JP2000105153A - 感圧変換装置 - Google Patents
感圧変換装置Info
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- H01C10/12—Adjustable resistors adjustable by mechanical pressure or force by changing surface pressure between resistive masses or resistive and conductive masses, e.g. pile type
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 緩やかな感圧特性を有する感圧変換装置を提
供する。 【解決手段】 樹脂フィルム１ａの表面に電極２ａが形
成され、その表面に第１の感圧層３ａが形成されてい
る。また、樹脂フィルム１ｂの表面には電極２ｂが形成
され、その表面に第２の感圧層３ｂが形成されている。
感圧層３ａ、３ｂは、導電性が高いリン片状カーボン粒
子４と導電性が低いアモルファス系カーボン粒子５を含
み、それらを弾性を有する樹脂系バインダー６で固めた
構成になっている。このような構成にすることより、樹
脂フィルム１ａ、１ｂに押圧力が印加されたとき、カー
ボン粒子間の平均距離が小さくなり、トンネル伝導現象
が生じて電極２ａ、２ｂ間の導通抵抗値が低下する。こ
の場合、トンネル伝導現象を利用しているため、感圧特
性を緩やかなものとすることができる。
供する。 【解決手段】 樹脂フィルム１ａの表面に電極２ａが形
成され、その表面に第１の感圧層３ａが形成されてい
る。また、樹脂フィルム１ｂの表面には電極２ｂが形成
され、その表面に第２の感圧層３ｂが形成されている。
感圧層３ａ、３ｂは、導電性が高いリン片状カーボン粒
子４と導電性が低いアモルファス系カーボン粒子５を含
み、それらを弾性を有する樹脂系バインダー６で固めた
構成になっている。このような構成にすることより、樹
脂フィルム１ａ、１ｂに押圧力が印加されたとき、カー
ボン粒子間の平均距離が小さくなり、トンネル伝導現象
が生じて電極２ａ、２ｂ間の導通抵抗値が低下する。こ
の場合、トンネル伝導現象を利用しているため、感圧特
性を緩やかなものとすることができる。
Description
【発明の属する技術分野】本発明は、表面に導体層が形
成された一対の支持部材間に感圧層を介在させてなる感
圧変換装置に関する。
成された一対の支持部材間に感圧層を介在させてなる感
圧変換装置に関する。
【従来の技術】従来、この種の装置として、特公平２−
４９０２９号公報に示す感圧変換装置がある。これは、
表面に導体層（電極）が形成された一対の支持部材の間
に感圧層を介在させてなるもので、感圧層にはその表面
に多数の接点位置を与えるように微粒子状の物質（例え
ば、硫化モリブデン）が含まれており、支持部材に圧力
が印加されたとき、感圧層の表面の微粒子状の物質と、
それに対向する導体層とが接触して、圧力を検知するよ
うにしたものである。
４９０２９号公報に示す感圧変換装置がある。これは、
表面に導体層（電極）が形成された一対の支持部材の間
に感圧層を介在させてなるもので、感圧層にはその表面
に多数の接点位置を与えるように微粒子状の物質（例え
ば、硫化モリブデン）が含まれており、支持部材に圧力
が印加されたとき、感圧層の表面の微粒子状の物質と、
それに対向する導体層とが接触して、圧力を検知するよ
うにしたものである。
【発明が解決しようとする課題】上記した感圧変換装置
においては、感圧層の表面の微粒子状の物質と、それに
対向する導体層とが接触したとき、その接触により導通
抵抗値が急激に低下する。このため、ゆるやかな感圧特
性を得る必要がある場合には、上記のような感圧変換装
置を用いることができない。また、押圧力の印加時には
直接接触によって導通抵抗値が低下するが、その導通抵
抗値は電極間の印加電圧によらず一定となるため、感圧
特性を設定する場合の自由度が小さくなる。本発明は、
上記した従来のものと異なる新規な感圧特性を有する感
圧変換装置を提供することを目的とする。また、その感
圧特性を緩やかなものにすることを目的とする。また、
その感圧特性に電圧依存性を持たせることを目的とす
る。
においては、感圧層の表面の微粒子状の物質と、それに
対向する導体層とが接触したとき、その接触により導通
抵抗値が急激に低下する。このため、ゆるやかな感圧特
性を得る必要がある場合には、上記のような感圧変換装
置を用いることができない。また、押圧力の印加時には
直接接触によって導通抵抗値が低下するが、その導通抵
抗値は電極間の印加電圧によらず一定となるため、感圧
特性を設定する場合の自由度が小さくなる。本発明は、
上記した従来のものと異なる新規な感圧特性を有する感
圧変換装置を提供することを目的とする。また、その感
圧特性を緩やかなものにすることを目的とする。また、
その感圧特性に電圧依存性を持たせることを目的とす
る。
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明においては、感圧層（３ａ、
３ｂ）を、粒子状の半導電性物質（４、５）を絶縁材料
層（６）中に分散させたものとし、第１、第２の支持部
材（１ａ、１ｂ）の少なくとも一方に圧力が印加された
ときに、第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間に、半導
電性物質（４、５）間の直接接触よりも半導電性物質
（４、５）間のトンネル伝導現象によって電流が多く流
れるようにしたことを特徴としている。このようにトン
ネル伝導現象を利用することにより、押圧力に比例して
第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間の導通抵抗値が低
下し、緩やかな感圧特性を得ることができる。請求項２
に記載の発明においては、感圧層（３ａ、３ｂ）を、粒
子状の半導電性物質（４、５）を絶縁材料層（６）中に
分散させたものとし、さらに第１、第２の支持部材（１
ａ、１ｂ）の少なくとも一方に圧力が印加されたとき
に、半導電性物質（４、５）間の平均距離が１００ｎｍ
以下になるようにしたことを特徴としている。半導電性
物質（４、５）間の平均距離を１００ｎｍ以下にするこ
とによってトンネル伝導現象を利用し、緩やかな感圧特
性を得ることができる。請求項３に記載の発明において
は、感圧層（３ａ、３ｂ）を、粒子状の半導電性物質
（４、５）を絶縁材料層（６）中に分散させたものと
し、第１、第２の支持部材（１ａ、１ｂ）の少なくとも
一方に圧力が印加されたときに、第１、第２の導体層
（２ａ、２ｂ）間の導通抵抗値が、第１、第２の導体層
（２ａ、２ｂ）間に印加する電圧が大きいほど低下する
特性を有するようにしたことを特徴としている。このよ
うに感圧特性に電圧依存性を持たせることによって、第
１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間に印加する電圧によ
って感圧特性の設定を容易に行うことができる。上記し
た請求項１乃至３に記載の発明において、請求項４に記
載の発明のように、第１、第２のセンシング部（１０、
１１）において第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間の
印加電圧が異なるようにすれば、感圧特性を検知領域に
応じて個別に設定することができる。なお、半導電性物
質（４、５）として、請求項５に記載の発明のように、
りん片状の第１の半導電性物質（４）と球状の第２の半
導電性物質（５）からなるようにすれば、形状の異なる
半導電性物質によってトンネル伝導現象を生じ易くする
ことができる。また、請求項６に記載の発明のように、
半導電性物質（４、５）として、第１の半導電性物質
（５）と、この第１の半導電性物質（５）の平均サイズ
よりも平均サイズが小さい第２の半導電性物質（４）か
らなるようにすれば、そのサイズ比によって導通抵抗値
の設定を容易に行うことができる。この場合、請求項７
に記載の発明のように、第１の半導電性物質（５）の平
均サイズを第２の半導電性物質（４）の平均サイズの２
倍以上とすれば、トンネル伝導現象を生じ易くすること
ができる。また、請求項８に記載の発明のように、第
１、第２の半導電性物質（４、５）とも平均サイズが
０．５〜１０μｍになるようにすれば、押圧力に対する
導通抵抗値を安定して調整することができる。さらに、
このサイズにすることで、半導電性物質粒子同士の凝集
を防止し、均一に絶縁材料層に分散することができるた
め、粒子間および粒子表面に薄い絶縁層を形成して、ト
ンネル伝導現象を発生しやすくすることができる。ま
た、請求項９に記載の発明のように、半導電性物質
（４、５）として、導電率が異なる第１、第２の半導電
性物質（４、５）からなるようにすれば、その配合比に
よって導通抵抗値の設定を容易に行うことができる。ま
た、請求項１０に記載の発明のように、半導電性物質と
して、カーボン粒子およびカーボンの２次凝集粒子から
なるようにした場合も、トンネル伝導現象を生じ易くす
ることができる。この場合、請求項１１に記載の発明の
ように、カーボンの２次凝集粒子の平均サイズが０．５
〜１０μｍになるようにすれば、押圧力に対する導通抵
抗値を安定して調整することができる。また、請求項１
２に記載の発明のように、半導電性物質（４、５）を、
感圧層（３ａ、３ｂ）に対して１０〜５０重量％の割合
で混入するようにすれば、トンネル伝導現象を生じ易く
することができる。なお、上記した括弧内の符号は、後
述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
め、請求項１に記載の発明においては、感圧層（３ａ、
３ｂ）を、粒子状の半導電性物質（４、５）を絶縁材料
層（６）中に分散させたものとし、第１、第２の支持部
材（１ａ、１ｂ）の少なくとも一方に圧力が印加された
ときに、第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間に、半導
電性物質（４、５）間の直接接触よりも半導電性物質
（４、５）間のトンネル伝導現象によって電流が多く流
れるようにしたことを特徴としている。このようにトン
ネル伝導現象を利用することにより、押圧力に比例して
第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間の導通抵抗値が低
下し、緩やかな感圧特性を得ることができる。請求項２
に記載の発明においては、感圧層（３ａ、３ｂ）を、粒
子状の半導電性物質（４、５）を絶縁材料層（６）中に
分散させたものとし、さらに第１、第２の支持部材（１
ａ、１ｂ）の少なくとも一方に圧力が印加されたとき
に、半導電性物質（４、５）間の平均距離が１００ｎｍ
以下になるようにしたことを特徴としている。半導電性
物質（４、５）間の平均距離を１００ｎｍ以下にするこ
とによってトンネル伝導現象を利用し、緩やかな感圧特
性を得ることができる。請求項３に記載の発明において
は、感圧層（３ａ、３ｂ）を、粒子状の半導電性物質
（４、５）を絶縁材料層（６）中に分散させたものと
し、第１、第２の支持部材（１ａ、１ｂ）の少なくとも
一方に圧力が印加されたときに、第１、第２の導体層
（２ａ、２ｂ）間の導通抵抗値が、第１、第２の導体層
（２ａ、２ｂ）間に印加する電圧が大きいほど低下する
特性を有するようにしたことを特徴としている。このよ
うに感圧特性に電圧依存性を持たせることによって、第
１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間に印加する電圧によ
って感圧特性の設定を容易に行うことができる。上記し
た請求項１乃至３に記載の発明において、請求項４に記
載の発明のように、第１、第２のセンシング部（１０、
１１）において第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間の
印加電圧が異なるようにすれば、感圧特性を検知領域に
応じて個別に設定することができる。なお、半導電性物
質（４、５）として、請求項５に記載の発明のように、
りん片状の第１の半導電性物質（４）と球状の第２の半
導電性物質（５）からなるようにすれば、形状の異なる
半導電性物質によってトンネル伝導現象を生じ易くする
ことができる。また、請求項６に記載の発明のように、
半導電性物質（４、５）として、第１の半導電性物質
（５）と、この第１の半導電性物質（５）の平均サイズ
よりも平均サイズが小さい第２の半導電性物質（４）か
らなるようにすれば、そのサイズ比によって導通抵抗値
の設定を容易に行うことができる。この場合、請求項７
に記載の発明のように、第１の半導電性物質（５）の平
均サイズを第２の半導電性物質（４）の平均サイズの２
倍以上とすれば、トンネル伝導現象を生じ易くすること
ができる。また、請求項８に記載の発明のように、第
１、第２の半導電性物質（４、５）とも平均サイズが
０．５〜１０μｍになるようにすれば、押圧力に対する
導通抵抗値を安定して調整することができる。さらに、
このサイズにすることで、半導電性物質粒子同士の凝集
を防止し、均一に絶縁材料層に分散することができるた
め、粒子間および粒子表面に薄い絶縁層を形成して、ト
ンネル伝導現象を発生しやすくすることができる。ま
た、請求項９に記載の発明のように、半導電性物質
（４、５）として、導電率が異なる第１、第２の半導電
性物質（４、５）からなるようにすれば、その配合比に
よって導通抵抗値の設定を容易に行うことができる。ま
た、請求項１０に記載の発明のように、半導電性物質と
して、カーボン粒子およびカーボンの２次凝集粒子から
なるようにした場合も、トンネル伝導現象を生じ易くす
ることができる。この場合、請求項１１に記載の発明の
ように、カーボンの２次凝集粒子の平均サイズが０．５
〜１０μｍになるようにすれば、押圧力に対する導通抵
抗値を安定して調整することができる。また、請求項１
２に記載の発明のように、半導電性物質（４、５）を、
感圧層（３ａ、３ｂ）に対して１０〜５０重量％の割合
で混入するようにすれば、トンネル伝導現象を生じ易く
することができる。なお、上記した括弧内の符号は、後
述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
【発明の実施の形態】図１に、本発明の一実施形態に係
る感圧変換装置の断面構成を示す。この感圧変換装置
は、例えば乗員の体重に応じてエアバッグの展開速度を
変化させることができる自動車用のエアバッグ装置の乗
員センサ、あるいは介護用ベッドにおける体重の分布を
検知するセンサとして用いることができるものである。
図１において、シート状部材をなす樹脂フィルム（ベー
ス基板）１ａの表面には電極２ａがパターン形成されて
おり、その表面には第１の感圧層３ａが形成されてい
る。また、樹脂フィルム１ｂの表面には電極２ａと同一
パターンで電極２ｂが形成されており、その表面には第
１の感圧層３ａと対向する第２の感圧層３ｂが形成され
ている。感圧層３ａ、３ｂは、導電性が高く平均サイズ
（平均粒子径）が小さいりん片状カーボン粒子４と、導
電性が低く平均サイズが大きいアモルファス系カーボン
粒子５を含み、それらを弾性を有する樹脂系バインダー
（例えば、高ガラス転移点を有するポリエステル系樹脂
のもの）６で固めた構成、すなわち絶縁材料層６中に粒
子状の２種類のカーボン粒子４、５を分散させた構成に
なっている。このように感圧層３ａ、３ｂに、形状、平
均サイズが異なる２種類のカーボン粒子４、５を含ませ
ることにより、カーボン粒子の密度を高くし、カーボン
粒子間の平均距離を小さくすることことができ、樹脂フ
ィルム１ａ、１ｂの少なくとも一方に圧力が印加された
とき、カーボン粒子間の平均距離をトンネル伝導現象が
生じる１００ｎｍ以下にすることができる。なお、感圧
層３ａ、３ｂの間には、図１では図示されないスペーサ
によって多少の隙間（空気層）が形成されているが、感
圧層３ａ、３ｂの表面は樹脂系バインダー６で大部分が
覆われているため、感圧層３ａ、３ｂは部分的に接触し
ていてもよい。図２に、樹脂フィルム１ａ、１ｂの少な
くとも一方に圧力が印加された、すなわち押圧力が加え
られた状態を示す。この状態においては、図に示すよう
に、感圧層３ａ、３ｂの表面が多くの部分で接触し、ま
た感圧層３ａ、３ｂ中のカーボン粒子間の平均距離が縮
小し、カーボン粒子間の平均距離が１００ｎｍ以下にな
る。このとき、電極２ａ、２ｂ間に電圧が印加されてい
ると、トンネル伝導現象が生じて電極２ａ、２ｂ間の導
通抵抗値が低下する。すなわち、カーボン粒子間の平均
距離が１００ｎｍ以下であると、カーボン粒子間のショ
ットキー効果によるポテンシャル障壁が低下し、トンネ
ル伝導電子が増加し、電極２ａ、２ｂ間の導通抵抗値が
低下する。その結果、図３に示すように、トンネル電流
ｉが流れる。このトンネル電流ｉは、数式１で表わされ
る。
る感圧変換装置の断面構成を示す。この感圧変換装置
は、例えば乗員の体重に応じてエアバッグの展開速度を
変化させることができる自動車用のエアバッグ装置の乗
員センサ、あるいは介護用ベッドにおける体重の分布を
検知するセンサとして用いることができるものである。
図１において、シート状部材をなす樹脂フィルム（ベー
ス基板）１ａの表面には電極２ａがパターン形成されて
おり、その表面には第１の感圧層３ａが形成されてい
る。また、樹脂フィルム１ｂの表面には電極２ａと同一
パターンで電極２ｂが形成されており、その表面には第
１の感圧層３ａと対向する第２の感圧層３ｂが形成され
ている。感圧層３ａ、３ｂは、導電性が高く平均サイズ
（平均粒子径）が小さいりん片状カーボン粒子４と、導
電性が低く平均サイズが大きいアモルファス系カーボン
粒子５を含み、それらを弾性を有する樹脂系バインダー
（例えば、高ガラス転移点を有するポリエステル系樹脂
のもの）６で固めた構成、すなわち絶縁材料層６中に粒
子状の２種類のカーボン粒子４、５を分散させた構成に
なっている。このように感圧層３ａ、３ｂに、形状、平
均サイズが異なる２種類のカーボン粒子４、５を含ませ
ることにより、カーボン粒子の密度を高くし、カーボン
粒子間の平均距離を小さくすることことができ、樹脂フ
ィルム１ａ、１ｂの少なくとも一方に圧力が印加された
とき、カーボン粒子間の平均距離をトンネル伝導現象が
生じる１００ｎｍ以下にすることができる。なお、感圧
層３ａ、３ｂの間には、図１では図示されないスペーサ
によって多少の隙間（空気層）が形成されているが、感
圧層３ａ、３ｂの表面は樹脂系バインダー６で大部分が
覆われているため、感圧層３ａ、３ｂは部分的に接触し
ていてもよい。図２に、樹脂フィルム１ａ、１ｂの少な
くとも一方に圧力が印加された、すなわち押圧力が加え
られた状態を示す。この状態においては、図に示すよう
に、感圧層３ａ、３ｂの表面が多くの部分で接触し、ま
た感圧層３ａ、３ｂ中のカーボン粒子間の平均距離が縮
小し、カーボン粒子間の平均距離が１００ｎｍ以下にな
る。このとき、電極２ａ、２ｂ間に電圧が印加されてい
ると、トンネル伝導現象が生じて電極２ａ、２ｂ間の導
通抵抗値が低下する。すなわち、カーボン粒子間の平均
距離が１００ｎｍ以下であると、カーボン粒子間のショ
ットキー効果によるポテンシャル障壁が低下し、トンネ
ル伝導電子が増加し、電極２ａ、２ｂ間の導通抵抗値が
低下する。その結果、図３に示すように、トンネル電流
ｉが流れる。このトンネル電流ｉは、数式１で表わされ
る。
【数１】 ここで、Φは、カーボン粒子間距離によるポテンシャル
障壁、Ｖは印加電圧、ｋはボルツマン定数、Ｔはケルビ
ンである。この数式１から分かるように、トンネル伝導
現象によって流れるトンネル電流は、カーボン粒子間距
離に反比例（但し、１次比例ではない）して増加する。
その結果、図４に示すようにカーボン粒子間距離が１０
０ｎｍ以下になると導通抵抗値が徐々に低下する。従っ
て、押圧力に比例して導通抵抗値が低下することになる
ため、導通抵抗値を測定することにより押圧力の大きさ
を検知することができる。このようにトンネル伝導現象
を利用することによって、押圧力を検知する際の感圧特
性を緩やかにすることができる。なお、上記した押圧力
の印加時において、電極２ａ、２ｂ間には、トンネル伝
導現象のみによって電流が流れるのではなく、カーボン
粒子間の直接接触によっても電流が流れる。しかしなが
ら、電極２ａ、２ｂ間に流れる電流は、トンネル伝導現
象によって流れる電流が主で、カーボン粒子間の直接接
触によって流れる電流よりも多くなっている。また、上
記した感圧層３ａ、３ｂには、平均サイズが異なる２種
類のカーボン粒子４、５が含まれているため、感圧層３
ａ、３ｂ中のカーボン密度を高くすることができるが、
その平均サイズの比率が小さいと、導電性が悪くトンネ
ル伝導現象が生じにくくなる。トンネル伝導現象を生じ
易くするためには、平均サイズの比率を２倍以上にする
のが好ましい。また、上記した感圧層３ａ、３ｂは、印
刷、吹き付け等の技術によって膜状に形成される。ここ
で、本発明者等の考察によれば、カーボン粒子の平均サ
イズを１０μｍより大きくすると、膜状に形成された感
圧層３ａ、３ｂの表面よりカーボン粒子が突出し、カー
ボン粒子の直接接触が増えて押圧力の印加時に導通抵抗
値が急激に低下してしまう。また、カーボン粒子の平均
サイズを０、５μｍより小さい微細なものにすると、微
細粒子同士の凝集による２次連鎖の形成によって押圧力
の印加時に導通抵抗値が急激に低下してしまう。従っ
て、上記したトンネル伝導現象を利用し、押圧力に対す
る導通抵抗値を安定して調整できるようにするために
は、カーボン粒子の平均サイズを０、５μｍ以上１０μ
ｍ以下にするのが好ましい。また、感圧層３ａ、３ｂに
含ませる２種類のカーボン粒子４、５の導電率を異なる
ものとしているから、その配合比を調整することによっ
て、押圧力に対する導通抵抗値を安定して調整すること
ができる。また、感圧層３ａ、３ｂに含ませるカーボン
粒子４、５の配合比は、その配合比が小さいとカーボン
粒子の密度が低くなってトンネル伝導現象が生じにく
く、また配合比が大きいとカーボン粒子間の直接接触が
増えてトンネル伝導現象が生じる割合が低くなる。従っ
て、その配合比としては、１０〜５０重量％とするのが
好ましい。また、上記した数式１から分かるように、印
加電圧Ｖが大きくなるほどショットキー効果によるポテ
ンシャル障壁が低下するため、印加電圧Ｖに対する導通
抵抗値Ωの特性が変化する。図５に、押圧力として７０
ｇ／ｃｍ2 、１００ｇ／ｃｍ2 、２００ｇ／ｃｍ2 を加
えたときの印加電圧Ｖに対する導通抵抗値Ωの変化を示
す。この場合、測定に用いた感圧層３ａ、３ｂは、りん
片状カーボン粒子４とアモルファス系カーボン粒子５の
平均サイズがそれぞれ１μｍと５μｍで、両者の配合比
が１対１であり、それらを感圧層３ａ、３ｂ内に４０重
量％混入させたものとしている。この図からわかるよう
に、印加電圧Ｖが大きくなると、導通抵抗値Ωが減少す
る。また、その変化特性は、押圧力によって変化する。
これは、感圧層３ａ、３ｂは、トンネル伝導現象を利用
してトンネル電流を流すようにしたものであるので、同
一押圧力、同一カーボン粒子間距離であっても、印加電
圧を変えると、ポテンシャル障壁の大きさが変わり、ト
ンネル電流が変化するためである。なお、従来の直接接
触を利用したものでは、押圧力の印加時に直接接触（オ
ーミック接触）による電流が流れるため、導通抵抗値は
一定であり、電圧依存性を有していない。従って、印加
電圧をパラメータとして感圧特性を変えた感圧変換装置
を構成することができる。図６に、その感圧変換装置の
具体的な構成の平面図を示す。この図６において、実線
で示す部分は、上側の電極２ｂを示し、図中の丸の点線
で示す部分は、感圧層３ａ、３ｂを示している。この図
６に示す実施形態においては、検知領域に応じて感圧特
性が異なるようにしている。すなわち、図６中のセンシ
ング部１０、１１におけるＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面を示
す図７（ａ）、（ｂ）において、センシング部１１で
は、下側の感圧層３ａに接触する電極２ａに固定抵抗７
が挿入されて、電極２ａ、２ｂ間の印加電圧が低くなっ
ており、センシング部１０ではそのような固定抵抗７の
挿入がなく電極２ａ、２ｂ間の印加電圧が高くなってい
る。従って、それぞれの部位における印加電圧を異なら
せることによって、感圧特性を検知領域に応じて個別に
設定することができる。なお、図７（ａ）、（ｂ）に示
すように、感圧層３ａ、３ｂは空気層を介して対向配置
されており、その周囲領域にはスペーサ８が形成されて
いる。このスペーサ７としては、両面に接着剤が塗布さ
れたポリエステルフィルムを用いることができる。以上
述べた実施形態においては、第１の半導電性物質として
アモルファス系カーボン粒子５を用い、第２の半導電性
粒子としてりん片状カーボン粒子４を用いるものを示し
たが、そのいずれか一方にＳｎＯ2 、Ｉｎ2 Ｏ3 、Ｍｏ
Ｓ2 などの金属酸化物半導体および金属硫化物半導体を
用いてもよい。また、それら以外の他の半導電性物質を
用いてもよい。この場合、その平均サイズ、配合比など
について上記したのと同様のものとすれば、同様の効果
を得ることができる。また、半導電性物質としては、粒
径が１０ｎｍ程度のカーボンブラックのみとしてもよ
い。このように微細なカーボン粒子を用いた場合、微細
なカーボン粒子が２次凝集する。そこで、カーボン粒子
が２次凝集するレベルを制御することにより、樹脂系バ
インダー６中に微細なカーボン粒子とカーボンの２次凝
集粒子とを分散させることができ、カーボン粒子間の平
均距離をトンネル伝導現象が支配的に生じる１００ｎｍ
以下にすることができる。この場合、カーボンの２次凝
集粒子の平均サイズとしては、上記した実施形態と同じ
く、０、５μｍ以上１０μｍ以下にするのが好ましい。
また、感圧層３ａ、３ｂに含ませるカーボン粒子の配合
比も上記した実施形態と同じく１０〜５０重量％にする
のが好ましい。また、上記した実施形態においては、絶
縁性材料層として樹脂系バインダー６を用いるものを示
したが、バインダーとしては樹脂系以外にゴム系のもの
を用いることができる。但し、ゴム系バインダーの場
合、圧縮クリープにより長期安定性に欠けるという問題
があるので、樹脂系バインダーを用いる方が好ましい。
また、感圧層３ａ、３ｂの表面は樹脂系バインダー６に
よって覆われているため、スペーサ８を無くし、感圧層
３ａ、３ｂを接触させた状態にしたものであってもよ
い。また、樹脂フィルム１ａ、１ｂに感圧層３ａ、３ｂ
をそれぞれ設けるものを示したが、樹脂フィルム１ａ、
１ｂのいずれか一方にのみ感圧層を設けるようにしても
よい。
障壁、Ｖは印加電圧、ｋはボルツマン定数、Ｔはケルビ
ンである。この数式１から分かるように、トンネル伝導
現象によって流れるトンネル電流は、カーボン粒子間距
離に反比例（但し、１次比例ではない）して増加する。
その結果、図４に示すようにカーボン粒子間距離が１０
０ｎｍ以下になると導通抵抗値が徐々に低下する。従っ
て、押圧力に比例して導通抵抗値が低下することになる
ため、導通抵抗値を測定することにより押圧力の大きさ
を検知することができる。このようにトンネル伝導現象
を利用することによって、押圧力を検知する際の感圧特
性を緩やかにすることができる。なお、上記した押圧力
の印加時において、電極２ａ、２ｂ間には、トンネル伝
導現象のみによって電流が流れるのではなく、カーボン
粒子間の直接接触によっても電流が流れる。しかしなが
ら、電極２ａ、２ｂ間に流れる電流は、トンネル伝導現
象によって流れる電流が主で、カーボン粒子間の直接接
触によって流れる電流よりも多くなっている。また、上
記した感圧層３ａ、３ｂには、平均サイズが異なる２種
類のカーボン粒子４、５が含まれているため、感圧層３
ａ、３ｂ中のカーボン密度を高くすることができるが、
その平均サイズの比率が小さいと、導電性が悪くトンネ
ル伝導現象が生じにくくなる。トンネル伝導現象を生じ
易くするためには、平均サイズの比率を２倍以上にする
のが好ましい。また、上記した感圧層３ａ、３ｂは、印
刷、吹き付け等の技術によって膜状に形成される。ここ
で、本発明者等の考察によれば、カーボン粒子の平均サ
イズを１０μｍより大きくすると、膜状に形成された感
圧層３ａ、３ｂの表面よりカーボン粒子が突出し、カー
ボン粒子の直接接触が増えて押圧力の印加時に導通抵抗
値が急激に低下してしまう。また、カーボン粒子の平均
サイズを０、５μｍより小さい微細なものにすると、微
細粒子同士の凝集による２次連鎖の形成によって押圧力
の印加時に導通抵抗値が急激に低下してしまう。従っ
て、上記したトンネル伝導現象を利用し、押圧力に対す
る導通抵抗値を安定して調整できるようにするために
は、カーボン粒子の平均サイズを０、５μｍ以上１０μ
ｍ以下にするのが好ましい。また、感圧層３ａ、３ｂに
含ませる２種類のカーボン粒子４、５の導電率を異なる
ものとしているから、その配合比を調整することによっ
て、押圧力に対する導通抵抗値を安定して調整すること
ができる。また、感圧層３ａ、３ｂに含ませるカーボン
粒子４、５の配合比は、その配合比が小さいとカーボン
粒子の密度が低くなってトンネル伝導現象が生じにく
く、また配合比が大きいとカーボン粒子間の直接接触が
増えてトンネル伝導現象が生じる割合が低くなる。従っ
て、その配合比としては、１０〜５０重量％とするのが
好ましい。また、上記した数式１から分かるように、印
加電圧Ｖが大きくなるほどショットキー効果によるポテ
ンシャル障壁が低下するため、印加電圧Ｖに対する導通
抵抗値Ωの特性が変化する。図５に、押圧力として７０
ｇ／ｃｍ2 、１００ｇ／ｃｍ2 、２００ｇ／ｃｍ2 を加
えたときの印加電圧Ｖに対する導通抵抗値Ωの変化を示
す。この場合、測定に用いた感圧層３ａ、３ｂは、りん
片状カーボン粒子４とアモルファス系カーボン粒子５の
平均サイズがそれぞれ１μｍと５μｍで、両者の配合比
が１対１であり、それらを感圧層３ａ、３ｂ内に４０重
量％混入させたものとしている。この図からわかるよう
に、印加電圧Ｖが大きくなると、導通抵抗値Ωが減少す
る。また、その変化特性は、押圧力によって変化する。
これは、感圧層３ａ、３ｂは、トンネル伝導現象を利用
してトンネル電流を流すようにしたものであるので、同
一押圧力、同一カーボン粒子間距離であっても、印加電
圧を変えると、ポテンシャル障壁の大きさが変わり、ト
ンネル電流が変化するためである。なお、従来の直接接
触を利用したものでは、押圧力の印加時に直接接触（オ
ーミック接触）による電流が流れるため、導通抵抗値は
一定であり、電圧依存性を有していない。従って、印加
電圧をパラメータとして感圧特性を変えた感圧変換装置
を構成することができる。図６に、その感圧変換装置の
具体的な構成の平面図を示す。この図６において、実線
で示す部分は、上側の電極２ｂを示し、図中の丸の点線
で示す部分は、感圧層３ａ、３ｂを示している。この図
６に示す実施形態においては、検知領域に応じて感圧特
性が異なるようにしている。すなわち、図６中のセンシ
ング部１０、１１におけるＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面を示
す図７（ａ）、（ｂ）において、センシング部１１で
は、下側の感圧層３ａに接触する電極２ａに固定抵抗７
が挿入されて、電極２ａ、２ｂ間の印加電圧が低くなっ
ており、センシング部１０ではそのような固定抵抗７の
挿入がなく電極２ａ、２ｂ間の印加電圧が高くなってい
る。従って、それぞれの部位における印加電圧を異なら
せることによって、感圧特性を検知領域に応じて個別に
設定することができる。なお、図７（ａ）、（ｂ）に示
すように、感圧層３ａ、３ｂは空気層を介して対向配置
されており、その周囲領域にはスペーサ８が形成されて
いる。このスペーサ７としては、両面に接着剤が塗布さ
れたポリエステルフィルムを用いることができる。以上
述べた実施形態においては、第１の半導電性物質として
アモルファス系カーボン粒子５を用い、第２の半導電性
粒子としてりん片状カーボン粒子４を用いるものを示し
たが、そのいずれか一方にＳｎＯ2 、Ｉｎ2 Ｏ3 、Ｍｏ
Ｓ2 などの金属酸化物半導体および金属硫化物半導体を
用いてもよい。また、それら以外の他の半導電性物質を
用いてもよい。この場合、その平均サイズ、配合比など
について上記したのと同様のものとすれば、同様の効果
を得ることができる。また、半導電性物質としては、粒
径が１０ｎｍ程度のカーボンブラックのみとしてもよ
い。このように微細なカーボン粒子を用いた場合、微細
なカーボン粒子が２次凝集する。そこで、カーボン粒子
が２次凝集するレベルを制御することにより、樹脂系バ
インダー６中に微細なカーボン粒子とカーボンの２次凝
集粒子とを分散させることができ、カーボン粒子間の平
均距離をトンネル伝導現象が支配的に生じる１００ｎｍ
以下にすることができる。この場合、カーボンの２次凝
集粒子の平均サイズとしては、上記した実施形態と同じ
く、０、５μｍ以上１０μｍ以下にするのが好ましい。
また、感圧層３ａ、３ｂに含ませるカーボン粒子の配合
比も上記した実施形態と同じく１０〜５０重量％にする
のが好ましい。また、上記した実施形態においては、絶
縁性材料層として樹脂系バインダー６を用いるものを示
したが、バインダーとしては樹脂系以外にゴム系のもの
を用いることができる。但し、ゴム系バインダーの場
合、圧縮クリープにより長期安定性に欠けるという問題
があるので、樹脂系バインダーを用いる方が好ましい。
また、感圧層３ａ、３ｂの表面は樹脂系バインダー６に
よって覆われているため、スペーサ８を無くし、感圧層
３ａ、３ｂを接触させた状態にしたものであってもよ
い。また、樹脂フィルム１ａ、１ｂに感圧層３ａ、３ｂ
をそれぞれ設けるものを示したが、樹脂フィルム１ａ、
１ｂのいずれか一方にのみ感圧層を設けるようにしても
よい。
【図１】本発明の一実施形態に係る感圧変換装置の断面
図である。
図である。
【図２】図１に示すものに対し押圧力が加えられた状態
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図３】トンネル電流が流れる状態を示す図である。
【図４】カーボン粒子間距離と導通抵抗値の関係を示す
図である。
図である。
【図５】印加電圧Ｖに対する導通抵抗値Ωの変化状態を
示す図である。
示す図である。
【図６】感圧変換装置の具体的な構成を示す平面図であ
る。
る。
【図７】（ａ）は図６中のＡ−Ａ断面を示す図であり、
（ｂ）は図６中のＢ−Ｂ断面を示す図である。
（ｂ）は図６中のＢ−Ｂ断面を示す図である。
１ａ、１ｂ…樹脂フィルム、２ａ、２ｂ…電極、３ａ、
３ｂ…感圧層、４…りん片状カーボン粒子、５…アモル
ファス系カーボン粒子、６…樹脂系バインダー、７…固
定抵抗、８…スペーサ。
３ｂ…感圧層、４…りん片状カーボン粒子、５…アモル
ファス系カーボン粒子、６…樹脂系バインダー、７…固
定抵抗、８…スペーサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺岡 正康 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 本木 幹三 富山県上新川郡大沢野町下大久保3158番地 北陸電気工業株式会社内 (72)発明者 石山 一郎 富山県上新川郡大沢野町下大久保3158番地 北陸電気工業株式会社内
Claims (12)
- 【請求項１】 表面に第１の導体層（２ａ）が形成され
た第１の支持部材（１ａ）と、表面に第２の導体層（２
ｂ）が形成された第２の支持部材（１ｂ）とを有し、前
記第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）の間に感圧層（３
ａ、３ｂ）を介在させてなる感圧変換装置において、 前記感圧層（３ａ、３ｂ）は、粒子状の半導電性物質
（４、５）を絶縁材料層（６）中に分散させてなるもの
であり、 前記第１、第２の支持部材（１ａ、１ｂ）の少なくとも
一方に圧力が印加されたときに、前記第１、第２の導体
層（２ａ、２ｂ）間に、前記半導電性物質（４、５）間
の直接接触よりも前記半導電性物質（４、５）間のトン
ネル伝導現象によって電流が多く流れるようになってい
ることを特徴とする感圧変換装置。 - 【請求項２】 表面に第１の導体層（２ａ）が形成され
た第１の支持部材（１ａ）と、表面に第２の導体層（２
ｂ）が形成された第２の支持部材（１ｂ）とを有し、前
記第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）の間に感圧層（３
ａ、３ｂ）を介在させてなる感圧変換装置において、 前記感圧層（３ａ、３ｂ）は、粒子状の半導電性物質
（４、５）を絶縁材料層（６）中に分散させてなるもの
で、前記第１、第２の支持部材（１ａ、１ｂ）の少なく
とも一方に圧力が印加されたときに、前記半導電性物質
（４、５）間の平均距離が１００ｎｍ以下になるように
設定されたものであることを特徴とする感圧変換装置。 - 【請求項３】 表面に第１の導体層（２ａ）が形成され
た第１の支持部材（１ａ）と、表面に第２の導体層（２
ｂ）が形成された第２の支持部材（１ｂ）とを有し、前
記第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）の間に感圧層（３
ａ、３ｂ）を介在させてなる感圧変換装置において、 前記感圧層（３ａ、３ｂ）は、粒子状の半導電性物質
（４、５）を絶縁材料層（６）中に分散させてなるもの
であり、 前記第１、第２の支持部材（１ａ、１ｂ）の少なくとも
一方に圧力が印加されたときに、前記第１、第２の導体
層（２ａ、２ｂ）間の導通抵抗値が、前記第１、第２の
導体層（２ａ、２ｂ）間に印加する電圧が大きいほど低
下する特性を有していることを特徴とする感圧変換装
置。 - 【請求項４】 前記第１、第２の支持部材（１ｂ）は、
前記圧力が印加される部位が異なる第１、第２のセンシ
ング部（１０、１１）を有し、前記第１、第２のセンシ
ング部（１０、１１）において前記第１、第２の導体層
（２ａ、２ｂ）間に印加される電圧が異なるようになっ
ていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つ
に記載の感圧変換装置。 - 【請求項５】 前記半導電性物質（４、５）は、りん片
状の第１の半導電性物質（４）と球状の第２の半導電性
物質（５）からなることを特徴とする請求項１乃至４の
いずれか１つに記載の感圧変換装置。 - 【請求項６】 前記半導電性物質（４、５）は、第１の
半導電性物質（５）と、この第１の半導電性物質（５）
の平均サイズよりも平均サイズが小さい第２の半導電性
物質（４）からなることを特徴とする請求項１乃至５の
いずれか１つに記載の感圧変換装置。 - 【請求項７】 前記第１の半導電性物質（５）の平均サ
イズが前記第２の半導電性物質（４）の平均サイズの２
倍以上になっていることを特徴とする請求項６に記載の
感圧変換装置。 - 【請求項８】 前記第１、第２の半導電性物質（４、
５）とも平均サイズが０．５〜１０μｍになっているこ
とを特徴とする請求項６又は７に記載の感圧変換装置。 - 【請求項９】 前記半導電性物質（４、５）は、導電率
が異なる第１、第２の半導電性物質（４、５）からなる
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載
の感圧変換装置。 - 【請求項１０】 前記半導電性物質は、カーボン粒子と
カーボンの２次凝集粒子からなることを特徴とする請求
項１乃至３のいずれか１つに記載の感圧変換装置。 - 【請求項１１】 前記カーボンの２次凝集粒子の平均サ
イズが０．５〜１０μｍになっていることを特徴とする
請求項１０に記載の感圧変換装置。 - 【請求項１２】 前記半導電性物質は、前記感圧層（３
ａ、３ｂ）に１０〜５０重量％の割合で混入されている
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１つに記
載の感圧変換装置。
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