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技術 圧力センサ

出願人 藤倉コンポジット株式会社
発明者 鈴木恵理
出願日 2018年9月21日 (2年3ヶ月経過) 出願番号 2018-177110
公開日 2020年3月26日 (8ヶ月経過) 公開番号 2020-046391
状態 未査定
技術分野 圧力センサ 力の測定一般 流体圧力測定
主要キーワード 膨張度合 ステンレス平板 圧縮度合 中空ガラス粒子 バブル状 電気計器 感圧層 中空マイクロカプセル
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2020年3月26日)のものです。
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図面 (8)

課題

特に、負圧を計測することが可能な圧力センサを提供することを目的とする。

解決手段

本発明の圧力センサは、感圧層と、前記感圧層内に設けられた複数の粒子状空隙部と、を有することを特徴とする。本発明では、前記感圧層は、導電ゴムを有して構成されることが好ましい。本発明では、前記感圧層内に、中空粒子を含み、前記粒子状空隙部は、前記中空粒子の空隙部分で形成されることが好ましい。本発明では、更に、基布を含み、前記感圧層を、前記基布に塗布してなることが好ましい。

概要

背景

従来、圧力(荷重)の計測には、例えば、ロードセルが用いられている。しかしながら、薄型化が困難であり、高価という課題があった。

これに対し、下記の特許文献1には、圧力測定が可能な、布状の圧力センサが開示されている。特許文献1に示す圧力センサは、基布導電ゴムを含有させて構成される。そして、特許文献1の圧力センサによれば、荷重を受け基布が圧縮されることにより変化する出力に基づいて、圧力(荷重)値を検出することができる。

概要

特に、負圧を計測することが可能な圧力センサを提供することを目的とする。本発明の圧力センサは、感圧層と、前記感圧層内に設けられた複数の粒子状空隙部と、を有することを特徴とする。本発明では、前記感圧層は、導電ゴムを有して構成されることが好ましい。本発明では、前記感圧層内に、中空粒子を含み、前記粒子状空隙部は、前記中空粒子の空隙部分で形成されることが好ましい。本発明では、更に、基布を含み、前記感圧層を、前記基布に塗布してなることが好ましい。

目的

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、特に、負圧を計測することが可能な圧力センサを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

感圧層と、前記感圧層内に設けられた複数の粒子状空隙部と、を有することを特徴とする圧力センサ

請求項2

前記感圧層は、導電ゴムを有して構成されることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。

請求項3

前記感圧層内に、中空粒子を含み、前記粒子状空隙部は、前記中空粒子の空隙部分で形成されることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。

請求項4

更に、基布を含み、前記感圧層を、前記基布に塗布してなることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の圧力センサ。

技術分野

0001

本発明は、負圧測定が可能な圧力センサに関する。

背景技術

0002

従来、圧力(荷重)の計測には、例えば、ロードセルが用いられている。しかしながら、薄型化が困難であり、高価という課題があった。

0003

これに対し、下記の特許文献1には、圧力測定が可能な、布状の圧力センサが開示されている。特許文献1に示す圧力センサは、基布導電ゴムを含有させて構成される。そして、特許文献1の圧力センサによれば、荷重を受け基布が圧縮されることにより変化する出力に基づいて、圧力(荷重)値を検出することができる。

先行技術

0004

特開2015−224948号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、特許文献1の圧力センサでは、負圧を計測することができなかった。

0006

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、特に、負圧を計測することが可能な圧力センサを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明の圧力センサは、感圧層と、前記感圧層内に設けられた複数の粒子状空隙部と、を有することを特徴とする。

0008

本発明では、前記感圧層は、導電ゴムを有して構成されることが好ましい。

0009

本発明では、前記感圧層内に、中空粒子を含み、前記粒子状空隙部は、前記中空粒子の空隙部分で形成されることが好ましい。

0010

本発明では、更に、基布を含み、前記感圧層を、前記基布に塗布してなることが好ましい。

発明の効果

0011

本発明の圧力センサによれば、負圧の計測が可能となる。

図面の簡単な説明

0012

本実施形態の圧力センサの一例を示す平面図である。
図1に示すA−A線に沿って切断し矢印方向から見た圧力センサの部分断面図である。
本実施形態の感圧層を拡大して示した部分拡大断面図である。
本実施形態の粒子状空隙部の構成を示す部分拡大断面図である。
実施例1の基布有りゴムシートのSEM写真である。
実施例2の基布なしゴムシートのSEM写真である。
実施例及び比較例の、圧力と抵抗値との関係を示すグラフである。

0013

以下、本発明の一実施の形態(以下、「実施形態」と略記する。)について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。なお、以下の明細書にて、「〜」の下限値及び上限値はいずれもその値を含む。

0014

<本実施形態の圧力センサの概要
まずは、本発明者が、本実施形態の圧力センサを開発するに至った技術の推移について説明する。従来において、基布に導電ゴムを塗布した圧力センサが知られている(特許文献1)。しかしながら、従来の圧力センサでは、正圧計測は可能であるが、負圧計測は不可能であった。すなわち、圧力センサに負圧が印加されても、導電ゴムは適度に変形せず、抵抗値変化がほとんど生じない。したがって、負圧を計測することができなかった。そこで、本発明者は、感圧層を有する圧力センサにおいて、負圧の計測を可能とすべく本実施形態を開発するに至った。すなわち、本実施形態は、以下の特徴的部分を備えている。

0015

本実施形態における圧力センサは、感圧層と、感圧層内に設けられた複数の粒子状空隙部と、を有することを特徴とする。

0016

以下、図面を参照しながら本実施形態の圧力センサの構成を説明する。図1は、本実施形態の圧力センサの一例を示す平面図である。図2は、図1に示すA−A線に沿って切断し矢印方向から見た圧力センサの部分拡大断面図である。

0017

図1に示すように、本実施形態の圧力センサ1は、先端側に、例えば、円形計測部2を具備する。図1では、計測部2は、円形に限定されるものでなく、円形以外に、矩形状、多角形状、楕円形状等を例示できる。

0018

図2に示すように、計測部2は、感圧層(センサシート、或いは、後述する導電ゴムで形成される形態にあっては、ゴムシート)4と、感圧層4の上下面に設けられた電極層電極シート)5とが積層されて構成されている。感圧層4の膜厚は、例えば、0.05mm〜3mm程度である。好ましくは0.1mm〜1mmである。また、各電極層5の膜厚は、例えば、0.05mm〜0.5mm程度である。したがって、計測部2の厚みは、限定されるものでないが、例えば、0.15mm〜4mm程度である。このように、本実施形態では、圧力センサ1をシート状に薄型化できる。

0019

<感圧層>
感圧層4について説明する。図2に示すように、本実施形態では、感圧層4に、複数の粒子状空隙部6が設けられている。粒子状空隙部6は、感圧層4と電極層5との接合面方向(図2に示すB方向)に向けて、分散していることが好ましい。「粒子状」とは、バブル状バルーン状言い換えることもでき、略球状であることが好ましいが、形状を限定するものではない。例えば、球状の他に、長球状や、図2の粒子状空隙部6aのように、表面に凹部、或いは凸部が存在するような不定形状であってもよい。また、粒子状空隙部6の長径短径で示されるアスペクト比は、1から5程度であることが好ましく、1から3程度であることがより好ましく、1から2程度であることが更に好ましい。粒子状空隙部6については、更に後で詳しく説明する。

0020

感圧層4は、導電ゴムで構成されることが好ましい。すなわち、図2に示す複数の粒子状空隙部6は、導電ゴム内に設けられている。導電ゴムは、例えば、既存のゴム材料に、導電性を付与するための充填材が含有された構成である。ゴム材料としては特に限定されるものではないが、例えば、スチレンブタジエンゴムSBR)、アクリロニトリルブタジエン(NBR)1,2−ポリブタジエン(VBR)、クロロプレン(CR)、シリコーン(Q)、フッ素ゴム(FKM)、エチレンプロピレンゴム(EPDM)などを用いることができる。また、導電性を付与するための充填剤導電性充填剤)としては、カーボン粒子金属粉末および金属繊維などを挙げることができる。カーボン粒子を特に限定するものではないが、アセチレンブラックケッチェンブラックカーボンナノチューブ、等に代表されるカーボンブラックや、黒鉛活性炭ソフトカーボンハードカーボン等を例示できる。このうち、カーボン粒子は、カーボンブラックであることが好ましい。

0021

感圧層4は、導電ゴムに代えてフェノール系樹脂ポリエステル系樹脂ポリウレタン系樹脂等であってもよく、或いは、導電ゴムと共に樹脂等が混在していてもよいが、導電ゴムのみ、或いは導電ゴムが主成分であることが好ましい。ここで、「主成分」とは、感圧層4を構成する成分の50%(例えば、体積%)以上を占め、好ましくは70%以上、より好ましくは90%以上を占めることを指す。

0022

<基布>
図2に示す実施形態では、例えば、導電ゴムからなる感圧層4内に、複数の粒子状空隙部6を含む単層構造であったが、図3に示す別の実施形態では、感圧層4の他に、更に、繊維から成る基布7を含んでいる。すなわち、図3では、感圧層4が、基布7に塗布され、感圧層4と基布7との積層構造で形成されている。基布7の構造は、特に限定されるものではないが、例えば、複数本の繊維からなる繊維束8、9を編み込んだシート状の布である。

0023

繊維束8、9を構成する繊維は、特に限定されるものではないが、ポリエチレンテレフタレート(PET)繊維、ポリブチレンテレフタレート(PBT)繊維、ポリエチレンナフタレート(PEN)繊維、ポリシクロヘキシレンジメチレンテレフタレート(PCT)繊維、ポリトリメチレンテレフタレートPTT)繊維等を例示できる。この中でも、PET繊維が好ましい。

0024

図3に示すように、複数の粒子状空隙部6を含む感圧層4は、基布7の表面及び裏面に接して形成されている。或いは、基布7の一方の面のみに、複数の粒子状空隙部6を含む感圧層4を形成することもできるが、高感度な圧力センサ1とするには、感圧層4を、基布7の表裏面に形成することが好ましい。

0025

<粒子状空隙部>
粒子状空隙部6について説明する。本実施形態では、感圧層4内に複数の中空粒子10を含むことが好ましい。図4Aに示すように、中空粒子10は、殻部10aに囲まれた空隙部分11を有し、この空隙部分11が、粒子状空隙部6を構成している。

0026

中空粒子10の材質を限定するものではなく、無機であっても有機であっても良い。中空粒子10は、例えば、中空マイクロカプセル中空炭酸カルシウム粒子中空シリカ粒子中空ガラス粒子中空アルミナ粒子、中空酸化チタン粒子、中空酸化亜鉛粒子、中空アクリロニトリル粒子、中空メタクリロニトリル粒子から少なくとも1種以上を選択することができる。なお、中空粒子10の平均粒子径は、10μm〜200μmが好ましく、更に好ましくは50μm〜100μmであることが好ましい。中空粒子10の平均粒子径は、殻部10aを含めて算出される。

0027

例えば、中空粒子10は、予め、液状の導電ゴム中に混合されており、中空粒子10を含む導電ゴムを基布7に塗布して感圧層4を形成することで、感圧層4中に複数の中空粒子10を分散配置させることができる。液状の導電ゴムの塗布後、所定の加熱処理を施すことで、殻部10aが消失したとき、図4Bに示すように、感圧層4には、中空粒子10が存在していた部分に、粒子状空隙部6が残される。なお、殻部10aが全て消失せずに、殻部10aの一部が、粒子状空隙部6の周囲に残されていてもよい。

0028

また、図4Aに示す粒子状空隙部6は、中空粒子10由来でなくてもよい。例えば、液状の導電ゴムの混練の際に生じた気泡マイクロバブル)を感圧層4中に閉じ込めることで、中空粒子10を用いることなく、複数の粒子状空隙部6を感圧層4に内在することができる。

0029

また、粒子状空隙部6の平均径は、10μm〜200μm程度を提示することができる。すなわち、上記のように、中空粒子10を用いた場合は、空隙部分11の平均径が10μm〜200μm程度の中空粒子10が選択される。ここで「平均径」とは、レーザー解説法による粒度分布測定によって測定された平均粒子径の値である。

0030

複数の粒子状空隙部6は、互いに、ほぼ同じ平均径を有していてもよいし、異なっていてもよい。なお、ほぼ同じ平均径の中空粒子10を用いた場合、切断面に現れる各径は、各中空粒子10に対する切断位置がずれているため、図2図3のように、粒径違うように現れる。

0031

本実施形態における圧力センサ1では、計測部2に負圧を印加すると、感圧層4内に含まれる各粒子状空隙部6が膨張し、その膨張度合に基づいて抵抗値が変化する。また、計測部2に正圧を印加すると、感圧層4が圧縮され、その圧縮度合に基づいて抵抗値が変化する。圧力変化に伴う抵抗値変化を電気信号に変換することで、圧力センサ1に印加された圧力を計測することができる。本実施形態の圧力センサ1によれば、正圧から負圧にかけて、出力(抵抗値)は略線形性を示すため、正圧とともに負圧を計測することが可能になる。

0032

このように、本実施形態では、シート状の圧力センサ1において、従来測定が困難であった負圧を適切に計測することが可能になる。

0033

圧力の計測範囲を限定するものではないが、本実施形態の圧力センサ1を用いることで、−100kPaから100kPaの範囲の圧力を計測することができ、−70kPaから70kPaの範囲とすれば、より計測精度を上げることができ、−40KPaから40kPaの範囲とすれば、更に、計測精度を向上させることができる。

0034

<感圧層の具体的構造>
本実施形態の感圧層4の具体的構造について説明する。本実施形態では、図3に示すように、基布7に、感圧層4としての導電ゴムを塗布した積層構造のゴムシートであることが好ましい。導電ゴム内には、図4Aに示すように、複数の中空粒子10を含むことが好ましい(第一の実施形態)。このとき、中空粒子10の殻部10aは、完全に残存していても、一部が残存していても、或いは、全てが消失していても、いずれであってもよい。なお、殻部10aが残存する場合、薄い方が、負圧に対する計測精度を向上させることができ好適である。

0035

或いは、複数の中空粒子10を含む導電ゴムの単層構造のゴムシートであってもよい(第二の実施形態)。第二の実施形態は、第一の実施形態と異なって、基布7を含んでいない。

0036

後述する実験によれば、第一の実施形態の圧力センサ1、及び第二の実施形態の圧力センサ1共に、高い抵抗値変化を得ることができる。特に、負圧が印加されても、十分な抵抗値変化を得ることができ、負圧に対する計測精度を向上させることができる。なお、第一の実施形態の圧力センサ1のほうが、第二の実施形態の圧力センサ1よりも、圧力変化に対する抵抗値の変化量を大きくすることができる。

0037

なお、本実施形態の圧力センサ1は、第一の実施形態或いは第二の実施形態の構造に限定されるものではなく、上記した<感圧層>、<基布>及び<粒子状空隙部>の各記載に基づいて種々変更することが可能である。

0038

<圧力センサの製造方法>
本実施形態の圧力センサの製造方法では、例えば、液状の導電ゴムを生成し、このとき、溶液中に、所定量の中空粒子10を含有する。そして、中空粒子10を含む液状の導電ゴムを用いて感圧層4を形成する。感圧層4は、型成形や、基布7の表面に、液状の導電ゴムを塗布することで得ることができる。型成形では、導電ゴムが単層構造となる感圧層4を形成することができる。あるいは、型を用いず、基材上に、液状の導電ゴムを塗布し、所定の加熱処理後、基材を除去しても、導電ゴムが単層構造となる感圧層4を形成することができる。また、基布7に導電ゴムを塗布することで、基布7の片面、或いは両面に感圧層4を形成することができる。なお、液状の導電ゴムを構成する溶剤としては、原料ゴムの種類などによっても異なるが、トルエンメチルエチルケトン酢酸エチル等である。

0039

また、液状の導電ゴムを基布7に塗布する方法としては、ダイコーターコンマコーターグラビアコーターロールコーター等の塗工機を用いる方法や、オフセット印刷スプレー塗工刷毛塗、浸漬等の方法が提示できる。所定の厚みを得る観点から、塗工機での成膜が好ましい。

0040

また、導電ゴムを加硫処理することが好ましい。加硫方法としては、プレス加硫や、加硫缶による加硫などを例示できる。加硫の際の加熱処理により、中空粒子10の殻部10aの一部或いは全てが消失することがある。

0041

また、まずは中空粒子10を、液状の導電ゴムに含有せずに、液状の導電ゴムを基布7等に塗布し、その後、プレスしながら、中空粒子10を導電ゴム中に押し込む方法を採用することも可能である。ただし、後から、中空粒子10を導電ゴムに内在させる方法であると、中空粒子10が、導電ゴムの内部にまで適切に入り込まず、負圧に対する計測精度が低下する恐れがある。そのため、初めから中空粒子10を導電ゴム中に含有しておき、中空粒子10を含む導電ゴムを基布7等に塗布することが好適である。

0042

本実施形態では、中空粒子10を使用せず、例えば、液状の導電ゴムを撹拌したときに生成される気泡(マイクロバブル)を、そのまま感圧層4内に閉じ込めるように、液状の導電ゴムを塗布してもよい。ただし、気泡の大きさがばらついたり、また、導電ゴム中における気泡の分散性が低下する恐れもあるため、中空粒子10を液状の導電ゴム内に含有させることが好適である。

0043

また、本実施形態では、感圧層4の材質としては導電ゴムに限定されるものではないが、特に、負圧に対する計測精度を向上させるには、導電ゴムを用いることが好ましい。
本実施形態のシート状の圧力センサは、水圧計気圧計差圧計等、特に、負圧の計測が必要な用途に好ましく適用できる。

0044

また、本実施形態の圧力センサ1は、湾曲させて使用することもできる。

0045

以下、実施例により本実施形態を詳細に説明する。なお、本実施形態は、以下の実施例に限定されるものではない。

0046

[実施例1]
基布に、中空粒子を含む液状の導電ゴムを塗布した。使用した中空粒子は、中空アクリロニトリル粒子であった。中空粒子の空隙部分の平均径は、約70μmであった。導電ゴムの塗布後、厚みが約0.3mmとなるように基布を含むゴムシートを形成した。

0047

[実施例2]
中空粒子を含む液状の導電ゴムを、卓上コーターを用いて塗布し、ゴムシートを形成した。このゴムシートには、実施例1と異なって基布は含まれていない。なお、中空粒子の径、含有量、及び熱処理温度に関しては、実施例1と同じにした。また、実施例2のゴムシートの厚みは、約0.2mmであった。

0048

<SEM写真>
図5は、実施例1のゴムシートのSEM写真、図6は、実施例2のゴムシートのSEM写真である。これらのSEM写真は、ゴムシートを厚み方向に切断した断面を示している。

0049

図5及び図6に示す四角で囲った領域が、ゴムシートを示している。図5に示す実施例1のゴムシートでは、基布と、基布の表裏面に接する導電ゴム(感圧層)と、を備え、導電ゴム中に複数の粒子状空隙部が設けられていることを確認できた。また、図6に示す実施例2のゴムシート(基布なし)では、単層の導電ゴム中に、複数の粒子状空隙部が設けられていることを確認できた。なお、中空粒子の殻部の存在も確認できた。また、図5及び図6に示すように、各実施例では、複数の粒子状空隙部が、ゴムシートの長さ方向に沿って、分散していることを確認できた。

0050

図5図6のSEM写真に現れる各粒子状空隙部の径は異なっているように見えるが、これは各中空粒子の切断位置が異なることによるためであり、上記したように、ゴムシートに含まれる各中空粒子の径は約100μmとされている。

0051

<圧力と抵抗値との実験>
実験では、各サンプルの圧力センサに対し、0kPaから−40kPaの範囲の圧力を印加し、その際の抵抗値を測定した。

0052

実験では、テスター「PC5000a」(三和電気計器株式会社)に接続されたゴムシートを、真空オーブンADP300」(ヤマト科学株式会社製)内に配置したステンレス平板上に粘着剤で固定し、0〜−40kPaを加えた際の抵抗値変化を測定した。

0053

実験では、上記した実施例1及び実施例2のみならず、以下の比較例に対しても行った。

0054

[比較例]
実施例1及び実施例2で使用した液状の導電ゴムを、基布に塗布した。ただし、導電ゴムには中空粒子は含まれていない。なお、熱処理温度に関しては、実施例1と同じとした。比較例のゴムシートの厚みは、0.2mmであった。

0055

図7に示すように、実施例1及び実施例2では、負圧の印加の際、抵抗値が変化した。このため、実施例1及び実施例2の圧力センサを用いることで、負圧の計測が可能であることがわかった。

0056

一方、比較例の場合、負圧を印加しても、抵抗値がほとんど変化していないことがわかった。このため、比較例の圧力センサでは、負圧を計測することができなかった。

0057

図7に示すように、−40kPaから0kPaの範囲内の圧力に対し、実施例1及び実施例2では、抵抗値変化が略線形性を有しており、良好な計測精度を得ることができるとわかった。

実施例

0058

図7に示すように、基布を有する実施例1のほうが、基布を有さない実施例2に比べて、圧力変化に対する抵抗値の変化量が大きいことがわかった。

0059

本発明の圧力センサによれば、負圧の計測が可能である。したがって、水圧計、気圧計、差圧計等、負圧の計測が必要な用途に好ましく適用できる。

0060

1圧力センサ
2計測部
4感圧層
5電極層
6、6a粒子状空隙部
7基布
8、9繊維束
10中空粒子
11 空隙部分

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