JP2012159362A - 感圧導電ゴム部材、及び感圧センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ゴム製の弾性基材と、弾性基材の表面上に設けられた樹脂塗膜とを有し、樹脂塗膜は、ラクトン変性アクリルポリオールを、イソホロンジイソシアネート誘導体(IPDI)及びヘキサメチレンジイソシアネート誘導体(HDI)により架橋することによって形成したウレタン樹脂と、導電剤としてカーボンブラックと、を含有することを特徴とする感圧導電ゴム部材。
【選択図】図3
Description
・個体間の抵抗値のばらつきが小さい。
・ヒステリシスによる抵抗値のロスが小さい。
・一定の圧力が加えられている時の電気抵抗が、経時的にほとんど変化しない(ドリフト性が良好)。
・打鍵耐久性(多数回の負荷、除荷試験を行った後の、圧力−抵抗特性の再現性)に優れる。
・弾性基材からの成分の染み出しにより電極を汚染することがない。
・圧力−電気抵抗特性が長期に渡って優れた再現性を有する。
・信頼性が高い。
ゴム製の弾性基材と、前記弾性基材の表面の少なくとも一部の上に設けられた樹脂塗膜と、を有し、
前記樹脂塗膜は、
下記式(1)で表されるラクトン変性アクリルポリオールを含むポリオールを、イソホロンジイソシアネート誘導体(IPDI)及びヘキサメチレンジイソシアネート誘導体(HDI)を含むイソシアネートにより架橋することによって形成したウレタン樹脂と、
導電剤としてカーボンブラックと、
を含有することを特徴とする感圧導電ゴム部材に関する。
イソホロンジイソシアネート誘導体(IPDI)としては、イソホロンジイソシアネートの単量体(モノマー)、多量体や、これらの末端がブロック剤によりブロックされたブロック体が挙げられる。
ヘキサメチレンジイソシアネート誘導体(HDI)としては、ヘキサメチレンジイソシアネートの単量体(モノマー)、多量体や、これらの末端がブロック剤によりブロックされたブロック体が挙げられる。
本発明の感圧導電ゴム部材は、ゴム製の弾性基材と、該弾性基材の表面の少なくとも一部の上に形成された導電性の樹脂塗膜を有する。この樹脂塗膜は、ウレタン樹脂と、導電剤としてカーボンブラックとを含有する。ウレタン樹脂は、ラクトン変性アクリルポリオールを含むポリオールを、イソホロンジイソシアネート誘導体(IPDI)及びヘキサメチレンジイソシアネート誘導体(HDI)を含むイソシアネートにより架橋することによって形成する。感圧導電ゴム部材は、付加される圧力の変化に応じて電気抵抗が変化する。
イソホロンジイソシアネート誘導体(IPDI)としては、イソホロンジイソシアネートの単量体(モノマー)、多量体や、これらの末端がブロック剤によりブロックされたブロック体が挙げられる。
同様にして、ヘキサメチレンジイソシアネート誘導体(HDI)としては、ヘキサメチレンジイソシアネートの単量体(モノマー)、多量体や、これらの末端がブロック剤によりブロックされたブロック体が挙げられる。
・樹脂塗膜は、ラクトン変性アクリルポリオールを含むポリオールを、イソホロンジイソシアネート誘導体(IPDI)及びヘキサメチレンジイソシアネート誘導体(HDI)を含むイソシアネートにより架橋することによって形成されている。従って、樹脂塗膜は均一に形成されており、その内部には導電剤であるカーボンブラックが均一に分布している。この結果、個体間の感圧導電ゴム部材の抵抗値のばらつきが小さくなる。
・樹脂塗膜は強い粘着性を有さないため、樹脂塗膜の弾性基材への粘着に起因して発生する、ヒステリシスによる抵抗値のロスを抑制することができる。
・樹脂塗膜は、弾性基材の表面上に存在し、電極はこの樹脂塗膜上に設けられ、弾性基材には直接、接しない。従って、弾性基材の弾性の低さに由来して、一定の圧力が加えられている時に、弾性基材と電極との接触状態が徐々に変化して、経時的に弾性基材の電気的抵抗が極めて大きく変化することを防止することができる。すなわち、ドリフト性を良好にすることができる。
・樹脂塗膜は適度な弾性を有するため、感圧導電ゴム部材に衝撃が加わった場合であっても、弾性基材の弾性変形に追従することができ弾性基材の形状を維持することができる。この結果、弾性基材内に破断や裂け等が発生して、その圧力−電気抵抗特性が変化することを防止して、良好な打鍵耐久性を有する感圧導電ゴム部材を提供することができる。
・樹脂塗膜は、弾性基材の保護層としても機能し、弾性基材中に残存する未分解残渣等の成分に染み出しにより、弾性基材と対向接触する電極等の部材への汚染を防止する。
・樹脂塗膜は、弾性基材の表面上に存在するため、弾性基材の形状を維持したり、弾性基材の内容成分が外部に染み出してその分子構造が変化することを防止する。この結果、長期に渡って弾性基材は優れた圧力−抵抗特性の再現性を有することができる。
・本発明の感圧導電ゴム部材は上記のような優れた特性を有するため、信頼性の高いものとすることができる。
本発明の感圧センサは、上記感圧導電ゴム部材と、感圧導電ゴム部材の樹脂塗膜に接するように設けられた電極を有する。感圧センサは、付加される圧力の変化に応じて感圧導電ゴム部材と電極との間の電気抵抗が変化することを検出することにより、付加された圧力を検知する。この電極としては例えば、図2に示すものを使用する。図2(a)は、櫛型電極の平面図であり、導電性金属からなる配線2a−1、絶縁性樹脂からなる基板2a−2から形成されている。図2(b)は、角板型電極の平面図であり、導電性金属からなる配線2b−1、絶縁性樹脂からなる基板2b−2から形成されている。このように一対の電極は、図2(a)に示すように一つの基板上に互いに離間するように設けても、図2(b)に示すように正極側と負極側をそれぞれ別の基板上に設けても良い。
以下では、感圧導電ゴム部材を構成する各部について詳細に説明する。
弾性基材はゴム組成物から構成され、圧縮に伴って弾性変形し電極との電気抵抗が有為に変化する作用を有する弾性体である。弾性基材を構成するゴム組成物のゴム成分として具体的には、天然ゴム(NR)、ブタジエンゴム(BR)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリルブタジエンゴム(NBR)、エチレンプロピレンゴム(EPM、EPDM)、クロロプレンゴム(CR)、イソプレンゴム(IR)、エピクロルヒドリンゴム(CO、ECO)、シリコーンゴム、及びウレタンゴム(U)等のゴムがあり、これらを単独で或いは2種以上を混合して用いることができる。
樹脂塗膜には、ラクトン変性アクリルポリオールを含むポリオールを、イソホロンジイソシアネート誘導体とヘキサメチレンジイソシアネート誘導体を含むイソシアネートにより、架橋したウレタン樹脂を主成分として用いる。ラクトン変性アクリルポリオールは、分子鎖骨格がスチレンとアクリルの共重合体であり、適度な硬度と非汚染性を有する。また、末端に水酸基を有する変性したラクトン基が多数の架橋点となり、イソシアネートで密に架橋することが可能であり、弾性基材からの染み出し成分をブロックすることができる。このようなラクトン変性アクリルポリオールとしては、例えば、プラクセルDC2016(ダイセル化学工業(株)製)が挙げられる。
<弾性基材の作成>
2本ロールにて下記材料の混合物を20分間、混合し、未加硫ゴムコンパウンドを作製した。
エチレンプロピレンゴム(住友化学(株)製 商品名「エスプレン600F(油展量100phr)」) 200質量部
カーボンブラック(ライオン(株)製 商品名「ケッチェンブラックEC−600JD」) 10質量部
ジクミルパーオキサイド(日本油脂(株)製 商品名「パークミルD−40MB」)
7.5質量部
トリアリルイソシアヌレート(日本化成(株)製 商品名「TAIC−WH60」)
3質量部。
続いて下記材料を配合して、固形分30質量%の溶液を調整した。
ラクトン変性アクリルポリオール(ダイセル化学工業(株)製 商品名「プラクセルDC2016(固形分70質量%、水酸基価80mgKOH/g)」) 100質量部
イソホロンジイソシアネート誘導体のイソシアヌレート型3量体(IPDI)(デグサ・ヒュルス社製 商品名「ベスタナートB1370(固形分60質量%、NCO% 8.0%)」) 25質量部
ヘキサメチレンジイソシアネート誘導体のイソシアヌレート型3量体(HDI)(旭化成工業(株)製 商品名「デュラネートTPA−B80E(固形分80質量%、NCO% 12.5%)」) 32質量部(NCO基数比 IPDI/HDI=0.5)
カーボンブラック(三菱化学(株)製 商品名「#3230」) 55質量部
変性ジメチルシリコーンオイル(東レ・ダウコーニングシリコーン(株)製 商品名「SH−28PA」) 0.05質量部
MIBK(メチルイソブチルケトン) 340質量部。
上記のようにして得た樹脂塗膜用の組成物をディッピング法により、引き上げ速度10mm/secで弾性基材の表面に塗工し、30分間、風乾した。この後、オーブンを用いて160℃で1時間、加熱することによって硬化させ、膜厚15μmの樹脂塗膜を形成して感圧導電ゴム部材を得た。
得られた感圧導電ゴム部材を10mm×10mmに裁断した角形シートを、23℃/60%RH(N/N)環境に24時間以上、放置した。この後、図4に示すように、上記感圧導電ゴム部材を櫛型電極(電極幅1mm、電極間隔0.5mm)上に配置して感圧センサとし、角形シート上面全体に荷重が加わるようにした。
上記のようにして作成した感圧導電ゴム部材を100個、測定し、50kPaにおける抵抗値の標準偏差(3σ)を求め、下記の基準に従って個体間のばらつきを評価した。
◎:3σ≦0.1 最良
○:0.1<3σ≦0.3 良好
×:0.3<3σ 悪
この結果を表1に示す。
各荷重における、負荷時の抵抗値(LogR負荷)と除荷時の抵抗値(LogR除荷)の差の絶対値を求め、これの最大値をヒステリシスによる抵抗値のロスの指標とし、下記の基準に従って評価した。
◎:|最大値Δ(LogR負荷−LogR除荷)|≦0.1 最良
○:0.1<|最大値Δ(LogR負荷−LogR除荷)|≦0.3 良好
×:0.3<|最大値Δ(LogR負荷−LogR除荷)| 悪
この結果を表1に示す。
荷重測定器により感圧センサの厚さ方向に5mm/minの速度で15kPaまで負荷を行ない、この圧力を保持したまま、櫛型電極に直列接続した1kΩの抵抗体にかかる電圧を10時間、測定した。各時間における電圧値から、抵抗値を算出した。初期の抵抗値(LogRト゛リフト初期)と10時間後の抵抗値(LogRト゛リフト10時間後)の差の絶対値を求め、下記の基準に従って評価した。
◎:|Δ(LogRト゛リフト初期−LogRト゛リフト10時間後)|≦0.1 最良
○:0.1<|Δ(LogRト゛リフト初期−LogRト゛リフト10時間後)|≦0.3 良好
×:0.3<|Δ(LogRト゛リフト初期−LogRト゛リフト10時間後)| 悪
この結果を表1に示す。
櫛型電極に直流電圧5Vを印加し、荷重測定器にて感圧センサの厚さ方向に5mm/minの速度で0〜50kPaの範囲で、負荷、除荷を行ない、櫛型電極に直列接続した1kΩの抵抗体にかかる電圧を測定した。50kPaにおける電圧値から、抵抗値(LogR打鍵前)を算出した。この後、感圧センサの厚さ方向にサイクルタイム5回/秒の速度、荷重0〜100kPaの範囲で、負荷、除荷を100万回行ない、打鍵耐久を行なった。打鍵耐久の後、櫛型電極に直流電圧5Vを印加し、荷重測定器にて感圧センサの厚さ方向に5mm/minの速度、0〜50kPaの範囲で、負荷、除荷を行ない、櫛型電極に直列接続した1kΩの抵抗体にかかる電圧を検出測定した。50kPaにおける電圧値から、抵抗値(LogR打鍵後)を算出した。打鍵耐久前の抵抗値(LogR打鍵前)と、打鍵耐久後の抵抗値(LogR打鍵後)の差の絶対値を求め、打鍵耐久性の指標とし、下記の基準に従って評価した。
◎:|Δ(LogR打鍵前−LogR打鍵後)|≦0.1 最良
○:0.1<|Δ(LogR打鍵前−LogR打鍵後)|≦0.3 良好
×:0.3<|Δ(LogR打鍵前−LogR打鍵後)| 悪
この結果を表1に示す。
櫛型電極に直流電圧5Vを印加し、荷重測定器にて感圧センサの厚さ方向に5mm/minの速度で0〜50kPaの範囲で、負荷、除荷を行ない、櫛型電極に直列接続した1kΩの抵抗体にかかる電圧を測定した。50kPaにおける電圧値から、抵抗値(LogR放置前)を算出した。この後、感圧導電ゴム部材を櫛型電極上に配置した感圧センサを40℃、95%RH環境に1ヶ月放置し、長期保管試験を行なった。
◎:|Δ(LogR放置前−LogR放置後)|≦0.02 最良
○:0.02<|Δ(LogR放置前−LogR放置後)|≦0.05 良好
×:0.05<|Δ(LogR放置前−LogR放置後)| 悪
この結果を表1に示す。
塗料組成物において、イソホロンジイソシアネート誘導体(IPDI)の配合量を12.5質量部、ヘキサメチレンジイソシアネート誘導体(HDI)の配合量を40質量部に変更(IPDI/HDI(NCO基数比)=0.2)した。これ以外は、実施例1と同様にして感圧導電ゴム部材を得た。実施例1と同様に、感圧センサとしての性能を評価した。結果を表1に示す。
塗料組成物の作成において、イソホロンジイソシアネート誘導体(IPDI)の配合量を37.4質量部、ヘキサメチレンジイソシアネート誘導体(HDI)の配合量を24質量部に変更(IPDI/HDI(NCO基数比)=1.0)した。これ以外は、実施例1と同様にして感圧導電ゴム部材を得た。実施例1と同様に、感圧センサとしての性能を評価した。結果を表1に示す。
塗料組成物において、イソホロンジイソシアネート誘導体(IPDI)の配合量を0質量部、ヘキサメチレンジイソシアネート誘導体(HDI)の配合量を48質量部に変更(IPDI/HDI(NCO基数比)=0)した。これ以外は、実施例1と同様にして感圧導電ゴム部材を得た。実施例1と同様に、感圧センサとしての性能を評価した。これらの結果を表1に示す。
塗料組成物において、導電剤としてカーボンブラックの変わりに、炭化樹脂粒子(日本カーボン(株)製 商品名「カーボンマイクロビーズ(ニカビーズ)ICB0510」 平均粒子径5μm)を120質量部とした。これ以外は、実施例1と同様にして感圧導電ゴム部材を得た。実施例1と同様に、感圧センサとしての性能を評価した。これらの結果を表1に示す。
弾性基材をポリエステルフィルム(東レフィルム加工(株)製 商品名「タフトップ#188 B2T0」)に変更した以外は、実施例1と同様にして感圧導電ゴム部材を得た。実施例1と同様に、感圧センサとしての性能を評価した。結果を表1に示す。
1a−1 弾性基材
1a−2 樹脂塗膜
1b 感圧導電ゴム部材
1b−1 弾性基材
1b−2 樹脂塗膜
1c 感圧導電ゴム部材
1c−1 弾性基材
1c−2 樹脂塗膜
2a 櫛型電極
2a−1 配線
2a−2 基板
2b 角板型電極
2b−1 配線
2b−2 基板
3a 感圧センサ
3b 感圧センサ
4−1 櫛型電極
4−2 感圧導電ゴム部材
4−3 絶縁性シート
4−4 電圧測定器
4−5 1kΩ抵抗体
4−6 直流電圧発生器5V
4−7 荷重測定器
Claims (7)
- 付加される圧力の変化に応じて電気抵抗が変化する感圧導電ゴム部材であって、
ゴム製の弾性基材と、前記弾性基材の表面の少なくとも一部の上に設けられた樹脂塗膜と、を有し、
前記樹脂塗膜は、
下記式(1)で表されるラクトン変性アクリルポリオールを含むポリオールを、イソホロンジイソシアネート誘導体(IPDI)及びヘキサメチレンジイソシアネート誘導体(HDI)を含むイソシアネートにより架橋することによって形成したウレタン樹脂と、
導電剤としてカーボンブラックと、
を含有することを特徴とする感圧導電ゴム部材。
- 前記イソホロンジイソシアネート誘導体(IPDI)及びヘキサメチレンジイソシアネート誘導体(HDI)は、3つ以上の単量体からなる多量体であり、
前記ウレタン樹脂中において、イソホロンジイソシアネート誘導体(IPDI)中のNCO基数とヘキサメチレンジイソシアネート誘導体(HDI)中のNCO基数の比であるIPDI/HDIが0.2≦IPDI/HDI≦1.0であることを特徴とする、請求項1に記載の感圧導電ゴム部材。 - 前記イソホロンジイソシアネート誘導体(IPDI)は、下記式(2)で表されるイソシアヌレート型の3量体であり、
- 前記ラクトン変性アクリルポリオールのOH価は、40〜120mgKOH/gであることを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の感圧導電ゴム部材。
- 前記イソシアネート中のNCO基と、前記ポリオール中のOH基の数の比であるNCO基/OH基は、0.2≦NCO基/OH基≦2.0であることを特徴とする、請求項1〜4の何れか1項に記載の感圧導電ゴム部材。
- 前記樹脂塗膜は、下記(1)〜(4)のうち何れか一つの形態で、前記弾性基材の表面上に設けられることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の感圧導電ゴム部材。
(1)前記樹脂塗膜は、前記弾性基材の一つの面上に設けられる、
(2)前記樹脂塗膜は、前記弾性基材の互いに対向する二つの面上に設けられる、
(3)前記樹脂塗膜は、前記弾性基材の少なくとも四つの面を覆うように設けられる、
(4)前記樹脂塗膜は、前記弾性基材の表面を覆うように設けられる。 - 請求項1〜6の何れか1項に記載の感圧導電ゴム部材と、
前記感圧導電ゴム部材の前記樹脂塗膜に接するように設けられた電極と、
を有し、
付加される圧力の変化に応じて前記感圧導電ゴム部材と電極との間の電気抵抗が変化することを検出することにより圧力を検知することを特徴とする感圧センサ。
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