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1. JP2010203809 - 感圧シートおよびこれを用いた感圧センサ

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Description

Title of Invention 感圧シートおよびこれを用いた感圧センサ

Technical Field

0001  

Background Art

0002   0003   0004  

Citation List

Patent Literature

0005  

Summary of Invention

Technical Problem

0006   0007   0008  

Technical Solution

0009  

Advantageous Effects

0010   0011  

Brief Description of Drawings

0012  

Description of Embodiments

0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037  

Example 1

0038   0039   0040  

Example 2

0041   0042   0043   0044  

Reference Signs List

0045  

Claims

1   2   3   4   5    

Drawings

1   2  

Description

感圧シートおよびこれを用いた感圧センサ

Technical Field

[0001]
本発明は、2次元平面での圧力を検知する感圧センサに関し、特に導電性素線を織り込んだ2枚の導電性織布の間に非導電性織布を挟み込んだ感圧シート、およびこの感圧シートの導電性織布間の静電容量の変化によって圧力を検知する感圧センサに関する。

Background Art

[0002]
従来、感圧センサとしては、感圧シートが押圧されたときの感圧シートの抵抗値の変化や静電容量の変化を計測することによって圧力を検知するものがあった。
[0003]
例えば、特許文献1には、凹凸形状などの不均一面における圧力分布や圧力測定をする技術として、上布に設けられた導電糸と、下布に設けられた導電糸の交点に、荷重によって抵抗値が変化する感圧抵抗が配列され、これら2枚の布が重ねられることにより、荷重による抵抗値の変化を計測可能とした感圧シートが開示されている。
[0004]
また、特許文献2には、2層構造の繊維構造体の上面部と下面部に、互いに直交するようにそれぞれ複数の導電糸が配列され、上記繊維構造体が押圧されると、上面部導電糸と下面部導電糸が接触し、その電気抵抗変化を検知可能とした感圧シートが開示されている。
また、特許文献3には、導電体層を誘電体層で被覆した縦糸と横糸が編み込まれ、この編み物に接触圧がかかったときの縦糸と横糸間の静電容量の変化を検知可能とした感圧シートが開示されている。

Citation List

Patent Literature

[0005]
patcit 1 : 特開2004−132765号公報
patcit 2 : 特開2006−284276号公報
patcit 3 : 特開2008−170425号公報

Summary of Invention

Technical Problem

[0006]
しかしながら、上記特許文献1および上記特許文献2に記載の技術では、電気抵抗値の変化によって圧力を検知するものであるため、圧力についての分解能が低く、高精度な圧力検知が困難であるという課題があった。上記特許文献1の感圧シートの分解能を上げるには、感圧抵抗の個数を増やす必要があるため、感圧シートの構成が複雑になり、感圧シートの製造にかかるコストの増加に繋がっていた。
[0007]
また、上記特許文献3に記載の技術では、静電容量の変化によって圧力を検知するため、抵抗値の変化によるものよりも圧力検知の分解能を上げることが可能である。しかし、この技術は、1枚のシートにおいて、円筒状弾性体の内外周に導電体層や誘電体層を形成した感圧用線材の縦糸と横糸を必要とし、押圧による縦糸と横糸の距離の変化によって静電容量を変化させるものである。このため、押圧されたときの縦糸と横糸の距離変化が不十分であり、圧力検知の分解能が不足するという課題があった。また、導電層を誘電体層で被覆した糸を使用して感圧シートを製造する必要があるため、糸の構造が複雑であり、感圧シートの製造にかかるコストの増加に繋がっていた。
更に、上記特許文献3に記載の技術では、導電線の繰り返しの変形による誤差、破損が懸念される問題がある。
[0008]
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、簡易に製造することができ、分解能の高い圧力検知が可能な感圧シートを提供することを目的とするものである。

Technical Solution

[0009]
本発明の感圧シートは、第1導電性織布と、非導電性シートと、第2導電性織布とをこの順に重ねた感圧シートであって、前記第1導電性織布は、第1方向に延びる複数の導電性素線と、前記第1方向と交差する第2方向に延びる非導電性繊維とを織り込むことにより、前記第1方向にのみ導電性を有し、前記第2導電性織布は、前記第1方向に延びる複数の非導電性繊維と、前記第2方向に延びる複数の導電性素線とを織り込むことにより、前記第2方向にのみ導電性を有し、前記第1導電性織布と前記非導電性シートと前記第2導電性織布の重ね合せにより、前記非導電性シートを介する前記第1方向に延びる前記導電性素線と前記第2方向に延びる前記導電性素線の交差部分を複数形成してなることを特徴とするものである。

Advantageous Effects

[0010]
本発明によれば、非導電性シートを介して、導電性素線と非導電性繊維を単に織り込んだ2枚の織布を重ねるだけで感圧シートを構成できるので、簡易かつ安価に感圧シートを作製できるという効果がある。
[0011]
また、非導電性シートを介して2枚の導電性織布を重ねた3層構造としたことにより、押圧力の大きさに応じて、2枚の導電性織布間の距離を十分に変化させることができ、これにより2枚の導電性織布によって構成されるコンデンサの静電容量を十分に変化させることができるので、分解能の高い圧力検知が可能となるという効果がある。
本発明によれば、導電性素線の被覆を不要とすることができる効果がある。更に、本発明によれば、感圧センサとしての感度(分解能)について、非導電性シートの厚さ、硬さ、構造を任意に選択することで調整することができる効果がある。

Brief Description of Drawings

[0012]
[fig. 1] 本発明の実施の形態の感圧センサの構成を説明する模式斜視図である。
[fig. 2] 図1の感圧センサ100においての感圧シート10の構成を説明する模式図である。

Description of Embodiments

[0013]
以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
[0014]
図1は本発明の実施の形態の感圧センサの構成を説明する模式斜視図である。この実施の形態の感圧センサ100は、感圧シート10と、静電容量計測部60とを備えている。なお、感圧シート10は、第1導電性織布20と、非導電性織布(非導電性シート)30と、第2導電性織布40とをこの順に重ねた3層構造の織物であるが、図1ではこの3層構造を判りやすくするため、第1導電性織布20、非導電性織布30、第2導電性織布40を分解斜視図として描いてある。
[0015]
また、図2は図1の感圧センサ100においての感圧シート10の構成を説明する模式図である。この図2において、(a)は第1導電性織布20の模式平面図、(b)は非導電性織布30の模式平面図、(c)は第2導電性織布40の模式平面図、(d)は感圧シート10の模式断面図である。
[0016]
[感圧シート10]
感圧シート10は、上記のように第1導電性織布20と、非導電性織布30と、第2導電性織布40とを、図1、図2中のz方向に順に重ね合せて構成された3層構造の織物である。つまり、感圧シート10は、それぞれ導電性素線と非導電性繊維とが織り込まれてなる第1導電性織布20と第2導電性織布40の間に、非導電性繊維同士が織り込まれてなる非導電性織布30を挟み込んだものである。
[0017]
[第1導電性織布20]
図2(a)のように、第1導電性織布20は、第1方向(図中ではx方向)に延びる糸として偏平状の導電性素線21を用い、この第1方向と直交する第2方向(図中ではy方向)に延びる糸として偏平状の非導電性繊維22を用いて、第1方向に延びる複数本の導電性素線21と、第2方向に延びる複数本の非導電性繊維22とが平織により織り込まれた織物である。従って、この第1導電性織布20は、各導電性素線21に沿って第1方向のみの一方向に導電性を有する織物である。
[0018]
[非導電性織布30]
図2(b)のように、非導電性織布(非導電性シート)30は、第1方向(図中ではx方向)に延びる糸として偏平状の非導電性繊維31を用い、これと直交する第2方向(図中ではy方向)に延びる糸として偏平状の非導電性繊維32を用いて、複数本の非導電性繊維31と複数本の非導電性繊維32とが平織により織り込まれた織物である。従って、非導電性織布30は、第1方向にもこれと直交する第2方向にも導通しない絶縁性の織物である。なお、本発明では、非導電性織布30に代えて、非導電性の弾性部材からなるあらゆるシートを用いることができる。この場合の非導電性シートとは、第1導電性織布20の導電性素線21と後述する第2導電性織布40の導電性素線42との間に介在され、これらに作用する押圧力に応じて導電性素線21と導電性素線42の交差部分の距離を十分に変化させて、容量変化を生じさせるための変化量を確保できる厚みと弾性力を有するものであることが好ましい。
[0019]
[第2導電性織布40]
図2(c)のように、第2導電性織布40は、第1方向(図中ではx方向)に延びる糸として偏平状の非導電性繊維41を用い、これと直交する第2方向(図中ではy方向)に延びる糸として偏平状の導電性素線42を用いて、第1方向に延びる複数本の非導電性繊維41と、第2方向に延びる複数本の導電性素線42とが平織により織り込まれた織物である。従って、第2導電性織布40は、各導電性素線42に沿って第2方向のみの一方向に導電性を有する織物である。
[0020]
なお、本実施の形態の感圧シート10では、第1方向と第2方向とが直交しているが、本発明の感圧シートにおいては、第1方向と第2方向とが直交していなくとも、交差している構成とすることができる。また、第1導電性織布20、非導電性織布30、第2導電性織布40として、平織の他に、朱子織等により織り込まれた織物を用いることも可能である。また、本実施の形態では、3枚の織布によって感圧シート10を構成しているが、織り組織や構造によって1枚の織布を3層構造に織り上げることにより、本発明の感圧シートを構成することも可能である。
[0021]
[導電性素線21,42]
第1導電性織布20の導電性素線21および第2導電性織布40の導電性素線42としては、導電性繊維や導電線が使用される。上記導電性繊維としては、例えば、一般的なCu、Fe、Alや、これらの合金からなる金属繊維が使用される。さらに、上記導電性繊維として、ポリエステル等の合成繊維に金属粒子等の導電性粒子を分散または含侵させるなどの処理を施した有機繊維が使用される。また、上記導電線としては、ステンレスやCu、Al等の金属線の他に、カーボン線が使用される。
[0022]
[非導電性繊維22,31,32,41]
第1導電性織布20の非導電性繊維22、非導電性織布30の非導電性繊維31および32、第2導電性織布40の非導電性繊維41としては、例えば、綿、ポリエステル等の一般的な繊維や、フッ素樹脂繊維、ポリウレタン繊維、セラミックス繊維などが使用される。
[0023]
このように、導電性素線と非導電性繊維、あるいは非導電性繊維同士が単に織り込まれただけの3枚の織布を重ねることによって感圧シート10を作製できる。従って、感圧シート10は、簡易かつ安価に作製できる感圧シートである。
[0024]
上記のように第1導電性織布20と第2導電性織布40の間に非導電性織布30が挟み込まれた3層織布構造の感圧シート10は、導電性素線21と導電性素線42の交差部分が全てコンデンサを構成している。つまり、第1導電性織布20に織り込まれた複数本の導電性素線21と、第2導電性織布40に織り込まれた複数本の導電性素線42の間に電圧を印加すると、第1導電性織布20の導電性素線21がコンデンサの一方の電極の役目を果たし、第2導電性織布40の導電性素線42がコンデンサの他方の電極の役目を果たす。そして、第1導電性織布20と第2導電性織布40の間に挟み込まれた非導電性織布30が、絶縁層として、主にコンデンサの電極間に設けられた誘電体層の役目を果たす。
[0025]
コンデンサの静電容量は、電極面積に比例し、電極間距離に反比例する。このため、導電性素線21および/または導電性素線42として、例えば金属繊維や金属線を使用する場合には、その表面が平坦な繊維や丸形線よりも、その表面に凹凸を有する異形繊維や異形線を用いることにより、静電容量を大きくすることができる。
[0026]
第1導電性織布20と第2導電性織布40は、非導電性織布30を介して、その導通方向が直交するように配設されている。つまり、第1導電性織布20は、第1方向には導通するが、これと直交する第2方向には導通しない。逆に、第2導電性織布40は、第1方向には導通しないが、これと直交する第2方向には導通する。従って、第1導電性織布20に織り込まれた複数本の導電性素線21に接続するために必要な引き出し配線71および第1コネクタ70は、第1導電性織布20の第1方向(図中のx方向)の一方の端部に設けられることとなる。また、第2導電性織布40に織り込まれた複数本の導電性素線42に接続する引き出し配線81および第2コネクタ80は、第2導電性織布40の第2方向(図中のy方向)の一方の端部に設けられることとなる。
[0027]
この3層構造の織布からなる感圧シート10において、第1導電性織布20と第2導電性織布40のいずれかまたは両方を、織布面に垂直な方向(図1、図2中のz方向)から押して加圧すると、その加圧部分に対圧する導電性素線21と導電性素線42の交差部分において、導電性素線21と導電性素線42の距離が狭くなるので、各交差部分の導電性素線21と導電性素線42間の静電容量が増加する。つまり、上記加圧部分において、コンデンサの電極間距離が狭くなるので、コンデンサの静電容量が増加する。そして、各交差部分の静電容量の変化を計測することにより、加圧部分においての圧力変化を検知することができる。なお、織布面に垂直な方向に張力を印加すると、コンデンサの電極間距離が広くなるので、コンデンサの静電容量は減少する。
[0028]
感圧シート10は、2枚の導電性織布の間に非導電性織布が挟み込まれた3層構造であるため、押圧力の大きさに応じて、この3層構造の織布が大きく弾性変形し、上記コンデンサの電極間距離を大きく変化させることができる。これにより、上記コンデンサの静電容量を大きく変化させることができる。従って、圧力検知の分解能を高くすることができ、高感度な圧力検知が可能である。
[0029]
[静電容量計測部60]
静電容量計測部60は、第1コネクタ70と、第2コネクタ80と、LCRメータ(容量計測器)90とを備えて構成されている。この静電容量計測部60は、導電性素線21と導電性素線42を電極として構成されたコンデンサの静電容量を計測するものである。この静電容量計測部60によって計測された静電容量の変化により、感圧シート10に加えられた圧力を検知することができる。
[0030]
[第1コネクタ70]
第1コネクタ70は、第1導電性織布20の導通方向である第1方向(図中のx方向)の一方の端部20a側に設けられている。この第1コネクタ70は、第1導電性織布20に織り込まれた複数本の導電性素線21を、引き出し配線71および配線72によってLCRメータ90に接続するために設けられている。第1導電性織布20の端部20aにおいて、複数本の導電性素線21からそれぞれ引き出された複数本の引き出し配線71は、束ねられて、第1コネクタ70の一方の端子に接続されている。第1コネクタ70の他方の端子は、配線72によってLCRメータ90の第1端子91に接続されている。
[0031]
[第2コネクタ80]
第2コネクタ80は、第2導電性織布40の導通方向である第2方向(図中のy方向)の一方の端部40a側に設けられている。この第2コネクタ80は、第2導電性織布40に織り込まれた複数本の導電性素線42を、引き出し配線81および配線82によってLCRメータ90に接続するために設けられている。第2導電性織布40の端部40aにおいて、複数本の導電性素線42からそれぞれ引き出された複数本の引き出し配線81は、束ねられて、第2コネクタ80の一方の端子に接続されている。第2コネクタ80の他方の端子は、配線82によってLCRメータ90の第2端子92に接続されている。
[0032]
[LCRメータ(容量計測器)90]
LCRメータ(容量計測器)90は、第1導電性織布20と第2導電性織布40間に交流電圧を印加し、この交流電圧印加のときにこれらの導電性織布間に流れる交流電流を検出し、印加交流電圧の周波数および電圧値、ならびに検出交流電流の位相および電流値をもとに、上記導電性織布間の静電容量を計測する装置である。
[0033]
感圧シート10に圧力が加えられると、第1導電性織布20と第2導電性織布40によるコンデンサの圧力が加えられた部分の導電性素線21と導電性素線42の電極間距離が狭くなるので、LCRメータ90によって計測される静電容量が増加する。従って、LCRメータ90によって計測された静電容量の変化により、感圧シート10に加えられた圧力を検知することができる。
[0034]
以上のように本発明の実施の形態によれば、導電性素線と非導電性繊維を単に織り込んだ第1導電性織布20および第2導電性織布40、ならびに非導電性繊維同士を単に織り込んだ非導電性織布30の3枚の織布を重ねるだけで感圧シート10を構成できるので、簡易かつ安価に感圧シートを作製できる。
[0035]
また、非導電性織布30を介して第1導電性織布20と第2導電性織布40を重ねた3層構造としたことにより、押圧力の大きさに応じて、2枚の導電性織布間の距離を十分に変化させることができ、これにより2枚の導電性織布によって構成されるコンデンサの静電容量を十分に変化させることができるので、分解能の高い圧力検知が可能となる。
[0036]
なお、感圧シート10を複数個配列し、それぞれの感圧シート10の静電容量の変化を計測することにより、圧力の検知のみならず、加圧された領域あるいは位置も併せて検知できる感圧位置センサを実現できる。
[0037]
また、感圧シート10において、交流電圧を印加する領域を複数の領域に区分けすることによっても、加圧された領域あるいは位置も併せて検知できる感圧位置センサを実現できる。この場合に、第1導電性織布20および第2導電性織布40の区分け配列された電圧印加領域の境界においては、第1導電性織布20の導電性素線21および第2導電性織布40の導電性素線42をそれぞれ非導電性繊維とすること等により、異なる電圧印加領域の導電性素線21同士、および異なる電圧印加領域の導電性素線42同士が接触せずに分離されるようにすることが必要である。
Example 1
[0038]
導電性素線21として表面が平坦な直径50μmのステンレスワイヤを使用し、非導電性繊維22としてポリエステル繊維(帝人ファイバー(株)製:スーパーエクスター「登録商標」)を使用して、第1導電性織布20を作製した。
また、非導電性繊維31および32に、それぞれ上記と同じポリエステル繊維を使用して、非導電性織布30を作製した。また、非導電性繊維41として上記と同じポリエステル繊維を使用し、導電性素線42として表面が平坦な直径50μmのステンレスワイヤを使用して、第2導電性織布40を作製した。
なお、非導電性繊維22、31、32、41としてフッ素樹脂製繊維を用いることもできるが、本実施例では上述のポリエステル繊維を使用した。
これらの第1導電性織布20mのサイズと第2導電性織布40のサイズはいずれも50mm(縦)×50mm(横)とした。
[0039]
そして、これらの第1導電性織布20、非導電性織布30、第2導電性織布40を重ね合せて、感圧シート10を作製した。さらに、第1コネクタ70によって第1導電性織布20をLCRメータ90に接続し、第2コネクタ80によって第2導電性織布40をLCRメータ90に接続して、感圧センサ100を構成した。LCRメータ90は、エヌエフ回路設計ブロックZM2353を用いた。
[0040]
このように構成した実施例1の感圧センサ100において、LCRメータ90によって、第1導電性織布20と第2導電性織布40間に1V−450Hzの交流電圧を印加して、感圧シート10によるコンデンサの静電容量を計測した。感圧シート10に圧力を加えないときの静電容量は48pFであったが、第1導電性織布20を上から指で押すと、静電容量は66pFに上昇した。
Example 2
[0041]
導電性素線21として表面に高さ1μm、ピッチ1μmで形成した複数の凸部からなる凹凸を有する直径50μmのステンレスワイヤを使用し、非導電性繊維22としてポリエステル繊維(帝人ファイバー(株)製:スーパーエクスター「登録商標」)を使用して、第1導電性織布20を作製した。また、非導電性繊維31および32に、それぞれポリエステル繊維(帝人ファイバー(株)製:スーパーエクスター「登録商標」)を使用して、非導電性織布30を作製した。また、非導電性繊維41としてポリエステル繊維(帝人ファイバー(株)製:スーパーエクスター「登録商標」)を使用し、導電性素線42として表面に高さ1μm、ピッチ1μmで形成した複数の凸部からなる凹凸を有する直径50μmのステンレスワイヤを使用して、第2導電性織布40を作製した。
[0042]
そして、これらの第1導電性織布20、非導電性織布30、第2導電性織布40を重ね合せて、感圧シート10を作製した。つまり、この実施例2では、上記実施例1の感圧シートにおいて、第1導電性織布20の導電性素線21および第2導電性織布40の導電性素線42を、表面が平坦なステンレスワイヤから、表面に凹凸を有する同径のステンレスワイヤに変更した感圧シートを作製した。
[0043]
さらに、上記実施例1と同様に、第1コネクタ70によって第1導電性織布20をLCRメータ90に接続し、第2コネクタ80によって第2導電性織布40をLCRメータ90に接続して、感圧センサ100を構成した。
[0044]
このように構成した実施例2の感圧センサ100において、LCRメータ90によって、第1導電性織布20と第2導電性織布40間に1V−450Hzの交流電圧を印加して、感圧シート10によるコンデンサの静電容量を計測した。感圧シート10に圧力を加えないときの静電容量は55pFであったが、第1導電性織布20を上から指で押すと、静電容量は72pFに上昇した。

Reference Signs List

[0045]
10…感圧シート、20…第1導電性織布、21…導電性素線、22…非導電性繊維、30…非導電性織布(非導電性シート)、40…第2導電性織布、41…非導電性繊維、42…導電性素線、60…静電容量計測部、100…感圧センサ。

Claims

[1]
第1導電性織布と、非導電性シートと、第2導電性織布とをこの順に重ねた感圧シートであって、
前記第1導電性織布は、第1方向に延びる複数の導電性素線と、前記第1方向と交差する第2方向に延びる非導電性繊維とを織り込むことにより、前記第1方向にのみ導電性を有し、
前記第2導電性織布は、前記第1方向に延びる複数の非導電性繊維と、前記第2方向に延びる複数の導電性素線とを織り込むことにより、前記第2方向にのみ導電性を有し、
前記第1導電性織布と前記非導電性シートと前記第2導電性織布の重ね合せにより、前記非導電性シートを介する前記第1方向に延びる前記導電性素線と前記第2方向に延びる前記導電性素線の交差部分を複数形成してなることを特徴とする感圧シート。
[2]
前記非導電性シートを非導電性織布としたことを特徴とする請求項1に記載の感圧シート。
[3]
前記第1方向に延びる前記導電性素線と前記第2方向に延びる前記導電性素線とを、前記非導電性シートを介在させて平面視直交状態に配置したことを特徴とする請求項1または2に記載の感圧シート。
[4]
前記第1導電性織布および/または前記第2導電性織布の導電性素線として、表面に凹凸を有する素線を用いたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の感圧シート。
[5]
請求項1〜4のいずれかに記載の感圧シートと、
前記第1導電性織布と前記第2導電性織布を電極として構成されたコンデンサの静電容量を計測する静電容量計測部と
を備えたことを特徴とする感圧センサ。

Drawings

[ Fig. 1]

[ Fig. 2]