WO2018116821A1 - 感圧センサー - Google Patents

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WO2018116821A1
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electrodes
electrode
sensitive sensor
variable resistance
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一輝 山田
近藤　康雄
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北川工業株式会社
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    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0002—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using variations in ohmic resistance

Definitions

  • This disclosure relates to a pressure-sensitive sensor.
  • a pressure-sensitive sensor having a structure in which a pair of comb-shaped electrodes and a resistor layer are stacked is known (for example, see Patent Document 1).
  • a slight gap is provided between the comb electrode and the resistor layer, and when a load is applied in the stacking direction of the comb electrode and the resistor layer, the load increases, The contact area between the comb electrode and the resistor layer is increased.
  • the electrical resistance decreases between the one comb-shaped electrode and the other comb-shaped electrode by an amount corresponding to an increase in the contact area between the comb-shaped electrode and the resistor layer. Therefore, the pressure acting on the pressure-sensitive sensor can be measured by reading the change in electrical resistance.
  • a measure other than a pressure sensor can be taken, for example, by attaching something like a soft sponge to the surface of a hard part to reduce the foreign object sensation.
  • a pressure-sensitive sensor if a sponge-like object is attached to the pressure-sensitive part, the pressure detection accuracy may be reduced. Or, if something like a sponge is attached to the pressure-sensitive part, the range from the lower limit value to the upper limit value at which pressure can be detected may be narrowed. Further, in the case of the pressure sensor as described above, there is a problem that the electric resistance suddenly decreases when a certain amount of pressure is applied, and the change in the electric resistance becomes small at a higher load range. .
  • One aspect of the present disclosure is a pressure-sensitive sensor, which is a material provided with conductivity by dispersing a conductive filler in an elastomer material, and a conductive foamed elastomer that is a material obtained by foaming an elastomer material It is composed of a material, and when pressed, it is compressed according to the pressure, and the electric resistance decreases as the amount of compression increases, and one surface in contact with the variable resistance part is spaced from each other.
  • a plurality of electrodes arranged at positions, and the plurality of electrodes are connected by a plurality of virtual line segments that do not intersect each other, and a plurality of triangular regions are defined by the line segments.
  • at least one of the three electrodes located at the positions corresponding to the vertices of each region is a signal electrode and at least one is a ground electrode.
  • variable resistance portion is formed of the conductive foamed elastomer material. Therefore, the surface of the pressure-sensitive portion can be made softer than a pressure-sensitive sensor configured using a non-foaming conductive material (for example, conductive rubber). Therefore, with such a pressure-sensitive sensor, it is possible to reduce the sensation of foreign matter even when the pressure sensor is installed on a part touched by a person.
  • a non-foaming conductive material for example, conductive rubber
  • the electric resistance of the variable resistance portion decreases as the amount of compression increases. Therefore, unlike a pressure-sensitive sensor configured such that the electrical resistance decreases as the contact area between the comb-shaped electrode and the resistor layer increases, the electrical resistance in the variable resistance section changes as the compression amount of the variable resistance section changes. Change.
  • the plurality of electrodes are arranged at the characteristic positions as described above. Thereby, it can suppress that electrical resistance falls rapidly when a certain amount of pressure is applied, and electrical resistance changes moderately from a low load area to a high load area. Therefore, it is possible to appropriately detect the pressure from the low load range to the high load range.
  • FIG. 1A is a front view of a pressure-sensitive sensor.
  • FIG. 1B is a right side view of the pressure sensor.
  • FIG. 2A is an explanatory view showing the essential parts of the pressure sensor in an exploded manner.
  • FIG. 2B is an explanatory view showing the electrode substrate in an exploded manner.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram showing a positional relationship between the shape of the first conductive portion and the second conductive portion and the electrode.
  • FIG. 3B is an explanatory diagram showing the positional relationship between the electrodes.
  • FIG. 4A is a front view showing a main part of a pressure-sensitive sensor of a comparative example.
  • FIG. 4B is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the test apparatus.
  • FIG. 4A is a front view showing a main part of a pressure-sensitive sensor of a comparative example.
  • FIG. 5 is a graph showing the pressure-sensitive characteristics of Examples and Comparative Examples.
  • FIG. 6A is a front view showing the main part of the pressure-sensitive sensor of the first modification.
  • FIG. 6B is a front view showing the main part of the pressure-sensitive sensor of the second modified example.
  • FIG. 6C is a front view showing the main part of the pressure-sensitive sensor of the third modification.
  • FIG. 6D is a front view showing the main part of the pressure-sensitive sensor of the fourth modified example.
  • the pressure-sensitive sensor 1 includes a variable resistance portion 3, an electrode substrate 5, a spacer 7, and the like.
  • the variable resistance portion 3 is made of a conductive foamed elastomer material.
  • the conductive foamed elastomer material is a material imparted with conductivity by dispersing carbon fibers in the elastomer material, and is a material obtained by foaming the elastomer material.
  • SEEPS styrene ethylene ethylene propylene styrene block copolymer
  • vapor-grown carbon fiber product name: VGCF (registered trademark) -H, average fiber diameter of 0.15 ⁇ m, fiber length of 10 to 20 ⁇ m, aspect ratio of 66.7 to 133.3, manufactured by Showa Denko KK
  • a commercially available foaming agent product name: Daifoam H850, manufactured by Dainichi Seika Kogyo Co., Ltd.
  • Daifoam H850 manufactured by Dainichi Seika Kogyo Co., Ltd.
  • the above-mentioned raw materials are mixed at a blending ratio of 35 parts by mass of vapor-grown carbon fiber and 3 parts by mass of the blowing agent with respect to 100 parts by mass of the elastomer material.
  • a twin screw extruder By extruding the mixture with a twin screw extruder, it is possible to obtain a molded article of a conductive foamed elastomer material containing innumerable closed cells.
  • the expansion ratio of the conductive foamed elastomer material is 2.01 times.
  • a planar variable resistance portion 3 is formed of such a conductive foamed elastomer material.
  • variable resistance portion 3 is a member that is compressed according to pressure when pressurized, and the electrical resistance decreases as the amount of compression increases.
  • the variable resistance portion is configured in a disk shape having a diameter of 18 mm and a thickness of 2.5 mm.
  • the electrode substrate 5 has three signal electrodes 11A, four ground electrodes 11B, a signal terminal 13A, and a ground terminal 13B.
  • Lead wires 14A and 14B (or a flexible flat cable or the like) having a desired length can be connected to the signal terminal 13A and the ground terminal 13B.
  • the signal electrode 11A and the ground electrode 11B differ only in the positions where they are arranged, and there is no difference in appearance.
  • a region corresponding to the ground electrode 11B on the drawing is shaded so that it can be easily determined which is the signal electrode 11A and which is the ground electrode 11B.
  • the signal terminal 13A and the ground terminal 13B are also shaded in the area corresponding to the ground terminal 13B for the same purpose as the signal electrode 11A and the ground electrode 11B.
  • the electrode substrate 5 has a three-layer structure, and a base material 15 as a first layer, a first conductive portion 17A and a second conductive portion 17B as second layers, And an insulating layer 19 serving as a third layer.
  • the base material 15, the first conductive portion 17A, and the second conductive portion 17B are configured using a glass epoxy substrate. That is, the base material 15 is constituted by a prepreg (FR-4) formed by impregnating a glass fiber woven fabric with an epoxy resin.
  • 17A of 1st electroconductive parts and the 2nd electroconductive part 17B are comprised by the electroless gold plating film provided in the copper foil stretched on the above-mentioned prepreg, and the surface of the copper foil.
  • the insulating layer 19 is composed of an insulating thin film formed by applying a solder resist composition to a glass epoxy substrate.
  • Each of the first conductive portion 17A and the second conductive portion 17B has a shape as shown in FIG. 2A.
  • the insulating layer 19 corresponds to the signal electrode 11A, the ground electrode 11B, the signal terminal 13A, and the ground terminal 13B, as shown in FIG. 3A. In a range other than the region, the surface of the first conductive portion 17A and the second conductive portion 17B is covered.
  • the signal electrode 11 ⁇ / b> A and the ground electrode 11 ⁇ / b> B are connected by a plurality of virtual line segments that do not intersect each other (see the virtual line in FIG. 3B). Assuming a plurality of triangular regions, at least one of the three electrodes at positions corresponding to the vertices of each region is a signal electrode 11A and at least one is a ground electrode 11B. Has been.
  • the triangular area is an equilateral triangular area. That is, the distance between the centers of the three electrodes located at the positions corresponding to the vertices of each area is the same distance in any area (in this embodiment, the distance between the centers of the electrodes is about 9 mm, and the distance between the electrodes is about 6.3 mm.).
  • the distance between the centers of the electrodes is about 9 mm, and the distance between the electrodes is about 6.3 mm.
  • the spacer 7 is a thin layer having a thickness of about 0.1 mm sandwiched between the variable resistance portion 3 and the electrode substrate 5. As shown in FIG. 2A, the spacer 7 has a plurality of (seven in this embodiment) holes 9. These holes 9 are provided at positions corresponding to the signal electrode 11A and the ground electrode 11B. As a result, the variable resistance portion 3, the signal electrode 11 ⁇ / b> A, and the ground electrode 11 ⁇ / b> B are opposed to each other with a gap corresponding to the thickness of the spacer 7.
  • the spacer 7 is made of an acrylic adhesive. Thereby, the spacer 7 is interposed between the variable resistance portion 3 and the electrode substrate 5 and also functions as an adhesive layer for bonding the variable resistance portion 3 and the electrode substrate 5.
  • the pressure-sensitive performance of the pressure-sensitive sensor 1 configured as described above was measured (Example).
  • a pressure-sensitive sensor 2 having different electrode and electrode substrate shapes as shown in FIG. 4A was prepared, and the pressure-sensitive performance was measured by the same method (comparative example).
  • the pressure-sensitive sensor 2 has one signal electrode 12A and one ground electrode 12B.
  • the signal electrode 12 ⁇ / b> A and the ground electrode 12 ⁇ / b> B are formed in a substantially rectangular shape and are arranged in parallel with a certain interval in a direction orthogonal to the longitudinal direction.
  • a spacer made of the same material as that of the pressure sensor 1 and a variable resistance portion are stacked on the signal electrode 12A and the ground electrode 12B.
  • a compression tester 20 and an ohmmeter 30 as shown in a schematic configuration in FIG. 4B were used.
  • the compression tester 20 is a commercially available device including a pedestal 21, an indenter 23, a load cell 25, and the like.
  • the ohmmeter 30 is a commercially available multimeter capable of measuring voltage and current in addition to resistance.
  • a pressure sensor was installed on the pedestal 21 of the compression tester 20, and a resistance meter 30 was attached to the terminal of the pressure sensor, and the change in resistance value when the compression load was changed was measured. .
  • the stress [N] at the time of pressurization was obtained by the load cell 25, and the pressure [Pa] was calculated by dividing by the pressurization area. The measurement results are shown in FIG.
  • the pressure sensor 1 of the example has an electrical resistance in a wide range from a low load region to a high load region when the pressure is changed, compared to the pressure sensor 2 of the comparative example. It turns out that changes moderately.
  • the electric resistance greatly changes in a low load region where the pressure is less than 20 kPa, whereas in the high load region where the pressure is 20 kPa or more, the electric resistance increases as the low load region. It will not change.
  • the pressure-sensitive sensor 2 of the comparative example when the pressure is 30 kPa or more, the change in electrical resistance becomes extremely small, and thus it is difficult to accurately detect a slight change in pressure in this region.
  • the electrical resistance of the pressure-sensitive sensor 1 according to the example greatly fluctuates even when the pressure becomes 30 kPa or more. Therefore, the pressure sensor 1 of the embodiment has higher resolution at the time of pressure measurement, and a slight change in pressure can be detected more accurately than the pressure sensor 2 of the comparative example.
  • variable resistance portion 3 is made of the conductive foamed elastomer material as described above. Therefore, the surface of the pressure-sensitive portion can be made softer than a pressure-sensitive sensor configured using a non-foaming conductive material (for example, conductive rubber). Therefore, with such a pressure-sensitive sensor 1, it is possible to reduce the foreign object sensation even when the pressure sensor 1 is installed on a part touched by a person.
  • a non-foaming conductive material for example, conductive rubber
  • the pressure-sensitive sensor 1 can be incorporated in a chair and used as a sensor for managing the posture at the time of sitting.
  • the pressure-sensitive sensor 1 can be incorporated into shoes and used as a sensor for confirming the movement of the center of gravity during walking. If such a walking state can be managed, it can be used to prevent lifestyle-related diseases depending on how to walk.
  • the pressure-sensitive sensor 1 can be incorporated in a bed, and weight shift at bedtime can be recorded. Thereby, it can utilize for the improvement of the quality of sleep.
  • the variable resistance portion 3 has a lower electrical resistance as the amount of compression increases. Therefore, unlike a pressure-sensitive sensor configured such that the electrical resistance decreases as the contact area between the comb-shaped electrode and the resistor layer increases, the electrical resistance in the variable resistance unit 3 changes as the compression amount of the variable resistance unit 3 changes. Resistance changes.
  • the signal electrode 11A and the ground electrode 11B are arranged at characteristic positions as shown in FIG. 3B. As a result, as shown in FIG. 5, it is possible to suppress a sudden drop in electrical resistance when a certain amount of pressure is applied in the low load range, and the electrical resistance is moderately maintained from the low load range to the high load range. Change. Therefore, it is possible to appropriately detect the pressure from the low load range to the high load range.
  • each electrode is not limited.
  • two signal electrodes 11A and three ground electrodes 11B may be provided. Even in this case, each electrode can be arranged at a position corresponding to the apex of the equilateral triangle region.
  • four signal electrodes 11A and four ground electrodes 11B may be provided. Even in this case, each electrode can be arranged at a position corresponding to the apex of the equilateral triangle region.
  • the number of electrodes may be appropriately adjusted in consideration of, for example, the area of the pressure-sensitive portion (variable resistance portion), the area of the electrode, the distance between the electrodes, the resistance value of the variable resistance portion, and the like in the pressure sensor. .
  • each electrode is arranged at the position corresponding to the vertex of the equilateral triangle area, but the position at which each electrode is arranged is not limited to the position corresponding to the apex of the equilateral triangle area.
  • each electrode may be arranged at a position corresponding to the vertex of the isosceles triangle region.
  • at least one of the three electrodes at the vertices of the isosceles triangular region is the signal electrode 11A, and at least one is the ground electrode 11B.
  • the isosceles in the isosceles triangle is longer than the other one. Therefore, if the length of the isosceles side is set to the optimum inter-electrode distance, the length of the other side becomes shorter than the optimum inter-electrode distance. Therefore, in this case, it is preferable to set the shape and size of the isosceles triangular region so that the length of the other side is not excessively small.
  • the length of the other side is set to the optimum inter-electrode distance
  • the length of the isosceles side becomes longer than the optimum inter-electrode distance. Therefore, in this case, it is preferable to set the shape and size of the isosceles triangle region so that the length of the isosceles is not excessive.
  • the length of the isosceles and the length of the other side may be selected within the numerical range.
  • each electrode is arranged at a position corresponding to the apex of the equilateral triangle region, it is possible to set an optimum inter-electrode distance and at the same time to arrange a plurality of electrodes while ensuring such an inter-electrode distance. . Therefore, from the viewpoint of increasing the electrode density, it is preferable to arrange each electrode at a position corresponding to the apex of the equilateral triangle region.
  • each electrode may be arranged at a position corresponding to the vertex of a right-angled isosceles triangle region.
  • each electrode is substantially arranged at a position corresponding to the vertex of the square region.
  • at least one of the three electrodes at the vertices of the right isosceles triangle region is the signal electrode 11A, and at least one is the ground electrode 11B.
  • styrene-type elastomer as a base material
  • styrene-type elastomer illustrated the styrene ethylene ethylene propylene styrene block copolymer (SEEPS)
  • SEEPS styrene ethylene ethylene propylene styrene block copolymer
  • styrene isoprene styrene block copolymer SIS
  • styrene butadiene styrene block copolymer SBS
  • styrene ethylene propylene block copolymer SEP
  • SEBS styrene ethylene butylene styrene block copolymer
  • SEPS styrene ethylene propylene styrene block copolymer
  • SEPS styrene ethylene propylene styrene block copolymer
  • an elastomer material other than styrene elastomer may be used as a base material.
  • silicone rubber may be used, and more specifically, vinyl methyl silicone rubber, methyl silicone rubber, phenyl methyl silicone rubber, fluoro silicone rubber, and the like can be used. These silicone rubbers may be used alone or in combination of two or more.
  • vapor grown carbon fiber is used as the conductive filler, but other conductive fillers may be used.
  • other conductive fillers include carbon fibers other than vapor-grown carbon fibers, graphite, and metal powder.
  • the pressure-sensitive sensor of the present disclosure may further include the following configurations.
  • the plurality of electrodes may be arranged in each of a plurality of triangular regions such that each of the three interior angles of each region is an acute angle or a right angle.
  • each of the three inner angles of each region is an acute angle or a right angle. Therefore, it is possible to suppress the length of the opposite side of the obtuse angle (that is, one side different from the two sides forming the obtuse angle) from being excessive as compared to the case where any one of the inner angles is an obtuse angle. Therefore, compared to the case where any one of the inner angles is an obtuse angle, it is possible to arrange a plurality of electrodes at a higher density when arranging a plurality of electrodes while ensuring a predetermined inter-electrode distance. The sensitivity of the pressure sensor can be improved by the amount.
  • the plurality of electrodes may be arranged so that each of the plurality of triangular regions becomes a regular triangular region.
  • each region is a regular triangular region. Therefore, compared to the case where each region is not an equilateral triangle region, one or two sides of the triangle will not be longer than the other sides. Therefore, compared to the case where each region is not an equilateral triangle region, a plurality of electrodes can be arranged at a higher density when arranging a plurality of electrodes while ensuring a predetermined inter-electrode distance. The sensitivity of the pressure sensor can be improved by the amount.
  • the plurality of electrodes may be arranged at positions spaced from each other by 0.5 mm or more. According to the pressure sensor configured as described above, unlike the pressure sensor in which the distance between the electrodes is less than 0.5 mm, it is not necessary to perform fine processing when forming the electrodes. The productivity of the pressure sensor can be improved.
  • the substrate has a substrate configured in a planar shape, a plurality of electrodes are provided on one surface of the substrate, and the variable resistance portion is configured in a planar shape, A plurality of electrodes may be sandwiched between the base material and the variable resistance portion by being arranged on one surface.
  • a plurality of electrodes are supported by the base material even when the variable resistance portion is deformed by receiving pressure. Therefore, the distance between electrodes as designed can be appropriately maintained.

Abstract

【課題】異物感を抑制可能で、低荷重域から高荷重域にわたって圧力に対する感度が良好な感圧センサーを提供すること。 【解決手段】感圧センサーは、可変抵抗部と、複数の電極とを備える。可変抵抗部は、導電性発泡エラストマー材料によって構成される。導電性発泡エラストマー材料は、エラストマー材料中に導電性フィラーを分散させることによって導電性が付与された材料であり、かつエラストマー材料を発泡させた材料である。複数の電極は、可変抵抗部に接する一面において、互いに間隔を空けた位置に配置される。

Description

感圧センサー
 　本開示は、感圧センサーに関する。
 　一対の櫛形電極と、抵抗体層を積層した構造とされた感圧センサーが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような感圧センサーの場合、櫛形電極と抵抗体層との間には僅かな空隙が設けられ、櫛形電極と抵抗体層の積層方向に荷重がかかった際、その荷重が増大するほど、櫛形電極と抵抗体層との接触面積が増大するように構成されている。これにより、感圧センサーにかかる荷重が増大すると、櫛形電極と抵抗体層との接触面積が増大する分だけ、一方の櫛形電極と他方の櫛形電極との間で電気抵抗が低下する。したがって、この電気抵抗の変化を読み取ることにより、感圧センサーに作用した圧力を測定することができる。
特開２０１０－２３０６４７号公報
 　上述のような感圧センサーの多くは、感圧部分の表面が硬い。そのため、人が触れる部分に感圧センサーを設置すると異物感があり、そのような異物感を低減したいという要望がある。このような異物感を低減する方法として、感圧センサー以外の場合であれば、例えば硬い部分の表面に柔らかいスポンジのようなものを取り付けて異物感を緩和する、といった対策を施すことができる。
 　しかし、感圧センサーの場合は、感圧部分にスポンジのようなものを取り付けると、圧力の検出精度が低下してしまうおそれがある。あるいは、感圧部分にスポンジのようなものを取り付けると、圧力を検出可能な下限値から上限値までの範囲が狭まってしまうおそれがある。また、上述のような感圧センサーの場合、ある程度の圧力がかかった時点で急激に電気抵抗が低下してしまい、それ以上の高荷重域では電気抵抗の変化が小さくなってしまうという問題もある。
 　本開示の一局面においては、異物感を抑制可能で、低荷重域から高荷重域にわたって圧力に対する感度が良好な感圧センサーを提供することが望ましい。
 　本開示の一態様は、感圧センサーであって、エラストマー材料中に導電性フィラーを分散させることによって導電性が付与された材料であり、かつエラストマー材料を発泡させた材料である導電性発泡エラストマー材料によって構成され、加圧された際には圧力に応じて圧縮されて、その圧縮量が増大するほど電気抵抗が低下する可変抵抗部と、可変抵抗部に接する一面において、互いに間隔を空けた位置に配置される複数の電極とを備え、複数の電極は、各電極の中心間を互いに交差しない複数の仮想的な線分で結んで当該線分によって区画される複数の三角形の領域を想定した際に、各領域の頂点に対応する位置にある三つの電極のうち、少なくとも一つが信号電極となり、かつ、少なくとも一つがグランド電極となるように配置されている。
 　このように構成された感圧センサーによれば、可変抵抗部が導電性発泡エラストマー材料によって構成されている。そのため、非発泡性導電材料（例えば導電ゴムなど。）を利用して構成された感圧センサーに比べ、感圧部分の表面を柔らかくすることができる。したがって、このような感圧センサーであれば、人が触れる部分に設置した場合でも異物感を低減することができる。
 　また、本開示の感圧センサーの場合、可変抵抗部は、圧縮量が増大するほど電気抵抗が低下する。そのため、櫛形電極と抵抗体層との接触面積が増大するほど電気抵抗が低下するように構成された感圧センサーとは異なり、可変抵抗部の圧縮量が変化すれば可変抵抗部における電気抵抗が変化する。しかも、本開示の感圧センサーの場合、複数の電極が上述のような特徴的な位置に配置されている。これにより、ある程度の圧力がかかった時点で急激に電気抵抗が低下してしまうのを抑制でき、低荷重域から高荷重域にわたって電気抵抗が適度に変化する。よって、低荷重域から高荷重域にわたって圧力を適切に検出することができる。
図１Ａは感圧センサーの正面図である。図１Ｂは感圧センサーの右側面図である。 図２Ａは感圧センサーの要部を分解して示す説明図である。図２Ｂは電極基板を分解して示す説明図である。 図３Ａは第一導電部及び第二導電部の形状と電極との位置関係を示す説明図である。図３Ｂは電極同士の位置関係を示す説明図である。 図４Ａは比較例の感圧センサーの要部を示す正面図である。図４Ｂは試験装置の概略構成を示す説明図である。 図５は実施例及び比較例の感圧特性を示すグラフである。 図６Ａは第一変形例の感圧センサーの要部を示す正面図である。図６Ｂは第二変形例の感圧センサーの要部を示す正面図である。図６Ｃは第三変形例の感圧センサーの要部を示す正面図である。図６Ｄは第四変形例の感圧センサーの要部を示す正面図である。
 　次に、上述の感圧センサーについて、例示的な実施形態を挙げて説明する。
 　　［感圧センサーの構成］
 　図１Ａ及び図１Ｂに示すように、感圧センサー１は、可変抵抗部３、電極基板５、及びスペーサー７などを有する。可変抵抗部３は、導電性発泡エラストマー材料によって構成されている。導電性発泡エラストマー材料は、エラストマー材料中に炭素繊維を分散させることによって導電性が付与された材料であり、かつエラストマー材料を発泡させた材料である。
 　より詳しくは、本実施形態の場合、エラストマー材料としては、スチレン系エラストマー（スチレンエチレンエチレンプロピレンスチレンブロック共重合体（ＳＥＥＰＳ）、分子量：１０万、スチレン含有率：３０質量％、製品名：セプトン（登録商標）４０３３、株式会社クラレ製）に対し、軟化剤として炭化水素系プロセスオイル（パラフィン系プロセスオイル、４０℃での動粘度：３０．９ｍｍ2／ｓ、分子量：４００、ＳＰ値７．４）
を配合してなるエラストマー材料（配合比：ＳＥＥＰＳ／炭化水素系プロセスオイル＝２２．８／７７．２（質量部））を使用している。炭素繊維としては、気相成長炭素繊維（品名：ＶＧＣＦ（登録商標）－Ｈ、平均繊維径０．１５μｍ、繊維長１０～２０μｍ、アスペクト比６６．７～１３３．３、昭和電工株式会社製）を使用している。また、エラストマー材料を発泡させるために、市販の発泡剤（品名：ダイフォームＨ８５０、大日精化工業株式会社製）を配合している。
 　本実施形態の場合、上述の原料は、エラストマー材料１００質量部に対して、気相成長炭素繊維３５質量部、及び発泡剤３質量部の配合比で混合される。その混合物を二軸押出機で押し出すことにより、無数の独立気泡を含む導電性発泡エラストマー材料の成形品を得ることができる。本実施形態の場合、導電性発泡エラストマー材料の発泡倍率は２．０１倍である。このような導電性発泡エラストマー材料で、面状の可変抵抗部３が構成されている。可変抵抗部３は、加圧された際には圧力に応じて圧縮されて、その圧縮量が増大するほど電気抵抗が低下する部材となる。なお、本実施形態の場合、可変抵抗部は直径１８ｍｍ×厚さ２．５ｍｍの円板状に構成されている。
 　電極基板５は、図２Ａに示すように、三つの信号電極１１Ａと、四つのグランド電極１１Ｂと、信号端子１３Ａと、グランド端子１３Ｂとを有する。信号端子１３Ａ及びグランド端子１３Ｂには、所望の長さのリード線１４Ａ，１４Ｂ（あるいはフレキシブルフラットケーブルなど）を接続することができる。なお、実際の感圧センサー１において、信号電極１１Ａ及びグランド電極１１Ｂは、それぞれが配置されている位置に違いがあるだけで、外観上の差異はない。ただし、図２Ａ等においては、どれが信号電極１１Ａでどれがグランド電極１１Ｂなのかを容易に判別できるようにするため、図面上のグランド電極１１Ｂに相当する領域には網を掛けてある。信号端子１３Ａ及びグランド端子１３Ｂについても、信号電極１１Ａ及びグランド電極１１Ｂの場合と同様の主旨で、グランド端子１３Ｂに相当する領域には網を掛けてある。
 　また、電極基板５は、図２Ｂに示すように、三層構造になっていて、第一層となる基材１５と、第二層となる第一導電部１７Ａ及び第二導電部１７Ｂと、第三層となる絶縁層１９とを有する。本実施形態の場合、基材１５、第一導電部１７Ａ、及び第二導電部１７Ｂは、ガラスエポキシ基板を利用して構成されている。すなわち、基材１５は、ガラス繊維織布にエポキシ樹脂を含浸させてなるプリプレグ（ＦＲ－４）によって構成されている。また、第一導電部１７Ａ及び第二導電部１７Ｂは、上述のプリプレグ上に張られた銅箔、及びその銅箔の表面に設けられた無電解金めっき膜によって構成されている。
 　絶縁層１９は、ガラスエポキシ基板に対してソルダーレジスト組成物を塗工することによって構成された絶縁性薄膜によって構成されている。第一導電部１７Ａ及び第二導電部１７Ｂは、それぞれが図２Ａに示した通りの形状とされている。このような形状の第一導電部１７Ａ及び第二導電部１７Ｂに対し、絶縁層１９は、図３Ａに示すように、信号電極１１Ａ、グランド電極１１Ｂ、信号端子１３Ａ、及びグランド端子１３Ｂに対応する領域以外の範囲において、第一導電部１７Ａ及び第二導電部１７Ｂの表面を被覆する状態にある。
 　これにより、第一導電部１７Ａ及び第二導電部１７Ｂのうち、絶縁層１９に覆われていない箇所が外部に露出して、その露出箇所によって上述の信号電極１１Ａ、グランド電極１１Ｂ、信号端子１３Ａ、及びグランド端子１３Ｂが構成される。よって、三つの信号電極１１Ａと信号端子１３Ａは、互いに電気的に接続された同電位の箇所となる。また、四つのグランド電極１１Ｂとグランド端子１３Ｂは、互いに電気的に接続された同電位の箇所となる。なお、図２Ｂにおいては、第一導電部１７Ａ及び第二導電部１７Ｂについて、信号電極１１Ａ及びグランド電極１１Ｂの場合と同様の主旨で、第二導電部１７Ｂに相当する領域には網を掛けてある。
 　信号電極１１Ａ及びグランド電極１１Ｂは、図３Ｂに示すように、各電極の中心間を互いに交差しない複数の仮想的な線分（図３Ｂ中の仮想線参照。）で結んで当該線分によって区画される複数の三角形の領域を想定した際に、各領域の頂点に対応する位置にある三つの電極のうち、少なくとも一つが信号電極１１Ａとなり、かつ、少なくとも一つがグランド電極１１Ｂとなるように配置されている。
 　本実施形態の場合、上記三角形の領域は、正三角形の領域とされている。すなわち、各領域の頂点に対応する位置にある三つの電極の中心間距離は、どの領域においても等距離（本実施形態の場合は、電極の中心間距離が約９ｍｍ、電極間の間隔は約６．３ｍｍ。）になっている。これにより、どの正三角形領域においても、必ず対になる信号電極１１Ａ及びグランド電極１１Ｂが存在し、かつ、その対になる信号電極１１Ａとグランド電極１１Ｂとの中心間距離は、どの正三角形領域であっても等距離になる。
 　スペーサー７は、可変抵抗部３と電極基板５との間に挟み込まれた、厚さ約０．１ｍｍの薄層である。スペーサー７は、図２Ａに示すように、複数（本実施形態の場合は七つ。）の孔９を有する。これらの孔９は、信号電極１１Ａ及びグランド電極１１Ｂに対応する位置に設けられている。これにより、可変抵抗部３と信号電極１１Ａ及びグランド電極１１Ｂは、スペーサー７の厚み相当の間隙を空けて対向する状態になっている。スペーサー７は、アクリル系接着剤で構成されている。これにより、スペーサー７は、可変抵抗部３と電極基板５との間に介在して、可変抵抗部３と電極基板５とを接着する接着層としても機能している。
 　　［性能試験］
 　以上のように構成された感圧センサー１について、その感圧性能を測定した（実施例）。また、比較のため、図４Ａに示すような、電極及び電極基板の形状が異なる感圧センサー２を用意して、その感圧性能についても同じ方法で測定した（比較例）。感圧センサー２は、一つの信号電極１２Ａと一つのグランド電極１２Ｂとを有する。感圧センサー２の場合、信号電極１２Ａ及びグランド電極１２Ｂは、略長方形に構成されて、長手方向に直交する方向に一定の間隔を空けた状態で平行に配置されている。なお、図２では図示を省略してあるが、上記信号電極１２Ａ及びグランド電極１２Ｂの上には、感圧センサー１と同様な材料で構成されたスペーサーと可変抵抗部が積層される。
 　試験装置としては、図４Ｂに概略的な構成を示すような圧縮試験機２０及び抵抗計３０を使用した。圧縮試験機２０は、台座２１、圧子２３、及びロードセル２５などを備える市販の機器である。抵抗計３０は、抵抗の他に電圧や電流の測定が可能な市販のマルチメータである。
 　試験方法としては、圧縮試験機２０の台座２１上に感圧センサーを設置し、感圧センサーの端子には抵抗計３０を取り付けて、圧縮荷重を変化させたときの抵抗値の変化を測定した。感圧センサーにかかる圧力については、加圧時の応力［Ｎ］をロードセル２５で取得し、加圧面積で除算して圧力［Ｐａ］を算出した。測定結果を図５に示す。
 　図５に示すグラフから明らかなように、実施例の感圧センサー１は、比較例の感圧センサー２に比べ、圧力を変化させた際に低荷重域から高荷重域にわたる広い範囲で電気抵抗が適度に変化することがわかる。一方、比較例の感圧センサー２の場合、圧力が２０ｋＰａ未満の低荷重域では大きく電気抵抗が変化するのに対し、圧力が２０ｋＰａ以上の高荷重域では低荷重域の場合ほど電気抵抗が大きく変化しなくなる。特に、比較例の感圧センサー２の場合、圧力が３０ｋＰａ以上になると、電気抵抗の変化がきわめて小さくなるため、この領域では圧力の僅かな変化を正確に検出することが難しくなる。これに対し、実施例の感圧センサー１は、圧力が３０ｋＰａ以上になっても電気抵抗が大きく変動する。したがって、実施例の感圧センサー１の方が、圧力測定時の分解能が高く、圧力の僅かな変化を比較例の感圧センサー２よりも正確に検出することができる。
 　　［効果］
 　以上説明した感圧センサー１によれば、可変抵抗部３が上述のような導電性発泡エラストマー材料によって構成されている。そのため、非発泡性導電材料（例えば導電ゴムなど。）を利用して構成された感圧センサーに比べ、感圧部分の表面を柔らかくすることができる。したがって、このような感圧センサー１であれば、人が触れる部分に設置した場合でも異物感を低減することができる。
 　よって、このような感圧センサー１であれば、例えば、感圧センサー１を椅子に組み込んで、着席時の姿勢管理をするためのセンサーとして利用することができる。あるいは、例えば、感圧センサー１を靴に組み込んで、歩行時の重心移動を確認するためのセンサーとして利用することができる。このような歩行状態の管理ができれば、歩き方による生活習慣病対策などに利用することができる。あるいは、例えば、感圧センサー１をベッドに組み込んで、就寝時の体重移動を記録することができる。これにより、睡眠の質の改善に利用することができる。
 　また、上記感圧センサー１の場合、可変抵抗部３は、圧縮量が増大するほど電気抵抗が低下する。そのため、櫛形電極と抵抗体層との接触面積が増大するほど電気抵抗が低下するように構成された感圧センサーとは異なり、可変抵抗部３の圧縮量が変化すれば可変抵抗部３における電気抵抗が変化する。しかも、上記感圧センサー１の場合、信号電極１１Ａ及びグランド電極１１Ｂは、図３Ｂに示したような特徴的な位置に配置されている。これにより、図５に示したように、低荷重域においてある程度の圧力がかかった時点で急激に電気抵抗が低下してしまうのを抑制でき、低荷重域から高荷重域にわたって電気抵抗が適度に変化する。よって、低荷重域から高荷重域にわたって圧力を適切に検出することができる。
 　　［他の実施形態］
 　以上、感圧センサーについて、例示的な実施形態を挙げて説明したが、上述の実施形態は本開示の一態様として例示されるものに過ぎない。すなわち、本開示は、上述の例示的な実施形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想を逸脱しない範囲内において、様々な形態で実施することができる。
 　例えば、上記実施形態では、三つの信号電極１１Ａと、四つのグランド電極１１Ｂを設ける例を示したが、各電極の数は限定されない。例えば、図６Ａに示すように、二つの信号電極１１Ａと、三つのグランド電極１１Ｂを設けてもよい。この場合でも、各電極を正三角形領域の頂点に対応する位置に配置することができる。あるいは、図６Ｂに示すように、四つの信号電極１１Ａと、四つのグランド電極１１Ｂを設けてもよい。この場合でも、各電極を正三角形領域の頂点に対応する位置に配置することができる。これらの電極数は、例えば、感圧センサーにおける感圧部分（可変抵抗部）の面積、電極の面積、電極間距離、及び可変抵抗部の抵抗値等を考慮して適宜調節されていればよい。
 　また、上記実施形態では、各電極を正三角形領域の頂点に対応する位置に配置する例を示したが、各電極を配置する位置は、正三角形領域の頂点に対応する位置には限定されない。具体例を挙げれば、例えば、図６Ｃに示すように、各電極を二等辺三角形領域の頂点に対応する位置に配置してもよい。この場合でも、二等辺三角形領域の頂点にある三つの電極は、少なくとも一つが信号電極１１Ａとされ、少なくとも一つがグランド電極１１Ｂとされる。
 　図６Ｃに示す例の場合は、電極間距離が二通りになる。これら二通りの電極間距離が過大であったり過小であったりしない限り、電極間距離が二通りになること自体は問題ない。ただし、図６Ｃに示す例においては、二等辺三角形における二等辺が他の一辺よりも長い。よって、二等辺の長さを最適な電極間距離にすると他の一辺の長さは最適な電極間距離よりも短くなることになる。したがって、この場合は、他の一辺の長さが過小にならないように二等辺三角形領域の形状及び大きさを設定することが好ましい。逆に、他の一辺の長さを最適な電極間距離にすると二等辺の長さは最適な電極間距離よりも長くなることになる。したがって、この場合は、二等辺の長さが過大にならないように二等辺三角形領域の形状及び大きさを設定することが好ましい。
 　最適な電極間距離がある数値範囲内となる場合には、その数値範囲内で二等辺の長さ及び他の一辺の長さを選定すればよい。ただし、各電極を正三角形領域の頂点に対応する位置に配置すれば、最適な電極間距離を設定すると同時に、そのような電極間距離を確保したまま複数の電極を最密配置することができる。したがって、電極密度を高める観点からは、各電極を正三角形領域の頂点に対応する位置に配置すると好ましい。
 　あるいは、例えば、図６Ｄに示すように、各電極を直角二等辺三角形領域の頂点に対応する位置に配置してもよい。図６Ｄに示す例の場合は、実質的に各電極が正方形領域の頂点に対応する位置に配置されていることにもなる。この場合でも、直角二等辺三角形領域の頂点にある三つの電極は、少なくとも一つが信号電極１１Ａとされ、少なくとも一つがグランド電極１１Ｂとされる。
 　また、上記実施形態では、導電性発泡エラストマー材料として、スチレン系エラストマーを母材とする例を示し、スチレン系エラストマーとしては、スチレンエチレンエチレンプロピレンスチレンブロック共重合体（ＳＥＥＰＳ）を例示したが、他のスチレン系エラストマーを利用してもよい。例えば、上述したＳＥＥＰＳの他には、スチレンイソプレンスチレンブロック共重合体（ＳＩＳ）、スチレンブタジエンスチレンブロック共重合体（ＳＢＳ）、スチレンエチレンプロピレンブロック共重合体（ＳＥＰ）、スチレンエチレンブチレンスチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）、スチレンエチレンプロピレンスチレンブロック共重合体（ＳＥＰＳ）などを用いてもよい。これらのスチレン系エラストマーは、一種を単独で用いてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。
 　あるいは、スチレン系エラストマー以外のエラストマー材料を母材としてもよい。例えば、シリコーンゴムを用いてもよく、より詳しくは、ビニルメチルシリコーンゴム、メチルシリコーンゴム、フェニルメチルシリコーンゴム、フロロシリコーンゴムなどを利用することができる。これらのシリコーンゴムは、一種を単独で用いてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。
 　また、上記実施形態では、導電性フィラーとして、気相成長炭素繊維を用いたが、他の導電性フィラーを用いてもよい。他の導電性フィラーとしては、気相成長炭素繊維以外の炭素繊維、黒鉛、金属粉等を挙げることができる。
 　また、上記実施形態では、電極間の間隔が約６．３ｍｍとなっている例を示したが、複数の電極は、互いに０．５ｍｍ以上の間隔を空けた位置に配置されていればよい。
 　　［補足］
 　なお、以上説明した例示的な実施形態から明らかなように、本開示の感圧センサーは、更に以下に挙げるような構成を備えていてもよい。
 　まず、本開示の感圧センサーにおいて、複数の電極は、複数の三角形の領域それぞれにおいて、各領域が有する三つの内角それぞれが鋭角又は直角となるように配置されていてもよい。
 　このように構成された感圧センサーによれば、各領域が有する三つの内角それぞれが鋭角又は直角となっている。そのため、いずれか一つの内角が鈍角となっている場合に比べ、鈍角の対辺（すなわち、鈍角をなす二辺とは別の一辺。）の長さが過大になるのを抑制できる。したがって、いずれか一つの内角が鈍角となっている場合に比べ、所定以上の電極間距離を確保しつつ複数の電極を配置するに当たって、より高い密度で複数の電極を配置することができ、その分だけ感圧センサーの感度を向上させることができる。
 　また、本開示の感圧センサーにおいて、複数の電極は、複数の三角形の領域それぞれが正三角形の領域となるように配置されていてもよい。
 　このように構成された感圧センサーによれば、各領域が正三角形の領域となっている。そのため、各領域が正三角形の領域となっていない場合に比べ、三角形の一辺又は二辺が他の辺よりも長くなることがない。したがって、各領域が正三角形の領域となっていない場合に比べ、所定以上の電極間距離を確保しつつ複数の電極を配置するに当たって、より高い密度で複数の電極を配置することができ、その分だけ感圧センサーの感度を向上させることができる。
 　また、本開示の感圧センサーにおいて、複数の電極は、互いに０．５ｍｍ以上の間隔を空けた位置に配置されていてもよい。
 　このように構成された感圧センサーによれば、電極間の間隔が０．５ｍｍ未満となるような感圧センサーとは異なり、電極を形成する際に微細な加工をしなくても済み、感圧センサーの生産性を向上させることができる。
 　また、本開示の感圧センサーにおいて、面状に構成された基材を有し、基材の一面に複数の電極が設けられており、可変抵抗部は、面状に構成されて、基材の一面に重ねて配置されることにより、複数の電極が基材と可変抵抗部との間に挟み込まれた構造になっていてもよい。
 　このように構成された感圧センサーによれば、可変抵抗部が圧力を受けて変形した場合でも、基材によって複数の電極が支持される。よって、設計通りの電極間距離を適切に維持することができる。
 　１…感圧センサー、３…可変抵抗部、５…電極基板、７…スペーサー、９…孔、１１Ａ…信号電極、１１Ｂ…グランド電極、１３Ａ…信号端子、１３Ｂ…グランド端子、１４Ａ，１４Ｂ…リード線、１５…基材、１７Ａ…第一導電部、１７Ｂ…第二導電部、１９…絶縁層、２０…圧縮試験機、２１…台座、２３…圧子、２５…ロードセル、３０…抵抗計。

Claims (5)

  1.  　エラストマー材料中に導電性フィラーを分散させることによって導電性が付与された材料であり、かつ前記エラストマー材料を発泡させた材料である導電性発泡エラストマー材料によって構成され、加圧された際には圧力に応じて圧縮されて、その圧縮量が増大するほど電気抵抗が低下する可変抵抗部と、
     　前記可変抵抗部に接する一面において、互いに間隔を空けた位置に配置される複数の電極と
    　を備え、
     　前記複数の電極は、各電極の中心間を互いに交差しない複数の仮想的な線分で結んで当該線分によって区画される複数の三角形の領域を想定した際に、各領域の頂点に対応する位置にある三つの前記電極のうち、少なくとも一つが信号電極となり、かつ、少なくとも一つがグランド電極となるように配置されている
    　感圧センサー。
  2.  　請求項１に記載の感圧センサーであって、
     　前記複数の電極は、前記複数の三角形の領域それぞれにおいて、各領域が有する三つの内角それぞれが鋭角又は直角となるように配置されている
    　感圧センサー。
  3.  　請求項２に記載の感圧センサーであって、
     　前記複数の電極は、前記複数の三角形の領域それぞれが正三角形の領域となるように配置されている
    　感圧センサー。
  4.  　請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の感圧センサーであって、
     　前記複数の電極は、互いに０．５ｍｍ以上の間隔を空けた位置に配置されている
    　感圧センサー。
  5.  　請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の感圧センサーであって、
     　面状に構成された基材を有し、前記基材の一面に前記複数の電極が設けられており、
     　前記可変抵抗部は、面状に構成されて、前記基材の一面に重ねて配置されることにより、前記複数の電極が前記基材と前記可変抵抗部との間に挟み込まれた構造になっている
    　感圧センサー。
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