(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗体母材に、カーボンブラックとカーボンファイバとをそれぞれ１５乃至２０体積％含有しており、前記カーボンファイバの粒度分布は略正規分布の形状であり粒度１乃至２０μｍの範囲にカーボンファイバ全体の８０体積％以上が含まれていることを特徴とする抵抗体。
【請求項２】
前記カーボンファイバの粒度分布のピークは粒度１乃至３μｍであることを特徴とする請求項１記載の抵抗体。
【請求項３】
前記カーボンファイバの粒度分布のピークは粒度６乃至１０μｍであることを特徴とする請求項１記載の抵抗体。
【請求項４】
前記カーボンファイバはカップリング剤によりカップリング処理が施されていることを特徴とする請求項３記載の抵抗体。
【請求項５】
請求項１乃至４記載の抵抗体を用いた可変抵抗器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロリニアリティ特性と耐摩耗性が共に優れた抵抗体及びそれを用いた可変抵抗器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種センサの可変抵抗器に用いられる従来の抵抗体は、抵抗体母材である樹脂中に構造材料とするカーボンファイバと導電粒子とするカーボンブラックとを含有しており、摺動子はこの抵抗体からなる抵抗パターンに摺接しながら移動する。このとき、硬質なカーボンファイバが摺動子の荷重を直径方向で受けて長い繊維長に分散させるので、抵抗体の摩耗する程度が極めて少ない。従って、カーボンブラックやグラファイト等の導電粒子のみを含有する他のタイプの抵抗体を用いた可変抵抗器に比べ、耐摩耗性が改善されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のカーボンファイバを用いた抵抗体は、カーボンファイバが繊維長方向に高い導電性を有するため、抵抗体の微小区間内でカーボンファイバの繊維長方向の配向度合いによる抵抗率の変動が起こりマイクロリニアリティ特性が劣化するという問題があった。
【０００４】
次にマイクロリニアリティ特性を説明する。図１４のグラフは抵抗体パターンの長さＬ方向に定格電圧Ｖｉｎを印加したとき、縦軸を抵抗体パターン上を長さ方向に摺動する摺動子からの出力Ｖ、横軸に抵抗体パターン上での摺動子の位置Ｘとしたものである。抵抗体の抵抗率が位置によらず一定であるという前提のもとでは、摺動子が抵抗体上の任意の点からΔＸだけ移動したときの出力変化はＶｉｎ／Ｌなる傾きを有する理想直線Ｐで示すことができる。
【０００５】
理想直線Ｐにおいては、摺動子がＡ点からＢ点までΔＸだけ移動した場合の基準出力変位はΔＶ＝（ΔＸ／Ｌ）×Ｖｉｎと表すことができるが、実際の出力Ｓは理想直線Ｐから外れる。式１に示すように、マイクロリニアリティ特性は点Ａ、Ｂでの実際の出力ＶＡ、ＶＢの出力変位ＶＢ−ＶＡとから基準出力変位の差分を印加電圧の百分率により規定される。高性能な位置センサでは、実際の出力Ｓが理想直線Ｐに近い特に優れたマイクロリニアリティ特性が要求される。
【０００６】
【式１】
0003587730.tif 000002
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる抵抗体は、抵抗体母材に、カーボンブラックとカーボンファイバとをそれぞれ１５乃至２０体積％含有しており、前記カーボンファイバの粒度分布は略正規分布の形状であり粒度１乃至２０μｍの範囲にカーボンファイバ全体の８０体積％以上が含まれている。
【０００８】
抵抗体母材は、カーボンブラック及びカーボンファイバを均一に分散させ且つこれらをバインドできるという役割を果たせばその素材は限定されず、例えばフェノールホルムアルデヒド樹脂、キシレン変性フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、アクリル樹脂、アクリレート樹脂、フルフリル樹脂等の熱硬化性樹脂等が使用できる。
【０００９】
カーボンブラックは、抵抗体に導電性を付与する役割を持つ。カーボンブラックの抵抗体中に占める割合が１５体積％よりも少なければ抵抗体としての導電性が低く、マイクロリニアリティ特性が劣化することとなり、２０体積％より多ければ抵抗体のスクリーン印刷適性が低下して、抵抗体パターンの形成が困難となる。
【００１０】
カーボンファイバは、摺動子から加えられた荷重を分散させて支える。よって、カーボンファイバは摺動子の荷重に対する抵抗体の耐摩耗性を向上させる構造材の役割と、抵抗体の摺動子との接点において電気的な接触を安定化させる役割を果たす。
【００１１】
カーボンファイバの抵抗体中に占める割合が１５体積％よりも少なければ、摺動子の荷重を支える点が減少するので十分に支えられず抵抗体の耐摩耗性が低下することとなり、２０体積％よりも多ければ抵抗体母材とする樹脂によるバインドが不完全となってカーボンファイバが抵抗体表面より抜け出すことにより抵抗体の耐摩耗性が低下することとなる。
【００１２】
カーボンファイバの粒度分布は、カーボンファイバが上記のような役割を果たし、且つ、抵抗体が優れたマイクロリニアリティ特性を有するように定めた。粒度分布の１乃至２０μｍの範囲に占める割合が全体の８０体積％以下である場合、即ち粒度分布がブロードであったり正規分布から大きく外れた非対称の形状であった場合、抵抗体には繊維長の長いカーボンファイバ（及び／又は）繊維長の短いカーボンファイバが多く含まれていることとなり、繊維長の長いカーボンファイバの存在によりマイクロリニアリティ特性は劣化し、また、摺動子の荷重を十分支えることのできない粒度の小さいカーボンファイバが多く混在すると耐摩耗性が劣化する。
【００１３】
本発明に係わる抵抗体は、前記カーボンファイバの粒度分布のピークが粒度１乃至３μｍである。このときカーボンファイバは粒状であるのでカーボンファイバの繊維長方向の高い導電性はマイクロリニアリティ特性を劣化させることがない。また、粒状のカーボンファイバは摺動子の荷重を数個の集団で受け、隣接する多数のカーボンファイバに分散するので耐摩耗性にも優れている。
【００１４】
また本発明に係わる他の抵抗体は、前記カーボンファイバの粒度分布のピークが粒度６乃至１０μｍである。このような繊維長の短いカーボンファイバでは繊維長方向の高い導電性がマイクロリニアリティ特性を劣化させることがなく、また、摺動子の荷重を繊維径方向で受けて繊維長方向に分散させて支えるので耐摩耗性に優れており環境温度の変化に対してもその特性を維持できる。
【００１５】
本発明に係わる抵抗体は、カーボンファイバがカップリング処理されていることが望ましい。カップリング剤としては、シラネート系、チタネート系アルミナ系カップリング剤を使用することができる。かかるカップリング処理よりカーボンファイバの抵抗体母材への分散性が向上するので、摺動子の摺動よるカーボンファイバの抵抗体表面からの抜けだしが少なく耐摩耗性が向上する。
【００１６】
本発明の可変抵抗器は、上述の本発明の抵抗体で、所望のマイクロリニアリティ特性を持ち、環境温度の変化に対しても耐摩耗性を維持するので、本発明の可変抵抗器もこのような特性を持ち、車両等のエンジンコントロール部に搭載される位置センサに用いられるのが望ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係わる抵抗体の実施の形態を述べる。本発明の抵抗体の実施の形態は、抵抗体母材中にカーボンブラックとカーボンファイバをそれぞれ１５乃至２０体積％含んだものでおり、カーボンファイバの粒度分布は略正規分布の形状であり１乃至２０μｍの範囲に分布全体の８０体積％が含まれている。
【００１８】
前記のような形状のカーボンファイバは、繊維径約８μｍであり繊維長１０μｍから１００μｍ程度のものまでが混在する市販のカーボンファイバ（例えば東レ製トレカＭＬＤや東邦レーヨン製ベスファイトＨＴＡ−ＣＭＦ等）を粉砕したものである。
【００１９】
また、粉砕されたカーボンファイバは、アミノシラネート系のカップリング剤により水、エタノールと共に混合、２時間程度攪拌した後濾過して１００℃程度で乾燥する条件でカップリング処理される。
【００２０】
このような抵抗体を用いた本発明による可変抵抗器の一実施の形態の全体平面図を図１、分解斜視図を図２に示す。可変抵抗器は、下部及び両端部が開放された断面コ字状の絶縁材からなるフレーム１と、外部から操作されるレバー部２を備えた操作部材３と、一対の摺動子４と一体に形成されて導電性を有する止め板５と、絶縁基板６とから成り、絶縁基板６には、本発明の抵抗体からなり、スクリーン印刷等により形成された抵抗体パターン７と、抵抗体パターン７に沿って延びる集電体パターン８と、抵抗体パターン７の両端に接続する入力端子９ａ、出力端子９ｂと、集電体パターン８の両端に接続する入力端子１０ａ、出力端子１０ｂとが形成されている。
【００２１】
絶縁基板６はフレーム１内に収納されており、操作部材３と止め板５が、絶縁基板６とフレーム１を挟んで、止め板５の摺動子４がそれぞれ抵抗体パターン７と集電体８とに摺接しながら図１の矢印のＬ、Ｒ方向にスライド自在な状態で一体化されて取り付けられている。入力端子９ａ、１０ａ間に電流・電圧を加えた状態で、操作部材３が図１の矢印方向にスライドすると、操作部材３の移動に伴い一対の摺動子４が抵抗体パターン７と集電体パターン８との上を摺動する。そして、一対の摺動子４による抵抗体パターン７と集電体パターン８との導通位置が変化して、この導通位置の対応した電流・電圧の出力が出力端子９ｂ、１０ｂから得られるようになっている。
【００２２】
（実施例１）
本発明の抵抗体の実施例１は、抵抗体母材とするアセチレン末端ポリイソイミド樹脂中に、２０体積％のカーボンブラックと、１６体積％のカーボンファイバを分散させたものである。
【００２３】
図３のグラフはレーザー回折・散乱法により観測された実施例１のカーボンファイバの粒度分布を示すグラフであり、横軸が粒度（μｍ）、縦軸がそれぞれの粒度（μｍ）を占めるカーボンファイバの全体に占める割合（体積％）である。
【００２４】
図３からわかるように、実施例１のカーボンファイバの粒度分布は粒度約８μｍをピーク中心として粒度５乃至１３μｍの範囲に全体の約９０体積％が含まている。このとき市販カーボンファイバの粉砕はジェットミル粉砕法により行い、粉砕条件は直径１５０ｍｍのサイクロン内に６〜７ｋｇ／ｃｍ２の圧縮空気を毎分０．２から０．６ｍ３の割合で流入させながら市販のカーボンファイバを毎分１から３ｇの割合で投入したものである。
【００２５】
（比較例１）
比較例１の抵抗体は、実施例１と同種の樹脂を抵抗体母材として、１５体積％のカーボンブラックと、１６体積％のカーボンファイバとを分散させたものである。
【００２６】
比較例１のカーボンファイバの粒度分布を図３と同様な座標軸を有する図９のグラフに示す。図９からわかるように、比較例１のカーボンファイバの粒度分布は正規分布から外れた非対称な形状であり、カーボンファイバ全体の９０体積％を含む範囲は粒度５０μｍにまで至っている。
【００２７】
（比較例２）
比較例２の抵抗体は、実施例１と同種の樹脂を抵抗体母材として、２０体積％のカーボンブラックを分散させたものである。
【００２８】
図４に実施例１のマイクロリニアリティ特性を示す。図４のグラフの横軸は位置センサの開度を角度（ｄｅｇ）で示し、縦軸はマイクロリニアリティ（％）を示している。比較例１、２のマイクロリニアリティ特性を、それぞれ図１０、１２に示す。なお、図１０、１２のグラフの横軸、縦軸は図４と同一の座標である。
以上の結果から、実施例１の抵抗体のマイクロリニアリティ特性は比較例１から大幅に改善され、カーボンファイバを含まない比較例２とほぼ同等であることがわかる。
【００２９】
また、図５に実施例１の耐摩耗性試験の結果を示す。図５のグラフの横軸は抵抗体の位置を示し、縦軸は抵抗体の表面の摩耗深さ（μｍ）を示している。なお、縦軸の０μｍは耐摩耗性試験前の抵抗体表面である。耐摩耗性の試験方法は、六元合金ブラシを抵抗体表面に摺接して、４００万サイクルの往復運動を終えた後、に抵抗体表面の摩耗状態を触針式表面粗さ計により抵抗体表面の摩耗状態を観測したものである。
一方、比較例１、２の耐摩耗性試験の結果を図１１、図１３に示す。なお、図１１と図１３のグラフの横軸、縦軸は図４と同一の座標である。
以上の結果から、実施例１の抵抗体の耐摩耗性は比較例２から大幅に改善されて、荷重を分散できる長い繊維長のカーボンファイバを多く含む比較例１とほぼ同等であることがわかる。
【００３０】
（実施例２）
本発明の抵抗体の実施例２は、実施例１と同種の樹脂を抵抗体母材として２０積％のカーボンブラックと、２０体積％のカーボンファイバを分散させたものである。
【００３１】
実施例２の粒状のカーボンファイバの粒度分布を図３と同様な座標軸を有する図６のグラフに示す。図６からわかるように実施例２のカーボンファイバの粒度分布は粒度約２μｍをピーク中心として粒度１乃至３μｍの範囲にカーボンファイバ全体の９０体積％が含まれている。このとき市販カーボンファイバの粉砕にはボールミルを用い、粉砕条件は直径１００から２００ｍｍのジルコニアポット内に市販のカーボンファイバと直径５から１０ｍｍのジルコニアボールを投入して、６０から１５０ｒｐｍの回転数を７０から１００時間程度保持するものである。
【００３２】
実施例２の抵抗体のマイクロリニアリティ特性を、図４と同様な座標軸を有する図７に示す。実施例１と同様に実施例２と比較例１、２のマイクロリニアリティ特性と比較すると、実施例２のマイクロリニアリティ特性は、比較例１から大幅に改善され、カーボンファイバを含まない比較例２とほぼ同等であることがわかる。
【００３３】
また、実施例２の実施例１と同一条件下で行った耐摩耗性試験の結果を、図５と同様な座標軸を有する図８に示す。実施例２の耐摩耗性は比較例２に比べ大幅に改善されており、比較例１に比べると若干劣っている。これは、比較例１ではカーボンファイバの長い繊維長で荷重を分散して支えることのできるのに対し、実施例２ではカーボンファイバが粒状であり荷重を支えにくいことによると考えられる。しかしながら、実施例２のマイクロリニアリティ特性は比較例１から大幅に改善しているので、総合的な特性は改善している。
【００３４】
【発明の効果】
本発明に係わる抵抗体は、抵抗体母材に、カーボンブラックと所定形状のカーボンファイバとを分散させているので、カーボンファイバの優れた耐摩耗性を奏しつつ、優れたマイクロリニアリティ特性を奏するものである。
【００３５】
また、本発明に係わる他の抵抗体は、抵抗体母材に、カーボンブラックと所定形状の粒状の炭素材片を分散させたので、優れた耐摩耗性を奏しつつ、優れたマイクロリニアリティ特性を奏するものである。
【００３６】
また、本発明の可変抵抗器は、上述の本発明の抵抗体を使用しているので、所望のマイクロリニアリティ特性及び耐摩耗性を持つ。そして、環境温度の変化に対してもその特性を維持できるので車載用各種センサに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる可変抵抗器の一実施の形態を示す平面図である。
【図２】図１に示した可変抵抗器を分解した状態を示す斜視図である。
【図３】本発明に係わる抵抗体の実施例１に用いたカーボンファイバの粒度分布を示すグラフ。
【図４】本発明に係わる抵抗体の実施例１のマイクロリニアリティ特性を示すグラフ。
【図５】本発明に係わる抵抗体の実施例１の耐摩耗性を示すグラフ。
【図６】本発明に係わる抵抗体の実施例２に用いたカーボンファイバの粒度分布を示すグラフ。
【図７】本発明に係わる抵抗体の実施例２のマイクロリニアリティ特性を示すグラフ。
【図８】本発明の実施例２の抵抗体の耐摩耗性を示すグラフ。
【図９】比較例１の抵抗体に用いたカーボンファイバの粒度分布を示すグラフ。
【図１０】比較例１のマイクロリニアリティ特性を示すグラフ。
【図１１】比較例１の耐摩耗性を示すグラフ。
【図１２】比較例２のマイクロリニアリティ特性を示すグラフ。
【図１３】比較例２の耐摩耗性を示すグラフ。
【図１４】マイクロリニアリティ特性を説明するためのグラフ。
【符号の説明】
１  フレーム
２  レバー
３  操作部材
４  摺動子
５  止め板
６  絶縁基板
７  抵抗体パターン
８  集電体パターン
９ａ  入力端子
９ｂ  出力端子
１０ａ  入力端子
１０ｂ  出力端子
【図１】
0003587730.tif 000003
【図２】
0003587730.tif 000004
【図３】
0003587730.tif 000005
【図４】
0003587730.tif 000006
【図５】
0003587730.tif 000007
【図６】
0003587730.tif 000008
【図７】
0003587730.tif 000009
【図８】
0003587730.tif 000010
【図９】
0003587730.tif 000011
【図１０】
0003587730.tif 000012
【図１１】
0003587730.tif 000013
【図１２】
0003587730.tif 000014
【図１３】
0003587730.tif 000015
【図１４】
0003587730.tif 000016