(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に第１の導体層（２ａ）が形成された第１の支持部材（１ａ）と、表面に第２の導体層（２ｂ）が形成された第２の支持部材（１ｂ）とを有し、前記第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）の間に感圧層（３ａ、３ｂ）を介在させてなる感圧変換装置において、
前記感圧層（３ａ、３ｂ）は、粒子状の半導電性物質（４、５）を絶縁材料層（６）中に分散させてなるものであり、
前記半導電性物質（４、５）は、りん片状の第１のカーボン粒子（４）と、この第１のカーボン粒子（４）よりも平均サイズが大きい球状の第２のカーボン粒子（５）からなり、前記感圧層（３ａ、３ｂ）に１０〜５０重量％の割合で混入されていることで、前記第１、第２の支持部材（１ａ、１ｂ）の少なくとも一方に圧力が印加されたとき、前記第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間に電圧が印加されていると、前記第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間に、前記半導電性物質（４、５）間の直接接触よりも前記半導電性物質（４、５）間のトンネル伝導現象によって電流が多く流れるようになっていることを特徴とする感圧変換装置。
【請求項２】
前記第１、第２の支持部材（１ｂ）は、前記圧力が印加される部位が異なる第１、第２のセンシング部（１０、１１）を有し、前記第１、第２のセンシング部（１０、１１）において前記第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間に印加される電圧が異なるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の感圧変換装置。
【請求項３】
前記第２のカーボン粒子（５）の平均サイズが前記第１のカーボン粒子（４）の平均サイズの２倍以上になっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の感圧変換装置。
【請求項４】
前記第１、第２のカーボン粒子（４、５）とも平均サイズが０．５〜１０μｍになっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の感圧変換装置。
【請求項５】
前記第１のカーボン粒子（４）と前記第２のカーボン粒子（５）は、互いに導電率が異なるものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の感圧変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に導体層が形成された一対の支持部材間に感圧層を介在させてなる感圧変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の装置として、特公平２−４９０２９号公報に示す感圧変換装置がある。これは、表面に導体層（電極）が形成された一対の支持部材の間に感圧層を介在させてなるもので、感圧層にはその表面に多数の接点位置を与えるように微粒子状の物質（例えば、硫化モリブデン）が含まれており、支持部材に圧力が印加されたとき、感圧層の表面の微粒子状の物質と、それに対向する導体層とが接触して、圧力を検知するようにしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した感圧変換装置においては、感圧層の表面の微粒子状の物質と、それに対向する導体層とが接触したとき、その接触により導通抵抗値が急激に低下する。このため、ゆるやかな感圧特性を得る必要がある場合には、上記のような感圧変換装置を用いることができない。また、押圧力の印加時には直接接触によって導通抵抗値が低下するが、その導通抵抗値は電極間の印加電圧によらず一定となるため、感圧特性を設定する場合の自由度が小さくなる。
【０００４】
本発明は、上記した従来のものと異なる新規な感圧特性を有する感圧変換装置を提供することを目的とする。
【０００５】
また、その感圧特性を緩やかなものにすることを目的とする。
【０００６】
また、その感圧特性に電圧依存性を持たせることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、感圧層（３ａ、３ｂ）を、粒子状の半導電性物質（４、５）を絶縁材料層（６）中に分散させたものとし、半導電性物質（４、５）を、りん片状の第１のカーボン粒子（４）と、この第１のカーボン粒子（４）よりも平均サイズが大きい球状の第２のカーボン粒子（５）からなるものとし、感圧層（３ａ、３ｂ）に１０〜５０重量％の割合で混入することで、第１、第２の支持部材（１ａ、１ｂ）の少なくとも一方に圧力が印加されたとき、第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間に電圧が印加されていると、第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間に、半導電性物質（４、５）間の直接接触よりも半導電性物質（４、５）間のトンネル伝導現象によって電流が多く流れるようにしたことを特徴としている。
【０００８】
このようにトンネル伝導現象を利用することにより、押圧力に比例して第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間の導通抵抗値が低下し、緩やかな感圧特性を得ることができる。
【０００９】
上記した請求項１に記載の発明において、請求項２に記載の発明のように、第１、第２のセンシング部（１０、１１）において第１、第２の導体層（２ａ、２ｂ）間の印加電圧が異なるようにすれば、感圧特性を検知領域に応じて個別に設定することができる。
【００１０】
なお、半導電性物質（４、５）として、請求項１に記載の発明では、りん片状の第１のカーボン粒子（４）と球状の第２のカーボン粒子（５）からなるものとしているので、形状の異なる半導電性物質によってトンネル伝導現象を生じ易くすることができる。
【００１１】
また、請求項１に記載の発明では、半導電性物質（４、５）として、第１のカーボン粒子（４）と、この第１のカーボン粒子（４）よりも平均サイズが小さい第２のカーボン粒子（５）からなるものとしているので、そのサイズ比によって導通抵抗値の設定を容易に行うことができる。
【００１２】
この場合、請求項３に記載の発明のように、第２のカーボン粒子（５）の平均サイズを第１のカーボン粒子（４）の平均サイズの２倍以上とすれば、トンネル伝導現象を生じ易くすることができる。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明のように、第１、第２のカーボン粒子（４、５）とも平均サイズが０．５〜１０μｍになるようにすれば、押圧力に対する導通抵抗値を安定して調整することができる。さらに、このサイズにすることで、半導電性物質粒子同士の凝集を防止し、均一に絶縁材料層に分散することができるため、粒子間および粒子表面に薄い絶縁層を形成して、トンネル伝導現象を発生しやすくすることができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明のように、第１のカーボン粒子（４）と第２のカーボン粒子（５）とが、互いに導電率が異なるものとすれば、その配合比によって導通抵抗値の設定を容易に行うことができる。
【００１５】
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の一実施形態に係る感圧変換装置の断面構成を示す。この感圧変換装置は、例えば乗員の体重に応じてエアバッグの展開速度を変化させることができる自動車用のエアバッグ装置の乗員センサ、あるいは介護用ベッドにおける体重の分布を検知するセンサとして用いることができるものである。
【００１７】
図１において、シート状部材をなす樹脂フィルム（ベース基板）１ａの表面には電極２ａがパターン形成されており、その表面には第１の感圧層３ａが形成されている。また、樹脂フィルム１ｂの表面には電極２ａと同一パターンで電極２ｂが形成されており、その表面には第１の感圧層３ａと対向する第２の感圧層３ｂが形成されている。
【００１８】
感圧層３ａ、３ｂは、導電性が高く平均サイズ（平均粒子径）が小さいりん片状カーボン粒子４と、導電性が低く平均サイズが大きいアモルファス系カーボン粒子５を含み、それらを弾性を有する樹脂系バインダー（例えば、高ガラス転移点を有するポリエステル系樹脂のもの）６で固めた構成、すなわち絶縁材料層６中に粒子状の２種類のカーボン粒子４、５を分散させた構成になっている。このように感圧層３ａ、３ｂに、形状、平均サイズが異なる２種類のカーボン粒子４、５を含ませることにより、カーボン粒子の密度を高くし、カーボン粒子間の平均距離を小さくすることができ、樹脂フィルム１ａ、１ｂの少なくとも一方に圧力が印加されたとき、カーボン粒子間の平均距離をトンネル伝導現象が生じる１００ｎｍ以下にすることができる。
【００１９】
なお、感圧層３ａ、３ｂの間には、図１では図示されないスペーサによって多少の隙間（空気層）が形成されているが、感圧層３ａ、３ｂの表面は樹脂系バインダー６で大部分が覆われているため、感圧層３ａ、３ｂは部分的に接触していてもよい。
【００２０】
図２に、樹脂フィルム１ａ、１ｂの少なくとも一方に圧力が印加された、すなわち押圧力が加えられた状態を示す。
【００２１】
この状態においては、図に示すように、感圧層３ａ、３ｂの表面が多くの部分で接触し、また感圧層３ａ、３ｂ中のカーボン粒子間の平均距離が縮小し、カーボン粒子間の平均距離が１００ｎｍ以下になる。このとき、電極２ａ、２ｂ間に電圧が印加されていると、トンネル伝導現象が生じて電極２ａ、２ｂ間の導通抵抗値が低下する。すなわち、カーボン粒子間の平均距離が１００ｎｍ以下であると、カーボン粒子間のショットキー効果によるポテンシャル障壁が低下し、トンネル伝導電子が増加し、電極２ａ、２ｂ間の導通抵抗値が低下する。
【００２２】
その結果、図３に示すように、トンネル電流ｉが流れる。このトンネル電流ｉは、数式１で表わされる。
【００２３】
【数１】
0004089082.tif 000002
ここで、Φは、カーボン粒子間距離によるポテンシャル障壁、Ｖは印加電圧、ｋはボルツマン定数、Ｔはケルビンである。
【００２４】
この数式１から分かるように、トンネル伝導現象によって流れるトンネル電流は、カーボン粒子間距離に反比例（但し、１次比例ではない）して増加する。その結果、図４に示すようにカーボン粒子間距離が１００ｎｍ以下になると導通抵抗値が徐々に低下する。従って、押圧力に比例して導通抵抗値が低下することになるため、導通抵抗値を測定することにより押圧力の大きさを検知することができる。
【００２５】
このようにトンネル伝導現象を利用することによって、押圧力を検知する際の感圧特性を緩やかにすることができる。
【００２６】
なお、上記した押圧力の印加時において、電極２ａ、２ｂ間には、トンネル伝導現象のみによって電流が流れるのではなく、カーボン粒子間の直接接触によっても電流が流れる。しかしながら、電極２ａ、２ｂ間に流れる電流は、トンネル伝導現象によって流れる電流が主で、カーボン粒子間の直接接触によって流れる電流よりも多くなっている。
【００２７】
また、上記した感圧層３ａ、３ｂには、平均サイズが異なる２種類のカーボン粒子４、５が含まれているため、感圧層３ａ、３ｂ中のカーボン密度を高くすることができるが、その平均サイズの比率が小さいと、導電性が悪くトンネル伝導現象が生じにくくなる。トンネル伝導現象を生じ易くするためには、平均サイズの比率を２倍以上にするのが好ましい。
【００２８】
また、上記した感圧層３ａ、３ｂは、印刷、吹き付け等の技術によって膜状に形成される。ここで、本発明者等の考察によれば、カーボン粒子の平均サイズを１０μｍより大きくすると、膜状に形成された感圧層３ａ、３ｂの表面よりカーボン粒子が突出し、カーボン粒子の直接接触が増えて押圧力の印加時に導通抵抗値が急激に低下してしまう。また、カーボン粒子の平均サイズを０、５μｍより小さい微細なものにすると、微細粒子同士の凝集による２次連鎖の形成によって押圧力の印加時に導通抵抗値が急激に低下してしまう。従って、上記したトンネル伝導現象を利用し、押圧力に対する導通抵抗値を安定して調整できるようにするためには、カーボン粒子の平均サイズを０、５μｍ以上１０μｍ以下にするのが好ましい。
【００２９】
また、感圧層３ａ、３ｂに含ませる２種類のカーボン粒子４、５の導電率を異なるものとしているから、その配合比を調整することによって、押圧力に対する導通抵抗値を安定して調整することができる。
【００３０】
また、感圧層３ａ、３ｂに含ませるカーボン粒子４、５の配合比は、その配合比が小さいとカーボン粒子の密度が低くなってトンネル伝導現象が生じにくく、また配合比が大きいとカーボン粒子間の直接接触が増えてトンネル伝導現象が生じる割合が低くなる。従って、その配合比としては、１０〜５０重量％とするのが好ましい。
【００３１】
また、上記した数式１から分かるように、印加電圧Ｖが大きくなるほどショットキー効果によるポテンシャル障壁が低下するため、印加電圧Ｖに対する導通抵抗値Ωの特性が変化する。図５に、押圧力として７０ｇ／ｃｍ2 、１００ｇ／ｃｍ2 、２００ｇ／ｃｍ2 を加えたときの印加電圧Ｖに対する導通抵抗値Ωの変化を示す。この場合、測定に用いた感圧層３ａ、３ｂは、りん片状カーボン粒子４とアモルファス系カーボン粒子５の平均サイズがそれぞれ１μｍと５μｍで、両者の配合比が１対１であり、それらを感圧層３ａ、３ｂ内に４０重量％混入させたものとしている。
【００３２】
この図からわかるように、印加電圧Ｖが大きくなると、導通抵抗値Ωが減少する。また、その変化特性は、押圧力によって変化する。これは、感圧層３ａ、３ｂは、トンネル伝導現象を利用してトンネル電流を流すようにしたものであるので、同一押圧力、同一カーボン粒子間距離であっても、印加電圧を変えると、ポテンシャル障壁の大きさが変わり、トンネル電流が変化するためである。なお、従来の直接接触を利用したものでは、押圧力の印加時に直接接触（オーミック接触）による電流が流れるため、導通抵抗値は一定であり、電圧依存性を有していない。
【００３３】
従って、印加電圧をパラメータとして感圧特性を変えた感圧変換装置を構成することができる。図６に、その感圧変換装置の具体的な構成の平面図を示す。この図６において、実線で示す部分は、上側の電極２ｂを示し、図中の丸の点線で示す部分は、感圧層３ａ、３ｂを示している。
【００３４】
この図６に示す実施形態においては、検知領域に応じて感圧特性が異なるようにしている。すなわち、図６中のセンシング部１０、１１におけるＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面を示す図７（ａ）、（ｂ）において、センシング部１１では、下側の感圧層３ａに接触する電極２ａに固定抵抗７が挿入されて、電極２ａ、２ｂ間の印加電圧が低くなっており、センシング部１０ではそのような固定抵抗７の挿入がなく電極２ａ、２ｂ間の印加電圧が高くなっている。従って、それぞれの部位における印加電圧を異ならせることによって、感圧特性を検知領域に応じて個別に設定することができる。
【００３５】
なお、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、感圧層３ａ、３ｂは空気層を介して対向配置されており、その周囲領域にはスペーサ８が形成されている。このスペーサ７としては、両面に接着剤が塗布されたポリエステルフィルムを用いることができる。
【００３６】
以上述べた実施形態においては、第１の半導電性物質としてアモルファス系カーボン粒子５を用い、第２の半導電性粒子としてりん片状カーボン粒子４を用いるものを示したが、そのいずれか一方にＳｎＯ2 、Ｉｎ2 Ｏ3 、ＭｏＳ2 などの金属酸化物半導体および金属硫化物半導体を用いてもよい。また、それら以外の他の半導電性物質を用いてもよい。この場合、その平均サイズ、配合比などについて上記したのと同様のものとすれば、同様の効果を得ることができる。
【００３７】
また、半導電性物質としては、粒径が１０ｎｍ程度のカーボンブラックのみとしてもよい。このように微細なカーボン粒子を用いた場合、微細なカーボン粒子が２次凝集する。そこで、カーボン粒子が２次凝集するレベルを制御することにより、樹脂系バインダー６中に微細なカーボン粒子とカーボンの２次凝集粒子とを分散させることができ、カーボン粒子間の平均距離をトンネル伝導現象が支配的に生じる１００ｎｍ以下にすることができる。この場合、カーボンの２次凝集粒子の平均サイズとしては、上記した実施形態と同じく、０、５μｍ以上１０μｍ以下にするのが好ましい。また、感圧層３ａ、３ｂに含ませるカーボン粒子の配合比も上記した実施形態と同じく１０〜５０重量％にするのが好ましい。
【００３８】
また、上記した実施形態においては、絶縁性材料層として樹脂系バインダー６を用いるものを示したが、バインダーとしては樹脂系以外にゴム系のものを用いることができる。但し、ゴム系バインダーの場合、圧縮クリープにより長期安定性に欠けるという問題があるので、樹脂系バインダーを用いる方が好ましい。
【００３９】
また、感圧層３ａ、３ｂの表面は樹脂系バインダー６によって覆われているため、スペーサ８を無くし、感圧層３ａ、３ｂを接触させた状態にしたものであってもよい。また、樹脂フィルム１ａ、１ｂに感圧層３ａ、３ｂをそれぞれ設けるものを示したが、樹脂フィルム１ａ、１ｂのいずれか一方にのみ感圧層を設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る感圧変換装置の断面図である。
【図２】  図１に示すものに対し押圧力が加えられた状態を示す断面図である。
【図３】  トンネル電流が流れる状態を示す図である。
【図４】  カーボン粒子間距離と導通抵抗値の関係を示す図である。
【図５】  印加電圧Ｖに対する導通抵抗値Ωの変化状態を示す図である。
【図６】  感圧変換装置の具体的な構成を示す平面図である。
【図７】  （ａ）は図６中のＡ−Ａ断面を示す図であり、（ｂ）は図６中のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ…樹脂フィルム、２ａ、２ｂ…電極、３ａ、３ｂ…感圧層、４…りん片状カーボン粒子、５…アモルファス系カーボン粒子、６…樹脂系バインダー、７…固定抵抗、８…スペーサ。
【図１】
0004089082.tif 000003
【図２】
0004089082.tif 000004
【図３】
0004089082.tif 000005
【図４】
0004089082.tif 000006
【図５】
0004089082.tif 000007
【図６】
0004089082.tif 000008
【図７】
0004089082.tif 000009