JP2008522374A - 補強キャリア箔を有する箔型スイッチ素子 - Google Patents

Abstract

圧力センサの能動部分を跨るように支持部材上へ取り付けられる少なくとも１層のキャリア箔を含んで構成される圧力センサ。本発明に従って、この第一キャリア箔は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニルスルフォン、ポリスルフォン、ポリカーボネート、コポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、シクロオレフィンポリマー、ポリカーボネート／アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート／ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート／ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンエーテル／ポリアミド、あるいはこれらの混合物から選択される材料から作製される。

Description

本発明は、概略的には能動部分の周辺に配置されている支持部材上へ該能動部分を跨るように装着される少なくとも1個のキャリア箔と、前記少なくとも1個のキャリア箔の圧力に起因する変形を測定する手段を含んで構成される箔型圧力センサに関する。

この種の圧力センサの1グループは単一膜センサとして構成され、該センサ内において単一キャリア箔の変形が光学手段あるいは歪み計を用いて直接測定される。能動部分に対して作用する応力に関し、これら圧力センサの反応はキャリア箔の機械的反応によって直接測定される。この機械的反応はキャリア箔、すなわち一般的にはＰＥＴ箔の弾性及び能動部分の横方向寸法に依存して異なる。

圧力センサの別のグループは二重膜センサとして構成され、該センサ内において第一及び第二キャリア箔はスペーサを用いて互いに一定間隔を空けて配置される。このスペーサによって少なくとも１個の切り欠きが形成され、この切り欠きによってスイッチ素子の能動部分が限定される。スイッチ素子の能動部分内の前記第一及び第二キャリア箔間に少なくとも２本の電極が配置され、これら第一及び第二キャリア箔が、スイッチ素子の能動部分に対して作用する応力に反応して、それら弾性キャリア箔の反発力に抗して共に押し付けられることによって前記少なくとも２本の電極間に電気接触が得られる。

このような箔型スイッチ素子のいくつかの実施態様は当該技術分野において公知である。このようなスイッチ素子の一部のものは、例えば第一キャリア箔上に配置される第一電極と、第二キャリア箔上へ該第一平面状電極と対向位置関係となるように配置される第二電極から成る単純スイッチとして構成される。これら電極は、能動部分内にある各キャリア箔表面のほぼ全体を覆う平面構造として構成可能である。

当該技術分野において公知な他のスイッチ素子として、加えられる圧力量によって変化する電気抵抗をもつ圧力変換器として構成されるものがある。このような圧力変換器の第一の実施態様においては、第一キャリア箔上には第一電極が配置され、第二キャリア箔には第二電極が前記第一電極に対して対面関係となるように配置される。これら電極の少なくとも一方は、第一及び第二キャリア箔がスイッチ素子に対して作用する応力に反応して共に押し付けられる時に感圧材料からなる層を介して前記第一及び第二電極間に電気接触が得られるように、感圧材料、例えば半導性材料から成る層で被覆される。この種の圧力センサは所謂「スルーモード」での操作にしばしば利用される。

圧力変換器の別の実施態様においては、第一及び第二キャリア箔の一方上へ第一及び第二電極が間隔を空けて配置され、他方のキャリア箔は感圧材料から成る層で被覆される。この感圧材料から成る層は第一及び第二電極に対向するように配置され、前記第一及び第二キャリア箔がスイッチ素子の能動部分に対して作用する応力に反応して共に押し付けられた時、前記感圧材料層によって第一及び第二電極が分路される。このようなセンサは所謂「分路モード」での操作に利用される。

上述したスイッチ素子はコスト効率的に製造可能であり、実用的に極めて堅牢かつ信頼性が高いことが実証されている。

上記圧力センサの電気的反応は、電極の種類、感圧材料層の存在、電極の設計及びスイッチ素子の能動部分内における配置、さらに能動部分に対して作用する応力に反応して電極間に生ずる物理的接触に依存して異なる。前記電極間の物理的接触は、能動部分へ応力が作用したときのスイッチ素子の機械的反応によって決まる。この機械的反応はキャリア箔の弾性、能動部分の横方向寸法、及び２つの対向するキャリア箔間の間隔によって相違する。

スイッチ素子のサイズ及び形状に応じてキャリア箔の機械的特性を調整することにより、上記両種圧力センサの機械的反応を適合化させることが可能である。公知の箔型スイッチ素子のキャリア箔は通常ＰＥＴあるいはＰＥＮ等のプラスチックシート材から成り、プリントされた電極に対する接着性を高めるため、これらシート材に対し必要に応じて表面処理が施される。しかしながら、これらシート材の弾性はスイッチ素子の機械的反応に関する要求に必ずしも一致するとは限らない。例えば、ＰＥＴあるいはＰＥＮの温度に対する弾性率を示すグラフでは、各閾値温度においてスイッチ素子に対して適切でない作用を及ぼす有意な段が示される。

キャリア箔に使用される他の材料としてポリイミド（ＰＩ）がある。ＰＩの弾性率は広い温度範囲、例えば−５０℃〜＋２００℃の範囲に亘って変動が殆どない。ＰＩの機械的特性は圧力センサ用途としては非常に適しているが、ＰＩはＰＥＴあるいはＰＥＮに比べて極めて高価である。

それゆえ、補強キャリア箔を用いた圧力センサが必要とされている。このような課題を解決するため、ＷＯ−Ａ−２００４／０５３９０８には少なくとも１個のキャリア箔が２種の異なる材料を用いた多層構造に構成されている箔型スイッチ素子が開示されている。適切な材料を用いること、及び異なる層の厚さを適切に作製することにより、これら多層キャリア箔の機械的特性を広範囲な用途における特有な要求に合わせて精密に適合させることが可能である。しかしながら、厳しい製造条件が要求されるため、これら多層キャリア箔の製造は困難であり、そのため製造コストがかなり高くなる。

本発明は、補強されたキャリア箔が用いられる圧力センサを提供することを目的とする。

上記目的は請求項１項記載の箔型圧力センサによって達成される。この圧力センサには少なくとも１層のキャリア箔が含まれ、この第一キャリア箔は圧力センサの能動部分を跨るように支持部材上へ取り付けられている。本発明に従って、前記第一キャリア箔は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニルスルフォン、ポリスルフォン、ポリカーボネート、コポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、シクロオレフィンポリマー、ポリカーボネート／アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート／ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート／ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンエーテル／ポリアミド、あるいはこれらの混合物から選択される材料を用いて作製される。

例えば乗員の検知及び識別を行う感圧スイッチ素子の機能及び性能は膜性能、すなわちキャリア箔の機械的特性に強く依存している。安定かつ一定なセンサ機能を保持するためには、キャリア箔は−４０℃〜＋１０５℃の温度範囲内において弾性率の変動が極めて少なく、また機械的圧力下において腐食及び湿度条件に対して耐久性が高くなければならない。さらに、キャリア箔は高耐湿性であることが好ましい。上記のキャリア箔材料はこのような基準に適合するため、例えば自動車安全用途に用いる圧力センサへの使用に極めて適するものである。

本発明の構成可能な実施態様においては、前記第一キャリア箔は、ポリカーボネート／アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＰＣ／ＡＢＳ）、ポリカーボネート／ポリブチレンテレフタレート（ＰＣ／ＰＢＴ）、ポリカーボネート／テレフタレート（ＰＣ／ＰＥＴ）、ポリフェニレンエーテル／ポリアミド（ＰＰＥ／ＰＡ）、あるいはこれらの混合物から選択される混合ポリマーから作製される。混合物あるいはブレンドは、異なる２種のポリマーを混合することによって強化性が高められた実質的に均質な生成物を生ずる２つの化学的に別種のポリマーの混合物である。混合ポリマーをセンサ中の膜として用いることにより、キャリア箔の機械的強度を高め、さらにキャリア箔材料の耐熱性及び耐薬品性を向上させることが可能である。

別の実施態様では、前記第一キャリア箔はポリエーテルエーテルケトン箔から作製される。ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）は、ポリイミドに比較して、広い温度範囲に亘って弾性率の変動が極めて少なく、感心を惹く価格であり、入手し易いことからキャリア箔材料として極めて適した材料である。ＰＥＥＫはその特性として、剛性が高く、耐薬品性に優れ、耐磨耗性かつ耐炎性であり、温度性能が高く、さらに耐加水分解性に優れる。

別の実施態様では、前記第一キャリア箔は、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルスルフォン（ＰＰＳｕ）、ポリスルフォン（ＰＳｕ）、あるいはこれらの混合物から選択されるスルフォン化ポリマーから作製される。スルフォン化ポリマーから成るフィルムは、ポリイミドに比較して、広い温度範囲に亘って弾性率の変動が極めて少なく、非常に感心を惹く価格であり、また入手し易いことから、キャリア箔の材料として極めて適する。これらスルフォン化ポリマーは、その特性として、クリープ性が低く、強度が高く、自己消火性であり、加水分解安定性がよく、かつ高温作動性である。

さらに別の実施態様では、前記第一キャリア箔は、ポリカーボネート（ＰＣ）、コポリカーボネート（ＣｏＰＣ）、あるいはこれらの混合物から選択されるポリカーボネートポリマーから作製される。ポリカーボネート及びコポリカーボネートフィルムは、ポリイミドに比較して、−４０℃〜＋１０５℃の温度範囲内における弾性率の変動が極めて少ないこと、低価格であること、及び入手し易いことからキャリア箔材料として適した材料である。

さらに別の実施態様では、前記キャリア箔はポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）フィルムから作製される。ＰＰＥフィルムは、−４０℃〜＋１０５℃の温度範囲内における弾性率の変動が極めて少ないこと、低価格であること、及び入手し易いことからキャリア箔材料として適した材料である。

さらに別の実施態様では、前記第一キャリア箔はシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）箔から作製される。上述した材料と同様に、ＣＯＰフィルムは有利な機械的特性をもち、また価格も妥当である。

本発明による圧力センサが、単一キャリア箔の変形が例えば光学的手段、あるいは歪みゲージによって直接測定される単一膜センサであってもよいことが理解されよう。このような圧力センサの反応は能動部分に対して応力が作用した際にキャリア箔が機械的に反応することによって直接測定される。

本発明の好ましい実施態様では、圧力センサにはさらに少なくとも１層の第二キャリア箔が含まれ、この第二キャリア箔はスペーサを用いて前記第一キャリア箔から一定間隔を空けて配置される。このスペーサによって圧力センサの能動部分を限定する少なくとも１個の切り欠きが形成され、またこのスペーサはキャリア箔の支持部材としても機能する。圧力センサの能動部分内の前記第一及び第二キャリア箔の間には少なくとも２本の電極が配置され、圧力センサの能動部分に対して作用する応力に反応して第一及び第二キャリア箔がそれら弾性キャリア箔の反発力に抗して共に押し付けられることにより前記少なくとも２本の電極間に電気的接続が得られるように構成されている。この実施態様では、前記第一及び第二キャリア箔の少なくとも一方は、ＰＥＥＫ、ＰＥＳ、ＰＰＳｕ、ＰＳｕ、ＰＣ、ＣｏＰＣ、ＣＯＰ、ＰＣ／ＡＢＳ、ＰＣ／ＰＢＴ、ＰＣ／ＰＥＴ、ＰＰＥ／ＰＡ、あるいはこれらの混合物から選択される材料から成る。

ある用途において、スイッチ素子の下面が剛性な支持体上へ取り付けられ、スイッチ素子の上面だけに応力が加えられる場合、第一及び第二キャリア箔の上面だけへ特定のキャリア箔材を設けてはどうか興味のあるところである。しかしながら、センサあるいはスイッチ素子が軟質な支持体上へ取り付けられると、支持体が反応することによってセンサが機械的反応を起こす可能性がある。それゆえ、本発明の好ましい実施態様において前記第一及び第二キャリア箔は、上述した材料群から選択される特定のキャリア箔材料から作製される。

スイッチ素子の用途によっては、スイッチ素子の非対称的な作用が望ましい場合があることが理解されよう。このような場合、第一及び第二スイッチ素子の特性は好ましくは互いに相違する。このような非対称的な作用は、例えば前記第一キャリア箔と前記第二キャリア箔が異なる材料から作製されている箔型スイッチ素子によって与えられる。このような実施態様により、例えば上面に特有な電気的特性を備え、他方下面が特に化学的に攻撃的な条件において取り付けられるようになっているセンサあるいはスイッチ素子を提供することが可能となる。キャリア箔は、用途によっては、機械的特性の異なる複数材料から作製することも可能である。例えば２つのキャリア箔を、弾性率の異なる材料、あるいは異なる温度域に主弾性率を有する材料で作製することが可能である。このように作製されたキャリア箔によれば、例えば広い温度範囲に亘ってより高い弾性率あるいはより一定な弾性率が与えられる。このような方法により、スイッチ素子の温度に対する機械的反応をセンサあるいはスイッチ素子用途における要求へ適合させることが可能である。

圧力センサの用途によっては、前記第一キャリア箔及び／または前記第二キャリア箔を、異なる材料から成る少なくとも２層を含む多層構造とすることが望ましいことが理解されよう。このような多層キャリア箔の各層を、例えば上記ポリマー群あるいは他の公知材料から選択される異なるポリマー箔で作製することも可能である。あるいは、前記複数層の１層あるいは数層を硬化誘電樹脂層あるいは金属箔で作製してもよい。キャリア箔層の１層に金属箔を用いることにより、スイッチ素子周辺に存在する電磁波からスイッチ素子を遮蔽することが可能となる。さらに、金属箔があることにより、スイッチ素子を容量性センサ装置に同時に用いることが可能となる。

有利な一実施態様においては、前記複数層のうちの１層は繊維材料から作製される。この例えばアラミド、ポリアミド、ポリエステル等から成り、ポリマー層上あるいはポリマー層間へ積層される繊維層を用いることにより、キャリア箔の弾性率に影響を及ぼすことなく、引張り強度あるいは耐引裂き伸張性等の機械的特性を増強させることが可能となる。

本発明が圧力センサのみならず、単純膜スイッチにも適用可能であることは当業者の認識するところである。単純膜スイッチの場合、第一電極は前記第一キャリア箔の内面上へ配置され、他方第二電極は第二キャリア箔上へ該第一電極に対して対向位置関係となるように配置される。単純スイッチの変形例では、第一及び第二電極が前記第一キャリア箔の内面上へ並列に配置され、分路素子が第二キャリア箔上へ前記第一及び第二電極に対して対向位置関係となるように配置される。これら２本の電極は、例えば２本の電極の歯が互いに噛み合うように配置される櫛状構造に構成可能である。箔型圧力センサも上記スイッチと同様に構成できる。但しスイッチの場合と異なり、第一及び第二電極の少なくとも一方が感圧抵抗材料によって被覆される。別の実施態様において、前記分路素子は抵抗材料から作製される。感圧抵抗あるいは半導性材料であることから、これら圧力センサの電極間における抵抗は２つのキャリア箔が共に押し付けられる圧力によって相違する。

発明を実施するための手段

本発明は、以下において添付図面を参照しながら説明する非限定的実施態様によってより明らかにされる。

図１に箔型圧力センサの典型例の断面図を示す。圧力センサ１０は第一キャリア箔１２及び第二キャリア箔１４から構成され、これらキャリア箔はスペーサ１６を用いて一定間隔を空けて配置されている。このスペーサ１６は例えば両面接着シートで作製可能である。全体が符号１８で示される圧力センサの能動部分内にはスペーサ１６によって溝あるいは切欠き２０が形成され、該能動部分１８において前記２つのキャリア箔が一定間隔を空けて互いに向き合っている。

能動部分１８内にあるキャリア箔１２及び１４の内面上には、前記キャリア箔が共に押し付けられた際に接触部材２２及び２４間に電気接触が得られるように接触部材２２及び２４が配置されている。図示された実施態様においては、接触部材２２及び２４がキャリア箔１２及び１４へ対向位置関係をとるようにそれぞれ配置されている。しかしながら、例えばキャリア箔の一方上へ両接触部材２２及び２４を間隔を空けて配置し、第二キャリア箔上へ分路素子を配置する別の構成も可能である。

前記接触部材を電極で構成することも可能であり、その場合接触部材の少なくとも一方は感圧材料を用いて作製される。このような感圧材料層によって圧力センサへ圧力に依存した作用が与えられる。感圧部材は通常キャリア箔とスペーサが一緒に積層される積層処理前にスクリーン印刷法を用いて各キャリア箔上へプリントされることに注意すべきである。

自動車温度範囲（−４０℃〜１０５℃）に亘って同一のセンサ反応を保証するため、前記温度範囲に亘って一定の弾性率が保持されるキャリア箔材料を用いることが要求される。さらに、このキャリア箔フィルムには、例えば極めて優れた機械的堅牢性、高耐薬品性、高耐湿性、高温で高圧力を受けた後の迅速な緩和性（クリープ性）、一定な高弾性率、良好なインク付着性、適当なコーティング許容性、インク硬化中のインク応力に対する耐性（変形しない）、放電（静電気）を生じない、低価格等の自動車及びセンサ製造上の要求事項を満たす特性が備わっていなければならない。従って、本発明に従ったキャリア箔は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニルスルフォン、ポリスルフォン、ポリカーボネート、コポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、シクロオレフィンポリマー、ポリカーボネート／アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート／ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート／ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンエーテル／ポリアミド、あるいはこれらの混合物から選択される材料から作製されている。また、プリントされた電極への接着性を増強させるために、必要に応じてキャリア箔の表面処理を行えることが理解されよう。

圧力センサの引張り強度あるいは耐引裂き伸張性等の機械的特性を増強させるために、キャリア箔１２及び１４の一方あるいは双方を少なくとも１層の繊維層を含む多層構造とすることが可能である。繊維層を用いることにより、キャリア箔の弾性率へ影響を及ぼすことなく上述した機械的特性を増強できることが理解されよう。なお、図２及び３に、多層構造をもつ強化型キャリア箔の異なる実施態様を示す。

図２は繊維層１２２がポリマーシート１２０上へ積層された多層構造型キャリア箔の一実施態様を示す図である。このポリマーシートは、ポリイミド（ＰＩ）やポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等のイミド基板、ＰＥＥＫ等のケトン基板、ポリフェニルスルフォン（ＰＰＳｕ）、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリスルフォン（ＰＳｕ）等のスルフォン化ポリマー基板、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポレエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）及びコポリカーボネート（ＣｏＰＣ）等のエステル類フィルム、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のケトン類、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニルスルファイド（ＰＰＳ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）等のアラミドフィルム、ポリカーボネート／アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＰＣ／ＡＢＳ）、ポリカーボネート／ポリブチレンテレフタレート（ＰＣ／ＰＢＴ）、ポリカーボネート／ポリエチレンテレフタレート（ＰＣ／ＰＥＴ）、及びポリフェニレンエーテル／ポリアミド（ＰＰＥ／ＰＡ）等の混合ポリマーから選択される材料から作製可能である。強化層１２２はアラミド、ポリアミド、ポリエステル等のいずれか適する繊維によって作製可能である。

図３に、ポリマー層１２４がさらに設けられ、繊維層１２２が２つのポリマー層１２０及び１２４の間に積載された多層構造型キャリア箔を示す。このポリマー層１２４はポリマー層１２０の場合と同様なポリマー群から選択される材料によって作製可能である。

箔型圧力センサ全体の断面図である。 多層キャリア箔の第一の実施態様を示す図である。 多層キャリア箔の第ニの実施態様を示す図である。

符号の説明

１０：スイッチ素子
１２：第一キャリア箔
１４：第二キャリア箔
１６：スペーサ
１８：能動部分
２０：溝または切欠き
２２、２４：接触部材
１２０、１２４：ポリマー層
１２２：繊維層

Claims (10)

1. 圧力センサの能動部分を跨るように支持部材上へ取り付けられる第一キャリア箔を少なくとも１層含んで構成される圧力センサであって、
   前記第一キャリア箔が、ポリフェニルスルフォン、コポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリカーボネート／アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート／ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート／ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンエーテル／ポリアミド、あるいはこれらの混合物から選択される材料から成ることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記第一キャリア箔が、ポリカーボネート／アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート／ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート／ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンエーテル／ポリアミド、あるいはこれらの混合物から選択されるポリマー混合物から成ることを特徴とする請求項１項記載の圧力センサ。
3. 前記第一キャリア箔が、ポリフェニルスルフォン、あるいはポリフェニルスルフォンとポリエーテルスルフォン及びポリスルフォンから選択される１または２以上のポリマーとの混合物から成ることを特徴とする請求項１項記載の圧力センサ。
4. 前記第一キャリア箔がコポリカーボネート、あるいはコポリカーボネートとポリカーボネートの混合物から成ることを特徴とする請求項１項記載の圧力センサ。
5. 前記第一キャリア箔がポリフェニレンエーテル箔から成ることを特徴とする請求項１項記載の圧力センサ。
6. 少なくとも１層の第二キャリア箔がさらに含まれ、前記第二キャリア箔はスペーサを用いて前記第一キャリア箔から一定間隔を空けて配置され、前記スペーサによって圧力センサの能動部分を限定する少なくとも１個の切り欠きが形成され、及び前記圧力センサの能動部分内における前記第一及び第二キャリア箔の間に少なくとも２本の電極が配置され、圧力センサの能動部分に対して作用する圧力に反応して、前記第一及び第二キャリア箔がそれら弾性キャリア箔の反発力に抗してともに押し付けられて前記少なくとも２本の電極間に電気接触が得られ、及び
   前記第一及び第二キャリア箔の少なくとも一方が、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニルスルフォン、ポリスルフォン、ポリカーボネート、コポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、シクロオレフィンポリマー、ポリカーボネート／アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート／ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート／ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンエーテル／ポリアミド、あるいはこれらの混合物から選択される材料から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧力センサ。
7. 前記第一キャリア箔及び前記第二キャリア箔が互いに異なる材料から成ることを特徴とする請求項６項記載の圧力センサ。
8. 前記第一キャリア箔及び／または第二キャリア箔が異なる材料から成る少なくとも２層を含む多層構造に構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧力センサ。
9. 前記層の１層が繊維層を含むことを特徴とする請求項８項記載の圧力センサ。
10. 前記多層構造型キャリア箔の数層が一緒に積層されることを特徴とする請求項８または９項記載の圧力センサ。

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