JP6454439B1 - Pressure sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】ドリフトを抑制しつつ、大型化を抑制しながら薄膜化および検出域の拡大を図ることが可能であり、さらに耐久性が高く、かつ、圧力または荷重を連続的に検出することが可能な感圧センサを提供する。【解決手段】感圧センサ100は、上部電極11と、上部電極と間隔を空けて対向する下部電極12とを有する。上部電極11は、互いに対向する1対の櫛歯形状の部材である上部櫛歯部22と、上部櫛歯部22の各歯部23の一端を連結する枠部21とを有し、上部櫛歯部22は下部電極12側に曲がっている。下部電極12は、半導電抵抗体で形成され、かつ、上部櫛歯部22と対向する位置に設けられた1対の櫛歯形状の部材である下部櫛歯部31を有する。【選択図】図6An object of the present invention is to reduce the thickness and to increase the detection area while suppressing drift, to further increase durability, and to detect pressure or load continuously. A pressure sensor is provided. A pressure-sensitive sensor includes an upper electrode and a lower electrode facing the upper electrode with a space therebetween. The upper electrode 11 includes an upper comb tooth portion 22 that is a pair of comb-shaped members facing each other, and a frame portion 21 that connects one end of each tooth portion 23 of the upper comb tooth portion 22. The tooth portion 22 is bent toward the lower electrode 12 side. The lower electrode 12 is formed of a semiconductive resistor and has a lower comb tooth portion 31 that is a pair of comb-tooth shaped members provided at a position facing the upper comb tooth portion 22. [Selection] Figure 6
Description
本発明は、圧力または荷重に応じて抵抗値が変化する感圧センサに関する。 The present invention relates to a pressure-sensitive sensor whose resistance value changes according to pressure or load.
圧力または荷重に応じて抵抗値(電気抵抗値)が変化する感圧センサとして、樹脂で形成された感圧抵抗体を電極の間に設けたものが特許文献1に開示されている。この感圧センサでは、圧力または荷重が電極に印加されると、電極と感圧抵抗体との接触面積が変化し、それに伴い、抵抗値が変化する。
As a pressure-sensitive sensor whose resistance value (electrical resistance value) changes according to pressure or load, a sensor in which a pressure-sensitive resistor formed of resin is provided between electrodes is disclosed in
また、特許文献2には、U字状に撓むように両端部を押しボタンに固定した金属板と平面状の金属板とを対向させた可変抵抗スイッチが開示されている。この可変抵抗スイッチでは、押しボタンに圧力または荷重が印加されると、各金属板が短絡する短絡距離が変化し、それに伴い、抵抗値が変化する。
また、特許文献3には、線状の弾性部材の一端を押しボタンに固定し、他端を基板上に並設された固定接点に当接させたスイッチ装置が開示されている。このスイッチ装置では、押しボタンに圧力または荷重が印加されると、弾性部材と接触する固定部材の数が変化し、その数に応じて段階的にオン・オフが検知されている。
特許文献1に記載の感圧センサでは、感圧抵抗体の材料として、金属などと比べて硬度の低い樹脂が使用されているため、圧力または荷重が印加され続けると、感圧抵抗体が時間とともに変形してしまい、その結果、抵抗値が時間とともに変化するドリフトと呼ばれる現象が生じてしまう。
In the pressure-sensitive sensor described in
特許文献2に記載の可変抵抗スイッチでは、U字状に撓んだ金属板の最下点の両側が平面状の金属板と略均等に接触するため、圧力または荷重に対する短絡距離の変化が大きく、圧力または荷重に対する抵抗値の変化が大きくなってしまう。このため、抵抗値が変化する抵抗変化範囲を広くして、圧力または荷重を検出する検出域を広くしようとすると、大型化を招いてしまう。特に薄型化を図るほど、圧力または荷重に対する短絡距離の変化が大きくなるため、大型化を抑制しつつ、薄型化を図ることが難しい。
In the variable resistance switch described in
特許文献3に記載のスイッチ装置では、線状の弾性部材の一端のみが押しボタンに固定されているため、押しボタンに係る負荷が偏り、その結果、押しボタンにかじりなどが発生する恐れがあり、耐久性に問題がある。また、弾性部材と接触する固定部材の数に応じてオン・オフが検知されるため、検出値の変化が段階的になってしまう。そのため、圧力または荷重を連続的に検出することができないという問題もある。
In the switch device described in
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、ドリフトを抑制しつつ、大型化を抑制しながら薄膜化および検出域の拡大を図ることが可能であり、さらに耐久性が高く、かつ、圧力または荷重を連続的に検出することが可能な感圧センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and it is possible to increase the thickness of a thin film and the detection area while suppressing an increase in size while suppressing drift, and has high durability, and An object of the present invention is to provide a pressure-sensitive sensor capable of continuously detecting pressure or load.
本発明による感圧センサは、上部電極と、前記上部電極と間隔を空けて対向する下部電極とを有する感圧センサであって、前記上部電極は、互いに対向する1対の櫛歯形状の部材である上部櫛歯部と、前記上部櫛歯部の各歯部の一端を連結する枠部と、を有し、前記上部櫛歯部は、下部電極側に曲がっており、前記下部電極は、半導電抵抗体で形成され、かつ、前記上部櫛歯部と対向する位置に設けられた1対の櫛歯形状の部材である下部櫛歯部を有する。 The pressure-sensitive sensor according to the present invention is a pressure-sensitive sensor having an upper electrode and a lower electrode facing the upper electrode with a space therebetween, and the upper electrode is a pair of comb-shaped members facing each other. An upper comb tooth portion and a frame portion connecting one end of each tooth portion of the upper comb tooth portion, the upper comb tooth portion is bent toward the lower electrode side, and the lower electrode is The lower comb-tooth part which is a pair of comb-tooth shaped member provided in the position facing the said upper comb-tooth part is formed with a semiconductive resistor.
本発明によれば、ドリフトを抑制しつつ、大型化を抑制しながら薄膜化および検出域の拡大を図ることが可能であり、さらに耐久性が高く、かつ、圧力または荷重を連続的に検出することが可能である。 According to the present invention, it is possible to reduce the film thickness and increase the detection area while suppressing the increase in size while suppressing the drift, and further, the durability is high, and the pressure or load is continuously detected. It is possible.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面において同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected to what has the same function, and the description may be abbreviate | omitted.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態の感圧センサを示す斜視図であり、図2は、本発明の第1の実施形態の感圧センサを示す透視上面図であり、図3は、図1および図2のSS線に沿った縦断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a pressure-sensitive sensor according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective top view showing the pressure-sensitive sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 3 is a longitudinal sectional view taken along line SS in FIGS. 1 and 2.
図1〜図3に示す感圧センサ100は、上部基板1と下部基板2とがスペーサ3によって間隔を空けて互いに対向した構成を有する。なお、図2では、上部基板1を除いた構成が示されている。
The pressure-
上部基板1および下部基板2は、絶縁材料で形成される。スペーサ3は、上部基板1と下部基板2に所望の間隔が空けられる部材であれば特に限定されない。なお、以下では、説明の簡略を図るために、感圧センサ100に対して印加する圧力または荷重を単に荷重と表記する。
The
上部基板1の上面(下部基板2と対向する面とは反対側の面)には、感圧センサ100に対して荷重を印加するための押しボタンとして機能する凸部1aが設けられている。凸部1aは、上部基板1の中央部に設けられることが望ましい。なお、上部基板1は、凸部1aを備えず、平板状に形成されてもよい。
On the upper surface of the upper substrate 1 (surface opposite to the surface facing the lower substrate 2), a convex portion 1a that functions as a push button for applying a load to the
図の例では、上部基板1は矩形状を有する。下部基板2は、上部基板1と対向する矩形状の第1の部分2aと、第1の部分2aから外側に延びる第2の部分2bとを有する。スペーサ3は、図2に示すように下部基板2の第1の部分2aおよび上部基板1の外周に沿って配置されている。また、スペーサ3には、間隙3aが1か所設けられており、下部基板2の第2の部分2bは、スペーサ3の間隙3aが設けられた箇所から外側に向かって延びている。
In the illustrated example, the
上部基板1の下面(下部基板2と対向する面)には、上部電極11が設けられ、下部基板2の上面(上部基板1と対向する面)には、下部電極12が設けられている。上部電極11および下部電極12は、スペーサ3で囲まれた部分に設けられている。また、上部電極11および下部電極12は、対向するように設けられる。本実施形態では、上部電極11および下部電極12は、感圧センサ100に荷重が印加されていない状態では、互いに接触せず、互いに間隔を空けて対向しているが、感圧センサ100に荷重が印加されていない状態で互いに接触するように設けられてもよい。図3は、感圧センサ100に荷重が印加されていない無荷重状態の感圧センサ100が示されている。なお、図2では、上部電極11は図示されていない。
An
図4は、上部電極11の構成を示す斜視図であり、図5は、上部電極11の構成を示す上面図である。図4および図5に示す上部電極11は、矩形状の枠部21と、互いに対向する1対の櫛歯形状の部材である上部櫛歯部22とで形成されている。1対の上部櫛歯部22は、枠部21の互いに対向する1対の辺のそれぞれから、互いに向き合う向き(枠部21の内側に向かう向きに)に延びている。これにより、1対の上部櫛歯部22の各歯部23の一端が枠部21によって連結される。上部櫛歯部22の各歯部23は、本実施形態では、上方(Z方向)から見て矩形状を有する板部材で形成され、互いに略平行に設けられている。
FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the
1対の上部櫛歯部22は、互いに入り込んでいる。つまり、1対の上部櫛歯部22は、一方の上部櫛歯部22の歯部23が他方の上部櫛歯部22の凹部24に入り込むように形成される。したがって、一方の上部櫛歯部22の歯部23と他方の上部櫛歯部22の歯部23とが、歯部23が延びる延在方向であるY方向とは交差(より具体的には、略直交)するX方向に隣接するように形成される。なお、凹部24は、各歯部23の両側の空間を示す。
The pair of
上部櫛歯部22の歯部23は、枠部21と接続する根元部25またはその付近で下部電極12側に折り曲げられている。これにより、上部櫛歯部22は、下部電極12側に曲がり、根元部25から先端部26に向けて下部電極12側に傾斜している。歯部23の折り曲げ角度(傾斜角度)は、0.1°〜10°が好ましい。本実施形態では、折り曲げ角度は、略3°である。なお、本実施形態では、歯部23は、側面から見て直線形状を有している。
The
歯部23の数は、1対の上部櫛歯部22全体で2つ以上あればよく、3つ以上あることが望ましい。本実施形態では、歯部23の数は、1対の上部櫛歯部22のそれぞれに2つ、すなわち、1対の上部櫛歯部22全体で4つある。以下、歯部23の数は、特に断りのない限り、1対の上部櫛歯部22全体での歯部23の数を表す。
The number of
以上説明した上部電極11、つまり枠部21および上部櫛歯部22は、導電性を有する弾性体である導電弾性体で形成される。したがって、上部櫛歯部22の各歯部23は、枠部21を介して電気的に接続される。枠部21と上部櫛歯部22は、図示したように一体形成されることが望ましいが、別々に形成された枠部21と上部櫛歯部22とが接合されてもよい。その際、接合手段は、特に限定されず、例えば、溶接やビス止めなどである。また、枠部21と上部櫛歯部22とが別々に形成される場合、枠部21および上部櫛歯部22は、互いに同じ材料で形成されることが望ましいが、互いに異なる材料で形成されてもよい。また、上部櫛歯部22の各歯部23を連結して電気的に接続できれば、矩形状の枠部21の代わりに、コの字形状の枠部などの他の部材が用いられてもよい。
The
下部電極12は、図2に示したように、上部電極11の上部櫛歯部22の各歯部23と対向する位置に設けられた複数の歯部32を有する櫛歯状の部材である下部櫛歯部31を有する。上部櫛歯部22が互いに対向して1対設けられているため、下部櫛歯部31も互いに対向する1対の部材からなる。下部櫛歯部31は、半導電性抵抗体で形成される。下部櫛歯部31の線抵抗率は、10Ω/mm〜104Ω/mmであることが望ましい。線抵抗率とは、単位長さ当たりの抵抗値を示す。
As shown in FIG. 2, the
1対の下部櫛歯部31の各歯部32は、導電線33によって電気的に接続されている。導電線33としては、具体的には、一方の下部櫛歯部31の各歯部32を電気的に接続する導電線と、他方の下部櫛歯部31の各歯部32を電気的に接続する導電線とがある。導電線33は、下部基板2上に設けられ、スペーサ3の間隙3aから下部基板2の第2の部分2bに沿って延び、その端部に接続端子33aが形成されている。接続端子33aは、外部装置(図示せず)と電気的に接続され、感圧センサ100の駆動時には、外部装置から接続端子33aおよび導電線33を介して下部電極12に電圧が印加される。
Each
図6は、感圧センサ100の動作を説明するための図である。図6では、感圧センサ100に対して荷重が印加されていない無荷重状態、弱い荷重が印加されている弱荷重状態、強い荷重が印加されている強荷重状態の感圧センサ100の透視側面図および透視上面図が示されている。なお、図6では、説明の簡略化のため、上部櫛歯部22(下部櫛歯部31)の歯部の数は2つとしている。
FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the pressure-
感圧センサ100に対して荷重が印加されていない無荷重状態の場合、本実施形態では、図6(a)に示すように、上部電極11の上部櫛歯部22と下部電極12の下部櫛歯部31とは、互いに接触しないように形成されている。このため、感圧センサ100の抵抗値は無限大となる。
When no load is applied to the pressure-
感圧センサ100の上部基板1の凸部1aに弱い荷重F1が印加された弱荷重状態の場合、上部基板1が荷重F1に応じて撓み、それに伴い、上部電極11の上部櫛歯部22が下がり、図6(b)に示すように、下部電極12の下部櫛歯部31と接触する。このとき、上部櫛歯部22は、根元部25から先端部26に向けて下部電極12側に傾斜しているため、先端部26の方から下部櫛歯部31と接触する。下部櫛歯部31の各歯部32おける、歯部32と導電線33との接続部から歯部32と上部櫛歯部22との接触部までの距離である有効距離をそれぞれAおよびBとすると、感圧センサ100は、その有効距離AおよびBの和A+Bに応じた抵抗値R(A+B)を有することになる。
In a light load state where a weak load F1 is applied to the convex portion 1a of the
さらに図6(b)に示した荷重F1よりも大きい荷重F2が上部基板1の凸部1aが印加された強荷重状態の場合、図6(c)に示すように上部基板1がさらに撓む。これにより、上部櫛歯部22と下部櫛歯部31とが接触する長さ(歯部23が延びるY方向の長さ)が図6(b)の場合よりも長くなる。このため、下部櫛歯部31の各歯部32おける有効距離をそれぞれaおよびbとすると、その有効距離の和a+bは、図6(b)で示した弱荷重状態の有効距離の和A+Bよりも短くなる。このため、有効距離aおよびbの和に応じた感圧センサ100の抵抗値R(a+b)は、弱荷重状態における感圧センサ100の抵抗値R(A+B)よりも小さくなる。
Furthermore, when the load F2 larger than the load F1 shown in FIG. 6B is a strong load state where the convex portion 1a of the
したがって、感圧センサ100では、印加された荷重に応じて抵抗値が変化することとなる。なお、このとき、印加された荷重に応じて有効距離が連続的に変化するため、荷重に応じて抵抗値も連続的に変化する。また、感圧センサ100の抵抗値は、実際には、上述した有効距離に応じた抵抗値と、上部電極11や導電線33の抵抗値を加えた値となるが、ここでは、説明を簡略化するため、上部電極11や導電線33の抵抗値が一定であるため、ゼロとみなした。
Therefore, in the pressure-
上記構成を有する感圧センサ100では、上部電極11として、ドリフトを軽減させることが可能な硬い材質、繰り返しの使用(変形)に適した厚さ、感圧センサ100の抵抗値変化に適した低抵抗値などを有することが望ましい。具体的には、上部電極11の材料としては、板バネ用の導電性金属板、または、導電性塗料を塗布した金属または樹脂板などが望ましく、上部電極11の引張強度は70MPa以上、厚さは0.1mm〜1mm、体積抵抗率は10μΩm以下であることが望ましい。
In the pressure-
歯部23の数は、3以上が望ましい。これは、荷重が印加された場合に、各歯部23に印加される荷重のバランスが良いためであり、荷重が印加された位置が上部基板1の中央部からずれてしまい、その結果、荷重が印加される荷重方向がZ方向(感圧センサ100に対して直交した方向)からずれた場合でも、各歯部23における抵抗値変化のばらつきが低減されるためである。この荷重のバランスの観点からは、歯部23の数は多いほどよい。
The number of
また、下部櫛歯部31の歯部32の幅WDは、上部櫛歯部22の歯部23の幅WUよりも広いことが望ましい。これは、歯部32と歯部23の感圧センサ100の面内方向(XY平面内の方向)の位置関係にずれが生じた場合でも、感圧センサ100に荷重が印加された際に、上部電極11と下部電極12との接触をより確実に行うことができるためである。
The width W D of the
以上説明したように本実施形態によれば、上部電極11は、互いに対向する1対の櫛歯形状の部材である上部櫛歯部22と、上部櫛歯部22の各歯部23の一端を連結する枠部21とを有し、上部櫛歯部22は下部電極12側に曲がっている。下部電極12は、半導電抵抗体で形成され、かつ、上部櫛歯部22と対向する位置に設けられた1対の櫛歯形状の部材である下部櫛歯部31を有する。
As described above, according to the present embodiment, the
上記構成を有することにより、上部電極11および下部電極12の間に硬度の低い感圧抵抗体などを設けなくてもよくなるため、ドリフトを抑制することが可能になる。また、上部櫛歯部22が下部電極12側に曲がっている構成であるため、荷重が印加された際に、上部櫛歯部22の片側と下部櫛歯部31とが接触するため、荷重に対する短絡距離の変化を小さくすることが可能になり、大型化を抑制しながら薄型化および拡大を図ることが可能になる。また、上部櫛歯部22は、互いに対向する1対の構成を有するため、上部櫛歯部22を支持する上部基板1に係る負荷を均一化することが可能になる。このため、かじりなどの発生を抑制し、耐久性を高くすることができる。さらに上部櫛歯部22と下部櫛歯部31の接触距離を荷重に応じて連続的に変化させることが可能になるため、荷重を連続的に検出することが可能になる。
By having the said structure, since it becomes unnecessary to provide a pressure-sensitive resistor etc. with low hardness between the
したがって、本実施形態の感圧センサ100では、ドリフトを抑制しつつ、大型化を抑制しながら薄膜化および検出域の拡大を図ることが可能であり、さらに耐久性が高く、かつ、圧力または荷重を連続的に検出することが可能になる。
Therefore, in the pressure-
また、本実施形態では、1対の上部櫛歯部22が互いに入り込んでいるため、大型化をさらに抑制することが可能になる。
Moreover, in this embodiment, since a pair of upper comb-
また、本実施形態では、感圧センサ100は、1対の上部櫛歯部22を連結する枠部21を有し、1対の上部櫛歯部22と枠部21とは一体形成されている。このため、耐久性が高い上部電極11を容易に作成することが可能になる。
Moreover, in this embodiment, the pressure-
また、本実施形態では、下部櫛歯部31の歯部32の幅WDは、上部櫛歯部22の歯部23の幅WUよりも広いため、上部電極11と下部電極12との接触をより確実に行うことが可能になる。また、上部櫛歯部22の歯部23の数は3以上であるため、抵抗値変化のばらつきを低減することが可能になる。
Further, in the present embodiment, the width W D of the
(第2の実施形態)
図7は、本発明の第2の実施形態の感圧センサ100の上部電極11aの構成を示す上面図である。図7に示す上部電極11aは、図5で示した第1の実施形態の上部電極11と比較して、上部櫛歯部22の歯部23の代わりに、歯部23aを有する点で異なる。なお、本実施形態の感圧センサ100の他の構成は、第1の実施形態と同様である。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a top view showing the configuration of the
図5に示した第1の実施形態における歯部23は、矩形状であったが、図7に示す歯部23aは、先端部26が根元部25よりも細くなっている。より具体的には、歯部23aは、上方から見て、根元部25から先端部26に向けて幅が徐々に細くなる略三角形状に形成されている。このとき、下部櫛歯部31の歯部32の幅WDは、上部櫛歯部22の歯部23aの幅の最大値、つまり、歯部23aの根元部25の幅WUMよりも広いことが望ましい。
The
本実施形態では、歯部23aの先端部26が根元部25よりも細いため、荷重が小さい場合でも、上部櫛歯部22の歯部23aの先端部26が変形しやすく、下部櫛歯部31に接触しやすい。このため、微小の荷重を検出することが可能になり、荷重を検出できる検出域を広くすることが可能になる。
In the present embodiment, since the
(第3の実施形態)
図8は、本発明の第3の実施形態の感圧センサ100の上部電極11bの構成を示す縦断面図である。図8に示す上部電極11bは、図3に示した上部電極11と比較して、上部櫛歯部22における歯部23の代わりに、歯部23bを有する点で異なる。なお、本実施形態の感圧センサ100の他の構成は、第1の実施形態と同様である。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing the configuration of the
図3に示した第1の実施形態における歯部23は、側面から見て直線形状を有していたが、図8に示す歯部23bは、側面から見て、下部電極12側に膨らむように湾曲した曲線形状(より具体的には、R形状)を有する。
The
本実施形態では、歯部23bが下部電極12側に膨らむように湾曲しているため、荷重が小さい場合でも、歯部23bの先端部が変形しやすく、下部櫛歯部31に接触しやすい。このため、微小の荷重を検出することが可能になり、荷重を検出できる検出域を広くすることが可能になる。
In the present embodiment, since the
(第4の実施形態)
本実施形態では、各部の構成についてより詳細に説明する。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, the configuration of each unit will be described in more detail.
第1〜第3の実施形態では、図6に示したように示したように、上部基板1は、可撓性を有し、荷重が印加された際に変形することで、印加された荷重を上部電極11に伝えている。このとき、当然ながら、上部基板1は、荷重が印加された際に、上部電極11の上部櫛歯部22と当接しない程度の強度を有する必要がある。また、スペーサ3は、上述したように特に限定されないが、柔軟性および弾性を有することが望ましい。なお、上部基板1は、可撓性を有さない部材で構成されてもよい。この場合、当然ながら、スペーサ3は、上部基板1に対して印加された荷重を上部電極11に伝えるために柔軟性および弾性を有する必要がある。
In the first to third embodiments, as shown in FIG. 6, the
上部基板1と上部電極11とは、互いに接合されなくてもよいし、互いに接合されてもよい。上部基板1と上部電極11とを互いに接合しない場合、感圧センサ100の構成の簡易化を図ることが可能になる。一方、上部基板1と上部電極11とを互いに接合する場合、上部基板1と上部電極11との位置ずれを抑制することが可能になる。したがって、感圧センサ100に対して荷重が繰り返し印加されても、上部基板1と上部電極11との位置がずれて、感圧センサ100の特性に影響が生じることを抑制することが可能になる。
The
上部基板1と上部電極11とを互いに接合する場合、その接合方法については特に限定されない。例えば、上部基板1と上部電極11とは、粘着剤や、熱硬化性接着剤のような接着剤などを用いて互いに接合される。粘着剤を用いる場合、特に両面テープなどを用いることにより、上部基板1と上部電極11とを容易に接合することが可能になるため、感圧センサ100を容易に製造することが可能になる。また、接着剤を用いる場合、一般的に接着剤は粘着剤と比べてヒステリシスが発生しくにため、負荷の荷重時と除荷時で検出値に差が生じることを抑制することが可能になる。また、上部基板1と上部電極11とは、PET(polyethylene terephthalate:ポリエチレンテレフタラート)フィルムのような柔軟性を有する弾性体膜を介して接合されてもよい。
When the
下部基板2の材質や材料は、感圧センサ100が設置される場所などに応じて適宜選択される。
The material and material of the
感圧センサ100における荷重の検出範囲は、上部電極11の厚さに応じて変化する。具体的には、上部電極11が薄くなるほど、検出精度を高くすることができる。このため、上部電極11の厚さは、所望の検出範囲に応じて決定することが望ましい。また、反対に上部電極11の厚さが厚くなるほど、ドリフトの発生を抑制することができる。
The load detection range in the
また、上部電極11における上部櫛歯部22の歯部23の折り曲げ角度が大きいほど、上部電極11の加工が容易になり、さらには検出範囲を広くすることが可能になる。また、反対に歯部23の折り曲げ角度が小さいほど、感圧センサ100を薄くすることが可能になる。
Further, as the bending angle of the
(第5の実施形態)
図9は、本発明の第5の実施形態の感圧センサ100の構成を示す縦断面図であり、図10は、本発明の第5の実施形態の感圧センサ100の構成を示す分解斜視図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing the structure of the pressure-
図9および図10に示す本実施形態の感圧センサ100は、図1〜図6で説明した第1の実施形態の感圧センサ100と比較して、押圧部材4をさらに備える点で異なる。また、本実施形態の感圧センサ100では、上部基板1と上部電極11とが粘着剤層5で互いに接合されている。粘着剤層5は、粘着剤で形成された層であり、例えば、両面テープなどを用いることで形成することができる。図10では、感圧センサ100の上部、具体的には、上部基板1、押圧部材4、粘着剤層5および上部電極11の構成が示されている。
The pressure-
第1の実施形態では、スペーサ3は、上部基板1と下部基板2の間に設けられていたが、本実施形態では、押圧部材4と下部基板2との間に設けられ、押圧部材4と下部基板2とを間隔を空けて支持する。上部基板1は押圧部材4の下面(下部基板2と対向する面)に設けられている。押圧部材4と上部基板1とは、互いに接合されていなくてもよいし、互いに接合されてもよい。接合された際の接合方法も特に限定されない。
In the first embodiment, the
押圧部材4の上面(下部基板2と対向する面とは反対側の面)には、感圧センサ100に対して荷重を印加するための押しボタンとして機能する凸部4aが設けられている。凸部4aは、押圧部材4の中央部に設けられることが望ましい。なお、押圧部材4は、凸部4aを備えず、平板状に形成されてもよい。また、本実施形態では、上部基板1は、図1に示した凸部1aを備えていない。
On the upper surface of the pressing member 4 (surface opposite to the surface facing the lower substrate 2), a
粘着剤層5は、上部基板1と上部電極11とを接合する第1の粘着剤層である。粘着剤層5は、具体的には、上部電極11の枠部21の少なくとも一部に設けられ、上部基板1と上部電極11の枠部21とを接合する。
The pressure-
押圧部材4は、可撓性を有し、変形することで上部基板1に対して印加された荷重を上部電極11に伝えている。このため、本実施形態では、上部基板1は、可撓性を有さない部材で構成された場合でも、スペーサ3は、上部基板1に対して印加された荷重を上部電極11に伝えるために柔軟性および弾性を有する必要がない。
The
以上説明したように本実施形態によれば、上部基板1を下面に備えた可撓性を有する押圧部材4と下部基板2とがスペーサ3にて間隔を空けて対向している。したがって、上部基板1に可撓性を設けず、さらにスペーサ3に柔軟性および弾性を設けなくてもよくなるため、上部基板1やスペーサ3の特性を精密に調整しなくても、容易に圧力を検出することが可能になる。
As described above, according to the present embodiment, the flexible pressing
また、本実施形態では、上部基板1と上部電極11とが上部電極11の枠部21に沿って設けられた粘着剤層5を介して接合される。このため、上部基板1と上部電極11とを簡単な構成で接合させることが可能になるため、感圧センサ100の構成を簡単化することが可能になる。
Further, in the present embodiment, the
(第6の実施形態)
図11は、本発明の第6の実施形態の感圧センサ100の構成を示す縦断面図であり、図12は、本発明の第6の実施形態の感圧センサ100の構成を示す分解斜視図である。
(Sixth embodiment)
FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing the structure of the pressure-
図11および図12に示す感圧センサ100は、図9および図10に示した第5の実施形態の感圧センサ100と比較して、上部基板1と上部電極11とを接合する接合方法が異なる。本実施形態では、上部基板1と上部電極11とが弾性体膜であるPETフィルム6を介して互いに接合されている。具体的には、上部基板1とPETフィルム6とが粘着剤層7を介して互いに接合され、PETフィルム6と上部電極11が粘着剤層8を介して互いに接合されている。なお、図12では、感圧センサ100の上部、具体的には、上部基板1、押圧部材4、PETフィルム6、粘着剤層7、8および上部電極11の構成が示されている。
The pressure-
PETフィルム6は、柔軟性を有する弾性体膜である。PETフィルム6は、上部基板1と略同じ形状を有する。
The
粘着剤層7は、上部基板1とPETフィルム6を接合する第2の粘着剤層である。粘着剤層7は、上部基板1およびPETフィルム6における第2の方向であるY方向の略中央部に、第1の方向であるX方向に沿って設けられている。
The pressure-
粘着剤層8は、PETフィルム6と上部電極11とを接合する第3の粘着剤層である。粘着剤層8は、PETフィルム6および上部電極11のY方向の両端部のそれぞれに、X方向に沿って設けられている。したがって、粘着剤層8は、上部電極11の枠部21におけるX方向に延びる部分に沿って設けられ、上部電極11の枠部21とPETフィルム6とを互いに接合している。
The pressure-
図13は、本実施形態における感圧センサ100の動作を説明するための図である。図13では、荷重が印加されていない無荷重状態の感圧センサ100と、荷重が印加されている荷重状態の感圧センサ100との透視側面図が示されている。
FIG. 13 is a diagram for explaining the operation of the pressure-
感圧センサ100に対して荷重が印加されていない無荷重状態の場合、本実施形態では、図13(a)に示すように、上部電極11の上部櫛歯部22と下部電極12の下部櫛歯部31とは、互いに接触しないように形成されている。
When no load is applied to the pressure-
感圧センサ100の押圧部材4の凸部4aに荷重Fが印加された荷重状態の場合、荷重Fは、押圧部材4、上部基板1、粘着剤層7、PETフィルム6、粘着剤層8を介して上部電極11に伝わる。そして、上部電極11が荷重F1に応じて撓み、それに伴い、上部電極11の上部櫛歯部22が下がり、図13(b)に示すように、下部電極12の下部櫛歯部31と接触する。
When the load F is applied to the
このとき、上部基板1と上部電極11とがPETフィルム6を介して接合されているため、粘着剤層8が上部電極11の変形に追従して変形することを抑制することが可能になる。したがって、粘着剤層8が両端部などで大きく変形することでヒステリシスが発生してしまうことを抑制することが可能になる。
At this time, since the
以上説明したように本実施形態によれば、上部基板1とPETフィルム6とを接合する粘着剤層7が、上部基板1におけるY方向の略中央部にX方向に沿って設けられ、PETフィルム6と上部電極11とを接合する粘着剤層8が、上部電極11におけるY方向の両端部のそれぞれにX方向に沿って設けられる。このため、粘着剤層7および8が上部電極11の撓みに沿って変形することを抑制することが可能になるため、粘着剤層7および8においてヒステリシスが発生することを抑制することが可能になる。その結果、感圧センサ100の検出値において負荷の荷重時と除荷時とで差が生じることを抑制することが可能になる。
As described above, according to this embodiment, the pressure-
(実施例1)
実施例1として第1の実施形態の構成を有する感圧センサ100を以下のように作成した。
Example 1
As Example 1, a pressure-
上部電極11の材料として、厚みが0.3mmのステンレス(SUS304−CSP)の板を用意し、そのステンレスの板を打ち抜いて、歯部23の数が4本の上部櫛歯部22と枠部21を一体形成する。そして、歯部23の根元部25を下部電極12側に約3°曲げることで上部電極11を製造する。
As the material of the
また、厚みが250μmのPET(PolyEthylene Terephthalate:ポリエチレンテレフタレート)シートを下部基板2として用意し、その下部基板2の上部電極11の各歯部23と対向する位置に、線抵抗率が1kΩ/mmのカーボンペーストを櫛歯形状に塗布して下部電極12(1対の下部櫛歯部31)として形成する。このとき、下部電極12(カーボンペースト)の長さを上部電極11の歯部23の長さよりも短くし、幅を上部電極11の歯部23の幅よりも広くする。そして、1対の下部櫛歯部31のそれぞれの歯部32の片側が電気的に接続されるように導電性の銀ペーストで導電線33を形成する。
Also, a PET (PolyEthylene Terephthalate) sheet having a thickness of 250 μm is prepared as the
さらに上部電極11を上部基板1に貼り付け、スペーサ3を用いて上部基板1と下部基板2とを間隔を開けて互いに対向するように接続する。
Further, the
(実施例2)
上部電極11の材料として、厚みが0.3mmのアルミニウム(A1050)の板を用意する。他の点は、実施例1と同様である。
(Example 2)
As a material for the
(実施例3)
上部電極11の材料として、厚みが0.3mmの炭素工具鋼鋼材(SK85―CSP)の板を用意する。他の点は、実施例1と同様である。
Example 3
As a material for the
(実施例4)
下部基板2に対して線抵抗率が0.5kΩ/mmのカーボンペーストを櫛歯形状に塗布して下部電極12として形成する。他の点は、実施例1と同様である。
(Example 4)
A carbon paste having a linear resistivity of 0.5 kΩ / mm is applied to the
(実施例5)
下部基板2に対して線抵抗率が10kΩ/mmのカーボンペーストを櫛歯形状に塗布して下部電極12として形成する。他の点は、実施例1と同様である。
(Example 5)
A carbon paste having a linear resistivity of 10 kΩ / mm is applied to the
(実施例6)
上部電極11の材料として、厚みが0.1mmのアルミニウム(A1050)の板を用意する。他の点は、実施例1と同様である。
(Example 6)
As a material for the
(実施例7)
上部電極11の材料として用意した実施例1と同じステンレスの板を打ち抜いて、歯部23の数が2本の上部櫛歯部22と枠部21を一体形成する。他の点は、実施例1と同様である。
(Example 7)
The same stainless steel plate as that of Example 1 prepared as the material of the
(実施例8)
上部電極11の材料として用意した実施例1と同じステンレスの板を打ち抜いて、歯部23の数が3本の上部櫛歯部22と枠部21を一体形成する。他の点は、実施例1と同様である。
(Example 8)
The same stainless steel plate as that of Example 1 prepared as a material for the
(実施例9)
上部電極11の材料として用意した実施例1と同じステンレスの板を打ち抜いて、歯部23の数が5本の上部櫛歯部22と枠部21を一体形成する。他の点は、実施例1と同様である。
Example 9
The same stainless steel plate as that of Example 1 prepared as the material for the
(実施例10)
下部基板2に塗布するカーボンペースト(下部櫛歯部31のの歯部32)の幅を、実施例1とは逆に、上部電極11の歯部23の幅よりも狭くする。他の点は、実施例1と同様である。
(Example 10)
The width of the carbon paste (
(実施例11)
上部電極11aの材料として実施例1と同じステンレスの板を用意し、そのステンレスの板を打ち抜いて、根元部25から先端部26に向けて幅が徐々に細くなる略三角形状の4本の歯部23aを有する上部櫛歯部22と枠部21を一体形成する。他の点は、実施例1と同様である。なお、実施例11の感圧センサ100は、第2の実施形態の感圧センサ100に対応する。
(Example 11)
The same stainless steel plate as that of Example 1 is prepared as a material for the
(実施例12)
実施例1と同様に上部櫛歯部22と枠部21を一体形成した後で、下部電極12側に膨らむように湾曲したR形状の歯部23bを形成する。他の点は、実施例1と同様である。なお、この実施例12の感圧センサは、第3の実施形態の感圧センサ100に対応する。
(Example 12)
After the upper
(実施例13)
上部電極11の材料として、厚みが0.3mmの導電材を塗布したPBT樹脂の板を用意する。他の点は、実施例1と同様である。
(Example 13)
As the material of the
(実施例14)
下部基板2に対して線抵抗率が13kΩ/mmのカーボンペーストを櫛歯形状に塗布して下部電極12として形成する。他の点は、実施例1と同様である。
(Example 14)
A carbon paste having a linear resistivity of 13 kΩ / mm is applied to the
(実施例15)
上部電極11の材料として、厚みが0.05mmのアルミニウム(A1050)の板を用意する。他の点は、実施例1と同様である。
(Example 15)
As a material for the
(実施例16)
上部電極11の材料として、厚みが1.0mmの炭素工具鋼鋼材(SK85―CSP)の板を用意する。他の点は、実施例1と同様である。
(Example 16)
As a material for the
なお、実施例1〜16で作成した感圧センサ100において、上部櫛歯部22の引張強度は、実施例1、4、5、7〜12、14の場合、500MPa、実施例2、6、15の場合、70MPa、実施例3および16の場合、800MPa、実施例13の場合、50MPaとなる。
In addition, in the pressure-
(比較例)
比較例として、樹脂で形成された感圧抵抗体を電極の間に設けた従来の感圧センサを用いる。ここでは、この従来の感圧センサとして、特開2014−20954公報に記載の感圧センサ用いている。
(Comparative example)
As a comparative example, a conventional pressure sensor in which a pressure sensitive resistor made of resin is provided between electrodes is used. Here, the pressure sensor described in JP-A-2014-20954 is used as the conventional pressure sensor.
実施例1〜16および比較例の感圧センサに対してドリフト、ノイズ、直線性、検出域および消費電力について評価し、その評価結果を表1および表2で示した。 Drift, noise, linearity, detection area, and power consumption were evaluated for the pressure sensitive sensors of Examples 1 to 16 and the comparative example, and the evaluation results are shown in Tables 1 and 2.
ドリフトの評価では、感圧センサに対して8Nの荷重を印加し、感圧センサにて検出された抵抗値の初期値Riに対する30分後の抵抗値Reと初期値Riの差の比率「|1−(Re÷Ri)×100|[%]」をドリフト値として測定した。表1および表2において、◎はドリフト値が1%未満、○はドリフト値が3%未満、△はドリフト値が5%未満、×はドリフト値が5%以上であることを示す。 In the evaluation of the drift, a load of 8N is applied to the pressure sensor, and the ratio “|” of the difference between the resistance value Re and the initial value Ri after 30 minutes with respect to the initial value Ri of the resistance value detected by the pressure sensor “| 1− (Re ÷ Ri) × 100 | [%] ”was measured as a drift value. In Tables 1 and 2, ◎ indicates that the drift value is less than 1%, ○ indicates that the drift value is less than 3%, Δ indicates that the drift value is less than 5%, and X indicates that the drift value is 5% or more.
ノイズの評価では、感圧センサに対して8Nの荷重と5Vの電圧を印加し、0.1秒ごとに抵抗値Rx(x=0.1,0.2,…,60)を測定する。そして、抵抗値Rxの1分間の平均値Ravに対する抵抗値Rxと平均値Ravの差の振れ幅(比率)の最大値「Max{|1−(Rx÷Rav)×100|}[%]」をノイズ値として測定した。表1および表2において、◎はノイズ値が1%未満、○はノイズ値が3%未満、△はノイズ値が5%未満を示す。 In the noise evaluation, a load of 8 N and a voltage of 5 V are applied to the pressure sensor, and a resistance value Rx (x = 0.1, 0.2,..., 60) is measured every 0.1 seconds. Then, the maximum value “Max {| 1− (Rx ÷ Rav) × 100 |} [%]” of the amplitude (ratio) of the difference between the resistance value Rx and the average value Rav with respect to the average value Rav for one minute of the resistance value Rx. Was measured as a noise value. In Tables 1 and 2, ◎ indicates a noise value of less than 1%, ◯ indicates a noise value of less than 3%, and Δ indicates a noise value of less than 5%.
直線性の評価では、感圧センサに対して1N〜8Nまで荷重を増加させたときの抵抗値Ry(y=1,2,…,8)を測定し、その抵抗値Ryの理想直線上の抵抗値Ridに対する各抵抗値Ryと理想直線上の抵抗値Ridとの差の振れ幅の最大値「Max{|1−(Ry÷Rid)×100|}[%]」を直線値として測定した。なお、理想直線は、抵抗値Ry(y=1,2,…,8)から最小二乗法を用いて算出した近似直線である。表1および表2において、◎は直線値が1.5%未満、○は直線値が3%未満、×は直線値が3%以上を示す。 In the evaluation of linearity, a resistance value Ry (y = 1, 2,..., 8) when a load is increased from 1 N to 8 N with respect to the pressure sensor is measured, and the resistance value Ry is on an ideal straight line. The maximum value “Max {| 1- (Ry ÷ Rid) × 100 |} [%]” of the difference width between each resistance value Ry and the resistance value Rid on the ideal straight line with respect to the resistance value Rid was measured as a linear value. . The ideal straight line is an approximate straight line calculated from the resistance value Ry (y = 1, 2,..., 8) using the least square method. In Tables 1 and 2, ◎ indicates a linear value of less than 1.5%, ◯ indicates a linear value of less than 3%, and x indicates a linear value of 3% or more.
検出域の評価では、感圧センサに対して荷重を増加させたときの抵抗値の最小値に対応する荷重と抵抗値の最大値に対応する荷重の比率を検出域値として測定した。表1および表2において、◎は検出域値が5倍以上であることを示す。 In the evaluation of the detection area, the ratio of the load corresponding to the minimum resistance value when the load was increased with respect to the pressure sensor and the load corresponding to the maximum resistance value was measured as the detection area value. In Tables 1 and 2, ◎ indicates that the detection range value is 5 times or more.
消費電力の評価では、感圧センサに対して検出域の最大となる荷重と5Vの電圧を印加した時の消費電力を測定した。表1および2において、◎は消費電力が10mW未満、○は消費電力が25mW未満であることを示す。 In the evaluation of power consumption, power consumption was measured when a load with a maximum detection range and a voltage of 5 V were applied to the pressure sensor. In Tables 1 and 2, ◎ indicates that power consumption is less than 10 mW, and ◯ indicates that power consumption is less than 25 mW.
表1および表2に示されたように、全ての実施例において比較例よりも性能が向上している。 As shown in Tables 1 and 2, in all examples, the performance is improved as compared with the comparative example.
以上説明した各実施形態および各実施例において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。 In each embodiment and each example described above, the illustrated configuration is merely an example, and the present invention is not limited to the configuration.
例えば、上部基板1と下部基板2は、間隔を空けた状態で互いに対向することができれば、スペーサ3を用いなくてもよい。図14は、スペーサ3を用いない感圧センサ100の例を示す縦断面図である。図14の例では、感圧センサ100が中空のケース9を有し、ケース9の内側の上面に上部基板1を設け、ケース9の下面を下部基板2として用いることで、上部基板1と下部基板2を、間隔を空けて互いに対向させている。この場合、図の例のように、ケース9の上面に開口9aを設けることで、上部基板1の上面の少なくとも一部をケース9から露出させることが望ましい。また、上部基板1は、可撓性を有し、変形することで印加された荷重を上部電極11に伝える。上部基板1は、荷重が印加された際に、上部電極11の上部櫛歯部22と当接しない程度の強度を有する必要がある。
For example, the
1 上部基板
2 下部基板
2a 第1の部分
2b 第2の部分
3 スペーサ
4 押圧部材
5、7、8 粘着剤層
6 PETフィルム
9 ケース
11、11a、11b 上部電極
12 下部電極
21 枠部
22 上部櫛歯部
23、23a、23b 歯部
24 凹部
25 根元部
26 先端部
31 下部櫛歯部
32 歯部
33 導電線
33a 接続端子
100 感圧センサ
1
9
Claims (14)
前記上部電極は、互いに対向する1対の櫛歯形状の部材である上部櫛歯部と、前記上部櫛歯部の各歯部の一端を連結する枠部と、を有し、前記上部櫛歯部は、下部電極側に曲がっており、
前記下部電極は、半導電抵抗体で形成され、かつ、前記上部櫛歯部と対向する位置に設けられた1対の櫛歯形状の部材である下部櫛歯部を有する、感圧センサ。 A pressure sensor having an upper electrode and a lower electrode facing the upper electrode with a gap therebetween,
The upper electrode includes an upper comb tooth portion that is a pair of comb-tooth shaped members facing each other, and a frame portion that connects one end of each tooth portion of the upper comb tooth portion, and the upper comb tooth The part is bent to the lower electrode side,
The said lower electrode is a pressure-sensitive sensor which has a lower comb-tooth part which is a pair of comb-tooth shaped members provided in the position facing the said upper comb-tooth part, and is formed with a semiconductive resistor.
前記下部電極を上面に備えた下部基板と、
前記上部基板を下面に備えた、可撓性を有する押圧部材と、
前記下部基板と前記押圧部材とを間隔を空けて支持するスペーサとを有する請求項1ないし11のいずれか1項に記載の感圧センサ。 An upper substrate having the upper electrode on the lower surface;
A lower substrate having the lower electrode on its upper surface;
A flexible pressing member comprising the upper substrate on the lower surface;
The pressure-sensitive sensor according to claim 1, further comprising a spacer that supports the lower substrate and the pressing member with a space therebetween.
前記第1の粘着剤層は、前記上部電極の枠部に沿って設けられる、請求項12に記載の感圧センサ。 A first pressure-sensitive adhesive layer that joins the upper substrate and the upper electrode;
The pressure-sensitive sensor according to claim 12, wherein the first pressure-sensitive adhesive layer is provided along a frame portion of the upper electrode.
前記上部基板と前記弾性体膜とを接合する第2の粘着剤層と、
前記弾性体膜と前記上部電極とを接合する第3の粘着剤層と、をさらに有し、
前記第2の粘着剤層は、前記上部基板における前記上部櫛歯部の歯部が並んだ第1の方向とは略直交する第2の方向の略中央部に、前記第1の方向に沿って設けられ、
前記第3の粘着剤層は、前記上部電極における前記第2の方向の両端部のそれぞれに、前記第1の方向に沿って設けられる、請求項12に記載の感圧センサ。 An elastic film provided between the upper substrate and the upper electrode;
A second pressure-sensitive adhesive layer that joins the upper substrate and the elastic film;
A third pressure-sensitive adhesive layer that joins the elastic film and the upper electrode;
The second pressure-sensitive adhesive layer extends along the first direction at a substantially central portion in a second direction substantially orthogonal to the first direction in which the teeth of the upper comb teeth on the upper substrate are arranged. Provided,
The pressure-sensitive sensor according to claim 12, wherein the third pressure-sensitive adhesive layer is provided along each of the both ends of the upper electrode in the second direction along the first direction.
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