(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペーサを介して隔置された可撓性基材の表面に電極層を有し、その少なくとも１方が感圧センサ用抵抗体層を含み、可撓性基材に加えられた圧力によって変化する感圧センサ用抵抗体層の表面における表面接触面積に応じた抵抗値変化を感知する感圧センサであって、感圧センサ用抵抗体層が有機樹脂中に導電粒子と共に無機絶縁性微粒子を分散して含む感圧センサ用抵抗体で形成されており、前記無機絶縁性微粒子の粒径が５０ｎｍ以下であることを特徴とする感圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は感圧センサ用抵抗体およびそれを用いた感圧センサに係り、より詳しくは繰り返しの加圧・除圧あるいは連続的な加圧に対して感圧抵抗率の変化が小さく、高精度の感圧センサ用抵抗体および感圧センサに関するものである。感圧センサは、例えば、医療介護用ベットの感圧センサ、自動車の着座センサなどに利用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来より圧力センサ（圧力変換装置）としては、図１の如く、電気接点間の表面接触抵抗値の変化を利用するものが知られている。具体的には、可撓性の樹脂フィルム１，２の表面に形成された電気的接点３，４をスペーサ５を介して対向して配置し、例えば、電気的接点の一方を半導体物質層としたものが特公平５−２２３９８号公報に開示されている。このような圧力センサでは電気的接点の導体層および半導体物質層に有機樹脂をバインダとする厚膜材料が一般的に用いられている。
【０００３】
そして、図１の右図に示すようにセンサに圧力が加わると電気的接点３，４どうしが接触し、加わった圧力に応じて接触面積が違うので、電気的接点間の電気抵抗値も変化する性質を利用して圧力を感知するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如く、有機樹脂をバインダとする厚膜材料で形成された電気的接点の導体層および半導体物質層を接点に用いた場合、接点に加わる繰り返し応力、連続的応力によって感圧抵抗値が劣化するという問題がある。図２に加圧回数あるいは加圧時間の関数としての抵抗値変化の様子を示す。感圧センサを単に加圧によるスイッチとして使用する場合は閾値を低くしておけばよいともいえるが、感圧抵抗値の大幅な変化はやはり問題であるし、また感圧センサで感知する圧力に応じて二次の作用を行なう用途に感圧センサを使用しようとする場合には感圧抵抗値の変化はできるだけ小さいことが望まれる。
本発明はこのような従来技術の現状に鑑みて感圧センサ用抵抗体の使用劣化をできるだけ少なくすること、感圧センサの精度を高く維持することを目的とするものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記目的を達成するために、スペーサを介して隔置された可撓性基材の表面に電極層を有し、その少なくとも１方が感圧センサ用抵抗体層を含み、可撓性基材に加えられた圧力によって変化する感圧センサ用抵抗体層の表面における表面接触面積に応じた抵抗値変化を感知する感圧センサであって、感圧センサ用抵抗体層が有機樹脂中に導電粒子と共に無機絶縁性微粒子を分散して含む感圧センサ用抵抗体で形成されており、前記無機絶縁性微粒子の粒径が５０ｎｍ以下であることを特徴とする感圧センサを提供するものである。
【０００６】
本発明者は、従来技術の圧力センサでは、接点に用いた有機樹脂をバインダとする厚膜材料で形成された電気的接点の導体層および半導体物質層が樹脂を用いているために応力によって動的粘弾性挙動を示し、接触部表面を微視的に見た場合には接触部が徐々に変形して、表面接触面積が変化し、その結果、繰り返しの加圧・除圧あるいは連続的な（長時間の）加圧を加えた場合に感圧抵抗値（所定の圧力における抵抗値）が加圧回数、加圧時間とともに変化して感圧センサの精度を低下させていること、そして、樹脂中に粘弾性を減少させるために微細な無機絶縁性フィラーを添加することにより、樹脂系厚膜の特徴である屈曲性や形成の容易性を損なうことなく樹脂の粘弾性挙動による変形を低減できることを見出し、本発明を完成したものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の感圧センサ用抵抗体は、有機樹脂を母材とする。用いる有機樹脂の種類は、ペースト時の印刷性、ベースフィルム使用温度以下での硬化が可能であること、硬化後の適度な屈曲性などがあれば、特に限定されず、熱可塑性ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、アミノ樹脂、シリコン樹脂などの１種類または２種類以上の混合物が使用可能であり、硬化剤、触媒との併用も可能である。熱硬化性樹脂も使用できる。
【０００８】
感圧センサ用抵抗体は導電粒子を含む。感圧センサ用抵抗体は圧力に応じて抵抗値の変化を検出するものであるから、一般的には、カーボン、グラファイト、カーボンブラック、酸化亜鉛、酸化錫などの無機フィラーなどの中程度の導電性をもつ粒子を適当量配合して感圧センサ用抵抗体として適当な抵抗率にされる。例えば銀のような高導電性物質を多量に配合してしまうと圧力に応じた抵抗値変化が小さくなり検出できなくなるので、一般的には避けられるが金属粒子の使用、あるいは併用を排除するわけではない。導電粒子の粒径は一般的には０．１ｎｍ〜１００００ｎｍ、好ましくは１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内である。加わる圧力に応じた抵抗値変化を検出する目的からは微細な導電粒子を均一に分散させることが望ましい。導電粒子の配合量は有機樹脂および導電粒子の種類にも依存するが、一般的には５〜５０質量％、好ましくは１０〜４０質量％の範囲内である。導電粒子の配合量が少なすぎても、多すぎても圧力検出に必要な抵抗値が得られなくなる。感圧センサ用抵抗体の抵抗値は用途にもよるが、一般的には５Ωｃｍ〜５００Ωｃｍ、さらには１０Ωｃｍ〜２００Ωｃｍの範囲内のものが好適に使用される。
【０００９】
感圧センサ用抵抗体の抵抗値は感圧部のパターン構成によって異なるが、出力値として１００Ω〜５００ｋΩの範囲内が好ましい。
本発明の感圧センサ用抵抗体はさらに有機樹脂の粘弾性を低減するために無機絶縁性微粒子を含むことを特徴としている。有機樹脂に無機フィラーを添加して耐衝撃性などの樹脂強度を向上させること、また樹脂ペーストに微細フィラーを添加して粘度調整することなどは従来技術において公知であるが、本発明のように圧力検出の目的で使用される感圧センサ用抵抗体に無機絶縁性微粒子を添加して有機樹脂の粘弾性挙動を低減させて感圧精度の耐久劣化を防止することは行われていない。
【００１０】
感圧センサ用抵抗体に添加する無機絶縁性微粒子としては、シリカ、アルミナ、炭酸カルシウム、マイカ、硫酸バリウム、カオリン、クレーなどの絶縁物質が好ましく使用できる。無機絶縁性微粒子の粒径は粘弾性を低減させる効果の点でより微細な粒子が好ましく、例えば１μｍ程度でも使用できるが、できれば１００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以下、さらに好ましくは２５ｎｍ以下の微粒子がよい。粒径の下限は特になく、入手可能であればよいが、少なくとも１０ｎｍ程度までは入手の可能性があり、数ｎｍの粒子も入手できるようになる可能性が高い。好適な無機絶縁性微粒子として粒径１０〜３０ｎｍのマイクロシリカビーズ、粒径５０ｎｍ程度の炭酸カルシウムがある。
【００１１】
感圧センサ用抵抗体に添加する無機絶縁性微粒子の配合量は、特に限定されず、添加できればその分だけ粘弾性挙動を低減することができるが、感圧センサ用抵抗体固形分を基準に一般的には０．５〜２０質量％、より好ましくは１．０〜１０質量％の範囲内である。用いる無機絶縁性微粒子の粒径が小さいので、少量でも有効に樹脂の粘弾性挙動を低減でき、また多量に混合することは困難である。無機絶縁性微粒子の配合量が０．５質量％より少ないと樹脂の粘弾性挙動を低減する効果が不十分であり、一方、２０質量％より多くなるとペーストのチキソトロピー性が上昇し、スクリーン印刷性が低下し、またかさ密度が増大し分散自体が難しくなるからである。
【００１２】
本発明の感圧センサ用抵抗体には、上記の有機樹脂、導電粒子および無機絶縁性微粒子のほか、硬化触媒、分散剤などを必要に応じて添加することができる。
本発明の感圧センサ用抵抗体の製造は、上記の所定成分を有機溶剤に溶解してペーストを作成し、基材上に塗布し、乾燥固化して行うことができる。硬化性樹脂の場合は、塗布後の硬化を加熱や光照射によって行う。パターニングは塗布の際に行っても、または固化後に行ってもよい。
【００１３】
本発明の感圧センサ用抵抗体を用いて感圧センサを作製すれば感圧センサの感度耐久性が向上する。感圧センサは、一方または両方が可撓性の基材を表面に電極を形成し、スペーサを介して所定の間隔で離間して配置し、少なくとも一方の基材の電極に感圧センサ用抵抗体層を形成して構成される。感圧センサ用抵抗体層の集電体あるいは下地としては導電層を形成することが望ましい。感圧センサの構造として両方の基材間で出力を得るタイプと、片側の基材から出力を得るタイプがある。片側の基材から出力を得るタイプでは、出力を取り出さない側の感圧センサ用抵抗体層の下地には集電体層即ち導電層は必要でない。また、両方の基材間で出力を得るタイプでは両方に感圧センサ用抵抗体層を設けることが望ましいが、片側を感圧センサ用抵抗体層または導電層のない電極することも可能である。
【００１４】
導電層は例えば銀紛、銅紛、ニッケル紛などの良導電性粒子を樹脂バインダで結着したものが好適に使用できる。導電層は抵抗が低いほどよいので、樹脂バインダの量は良導電性粒子を結着できればよく、例えば、３〜２０重量％程度でもよいが特に限定されない。また導体の一部としてカーボン紛、グラファイトなどを含むと耐マイグレーション性が向上するので好ましい。カーボン紛などの添加量は０〜３重量％程度が好ましい。また、導電層は樹脂量が少ないこと、また良導体であって抵抗体ではないので、樹脂の粘弾性挙動の影響は殆ど見られないので、必要ではないが、無機絶縁性微粒子を添加してもよい。
【００１５】
感圧センサ用抵抗体層は基材表面に直接に形成してもよいが、上記の如く、集電体として下地導電層を基材表面に形成した上に感圧センサ用抵抗体層を形成することが好ましい。感圧センサ用抵抗体層の膜厚、パターンは特に限定されない。加えられる圧力を検知できるように構成されていればよい。例えば、片面は全面電極とし、他面は１対の櫛歯電極を組み合わせて対向させることにより、接触面積に応じた抵抗変化を検知できる。また、両面から出力を得るタイプでは両面のいずれも全面電極としてもよい。用途、設計に応じて決定すればよい。
【００１６】
感圧センサの可撓性基材はポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル樹脂フィルム、ポリカーボネート樹脂フィルム、ポリエーテルイミド樹脂など適当な樹脂フィルムが好適に使用される。フィルムの厚さは用途に応じて決められる。
スペーサの材質、厚さも、用途、設計に応じて決定すればよい。スペーサとして例えばポリエステルフィルムなどの樹脂フィルムが好適に使用され、アクリル系あるいはポリエステル系の接着剤を用いて接着できる。
【００１７】
【実施例】
図３に示すような圧力センサを作製した。上方の電極は全面が検圧抵抗体層からなり、下方は１対の櫛歯電極を対向配置したもので、集電体は下方のみにある。即ち、片方基板側からの出力取り出しタイプである。
ベースフィルム１１，１２としてポリエチレンナフタレートフィルム（厚さ７５μｍ）を用い、これに検圧抵抗体層１３および導電層１４を形成するための下記成分をよく混合してペーストを形成し、それをスクーリン印刷法でそれぞれマトリックス状に塗布し、乾燥固化して電極として形成した。感圧センサ用抵抗体層１３の下地として導電層１４を形成した。
【００１８】
導電層ペースト：
ポリエステル/ブロックイソシアネート                  １２．５質量部
銀紛（フレーク状、平均寸法４μｍ）                    ６２．８質量部
カーボン紛（球状、平均粒径０．５μｍ）                      １質量部
溶剤（イソホロン／ソルベッソ１５０）                  ７５．０質量部
【００１９】
感圧センサ用抵抗体ペースト：
ポリエステル/メラミン                                  ８２．５質量部
アセチレンブラック（一次粒径４０ｎｍ）                  １７．５質量部
マイクロシリカビーズ（球状、平均粒径２０ｎｍ）            ２．０質量部
溶剤（イソホロン／ソルベッソ１５０）                  １００．０質量部
【００２０】
電極を形成したベースフィルム１１，１２を膜厚１２μｍのポリエステルテレフタレートフィルムをスペーサ１５とし、アクリル樹脂系接着剤を片面２５μｍ厚に塗布して、図３の如く接着して感圧センサを完成した。なお、センサの外径は２２ｍｍ、スペーサの内径は１４ｍｍ、導電層（膜厚１０μｍ）および感圧センサ用抵抗体層導電層（膜厚１５μｍ）のパターンの寸法は外径１３．５ｍｍであった。
比較のために、上記と同じであるが、マイクロシリカビーズ（無機絶縁性微粒子）を含まない感圧センサ用抵抗体層を用いた感圧センサを作製した。
【００２１】
これらの感圧センサに対して、風船を用いて、下記サイクルで加圧・除圧を繰返した。
加圧：１２０秒間で２５ｋＰａまで加圧し３０秒間保持。
除圧：１２０秒間で２５ｋＰａから無加圧まで除圧し無加圧に３０秒間保持。
感圧抵抗値測定圧力：１０ｋＰａ。
【００２２】
この加圧・除圧サイクルを繰り返し、各サイクル中の１０ｋＰａ加圧時の感圧抵抗値を測定した結果を図４のグラフに示す。
グラフから、本発明のマイクロシリカバルーン（無機微細粒子）を添加した感圧センサ用抵抗体は繰り返し加圧を受けても抵抗値変化が従来例と比べて顕著に減少していることが認められる。また、樹脂厚膜の感圧感度、屈曲性、弾性などの特性はほとんど影響がないことも確認された。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、可撓性基材に加えられた圧力によって変化する感圧センサ用抵抗体層の表面における表面接触面積に応じた抵抗値変化を感知する感圧センサの感圧センサ用抵抗体として使用される厚膜のベースとしての樹脂に粒径５０ｎｍ以下のマイクロシリカビーズなどの無機絶縁性微粒子を添加することにより厚膜の樹脂の粘弾性挙動が低減される結果、感圧センサの加圧・除圧の繰り返しあるいは連続的加圧による厚膜の抵抗値変化を顕著に減少させることができ、感圧センサの精度を長く維持することを可能にし、従って、高精度の感圧センサを提供することが可能にされる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】感圧センサの構成と作用を示す。
【図２】感圧センサの繰り返し使用による抵抗値劣化を示すグラフである。
【図３】実施例の感圧センサを示す。
【図４】実施例の感圧センザの加圧・除圧サイクル後の感圧抵抗値の変化を示す。
【符号の説明】
１１，１２…ベースフィルム
１３…感圧抵抗層
１４…導電層
１５…スペーサ
【図１】
0003907431.tif 000002
【図２】
0003907431.tif 000003
【図３】
0003907431.tif 000004
【図４】
0003907431.tif 000005