JP2003344185A

JP2003344185A - 感圧センサ

Info

Publication number: JP2003344185A
Application number: JP2002157341A
Authority: JP
Inventors: Wataru Tanaka; 田中　　渉; Takayuki Imai; 隆之今井; Toshifumi Nakajima; 敏文中嶋; Noriyo Yasuda; 憲世安田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2003-12-03

Abstract

(57)【要約】【課題】荷重−抵抗特性のバラツキが少なく、荷重、圧
力の変化に対して電気抵抗が滑らかに変化する特性を有
する感圧センサを得ることにある。【解決手段】上部基板１上に上部電極３を、下部基板２
上に下部電極４をそれぞれ設け、これら上部電極３上お
よび下部電極４上にそれぞれ感圧層９、７を設け、これ
ら感圧層９、７の合計厚さを１０〜１００μｍとする。
あるいは、いずれか一方の電極上に厚さ５〜５０μｍの
厚い感圧層を形成する。感圧層には、カーボンブラック
などの導電粒子と、平均粒径２〜５０μｍの球状弾性粒
子と、ポリエステル樹脂などのバインダを含む感圧ペー
ストをスクリーン印刷して形成した平均表面粗さが０．
１〜３μｍでありかつ表面凹凸周期のピークが１０〜
１，０００μｍであると共に、弾性率が８００〜８，０
００ＭＰａである感圧層を用いることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧力や荷重に応
じて電気抵抗が変化し、圧力、荷重を検知することがで
きる感圧センサに関し、その荷重−抵抗特性などの特性
のバラツキを抑えたものである。

【０００２】

【従来の技術】図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、従来の
感圧センサの例を示すものである。図３（ａ）におい
て、符号１は上部基板を、２は下部基板を示す。この上
部基板１および下部基板２は、ポリエチレンテレフタレ
ート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンスル
フィド、ポリエーテルイミド、ポリイミドなどからなる
厚さ５０〜２００μｍのプラスチックフィルムからなる
ものである。

【０００３】この上部基板１には上部電極３が、下部基
板２には下部電極４がそれぞれ設けられている。この上
部電極３および下部電極４は、ともにその平面形状が図
３（ｂ）、（ｃ）に示すように円形となっており、これ
ら電極３、４には、外部機器と接続される配線部５、６
が形成されている。

【０００４】この上部電極３、下部電極４および配線部
５、６は、厚さが０．１〜１０μｍの薄膜であり、スク
リーン印刷、蒸着、スパッタ、金属箔のエッチングなど
の手法によって形成されたものであるが、銀ペースト、
カーボンペーストなどの導電性ペーストをスクリーン印
刷で印刷、乾燥する方法がコスト的に有利であり、広く
採用されている。

【０００５】また、下部基板２の下部電極４上には、感
圧層７が設けられており、下部電極４は感圧層となって
いる。この感圧層７は、金属粒子、カーボンブラックな
どの導電性粉末と、ポリエステル樹脂、シリコーン樹
脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、合成ゴムなどのポリ
マーからなるバインダとを含むペーストをスクリーン印
刷などで印刷、乾燥してなる厚さ１〜１０μｍの薄膜で
ある。

【０００６】また、図中符号８は、ポリエチレンテレフ
タレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレン
スルフィド、ポリエーテルイミド、ポリイミドなどから
なる厚さ５０〜２００μｍのプラスチックフィルムから
なるスペーサーフィルムであり、このスペーサーフィル
ム８は、電極３、４に対応する位置に貫通孔が形成され
たもので、これを上部基板１および下部基板２の間に位
置決めして挟み込み、図示しない接着層により接合され
ている。

【０００７】このような感圧センサでは、上部電極３と
下部電極４とは常時離間され、いずれか一方の基板１、
２に荷重または圧力が印加されると、両電極３、４が接
触して導通し、荷重または圧力が増大するにつれて両電
極３、４間の接触面積が増加し、両電極３、４間の電気
抵抗が低下する。これにより、両電極３、４間の電気抵
抗を測定することにより荷重または圧力を検知すること
ができる。このような感圧センサは、例えば車両の着座
センサ、楽器のキーボード、ゲーム機などに使用されて
いる。

【０００８】ところで、このような構造の感圧センサに
あっては、個々のセンサ個体間での荷重−抵抗特性のバ
ラツキが大きくなると言う欠点がある。例えば、１つの
基板にセンサとして機能する電極が多数設けられている
製品では、これら電極間で上記荷重−抵抗特性が図４に
示すように大きなバラツキが生じることがある。

【０００９】また、電極が１個設けられている製品で
は、製品間で同様の特性のバラツキが生じることがあ
る。さらには、図４に示すように、ある荷重値において
急激に電気抵抗が低下する現象を生じることがある。こ
のような電気抵抗の急峻な変化は、荷重値の変化を測定
する際に重大な不都合となり、印加荷重と電気抵抗との
変化が直線的に（リニア）変化することが感圧センサと
して望ましい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】よって、本発明におけ
る課題は、荷重−抵抗特性のバラツキが少なく、荷重、
圧力の変化に対して電気抵抗が滑らかに変化する特性を
有する感圧センサを得ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに、請求項１にかかる発明は、少なくとも２つの電極
を無荷重時に離間させ、荷重印加時に接触させて電極を
導通させるとともに荷重の増加に伴って導通抵抗が低下
する感圧センサにおいて、電極の少なくとも１つが感圧
層とされ、その感圧層の厚さが５〜５０μｍとしたこと
を特徴とする感圧センサである。

【００１２】請求項２にかかる発明は、少なくとも２つ
の電極を無荷重時に離間させ、荷重印加時に接触させて
電極を導通させるとともに荷重の増加に伴って導通抵抗
が低下する感圧センサにおいて、互いに接触する２以上
の電極が感圧層とされ、その感圧層の合計厚さが１０〜
１００μｍとしたことを特徴とする感圧センサである。

【００１３】請求項３にかかる発明は、感圧層が、平均
表面粗さ０．１〜３μｍで、表面凹凸周期のピーク１０
〜１０００μｍで、弾性率８００〜８０００ＭＰａであ
ることを特徴とする請求項１または２記載の感圧センサ
である。請求項４にかかる発明は、感圧層が、導電粒子
とバインダと平均粒径２〜５０μｍの球状弾性体を含む
ことを特徴とする請求項１または２記載の感圧センサで
ある。

【００１４】請求項５にかかる発明は、前記弾性粒子は
有機弾性フィラーであることを特徴とする請求項４記載
の感圧センサである。請求項６にかかる発明は、前記弾
性粒子の平均粒径が１３〜２０μｍであることを特徴と
する請求項４記載の感圧センサである。

【００１５】請求項７にかかる発明は、前記導電粒子は
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４記載の感圧センサである。請求項８に
かかる発明は、前記バインダの少なくとも一部にポリエ
ステル樹脂を含むことを特徴とする請求項４記載の感圧
センサである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳しく説明する。
従来の感圧センサにおける上述の荷重−抵抗特性のバラ
ツキ等の不都合は、上部電極３をなす導電性ペースト中
の銀粒子、カーボンブラックなどの導電性粒子が凝集し
た塊が上部電極３の表面に突出することあるいは同様の
塊が上部電極３の内部に存在することが原因であること
が、本発明者の検討の結果、判明した。

【００１７】すなわち、このような良導電性の塊が上部
電極３の表面層あるいは内部に存在すると、これに荷重
を印加し、上部電極３が下部電極４上の感圧層７に接触
した際に、塊が感圧層７を突き抜け、下部電極４に近づ
き、この部分での電気的パスが短くなり、抵抗値が急激
に低下する。また、上部電極３の内部に塊が存在する
と、上部電極３が感圧層７に接触したときに感圧層７が
部分的に大きく圧縮されてやはりその部分での電気的パ
スが短くなり、電気抵抗が急激に低下するためである。

【００１８】このような上部電極３に良導電性の塊が存
在することに起因する現象を解決するため、本発明で
は、図１に例示するように、上部電極３上にも感圧層９
を設け、両方の感圧層７、９の合計の厚さを１０〜１０
０μｍにする。また、下部電極４上の感圧層７の厚さを
従来のものより厚くし、５〜５０μｍとする。

【００１９】図１は、この発明の感圧センサの一例を示
すもので、先に示した従来の感圧センサと同一構成部分
には同一符号を付してその説明を省略する。この例で
は、上部電極３上に上部感圧層９を設け、下部電極４上
に感圧層７の厚さと上部感圧層９の厚さの合計を１０〜
１００μｍにしたものである。この合計厚さが１０μｍ
未満では上記特性改善効果が得られず、１００μｍを越
えると、コストが嵩み、不利となる。

【００２０】また、本発明では、図３に示した構造の感
圧センサにおいて、下部電極４上の感圧層７の厚さを５
〜５０μｍとすることによっても上記特性を改善するこ
とができる。この厚さが５μｍ未満では上記特性改善効
果が得られず、５０μｍを越えるとコストが嵩み、不利
となる。また、下部電極４上には感圧層７を設けず、上
部電極３上に感圧層７を設け、この感圧層７の厚さを１
０〜１００μｍの範囲としてもよい。

【００２１】本発明において用いられる感圧層７、９と
しては、特に限定されず、従来の感圧センサの感圧層を
構成する感圧ペーストをスクリーン印刷などで印刷する
などして形成したものを用いることができるが、なかで
も本出願人が先に特許出願している特願２００１−２２
４８０９号に開示の感圧層が好ましい。以下、この先願
発明に記載の感圧層について説明する。

【００２２】この感圧層は、平均表面粗さが０．１〜３
μｍ以下であり、かつ表面凹凸周期のピークが１０〜
１，０００μｍであると共に、弾性率が８００〜８，０
００ＭＰａのものである。ここで、表面凹凸周期とは、
表面粗さをフーリエ変換した場合にピーク強度を示す周
期をいう。

【００２３】平均表面粗さが０．１μｍ未満である場合
には、感圧層と電極との接触初期の低荷重域での抵抗の
変化が急峻となり、測定可能な荷重範囲を広くとれな
い。逆に、平均表面粗さが３μｍを超える場合には、加
重−抵抗特性が滑らかな曲線にならない。

【００２４】表面凹凸周期が１０μｍ未満である場合に
は、低荷重域での抵抗値の変化が急峻となり、測定可能
な荷重範囲を広くとれない。逆に、表面凹凸周期が１，
０００μｍを超える場合には、測定可能な荷重範囲を広
くとれない。

【００２５】弾性率が８００ＭＰａ未満である場合に
は、良好な荷重−抵抗特性を得ることができる反面、耐
熱性、耐湿性および打鍵耐久性などが悪化してしまう。
逆に、弾性率が８，０００ＭＰａを超える場合には、感
圧層が電極と接触する際に、接触状態が不均一になるた
め、荷重−抵抗特性が滑らかな曲線にならない。

【００２６】このような感圧層は、導電粒子と弾性粒子
とバインダとを含むものである。導電粒子としては、例
えば金属粒子、インジュウムドープ酸化スズなどの半導
体粒子および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粉末もし
くはカーボンブラックを好適に使用できる。バインダ１
００重量部に対する導電粒子の配合量は、２〜２００重
量部、好ましくは５〜１００重量部の範囲とされる。こ
の範囲での配合により、適度な感圧層の比抵抗が得ら
れ、荷重による抵抗値の変化が現れ易くなるという効果
を得ることができる。

【００２７】弾性粒子としては、平均粒径が２〜５０μ
ｍ、好ましくは１３〜２０μｍの実質的に球体である有
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、
アクリル系、スチレン系、ウレタン系などのポリマーや
ナイロン６、ナイロン１１、ナイロン１２などからなる
球状粒子を特に好適に使用できる。バインダ１００重量
部に対する弾性粒子の配合量は、２〜２００重量部、好
ましくは５〜１００重量部の範囲とされる。この範囲で
の配合により、感圧センサに用いられる感圧層にとって
必要とされる表面粗さ、表面凹凸周期および弾性率を得
ることができる。

【００２８】バインダとしては、例えばシリコーン樹
脂、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、アクリル樹脂などの使用が可能
であるが、少なくともポリエステル樹脂、なかでも共重
合ポリエステル樹脂を含むバインダが接着性が高く好適
に使用される。また、バインダとして架橋系のものでも
良く、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、アミン化合物が適宜配合される。

【００２９】特に、弾性粒子として、平均粒径１３〜２
０μｍのものを用い、感圧層中の弾性粒子の存在量が体
積比で１０〜１６％となるようにした感圧層が、荷重−
抵抗特性が良好になり、低荷重領域での抵抗値の変化が
なだらかになって、実質的な測定範囲が拡大される。ま
た、同時に荷重−抵抗特性のバラツキが小さくなる。

【００３０】この感圧層は、上述した導電粒子、バイン
ダ、弾性粒子などの必須成分と必要に応じて加えられる
添加成分を、エステル系溶媒、ケトン系溶媒、芳香族系
溶媒などの有機溶媒に溶解し、分散して得た感圧ペース
トをスクリーン印刷などにより上部電極３または下部電
極４上に印刷、乾燥して形成される。

【００３１】以上のような先願発明に開示の感圧層を用
いることで、低荷重域における荷重変化に対して抵抗が
緩やかに変化し、測定可能範囲が広いものとなり、さら
に耐環境性、打鍵耐久性が優れたものとなる利点があ
る。

【００３２】このような感圧センサにあっては、上部電
極３または下部電極４に良伝導性の塊が存在し、この塊
がその表面もしくは内部にあっても、荷重が印加され、
両電極３、４が接触した際に、感圧層の実質的な厚さが
厚くなっているため、その塊の影響が緩和され、局部的
に電気的パスが短くなることが少なくなり、荷重−抵抗
特性のバラツキが図２に示すように小さくなるとともに
電気抵抗の荷重変化による変化も滑らかなものとなる。

【００３３】本発明では、図１に示した電極が２個互い
に対峙して設けられたタイプの感圧センサに限定され
ず、例えば、下部基板２に一対の櫛歯状の電極を離間し
て形成し、これら櫛歯状電極に接続する２本の配線部を
設け、上部基板１に円板状の電極を設け、この円板状の
電極を押圧して、一対の櫛歯状電極に接触せしめ、これ
により一対の櫛歯状電極間を導通させるようにした構造
のものにも適用できる。

【００３４】またさらに、上部電極３または下部電極４
のいずれか一方もしくは両方を感圧層としてもよい。す
なわち、これら電極の形成を感圧ペーストの印刷により
行い、電極と感圧層とを兼ねるようにしてもよい。

【００３５】以下、具体例を示す。（例１）厚さ１００μｍのポリエチレンテレフタレート
フィルムに銀ペーストを用い、スクリーン印刷により、
厚さ１０μｍ、径１０ｍｍの円形の電極を２０個形成し
た。この電極上に、感圧ペーストをスクリーン印刷によ
り印刷して、厚さ１０μｍ、径１０ｍｍの円形の感圧層
を設けた。

【００３６】上記感圧ペーストは、ポリエステル樹脂１
００重量部と、カーボンブラック２０重量部と、球状ウ
レタン樹脂粒子（平均粒径２０μｍ）２０重量部と、イ
ソシアネート系硬化剤５重量部をシクロヘキサノンに溶
解、分散した固形分３０ｗｔ％のものである。また、形
成された感圧層は、表面粗さが０．４μｍ、表面凹凸周
期５５μｍ、弾性率４１００ＭＰａであった。

【００３７】このポリエチレンテレフタレートフィルム
を２枚、厚さ１００μｍの両面に粘着剤層が形成された
ポリエチレンテレフタレートフィルムからなるスペーサ
ーフィルムを間に挟んで接着し、接点数２０個の感圧セ
ンサ製品を作製した。

【００３８】この感圧センサ製品の個々の接点の荷重−
抵抗特性を測定したところ、図２に示すような特性が得
られ、個々の接点間の荷重−抵抗特性のバラツキが小さ
く、かつ荷重の変化に応じる電気抵抗の変化が滑らかで
ることが判った。

【００３９】（例２）また、感圧層の厚さを４０μｍと
した以外は例１と同様にして、接点数２０個の感圧セン
サ製品を作成し、各接点の荷重−抵抗特性を測定したと
ころ、同様に図２に示すような結果が得られ、個々の接
点間の荷重−抵抗特性のバラツキが小さく、かつ荷重の
変化に応じる電気抵抗の変化が滑らかでることが判っ
た。

【００４０】（例３）厚さ２０μｍの感圧層を一方の電
極上にのみ形成し、他方の電極には感圧層を形成しない
以外は例１と同様にして、接点数２０個の感圧センサ製
品を作成し、各接点の荷重−抵抗特性を測定したとこ
ろ、同様に図２に示すような結果が得られ、個々の接点
間の荷重ー抵抗特性のバラツキが小さく、かつ荷重の変
化に応じる電気抵抗の変化が滑らかでることが判った。

【００４１】（例４）厚さ３μｍの感圧層を一方の電極
上にのみ形成し、他方の電極には感圧層を形成しない以
外は例１と同様にして、接点数２０個の感圧センサ製品
を作成し、各接点の荷重−抵抗特性を測定したところ、
図４に示すような特性が得られ、荷重−抵抗特性のバラ
ツキが激しく、荷重変化による抵抗変化が急峻に変化す
るものであつた。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の感圧セン
サによれば、電極間での荷重−抵抗抵抗のバラツキが小
さいものとなる。また、ある荷重値において急激に抵抗
が低下する現象が生じなくなり、荷重変化に対して滑ら
かに抵抗が変化するものとなる。

【００４３】さらに、感圧層として先願発明に記載のも
のを用いると、低荷重域における荷重変化に対して抵抗
が緩やかに変化し、測定可能範囲が広いものとなるとと
もに耐環境性、打鍵耐久性が優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の感圧センサの一例を示す概略断面図で
ある。

【図２】本発明の感圧センサの荷重−抵抗特性を示す図
表である。

【図３】従来の感圧センサの一例を示すもので、（ａ）
は２つの電極を用いる感圧センサを示す概略断面図であ
り、（ｂ）は（ａ）での上部基板に形成された電極およ
び配線のパターンを示す平面図であり、（ｃ）は（ａ）
での下部基板に形成された電極及び配線のパターンを示
す平面図である。

【図４】従来の感圧センサの荷重−抵抗特性を示す図表
である。

【符号の説明】

３・・・上部電極、４・・・下部電極、７、９・・・感
圧層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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)発明者安田憲世東京都江東区木場一丁目５番１号株式会社フジクラ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２つの電極を無荷重時に離間さ
せ、荷重印加時に接触させて電極を導通させるとともに
荷重の増加に伴って導通抵抗が低下する感圧センサにお
いて、電極の少なくとも１つが感圧層とされ、その感圧層の厚
さが５〜５０μｍとしたことを特徴とする感圧センサ。
【請求項２】少なくとも２つの電極を無荷重時に離間さ
せ、荷重印加時に接触させて電極を導通させるとともに
荷重の増加に伴って導通抵抗が低下する感圧センサにお
いて、互いに接触する２以上の電極が感圧層とされ、その感圧
層の合計厚さが１０〜１００μｍとしたことを特徴とす
る感圧センサ。
【請求項３】感圧層は、平均表面粗さが０．１〜３μｍ
で、表面凹凸周期のピークが１０〜１０００μｍで、弾
性率が８００〜８０００ＭＰａであることを特徴とする
請求項１または２記載の感圧センサ。
【請求項４】感圧層が、導電粒子とバインダと平均粒径
２〜５０μｍの球状弾性体を含むことを特徴とする請求
項１または２記載の感圧センサ。
【請求項５】前記弾性粒子は有機弾性フィラーであるこ
とを特徴とする請求項４記載の感圧センサ。
【請求項６】前記弾性粒子の平均粒径が１３〜２０μｍ
であることを特徴とする請求項４記載の感圧センサ。
【請求項７】前記導電粒子は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４記載の感
圧センサ。
【請求項８】前記バインダの少なくとも一部にポリエス
テル樹脂を含むことを特徴とする請求項４記載の感圧セ
ンサ。