JP2003139630A - 膜状感圧抵抗体および感圧センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電気抵抗値―荷重特性の温度変化に起因する変
動を小さくすることができる感圧センサおよびこの感圧
センサに用いられる膜状感圧抵抗体を得る。 【解決手段】上部回路基板２と下部回路基板３とにそれ
ぞれ１以上の電極１１、１２、１３を相対峙するように
配置した感圧センサの上記電極の少なくとも１以上のも
のを、−４０℃から８５℃の温度範囲での任意の温度に
おいて、単位温度変化に対する電気抵抗値の変化率が０
％/℃以上５％/℃以下である膜状感圧抵抗体で形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、圧力や荷重に応じ
て電気抵抗値が変化する膜状感圧抵抗体およびこの膜状
感圧抵抗体を用いた感圧センサに関するものである。こ
の種の膜状感圧抵抗体は、圧力もしくは荷重の変化に応
じて電極間の接触状態が変化し、感圧センサ全体の電気
抵抗値が変化する性質を有している。

【０００２】このような膜状感圧抵抗体を利用した感圧
センサは、椅子に座った人の体重を検知するセンサや、
楽器や電子機器などの入力用センサに使用されている。
本発明は、特に、感圧センサにおける温度変化による電
気抵抗値の変動を小さく抑えたものである。

【０００３】

【従来の技術】この種の感圧センサの構造例を、図１お
よび図２を用いて説明する。図１においては、櫛歯状の
相対向する一対の電極１１、電極１２が上部回路基板２
に形成され、円板状の電極１３が下部回路基板３に形成
され、これら２の回路基板２、３が、互いにスペーサー
シート４により隔離され、相対峙した状態で貼り合わさ
れている。また、少なくとも一つの電極の全部もしくは
一部、たとえば電極１３全部は、膜状感圧抵抗体で構成
されている。

【０００４】図１に示した感圧センサ１に上部回路基板
２側から荷重を加えると、上部回路基板２が変形して下
部回路基板３と接触し、電極１１と電極１２が、電極１
３を介して導通状態となる。さらに荷重が増えてゆく
と、電気抵抗値が徐々に減少してゆく。

【０００５】図２は、他の感圧センサの構造例を示すも
のである。この例においては、円板状の電極１１と円板
状電極１３が相対して上部回路基板２と下部回路基板３
とにそれぞれ形成されており、電極１１と電極１３間
で、上記の例のものと同様に荷重により電気抵抗値が変
化するようになっている。この構造例でも、少なくとも
一つのの電極の全部もしくは一部は膜状感圧抵抗体で構
成されている。

【０００６】このような感圧センサの荷重に対する電気
抵抗値の変化の特性を、図３に例示する。図３に示すよ
うな電気抵抗値の変化は、感圧抵抗体と対向する電極と
の間の接触電気抵抗値の変化に起因していると考えられ
る（特公平２−４９０２９号公報参照）。このような感
圧センサの膜状感圧抵抗体を形成する感圧抵抗組成物と
しては、白金化合物を用いて表面処理した導電性金属粒
子を配合したシリコーンゴム組成物（特開昭５９−９８
１６４号公報）、酸化スズ、酸化アンチモン系酸化物な
どを配合した有機弾性体（特開昭６３−２１５７４５号
公報）などが開示されている。

【０００７】また、本出願人は先に平均表面粗さが０．
１μｍ以上３μｍ以下でありかつ表面凸凹周期が１０μ
ｍ以上１，０００μｍ以下であると共に、弾性率が８０
０ＭＰａ以上８，０００ＭＰａ以下であることを特徴と
する膜状感圧抵抗体を提案した（特願２０００−２７２
１３１号）。

【０００８】ところで、先に示した従来の感圧センサに
あっては、その電気抵抗値−荷重特性が、図４に示すよ
うに、その周囲温度によって大きく変化するという問題
があった。これは、上部回路基板２、下部回路基板３、
スペーサーシート４、粘着層などの各構成部材の弾性率
が、一般的に低温で高くなり（硬くなり）、高温で低く
なる（柔らかくなる）傾向を示すこと。また、感圧セン
サを設置した状態でこれに接する部材や被測定体の弾性
率も、同様に低温で高くなり、高温で低くなる場合があ
ること。これらの要因により、回路基板の変形による上
下部回路基板の接触面積が、同じ圧力が印加された場合
においても、高温では大きくなり、低温では小さくな
り、これによって高温では感圧センサの電気抵抗値が低
くなり、低温では感圧センサの電気抵抗値が高くなるた
めと考えられる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】よって、本発明が解決
しようとする課題は、膜状感圧抵抗体を有する感圧セン
サにおいて、電気抵抗値―荷重特性が温度変動に影響さ
れて大きく変化しないようにすることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる課題は、−４０℃
から８５℃の温度範囲での任意の温度において、単位温
度変化に対する電気抵抗値の変化率が、０％／℃以上５
％／℃以下である膜状感圧抵抗体を用いることで解決さ
れる。また、この膜状感圧抵抗体には、導電粒子、バイ
ンダ、平均粒径が２μｍ以上５０μｍ以下である球状の
弾性体が含まれていることが好ましい。

【００１１】

【作用】本発明者は、回路基板の変形状態の温度依存性
を有限要素法解析により推定するなどの検討を重ねた結
果、膜状感圧抵抗体の組成を適切に選定することによ
り、温度が変化した時の膜状感圧抵抗体の弾性率の変化
によるセンサの電気抵抗値の変化を補正し、センサ全体
の電気抵抗値の温度変化を小さくできることを見出し
た。

【００１２】すなわち、膜状感圧抵抗体の抵抗温度係数
が正値（高温になるに従って電気抵抗値が上がる）で適
切な範囲内であれば、上記のような、温度が変化した時
の膜状感圧抵抗体の弾性率の変化による感圧センサの電
気抵抗値の変化をキャンセルすることが出来る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。
本発明の膜状感圧抵抗体は、回路基板等の基材上に形成
され、荷重に応じて抵抗値が変化する膜状感圧抵抗体で
あって、その−４０℃から８５℃の温度範囲での抵抗温
度係数が、０％／℃以上５％／℃以下であるものであ
る。

【００１４】すなわち、膜状感圧抵抗体の温度変化に起
因する弾性率変化を補正して、電気抵抗値―荷重特性を
改善するためには、膜状感圧抵抗体における−４０℃か
ら８５℃の温度範囲における抵抗温度係数が０％／℃以
上５％／℃以下であり、好ましくは０．０２％／℃以上
３％／℃以下であり、さらには０．０５％以上２％以下
が好ましい。ここで抵抗温度係数とは、膜状感圧抵抗体
の単位温度変化に対する電気抵抗の変化率を言う。

【００１５】この抵抗温度係数が０％／℃未満では、電
気抵抗−荷重特性の温度変化による変動を補正すること
ができず、抵抗温度係数が５％／℃より大きいと、周囲
温度わずかな変動によっても上記特性が大きく変化し、
適正な補正ができなくなる。

【００１６】このような構成の膜状感圧抵抗体は、導電
粒子と弾性体とバインダを含むものが好ましい。導電粒
子としては、例えば金属粒子、半導体粒子、カーボン系
粒子などの使用が可能であるが、このカーボン系粒子と
してはグラファイトもしくはカーボンブラックが好まし
い。

【００１７】バインダとなる樹脂１００重量部に対する
導電粒子の配合割合は、２〜２００重量部、好ましくは
５〜１００重量部の範囲とされる。この配合範囲では、
適度の比抵抗が得られ、荷重による抵抗値の変化が現れ
やすくなるという効果を得ることができる。

【００１８】弾性体としては、平均粒径が２μｍ以上５
０μｍ以下の球状である有機弾性フィラーまたは無機酸
化物フィラーなどの使用が可能であり、有機弾性フィラ
ーとしてはシリコーン系、ウレタン系などのエラストマ
ーやアクリル系、スチレン系、ポリアミド系など樹脂か
らなる球状粒子が特に好ましい。

【００１９】バインダとなる樹脂１００重量部に対する
弾性体の配合割合は、２〜２００重量部、好ましくは５
〜１００重量部の範囲である。この範囲の配合により、
感圧センサに用いられる膜状感圧抵抗体に必要とされる
表面粗さ、表面凹凸周期および弾性率を得ることでき
る。

【００２０】バインダとなる樹脂としては、例えばシリ
コーンゴム、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノ
ール樹脂、ポリエステル樹脂などの使用が可能である。
なかでも、ポリエステル樹脂を含むバインダが、基材と
なる回路基板との接着性を向上させる点で好ましい。バ
インダとして架橋系のものでもよく、このための硬化剤
としては、例えば、イソシアネート化合物、アミン化合
物を適宜配合することができる。

【００２１】そして、膜状感圧抵抗体における−４０℃
から８５℃の温度範囲における抵抗温度係数を０％／℃
以上５％／℃以下とするには、この抵抗体を構成するバ
インダとなる樹脂の種類、導電粒子の種類、添加量、弾
性体の種類、添加量などを適宜選択あるいは組み合わせ
ることによって可能になる。

【００２２】膜状感圧抵抗体の抵抗温度係数は、導電粒
子自体の抵抗温度係数およびバインダの使用温度域での
熱膨張に起因する導電粒子間の距離の変化による抵抗値
の増加によって決められると考えられる。本発明のよう
に正の温度係数を得るには、バインダの熱膨張による導
電粒子間の距離の変化を利用する必要がある。すなわ
ち、かかる距離変化に起因する抵抗値の上昇が、導電粒
子間の相互作用や導電粒子の負の抵抗温度係数による抵
抗値の減少に打ち消されない必要がある。

【００２３】例えば、酸化スズ系半導体のような負の温
度係数が大きい導電粒子を使用する場合には、ガラス転
移温度が高いポリエステル樹脂、エポキシ樹脂をバイン
ダとすると、ガラス転移温度以下の温度域での上記距離
変化が小さく、これによる抵抗値の増加分が導電粒子の
負の温度係数による抵抗値の減少分に相殺され、負の抵
抗温度係数を示す。

【００２４】このため、酸化スズ系半導体を導電粒子と
して採用する場合には、ガラス転移温度が低くガラス転
移温度以上での温度域での熱膨張が大きいウレタンゴム
などをバインダとすることで、正の抵抗温度係数を得る
ことができる。また、カーボンブラック、グラファイト
は、酸化スズ等と比較して抵抗温度係数が大きいと予想
されるため、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂などのガ
ラス転移温度が高くこのガラス転移温度以下の温度域で
の熱膨張が小さいバインダを使用して、全体としては正
の抵抗温度係数を持つようになる。

【００２５】また、感圧センサとしての測定可能な荷重
範囲を広く取るために、膜状感圧抵抗体の平均表面粗さ
を０．１μｍ以上３μｍ以下とし、表面凸凹周期を１０
μｍ以上１，０００μｍ以下にするとともに、弾性率を
８００ＭＰａ以上８，０００ＭＰａ以下とすることが好
ましい。

【００２６】平均表面粗さが０．１μｍ未満である場合
には、膜状感圧抵抗体が対向電極と接触する際に、低い
荷重が印加された場合でも両者が面で接触し、ひいては
接触抵抗が低くなるため、接触初期の低荷重域での抵抗
値の変化率が激しくなり、測定可能な荷重範囲を広くと
れない。

【００２７】逆に、平均表面粗さが３μｍを越える場合
には、膜状感圧抵抗体が対向電極と接触する際に、接触
状態が不均一になるため、抵抗−荷重曲線が滑らかな曲
線にならず、段差が生じてしまう。このため、平均表面
粗さは、０．１μｍ以上、３μｍ以下、好ましくは０．
２μｍ以上、３μｍ以下とされる。

【００２８】表面凹凸周期とは、表面粗さをフーリエ変
換したときのピーク強度の周期を言う。この表面凹凸周
期が１０μｍ未満である場合には、膜状感圧抵抗体が対
向電極と接触する際に、低い荷重が印加された場合でも
両者が面で接触し、ひいては接触抵抗が低くなるため、
接触初期の低荷重域での抵抗値の変化率が激しくなり、
測定可能な荷重範囲を広くとれない。

【００２９】また、表面凹凸周期が１００μｍを越える
と、上述と同様に抵抗−荷重特性に段差が生じたり、接
触初期の低荷重域での抵抗−荷重特性の変化率が激しく
なり、測定可能な荷重範囲を広くすることができない。
このため、表面凹凸周期は、１０μｍ以上、１０００μ
ｍ以下、このましくは２０μｍ以上、５００μｍ以下と
される。

【００３０】さらに、弾性率が８００ＭＰａ未満である
と、良好な抵抗−荷重特性を得ることができる反面、耐
熱性、耐湿性、打鍵耐久性などが悪化してしまう。逆
に、弾性率が８０００ＭＰａを越えると、膜状感圧抵抗
体が対向電極と接触する際に、接触状態が不均一とな
り、抵抗−荷重特性が滑らかにならず、段差を生じてし
まう。このため、弾性率は、８００ＭＰａ以上８０００
ＭＰａ以下、好ましくは１０００ＭＰａ以上８０００Ｍ
Ｐａ以下とされる。

【００３１】この膜状感圧抵抗体の平均表面粗さを０．
１μｍ以上３μｍ以下とし、表面凸凹周期を１０μｍ以
上１，０００μｍ以下にするとともに、弾性率を８００
ＭＰａ以上８，０００ＭＰａ以下とするには、この抵抗
体を構成するバインダとなる樹脂の種類、導電粒子の種
類、添加量、弾性体の種類、添加量などを適宜選択ある
いは組み合わせることによって可能になる。

【００３２】この感圧抵抗体は、例えば図１または図２
に示した従来から知られている感圧センサの少なくとも
一つの電極の一部または全部に使用可能である。

【００３３】この膜状感圧抵抗体を組み込んだ感圧セン
サにおける上部回路基板、下部回路基板としては、ポリ
エチレンテレフタレートフィルム、ポリエチレンナフタ
レートフィルム、ポリフェニレンサルファイドフィル
ム、ポリエーテルイミドフィルム、ポリイミドフィルム
などが使用でき、感圧センサに要求される耐熱性などに
応じて適宜選択できる。

【００３４】上部回路基板および下部回路基板に形成さ
れる電極のうち、上記膜状感圧抵抗体以外の部分は、ス
クリーン印刷法、蒸着法、スパッタ法、金属箔のエッチ
ング法などにより形成することができるが、銀、カーボ
ンインキ等の導電性インキを印刷後、乾燥することによ
り形成するのが一般的であり、コスト上も有利である。

【００３５】また、膜状感圧抵抗体についても、導電粒
子、バインダ、弾性体など必要成分を溶剤に溶解、分散
して得たインキ状組成物を印刷後、乾燥して形成するの
が好ましい。この膜状感圧抵抗体は、上部回路基板およ
び下部回路基板上に直接形成して電極全体を構成しても
良く、あるいは各電極上に形成して各電極構造の一部と
しても良い。

【００３６】以上のように、上述の膜状感圧抵抗体を組
み込んだ感圧センサでは、図４に示すような電気抵抗−
荷重特性の温度変化に起因する変動を小さいものにする
ことができる。また、膜状感圧抵抗体の平均表面粗さを
０．１μｍ以上３μｍ以下とし、表面凸凹周期を１０μ
ｍ以上１，０００μｍ以下にするとともに、弾性率を８
００ＭＰａ以上８，０００ＭＰａ以下としたものでは、
測定可能な荷重範囲を広くでき、電気抵抗−荷重特性を
滑らかにすることができる。

【００３７】以下、具体例を挙げ、本発明を詳しく説明
する。これらの具体例は、本発明を限定するものではな
い。

【００３８】以下に示す手順により、図２に示すような
接点構造を有する感圧センサ１を作成した。最初に、上
部回路基板２（厚さ１００μｍのＰＥＴフィルム）の上
に、銀インキを印刷後、乾燥し、電極１１を得た。

【００３９】次に、図５に示すように、下部回路基板３
（厚さ１００μｍのＰＥＴフィルム）の上に、銀インキ
を印刷後、乾燥して円環状の銀回路６１を形成した。つ
いで、この銀回路６１上および銀回路６１で囲まれる回
路基板３上に、表１に示す配合組成の材料を溶剤に溶
解、分散させたインキを印刷後、乾燥して膜状感圧抵抗
体６２を形成し、円板状の構造の電極６を得た。

【００４０】膜状感圧抵抗体６２の抵抗温度係数は、以
下のようにして求めた。恒温槽中に、電気抵抗値が測定
可能なように電極を付けた膜状感圧抵抗体６２を置き、
毎分２℃の割合で−４５℃から９０℃まで昇温したとき
の感圧抵抗体の電気抵抗値を１分間隔で測定した。 こ
の測定結果から、−４０℃から８５℃における抵抗温度
係数の最小値（以下、「ＴＣＲmin」と呼ぶ）および最
大値（以下、「ＴＣＲmax」と呼ぶ）を求めた。この結
果を表１に示す。

【００４１】前記の上部回路基板２と下部回路基板３
を、スペーサーシート４（両面に粘着層５がついた総厚
約１００μｍのＰＥＴフィルム）と貼り合わせて、図２
の形状の感圧センサ１を得た。なお、スペーサーシート
４の開口径は１３ｍｍであった。

【００４２】雰囲気温度をそれぞれ２３℃、−１０℃、
６０℃とした状態で、このセンサの上部回路基板２上面
にエアにより２０ＫＰａの圧力を加え、端子間の電気抵
抗値を測定した。２３℃に電気抵抗値に対する、−１０
℃および６０℃での電気抵抗値の変化率を表１に示し
た。

【００４３】表１において、「ポリエステル樹脂」に
は、ガラス転移温度が６７℃、数平均分子量が１５００
０〜２００００のもの（「バイロン２００」商品名、東
洋紡社製）を使用した。「エポキシ樹脂」には、ビスフ
ェノールＡタイプのエポキシ当量１８４〜１９４で、ア
ミン系硬化剤による硬化後のガラス転移温度が約７０℃
のもの（「エピコート８２８」商品名、油化シェル社
製）を用いた。

【００４４】「ウレタンゴム」には、日本ポリウレタン
工業社製「Ｐ２２Ｓ」を使用した。「カーボンブラッ
ク」には、粒径５０ｎｍ、ファーネスブラック、（「３
０５０Ｂ」商品名、三菱化学社製）を使用した。「酸化
スズ系半導体」には、粒径０．１ｍｍ、（「Ｗ−Ｐ」商
品名、三菱マテリアル社製）を使用した。「球状ウレタ
ン粒子」には、根上工業製「アートパールＨＴ４００」
（商品名）を使用した。

【００４５】

【表１】

【００４６】表１より、実施例の感圧抵抗体はＴＣＲｍ
ｉｎ、ＴＣＲｍａｘいずれも正値であり、かつ、比較例
と比べてその値が大きいことが分かる。また、常温（２
３℃）に対する低温（−１０℃）、高温（６０℃）での
電気抵抗値の変化率は小さい。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の膜状感圧
抵抗体は、−４０℃から８５℃の温度範囲での抵抗温度
係数が、０％／℃以上５％／℃以下であるため、温度変
化による電気抵抗値の変化を小さく押さえることが出
来、感圧センサの電気抵抗値−荷重特性を改善できる。

【００４８】また、導電粒子と、バインダと、平均粒子
が２μｍ以上５０μｍ以下の球状弾性体とを含む膜状感
圧抵抗体では、電極とした時に適度な比抵抗が得られ、
荷重による抵抗値の変化が現れやすくなる。さらに、弾
性体として有機フィラーを用いた膜状感圧抵抗体では、
これに必要とされる表面粗さ、表面凹凸周期、弾性率が
得られる。

【００４９】また、導電粒子としてグラファイトまたは
カーボンを使用した膜状感圧抵抗体では、適度な比抵抗
が得られ、荷重による抵抗値の変化が生じやすい。さら
に、バインダの少なくとも一部にポリエステル樹脂を用
いれば、この膜状感圧抵抗体からなる電極の回路基板に
対する接着性を高めることができる。

【００５０】本発明の感圧センサによれば、電気抵抗−
荷重特性の温度変動に起因する変化を小さなものとする
ことができ、使用環境温度が変化してもそれに影響され
ず、安定した確実な動作を行うものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる感圧センサの構造の一例を示す
概略構成図である。

【図２】本発明にかかる感圧センサの構造の他の例を示
す構成図である。

【図３】膜状感圧抵抗体の抵抗−荷重特性を示すグラフ
である。

【図４】膜状感圧抵抗体における抵抗−荷重特性の温度
による変動を示すグラフである。

【図５】実施例の感圧センサの電極構造を示す概略構成
図である。

【符号の説明】 １…感圧センサ、１１、１２、１３…電極、２…上部回
路基板、３…下部回路基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野 朗伸 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 中嶋 敏文 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 高橋 克彦 千葉県佐倉市六崎1440番地 株式会社フジ クラ佐倉事業所内 (72)発明者 落合 俊夫 千葉県佐倉市六崎1440番地 株式会社フジ クラ佐倉事業所内 (72)発明者 小浜 信行 埼玉県北葛飾郡鷲宮町桜田五丁目13番１号 藤倉化成株式会社開発研究所内 (72)発明者 百武 信忠 埼玉県北葛飾郡鷲宮町桜田五丁目13番１号 藤倉化成株式会社開発研究所内 Ｆターム(参考） 3K086 AA10 BA08 CA01 3L086 AA01 CB02

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 −４０℃から８５℃の温度範囲での任意
   の温度において、単位温度変化に対する電気抵抗値の変
   化率が、０％／℃以上５％／℃以下であることを特徴と
   する膜状感圧抵抗体。
2. 【請求項２】 導電粒子、バインダ、平均粒径が２μｍ
   以上５０μｍ以下である球状の弾性体を含むことを特徴
   とする請求項１記載の膜状感圧抵抗体。
3. 【請求項３】 弾性体が有機弾性フィラーであることを
   特徴とする請求項２記載の膜状感圧抵抗体。
4. 【請求項４】 導電粒子が、グラファイトもしくはカー
   ボンブラックであることを特徴とする請求項２記載の膜
   状感圧抵抗体。
5. 【請求項５】 バインダの全部もしくは一部が、ポリエ
   ステル樹脂であることを特徴とする請求項２記載の膜状
   感圧抵抗体。
6. 【請求項６】 少なくとも２つの電極を無荷重時に離間
   させ、荷重印加時に電極間を導電させると共に、荷重の
   増加に伴い電気抵抗値が低下する感圧センサにおいて、 上記電極の少なくとも一方のうち少なくとも一部を、請
   求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の膜状感圧
   抵抗体で形成したことを特徴とする感圧センサ。