DE2855707A1

DE2855707A1 - Druckempfindliches widerstandselement

Info

Publication number: DE2855707A1
Application number: DE19782855707
Authority: DE
Inventors: Naoki Kodama; Akio Nakamura; Ryoichi Sado
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1977-12-30
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1979-07-12
Also published as: US4163204A; JPS5493498A; JPS5824921B2

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein druckempfindliches Widerstandselement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten

Ein druckempfindliches Widerstandselement der in Rede stehenden Art kann auch als druckabhängiger oder durch Druckeinwirkung steuerbarer Rheostat bezeichnet werden. Gebräuchliche druckempfindliche Widerstandselemente dieser Art bestehen aus Verbundwerkstoffen, die im wesentlichen aus einem elektrisch isolierenden gummielastischen Elastomer als Matrix und Teilchen eines elektrisch leitfähigen Werkstoffs bestehen, die in dieser Matrix dispergiert sind. Als leitfähige Werkstoffe dienen insbesondere Ruß und Metallpulver. Durch die gleichmäßige Dispersion des elektrisch leitfähigen Werkstoffs in der gummielastischen Matrix wird ein elektrisch leitfähiges Elastomer erhalten, das zwischen zwei einander gegenüberliegenden Elektroden eingefügt wird. Der elektrische Widerstand zwischen diesen Elektroden ist eine Funktion der auf die Elektroden einwirkenden Druckkräfte. Solcherart aufgebaute druckempfindliche Widerstandselemente werden in den verschiedensten Gebieten der Technik eingesetzt.

Druckempfindliche Widerstandselemente dieser Art sind so ausgelegt, daß sie im Bereich negativer Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstandes arbeiten, also in einem Bereich, in dem der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden mit zunehmender Größe der auf die Elektroden einwirkenden Druckkraft abnimmt. Dabei ist der Gradient des elektrischen Widerstandes als Funktion der Kompressions-

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kraft im Bereich des negativen Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstandes im allgemeinen relativ groß. Bei mäßig großen Druckänderungen können also durchaus beachtliche und technisch verwertbare Widerstandsänderungen zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden erhalten werden. Druckempfindliche Widerstandselemente dieser Art werden daher in den verschiedensten elektrischen Schaltstufen als Kraftwandler eingesetzt, beispielsweise als Grenzwertgeber oder Schwellwertgeber in Ein-Aus-Schaltern. Die bekannten druckabhängigen Widerstandselemente sind jedoch nicht empfindlich genug, um beispielsweise in Steuerstufen oder Regelstufen eingesetzt zu werden, bei der der elektrische Widerstand mit hoher Genauigkeit, hoher Zuverlässigkeit und hoher Empfindlichkeit als Funktion eines einwirkenden Druckes oder einer einwirkenden Kraft gestellt oder gesteuert werden soll.

Bei den bekannten druckempfindlichen Widerstandselementen setzt sich weiterhin der elektrische Widerstand zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Elektroden im wesentlichen additiv aus zwei Komponenten zusammen, nämlich dem eigentlichen Widerstand des elektrisch leitfähigen Elastomers, also des eigentlichen Widerstandselementes oder Widerstandskörpers, und dem Kontaktwiderstand, bzw. der Summe der einzelnen Kontaktwiderstände zwischen den Elektroden und dem elektrisch leitfähigen Elastomer. Dabei ist in den bekannten druckempfindlichen Widerstandselementen der Kontaktwiderstand eine unregelmäßig schwankende, unbestimmte und praktisch nicht steuerbare Größe, die von den Undefinierten Kontaktbedingungen zwischen der Elektrode un der Oberfläche des elektrisch leitfähigen gummiartigen Elastomers abhängt. Dieser Anteil des Kontaktwiderstandes geht dabei in durchaus beachtlichem Ausmaß in den Gesamtwiderstand des Widerstandselementes ein, so daß dadurch die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der bekannten druckempfind-

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lichen Widerstandselemente beachtlich beeinträchtigt sind.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein druckempfindliches Widerstandselement der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Einfluß des Kontaktwiderstandes als unübersehbare Größe ausgeschaltet ist und das sich durch hohe Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit bei verbesserter Empfindlichkeit auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein druckempfindliches Widerstandselement der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale aufweist.

Zusammengefaßt schafft die Erfindung also ein druckempfindliches Widerstandselement, das aus einem zwischen zwei Elektroden eingespannten elektrisch leitfähigen gummiartigen Elastomer besteht, das seinerseits aus .einer elektrisch isolierenden gummiartigen Matrix und Teilchen eines elektrisch leitfähigen Werkstoffs wie beispielsweise einem Metallpulver oder Ruß, besteht, die in dieser Matrix gleichmäßig dispergiert sind, wobei eine solche Struktur überraschenderweise oberhalb eines bestimmten Grenzwertes der auf die Elektroden einwirkenden Kompressionskraft einen positiven Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstandes aufweist und das druckempfindliche Widerstandselement in diesem Bereich des positiven Druckkoeffizienten eingesetzt wird. Das druckempfindliche Widerstandselement wird also in einem Druckbereich betrieben, in dem der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden mit zunehmender auf die Elektroden einwirkenden Kompressionskraft ebenfalls zunimmt. Dabei verläuft auch für diese Widerstandselemente die Druck-Widerstand-Kennlinie zunächst mit negativem Druckkoeffizienten des spezifischen elektrischen Widerstandes, nimmt also der

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elektrische Widerstand zwischen den Elektroden mit zunehmender Krafteinwirkung ab. Die Kennlinie durchläuft dann aber mit zunehmender Krafteinwirkung ein Minimum des elektrischen Widerstandes und geht dann nach Durchlaufen eines Umkehrpunktes in eine Kennlinie mit positivem Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstandes über. Der elektrische Widerstand wird dabei stets in Richtung der einwirkenden Kraft gemessen. Der Druckkoeffizient des elektrischen Widerstandes ist dabei in diesem Bereich des positiven Druckkoeffizienten nach seinem absoluten Betrag kleiner als im Bereich des negativen Druckkoeffizienten, in dem die bekannten druckempfindlichen Widerstandselemente arbeiten. Der elektrische Widerstand der im Bereich der positiven Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstandes betriebenen Widerstandselemente der Erfindung kann daher aufgrund des flacheren Verlaufs der Kennlinie sehr viel genauer eingestellt und eingehalten werden. Gleichzeitig wird durch das Arbeiten im hohen Druckbereich der unkontrollierbare und nicht reproduzierbare Anteil des Kontaktwiderstandes weitgehend ausgeschaltet.

Das druckempfindliche Widerstandselement der Erfindung besteht also aus einem Widerstandskörper aus dem vorstehend beschriebenen elektrisch leitfähigen gummiartigen Elastomer/ zwei Elektroden, die mit zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen des Elastomerkörpers in Berührung stehen oder mit dieser fest verbunden sind, einer Vorrichtung zum Aufbringen der Kompressionskraft zwischen den Elektroden mit einer Stärke, die größer als die Kraft im Umkehrpunkt der Kennlinien ist, und aus einer Vorrichtung zum Einstellen der Kompressionskraft im Bereich des positiven Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstandes der Druck-Widerstand-Kennlinie .

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Die Erfindung beruht also im wesentlichen auf folgendem überraschenden Effekt: Wird auf ein elektrisch leitfähiges Elastomer eine Kompressionskraft ausgeübt, so nimmt die Dicke des Elastomers mit zunehmender Kompressionskraft ab. Mit dieser Abnahme der Dicke des elektrisch leitfähigen Elastomers nimmt auch der elektrische Widerstand ab. Dabei ist der Druckkoeffizient bzw. der Druckgradient des elektrischen Widerstandes relativ groß. Bei graphischer Darstellung der Kennlinie in einem Diagramm, in dem auf der Abszisse die Kompression des Elastomers und auf der Ordinate der elektrische Widerstand des Elastomers aufgetragen sind, fällt die Kennlinie also relativ steil ab. Mit weiter zunehmender Kompression wird der Betrag des Gradienten der Kennlinie allmählich kleiner. Die Kennlinie durchläuft schließlich ein Minimum, in dem der Gradient den Wert Null erreicht. Bei einer weiteren Vergrößerung der einwirkenden Druckkraft über den diesem Minimum der Kennlinie entsprechenden Wert hinaus nimmt der Widerstand des elektrisch leitfähigen Elastomers entgegen allen Erwartungen wieder zu, wird der Druckgradient oder Druckkoeffizient der Kennlinie also positiv. Dabei ist der Absolutbetrag des Gradienten in diesem Bereich des positiven Gradienten kleiner als im anfänglichen Bereich des negativen Druckkoeffizienten. Voraussetzung dafür ist allerdings, daß die Struktur des elektrisch leitfähigen Elastomers nicht zerstört wird.

Der Kennlinienverlauf im Bereich des positiven Druckkoeffizienten hängt dabei im wesentlichen von den folgenden Faktoren ab: von der geometrischen Form der Teilchen und dem Anteil der Teilchen des elektrisch leitfähigen Materials, das in der gummiartigen Elastomermatrix dispergiert ist, von der geometrischen Form des Elastomerkörpers sowie von der geometrischen Form der Elektroden.

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Der Arbeitspunkt des druckempfindlichen Widerstandselementes wird erfindungsgemäß so gelegt, daß er in den Druck-Widerstand-Kennlinien in den Bereich des positiven Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstands fällt. Das elektrisch leitfähige Elastomer des druckempfindlichen Widerstandselementes der Erfindung steht also stets unter der Einwirkung einer Kompressionskraft, die größer als die Kompressionskraft ist, bei der der elektrische Widerstand des Widerstandselementes als Funktion der Kompression ein Minimum durchläuft. Durch diese Maßnahme können die unkontrollierbaren Schwankungen und Veränderungen des elektrischen Kontaktwiderstandes zwischen den Elektroden und dem elektrisch leitfähigen Elastomer auf ein Minimum herabgesetzt werden. Dadurch werden im Widerstandselement reproduzierbare Widerstandsänderungen erhalten, die ausschließlich eine Funktion der Druckverformung des elektrisch leitfähigen Elastomers sind. Das druckempfindliche Widerstandselement der Erfindung zeigt daher im Vergleich zu den bekannten druckempfindlichen Widerstandselementen ein wesentlich stabileres Betriebsverhalten. Der im Betrag kleinere Druckgradient der Druck-Widerstand-Kennlinie im Bereich des positiven Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstandes im Vergleich zum Betrag dieses Gradienten im Bereich des negativen Druckkoeffizienten erlaubt außerdem eine außerordentlich genaue Einstellung, Regelung und Steuerung des elektrischen Widerstandes des Elementes. Die Änderungen der einwirkenden Kompressionskraft können also mit erhöhter Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit als elektrische Größen abgebildet werden.

Das elektrisch leitfähige gummiartige Elastomer für das druckempfindliche Widerstandselement der Erfindung besteht aus einem elektrisch isolierenden gummiartigen Polymer, beispielsweise aus einem Naturgummi oder einem Synthesekautschuk, das als Matrix dient und in der ein elektrisch

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leitfähiger Füllstoff homogen dispergiert ist. Als elektrisch leitfähiger Füllstoff werden vorzugsweise folgende Werkstoffe eingesetzt: kohlenstoffhaltige Füllstoffe, insbesondere Ruß, Graphitpulver und Pfropfcopolymere auf Ruß, Metallpulver und Legierungspulver, insbesondere Kupfer, Silber, Nickel, Aluminium, Messing und Edelstahl, Pulver aus elektrisch isolierenden Werkstoffen mit Metallauflage, insbesondere Kunststoff- oder Glaspulver mit Silberauflage oder Aluminiumauflage, Pulver aus elektrisch leitfähigen organischen Substanzen, Pulver aus Metallkomplexverbindungen, elektrisch leitfähige Metalloxidpulver, elektrisch leitfähige Metallcarbidpulver, elektrisch leitfähige Metallcarbonylpulver sowie zerriebene Fasern aus Kohlenstoff oder Metall.

Der Werkstoff für die gummielastische Polymermatrix ist nicht speziell kritisch, solange er hinreichend gut elastisch verformbar ist. Als Matrixwerkstoff kommen vorzugsweise Naturgummi und Synthesekautschuk wie insbesondere Polybutadiengummi, SBR-Kautschuk, NBR-Kautschuk, chlorierte Polyethylene, Polyisobutylenkautschuk, Polychloroprenkautschuk, Silicongummi, Fluorkohlenstoffgummi und einige elastische thermoplastische Kunststoffe in Betracht. Diese Elastomere oder elastischen Polymere können sowohl einzeln als auch im Gemisch miteinander, auch im Gemisch mehrerer Komponenten miteinander, verwendet werden.

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

Fig. 1 im Querschnitt die Grundstruktur des

druckempfindlichen Widerstandselementes;

Fig. 2 in graphischer Darstellung den spezifischen

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elektrischen Widerstand des elektrisch leitfähigen Elastomers als Funktion des Anteils an dispergiertem kohlenstoffhaltigem elektrisch leitendem Füllstoff;

Figuren

bis 8 in graphischer Darstellung Druck-Widerstand-Kennlinien, bei denen der Grad der Kompression auf der Abszisse und der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden auf der Ordinate aufgetragen sind;

Fig. 9 im Querschnitt und in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel des druckempfindlichen Widerstandselementes zur direkten Aufnahme mechanischer Druckkräfte;

Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel des

druckempfindlichen Widerstandselementes zur Aufnahem hydrodynamischer Drücke und

Fig. 11 im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel des druckempfindlichen Widerstandselementes eingespannt in ein elastisches Gehäuse.

Die Kenndaten der elektrischen Leitfähigkeit der leitfähigen Elastomeren hängt von verschiedenen Einzelfaktoren ab. Zur Prüfung des Einflusses der verschiedenen Arten kohlenstoffhaltiger elektrisch leitfähiger Füllstoffe auf die elektrische Leitfähigkeit des Elastomers werden die in der Tabelle 1 zusammengestellten Messungen durchgeführt. Die vier dort angegebenen unterschiedlichen Arten kohlen-

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stoffhaltiger Füllstoffe werden in jeweils gleichen Anteilen zusammen mit einem Vernetzungsmittel in eine im Handel erhältliche unvernetzte Silicongummimischung eingearbeitet, die auf der Basis eines Vinylgruppen enthaltenden Dimethy!polysiloxans aufgebaut ist. Die nach homogenem Vermischen der Bestandteile erhaltenen mit kohlenstoffhaltigen Füllstoffen gemischten Silicongummimischungen werden zu zylindrischen Prüflingen ausgeformt und vernetzt. Mit den so erhaltenen zylindrischen Prüflingen des elektrisch leitfähigen Elastomers wird das in Fig. 1 dargestellte Versuchselement aufgebaut, bei dem der elektrisch leitfähige Elastomerprüfling 1 zwischen zwei Elektroden 2, 2" eingefügt ist, die auf den beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten des zylindrischen Prüflings angeordnet sind. Die für die Prüflinge A, B und C (vgl. Tabelle 1) erhaltenen Ergebnisse sind in der graphischen Darstellung der Fig. 2 wiedergegeben, in der der spezifische elektrische Widerstand des jeweiligen Prüflings als Funktion des Gewichtsanteils des jeweils eingemischten elektrisch leitfähigen kohlenstoffhaltigen Füllstoffs dargestellt ist. Dabei stimmen die Bezeichnungen an den Kurven der Fig. 2 mit den Bezeichnungen der Prüflinge in der Tabelle 1 überein.

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Tabelle 1

(Kohlenstoffhaltige Füllstoffe)

Bezeich nung	Art	Mittlerer Teilchendurch- messer (μπι)	Spezifische Oberfläche (mVg)
A	Acetylenruß	42-1 O³	61
B	graphitisierter Ofenruß	25-1O³	1000
C	toniger Graphit	2,5	25
D	schuppiger Graphit	5	18

Die Messung des elektrischen Widerstandes als Funktion der Kompression wird an zylindrischen Prüflingen mit einem Durchmesser von 1,6 mm und einer Höhe von 1,5 mm 'durchgeführt. Als Füllstoffe werden dabei die in der Tabelle 1 angeführten kohlenstoffhaltigen Füllstoffe dispergiert in Silicongummi verwendet. Der Füllstoff A wird dabei in jeweils verschiedenen Mengen eingesetzt. Die zylindrischen Prüflinge des elektrisch leitenden Elastomers werden sandwichartig zwischen zwei Platt'enelektroden eingespannt, die auf den Stirnseiten der Prüflinge aufliegen. Als Maß für die auf die Prüflinge einwirkende Kompressionskraft wird die Abnahme der Höhe des zylindrischen Prüflings mit einer Meßuhr gemessen.

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Gleichzeitig mit der Höhenmessung wird der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden in üblicher Weise gemessen. Die so für fünf verschiedene mengenmäßige Anteile des kohlenstoffhaltigen elektrisch leitfähigen Füllstoffs A erhaltenen Ergebnisse sind in graphischer Darstellung in der Fig. 3 gezeigt. Dabei ist der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden auf der Ordinate als Funktion der Abnahme der Höhe des Prüflings auf der Abszisse aufgetragen. In der Fig. 3 bezieht sich die Kurve A auf einen Anteil von 9,35 Gew.-% des kohlenstoffhaltigen Füllstoffs A im Silicongummi, die Kurve B auf einen Anteil von 9,98 Gew.-% des kohlenstoffhaltigen Füllstoffs A im Silicongummi, die Kurve C auf einen Anteil von 11,4 Gew.-%, die Kurve D auf einen Anteil von 16,9 Gew.-% und schließlich die Kurve E auf einen Anteil von 23,75 Gew.-% des in der Tabelle 1 spezifizierten kohlenstoffhaltigen Füllstoffs A.

In gleicher Weise werden die Kennlinien für die in der Tabelle 1 genannten elektrisch leitfähigen Füllstoffe B und C gemessen. In beiden Fällen haben jedoch die zylindrischen Prüflinge bei einem Durchmesser von ebenfalls 1,6 mm eine Höhe von nur 1,0 mm. Die für den kohlenstoffhaltigen elektrisch leitenden Füllstoff B erhaltenen Ergebnisse sind in der graphischen Darstellung der Fig. 4 gezeigt. Dabei bezieht sich die Kurve A auf einen Gehalt von 3,0 Gew.-%, die Kurve B auf einen Gehalt von 5,0 Gew.-%, die Kurve C auf einen Gehalt von 7,9 Gew.-%, die Kurve D auf einen Gehalt von 10,0 Gew.-% und die Kurve E auf einen Gehalt von 16,1 Gew.-% des kohlenstoffhaltigen Füllstoffs B in den Silicongummiprüflingen. Die für den kohlenstoffhaltigen Füllstoff C erhaltenen Ergebnisse sind in .der graphischen Darstellung der Fig. 5 zusammengestellt. In dieser Darstellung der Fig. 5 bezieht sich die Kurve A auf einen Anteil von 2,9 Gew.-%, die Kurve D auf einen Anteil von 3,5 Gew.-%, die Kurve C auf einen Anteil von 12 Gew.-%, die Kurve D auf einen Anteil von 18 Gew.-% und

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die Kurve E auf einen Anteil von 54 Gew.-% des kohlenstoffhaltigen elektrisch leitfähigen Füllstoffs C der Tabelle 1.

Die Kennlinien der Fig. 6 zeigen den Einfluß der geometrischen Gestalt des Probekörpers auf den Verlauf der Kennlinie. In der graphischen Darstellung der Fig. 6 ist die Kennlinie I an einer Kugel mit einem Durchmesser von 1,65 mm aufgenommen, während die Kennlinie II an einem zylindrischen Prüfling mit einem Durchmesser der Stirnflächen von 1,6 mm und einer Höhe von 1,0 mm aufgenommen ist. Beide Prüflinge bestehen aus einem Silicongummi, der jeweils mit 35 Gew.-% des elektrisch leitfähigen Füllstoffs C (Tabelle 1) gefüllt ist. Bei beiden Widerstandskörpern wird der elektrische Widerstand unter Kompression der Prüflinge in radialer Richtung gemessen.Mit der gleichen Vorrichtung und in der gleichen Weise wird die in Fig. 7 gezeigte Kennlinie an einem zylindrischen Prüfling aufgenommen, der einen Stirnflächendurchmesser von 1,6 mm und eine Höhe von 1,0 mm hat und aus einem Silicongummi besteht, der mit 28 Gew.-% des in der Tabelle 1 spezifizierten elektrisch leitfähigen Füllstoffs D gefüllt ist.

Die in der Fig. 8 gezeigte Kennlinie wird am gleichen Prüfling und in derselben Weise wie die Kennlinie B in der Fig. 3 aufgenommen, jedoch mit der Abänderung , daß statt der Plattenelektroden 100 mesh-Edelstahlnetze aus einem Edelstahldraht mit einem Durchmesser von 0,107 mm und einer lichten Maschenweite von 0,147 mm als Elektroden verwendet werden.

Der Mechanismus, der dem in den Kennlinien auftretenden "anomalen" Verhalten zugrundeliegt, ist zur Zeit nicht ausreichend geklärt. Eine gewisse Wahrscheinlichkeit spricht dafür, daß diese Kennlinien letztlich auf eine

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ungleichförmige Spannungsverteilung im elektrisch leitfähigen Elastomer zurückzuführen sind. So unterliegen beispielsweise die Oberflächenbereiche des gestauchten Formkörpers oder Prüflings durch das Zusammendrücken des Formkörpers eher einer Streckung als einer Kompression wie dies im Kernbereich des Prüflings oder Widerstandselastomeis zweifellos der Fall ist. Dadurch tritt aber in den Oberflächenbereichen des Prüflings oder Formkörpers eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes ein, so daß der Gesamtwiderstand des zusammengedrückten Formkörpers oder Prüflings jenseits eines bestimmten Inversionspunktes im Kennlinienverlauf insgesamt eine Erhöhung statt der erwarteten Erniedrigung des elektrischen Widerstandes aufweist.

Zur Stützung dieser These werden folgende Versuche durchgeführt:

100 Gew.-Teile einer im Handel erhältlichen unvernetzten Silicongummimischung, 5 Gew.-Teile Dicumylperoxid als Vernetzer und 1000 Gew.-Teile Nickelpulver mit einer Korngröße von kleiner als 44 um werden homogen miteinander vermischt und 15 min bei 160 ⁰C unter einem Druck von 1 MPa zu zylindrischen Prüfkörpern mit einem Durchmesser von 28 mm und einer Höhe von 12,8 mm ausgeformt und vernetzt.

Die so hergestellten zylindrischen Prüflinge werden unter 25 %-iger axialer Kompression 22 h bei 180 ⁰C gealtert. Dabei wird Druckspannung fixiert. Nach dem Abkühlen wird die Kompression aufgehoben. Die so gealterten Prüflinge weisen maximale Durchmesser von 30 mm und eine Höhe von 11,8 mm auf.

Ein Probekörper mit einem Durchmesser von 3 mm, der aus dem Kernbereich des so gealterten tonnenförmigen Prüflings

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aus dessen Mittelachsenbereich herausgeschnitten wird, weist einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0/7 Ohm·cm auf. Dagegen weist eine 1 mm dicke Scheibe des Prüflings, die auf seiner halben Höhe herausgeschnitten wird, auf ihrer Gesamtoberfläche einen mittleren spezifischen elektrischen Widerstand von 2,5· 10 Ohm-cm auf. Diese Werte stehen im Einklang mit der vorstehend erläuterten Theorie zur Deutung des positiven Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstandes des druckempfindlichen Widerstandselementes.

Zum Vergleich wird unter identischen Bedingungen ein zylindrischer Probenkörper hergestellt, der unter gleichen Bedingungen, jedoch ohne Kompression gealtert wird. Der auf diese Weise gealterte Vergleichsprüfling weist einheitlich über sein gesamtes Volumen einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,0 Ohm*cm auf.

Ein weiterer Vergleichsversuch wird mit einem zylindrischen Prüfling mit einem Stirnflächendurchmesser von 1,6 mm und einer Höhe von 1,0 mm durchgeführt, wobei dieser Prüfling aus dem gleichen mit Nickelpulver gefüllten Silicongummi besteht wie die Prüflinge der vorstehend beschriebenen Versuche. Außerdem wird mit gleichen Abmessungen, unter gleichen Bedingungen und aus gleichem Werkstoff ein zylindrischer Prüfling hergestellt, der jedoch in Richtung seiner Zylinderachse eine durchgehend offene Bohrung mit einem Durchmesser von 0,3 mm aufweist. Der Prüfling ist also ein röhrenförmiges Gebilde mit einem Außendurchmesser von 1,6 mm, einem Innendurchmesser von 0,3 mm und einer Länge (Höhe) von 1,0 mm. Sowohl der vollzylindrische als auch der röhrenförmige Prüfling werden unter gleichen Bedingungen zwischen zwei Elektroden axial zusammengedrückt. Die für beide Prüfkörper erhaltenen Meßergebnisse für den elektrischen Widerstand als Funktion der prozentualen Kompression

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sind in der Tabelle 2 zusammengefaßt.

Tabelle 2

Kompression (%) 5 10 20 30 40

Widerstand Zylinder (Ohm) 8 5 3 2,5 2

Widerstand Rohrkörper (Ohm) 100 350 8x1O³ 2x1O⁶ 100x10

Die .in der Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse zeigen in überraschender Weise, daß der Bereich eines zylindrischen Prüflings, der zur Abnahme des elektrischen Widerstandes unter Kompression des elektrisch leitfähigen Elastomerprüflings beiträgt, auf einen sehr kleinen axialen Kernbereich des Prüflings beschränkt ist, während der Außenbereich insgesamt einen positiven Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstandes zeigt, und zwar selbst bei Kompressionen im Bereich von nur 5 %. Dieses "anomale" Verhalten ist weniger stark ausgeprägt, wenn der elektrisch leitfähige Füllstoff strukturell stark ausgeprägt ist und eine besonders fein zerteilte Teilchenverteilung zeigt und gleichzeitig der Füllstoff in großen relativen Mengen in die Matrix eingearbeitet ist. Der mit zunehmender Verformung zunehmende elektrische Widerstand des elektrisch leitfähigen Elastomerkörpers wird daher letztlich durch eine zunehmende Entfernung der einzelnen Füllstoffteilchen voneinander in den Bereichen der Dehnung des Formkörpers'

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verursacht sein.

Bei der Auswahl des elektrisch leitfähigen Füllstoffs, der in die gummielastische Matrix unter Bildung des elektrisch leitfähigen Elastomers zur Herstellung des druckempfindlichen Widerstandselementes der Erfindung eingearbeitet werden soll, wird daher unter Berücksichtigung der vorstehend dargestellten Ergebnisse nach Maßgabe der vom Fertigprodukt verlangten Kenndaten ausgegangen. Prinzipiell ist diese Auswahl jedoch weder vom Werkstoff des eingearbeiteten Pulvers, noch von den eingearbeiteten Mengenanteilen noch von der geometrischen Form der eingearbeiteten elektrisch leitfähigen Teilchen tatsächlich kritsch abhängig. Darüber hinaus ist selbstverständlich zu beachten, daß die verschiedenen verwendeten Elastomere stark voneinander abweichendes elastisches Verhalten, unterschiedliche Härten und unterschiedliche geometrische Formen aufweisen. Während diese Größen wesentlich mit in die Kennlinien Eingang finden, sind die übrigen mechanischen Kenndaten des Elastomers, insbesondere beispielsweise sein Druckverformungsrest, zumindest solange im wesentlichen unkritisch wie der Elastomerformkörper den ausgeprägten Kompressionsdrücken strukturell unbeschädigt widersteht.

Das druckempfindliche Widerstandselement der Erfindung besteht aus diesem elektrisch leitfähigen gummiartigen Elastomerformkörper, zwei Elektroden, die aufeinander gegenüberliegenden Oberflächen des elektrisch leitfähigen Elastomerkörpers aufgelegt oder mit diesen befestigt sind, aus einer Vorrichtung, die die Kompressionskraft zwischen den Elektroden auf den Widerstandskörper in einer Größenordnung aufzuprägen vermag, die größer als die Kompressionskraft im Umkehrpunkt oder Inversionspunkt der Kennlinie ist, und aus einer Vorrichtung zur Einstellung oder Justierung der zwischen den Elektroden wirkenden Kompressions-

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kraft innerhalb eines Bereiches, in dem die Druck-Widerstand-Kennlinien einen positiven Druckkoeffizienten aufweisen.

Die Grundstruktur der praktischen Ausgestaltung eines solchen druckempfindlichen elektrischen Widerstandselementes ist im Querschnitt in der Fig. 9 gezeigt. Das druckempfindliche elektrisch leitfähige gummielastische Elastomer ist zwischen eine obere Elektrode 2a und eine untere Elektrode 2b so eingespannt, daß seine obere und seine untere Oberfläche sandwichartig zwischen einer unteren Basisplatte 3 und einer oberen Andruckplatte 4 eingespannt ist. Die Höhe der Andruckplatte 4 ist in ihrer axial freien Beweglichkeit durch Anschlagmuttern 5,5 begrenzt, die auf Schraubbolzen 6,6 aufgeschraubt sind, die ihrerseits als Stützen und Rahmen der Vorrichtung dienen. Diese Schraubbolzen 6 sind auf der Grundplatte 3 befestigt. Die Anordnung ist durch diese Begrenzungsmuttern 5 dabei so ausgelegt, daß der auf das elektrisch leitende Widerstandselastomer ausgeübte Kompressionsdruck (mechanische Vorspannung) etwas größer als der dem Inversionspunkt der Kennlinien entsprechende Kompressionsdruck ist.

Die Schraubbolzen 6,6 greifen mit Spiel durch Öffnungen oder Bohrungen 7,7 hindurch, die an den Außenrändern der Druckplatte 4 vorgesehen sind. Dadurch kann die Druckplatte 4 beim Einwirken entsprechender Kompressionskräfte unter Überwindung der entgegengerichteten Rückstellkraft des Elastomerkörpers 1 frei abwärts gedrückt oder abwärts verschoben werden. Eine solche abwärts gerichtete Zusatzkraft wird durch einen Druckstift 8 übertragen, der mit der nach oben weisenden Oberfläche der Druckplatte 4 verbunden ist. Der Druckstift 8 ist axial verschiebbar in einer Öffnung 9 einer oberen Abschluß-

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platte 10 geführt, die ihrerseits ebenfalls fest auf den Stutζschraubbolzen 6,6 befestigt ist, beispielsweise durch Mutternpaare 11. Durch diese Anordnung wird der elektrisch leitfähige Elastomerkörper des druckempfindlichen Widerstandselementes stets unter der benötigten Vorspannung oder Vorkompression gehalten, die größer als die Kompressionskraft im Minimum oder Um.kehrpunkt der Druck-Widerstand-Kennlinie ist. Dabei bleibt aber der elektrische Widerstand des druckempfindlichen elektrischen Widerstandselementes durch Niederdrücken des Druckstiftes im Bereich des positiven Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstandes im Rahmen der durch die Kennlinien eröffneten Möglichkeiten frei einstellbar.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 10 im Axialschnitt dargestellt. Das druckempfindliche elektrische Widerstandselement ist durch einen hydrodynamischen oder hydrostatischen Druck steuerbar. Der gummiartige elektrisch leitfähige Elastomerkörper 1 ist zwischen zwei Elektroden 2a und 2b eingespannt, wobei diese Sandwichstruktur ihrerseits zwischen den Grundplatten 13a und 13b eingespannt ist. Die untere Grundplatte 13a ist dabei zentral mit einer Bohrung 14 versehen. Der Abstand zwischen den Grundpaltten 13a und 13b ist durch eine Justierschraube 15 justierbar, die in ein Schraubgewinde 16 in einem Gehäuse 17 der Vorrichtung eingeschraubt ist. Durch diese Anordnung kann der Elastomerkörper 1 stets unter einer kompressiven Vorspannung gehalten werden, die größer als die Kompression im Inversionspunkt der Druck-Widerstand-Kennlinie ist. Die auf der unteren Grundplatte 13a aufliegende untere Elektrode 2a steht mit einem Stempel 18 in Verbindung, der durch die Bohrung 14 in der unteren Druckplatte 13a hindurchgreift. Der Fuß des Stempels 18 ist auf einer Membran 19 abgestützt, die auf ihrer gegenüberliegenden Oberfläche dem abzubildenden oder umzuwan-

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delnden Fluiddruck über eine Verbindungsleitung 20 ausgesetzt ist.

Durch Anziehen der Justierschraube 15 wird die obere Druckplatte oder Grundplatte 13b so justiert, daß der Elastomerkörper 1 unter einer Kompressionsvorspannung steht, die etwas größer als der dem Umkehrpunkt oder Inversionspunkt der Druck-Widerstand-Kennlinie entsprechende Kompressionsdruck ist. Oberhalb eines bestimmten unteren Grenzwertes des auf die Membran 19 einwirkenden hydrostatischen oder hydrodynamischen Druckes führt jede Erhöhung des hydrodynamischen oder hydrostatischen Druckes zu einer weiteren Kompression des gummielastischen Widerstandskörpers 1 und damit zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes zwischen den Elektroden 2a, 2b. Der Widerstand ist also dem hydrodynamischen oder hydrostatischen Druck in der Zuleitung direkt proportional. Bei der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung liegt der vorstehend genannte Ansprechgrenzdruck ungefähr im Bereich des Atmosphärendruckes.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des druckempfindlichen Widerstandselementes ist in der Fig. 11 ebenfalls im Axialschnitt gezeigt. Das elektrisch leitfähige Elastomer ist zwischen einer oberen Elektrode 2a und einer unteren Elektrode 2b in einem starren Rahmen 21 unter Zwischenlage eines elastischen Abstandsgliedes 22 eingespannt. Das elastische Kompressions- oder Abstandselement 22 ist in der Darstellung der Fig. 11 als Elastomer dargestellt. Dieses elastische Kompressionselement kann aber auch durch ein federelastisches Element verwirklicht sein, beispielsweise durch Spiralfedern oder Blattfedern, beispielsweise aus Metall, insbesondere Phosphorbronze.

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In dieser Struktur steht der elektrisch leitfähige Elastomerkörper 1 stets unter der Kompressionsvorspannung des elastischen Abstands- und Spannungselementes 22. Die Vorspannung, unter der der elektrisch leitfähige Elastomerkörper 1 steht, ist dabei so eingestellt, daß die Kompression größer, vorzugsweise nur geringfügig größer, als die Kompression im Inversionspunkt der Kennlinie im Druck-Widerstand-Diagramm ist.

Die gesamte in der Fig. 11 gezeigte Struktur ist luftdicht und feuchtigkeitsdicht in einem äußeren Mantel 23 aus einem elektrisch isolierenden Elastomer versiegelt.

Die das elektrische Widerstandselement steuernde Kompressionskraft wird von außen über eine Verstärkung der Umhüllung 23 und eine Öffnung im Rahmen 22 direkt auf die obere Elektrode 2a des elektrisch leitfähigen Elastomerkörpers 1 aufgebracht. Der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden 2a und 2b ist dabei dieser zusätzlich einwirkenden Druckkraft direkt proportional, da der Arbeitspunkt des elektrisch leitfähigen Elastomerkörpers 1 durch die mechanische Vorspannung im Rahmen 21 und durch das Abstands- und Kompressionselement 22 in den Bereich des positiven Druckkoeffizienten des elektrischen Widerstandes der Druck-Widerstand-Kennlinie gelegt ist.

Durch seine kompakte Ausbildung, leichte Montage und hervorragende Rüttelfestigkeit und Stoßfestigkeit kann das druckempfindliche Widerstandselement der Erfindung in den verschiedensten elektrischen und elektronischen Schaltstufen und Vorrichtungen eingesetzt werden, beispielsweise als Meßwertgeber in elektrischen Meßinstrumenten, als Stellwertgeber in Strom- oder Spannungsreglern, als Eingabewandler in codierenden Eingabegeräten, als Rheostat oder variables Widerstandselement in kontaktfreien

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Tastaturen elektronischer Geräte wie beispielsweise elektronischer Rechenanlagen, elektronischer Musikinstrumente, Telephone, elektronischer Taschenrechner, in Radiogeräten oder Fernsehgeräten sowie als Regel- und Steuerelement in Klimaanlagen.

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Claims

JAEGER, GRAMS & PONTANI PATHNTANWAIiTK 28557Q7 DIPL.CHEM. DR. KLAUS JAEGER DIPL.-INS. KLAUS D. GRAMS DR.-ING. HANS H. PONTANI GAUTING · BERGSTR. 48Vi 8031 STOCKDORF ■ KREUZWEG 34 8752 KLEINOSTHEIM ■ HIRSCHPFAD SHI-27 Shin-Etsu Polymer Co., Ltd. 11, Honcho 4-chome, Nihonbashi, Chuo-ku, Tokyo, Japan Druckempfindliches Widerstandselement Patentansprüche

1. Druckempfindliches Widerstandselement bestehend aus und
gekennzeichnet durch

(a) einen elektrisch leitfähigen gummiartigen Elastomerkörper aus einem elektrisch isolierenden gummiartigen Elastomer als Matrix und einem elektrisch leitfähigem Pulver, das homogen in dieser Matrix dispergiert ist,

(b) einem Paar von Elektroden, die mit einander gegenüberliegenden Oberflächen des elektrisch leitfähigen gummiartigen Elastomerkörpers in Berührung stehen,

909828/0721

TELEPHOf-!: ,OSO) 3 5O2O3O; 8S74O8O; (O6O27) 88 25 · TELEX: 5 21 777 isar d

(c) Mittel zum Aufprägen einer ausreichend hohen Kompressionskraft auf die Elektroden, um den elektrisch leitfähigen gummiartigen Elastomerkörper unter einer Kompressionsspannung zu halten, die größer als die Kompressionsspannung ist, bei der der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden ein Minimum aufweist und oberhalb welcher Kompressionsspannung der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden mit zunehmender Kompression zunimmt , und

(d) Mittel zum Justieren der auf den elektrisch leitfähigen gummiartigen Elastomerkörper einwirkenden Kompression auf einen Wertbereich, in dem der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden mit der Kompression des Elastomerkörpers zunimmt.

2. Druckempfindliches Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in dem elektrisch leitfähigem gummiartigen Elastomerkörper eine beidseitig offene durchgehende Bohrung ausgebildet ist, die sich in Richtung der Kompression des Elastomerkörpers und durch dessen Kernbereich oder Schwerpunktbereich hindurch erstreckt.

90 9 8 28/0 7"1