JP2012208038A - 感圧抵抗部材および感圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 広い範囲の圧力変化に対して安定した圧力−電気抵抗変換が得られる感圧抵抗部材と、それを用いた感圧センサを提供する。
【解決手段】 導電性粒子を含有する弾性部材からなる感圧抵抗部材１１を、平板状の基部１２と、この基部１２の一方の面１２ａに位置する凸部１３と、を備えたものとし、凸部１３の基部１２側の底部１３Ｂの形状を多角形とし、凸部１３の頂部１３Ａを平坦面とするとともに、この頂部１３Ａの面積は底部１３Ｂの面積よりも小さいものとし、さらに、基部１２の厚みＴと、凸部１３の高さ（基部１２の面１２ａに垂直な方向における底部１３Ｂから頂部１３Ａまでの距離）Ｈとの間に、０．０５≦Ｔ／Ｈ≦０．５の関係が成立するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、感圧センサ等の圧力−電気抵抗変換装置に使用する感圧抵抗部材と、それを用いた感圧センサに関する。

従来、圧力により電気抵抗値を変化させる圧力−電気抵抗変換装置としては、例えば、弾性部材に導電性粒子を互いに接触していない状態で含有させた感圧抵抗部材を電極間に配設し、電極間を加圧することにより、感圧抵抗部材内で導電性粒子が接触して抵抗変化が生じることを利用した感圧センサがある。しかし、導電性粒子を含有させた感圧抵抗部材の両面が平面である場合、微小な外力が加わっても感圧抵抗部材に形状変化が生じないため、抵抗変化が起こり難く、センサ感度が悪いものであった。
このため、導電性粒子を含有させた感圧抵抗部材の表面に凹凸形状を設け、この凹凸形状を構成する凸部が、微小な外力によって変形することを利用した感圧センサがある（特許文献１）。また、電極間に導電性ゴムからなる半球面状の導電性部材を配置し、電極間距離を小さくする方向の外力が加わることにより、半球面状の導電性部材が押しつぶされ、導電性部材と電極との接触面積が増大して表面接触抵抗が小さくなることを利用した感圧センサがある（特許文献２）。

特開平４−３６６２７号公報 実開平５−６８０２号公報

しかしながら、上述のような感圧センサは、微小な外力に対して良好なセンサ感度を具備するものの、印加圧力が大きくなった場合、表面接触抵抗の変化が小さくなり、安定した圧力−電気抵抗変換が得られないという問題があった。
本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、広い範囲の圧力変化に対して安定した圧力−電気抵抗変換が得られる感圧抵抗部材と、それを用いた感圧センサを提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の感圧抵抗部材は、導電性粒子を含有する弾性部材からなる感圧抵抗部材において、平板状の基部と、該基部の一方の面に位置する凸部と、を備え、該凸部は前記基部側の底部の形状が多角形であり、前記凸部の頂部は平坦面であるとともに、該頂部の面積は前記底部の面積よりも小さく、前記基部の厚みＴと、前記凸部の高さ（基部の面に垂直な方向における底部から頂部までの距離）Ｈとの間に、０．０５≦Ｔ／Ｈ≦０．５の関係が成立するような構成とした。

本発明の他の態様として、前記凸部の底部の長さをＢとしたときに、前記凸部の高さＨとの間に、１≦Ｂ／Ｈ≦５の関係が成立し、かつ、前記凸部の頂部の長さをＵとしたときに、前記凸部の底部の長さＢとの間に、２≦Ｂ／Ｕ≦２５の関係が成立するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記弾性部材のＤｕｒｏ−Ａ硬度が１５度〜６０度の範囲であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記弾性部材は、シリコーンゴムを含有するような構成とした。
本発明の感圧センサは、上述のいずれかの感圧抵抗部材と、該感圧抵抗部材を両側から挟むように配置された一対の電極と、該一対の電極を両側から挟むように配置された電気絶縁性フィルムと、を備えるような構成とした。

本発明の感圧抵抗部材は、平板状の基部の一方の面に位置する凸部の底部形状が多角形であり、凸部の頂部が平坦面であり、かつ、頂部の面積は底部の面積よりも小さく、さらに、基部の厚みＴと凸部の高さＨとの間に所定の関係が成立するので、広い範囲の圧力変化に対して安定した圧力−電気抵抗変換を発現することができる。
また、本発明の感圧センサは、微小な印加圧力から大きな印加圧力まで安定して検出することができる。

本発明の感圧抵抗部材の一実施形態を示す平面図である。 図１に示される感圧抵抗部材のＩ−Ｉ線における縦断面図である。 本発明の感圧抵抗部材を構成する凸部の底部の長さを説明するための図である。 本発明の感圧抵抗部材の他の実施形態を示す縦断面図である。 本発明の感圧センサの一実施形態を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［感圧抵抗部材］
図１は本発明の感圧抵抗部材の一例を示す平面図であり、図２は図１に示される感圧抵抗部材のＩ−Ｉ線における縦断面図である。図１および図２において、本発明の感圧抵抗部材１１は、導電性粒子を含有する弾性部材からなり、平板状の基部１２と、この基部１２の一方の面１２ａ（図２に鎖線で示される面）に位置する凸部１３と、を備えている。凸部１３は、基部１２側の底部１３Ｂ（図２に鎖線で示される部位）の形状が多角形であり、また、凸部１３の頂部１３Ａは平坦面であるとともに、この頂部１３Ａの面積は、凸部１３の底部１３Ｂの面積よりも小さいものである。また、基部１２の厚みＴと、凸部１３の高さ（基部１２の面１２ａに垂直な方向における底部１３Ｂから頂部１３Ａまでの距離）Ｈとの間には、０．０５≦Ｔ／Ｈ≦０．５の関係が成立する。

本発明の感圧抵抗部材１１を構成する弾性部材は、ゴム材料に導電性粒子を含有させたものである。ゴム材料としては、例えば、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム等を挙げることができる。また、導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の導電性カーボン等を挙げることができる。このような弾性部材における導電性粒子の含有量は、例えば、０．５〜１０重量％、好ましくは１〜５重量％の範囲で設定することができる。導電性粒子の含有量が上記の範囲から外れると、広い範囲の圧力変化に対して安定した圧力−電気抵抗変換が得られず好ましくない。

また、上記の弾性部材のＤｕｒｏ−Ａ硬度は、１５度〜６０度の範囲、好ましくは１５〜３０の範囲の範囲とすることができる。弾性部材のＤｕｒｏ−Ａ硬度が１５度未満であると、弾性部材の導電性が低くなり、通電しない、あるいは、荷重変化に対する追従性が悪くなり、感圧抵抗部材に供しえないものとなる。また、弾性部材のＤｕｒｏ−Ａ硬度が６０度を超えると、広い範囲の圧力変化に対して安定した圧力−電気抵抗変換が得られず好ましくない。

上述のように、基部１２の厚みＴと、凸部１３の高さＨとの間には、０．０５≦Ｔ／Ｈ≦０．５の関係が成立する。このＴ／Ｈの値が０．０５未満であると、感圧抵抗部材１１の構造的安定性が損なわれることがあり、一方、Ｔ／Ｈの値が０．５を超えると、印加される圧力が大きくなったときに安定した圧力−電気抵抗変換が得られず好ましくない。また、基部１２の厚みＴ、凸部１３の高さＨは、感圧抵抗部材１１に要求される圧力−電気抵抗変換の範囲によって、上記の弾性部材のＤｕｒｏ−Ａ硬度を考慮して設定することができる。
感圧抵抗部材１１を構成する基部１２の面１２ｂは、例えば、平均表面粗さＲａが１．６μｍ以下であるような面とすることができる。尚、本発明における平均表面粗さＲａの測定は、 東京精密（株）製 ＳＵＲＦＣＯＭ ２８００Ｅによって行うものとする。

感圧抵抗部材１１を構成する凸部１３の底部１３Ｂの形状は、多角形であり、図示例では凸部１３が截頭四角錐であり、底部１３Ｂは正方形であるが、三角形、あるいは、五角形以上の多角形であってもよい。また、このような多角形は、正多角形に限定されるものではない。また、凸部１３の頂部１３Ａは平坦面であり、この場合の平坦面とは、電極との接触抵抗を小さくするために、平均表面粗さＲａが１．６μｍ以下であるような面を意味する。さらに、凸部１３の頂部１３Ａの面積は、凸部１３の底部１３Ｂの面積よりも小さいものである。これにより、微小な印加圧力に対して凸部１３の頂部１３Ａ近傍が変形し、印加される圧力が大きくなるに従って、変形が凸部１３の底部１３Ｂ寄りに広がり、印加圧力に応じた電気抵抗変化を得ることができる。

また、本発明では、感圧抵抗部材１１を構成する凸部１３の底部１３Ｂの長さをＢとしたときに、凸部１３の高さＨとの間に、１≦Ｂ／Ｈ≦５の関係が成立することが望ましい。Ｂ／Ｈの値が１未満であると、凸部１３に圧力が印加された際に、座屈変形を生じるおそれがあり、また、Ｂ／Ｈの値が５を超えると、広い範囲の圧力変化に対して安定した圧力−電気抵抗変換が得られず好ましくない。ここで、底部１３Ｂの長さＢは、凸部１３の底部１３Ｂの多角形の一辺に平行に測定した長さの内、最大となる長さである。例えば、図１に示されるように、凸部１３の底部１３Ｂが正方形の場合には、図３（Ａ）に矢印で示される長さであり、正方形の一辺の長さと同じである。また、凸部１３の底部１３Ｂが正三角形の場合には、図３（Ｂ）に矢印で示される長さであり、正三角形の一辺の長さと同じである。また、凸部１３の底部１３Ｂが正五角形、正六角形の場合には、それぞれ図３（Ｃ）、図３（Ｄ）に矢印で示される長さとなる。さらに、凸部１３の底部１３Ｂの多角形状が正多角形ではない場合も同様であり、各辺に平行に測定した長さの内、最大となる長さである。

また、凸部１３の頂部１３Ａの長さをＵとしたときに、凸部１３の底部１３Ｂの長さＢとの間に、２≦Ｂ／Ｕ≦２５の関係が成立することが望ましい。Ｂ／Ｕの値が２未満であると、印加される圧力が大きくなったときに安定した圧力−電気抵抗変換が得られないおそれがあり、また、Ｂ／Ｕの値が２５を超えると、印加される圧力に対して安定した変形が得られず好ましくない。尚、凸部１３の頂部１３Ａの長さＵは、上述の底部１３Ｂの長さＢと同様に、頂部１３Ａの多角形の一辺に平行に測定した長さの内、最大となる長さである。

上述の感圧抵抗部材の実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の感圧抵抗部材の実施形態では、複数の凸部１３が、その底部１３Ｂを接するように基部１２の面１２ａ上に配設されているが、図４に示すように、凸部１３間に間隙が存在し、基部１２の面１２ａが露出するものであってもよい。

［感圧センサ］
図５は、本発明の感圧センサの一実施形態を示す断面図である。図５において、感圧センサ２１は、上述の本発明の感圧抵抗部材１１を使用した例であり、感圧抵抗部材１１を両側から挟むように配置された一対の電極２２，２３と、この一対の電極を両側から挟むように配置された電気絶縁性フィルム２５，２６と、を備えている。
電極２２，２３は、従来公知の電極材料を使用することができ、例えば、銅、銀、金、ステンレス鋼等、あるいは、これらの合金等を挙げることができる。

電極２２，２３は、外部から印加される圧力を感圧抵抗部材１１に伝えられるような厚みがあればよく、電極の材質、面積等を考慮して適宜設定することができ、例えば、０．１〜５ｍｍ程度の範囲で設定することができる。
また、電極２２，２３の形状、大きさ等は任意に設定することができ、例えば、電極２２，２３共に平板形状であってもよく、あるいは、一方がストライプ形状であってもよい。また、電極２２，２３共にストライプ形状であり、かつ、ストライプの軸方向が相互に直交するようなもの等であってよい。

感圧センサ２１を構成する電気絶縁性フィルム２５，２６は、電極２２，２３の保護フィルムの機能をもつものであり、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリエチレン等の樹脂フィルムを使用することができる。このような電気絶縁性フィルム２５，２６の厚みは、外部から印加される圧力を感圧抵抗部材１１に伝えられるような厚みがあればよく、例えば、５０〜２００μｍ程度の範囲で設定することができる。
上述の実施形態は例示であり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

次に、具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
導電性粒子として導電性カーボンを含有する導電性シリコーンゴムポリマー（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン社製 ＸＥ−２３−Ａ６００１）１００重量部と、架橋剤（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン社製 ＴＣ−８）１．８重量部をオープンロールで混練し、ゴムコンパウンドを得た。得られたゴムコンパウンドを所定の金型に充填し、１７０℃で１０分間プレス架橋することにより、導電性粒子を含有する弾性部材からなり、図１および図２に示されるような、截頭四角錐である凸部を複数備えた感圧抵抗部材を得た。

この感圧抵抗部材は、基部の厚みＴが０．５ｍｍ、凸部の高さＨが１ｍｍ、比Ｔ／Ｈが０．５であり、凸部の底部の長さＢと凸部の高さＨとの比Ｂ／Ｈが１であり、凸部の底部の長さＢと凸部の頂部の長さＵとの比Ｂ／Ｕが１０であった。また、この感圧抵抗部材を構成する弾性部材のＤｕｒｏ−Ａ硬度は、 高分子計器（株）製 アスカーゴム硬度計型式Ａで測定した結果、１５度であった。

［実施例２］
導電性粒子として導電性カーボンを含有する導電性シリコーンゴムポリマー（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン社製 ＸＥ−２３−Ａ２６３７）１００重量部と、架橋剤（モメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズ・ジャパン社製 ＴＣ−８）２．５重量部をオープンロールで混練し、ゴムコンパウンドを得た。得られたゴムコンパウンドを用いて、実施例１と同様にして、感圧抵抗部材を得た。
この感圧抵抗部材における比Ｔ／Ｈ、比Ｂ／Ｈ、比Ｂ／Ｕは、実施例１の感圧抵抗部材における比Ｔ／Ｈ、比Ｂ／Ｈ、比Ｂ／Ｕと同じであり、Ｄｕｒｏ−Ａ硬度は５０度であった。

［比較例１］
実施例１と同様にしてゴムコンパウンドを得た。得られたゴムコンパウンドを平板金型間で１７０℃で１０分間プレス架橋することにより、厚みが０．５ｍｍで両面が平坦な感圧抵抗部材を得た。この感圧抵抗部材のＤｕｒｏ−Ａ硬度は１５度であった。

［比較例２］
実施例１と同様にしてゴムコンパウンドを得た。得られたゴムコンパウンドの両面を、細かい布地のフッ素樹脂含浸クロス（中興化成工業（株）製 ＦＧＦ−４００−１０）で押圧し、１７０℃で１０分間プレス架橋することにより、両面に凸形状を有する感圧抵抗部材を得た。
この感圧抵抗部材は、基部の厚みＴが０．２ｍｍ、凸部の高さＨが０．０５ｍｍであり、比Ｔ／Ｈは４、比Ｂ／Ｈは３０、比Ｂ／Ｕは２であり、Ｄｕｒｏ−Ａ硬度は１５度であった。

［比較例３］
実施例１と同様にしてゴムコンパウンドを得た。得られたゴムコンパウンドの両面を、粗い布地のフッ素樹脂含浸クロス（中興化成工業（株）製 ＦＧＦ−５００−３５）で押圧し、１７０℃で１０分間プレス架橋することにより、両面に凸形状を有する感圧抵抗部材を得た。
この感圧抵抗部材は、基部の厚みＴが０．１ｍｍ、凸部の高さＨが０．１５ｍｍであり、比Ｔ／Ｈは０．７、比Ｂ／Ｈは１３、比Ｂ／Ｕは２であり、Ｄｕｒｏ−Ａ硬度は１５度であった。

［感圧センサの作製］
上述のように作製した感圧抵抗部材（実施例１、２および比較例１〜３）を用いて、感圧センサを作製した。すなわち、感圧抵抗部材を縦１０ｍｍ、横２０ｍｍの方形状とし、この感圧抵抗部材の両面に縦８０ｍｍ、横８０ｍｍの電極板（金めっき処理を施した厚み３ｍｍの銅板）を配して挟持し、さらに、電極板を挟むように電気絶縁性フィルム（三井化学東セロ（株）製 セパレーター ＳＰ−ＰＥＴ）を配設した。

このように作製した感圧センサ（実施例１、２および比較例１〜３）に対して、荷重時における抵抗値変化率を測定した。すなわち、感圧センサをタッキング試験機（ヤナコ（株）製 ＴＡＣ−II）にて印加荷重５〜４００ｇｆの範囲で押圧し、抵抗値変化をデジタルマルチメーター（三和電気計器（株）製 ＰＣ５００ａ）を用いて測定した。使用した押圧部材は、押圧面の面積（荷重印加面積）が０．５ｃｍ²である円柱形状であり、この押圧部材のストローク率に対する抵抗値変化率を下記の表１に示した。尚、押圧部材のストローク率は、印加荷重が４００ｇｆのときのストローク量を１００％としたものである。

表１に示されるように、実施例１、２の感圧センサは、ストローク率１００％までの範囲で安定な抵抗値変化が得られた。
これに対して、比較例１〜３の感圧センサでは、ストローク率が小さい段階で抵抗値変化率が高い状態となり、印加荷重（ストローク率）が大きい範囲での安定した抵抗値変化が得られないものであった。

本発明は、感圧センサ等の圧力−電気抵抗変換を利用する技術分野において有用である。

１１…感圧抵抗部材
１２…基部
１３…凸部
１３Ａ…頂部
１３Ｂ…底部
２１…感圧センサ
２２，２３…電極
２５，２６…電気絶縁性フィルム

Claims (5)

1. 導電性粒子を含有する弾性部材からなる感圧抵抗部材において、
   平板状の基部と、該基部の一方の面に位置する凸部と、を備え、該凸部は前記基部側の底部の形状が多角形であり、前記凸部の頂部は平坦面であるとともに、該頂部の面積は前記底部の面積よりも小さく、前記基部の厚みＴと、前記凸部の高さ（基部の面に垂直な方向における底部から頂部までの距離）Ｈとの間に、０．０５≦Ｔ／Ｈ≦０．５の関係が成立することを特徴とする感圧抵抗部材。
2. 前記凸部の底部の長さをＢとしたときに、前記凸部の高さＨとの間に、１≦Ｂ／Ｈ≦５の関係が成立し、かつ、前記凸部の頂部の長さをＵとしたときに、前記凸部の底部の長さＢとの間に、２≦Ｂ／Ｕ≦２５の関係が成立することを特徴とする請求項１に記載の感圧抵抗部材。
3. 前記弾性部材のＤｕｒｏ−Ａ硬度が１５度〜６０度の範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の感圧抵抗部材。
4. 前記弾性部材は、シリコーンゴムを含有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の感圧抵抗部材。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の感圧抵抗部材と、該感圧抵抗部材を両側から挟むように配置された一対の電極と、該一対の電極を両側から挟むように配置された電気絶縁性フィルムと、を備えることを特徴とした感圧センサ。

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