JP5114790B2 - 感圧導電性材料 - Google Patents

Description

本発明は、感圧素子として利用するのに好適な感圧導電性材料に関する。

従来、圧力センサー等の感圧素子を製造する際に利用される感圧導電性材料としては、母材となる合成ゴムや熱可塑性エラストマーに対して、金属系または炭素系の粒子や短繊維を、導電性フィラーとして配合したものが知られている。

例えば、下記特許文献１には、シリコーンゴムを母材として、その母材中に金属めっき粒子を配合してなる感圧導電性シリコーンゴム組成物が開示されている。また、このような感圧導電性シリコーンゴム組成物は、加圧、圧縮変形に対し良好な抵抗値の変化を示し、圧力センサー、圧力接点スイッチ、コネクター等として好適に用いられるとされている。
特開２００４−３２３６５２号公報

しかしながら、従来の感圧導電性材料は、後述するような複数の問題の内、ある問題を改善しようとすると、他の問題が顕在化してしまう傾向があり、それらの問題すべてを改善するのは容易なことではなかった。

具体的には、従来の感圧導電性材料には、（１）過剰に抵抗値が高いため低電圧での利用が困難、（２）柔軟性や緩衝性に欠ける、（３）圧力が比較的大きく変動しても抵抗値の変動幅が狭い、（４）逆に、圧力が僅かに変動しても過剰に大幅に抵抗値が変動してしまう、といった欠点を有するものも多い。

こうした問題に対し、例えば、上記欠点（２）を改善したい場合、一般的な手法としては「樹脂材料を発泡させる」といった対策も考えられる。しかし、感圧導電性材料を発泡させると、導電性フィラーの形成する導電経路が気泡によって寸断されるため、抵抗値が上昇して上記欠点（１）が顕在化する。

また、上記欠点（１）を改善したい場合、一般的な手法としては「導電性フィラーの配合率を高める」といった対策も考えられる。しかし、このような対策をとると、材料が硬くなりやすく、上記欠点（２）が顕在化する。特に、グラファイト粉末等で導電性を得るには配合量を多くする必要があるため、柔軟性が損なわれたり、脆性が過剰に高くなったりする傾向が強い。

あるいは、上記欠点（１）を改善したい場合、より電気抵抗の低い銀系フィラーなどを利用することも一案であるが、金属系フィラーには耐食性が低いという問題があり、用途によっては、長期信頼性に劣る点で問題がある。

さらに、どの程度の圧力が作用しているのかをアナログ的に検出したい場合、上記（３）のような特性を持つものは、抵抗値の僅かな変化で圧力の変化を検出することになるので、僅かなノイズの影響で検出誤差が大きくなりやすいという問題がある。

しかし、上記（４）のような特性を持つものでも、ＯＮ−ＯＦＦだけを見るスイッチとして利用する分には問題はないが、圧力の幅広い変化を検出するには好ましくない。
つまり、従来の感圧導電性材料には、未だ改良の余地がいくつも残されており、特にこれらの欠点すべてを解消することは、きわめて困難であった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、比較的低電圧での利用が可能で、柔軟性や緩衝性に優れ、圧力の変動幅に応じて抵抗値がきわめて大幅に変動することで、圧力検出精度も向上させることができる感圧導電性材料を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明においては、次のような構成を採用した。
すなわち、本発明の感圧導電性材料は、母材となる樹脂材料中に、当該樹脂材料１００重量部に対する重量比で５〜２５重量部の気相成長炭素繊維が配合された導電性樹脂組成物に対し、前記樹脂材料中で独立気泡を形成可能な発泡剤を、前記樹脂材料１００重量部に対する重量比で１〜２０重量部添加することにより、前記導電性樹脂組成物を１．５〜４倍に発泡させてなることを特徴とする。

このように構成される本発明の感圧導電性樹脂材料によれば、比較的低電圧での利用が可能で、柔軟性や緩衝性に優れ、圧力の変動幅に応じて抵抗値がきわめて大幅に変動することで、圧力検出精度も向上させることができる。

すなわち、本発明の場合、導電性樹脂組成物を発泡させてあるので、従来品に比べ、柔軟性や緩衝性が比較的優れたものとなる。しかも、本発明においては、導電性フィラーとして気相成長炭素繊維を利用しているので、導電性樹脂組成物を発泡させてあるにもかかわらず、比較的抵抗値を低く抑えることができ、低電圧での利用が可能となる。

この点、他の一般的な炭素繊維や炭素系粒子、金属めっき粒子などを導電性フィラーとして利用する従来品の場合、発泡させると導電性フィラーの形成する導電経路が気泡により寸断されるため、本発明ほど抵抗値を低くすることは困難である。

また、本発明の場合、導電性フィラーとして気相成長炭素繊維を利用しているので、単に抵抗値が低くなるだけにとどまらず、抵抗値の変動幅が広くなり、これにより、圧力検出精度も向上させることができる。

この点に関し、気相成長炭素繊維を利用した場合に、抵抗値の変動幅が格段に広くなる理由は、明確に解明されてはいない。ただし、気相成長炭素繊維は、一般的な炭素繊維よりも細くて短いため、同重量の導電性フィラーを配合した場合でも、繊維の総数が格段に多く、気泡間にある僅かな連続部分にも導電経路が形成されやすく、このことが良好な特性が発現する要因の一つではないかと推察される。

ちなみに、樹脂材料中に気相成長炭素繊維を配合すること自体は既に実施されている技術であり、また、樹脂材料を発泡させる技術そのものも広く知られた技術である。しかし、発泡させた樹脂材料中に気相成長炭素繊維を配合した場合に、感圧導電性樹脂材料として優れた特性が発現することは、本件発明者が知る限り、過去に類例のない技術である。

特に、この種の感圧導電性材料においては、母材の発泡は必ずしも好ましいことではなく、例えば、上記特許文献１の段落［００２３］の記載を見ても、発泡を問題視する旨が示唆されている。しかし、本発明は、このような技術常識にとらわれることなく、気相成長炭素繊維を配合した導電性樹脂組成物を、あえて発泡させるという特異な手段を採用し、その結果、上述のような優れた特性を発現させたものである。

このような優れた特性を備えた本発明の感圧導電性樹脂材料を利用すれば、従来品以上に感圧素子の性能を大幅に改善することができるものと期待でき、例えば、パーソナルコンピュータのタッチパッド、ゲーム機のコントローラ、その他、アナログ的に圧力の程度を検知するための圧力センサーの性能を向上させることができる。

また、母材となる樹脂材料についても、必要とする性能が発現する材料であれば、各種合成ゴムや熱可塑性エラストマーなどを任意に利用できるが、その中でも、シリコーンゴムを母材として利用すると、感圧導電性樹脂材料としては好適なものとなる。

さらに、気相成長炭素繊維の物性についても、必要とする性能が発現するものであれば特に限定されないが、一例を挙げれば、直径が０．０１μｍ〜０．２μｍ、繊維長が１μｍ〜５００μｍ、アスペクト比が１０〜５００のものを採用すると好ましい。

また、発泡剤については、独立気泡を形成可能なものが利用される。このような構成を採用することにより、吸湿性を低くすることができるので、吸湿に伴う特性変化などが生じにくい感圧導電性樹脂材料とすることができる。

次に、本発明の実施形態について一例を挙げて説明する。
まず、下記表１に示すような配合比で、母材となるシリコーンゴム中に各導電性フィラーを配合するとともに、一部のものについては発泡剤を配合した。

なお、上記表１中、シリコーンゴムとしては、二液型のシリコーンゲル組成物（品名：ＣＹ５２−２７６、東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製）および硬化促進剤（ＲＤ−１、東レ・ダウコーニング・シリコーン株式会社製）を利用した。また、気相成長炭素繊維は、昭和電工株式会社製の市販品（品名：ＶＧＣＦ（登録商標）−Ｈ、平均繊維径１５０ｎｍ、繊維長１０〜２０μｍ）を利用し、発泡剤としては、大日精化工業株式会社製の市販品(品名：ダイフォームＨ８５０）を利用した。

また、比較例として挙げた試作品において導電性フィラーとして利用した比較用炭素繊維は、繊維径１０μｍの市販品（品名：ダイアリード（登録商標）Ｋ２２３ＳＥ、三菱化学産資株式会社製）である。また、銀めっきウィスカーとしては、大塚化学株式会社製の市販品（品名：スーパーデントール（登録商標）ＳＤ１００）を使用し、人造黒鉛としては、昭和電工株式会社製の市販品（品名：ＵＦ−Ｇ３０）を使用した。

以上のような各組成物を、次のような手順で混練し、シート状の成形品に加工した。すなわち、まず、所定量計量した各原料は、脱泡ミキサー(小平製作所製ＡＣＭ−５ＬＶＴ型)を用いて常温下で１０分間撹拌混合した。次に、前記撹拌混合物を２ｍｍの高さになるよう型枠に流し込み、型枠ごと１１０℃の恒温槽内で５分間加熱してシリコーンゴムの硬化を促進させる。

次に、ゴム状に硬化した前記混合物を型枠から取り出して１７０℃の恒温槽に移し、１０分間加熱する。この加熱により発泡剤の発泡が開始され、発泡した材料が得られる。なお、発泡剤を添加しない比較例においては、型枠に流し込む高さを３ｍｍとし、その後同一条件で加熱した。

以上のような手順で製造した各シート状材料から、５０×５０×３ｍｍの試験片を切り出して、各試験片について、圧力と抵抗率との関係を、引張圧縮試験機（ミネベア株式会社製；ＴＣＭ−５０）に図１に示すような材料試験装置を組み合わせて測定した。

図１に示す材料試験装置は、絶縁性の下圧縮盤１の上に載せられた試験片Ｓを絶縁性の上圧縮盤３で挟み、引張圧縮試験機により上下圧縮可能な構造になっていて、引張圧縮試験器により圧縮量を任意に変更して、そのときに試験片Ｓに作用する圧力を測定可能となっている。なお、この試験例では、クロスヘッドスピードを２０ｍｍ／ｍｉｎとした。

また、試験片Ｓと下圧縮盤１との間には一対の電極５を配置して、電極５間の抵抗値をマルチメーター７で測定できるように構成した。各電極５の試験片Ｓに対する接触面は直径１０ｍｍの円形とし、電極の中心間距離は２０ｍｍとした。測定結果を図２〜図４に示す。

図２から明らかなように、実施例Ａ１は、圧力の変動幅に応じて抵抗値がきわめて大幅に変動し、感圧導電性樹脂材料としての特性に優れたものであった。一方、図３に示したように、比較例ａ１は、実施例Ａ１と同じ導電性フィラーを用いているものの、発泡剤が配合されていないため、実施例Ａ１ほど抵抗値が大幅に変動しないものとなった。

このような傾向は、炭素繊維の種類を変更しても同じであり、例えば、比較例ａ２などは、さらに抵抗値の変動幅が小さいものとなった。また、比較例ａ１，比較例ａ２は、発泡させていないため密度が高く、実施例Ａ１ほど柔軟性や緩衝性を高くすることは困難であった。

さらに、実施例Ａ１において、上記のように抵抗値が大幅に変動する特性は、母材を発泡させたことのみに起因して生じる特性ではない。このことは、図４に示した比較例ａ３，比較例ａ４を見ると明らかである。

すなわち、これら比較例ａ３，比較例ａ４は、いずれも実施例Ａ１と同様に発泡剤を配合して発泡させたものである。しかし、導電性フィラーとして、気相成長炭素繊維以外を利用しているため、図２と図４とを対比すれば明らかなように、実施例Ａ１ほど抵抗値が大幅に変動しないものとなった。

特に、比較例ａ４は、炭素系導電性フィラーを利用しているという観点からは、実施例Ａ１に近い構成であると考えられるものの、抵抗値が比較的高い領域にあり、低電圧での利用が困難な特性となっていた。

一方、比較例ａ３は、抵抗値が比較的低い領域にあるので、低電圧での利用が容易ではあるが、実施例Ａ１ほど大幅に抵抗値が変動しないので、圧力の僅かな変化を抵抗値に基づいて判断することが、実施例Ａ１ほど容易ではないものとなった。

以上の説明から明らかなように、実施例Ａ１として挙げた感圧導電性材料であれば、比較例ａ４などに比べ低電圧での利用が可能で、比較例ａ１，ａ２などに比べ柔軟性や緩衝性に優れ、さらに、比較例ａ１〜比較例ａ４に比べ、圧力の変動幅に応じて抵抗値がきわめて大幅に変動するので、これにより、圧力検出精度を向上させることができる感圧導電性材料となる。

次に、発泡剤の配合比と特性の関係を調べるため、下記表２に示すような配合比で発泡剤を配合した。なお、母材（シリコーンゴム）および導電性フィラー（気相成長炭素繊維）の配合比は固定した。

これらの各組成物は、上述の実験例と同様にシート化し、そこから切り出した試験片について、上述した通りの試験を実施した。測定結果を図５に示す。

図５から明らかなように、実施例Ｂ１〜実施例Ｂ４は、いずれも圧力の変動幅に応じて抵抗値がきわめて大きく変化し、その変動幅は、比較例ｂ１を大きく上回る結果となった。

最も発泡倍率が低い実施例Ｂ１で発泡倍率はおよそ１．５倍、最も発泡倍率が高い実施例Ｂ４で発泡倍率はおよそ４倍なので、この事実から発泡倍率を１．５〜４倍程度に設定すると、抵抗値の変動幅が大きくなり、感圧導電性材料としての特性を改善できることが判明した。

なお、発泡倍率はさらに大きくすることも可能であるが、実施例Ｂ４を見ると明らかなように、発泡倍率が大きくなると抵抗値は全体的に高くなってゆく傾向がある。したがって、いたずらに発泡倍率を高めても、抵抗値の変動幅が大きくならない割には、抵抗値が高くなってゆくことになるので、この抵抗値上昇という問題と上述した感圧導電性材料としての特性改善ができる発泡倍率との双方を考慮すれば、発泡倍率は４倍以下にすることが好ましいと考えられる。

ちなみに、気相成長炭素繊維以外の導電性フィラー（上述の比較用炭素繊維、銀めっきウィスカー、人造黒鉛）についても、発泡剤の配合比を増量する実験を行ったが、いずれも抵抗値が高くなりすぎて、ほぼ絶縁状態になってしまった。

また、上記のような発泡剤の増量によって高くなりすぎた抵抗値を下げるため、さらに導電性フィラーの配合比を高めたところ、混合後に脆性が高くなりすぎて、一定形状に硬化させることができなくなってしまった。

したがって、気相成長炭素繊維以外の導電性フィラー（上述の比較用炭素繊維、銀めっきウィスカー、人造黒鉛）では、発泡剤による性能改善は困難であり、気相成長炭素繊維の持つ特異な物性と発泡剤とを組み合わせることで、初めて感圧導電性材料としての特性を改善できることが判明した。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。
例えば、上記実施形態では、母材としてシリコーンゴムを用いる例を示したが、母材については、感圧導電性材料としての特性を損なわないものであれば、各種合成ゴムや天然ゴム、熱可塑性エラストマーなどを利用することができる。

性能試験に用いた装置の概略構成を示す説明図。 実施例Ａ１の特性を示すグラフ。 比較例ａ１および比較例ａ２の特性を示すグラフ。 比較例ａ３および比較例ａ４の特性を示すグラフ。 実施例Ｂ１〜実施例Ｂ４および比較例ｂ１の特性を示すグラフ。

符号の説明

１・・・下圧縮盤、３・・・上圧縮盤、５・・・電極、７・・・マルチメーター。

Claims (3)

1. 母材となる樹脂材料中に、当該樹脂材料１００重量部に対する重量比で５〜２５重量部の気相成長炭素繊維が配合された導電性樹脂組成物に対し、前記樹脂材料中で独立気泡を形成可能な発泡剤を、前記樹脂材料１００重量部に対する重量比で１〜２０重量部添加することにより、前記導電性樹脂組成物を１．５〜４倍に発泡させてなる
   ことを特徴とする感圧導電性材料。
2. 前記樹脂材料は、シリコーンゴムである
   ことを特徴とする請求項１に記載の感圧導電性材料。
3. 前記気相成長炭素繊維は、直径が０．０１μｍ〜０．２μｍ、繊維長が１μｍ〜５００μｍ、アスペクト比が１０〜５００のものである
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の感圧導電性材料。