JP2001159569A - 感圧センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイグレーションが発生し難く，製造コスト
が安価である感圧センサを提供すること。 【解決手段】 抵抗体基板１１と該抵抗体基板１１上に
配置された感圧抵抗体１２と，該感圧抵抗体１２に対し
所定のギャップを介して配置された電極１４と，該電極
１４を支持する電極支持基板１５とよりなり，上記電極
１４に含まれる導電材料は銀とカーボンブラックとを含
有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，圧力電気変換素子より構成され
る感圧センサに関する。

【０００２】

【従来技術】フィルム式の圧力電気変換素子として，従
来，フィルムに電極を設け，感圧抵抗体を設けたフィル
ムをこれに対し対抗配置し，両フィルムに荷重を印加す
るよう構成したもの等が知られている。

【０００３】

【解決しようとする課題】しかしながら，上記構成の圧
力電気変換素子を，人体などの水分をふんだんに含んだ
測定対象物に接触させて使用する感圧センサとして用い
る場合には，次のような問題が発生することが知られて
いる。すなわち，感圧センサの各部隙間から水分がセン
サ内部に浸透し，電極に付着するため，該電極において
マイグレーションが生じてしまうことがある。ここにマ
イグレーションとは，導電成分であるＡｇがイオン化し
て溶出する現象で，該現象の発生により，導体間の絶縁
抵抗が低下する。このため，従来の圧力電気変換素子は
長時間の使用ができず，耐久性に問題があった。

【０００４】上記問題を防止する方法として，たとえば
電極表面にカーボン厚膜を設けることが提案されている
が，厚膜の緻密性が低ければ結局厚膜を通じて水分が電
極に到達し，マイグレーションの原因となる。また，厚
膜の形成工程の増大が感圧センサ製造コストを増大させ
るという問題もある。

【０００５】本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてな
されたもので，マイグレーションが発生し難く長寿命
で，製造コストが安価である感圧センサを提供しようと
するものである。

【０００６】

【課題の解決手段】請求項１に記載の発明は，抵抗体基
板と該抵抗体基板上に配置された感圧抵抗体と，該感圧
抵抗体に対し所定のギャップを介して配置された電極
と，該電極を支持する電極支持基板とよりなる感圧セン
サにおいて，上記電極に含まれる導電材料は銀とカーボ
ンブラックとを含有することを特徴とする感圧センサに
ある。

【０００７】本発明の作用につき説明する。上記電極に
は導電材料が含まれており，該導電材料は銀とカーボン
ブラックとを含有する。カーボンブラックの添加により
電極の比抵抗を大幅に増大させることなく，耐マイグレ
ーション性を高めることができる。よって，長寿命な感
圧センサを得ることができる。また，電極に厚膜付与等
の後加工を行なう必要がないため，製造コストも抑制す
ることができる。更に，カーボンブラックは安価な材料
であるため，電極の導電材料を全て銀で構成するより
は，材料コスト低く抑えることができる。

【０００８】以上，本発明によれば，マイグレーション
が発生し難く，長寿命で製造コストが安価である感圧セ
ンサを提供することができる。

【０００９】ここに説明した感圧センサは抵抗体基板と
電極支持基板とに荷重を付加することで感圧抵抗体と電
極とが当接，その接触面積が増大する。よって，上記電
極に導通するよう設けた端子等に電圧を予め印加してお
くことで，荷重の増大に応じた出力電流を得ることがで
きる（図１参照）。このような感圧センサはショーティ
ングバー型感圧センサと呼ばれている。

【００１０】次に，請求項２に記載の発明のように，上
記抵抗体基板と上記電極支持基板とに印加される荷重が
低荷重範囲にあるとき，その印加荷重の増加に応じて感
圧抵抗体と電極との接触面積が徐々に増加し，上記抵抗
体基板と上記電極支持基板とに印加される荷重が高荷重
範囲となり，上記感圧抵抗体と上記電極との接触面積の
増加が飽和した後には，印加荷重の増加に応じて上記感
圧抵抗体自体の変形により内部抵抗を減少させるように
構成されることが好ましい。これにより，広い荷重範囲
での抵抗値変化，すなわちセンサの高感度化を図ること
ができる。

【００１１】本請求項にかかる構成を得るために，以下
に示す感圧抵抗体を用いることが好ましい。例えば，シ
ョア硬度がＪＩＳ Ａ５０以上，ＪＩＳ Ｄ８０以下の
範囲内にある樹脂よりなるベースポリマーと，感圧抵抗
体用導電材料と，上記ベースポリマーよりも弾性率が高
く，かつ，狙い膜厚に対する平均粒径の比が０．２５〜
２の充填材とからなり，上記導電材料及び上記充填材と
が上記ベースポリマー内に分散され，膜状に形成された
感圧抵抗体を用いることができる。

【００１２】このような感圧抵抗体を感圧センサに用い
た場合，印加される荷重が低荷重域であるとき，感圧抵
抗体の電極（図１の場合等）との接触状態が変化して表
面接触抵抗値が変化する。

【００１３】この場合において，感圧抵抗体の狙い膜厚
に対する平均粒径の比が０．２５〜２である充填材の分
散により，感圧抵抗体の表面は，適度に表面粗度が増大
した状態となっている。このため，荷重の増加による接
触面積の急激な増加を和らげることができる。これによ
り，上記感圧抵抗体は，低荷重域において，印加荷重の
変化に対する抵抗値変化を緩やかにすることができる。

【００１４】また，高荷重域においては，上記接触面積
の増大が飽和した後に，感圧抵抗体自体の変形による内
部抵抗の変化が始まる。このときの内部抵抗の変化を，
上記充填材の存在によって大きくすることができる。す
なわち，充填材の弾性率は，ベースポリマーのそれより
も高いので，感圧抵抗体の変形は，充填材の周囲に集中
した状態で生じる。これにより，充填材の周囲に位置す
る多数の導電材料は，荷重の変化に応じて互いの接触状
態に大きな変化を生じる。この結果，ベースポリマー中
に分散する導電材料による導電ネットワーク状態が変化
し，抵抗値が減少する。それ故，上記感圧抵抗体は，高
荷重域においても，荷重変化に対する電気抵抗変化の感
度を高感度にすることができる。

【００１５】上記のような感圧抵抗体を使用すること
で，低荷重域から高荷重域に渡って，荷重の変化に対す
る電気抵抗変化の感度を高感度に維持することができ，
かつ，その再現性を得ることができるような感圧センサ
を得ることができる。

【００１６】上記ベースポリマーのショア硬度がＪＩＳ
Ａ５０未満の場合には，上記感圧抵抗体の塑性変形が
生じやすくなり，十分な耐久性が得られないという問題
がある。一方，ＪＩＳ Ｄ８０を超える場合には，例え
ば上記感圧抵抗体を膜状に形成した場合にこれを屈曲さ
せることが困難であるという問題がある。

【００１７】上記充填材の特性の１つを特定するための
弾性率とは，応力と歪みの比例係数である。つまり，こ
の弾性率が大きいほど，同じ応力が作用した際の歪みが
小さいことを意味する。したがって，ベースポリマーと
充填材とに同じ応力が作用した場合には，ベースポリマ
ーの方が大きく歪む。

【００１８】また，上記充填材としては，感圧抵抗体の
狙い膜厚に対する平均粒径の比が０．２５〜２のものを
用いる。この感圧抵抗体の狙い膜厚に対する平均粒径の
比が０．２５未満の充填材を用いると，上記感圧抵抗体
の表面粗度が小さくなりすぎるとともに，後述する充填
材添加による効果が発現しないという問題がある。一
方，感圧抵抗体の狙い膜厚に対する平均粒径の比が２よ
り大きい充填材を用いると，上記感圧抵抗体の表面粗度
が大きくなりすぎて，感圧抵抗体への接触が不充分とな
るという問題がある。さらに，上記充填材はベースポリ
マー内において分散される。ここでいう分散とは，上記
充填材の凝集が少なく，単独で分散している状態を言
う。

【００１９】また，上記膜状に形成される感圧抵抗体の
表面粗度は，Ｒｚ５〜２０μｍの範囲内の値であること
が好ましい。これにより，低荷重域における荷重の変化
に対する電気抵抗変化の感度を実用レベルに維持するこ
とができる。

【００２０】また，上記ベースポリマーはポリエステル
樹脂あるいはエポキシ樹脂のいずれかであることが好ま
しい。この場合には，上記ベースポリマーのショア硬度
の範囲を容易に確保することができる。そして，上述し
た硬度を有するポリエステル樹脂やエポキシ樹脂のよう
な熱硬化性合成樹脂を用いることにより，塑性変形しに
くく，優れた耐久性を有する感圧抵抗体を得ることがで
きる。

【００２１】また，上記感圧抵抗体用導電部材の平均粒
径は，２０〜１００ｎｍであることが好ましい。導電部
材の平均粒径が２０ｎｍ未満の場合には，導電性のばら
つきが大きいという問題が生ずるおそれがあり，一方，
１００ｎｍを超える場合には，感圧抵抗体の膜がもろく
なるおそれが生じる。

【００２２】また，上記充填材としては，球状シリコシ
樹脂を用いることができる。球状シリコン樹脂は，硬化
したシリコン樹脂の塊を微粒子化処理することにより得
ることができる。

【００２３】また，上記充填材の添加量は，５〜４０重
量％であることが好ましい。上記充填材の添加重が５重
量％未満の場合には，上記充填材添加の効果が十分に発
現しないとの問題がある。一方，充填材の添加重が４０
重量％を超える場合には，上記感圧抵抗体への接触が不
充分となり，良好な感圧特性が得られないという問題が
生じる。

【００２４】次に，請求項３記載の発明のように，導電
材料１００重量部に対し銀は５０〜９０重量部，カーボ
ンブラックは１０〜５０重量部含有されてなることが好
ましい。これにより，本発明にかかる効果を確実に得る
ことができる。銀の含有量が５０重量部未満である場
合，またカーボンブラックの含有量が５０重量部を越え
た場合には，導体としての比抵抗が大きくなりすぎるお
それがある。反対に銀の含有量が９０重量部を越え，カ
ーボンブラックの含有量が１０重量部未満となった場合
には，耐マイグレーション性が悪化するおそれがある。

【００２５】次に，請求項６記載の発明のように，上記
カーボンブラックは，アセチレングラック，ファーネス
ブラック，ケッチェンブラックより選ばれる１種以上で
あることが好ましい。これにより，本発明にかかる効果
を確実に得ることができる。

【００２６】本発明にかかる感圧センサは上述したごと
く水分侵入による電極のマイグレーションが発生し難い
ため，水分がふんだんにある測定対象に接触して圧力を
測定するような分野での使用に好適である。具体的に
は，人体に貼付けたり，人体の直下に敷いて，人体にか
かる局部的な圧力分布の測定等に利用する体圧センサと
して好適である。

【００２７】

【発明の実施の形態】実施形態例 本発明の実施形態例にかかる感圧センサにつき，図１〜
図６を用いて説明する。図１〜図４に示すごとく，抵抗
体基板１１と該抵抗体基板１１上に配置された感圧抵抗
体１２と，該感圧抵抗体１２に対し所定のギャップを介
して配置された電極１４と，該電極１４を支持する電極
支持基板１５とよりなる。上記電極１４に含まれる導電
材料は銀とカーボンブラックとよりなり，含有量は銀８
０重量部，カーボンブラック２０重量部である。また，
上記カーボンブラックはアセチレンブラックである。

【００２８】以下，詳細に説明する。図２（ａ）は感圧
センサの全体平面図で，円形の感圧部１９と細長い胴部
１８とよりなり，胴部１８には感圧部１９にて得られた
電気信号を導出するためのリード部１４１，１４２（図
４参照），該リード部１４１，１４２と導通する端子部
１４３，１４４とが設けてある。また，上記胴部１８に
はリード部１４１，１４２を保護するためのレジスト層
１８０が設けてある。また，胴部１８の背面には補強用
基板１８３が設けてある。

【００２９】図１に図２（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図を示
す。同図より知れるごとく，本例の感圧センサ１は積層
型で，下方から順に電極支持基板１５，上記ギャップと
なる空間部１３を構成するスペーサ１６，抵抗体基板１
１とを積層することにより構成されている。

【００３０】図３，図４に展開図を示す。上記感圧部１
９を主として構成するのは，図３に示すごとき形状の抵
抗体基板１１と該抵抗体基板１１に積層された円形の感
圧抵抗体１２である。また，図４に示すごとき，電極１
４と該電極１４と導通するリード部１４１，１４２と端
子部１４３，１４４とを設けた電極支持基板１５は主と
して本体部１８を構成する。

【００３１】また，上記電極１４は感圧部１９におい
て，正負の電極それぞれがくし歯状に互いの歯の間に入
り込むように配置されている。上記抵抗体基板１１と上
記電極支持基板１５は接着層よりなるスペーサ（図１に
おける符号１６）を介して接合され，感圧センサ１を構
成する。この接着層はアクリル系粘着フィルムやＰＥＴ
系粘着剤よりなる。

【００３２】上記電極支持基板１５は，ＰＥＴ（ポリエ
チレンテレフタレート），ＰＥＩ（ポリエーテルイミ
ド）の樹脂よりなるベースフィルムよりなり，上記電極
１４は導電材料より構成されている。また，上記抵抗体
基板１１も同様にＰＥＴ，ＰＥＩ等の樹脂よりなるベー
スフィルムよりなる。

【００３３】次に，本例の感圧センサ１に用いた感圧抵
抗体１２について説明する。本例の感圧抵抗体１２はシ
ョア硬度がＪＩＳ Ａ５０以上，ＪＩＳ Ｄ８０以下の
範囲内にある熱硬化性の合成樹脂よりなるベースポリマ
ーと，カーボンブラックよりなる抵抗体用導電材料と，
上記ベースポリマーよりも弾性率が高くかつ感圧抵抗体
１２の狙い膜厚に対する平均粒径の比が０．２５〜２で
ある球状シリコン樹脂よりなる充填材とからなる。か
つ，該充填材は上記ベースポリマー内に均一に分散して
いる。

【００３４】この感圧抵抗体１２の作製は次のように行
った。まず，ベースポリマーとしては，硬化後のショア
硬度がＪＩＳ Ａ６０となるポリエステル樹脂を準備し
た。また，感圧抵抗体１２用の導電材料としてのアセチ
レンブラックと，充填材としての感圧抵抗体の狙い膜厚
に対する平均粒径の比が１．５の球状シリコン樹脂を準
備した。充填剤は，硬化したシリコン樹脂の塊を微粒子
化することにより得たものである。

【００３５】次に，得られる感圧抵抗体１２における配
合率が，ベースポリマーが８０重量部，抵抗体用導電材
料が２０重量部，充填材が１０重量部となるように，こ
れら原料を配合する。このとき，溶剤，界面活性剤等を
適量添加することもできる。次いで，これらの原料を３
本ロールミル等により分散処理を行い，ペースト状の感
圧抵抗体（以下，感圧抵抗ペーストという）を作製す
る。

【００３６】この感圧抵抗ペーストにおいては，上記球
状シリコン樹脂よりなる充填材が均一に分散した状態と
なる。これは，上記のごとく，球状シリコン樹脂を上記
微粒子化して得たことによって，球状単分散の微粉末と
することができ，凝集を少なくできるためであると考え
られる。

【００３７】次いで，感圧センサ１の製造について説明
する。ＰＥＴ，ＰＥＩ等よりなるフィルムを準備し，こ
のフィルム上に上記感圧抵抗ペーストを所望のパターン
（図４，符号１４参照）となるようスクリーン印刷法等
によって配設する。また，同様のフィルムを準備し，図
４に示すごとき形状に導電材料含有ペーストを印加す
る。導電材料含有ペーストとは，バインダーであるポリ
エステル樹脂と銀とカーボンブラックとを含む導電材料
とよりなる。こちらも上記と同様スクリーン印刷等によ
って配設する。

【００３８】その後，各フィルムを感圧抵抗体１１と電
極１４とが向かい合うように配置して，接着剤で接着す
る。この接着の際に感圧抵抗体１１と電極１４との間に
厚みＤのギャップが形成されるようにする。

【００３９】次いで，熱風循環路において，温度１２０
〜１５０℃に１〜２時間保持することにより，接着剤は
スペーサ１６として機能する接着層となって，両者を強
く接合する。この結果，図１，図２に示すごとき感圧セ
ンサ１が得られた。なお，このときの感圧抵抗体１２の
表面粗度は，感圧抵抗体１２の狙い膜厚に対する平均粒
径の比が１．５の球状シリコン樹脂を分散させたことに
より，表面粗度として好ましい範囲であるＲｚ５〜２０
μｍに含まれている。

【００４０】次に，図１にかかる感圧センサ１でのマイ
グレーション発生について試験をおこなった。この試験
では，図１における幅Ｄ，すなわち電極１４と感圧抵抗
体１２との距離を１ｍｍとした感圧センサ１である。電
極１４の導電材料中のカーボンブラック含有量が異なる
ものをいくつか準備した。また，カーボンブラックを含
まないものも準備した。なお，カーボンブラックの量は
導電材料１００重量部に対する値である。

【００４１】このような感圧センサ１の両端子１４３，
１４４に１５Ｖの直流電流を流しつつ，感圧センサ１の
感圧部１９に純水を滴下した。その後，上記ギャップ
間，すなわち電極１４と感圧抵抗体１２との間に純水滴
下後，５００μＡの電流が流れるまでの時間を測定し，
図５の線図に記載した。同図より知れるごとく，カーボ
ンブラックを添加することで，マイグレーションの発生
時間を遅らせることができることが分かった。

【００４２】比較試料として，図１の感圧センサ１と同
様の構造であるが，電極１４の導電材料が銀のみで構成
されているものを準備した。ただし，この電極１４は表
面全体がカーボンコート層で被覆されている。また，こ
のコート層は１５μｍの厚みである。この比較例の感圧
センサを用いて，上記と同様な条件でマイグレーション
発生時間について測定した。この測定により，銀電極上
にカーボンをコートしたものはマイグレーション時間と
して最短で１０秒弱という結果が得られた。従って，コ
ートするよりカーボンをブレンドした本例にかかる感圧
センサのほうがマイグレーション防止効果に優れること
が分かった。

【００４３】以下，本例の作用効果について説明する。
本例の感圧センサ１の電極１４には銀とカーボンブラッ
クとよりなる導電材料が含有されている。カーボンブラ
ックにより電極１４の比抵抗を大幅に増大させることな
く，耐マイグレーション性を高めることができる（図５
参照）。また，電極１４に厚膜付与等の後加工を行なう
必要がないため，製造コストも抑制することができる。
更に，カーボンブラックは安価な材料で，電極１４の材
料コストを低く抑えることもできる。

【００４４】以上，本例によれば，マイグレーションが
発生し難く，製造コストが安価である感圧センサを提供
することができる。

【００４５】このように本例の感圧センサは水に強いた
め，汗などで常に濡れている人体に接触させて使用する
体圧センサとして好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例における，感圧センサの感圧部の断
面説明図。

【図２】実施形態例における，（ａ）感圧センサの平面
図，（ｂ）感圧センサの側面図。

【図３】実施形態例における，感圧抵抗体と抵抗体基板
とを示す展開図。

【図４】実施形態例における，電極と電極基板とを示す
展開図。

【図５】実施形態例における，マイグレーション発生時
間とカーボンブラックの含有量との関係を示す線図。

【符号の説明】

１．．．感圧センサ， １１．．．抵抗体基板， １２．．．感圧抵抗体， １４．．．電極， １５．．．電極支持基板，

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉見 知久 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 4M112 AA01 BA01 CA02 CA11 DA18 DA19 EA11 EA14 FA08

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 抵抗体基板と該抵抗体基板上に配置され
   た感圧抵抗体と，該感圧抵抗体に対し所定のギャップを
   介して配置された電極と，該電極を支持する電極支持基
   板とよりなる感圧センサにおいて，上記電極に含まれる
   導電材料は銀とカーボンブラックとを含有することを特
   徴とする感圧センサ。
2. 【請求項２】 請求項１において，上記抵抗体基板と上
   記電極支持基板とに印加される荷重が低荷重範囲にある
   とき，その印加荷重の増加に応じて感圧抵抗体と電極と
   の接触面積が徐々に増加し，上記抵抗体基板と上記電極
   支持基板とに印加される荷重が高荷重範囲となり，上記
   感圧抵抗体と上記電極との接触面積の増加が飽和した後
   には，印加荷重の増加に応じて上記感圧抵抗体自体の変
   形により内部抵抗を減少させるように構成されることを
   特徴とする感圧センサ。
3. 【請求項３】 請求項１または２のいずれか一項におい
   て，導電材料１００重量部に対し銀は５０〜９０重量
   部，カーボンブラックは１０〜５０重量部含有されてな
   ることを特徴とする感圧センサ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一項において，
   上記カーボンブラックは，アセチレングラック，ファー
   ネスブラック，ケッチェンブラックより選ばれる１種以
   上であることを特徴とする感圧センサ。