專利名稱：彎曲傳感器及變形形狀測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠檢測(cè)測(cè)量對(duì)象物的彎曲變形的彎曲傳感器及采用該彎曲傳感器的變形形狀測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
例如，作為檢測(cè)構(gòu)件的變形、作用于構(gòu)件上的負(fù)荷的大小的方法，提出了使用彈性體、樹(shù)脂的柔軟的傳感器。該傳感器具有在彈性體或樹(shù)脂中混合有導(dǎo)電性填料的傳感器主體。例如，專利文獻(xiàn)1、2所公開(kāi)的傳感器主體以高填充率在彈性體或樹(shù)脂中混合球狀的導(dǎo)電性填料而成。因此，在傳感器主體上，以未施加有負(fù)荷的狀態(tài)(以下，適當(dāng)稱作“無(wú)負(fù)荷狀態(tài)”)通過(guò)導(dǎo)電性填料彼此的接觸而形成有三維的導(dǎo)電路徑。因而，傳感器主體在無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下具有高導(dǎo)電性。

圖17中示出了傳感器主體的、放大了導(dǎo)電性填料的局部附近的示意圖。在圖17 中，(a)表示彎曲變形前的無(wú)負(fù)荷狀態(tài)，(b)表示剛剛彎曲變形后的狀態(tài)，(c)表示比剛剛彎曲變形后更靠后的狀態(tài)。如圖17的(a)所示，傳感器主體900具有基質(zhì)樹(shù)脂901和導(dǎo)電性填料902。在傳感器主體900上，通過(guò)導(dǎo)電性填料902彼此的接觸而形成有導(dǎo)電路徑Pl。 當(dāng)對(duì)傳感器主體900施加負(fù)荷時(shí)，傳感器主體900開(kāi)始彎曲變形。隨著彎曲變形的開(kāi)始，如圖17的(b)所示，傳感器主體900在圖中沿左右方向擴(kuò)展。由此，導(dǎo)電性填料902彼此相互反作用，導(dǎo)電性填料902的接觸狀態(tài)發(fā)生變化。當(dāng)傳感器主體900進(jìn)一步彎曲時(shí)，如圖17 的(c)所示，基質(zhì)樹(shù)脂901更大地?cái)U(kuò)展。這樣，導(dǎo)電性填料902彼此的接觸斷開(kāi)，導(dǎo)電路徑 Pl被切斷。其結(jié)果，電阻增加。當(dāng)去除所施加的負(fù)荷時(shí)，傳感器主體900因基質(zhì)樹(shù)脂901的彈性恢復(fù)力而恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)(圖17的(a)的狀態(tài))。這樣，采用專利文獻(xiàn)1、2的傳感器，能夠根據(jù)傳感器主體的電阻的增加檢測(cè)出變形。專利文獻(xiàn)1 日本特開(kāi)2008-70327號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開(kāi)2009-198483號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本特表2003-510216號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4 美國(guó)專利第5，583，476號(hào)說(shuō)明書(shū)專利文獻(xiàn)5 美國(guó)專利第5，086，785號(hào)說(shuō)明書(shū)如上所述，采用專利文獻(xiàn)1、2所公開(kāi)的傳感器主體，由于母材(彈性體或樹(shù)脂)的彈性變形，導(dǎo)電路徑崩潰，電阻增加。即，專利文獻(xiàn)1、2的傳感器利用母材的彈性區(qū)域中的電阻的增加來(lái)檢測(cè)變形。但是，從輸入應(yīng)力到母材彈性變形需要時(shí)間。因此，在母材的彈性區(qū)域中，當(dāng)要檢測(cè)彎曲變形時(shí)，響應(yīng)會(huì)延遲母材的彈性變形所需的時(shí)間。因而，檢測(cè)精度降低。特別是在彎曲變形高速的情況下，有時(shí)響應(yīng)延遲進(jìn)一步擴(kuò)大，檢測(cè)精度進(jìn)一步降低。另外，母材彈性變形的速度還受到應(yīng)變的輸入速度、環(huán)境溫度的影響。因此，應(yīng)變的輸入速度、 環(huán)境溫度也成為檢測(cè)精度降低的一個(gè)原因
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是鑒于這種情況而做出來(lái)的，其課題在于提供一種對(duì)應(yīng)變的輸送速度的依賴性小、響應(yīng)延遲難以產(chǎn)生的彎曲傳感器。另外，其課題在于提供一種使用該彎曲傳感器能夠高精度地測(cè)量測(cè)量對(duì)象物彎曲變形時(shí)的形狀的變形形狀測(cè)量方法。(1)本發(fā)明的彎曲傳感器包括基材；傳感器主體，其配置在該基材表面上，具有基質(zhì)樹(shù)脂和以30VO1 %以上的填充率填充在該基質(zhì)樹(shù)脂中的導(dǎo)電性填料，通過(guò)該導(dǎo)電性填料彼此的接觸而形成有三維的導(dǎo)電路徑，電阻隨著變形量增加而增加；覆蓋膜，其配置為覆蓋該傳感器主體，能夠彈性變形；多個(gè)電極，其與該傳感器主體相連接，能夠輸出電阻；在上述傳感器主體上，沿彎曲變形時(shí)切斷上述導(dǎo)電路徑的方向預(yù)先形成有裂紋。在構(gòu)成本發(fā)明的彎曲傳感器的傳感器主體中，以30vOl%以上的填充率在該基質(zhì)樹(shù)脂中填充有導(dǎo)電性填料。在此，導(dǎo)電性填料的填充率為將傳感器主體的體積設(shè)為 100VOl%時(shí)的值。由于導(dǎo)電性填料的填充率較高，因此在傳感器主體上，通過(guò)導(dǎo)電性填料彼此的接觸而形成有三維的導(dǎo)電路徑。即，傳感器主體在無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下具有高導(dǎo)電性，并且電阻隨著變形量增加而增加。另外，在傳感器主體上預(yù)先形成有裂紋。裂紋沿彎曲變形時(shí)切斷導(dǎo)電路徑的方向而形成。圖1中示出了放大了傳感器主體上的裂紋的局部附近的示意圖。但是，圖1是用于說(shuō)明本發(fā)明的彎曲傳感器的示意圖。圖1并不是用例如裂紋的形狀、裂紋的延伸方向、導(dǎo)電性填料的形狀、導(dǎo)電路徑的形狀、導(dǎo)電路徑的延伸方式等來(lái)限定本發(fā)明。在圖1中，(a)表示彎曲變形前的無(wú)負(fù)荷狀態(tài)，(b)表示彎曲變形后的狀態(tài)。如圖1的(a)所示，傳感器主體800具有基質(zhì)樹(shù)脂801、導(dǎo)電性填料802和裂紋 803。在傳感器主體800上，通過(guò)導(dǎo)電性填料802彼此的接觸而形成有導(dǎo)電路徑P。在圖中沿與左右方向(擴(kuò)展方向)交叉的方向形成有裂紋803。當(dāng)對(duì)傳感器主體800施加負(fù)荷時(shí)， 傳感器主體800開(kāi)始彎曲變形。當(dāng)傳感器主體800因彎曲變形而沿左右方向擴(kuò)展時(shí)，如圖1 的(b)所示，裂紋803開(kāi)口。由此，導(dǎo)電性填料802彼此的接觸斷開(kāi)，導(dǎo)電路徑P被切斷。其結(jié)果，電阻增加。當(dāng)去除所施加的負(fù)荷時(shí)，傳感器主體800恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)(圖1的(a) 的狀態(tài))。由此，裂紋803也恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。這樣，在本發(fā)明的彎曲傳感器的傳感器主體中，當(dāng)通過(guò)彎曲變形輸入應(yīng)變時(shí)，導(dǎo)電路徑不會(huì)等待基質(zhì)樹(shù)脂產(chǎn)生彈性變形而被切斷(但是，本發(fā)明的彎曲傳感器并不排除導(dǎo)電路徑因基質(zhì)樹(shù)脂的彈性變形而被切斷的情況。)。因而，響應(yīng)延遲難以產(chǎn)生。另外，由于導(dǎo)電路徑主要因裂紋開(kāi)口而被切斷，因此與導(dǎo)電路徑僅依靠基質(zhì)樹(shù)脂的彈性變形而被切斷的情況(參照在前的圖17)相比，即使較小的應(yīng)變，也能夠高精度地檢測(cè)出來(lái)。另外，如上所述，基質(zhì)樹(shù)脂的彈性變形的速度受到環(huán)境溫度的影響。關(guān)于這一點(diǎn)， 本發(fā)明的彎曲傳感器的導(dǎo)電路徑主要因裂紋開(kāi)口而被切斷。因此，與導(dǎo)電路徑僅依靠基質(zhì)樹(shù)脂的彈性變形而被切斷的情況(參照在前的圖17)相比，響應(yīng)速度對(duì)環(huán)境溫度的依賴性較小。而且，根據(jù)后述的實(shí)施例可知，響應(yīng)速度對(duì)應(yīng)變輸入速度的依賴性也較小。另外，傳感器主體被覆蓋膜所覆蓋。由此，抑制了傳感器主體的品質(zhì)及性能變差。 在此，覆蓋膜能夠彈性變形。因此，當(dāng)在彎曲變形后去除負(fù)荷時(shí)，借助覆蓋膜的彈性恢復(fù)力， 傳感器主體易于恢復(fù)到原來(lái)的形狀。另外，張開(kāi)的裂紋也易于恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。另外，傳感器主體配置在基材的表面上。通過(guò)調(diào)整基材的厚度，能夠調(diào)整彎曲傳感器的靈敏度。例如，在彎曲變形時(shí)的曲率中心位于基材的背側(cè)的情況下，當(dāng)增大基材的厚度時(shí)，彎曲變形時(shí)的傳感器主體的應(yīng)變量增大。即，當(dāng)將基材與傳感器主體的合計(jì)厚度設(shè)為t、 將從彎曲變形時(shí)的曲率中心到基材背面的曲率半徑設(shè)為R時(shí)，應(yīng)變量ε成為ε =t/R。因此，當(dāng)增大基材的厚度時(shí)，彎曲變形時(shí)的傳感器主體的應(yīng)變量增大。由此，能夠提高彎曲傳感器的靈敏度。另外，在上述專利文獻(xiàn)3 5中，公開(kāi)有因裂紋的張開(kāi)、閉合而電阻增加的導(dǎo)電墨。 但是，在任何的導(dǎo)電墨中，在彎曲變形時(shí)都產(chǎn)生有裂紋。換言之，在使用導(dǎo)電墨之前，未形成有裂紋。在這一點(diǎn)上，所公開(kāi)的導(dǎo)電墨與本發(fā)明的傳感器主體不同。即，當(dāng)在彎曲變形時(shí)形成新的裂紋時(shí)，彎曲傳感器的靈敏度發(fā)生變化。因此，在本發(fā)明中，在制造傳感器主體時(shí)預(yù)先形成有裂紋，抑制了彎曲變形時(shí)的新的裂紋的形成。(2)優(yōu)選在上述(1)的技術(shù)方案中，上述導(dǎo)電性填料的平均粒子徑為0. 05 μ m以上且100 μ m以下。當(dāng)導(dǎo)電性填料的粒子徑較小時(shí)，對(duì)于基質(zhì)樹(shù)脂的加強(qiáng)效果增大。因此，難以形成裂紋。另外，由于傳感器主體的斷裂應(yīng)變(在傳感器主體上產(chǎn)生裂紋時(shí)的應(yīng)變)增大，因此電阻的增加與依賴于裂紋開(kāi)口相比更易于依賴傳感器主體的彈性變形。另外，在制造傳感器主體時(shí)，難以使包含基質(zhì)樹(shù)脂與導(dǎo)電性填料在內(nèi)的傳感器材料涂料化?；谶@種觀點(diǎn)，期望將導(dǎo)電性填料的平均粒子徑設(shè)為0.05 μ m以上。通過(guò)這樣設(shè)置，易于沿導(dǎo)電性填料的界面形成裂紋。另外，在導(dǎo)電性填料的界面上裂紋易于開(kāi)口，能夠減小傳感器主體的斷裂應(yīng)變。 更優(yōu)選將導(dǎo)電性填料的平均粒子徑設(shè)為0. 5 μ m以上、甚至1 μ m以上。另一方面，當(dāng)導(dǎo)電性填料的平均粒子徑超過(guò)100 μ m時(shí)，無(wú)負(fù)荷狀態(tài)的導(dǎo)電路徑的數(shù)量減少，并且相對(duì)于彎曲變形，導(dǎo)電性填料的接觸狀態(tài)難以發(fā)生變化，電阻的變化變緩慢。另外，難以使傳感器主體的厚度變薄。更優(yōu)選將導(dǎo)電性填料的平均粒子徑設(shè)為30 μ m 以下、甚至IOym以下。另外，作為平均粒子徑，采用在導(dǎo)電性填料的累積粒度曲線中累積重量為50%的粒子徑(D50)。(3)優(yōu)選在上述(1)的技術(shù)方案中，上述導(dǎo)電性填料為球狀碳。通過(guò)將導(dǎo)電性填料的形狀設(shè)為球狀，能夠以接近最密集填充的狀態(tài)在基質(zhì)樹(shù)脂中混合導(dǎo)電性填料。由此，易于形成三維的導(dǎo)電路徑，易于表現(xiàn)出期望的導(dǎo)電性。另外，相對(duì)于傳感器主體的彈性變形，導(dǎo)電性填料的接觸狀態(tài)易于發(fā)生變化。因此，電阻的變化較大。 另外，作為球狀碳，期望為表面的官能團(tuán)較少的球狀碳。當(dāng)表面的官能團(tuán)較少時(shí)，在與基質(zhì)樹(shù)脂的界面上易于產(chǎn)生破壞，在傳感器主體上易于形成裂紋。(4)優(yōu)選在上述(1)的技術(shù)方案中，在上述傳感器主體上劃分有多個(gè)沿多個(gè)上述電極的配置方向相連的長(zhǎng)度為2mm以下的單位區(qū)間時(shí)，上述裂紋在該單位區(qū)間內(nèi)至少形成
有一個(gè)。彎曲傳感器的靈敏度因形成在傳感器主體上的裂紋的密度(多個(gè)電極的配置方向上的每單位長(zhǎng)度的裂紋條數(shù))而變化。將單位區(qū)間的長(zhǎng)度設(shè)為2mm以下是因?yàn)?，?dāng)超過(guò) 2mm時(shí)，裂紋的密度變小，彎曲傳感器的靈敏度降低。換言之，是因?yàn)殡y以實(shí)現(xiàn)期望的靈敏度。更優(yōu)選將單位區(qū)間的長(zhǎng)度設(shè)為Imm以下。這樣，彎曲傳感器的靈敏度進(jìn)一步提高。(5)優(yōu)選在上述(1)的技術(shù)方案中，在上述傳感器主體中預(yù)先輸入有應(yīng)變。當(dāng)使傳感器主體彎曲時(shí)，在彎曲變形的初始階段出現(xiàn)了彈性區(qū)域，在其后的階段出現(xiàn)了斷裂應(yīng)變以上的區(qū)域。在前的專利文獻(xiàn)1、2的傳感器僅利用彈性區(qū)域來(lái)檢測(cè)變形。圖2中示出了表示傳感器主體的應(yīng)變量與電阻的關(guān)系的示意性曲線。但是，圖2 并不是限定本發(fā)明。如圖2所示，應(yīng)變量隨著使傳感器主體彎曲而增大。當(dāng)應(yīng)變量增大時(shí)， 電阻也增大。在此，在圖中，如箭頭Yl所示，在彎曲變形的初始階段，電阻相對(duì)于應(yīng)變量大致呈二次曲線上升。因此，在圖中，如點(diǎn)Xi所示，彎曲變形最初的、電阻相對(duì)于應(yīng)變量的響應(yīng)性降低。另外，箭頭Yi所示的區(qū)域推斷為傳感器主體的彈性區(qū)域。另外，在圖中，如箭頭Y2所示，在彎曲變形的初始階段之后的階段，電阻相對(duì)于應(yīng)變量大致呈線性上升。因此，在圖中，如點(diǎn)X2所示，與點(diǎn)Xl相比，電阻相對(duì)于應(yīng)變量的響應(yīng)性增高。另外，箭頭Y2所示的區(qū)域推斷為超過(guò)了傳感器主體的彈性區(qū)域的、斷裂應(yīng)變以上的區(qū)域。因此，與作為彎曲變形的檢測(cè)區(qū)域僅利用傳感器主體的彈性區(qū)域的情況相比，利用傳感器主體的斷裂應(yīng)變以上的區(qū)域的情況(包含僅利用斷裂應(yīng)變以上的區(qū)域的情況以及一并利用彈性區(qū)域與斷裂應(yīng)變以上的區(qū)域的情況)下，輸入有相同的應(yīng)變量時(shí)的電阻的變化大。因此，彎曲傳感器的靈敏度提高。另外，由于電阻相對(duì)于應(yīng)變量大致呈線性上升， 因此根據(jù)電阻易于計(jì)算出應(yīng)變量。關(guān)于這一點(diǎn)，采用本技術(shù)方案，在傳感器主體中預(yù)先輸入有應(yīng)變。因此，傳感器主體彎曲變形時(shí)的總應(yīng)變量為預(yù)先輸入的應(yīng)變量與伴隨著彎曲變形的應(yīng)變量之和。即，傳感器主體的總應(yīng)變量與只伴隨著彎曲變形的應(yīng)變量的情況相比變大。由此，作為檢測(cè)區(qū)域，易于使用傳感器主體的斷裂應(yīng)變以上的區(qū)域。即，易于使檢測(cè)區(qū)域向應(yīng)變量與電阻的關(guān)系為線性的區(qū)域偏移(應(yīng)變偏移)。因而，采用本技術(shù)方案，彎曲傳感器的靈敏度提高。另外，根據(jù)電阻易于計(jì)算出應(yīng)變量甚至是彎曲變形時(shí)的傳感器主體的形狀等。(6)優(yōu)選在上述(1)的技術(shù)方案中，多個(gè)上述電極通過(guò)在上述基材上印刷導(dǎo)電涂料而形成。例如，在撓性印刷電路板(FPC)等的表面上配置傳感器主體等，能夠構(gòu)成本發(fā)明的彎曲傳感器。FPC上的導(dǎo)電圖案通過(guò)蝕刻金屬箔而形成。采用金屬箔的蝕刻，能夠以細(xì)線且隔有間距的狀態(tài)來(lái)形成電極、布線。因而，當(dāng)使用FPC時(shí)，能夠使本發(fā)明的彎曲傳感器小型化。但是，當(dāng)通過(guò)蝕刻金屬箔而形成電極時(shí)，電極的端部易于具有棱角。因此，在使彎曲傳感器彎曲并固化之后通過(guò)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)而形成裂紋時(shí)，應(yīng)力易于集中在預(yù)先形成的電極的端部上。由此，裂紋有可能集中形成在電極周邊。即，在傳感器主體上的裂紋的分布中，有可能產(chǎn)生不均。圖18中示出了通過(guò)蝕刻形成有電極的情況下的、裂紋形成時(shí)的傳感器主體的局部剖視示意圖。如圖18所示，傳感器主體810配置在基材811的表面上。在傳感器主體810與基材811之間，以規(guī)定的間隔夾設(shè)有電極81 812c。電極81 812c通過(guò)蝕刻金屬箔而形成。在電極81 812c的、傳感器主體810的延伸方向的端部上，存在有角部813。應(yīng)力易于集中在角部813上。因此，裂紋814集中形成在電極81 812c的周邊。這樣，當(dāng)在裂紋的分布中存在有不均時(shí)，在由電極劃分的每個(gè)測(cè)量區(qū)間的傳感器響應(yīng)中產(chǎn)生有差距。另外，由金屬箔構(gòu)成的電極與以樹(shù)脂為粘合劑的傳感器主體的貼緊性并不充分。這也是裂紋集中在電極周邊的重要原因。采用本技術(shù)方案，通過(guò)在基材上印刷導(dǎo)電涂料而形成電極。通過(guò)印刷導(dǎo)電涂料而形成的電極的端部難以具有棱角。因此，當(dāng)在傳感器主體上形成裂紋時(shí)，應(yīng)力難以集中在電極的端部。另外，導(dǎo)電涂料以樹(shù)脂、彈性體為粘合劑。因此，由導(dǎo)電涂料形成的電極與傳感器主體的貼緊性良好。因而，采用本技術(shù)方案，能夠遍及傳感器主體的整體大致均勻地形成裂紋。由此，不通過(guò)測(cè)量區(qū)域就能夠獲得穩(wěn)定的傳感器響應(yīng)。圖19中示出了通過(guò)印刷形成有電極的情況下的、裂紋形成時(shí)的傳感器主體的局部剖視示意圖。如圖19所示，傳感器主體810配置在基材811的表面上。在傳感器主體810與基材811之間，以規(guī)定的間隔夾設(shè)有電極81加 812c。電極81加 812c通過(guò)印刷導(dǎo)電涂料而形成。在電極81 812c的、傳感器主體810的延伸方向的端部上，存在有曲面狀的倒角部815。應(yīng)力難以集中在倒角部815上。因此，裂紋814大致均勻地形成在傳感器主體 810的整體上。(6-1)優(yōu)選在上述(6)的技術(shù)方案中，導(dǎo)電涂料具有導(dǎo)電材料和由樹(shù)脂或彈性體構(gòu)成的粘合劑。作為導(dǎo)電材料，例如只要使用銀、金、銅、鎳等的金屬粉末、具有導(dǎo)電性的碳粉末、粒子表面被金屬覆蓋的被覆粒子等即可。(7)優(yōu)選在上述(6)的技術(shù)方案中，上述電極的表面形狀中的沿上述傳感器主體的延伸方向的端線具有曲線部。采用本技術(shù)方案，在使彎曲傳感器彎曲并固化之后通過(guò)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)而形成裂紋時(shí)，應(yīng)力難以集中在夾設(shè)在基材與傳感器主體之間的電極的端部上。因而，在傳感器主體上，能夠更均勻地形成裂紋。(8)優(yōu)選在上述(1)的技術(shù)方案中，具有分別與多個(gè)上述電極相連接的布線，該布線通過(guò)蝕刻金屬箔而形成。如后面的(1 的技術(shù)方案中所述，當(dāng)利用本發(fā)明的彎曲傳感器來(lái)測(cè)量測(cè)量對(duì)象物的變形形狀時(shí)，期望增多電極的數(shù)量、更細(xì)地設(shè)定測(cè)量區(qū)間。在該情況下，與各個(gè)電極相連接的布線的數(shù)量也增多。采用本技術(shù)方案，能夠以細(xì)線且隔有間距的狀態(tài)來(lái)形成布線圖案。因而，適于使彎曲傳感器小型化。(9)優(yōu)選在上述(1)的技術(shù)方案中，還具有配置在上述基材背面上的應(yīng)變調(diào)整板、 以及粘接該應(yīng)變調(diào)整板與該基材的粘接層，該基材、該應(yīng)變調(diào)整板及該粘接層均由貯存彈性模量遷移的玻璃-橡膠轉(zhuǎn)移區(qū)域處于比使用彎曲傳感器的溫度范圍的下限溫度-10°c低的溫度側(cè)或比上限溫度+10°c高的溫度側(cè)的材料構(gòu)成。如在前的(1)的技術(shù)方案中所述，當(dāng)增大基材的厚度時(shí)，彎曲變形時(shí)的傳感器主體的應(yīng)變量增大(ε = t/R)。采用本技術(shù)方案，通過(guò)在基材的背面配置應(yīng)變調(diào)整板，能夠獲得與增大基材的厚度的情況相同的效果。即，當(dāng)在基材上層疊應(yīng)變調(diào)整板時(shí)，彎曲變形帶來(lái)的應(yīng)變被放大。由此，能夠提高彎曲傳感器的靈敏度。另外，通過(guò)調(diào)整應(yīng)變調(diào)整板的厚度， 能夠使傳感器響應(yīng)為最佳。應(yīng)變調(diào)整板借助粘接層貼附在基材上。例如，與應(yīng)變調(diào)整板相比，粘接層過(guò)度柔軟時(shí)，經(jīng)由應(yīng)變調(diào)整板所傳遞的彎曲變形在粘接層中變緩和。由此，彎曲變形難以準(zhǔn)確且迅速地傳遞到傳感器主體。其結(jié)果，產(chǎn)生彎曲變形的檢測(cè)精度降低、響應(yīng)延遲的問(wèn)題。采用本技術(shù)方案，基材、應(yīng)變調(diào)整板及粘接層全部由貯存彈性模量遷移的玻璃-橡膠轉(zhuǎn)移區(qū)域處于比使用彎曲傳感器的溫度范圍的下限溫度-io°c低的溫度側(cè)或比上限溫度+10°c高的溫度側(cè)的材料構(gòu)成。以下，說(shuō)明玻璃-橡膠轉(zhuǎn)移區(qū)域。圖20中示出了貯存彈性模量相對(duì)于溫度的變化的一個(gè)例子。如圖20所示，樹(shù)脂等高分子材料的貯存彈性模量在一定溫度范圍內(nèi)急劇變化。貯存彈性模量大的區(qū)域(A)稱作玻璃狀態(tài)，貯存彈性模量小的區(qū)域(B)稱作橡膠狀態(tài)。即，高分子材料隨著溫度的上升，從玻璃狀態(tài)向橡膠狀態(tài)變化。當(dāng)使溫度上升時(shí)，貯存彈性模量的曲線以開(kāi)始與區(qū)域(A)的貯存彈性模量的延長(zhǎng)線a偏離的溫度為T(mén)l。進(jìn)一步使溫度上升， 貯存彈性模量的曲線以開(kāi)始與區(qū)域(B)的貯存彈性模量的延長(zhǎng)線b—致的溫度為T(mén)2。然后，將從Tl到T2的溫度范圍(在圖中用陰影表示)定義為玻璃-橡膠轉(zhuǎn)移區(qū)域。在本說(shuō)明書(shū)中，作為貯存彈性模量，采用用以JIS K7244-1 (1998)、JIS K7244-4(1999)為標(biāo)準(zhǔn)的、以下的測(cè)量方法而測(cè)量的值。即，首先，制作寬度5mm、長(zhǎng)度 20mm、厚度Imm的條狀的試驗(yàn)片。接著，使用動(dòng)態(tài)粘性彈性測(cè)量裝置((株)UBM制造的 “I heOgel-E4000F”)，測(cè)量-70 120°C中的貯存彈性模量。在拉伸模式、升溫速度3°C /分鐘、頻率IHz的條件下進(jìn)行測(cè)量。例如，將使用彎曲傳感器的溫度范圍設(shè)定為20 25°C。在該情況下，基材、應(yīng)變調(diào)整板及粘接層由玻璃-橡膠轉(zhuǎn)移區(qū)域處于比下限溫度-10°c、S卩10°C低的溫度側(cè)或比上限溫度+10°c、即35°C高的溫度側(cè)的材料的任意一種材料構(gòu)成。另外，當(dāng)使用彎曲傳感器的溫度例如如20°C那樣不處于范圍內(nèi)時(shí)，只要以該溫度為基準(zhǔn)設(shè)定士 10°C的范圍即可。采用本技術(shù)方案，在使用彎曲傳感器的溫度范圍內(nèi)，基材、應(yīng)變調(diào)整板及粘接層的硬度狀態(tài)被統(tǒng)一。另外，在使用彎曲傳感器的溫度范圍內(nèi)，狀態(tài)并不像玻璃狀態(tài)一橡膠狀態(tài)，或者橡膠狀態(tài)一玻璃狀態(tài)那樣發(fā)生變化。例如，在以高速?gòu)澢冃蔚那闆r下，成為與使用溫度移動(dòng)到低溫側(cè)的情況相同。但是，采用本技術(shù)方案，從使用溫度的下限、上限進(jìn)一步保持士 10°C的余量來(lái)設(shè)定溫度范圍。因而，即使在以高速?gòu)澢冃蔚那闆r下，在使用溫度范圍內(nèi)也不含有玻璃-橡膠轉(zhuǎn)移區(qū)域。這樣，采用本技術(shù)方案，在配置在負(fù)荷輸入側(cè)的基材等構(gòu)件上，彎曲變形變緩和的可能性較小。即，彎曲變形被準(zhǔn)確地傳遞到傳感器主體。因而，采用本技術(shù)方案，能夠抑制彎曲變形的檢測(cè)精度的降低。特別是當(dāng)采用玻璃-橡膠轉(zhuǎn)移區(qū)域處于比使用彎曲傳感器的溫度范圍的上限溫度+10°c高的溫度側(cè)的材料時(shí)，能夠用玻璃狀態(tài)下的較硬的材料來(lái)構(gòu)成基材、應(yīng)變調(diào)整板及粘接層的全部。由此，彎曲變形被迅速地傳遞到傳感器主體。因此，響應(yīng)延遲難以產(chǎn)生。(10)優(yōu)選在上述(1)的技術(shù)方案中，以兩個(gè)上述電極排列的方向?yàn)椴⒘蟹较?、以與該并列方向正交的方向?yàn)檎环较?，上述傳感器主體在兩個(gè)該電極之間具有沿該并列方向延伸并沿該正交方向排列的多個(gè)檢測(cè)部。本技術(shù)方案的傳感器主體具有多個(gè)檢測(cè)部。多個(gè)檢測(cè)部分別沿并列方向延伸。多個(gè)檢測(cè)部相互沿正交方向排列。因此，采用本發(fā)明的彎曲傳感器，與在兩個(gè)電極之間具有單一檢測(cè)部的彎曲傳感器相比，在檢測(cè)部的總面積相等的情況下，能夠減小電阻的偏差。(11)優(yōu)選在上述(10)的技術(shù)方案中，多個(gè)上述檢測(cè)部在相鄰的兩個(gè)上述電極之間相互并聯(lián)地電連接。在并聯(lián)連接的情況下，當(dāng)將檢測(cè)部(1、2.....η)的電阻設(shè)為R1、R2.....Rn、將合成電阻設(shè)為R時(shí)，成為1/R= l/Rl+l/R2+...+l/foi。因此，假設(shè)即使任意的檢測(cè)部的電阻發(fā)生偏差，作為傳感器主體整體，也能夠使偏差變緩和。因而，能夠減小合成電阻R的偏差。 另外，采用本技術(shù)方案，由于并聯(lián)連接有多個(gè)檢測(cè)部，因此即使增加檢測(cè)部的配置數(shù)量，合成電阻R也難以增加。(12)優(yōu)選在上述(10)的技術(shù)方案中，多個(gè)上述檢測(cè)部在相鄰的兩個(gè)上述電極之間相互串聯(lián)地電連接。在串聯(lián)連接的情況下，當(dāng)將檢測(cè)部(1、2.....η)的電阻設(shè)為R1、R2.....Rn、將合
成電阻設(shè)為R時(shí)，成為R = R1+R2+... +to。因此，假設(shè)即使任意的檢測(cè)部的電阻發(fā)生偏差， 作為傳感器主體整體，也能夠使偏差變緩和。因而，能夠減小合成電阻R的偏差。另外，采用本技術(shù)方案，多個(gè)檢測(cè)部如簡(jiǎn)短的說(shuō)明所述串聯(lián)相連接。因此，即使增加檢測(cè)部的配置數(shù)量，也不需要改變傳感器主體與電極的連接部分的結(jié)構(gòu)。(13)優(yōu)選在上述(10)的技術(shù)方案中，上述裂紋通過(guò)使上述傳感器主體的前體沿裂紋形成用模具的模具面變形而形成。在此，“傳感器主體的前體”是指完成并成為傳感器主體的構(gòu)件。例如，當(dāng)利用印刷法來(lái)形成傳感器主體時(shí)，是指涂膜。電阻的偏差依賴于裂紋的密度。即，裂紋的密度越大，傳感器主體的變形軌跡越穩(wěn)定。因此，電阻的偏差減小。另外，彎曲傳感器的靈敏度也依賴于裂紋的密度。即，裂紋的密度越大，彎曲傳感器的靈敏度越高。采用本技術(shù)方案，裂紋通過(guò)使傳感器主體沿裂紋形成用模具的模具面變形而形成。圖27中示出了裂紋形成前的檢測(cè)部的剖視圖。圖觀中示出了裂紋形成后的檢測(cè)部的剖視圖。但是，圖27、圖觀是用于說(shuō)明本技術(shù)方案的彎曲傳感器的示意圖。圖27、圖觀并不是用例如檢測(cè)部、基材的形狀、裂紋形成用模具的形狀、模具面的形狀等來(lái)限定本技術(shù)方案。如圖27所示，檢測(cè)部21層疊在基材22的上表面上。檢測(cè)部21、基材22均呈沿左右方向延伸的平板狀。如圖觀所示，裂紋形成用模具23的模具面(外周面)230呈向上方膨脹的曲面狀。通過(guò)向模具面230按壓基材22的下表面220，在檢測(cè)部21上形成裂紋。在此，當(dāng)將相鄰的裂紋間的距離設(shè)為L(zhǎng)、將檢測(cè)部的厚度設(shè)為d、將檢測(cè)部的正交方向?qū)挾仍O(shè)為b、將檢測(cè)部的壓縮破壞應(yīng)力設(shè)為σ肪時(shí)，形成裂紋所需的表面壓力(向模具面230按壓下表面220時(shí)的表面壓力)Ρ用以下的式(I)表示。[數(shù)學(xué)式1]
n 4dbaEbP =........式(I)
η1當(dāng)表面壓力P超過(guò)壓縮破壞應(yīng)力時(shí)，在形成裂紋之前產(chǎn)生有壓縮破壞。因此， 成為表面壓力P <壓縮破壞應(yīng)力0肪。為了增大裂紋的密度，需要盡可能地減小相鄰的裂紋間的距離L。為了將距離L設(shè)為最小，需要在不超過(guò)壓縮破壞應(yīng)力0 的范圍內(nèi)用盡可能大的表面壓力P向模具面230按壓基材22。當(dāng)將表面壓力P的最大值Pmax = σ Eb代入式(I)時(shí)，距離L的最小值Lmin用以下的式(II)表示。[數(shù)學(xué)式2]
權(quán)利要求
1.一種彎曲傳感器，其包括 基材；傳感器主體，其配置在該基材表面上，具有基質(zhì)樹(shù)脂和以30vol %以上的填充率填充在該基質(zhì)樹(shù)脂中的導(dǎo)電性填料，通過(guò)該導(dǎo)電性填料彼此的接觸而形成有三維的導(dǎo)電路徑，電阻隨著變形量增加而增加；覆蓋膜，其配置為覆蓋該傳感器主體，能夠彈性變形； 多個(gè)電極，其與該傳感器主體相連接，能夠輸出電阻， 該彎曲傳感器的特征在于，在上述傳感器主體上，沿彎曲變形時(shí)切斷上述導(dǎo)電路徑的方向預(yù)先形成有裂紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎曲傳感器，其特征在于，上述導(dǎo)電性填料的平均粒子徑為0. 05 μ m以上且100 μ m以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎曲傳感器，其特征在于， 上述導(dǎo)電性填料為球狀碳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎曲傳感器，其特征在于，在上述傳感器主體上劃分有多個(gè)沿多個(gè)上述電極的配置方向相連的長(zhǎng)度為2mm以下的單位區(qū)間時(shí)，上述裂紋在該單位區(qū)間內(nèi)至少形成有一個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎曲傳感器，其特征在于， 在上述傳感器主體中預(yù)先輸入有應(yīng)變。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎曲傳感器，其特征在于， 多個(gè)上述電極通過(guò)在上述基材上印刷導(dǎo)電涂料而形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的彎曲傳感器，其特征在于，上述電極的表面形狀中的沿上述傳感器主體的延伸方向的端線具有曲線部。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎曲傳感器，其特征在于， 該彎曲傳感器具有分別與多個(gè)上述電極相連接的布線， 該布線通過(guò)蝕刻金屬箔而形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎曲傳感器，其特征在于， 該彎曲傳感器還具有應(yīng)變調(diào)整板，其配置在上述基材背面上； 粘接層，其粘接該應(yīng)變調(diào)整板與該基材，該基材、該應(yīng)變調(diào)整板及該粘接層均由貯存彈性模量遷移的玻璃-橡膠轉(zhuǎn)移區(qū)域處于比使用彎曲傳感器的溫度范圍的下限溫度-10°C低的溫度側(cè)或比上限溫度+10°C高的溫度側(cè)的材料構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎曲傳感器，其特征在于，以兩個(gè)上述電極排列的方向?yàn)椴⒘蟹较?，以與該并列方向正交的方向?yàn)檎环较?，上述傳感器主體在兩個(gè)該電極之間具有沿該并列方向延伸并沿該正交方向排列的多個(gè)檢測(cè)部。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的彎曲傳感器，其特征在于，多個(gè)上述檢測(cè)部在相鄰的兩個(gè)上述電極之間相互并聯(lián)地電連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的彎曲傳感器，其特征在于，多個(gè)上述檢測(cè)部在相鄰的兩個(gè)上述電極之間相互串聯(lián)地電連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的彎曲傳感器，其特征在于，上述裂紋通過(guò)使上述傳感器主體的前體沿裂紋形成用模具的模具面變形而形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的彎曲傳感器，其特征在于， 上述檢測(cè)部配置為5個(gè)以上。
15.一種變形形狀測(cè)量方法，其特征在于，包括檢測(cè)工序，其在由上述電極劃分的每一個(gè)測(cè)量區(qū)間中檢測(cè)上述權(quán)利要求1至權(quán)利要求 14中任一項(xiàng)所述的彎曲傳感器的彎曲變形；局部形狀計(jì)算工序，其根據(jù)所檢測(cè)出的該測(cè)量區(qū)間的變形數(shù)據(jù)，計(jì)算出該測(cè)量區(qū)間的變形形狀；整體形狀計(jì)算工序，其接合所計(jì)算出的該測(cè)量區(qū)間的變形形狀，計(jì)算出該彎曲傳感器整體的變形形狀。
全文摘要
本發(fā)明提供一種對(duì)應(yīng)變的輸入速度的依賴性小、響應(yīng)延遲難以產(chǎn)生的彎曲傳感器。另外，提供一種采用該彎曲傳感器的變形形狀測(cè)量方法。以具有下述構(gòu)件的方式來(lái)構(gòu)成彎曲傳感器(1)基材(10)；傳感器主體(11)，其配置在基材(10)表面上，具有基質(zhì)樹(shù)脂和以30vol％以上的填充率填充在基質(zhì)樹(shù)脂中的導(dǎo)電性填料，通過(guò)導(dǎo)電性填料彼此的接觸而形成有三維的導(dǎo)電路徑，電阻隨著變形量增加而增加；覆蓋膜(14)，其配置為覆蓋傳感器主體(11)，能夠彈性變形；多個(gè)電極(12a～12i)，其與傳感器主體(11)相連接，能夠輸出電阻。在傳感器主體(11)上，沿彎曲變形時(shí)切斷導(dǎo)電路徑的方向預(yù)先形成有裂紋。
文檔編號(hào)G01L1/20GK102272566SQ201080004441
公開(kāi)日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者齋藤雄紀(jì), 早川知范, 村山勝, 柴田哲好, 長(zhǎng)谷川浩一 申請(qǐng)人:東海橡膠工業(yè)株式會(huì)社