JP2007010482A - 面圧力センサー - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が容易で、しかもマトリックス点における圧力の検出が可能な分布型触覚センサーへの応用にも適した面圧力センサーを提供を提供すること。
【解決手段】 面圧力センサーは、柔軟性絶縁シートとこの絶縁シートを貫通して配設され絶縁シートの面方向にマトリクス状に配置された複数の導電体ドットとでなる接点シート１１１と、柔軟性絶縁シートに隣接して積層され導電体ドットに対応する位置に空間を形成したクッションシート１１２と、接点シートの他の主面に形成され導電体ドットに対応して個別に配置された第１の電極１１３と、クッションシートに隣接配置された第２の電極１４０とを具備している。そして、クッションシートがその面の垂直方向からの圧力により、クッションシートが圧力印加部分で膜厚が圧縮されて第１の電極と第２の電極が導電体ドットを介して電気的に接続されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、面圧力センサー、例えば触覚センサーに応用可能な面圧力センサーに関する。

近年、物体に接触させてその接触部分の情報を得る触覚センサーが実用化している。たとえば、指先の繊細な操作が求められる各種の高度ロボット技術や、カテーテルや内視鏡の先端部にこれを設けて、生体の状態を検出する医療技術に利用されている。

このような触覚センサーは、物体の表面形状や硬さといった物理情報の取得に用いられるが、多くは接触部分での面圧力を測定し、信号処理を施して必要な情報を得るようにしている。

この種の触覚センサーに用いられる面圧力センサーの従来技術として、例えば、コイルとコンデンサとが直列に接続されて構成されているＬＣ直列共振回路を利用したものがある（例えば、特許文献１参照）。このＬＣ直列共振回路には外部発振器及びスペクトルアナライザが取付けられ、外部発振器からの入力信号がＬＣ直列共振回路に入力された後にスペクトルアナライザに出力されるようになっている。そして、触覚センサーに触圧が加わったときには触圧によりコイルのピッチ（巻線間隔）や面積が変化し、この変化に伴いコイルのインダクタンスが変化する。ここで、ＬＣ直列共振回路の共振周波数はコイルのインダクタンスの変化に伴い変動する。よって、スペクトルアナライザに出力された信号において、信号強度が低下する位置はＬＣ直列共振回路の共振周波数の変動に伴い変位するために、ＬＣ直列共振回路の共振周波数の変動を検知することができる。このため、触覚センサー により触圧を検出できるようになっている。

また、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）素子を利用したものもある（例えば、特許文献２参照）。ＣＣＤ素子を利用する場合、様々な実装が考えられるが、いずれにせよ、光源からＣＣＤ素子への光の経路は、接触部分の状態により変化する。この変化をＣＣＤ素子からの出力信号として取り出すようにして、物体の表面形状や面圧力を測定している。
特開２００２−２３６０５９号公報 特開平７−１２８１６３号公報

しかしながら、従来の面圧力センサーの場合、コイル、ＣＣＤ、光源といったものを接触部分の近傍に設ける必要があった。一般に、これらの素子は、小型化が容易ではなく、面圧力センサー全体の小型化に困難が伴う。特に、単なる一点における面圧力ではなく、複数箇所の面圧力を同時に検出するような分布型触覚センサーを構成する場合、どうしても全体寸法が大きくなってしまうことが避けられない。

本発明は、上記した欠点を解決し、小型化が容易で、しかもマトリックス点における圧力の検出が可能な分布型触覚センサーへの応用にも適した面圧力センサーを提供することを目的とする。

本発明の面圧力センサーの一態様は、柔軟性絶縁シートとこの絶縁シートを貫通して配設され絶縁シートの面方向にマトリクス状に配置された複数の導電体ドットとでなる接点シートと、
前記柔軟性絶縁シートに隣接して積層され前記導電体ドットに対応する位置に空間を形成し膜厚方向に弾性変形可能なクッションシートと、
前記接点シートの前記クッションシート側と反対側の一主面に形成され前記導電体ドットに対応して個別に配置された第１の電極と、
前記クッションシートに隣接配置された第２の電極とを具備し、
前記クッションシートがその面の垂直方向からの圧力により、圧力印加部分で膜厚が圧縮されて前期導電体ドットを介して前記第１の電極と前記第２の電極が電気的に接続されることを特徴とする面圧力センサーにある。

本発明の他の態様は、膜厚方向に弾性変形可能で変形部分が導電性となる異方性導電層でできたクッションシートと、
前記クッションシート側の一主面に形成され面方向にマトリクス状に配置された複数の第１の電極と、
前記クッションシートの他の主面に前記第１ の電極に対応して配置された第２の電極とを具備し、
前記クッションシートがその面の垂直方向からの圧力により、前記クッションシートが圧力印加部分で膜厚が圧縮変形されて前記第１の電極と前記第２の電極が電気的に接触することを特徴とする面圧力センサーにある。

さらに、本発明は、前記導電体ドットおよび前記電極の少なくとも一方が抵抗体で形成されることが好ましい。

本発明によれば、面圧力センサーは単純な構成を持っており、小型化および量産化が容易で、しかも、分布型触覚センサーへの応用にも適している。

図１は、本発明の第１の実施態様による面圧力センサーの本体部の断面構造を透視した斜視図であり、図２は、この本体部の縦断面図である。また、図３は、本発明の第１の実施態様による制御手段含む面圧力センサーの回路図である。この面圧力センサーの本体部は、柔軟性を有するシート基板１００と、このシート基板１００に積み重ねて接着された複数の積層体１１０、１２０、１３０とからなっている。

シート基板１００の表面には、共通電極を構成する導電フィルム１４０が設けられている。また、積層体１１０、１２０、１３０のそれぞれは、接点シート１１１、１２１、１３１と、クッションシート１１２、１２２、１３２と、電極パターン１１３、１２３、１３３とからなっている。電極パターンはＮｉＣｒ合金などの電気抵抗体で形成され、膜厚方向に一定の抵抗値を有している。

接点シート１１１、１２１、１３１は、それぞれ柔軟性絶縁シート１１１ａ、１２１ａ、１３１ａと、この絶縁シートを貫通して配設され、絶縁シートの面方向にマトリクス状に配置されマトリクス点を圧点とする複数の導電体ドット１１１ｂ、１２１ｂ、１３１ｂとからなっている。

クッションシート１１２、１２２、１３２は、それぞれ柔軟性絶縁シート１１１ａ、１２１ａ、１３１ａに隣接して積層されており、導電体ドット１１１ｂ、１２１ｂ、１３１ｂに対応する位置に貫通孔を設けておくことにより、図に示したように面圧力センサーの本体部の内部に空間１１２ａ、１２２ａ、１３２ａを形成している。

電極パターン１１３、１２３、１３３は、それぞれ接点シート１１１、１２１、１３１のクッションシート１１２、１２２、１３２側と反対側の一主面に形成されている。そして、電極パターン１１３、１２３、１３３は、導電体ドット１１１ｂ、１２１ｂ、１３１ｂと一対一に対応してマトリクス状に配置された複数の中間電極１１３ａ、１２３ａ、上部電極１３３ａおよびこれら複数の電極の各々から個別に独立に引き出されたリード配線１１３ｂ、１２３ｂ、１３３ｂとからなっている。

シート基板１００は、例えばガラスや樹脂からなり、その厚さは応用に応じて適宜選択されるが、例えば１００〜１５０μｍである。導電フィルムの共通電極１４０は、シート基板１００上に蒸着またはスパッタリングで形成した金属薄膜または金属箔で形成される。

柔軟性絶縁シート１１１ａ、１２１ａ、１３１ａは、例えばポリイミド樹脂からなり、その厚さは、例えば１０〜２０μｍである。導電体ドット１１１ｂ、１２１ｂ、１３１ｂは、ＡｇやＣｕの微粒子を樹脂に混ぜた導電ペーストをスクリーン印刷により、柔軟性絶縁シート１１１ａ、１２１ａ、１３１ａの貫通孔に充填して形成され例えば５００~１０００μｍ径である。この導電ペーストを抵抗体微粒子を混ぜて形成することもできる。リード配線１１３ｂ、１２３ｂ、１３３ｂは、電極とともに例えば蒸着膜、スパッタリング膜、箔等の金属をパターンエッチングして形成される。電極１１３ａ、１２３ａ、１３３ａを抵抗体としても機能させるために、例えばＮｉＣｒ膜などの抵抗膜で形成される。

クッションシート１１２、１２２、１３２は膜方向に弾性変形可能な例えばシリコンゴム、テフロン(商品名)ゴムからなり、その厚さは応用に応じて適宜選択されるが、例えば５０〜１００μｍである。この厚さは導電体ドットが変位できるストロークをきめる。このクッションシート１１２、１２２、１３２は、予め穿孔を行った後、位置合わせをして接点シート１１１、１２１、１３１に張り合わせてもよいし、逆に接点シート１１１、１２１、１３１に張り合わせてから、エッチング等により空間１１２ａ、１２２ａ、１３２ａを形成してもよい。このように各積層体は例えば柔軟性絶縁シート１１１ａと導電体ドット１１１ｂからなる接点シート１１１、クッションシート１１２ならびに電極１１３の積層構造１１０で形成される。

以上のように構成された積層体１１０、１２０、１３０を積み重ね、それらのマトリクスを互いに整合させて接着し、表面を保護膜１５０で覆ることにより面圧力センサーの本体部が構成される。なお、１つの具体例として、本体部の大きさは５０ｍｍ×５０ｍｍ、内部に含まれるドットの数は２５×２５である。この積層体のマトリクス圧点ごとに膜厚方向に電極１３３から共通電極１４０にかけて直列電気回路が形成される。

図３の等価回路図に示したように、最上部の電極パターンである電極１３３と各積層体の中間に位置する中間電極としての電極１１３，１２３および共通電極１４０間に、圧点ごとにインピーダンス検出器１６０を接続する。検出器の入力部は例えば抵抗分割ポテンショメータを形成して本体部の直列電気回路と合成したインピーダンスの変化を検出する。

ここで、保護膜１５０を介して本体部に圧力が加わると、例えば図２の右側に示されているように、圧力pが加わっている導電体ドット１３１ｂ１と、その一層下に位置している中間電極１２３ａ１とが電気的に接続される。また、もう一層下の導電体ドット１２１ｂ１とその一層下に位置している中間電極１１３ａ１とが圧力に応じ電気的に接続される。これにより、最上部の電極パターンである電極１３３ａ１と電極１２３ａ１，１１３ａ１のリード配線１２３ｂ１、１１３ｂ１間の回路のインピーダンスが変化し、これらリード配線１１３ｂ１、１２３ｂ１を介して信号を取り出すことができる。

すなわち、本体部に面分布的にかかる圧力が或る圧点で印加されないかまたは小さい場合、その圧点における導電体ドット１１１ｂ１、１２１ｂ１、１３１ｂ１は互いに絶縁状態にあるが、圧力の大きさに応じて、導電体ドットが一定のストロークだけ押されて互いに電気的に接続される。つまり、圧力が大きくなってくると導電体ドットのスイッチを介して、その位置で最上部の電極１３３ａ１と、その一層下の中間電極１２３ａ１とが電気的に接続される。それ以外の導電体ドット１１１ｂ１、１２１ｂ１の接続状態は変わらないので、対応する上側のリード配線１２３ｂ１を介して、この状態を示す信号Ｓ２ｎ（その位置での積層体１２０のｎ番目のマトリクス要素からの信号）が出力される。

さらに圧力が大きくなると、もう一層下の導電体ドット１１１ｂ１も押し込まれ、電極１２３ａ１と、さらに下層の電極１１３ａ１が接続される。それ以外の導電体ドット１１１ｂの接続状態は変わらないので、対応する上側のリード配線１１３ｂ１を介して、この状態を示す信号Ｓ１ｎ（その位置での積層体１１０のｎ番目のマトリクス要素からの信号）が出力される。なお図３は図２の導電体ドットの押し込み状態に対応させている。

さらに圧力が大きくなると、最下部の導電体ドット１１１ｂ１も押し込まれ、下層の電極１１３ａ１が電極１４０へ接続される。これにより、上部電極１３３から共通電極１４０への電流経路が形成される。従って、回路のインピーダンスの変化し、信号Ｓ１ｎおよび信号Ｓ２ｎが変化し、対応するリード配線１１３ｂ、１２３ｂ、１３３ｂにより取り出すことができる。

従って、上部電極１３３ａ１と共通電極１４０間のインピーダンスが、圧力の大きさや分布に応じて、対応するリード配線１１３ｂ、１２３ｂ、１３３ｂを介して、圧力の加わっている位置と範囲を示す信号Ｓ１ｎ，Ｓ２ｎを取り出すことができる。

上記クッションシートの変形例として異方性導電フィルムを使用することができる。この場合は、導電体ドットに対応して空間を設ける必要がない。

次に、他の実施態様を説明する。図４は、本発明の第２の実施態様による面圧力センサーの本体部の縦断面図である。この面圧力センサーの本体部は、柔軟性を有するシート基板２００と、このシート基板２００に積み重ねて接着された複数の積層体２１０、２２０、２３０とからなっている。

シート基板２００の表面には、導電フィルムの接地共通電極２４０が設けられている。また、積層体２１０、２２０、２３０のそれぞれは、接点シート２１１、２２１、２３１と、電極パターン２１３、２２３、２３３とからなっている。この接点シートは弾性変形可能な異方性導電層からなり、第１の実施態様の接点シートとクッションシートの複合体と同様の機能を果たす。これらの接点シート２１１、２２１、２３１は、特にマトリクス状の構造は形成されていない。

電極パターン２１３、２２３、２３３は、それぞれ接点シート２１１、２２１、２３１の一主面に形成されている。その中の中間電極パターン２１３、２２３は、第１の実施態様と同様に、マトリクス状に配置された複数の電極２１３ａ、２２３ａおよびこれら複数の電極の各々から独立に引き出されたリード配線とからなっている。シート基板２００は、第１の実施態様のシート基板１００と同一のものを使用することができる。

接点シート２１１、２２１、２３１を構成する異方性導電層は、例えば、絶縁性の樹脂やゴムに微細な金属粒子、またはカーボン粒子を分散させたものである。金属粒子のみの場合は良導電体として機能し、カーボンの場合は抵抗体として機能する。これに圧力ｐが加わると、内部の金属粒子同士が接して、面方向は非導通のまま圧力方向への導電性が現れる。この性質を利用することにより、本実施形態の接点シートは第１の実施態様とは異なる構成でクッションシートとしての作用を兼ねることができるのである。

以上のように構成された積層体２１０、２２０、２３０を積み重ね、それらのマトリクスを互いに整合させて接着し、表面を保護膜２５０で覆ることにより面圧力センサーの本体部が構成される。なお、本実施態様に対応する回路図は、図３のものと同一であり、その基本動作もほぼ同一である。

すなわち、保護膜２５０を介して本体部に圧力ｐが加わると、接点シートが変形し、その位置で厚み方向（圧力方向）への導電性が現れる。これはスイッチとして機能することを意味する。また、圧力が大きくなってくると、より下層の接点シートに導電性が現れるので、第１の実施態様で説明した動作が、ここでもそのまま当てはまることが理解できる。

なお、接点シート２１１、２２１、２３１に分散された金属粒子の密度によって、感度の調整が可能である。また、電極２１３ａ、２２３ａは導電体で構成されるが、場合により抵抗体で形成しても良い。

次に、更に他の実施態様を説明する。図５は、本発明の第３の実施態様による面圧力センサーの本体部の縦断面図である。この面圧力センサーの本体部は、第１の実施態様による面圧力センサーの本体部とはその共通電極１４０部分が異なる以外は同一である。なお第１の実施形態と同一符号の部分は同一部分を示す。

すなわち上部電極パターンが共通電極となり、相違点とは、電極パターン３１３、３２３が、それぞれ本発明の第１の実施態様のリード配線と電極を、ＡｕやＣｕで一体とした導電パターンで形成している点と（抵抗体を用いない）、第１の実施態様の共通電極１４０が、電極パターン３１３、３２３と同一構造のマトリクス電極パターン３４０で置き換えられている点である。

図６は、本発明の第３の実施態様による制御手段を含む面圧力センサーのマトリクス構造の１要素のみについての回路図である。ここで、共通電極３３３に電圧Ｖｄｄが接地に対して印加される。ＦＥＴ３２７、３１７、３０７のゲートとドレインは、それぞれ抵抗素子３２８、３１８、３０８、３２９、３１９、３０９を介して接地されており、圧力が加わっていなければオフの状態にあり、信号Ｓ２ｎ、信号Ｓ１ｎ、信号Ｓ０ｎは、すべてローレベルである。以下、その動作を説明する。

保護膜３５０を介して本体部に圧力ｐが加わると、図５の右側に示されているように圧力が加わっている導電体ドット３１１ｂが押し込まれ、電極３３３は電極３２３ａと電気的に接続される。これにより、ＦＥＴ３２７がオンし、ハイレベルの信号Ｓ２ｎが出力される。

さらに圧力が大きくなると、もう一層下の導電体ドット３２１ｂも押し込まれ、電極３１３ａと電気的に接続される。これにより、ＦＥＴ３１７がオンし、ハイレベルの信号Ｓ１ｎが出力される。

さらに圧力が大きくなると、もう一層下の導電体ドット３１１ｂも押し込まれ、電極３１３ａと電気的に接続される。これにより、ＦＥＴ３０７がオンし、ハイレベルの信号Ｓ０ｎが出力される。

従って、信号Ｓ２ｎ、信号Ｓ１ｎ、信号Ｓ０ｎは、圧力の加わっている位置と範囲を示すデジタルの信号として出力される。例えば、マトリクスの要素の数が４×４＝１６であれば、この面圧力センサーは、２バイトの信号を出力する。これをマイクロプロセッサへ入力すれば、信号処理は容易である。

なお、上記実施態様では、積層体は３個、積み重ねているが、これに限らず任意の数の積層体で面圧力センサーを構成しても良い。積層体の数を増やせば、それだけ精度を高くできる。

本発明の第１の実施態様による面圧力センサーの本体部の断面構造を透視した斜視図である。 本発明の第１の実施態様による面圧力センサーの本体部の縦断面図である。 本発明の第１の実施態様による検出回路を含む面圧力センサーの等価回路図である。 本発明の第２の実施態様による面圧力センサーの本体部の縦断面図である。 本発明の第３の実施態様による面圧力センサーの本体部の縦断面図である。 本発明の第３の実施態様による制御手段を含む面圧力センサーの部分回路図である。

符号の説明

１００ シート基板
１１０、１２０、１３０ 積層体
１１１、１２１、１３１ 接点シート
１１１ａ、１２１ａ、１３１ａ 柔軟性絶縁シート
１１１ｂ、１２１ｂ、１３１ｂ 導電体ドット
１１２、１２２、１３２ クッションシート
１１２ａ、１２２ａ、１３２ａ 空間
１１３、１２３、１３３ 電極パターン
１１３ａ、１２３ａ 中間電極
１１３ｂ、１２３ｂ リード配線
１３３ａ 上部電極
１４０ 共通電極
１５０ 保護膜
１６０ 検出回路
２００ シート基板
２１０、２２０、２３０ 積層体
２１１、２２１、２３１ 接点シート
２１３、２２３、２３３ 電極パターン
２１３ａ、２２３ａ 電極
２４０ 共通電極
２５０ 保護膜
３０７，３１７，３２７ ＦＥＴ
３１１ｂ、３２１ｂ、３３１ｂ 導電体ドット
３１３ａ、３２３ａ、３４０ａ 電極
３２８、３１８、３０８、３２９、３１９、３０９ 抵抗素子
３３３ 共通電極
３４０ 電極パターン
３５０ 保護膜

Claims (5)

1. 柔軟性絶縁シートとこの絶縁シートを貫通して配設され絶縁シートの面方向にマトリクス状に配置された複数の導電体ドットとでなる接点シートと、
   前記柔軟性絶縁シートに隣接して積層され前記導電体ドットに対応する位置に空間を形成し膜厚方向に弾性変形可能なクッションシートと、
   前記接点シートの前記クッションシート側と反対側の一主面に形成され前記導電体ドットに対応して個別に配置された第１の電極と、
   前記クッションシートに隣接配置された第２の電極とを具備し、
   前記クッションシートがその面の垂直方向からの圧力により、圧力印加部分で膜厚が圧縮されて前期導電体ドットを介して前記第１の電極と前記第２の電極が電気的に接続されることを特徴とする面圧力センサー。
2. 前記クッションシートと前記第２の電極との間に前記第１の電極に対応してマトリクス配列された複数個の中間電極が設けられ、前記中間電極と前記第２の電極間に第２の接点シートおよび第２のクッションシートが設けられてなる請求項１記載の面圧力センサー。
3. 前記接点シート、クッションシートおよび第１の電極でなる積層体の複数個を積層してなる請求項１記載の面圧力センサー。
4. 膜厚方向に弾性変形可能で変形部分が導電性となる異方性導電層でできたクッションシートと、
   前記クッションシート側の一主面に形成され面方向にマトリクス状に配置された複数の第１の電極と、
   前記クッションシートの他の主面に前記第１ の電極に対応して配置された第２の電極とを具備し、
   前記クッションシートがその面の垂直方向からの圧力により、前記クッションシートが圧力印加部分で膜厚が圧縮変形されて前記第１の電極と前記第２の電極が電気的に接触することを特徴とする面圧力センサー。
5. 前記導電体ドットおよび前記電極の少なくとも一方が抵抗体である請求項１または４記載の面圧力センサー。

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