JPS61207939A - 圧力センサ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、耐久性と繰返し精度に優れ、耐衝撃性に優れ
、かつ極小極薄化が可能な圧力センサーに関する。

〔従来技術〕

従来、圧力センサーとしては、導電性粒子をエラストマ
ー中に配合し、特殊な処理、例えば機械的外力を、加え
て導電性粒子間を引離して感圧性を付与したものや導電
性磁性体に磁場を作用させて不均一に分散させ、感圧性
をもたせたもの（特開昭５３−１４７７７２号）、感圧
導電ゴムを組込んだものがある。しかし、これらのもの
は、圧力−電気変換特性の繰返し精度がわるく、しかも
耐久性に劣り、さらに、特殊な加工方法、煩雑な成形工
程等を要するなどの問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は、圧力−電気変換特性における繰返し精度と耐
久性とを向上させた圧力センサーを提供することを目的
とする。

〔発明の構成〕

このため、本発明は、弾性高分子材料に導電性粒子を分
散配合してなる導電性エラストマーシートの少なくとも
一方の面に、絶縁材料からなり、かつ下記式を満足する
形状の突起パターンを一体的に形成した複合シートを、
板状電極間に介在させ、プラスチックフィルムもしくは
エラストマーからなる封止材により全体的に被覆してな
る圧力センサーを要旨とするものである。

突起の直径Ｒ＝０．３〜１．５ｍｍ 突起の厚みｄ　＝０．０１〜０．５０ｍｍ隣接突起との 中心間距離／＝（０，１〜３．０）＋Ｒ以下、本発明の
構成について詳しく説明する。

第６図（ａ）、　　（ｂ）は、本発明で用いる複合シー
トの一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側断面図で
ある。この図において、ｌは導電性エラストマーシート
であって、この導電性エラストマーシートｌの上面に突
起２が一体的に設けられている。また、Ｒは、突起２の
径、βは隣接突起との中心間距離（ピッチ）、ｄは突起
２の厚みを示している。第７図（ａ）、　　＜ｂ＞は複
合シー、トの他側を示し、この例では突起２の縦断面は
台形を呈している。

第８図および第９図は、それぞれ、導電性エラストマー
シー１−１の上面に形成された突起パターンを示すもの
で、第８図は方眼パターン、第９図は綾目パターンの例
であるが、櫛目電極のギャップへの突起２の落ち込みが
ない点で第９図のパターンが好ましい。

ここで、導電性エラストマーシート１を構成する弾性高
分子材料とは、天然ゴムやＳＢＲ。

ＢＲ，、ＩＲ，ＥＰＤＭ、ＥＰＭ、　　ウレタンゴム。

シリコーンゴム、ＮＢＲ等の各種合成ゴム、ポリオレフ
ィン系、ポリエステル系、ポリウレタン系等の各種熱可
塑性エラストマーの１種もしくは２種以上の混合体又は
共重合体をいい、これらに必要に応じて可塑剤、安定剤
、老化防止剤、滑剤１着色剤、増量剤、補強充虜剤、金
属とのカップリング剤が添加配合され、また好ましくは
、非硫黄系あるいは非硫黄化合物系の加硫剤、加硫助剤
、硬化触媒などが必要に応じて添加配合される。上記弾
性高分子材料の中でも、電気的性質、化学的安定性、す
なわち耐化学薬品性、耐熱性等に優れたシリコーンゴム
が特に好ましい。

また、導電性エラストマーシート１を構成する導電性粒
子としては、銀、銅、コバルトニッケル、鉄、クロム、
チタン、白金、金、アルミニウム、亜鉛等の金属粒子お
よび金属メッキされた粒子、或いはカーボンブラック、
グラファイトタングステンカーバイド等の炭素質、金属
炭化物が挙げられる。なかでも、炭素質の方が物理的、
化学的安定性に優れる点で好ましく、特にグラファイト
が加圧型導電複合シートとしての耐久性に優れ、かつ軽
量であり、コスト的にも通っている。金属粒子の場合は
、加圧による抵抗変化は確かに十分大きいが、粒子が非
補強性であることおよび金属粒子表面の酸化劣化等の面
で不利であり、特別の配慮が必要である。

通常、導電性粒子は容積比２５〜４５％を弾性高分子材
料中に均一に分散させる。

本発明で用いる複合シートは、上述の導電性エラストマ
ーシート１の片面あるいは両面に絶縁材料からなる突起
２を多数設けて、これらを一体化させたものである。こ
の突起２の平面形状は第６図（ａ）、　　（ｂ）に示す
ように円形が好ましいが、必ずしも円形でなくともよく
、また側面形状も必ずしも長方形や第７図（ａ）。

（ｂ）に示すように台形である必要はなく、目的に応じ
て適宜選定すればよい。また、前記一体化させる方法と
しては印刷による転写が好ましい。

印刷される突起２としては、良好な絶縁性をもち、かつ
紫外線硬化、光硬化、あるいは熱硬化するような素材で
、しかも導電性エラストマーシート１と接着あるいは融
着する材料が好ましい。特に好ましいものはシリコーン
ゴムシートと同じシリコーン系のインキであり、熱によ
り硬化し、熱融着する材料が好ましい。またシリコーン
系のインキは繰返しの加圧力による圧縮変形に対しても
追随し、へたりが少ない点でも好ましい。

印刷方法としては、非常に細かい部分に少量を正確に付
着させることが要求されるため、スクリーン印刷が好ま
しいが、隆起印刷や突起のパターン形状にケミカルエツ
チングした突起厚さの基板（アルミ板）にインキを塗布
あるいは吹付ける方法でもよい。

突起間隔（隣接突起との中心間距離）１、突起径Ｒ１厚
みｄは、対応する電極板の構造寸法、導電性エラストマ
ーシート１の厚みにより変化はあるが、突起２の直径Ｒ
（以下、ドツト径という）は０．３〜１．５ｍｍ　、好
ましくは０．４〜１．０ｍｍである。また、突起２の厚
みｄは、０．０１〜０゜５０ｍｍ、好ましくは０．０２
〜０．０６ｍｍである。隣接突起との中心間距離（以下
、ピッチという）を！とすれば、隣接突起の間隔（互い
の最短距離）ｆｆｉ−Ｒは０．１〜３．０ｍｍ　、好ま
しくは０．２〜２．９ｍｍである。ｌ−Ｒが０．１ｍｍ
未満となると、ＯＮ時の加圧力が極めて高くなる傾向が
あり、スイッチ素子としては不向きとなる。また、ｆ−
Ｒが３．０ｍｍを越えるとＯＦＦ時、すなわち無加圧時
でも導電性エラストマーシート１が電極板と接触し、電
流洩れ（リーキング）が生じ易い。

一方、導電性エラストマーシート１との接着面のドツト
径Ｒは、０．３ｍｍ未満ではドツトに厚みをもたせるの
が難しく、やはり無加圧時でも、電流洩れが生じ易い。

逆にＲが１　、５ｍｍを越えると、ＯＮ時の加圧力が高
くなり、加圧しても加圧棒（スタイラス）の先端が２ｍ
ｍ以下であるとＯＮ時の加圧力にバラツキが生じ、加圧
力の極めて高くなる所と低い所とができる。

ピッチｌ、ドツト径Ｒが上記条件内であっても突起２の
厚みｄが０．０１ｍｍ未満であるとＯＮ時の加圧力が低
く、時にはＯＦＦ時に複合シートと電極板とが接触し、
電流洩れが生じ易い。ドツトの厚みｄが０．５０ｍｍを
越えると、加圧棒で押したときのＯＮ時の加圧力が極め
て高くなる傾向があり、これまたスイッチ素子として具
合がわるい。

加圧の方法としては加圧棒（スタイラス）による方法に
限らず、例えば直接、指によって入力することも可能で
あるが、その際には上記範囲の中でもピッチｌを２．０
〜３　、０ｍｍ程度にするのが好ましい。また、スイッ
チの０Ｎ−ＯＦＦの判定レベルを変えること、すなわち
普通状態の抵抗値を上げることによっても可能である。

以上の如く、ピッチｌ、ドツト径Ｒ１厚さｄを適宜選択
すれば、目的のＯＮ時の加圧力を得ることが可能である
。導電性金属粒子を用いた場合には、加圧時の抵抗変化
が大きく、抵抗値を小さくすることができる。一方、グ
ラファイト等の炭素質を用いた場合には、加圧時の抵抗
値が比較的高いが、本発明では、抵抗変化は十分大きく
、実用上何ら問題はない。導電性エラストマーシート１
の厚みを増せば、ＯＮ時の加圧力は高（なるが、耐久寿
命は延びる傾向にある。したがって、導電性エラストマ
ーシート１の厚さとしては、０．５〜１．０ｍｍの範囲
が好ましい。

本発明の圧力センサーは、上述したように導電性エラス
トマーシートｌの少なくとも一方の面に複数個の突起２
からなる突起パターンを形成して複合シートとなし、こ
の複合シートを第１図および第２図に示すように板状電
極間に介在させ、プラスチックフィルムもしくはエラス
トマーからなる封止材により全体的に被覆したものであ
る。

第１図は本発明の圧力センサーの一例の断面図、第２図
はその平面図である。これらの図において、０．５ｍｍ
厚の導電性エラストマーシートｌの両面には複数個の突
起２が一体的に形成されて複合シートを構成している。

この複合シートは、上側板状電極３と下側板状電極４と
の間に挾まれている。なお、これらの電極３と電極４と
の一端には、電流を通ずるための端子３ａおよび４ａが
それぞれ設けられている。複合シートの両端は、シリコ
ーンゴムからなるエンド材５を介してそれぞれ上側板状
電極３および下側板状電極４に固定されている。そして
、全体的に封止用エラストマー６によって覆われている
。

上側板状電極３および下側板状電極４は、それぞれ、一
般に用いられるものでよく、例えば０．１ｍｍ程度の厚
さのステンレス板の一面に（すなわち、導電性エラスト
マーシート１の突起２と接する面）に金メッキ処理した
ものか又はポリエステルフィルムの片面を導電性塗料で
プリントしたもの等が用いられる。なお、電極の厚みが
適切でないと圧力−抵抗値特性（絶縁体から荷重に応じ
て徐々に導電体となる特性）を発現する際のチャタリン
グ（短絡等）の発生原因となる。したがって、上側板状
電極３および下側板状電極４の厚さは、それぞれ、０．
０２ｍｍ〜０゜３１程度であることが好ましい。

封止用エラストマー６は、圧カー電気変換素７　　　　
子を外部より保護するためのカバー材として働くが、セ
ンサー表面に印加される力に応じて歪む必要性があるた
め、その材質としては一般にエラストマーを用いるが、
ポリエステル等のプラスチックのフィルムでもよい。ま
た、加工方法としては・、液状エラストマーではキャス
ティング方法、固形状エラストマーではインジェクショ
ン方法がとられるが、これらのエラストマーのシートや
プラスチックのフィルムを貼り合わせる等の加工成形法
でもよい。この封止用エラストマー６の形状は要求に応
じて種々変化し得る。ここでは、外径８ｍｍφ、全体の
厚みが５ｍｍの円形状としている。一般に、封止用エラ
ストマー６の厚みを増減することによって押圧力（Ｆ）
−抵抗値（Ｒ）特性をコントロールすることが可能であ
り、厚みを増せばより高い押圧力で、減らせばより低い
押圧力で抵抗値が低下することになる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の圧力センサーは、導電性エ
ラストマーシートの少なくとも一方の面に所定形状の突
起パターンを一体的に形成してなる複合シートを板状電
極間に介在させ、プラスチックフィルムもしくはエラス
トマーからなる封止材により全体的に被覆することによ
り構成されるため、その上下面に押圧力（圧力）をかけ
ると板状電極が撓んで導電性エラストマーシートの突起
パターンの存しない部分に接触し、導通することになる
。さらに、押圧力を加えることにより、導電性エラスト
マーシート中に分散している導電性粒子間がより密接し
てより抵抗値が下がる。したがって、圧力センサーとし
ての特性を十分に発揮することができる。

また、本発明の圧力センサーは、導電性エラストマーシ
ートの少なくとも一方の面に突起パターンを一体的に形
成しているため、使用中に突起がずれる等のおそれがな
いので圧力−電気変換特性における繰返し精度と耐久性
とを十分に向上させることができる。

さらに、本発明の圧力センサーは、プラスチックフィル
ムもしくはエラストマーからなる封止材により全体的に
被覆されているため、その厚みを増減することにより押
圧力（Ｆ）−抵抗値（Ｒ）特性を自由にコントロールす
ることが可能となる。

このため、本発明の圧力センサーは、テレビ等電気機器
のスイッチ、各種ロボットの手指等の感圧センサー、他
に荷重センサー、面圧センサーとして、さらにはオン−
オフタイプの感圧センサーなどとして有利に利用可能で
ある。

以下に実施例を挙げて本発明の効果を具体的に説明する
。

実施例 （１）　　シリコーンゴム１００重量部にジクミルパー
オキサイド（信越化学歴Ｃ−３）３．４重量部とＮｉ粉
５００重量部を分散混合し、プレス架橋して０．５ｍｍ
厚のシートを作製した。

このシートの上下両面に、Ｒ＝０．５ｍｍ１ｄ＝０゜０
２ｍｍの第６図に示す形状のシリコーン樹脂製の突起を
１２　＝２．０ｍｍで、第８図に示すように複数個印刷
配列し、複合シートとした。

この複合シートを第１図に示すように上側板状電極３お
よび下側板状電極４の間に挾み、圧力センサー（外径８
ｍｌｌ１φ、厚さ５ｍｍ）を得た。

この場合の上側板状電極３および下側板状電極４は、そ
れぞれ、０．１ｍｍの厚さのステンレス板の−面に金メ
ッキ処理を施したものである。

得られた圧力センサーを用いて感圧テストを行った。こ
のテストは、０．１ｍＡの定電流を流し、先端が１２ｍ
ｍφの平伏の加圧棒で最大加圧力５ｋｇまで加圧した時
の電圧変化に相当する抵抗変化を測定することによった
。この結果を第３図に示す。

（２）上側板状電極３および下側板状電極４がそれぞれ
０．１ｍｍの厚さのポリエステルフィルムの一面に銅メ
ツキ処理を施したものであること、および加圧棒の先端
が４ｍ１Ｉｌφの球状であることを除いて、上記（１１
におけると同様に感圧テストを行った。この結果を第４
図に示す。

（３）比較のために、シリコーンゴム１００重量部にジ
クミルパーオキサイド（信越化学部Ｃ−３）３．４重量
部とＮｉ粉５００重量部を分散混合し、プレス架橋して
０．５ＩｗＩ１１厚のシートを作製し、このシートに機
械的外力を作用させて導電性粒子間を引離し、感圧性を
もたせ、これを圧力センサー（メンプレムタイプ）とし
て感圧テストを行った。このテストは、Ｏ，１ｍへの定
電流を流し、先端が４ｍｍφの球状の加圧棒で最大加圧
力５ｋｇまで加圧した時の電圧変化に相当する抵抗変化
を測定することによった。この結果を第５図に示す。

第３図、第４図、および第５図から明らかなように、従
来の圧力センサー（第５図）は加圧時の抵抗変化が不規
則であるのに対し、本発明の圧力センサー（第３図、第
４図）は押圧力に対して抵抗変化が急激でかつ安定して
おり、これにより高感度の感圧性を示すことが判る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧力センサーの一例の断面図、第２図
はその平面図である。 第３図は本発明の圧力センサーの一例の押圧力（Ｆ）−
抵抗値（Ｒ）関係図、第４図は本発明の圧力センサーの
他例の押圧力（Ｆ）−抵抗値（Ｒ）関係図、第５図は従
来の圧力センサーの一例の押圧力（Ｆ）−抵抗値（Ｒ）
関係図である。 第６図（ａ）は導電性エラストマーシートの少なくとも
一方の面に形成される突起の一例の平面図、第６図（ｂ
）はその側面図、第７図（ａ）は導電性エラストマーシ
ートの少なくとも一方の面に形成される突起の他例の平
面図、第７図（ｂ）はその側面図、第８図および第９図
はそれぞれ突起パターンを示す平面図である。 １・・・導電性エラストマーシート、２・・・突起、３
・・・上側板状電極、４・・・下側板状電極、５・・・
エンド材、６・・・封止用エラストマー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 弾性高分子材料に導電性粒子を分散配合してなる導電性
   エラストマーシートの少なくとも一方の面に、絶縁材料
   からなり、かつ下記式を満足する形状の突起パターンを
   一体的に形成した複合シートを、板状電極間に介在させ
   、プラスチックフイルムもしくはエラストマーからなる
   封止材により全体的に被覆してなる圧力センサー。 突起の直径Ｒ＝０．３〜１．５ｍｍ 突起の厚みｄ＝０．０１〜０．５０ｍｍ 隣接突起との中心間距離ｌ＝（０．１〜３．０）＋Ｒ