專(zhuān)利名稱(chēng)：壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由橡膠彈性體構(gòu)成的電介質(zhì)層受壓力作用而產(chǎn)生彈性變形后測(cè)量靜電容變化時(shí)使用的壓力傳感器，更詳細(xì)地說(shuō)，是涉及結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜、可高精度地測(cè)定重量或壓力的壓力傳感器。
以往，已知使用測(cè)力傳感器作為檢測(cè)壓力用的壓力傳感器。作為利用該測(cè)力傳感器的方式，通常是采用將應(yīng)變片粘貼在彈性體上構(gòu)成壓力傳感器且利用因壓力加在彈性體上而使應(yīng)變片的電阻變化的方式；或?qū)⑴c應(yīng)變片中所使用的同樣的細(xì)金屬絲直接纏在彈性體上構(gòu)成壓力傳感器，且利用因壓力加在彈性體上而使金屬絲的電阻變化的稱(chēng)為U型電組絲應(yīng)變計(jì)的方式。
還有一種通過(guò)利用橡膠彈性體的介電常數(shù)、采用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、使加壓、減壓時(shí)產(chǎn)生的橡膠彈性體本身固有的滯后作用減輕的靜電電容式的也可作為壓力傳感器使用的橡膠墊方式的壓力傳感器已實(shí)用化(參照特公昭50-19057號(hào)公報(bào))。
另外，還設(shè)計(jì)出了一種用金屬?gòu)椈芍?lèi)的完全彈性體補(bǔ)償橡膠本身固有的滯后性、通過(guò)采用介電常數(shù)大的橡膠以提高靈敏度、同時(shí)利用金屬?gòu)椈芍?lèi)的完全彈性體的恢復(fù)力、更好地提高重復(fù)性的感壓裝置(參照實(shí)公平5-35303號(hào)公報(bào))。
可是，在使用測(cè)力傳感器作為壓力傳感器的方法中，不管使用上述的哪一種方式，其結(jié)構(gòu)都復(fù)雜，作為所使用的彈性體，主要是使用彈簧鋼材，所以存在既重又厚，價(jià)格也高，以及落下等的沖擊時(shí)精度易于失準(zhǔn)的問(wèn)題。
另外，在上述橡膠墊方式中，是利用橡膠彈性體的純壓縮變形，所以橡膠彈性體本身固有的滯后性大，必須設(shè)置將其除去的機(jī)構(gòu)，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題。因此，批量產(chǎn)品之間的輸出偏差大，必須一個(gè)一個(gè)地檢查產(chǎn)品，逐個(gè)地對(duì)輸出通過(guò)電氣處理進(jìn)行調(diào)整、修正等作業(yè)，作業(yè)復(fù)雜。
采用這種方式時(shí)，由于與加壓對(duì)應(yīng)的變形量小，所以單位面積的輸出變小，為了增大作為電容器的電容的變化量，需要大的面積，難以獲得達(dá)到測(cè)力傳感器水平的小型壓力傳感器。
另外，在采用介電常數(shù)大的橡膠彈性體的感壓裝置的情況下，為了提高介電常數(shù)，而將鈦酸鋇等介電常數(shù)大的配合劑大量地添加到非極性橡膠中(例如相對(duì)于100單位重量的非極性橡膠添加300至800單位重量的配合劑)，使用由這樣的橡膠彈性體構(gòu)成的電介質(zhì)層，雖然介電常數(shù)變大，但橡膠彈性體的滯后性變大，為了即使反復(fù)使用也能確保恢復(fù)性、并維持精度，還需要同時(shí)使用金屬?gòu)椈芍?lèi)的完全彈性體，以減小滯后性，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題。
以往，如圖39所示，電介質(zhì)層7’沿其縱向(垂直于圖紙的方向)切斷的斷面形狀呈矩形，只沿純壓縮方向(圖39的上下方向)變形，所以如圖40所示，在電介質(zhì)層7’的初始變形區(qū)A中，電容的變化呈線性，但在要求電容呈線性變化的區(qū)域B中，存在當(dāng)超過(guò)某點(diǎn)P時(shí)，電容便不呈線性變化的問(wèn)題。另外，在圖39中，6’，8’分別表示第1電極層，第2電極層。
為了在施加同一負(fù)載的情況下，擴(kuò)大電容變化的區(qū)域，也可以考慮減小電介質(zhì)層7’的與圖39所示的厚度尺寸T對(duì)應(yīng)的寬度尺寸W的大小，但在第1電極層6’上施加負(fù)載時(shí)，存在電介質(zhì)層7’的變形性能變得不穩(wěn)定，第1電極層6’和第2電極層8’容易沿圖39的左右方向偏移的問(wèn)題。
另外，由于電介質(zhì)層的材料即橡膠是粘彈性體，所以有滯后性，作為壓力傳感器僅用原有材料不能維持精度，還需要橡膠以外的金屬?gòu)椈芍?lèi)的完全彈性體加以輔助，否則不能使用，所以存在壓力傳感器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜、可高精度地測(cè)定重量或壓力的壓力傳感器。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的壓力傳感器的第一種形態(tài)的結(jié)構(gòu)具有以下特征。
即，如果采用本發(fā)明，則能提供一種具有一對(duì)電極層、及夾在上述一對(duì)電極層之間而將上述一對(duì)電極層分別隔開(kāi)的由橡膠彈性體構(gòu)成的電介質(zhì)層的壓力傳感器，其特征在于上述電介質(zhì)層在10℃至30℃下的1至30Hz時(shí)的tanδ為0.03以下，同時(shí)10℃至30℃時(shí)的以JIS-K-6301為基準(zhǔn)的A級(jí)橡膠硬度為20至80度。
如果采用本發(fā)明，則能提供一種權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，它在10℃至30℃時(shí)采用以JIS-K-6301為基準(zhǔn)的測(cè)定方法測(cè)定的回跳彈性在75％以上。
如果采用本發(fā)明，則能提供一種權(quán)利要求1或2所述的壓力傳感器，它在10℃至30℃時(shí)采用以JIS-K-6301為基準(zhǔn)的測(cè)定方法測(cè)定的壓縮永久變形在3％以下。
如果采用本發(fā)明，則能提供一種權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其電介質(zhì)層由天然橡膠、聚丁二烯橡膠、聚異戊二烯橡膠、聚氨基甲酸乙脂橡膠及硅橡膠中的任意一種構(gòu)成。
本發(fā)明的第二種形態(tài)的結(jié)構(gòu)具有以下特征。
即，如果采用本發(fā)明，則能提供一種具有互相平行配置的第1電極層及第2電極層、以及其一端面與上述第1電極層貼緊而另一端面與上述第2電極層貼緊而將上述第1電極層和第2電極層隔開(kāi)的由橡膠彈性體構(gòu)成的長(zhǎng)條狀的電介質(zhì)層的壓力傳感器，其特征在于上述電介質(zhì)層的上述一端面與上述第1電極層的接觸面，以及上述另一端面與上述第2電極層的接觸面互相錯(cuò)開(kāi)形成。
如果采用本發(fā)明，則能提供一種權(quán)利要求5所述的壓力傳感器，其上述電介質(zhì)層沿與上述電介質(zhì)層的縱向正交的方向切斷后的斷面形狀大致呈平行四邊形。
如果采用本發(fā)明，則能提供一種權(quán)利要求6所述的壓力傳感器，其與上述第1電極層和第2電極層正交的面同上述電介質(zhì)層構(gòu)成的角度為30～85°。
如果采用本發(fā)明，則能提供一種權(quán)利要求5或6所述的壓力傳感器，上述電介質(zhì)層與上述第1電極層及第2電極層交叉的面的一側(cè)同上述第2電極層構(gòu)成的角度為30～85°。與上述第1電極層及第2電極層交叉的面的另一側(cè)同上述第2電極層構(gòu)成的角度為90～145°。
如果采用本發(fā)明，則能提供一種權(quán)利要求5至8中任意一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其上述電介質(zhì)層由第1電介質(zhì)片及第2電介質(zhì)片構(gòu)成，該第1電介質(zhì)片及第2電介質(zhì)片沿著這樣的方向配置，即能抵消當(dāng)對(duì)上述第1電極層及第2電極層沿與各面正交的方向加壓時(shí)各電極層在與加壓方向不同的方向上發(fā)生的偏移。
如果采用本發(fā)明，則能提供一種權(quán)利要求9所述的壓力傳感器，其上述第1電介質(zhì)片及第2電介質(zhì)片大致相同。
如果采用本發(fā)明，則能提供一種權(quán)利要求5至10所述的壓力傳感器，其上述接觸面上的與上述電介質(zhì)層的縱向大致正交方向上的長(zhǎng)度被上述第1電極層和第2電極層之間的距離除得的值為0.2～5.0。
如果采用本發(fā)明，則能提供一種權(quán)利要求5至11中任意一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其電介質(zhì)層在JIS-K-6301中的A級(jí)橡膠硬度為20～80度。
如果采用本發(fā)明，則能提供一種權(quán)利要求5至12中任意一項(xiàng)所述的壓力傳感器，上述第1電極層和第2電極層之間的距離為0.2～5.0mm。
如果采用本發(fā)明，則能提供一種權(quán)利要求5至13中任意一項(xiàng)所述的壓力傳感器，它具有3個(gè)以上的奇數(shù)個(gè)上述電極層，各電極之間緊密地夾著上述電介質(zhì)層。
橡膠彈性體有彈性性能，同時(shí)又有粘性性能，橡膠也可以說(shuō)是一種粘彈性體，這是眾所周知的。如果壓縮應(yīng)力、拉伸應(yīng)力從外部反復(fù)地加到橡膠彈性體上，則在應(yīng)力和位移之間產(chǎn)生時(shí)間差，表現(xiàn)出所謂的粘彈性性能，產(chǎn)生稱(chēng)之為滯后性、蠕變等的應(yīng)力松弛。可是，如果能極力減小橡膠彈性體本身所固有的粘性性能，那么，也可將橡膠彈性體作為與幾乎完全沒(méi)有粘性性能的金屬?gòu)椈梢粯拥膹椈墒褂谩?br> 用來(lái)確認(rèn)粘彈性性能的一個(gè)特征值即tanδ越接近于零，橡膠彈性體的滯后性、應(yīng)力松弛越小，變得越好，反之，tanδ越大，橡膠彈性體的滯后性、應(yīng)力松弛也越大，有惡化的傾向。另外，壓縮永久變形越接近于零，滯后性、應(yīng)力松弛變得越小，而前者若越大，后者有惡化的傾向。如所周知，例如，熱塑性彈性聚合物的tanδ一般較小，是一種橡膠彈性也大的好的彈性體，但已知其大多數(shù)材料是壓縮永久變形大、滯后性、應(yīng)力松弛大的材料，為了獲得與金屬?gòu)椈赏瑯拥膹椈尚阅?，最重要的是采用以JIS-K-6301為基準(zhǔn)的測(cè)定方法測(cè)定的回跳彈性大、且tanδ小、同時(shí)壓縮永久變形小。
著眼于上述觀點(diǎn)，本發(fā)明者們通過(guò)考慮了橡膠彈性體的分子結(jié)構(gòu)的聚合物的選定及橡膠摻合的意圖、設(shè)計(jì)，進(jìn)行了使粘性性能盡量變小的研究，研制出了能確保上述權(quán)利要求1～3中的物理特性的橡膠彈性體，已確認(rèn)如果使用該彈性體，則作為壓力傳感器，其粘性性能變得極小，能充分使用。
另外，橡膠彈性體雖有各種各樣的材料，但根據(jù)眾所周知的分子結(jié)構(gòu)推斷，改變、研究了摻合配方，確認(rèn)壓力傳感器的功能，其結(jié)果斷定適合使用天然橡膠、聚異戊二烯橡膠、聚丁二烯橡膠、聚氨基甲酸乙脂橡膠及硅橡膠，作為可確保獲得權(quán)利要求1～3中的物理特性的彈性體材料，根據(jù)摻合配方等特別指定了權(quán)利要求4中的橡膠材質(zhì)。特別是硅橡膠，從低溫區(qū)到高溫區(qū)，彈簧常數(shù)變化小，彈簧常數(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的變化也小，另外，其橡膠彈性也比其它彈性體材料的高，且tan δ小、同時(shí)壓縮永久變形小，因此是最佳材料之一。根據(jù)摻合配方，聚氨基甲酸乙脂橡膠可制成能滿(mǎn)足權(quán)利要求1至3的要求的彈性體，其介電常數(shù)比其它彈性體材料的高，制成壓力傳感器后，與其它材料相比，能獲得高的靈敏度，是壓力傳感器的有效材料之一。
在權(quán)利要求1所述發(fā)明中，若tan δ的值大于0.03，則壓力傳感器的滯后性有變大的傾向，若以JIS-K-6301為基準(zhǔn)的A級(jí)橡膠硬度在20至80度的范圍以外，則滯后性有變大的傾向。
在權(quán)利要求2所述發(fā)明中，若在10℃至30℃時(shí)采用以JIS-K-6301為基準(zhǔn)的測(cè)定方法測(cè)定的回跳彈性比75％小，則壓縮永久變形有變大的傾向。
在權(quán)利要求3所述發(fā)明中，若在10℃至30℃時(shí)采用以JIS-K-6301為基準(zhǔn)的測(cè)定方法測(cè)定的壓縮永久變形比3％大，則壓力傳感器的滯后性有變大的傾向。
其次說(shuō)明本發(fā)明的第2種形態(tài)。與權(quán)利要求5所述發(fā)明有關(guān)的壓力傳感器，其電介質(zhì)層被夾在互相平行配置的第1電極層及第2電極層之間。電介質(zhì)層由橡膠彈性體構(gòu)成，呈長(zhǎng)條狀，其一端面與第1電極層貼緊而另一端面與第2電極層貼緊而將第1電極層和第2電極層隔開(kāi)。在權(quán)利要求1所述發(fā)明中，電介質(zhì)層的上述一端面與第1電極層的接觸面，和上述另一端面與第2電極層的接觸面互相錯(cuò)開(kāi)形成。
與本發(fā)明有關(guān)的壓力傳感器不需要輔助性的附加金屬?gòu)椈芍?lèi)的完全彈性體，即，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可進(jìn)行高精度測(cè)定的壓力傳感器。
在權(quán)利要求5所述發(fā)明中，在電壓加在第1電極層和第2電極層之間的狀態(tài)下，當(dāng)沿與各面垂直的方向加載時(shí)，電介質(zhì)層發(fā)生剪切變形，所以能充分確保其變形量。因此，能使沿接近及離開(kāi)第1電極層和第2電極層的方向移動(dòng)而產(chǎn)生的電容的線性變化區(qū)域?qū)挘岣吡藱z測(cè)靈敏度。
在本發(fā)明中，若一端面與第1電極層的接觸面，和上述另一端面與第2電極層的接觸面互相錯(cuò)開(kāi)，則如圖22所示，在接觸面50、52上，接觸面50的一條邊50A和接觸面52的一條邊52A彼此錯(cuò)開(kāi)，而且，當(dāng)然包括接觸面50的另一條邊50B和接觸面52的另一條邊52B彼此沿圖22的左右方向錯(cuò)開(kāi)的情況，還包括圖26(A)所示的狀態(tài)。
即，還包括在接觸面41A、41B上，接觸面41A的一條邊41E和接觸面41B的一條邊41F分別位于圖的左右方向同一位置，只是接觸面41A的另一條邊41C和接觸面41B的另一條邊41D沿圖的左右方向錯(cuò)開(kāi)的情況。
在圖22中，符號(hào)53表示第1電極層，54表示第2電極層，9’表示第1電介質(zhì)片，10’表示第2電介質(zhì)片，在圖26(A)中，符號(hào)39表示第1電極層，40表示第2電極層，41表示第1電介質(zhì)片，42表示第2電介質(zhì)片。第1電介質(zhì)片9’和第2電介質(zhì)片10’、第一電介質(zhì)片41和第2電介質(zhì)片42各自的斷面形狀相互間左右對(duì)稱(chēng)配置。
與權(quán)利要求6所述發(fā)明有關(guān)的壓力傳感器，其電介質(zhì)層沿與電介質(zhì)層的縱向垂直的方向切斷的斷面形狀大致呈平行四邊形，電介質(zhì)層呈剪切變形的形狀，因此有與上述權(quán)利要求1同樣的作用，能使電容呈線性變化的區(qū)域?qū)?，提高了檢測(cè)靈敏度。
與權(quán)利要求7所述發(fā)明有關(guān)的壓力傳感器，其與第1電極層和第2電極層正交的面同電介質(zhì)層構(gòu)成的角度為30～85°，最好為45°。因此，能充分確保電介質(zhì)層的剪切變形量。上述角度可從90度變到幾乎接近于與電極層平行的0度附近，但若α大于85°時(shí)，有壓縮變形的比率增大而剪切變形變小的傾向，反之，若角度小于30°，則壓縮變形的比率減小而剪切變形增大，所以有與電極層的粘接容易被破壞的傾向。
與權(quán)利要求8所述發(fā)明有關(guān)的壓力傳感器，其電介質(zhì)層與第1電極層及第2電極層交叉的面的一側(cè)同第2電極層構(gòu)成的角度為30～85°。與上述第1電極層及第2電極層交叉的面的另一側(cè)同上述第2電極層構(gòu)成的角度為145～90°，因此，能充分確保電介質(zhì)層的剪切變形量。在前者的角度及后者的角度超出上述范圍的情況下，當(dāng)前者及后者的角度大于上述范圍時(shí)，有壓縮變形的比率增大而剪切變形少的傾向，而當(dāng)前者及后者的角度小于上述范圍時(shí)，有粘接容易被破壞的傾向。
在與權(quán)利要求9所述發(fā)明有關(guān)的壓力傳感器中，電介質(zhì)層由第1電介質(zhì)片及第2電介質(zhì)片構(gòu)成，該第1電介質(zhì)片及第2電介質(zhì)片沿著這樣的方向配置，即能抵消當(dāng)對(duì)第1電極層及第2電極層沿與各面正交的方向加壓時(shí)各電極層在與加壓方向不同的方向上發(fā)生的偏移。
因此，在與權(quán)利要求9所述發(fā)明有關(guān)的壓力傳感器中，能抑制第1電極層及第2電極層伴隨電介質(zhì)層的變形而在與加壓方向不同的方向上發(fā)生的偏移。
權(quán)利要求10所述的壓力傳感器，其第1電介質(zhì)片及第2電介質(zhì)片大致相同，能發(fā)揮大致相同程度的防止第1電介質(zhì)片及第2電介質(zhì)片分別產(chǎn)生的第1電極層及第2電極層向與加壓方向不同的方向的偏移的效果，因此能防止第1電極層及第2電極層在與加壓方向不同的方向上發(fā)生的偏移。
權(quán)利要求11所述的壓力傳感器，其接觸面的與電介質(zhì)層的縱向大致正交方向上的長(zhǎng)度被第1電極層和第2電極層之間的距離除得的值為0.2～5.0。因此，壓力傳感器的制作容易，同時(shí)能減小每個(gè)產(chǎn)品的偏差。
如果上述值小于0.2，則有難以制作壓力傳感器的傾向，而如果大于0.5，則有壓縮變形的比率增大而剪切變形變小的傾向。
權(quán)利要求12所述的壓力傳感器，其電介質(zhì)層以JIS-K-6301為基準(zhǔn)的A級(jí)橡膠硬度為20～80度，因此，適合于制作最大可測(cè)負(fù)載從10Kg到1000Kg的各種靈敏度的一般用壓力傳感器。
在權(quán)利要求13所述發(fā)明中，第1電極層和第2電極層之間的距離為0.2～5.0mm，因此，壓力傳感器的制作容易，同時(shí)能提供每個(gè)產(chǎn)品無(wú)靈敏度偏差的壓力傳感器。
在權(quán)利要求14所述發(fā)明中，備有3個(gè)以上的奇數(shù)個(gè)電極層，電介質(zhì)層緊密地設(shè)在各電極之間。因此，在本發(fā)明中，即使當(dāng)所測(cè)定的負(fù)載過(guò)重使電介質(zhì)層的變形過(guò)大而超出電介質(zhì)層的線性變形區(qū)時(shí)，或同樣當(dāng)電介質(zhì)層的變形過(guò)大而電介質(zhì)層有可能破損時(shí)，都能獲得足夠的靈敏度，同時(shí)能防止壓力傳感器損壞。


圖1(a)是電介質(zhì)層的斜視圖，(b)是上下配置的電介質(zhì)層相互平行的壓力傳感器的剖面圖，(c)是電極層的斜視圖。
圖2是表示測(cè)定壓力傳感器的電容的狀態(tài)的斜視圖。
圖3(a)是壓力傳感器的分解斜視圖，(b)是壓力傳感器的斜視圖。
圖4是表示測(cè)定壓力傳感器的電容的狀態(tài)的斜視圖。
圖5是加在實(shí)施例1中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖6是加在實(shí)施例2中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖7是加在實(shí)施例3中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖8是加在比較例1中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖9是加在比較例2中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖10是加在實(shí)施例1中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖11是加在實(shí)施例2中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖12是加在實(shí)施例3中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖13是加在比較例1中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖14是加在比較例2中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖15是加在實(shí)施例4中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖16是加在比較例3中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖17是加在比較例4中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖18是加在比較例5中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖19是加在實(shí)施例5中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖20是加在比較例6中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖21是加在比較例7中的壓力傳感器上的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
圖22是表示本發(fā)明的第2種形態(tài)的具體例的剖面圖。
圖23是表示本發(fā)明的第2種形態(tài)的另一具體例的剖面圖。
圖24(A)是壓力傳感器的側(cè)視圖，(B)是2層電介質(zhì)層互相垂直配置的壓力傳感器的斜視圖，(C)是電極層的斜視圖，(D)是電介質(zhì)層的斜視圖。
圖25(A)～(E)是壓力傳感器的剖面圖。
圖26(A)～(D)是壓力傳感器的剖面圖。
圖27(A)～(E)是壓力傳感器的剖面圖。
圖28是表示測(cè)定壓力傳感器的電容的狀態(tài)的斜視圖。
圖29是表示負(fù)載與電容的關(guān)系的曲線圖。
圖30(A)是安裝第1電極層之前的狀態(tài)的壓力傳感器的俯視圖，(B)是(A)的側(cè)視圖，(C)是第1電極層安裝之后的壓力傳感器的剖面圖。
圖31是表示負(fù)載與電容的關(guān)系的曲線圖。
圖32是安裝第1電極層之前的狀態(tài)的壓力傳感器的俯視圖。
圖33是圖32的側(cè)視圖。
圖34是安裝第1電極層之前的狀態(tài)的壓力傳感器的俯視圖。
圖35是圖34的側(cè)視圖。
圖36是安裝第1電極層之前的狀態(tài)的壓力傳感器的俯視圖。
圖37是從電介質(zhì)層的縱向一側(cè)所看到的圖36中的壓力傳感器的圖。
圖38是從電介質(zhì)層的縱向另一側(cè)所看到的圖36中的壓力傳感器的圖。
圖39是現(xiàn)有的壓力傳感器的剖面圖。
圖40是現(xiàn)有的壓力傳感器的負(fù)載與電容的變化量的關(guān)系曲線圖。
以下，根據(jù)實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的第1種形態(tài)。
實(shí)施例1～3、比較例1及2為了確認(rèn)tanδ的大小及壓縮永久變形與滯后之間的關(guān)系，用聚丁二烯橡膠作為橡膠原料，并用橡膠混合用碾輥混碾已調(diào)整過(guò)各種配合劑的生橡膠，以便使加硫后的硬度達(dá)到JIS-K-6301中的A級(jí)40度，作好準(zhǔn)備。在165℃×15分、200Kg/cm2的條件下，對(duì)各種生橡膠進(jìn)行電熱加壓成形，制成了厚1.5mm、寬150mm、長(zhǎng)200mm的加硫橡膠片。
實(shí)施例1～3、比較例1及2中的生橡膠的配合情況如表1所示。
實(shí)施例1～3、比較例1及2各自的加硫橡膠片在25℃時(shí)實(shí)際測(cè)得的JIS-K-6301中的A級(jí)橡膠硬度及25℃時(shí)用ORIENTEC公司制的動(dòng)態(tài)粘彈性自動(dòng)測(cè)量?jī)xDDV-25FP測(cè)定的10Hz的tanδ及25℃時(shí)的以JIS-K-6301為標(biāo)準(zhǔn)的壓縮永久變形如表1的下部分所示。
其次，如圖1(a)所示，將各種加硫橡膠片1切斷加工成厚1.5mm、寬150mm、長(zhǎng)200mm的窄長(zhǎng)方形。然后，在圖1(C)所示的第1電極層2、第2電極層3、第3電極層4之間通過(guò)氨基甲酸乙脂系列的雙組份液態(tài)粘接劑將各種加硫橡膠長(zhǎng)方形條上下各粘接20片，將該加工物制成圖1(b)所示的實(shí)施例1～3、比較例1及2各自的試驗(yàn)品。如圖1(b)所示，構(gòu)成各試驗(yàn)品的上層電介質(zhì)層1的電介質(zhì)片1A和構(gòu)成下層電介質(zhì)層的電介質(zhì)片1B互相平行配置。
采用寬200mm、長(zhǎng)250mm、厚5mm的鋁制平板作為上述各電極層。
如圖2所示，用軟電線6、7通過(guò)接線部8將第1電極層2、第3電極層4連接在休萊特巴卡德(ヒユ-レツトパツカ-ド)公司制的HP4284精密的LCR測(cè)量?jī)x的一個(gè)輸出端子9上，剩下的第2電極層3用軟電線10連接在LCR測(cè)量?jī)x的另一輸出端子11上，施加1MHz、6V的交流電壓，準(zhǔn)備對(duì)各試驗(yàn)品進(jìn)行電容測(cè)定。
其次，在此狀態(tài)下依次將20Kg的砝碼12加在連接好的各個(gè)試驗(yàn)品上，且按1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)的順序重疊，以使各次加壓時(shí)的負(fù)載達(dá)到20Kg、40Kg、60Kg、80Kg、100Kg，對(duì)各試件在每一種負(fù)載下測(cè)定了7次電容。計(jì)算出各自結(jié)果的最大值和最小值，在曲線圖上畫(huà)出曲線，得到圖5至圖9所示的曲線。各圖中的(a)是電容的最大值曲線，(b)是最小值曲線。
圖5是表示實(shí)施例1的測(cè)定結(jié)果的曲線圖，圖6、圖7分別是實(shí)施例2、實(shí)施例3的測(cè)定結(jié)果的曲線圖，圖8、圖9分別是比較例1、比較例2的測(cè)定結(jié)果的曲線圖。
作為壓力傳感器，重要的是重復(fù)性好、偏差應(yīng)極小。比較一下圖5至圖9中的加100Kg負(fù)載時(shí)各自的最大值和最小值之差，判明了tanδ越小的試驗(yàn)品的上述之差越小，從而滯后也越小。
即，實(shí)施例1的試驗(yàn)品(tanδ＝0.01)的滯后的最大值和最小值之差為1PF，與此不同，比較例2的試驗(yàn)品(tanδ＝0.043)的滯后的最大值和最小值之差為8PF。
因此，試想用這些試驗(yàn)品制作測(cè)定印刷機(jī)的加壓橡膠輥的壓力用的最大可測(cè)負(fù)載達(dá)100Kg的壓力傳感器時(shí)，在實(shí)施例1中，達(dá)到100Kg時(shí)的電容的最大變化量為68PF，所以能制作每加壓1Kg、電容的變化量為0.68PF的壓力傳感器。利用該壓力傳感器測(cè)量100Kg時(shí)，100Kg時(shí)的最大值和最小值之差也只有1PF，所以偏差的大僅為約1.5Kg，因此至少能讀取以2Kg為單位的加壓變化量。另外，能制作最大可測(cè)負(fù)載為100Kg、最小讀取值為2Kg且只有橡膠電介質(zhì)層和電極板的簡(jiǎn)單、重量輕、價(jià)格低、不易破壞的壓力傳感器。
另一方面，用比較例2的試驗(yàn)品同樣制作最大可測(cè)負(fù)載達(dá)100Kg的壓力傳感器時(shí)，電容的變化量最大為48PF，所以能制作每加壓1Kg、電容的變化量為0.48PF的壓力傳感器。因此，測(cè)量100Kg時(shí)，100Kg時(shí)的最大值和最小值之差為8PF，所以有約16.6Kg的偏差，故只能制作最大負(fù)載為100Kg、最小讀取值為15Kg至20Kg的精度性能差的壓力傳感器。因此，作為實(shí)際的壓力傳感器，達(dá)到商品化時(shí)，偏差幅度小的要數(shù)實(shí)施例1至3的試驗(yàn)品，由于這個(gè)理由，可斷定tanδ在0.03以下適當(dāng)。
另外，如所周知，壓縮永久變形特性在熱塑性彈性體的情況下，tanδ和壓縮永久變形特性之間沒(méi)有相關(guān)性，在取交聯(lián)形態(tài)的加硫橡膠彈性體的情況下，tanδ和壓縮永久變形特性之間有極密切的相關(guān)性，tanδ越小，壓縮永久變形也越小，具有壓縮永久變形特性好的傾向。
熱塑性彈性體和取交聯(lián)形態(tài)的加硫橡膠彈性體兩者的回跳彈性都與tanδ有有極密切的關(guān)系，即，tanδ越小，回跳彈性越大，有好的傾向。可是，在取交聯(lián)形態(tài)的加硫橡膠彈性體的情況下，如所周知，回跳彈性和壓縮永久形變有密切的相關(guān)性，回跳彈性越大的材料，壓縮永久形變?cè)叫?，性能越好?br> 根據(jù)這個(gè)事實(shí)，由此次結(jié)果斷定，作為獲得優(yōu)異的壓力傳感器用的橡膠彈性體的物理特性的一部分，壓縮永久形變?cè)?％以下最好，而回跳彈性越接近100％越好，最適合在75％以上。
其次，以連續(xù)加壓-減壓的方式，進(jìn)行了tanδ、壓縮永久變形和滯后的相關(guān)性的驗(yàn)證。
在該驗(yàn)證中，再次使用上述實(shí)施例1～3、比較例1及2中的試驗(yàn)品，采用與上述同樣的試驗(yàn)方法，使用同一個(gè)試驗(yàn)裝置，以無(wú)砝碼的0Kg負(fù)載測(cè)定后，用與上述同樣的砝碼連續(xù)地加壓20Kg、40Kg、60Kg、80Kg、100Kg，然后，與加砝碼時(shí)一樣，以20Kg為單位，一邊逐個(gè)地除去砝碼，一邊測(cè)定80Kg、60Kg、40Kg、20Kg、0Kg時(shí)的電容，得到圖10至圖14。圖10是表示實(shí)施例1測(cè)定結(jié)果的曲線圖，圖11、圖12分別表示實(shí)施例2、實(shí)施例3、圖13、圖14分別表示比較例1、比較例2各自的測(cè)定結(jié)果的曲線圖。
從圖10至圖14可知，實(shí)施例1的試驗(yàn)品的滯后最小，比較例2的滯后最大，具有另外，可知實(shí)施例1至實(shí)施例3的試驗(yàn)品用各種加壓方法試驗(yàn)的結(jié)果都具有同樣的傾向，壓力傳感器的tanδ的范圍在0.02以下，且壓縮永久變形在3％以下，另外，回跳彈性在75％以上，可知性能最好。
表1
實(shí)施例4、比較例3～5其次，使用橡膠硬度為50度的物理特性不同的現(xiàn)有等級(jí)的硅橡膠，進(jìn)行了tanδ、回跳彈性、壓縮永久變形和滯后的相關(guān)關(guān)系的驗(yàn)證。如表2所示，按廠家指定的摻合配方，用碾輥進(jìn)行混碾，在170℃、200Kg/cm2的條件下，進(jìn)行電熱加壓成形，制成厚1.5mm、寬100mm、長(zhǎng)200mm的加硫橡膠片，在200℃下用電爐追加硫4小時(shí)，測(cè)定了各自的tanδ。
采用回跳彈性、壓縮永久變形各專(zhuān)用型，在與上述同一條件下成形，并進(jìn)行了測(cè)定。其結(jié)果如表2所示。其次，如圖3(a)中的符號(hào)12(第1電介質(zhì)層)、13(第2電介質(zhì)層)所示，將與實(shí)施例4、比較例3～5有關(guān)的加硫橡膠片按厚1.5mm、寬3mm、長(zhǎng)50mm的尺寸切斷加工成其斷面呈長(zhǎng)方形的長(zhǎng)方條，分別用粘接劑粘接于第1電極層14、第2電極層15、第3電極層16，使其上下連續(xù)粘接10片，且使上下各層成90度的角度，分別制成了實(shí)施例4、比較例3～5的試驗(yàn)品[圖3(b)]。使用50mm見(jiàn)方、厚1.0mm的鋁板作為上述各電極層，作為粘接劑采用了硬度為30度的RTV系列的粘接劑。
其次，考慮到能對(duì)這些試驗(yàn)品的第1電極層14及第3電極層16分別均勻加壓，以及電絕緣性，將橡膠板19、20用兩面膠帶貼在第1電極層14及第3電極層16上。作為橡膠板19、20，采用了50mm見(jiàn)方、厚5.0mm、硬度為60度的EPT橡膠。
與上述一樣，將各試驗(yàn)品連接到LCR測(cè)量?jī)x上，并安裝到新興通信工業(yè)株式會(huì)社制·萬(wàn)能拉伸壓縮試驗(yàn)機(jī)的TCM-1000拉伸壓縮測(cè)定部分17、18上，使用滿(mǎn)量程為500Kg的測(cè)力傳感器，以每分鐘1mm的速度，且以循環(huán)模式加壓減壓至240Kg，得到圖15至圖18所示的曲線。
圖15是實(shí)施例4的測(cè)定結(jié)果的曲線圖，圖16、圖17、圖18分別是比較例3比較例4、比較例5的測(cè)定結(jié)果的曲線圖。
由圖15至圖18可知，實(shí)施例4的試驗(yàn)品的滯后最小，比較例5的滯后最大，與表2下部分所示的加硫成形品的物理特性有密切關(guān)系。由該試驗(yàn)結(jié)果可知，滯后為1PF的材料只有實(shí)施例4的試驗(yàn)品。
表2 實(shí)施例5、比較例6及7使用表3所示的己內(nèi)酯系列的50度聚氨基甲酸乙脂橡膠材料，同樣進(jìn)行了確認(rèn)試驗(yàn)。多羥基化合物使用由己內(nèi)酯聚酯構(gòu)成的雙官能的兩端羥基、分子量為2000的商品名為PCL220N(ダイセル公司制)的材料，在120℃下將其脫水后，與商品名為米利奧耐特MT(日本聚氨基甲酸乙脂公司制)的MDI·異氰酸酯和交聯(lián)劑·TMP混合后，注入制作管狀制品用的模具中，用電爐在100℃下加熱12小時(shí)，使其固化制成原材料。
用橡膠用研磨機(jī)將該原材料研磨加工成厚1.5mm，再切斷加工成片狀，制成與實(shí)施例3為同一尺寸的窄長(zhǎng)方條，等間隔地使用與上述同樣的窄長(zhǎng)方條，制成了圖3(b)所示的實(shí)施例5、比較例6及7的試驗(yàn)品。用與實(shí)施例1同樣的方法和條件，對(duì)該試驗(yàn)品進(jìn)行試驗(yàn)，獲得圖19～21。
圖19是實(shí)施例5的測(cè)定結(jié)果的曲線圖，圖20、21分別是比較例6、7的測(cè)定結(jié)果的曲線圖。
在表3的物理特性中，對(duì)該結(jié)果進(jìn)行比較，則可知與實(shí)施例1～3同樣，tanδ、回跳彈性、壓縮永久變形都好的實(shí)施例5能作為壓力傳感器使用，已確認(rèn)即使使用聚氨基甲酸乙脂橡膠，也能獲得具有本發(fā)明的物理特性的材料。
另外，在上述各實(shí)施例中，說(shuō)明了設(shè)有3層電極層的情況，但也可以平行配置5層以上的奇數(shù)個(gè)電極層，可將電介質(zhì)層夾在各電極層之間，也可采用平行配置2個(gè)電極層且將電介質(zhì)層夾在這些電極層之間的結(jié)構(gòu)。
表3
以下，舉具體例說(shuō)明本發(fā)明的第2種形態(tài)。
在圖22的具體例中，第1電介質(zhì)片9’及第2電介質(zhì)片10’設(shè)在第1電極層53及第2電極層54之間。第1電介質(zhì)片9’及第2電介質(zhì)片10’配置得使其縱向沿著與圖紙垂直的方向，且沿與其縱向垂直的方向切斷后的斷面形狀呈平行四邊形。
第1電介質(zhì)片9’相對(duì)于第2電極層54向右傾斜α°，第2電介質(zhì)片10’相對(duì)于第2電極層54向左傾斜α°。而且該第1電介質(zhì)片9’和第2電介質(zhì)片10’交替配置，同時(shí)第1電介質(zhì)片9’和第2電介質(zhì)片10’分別設(shè)置同樣個(gè)數(shù)。而在圖22中，第1電介質(zhì)片9’和第2電介質(zhì)片10’各設(shè)1個(gè)，但也可以各設(shè)不同數(shù)量的若干個(gè)。
按照如上所述的結(jié)構(gòu)，當(dāng)對(duì)第1電極層53加壓時(shí)，能抵消第1電極層53和第2電極層54沿與加壓方向不同的方向的偏移，能有效地利用剪切變形。利用這種結(jié)構(gòu)，第1電極層53和第2電極層54不沿橫向偏移，能提供一種電容呈線性變化的區(qū)域?qū)挼膲毫鞲衅鳌?br> 與第1電極層53(第2電極層54)接觸的第1電介質(zhì)片9’(第2電介質(zhì)片10’)的寬度(W1)和第1電介質(zhì)層9(第2電介質(zhì)層10)的厚度(T1)的比率最好為W1/T1＝2/3，若考慮到制作的難易程度、靈敏度及減小每個(gè)產(chǎn)品的偏差，則第1電介質(zhì)片9’及第2電介質(zhì)片10’的厚度可為0.2mm～5mm，最好是1.5mm。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方式時(shí)，如圖23所示，也可將相對(duì)于第2電極層54向右傾斜α°的第1電介質(zhì)片9’在一側(cè)設(shè)置N個(gè)(在圖23中，N＝5)，而將相對(duì)于第2電極層54向左傾斜α°的第2電介質(zhì)片10’在另一側(cè)設(shè)置N個(gè)(在圖23中，N＝5)。
制作實(shí)用的壓力傳感器時(shí)，如圖24(A)所示，采用2層電介質(zhì)層即電介質(zhì)層14A及14B和夾著它們的3層電極層15’、16’、17’的結(jié)構(gòu)，這樣作是因?yàn)槭褂脮r(shí)不易受外界空中電荷的影響，測(cè)定時(shí)電容的誤差小。
另外，當(dāng)在加到壓力傳感器上的壓力無(wú)特定方向的情況下使用時(shí)，如圖3(B)所示，最好采用使分別構(gòu)成上下電介質(zhì)層14A、14B的各個(gè)電介質(zhì)片互相垂直配置的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)將某種規(guī)格的橡膠彈性體用作電介質(zhì)層時(shí)，若測(cè)定的負(fù)載過(guò)重，平行四邊形等的電介質(zhì)層的變形過(guò)大而超出線性變形區(qū)時(shí)，或者同樣平行四邊形的電介質(zhì)層的變形過(guò)大而電介質(zhì)層可能破損時(shí)，如圖25(A)～(E)所示，通過(guò)增加電極層38、電介質(zhì)層39，采用多層結(jié)構(gòu)，減輕各電介質(zhì)層上的加壓負(fù)擔(dān)，能防止以最大負(fù)載加到壓力傳感器上時(shí)對(duì)壓力傳感器的損傷。這時(shí)，可平行配置奇數(shù)個(gè)電極層38，將電介質(zhì)層39重疊在各電介質(zhì)層之間，用軟導(dǎo)線將按奇數(shù)序號(hào)(但電介質(zhì)層不算數(shù))層疊的電極層38之間并聯(lián)起來(lái)，另一端連到交流電源上，且用軟導(dǎo)線將按偶數(shù)序號(hào)(但電介質(zhì)層不算數(shù))層疊的電極層38之間并聯(lián)起來(lái)，另一端也連到交流電源上。
在本發(fā)明的方式中防止在剪切變形下的加壓部分的不必要的偏移的方式，也可以使斷面形狀不呈平行四邊形，可以使用圖26(A)～(D)所示的各種形狀的電介質(zhì)片41、42、43、44、45、46，大致使用相同數(shù)量的各電介質(zhì)片。即，如圖26(A)所示，電介質(zhì)片的斷面形狀滿(mǎn)足α＝45°、β＝90°即可，只要滿(mǎn)足α在30～85°、β在145～90°的范圍內(nèi)，可采取任意的形狀，例如可采用圖26(B)及(C)中的符號(hào)43～46所示形狀的電介質(zhì)片。
另外，電介質(zhì)片不一定象圖26(A)～(D)所示的那樣使其斷面形狀交替地(即按電介質(zhì)片41、42的順序，電介質(zhì)片43、44的順序等)左右對(duì)稱(chēng)配置，也可以如圖26(D)所示，將N個(gè)(在圖26(D)中，N＝3)朝向同一方向的電介質(zhì)片41設(shè)置在一側(cè)，將N個(gè)(在圖26(D)中，N＝3)其斷面形狀與電介質(zhì)片41左右對(duì)稱(chēng)配置的電介質(zhì)片42設(shè)置在另一側(cè)。
在圖26(A)～(D)中，50表示第1電極層，40表示第2電極層。
電介質(zhì)層的配置方法不受上述所限，例如，也可采用圖32及圖33所示的方法。即，將電介質(zhì)片47、48設(shè)置成對(duì)第2電極層35的邊35A傾斜一規(guī)定角度γ的狀態(tài)。各電介質(zhì)片47、48以其斷面形狀左右對(duì)稱(chēng)的狀態(tài)配置。
如圖34及圖35所示，使一對(duì)電介質(zhì)片47、48在圖34中的上端部的間隔比下端部的寬的狀態(tài)配置，也可以使該一對(duì)電介質(zhì)片47、48在圖34中以交替地上下反轉(zhuǎn)的狀態(tài)依次配置。另外，如圖36～圖38所示，還可以將圖36中的其寬度尺寸(圖36中左右方向的尺寸)從上至下逐漸變窄的一對(duì)電介質(zhì)片47在圖36中以交替地上下反轉(zhuǎn)的狀態(tài)依次配置。
作為所使用的電介質(zhì)片的材料，重要的是采用回跳彈性大、同時(shí)壓縮永久變形小的橡膠材料，可使用天然橡膠、IR、BR、聚氨基甲酸乙脂橡膠及硅橡膠等回跳彈性大、壓縮永久變形小的材料。
由于橡膠硬度越小，彈簧常數(shù)越小，橡膠硬度越大，彈簧常數(shù)越大，所以例如制作從最大可測(cè)負(fù)載為10Kg的壓力傳感器到最大可測(cè)負(fù)載為1000Kg的各種靈敏度的一般用壓力傳感器時(shí)，若考慮到彈簧常數(shù)、形狀、面積、及其它，則電介質(zhì)片可使用JIS-K-6301中的A級(jí)橡膠硬度為20～80度范圍內(nèi)的橡膠。
另外，假定制作測(cè)定印刷機(jī)的橡膠輥的壓力用的最大可測(cè)負(fù)載達(dá)100Kg的壓力傳感器時(shí)，電介質(zhì)片所使用的橡膠最好是JIS-K-6301中的A級(jí)橡膠硬度為30～40度的橡膠，作為電介質(zhì)層用的橡膠材料，最適合的材料之一是壓縮永久變形小、橡膠彈性好、同時(shí)彈簧常數(shù)長(zhǎng)期變化小、由溫度引起的彈簧常數(shù)變化也小的硅橡膠。
實(shí)施例6及7、比較例8～10用同一橡膠材料、同一橡膠硬度、在同一加壓面積的條件下，進(jìn)行了確認(rèn)形狀和輸出之間的關(guān)系的試驗(yàn)。
使用按表4中的摻合配方制成的聚丁二烯橡膠，在165℃×15分鐘、200Kg/cm2的條件下，進(jìn)行電熱加壓成形，制成了厚1.5mm、寬150mm、長(zhǎng)200mm的加硫橡膠片。橡膠硬度為JIS-K-6301中的A級(jí)40度。
其次，不改變?cè)撓鹉z片的厚度及長(zhǎng)度，如圖27所示，將該橡膠片切斷加工成A～E所示的斷面形狀(沿與縱向正交的方向切斷后的斷面形狀)，制成5種窄長(zhǎng)方條(電介質(zhì)片)。將A～E所示的各長(zhǎng)方條粘接在圖24(C)所示的平行配置的第1電極層15’、第2電極層16’、第3電極層17’之間。各電極層采用寬200mm、長(zhǎng)250mm、厚5mm的鋁板。該粘接是這樣進(jìn)行的，即通過(guò)氨基甲酸乙脂系列的雙組份液態(tài)粘接劑，按表6記載的片數(shù)將上述長(zhǎng)方條(電介質(zhì)片)象圖24(A)那樣粘接，使電介質(zhì)層14A、14B一起的加壓面積[構(gòu)成電介質(zhì)片14A(14B)的電介質(zhì)片的一面和電極層的接觸面積之和]對(duì)于A～E都相等，為60cm2(參見(jiàn)表6)。
于是，得到圖27中的(A)～(E)以斷面圖表示的具有2層電介質(zhì)層和3層電介質(zhì)層的重疊成5層結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)品No.T-1(比較例8)、No.T-2(比較例9)、No.T-3(比較例10)、No.T-4(實(shí)施例6)、No.T-5(實(shí)施例7)。
圖27(A)～(E)中的27’、29’分別是第1電介質(zhì)層、第2電介質(zhì)層。在圖27(D)中，符號(hào)27A、27B分別表示第1電介質(zhì)層27’中的第1電介質(zhì)片、第2電介質(zhì)片，符號(hào)29A、29B分別表示第2電介質(zhì)層29’中的第1電介質(zhì)片、第2電介質(zhì)片。在圖27(E)中，符號(hào)27C、27D分別表示第1電介質(zhì)層27’中的第1電介質(zhì)片、第2電介質(zhì)片，29C、29D分別表示第2電介質(zhì)層29’中的第1電介質(zhì)片、第2電介質(zhì)片。另外，圖24(A)是用圖24(D)所示的長(zhǎng)方條14A(14B)(No.T-3)制成的例。
其次，如圖28所示，分別將軟電線18’、19’連接到第1電極層15’和第3電極層17’上，通過(guò)接線部20’將No.T-1～No.T-5的各試驗(yàn)品連接到休萊特巴卡德公司制的HP4284精密的LCR測(cè)量?jī)x的一個(gè)端子22’，用軟電線21’連接第2電極層16’，同樣連接到LCR測(cè)量?jī)x的另一端子23’上。在該狀態(tài)下施加1MHz.6V的交流電壓，對(duì)No.T-1～No.T-5的各試驗(yàn)品，將20Kg的秤砣25’依次加到試樣(第1電極層15’)上(參見(jiàn)圖28)，測(cè)定了加壓0Kg、20Kg、40Kg、60Kg、80Kg、100Kg時(shí)的電容。測(cè)定結(jié)果示于表7及圖29。
由表7及圖29可知，實(shí)施例6的試驗(yàn)品(斷面形狀菱形)及實(shí)施例7的試驗(yàn)品(斷面形狀平行四邊形)的電容變化量與具有與電極層相同接觸面積的純壓縮的比較例8～10的試驗(yàn)品相比較，有明顯的差值，已證明具有數(shù)倍的靈敏度。另外，已弄清了在純壓縮的情況下，加壓時(shí)電介質(zhì)層變形異常但不被壓壞，可以說(shuō)比較例9的試驗(yàn)品(W/T＝20)處于極限狀態(tài)，由于比較例10的試驗(yàn)品不用于純壓縮，所以與純壓縮最一般的比較例9的試驗(yàn)品相比較，實(shí)施例8的試驗(yàn)品(W/T＝1)的電容變化量達(dá)4倍以上，實(shí)施例7的試驗(yàn)品(W/T＝2/3)達(dá)5倍以上。
表4
表5
表6
表7實(shí)施例6及7與比較例8～10的試驗(yàn)結(jié)果(各種負(fù)載時(shí)電容(Cp)的變化，以及以比較例8為1時(shí)的變化率，數(shù)值用微法(Cp)表示)
實(shí)施例8～10、比較例11及12作為進(jìn)一步增大變化率以達(dá)到實(shí)用化用的試驗(yàn)是這樣進(jìn)行的，即采用彈簧常數(shù)變化小、耐熱性及耐寒性好、與溫度的相關(guān)性小的硅橡膠作為電介質(zhì)層，將橡膠硬度、加壓面積、形狀對(duì)電容有些什么影響與標(biāo)準(zhǔn)的純壓縮形狀進(jìn)行了比較。表8中示出了構(gòu)成各實(shí)施例及比較例電介質(zhì)層的電介質(zhì)片的斷面形狀、試驗(yàn)品的斷面形狀、以及電介質(zhì)片和電極層的接觸面積。
所使用的硅橡膠是用現(xiàn)有等級(jí)的二甲基硅酮橡膠作為橡膠輥材料，用廠方指定的現(xiàn)有的配合方法，且用開(kāi)式輥，對(duì)壓縮永久變形小的信越化學(xué)公司制的#KE941U(40度)和信越化學(xué)公司制的#KE931U(30度)進(jìn)行混碾，準(zhǔn)備好了生橡膠。按下述方法制成了表8中預(yù)料電容變化率大的No.T-8(實(shí)施例8)、No.T-9(實(shí)施例9)、及No.T-10(實(shí)施例10)的3種試驗(yàn)品。
即，如圖30(A)及(B)所示，使用新制作的專(zhuān)用加壓成形模具，在170℃、10分鐘、200Kg/cm2的成形條件下，通過(guò)粘接劑將電介質(zhì)片31、34以表8所示的實(shí)施例8～10中的斷面形狀左右對(duì)稱(chēng)地配置在由厚為0.2mm的不銹鋼板SUS#301構(gòu)成的第2電極層(35)的上下，進(jìn)行固化粘接，制成中間品。圖30(A)是從上方所看到的該中間品的圖，圖30(B)是從橫向所看到的該中間品的圖。
通過(guò)橡膠硬度為30度的RTV硅橡膠將用鋁制的厚為1mm的第1電極層36、第3電極層37粘接在該中間品的電介質(zhì)片31、34的上下面，制成圖30(C)所示的試制品。圖30(C)是試驗(yàn)品的斷面圖。
如下制作比較用的純壓縮形狀的比較例11的試驗(yàn)品，以及比較例12的試驗(yàn)品2種。與實(shí)施例6同樣制作由厚1.5mm的硅橡膠構(gòu)成的加壓成形模片，并制成表8中試驗(yàn)號(hào)No.T-6、No.T-7所示的斷面形狀為長(zhǎng)方形的長(zhǎng)條片。
其次，用與實(shí)施例6同樣的方法粘接該長(zhǎng)條片，制成了試驗(yàn)品。粘接劑使用了與No.T-8～No.T-10相同的橡膠硬度為30度的RTV硅橡膠。制成的No.T-6～No.T-10的5種試驗(yàn)品在試驗(yàn)前用電爐進(jìn)行了200℃×4小時(shí)的補(bǔ)充加熱，以使物性穩(wěn)定。
用與實(shí)施例1同樣的方法對(duì)上述試驗(yàn)品進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果示于表9及圖31。
由該結(jié)果可知，使加壓面積比實(shí)施例6等的60cm2少40cm2且使橡膠硬度為30度的實(shí)施例10的試驗(yàn)品與純壓縮下的平均橡膠硬度為40度的試驗(yàn)品(比較例11的試驗(yàn)品)相比較，前者的電容變化率約為后者的5倍，與現(xiàn)有的方式相比，電容變化率確實(shí)大。
若使用實(shí)施例10的試驗(yàn)品制作測(cè)定印刷機(jī)的加壓輥的壓力用的壓力傳感器，則加壓100Kg時(shí)，有245PF的變化，而且，大致呈線性變化，因此只需由至少1PF＝0.5kg的電介質(zhì)層(橡膠制)和電極板構(gòu)成，就能制成不易破損、廉價(jià)的能測(cè)定100Kg的壓力傳感器。
表8
表9
如果采用本發(fā)明，則能提供一種結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜、可高精度地測(cè)定重量或壓力的壓力傳感器。
權(quán)利要求
1.一種壓力傳感器，它具有一對(duì)電極層、及夾在上述一對(duì)電極層之間而將上述一對(duì)電極層分別隔開(kāi)的由橡膠彈性體構(gòu)成的電介質(zhì)層，其特征在于上述電介質(zhì)層在10℃至30℃下的1至30Hz時(shí)的tanδ為0.03以下，同時(shí)10℃至30℃時(shí)的以JIS-K-6301為基準(zhǔn)的A級(jí)橡膠硬度為20～80度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于它在10℃至30℃時(shí)采用以JIS-K-6301為基準(zhǔn)的測(cè)定方法測(cè)定的回跳彈性在75％以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓力傳感器，其特征在于它在10℃至30℃時(shí)采用以JIS-K-6301為基準(zhǔn)的測(cè)定方法測(cè)定的壓縮永久形變?cè)?％以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于其電介質(zhì)層由天然橡膠、聚丁二烯橡膠、聚異戊二烯橡膠、聚氨基甲酸乙脂橡膠及硅橡膠中的任意一種構(gòu)成。
5.一種壓力傳感器，它具有互相平行配置的第1電極層及第2電極層、以及其一端面與上述第1電極層貼緊而另一端面與上述第2電極層貼緊而將上述第1電極層和第2電極層隔開(kāi)的由橡膠彈性體構(gòu)成的長(zhǎng)條狀的電介質(zhì)層的壓力傳感器，其特征在于上述電介質(zhì)層的上述一端面與上述第1電極層的接觸面，以及上述另一端面與上述第2電極層的接觸面互相錯(cuò)開(kāi)形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓力傳感器，其特征在于其上述電介質(zhì)層沿與上述電介質(zhì)層的縱向正交的方向切斷后的斷面形狀大致呈平行四邊形。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓力傳感器，其特征在于其與上述第1電極層和第2電極層正交的面同上述電介質(zhì)層構(gòu)成的角度為30～85°。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的壓力傳感器，其特征在于上述電介質(zhì)層與上述第1電極層及第2電極層交叉的面的一側(cè)同上述第2電極層構(gòu)成的角度為30～85°，與上述第1電極層及第2電極層交叉的面的另一側(cè)同上述第2電極層構(gòu)成的角度為90～145°。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8中任意一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于其上述電介質(zhì)層由第1電介質(zhì)片及第2電介質(zhì)片構(gòu)成，該第1電介質(zhì)片及第2電介質(zhì)片沿著這樣的方向配置，即能抵消當(dāng)對(duì)上述第1電極層及第2電極層沿與各面正交的方向加壓時(shí)各電極層沿與加壓方向不同的方向的偏移。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力傳感器，其特征在于其上述第1電介質(zhì)片及第2電介質(zhì)片大致相同。
11.根據(jù)權(quán)利要求5至10中任意一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于其上述接觸面的與上述電介質(zhì)層的縱向大致正交方向上的長(zhǎng)度被上述第1電極層和第2電極層之間的距離除得的值為0.2～5.0。
12.根據(jù)權(quán)利要求5至11中任意一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于其電介質(zhì)層在JIS-K-6301中的A級(jí)橡膠硬度為20～80度。
13.根據(jù)權(quán)利要求5至12中任意一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于上述第1電極層和第2電極層之間的距離為0.2～5.0mm。
14.根據(jù)權(quán)利要求5至13中任意一項(xiàng)所述的壓力傳感器，其特征在于它具有3個(gè)以上的奇數(shù)個(gè)上述電極層，各電極之間緊密地夾著上述電介質(zhì)層。
全文摘要
提供一種結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，可高精度地測(cè)定重量或壓力的壓力傳感器。在第1電極層和第2電極層之間交替地配置著其斷面形狀互相左右對(duì)稱(chēng)配置的第1電介質(zhì)片及第2電介質(zhì)片。當(dāng)對(duì)第1電極層沿上下方向加載時(shí)，第1電介質(zhì)片及第2電介質(zhì)片具有防止第1電極層和第2電極層沿左右方向偏移的作用。因此壓力傳感器的電容呈線性變化的區(qū)域?qū)挕?br> 文檔編號(hào)G01L1/14GK1148166SQ9610925
公開(kāi)日1997年4月23日 申請(qǐng)日期1996年7月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月28日
發(fā)明者清宮貞雄, 一瀨升, 德田隆, 后藤義一, 鴨下真吾 申請(qǐng)人:日本代納馬特株式會(huì)社, 北辰工業(yè)株式會(huì)社