JP2004241276A

JP2004241276A - メンブレンスイッチおよび感圧センサ

Info

Publication number: JP2004241276A
Application number: JP2003029851A
Authority: JP
Inventors: Toshifumi Nakajima; 敏文中嶋; Akinobu Ono; 朗伸小野; Takayuki Imai; 隆之今井
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】環境温度変化に対して好ましい特性を有するメンブレンスイッチ並びに感圧センサ、特に温度依存特性に優れた感圧センサを提供することにある。
【解決手段】上部電極並びに下部電極を有する一対の電極シート状基材と、前記上・下電極が接触できるようにするための開口が形成されるようにスペーサシートが、前記一対の電極シート状基材間に挿入され、前記電極シート状基材と前記スペーサシートは粘着剤によって密着されているメンブレンスイッチにおいて、前記電極のいずれかはスリットが形成されていることによって、また前記電極の大きさを、前記開口に対して十分に小さなものとすることによって、さらには、前記上部電極並びに下部電極のいずれかが、感圧性材料によって形成されている感圧センサとすることによって、解決される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メンブレンスイッチ並びに感圧センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メンブレンスイッチや感圧センサは、対向して配置される一対のシート状基材の接点部に電極が設けられ、その間にはスペーサシートが挿入されて積層した構造からなるもので、接点部の電極が押圧力によって接触して導通するようになっている。そして前記電極の一方が感圧インク等により形成されたものは、押圧に応じて抵抗値が変化する感圧センサとして使用できる。また、前記電極シート状基材と前記スペーサシートは粘着剤等により密着されている。なお前記シート材料としては、ポリエチレンテレフタテート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルイミド樹脂（ＰＥＩ）、ポリイミド樹脂（ＰＩ）等が、また前記粘着剤としては、アクリル樹脂系、ウレタン樹脂系、シリコーン樹脂系等の粘着剤が通常使用されている。そして、このようなメンブレンスイッチや感圧センサは、環境温度によってその特性が影響を受けることが知られている。特に感圧センサは温度依存性に対する要求があり、その改良が望まれている。すなわち、前記構造の感圧センサは、感圧性インクの特性によってかなり影響されるので、前記感圧性インクについては種々の改良が加えられているが、温度特性（温度依存性）については、前記感圧性インクのみの改良だけでは完全ではなかった。このような技術に関しては、特許文献１が知られているが、しかし低温領域においては、前記電極シート状基材と前記粘着剤のなじみ（密着性）の問題が、大きく感圧特性に影響していることが判明した。そこで、前記粘着剤の特性や粘着剤の接着機構等についての検討が行われているが、未だ満足できるものは得られていない。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１５８１０３号公報
【０００４】
【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、環境温度変化に対して好ましい特性を有するメンブレンスイッチ並びに感圧センサ、特に温度依存特性に優れた感圧センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記解決しようとする課題は、請求項１に記載されるように、上部電極並びに下部電極を有する一対の電極シート状基材と、前記上・下電極が接触できるようにするための開口が形成されるように、スペーサシートが前記一対の電極シート状基材間に挿入され、前記電極シート状基材と前記スペーサシートは粘着剤によって密着されているメンブレンスイッチにおいて、前記電極のいずれかにはスリットが形成されているメンブレンスイッチとすることによって、解決される。また請求項２に記載されるように、前記電極のいずれかの大きさを、前記開口に対して十分に小さな電極としたメンブレンスイッチとすることによって、解決される。
【０００６】
また請求項３に記載されるように、前記上部電極並びに下部電極のいずれかが、感圧性材料によって形成されている感圧センサとすることによって、解決される。
【０００７】
さらに請求項４に記載されるように、前記感圧センサは、少なくとも前記電極シート状基材と前記粘着剤の境界部分に、微細な空隙部分が存在しないように密着されていることを特徴とする、請求項４に記載の感圧センサとすることによって、解決される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を説明する。まずメンブレンスイッチに関する発明について述べると、請求項１に記載されるように、上部電極並びに下部電極を有する一対の電極シート状基材と、前記上・下電極が接触できるようにするための開口が形成されるように、スペーサシートが前記一対の電極シート状基材間に挿入され、前記電極シート状基材と前記スペーサシートは粘着剤によって密着されているメンブレンスイッチにおいて、前記電極のいずれかにはスリットが形成されているメンブレンスイッチとすることによって、また請求項２に記載されるように、前記電極のいずれかの大きさを、前記開口に対して十分に小さな電極としたメンブレンスイッチとすることによって、前記メンブレンスイッチは温度特性を向上させ、安定した特性を示すメンブレンスイッチとすることができる。すなわち、前記電極が導電性のペースト等の材料から形成されたものは、温度依存性が大きく見られるので、前記のような構成の電極とすることによって、電極材料の硬度変化や熱収縮による影響を、小さくすることができるものである。
【０００９】
そして請求項１に記載されるように、前記電極のいずれかにスリットを設けることによって、この電極が硬度変化を起こして硬度が高くなった場合でも、スリット部分は変形可能であるから、与えられた圧力に対して機能を有することが可能となり、また熱収縮を生じてもその変化を吸収することができ、前記電極はその特性を維持することができることになる。また、請求項２に記載されるように、前記電極のいずれかの大きさを前記開口に対して十分に小さくすることによって、前記開口中の電極がない部分の変形によって硬度変化の影響を小さくし、また熱収縮する面積が縮小するため影響を小さくできる。そしてこのことにより、温度特性の小さなメンブレンスイッチを提供できることになる。
【００１０】
つぎに、感圧センサの場合について詳細に説明する。すなわち請求項３に記載されるように、前述の上部電極並びに下部電極を有する一対の電極シート状基材と、前記上・下電極が接触できるようにするための開口が形成されるように、スペーサシートが前記一対の電極シート状基材間に挿入され、前記電極シート状基材と前記スペーサシートは粘着剤によって密着されているメンブレン構造のスイッチにおいて、前記上部電極或いは下部電極のいずれかを、感圧性材料によって形成することによって、感圧センサとするものである。このような構成の感圧センサにおいて、前記電極のいずれかにスリットが形成されていること、また前記電極のいずれかの大きさを前記開口に対して十分に小さな電極とすること、具体的にはその面積を２５％以下とするか、あるいは前記電極のいずれかの大きさを前記開口径／前記電極径の値が２以上である電極構造とすることによって、前述のように温度依存特性を小さくでき、感圧特性が安定した感圧センサとすることができる。
【００１１】
図１により説明すると、感圧センサ１は、（ａ）の断面図に示されるようなもので、（ｂ）に示すような例えば、くし歯状の上部電極２を形成したシート状基材３、また（ｃ）に示すような例えば、円形の下部電極４が形成されたシート状基材５と、その間に介在させるスペーサシート６が、粘着剤７によって密着されて構成されるものである。通常、前記スペーサシート６には、その両面に粘着剤が塗布されたものが使用される。そして、前記スペーサシート６によって、前記上部電極２と下部電極４が押圧されたときに接触できるように、開口８が形成される。なお、前記シート基材３、５並びにスペーサシート６は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド樹脂（ＰＩ）やポリエーテルイミド樹脂（ＰＥＩ）からなる可撓性を有するシート状の材料が用いられる。また前記粘着剤７としては、アクリル樹脂系、ウレタン樹脂系やシリコーン樹脂系の粘着剤が良く用いられる。そして上部電極２は、銅箔や導電性インク等から形成された例えば、くし歯状の電極であり、下部電極４は、感圧性塗料等からなる印刷回路として形成される。そしてこのような感圧センサ１は、センサの抵抗を、接触した電極間の感圧塗膜の抵抗値（接触面積の変化）と接触抵抗の和として検出できることになる。なおこの図１では、下部電極４を感圧材料によって形成したが、必ずしも下部電極４を感圧性電極とする必要はなく、前記上部電極２が感圧材料によって感圧性電極として形成されたものでも良い。
【００１２】
そして前記感圧性材料からなる下部電極４には、図１（ｃ）に示されるようなスリット９が設けられる。このように感圧性の下部電極４にスリット９を設けることによって、この下部電極４が硬度変化を起こして硬度が高くなった場合でも、スリット部分は変形可能であるから、与えられた圧力に対して機能を有することが可能となる。また熱収縮を生じてもその変化を吸収することができ、前記電極はその特性を維持することができることになる。また熱収縮を生じても、前述のようにその変化を吸収することができ、感圧性の下部電極４はその特性を維持することができることになる。なお図１の構造の場合には、前記スリット９の方向は、くし歯状の上部電極２方向に対して、クロスするように形成される。また、前記感圧性の下部電極４の大きさを、前記開口８に対して十分に小さなものとすることによって、例えばその面積として２５％以下のように形成することやさらには、前記下部電極４を前記開口８の径／下部電極４の径が２以上となるような大きさとすることによって、硬度変化や熱収縮の影響を小さなものとすることができ、温度変化に対してその特性を維持できることになる。またここでは、前記下部電極４を、前記開口８に対して十分に小さなものとする場合について記載したが、前記上部電極２を、開口に対して十分小さくなるように形成した電極としてもよい。このように電極にスリットを設けたり、またいずれかの電極の大きさを、前記開口に対して特定したのは、以下の実験によって決定されたものである。
【００１３】
【実施例】
すなわち、厚さ１００μｍのポリエステルフィルム上に、導電性のインクを用いて、くし歯状の電極回路を形成して上部電極とした。また、前記ポリエステルフィルム上に、感圧性インク（藤倉化成社製）を用いて、円形の感圧性の下部電極を形成した。この下部電極の構成は、従来と同様のものをブランクと称し電極径１０ｍｍとしたもの、またスリットを前記くし歯状電極の方向に対して直行するように２本形成したもの、電極径を５ｍｍとしたもの、さらに前記開口径／電極径＝３としたものを用意した。そして前記電極ポリエステルシート状基材を、前記上・下電極が接触するための開口径が１２ｍｍの開口が形成されるように、７５μｍ厚さのポリエステルフィルム製のスペーサシートを介在させ、アクリル系粘着剤により密着させて、図１のような構造の感圧センサとした。ついでこの感圧センサ１を、図２のようにガラス板１０とシリコーンゴム圧子１１の間に配置し、上から押圧して前記感圧センサの抵抗値が５０ｋΩを示すところを、ＯＮ荷重（常温、０％）とし、恒温槽中１２で−３０℃並びに８０℃でのＯＮ荷重の変化率を測定して、温度依存性を調べた。前記測定は、５０μＡの定電流を流しながら電圧を測定するものである。なおこの変化率は、下記式１で計算される。結果を表１に示す。
【数１】

【００１４】
表１から明らかなごとく、実験例１のブランクと称して記載した従来品の変化率に見られるように、−３０℃で＋２００％、８０℃で−６０％あるのに対して、実験例２に記載されるスリットを形成した場合は、−３０℃で＋８０％、８０℃で−４３％であった。また実験例３に記載される、感圧性の下部電極径を５ｍｍのように開口径１２ｍｍに対して十分に小さい場合には、−３０℃で６０％、８０℃で−４５％、さらに実験例４に記載される感圧性の下部電極を、前記開口径／電極径＝３とした場合は、−３０℃で５０％、８０℃で−４０％と変化率が小さくなっており、温度依存性が小さいことがわかる。このように、メンブレンスイッチや感圧センサにおける上部電極或いは下部電極のいずれかの電極に、スリットを形成するか前記開口に対して十分小さなものとすること、具体的な例として前記開口径／電極径＝２以上とした構造のものとすることによって、温度依存性を小さくすることが可能となり、得られたメンブレンスイッチ或いは感圧センサの特性を安定したものとすることができる。
【００１５】
【表１】

【００１６】
また請求項４に示すように、前記感圧センサは少なくとも前記電極シート状基材と前記粘着剤の境界部分に、微細な空隙部分が存在しないように密着されている感圧センサとすることによって、より温度依存性の少ない優れた感圧特性を有する感圧センサとすることができる。すなわち、そして前記感圧センサ１は、通常手作業により貼り合わせ、常温でのラミネート工法によって一体化して製造されるが、このようにして得た感圧センサの感圧特性には温度依存性が見られ、特に低温度領域において抵抗値が非常に高くなっていた。この原因について種々調べたところ、前記スペーサシート６に設けられる粘着剤７と電極シート状基材３、５との密着性に問題があることが判明した。これは前記粘着剤７のシート状基材３、５とのなじみの問題が関係するものと思われ、前記シート状基材３、５と粘着剤７の境界面に微細な空隙（完全に接着していないか又は接着力が弱い部分）が見られることである。そしてこの微細な空隙部分が、特に低温領域での抵抗値の上昇に影響するものと考えられるので、前記シート状基材と前記粘着剤の界面に微細な空隙の存在しないようにすることが、好ましいものである。
【００１７】
そして、このような微細な空隙を無くすためには、前記粘着剤に温度を加えることによって粘弾性を低下させ密着性を向上することができ、微細な空隙の存在が減少され、このことによって感圧センサの低温度領域での圧力の上昇が少なくなり、抵抗値の上昇もなくすことができる。具体的には、前記密着工程を電極シート状基材上で測定した熱プレス温度が、６０〜１４０℃で行うことによって解決できることが判明した。すなわち、前記温度範囲で感圧センサを熱プレスするか、または他の方法で製造した感圧センサに、前記温度範囲の再加熱を行うようにすることによって、微細な空隙部分をなくすことができるようになる。このような温度範囲とするのは、この熱プレス温度が６０℃未満では、粘着剤の弾性率が十分に下がらないために密着性が不十分であり、また１４０℃を越えると前記基板の変形等が生じたりするのでこの温度未満とすべきであるが、基本的には前記基板材料の種類によって、選定されることになる。
【００１８】
さらには、前記粘着剤そのものの特性について検討した結果からは、前記粘着剤は、前記熱プレス時の弾性率が５×１０^４Ｐａ以下であるものを用いるのが、効果があることがわかった。すなわち、用いる粘着剤が前記熱プレス時に弾性率が５×１０^４Ｐａ以下となるようにすることによって、粘着剤は十分に軟らかくなり、電極シート状基材と十分に濡れるようになり密着性が向上し、微細な空隙が発生しないようにすることができる。このような手段によっても、感圧センサの低温領域で抵抗値が高くなることを防止することができることがわかった。
【００１９】
さらに前記メンブレンスイッチ並びに感圧センサにおいては、上部並びに下部電極シート基材を、電極部分が押圧されたときに接触できるように、開口を設けて粘着剤で密着させるので、前記開口部分の近傍に前記粘着剤が存在することになる。このように粘着剤が開口近傍に存在していると、温度変化によって前記粘着剤の変形量が異なることにより、感圧特性が安定しないことになる。このため、前記開口近傍の粘着剤を除去しておくことが好ましい。なお、この粘着剤は全て除去する必要はなく、前記上部電極シート状基材或いは下部電極シート状基材の、いずれかの粘着剤を除去しておけば良い。これは、前記電極シート状基材の一つの粘着剤が除去されていれば、前記電極シート状基材の変形に追従して粘着剤が変形するときに、温度変化によって粘着剤の変形量が変化しても、前記電極シート状基材と前記スペーサが接触した時点から、前記電極シート状基材の変形が、前記電極シート状基材と前記スペーサとの接触点或いは接触線を支点とした変形になるため、粘着剤の粘弾性の影響を殆ど受けなくなるためである。このことによって、温度依存性が小さくなり好ましいことになる。このように、本発明のメンブレンスイッチ並びに感圧センサにおいては、上部電極側或いは下部電極側の前記開口付近の粘着剤を除去しておくことが、好ましいものとなる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明は上部電極並びに下部電極を有する一対の電極シート状基材と、前記上・下電極が接触できるようにするための開口が形成されるように、スペーサシートが前記一対の電極シート状基材間に挿入され、前記電極シート状基材と前記スペーサシートが粘着剤によって密着されているメンブレンスイッチにおいて、前記電極のいずれかにスリットが形成されているメンブレンスイッチとすることによって、また前記電極のいずれかの大きさを、前記開口に対して十分に小さなものとしたメンブレンスイッチとすることによって、温度変化による特性変化を小さなものとすることができる。
【００２１】
すなわち、前記電極にスリットが設けられることによって、この電極が硬度変化を起こして硬度が高くなった場合でも、スリット部分は変形可能であるから、与えられた圧力に対して機能を有することが可能となり、また熱収縮を生じてもその変化を吸収することができ、前記電極はその特性を維持することができることになる。また、前記電極の大きさを、前記開口に対して十分に小さなものとすることによって、例えば面積として２５％以下となるようにすることによって、或いは前記電極を前記開口径／前記電極径が、２以上となるような大きさとすることによって、前記メンブレンスイッチは温度特性を向上させ、安定した特性を示すメンブレンスイッチとすることができる。
【００２２】
また、前記上部電極並びに下部電極のいずれかが、感圧性材料によって形成されている感圧センサとすることによって、従来のこの種感圧センサに比較して、−３０℃〜８０℃での温度範囲において、スイッチのオン荷重の変動率（％）を小さくすることができ、実用的な感圧センサを得ることができる。特に前記電極のいずれかの電極にスリットを形成することによって、また前記電極径が前記開口の面積に対して、２５％以下の面積となるようにすることや前記開口径／前記電極径が２以上となるように十分小さくすることによって、感圧特性が温度変化に対し、変化率を安定したものとでき、温度依存性が小さいものとすることができる。さらに前記感圧センサは、少なくとも前記電極シート状基材と前記粘着剤の境界部分に、微細な空隙部分が存在しないように密着されている感圧センサとすることによって、感圧特性感度のばらつきが小さく、また温度特性についても−３０℃〜８０℃の温度範囲でスイッチのオン荷重の変化率（％）を、極めて小さくすることができ、実用的な感圧センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明の感圧センサの概略横断面図、（ｂ）は上部電極を示す概略図、（ｃ）は下部電極の概略図で、円形の場合を示す。
【図２】図２は、温度依存性を測定するための装置の、概略断面図である。
【符号の説明】
１感圧センサ
２上部電極
３、５シート状基材
４下部電極
６スペーサシート
７粘着剤
８開口
９スリット
１０ガラス板
１１シリコーンゴム圧子
１２恒温槽

Claims

上部電極並びに下部電極を有する一対の電極シート状基材と、前記上・下電極が接触できるようにするための開口が形成されるように、スペーサシートが前記一対の電極シート状基材間に挿入され、前記電極シート状基材と前記スペーサシートは粘着剤によって密着されているメンブレンスイッチにおいて、前記電極のいずれかにはスリットが形成されていることを特徴とする、メンブレンスイッチ。
上部電極並びに下部電極を有する一対の電極シート状基材と、前記上・下電極が接触できるようにするための開口が形成されるように、スペーサシートが前記一対の電極シート状基材間に挿入され、前記電極シート状基材と前記スペーサシートは粘着剤によって密着されているメンブレンスイッチにおいて、前記電極のいずれかの大きさを、前記開口に対して十分に小さな電極としたことを特徴とする、メンブレンスイッチ。
請求項１または２に記載されるメンブレンスイッチの、前記上部電極並びに下部電極のいずれかが、感圧材料によって形成されていることを特徴とする感圧センサ。
前記感圧センサは、少なくとも前記電極シート状基材と前記粘着剤の境界部分に、微細な空隙部分が存在しないように密着されていることを特徴とする、請求項３に記載の感圧センサ。