(57)【要約】【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。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【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。
【発明の詳細な説明】
【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、基布に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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−２２４９４８号公報
【発明の概要】
【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】
【図１】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】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】実施例１の基布有りゴムシートのＳＥＭ写真である。
【図６】実施例２の基布なしゴムシートのＳＥＭ写真である。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【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、円形の計測部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、バブル状やバルーン状と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や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や図３のように、粒径が違うように現れる。
【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、ダイコーターやコンマコーター、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。
【実施例】
【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。
【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。
【産業上の利用可能性】
【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。
【符号の説明】
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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