、最も外側に配置される外層と、前記センサ本体に接して配置され、前記外層よりも粘着性が高く且つ硬度が低い内層との少なくとも２層からなると共に、注型成形によって前記センサ本体に一体成形されていることを特徴とする触覚センサの被覆構造。
前記センサ本体は基材の上面に設置されており、前記被覆層は、前記センサ本体と前記基材とに亘って被覆されていると共に、前記基材の下面は前記内層によって被覆されていないことを特徴とする請求項１記載の触覚センサの被覆構造。
前記内層は、ショアＡ硬度が０度〜４０度であり、前記外層は、ショアＡ硬度が２０度〜９０度であることを特徴とする請求項１又は２記載の触覚センサの被覆構造。
前記内層の厚さは、１．０ｍｍ〜２０．０ｍｍであり、前記外層の厚さは、０．２ｍｍ〜２．０ｍｍであることを特徴とする請求項１、２又は３記載の触覚センサの被覆構造。
請求項１〜４の何れかに記載の触覚センサの被覆構造を備えてなることを特徴とする触覚センサ。