JPH0754277B2 - Piezoelectric pressure distribution sensor - Google Patents
Piezoelectric pressure distribution sensorInfo
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- JPH0754277B2 JPH0754277B2 JP1057446A JP5744689A JPH0754277B2 JP H0754277 B2 JPH0754277 B2 JP H0754277B2 JP 1057446 A JP1057446 A JP 1057446A JP 5744689 A JP5744689 A JP 5744689A JP H0754277 B2 JPH0754277 B2 JP H0754277B2
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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。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a piezoelectric pressure distribution sensor for detecting contact pressure distribution by arranging a plurality of piezoelectric ceramic elements in a matrix, and particularly to moisture absorption of the piezoelectric element. The present invention relates to an improved structure for preventing.
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。Japanese Unexamined Patent Publication No. 62-297735 discloses a sensor in which a plurality of piezoelectric elements are arranged in a matrix to detect a contact pressure distribution.
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。Here, the pressure applied to each piezoelectric element is calculated by measuring the potential difference between the electrodes provided at the upper and lower ends of the plurality of piezoelectric elements arranged on the base member, and the contact pressure distribution is calculated based on the calculated pressure. It is possible to detect.
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。The detection principle of the pressure distribution sensor will be described with reference to FIG.
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。As shown in FIG. 2 (a), the force F is applied to the piezoelectric element 1 from above.
Is applied, a charge Q is generated in the piezoelectric element 1. By measuring this charge Q, the applied force F is detected. In this case, Q = d 33 × 9.8F (d 33 indicates the piezoelectric constant of the piezoelectric element 1), for example, when the force F = 1 kg and the piezoelectric constant d 33 = 110 × 10 -12 (C / N). Q = 1.078 x 10
A very small charge of -9 (C) is generated.
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/（RIC0）
＝−１になるときであり、例えばRI＝1GΩ,C0＝3300pF
の場合には、ｔ＝3.3秒、RI＝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RIは、少なくとも数10GΩ必要であることがわ
かる。On the other hand, if the DC insulation resistance at both ends of the piezoelectric element 1 is R 1 (Ω), the charge Q generated by the previously applied force F is the resistance R 1 (Ω).
Will leak through. In this case, as shown in FIG. 2 (b), the voltage V across the piezoelectric element 1 is Becomes Here, C 0 represents the total capacitance of the piezoelectric element 1 and the additional capacitor 2. Due to leakage, the voltage V
The time t when it decreases to 63% is −t / (R I C 0 ) from the above formula.
= −1, for example R I = 1GΩ, C 0 = 3300pF
In the case of, t = 3.3 seconds, and in the case of R I = 10 GΩ, t = 33 seconds. Therefore, it is understood that the insulation resistance R I of the ceramic constituting the piezoelectric element 1 is at least several tens of GΩ.
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RI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。Therefore, conventionally, a ceramic insulation resistance of the piezoelectric element 1 in order to prevent a decrease in R I, i.e. piezoelectric element 1
In order to prevent moisture absorption, the periphery of the piezoelectric element 1 is coated with a fluorine-based coating agent or silicone resin.
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。However, with the above-mentioned fluororesin coating agent and silicone resin, sufficient moisture resistance cannot be obtained, and it has been difficult to sufficiently prevent the insulation resistance of the piezoelectric element 1 from decreasing. Also, it is known that the humidity resistance can be improved by using an epoxy resin, but when an ordinary epoxy resin is used, the hardness is high, so the force applied through the epoxy resin leaks, and accurate contact is made. It becomes impossible to detect the pressure.
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。Therefore, the object of the present invention is to prevent moisture absorption of the piezoelectric ceramic element, and thus to prevent the insulation resistance from decreasing.
Another object of the present invention is to provide a piezoelectric pressure distribution sensor capable of accurately detecting the contact pressure distribution.
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。The present invention relates to a piezoelectric pressure distribution sensor that detects a contact pressure distribution by arranging a plurality of piezoelectric ceramic elements in a matrix and detecting the pressure applied in the vertical direction of each piezoelectric element. The device is characterized in that the periphery of the side surface of the element is sealed with an epoxy synthetic resin having a rubber elasticity of Shore hardness A90 or less.
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。The rubber elasticity in the present invention means that the rubber hardness at the time of curing is about shore hardness A0 to 90, which is very soft as compared with the shore hardness D80 of ordinary epoxy resin.
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。Since the periphery of the side surface of a plurality of piezoelectric ceramic elements is sealed with epoxy resin, it is possible to effectively prevent the piezoelectric elements from absorbing moisture, and as a result, effectively prevent the insulation resistance of the piezoelectric elements from decreasing. You can In addition, since the epoxy resin having the rubber elasticity of Shore hardness A90 or less as described above, the force applied to the piezoelectric element is less likely to leak to the adjacent piezoelectric element via the epoxy resin.
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。FIG. 3 is a schematic perspective view of an embodiment of the present invention. The piezoelectric pressure distribution sensor 10 according to the present embodiment is configured inside a case lid 11 made of a conductive material such as stainless steel. A rectangular opening 11a is formed in the case lid 11. This opening 1
The exposed portion in 1a is brought into contact with the object to be measured, and its pressure distribution is detected.
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。FIG. 4 is an exploded perspective view of the internal structure of the above embodiment and FIG.
A description will be given with reference to the sectional views of the drawings.
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。The case of the sensor of this embodiment includes the case lid 11 described above,
And the base member 12.
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。On the base member 12, the positioning pin 12 protruding upward
a and 12b are formed. The positioning pins 12a and 12b are provided to perform positioning of each member described later mounted on the base member 12.
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。Rectangular protrusions 12c to 12f that protrude upward are formed at the corners of the base member 12. Screw holes 13 are formed on the side surfaces of the protrusions 12c to 12f.
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。A flexible substrate 15 is placed directly above the base member 12. The flexible board 15 includes positioning pins 12a,
Positioning holes 15a and 15b that are inserted into 12b are formed.
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。A predetermined wiring pattern 16 is formed on the upper surface of the flexible substrate 15.
(See FIG. 1) is formed, a chip type capacitor is mounted on a portion indicated by an imaginary line A, and a FET is mounted on a portion indicated by an imaginary line B. Further, piezoelectric elements, which will be described later, are placed in the four rectangular regions indicated by the imaginary line C. The electrodes formed on the lower end surface of the piezoelectric element and the wiring pattern 16 on the flexible substrate 15 are electrically connected by a conductive adhesive or the like.
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。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 the through hole 18.
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。Returning to FIG. 4, reference numeral 20 denotes a cable, which is a flexible substrate.
It is connected to the input / output pad provided on 15.
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。A rectangular resin frame 21 is placed on the flexible substrate 15. Four piezoelectric elements 22 to 25 are housed in the resin frame 21. Then, in this resin frame 21, four piezoelectric elements are provided.
Moisture-resistant epoxy resin having rubber elasticity is filled around the sides of 22 to 25.
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。That is, as shown in the sectional view of 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 effectively suppresses the moisture absorption of the piezoelectric elements 22 to 25.
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。Moreover, since it is an epoxy resin material having rubber elasticity, when pressure is applied in the vertical direction of each piezoelectric element,
There is no risk of leaking the force. That is, there is no possibility that the force applied via the epoxy resin 26 leaks to another adjacent piezoelectric element.
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。As the epoxy-based resin having rubber elasticity as described above, for example, those commercially available from Grace Japan Co., Ltd. under the trade name "Ecogel 1365-45" can be used. The eco-gel 1365-45 has a rubber hardness of about A0 to 90 when cured, and is much softer than the Shore hardness D80 of ordinary epoxy resin. Therefore, as described above, the force of the adjacent piezoelectric elements hardly leaks.
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。The piezoelectric elements 22 to 25 are made of a piezoelectric material that generates an electric charge by the piezoelectric effect when pressure is applied in the vertical direction. As the piezoelectric material, a material having relatively high rigidity such as piezoelectric ceramics or piezoelectric single crystal is used.
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。Returning to FIG. 4, an elastic sheet 27 having an opening 27a is placed on the resin frame 21. The elastic sheet 27 is made of an elastic material such as synthetic rubber. On the elastic sheet 27, a second flexible substrate 28 that functions as a pressure sheet that brings the piezoelectric element into contact with the object to be measured is placed.
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。A ground electrode 28b (FIG. 1) is formed on the entire lower surface of the second flexible substrate 28. This earth electrode 28b
Are electrically connected to the electrodes 22a, 24a on the upper ends of the piezoelectric elements 22, 24 by a conductive adhesive. The electrodes on the upper end surfaces of the piezoelectric elements 23 and 25, which are not shown in FIG. 1, are also electrically connected to the ground electrode 28b. On the other hand, the upper surface of the flexible substrate 28 is shown in FIG. Thus, the rectangular electrode pattern 28c is formed. Also, a through hole is formed in the second flexible substrate 28.
29 is formed, and the ground electrode 28b and the electrode pattern 28c on the upper surface are electrically connected by the through hole 29.
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。Above the flexible substrate 28, the height at which the first to fourth height adjusting members 30 to 33 made of a material such as stainless steel whose thickness can be reduced by machining are connected to each other by the connecting portion 34. Adjustment plate 35 is attached.
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。The height adjusting members 30 to 33 are provided for equalizing the height of the sensor in the portion where the piezoelectric elements 22 to 25 are provided by reducing the thickness by machining after assembly. .
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。The piezoelectric pressure distribution sensor 10 shown in FIG. 3 is mounted by placing the above-mentioned constituent members on the base member 12, covering the case lid 1, and fixing the case lid 11 to the base member 12 with the screws 14.
Can be obtained.
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。Next, the characteristic structure of this embodiment will be described more specifically with reference to FIG.
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。In the assembled form, the epoxy-based resin 26 having rubber elasticity is filled and sealed around the side surfaces of the piezoelectric elements 22 to 25. Therefore, it is possible to reliably protect each piezoelectric element from the surrounding moisture and effectively prevent a decrease in the insulation resistance of each piezoelectric element. Furthermore, since the above-mentioned epoxy resin 26 has a very soft rubber elasticity, there is almost no possibility that the force applied to the piezoelectric element from above leaks to the adjacent piezoelectric element. Therefore, it is possible to accurately detect the contact pressure distribution.
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。In the above embodiment, the rectangular resin frame 21 is arranged around the plurality of piezoelectric elements 22 to 25, but the frame 21 can be made of a rigid material other than synthetic resin. Further, the shape thereof is not particularly limited as long as it can be filled later with the epoxy resin 26 having rubber elasticity.
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。As described above, in the present invention, since the periphery of the side surface of each of the plurality of piezoelectric ceramic elements is sealed with the epoxy resin having rubber elasticity, it is possible to effectively prevent moisture absorption of each piezoelectric ceramic element. Therefore, it is possible to reliably prevent a decrease in the insulation resistance of the piezoelectric ceramic element. Moreover, since the epoxy resin has a rubber elasticity of Shore hardness A90 or less and is very soft, the force applied to the piezoelectric ceramic element may leak to the adjacent piezoelectric ceramic element through the epoxy resin. rare.
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。Therefore, it is possible to obtain a piezoelectric pressure distribution sensor that can accurately detect the pressure distribution based on the contact of an abutting object regardless of the surrounding environment.
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。1 is a sectional view of an embodiment of the present invention, FIG. 2 (a) is a schematic perspective view for explaining the detection principle of a piezoelectric pressure distribution sensor, and FIG. 2 (b) is 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 of FIG. In the figure, 10 is a piezoelectric pressure distribution sensor, 22 to 25 are piezoelectric elements, and 26 is an epoxy resin having rubber elasticity.
Claims (1)
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。1. A piezoelectric pressure distribution sensor for detecting a contact pressure distribution by arranging a plurality of piezoelectric ceramic elements in a matrix and detecting a pressure applied to each piezoelectric element in the vertical direction, A piezoelectric pressure distribution sensor characterized in that the periphery of the side surface of a piezoelectric element is sealed with an epoxy-based synthetic resin having rubber elasticity whose hardness after curing is Shore hardness A90 or less.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1057446A JPH0754277B2 (en) | 1989-03-08 | 1989-03-08 | Piezoelectric pressure distribution sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1057446A JPH0754277B2 (en) | 1989-03-08 | 1989-03-08 | Piezoelectric pressure distribution sensor |
Publications (2)
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