CN1239593C - 导电性树脂组合物和使用该组合物的编码开关 - Google Patents

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Abstract

由于用兼备优良导电性和耐磨性的导电性树脂组合物做接点部分的材料，提供可适应多品种小批量的生产，而且寿命长的编码开关。用丝网印刷法将导电性树脂组合物制作图案形成编码开关的接点部分，导电性树脂组合物的导电性颗粒为碳颗粒表面涂敷银覆膜的导体粉和银粉。

Description

导电性树脂组合物和使用该组合物的编码开关
技术领域
本发明涉及具有优良耐磨性和导电性并存的导电性树脂组合物和将该导电性树脂组合物做接点部分的编码开关。
背景技术
现有的编码开关滑动电刷由磷青铜构成，接点部分以放射状冲切磷青铜条，磷青铜条表面依次镀覆镀镍膜、镀银膜，编码开关驱动时，滑动电刷间歇接触接点部分。
但是，用冲切制造接点部分的方法需要以接点部分的形状制造冲切用金属模，不适应多品种小批量的生产。
发明内容
本发明的目的是使用兼备优良导电性和耐磨性的导电性树脂组合物形成接点部分，可适应多品种小批量的生产，且提供使用寿命长的编码开关。
本发明导电性树脂组合物在酚醛系树脂中含有作为导电性颗粒的碳颗粒表面涂敷银覆膜的导体粉和银粉，上述碳颗粒，为将热固性树脂球在稀有气体或氮气中，在500～1200℃的温度加热、碳化形成的，上述全部导电性颗粒占的比例为74～88重量％，上述全部导体粉占的比例为1～9重量％。
这样的导电性树脂中导体粉主要由银覆膜赋予导电性树脂组合物导电性，同时由于母材碳颗粒的高硬度加入导电性树脂组合物中支撑负荷，并改进导电性树脂组合物的耐磨性。另外，导体粉的碳颗粒的母材大致呈球状，没有尖锐的棱边，因而滑动接触导电性树脂组合物的滑动电刷等接触导体粉，滑动电刷等不被削刮。
由于银粉介于导体粉之间增加导电性颗粒之间的接触点，可改进导电性树脂组合物的导电性。另外，在导电性树脂组合物表面填充了导体粉之间的间隙，导电性树脂组合物的表面平坦。
粘合剂树脂均匀分散为导电性颗粒的导体粉和银粉，且由于硬化收缩导电性颗粒之间的接触压增加，降低导电性颗粒之间的接触电阻，完成了改进导电性的任务。
如全部导电性颗粒占的比例为74重量％以下，导电性颗粒不足，导电性树脂组合物的导电性、耐磨性降低。另一方面，如超过88重量％，导电性树脂组合物用丝网印刷法不易形成图案。
如全部导体粉占的比例不足1重量％，由于导体粉不可能完全支撑负荷，导电性树脂组合物的耐磨性降低。另一方面，如全部导体粉占的比例超过9重量％，导电性树脂组合物的硬度高，因而滑动接触导电性树脂组合物的滑动电刷等被削刮。
另外，本发明导电性树脂组合物的上述银粉为块状颗粒与树枝状颗粒的混合物。
用于这种导电性树脂组合物的银粉，块状颗粒与树枝状颗粒相比，比表面积、吸油量小，导电性树脂组合物中可添加更多的银粉。
在银粉添加量多且放置到硫化气氛中时，由于银粉的硫化，导电性变化小且硫化速度慢。其反面凹凸少，由此颗粒间的接触点变少，导电性树脂组合物的电阻率变大。
由于这样的树脂组合物是复杂形状的树枝状颗粒介于块状颗粒之间，添加更多的银粉，保持耐硫化性，同时增加银粉之间的接触点，使导电性树脂组合物的导电性更加优越。
另外，本发明导电性树脂组合物的上述块状颗粒对上述树枝状颗粒的重量比为0.8～1.6。
这样的导电性树脂组合物，由于块状颗粒对树枝状颗粒的重量比为0.8以上，复杂形状的树枝状颗粒在银粉中占的比例低，可在导电性树脂中添加更多的银粉，改进耐硫化性。另外，由于提高银粉在导电性树脂中占的比例，可改进导电性树脂组合物的导电性。再者，没有必要多合作为导电颗粒的导电粉，导电性树脂组合物的硬度不过高。
另外，由于块状颗粒对树枝状颗粒的重量比为1.6以下，块状颗粒之间存在适量的树枝状颗粒，银粉之间的接触点多，银粉的导电性高，所以导电性树脂组合物的导电性更加改进。
因为本发明导电性树脂组合物的上述粘合剂树脂是热固性树脂。
这样的导电性树脂组合物，热固性树脂的树脂构造中存在适量的氢结合性官能基(羟基、氨基等)，因此导电性树脂组合物粘结基板。另外，如在粘合剂树脂中使用热固性树脂，可防止由于气氛温度与摩擦热使导电性树脂组合物软化。
又因为本发明导电性树脂组合物的上述热固性树脂是酚醛系树脂。
这样的导电性树脂组合物中酚醛系树脂脱水缩合，产生完全固化收缩，与粘合剂树脂为环氧树脂的情况相比，导电性颗粒之间的接触压变高，导电性颗粒之间的接触电阻变小，导电性树脂组合物的导电性改进。作为酚醛系树脂，例如可使用可溶型酚醛树脂。漆用型酚醛树脂、芳烷基酚醛树脂、二甲苯改性酚醛树脂、甲酚改性酚醛树脂、呋喃改性酚醛树脂、环氧酚醛树脂、三聚氰胺酚醛树脂、碳化二亚胺酚醛树脂、间苯二酚改性酚醛树脂等。
本发明编码开关具有由金属构成的滑动电刷和由上述导电性树脂组合物构成的，与上述滑动电刷间歇接触的接点部分。
这样的编码开关是将导电性树脂组合物用丝网印刷法形成图案，因而在制作不同形状接点部分时，只要更换丝网印刷用遮蔽即可，对应于多品种小批量生产是容易的。另外，如接点部分用丝网印刷法形成，与将金属板用金属模冲切相比，可成复杂的形状。
另外，接点部分与滑动电刷由不同的材料构成，因而不造成粘合磨损，可成为使用寿命长的编码开关。而且，用上述耐磨性优越的导电性树脂组合物形成接点部分，因而接点部分不被滑动电刷削刮，可成为使用寿命长的编码开关。
另外，用上述导电性优越的导电性树脂组合物形成接点部分，因此即使接点部分形状细微，接点部分的电阻也不明显高。而且，作为滑动电刷滑动接触面的导电性树脂组合物表面是平坦的，因此滑动电刷阻碍滑动接触面的凸部，可降低产生的噪音。
本发明导电性树脂组合物在粘合剂树脂中含有作为导电性颗粒的碳颗粒表面涂敷银覆膜的导体粉和银粉。
这种导电性树脂，导体粉加入导电性树脂组合物中支撑负荷，由于银粉介于导体粉之间，增加导电性颗粒间的接触点，改进了导电性树脂组合物的导电性，因此优良的耐磨性和导电性可并存。
本发明编码开关具有金属滑动电刷和在编码板上与上述滑动电刷滑动接触的接点部分，该接点部分由上述导电性树脂组合物构成。
该编码开关使用导电性优良的导电性树脂组合物做接点部分，因此接点部分可为细微的图案，接点部分的电阻(内部电阻)不明显变高。另外，由于导电性树脂组合物具有优良的耐磨性，滑动电刷不切削接点部分，编码开关的使用寿命长。
附图说明
图1是显示本发明编码开关的说明图；
图2是滑动电刷的剖面图；
图3是说明本发明编码开关的模式图；
图4是本发明编码开关输出电压的信号波形。
具体实施方式
下面叙述本发明有关的导电性树脂组合物的实施形式。本发明的导电性树脂组合物的实施形式是含有作为导电性颗粒的碳颗粒表面涂敷银覆膜的导体粉和银粉。导电性树脂组合物中导电性颗粒占的比例为74.6～86.7重量％，导电性树脂组合物中的导体粉占的比例为1.1～8.8重量％。
导体粉大致呈球形，使用粒径1～30μm(平均粒径10μm)，更理想的导体粉粒径为3～10μm。这时，如导电粉的粒径过小，不能支撑滑动电刷的负荷，导电性树脂组合物的耐磨性降低。另一方面，如粒径过大，用丝网印刷法进行导电性树脂组合物的图案形成时，在溶解粘合剂树脂的树脂溶液中将导电颗粒分散的导电油墨中，由于导体粉沉淀，稳定性降低。另外，丝网印刷用遮蔽的纱粗，因此图案精度降低。
导体粉碳颗粒是在稀有气体或氮气中将酚醛树脂和苯并胍胺等的热固性树脂球加热、碳化而成的。为了热固性树脂球碳化，加热处理温度为500～1200℃，如加热处理温度不到500℃，碳化不完全，碳颗粒的硬度不足。另一方面，如超过1200℃，热固性树脂球碳化的碳化颗粒，由于伴随碳化分子结构的再配置，变形开裂成石榴状，不为颗粒状；在这样的碳化颗粒表面上不易涂敷银覆膜，另外，碳化颗粒的棱边突出于导电性树脂组合物的表面，成为滑动电刷被削刮的原因。
碳颗粒表面涂敷的银覆膜厚度为0.5μm。如在1μm以下的薄银覆膜，银的延展性不能体现，作为母材硬质的碳颗粒受到影响，作为硬质覆膜不合适。如厚度超过1μm，可体现银的延展性。另外，银覆膜用镀敷制作，在制作银覆膜前，用赋予活性处理将活性官能基导入碳颗粒表面，使成为易镀状态。
银粉是块状颗粒与树枝状颗粒混合物，块状颗粒为粒径3～6μm的不定形，树枝状颗粒的二次凝集粒径为8～15μm。在银粉中块状颗粒对树枝状颗粒的重量比为0.8～1.6。
粘合剂树脂使用可溶型酚醛树脂。导电性树脂组合物的制造方法是在将可溶型酚醛树脂溶解到卡必醇中的树脂溶液中，用三个开炼机制作将导电性颗粉分散的导电油墨，按丝网印刷法用该导电油墨在基板上形成图案，进行200℃、20分钟的加热、干燥和固化。由于使导电油墨干燥、卡必醇挥发，因此固化后的导电性树脂组合物中不存在卡必醇。
图1示出了使用这种导电性树脂组合物的本发明编码开关，编码板C是在由树脂等绝缘材料构成的直径约10mm的圆形基板1上，用丝网印刷法形成由导电性树脂组合物构成的接点部分2的板。接点部分2具有在基板1的中央部分以环状形成的公共部分2a、从公共部分2a以放射状延伸出的第一接点部分2b和从各第一接点部分2b以曲柄状延伸出的第二接点部分2c。这样形状的接点部分2用以前将金属板冲切制造的方法，冲切金属板的金属模是复杂的，因此造价高。如用丝网印刷法形成接点部分2，即使接点部分2的形状稍复杂，丝网印刷用遮蔽的价格不变，也可控制制造成本。
磷青铜构成的滑动电刷3具有共通电刷3a和第一、第二滑动电刷3b、3c，共通电刷3a的前端，第一、第二滑动电刷3b、3c的前端配置在一直线上，分别与接点部分2的公共部分2a，第一、第二接点部分2b、2c接触。另外，如图2所示，滑动电刷3在根部共通电刷3a，第一、第二滑动电刷3b、3c分别弯曲形成弯曲部分3d。当共通电刷3a，第一、第二滑动电刷3b、3c的前端配置在一直线上时，该弯曲部分3d可在一直线上形成，因此容易进行弯曲加工。
编码开关驱动时，编码板C转动，滑动电刷3的共通电刷3a常与接点部分2的公共部分2a接触，第一、第二滑动电刷3b、3c分别间歇地与第一、第二的接点部分2b、2c接触。这时，由于第一、第二接点部分2b、2c为曲柄状，从第一滑动电刷3b和第一接点部分2b接触到第二滑动电刷3c和第二接点部分2c接触，产生时间差。
图3示出编码开关驱动的模式。虚线包围的部分为编码板C和滑动电刷3构成的编码部分e，编码部分e与负载电阻4串联连接，编码部分e与负载电阻4的上电压为V0。
编码部分e的第一开关部分e2在第一滑动电刷3b接触接点部分2的第一接点部分2b时为开状态。第二开关部分e4在第二滑动电刷3c接触接点部分2的第二接点部分2c时为开状态。这时，接点部分2由导电性优良的导电性树脂组合物构成，因此内部电阻e1、e3小，编码部分e的输出V1、V2大致为0V。
而且，第一开关部分e2在第一滑动电刷3b从接点部分2的第一接点部分2b离开时为关状态，第二开关部分e4在第二滑动电刷3c从接点部分2的第二接点部分2c离开时为关状态。在第一、第二开关部分e2、e1为开状态时，编码部分e的输出V1、V2为赋予编码部分e和负载电阻4上的电压V0。
图4示出在编码开关驱动时编码部分e的输出V1、V2各自的时间变化。以这样的输出V1、V2的信号波形从输出的开状态(关状态)的数可测出编码板C的转动角度，从输出V1、V2的相位差Δ可测出编码板C的转动方向。
实施例
表1中示出了本发明实施例1～9导电性树脂组合物中粘合剂树脂、导体粉、块状银粉、树枝状银粉及由导体粉与银粉构成的全部导电性颗粒占的比例(重量％)，还有导体粉对银粉的重量比，银粉中块状颗粒对树枝状颗粒的重量比，各导电性树脂组合物的电阻率。
表1
  粘合剂树脂(重量％)   导体粉(重量％)   块状银粉(重量％)   树枝状银粉(重量％)   导电性颗粒(重量％)   导体粉/银粉(重量比)   银粉：块状/树枝状(重量比)   电阻率(×10-4Ω·cm)   寿命(万次)
  实施例1   15.9   2.9   46.4   34.8   84.1   0.036   1.3   1.839   20
  实施例2   15.1   1.1   50.7   33.1   84.9   0.013   1.5   1.806   15
  实施例3   17.4   5.4   38.1   38.1   82.5   0.084   1   1.847   20
  实施例4   18.5   8.8   32.3   40.4   81.5   0.121   0.8   1.904   15
  实施例5   25.4   2.5   41.1   30.9   74.6   0.035   1.3   2.374   15
  实施例6   22.7   2.7   42.6   32   77.3   0.036   1.3   1.956   30
  实施例7   19   2.8   44.7   33.5   81   0.036   1.3   1.928   30
  实施例8   13.4   3   47.8   35.9   86.7   0.036   1.3   1.614   15
  实施例9   12.5   2   53.2   32.3   87.5   0.023   1.6   1.774   15
使用各导电性树脂组合物，形成图1所示的编码板C的接点部分2，用由磷青铜构成的滑动电刷3给与编码板C10～15g的负荷，滑动电刷3和接点部分2滑动接触，直到得不到图3示出的输出V1、V2的正信号波形，寿命为编码板C转动的次数。
还有，在实施例1～9中全部导体粉占的比例越增加，全部块状银粉占的比例越减小。这是由于在导电性树脂组合物中由导体粉与块状银粉占的体积一定。
实施例1、5～8，导体粉对银粉的重量比和银粉中块状颗粒对树枝状颗粒的重量比相等，全部导电性颗粒占的比例不同。全部导电性颗粒占的比例越高，导电性树脂组合物的电阻率越低，特别是，导电性颗粒的比例为77.3～84.1重量％的实施例1、6、7，电阻率低到1.9×10-4Ω·cm，且寿命很长，为20万次。
全部导电性颗粒占比例最高的实施例8，其电阻率最低。但是，实施例8的寿命为实施例6、7的一半。这是考虑到，实施例6、7中对应于导电性颗粒，粘合剂树脂的量充分，导电性树脂组合物不由于滑动电刷的滑动接触削刮，滑动电刷不被导电性树脂组合物的削刮粉阻碍，平滑地滑动接触，可得到噪音小的信号波形。
块状颗粒对树枝状颗粒的比例为0.8以上，因此可改进耐硫化性，另外，由于为1.6以下，因此可改进导电性树脂组合物的导电性。
比较例
表2示出了比较例1～6的导电性树脂组合物中粘合剂树脂、导体粉、块状银粉、树枝状银粉及导体粉与银粉构成的全部导电性颗粒占的比例(重量％)，还有导体粉对银粉的重量比，银粉中块状颗粒对树枝状颗粒的重量比，各导电性树脂组合物的电阻率。寿命的定义与实施例相同。
表2
  粘合剂树脂(重量％)   导体粉(重量％)   块状银粉(重量％)   树枝状银粉(重量％)   导电性颗粒(重量％)   导体粉/银粉(重量比)   银粉：块状/树枝状(重量比) 电阻率(×10-4Ω·cm)   寿命(万次)
 比较例1   35.8   64.2   0   0   64.2   -   -   465
 比较例2   16.1   1.7(碳颗粒)   47   35.2   83.9   -   1.3   2.789   5＜
 比较例3   14.6   0   53.4   32   85.4   -   1.7   1.633   5＜
 比较例4   19.3   10.5   28.1   42.1   80.7   0.149   0.7   1.981   5＜
 比较例5   27.4   2.5   40.4   30.3   73.2   0.035   1.3   2.781   5＜
 比较例6   11.2   3.1   49   36.7   88.8   0.036   1.3   -   -
比较例1
比较例1只含有作为导电性颗粒的导体粉64.2重量％，不含银粉。导体粉的重量中涂敷的银覆膜的重量占全体的50％时，导体粉的比重为银单质的约1/4，因而按体积为通常银糊相同的添加量。但是，比较例1的电阻率为464×10-4Ω·cm，比通常的银糊的电阻率高2位以上。考虑到导体粉的导电性比银粉低，由于导体粉为大致球状，导体粉之间的接触点少是原因。因此，作为导电性树脂组合物的导电性颗粒需要给导体粉添加银粉。
比较例2
比较例2含有作为导电性颗粒的碳颗粒和银粉，不含碳颗粒表面上涂敷银覆膜的导体粉。这样的导电性树脂组合物的电阻率比较低，因此输出电压Vs在驱动初期为图3的正信号波形。但是，接点部分2和滑动电刷的滑动接触反复进行，如导电性树脂组合物的银粉被切削，滑动电刷与碳颗粒接触，在滑动电刷与碳颗粒接触时，滑动电刷与接点部分2的接触电阻变高，发生信号波形噪音。因此使用寿命短，在5万次以下。
比较例3
比较例3含有作为导电性颗粒的银粉，不含碳颗粒表面涂敷银覆膜的导体粉。这样的导电性树脂组合物，导电性树脂组合物的硬度低，耐磨性差，因此滑动电刷的滑动接触使导电性树脂组合物被切削，使用寿命短，为5万次以下。
比较例4
比较例4含有作为导电性颗粒的碳颗粒表面涂敷银覆膜的导体粉和银粉。全部导电性颗粒占的比例适当，全部导体粉占的比例高。如导体粉的比例高，导电性树脂组合物过分硬，滑动电刷被切削，使用寿命短，为5万次以下。但是，如考虑使用硬质材料的滑动电刷可期望长寿命。
比较例5
比较例5含有作为导电性颗粒的碳颗粒表面涂敷银覆膜的导体粉和银粉，全部导电性颗粒占的比例小，为73.2重量％。这样的导电性树脂组合物的电阻率高，另外，由于与滑动电刷的滑动接触被切削，切削粉粘附在编码板上，如滑动电刷受切削粉阻碍，产生信号波形噪音。因此，使用寿命短，为5万次以下。
比较例6
比较例6含有作为导电性颗粒的碳颗粒表面涂敷银覆膜的导体粉和银粉，全部导电性颗粒占的比例大，为88.8重量％。这样的导电性树脂组合物，在树脂溶液中含高浓度导电性颗粒的导电油墨不呈现适合丝网印刷的流动性，不能用丝网印刷法来制作。

Claims (4)

1.一种导电性树脂组合物，其特征在于在酚醛系树脂中含有作为导电性颗粒的碳颗粒表面涂敷银覆膜的导体粉和银粉，上述碳颗粒，为将热固性树脂球在稀有气体或氮气中，在500～1200℃的温度加热、碳化形成的，上述全部导电性颗粒占的比例为74～88重量％，上述全部导体粉占的比例为1～9重量％。
2.根据权利要求1所述的导电性树脂组合物，其特征在于上述银粉是块状颗粒与树枝状颗粒的混合物。
3.根据权利要求2所述的导电性树脂组合物，其特征在于上述块状颗粒对上述树枝状颗粒的重量比为0.8～1.6。
4.一种编码开关，其特征在于具有由金属构成的滑动电刷和权利要求1～3任意一项所述的导电性树脂组合物构成的与该滑动电刷间歇接触的接点部分。
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