【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、複数個の圧電素子をマトリクス状に配置して
接触圧力分布を検出する圧電型圧力分布センサに関し、
特に、圧電素子の吸湿を防止する構造が改良されたもの
に関する．
〔従来の技術〕
特開昭６２−２９７７３５号には、複数個の圧電素子を
マトリクス状に配置して接触圧力分布を検出するセンサ
が開示されている．
ここでは、ベース部材上に配置された複数個の圧電素子
の上下両端に設けられた電橿間の電位差を測定すること
により、各圧電素子に加えられた圧力を算出し、それに
基づいて接触圧力分布を検出することが可能とされてい
る．
上記圧力分布センサにおける検出原理を第２図を参照し
て説明する．
第２図（ａ）に示すように、圧電素子１に上方から力Ｆ
が加えられると、圧電素子ｌに電荷Ｑが発生される．こ
の電荷Ｑを測定することにより、加えられる力Ｆが検出
される．この場合、Ｑ−ｄｓｓＸ９．８Ｆであり（ ｄ
ｓｓは圧電素子ｌの圧電定数を示す．）、例えば力Ｆ
−１ｋｇ，圧電定数ｄ０−ｌ１０ｘｌＯ−” （Ｃ／
Ｎ）の場合には、Ｑ＝１．０７８ｘｌＯ−”（Ｃ）とい
う非常に小さな電荷が発生される．
他方、圧電素子ｌの両端の直流絶縁抵抗をＲ．（Ω）と
すると、先に加えた力Ｆにより発生した電荷Ｑは、抵抗
Ｒ１を介してリークすることになる．この場合、第２図
（ｂ）に示すように、圧電素子ｌの両端の電圧■は、
■＝ （Ｑ／Ｃｏ ）ｅ−’て石
となる．ここで、Ｃ．は圧電素子ｌの容量と付加コンデ
ンサ２のトータルの容量を示す．リークにより、電圧Ｖ
が６３％に低下するときの時間ｔは、上式より−ｔ／
（ＲＩ Ｃ＠ ）−− １になるときであり、例えばＲ
，−ＩＧΩ，ＣＩ ＝３３００ｐＦの場合には、Ｌ−３
．３秒、Ｒ＋−１０ＧΩの場合ではｔ＝３３秒となる．
従って、圧電素子ｌを構成するセラミックの絶縁抵抗Ｒ
１は、少なくとも数ｌＯＧΩ必要であることがわかる．
そこで、従来、圧電素子ｌを構成するセラミックの絶縁
抵抗Ｒ，の低下を防止するために、すなわち圧電素子ｌ
の吸湿を防止するために、圧電素子ｌの周囲をフッ素系
コーティング剤やシリコン樹脂によりコーティングして
いた．
〔発明が解決しようとする技術的課題〕しかしながら、
上記のようなフッ素系樹脂コーテ〆冫グ剤やシリコン樹
脂では、十分な耐湿性を得ることができず、圧電素子ｌ
の絶縁抵抗の低下を十分に防止することが困難であった
．また、エポキシ系樹脂を用いれば耐湿性を改善し得る
ことがわかっているが、通常のエポキシ樹脂を用いた場
合には硬度が高いため、エポキシ樹脂を通じて加えられ
た力がリークし、正１１な接触圧力を検出することが不
可能となる．
よって、本発明の目的は、圧電素子の吸湿を防止し、従
って絶縁抵抗の低下を防止することができ、かつ接触圧
力分布を正ｉ１に検出し得る圧電型圧力分布センサを提
供することにある．〔技術的課題を解決するための手段
〕
本発明ば、複数個の圧電素子をマトリクス状に配置して
、各圧電素子の上下方向に加えられる圧力を検知するこ
とにより接触圧力分布を検出する圧電型圧力分布センサ
において、複数個の圧電素子の側面の周囲を、ゴム弾性
を有するエポキシ系合成樹脂により封止したことを特徴
とする．本発明におけるゴム弾性とは、硬化時のゴム硬
度がショア硬度ＡＯ〜９０程度のものを意味し、通常の
エポキシ樹脂のシツア硬度Ｄ８０に比べて非常に軟らか
いものである．
〔作用】
複数個の圧電素子の側面の周囲がエポキシ系樹脂により
封止されているので、圧電素子の吸湿を効果的に防止す
ることができ、その結果、圧電素子の絶縁抵抗の低下を
有効に防止し得る．また、上記のようなゴム弾性を有す
るエポキシ系樹脂であるため、圧電素子に加えられた力
がエポキシ系樹脂を介して隣接する圧電素子にリークす
るおそれも少ない．
〔実施例の説明〕
第３図は、本発明の一実施例の概略斜視図である．本実
施例の圧電型圧力分布センサｌＯは、ステンレス等の導
電′峠材料よりなるケース蓋１１内に構成されている．
ケース！１１には、矩形の開口１１ａが形成されている
．この間口１１’ａ内の露出している部分が被測定物に
当接され、その圧力分布が検出される．
上記実施例の内部構造を、第４図の分解斜視図及び第１
図の断面図を参照して説明する．本実施例のセンサのケ
ースは、上述したケース蓋１１と、ベース部材ｌ２とに
より構成されている．
ベース部材ｌ２上には、上方に突出された位置決めビン
１２ａ．１２ｂが形成されている．位置決めピン１２ａ
，１２ｂは、ベース部材１２上に載置される後述の各部
材の位置決めを果たすために設けられている．
ベース部材ｌ２のコーナ一部分に、上方に突出した矩形
の突出部１２ｃ−１２ｆが形成されている．突出部１２
ｃ−１２ｆ．の側面には、ねじ孔ｌ３が形成されている
．
ベース部材ｌ２の直上には、フレキシブル基板ｌ５が載
置されている．フレキシブル基板ｌ５には、位置決めピ
ン１２ａ，１２ｂに挿通される位置決め孔１５ａ，１５
ｂが形成されている．フレキシブル基板ｌ５の上面には
所定の配線パターン１６（第１図参Ｗｌ）が形成されて
おり、セ像線Ａで示す部分゛にチップ型コンデンサがＲ
置され、想像線Ｂで示す部分にＦＥＴが搭載される．さ
らに、想像線Ｃで示す４個の矩形領域には後述の圧電素
子が載置される．この圧電素子の下端面に形成された電
極と、フレキシブル基板ｌ５上の配線パターン１６とは
、導電性接着剤等により電気的に接続される．
他方、第１図に示すように、フレキシブル基板１５の下
面には、全面にアース電極ｌ７が形成されている．アー
ス電極ｌ７は、スルーホール１８によりフレキシブル基
板ｌ５の上面側の接続電極ｌ９に電気的に接続されてい
る．
第４図に戻り、２０はケーブルを示し、フレキシブル基
板ｌ５に設けられた入出力バッドに接続されている．
フレキシブル基板ｌ５上には、矩形の樹脂枠２１が載置
される．樹脂枠２ｌ内には、４個の圧電素子２２〜２５
が収納される．そして、この樹脂枠２１内において、４
個の圧電素子２２〜２５の側面の周囲に、ゴム弾性を有
する耐湿性エポキシ系樹脂が充填される．
すなわち第ｌ図に断面図で示されているように、充填さ
れたエポキシ系樹脂２６は、各圧電素子２２〜２５の側
面の周囲を封止するように充填されている．エポキシ系
合成樹脂であるため、耐湿性に優れ、従って圧電素子２
２〜２５の吸湿を効果的に抑制する．
しかも、ゴム弾性を有するエポキシ系樹脂材であるため
、各圧電素子の上下方向に圧力が加えられたときに、該
力をリークするおそれもない．すなわち、エポキシ系樹
脂２６を介して加えられた力が隣接する他の圧電素子に
リークするおそれもない．
上記のようにゴム弾性を有するエポキシ系樹脂としては
、例えば商品名「エコゲル１３６５−４５」の下にグレ
ースジャバン株式会社より市販されているものを用いる
ことができる．このエコゲル１３６５−４５は、硬化時
のゴム硬度がシツア硬度ＡＯ〜９０程度であり、通常の
エポキシ樹脂のショワー硬度Ｄ８０に比べて非常やわら
かい．よって、前述のように隣合う圧電素子の力をほと
んどリークさせることがない．
圧電素子２２〜２５は、上下方向に圧力が加えられたと
きに圧電効果により電荷を発生する圧電材料よりなる．
圧電材料としては、圧電セラミックスや圧電性単結晶の
ような比較的剛性の高いものが用いられる．
第４図に戻り、樹脂枠２ｌ上には、開口２７ａを有する
弾性シ一ト２７が載置される．弾性シ一ト２７は、例え
ば合成ゴム等の弾性材料により構成されている．弾性シ
一ト２７上には、圧電素子を被測定物体に当接させる加
圧シートとして機能する第２のフレキシブル基Ｆｉ２Ｂ
が載置される．第２のフレキシブル基板２８の下面には
、全面にアース電極２８ｂ（第１図）が形成されている
．このアース電極２８ｂは、圧電素子２２．２４の上端
面の電極２２ａ，２４ａとＲ電性接着剤により電気的に
接続されている．第１図では図示されていない圧電素子
２３．２５の上端面の電極も、同様にアース電極２８ｂ
に電気的に接続される他方、フレキシブル基板２８の上
面には、第４図に示されているように矩形の電極パター
ン２８Ｃが形成されている．また、第２のフレキシブル
基板２８にもスルーホール２９が形成されており、該ス
ルーホール２９によりアース電極２８ｂと上面の電極パ
ターン２８ｃとが電気的に接続されている．
フレキシブル基板２８の上方にはステンレス等の機械加
工によりその厚みを低減することが可能な材料よりなる
第１〜第４の高さ調整部材３０〜３３が、連結部３４に
より互いに連結された高さ調整プレート３５が付着され
ている．
この高さ調整部材３０〜３３は、組立て後に、機械加工
によりその厚みを低減することにより各圧電素子２２〜
２５が設けられている部分のセンサの高さを均一にする
ために設けられている．上述した各構成部材をベース部
材ｌ２上に載置し、ケースｉｔを被せ、ねじ１４により
ケース蓋１ｌをベース部材ｌ２に固着することにより、
第３図の圧電型圧力分布センサｌＯを得ることができる
．
次に、本実施例の特徴的構造を、第１図を参照してより
具体的に説明する．
組込まれた形態では、圧電素子２２〜２５の側面の周囲
には、ゴム弾性を有するエポキシ系樹脂２６が充填され
封止されている．従って、各圧電素子が周囲の湿気から
確実に保護され、各圧電素子の絶縁抵抗の低下を効果的
に防止することが可能とされている．さらに、上記した
エポキシ系樹脂２６が非常に軟らかいゴム弾性を有する
ものであるため、上方から圧電素子に加えられた力が、
隣接する圧電素子にリークするおそれもほとんどない．
従って、接触圧力分布を正確に検出することが可能とさ
れている．
なお、上記実施例では、複数個の圧電素子２２〜２５の
周囲に矩形の樹脂枠２ｌを配置したが、この枠２ｌは合
成樹脂以外の剛性材料から構成することも可能である．
また、その形状についても、後から行われるゴム弾性を
有するエポキシ樹脂２６の充填を可能とするものであれ
ば、特に問わない．
〔発明の効果〕
以上のように、本発明では、複数個の圧電素子の側面の
周囲がゴム弾性を有するエポキシ系樹脂により封止され
ているので、各圧電素子の吸湿を効果的に防止すること
ができ、従って圧電素子の絶縁抵抗の低下を確実に防止
し得る．しかも該エポキシ系樹脂がゴム弾性を有し非常
に軟らかいものであるため、圧電素子に加えられた力が
該エポキシ系樹脂を介して隣接する圧電素子にリークす
るおそれもほとんどない．
従って、周囲の環境に関わらず、当接される物体の接触
に基づく圧力分布を正確に検出し得る圧電型圧力分布セ
ンサを得ることが可能となる．[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a piezoelectric pressure distribution sensor that detects contact pressure distribution by arranging a plurality of piezoelectric elements in a matrix.
In particular, it relates to a piezoelectric element with an improved structure for preventing moisture absorption. [Prior Art] Japanese Patent Laid-Open No. 62-297735 discloses a sensor that detects contact pressure distribution by arranging a plurality of piezoelectric elements in a matrix. Here, the pressure applied to each piezoelectric element is calculated by measuring the potential difference between the electric rods provided at both the upper and lower ends of multiple piezoelectric elements placed on the base member, and the contact pressure is calculated based on that. It is said that it is possible to detect the distribution. The detection principle of the above pressure distribution sensor will be explained with reference to Fig. 2. As shown in FIG. 2(a), a force F is applied to the piezoelectric element 1 from above.
is applied, a charge Q is generated in the piezoelectric element l. By measuring this charge Q, the applied force F can be detected. In this case, Q-dssX9.8F ( d
ss indicates the piezoelectric constant of the piezoelectric element l. ), for example, force F
-1kg, piezoelectric constant d0-l10xlO-” (C/
N), a very small charge of Q = 1.078 The electric charge Q generated by the force F leaks through the resistor R1. In this case, as shown in FIG. 2(b), the voltage ■ across the piezoelectric element l is given by Co)e-' becomes a stone.Here, C. represents the total capacitance of the piezoelectric element l and the additional capacitor 2.Due to leakage, the voltage V
From the above equation, the time t when the
(RI C@) -- This is when it becomes 1, for example, R
, -IGΩ, CI = 3300pF, then L-3
．． 3 seconds, and in the case of R+-10GΩ, t=33 seconds.
Therefore, the insulation resistance R of the ceramic constituting the piezoelectric element l
1 is required to be at least several lOGΩ.
Therefore, in order to prevent a decrease in the insulation resistance R, of the ceramic that constitutes the piezoelectric element l, conventionally, the piezoelectric element l
In order to prevent moisture absorption, the area around the piezoelectric element l was coated with a fluorine-based coating agent or silicone resin. [Technical problem to be solved by the invention] However,
The fluorine-based resin coating agent and silicone resin described above cannot provide sufficient moisture resistance, and the piezoelectric element l
It was difficult to sufficiently prevent a decrease in insulation resistance. Furthermore, it is known that moisture resistance can be improved by using epoxy resin, but when ordinary epoxy resin is used, the hardness is high, so the force applied through the epoxy resin leaks, resulting in positive 11 It becomes impossible to detect contact pressure. Therefore, an object of the present invention is to provide a piezoelectric pressure distribution sensor that can prevent moisture absorption in a piezoelectric element, thereby preventing a decrease in insulation resistance, and can detect a contact pressure distribution with positive i1. ．． [Means for Solving Technical Problems] The present invention provides a piezoelectric device that detects contact pressure distribution by arranging a plurality of piezoelectric elements in a matrix and detecting the pressure applied in the vertical direction of each piezoelectric element. The type pressure distribution sensor is characterized in that the periphery of the side surfaces of the plurality of piezoelectric elements is sealed with an epoxy-based synthetic resin having rubber elasticity. Rubber elasticity in the present invention means that the rubber hardness upon curing is approximately AO to 90 Shore hardness, which is much softer than the Shore hardness D80 of ordinary epoxy resins. [Function] Since the sides of the multiple piezoelectric elements are sealed with epoxy resin, the piezoelectric elements can effectively prevent moisture absorption, and as a result, the insulation resistance of the piezoelectric elements can be effectively reduced. This can be prevented. Furthermore, since the epoxy resin has rubber elasticity as described above, there is little risk that the force applied to the piezoelectric element will leak to adjacent piezoelectric elements via the epoxy resin. [Description of Embodiment] FIG. 3 is a schematic perspective view of an embodiment of the present invention. The piezoelectric pressure distribution sensor 10 of this embodiment is constructed within a case lid 11 made of a conductive material such as stainless steel.
Case! 11 has a rectangular opening 11a formed therein. The exposed portion within this opening 11'a is brought into contact with the object to be measured, and its pressure distribution is detected. The internal structure of the above embodiment is shown in the exploded perspective view in Fig. 4 and in Fig. 1.
This will be explained with reference to the cross-sectional view in the figure. The case of the sensor of this embodiment is composed of the case lid 11 and the base member l2 described above. On the base member l2, there are positioning bins 12a. 12b is formed. Positioning pin 12a
, 12b are provided to position each member, which will be described later, placed on the base member 12. Rectangular protrusions 12c-12f protruding upward are formed at some corners of the base member l2. Projection part 12
c-12f. A screw hole l3 is formed on the side surface of the . A flexible substrate l5 is placed directly above the base member l2. The flexible substrate l5 has positioning holes 15a and 15 through which the positioning pins 12a and 12b are inserted.
b is formed. A predetermined wiring pattern 16 (see Fig. 1 Wl) is formed on the upper surface of the flexible substrate l5, and a chip type capacitor is connected to the portion indicated by the image line A.
The FET is mounted in the part shown by the imaginary line B. Furthermore, piezoelectric elements, which will be described later, are placed in four rectangular areas indicated by imaginary lines C. The electrode formed on the lower end surface of this piezoelectric element and the wiring pattern 16 on the flexible substrate 15 are electrically connected by a conductive adhesive or the like. On the other hand, as shown in FIG. 1, a ground electrode 17 is formed on the entire lower surface of the flexible substrate 15. The ground electrode 17 is electrically connected to the connection electrode 19 on the upper surface side of the flexible substrate 15 through a through hole 18. Returning to FIG. 4, 20 indicates a cable, which is connected to the input/output pad provided on the flexible board 15. A rectangular resin frame 21 is placed on the flexible substrate l5. There are four piezoelectric elements 22 to 25 in the resin frame 2l.
is stored. Then, within this resin frame 21, 4
A moisture-resistant epoxy resin having rubber elasticity is filled around the side surfaces of the piezoelectric elements 22 to 25. That is, as shown in the cross-sectional view in FIG. 1, the filled epoxy resin 26 is filled so as to seal the periphery of the side surface of each piezoelectric element 22 to 25. Since it is an epoxy-based synthetic resin, it has excellent moisture resistance, and therefore the piezoelectric element 2
Effectively suppresses moisture absorption of 2 to 25. Furthermore, since it is made of an epoxy resin material with rubber elasticity, there is no risk of leakage of force when pressure is applied in the vertical direction of each piezoelectric element. That is, there is no fear that the force applied through the epoxy resin 26 will leak to other adjacent piezoelectric elements. As the epoxy resin having rubber elasticity as described above, for example, one commercially available from Grace Javan Co., Ltd. under the trade name "Ecogel 1365-45" can be used. This Ecogel 1365-45 has a rubber hardness of about AO to 90 on the Shore hardness when cured, and is extremely soft compared to the Shower hardness of D80 of ordinary epoxy resin. Therefore, as mentioned above, there is almost no leakage of force between adjacent piezoelectric elements. The piezoelectric elements 22 to 25 are made of a piezoelectric material that generates electric charges due to the piezoelectric effect when pressure is applied in the vertical direction.
As piezoelectric materials, relatively rigid materials such as piezoelectric ceramics and piezoelectric single crystals are used. Returning to FIG. 4, an elastic sheet 27 having an opening 27a is placed on the resin frame 2l. The elastic sheet 27 is made of an elastic material such as synthetic rubber. On the elastic sheet 27 is a second flexible group Fi2B that functions as a pressure sheet that brings the piezoelectric element into contact with the object to be measured.
is placed. A ground electrode 28b (FIG. 1) is formed on the entire lower surface of the second flexible substrate 28. This ground electrode 28b is electrically connected to the electrodes 22a and 24a on the upper end surfaces of the piezoelectric elements 22 and 24 by R-conductive adhesive. Similarly, the electrode on the upper end surface of the piezoelectric element 23.25, which is not shown in FIG.
On the other hand, a rectangular electrode pattern 28C is formed on the upper surface of the flexible substrate 28, as shown in FIG. A through hole 29 is also formed in the second flexible substrate 28, and the through hole 29 electrically connects the ground electrode 28b and the electrode pattern 28c on the upper surface. Above the flexible substrate 28, first to fourth height adjustment members 30 to 33 made of a material whose thickness can be reduced by machining, such as stainless steel, are connected to each other by a connecting portion 34 and have a height. An adjustment plate 35 is attached. After assembly, the height adjustment members 30 to 33 are designed to reduce the thickness of each piezoelectric element 22 to 33 by machining.
25 is provided to make the height of the sensor uniform in the area where it is provided. By placing each of the above-mentioned constituent members on the base member l2, covering it with the case it, and fixing the case lid 1l to the base member l2 with the screws 14,
The piezoelectric pressure distribution sensor lO shown in Fig. 3 can be obtained. Next, the characteristic structure of this embodiment will be explained in more detail with reference to FIG. In the assembled form, the peripheries of the side surfaces of the piezoelectric elements 22 to 25 are filled and sealed with an epoxy resin 26 having rubber elasticity. Therefore, each piezoelectric element is reliably protected from surrounding moisture, and it is possible to effectively prevent the insulation resistance of each piezoelectric element from decreasing. Furthermore, since the above-mentioned epoxy resin 26 has very soft rubber elasticity, the force applied to the piezoelectric element from above is
There is also little risk of leakage to adjacent piezoelectric elements.
Therefore, it is possible to accurately detect the contact pressure distribution. In the above embodiment, the rectangular resin frame 2l is arranged around the plurality of piezoelectric elements 22 to 25, but the frame 2l can also be made of a rigid material other than synthetic resin.
Further, the shape is not particularly limited as long as it allows filling with the epoxy resin 26 having rubber elasticity to be performed later. [Effects of the Invention] As described above, in the present invention, since the peripheries of the side surfaces of the plurality of piezoelectric elements are sealed with the epoxy resin having rubber elasticity, moisture absorption of each piezoelectric element is effectively prevented. Therefore, it is possible to reliably prevent a decrease in the insulation resistance of the piezoelectric element. Moreover, since the epoxy resin has rubber elasticity and is very soft, there is almost no possibility that the force applied to the piezoelectric element will leak to the adjacent piezoelectric element via the epoxy resin. Therefore, it is possible to obtain a piezoelectric pressure distribution sensor that can accurately detect the pressure distribution based on the contact of an object, regardless of the surrounding environment.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]
第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図（ａ）は圧
電型圧力分布センサの検出原理を説明するための模式的
斜視図、第２図（ｂ）は検出原理を説明するための回路
図、第３図は本発明の一実施例の概略斜視図、第４図は
第３図実施例の分解斜視図である．
図において、１０は圧電型圧力分布センサ、２２〜２５
は圧電素子、２６はゴム弾性を有するエポキシ系樹脂を
示す．
第１図
第２図
１Ｆ
第３図Figure 1 is a sectional view of an embodiment of the present invention, Figure 2 (a) is a schematic perspective view for explaining the detection principle of a piezoelectric pressure distribution sensor, and Figure 2 (b) is for explaining the detection principle. FIG. 3 is a schematic perspective view of an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an exploded perspective view of the embodiment shown in FIG. In the figure, 10 is a piezoelectric pressure distribution sensor, 22 to 25
26 represents a piezoelectric element, and 26 represents an epoxy resin having rubber elasticity. Figure 1 Figure 2 Figure 1F Figure 3