JP3980300B2 - 膜状感圧抵抗体および感圧センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力や荷重に応じて抵抗値が変化する膜状感圧抵抗体およびこの抵抗体を用いた感圧センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の感圧センサとしては、例えば図１（ａ）〜図１（ｃ）に示す構造のものが知られている。図１（ａ）は三つの電極を用いる感圧センサの内部構造を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示した感圧センサにおける上部回路基板に形成された電極および配線のパターンを示す平面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）に示した感圧センサにおける下部回路基板に形成された電極のパターンを示す平面図である。
【０００３】
この例の上部回路基板１には、図１（ｂ）に示すように櫛歯状の電極２とこの電極２を外部装置（図示せず）に接続するための配線部３が形成されると共に、上記電極２と同一面上に形成されているが電極２とは絶縁されている櫛歯状の電極４とこの電極４を外部装置（図示せず）に接続するための配線部５が形成されている。また、下部回路基板６上には、図１（ｃ）に示すように、円盤状の電極７が形成されている。上部回路基板１と下部回路基板６とはスペーサシート８を挟んで粘着層９により固定されており、上部回路基板１の電極２および電極４と下部回路基板６の電極７との間にはスペーサシート８の厚さに相当する隙間が形成されている。
【０００４】
このような積層構造体を感圧センサとして機能させるためには、上記三つの電極２、電極４および電極７のうち少なくとも一つの電極、さらにはその電極の少なくとも一部が膜状感圧抵抗体である必要がある。
【０００５】
このような構成の感圧センサでは、上部回路基板１側から荷重を加えると、上部回路基板１の一部が変形して上部回路基板１の電極２および電極４が下部回路基板６の電極７に接触するため、電極２と電極４は電極７を介して導通状態となる。さらに荷重を増すと、電極間の接触面積が増大して導通抵抗が低下する。
【０００６】
他の感圧センサとしては、例えば図２（ａ）〜図２（ｃ）に示す構造のものが知られている。図２（ａ）は対向する２の電極を用いる感圧センサの内部構造を示す断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示した感圧センサにおける上部回路基板に形成された電極および配線のパターンを示す平面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）に示した感圧センサにおける下部回路基板に形成された電極のパターンを示す平面図である。
【０００７】
この例の下部回路基板６の円盤状の電極７には外部装置（図示せず）の配線部１０が接続されている。他方、上部回路基板１には下部回路基板６の電極７と対向する位置に円盤状の電極１１が形成され、この電極１１には外部装置（図示せず）の配線部１２が接続されている。
【０００８】
このタイプの感圧センサでは、上部回路基板１側から荷重を加えると、上部回路基板１の一部が変形して上部回路基板１の電極１１が下部回路基板６の電極７に接触するため、電極１１と電極７とが導通状態となる。さらに荷重を増すと、両電極間の接触面積が増大して導通抵抗が低下する。
【０００９】
上述のような感圧センサの特性は、導通抵抗の変化が膜状感圧抵抗体と対向電極との接触抵抗の変化に起因していると考えられることから（特公平２−４９０２９号公報）、感圧センサとしては、荷重を徐々に大きくしてゆくと、導通抵抗も徐々に低下する特性、即ち図３に示す曲線のように荷重の変化に応じて導通抵抗が緩やかに変化する特性を有するのが理想的である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の実用化されている感圧センサにおいては、図４に示す曲線ａのように荷重による抵抗変化が急峻になりすぎるため、スイッチとしてしか機能せず、接触初期の低荷重域での検知が困難となり、測定可能な荷重範囲を広くとれないという課題があった。
【００１１】
また、従来の感圧センサでは、図４に示す曲線ｂのように抵抗−荷重特性が滑らかな曲線にならず、段差が生じ、その段差部分では実質的に測定不能になってしまうという課題もあった。
【００１２】
さらに、従来の感圧センサでは、製品個体差にバラツキがあり、動作信頼性に欠けるという課題もあった。
また、従来の感圧センサでは、耐環境性や打鍵耐久性に劣るという課題もあった。
【００１３】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、測定可能な荷重範囲を広くとれ、抵抗−荷重特性が滑らかな曲線を示し、品質が安定し、耐環境性や打鍵耐久性に優れた膜状感圧抵抗体およびこれを用いる感圧センサを提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、請求項１に係る膜状感圧抵抗体は、平均表面粗さが０．１μｍ以上３μｍ以下でありかつ表面凹凸周期のピークが１０μｍ以上１，０００μｍ以下であると共に、弾性率が８００ＭＰａ以上８，０００ＭＰａ以下であることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項２に係る膜状感圧抵抗体は、導電粒子とバインダと平均粒径が２μｍ以上５０μｍ以下である球状の弾性粒子とを含むことを特徴とするものである。
請求項３に係る膜状感圧抵抗体は、前記弾性粒子を有機弾性フィラーとしたことを特徴とするものである。
請求項４に係る膜状感圧抵抗体は、前記弾性粒子の平均粒径が１３〜２０μｍであることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項５に係る膜状感圧抵抗体は、前記導電粒子をグラファイトもしくはカーボンブラックとしたことを特徴とするものである。
請求項６に係る膜状感圧抵抗体は、前記バインダの少なくとも一部にポリエステル樹脂を含むことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項７に係る膜状感圧抵抗体は、平均粒径１３〜２０μｍの弾性粒子が体積比で１０〜１６％含まれていることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項８に係る感圧センサは、少なくとも２の電極を無荷重時に離間させ、荷重印加時に前記電極間を導通させると共に、荷重の増加に伴い導通抵抗が低下する感圧センサにおいて、前記電極の少なくとも一方のうち少なくとも一部を上記いずれかの膜状感圧抵抗体で形成したことを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明の膜状感圧抵抗体は、基材上に形成され、荷重に応じて抵抗値が変化する膜状感圧抵抗体であって、その膜状感圧抵抗体を平均表面粗さが０．１μｍ以上３μｍ以下であり、かつ表面凹凸周期のピークが１０μｍ以上１，０００μｍ以下であると共に、弾性率が８００ＭＰａ以上８，０００ＭＰａ以下としたものである。ここで、表面凹凸周期とは、表面粗さをフーリエ変換した場合にピーク強度を示す周期をいう。
【００２０】
平均表面粗さが０．１μｍ未満である場合には、膜状感圧抵抗体が対向電極と接触する際に、低い荷重が印加された場合でも両者が面で接触し、ひいては接触抵抗が低くなるため、図４で示した曲線ａのように、接触初期の低荷重域での曲線の傾きが急峻となり、測定可能な荷重範囲を広くとれない。逆に、平均表面粗さが３μｍを超える場合には、膜状感圧抵抗体が対向電極と接触する際に、接触状態が不均一になるため、抵抗−荷重特性が滑らかな曲線にならず、図４で示した曲線ｂのように、段差が生じてしまう。従って、平均表面粗さは０．１μｍ以上３μｍ以下の範囲、好ましくは０．２μｍ以上３μｍ以下の範囲とされる。
【００２１】
表面凹凸周期が１０μｍ未満である場合には、膜状感圧抵抗体が対向電極と接触する際に、低い荷重が印加された場合でも両者が面で接触し、ひいては接触抵抗が低くなるため、図４で示した曲線ａのように、接触初期の低荷重域での曲線の傾きが急峻となり、測定可能な荷重範囲を広くとれない。逆に、表面凹凸周期が１，０００μｍを超える場合には、上述と同様に抵抗−荷重特性に段差が生じたり、接触初期の低荷重域での曲線の傾きが急峻となり、測定可能な荷重範囲を広くとれない。従って、表面凹凸周期は１０μｍ以上１，０００μｍ以下の範囲、好ましくは２０μｍ以上５００μｍ以下の範囲とされる。
【００２２】
弾性率が８００ＭＰａ未満である場合には、良好な抵抗−荷重特性を得ることができる反面、耐熱性、耐湿性および打鍵耐久性などが悪化してしまう。逆に、弾性率が８，０００ＭＰａを超える場合には、膜状感圧抵抗体が対向電極と接触する際に、接触状態が不均一になるため、抵抗−荷重特性が滑らかな曲線にならず、図４で示した曲線ｂのように、段差が生じてしまう。従って、弾性率は８００ＭＰａ以上８，０００ＭＰａ以下の範囲、好ましくは１，０００ＭＰａ以上８，０００ＭＰａ以下の範囲とされる。
【００２３】
このような構成の膜状感圧抵抗体は導電粒子と弾性粒子とバインダとを含むものである。
導電粒子としては、例えば金属粒子、インジュウムドープ酸化スズなどの半導体粒子およびカーボン系粒子などの使用が可能であるが、このカーボン系粒子としてはグラファイトもしくはカーボンブラックを好適に使用できる。樹脂１００重量部に対する導電粒子の配合量は２〜２００重量部、好ましくは５〜１００重量部の範囲とされる。この範囲での配合により、適度な塗膜の比抵抗が得られ、荷重による抵抗値の変化が現れ易くなるという効果を得ることができる。
【００２４】
弾性粒子としては、平均粒径が２μｍ以上５０μｍ以下、好ましくは１３μｍ以上２０μｍ以下の実質的に球体である有機弾性フィラーまたは無機酸化物フィラーなどの使用が可能であり、有機弾性フィラーとしてはシリコーン系、アクリル系、スチレン系、ウレタン系などのポリマーやナイロン６、ナイロン１１、ナイロン１２などからなる球状粒子を特に好適に使用できる。樹脂１００重量部に対する弾性粒子の配合量は２〜２００重量部、好ましくは５〜１００重量部の範囲とされる。この範囲での配合により、感圧センサに用いられる膜状感圧抵抗体にとって必要とされる表面粗さ、表面凹凸周期および弾性率を得ることができる。
【００２５】
バインダとしては、例えばシリコーンゴム系、ポリウレタン系樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂などの使用が可能であるが、少なくともポリエステル樹脂、なかでも共重合ポリエステル樹脂を含むバインダが基材となる回路基板との接着性を向上させる点で好適に使用される。また、バインダとして架橋系のものでも良く、このための硬化剤としては例えばイソシアネート化合物、アミン化合物が適宜配合される。
【００２６】
特に、弾性粒子として、平均粒径１３〜２０μｍのものを用い、膜状感圧抵抗体中の弾性粒子の存在量が体積比で１０〜１６％となるようにした膜状感圧抵抗体が、抵抗−荷重特性が良好になり、低荷重領域での抵抗値の変化がなだらかになって、実質的な測定範囲が拡大される。また、同時に抵抗−荷重特性のばらつきが小さくなる。
【００２７】
以上のように、この例の膜状感圧抵抗体は、十分な平均表面粗さ、表面凹凸周期のピークおよび弾性率を有するものであるので、接触初期の低荷重域における荷重変化に対しても接触面積が緩やかに変化するものとなる。
【００２８】
この膜状感圧抵抗体は、例えば図１（ａ）〜図１（ｃ）および図２（ａ）〜図２（ｃ）に示した従来から知られている感圧センサの少なくとも電極の一部に好適に使用可能である。
【００２９】
この膜状感圧抵抗体を組み込んだ感圧センサにおける上部回路基板１および下部回路基板６としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリイミドなどの材料をフィルム状に加工して使用されるが、感圧センサに要求される耐熱性等の使用条件に応じて適宜選択される。
【００３０】
上部回路基板１および下部回路基板６に形成される電極のうち上述の膜状感圧抵抗体以外の部分は、スクリーン印刷法、蒸着法、スパッタリング法、金属箔のエッチング法などの周知の方法により形成されるが、コスト上も有利な方法として、銀、カーボンインキ等の導電性材料を印刷、乾燥する一般的な方法により形成される。
【００３１】
また、膜状感圧抵抗体についても、上述した導電粒子、バインダ、弾性粒子などの主要成分を溶剤に溶解し、分散して得たインキ状組成物を印刷、乾燥して形成されるのが好ましい。この膜状感圧抵抗体は、勿論、上部回路基板１および下部回路基板６上に直接形成して電極全体を構成してもよく、あるいは各電極２、４および７上に形成して各電極構造の一部を構成してもよい。
【００３２】
以上のように、上述の膜状感圧抵抗体を組み込んだ感圧センサでは、接触初期の低荷重域における荷重変化に対しても導通抵抗が緩やかに変化するものとなり、測定可能な範囲を広げることができる。また、この感圧センサでは、抵抗−荷重特性に段差を生じることがないため、測定可能な範囲の全域で測定が可能となる。
【００３３】
さらに、この感圧センサでは、センサ間の個体差を小さくでき、耐環境性、打鍵耐久性に優れたものとなる。従って、この感圧センサは、例えば椅子に座った人の体重を検知するセンサ、あるいは楽器や電子機器の入力用センサ等に好適に使用されるものとなる。
【００３４】
（実施例１〜６および比較例１〜６）
図２（ａ）〜図２（ｃ）に示したような接点構造を有し、１６接点からなる感圧センサを次の手順で作製した。
【００３５】
まず、上部回路基板１として厚さ１００μｍのＰＥＴフィルムを用意し、このフィルム（基板１）上に銀インキを印刷し、乾燥して電極１１および配線部１２を得た。次に、下部回路基板６として同じく厚さ１００μｍのＰＥＴフィルムを用意し、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、このフィルム（基板６）上に銀インキを印刷し、乾燥して円環状の銀回路１３を形成し、この銀回路１３上および銀回路１３で囲まれる基板６上に膜状感圧抵抗体１４を形成した。この膜状感圧抵抗体１４は表１に示す材料を適宜溶剤に溶解し、分散させたインキを印刷し、乾燥して形成したものである。
【００３６】
【表１】

【００３７】
次に、スペーサシート８として、両面に粘着層９が形成された総厚約１００μｍのＰＥＴフィルムを用意し、この両面に上部回路基板１および下部回路基板６を貼り合わせて図２（ａ）に示した積層構造を得た。なお、スペーサシート８の開口径は１２ｍｍであった。
【００３８】
各膜状感圧抵抗体（実施例１〜６および比較例１〜６）について表面粗さ、表面凹凸周期、微小硬度計により測定した弾性率等の物性を測定し、表２に示した。さらに、実施例１〜４および比較例１〜６の各膜状感圧抵抗体を組み込んだ感圧センサをそれぞれ作製し、各センサに厚さ１０ｍｍ、直径２０ｍｍのシリコーンゴムを介して荷重を加え、端子間の導通抵抗と荷重との関係を測定し、実施例１〜４のうち、その代表例を図６に曲線で示した。また、実施例１〜４および比較例１〜６に係る１６接点からなる感圧センサを１０枚作製し、全１６０接点について次の（１）〜（３）の特性を評価し、その結果を同じく表２に示した。
【００３９】
（１）感圧抵抗特性：単位面積当たりの荷重（面圧）２０ｋＰａ時の抵抗値で規格化した抵抗値Ｒ／Ｒ（２０ｋＰａ）が２０であるときの荷重値Ｐ（２０）と、抵抗値Ｒ／Ｒ（２０ｋＰａ）が１０であるときの荷重値Ｐ（１０）との差Ｐ（１０）−Ｐ（２０）を評価した。この差Ｐ（１０）−Ｐ（２０）が大きいほど感圧センサの測定可能な範囲が広いことを示すものである。なお、表２中のＣＶ値は標準偏差を平均値で除したものであり、バラツキを示すものである。
【００４０】
（２）耐湿熱性：６０℃で相対湿度９５％ＲＨの条件下に２４０時間放置した後のＰ（２０）の変化率（％）を測定した。
【００４１】
（３）打鍵耐久性：接点を直径１０ｍｍの球状シリコーンゴムを用い、荷重１０Ｎで２０万回打鍵した後のＰ（２０）の変化率（％）を測定した。
【００４２】
【表２】

【００４３】
表２から明らかなように、実施例１〜６に係る感圧センサは、感圧抵抗特性、耐湿熱性および打鍵耐久性のいずれの物性についても、比較例１〜６に係る感圧センサよりも優れていることが分かる。特に、比較例２，３および６に係る感圧センサでは、図４の曲線ｂで示したように抵抗−荷重特性に段差が現れるものがあった。
【００４４】
（実施例７〜１２）
表３に示す平均粒径と存在量のナイロン１２からなる弾性粒子を用いて、膜状感圧抵抗体を作成した。バインダーとしてはポリエステル樹脂を使用し、導電粒子にはカーボンブラックを用い、その存在量はすべて体積比で１７．５％とした。弾性粒子の存在量は、いずれも膜状感圧抵抗体中の体積比で示した。
得られた膜状感圧抵抗体について、先の実施例と同様の特性を測定した。
結果を表３に示す。
【００４５】
【表３】

【００４６】
表３から明らかなように、弾性粒子として、平均粒径１３〜２０μｍのナイロン１２からなるものを使用し、これを膜状感圧抵抗体中に体積比で１０〜１６％存在させたものは、抵抗−荷重特性がさらに良好になることがわかる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る膜状感圧抵抗体は、十分な平均表面粗さ、表面凹凸周期のピークおよび弾性率を有するものであるので、接触初期の低荷重域における荷重変化に対しても接触面積が緩やかに変化するものとなる。
【００４８】
本発明に係る膜状感圧抵抗体は、導電粒子と、バインダと、平均粒径が２μｍ以上５０μｍ以下、好ましくは１３μｍ以上２０μｍ以下である球状の弾性粒子とを含むものであるので、適度な塗膜の比抵抗が得られ、荷重による抵抗値の変化が現れ易くなるという効果を奏するものである。
【００４９】
本発明に係る膜状感圧抵抗体は、弾性粒子を有機弾性フィラーとしたことにより、感圧センサに用いられる膜状感圧抵抗体にとって必要とされる表面粗さ、表面凹凸周期および弾性率を得ることができる。
【００５０】
本発明に係る膜状感圧抵抗体は、導電粒子をグラファイトもしくはカーボンブラックとしたことにより、適度な塗膜の比抵抗が得られ、荷重による抵抗値の変化が現れ易くなるという効果を得ることができる。
【００５１】
本発明に係る膜状感圧抵抗体は、バインダの少なくとも一部にポリエステル樹脂を含めたことにより、回路基板に対する接着性を向上させることができる。
【００５２】
本発明に係る膜状感圧抵抗体は、平均粒径１３〜２０μｍの球状の弾性粒子を体積比で１０〜１６％含むようにしたので、特に低荷重領域での抵抗値の測定範囲が広がるものとなる。
【００５３】
さらに、本発明に係る感圧センサは、接触初期の低荷重域における荷重変化に対しても導通抵抗が緩やかに変化するものとなり、測定可能な範囲を広げることができる。また、この感圧センサでは、抵抗−荷重特性に段差を生じることがないため、測定可能な範囲の全域で測定が可能となる。
【００５４】
さらに、この感圧センサでは、センサ間の個体差を小さくでき、耐環境性、打鍵耐久性に優れたものとなる。従って、この感圧センサは、例えば椅子に座った人の体重を検知するセンサ、あるいは楽器や電子機器の入力用センサ等に好適に使用されるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は三つの電極を用いる感圧センサの内部構造を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した感圧センサにおける上部回路基板に形成された電極および配線のパターンを示す平面図であり、（ｃ）は（ａ）に示した感圧センサにおける下部回路基板に形成された電極のパターンを示す平面図である。
【図２】（ａ）は対向するニつの電極を用いる感圧センサの内部構造を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した感圧センサにおける上部回路基板に形成された電極および配線のパターンを示す平面図であり、（ｃ）は（ａ）に示した感圧センサにおける下部回路基板に形成された電極のパターンを示す平面図である。
【図３】感圧センサの理想的な抵抗−荷重特性を示すグラフである。
【図４】従来の感圧センサの抵抗−荷重特性を示すグラフである。
【図５】（ａ）は膜状感圧抵抗体の電極上への搭載例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線で切断して示す断面図である。
【図６】本発明に係る感圧センサの抵抗−荷重特性を示すグラフである。
【符号の説明】
２，４，７，１１…電極、１４…膜状感圧抵抗体

Claims (8)

1. 平均表面粗さが０．１μｍ以上３μｍ以下でありかつ表面凹凸周期のピークが１０μｍ以上１，０００μｍ以下であると共に、弾性率が８００ＭＰａ以上８，０００ＭＰａ以下であることを特徴とする膜状感圧抵抗体。
2. 導電粒子と、バインダと、平均粒径が２μｍ以上５０μｍ以下である球状の弾性粒子とを含むことを特徴とする請求項１記載の膜状感圧抵抗体。
3. 前記弾性粒子は有機弾性フィラーであることを特徴とする請求項２記載の膜状感圧抵抗体。
4. 前記弾性粒子の平均粒径が１３〜２０μｍであることを特徴とする請求項２記載の膜状感圧抵抗体。
5. 前記導電粒子はグラファイトもしくはカーボンブラックであることを特徴とする請求項２記載の膜状感圧抵抗体。
6. 前記バインダの少なくとも一部にポリエステル樹脂を含むことを特徴とする請求項２記載の膜状感圧抵抗体。
7. 平均粒径１３〜２０μｍの球状の弾性粒子が体積比で１０〜１６％含まれていることを特徴とする請求項２記載の膜状感圧抵抗体。
8. 少なくとも２の電極を無荷重時に離間させ、荷重印加時に前記電極間を導通させると共に、荷重の増加に伴い導通抵抗が低下する感圧センサにおいて、
   前記電極の少なくとも一方のうち少なくとも一部を請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の膜状感圧抵抗体で形成したことを特徴とする感圧センサ。

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