JP2003106912A

JP2003106912A - 感圧抵抗体及び感圧センサ

Info

Publication number: JP2003106912A
Application number: JP2001302155A
Authority: JP
Inventors: Shinji Totokawa; 真志都外川; Houtai Watanabe; 朋泰渡辺; Mamoru Nakayama; 守中山; Tadatoshi Nagao; 忠俊長尾; Ichiro Ishiyama; 一郎石山
Original assignee: Inctec Inc; Mitsubishi Chemical Corp; Hokuriku Electric Industry Co Ltd; Denso Corp
Current assignee: Inctec Inc; Mitsubishi Chemical Corp; Hokuriku Electric Industry Co Ltd; Denso Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】検出できる圧力範囲の広い感圧抵抗体及びそ
れを用いた感圧センサを提供する。【解決手段】第１のベースフィルムと第２のベースフ
ィルムの上に電極を設けこれらの電極の上に、感圧抵抗
体材料を設け、これら感圧抵抗材料の間にギャップを形
成するようにスペーサを設け、上記第１又は第２のベー
スフィルムを介して印加される圧力に応じて、上記感圧
抵抗体材料の間の接触状態が変化することにより、上記
電極間の抵抗が変化する感圧抵抗体であって、上記感圧
抵抗材料は、バインダー樹脂と粒状の導電材料との混合
物であり、上記導電材料は導電性粒子の表面がポリマー
によって被覆されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、感圧抵抗体及びそ
れを用いた感圧センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、感圧センサとしては、圧力が掛か
ったときの抵抗体内部の体積抵抗変化を利用するもの、
及び電気的接点間の表面接触抵抗変化を利用するものが
ある。前者においては、シリコーンゴム等に金属粒子な
どの導電性フィラーを分散した導電性ゴムに代表され
（センサ技術，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．９，１９８９）、
後者においては、電気的接点の一方に、半導体物質層を
設けたものが公知である（特公平５−２２３９８号公
報）。

【０００３】しかしながら、上記先行技術の圧力センサ
においては、総じて、検出できる圧力（荷重）範囲が狭
く、リニアに荷重を検知するセンサとしては充分ではな
い。この理由として、前記導電性ゴムにおいてはある程
度大きな歪みがないと導電率の変化が生じないこと、ま
た、後者においては、導電層内部の圧力に対する導電率
（抵抗）の変化が殆どないため、接触面積に対する接触
抵抗が飽和すると、それ以上の荷重域では導電率（抵
抗）の変化が生じないことが考えられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、検出
できる圧力範囲の広い感圧抵抗体及びそれを用いた感圧
センサを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の発明は、第１のベースフィルムと第２のベースフィル
ムの間に、一対の電極と、この一対の電極の少なくとも
一方と所定のギャップを介してこの電極の上方に設けら
れた１層の感圧抵抗材料、又は前記一対の電極の各電極
上に形成され、かつ所定のギャップを介して設けられた
２層の感圧抵抗材料とを備え、前記第１又は第２のベー
スフィルムを介して印加される圧力に応じて、前記一対
の電極の少なくとも一方と前記１層の感圧抵抗材料の間
の接触状態、あるいは前記２層の感圧抵抗材料の間の接
触状態が変化することにより、前記一対の電極間の抵抗
が変化する感圧センサに用いられる感圧抵抗体であっ
て、前記感圧抵抗材料は、バインダー樹脂と粒状の導電
材料との混合物であって、前記導電材料は導電性粒子の
表面がポリマーによって被覆されているものであること
を特徴とする感圧抵抗体である。

【０００６】感圧センサにおいては、感圧感度及び感圧
精度が重要な性質である。感圧抵抗材料層とこれとギャ
ップをおいて配置された電極又は感圧抵抗材料とを有す
る感圧センサにおいては、圧力に対する上下の導電体
（又は抵抗体）の表面接触抵抗変化が現れることによ
り、圧力を検知することが可能となる。しかしながら、
センサの感度をさらに向上させるためには、圧力に対す
る体積抵抗変化の範囲を大きく取ることが重要な課題と
なる。

【０００７】請求項１に記載の発明によれば、感圧抵抗
材料層とこれとギャップをおいて配置された電極又は感
圧抵抗材料とを有するから、圧力に対する上下の導電体
（又は抵抗体）の表面接触抵抗変化が現れることによ
り、圧力を検知することが可能である。この感圧感度は
圧力の低いときに現れ、圧力が更に高くなると、接触面
積が飽和してくるため抵抗変化が少なくなってきて、こ
の機構による感圧感度は低下する。ところが本発明では
更に、導電性粒子はその表面に極薄いポリマー層を被覆
しているため、初期的にトンネル伝導を起こし易い状況
を形成している。このためわずかな変位においても、抵
抗変化として現れ、感度を高めることができる。これら
両方の効果により、広い圧力範囲においてリニアな抵抗
値変化を得ることができ、感圧感度を高めることができ
る。

【０００８】前記導電性粒子としては、Ａｇ、Ｃｕ、そ
の合金等の金属粒子、Ｓ_nＯ₂等の半導体酸化物、カーボ
ンブラック等を使用することができる。請求項２に記載
の発明は、この内、カーボンブラックを使用することを
内容とする。カーボンブラックは、導電性粒子として、
ストラクチャー構造が発達していること、および表面に
官能基が存在するためにポリマー被覆を行ない易いこと
から好適である。

【０００９】請求項３に記載の発明によれば、前記導電
性粒子の粒径は８〜３００nmが好ましい。この範囲より
小さくても大きくても、ポリマーを均一に被覆するのが
困難になりうる。

【００１０】この導電性粒子を被覆するポリマーとして
は、たとえばフェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹
脂、キシレン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ
樹脂、ウレタン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂等の熱硬化
性樹脂が好ましく、これらは単独で、又は二種以上を混
合して用いることができる。前記熱硬化性樹脂のうち、
フェノール樹脂、キシレン樹脂、エポキシ樹脂、なかん
ずくエポキシ樹脂が耐熱性に優れるので特に好ましい。
具体的なエポキシ樹脂の例としては、住友化学（株）製
の「スミエポキシ」ＥＬＭ−４３４、ＥＬＭ−１２０、
ＥＬＭ−１００等、ジャパンエポキシレジン（株）製の
「エピコート」１０３２Ｈ６０、１０３１、１５４、６
３０、１８０Ｓ６５等が挙げられる。

【００１１】この導電性粒子を前記ポリマーで被覆する
方法に特に制限はないが、例えば導電性粒子及び前記ポ
リマーの配合量を適宜調整したのち、前記ポリマーとシ
クロヘキサノン、トルエン、キシレンなどの溶剤とを混
合して溶解させた前記ポリマー溶液と、導電性粒子及び
水を混合した懸濁液とを混合攪拌し、導電性粒子と水と
を分離させた後、加熱混練して得られた組成物をシート
状に成形し、粉砕した後乾燥させる方法；前記と同様に
して調製した樹脂溶液と懸濁液とを混合攪拌して導電性
粒子及び前記ポリマーを粒状化したのち、得られた粒状
物を分離する方法；導電性粒子の表面に反応性官能基を
付与した後前記ポリマーを添加してドライブレンドする
方法；前記ポリマーを構成する反応性基含有モノマー成
分と水とを高速攪拌して懸濁液を調製し、重合後冷却し
て重合体懸濁液から反応性基含有樹脂を得たのち、これ
に導電性粒子を添加して混練し、導電性粒子と反応性基
とを反応させ、冷却及び粉砕する方法等を採ることがで
きる。

【００１２】請求項４に記載の発明によれば、前記導電
性粒子に被覆されるポリマーの厚みは１０〜２０nmが好
ましい。この厚さを達成するために、ポリマーの量を導
電性粒子とバインダー樹脂の合計量に対して１〜７０質
量％使用するのが好ましい。この範囲より小さくなる
と、被覆の効果が小さくなり、感圧抵抗材料の感圧感度
が低くなる。また、この範囲より大きくなると、導電材
料の抵抗値が大きくなり、感圧抵抗材料の所望の初期抵
抗値が得られにくい。

【００１３】典型的には、前記感圧抵抗材料を形成する
ためには、前記被覆された導電性粒子（導電材料）をバ
インダー樹脂及びこのバインダー樹脂を溶解あるいは希
釈する溶剤等で充分に混合、分散してペーストとなし、
これを電極に印刷する。その後、乾燥させ、必要に応じ
て硬化させる（熱硬化樹脂の場合）。熱硬化の場合、バ
ッチ炉、ベルト炉、遠赤外炉等が使用可能である。

【００１４】前記バインダー樹脂として、ペースト化が
可能なエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹
脂アミノ樹脂、ウレタン樹脂の１種類または２種類以上
の混合、ならびに硬化剤、触媒の併用が可能である。前
記導電材料とバインダー樹脂との配合割合は、目的とす
る抵抗値に応じて適宜調整されうる。

【００１５】前記溶剤としては、たとえば、メチルエチ
ルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン
等のケトン系溶剤、トルエン、キシレン、「ソルベンツ
１００」（エッソ社製）等の芳香族炭化水素系溶剤、酢
酸エチル、酢酸ブチル、セロソルブアセテート等のエス
テル系溶剤、セロソルブ、ブチルセロソルブ、ブチルカ
ルビトール等のエーテル系溶剤、イソプロピルアルコー
ル、ノルマルブタノール、イソブタノール等のアルコー
ル系溶剤の１種、または２種以上の混合溶剤が使用され
る。この内で、バインダー樹脂との相溶性を考慮して選
定される。その添加量は、目的とするペーストの粘度に
応じて適宜調整される。

【００１６】前記導電材料の分散性を改善するものとし
て、分散剤を加えてもよい。また、感圧特性を補助する
ものとして、球状の充填材等を添加してもよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】実施形態例１導電性粒子としての一次粒子径８〜３００nmのカーボン
ブラック及び水を混合した懸濁液と、エポキシ樹脂をト
ルエンに混合して溶解させたエポキシ樹脂溶液とを混合
攪拌し、カーボンブラック及びエポキシ樹脂を粒状化し
たのち、得られた粒状物を分離する方法によりポリマー
で被覆されたカーボンブラックを得る。

【００１８】バインダー樹脂及び溶剤を、化学天秤で秤
り取り配合した後、よく溶解せしめ、上記のようにして
ポリマーで被覆されたカーボンブラック及び分散剤を加
え、抵抗配合物を作製する。次に、この配合物を、ボー
ルミル或いは３本ロールミル等の混合機にてよく分散せ
しめ、その後、らいかい機等の混練機にて粘度を調整し
て、抵抗ペーストとなす。この抵抗ペーストを用い、ス
クリーン印刷法にて、電極を形成してあるポリエチレン
テレフタエレートフィルム上に数μｍ〜数十μｍの膜厚
にてパターンニングした後、１２０〜２００℃の範囲の
温度域で０．５〜３Ｈｒの保持時間にて硬化し、感圧抵
抗膜及びそれを有する基板あるいはフィルムを形成す
る。

【００１９】この感圧抵抗膜を形成したフィルムを、数
十μｍ〜数百μｍの範囲の厚みを有するスペーサフィル
ムの両面に配置することにより感圧抵抗体又は感圧セン
サを形成する。これを図１に示す。この図において、１
はベースフィルム、２は電極、３は感圧抵抗材料、４は
スペーサである。５は電極２とつながっているリード線
であり、これによって感圧センサが形成される。

【００２０】この感圧抵抗体を押圧していくと、上下の
感圧抵抗材料が部分的に接触し始め、圧力に対して接触
抵抗が支配的に変化する。更に圧力を加えると上下の感
圧抵抗材料が全体的に接触し、接触抵抗値は飽和に達す
る。一方で上下の感圧抵抗材料の接触押圧によって各感
圧抵抗材料中に圧力変形が生じる。この圧力が大きくな
るに従って図２に示すように、ポリマー７によって被覆
された導電性粒子６からなる導電材料８に接触圧力がか
かり、図示の２つの導電材料８の間の距離が小さくなっ
て２つの導電性粒子６の間のトンネル伝導が大きくな
り、導電性が増す。これが本発明の感圧抵抗体又は感圧
センサが広い範囲でリニアな抵抗値変化を得ることがで
きる機構である。これに対して、もし、前記ポリマー被
膜がないと、図３に示すように、圧力が低くても高くて
も導電性粒子間の接触状態に大きな変化は生ぜず、抵抗
変化は非常に小さい。

【００２１】なお、上記実施形態例においては、２つの
ベースフィルムにそれぞれ電極を設け、その各電極上に
形成した感圧抵抗材料をギャップを介して対面させた抵
抗体対面構造について説明したが、これを変形してどち
らか一方の電極上にのみ感圧抵抗材料を形成してもよ
い。この場合、圧力の印加により、感圧抵抗材料と感圧
抵抗材料が形成されていない電極とが接触し、その接触
状態の変化及び感圧抵抗材料の内部状態の変化により、
抵抗値が変化することになる。

【００２２】実施形態例２本発明の他の実施形態例にかかる感圧抵抗体又は感圧セ
ンサにつき、図４、５を用いて説明する。本例の感圧抵
抗体１０は図４、５に示す如く、いわゆるショーティン
グバー構造のものであって、第１のベースフィルム１１
の上に設けられた電極１３と、第２ベースフィルム１２
上に設けられた感圧抵抗材料１４とを有し、上記電極１
３と上記感圧抵抗材料１４とを対面させると共に、両者
のギャップを設けるためのスペーサ１５を上記２つのベ
ースフィルム１１、１２の間に設けてなる。そして、上
記スペーサ１５はスクリーン印刷により配設してなる。
そして、上記スペーサ１５はスクリーン印刷により設け
てなる粘着剤である。

【００２３】図５には、上記第１のベースフィルム１１
と第２のベースフィルム１２とを展開した図を示してあ
る。同図に示す如く、電極１３は、半円状の一対の基部
１３１、１３２から櫛歯状に伸びた枝電極１３３、１３
４を設けてなる。各基部１３１、１３２は、外部に接続
されるリード線部１３５、１３６にそれぞれ接続されて
感圧センサを形成するようになっている。感圧抵抗材料
１４は、上記電極１３１、１３２の内径よりも小さい外
径の円形状に設けた。また、スペーサ１５は、上記電極
１３の基部１３１、１３２に重なるように、かつ、上記
感圧抵抗材料１４を囲うようにＣ字状に設けた。

【００２４】（実施例１、比較例１）実施例１は、上記
実施形態例１に述べた方法で感圧センサを作製した。な
お、導電性粒子として粒径約４０nm、ストラクチャー
（ＤＢＰ吸収量）約１６０mL／１００ｇの三菱化学
（株）製カーボンブラックを用いた。被覆ポリマーとし
て、ジャパンエポキシレジン（株）製の「エピコート」
１０３２Ｈ６０を用いた（被覆方法は前述の実施形態例
１によった）。前記ポリマーの被覆量は前記カーボンブ
ラックとバインダー樹脂の合計量の１０質量％とした
（平均厚さは１０nmであった）。バインダー樹脂として
ポリエステル樹脂を用い、前記カーボンブラックの前記
バインダー樹脂に対する比率は２０質量％とした。ベー
スフィルムはポリエチレンテレフタレートフィルムと
し、電極はＡｇ電極とした。また、比較として未被覆カ
ーボンブラックを用いて同様にして感圧センサを作製し
た。本発明の効果は感圧センサでの感圧特性で示す。そ
の結果を図６に示す。図６から、本発明の感圧センサは
比較例に較べて、広い範囲でリニアな抵抗値変化を示し
ていることが明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態例１の感圧抵抗体ないし感圧
センサの断面図。

【図２】本発明における２つの導電性粒子が加圧により
接近していきトンネル伝導により導電性が増していく様
子を示す断面図。

【図３】被覆ポリマーのない２つの導電性粒子が加圧さ
れたとき、導電性がさほど変化しないことを説明する断
面図。

【図４】本発明の実施形態例２の感圧抵抗体ないし感圧
センサの断面図。

【図５】本発明の実施形態例２の感圧抵抗体ないし感圧
センサの第１のベースフィルムと第２のベースフィルム
とを展開した図。

【図６】実施例１と比較例１の面圧に対する感圧抵抗値
の変化を示すグラフ。

【符号の説明】

１、１１、１２…ベースフィルム２、１３…電極３、１４…感圧抵抗材料４、１５…スペーサ５、１３５、１３６…リード線６…導電性粒子７…被覆ポリマー８…導電材料１０…感圧抵抗体１３１、１３２…基部電極１３３、１３４…枝電極

フロントページの続き (71)出願人 000242633 北陸電気工業株式会社富山県上新川郡大沢野町下大久保3158番地 (72)発明者都外川真志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)発明者渡辺朋泰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)発明者中山守三重県四日市市東邦町１番地三菱化学株式会社内 (72)発明者長尾忠俊神奈川県横浜市緑区青砥町450 ザ・インクテック株式会社内 (72)発明者石山一郎富山県上新川郡大沢野町下大久保3158 北陸電気工業株式会社内Ｆターム(参考） 5E030 AA20 BA29 CA01 CE05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１のベースフィルムと第２のベースフ
ィルムの間に、一対の電極と、この一対の電極の少なく
とも一方と所定のギャップを介して電極上に設けられた
１層の感圧抵抗材料、又は前記一対の電極の各電極上に
形成され、かつ所定のギャップを介して設けられた２層
の感圧抵抗材料とを備え、前記第１又は第２のベースフ
ィルムを介して印加される圧力に応じて、前記一対の電
極の少なくとも一方と前記１層の感圧抵抗材料の間の接
触状態、あるいは前記２層の感圧抵抗材料の間の接触状
態が変化することにより、前記一対の電極間の抵抗が変
化する感圧抵抗体であって、前記感圧抵抗材料は、バインダー樹脂と粒状の導電材料
との混合物であって、前記導電材料は導電性粒子の表面
がポリマーによって被覆されているものであることを特
徴とする感圧抵抗体。
【請求項２】前記導電性粒子がカーボンブラック粒子
であることを特徴とする請求項１に記載の感圧抵抗体。
【請求項３】前記導電性粒子の粒径が８〜３００nmで
あることを特徴とする請求項１又は２に記載の感圧抵抗
体。
【請求項４】前記導電性粒子の被覆量が導電性粒子と
バインダー樹脂の合計量に対して１〜７０質量％である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の感圧
抵抗体。
【請求項５】第１のベースフィルムと第２のベースフ
ィルムの間に、一対の電極と、この一対の電極の少なく
とも一方と所定のギャップを介して電極上に設けられた
１層の感圧抵抗材料、又は前記一対の電極の各電極上に
形成され、かつ所定のギャップを介して設けられた２層
の感圧抵抗材料とを備え、前記第１又は第２のベースフ
ィルムを介して印加される圧力に応じて、前記一対の電
極の少なくとも一方と前記１層の感圧抵抗材料の間の接
触状態、あるいは前記２層の感圧抵抗材料の間の接触状
態が変化することにより、前記一対の電極間の抵抗が変
化する感圧センサであって、前記感圧抵抗材料は、バインダー樹脂と粒状の導電材料
との混合物であって、前記導電材料は導電性粒子の表面
がポリマーによって被覆されているものであることを特
徴とする感圧センサ。