DE2854080C2

DE2854080C2 - Druckabhängiges elektrisches Widerstandselement

Info

Publication number: DE2854080C2
Application number: DE2854080A
Authority: DE
Inventors: Akio Toda Saitama Nakamura; Ryoichi Saitama Sado
Original assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd
Priority date: 1977-12-15
Filing date: 1978-12-14
Publication date: 1983-08-25
Also published as: JPS5482699A; US4203088A; DE2854080A1; US4210895A

Description

dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in dem Folienkörper (1) im wesentlichen senkrecht zu den Hauptoberflächen ausgerichtet sind.

2. Druckabk'aagiges Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einen Durchmesser im Bereich von 5 μπι bis 200 μηι haben.

3. Druckabhängiges Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Kohlenstoff-Fasern sind.

4. Druckabhängiges Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende gummiartige Elastomer ein Silicongummi ist.

Die Erfindung betrifft ein druckabhängiges elektrisches Widerstandselement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Druckabhängige und -empfindliche Widerstandselemente dienen in den verschiedensten elektrischen Schaltstufen zur Veränderung des elektrischen Widerstandes durch Veränderung, Steuerung oder Reglung der Druckkraft, die auf das druckabhängige Widerstandselement ausgeübt wird. So wird beispielsweise die Drehzahl einer elektrischen Nähmaschine durch Druck auf einen Fußschalter gesteuert, der ein solches druckabhängiges Widerstandselement enthält. Die Drehzahl der Nähmaschine wird also durch die Kraft gesteuert, mit der der Fuß des Benutzers auf den Schalter drückt. Auch kann beispielsweise die Lautstärke eines Kraftfahrzeug-Signalhorns durch die Kraft gesteuert werden, mit der der Hupknopf oder Hupring gedrückt wird, wenn der elektrische Steuerkreis für das Signalhorn mit einem druckabhängigen elektrischen Widerstandselement versehen ist.

Aus der Druckschrift DE 19 22 092 Ul ist ein gattungsgemäßes Widerstandselement bekannt, bei dem Metallfasern statistisch verteilt in einen Folienkörper dispergiert sind. Die Metallfasern werden beim Schäumen der unvernetzten Elastomermasse durch Einblasen von Luft in die Matrix eingebracht und beim Vernetzen fixiert. Die elektrische Leitfähigkeit des so erhaltenen bekannten Verbundkörpers ist unter Druck prinzipiell in alle Richtungen, also isotrop, vorhanden.

Dieses bekannte Widerstandselement weist die folgenden Nachteile auf: Mit zunehmender Alterung, die auch durch hohe Zyklusbelastung hervorgerufen werden kann, nimmt die Elastizität des Folienkörpers ab. Aufgrund dessen nimmt auch die erforderliche Trennkraft zur Trennung der Faserenden für eine Unterbrechung des Stromflusses zu. Die Kurzschlußneigung des Widerstandselementes wird daher größer, so daß das bekannte Widerstandselement insgesamt unzuverlässig wird und eine relativ kurze Lebensdauer hat. Das Gleiche gilt prinzipiell auch für ein aus der Druckschrift DE 27 16 742 Al bekanntes druckabhängiges elektrisches Widerstandselement, bei dem ein Metallpulver unter Verwendung eines Haftvermituers

ίο in einer Kautschukmatrix dispergiert ist Ein anderes druckabhängiges Widerstandselement ist in der nicht vorveröffentlichten Druckschrift DE 27 29 959 Al beschrieben. Beim letztgenannten Widerstandselement werden jedoch Magnetteilchen anstelle von Fasern verwendet, so daß bereits hierdurch dieses Widerstandselement nicht gattungsgemäß ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein druckabhängiges Widerstandselement gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß bei hoher Druckempfindlichkeit, einem breiten Widerstandsänderungäbereich und hoher Zuverlässigkeit eine lange Standzeit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Widerstandselement durch das Kennzeichen des An-Spruches 1 gelöst

Die Erfindung schafft also ein druckabhängiges Widerstandselement, das im wesentlichen aus einem hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit anisotropen Folienkörper besteht, wobei dieser aus einer Matrix eines elektrisch isolierenden gummielastischen Elastomers, vorzugsweise Silicongummi, und elektrisch leitenden Fasern besteht, vorzugsweise Kohlenstofffasern, die in der Matrix senkrecht zu den Hauptoberflächen des Folienkörpers ausgerichtet sind. Die beiden einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen sind fest mit Elektroden verbunden. Der zwischen diesen beiden Elektroden auftretende Widerstand ist eine auch langfristig stabile und reproduzierbar·; Funktion der auf die Elektroden einwirkenden Druckkvaf'. Auch nach zahlreichen Belastung-Entlastung-Zyklen werden die Widerstandskennlinien sehr gut eingehalten. Die druckabhängigen elektrischen Widerstandselemente zeichnen sich daher insbesondere durch eine außerordentlich hohe Zuverlässigkeit und lange Standzeit aus. Die Widerstandselemente besitzen eine hohe Druckempfindlichkeit und einen breiten Widerstandsänderungsbereich.

Durch die geeignete Auswahl der Fasern im Bereich von 5 μπι bis 200 μΐη ist es möglich, sowohl die Widerstandskennlinien der Widerstandselemente zu variieren aber auch die Druckabhängigkeit und Standzeit zu beeinflussen. Fertigungstechnisch und auch unter Kostenaspekten eignen sich hierzu besonders Kohlenstoffasern.

Das Elastomer, das als Matrix dient, kann sowohl irgendein Naturgummi als auch ein synthetischer Gummi sein. Vorzugsweise wird als Matrixwerkstoff ein Silicongummi eingesetzt, dessen Kenndaten für den beabsichtigten Verwendungszweck besonders günstige Werte zeigen, und zwar insbesondere im Hinblick auf die Wärmestabilität, die elektrischen Kenndaten, die mechanischen Kenndaten, die chemische Beständigkeit und die Witterungsbeständigkeit. Dabei braucht das Elastomer durchaus nicht unbedingt im strengen Sinn

μ ein elektrischer Isolator zu sein. Vielmehr reicht es für die meisten Anwendungszwecke vollständig aus. wenn der spezifische elektrische Widerstand des Elastomers um mindestens 10² Ohm · cm größer als der spezifische

elektrische Widerstand der elektrisch leitenden Fasern ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 in graphischer Darstellung die Verteilung der elektrisch leitenden Fasern in dem elektrisch anisotrop leitenden Folienkörper als Funktion der Folienstärke;

F i g. 2 bis 6 in schematischer Querschnittsdarstellung fünf verschiedene Ausführungsbeispiele für das druckabhängige Widerstandselement und

Fig.7 in graphischer Darstellung den elektrischen Widerstand des druckabhängigen Widerstandselementes als Funktion der Druckkrafteinwirkung in Einheiten der prozentualen Kompression des Folienkörpers.

Zur Herstellung des elektrisch anisotrop leitenden Verbundmaterials werden zunächst die elektrisch leitenden Fasern und die unvernetzte Elastomermischung so miteinander vermischt, daß die Fasern in der unvernetzten Matrix homogen verteilt sind. Dabei wird die Eiastoir.ennischijng gleichzeitig plastifiziert. Das Einmischen der Fasern in die plastifizierte jnvernetzte Elastomermischung kann in gebräuchlicher Weise auf einer üblichen Mischvorrichtung erfolgen, beispielsweise auf einem Walzenmischer, einem Innenmischer oder in einem Kneter. Bei diesem Vorgang werden nicht nur die Fasern homogen in der plastifizierten Matrix verteilt, sondern werden zu lange Fasern gleichzeitig in der benötigten Weise verkürzt. Bei ungenügender Verkürzung der Faserlänge, also bei der bloßen Dispersion zu langer Fasern kann bei der anschließenden Ausrichtung der Fasern kein ausreichend hoher Ordnungsgrad erzielt werden. Dies wiederum führt dazu, daß im Fertigprodukt die Anisotropie der elektrischen Leitfähigkeit nicht die benötigt hohen Werte erreicht Auf der anderen Seite führt ein zu langes Kneten oder Vermischen der Fasern mit der unvernetzten plastifizierten Matrix zu einer im Mittel zu starken Verkürzung der Fasern, so daß das Fertigprodukt entweder überhaupt keine oder eine nur unzureichende elektrische Leitfähigkeit aufweist. In den Fällen, in denen sich diese herstellun&stechnischen Prozeßparameter nicht ausreichend genau einstellen und reproduzieren lassen, werden vorzugsweise elektrisch leitende Fasern ausgewählt, die mechanisch so fest sind, daß sie während des Mischens und Plastifizieren in der jeweils verwendeten Mischvorrichtung praktisch nicht mehr verkürzt werden. Diese Fasern müssen dann vor dem Einmischen in die Elastomermischung auf die benötigte Länge geschnitten werden, wobei diese Länge im Bereich zwischen 0,2 und 10 mm liegen kann.

Die Längenverteilung der elektrisch leitfähigen Fasern ist so, daß. ein Teil der Fasern den Folienkörper von einer seiner Hauptoberflächen bis zur gegenüberliegenden Hauptoberfläche durchsetzt. Der Rest der Fasern ist nicht lang genug, um den Folienkörper von einer zur gegenüberliegenden Oberfläche zu durchsetzen. Die Fasern besitzen dabei einen hohen Elastizitätsmodul.

Nach Abschluß des plastifizierenden Mischens wird das erhaltene Gemisch einer Verfahrensstufe Unterzo gen, in der die homogen in der Matrix dispergierten elektrisch leitfähigen Fasern gleichsinnig ausgerichtet werden. Zu diesem Zweck wird das plastifizierte Gemisch in einer vorgegebenen Richtung, nämlich in der Richtung, in der üie Fasern ausgerichtet werden sollen. Diastisch verformi.

Die für diese gerichtete plastische Verformung erforderliche mechanische Spannung wird durch einen Schraubenverdichter, durch einen Zahnradverdichter oder durch eine Kolbenpumpe aufgebracht Zu diesem Zweck können prinzipiell auch beliebige andere an sich im Bereich der Gummi- und Kunststoffverarbeitung eingesetzte und bekannte Vorrichtungen verwendet werden, insbesondere Extruder, Spritzgießmaschinen oder Kalander.

ίο Durch die vorstehend beschriebene plastische Verformung werden die elektrisch leitenden, in der plastifizierten Matrix dispergierten Fasern im wesentlichen parallel zur Richtung des im plastifizierten Gemisch erzeugten plastischen Flusses ausgerichtet Diese plastische Masse wird dabei kontinuierlich zu Rundprofilen, Rohren, Folien, Bändern oder anderem Profiloder Bahnmaterial mit prinzipiell beliebigem Querschnitt ausgeformt Die so extrudierten Profile der Elastomermischung mit den dadurch in Flußrichtung ausgerichteten elektrisch leitend :n Fasern können bündelweise zu neuen Einheiten zusammengefaßt werden. Die so extrudierte plastifizierte Gummimischung wird dann durch Abkühlen oder Vernetzen verfestigt und anschließend zumindest im wesentlichen senkrecht zur Ausrichtung der elektrisch leitenden Fasern zu Scheiben oder Folienstücken aufgeschnitten. Dabei werden die anisotrop elektrisch leitfähigen Folienkörper aus dem Verbundmaterial erhalten, die das Kernelement der druckabhängigen Widerstandselemente bilden. Die Dicke dieser Folienkörper kann dabei entsprechend der beabsichtigten Verwendung gewählt werden.

Zur näheren Untersuchung des Mechanismus der in solchen Widerstandselementen bewirkten druckabhängigen Widerstandsänderungen sind folgende Prüfungen durchgeführt worden: Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser von 7 μπι und einer Länge von 3 mm werden mit einem Anteil von 5 Gew.-"'b ir. eine im Handel erhältliche Silicongummimischung eingearbeitet, die geringe Anteile Vernetzer enthält Die Mischung w\»d in einem herkömmlichen Schneckenextruder plastifiziert und zu einer Rundschnur extrudiert Das Extrudat wird durch Erwärmen vernetzt. Aus dem so erhaltenen vulkanisierten Profilmat.erial werden senkrecht zur Längsachse des Profils Scheibchen unterschiedlicher Stärke geschnitten. Die auf diese Weise hergestellten unterschiedlich dicken Prüflinge des elektrisch anisotrop leitenden gummielastischen Werkstoffs werden unter dem Mikroskop auf die Anzahl η der Fasern hin untersucht, die sich durchgehend von einer Oberfläche der Folienscheibe bis zur gegenüberliegenden Oberfläche der Folienscheibe erstrecken. Die Angabe dieser Anzahl η an Fasern ist dabei auf die Anzahl je mm² gezogen. Außerdem wird das Verhältnis dieser sich von Oberfläche zu Oberfläche erstreckenden Fasern zur Anzahl aller im Prüfling vorhandener Fasern bestimmt, und zwar bezogen auf die Einheitsfläche. Dieses in Prozent angegebene Verhältnis ist abgekürzt mit ^y bezeichnet Das Ergebnis dieser Prüfung ist in

w der F i g. 1 graphisch dargestellt, wobei in dieser Darstellung £/als Funktion der Folienstärke aufgetragen ist.

Der Fig. 1 kann beispielsweise entnommen werden, daß für ein solcherart hergestelltes Folienplättchen mit einer Stärke von 0,20 mm nur ungefähr 25% der elektrisch leitenden Fasern sich durchgehend von einer zur gegenüberliegenden Oberfläche erstrecken. Ungefähr 75% der in dem Folienplättchen eingebetteten

Fasern ist also kürzer als 0,20 mm und reicht nicht durch das gesamte Folienplättchen hindurch. Wird dieses Plättchen nun fest auf seinen beiden Hauptoberflächen mit einander gegenüberliegenden Elektroden zu einer einheitlichen Baueinheit verbunden und wird dieses so mit Elektroden versehene Folienplättchen mit einer Kraft beaufschlagt, die seine Dicke vermindert, so nimmt die absolute und prozentuale Anzahl derjenigen Fasern im Folienplättchen zu, die sich durchgehend von einer der Oberflächen des Plättchens zur gegenüberliegenden Oberfläche erstrecken. Sie treten damit auch mit den Elektroden in Verbindung, die auf den einander gegenüberliegenden Plättchenoberflächen befestigt sind und tragen so zur elektrischen Leitung zwischen beiden Elektroden über den gummielastischen Körper hinweg bei. Dies vermindert mit anderen Worten den elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden.

In der K ι g. 2 ist eine Grundstruktur des druckabhängigen Widerstandselementes im Schnitt gezeigt. Der aus dem elektrisch anisotrop leitenden Verbundwerkstoff bestehende scheibchenförmige Folienkörper 1 ist auf seinen beiden einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen fest mit Elektroden 2 verbunden, die über Zuleitungen 3 an einen elektrischen Schaltkreis angeschlossen werden können. Das in F i g. 2 gezeigte druckabhängige Widerstandselement ist für die praktische Anwendung in einen an sich bekannten und daher in den Figuren nicht dargestellten Drucküberträger oder Druckerzeuger eingespannt, dessen in Richtung auf eine Verminderung der Schichtdicke des Folienkörpers wirkende Kraft in jeweils aufeinander zu gerichteter Richtung auf die beiden Elektroden 2 übertragen wird.

In den Fig.3 und 4 sind zwei abgewandelte Ausbildungen der in F i g. 2 gezeigten Struktur dargestellt. Durch die Wahl von jeweils verschiedenen der vorgesehenen Anschlüsse 3t bis 3s können weitgehend verschiedene Widerstandswerte und Widerstandskennlinien erzeugt werden, und zwar wiederum mit ein und demselben Verbundwerkstoff, aus dem auch der Folienkörper 1 der in F i g. 2 gezeigten Struktur hergestellt ist.

In der F i g. 5 ist eine Struktur gezeigt, die gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Struktur insofern eine Abwandlung ist, daß in der Struktur nach F i g. 5 zwei Zwischenschichten 4 aus elektrisch isolierendem fließfähigem Werkstoff zwischen die Elektroden 2 und dem Folienkörper 1 eingefügt sind. Die Schichten 4 haben die Plastizität eines Gummielastomers mit sehr geringer Härte. Diese Zwischenschichten 4 dienen vor allem dem Zweck, jedes Eindringen von Feuchtigkeit in die Grenzfläche zwischen dem Folienkörper 1 und den Elektroden 2 auszuschließen. Die Zuverlässigkeit des Widerstandselementes kann durch diese Maßnahme spürbar verbessert werden.

In der F i g. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt Das druckabhängige Widerstandselement ist eine Schichtstruktur, deren Kern wiederum der elektrisch anisotrop leitende Folienkörper aus dem Verbundwerkstoff ist Auf einer Seite dieses Folienkörpers 1 sind mehrere drahtförmige oder bandförmige Elektroden 2' als Elektrodensatz angeordnet Die Elektroden 2' sind parallel zueinander in einer ersten Richtung verlaufend ausgerichtet Ein gleichartiger zweiter Satz solcher drahtförmigen oder bandförmigen Elektroden 2" ist auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Folienkörpers 1 angebracht Die einzelnen Elektroden dieses Elektrodensatzes verlaufen ebenfalls parallel zueinander. Die Elektroden 2" sind zwar planparallel, aber in ihrer Ausrichtung senkrecht zum Satz der ersten Elektroden 2' ausgerichtet. Zwischen den Elektroden 2' bzw. 2" und den

5 Oberflächen des Folienkörpers 1 ist jeweils eine plastisch verformbare Zwischenschicht 4 angeordnet. Außen auf den beiden Sätzen von Elektroden 2' und 2" sind schließlich als äußerste Schichten flexible Schichten 5 aufgebracht. Diese Schichten dienen als äußere

ίο Schutz- und Abdeckschichten und bestehen aus elektrisch isolierendem Werkstoff. Bei dieser Anordnung der Elektroden kann die in Fig.6 gezeigte Struktur beispielsweise als Eingabecodiermatrix für die verschiedensten Eingabegeräte dienen. Wird beispielsweise ein Druckgeber, beispielsweise ein Druckknopf oder eine Taste, mit spitzen Stiften verwendet, die entsprechend dem jeweils festgelegten Code nur auf besiimriiien KreüZüiigäpunkicri zwischen den Elektrcdenscharen 2' und 2" aufsetzen, so kann an den

μ Ausgängen der sich jeweils kreuzenden und in ihren Kreuzungspunkten aktivierten Elektrodenleitungen ein entsprechend codiertes Signal abgenommen werden.

Ausführungsbeispiel

Ein Gemisch aus lOOGew.-Teilen einer im Handel erhältlichen Silicongummimischung mittlerer Qualität, 5 Gew.- feile im Handel erhältlicher Kohlenstoffasern mittlerer Güte mit einem Durchmesser von 10 μ und einer Länge von 3 mm und 1,5 Gew.-Teile Vernetzungsmittel werden it? herkömmlicher Weise zu einer Rundschnur mit einem Durchmesser von 3 mm extrudiert. Das extrudierte Profil wird anschließend 10 min bei 250⁰C vernetzt.

Das so vernetzte und hergestellte gummielastische

J5 Elastomer wird anschließend senkrecht zur Extrusionsaehse in 0.2 mm dicke Scheibchen geschnitten. Mit einer dieser Scheibchen wird eine Sandwichstruktur durch Aufbringen je einer Elektrode auf je eine der beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen des Scheib-

chens hergestellt. Die eine dieser Elektroden hat einen Durchmesser von 1 mm, die Gegenelektrode einen Durchmesser von 3 mm. Bei Belasten der Struktur senkrecht zu ihrer Radialfläche mit einer Masse von 40 g wird eine maximale Verformung des Elastomers

•»5 beobachtet, die zu einer Verminderung der Dicke des Eiastomerscheibchens von 30% führt.

Dieser Prüfling wird anschließend variablen Lasten bis zu diesem Grenzwert von 40 g ausgesetzt. Der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden wird dabei als Funktion der Last gemessen. Die Ergeonisse sind in der Fi g. 7 graphisch in der Kurve A dargestellt, wobei in der Darstellung der Fig.7 der elektrische Widerstand als Funktion der prozentualen Abnahme der Folienstärke unter der Last aufgetragen ist In diesem Lastbereich wird der Prüfling 1 Million zyklischen kontinuierlichen Belastungen und Entlastungen ausgesetzt Anschließend wird die Widerstandskennlinie erneut aufgenommen. Diese Kennlinie zeigt keinerlei Abweichung von der ursprünglich aufgenommenen Kennlinie A

Der vorstehend beschriebene Versuch wird mit der Abänderung wiederholt, daß jede der beiden Hauptoberflächen des folienartigen Plättchens aus dem Verbundwerkstoff mit einer 20 um dicken Schicht eines 4 Gew.-% eines Vernetzers enthaltenden Siliconklebstoffmasse überzogen und anschließend 30 min bei 150⁰C vernetzt und dann abgekühlt wird Dann werden in der vorstehend beschriebenen Weise die Elektroden

aufgebracht. Der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden dieses Widerstandselementes wird in der vorstehend beschriebenen Weise gemessen. Dabei wird die in der Fig. 7 dargestellte Kurve B erhalten. Nach 1 Million zyklischer Belastungen und Entlastungen des

druckabhängigen Widerstandselementes wird die Kennlinie erneut aufgenommen. Dabei wird eine Kennlinie erhalten, die gegenüber der Kennlinie B in Fig. 7 praktisch unverändert ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Druckabhängiges elektrisches Widerstandseleroent, bestehend aus

(a) einem Folienkörper einer Elastomermatrix, in der unter Bildung eines Verbundwerkstoffes elektrisch leitfähige Fasern dispergiert sind, und

(b) mindestens zwei Elektroden, die auf zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Folienkörpers befestigt sind,

(c) wobei die elektrisch leitfähigen Fasern eine Länge besitzen, die gleich oder kleiner als der Abstand zwischen den Hauptoberflächen des Folienkörpers ist,