JPS5824921B2 - 感圧抵抗素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規かつ改良された感圧抵抗素子に関するもの
である。

従来、ゴム状弾性体中にカーボンブラックや金属粒子な
ど各種の導電性物質からなる粉粒体を分散配合してなる
、いわゆる導電性ゴム状弾性体を、対応する２個の電極
体間に配置し、該電極体間に押圧力を印加し、これに伴
なう抵抗値変化を取出すようにしてなる形式の感圧抵抗
素子が広く知られている。

上記従来公知の感圧抵抗素子は、電極体間の押圧力を増
すに従ってその抵抗が次第に減少する負特性領域にその
動作点をおくものであるが、一般にこの負特性領域にお
ける特性曲線の勾配は太き（、換言すれば押圧力のわず
かな変化に対しても、その抵抗値が太き（変化するため
、この種従来公知の感圧抵抗素子は各種の０Ｎ−ＯＦＦ
制御素子として利用するのには適しているが、しかしわ
ずかな圧力変化をも確実に取出さなければならないよう
な用途には不向きであるとされていた。

また、一般にこの種感圧抵抗素子の電極体間抵抗値は、
導電性ゴム状弾性体自身の抵抗値と、電極体−導電性ゴ
ム状弾性体間の接触抵抗値との和とされるが、従来公知
の導電性ゴム状弾性体からなる感圧抵抗素子における上
記接触抵抗値は電極体の導電性ゴム状弾性体に対する接
触状態により多様に変化し、しかも上記電極体間抵抗値
における接触抵抗値の全抵抗値に占める割合が比較的大
きいために、圧力変化を正確に抵抗値変化として反映さ
せることができないという不利があった。

本発明はかかる従来公知の導電性ゴム状弾性体から構成
される感圧抵抗素子における問題点を解決してなる新規
かつ改良された感圧抵抗素子を提供するものであって、
これは圧縮歪を増加させるに伴なってその抵抗値が次第
に減少し、極小値に達し後その抵抗値が次第に増加する
特性をもつ導電性ゴム状弾性体を、２個の対応電極体間
に配置してなり、上記電極体間に電極間抵抗値が極小値
を越える押圧力を印加して抵抗値変化の正特性領域に動
作点を設定してなることを特徴とするものである。

以下、本発明について詳細に説明すると、本発明者らは
従来から感圧抵抗素子に用いられている導電性ゴム状弾
性体に関し、押圧力の印加に伴なう抵抗値変化を詳しく
観察したところ、意外な事実を発見するに至った。

すなわち、導電性ゴム状弾性体に押圧力を加えると、ゴ
ム状弾性体は変形してその抵抗値が次第に減少するが、
この際導電性ゴム状弾性体の圧縮距離を横軸にとり、抵
抗値を縦軸にとってその関係をグラフ上にプロットする
と、得られる特性曲線ははじめの内その勾配も太き（急
激に下降するが、やがてその勾配がゆるくなって極小値
に達し、この状態からさらに押圧力を印加すると、導電
性ゴム状弾性体が破かいされるものを除き、意外にもそ
の抵抗値が次第に増加しはじめ、しかもその勾配は負性
領扉のそれより小さいものとされることを知見した。

そこで、本発明者らはさらに検討を重ねたところ、上記
押圧カー抵抗値曲線は、ゴム状弾性体内に分散配合する
導電性物質からなる粉粒体の形態、配合割合によって異
なり、さらにはゴム状弾性体の形状ならびに電極体の形
状等によって変ることも見出した。

本発明者らは上記のような知見に基づき、前記した本発
明を完成するに至ったのであり、本発明の感圧抵抗素子
においては、抵抗値変化の正特性領域に動作点が設定さ
れ、換言すれば対応する２個の電極体が常に一定の圧力
下に導電性ゴム状弾性体に押付けられた状態とされるか
ら、電極体と導電性ゴム状弾性体との間の接触抵抗値が
押圧力の変化に伴なってほとんど変化することなくはｇ
固定され、導電性ゴム状弾性体の圧縮変形に伴なう抵抗
値変化のみが確実に取出されるので、したがってこの抵
抗値変化はきわめて安定しており、また、正特性領域に
おける抵抗値変化は負性領域におけるそれよりゆるやか
であって、圧力変化を正確に抵抗値変化として反映させ
ることができるというすぐれた作用効果が与えられる。

つぎに、本発明をさらに詳細に説明すると、まず本発明
における導電性ゴム状弾性体は、導電性付与剤としてた
とえばカーボンブラック、カーボンブラックグラフトポ
リマー、グラファイト、金属ならびに合金粉末、プラス
チックあるいはガラス粉末に金属メッキした粉末、有機
化合物導体粉末、有機高分子導体粉末、金属錯化物類の
粉末、金属酸化物導体粉末、金属炭化物導体粉末、金属
カルボニル導体粉末、金属繊維ならびに炭素繊維微細粉
末等のほか、これらの混合物等の公知の導・体粉末を含
有してなる、公知の絶縁性合成ゴムあるいはゴム状弾性
を有する熱可塑性樹脂あるいはこれらの二種以上の混合
体マトリックスよりなるものである。

本発明において使用する上記導電性ゴム状弾性体は、圧
縮歪を増加させるに伴なってその抵抗値が次第に減少し
、一旦極小値に達した後、その抵抗値が次第に増加する
特性を有するものでなければならないのであるが、この
ような特性を有する導電性ゴム状弾性体を得るには、ゴ
ム状弾性体に対する導電性付与剤の形態、配合割合、導
電性ゴム状弾性体の形状、電極体構造等についてそれぞ
れ考慮しなければならない。

すなわち、たとえばビニル基含有ジメチルポリシロキサ
ンを主成分とする市販のシリコーンゴムコンパウンドに
、加硫剤ならびに下記第１表に示す市販の導電性付与剤
の配合割合を変化させて公知の方法によって配合してな
る種々の組成物をもって、それぞれ直径１．６ｍｍで高
さ１間の円柱体、直径１．６ｍｍで高さ１．５ｍｍの円
柱体、直径３ｍｍで厚さ１龍の円板、直径１．６５ｍｍ
の球体を成形し、まず第１図に示すように、上記成形体
１を電極体２．２間に保持し、公知の方法に従ってそれ
ぞれの抵抗値を測定し、次式： に基づいてそれぞれの比抵抗を算出したところ、第２図
に示す通りの結果が得られた。

第１表：導電性付与剤 第２図における曲線Ａ、 Ｂ、 Ｃはそれぞれ、第１表
中の導電性付与剤Ａ、 Ｂ、 Ｃの配合割合に対する比
抵抗値の変化を示すものである。

つぎに、上記第１表中における導電性付与剤Ａの配合割
合を変化させてなる組成物をもって、それぞれ直径１．
６朋、高さ１．５１ｆｔｍに成形してなる円柱体につい
て、これらをそれぞれ第１図に示すように、電極体２．
２′にて保持し、両電極間に押圧力を印加して成形体の
圧縮距離をダイヤルゲージで測定すると共に、その抵抗
値変化を測定したところ、第３−１図に示す通りの結果
が得られた。

同様にして、第１表中における導電性付与剤Ｂ、Ｃの配
合割合を変化させてなる組成物をもって、それぞれ直径
１６ｍｍ、高さ１ｍｍに成形してなる円柱体について、
圧縮距離に対する抵抗値変化を測定した結果は、それぞ
れ第３−２図および第３−３図に示す通りであった。

また、第１表中の導電性付与剤Ａを９．９８重量係含有
する組成物をもって、直径１．６朋、高さ１．５ｍｍに
成形してなる円柱体、ならびに直径３ｍｍ、厚さ１朋に
成形してなる円板について、前記と同様にして圧縮距離
に対する抵抗値変化を測定したところ、第４−１図およ
び第４−２図に示す通りの結果が得られ、また第１表中
の導電性付与剤Ｃを３５重量係含有する組成物をもって
、直径１．６５龍に成形してなる球状体、ならびに直径
１．６ｍｍ、高さ１ｍｍに成形してなる円柱体の直径方
向の圧縮距離に対する抵抗値変化を測定したところ、第
４−３図に示す通りの結果が得られた。

さらに、第１表中の導電性付与剤りを２８重量係含有す
る組成物をもって、直径１６ｍｍ、高さＬｍｒｔｔに成
形してなる円柱体についてそれぞれ測定した結果は第４
〜４図に示す通りであった。

また、第４−１図をプロットするのに用いたものと同じ
試料（直径１．６ｍｍ、高さ１．５ｍｍ、導電性付与剤
Ａ）を、１００メツシユのステンレススチール・スクリ
ーン電極（針金直径０．１０７１ｍ、目開きＯ，Ｉ４７
ｍｒｎ）間に保持して、圧縮距離に対する抵抗値変化を
測定したところ、第５図に示す通りの結果が得られた。

上記した第２図、第３−１図〜第３−３図、第４−１図
〜第４−４図および第５図から明らかなように、ゴム状
弾性体に対する導電性付与剤の形態ならびに配合量によ
り、得られる導電性ゴム状弾性体の比抵抗値は変化し、
また導電性ゴム状弾性体の圧縮変形に対する抵抗値変化
は同じ導電性付与剤を配合した場合であっても、その配
合量により異なり、さらに同一組成の導電性ゴム状弾性
体であっても、その形状ならびに圧力印加の方向により
異なるのである。

つぎに、ここで導電性付与剤の形を球形粒子であると想
定し、粒子間間隔Ｓならびに平均粒子径ｄの関係につい
てみると、これはＰｏｌｌｅｙＭ、Ｈ，。

Ｂｏｏｎｓｔｒａ Ｂ、 Ｂ （導電性ポリマーの研究
と応用７７〜７８ページ）によれば （Ｌ：生ゴム１００重量部に対する導電性付与剤の重量
部数）で与えられ、アセチレンブラックの場合、Ｓがｄ
とはｙ同じ程度から大きくなるに従って抵抗変化が大き
くなり、アセチレンブラックより鎖状構造が発達してい
る高ストラクチヤーカーボンのケッチェンブラックは、
Ｓがｄよりはｙ１００Ａ大きい領域から抵抗変化が表わ
れ、逆にアセチレンブラックより低ストラクチヤーカー
ボンで、アセチレンブラックより約５倍大きい平均粒径
ｄをもつグラファイトの場合は、Ｓがｄの約１０分の１
付近から上記傾向が表われると推定される。

したがって、上記抵抗変化の増加傾向が表われる導電性
付与剤の含有割合は、平均粒子径ｄが大きく影響し、そ
れに伴なって粒度分布ならびに粒子構造も同様に関連す
ると思われる。

つぎに抵抗値変化が表われる原因について調べるため次
の実験を行なった。

実施例 市販シリコーンゴムコンパウンドＫＥ９５１Ｕ〔信越化
学工業■製・〕１１００重量部３２５メツシユ通過電解
ニッケル粉末１０００重量部、ジクミルパーオキサイド
５重量部を混練し、温度１６０℃、時間１５分、圧力１
０Ｋｇ／ｃｒｌＬの条件下に、直径２８ｍｍ、高さ１２
．８ｍｍの円柱体を成形した。

つぎに上記円柱体を高さ方向に２５係圧縮した状態で、
温度１８０℃のふん囲気下に２２時間放置してから取出
して放冷したところ、最大直径３０朋、高さ１１．８ｍ
ｍのたる形の成形体となった。

上記たる形成形体について抵抗値を測定したところ、円
形中心部の比抵抗は０．７Ω−■で、たる形量大直径部
の表皮部分の比抵抗は２，５ＭΩ−儂であったが、しか
し上記と同様の配合物で上記円柱成形体と同様の条件で
得たテストピースの比抵抗は１Ω−αであった。

つぎに、上記と同様の配合物で、直径１．６朋、高さ１
ｍｙｎの円柱体を上記と同様の成形条件下に成形し、こ
れを第１図に示すように２個の電極体間に保持して、該
電極体を５μｍ／秒の速度で円柱の高さ方向に圧縮した
ところ、下記第２表のｙ項に示す結果が得られた。

一方、同じ配合物をもって同じ条件下に、外径１．６ｍ
ｍ、内径０．３ ｍｍ、高さ１ｍｍの円筒体を成形し、
軸方向の圧縮に対する抵抗値変化を測定したところ、第
２表のｙ項に示す通りの結果が得られた。

上記実験例の結果から、導電性ゴム状弾性体の圧縮変形
に伴なう抵抗変化の増大の原因は、圧縮に伴なって電極
体間の成形体に圧縮方向に対して垂直な方向の伸び歪み
が発生し、導電性ゴム状弾性体中の導電性付与剤の粒子
間接触の機会が減少するためと考えられ、そして導電性
ゴム状弾性体においては、導電性付与剤の粒子が高スト
ラクチャーとなる程、また粒子径が小さくなる程抵抗値
変化が発生し難（、該粒子の充填密度が大きい程伸張率
が小さくなってその抵抗変化率の増大が発生し難いこと
が判る。

したがって、本発明において使用する導電性ゴム状弾性
体については、これに配合する導電性付与剤の形態、配
合量割合、およびその形状などについて特に限定される
ものではないが、上記の各要素については目的と十゛る
感圧抵抗素子に要求される性質に応じその都度法められ
るべきである。

また、この導電性ゴム状弾性体は、その硬度、形状、圧
縮割合等により、これに必要な圧縮荷重が当然具なるが
、しかし本発明の導電性ゴム状弾性体はその機械的性質
、特にその圧縮永久歪について限定されるものではなく
、圧縮することにより容易に破かいされるものでなけれ
ばよい。

要するに本発明において使用する導電性ゴム状弾性体と
しては、圧縮することによりこれを挟持する電極体間の
抵抗値が増大し、かつ破かいされない範囲のものはすべ
て含まれる。

一つぎに、本発明になる感圧抵抗素子の構造は、基本的
には前記した特性、すなわち抵抗値変化の正特性領域を
含む導電性ゴム状弾性体を対応する電極体間に配置して
なるものとされるが、この構造はたとえば第６図に示す
ような多層構造やあるいは図示しないけれども導電性ゴ
ム状弾性体の一側面に２個のこれら態様の２種以上を組
合せた構造としてもよいことはいうまでもなく、この場
合各電極体にはそれぞれ引出し端子を設け、各端子間に
異なる抵抗値変化を取出すことができる。

上記電極体はその形状について特に限定されるものでは
なく、これは導電性ゴム状弾性体との組合せで、各電極
体間の圧縮により抵抗値増が認められ、圧縮により破損
されない構造体、好ましくは剛直体であればよく、これ
は板状あるいは網状の金属電極、貴金属メッキ蒸着体か
らなる電極、絶縁性基板で補強されているプリント回路
からなる電極、金属酸化物電極、導電塗料からなる電極
などのいずれの形態を採るものであってもよい。

また、上記電極体に対する押圧力増減手段については、
スクリュー付シャフトを利用するもの、空気、油など各
種の流体圧を利用するもののほか、この種従来公知のい
かなる押圧力増減手段をも採用することができる。

本発明になる感圧抵抗素子はこれを実際に製作するに当
り、要すれば可撓性絶縁性材料でおおったり、シールド
ケース内に収めることができる。

最後に、本発明になる感圧抵抗素子は、小型化が容易で
、組立が簡単であり、耐衝撃性にすぐれるので、このも
のは各種計量、計測機器における検知素子として、回路
電流や電圧調整用制御素子として、あるいは多項目入力
装置用入力変換素子、コンピューターその他室子機器類
の端末入力装置における無接点キーボード用素子、電子
楽器における無接点キーボード用素子ならびに調整ｉ置
、電話、電子卓上式計算機、テレビ、ラジオ等における
無接点キーボード用可変抵抗素子として、さらにはスペ
ースヒーター、温調用素子などとして極めて有用である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる感圧抵抗素子の基本的構造を示す
断面図である。 第２図は導電性ゴム状弾性体における導電性付与剤の配
合量に対する比抵抗値の変化を示すグラフである。 第３−１図〜第３−３図はそれぞれゴム状弾性体に対し
てそれぞれ異なる種類の導電性付与剤を異なる量割合の
もとに配合してなる導電性ゴム状弾性体の圧縮距離に対
する抵抗値変化を示すグラフである。 第４−１図〜第４−４図はそれぞれ異ガる形状の導電性
ゴム状弾性体における圧縮距離に対する抵抗値変化を示
すグラフである。 第５図は導電性ゴム状弾性体を金網電極体間に保持した
場合の圧縮距離に対する抵抗値変化を示すグラフである
。 第６図は第１図とは異なる本発明になる感圧抵抗素子の
構造を例示する断面図である。 １・・・導電性ゴム状弾性体、２．２’、γ・・・電極
体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 圧縮歪を増加させるに伴なってその抵抗値が次第に
   減少し、極小値に達した後その抵抗値が次第に増加する
   特性をもつ導電性ゴム状弾性体を、２個の対応電極体間
   に接触配置してなり、上記電極水間に電極間抵抗値が極
   小値を越える押圧力を印加して抵抗値変化の正特性領域
   に動作点を設定してなることを特徴とする感圧抵抗素子
   。