JP4528878B1 - 感圧センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】荷重を感知する感圧センサにおいて、前記第2の基板3の表面に、非導電性粒子6aを含有した絶縁性を有する樹脂によって凹凸層6が形成され、かつ前記凹凸層6の表面に、少なくともカーボン粉末を含有した抵抗体層7が形成された感圧センサであって、前記非導電性粒子6a間における凹凸層6の膜厚と抵抗体層7の膜厚の総厚さが、凹凸層に含有される非導電性粒子6aの粒径よりも小さく、かつ前記非導電性粒子6a上及び前記非導電性粒子6a間に、少なくとも抵抗体層7が形成されている。
【選択図】図2
Description
そして、この感圧センサ20は、第1及び第2の基板22,24の少なくとも一方に加わる荷重Pの増加に比例して、一対の電極層21と抵抗体層23との接触面積が増加するように構成されている。また、感圧センサ20の抵抗体層23は、通常円形の形状を有しており、導電性レジンペーストを第2の基板の表面に塗布して乾燥することにより形成されている。
そのため、第1の基板、第2の基板として比較的軟質の基板を用いた場合には、小さな荷重で大きく抵抗値が変化するためセンサ感度は高いものの、比較的小さな荷重で電極層と抵抗体層の全面積が接触してしまい、荷重の検出範囲が狭いという課題があった。
一方、第1の基板、第2の基板として、比較的硬質の基板を用いた場合には、小さな荷重では第1の基板、第2の基板の変形が生じないため、小さな荷重を検出できないという課題があった。
その結果、抵抗体層の柔軟性、抵抗体層表面の凹凸等が関係していることを追求し、本発明を想到するに至ったものである。
そして荷重が増加すると基板がより変形し、非導電性粒子上の前記抵抗体層と電極層との接触面積が徐々に増加し、抵抗値が滑らかに変化する。
一方、前記非導電性粒子の粒径が100μmを超える場合には、絶縁性を有する樹脂によって非導電性粒子を第2の基板に固定できないため、好ましくない。
前記凹凸層の膜厚は含有される非導電性粒子の粒径による。即ち、大きな粒径の非導電性粒子を用いる場合には、凹凸層の膜厚も大きくなる。
また、前記非導電性粒子が、セラミックス粒子、あるいは合成樹脂粒子からなることが望ましい。具体的には、二酸化ケイ素粒子、アルミナ粒子等のセラミックス粒子、あるいはウレタンビーズ等の合成樹脂粒子を、非導電性粒子として好適に用いることができる。
このように、抵抗体層にシリコン樹脂が含有されているため、抵抗体層は柔軟性を有する。その結果、荷重が加えられた際、非導電性粒子間の抵抗体層が変形し、電極層と徐々に接触し、大きな荷重に対して抵抗値を変化させることができ、広範な荷重検出範囲とすることができる。
また、カーボン粉末が1重量%未満の場合には抵抗値が大きくなり過ぎ、10重量%を超える場合には、抵抗値が小さくなり過ぎ好ましくない。抵抗値が数キロオーム〜数十キロオームの範囲内に入るようにカーボン量が設定される。
更に抵抗体層の膜厚が小さくなれば抵抗値が大きくなり、一方、抵抗体層の膜厚が大きくなれば抵抗値が小さくなる。したがって、前記抵抗体層の膜厚はカーボン粉末の含有量を加味し、抵抗値が数キロオーム〜数十キロオームの範囲内に入るように設定される。
尚、第2の基板は、絶縁性シートであれば特に限定されるものではないが、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,ポリイミド等の材質を用いることができる。
このように、第2の基板の表面に、非導電性粒子を含有した凹凸層を形成し、その後に凹凸層の表面に抵抗体層を形成することにより、前記非導電性粒子上に抵抗体層を形成することができる。
第1の基板2は、一対の電極層5A,5B(櫛形電極)が形成できる絶縁材料であれば材質は問わないが、例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂,ポリエチレンナフタレート樹脂,ポリイミド樹脂、ガラスエポキシ樹脂等の絶縁性を有する合成樹脂のシートを用いることができる。また第1の基板2の厚さは特に限定されないが、第1の基板2が荷重により変形させる場合には、第1の基板2の厚さt1は、25μm〜250μm程度であることが望ましい。
また、前記一対の電極層5A,5Bは、図6〜図8に示した前記一対の電極21A,21Bと同様な形状に形成されている。前記一対の電極層5A,5Bは銀あるいは銅により構成され、膜厚t5は、特に限定されないが、5μm〜40μmに形成されている。
そして、二酸化ケイ素の粒子6a間における凹凸層6の厚さt3は、10μm〜30μmに形成されている。即ち、二酸化ケイ素の粒子6a間における凹凸層6の厚さt3は二酸化ケイ素の粒径Dよりも小さく形成され、この二酸化ケイ素粒子6aよって凹凸層6(凹凸層6の凸部)が形成される。
尚、非導電性粒子を含有した凹凸層6を形成する際、前記非導電性粒子上に前記絶縁性を有する樹脂膜が形成されなくても良いが、樹脂膜が形成されているのが好ましい。
前記非導電性粒子の外形に突起等が存在する場合がある。そのため、前記非導電性粒子上に樹脂膜が形成されていない場合には、前記突起によって樹脂膜(凹凸層6)の上面に形成される、後述する抵抗体層7に破損が生じ、非導電性粒子が露出する虞があるためである。即ち、前記非導電性粒子上に、抵抗体層を形成することができない虞が生じるためである。
前記凹凸層6の厚さt3と抵抗体層7の厚さt4との総和が、含有される二酸化ケイ素の粒径D以上の場合には、図3に示す空間部S(非接触領域)が形成されず、荷重を加えた際、抵抗体層7全体が電極層5に接するため、好ましくない。
このとき、二酸化ケイ素粒子6a部分の抵抗体層7が既に一対の電極層5A,5Bと接触しているため、荷重変化に対する抵抗値の変化は小さいが、二酸化ケイ素粒子6a間の抵抗体層7を電極層5に徐々に接触させることにより、荷重変化率に対する抵抗値の変化率(ΔR/ΔP)をより大きくすることができ、大きな荷重まで検出でき、広範な荷重検出範囲を得ることができる。
前記抵抗体層7にシリコン樹脂が1重量%〜5重量%含有されているため、荷重が加えられた際、二酸化ケイ素粒子間の抵抗体層が容易に変形し、第2の基板3の変形に対する追従性が良く、電極層5と徐々に接触させることができる。
尚、従来技術で説明したように、抵抗体層にスリットを形成し荷重の検出精度を高めるようになしても良い。
このように、まず第2の基板の表面に凹凸層を形成することにより、非導電性粒子を第2の基板の表面に固定することができる。そして非導電性粒子を第2の基板の表面に固定した後、前記凹凸層の表面に抵抗体層を形成することにより、前記非導電性粒子上にも一定の厚さを有する抵抗体層を形成することができる。
尚、非導電性粒子を含有した凹凸層を形成する際、前記非導電性粒子上に絶縁性を有する樹脂膜が形成され、更にその上に抵抗体層が形成されていることが望ましい。
第1の基板として、125μmのガラスエポキシ樹脂を用い、その表面にエッチングにより、銅よりなる一対の電極(櫛形電極)を形成した。この電極の厚さを38μmとした。第2の基板は、厚さ125μmポリエチレンテレフタレート樹脂シートを用いて、その第2の基板の表面に、二酸化ケイ素粒子を含有した凹凸層6を形成した。前記凹凸層6は、ポリエステル系樹脂、粒径が50μmの二酸化ケイ素を、10重量%含有され、厚さ20μmに形成した。
そして、更に、この凹凸層6の表面に抵抗体層7を形成した。抵抗体層7は、フェノール樹脂に、シリコン樹脂を5重量%、カーボン粉末5重量%含有した材料を用いた。抵抗体層7の厚さを10μmに形成した。
このようにして形成した感圧センサにおいて、荷重変化に対する抵抗値の変化を測定した。その結果を図5に示す。
実施例1における、二酸化ケイ素粒径、二酸化ケイ素含有率、凹凸層膜厚さを表1に示す数値に変更した感圧センサ(比較例1,2)を製作し、荷重変化に対する抵抗値の変化を測定した。尚、シリコン含有率、カーボン粉末含有量、抵抗体層の膜厚等は、実施例1と同一とした。その結果を図5に示す。
2 第1の基板
3 第2の基板
4 スペーサ
5,5 A,5B 電極層
6 凹凸層
6a 非導電性粒子(二酸化ケイ素粒子)
7 抵抗体層
t1 第1の基板の厚さ
t2 第2の基板の厚さ
t3 凹凸層の厚さ
t4 抵抗体層の厚さ
t5 電極層の厚さ
X 接触領域
S 空間部(非接触領域)
Claims (7)
- 第1の基板の表面に電極層が形成され、前記第1の基板とスペーサを介して配置された第2の基板に、前記電極層に対向して抵抗体層が形成され、前記第1の基板、第2の基板の少なくとも一方に加わる荷重の変化によって、電極層に対する抵抗体層の接触面積が変化し、前記接触面積変化に応じた抵抗値変化を検出することによって、前記基板に加えられた荷重を感知する感圧センサにおいて、
前記第2の基板の表面に、非導電性粒子を含有した絶縁性を有する樹脂によって凹凸層が形成され、かつ前記凹凸層の表面に、少なくともカーボン粉末を含有した一定の膜厚の抵抗体層が形成された感圧センサであって、
前記非導電性粒子間における凹凸層の膜厚と前記抵抗体層の膜厚の総厚さが、凹凸層に含有される非導電性粒子の粒径よりも小さく、かつ前記非導電性粒子上及び前記非導電性粒子間に、少なくとも前記抵抗体層が形成されていることを特徴とする感圧センサ。 - 前記非導電性粒子上に絶縁性を有する樹脂膜が形成されると共に、更にその上に抵抗体層が形成されていることを特徴とする請求項1記載の感圧センサ。
- 前記凹凸層は、粒径30μm〜100μmの非導電性粒子を1重量%〜20重量%含有した絶縁性を有する樹脂から形成されると共に、前記凹凸層の膜厚が10μm〜30μmに形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の感圧センサ。
- 前記非導電性粒子が、セラミックス粒子あるいは合成樹脂粒子からなることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の感圧センサ。
- 前記抵抗体層は、シリコン樹脂1重量%〜5重量%とカーボン粉末1重量%〜10重量%とを、少なくとも含有した絶縁性を有する樹脂から形成されると共に、前記抵抗体層の膜厚が5μm〜20μmに形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の感圧センサ。
- 前記第2の基板は、厚さ25μm〜250μmの絶縁性シートからなることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の感圧センサ。
- 前記請求項1乃至請求項6のいずれかに記載された感圧センサの製造方法において、
前記第2の基板の表面に、非導電性粒子を含有した凹凸層を形成する工程と、
前記凹凸層を形成した後、前記凹凸層の表面に抵抗体層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする感圧センサの製造方法。
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