JPH0754277B2

JPH0754277B2 - 圧電型圧力分布センサ

Info

Publication number: JPH0754277B2
Application number: JP1057446A
Authority: JP
Inventors: 純多保田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1989-03-08
Filing date: 1989-03-08
Publication date: 1995-06-07
Anticipated expiration: 2010-06-07
Also published as: JPH02236131A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、複数個の圧電セラミック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極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１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＝d₃₃×9.8Fであり（d₃₃は圧電素
子１の圧電定数を示す。）、例えば力Ｆ＝1kg、圧電定
数d₃₃＝110×10^-12（C/N）の場合には、Ｑ＝1.078×10
^-9（Ｃ）という非常に小さな電荷が発生される。

他方、圧電素子１の両端の直流絶縁抵抗をR₁（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１の両端の電圧Ｖは、となる。ここで、C₀は圧電素子１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/（R_IC₀）
＝−１になるときであり、例えばR_I＝1GΩ,C₀＝3300pF
の場合には、ｔ＝3.3秒、R_I＝10GΩの場合ではｔ＝33秒
となる。従って、圧電素子１を構成するセラミックの絶
縁抵抗をR_Iは、少なくとも数10GΩ必要であることがわ
かる。

そこで、従来、圧電素子１を構成するセラミックの絶縁
抵抗をR_Iの低下を防止するために、すなわち圧電素子１
の吸湿を防止するために、圧電素子１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ィング
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１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、正確な接触圧力を検出
することが不可能となる。

よって、本発明の目的は、圧電セラミック素子の吸湿を
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確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〕

本発明は、複数個の圧電セラミック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、ショア硬度A90以下の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A0〜90程度のものを意味し、通常のエポキシ樹脂
のショア硬度D80に比べて非常に軟らかいものである。

〔作用〕

複数個の圧電セラミック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、上記のようなショ
ア硬度A90以下の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10は、ステンレス等の導電
性材料よりなるケース蓋11内に構成されている。ケース
蓋11には、矩形の開口11aが形成されている。この開口1
1a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12とにより構成されている。

ベース部材12上には、上方に突出された位置決めピン12
a,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12のコーナー部分に、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12c〜12fの側
面には、ねじ孔13が形成されている。

ベース部材12の直上には、フレキシブル基板15が載置さ
れている。フレキシブル基板15には、位置決めピン12a,
12bに挿通される位置決め孔15a,15bが形成されている。

フレキシブル基板15の上面には所定の配線パターン16
（第１図参照）が形成されており、想像線Ａで示す部分
にチップ型コンデンサが載置され、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15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17が形成されている。アース電
極17は、スルーホール18によりフレキシブル基板15の上
面側の接続電極19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
15に設けられた入出力パッドに接続されている。

フレキシブル基板15上には、矩形の樹脂枠21が載置され
る。樹脂枠21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１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22〜25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
ジャパ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
がショア硬度A0〜90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21上には、開口27aを有する弾性
シート27が載置される。弾性シート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。弾性シート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のフレキシブル基板28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の上端部の電極22a,24aと導電性接着
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12上に載置し、ケース
蓋１を被せ、ねじ14によりケース蓋11をベース部材12に
固着することにより、第３図の圧電型圧力分布センサ10
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21を配置したが、この枠21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、複数個の圧電セラミック素
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、各圧電セラミック素子の吸湿を
効果的に防止することができ、従って圧電セラミック素
子の絶縁抵抗の低下を確実に防止し得る。しかも該エポ
キシ系樹脂がショア硬度A90以下のゴム弾性を有し非常
に軟らかいものであるため、圧電セラミック素子に加え
られた力が該エポキシ系樹脂を介して隣接する圧電セラ
ミック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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の圧電セラミック素子をマトリクス
状に配置して、各圧電素子の上下方向に加わる圧力を検
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、前記複数個の圧電素子の側面の周囲を硬化後の硬度がシ
ョア硬度A90以下である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、圧電型圧力分
布センサ。